CCD相机性能测试
CCD相机按照其应用领域不同,分为工业相机以及科学级相机两大种。目前,CCD相机主要应用与生物科学、天文学、化学成像、生物成像、荧光纤维成像、高速摄影等领域。
CCD相机的图像采集
CCD相机的核心是电荷耦合器件(CCD芯片),分为线阵CCD和面阵CCD两种。面阵CCD又分为三种类型,分别为行间转移(IT)型,帧间转移行(FT)和行帧间转移型(FIT)。目前常用的CCD类型为行间转移(IT)型,其图像采集分为四个步骤:①信号产生与积分;②信号垂直转移;③信号水平转移;④信号检测与图像生成。
CCD相机有两种图像采集模式,一种是软触发采集,另一种是外部信号触发采集。软触发模式由控制软件发出触发指令,然后进行图像采集。外部信号触发采集模式是由外部信号发生器向CCD相机发送触发采集信号,CCD相机生成图像,然后控制软件从CCD相机中采集图像。
CCD相机可用与可靠性因子
通过CCD相机进行单次或连续图像采集,要求采集的图像清晰,连续采集过程中尽量不丢帧,为后续的图像处理提供高质量的图像。在实验室测试及实际应用中,发现影响主要因子有:
1、CCD相机连接:
CCD相机连上网络并正确配置后,通过生产厂商提供的软件接口,能够连接到CCD相机,同时也能断开相机连接。如果CCD相机不能正常断开,则可能影响下一次连接。
2、CCD图像采集:
图像采集有两种模式,一种是软触发图像采集,另一种是外部信号触发图像采集。软触发采集用于单个相机的单次或者连续采集。而外部信号触发采集多用于多个相机同步采集。
3、芯片损坏:
当CCD芯片局部损坏时,因为CCD的串扰效应,采集的图像中会出现贯穿整张图片的白色竖状带,极端情况下,采集的整幅图像全部为白色。
4、图像清晰度:
CCD相机拍摄设固定距离的标定物,要求能够采集到边缘清晰的图像,如果图片不清晰,将会影响图像处理的计算精度,需要通过调整镜头的焦距等方式使采集的图片清晰。
5、连续采集丢帧:
连续采集在软触发和外部信号触发两种模式下进行。CCD相机在连续采集时,因自身的图像采集机制,外部干扰,网路状况等原因将可能出现丢帧的现象,频繁丢帧将影响图像处理。
6、图像数据缺失:
图像数据缺失一般情况为局部数据缺失,极端情况下可能出现数据全部丢失。引起数据缺失的一种可能原因是触发采集信号与图像采集操作之间的时间间隔过短,CCD相机的缓冲区中图像数据还未完全生成,数据就被采集输出,从而图像出现缺损。根据CCD相机的图像形成机制,数据缺失的图片将会在图像中出现横穿图片的黑色条状带,极端情况下,如果数据全部丢失,则产生的整个图片像素全部为黑色。
上述的影响因子可以分为两大类别,一种是影响到CCD的使用,使CCD不能正常使用或者CCD采集的图像达不到使用的要求,将该类因子称为可用影响因子。另一种是影响到CCD可靠性,因子的影响是规律性或者是随机性的,状态不会持续保持,不会严重影响系统的使用,但是会降低系统的可靠性,将该类因子称为可靠性影响因子。
CCD相机影响因子的测试
影响因子的特性和分类,测试分为两个部分,CCD相机可用测试和可靠性测试。可用测试可以看成是可靠性测试的预处理过程。只有在CCD相机可用的情况下才进行可靠性测试。
CCD相机可用测试:
可用测试是测试相机能否正常连接,能否正常采集图像,芯片是否损坏以及图像是否清晰。如果测试的因子正常,则因子状态为1,否则因子的状态为0。当4个可用影响因子状态都为1时,才能保证CCD相机可用。对于相机连接和图像采集,测试方法比较简单,而芯片损坏测试与图像清晰度判定,则需要根据具体应用的特点设计相应的测试方法。
1、CCD相机连接与图像采集测试测试
CCD相机能否正常连接,调用CCD相机厂商提供的接口程序和库函数,执行N次连接CCD相机操作,根据函数返回状态判定CCD能否正常连接,如果能够正常连接,则状态为1,否则为0。
CCD相机图像采集测试时,在软触发采集以及外部信号触发采集模式下,调用接口程序和库函数,连续进行N次图像采集,两种模式下都能够采集到图片,则状态为1,否则为0。
2、CCD相机芯片损坏检测
CCD芯片损坏时,因为串扰效应,将会在图像中出现贯穿整张图片的白色竖状带,根据白色竖状带形成的原理,结合图像扫描的思想,提出了一种检测算法。算法的思想是,选择图像中一定数量的行进行扫描,记录每次行扫描Z左和Z右白色的像素点的列值,然后用所有Z右白色像素点的Z左点的列值减去所有Z左白色像素点的Z右点的列值,如果差值小于0,表示不存在白色竖亮线,反之则存在。
3、CCD相机图像清晰度判定
CCD相机图像清晰度判定可通过观察的方式进行判断,也可以通过图像清晰度判定算法进行检测,即主观评价法和客观评价法。
主观评价法是观察者根据事先规定的法则和主观经验给出图像清晰度的评价,该方法可以比较好地评价图像的清晰度,但是不能应用于CCD相机自动测试。
客观评价法分为有参考评价与无参考评价,有参考评价是使用参考图像的全部数据或部分特征与被测的图像进行比较来进行评价。无参考评价是无法获得参考图像或很难获得参考图像的情况下,对被测图像进行评价,如CCD相机成像系统,用户终端系统。
CCD相机可靠性测试:
CCD相机可靠性测试是测试采集丢帧率和图像数据丢失率。丢帧率测试比较简单,调用图像采集接口函数进行图像采集,统计未采集到图像的次数即可。而对于图像数据丢失率,则需要根据具体的应用设计相应的图像数据丢失判定方法进行检测。
1、CCD相机图像丢帧率测试
在软触发模式下,以随机时间间隔与等时间间隔的方式分别采集M1张图片,记录丢帧数量Ls。在外部触发模式下,以随机时间间隔与等时间间隔的方式分别采集M2张图片,记录图像丢帧数量Lo,然后分别计算软触发丢帧率Ps=Ls/2M1和外部信号触发丢帧率Po=Lo/2M2,Z后计算平均丢帧率Pc=(Ps+Po)/2。
2、CCD相机图像数据丢失率测试
以随机时间间隔的方式,连续采集M3张图片,记录数据丢失的图片数量N3,然后计算数据丢失率Pl=N3/M3。CCD相机图像采集出现局部数据丢失时,在图像中会出现贯穿图像的横向黑色条状带。
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