一种基于图像传感器量子效率的相机辐照后成像分辨率退化评估方法

1.本发明涉及相机标定技术领域，具体涉及一种基于图像传感器量子效率的相机辐照后成像分辨率退化评估方法。


背景技术：

2.在如今工业生产和日常生活中,相机成为一类对环境信息进行采集的重要工具。相较于昂贵的专业设备,相机具有价格低、操作便捷等诸多优点。相机系统一般由光学系统、成像系统、数据处理和传输系统组成。其中成像系统是相机的重要组成部分，它的性能决定了相机成像分辨率的大小。分辨率是指单位长度上能够分辨出来的线对数量，能够在一定程度上作为判断相机成像是否清晰的重要参数，对于肉眼判别实际图像是否清晰有效具有重要意义。
3.核工业的作业工况多数是强辐射环境。由于辐射环境的恶劣，为保证工作人员与设施的安全，需要应用相机系统以实现精细化远程遥控操作。但核辐射环境中的γ射线、中子等作用于相机系统，可产生瞬时效应和累积辐射损伤，导致器件参数退化或功能衰退，影响相机的成像分辨率、信噪比、色彩还原性等。
4.相机成像分辨率与照明光源辐射强度、拍摄物体表面光谱反射比、光学系统传输函数、相机的光谱灵敏度相关。在照明光源辐射强度、拍摄物体表面光谱反射比、光学系统传输函数不发生变化的情况下，相机成像分辨率与其内置图像传感器的光谱灵敏度有重要关系。相机成像分辨率的评估方法在不断发展中,目前主要通过相机调制传递函数(modulation transfer function，mtf)来对相机成像分辨率进行评估。mtf具有可级联的特性，图像采集系统mtf受到拍摄图像自身mtf、相机系统自身mtf与除此之外其他因素综合mtf的影响。在测试环境不变的前提下，相机系统自身mtf的变化对图像采集系统mtf的影响最大。相机系统自身mtf主要受cis的影响，cis几何mtf、转移mtf和扩散mtf相乘可以得到相机系统自身mtf的具体值。对于辐照后的相机而言，cis几何mtf辐照后未出现明显变化，扩散mtf的变化受辐照后受cis量子效率退化的影响，转移mtf的变化会影响图像内部最大与最小灰度值。但主流方法中相机系统自身mtf的计算未反映辐照后相机量子效率退化对分辨率所产生的影响，本方法在考虑cis量子效率退化率的前提下，采用辐照前后图像亮度值的比值衡量扩散mtf的退化率，该方法能够有效评估辐照后相机成像分辨率的退化程度。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于，从cis量子效率的退化率、选定色彩rgb坐标与选定灰阶灰度值的变化入手，分析计算出相机分辨率的退化率，提供一种基于图像传感器量子效率的相机辐照后分辨率退化评估方法，该方法中涉及装置是由相机、光学镜头、夹具、计算机、电源、中性灰背板、反射面光源光谱光度计和色彩测试卡组成。该方法首先调整夹具拍摄色彩测试卡，再调节光学镜头，使测试卡成像清晰后采图，选取红绿蓝色块与灰阶作为分析对
象，通过数据处理软件获取所选取红绿蓝色块rgb坐标系下的坐标值、图像最大与最小灰度值等参数的相关信息，然后计算出相机辐照后分辨率的退化率。通过本发明所述方法可快速评估相机在不同累积剂量下分辨率的退化程度，该方法简单，实用性强。
6.本发明所述的一种基于图像传感器量子效率的相机辐照后分辨率退化评估方法，该方法中涉及装置是由相机、光学镜头、夹具、计算机、电源、中性灰背板、反射面光源、光谱光度计和色彩测试卡组成，将光学镜头(3)固定在相机(1)上，相机(1)固定在夹具(2)中，在中性灰背板(8)上放置色彩测试卡(6)，中性灰背板(8)两侧固定反射面光源(4)和反射面光源(5)，相机(1)与计算机(7)和电源(10)连接，光谱亮度计(9)放置在色彩测试卡(6)表面，具体操作按下列步骤进行：
7.a、将光学镜头(3)固定在相机(1)上，未经辐照的相机(1)固定在夹具(2)上；
8.b、将色彩测试卡(6)固定在中性灰背板(8)中央，在中性灰背板(8)两侧上放置反射面光源(4)和反射面光源(5)，再将夹具(2)放置在中性灰背板(8)的正前方，相机(1)与计算机(7)和电源(10)相连，打开电源，开始进行测试，测试时需关闭设备周围所有照明光源；
9.c、调整夹具(2)的角度和高度，使夹具(2)上的相机(1)能够对准色彩测试卡(6)，使色彩测试卡(6)成像于镜头中心，同时调节相机(1)的光学镜头焦距，使色彩测试卡(6)中各部分成像清晰；
10.d、将光谱亮度计(9)放置在色彩测试卡(6)表面，并对色彩测试卡(6)表面照度进行计量，色彩测试卡(6)表面任何一点的照度与色彩测试卡(6)中心照度差的范围为0％-5％；
11.e、计算机(7)分别以固定积分时间进行数据采集，光场条件下采集20幅图像；
12.f、将步骤e中采集的20幅光场图像导入数据处理软件，将步骤d测出的色彩测试卡(6)表面照度输入数据处理软件，在软件中分别选取红绿蓝三个色块、密度值最小与最大的两个灰阶色块，其中密度值最小与最大的两个灰阶色块为最亮的白色色块和最暗的黑色色块；
13.g、将步骤f选定的红绿蓝三个色块，经软件处理输出每幅图像红色块的rgb坐标系下r值、绿色块rgb坐标系下g值、蓝色块rgb坐标系下b值，并计算出20幅光场图像红绿蓝色块对应r、g、b值的均值r0，g0，b0；
14.h、将步骤f选定的密度值最小与最大的两个灰阶色块，经软件处理输出每幅图像密度值最小与最大的两个灰阶色块的对应的最大灰度值与最小灰度值，并计算出20幅光场图像最大灰度值与最小灰度值的均值l0、d0；
15.i、将步骤g中光场图像rgb坐标系下坐标值的均值与辐照后cis在红绿蓝光对应波长的退化率参数m、n、l代入公式(1)、(2)、(3)计算出辐照后相机(1)系统扩散mtf的退化率b；
16.y0＝0.299*r0 0.587*g0 0.114*b0ꢀꢀꢀ
(1)
17.y1＝0.299*r0*m 0.587*g0*n 0.114*b0*l
ꢀꢀꢀ
(2)
18.b＝y1/y0ꢀꢀꢀ
(3)
19.j、将步骤i辐照到任意累积剂量的相机(1)固定在夹具(2)上，重复步骤b、c、d、e、f、i,得到辐照后光场图像最大灰度值与最小灰度值的均值l1、d1；
20.k、将步骤h、i、j得到的辐照前相机(1)采集色彩测试卡图像最大灰度值与最小灰
度值的均值l0、d0与辐照后相机(1)采集色彩测试卡图像最大灰度值与最小灰度值的均值l1、d1以及扩散mtf退化率b代入公式(4)
[0021][0022]
计算得到辐照后相机分辨率的退化率η。
[0023]
本发明所述的一种基于图像传感器量子效率的相机辐照后成像分辨率退化评估方法，该方法辐照前后相机图像的采集需要确保色卡和标准光源不发生变化，以保证数据的可重复性。以未辐照相机图像亮度值与图像内部最大、最小灰度值作为标准参考对象，通过该方法形成的计算公式可以得到相机辐照后分辨率的退化率。
[0024]
首先选定红绿蓝色块，根据公式(1)、(2)对辐照前后相机图像亮度通道y值进行计算:式(1)中，y0为辐照前相机采集图像亮度值，r0为辐照前相机采集图像的红色分量，g0为辐照前相机采集图像的绿色分量，b0为辐照前相机采集图像的蓝色分量。由于辐照后相机采集图像r、g、b值的退化程度与辐照后cis在红绿蓝三色光对应波段量子效率的退化程度相关，通过将cis在红绿蓝入射光波段辐照后量子效率的退化率代入公式(1)可以得到辐照后相机采集图像亮度值。式(2)中，y1为辐照后相机采集图像亮度值，m为红光波段cis的量子效率退化率，n为绿光波段cis的量子效率退化率，l为蓝光波段cis的量子效率退化率；
[0025]
y0＝0.299*r0 0.587*g0 0.114*b0ꢀꢀꢀ
(1)
[0026]
y1＝0.299*r0*m 0.587*g0*n 0.114*b0*l
ꢀꢀꢀ
(2)
[0027]
b＝y1/y0ꢀꢀꢀ
(3)
[0028]
式(3)中，b为y0与y1的比值用来衡量扩散mtf的退化率；
[0029][0030]
式(4)中，η为相机分辨率的退化率，l0为相机未辐照时采图的最大灰度值(单位dn)，l1为相机辐照后采图的最大灰度值(单位dn)；d0为相机未辐照时采图的最小灰度值，d1为相机辐照后采图的最小灰度值(单位dn)。
[0031]
本发明是利用相机系统实际拍摄图像测试卡，通过采取图像、软件处理计算出选定色块与灰阶对应的相机色彩测量rgb坐标系下的坐标值以及图像的最大和最小灰度值，通过测量相机在不同累积剂量下图像的最大和最小灰度值，代入公式计算获得相机分辨率的退化率η，其值可评估相机在不同辐射剂量下cis辐射损伤引起的相机分辨率的退化程度。
[0032]
本发明所述的一种基于图像传感器量子效率的相机辐照后分辨率退化评估方法，该方法中使用的采图软件是由中国科学院新疆理化技术研究所提供；数据处理专用的软件时由imatest提供。imatest数据处理软件功能：(1)读取图像；(2)完成色块、灰阶的匹配和比对功能，并输出选取色块rgb坐标与灰阶的灰度值。
[0033]
通过imatest数据处理软件进行数据处理步骤及方法介绍如下。
[0034]
1)测试图卡匹配：
[0035]
(1)给定初始参数：
[0036]
利用数据处理软件，输入焦距，照度，相机与测试图卡距离，便进行后期软件计算。
[0037]
(2)读取图像、色块匹配：
[0038]
读入需处理光场下测试卡，由于实际图像与软件roi之间存在误差，匹配易失败。因此，需进行人工位置调整图像位置，软件可自动完成图像匹配功能，然后进行软件计算，导出匹配成功的色块rgb坐标参数与灰阶灰度值，输出csv表格。
[0039]
通过未辐照相机系统在光场下采集图像的匹配和计算，得到相机在光场下选定的红色块的rgb坐标系下r值、绿色块rgb坐标系下g值、蓝色块rgb坐标系下b值，并计算出20幅光场图像红绿蓝色块对应r、g、b值的均值(r0，g0，b0)以及选定的密度值最小与最大的两个灰阶色块，经软件处理输出每幅图像密度值最小与最大的两个灰阶色块的对应的最大灰度值与最小灰度值，并计算出20幅光场图像最大灰度值与最小灰度值的均值l0、d0；
[0040]
通过辐照后相机在光场采集图像的匹配和计算，得到相机在光场下选定的像密度值最小与最大的两个灰阶色块的对应的最大灰度值与最小灰度值，并计算出20幅光场图像最大灰度值与最小灰度值的均值l1、d1；
[0041]
利用实验室对相机内部cis辐照后在红、绿、蓝三个波段下量子效率的参数对应的退化率m、n、l，根据公式(1)、(2)、(3)、(4)计算出相机分辨率的退化率η；
[0042]
y0＝0.299*r0 0.587*g0 0.114*b0ꢀꢀꢀ
(1)
[0043]
y1＝0.299*r0*m 0.587*g0*n 0.114*b0*l
ꢀꢀꢀ
(2)
[0044]
b＝y1/y0ꢀꢀꢀ
(3)
[0045][0046]
本发明涉及一种基于图像传感器量子效率的相机辐照后分辨率退化评估方法，该方法中涉及装置包括相机、光学镜头、夹具、计算机、电源、中性灰背板、反射面光源光谱光度计和色彩测试卡。该方法首先调整夹具拍摄色彩测试卡，调节光学镜头，使测试卡成像清晰，进行色块与灰阶的选取和采图，通过数据处理软件分析获取选取红绿蓝色块rgb坐标系下的坐标值、选定的密度值最小与最大的两个灰阶色块的灰度值等参数的相关信息。将经过辐照后的相机重复测试步骤,将经过辐照后的相机重复测试步骤,将相机辐照后选定的密度值最小与最大的两个灰阶色块的灰度值与对应cis的光谱退化率代入公式计算出相机分辨率的退化率。本发明可以快速评估相机在不同累积剂量下分辨率的退化程度，更可以为抗辐照相机的设计提供一定的理论依据。
[0047]
本发明所述的一种基于图像传感器量子效率的相机辐照后分辨率退化评估方法，适用于成像系统是任意型号互补金属氧化物半导体有源像素传感器的相机。
[0048]
因此本发明适用于需要预估或者掌握相机辐射损伤程度的研制单位、科研院所使用。
附图说明
[0049]
图1为本发明测试系统示意图；
[0050]
图2为计算机采集到的一幅图像；
[0051]
图3为imatest软件对光场测试卡图像处理结果(输出csv表格)。
具体实施方式
[0052]
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
[0053]
实施例
[0054]
本发明涉及一种基于图像传感器量子效率的相机辐照后分辨率退化评估方法，该方法中涉及装置是由相机1、夹具2、光学镜头3、反射面光源4、反射面光源5、色彩测试卡6、计算机7、中性灰背板8、光谱亮度计9和电源10组成，将相机1固定在夹具2里面，在中性灰背板8上放置色彩测试卡6，中性灰背板8两边固定反射面光源4和反射面光源5，相机1与计算机7和电源10连接，具体操作按下列步骤进行：
[0055]
a、将光学镜头3固定在相机1上，未经辐照的相机1固定在夹具2中，相机1所用的互补金属氧化物半导体有源像素传感器型号为ar0230，其分辨率为1920
×
1080；
[0056]
b、将色彩测试卡6固定在中性灰背板8中央，在中性灰背板8两侧上放置反射面光源4和反射面光源5，再将固定相机1的夹具2放置中性灰背板8正前方，相机1与计算机7和电源(10)相连，打开电源，开始进行测试，测试时需关闭设备周围所有照明光源；
[0057]
c、调整夹具2的角度和高度，使夹具2上的固定相机1能够对准色彩测试卡6，使色彩测试卡6成像于镜头中心，同时调节相机1的光学镜头焦距，使色彩测试卡中各部分成像清晰；
[0058]
d、将光谱亮度计9放置在色彩测试卡6表面，并对色彩测试卡6表面照度进行计量，表面照度为820lux，色彩测试卡6表面任何一点的照度与色彩测试卡6中心照度差的范围为0％-5％；
[0059]
e、计算机7分别以固定积分时间72.8ms进行数据采集，光场条件下采集20幅图像，采图软件由中国科学院新疆理化技术研究所提供；
[0060]
f、将步骤e中采集的20幅光场图像导入imatest软件，将步骤d测出的色彩测试卡6表面实际照度820lux输入数据处理软件，通过人工调整图像位置和软件roi区域，便于软件自动匹配和进行数据处理，选取红色块、绿色块、蓝色块、密度值最小与最大的两个灰阶色块进行后续计算；
[0061]
g、将步骤f选定的红绿蓝三个色块，经软件处理输出每幅图像红色块的rgb坐标系下r值、绿色块rgb坐标系下g值、蓝色块rgb坐标系下b值，并计算出20幅光场图像红绿蓝色块对应r、g、b值的均值r0，g0，b0；
[0062]
h、将步骤f选定的密度值最小与最大的两个灰阶色块，经imatest软件处理输出每幅图像密度值最小与最大的两个灰阶色块的对应的最大灰度值与最小灰度值，并计算出20幅光场图像最大灰度值与最小灰度值的均值l0、d0；
[0063]
i、将步骤g中光场图像rgb坐标系下坐标值的均值与辐照后cis在红绿蓝光对应波长的退化率参数m、n、l代入公式(1)、(2)、(3)计算出辐照后相机系统扩散mtf的退化率b；
[0064]
y0＝0.299*r0 0.587*g0 0.114*b0ꢀꢀꢀ
(1)
[0065]
y1＝0.299*r0*m 0.587*g0*n 0.114*b0*l
ꢀꢀꢀ
(2)
[0066]
b＝y1/y0ꢀꢀꢀ
(3)
[0067]
j、将辐照到任意累积剂量的相机1固定在夹具2上，重复步骤b、c、d、e、f、i,得到辐照后光场图像最大灰度值与最小灰度值的均值l1、d1；
[0068]
k、将步骤h、i、j得到的辐照前相机采集色彩测试卡图像最大灰度值与最小灰度值的均值l0、d0与辐照后相机1采集色彩测试卡图像最大灰度值与最小灰度值的均值l1、d1以及扩散mtf退化率b代入公式(4)计算得到η，即为相机1辐照后分辨率对应的退化率；
[0069][0070]
相机1辐照后分辨率对应的退化率为95.5％(辐射剂量为200krad)，相机1辐照后分辨率对应的退化率为87.1％(辐射剂量为280krad)；
[0071]
如果要评估辐照到不同累积剂量相机1分辨率的退化程度，可以将步骤j中的相机1更换成辐照到不同累积剂量的相机样品，重复步骤j到步骤k,即得到结果。
[0072]
以上所述，仅为本发明所述的一种基于图像传感器量子效率的相机辐照后分辨率退化评估方法的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解到的替换或增减，都应涵盖在本发明的包含范围之内。