文檔拍攝儀測(cè)試系統(tǒng)搭建及方法研究

鄭春君

（福建省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院，福建福州，350001）

隨著文檔電子化以及無紙辦公等理念的深入人心，越來越多的企業(yè)開始將檔案、資料、圖文、票據(jù)、等文檔經(jīng)過數(shù)字化處理后保存至計(jì)算機(jī)或存儲(chǔ)設(shè)備，此舉不僅解決了大量文檔的歸類、保存和使用問題，也更加便于信息共享與流通，大大提高了商務(wù)領(lǐng)域的辦公和服務(wù)效率。然而傳統(tǒng)的低端文檔影像采集設(shè)備存在著速度慢、能耗高、體積龐大、易出現(xiàn)機(jī)械故障等原因，無法真正提高工作效率，嚴(yán)重影響了文檔數(shù)字化的進(jìn)程。文檔拍攝儀以其專業(yè)的文檔管理、自動(dòng)調(diào)焦拍攝、自適應(yīng)工作環(huán)境光線等特性迎合了追求高效便捷的現(xiàn)代辦公應(yīng)用需求，還相較于傳統(tǒng)的掃描儀展示出了領(lǐng)先的技術(shù)和創(chuàng)新能力。

現(xiàn)如今，文檔拍攝儀企業(yè)如雨后春筍般涌出，國(guó)家已加強(qiáng)了對(duì)文檔拍攝儀的規(guī)范管理，于2019年實(shí)施了GB/T 36473-2018《 信息技術(shù) 文檔拍攝儀通用規(guī)范》。但目前實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有手工儀器操作自動(dòng)化程度仍然不高，工作效率低下。目前實(shí)驗(yàn)室在進(jìn)行文檔拍攝儀性能測(cè)試時(shí)僅能通過人工控制標(biāo)準(zhǔn)反射光源、標(biāo)準(zhǔn)透射式燈箱、各種符合標(biāo)準(zhǔn)的圖像測(cè)試卡等配件來進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)的設(shè)定，從而影響了測(cè)試的復(fù)現(xiàn)性和效率。而計(jì)算機(jī)控制軟件可同時(shí)采集色溫、照度等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)空間大，參數(shù)設(shè)置靈活，內(nèi)置的測(cè)試流程將大大優(yōu)化現(xiàn)有的人工手動(dòng)測(cè)試過程，可大幅減少測(cè)試時(shí)間，同時(shí)增加測(cè)試精度。因此，通過系統(tǒng)集成改造現(xiàn)有設(shè)備，并引進(jìn)先進(jìn)的自動(dòng)化控制技術(shù)，既提高了工作效率，又節(jié)省了設(shè)備升級(jí)的成本，本項(xiàng)目的開發(fā)對(duì)同行具有重要的參考價(jià)值。

本項(xiàng)目采用了美國(guó)Imatest公司提供的解決方案。Imatest是一家在圖像質(zhì)量測(cè)試行業(yè)處于全球領(lǐng)導(dǎo)者地位的公司，其提供的軟件和測(cè)試卡為本項(xiàng)目提供了多種測(cè)試模塊，可以通過使用Visual Studio的MFC工具便捷迅速進(jìn)行界面的編寫和模塊的敏捷調(diào)用，從而實(shí)現(xiàn)文檔拍攝儀視覺性能指標(biāo)的自動(dòng)化測(cè)試。

以往在舊標(biāo)準(zhǔn)中測(cè)試攝像機(jī)基本是采用燈箱加透射式測(cè)試圖的形式。但是這種方法有很多的弊端，例如燈源面積很小，對(duì)于一些攝像機(jī)當(dāng)圖像充滿全屏?xí)r所拍攝的燈箱不在攝像機(jī)井深的范圍內(nèi)。另外透射式燈源色彩無法模擬真實(shí)的場(chǎng)景。因此本項(xiàng)目中針對(duì)文檔拍攝儀的測(cè)試采用與國(guó)際攝像機(jī)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)接軌的方式，采用反射式的燈源和圖卡，其測(cè)試布置如圖1所示。

圖1 采用反射式燈源的測(cè)試系統(tǒng)

Imatest公司的軟件Imatest IT（工業(yè)測(cè)試）是一組應(yīng)用程序編程接口（API），允許開發(fā)人員在自己的定制應(yīng)用程序中訪問Imatest圖像質(zhì)量分析工具。Imatest IT包含了16個(gè)可以單獨(dú)調(diào)用的模塊：

圖2 Imatest IT包含了16個(gè)可以單獨(dú)調(diào)用的模塊

文檔拍攝儀的應(yīng)用場(chǎng)景最常見的就是文件檔案等資料翻拍/掃描，比如說銀行行業(yè)（可將臨柜的合同、憑證、身份證件寄合同等翻拍進(jìn)行存儲(chǔ)驗(yàn)證）、政務(wù)行業(yè)（可將各類機(jī)關(guān)公文行文以及歷史資料進(jìn)行歸檔存案）、醫(yī)療行業(yè)（可將重要病歷、處方、醫(yī)囑等進(jìn)行翻拍留存）、比如說文化行業(yè)（看輕松將裝訂好的期刊雜志、古籍文獻(xiàn)等翻拍保存）。文檔拍攝儀利用了機(jī)器視覺客服傳統(tǒng)掃描設(shè)備掃描速度慢、不易處理裝訂文件等的缺點(diǎn)，還可以利用OCR(Optical Character Recognition,光學(xué)字符識(shí)別)技術(shù)直接將紙質(zhì)文件中的字符從圖像自動(dòng)識(shí)別到字符型式得以保存，代替了人工的手動(dòng)輸入，其識(shí)別速度快而且精度很高。但由于拍攝設(shè)備成像環(huán)境有一定的不確定性，因此拍攝出的文檔圖像的以下幾個(gè)性能項(xiàng)目會(huì)給機(jī)器視覺的識(shí)別帶來一定的挑戰(zhàn)，也將是本項(xiàng)目重點(diǎn)解決的對(duì)象。

（1）分辨力測(cè)試

分辨力測(cè)試使用燈箱及分辨力測(cè)試卡?？刂拼郎y(cè)文檔拍攝儀拍攝分辨力圖像卡，并且使分辨力圖四周的定位點(diǎn)充滿整個(gè)顯示屏屏幕，在顯示器上用目視法讀出線數(shù)。

（2）噪點(diǎn)（信噪比）測(cè)試

圖像亮度的噪聲是由電子線路的干擾所產(chǎn)生的隨機(jī)現(xiàn)象，表現(xiàn)為隨機(jī)變化的圖像明暗度。每幅圖像都是由有限點(diǎn)的像素組成，每個(gè)像素點(diǎn)都帶有亮度信息。圖像的噪聲定義為像素亮度值的標(biāo)準(zhǔn)差，圖像亮度信號(hào)信噪比則定義為圖像平均亮度值與噪聲值之比，以dB表示。

12階不同明暗程度的亮塊、暗塊組成，亮度信噪比的計(jì)算公式為：

其中SWHITE和SBLACK是白色色塊和黑色色塊亮度信號(hào)值，通過如下公式計(jì)算：

其中m、n為每個(gè)塊的長(zhǎng)度像素?cái)?shù)、寬度像素?cái)?shù)，g(x,y)為塊亮度值。

其中iN為中性灰度塊的噪聲。Imatest軟件中的stepchart模塊集成了該算法。

（3）幾何失真

幾何失真主要是由于成像系統(tǒng)的非線性、鏡頭不同區(qū)域?qū)庹凵洳煌纫蛩禺a(chǎn)生的，可以分為桶形失真和枕形失真。格子圖案或者棋盤格信號(hào)都能用來測(cè)試幾何失真。

圖4 信噪比測(cè)試卡

圖5 幾何失真的分類

幾何失真的定義為：

Imatest軟件中的Distortion模塊提供了幾何失真的算法。

（4）色彩還原誤差

色彩還原誤差考察的是文檔拍攝儀對(duì)真實(shí)色彩的還原能力，測(cè)試一般采用圖3所示的色彩還原測(cè)試圖。測(cè)試原理是將拍攝圖像的各個(gè)塊轉(zhuǎn)換到CIE L＊a＊b＊的色彩空間，并且和圖像真實(shí)的L＊、a＊、b＊值進(jìn)行比較。其中L＊是代表色塊的明度值，a＊代表紅綠范圍的色度（a＊正值代表紅色，負(fù)值代表綠色），b＊代表黃、藍(lán)范圍的色度。用來衡量色彩還原誤差的指標(biāo)為平均色彩還原誤差ΔE，定義為L(zhǎng)＊、a＊、b＊三者差值平方和的均方根值：

圖3 分辨力測(cè)試卡

圖6 幾何失真的定義

圖7 色彩還原性測(cè)試卡

其中L＊、a＊、b＊的下角標(biāo)1和2分別代表實(shí)際測(cè)試的明度、色度與標(biāo)準(zhǔn)色卡中的標(biāo)準(zhǔn)值。將所有色塊的 ΔEab*進(jìn)行平均，就得到平均色彩還原誤差ΔE。Imatest軟件中的Colourcheck模塊就集成了此種色彩還原誤差的算法。

（5）灰階

灰階測(cè)試使用反射光源及灰階測(cè)試卡。控制待測(cè)文檔拍攝儀拍攝灰階圖像卡，并且使灰階圖四周的定位點(diǎn)充滿整個(gè)顯示屏屏幕，在顯示器上用目視法讀可分辨的最大灰階數(shù)。

圖8 灰階測(cè)試卡

針對(duì)以上指標(biāo)，本項(xiàng)目利用Imatest IT進(jìn)行二次開發(fā)后實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)試大致分為四個(gè)步驟：

圖9 測(cè)試流程圖

第一步：準(zhǔn)備好燈箱、光源和需要拍攝的圖卡，燈箱的照度必須設(shè)置到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值，使用照度計(jì)來確定照度值。將測(cè)試圖卡充滿文檔拍攝儀的取景器（連接到對(duì)應(yīng)的電腦）后進(jìn)行拍攝。

第二步：生成配置的INI文件。INI文件是由Imatest Master生成的配置文件，包含了Imatest模塊用于描述輸入圖像的設(shè)置（例如ROI（需要測(cè)試的區(qū)域）、照度值、測(cè)試距離、測(cè)試所使用的標(biāo)準(zhǔn)、坐標(biāo)軸使用的坐標(biāo)單位、如何計(jì)算分析、結(jié)果保存路徑等等）。在設(shè)置好后，可以使用Imatest 軟件設(shè)置窗口中的“Save ini file for”按鈕來保存僅包含所需部分的INI文件。

第三步：集成和調(diào)用所需要分析的函數(shù)模塊。

第四步：測(cè)試結(jié)果和測(cè)試數(shù)據(jù)處理。

由于本項(xiàng)目的程序需要使用Imatest IT庫(kù)文件，所以必須將庫(kù)文件解壓縮到臨時(shí)目錄。在每次使用庫(kù)文件時(shí)，都需要重復(fù)解壓縮，這樣大大減緩了計(jì)算速度，因此需要設(shè)置兩個(gè)環(huán)境變量MCR_CACHE_ROOT和MCR_CACHE_SIZE。MCR_CACHE_ROOT變量提供了Imatest IT庫(kù)文件的路徑，將其設(shè)置為對(duì)所有用戶具有寫訪問權(quán)限可使操作系統(tǒng)在清除臨時(shí)文件時(shí)不會(huì)刪除此緩存。MCR_CACHE_SIZE變量的大小文檔建議至少設(shè)置為900000000，因此我們將此變量值設(shè)置為900000000。

表1

其次還更改Windows環(huán)境變量需要管理員訪問權(quán)限，詳見圖10。

圖10 環(huán)境變量的設(shè)置

圖11 測(cè)試系統(tǒng)界面截圖

為了使編寫的程序能夠調(diào)用Imatest IT提供的動(dòng)態(tài)庫(kù)文件，使用Visual Studio添加Post-Build事件可以自動(dòng)執(zhí)行此過程。在Solution Explorer中，右鍵單擊項(xiàng)目并選擇Properties。

在“Configuration Properties”和“Build Events”下，選擇“Post-Build Event”。然后imatest_library.dll文件將自動(dòng)復(fù)制到項(xiàng)目的目標(biāo)目錄中，應(yīng)用程序便可以加載這些庫(kù)文件。

使用Imatest Master生成需要的INI文件。INI文件可以用Imatest Master軟件設(shè)置好后直接生成，里面包含了測(cè)試的配置信息。調(diào)用IT模塊，把Imatest IT和Matlab MCR庫(kù)的目錄加入Visual Studio的項(xiàng)目文件里。

上面用到的Imatest IT C++庫(kù)參數(shù)意義如表2所示。

表2

Imatest IT C++庫(kù)接收和返回?cái)?shù)據(jù)通過mwArray事件。C++庫(kù)的mwArray類是面向?qū)ο蟮?，并且還負(fù)責(zé)自動(dòng)分配和解除分配。無需人為注銷mwArray事件。

表3

本文分析文檔拍攝儀的最讓人關(guān)注的視覺性能指標(biāo)的算法：分辨力、信噪比、幾何失真、色彩還原誤差及灰階，并介紹了如何使用Imatest相關(guān)軟件實(shí)現(xiàn)起自動(dòng)化測(cè)試，在實(shí)現(xiàn)GB/T 36473-2018標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)指標(biāo)測(cè)試具有實(shí)用性，為文檔拍攝儀生產(chǎn)企業(yè)提供了更加強(qiáng)大的技術(shù)支持，為供應(yīng)商進(jìn)行產(chǎn)品出廠診斷、改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、提高產(chǎn)品質(zhì)量提供了有力的技術(shù)保障。