CN100389312C - Ccd摄像机分辨率客观评测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种CCD摄像机分辨率客观评测方法，该方法包括以下步骤：获得一个分组多条纹图案靶板图像；将具有不同条纹宽度的条纹区域进行分离；抽取每个条纹区域中的一行的灰度值；分别将对应各条纹区域的所述灰度致信号转换至频域，其中，在保证采样后不同分辨率条纹的空间频率是对应物方空间频率间隔的整数倍的情况下，确定采样频率；从相应的频谱图中分别获得对应各条纹区域的摩尔条纹的幅值，以及特征频率幅值；最后对比各条纹区域的特征频率幅值与摩尔条纹频率幅值的关系，这种方法有效地解决了以往对于高频段变频光栅中出现摩尔条纹，从而影响判别的问题。本发明还提供了一种CCD摄像机分辨率测定系统。

Description

CCD摄像机分辨率客观评测方法

技术领域

本发明属于光电测试领域中的离散光电成像系统性能评测分支，是一种实现对CCD摄像机分辨率进行软件客观判读的方法。可应用于对各类民品及军品级可见光CCD摄像机的评测。

背景技术

随着CCD、CMOS传感器在各种民用、军用光电成像器件中应用越来越广泛，对离散光电成像系统性能评测有着越来越迫切的需要。尤其是对于各类数码相机、数码摄像机，监控摄像头等的分辨率评测标定。

目前应用最多的CCD分辨率测试方法是通过CCD成像器件拍摄国际标准的分辨率测试靶板ISO12233，然后观察所成图像，目视读取分辨率值。这种方法虽然较为简便，但受到观察者主观影响较大，无法做到客观，定量化的判别。且国内一直没有出台相关的国家标准，使得国内的CCD成像器件市场缺乏可供参考的相关标准。因此尽快实现对CCD成像器件的客观评测，并确定其客观评测标准，对于统一目前国内市场参差不齐的评测方法及标准，制定出权威的、具有约束力的行业标准，具有十分重要的意义。

日本的Olympus公司曾推出过一款针对数码相机的分辨率测试软件HyRes。通过对ISO12233靶板拍摄图片进行分析，得到分辨率数值。但该软件的算法较为复杂，程序非常繁琐，且判读准确性不高。因此有必要对评测靶板图案进行符合本测试方法的设计，在保证满足国标的情况下，方便软件处理。

此外，在现有技术中，一般还通过GB6998-1所确定的靶板进行CCD相机的分辨率测试，GB6998-1中的分辨率靶板设置了对应200电视线至800电视线的10个条纹组区域，并给出了各条纹组的位置，以及其中条纹的条纹宽度；按照该标准，靶板为矩形，尺寸为133×100mm²，在其中部设有对应各电视线的条纹组，各条纹组中条纹宽度与电视线的对应关系如下表所示：

电视线(清晰度线)	线宽(mm)
		250	0.40±0.02

300	0.33±0.02
		350	0.29±0.01
400	0.25±0.01
		450	0.22±0.01
500	0.200±0.009
		550	0.180±0.009
600	0.170±0.009
		650	0.150±0.007
700	0.140±0.006

由于靶板设计的缺陷，通过CCD摄像机获得图像难于通过计算机软件进行客观分析判读，因此，只能通过肉眼观察该图像上条纹的可分辨度，从而确定该CCD的分辨率。这种方法沿袭了传统的分辨率测定方法，使得最终的判定完全依赖于人眼，会带来主观误差，因此往往不能获得令人满意的效果。

因此，有这样一种需求，即需要确定一种客观的测定方法，消除目视检测法的缺陷，提高分辨率测量精度。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有技术中的缺陷，提出一种CCD摄像机分辨率的客观判别系统，该方法通过获取定制的靶板的图像信息，对其进行分析处理，而获得其分辨率信息。

为实现上述目的，本发明提供了一种CCD摄像机分辨率客观评测方法，该方法包括以下步骤：

1)使用待测CCD摄像机，获得一个分组多条纹图案靶板图像，得到图像的灰度值矩阵；

2)将具有不同条纹宽度的条纹区域进行分离；

3)抽取每个条纹区域中的一行的灰度值，分别得到对应行的灰度值信号；

4)分别将对应各条纹区域的所述灰度值信号进行快速傅立叶变换(FFT)以转换至频域，其中，在保证采样后不同分辨率条纹的空间频率是对应物方空间频率间隔的整数倍的情况下，确定采样频率，采样分别生成一个频谱图；

5)从相应的频谱图中分别获得对应各条纹区域的摩尔条纹的幅值，以及特征频率幅值；

6)对比各条纹区域的特征频率幅值与摩尔条纹频率幅值的关系，当摩尔条纹的幅值接近甚至高于分辨率条纹特征频率尖峰幅值的时候，应认为此时图像出现严重混叠现象，对应分辨率条纹不可分辨。

在分辨率软件判读的实现方式及算法上采用了对灰度值方波进行FFT变换，提取有效信息的方法。有效地解决了以往对于高频段变频光栅中出现摩尔条纹，从而影响判别的问题。

本发明的另一目的在于提供一种CCD摄像机分辨率测定系统，该系统包括定制靶板，照明灯箱、图像采集卡和计算机；其中，

定制靶板具有矩形底板，矩形底板上的均匀分布的多个区域，每个区域分别由均匀分布的条纹充满，条纹的宽度与该区域对应的电视线数成反比，定制靶板的长度为标准靶板的长度的一点八倍，定制靶板的宽度为标准靶板的宽度的一点八倍，且定制靶板具有与标准靶板相同的长宽比；

照明灯箱布置于定制靶板的后方，用以将定制靶板均匀照亮；

图像采集卡的输入端与待测CCD摄像机相连接，获得CCD摄像机的图像信息并将其数字化；输出端与计算机相连接，将数字化后的图像信息送入计算机处理；

通用计算机执行以下程序：

1)由待测CCD摄像机获得一个分组多条纹图案靶板图像，得到图像的灰度值矩阵；

2)将具有不同条纹宽度的条纹区域进行分离；

3)抽取每个条纹区域中的一行的灰度值，分别得到对应行的灰度值信号；

4)分别将对应各条纹区域的所述灰度值信号转换至频域，分别生成一个频谱图，其中，在保证采样后不同分辨率条纹的空间频率是对应物方空间频率间隔的整数倍的情况下，确定采样点数；

5)从相应的频谱图中分别获得对应各条纹区域的摩尔条纹的幅值，以及特征频率幅值；

6)对比各条纹区域的特征频率幅值与摩尔条纹频率幅值的关系，当摩尔条纹的幅值接近甚至高于分辨率条纹特征频率尖峰幅值的时候，应认为此时图像出现严重混叠现象，对应分辨率条纹不可分辨。

利用本发明中的方法与装置，有效地解决了以往CCD摄像机分辨率评测中ISO12233靶板只适用于主观目视判读，难于用计算机软件进行客观分析判读的缺陷。分组多条纹的设计首先满足国标尺寸要求，其次易于实现软件的图像处理及判读功能，从而真正实现CCD摄像机的分辨率客观判读。

附图说明

本发明的具体内容由图1至图6给出。

图1为CCD摄像机分辨率测试系统示意图。

图2为多组条纹分辨率测试靶板。

图3为多组条纹分辨率测试靶板的条纹区域。

图4为灰度变化波形图。

图5为经过FFT变换，并将幅值放大后的频谱图。

图6为分辨率特征频率频谱与摩尔条纹频谱幅度差值图。

具体实施方式：

本发明的基本思想是使用均匀照明源照射自行设计的透射式分组多条纹图案靶板，CCD摄像机拍摄靶板，视频信号由图像采集卡采集到计算机中。通过软件对所拍摄的靶板图像进行处理，最终得出CCD摄像机的分辨率值。测试系统示意图由图1给出。

参照图1，本发明所述的CCD摄像机分辨率测定系统由定制靶板1，照明灯箱2、图像采集卡3和计算机4构成；其中，定制靶板1具有矩形底板，矩形底板上的均匀分布的11个区域，每个区域分别由均匀分布的条纹充满，条纹的宽度与该区域对应的电视线数成反比，定制靶板长宽比与GB6996.1标准靶板的长宽比成正比；

照明灯箱2布置于定制靶板的后方，用以将定制靶板1均匀照亮；

图像采集卡3的输入端与待测CCD摄像机5相连接，获得CCD摄像机5的图像信息并将其数字化；输出端与计算机4相连接，将数字化后的图像信息送入计算机4处理；

计算机4为通用计算机，包括中央处理系统和存储器、显示器，以及输入设备，如键盘、鼠标等，

首先为保证在能够获得足够多的采样点，将透射式分辨率靶板的底板尺寸扩大为现有靶板的1.8倍，即(240×180mm)的规格，并根据国标GB6996.1标准的条纹宽度，利用Matlab对经过线性放大计算后已知的条纹数据进行离散点的曲线拟合，得到分辨率条纹宽度d与对应电视线数N的关系式： $d=\frac{180}{N}\mathrm{mm},$ 从关系式中可计算得到任意电视线对应D240的分辨率条纹宽度数值，得到分辨率靶板底板上线条宽度具体尺寸。如下表所示，分别对应250，300，350，400，450，500，550，600，650，700，750电视线。

电视线数(TVLines)	250	300	350	400	450	500	550	600	650	700	750
												条纹宽度(mm)	0.720	0.594	0.522	0.450	0.396	0.360	0.324	0.306	0.277	0.257	0.239

根据上表中的不同电视线对应的条纹宽度绘制分辨率图案。将变频光栅靶板设计成11个对应不同电视线的分辨率条纹组，纵向排列，并使其尽可能充满靶面。其结构如图2所示：

在拍摄定制靶板1时，待测CCD摄像机5的镜头与定制靶板相垂直，并保证获得定制靶板的全部图像，获得的图像通过图像采集卡3采集，进行数模转换，转换后的数据保存至计算机4的存储器的指定地址中。

存储在计算机存储器中的图像数据需要经历以下几个步骤的处理及分析：

首先对图像进行区域划分，即将所拍摄的对于定制靶板1的图像按照电视线区域进行划分，划分的结果是分别得到250，300，350，400，450，500，550，600，650，700，750的11个图像区域。

接着对每个区域的分辨率条纹，选取其中一行读出其灰度输出值，灰度输出值可以生成一个周期为T的连续方波信号，如图4所示。这样共可以取出11组周期不同、幅值不同的方波信号。

继而对应于不同分辨率条纹生成的11组周期不同、幅值不同的方波信号进行快速傅立叶变换(FFT)，得到其频谱图。先要确定适当的像元单位采样数，为保证傅立叶变换能够真实反映各分辨率条纹的特征频率信息，不同分辨率(250电视线-750电视线)条纹的空间频率应该是对图像进行傅立叶变换后数据点频率差的整数倍，即对应物方空间频率间隔Δf的整数倍。傅立叶变换后物方空间频率间隔Δf又与CCD成像系统的采样点数量有关：

$\mathrm{\Δf}=\frac{1}{N\×d\×L}$

其中N为像元单位采样数，d为CCD像元间距，L为CCD物像放大率。因在测定时CCD像元间距d和CCD成像系统物像放大率L都为定值，以MTV2821型CCD摄像机为例，CCD像元间距d＝8.72衸；物像放大率L＝240/6.4，而又须满足250-750TV Lines共11组分辨率条纹的空间频率为Δf的整数倍，现已知设计定制靶板中不同分辨率条纹对应的空间频率，在本实施例中，经计算选取图像其中一行进行FFT的像元单位采样数N为440个像素。则

$\mathrm{\Δf}=\frac{1}{440\×\frac{8.72}{1000}\×\frac{240}{6.4}}=\frac{1}{143.9}$

由此可得拍摄的不同分辨率条纹图像进行傅立叶变换后的图像；同时可得不同分辨率条纹特征空间频率以及不同分辨率条纹特征空间频率与傅立叶变换后对应物方空间频率间隔Δf的倍数关系。如下表所示：

电视线	250	300	350	400	450	500	550	600	650	700	750
												空间频率lp/mm	0.694	0.833	0.973	1.111	1.250	1.389	1.528	1.667	1.805	1.945	2.083
特征频率与Δf关系	100Δf	120Δf	140Δf	160Δf	180Δf	200Δf	220Δf	240Δf	260Δf	280Δf	300Δf

对于不同分辨率条纹得到的频谱图，x轴的零频部分反映分辨率条纹区域进行傅立叶变换行的像素灰度值之和，不反映各个分辨率条纹的特征频率信息。又由于频谱图反映的各个分辨率条纹特征空间频率幅值(y值)不明显，因此为了更好分析不同分辨率的特征空间频率，去掉频谱图中x轴对应的零频部分，仅对特征频率部分沿Y轴进行放大，得到如图5所示的图形。

对该频谱图进行分析，即可得到该分辨率条纹和摩尔条纹的信息。

对频谱图分析其频率信息，编制程序具体得出不同分辨率特征频率尖峰在横轴出现的实际位置，以及低频处出现的摩尔条纹所对应的低频信息值。当出现摩尔条纹的时候，摩尔条纹的信息在低频部分呈现，当其幅值远小于分辨率条纹的特征频率尖峰幅值时，可忽略摩尔条纹对分辨率判读的影响。但是当摩尔条纹的幅值接近甚至高于分辨率条纹特征频率尖峰幅值的时候，应认为此时图像出现严重混叠现象，对应分辨率条纹不可分辨。如图5所示情况，即应判定该CCD摄像机的分辨率为400电视线。

其中X轴为傅立叶变换后，物方空间频率间隔的整倍数，有效频率范围为0-300Δf，其中Δf为对应物方空间频率间隔；Y轴为灰度方波信号傅立叶变换后对应量值，反映幅频特性。250TV Lines-750TV Lines 11组分辨率条纹的空间特征频率逐渐增大，对应的特征频率尖峰在横轴出现的理论位置分别为100Δf，120Δf，140Δf，160Δf，180Δf，200Δf，220Δf，240Δf，260Δf，280Δf，300Δf，并且其频率能量(尖峰幅值)不断减小。

建立坐标系，设定X轴为不同分辨率电视线；Y轴代表某一分辨率条纹对应特征频率频谱幅度减去摩尔条纹的频谱幅度之差；如图6所示，当Y值小于等于0时，即摩尔条纹的频谱幅值已经大于或等于实际分辨率条纹特征频率尖峰幅值时，视为不可分辨。经验证测试结果与主观目视判别结果相吻合。

在图中分析其频率信息，编制程序具体得出不同分辨率特征频率尖峰在横轴出现的实际位置：250TV Lines的特征频率尖峰出现在99Δf处，300TV Lines的特征频率尖峰出现在121Δf处，350TV Lines的特征频率尖峰出现在138Δf处，400TV Lines的特征频率尖峰出现在160Δf处，与理论出现位置相一致。在450TV Lines所对应的频谱图中，在178Δf处出现尖峰，与特征频率尖峰应当出现的理论位置180Δf处基本一致，但是在2Δf处有一个幅值更高的尖峰，这个尖峰的频率信息应为出现的莫尔条纹所对应的低频信息值。将CCD成像系统所拍摄的数字图像放大后可观察到450TV Lines分辨率条纹组有较为明显的莫尔条纹。所以当出现莫尔条纹的时候，莫尔条纹的信息在低频部分呈现，当其幅值远小于分辨率条纹的特征频率尖峰幅值时，可忽略莫尔条纹对分辨率判读的影响。但是当莫尔条纹的模值接近甚至高于分辨率条纹特征频率尖峰幅值的时候，应认为此时图像出现严重混叠现象，对应分辨率条纹不可分辨。如图5所示情况，即应判定该CCD摄像机的分辨率为400电视线。

换一个角度分析，利用分辨率多条纹图案靶板对CCD成像系统进行分辨率测试，CCD成像系统的分辨率是受光学系统衍射、像差造成像的调制度下降与CCD传感器离散栅格采样所产生莫尔条纹共同影响的。如图5中所示，不同分辨率条纹的特征频率尖峰幅值，即特征频率的频谱幅度应随着分辨率条纹空间频率的增加而减小。与此同时，用CCD成像系统获取的抽样图像逐渐接近直至超过系统奈奎斯特极限频率时，图像传感器上高频成分被反射到基本频带中所造成的莫尔效应越来越明显，莫尔条纹的频谱幅度不断增加。

建立坐标系，设定X轴为不同分辨率电视线；Y轴代表某一分辨率条纹对应特征频率频谱幅度减去莫尔条纹的频谱幅度之差；如图6所示，当Y值小于等于0时，即莫尔条纹的频谱幅值已经大于或等于实际分辨率条纹特征频率尖峰幅值时，视为不可分辨。

同时，将CCD摄像机5连接数字存储示波器6，从数字存储示波器6上观察视频信号波形图案，作为定性分析的辅助手段；也可将CCD摄像机连接监视器7，在不出现摩尔条纹的情况下进行观察CCD摄像机5采集到的图案。

通过对本发明的描述，应当理解，不背离本发明实质的各种改动和变体均可以实现本发明。本发明并不局限于上述的实施方式，并应当解释为所附的权利要求范围之内的任何或全部实施方式。

Claims (4)

1.一种CCD摄像机分辨率客观评测方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

1)使用待测CCD摄像机，获得一个分组多条纹图案靶板图像，得到图像的灰度值矩阵；

2)将具有不同条纹宽度的条纹区域进行分离；

3)抽取每个条纹区域中的一行的灰度值，分别得到对应行的灰度值信号；

4)分别将对应各条纹区域的所述灰度值信号进行快速傅立叶变换(FFT)以转换至频域，其中，在保证采样后不同分辨率条纹的空间频率是对应物方空间频率间隔的整数倍的情况下，确定采样频率，采样分别生成一个频谱图；

5)从相应的频谱图中分别获得对应各条纹区域的摩尔条纹的幅值，以及特征频率幅值；

6)对比各条纹区域的特征频率幅值与摩尔条纹频率幅值的关系，当摩尔条纹的幅值接近甚至高于分辨率条纹特征频率尖峰幅值的时候，应认为此时图像出现严重混叠现象，对应分辨率条纹不可分辨。

2.一种CCD摄像机分辨率测定系统，其特征在于：该系统包括定制靶板，照明灯箱、图像采集卡和计算机；其中，定制靶板具有矩形底板，矩形底板上的均匀分布的多个区域，每个区域分别由均匀分布的条纹充满，条纹的宽度与该区域对应的电视线数成反比，定制靶板的长度为标准靶板的长度的一点八倍，定制靶板的宽度为标准靶板的宽度的一点八倍，且定制靶板具有与标准靶板相同的长宽比；

照明灯箱布置于定制靶板的后方，用以将定制靶板均匀照亮；

图像采集卡的输入端与待测CCD摄像机相连接，获得CCD摄像机的图像信息并将其数字化；输出端与计算机相连接，将数字化后的图像信息送入计算机处理；

通用计算机执行以下程序：

1)由待测CCD摄像机获得一个分组多条纹图案靶板图像；

2)将具有不同条纹宽度的条纹区域进行分离；

3)抽取每个条纹区域中的一行的灰度值，分别得到对应行的灰度值信号；

4)分别将对应各条纹区域的所述灰度值信号进行快速傅里叶变换，以转换至频域，其中，在保证采样后不同分辨率条纹的空间频率是对应物方空间频率间隔的整数倍的情况下，确定采样点数，分别生成一个频谱图，

5)从相应的频谱图中分别获得对应各条纹区域的摩尔条纹的幅值，以及特征频率幅值；

6)对比各条纹区域的特征频率幅值与摩尔条纹频率幅值的关系，当摩尔条纹的幅值接近甚至高于分辨率条纹特征频率尖峰幅值的时候，应认为此时图像出现严重混叠现象，对应分辨率条纹不可分辨。

3.根据权利要求2所述的CCD摄像机分辨率测定系统，其特征在于：还包括与CCD摄像机相连接的数字存储示波器，从数字存储示波器上观察视频信号波形图案，作为定性分析的辅助手段。

4.根据权利要求2或3所述的CCD摄像机分辨率测定系统，其特征在于：还包括与CCD摄像机相连接的监视器，在不出现摩尔条纹的情况下进行观察CCD摄像机采集到的图案。

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