一種免拆卸測定數(shù)碼相機(jī)曝光時間的方法

王瀟瀟*,譚 山

（廣州計量檢測技術(shù)研究院，廣東廣州，510663）

一種免拆卸測定數(shù)碼相機(jī)曝光時間的方法

王瀟瀟*,譚 山

（廣州計量檢測技術(shù)研究院，廣東廣州，510663）

本文討論了一種依托動態(tài)光源系統(tǒng)，采用圖像處理技術(shù)對數(shù)碼相機(jī)曝光時間進(jìn)行測定的方法。實驗驗證了光斑軌跡的位置及光源轉(zhuǎn)速調(diào)整對測定結(jié)果的影響。

數(shù)碼相機(jī)；曝光時間；檢測方法

曝光時間（也稱快門速度）是評價照相機(jī)性能的主要技術(shù)指標(biāo)之一，其與像面照度的乘積即為曝光量。一般可通過控制快門速度對曝光時間進(jìn)行控制，從而達(dá)到預(yù)期的曝光量，實現(xiàn)理想的拍攝效果。由于傳統(tǒng)相機(jī)可拆卸感光膠片，因而曝光時間通常采用光源與光電探測器分置快門兩側(cè)的方式進(jìn)行測定[1]。隨著光電技術(shù)的發(fā)展，光電轉(zhuǎn)換器件代替了傳統(tǒng)的感光材料，目前，以CCD和CMOS為代表的新型陣列型感光器件，已實現(xiàn)了相機(jī)的數(shù)字化和集成化，在大部分?jǐn)?shù)碼相機(jī)中經(jīng)濟(jì)、簡捷的電子快門取代了傳統(tǒng)的機(jī)械快門或電磁快門。傳統(tǒng)的曝光時間測定方法已無法適應(yīng)數(shù)碼相機(jī)的檢測需求，開發(fā)新的免拆卸曝光時間檢測方法成為當(dāng)前檢測領(lǐng)域亟待解決的新問題。

中國計量科學(xué)研究院光學(xué)與激光計量科學(xué)所的王煜等人根據(jù)曝光量 （H） 、相面照度 （E） 與曝光時間 （t） 的關(guān)系，利用積分球均勻光源配合輔助快門的裝置，提出了一種間接推算法來標(biāo)定數(shù)碼相機(jī)的曝光時間[2]。本文提出的數(shù)碼相機(jī)曝光時間測定方法，是通過對拍攝特定動態(tài)光源后的圖像進(jìn)行量化分析，進(jìn)而得到曝光時間的一種新方法。

1 測定原理及裝置簡介

眾所周知，無論是機(jī)械式快門還是電子快門，在快門開啟的瞬間，CCD傳感器會接收到入射光線，而快門關(guān)閉則光線入射停止。對于運動的物體，快門開啟瞬間，物體反射光線在傳感器上產(chǎn)生位移，因此會產(chǎn)生拖尾效應(yīng)。當(dāng)數(shù)碼相機(jī)拍攝旋轉(zhuǎn)點光源時，若設(shè)置點光源旋轉(zhuǎn)一周的時間大于曝光時間，則曝光時間與所得圖像中點光源軌跡存在如下關(guān)系。設(shè)點光源旋轉(zhuǎn)速度為V （°/s）,攝得圖像中影像軌跡角度為W （°） （W＜360），則曝光時間T（s） 為：

本文對數(shù)碼相機(jī)曝光時間的測定需依托自行研制的動態(tài)光源箱進(jìn)行。其由光源、濾光片組、反射光路、旋轉(zhuǎn)馬達(dá)、速度監(jiān)測器、數(shù)顯裝置、速度調(diào)節(jié)裝置及屏幕組成。光源出射的激光光束經(jīng)過濾光片組，由反射光路送于屏幕之上；由旋轉(zhuǎn)馬達(dá)對反射光路的某一部分進(jìn)行驅(qū)動，可使屏幕上的光斑做圓周運動。圖1是動態(tài)光源箱的結(jié)構(gòu)示意圖。其中旋轉(zhuǎn)馬達(dá)最高轉(zhuǎn)速為6500轉(zhuǎn)/分鐘，速度監(jiān)測器靈敏度為0.1轉(zhuǎn)/分鐘。

圖1 動態(tài)光源箱結(jié)構(gòu)示意圖

2 實驗步驟及量化分析過程

相機(jī)設(shè)置為待測曝光時間，感光度優(yōu)先采用基礎(chǔ)感光度，必要時可通過更換不同透過率的濾光片組控制光源亮度，實現(xiàn)正確曝光。過曝和欠曝的圖像不能用于本文所述的曝光時間測定。圖2所示為可接受和不可接受的拍攝圖實例。為避免鏡頭畸變對測定結(jié)果的影響，拍攝時鏡頭應(yīng)避免設(shè)置于廣角端，且使光源運動軌跡的直徑小于圖像對角線的70 %。拍攝之前根據(jù)標(biāo)稱曝光時間，計算光源轉(zhuǎn)速，以確保光源運動軌跡小于360°。

圖2 拍攝圖像實例（所示實例為原始圖像的截取部分且有寬高比的調(diào)整）

對所得圖像的量化分析是在圖像處理技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用Visual Basic編程軟件，實現(xiàn)光源運動軌跡角度的測量。處理工作分四個步驟：1、圖像預(yù)處理。對圖像進(jìn)行灰化，提取每個像素點的亮度信息。2、特征提取。運用canny算子進(jìn)行邊緣檢測[3]，提取光源運動軌跡輪廓，如圖3所示。3、識別分析。激光點光源近似為圓形，所得運動軌跡兩端點以近似圓弧形處理。按鄧偉等人報道的方法[4]獲得端點圓弧的圓心坐標(biāo)，并作為計算運動軌跡弧度的起點和終點4、計算并得到目標(biāo)數(shù)據(jù)。設(shè)起終點坐標(biāo)分別為和，激光光源距旋轉(zhuǎn)中心的距離為R，則運動軌跡的角度W （°） （W＜180） 由下式可得：

將（2）或（3）式帶入（1）式得到曝光時間測量結(jié)果。

3 實測數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

運用本文所述的數(shù)碼相機(jī)曝光時間測定方法，對canon PowerShot G3數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行了一系列曝光時間測定實驗。

3.1 第一組實驗

設(shè)定不同待測快門速度檔，每檔快門在同一光源轉(zhuǎn)速下，采用連拍模式，可得到光源軌跡位于圓周不同位置時的圖像，由此計算曝光時間結(jié)果如圖4所示，相機(jī)設(shè)置見表1，為得到曝光正確的原始圖像，隨著曝光時間增長，光圈值逐漸減小。

圖3 特征提取后光源軌跡輪廓圖

表1 第一組實驗相機(jī)參數(shù)設(shè)置

圖4 第一組實驗曝光時間測定結(jié)果示意圖

由圖4可知，相同轉(zhuǎn)速下，運動光源軌跡在不同位置測得的曝光時間值穩(wěn)定性良好。各檔曝光時間對應(yīng)的平均值標(biāo)準(zhǔn)偏差為:(1/1000)3.9×10-5s, (1/500)2.6×10-5s, (1/250)2.7×10-5s, (1/125)0.00013 s, (1/60)0.00014, (1/30)0.00032。因此，該曝光時間測定方法中，光路設(shè)計可靠，動態(tài)光斑圓周運動穩(wěn)定性高，若需得到更為準(zhǔn)確的測量結(jié)果，可取10次測量平均值作為曝光時間最終測量結(jié)果。

3.2 第二組實驗

同一曝光時間設(shè)置下，采用不同光源轉(zhuǎn)速，所得曝光時間結(jié)果如圖5所示。相機(jī)設(shè)置以實現(xiàn)正確曝光為目的，曝光時間固定，隨著轉(zhuǎn)速的增快，需適當(dāng)增大光圈值。由圖5可知，在不同轉(zhuǎn)速下，測得的曝光時間結(jié)果比較平穩(wěn)。說明光源轉(zhuǎn)速的調(diào)整對測試結(jié)果影響較小。在低轉(zhuǎn)速光斑軌跡較短時，測試結(jié)果偏差較明顯。這主要是因為光斑軌跡在端點辨別時存在不確定度，而這種不確定度在軌跡越短時對測試結(jié)果的影響越大。因此，采用本方法測定數(shù)碼相機(jī)曝光時間時，應(yīng)盡量選擇可使光斑軌跡長度適中的光源轉(zhuǎn)速。

4 小結(jié)

本文報道了一種測定數(shù)碼相機(jī)曝光時間的方法。通過對轉(zhuǎn)速可調(diào)的旋轉(zhuǎn)光源進(jìn)行正確拍攝，并對產(chǎn)生的圖像進(jìn)行量化分析，即可得到數(shù)碼相機(jī)曝光時間參數(shù)。經(jīng)過實驗驗證，在同一轉(zhuǎn)速下，原始圖片光斑軌跡處于不同位置，對測試結(jié)果的影響不明顯；不同轉(zhuǎn)速下，同一曝光時間檔的測試結(jié)果存在中高速穩(wěn)定、低速波動的現(xiàn)象，主要來自于端點判別的不確定度影響。選擇合適的光源轉(zhuǎn)速，可避免此種情況的發(fā)生。

A method for measuring exposure time of digital camera without disassembly

Wang Xiaoxiao,Tan Shan
（Guangzhou institute of measuring and testing technology,Guangdong Guangzhou,510663）

In this paper, a method for measuring the exposure time of digital camera based on dynamic light source system is discussed. The experimental results show the influence of the position and the speed adjustment of the light spot on the measurement results.

digital camera; exposure time; method for measurement

廣東省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局科技計劃項目（2015CJ04）。 *通訊作者，E-mail: wxx55423@163.com