炫光與鬼像的成因及其面積的測(cè)試方法的研究

郭 琮 楊熙沖 陳華文 蒙智強(qiáng) 蘇梓銘 陳殷彬

（威凱檢測(cè)技術(shù)有限公司 廣州 510663）

引言

攝像頭作為最直觀的信息采集元器件在電子產(chǎn)品智能化中起到了關(guān)鍵作用。由攝像模組自身結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致炫光鬼像現(xiàn)象，會(huì)嚴(yán)重影響信息的采集。本文通過(guò)介紹攝像模組的結(jié)構(gòu)，并在實(shí)驗(yàn)室中模擬炫光鬼像的形成條件，分析炫光鬼像的成因，使用MATLAB軟件分析攝像模組在實(shí)驗(yàn)室中拍攝的圖片，得到一種炫光鬼像面積的測(cè)量方式。

1 攝像模組的組成

1.1 攝像模組的結(jié)構(gòu)

景物通過(guò)鏡頭生成光學(xué)圖像投影到感光傳感器上轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)過(guò) A/D轉(zhuǎn)化后變?yōu)閿?shù)字圖像信號(hào)，通過(guò)圖像進(jìn)行加工處理，轉(zhuǎn)化為顯示設(shè)備能處理的數(shù)字信號(hào)，通過(guò)顯示屏呈現(xiàn)出來(lái)[1]，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 攝像模組結(jié)構(gòu)

1.2 鏡頭

鏡頭一般是由多個(gè)透鏡組成，透鏡的材料通常是玻璃或塑膠。大多數(shù)鏡頭都會(huì)采用多片透鏡組（通常2～6片）的方式來(lái)設(shè)計(jì)，如圖2所示。在成像中不同透鏡有著不同的作用，如雙凸透鏡可以減小畸變，彎月透鏡可以消除色差，透鏡數(shù)量的增加從一定程度上可以提升圖像質(zhì)量。但是隨著透鏡數(shù)量的增加，光線在透鏡之間的反射次數(shù)也會(huì)隨之增加，這就會(huì)導(dǎo)致有大量的炫光和鬼像出現(xiàn)，反而對(duì)成像造成影響。

圖2 鏡頭的組成

2 模擬炫光鬼像的形成

本文參考業(yè)內(nèi)通用的測(cè)試方法，制造能夠產(chǎn)生炫光與鬼像的測(cè)試環(huán)境，選擇更容易產(chǎn)生炫光鬼像的車(chē)載攝像頭進(jìn)行測(cè)試。

2.1 炫光模擬實(shí)驗(yàn)

2.1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

在炫光的模擬中，使用亮度為（5～10）Mcd/m2的光源并且光源在視場(chǎng)中占（30～34）arcmin（弧分）。

2.1.2 實(shí)驗(yàn)環(huán)境布置

炫光的模擬實(shí)驗(yàn)全程需要光照度不得大于2lux的標(biāo)準(zhǔn)暗室下進(jìn)行。光源面對(duì)DUT。結(jié)合DUT的焦距以及光源在視場(chǎng)中所占弧分，確定光源的通光孔徑以及光源與DUT的距離。經(jīng)計(jì)算，在本次實(shí)驗(yàn)中光源與DUT的距離為76.8 cm，如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)室模擬示意圖

2.1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

保證光源在DUT視場(chǎng)內(nèi)，不斷調(diào)整光源的入射角度，使成像圖像中光斑的面積最大。通過(guò)分析程序，計(jì)算信號(hào)強(qiáng)度大于圖像中最大強(qiáng)度50 %的區(qū)域所占面積，并計(jì)算該區(qū)域與整個(gè)圖像面積的比值。

2.1.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖4可知，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下鏡頭產(chǎn)生了紅色炫光，嚴(yán)重影響了成像。

圖4 炫光實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5 轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)角度示意圖

2.2 鬼像模擬實(shí)驗(yàn)

2.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

點(diǎn)光源功率為1 W、色溫為6 000 K、發(fā)光角度為（110±10）°（半光強(qiáng)），照度為（220±22）Lux，在暗箱（室）中進(jìn)行測(cè)試。

2.2.2 試驗(yàn)環(huán)境布置

鬼像的模擬在暗室中進(jìn)行，暗室在沒(méi)有光源的條件下照度不得大于2 lux。光源面對(duì)車(chē)載攝像頭如圖3所示。DUT鏡頭到光源的距離為（400±10）mm

2.2.3 實(shí)驗(yàn)步驟

將DUT在水平方向順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)中心為鏡頭的幾何中心，每次旋轉(zhuǎn)后的圖像之間相隔10 %的水平視場(chǎng)，直到光源超出水平視場(chǎng)40 %區(qū)域?yàn)橹?，并保存各視?chǎng)圖像；新安置DUT正對(duì)光源，在水平方向按逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，圖像之間相隔10 %的水平視場(chǎng)，直到光源超出水平視場(chǎng)40 %區(qū)域?yàn)橹?，并保存各視?chǎng)圖像；統(tǒng)計(jì)分析和計(jì)算各視場(chǎng)圖像中的鬼像的面積占比和亮度比值。

2.2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

結(jié)合圖6～8可知，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下不同位置上鏡頭產(chǎn)生不同的鬼像，對(duì)成像造成影響。

圖6 位置1拍攝畫(huà)面

3 炫光與鬼像成因

3.1 炫光的成因

結(jié)合鏡筒的結(jié)構(gòu)與實(shí)驗(yàn)室的結(jié)果可知，當(dāng)光線射入鏡頭會(huì)在鏡頭表面產(chǎn)生反射現(xiàn)象，進(jìn)入鏡筒的光線也會(huì)在鏡筒內(nèi)壁產(chǎn)生反射從而引起了炫光，導(dǎo)致圖像對(duì)比度降低的現(xiàn)象。需要注意的是，攝像模組是否對(duì)焦也會(huì)影響炫光的大小。如攝像模組沒(méi)有對(duì)焦，成像畫(huà)面中的炫光會(huì)變大。這種現(xiàn)象不是由于攝像模組的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)導(dǎo)致，而是因?yàn)槟：鶎?dǎo)致的。所以在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前要把攝像模組設(shè)置為自動(dòng)或手動(dòng)對(duì)焦，排除因?qū)苟a(chǎn)生的炫光變大現(xiàn)象。

3.2 鬼像的成因

由于光線照射在鏡片上時(shí)，光線通過(guò)每一層透鏡時(shí)都會(huì)產(chǎn)生一次折射，并且光線會(huì)在鏡面與鏡筒內(nèi)部重復(fù)反射，反射光再成像[2]，產(chǎn)生局部遮蓋的現(xiàn)象。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室的模擬可以驗(yàn)證鬼像的成因，即由于光線在透鏡之間疊加而引起的影響成像的現(xiàn)象。

圖6為光源正對(duì)攝像模組，圖7光源與攝像模組成10 %視場(chǎng)角，圖8光源與攝像模組成20 %視場(chǎng)角。通過(guò)對(duì)比可以得出當(dāng)光源直射攝像模組時(shí)鬼像并不明顯對(duì)成像的影響可以忽略，轉(zhuǎn)動(dòng)攝像模組，光源與攝像模組呈一定角度時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生較為清晰的鬼像，且隨著光源與攝像模組之間的角度的變化，鬼像的位置、大小以及亮度也會(huì)隨之改變。需要注意的是，在光源與攝像模組之間夾角的角度較小時(shí)，鬼像和炫光會(huì)有部分的重合，導(dǎo)致在成像畫(huà)面中附加像的亮度為炫光亮度與鬼像亮度的疊加，不是其真實(shí)的亮度，因此在分析鬼像與成像畫(huà)面面積占比時(shí)，數(shù)值會(huì)有一定的偏差。實(shí)驗(yàn)室給出的解決方法為以光源中心為圓心，鬼像所在位置與圓心德距離為半徑畫(huà)圓，分析圓上其他位置炫光的亮度，附加像的亮度與炫光亮度之差即為所求鬼像的亮度。

圖7 位置2拍攝畫(huà)面

圖8 位置3拍攝畫(huà)面

4 炫光面積和鬼像面積測(cè)試的MATLAB程序

依據(jù)在實(shí)驗(yàn)室中模擬得到的圖像結(jié)果，本文提出一種炫光、鬼像與成像畫(huà)面面積占比的分析程序。工程師在該程序中可以自由的選擇感興趣的區(qū)域，通過(guò)圖像二值化與矩陣運(yùn)算的方式，把圖像轉(zhuǎn)化為數(shù)字矩陣，通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算，得到該區(qū)域的亮度值。并在整個(gè)畫(huà)面內(nèi)檢索最亮點(diǎn)，獲取最亮點(diǎn)亮度值，對(duì)感興趣區(qū)域的炫光、鬼像面積比進(jìn)行計(jì)算。得到工程師想要的數(shù)據(jù)。該算法的精度為像素級(jí)別，誤差非常小，可以有效的對(duì)炫光與鬼像在成像畫(huà)面中的面積占比進(jìn)行計(jì)算。不僅可以幫助工程師了解產(chǎn)品的質(zhì)量情況，還可以幫助制造商把控產(chǎn)品質(zhì)量。

測(cè)試程序中數(shù)值可以根據(jù)不同產(chǎn)品的需求進(jìn)行調(diào)整，本程序中的參數(shù)適用于車(chē)載攝像頭。

以下為測(cè)試程序的代碼。

Algorithm 1：interested area select Data: picture under test p,The number of points that make up area k,the first point of the area c1,the cursor X coordinate x,cursor Y coordinate y,the cursor X coordinate of the first point of the area x1,the cursor Y coordinate of the first point of the area y1,Result: the picture which select the interested area S1 1 in: p 2 P1←rgb2gray(p);3 k←2;4 in: first position of cursor 5 While c==1 do 6 if c1==1 then 7 m(k)←x1;8 n(k)←x1;9 line([m(k-1) m(k)],[n(k-1) n(k)]);10 k=k+1;11 c=c1;

算法1：鬼像和炫光的區(qū)域選擇。

Algorithm 2： glare area test Data: the picture which select the interested area S1，the horizontal pixels number of p a,the vertical pixels number of p b,Number of pixels with peak brightness ratio greater than 50% c1,Result: the area ratio with peak brightness ratio greater than 50% r1 1 in：S1 2 S1←rgb2gray(S1);3 M←max(max(S1));4 c1←0;5 for i← 1 to a do 6 for j← 1 to b do 7 if S1(i,j) ＞=0.5*M 8 c1←c1+1;9 end 10 end 11 end 12 t←a*b;13 r1←(c1/t)*100;

算法2：炫光亮度大于圖片最大亮度的50 %的面積占比r1。

Algorithm 3： ghost area test

Data: the picture which select the interested area S1，the horizontal pixels number of p a,the vertical pixels number of p b,Number of pixels with peak brightness ratio greater than 50% c1,Number of pixels with peak brightness ratio between 30%-50% c2,

Result: the area ratio with peak brightness ratio greater than 50% r1，the area ratio with peak brightness ratio between 30%-50% r2 1 in：S1 2 S1←rgb2gray(S1);3 M←max(max(S1));4 c1←0;5 c2←0;6 for i← 1 to a do 7 for j← 1 to b do 8 if S1(i,j) ＞=0.5*M 9 c1←c1+1;10 elseif S1(i,j)＜0.5*M &&S1(i,j)＞0.3*M;11 c2←c2+1;12 end 13 end 14 end 15 t←a*b;16 r1←(c1/t)*100;17 r2←(c2/t)*100;

算法3鬼像峰值亮度比大于50 %的面積占比r1，鬼像峰值亮度比在（30～50）%之間的面積占比r2。