CN109587475B - 数字相机动态分辨率测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字相机动态分辨率测量技术与装置，属光学测量技术领域。自主设计了圆形黑白辐射式分辨率测试卡，控制电机使测试卡匀速(可调)平稳转动来模拟不同速度运动的物体，通过合理设置数字相机与测试卡之间距离，使测试卡相对于相机的运动速度与实际拍摄物体的运动速度(角速度)相同，用数字相机对其进行成像，分析图像可以得到数字相机在这一速度下的极限动态分辨率、以及不同空间频率下的调制传递函数。改变转速进行多次测量，可得到以测试卡的空间频率，运动速度为自变量，以待测数字相机的调制传递函数为应变量的三维MTF曲面，该三维MTF曲面全面表征了待测数字相机的动态分辨性能。

Description

数字相机动态分辨率测量方法

技术领域

本发明属于光学精密测量技术领域。通过高速旋转的黑白辐射式分辨率测试卡模拟各种高速运动的物体，并用数字相机对其进行成像，分析所拍摄照片可以得到数字相机的动态分辨率。测量结果以拍摄对象的空间频率，以及拍摄对象的运动速度为自变量，以数字相机的调制传递函数(MTF)为应变量构成三维MTF 曲面显示出来。本发明涉及一种数字相机动态分辨率测量技术与装置，通过该装置可以精确测量出数字相机拍摄不同运动速度物体时的动态分辨能力。

背景技术

分辨率是评价成像***质量的一个重要指标，体现了***采集图像的精密度，是衡量图像细节表现力的重要技术参数。分辨率的提升能以最直观的方式得到体现，因此成为用户最为关心的相机参数之一。数字相机的分辨率主要取决于传感器、成像镜头、以及内部的DSP处理。对数字相机而言，静态分辨率测量方法已经比较成熟，常用的测量方法有视觉分辨率测试法，计算相机的空间频率响应等。而在机器视觉检测中，经常需要抓拍高速运动的物体，普通数字相机由于曝光时间较长，拍摄出的图像会出现拉毛、模糊、变形等问题，影响图像质量，进而影响检测结果的精度，达不到应用需求，这时就需要高速数字相机来解决问题。高速数字相机的帧率远高于普通相机，快门时间非常短，适合于拍摄高速运动的物体。高速数字相机的应用领域极为广泛，如靶场测试中的武器出膛和弹道分析，图像制导、自动驾驶，高速路上违章抓拍，体育项目中捕捉球类运动状态等等。当拍摄对象与数字成像***存在相对运动时，实验室内的常规静态分辨率测试结果已经不再具有代表性。为减少拉毛、模糊和变形效应，提高成像清晰度，拍摄运动物体时通常都会选择缩短曝光时间，但缩短曝光时间会减少相机传感器接收到的光能量，从而大大降低成像的信噪比。因此，对特定的高速成像应用来说，通常只能在一定范围内调节曝光时间。在曝光时间一定的情况下，数字相机的快门工作方式(全局快门、卷帘快门)也对成像清晰度有直接影响，并使得成像分辨率表现出明显的方向性。

动态分辨率反映了数字相机在拍摄高速运动物体时成像的精密度，是表征数字高速相机动态成像性能至关重要的参数，但目前还没有统一的动态分辨率测试的方法。对所有的高速成像应用，都有必要了解数字成像***拍摄高速运动物体时的分辨率，从而保证后续图像处理工作的顺利完成。因此设计一种方便、准确、高效的动态分辨率测试方法成为了光学测量研究的重要课题。

目前，数字成像***的静态分辨率测量基本采用国际标准的ISO12233分辨率测试卡或类似测试卡进行。成像***按规定操作对分辨率测试卡进行拍摄，然后通过图像处理得到数字相机的分辨率。但用这种方法对测试卡成像时，为了防止抖动对测试结果的影响要求采用固定的拍摄角度与静止的拍摄环境，因此测量结果不能反映数字相机拍摄运动体时的动态分辨率。为了准确有效的测量数字相机的动态分辨率，本发明提出了一种数字相机动态分辨率测量方法与装置。

发明内容

本发明的目的是：为了精确测量数字相机拍摄运动物体时的动态分辨率，提出了一种数字相机动态分率测量技术与装置。

本发明设计了一种动态分辨率测量装置：为了更好地模拟高速运动的物体，本装置所用的分辨率测试卡是自主设计的黑白辐射式分辨率测试卡，通过控制电路使黑白辐射式分辨率测试卡在装置上以一定速度(可调)匀速平稳转动。通过合理设置数字相机与分辨率测试卡之间的拍摄距离，可以使黑白辐射式分辨率测试卡相对于相机的运动速度与实际拍摄物体的运动速度(角速度)近似相同。

本发明的原理是：基于西门子星图测量相机分辨率的原理，自主设计了圆形黑白辐射式分辨率测试卡。电机驱动分辨率测试卡以需要的速度(可调)匀速旋转，来模拟所拍摄物体的不同运动速度。用待测相机拍摄旋转运动的黑白辐射式分辨率测试卡(待测数字相机的成像面应与测试卡平面平行)。由于黑白图样所代表的空间频率从中心到边沿逐渐降低，在一定转速下拍摄的黑白辐射式分辨率测试卡图像则从边沿到中心逐渐模糊，依据相机的极限分辨率不同而形成以转轴为中心、直径不等的模糊圆。通过事前标定以及数字图像处理得到模糊圆直径，通过计算便可以求出数字相机的极限分辨率数值。也可以对拍摄的数字图像用软件算法处理，得到该数字相机在不同空间频率下的调制传递函数值(对黑白辐射式分辨率图案来说，不同半径的图样对应了不同的空间频率)。改变测试卡的转速，就得到了不同转速下的“空间频率-调制传递函数”曲线。以空间频率和运动速度为自变量，以数字相机的调制传递函数(MTF)为应变量绘图，就构成了能够全面表征数字相机动态分辨性能的三维MTF曲面。

由于曝光时间对拍摄运动物体的清晰度也有显著影响，因此本方案假定，待测数字相机曝光时间的选择能够保证所需的成像信噪比(例如在短曝光时间情况下，采用人工照明增加环境照度)。我们假定，在同一照明环境下，无论拍摄运动物体或静止物体，曝光时间导致的信噪比完全相同。在测量过程中，除了将测量环境设置为与待测相机的使用环境一致，还需要将曝光时间设置为实际使用环境下的数值，以使得相机的动态分辨率测试结果具有实际使用价值，此时数字相机的动态分辨率测试结果只与拍摄目标的空间频率、运动速度和相机本身的性能 (如数字信号处理、锐化、去噪处理等)有关。

本方案的优点在于，所设计的黑白辐射式圆形分辨率测试卡在匀速(可调) 旋转时，从圆心到测试卡边缘的不同位置相对于被测相机有着不同的空间频率，即在设定转速下对分辨率测试卡拍照一次，可以得到不同空间频率(以及不同方向)下的调制传递函数值；按照设定改变黑白辐射式分辨率测试卡的转速并对其进行拍照，经过处理可以得到被测相机不同速度下的动态分辨率变化情况。综合数据处理可以得出所拍摄运动物体在不同速度、不同空间频率下数字相机的三维 MTF曲面图。测量过程简单，测量结果高效。

技术方案

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：高速运动物体在运动过程中不易捕捉，在实验室有限空间条件下难以复现。要精确测量数字相机拍摄高速运动物体时的分辨率就需要用分辨率测试卡来模拟实际的高速运动，为此必需让分辨率测试卡动起来。为了保证运动的稳定性，我们选取圆形的黑白辐射式分辨率测试卡，以黑白辐射式分辨率测试卡的圆心为运动中心，以可调的匀速转动来模拟实际物体的运动速度。该方案要求保证黑白辐射式分辨率测试卡与真实运动物体相对于数字相机的传感器中心具有相同的运动角速度，因而可以在有限的实验室空间内，利用大幅缩短的拍摄距离，以及较低的转速来模拟出实际物体的高速运动，并达到相同的测试效果。

本发明的数字相机动态分辨率测量技术与装置，主要由可调步进电机、黑白辐射式分辨率测试卡、计算机组成。

采用上述装置进行测量的过程如下：

驱动电机带动黑白辐射式分辨率测试卡匀速(可调)平稳的转动，根据待测相机实际使用时所拍摄对象的运动速度与拍摄距离，设置待测相机与黑白辐射式分辨率测试卡之间的距离。拍摄时应使待测相机的成像平面与黑白辐射式分辨率测试卡平行，拍摄得到旋转运动的黑白辐射式分辨率测试卡的图像。观察得到的黑白辐射式分辨率测试卡图像，黑白图样从边缘到圆心逐渐变得模糊，中央部分会形成一个模糊圆。基于事先标定的结果，由图像处理得到模糊圆半径，经过公式计算便可以计算出该数字相机的极限动态分辨率。黑白辐射式分辨率测试卡的不同半径对应了不同的空间频率，通过图像处理得到不同半径处成像图样的调制度，即可得到该转速下的“空间频率-调制传递函数”响应曲线。改变黑白辐射式分辨率测试卡的转速并重复上述操作，综合数据处理可以得出不同运动速度、不同空间频率下数字相机的三维MTF曲面图。

有益效果

本发明相对国内外现有技术具有以下显著优点：

突破了传统只能测量静态分辨率的方法，在实验室内模拟出不同速度的运动物体。通过数字相机拍摄高速旋转(速度可调)的黑白辐射式分辨率测试卡，能够得到拍摄对象在不同运动速度、不同空间频率、不同运动方向下的动态分辨率测试结果，从而全面、精确测量待测数字相机的动态分辨率，可实施性强。

附图说明

图1为黑白辐射式分辨率测试卡图。

图2为数字相机动态分辨率测量装置图。

其中，1-相机拍摄图；2-待测数字相机；3-黑白辐射式分辨率测试卡；4-驱动电机；5-计算机。

图3为数字相机动态分辨率的模拟测试结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步详细说明。

假定被拍摄运动物体的速度为v₁，拍摄距离为h₁，则运动物体相对于待测数字相机传感器中心的角速度ω₁为：

若黑白辐射式分辨率测试卡半径为r，拍摄距离为h₂。如图2所示，拍摄时用电机驱动黑白辐射式分辨率测试卡，使黑白辐射式分辨率测试卡以转速n匀速平稳转动，则黑白辐射式分辨率测试卡半径r处的线速度v₂为：

v₂＝2nπr......................................(2)

所以黑白辐射式分辨率测试卡相对于待测数字相机传感器中心的运动角速度ω₂为：

为了模拟运动的物体，将黑白辐射式分辨率测试卡和被拍摄运动物体相对于相机的角速度设置为相同，联立式(1)和式(3)可以得到需要的黑白辐射式分辨率测试卡转速n：

给定黑白辐射式分辨率测试卡半径r＝0.5m，实验室内的拍摄距离h₂＝3m，通过式(4)就可以计算出针对不同拍摄对象的靶板转速n(单位：rpm)。

例1给出了不同实际应用情形下，在室内模拟高速运动物体所需的转速n。分辨率测试卡设计成黑白辐射状，如图1所示，黑白辐射式分辨率测试卡上的栅条数(黑或白)为N_P。

例1：测试***模拟的转速对应表(分辨率板半径r＝0.5m，室内拍摄距离h₂＝3m)

数字相机动态分辨率的测试过程为：接通驱动电机，使黑白辐射式分辨率测试卡按照预定转速平稳匀速转动，用待测数字相机对准黑白辐射式分辨率测试卡进行拍照，观察黑白辐射式分辨率测试卡的成像，由于栅条间距朝着圆心的方向逐渐变小，空间频率相应增大，栅条分辨不清的部分形成一个模糊圆，读出模糊圆半径r_x，通过下式可以计算出待测数字相机极限分辨率处对应的空间周期：

b的单位为“mm”,于是得到待测数字相机在该运动速度下的极限动态分辨率res(单位:mm^-1)：

同时，我们也可以计算待测数字相机对不同空间频率的调制传递函数来表示相机的动态分辨率：空间频率可以取不同半径处黑白图样的空间周期的倒数，随着半径的增大，空间频率值逐渐减小。设所取黑白图样的半径为r_i，则该处的空间频率f(单位:mm^-1)为：

根据该处黑白图样的光强极值I_max，I_min，可以求得该空间频率下的调制度 V(f)：

通过该方法得到的调制度V(f)是不同空间频率f处的方波响应，而在方波近似无限长时，方波对比度传递函数(CTF)与调制传递函数(MTF)有如下关系：

通过(9)式即可换算得到待测数字相机在该空间频率(f)下的调制传递函数MTF。

改变调速电机的转速，使黑白辐射式分辨率测试卡在不同转速下重复上面的测试过程，就可以得到其他转速下待测数字相机的“空间频率-调制传递函数”值。组合上述测量结果，就绘制得到以黑白辐射式分辨率测试卡的空间频率，以及黑白辐射式分辨率测试卡的运动速度为自变量，以待测数字相机的调制传递函数(MTF)为应变量的三维MTF曲面。图3显示了最终绘制得到的三维MTF 示意图。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种数字相机动态分辨率测量方法，其特征包括以下步骤：

第一步：部署一套测量装置，包括：相机拍摄图(1)；待测数字相机(2)；黑白辐射式分辨率测试卡(3)；驱动电机(4)；计算机(5)，其中计算机(5)可调控驱动电机(4)的转速，使黑白辐射式分辨率测试卡按需求的速度平稳旋转，以模拟待测数字相机所拍摄的高速运动物体，通过如下公式计算待测数字相机与黑白辐射式分辨率测试卡之间的距离：

假定被拍摄运动物体的速度为v₁，拍摄距离为h₁，则运动物体相对于待测数字相机传感器中心的角速度ω₁为：

若黑白辐射式分辨率测试卡半径为r，拍摄距离为h₂，电机驱动分辨率测试卡以转速n匀速平稳的转动，则黑白辐射式分辨率测试卡半径r处的线速度v₂为：

v₂＝2nπr，

所以黑白辐射式分辨率测试卡相对于待测数字相机传感器中心的运动角速度ω₂为：

为了模拟运动的物体，将黑白辐射式分辨率测试卡和被拍摄运动物体相对于相机的角速度设置为相同，就得到需要的黑白辐射式分辨率测试卡转速n：

第二步：开启驱动电机，用待测数字相机拍摄按预定转速n旋转的黑白辐射式分辨率测试卡，

第三步：获取拍摄照片，计算待测数字相机的动态分辨率：

观察黑白辐射式分辨率测试卡的成像，在黑白辐射式分辨率测试卡上，黑色的栅条数与白色的栅条数均为N_P，由于栅条间距向着圆心的方向逐渐变小，空间频率相应增大，栅条分辨不清的部分形成一个模糊圆，读出模糊圆半径r_x，通过下式可以计算出待测数字相机极限分辨率处对应的空间周期：

于是得到待测数字相机在该运动速度下的极限动态分辨率res，单位:mm^-1：

选取不同的黑白辐射式分辨率测试卡半径r_i，可以计算该半径处黑白图样所对应的空间频率f，单位:mm^-1：

根据该处黑白图样的光强极值I_max，I_min，可以求得该空间频率下的调制度V(f)：

通过该方法得到的调制度V(f)是不同空间频率f处的方波响应，根据方波对比度传递函数CTF与调制传递函数MTF的关系，可以得到待测数字相机在该空间频率f下的调制传递函数MTF，

对拍摄的数字图像用软件算法处理，得到设定转速n下，数字相机在不同空间频率处的调制传递函数值；

第四步：软件处理，得到三维MTF曲面；

改变黑白辐射式分辨率测试卡的转动速度n来模拟不同的运动速度，重复上面的第一、二、三步，得到不同转动速度下的“空间频率-调制传递函数”曲线，组合上述测量结果，就绘制得到以黑白辐射式分辨率测试卡的空间频率，以及黑白辐射式分辨率测试卡的运动速度为自变量，以待测数字相机的调制传递函数MTF为应变量的三维MTF曲面。

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