可見光電視攝像機整機MTF測量裝置及方法

康登魁，楊鴻儒，袁 良,2，姜昌錄，王 雷，陳潔婧，王生云

（1.西安應用光學研究所 國防科技工業(yè)光學一級計量站，陜西 西安 10065；2.北京理工大學 光電學院，北京 100081）

引言

可見光電視攝像機作為光電跟蹤、識別瞄準、航空測控、空間光通信等領域的關鍵載荷之一，已廣泛應用于航空、船舶、光電火控、制導等軍事領域以及機器視覺檢測、機器人導航、工業(yè)檢測、醫(yī)學分析等民用領域。作為光電系統(tǒng)的圖像輸入設備，可見光電視攝像機的成像質量直接決定著光電系統(tǒng)的作用距離、視場范圍、圖像精度和動態(tài)響應等關鍵特性。光學傳遞函數（MTF）是評價光電系統(tǒng)成像質量的關鍵技術指標，它綜合了各種像差及星點檢驗的靈敏度，反映的是被測系統(tǒng)對目標細節(jié)的傳遞能力。

國外對于調制傳遞函數測量儀器開發(fā)較早，美國OPTIKOS 公司、德國TROPTICS 公司、英國IMAGE SCIENCE 公司、波蘭INFRAMAT 公司等都研制和生產調制傳遞函數測量設備。例如：美國Optikos 公司生產的The Optikos OpTest Systems，可以測量MTF、PTF、LSF、PSF、ESF 及像散；德國Trioptics 公司生產的傳遞函數測試儀MTF-Test Stations 可以測量MTF、PTF、有效焦距等多種參數。自上世紀90 年代開始，哈爾濱工業(yè)大學、長春光機所、中航工業(yè)洛陽電光設備研究所等單位也相繼開展了MTF 測量裝置的研究。但是，以上測量裝置都是針對光學系統(tǒng)或鏡頭進行測試，并不能反映可見光電視攝像機的整機成像質量。整機成像性能往往還與光學系統(tǒng)與CCD 的匹配、電子處理電路、圖像轉化精度（如圖像識別精度、圖像匹配精度）有關。目前，隨著光電技術的發(fā)展，對光電系統(tǒng)整機MTF 的測試需求日趨強烈[1-5]。

本文介紹了一種可見光電視攝像機整機成像質量測量方法及測試裝置。通過比對實驗，表明該裝置可以有效完成可見光電視攝像機整機MTF的測試。

1 測量原理

傳統(tǒng)的MTF 測量方法通常有兩類：1）直接法，設置不同空間頻率的正弦靶標，通過觀測系統(tǒng)響應直接得到測試結果；2）間接法，利用刀口靶或狹縫靶獲取圖像計算擴展函數，再通過傅里葉變換得到MTF。間接方法是常用的方法，被國際標準ISO12233 指定為測量MTF 的標準方法。

間接法通過測量線擴散函數LSF 的一系列關于坐標位置的離散抽樣值，變成數字信號后，輸入計算機進行傅里葉變換運算，從而求得光學傳遞函數的方法。

由一維傳遞函數的定義式，光學傳遞函數OTF可以寫成線擴散函數LSF 的傅里葉變換式，即

實際測量時，一般采用傾斜狹縫法。該方法的思想是使狹縫像與探測器單元排列方向存在一定夾角，探測器每行采集到的狹縫像灰度不同，通過對多行狹縫像灰度數據處理，得到插值后的LSF，從而解決采樣率不足的問題。該方法的關鍵是確定亞像元采樣間隔以及多行LSF 曲線插值的間距，只有通過正確間隔進行多行數據插值，才能獲得可靠的高分辨率LSF 曲線，進而獲得無混疊MTF測試結果[6]，如圖1 所示。

圖1 傾斜狹縫法測量原理圖Fig.1 Schematic of tilting slit method

2 測量裝置組成

可見光電視攝像機整機性能測試裝置由目標發(fā)生器系統(tǒng)、光學準直系統(tǒng)、多維調整臺、電器控制系統(tǒng)、圖像/標準視頻采集系統(tǒng)、監(jiān)視器、綜合處理軟件等部分組成，測量裝置的原理圖及實物圖如圖2、圖3 所示。

圖2 測量裝置原理框圖Fig.2 Schematic of measuring device

圖3 電視攝像機MTF 測量裝置實物圖Fig.3 MTF measuring device for TV camera

目標發(fā)生器系統(tǒng)采用三積分球的結構形式，其結構框圖如圖4 所示。該光源系統(tǒng)結構主要由背景積分球、前景積分球、主積分球、燈室、靶輪結構及電動衰減器組成。光源通過準直系統(tǒng)后，在入射主積分球內進行分光，一部分通過背景衰減器進入背景積分球內直接出射。另一束光通過前景衰減器后進入前景積分球，照亮測試目標靶。目標光束和背景光束通過合束鏡進行合束，為待測電視攝像機提供測試目標。

圖4 目標發(fā)生器原理圖Fig.4 Schematic of object generator

視頻采集系統(tǒng)兼顧了模擬與數字標準視頻接口模式，配置了MeteorII 模擬采集卡，視頻輸入模式為NTSC、PAL、RS-170 和CCIR，傳輸速率：130 MB/s。同時，配置了Solios—ECL/XCL 數字采集卡，采樣速率達到85 MHZ，主要用于Cameralink接口的相機進行圖像采集。

3 實驗結果與分析

3.1 等效像元長度的標定

在進行MTF 測量時，首先必須對數據采集系統(tǒng)的等效像元長度進行標定。標定通常采用周期經過校準的四桿靶，如圖5 所示。實驗中采用的四桿靶為(長×寬)為1.849 mm×2.103 mm。選擇四桿靶的相關圖像區(qū)域，通過測量軟件，計算采集到的目標圖像的周期寬度值，根據下式，計算出等效像元長度的標定值[7-9]：

式中：EAL為等效像元長度；P0和P1分別為四桿靶的標準值和測量值；1 024 為圖像采集卡對應的最大像元數。

圖5 等效像元長度的標定Fig.5 Calibration of equivalent pixel length

3.2 實驗結果與討論

采用F400-CV-M2CL 數字攝像機進行實驗，該相機系統(tǒng)參數如下：焦距：400 mm，相對孔徑：F/3.8，靶面尺寸：1″，像元尺寸：7.4 μm×7.4 μm，有效像素數：1 600（H）×1 200(V)，狹縫寬度100 μm。傾斜狹縫圖像如圖6 所示。

圖6 傾斜狹縫圖像Fig.6 Tilting slit image

狹縫傾斜角度的具體方法為：將灰度圖像輸入計算機軟件，得到灰度圖像的數據矩陣，逐行分析LSFi數據。利用最小二乘法對每行的灰度數據系列進行數據擬合，獲得灰度系列LSFi。在選定的圖像處理區(qū)域內，找出每一行灰度值的最大值，其對應的坐標為xmax，，每一行均以xmax為中心，計算xmax兩端對稱像素點的灰度值之差，取絕對值，形成一組差值數列。在數據系列中搜索出任意兩相鄰極小值數據所對應的行數作為插值的行數。則這兩個行數的圖像在探測器列方向上剛好對應了一個像元的寬度。例如：在得到的數值序列中，第130 行和160 行的線擴散函數曲線如圖7 所示，其2 個行數的差在探測器列方向剛好差了一個像元的寬度。則狹縫傾斜的角度為：α=arctan(1/m)=a rctan(1/30)=1.9°。

圖7 第130 行和160 行線擴散函數分布曲線Fig.7 LSF curve of line 130 and 160

根據以上角度，進行插值配準，就可以得到LSF 曲線，采用快速傅里葉變換，并在每個頻率點進行目標寬度校正，可以得到如下的MTF 測量曲線，如圖8 所示[10-11]。

4 與國外儀器的比對驗證

為了驗證測量裝置的有效性，本文采用美國OPTIKOS 公司生產的I-SITE 測量儀進行了比對實驗。美國OPTIKOS 公司是世界上光學成像質量測量設備的先進生產廠家。其I-SITE 測量儀針對可見光電視攝像機MTF 的技術指標為：光譜范圍：（400～1 000）nm，MTF 測量精度±4%，其實物圖9 所示。

圖8 MTF 測量結果曲線Fig.8 MTF measurement result

圖9 I-SITE 測量儀實物圖Fig.9 I-SITE measuring instrument

測試條件如下：

共軛方式：物方無限遠；波長范圍：400 nm～1 000 nm；焦距：400 mm；相對孔徑:F/3.8；方位：子午T；視場角：0°。

本文建立的光電系統(tǒng)整機MTF 測量裝置測量結果如表1 所示。

I-SITE 測量儀 MTF 測量結果如表2 所示。

表1 光電系統(tǒng)整機MTF 測量結果Table 1 MTF measurement results of photoelectric system

表2 I-SITE 測量儀MTF 測量結果Table 2 MTF measurement results of I-SITE

從以上兩表可以看出，兩套裝置的重復性相當，分別為0.007 和0.006。取表1 和表2 中的平均值進行比較，如圖10 所示。其在低頻處存在一定差異，最大測量偏差為0.05，在中頻段和后頻段，MTF 曲線基本趨于一致。

圖10 MTF 測量結果比較曲線Fig.10 Comparison curve of MTF measurement results

經分析，造成低頻段差異較大的主要原因為暗電流或背景校正不合適所引起的。暗電流一般是不均勻的，而且與溫度有關，溫度越高，暗電流越大。如果濾除不足，就會出現MTF 太低，如圖11所示。如果濾除過剩，則會出現MTF 過高，如圖12所示。

因此，在對LSF 數據進行處理時，背景響應或基底電壓必須去除。通?？梢圆捎迷诳臻g域減背景消除。本文采用選頻和放大，將入射光調制成一定頻率的周期信號，在輸出電路中加一鎖相放大器，以濾掉暗電流的直流分量[12-15]。

圖11 背景校正不足對MTF 的影響Fig.11 Effect of insufficient background correction on MTF

圖12 背景校正過剩對MTF 的影響Fig.12 Effect of excess background correction on MTF

5 結論

本文提出了一種基于傾斜狹縫法的亞像元自動差值與匹配算法以及線擴散函數（LSF）的最小二乘擬合分析法，實現了可見光電視攝像機MTF的精確測量。在此基礎上，建立了可見光電視攝像機MTF 測量裝置，測量重復性達到0.007。與美國OPTIKOS 公司的I-SITE 測量儀進行了比較，驗證了裝置的有效性。

隨著機載、車載以及艦載的各類光光電成像系統(tǒng)的廣泛應用，該裝置可以提高系統(tǒng)檢測效率，為光電成像系統(tǒng)設計、裝配和性能提升提供計量保障，具有廣泛的使用價值。