安防類攝像頭被廣泛使用，隨著環境的長期老化和服役時間的延長，其成像質量不可避免會發生下降。但鮮有環境老化測試對其成像質量影響的研究。本文聚焦圖像質量的灰階值，考慮到攝像頭使用環境的復雜性，分析了氣體腐蝕測試前后典型光學成像系統在不同光照條件下的成像質量。研究發現，環境測試后，成像系統的灰階分辨能力下降。另外，光照條件對其灰階分辨能力影響較大。在光學補償情況下，灰階值明顯降低，攝像頭不能很好的進行灰階分辨。本文使用了透射式標板法和反射式標板法兩種測試方法進行灰階值分析。研究發現，兩種方法結果是自洽的。
引言
安防類攝像頭被廣泛使用于各類公共和私人場所，其成像性能好壞至關重要。然而此類系統因長期高負荷上線使用，成像質量必然會隨上線時間增長而下降。且部分設備存在惡劣環境下長期使用的情況。外界環境的長期老化效應會使其產生一定的圖像質量偏差。另一方面，該類測試設備使用的環境光照條件差異較大，導致攝像頭拍攝照片圖像質量 差距較大。
目前，針對攝像機成像質量的測試一般有兩種方法。一種是對攝像產品電信號的分析。在標準測試條件下，通過對其信號頻率、電平等電信號的分析得到其圖像質量。該方法未完整考慮系統整體的影響，重點考察了系統內部光電轉換元件（如CCD、CMOS）的質量，而未考察如鏡頭、外殼等其他關鍵零部件對系統整體成像質量的影響。另一種是對獲得圖像質量的光學分析。在特定模式下拍攝一段視頻。視頻內容為穩定的標準視頻。從該段視頻中截取單幀圖像。通過軟件對單幀靜態圖像的開展光學性能分析，從而綜合評估視頻質量。上面兩種方法均能反映在特定實驗室環境下的產品光學性能表現。但存在兩大問題。一、未考慮強光、弱光、帶光學補償等復雜光照環境對產品成像質量的影響。二、未考慮惡劣使用環境對產品成像質量的影響。
本文基于這種研究現狀，聚焦圖像質量的灰階值，分析了氣體腐蝕測試 前后典型光學成像系統的成像質量。同時考慮不同的光照條件對灰階測試的影響。在分析方法上， 使用了透射式標板法和反射式標板法兩種測試方法進行了灰階值分析。且對兩種測試結果進行了對比研究。
測試流程確定
本文主要不同光照條件下，氣體腐蝕測試前后攝像系統灰階值的變化。灰階測試采用透射式和反射式兩種標板，并評估了兩種方法的結果自洽性。
01、灰階測試
灰階為光學成像系統對不同光譜特性或等效光譜特性灰度的分辨能力，是光學成像系統成像質量的重要指標。因其包含信息較少，相比顏色參數而言更容易分析。該參數是最早被用于成像質量分析的參數之一。灰階測試需在暗室中進行，暗室內雜散光照度小于1lx。環境溫度：15℃～25℃；相對濕度：25％～75％；大氣壓力：86kPa～106kPa。
為考察不同光照條件下攝像機的灰階分辨能力，使用三種實驗室模擬環境，分別模擬白天，傍晚和夜晚拍攝環境。夜晚環境測試時，攝像產品會進行自動補光。如攝像頭未自帶燈光/紅外照明，則無需進行項目3測試。具體見表1。
表1 典型測試條件表
為更好的模擬實際情況，均選取具備防塵防水功能的戶外用攝像頭產品作為測試樣品。設定最高分辨，白平衡、感光度為自動。其他參數設置按出廠/初始設置進行設定。將攝像頭固定在合適的位置上，使鏡頭光軸和灰度標尺圖垂直，標準圖卡位于拍攝畫面的中心位置并保證標準圖卡畫面占整個畫面的80%以上。所用光源箱的面光源的四角與中心的亮度均勻性不低于95%。在各種典型光源環境下各拍攝10s視頻并保存。視頻拍攝完成后，以隨機抽取方式抽取單幀圖像10幀進行光學分析。
測試使用了兩種測試圖卡，分別為透射式測試圖卡和反射式測試圖卡。使用工具軟件進行數據讀取，可分別得到兩種圖卡下的G和L值。
02、環境測試選擇
根據GB/T 2423系列，IEC 60068-2系列，GB 4208-2008等環境測試方法要求，模擬戶外攝像頭產品在使用時可能會經歷的如高低溫沖擊、鹽霧、氣體腐蝕、紫外暴露等在內的多種嚴酷老化試驗。通過對20個型號200個樣品的多種環境試驗前后樣品光學性能參數分析發現，氣體腐蝕測試對戶外攝像頭的光學性能退化影響較大。其也是安防類產品重點考察的一個老化測試項目。本文主要聚焦于研究氣體腐蝕測試對產品光學性能的影響。本次測試為不通電狀態下的環境模擬。按IEC 60068-2-60-2015方法4開展氣體腐蝕測試，試驗周期為 63天。
測試結果分析
本章節將對測試結果進行分析。環境測試前后，按表1要求開展三種環境模式下攝像機樣品拍攝視頻的獲取。隨機抓取視頻的單幀圖像，進行灰階測試的分析。灰階測試共有兩種測試方案：透射式標板法和反射式標板法。下面對兩種測試結果進行分析。
01、透射式標板分析
使用標準光源箱，將標準測試板緊貼固定于光源箱投光處。攝像機對準測試板進行拍攝，將測試板充滿液晶取景器的整個畫面。拍攝完成后，于工具軟件中在各段中央部位選擇6464像素的面積測試其G值。圖1為環境測試前使用透射式標板時灰階測試視頻的單幀圖像，從圖1中可以直觀看出不同光照環境對灰階測試有一定影響。
圖1 環境測試前不同光照條件下透射式標板灰階測試實拍圖
本次共測試11個位置點的G值，分別為Gi，其中i=1,2…11。考察相鄰兩個位置點G值的差值，并求其差值平方的和，計為M，該M值可有效評估相鄰位置點的差異情況。M值越大，說明圖像的灰階分辨能力越好。
環境測試前后不同光照條件下灰階值的G值見表2和表3，M值見圖3。
表1 環境測試前不同光照條件下的G值
表2 環境測試后不同光照條件下的G值
圖2 不同光照條件下的環境測試前后的M值
從表2，表3，圖2可知，光照條件越好，M值越大，圖像的灰階分辨率越高。經過氣體腐蝕測試后，各光照條件下的M值均減小，灰階分辨能力變差。光源條件越差，灰階分辨能力下降越明顯。在光照條件3下， M’值下降嚴重，已不能滿足清晰分辨的要求。光照條件對灰階測試的影響很大。
02、反射式標板分析
圖3為使用反射式標板前灰階測試視頻的單幀圖像，從圖中可以直觀看出不同光照環境對反射式灰階測試有一定影響。
圖3 不同光照條件下反射式標板灰階測試實拍圖
反射式標板灰階測試即為動態范圍測試。對反射式灰階測試圖卡進行拍攝，拍攝后取單幀圖像進行分析。在每個灰度條中截取面積不小于30%的灰度塊，讀出所截取的每個灰度塊的灰度值。根據公式或軟件分析計算，可以判斷從黑到白可分辨的灰階的級數，用L值表示。圖4和圖5分別為環境測試前后L值分析圖。表4為環境測試前后獲得圖像的灰階值L。同時，分析灰階測試的對比度，對比度為（最高亮度-最低亮度）/255，環境測試前后不同光源條件下圖像的對比度見表4。一般而言，我們要求獲得圖像的對比度大于80%。從表4，表5和圖4，圖5中可以看出，在弱光條件下，圖像的分辨率和對比度較差，不符合標準要求。
表4 環境測試前后不同光照條件下的灰階分辨率L
表5 環境測試前后不同光照條件下的對比度R
圖4 環境測試前L值分析圖
圖5 環境測試前L值分析圖
從上面的分析可知，不管是使用透射式標板還是反射式標板測試，均可發現，經過一定強度的氣體腐蝕試驗后，圖像的灰階分辨能力下降，圖像質量下降。另外，良好的光照條件對良好圖像質量的獲得非常重要，良好的光照條件可有效提高圖像質量。弱光條件對灰階測試影響較大，在黑暗條件下，樣品的灰階測試分辨率一般不能滿足行業標準要求。
總結
本文分析了氣體腐蝕測試前后典型光學成像系統的成像質量。研究在不同光照條件下光學圖像的灰階值在環境試驗前后的變化。采用了透射式和反射式兩種不同的灰階標板進行評價，全面分析在特定光學環境下（強光、弱光、帶光學補償）氣體腐蝕測試對其灰階值的影響。研究發現，兩種評價方法很好自洽。在實施了氣體腐蝕試驗后，光學圖像的灰階分辨能力變差。光線對灰階測試影響很大。弱光條件下，灰階值明顯降低。后續，我們將進一步研究其他類型的環境測試對光學成像系統成像質量的影響。
