CN112082738B - 彩色夜视相机性能评价测试系统及测试方法 - Google Patents

彩色夜视相机性能评价测试系统及测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种彩色夜视相机性能评价测试系统及测试方法，该方法通过待测彩色夜视相机采集比色卡图像；根据比色卡图像计算色彩对比度、色保真度以及色彩噪声。本发明根据采集到的数字图像，计算色彩对比度、色保真度以及色彩噪声，根据以上指标此来判断待测彩色夜视相机性能优劣，质量是否合格，评价准确性高。

Description

彩色夜视相机性能评价测试系统及测试方法
技术领域
本发明属于光学测量领域，具体为一种彩色夜视相机性能评价测试系统及测试方法。
背景技术
在过去的几年中，以电子倍增CCD(EMCCD)为代表的微光成像技术一直在稳步发展。针对该器件的评价指标与测试方法也在不断完善。目前已经形成了较为完备的测试标准，如《GJB7951－2012电荷耦合成像器件测试方法》、《EM1024BC型电子倍增CCD详细规范》。
人类对色彩的追求从未停止，彩色化注定是微光成像领域下一阶段的研究方向。近年来随着探测器器件工艺的提升与包含近红外信息的彩色滤光片及其重构方法的发展，使得真彩色低照度成像模式得以拓展，真彩色夜视相机也开始问世。如何在现有评价指标与测试方法的基础之上，提出适合评价彩色夜视相机性能的指标就变得十分紧迫。
发明内容
本发明的目的在于提出了一种彩色夜视相机性能评价测试系统。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种彩色夜视相机性能评价测试系统，包括D65光源、光阑、积分球、暗室、反光镜、比色卡、可调光学镜头、上位机，所述光阑连接D65光源与积分球输入端，所述积分球的输出端与暗室的输入端连接，所述反光镜、比色卡设置在暗室内，且使得积分球输出的均匀微光经反光镜反射到比色卡上，所述可调光学镜头设置在待测彩色夜视相机上，所述可调光学镜头和待测彩色夜视相机均设置在暗室内，所述上位机分别与可调光学镜头、光阑和待测彩色夜视相机连接，所述上位机中设有：
控制模块，用于控制光阑输出不同强度的微光；控制可调光学镜头的焦距与光圈；
图像采集模块，用于通过待测彩色夜视相机采集比色卡图像；
图像处理模块，用于根据采集的图像，计算色彩对比度、色保真度以及色彩噪声。
本发明还提出了一种彩色夜视相机性能评价测试方法，具体步骤为：
通过待测彩色夜视相机采集比色卡图像；
根据比色卡图像计算色彩对比度、色保真度以及色彩噪声。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明利用上位机对彩色夜视相机性能测试系统中的设备进行控制，如控制光阑输出不同程度的微光；控制可调光学镜头的焦距与光圈，使彩色夜视相机清晰成像；控制待测彩色夜视相机采集测试素材，简单方便；
2)本发明根据采集到的数字图像，计算色彩对比度、色保真度以及色彩噪声，根据以上指标此来判断待测彩色夜视相机性能优劣，质量是否合格，评价准确性高。
下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。
附图说明
图1是本发明彩色夜视相机性能评价测试系统结构图。
图2是本发明彩色夜视相机性能评价测试方法流程图。
具体实施方式
一种彩色夜视相机性能评价测试系统，包括D65光源(1)、光阑(2)、积分球(3)、暗室(4)、反光镜(5)、比色卡(6)、可调光学镜头(7)、上位机(8)，所述光阑(2)连接D65光源(1)与积分球(3)输入端，所述积分球(3)的输出端与暗室(4)的输入端连接，所述反光镜(5)、比色卡(6)设置在暗室(4)内，且使得积分球(3)输出的均匀微光经反光镜(5)反射到比色卡(6)上，所述可调光学镜头(7)设置在待测彩色夜视相机上，所述可调光学镜头(7)和待测彩色夜视相机均设置在暗室(4)内，所述上位机(8)分别与可调光学镜头(7)、光阑(2)和待测彩色夜视相机连接，所述上位机(8)中设有：
控制模块，用于控制光阑(2)输出不同强度的微光；控制可调光学镜头(7)的焦距与光圈；
图像采集模块，用于通过待测彩色夜视相机采集比色卡(6)图像；
图像处理模块，用于根据采集的图像，计算色彩对比度、色保真度以及色彩噪声。
本发明系统的工作过程为：
采集测试图片：
(1a)D65光源(1)发出的光经光阑(2)和积分球(3)，通过上位机(8)控制模块(9)调节光阑(2)输出测试所需的均匀微光；
(1b)将暗室(4)输入口与积分球(3)的出口密闭连接，使积分球(3)输出的均匀微光经反光镜(5)反射到比色卡(6)上；
(1c)彩色夜视相机与电动可调光学镜头(7)相连，由上位机(8)控制电动可调光学镜头(7)的焦距和光圈，使得彩色夜视相机成像清晰，采集比色卡图像作为测试素材。
计算性能评价指标：
(2a)对于彩色夜视相机在微光条件下采集到的比色卡图像，先将图像从RGB空间转换到Lab空间，取色卡中任一色块，通过CIEDE2000色差公式，计算该色块与其余色块的色差值，将结果取均值，将该值作为指标色彩对比度，其计算公式见式(1)
Figure BDA0002647623650000031
式中，ΔL′表示亮度差，ΔH′代表色度差，ΔC′代表饱和度差，SL、SC、SH为亮度、饱和度和色调权重因子，用于描述视觉感受对三要素的加权作用。
(2b)对于彩色夜视相机在微光条件下采集到的比色卡图像，将图像从RGB空间转换到Lab空间，计算出24个色块的色保真度并取均值，色保真度计算公式如式(2)
Figure BDA0002647623650000032
式中，ΔH′代表色度差，ΔC′代表饱和度差，SC、SH为饱和度和色调权重因子。
(2c)对于彩色夜视相机在微光条件下采集到的比色卡图像，将图像从RGB空间转换到Lab空间，分别计算图像Lab各分量的标准差，加权得到指标色彩噪声，色彩噪声计算公式如式(3)
Figure BDA0002647623650000033
式中σL,σa,σb分别代表Lab图像L、a、b三通道各自的均方差。
色彩对比度表示彩色夜视相机在微光条件下区色彩的能力，该值越大，说明器件性能更优；色保真度表示彩色夜视相机采集的色卡颜色与标准颜色之间的匹配程度，当该值接近零时，即待测图像色彩与标准图像色彩基本匹配，则待测彩色夜视相机性能很好；当该值远远大于零时，即待测图像色彩与标准图像色彩偏差过大，则待测彩色夜视相机质量较差；色彩噪声表示图像的噪声性能，该值越大，说明相机成像质量越差。
一种彩色夜视相机性能评价测试方法，具体步骤为：
通过待测彩色夜视相机采集比色卡图像；
根据比色卡图像计算色彩对比度、色保真度以及色彩噪声。
进一步的实施例中，根据比色卡图像计算色彩对比度、色保真度以及色彩噪声的具体方法为：
将采集的图像从RGB空间转换到Lab空间；
取色卡中任一色块，通过CIEDE2000色差公式，计算该色块与其余色块的色差值，将结果取均值后作为指标色彩对比度；
计算24个色块的色保真度并取均值作为相机色保真度；
分别计算图像Lab各分量的标准差，并加权得到指标色彩噪声。
进一步的实施例中，计算指标色彩对比度的具体公式为：
Figure BDA0002647623650000041
式中，ΔL′表示亮度差，ΔH′代表色度差，ΔC′代表饱和度差，SL、SC、SH为亮度、饱和度和色调权重因子。
进一步的实施例中，计算相机色保真度的具体公式为：
Figure BDA0002647623650000042
式中，ΔH′代表色度差，ΔC′代表饱和度差，SC、SH为饱和度和色调权重因子。
进一步的实施例中，计算色彩噪声的具体公式为：
Figure BDA0002647623650000043
式中，σL,σa,σb分别代表Lab图像L、a、b三通道各自的均方差。
实施例1
如图1所示，一种彩色夜视相机性能评价测试系统，包括：D65光源1、光阑2、积分球3、暗室4、反光镜5、比色卡6、可调光学镜头7以及上位机8。其中：积分球3是直径为750mm的漫反射球体，入口直径为100mm，出口直径为200mm，内表面涂层为Spectralon，出口光均匀度>98％；暗室4为长方形腔体，腔体内部涂有不透光的黑色涂层，侧面端设有能够打开的盒盖；上位机8包括控制模块9、图像采集模块10和数字图像处理模块11。
积分球3的输出端与暗箱4的输入端相固定，光阑2连接D65光源1与积分球3输入端，用于产生实验所需的不同强度的均匀微光。
所述控制模块9，控制光阑输出不同程度的微光，控制可调光学镜头的焦距与光圈，使相机清晰成像；
所述数字成像模块10，控制待测彩色夜视相机采集相关测试素材；
所述数字图像处理模块11，基于采集到的测试素材，计算得到各项评价指标，色彩对比度，色保真度以及色彩噪声。
如图2所示，一种彩色夜视相机性能评价测试方法，具体步骤如下：
(1)通过待测彩色夜视相机采集比色卡图像：
(1a)光阑(2)位于D65光源(1)和积分球(3)之间，通过调节光阑(3)输出测试所需的均匀微光；
(1b)将暗室(4)输入口与积分球(3)的出口密闭连接，使积分球(3)输出的均匀微光经反光镜(5)反射到比色卡(6)上；
(1c)彩色夜视相机与可调光学镜头(7)相连，由上位机(8)控制可调光学镜头(7)的焦距和光圈，使得彩色夜视相机成像清晰，采集比色卡图像作为测试素材。
(2)根据比色卡图像计算色彩对比度、色保真度以及色彩噪声：
(2a)对于步骤(1)中彩色夜视相机在微光条件下采集到的比色卡图像，先将图像从RGB空间转换到Lab空间，取色卡中任一色块，通过CIEDE2000色差公式，计算该色块与其余色块的色差值，将结果取均值，将该值作为指标色彩对比度，其计算公式见式(1)：
Figure BDA0002647623650000051
式中，ΔL′表示亮度差，ΔH′代表色度差，ΔC′代表饱和度差，SL、SC、SH为亮度、饱和度和色调权重因子，用于描述视觉感受对三要素的加权作用。
(2b)对于步骤(1)中彩色夜视相机在微光条件下采集到的比色卡图像，将图像从RGB空间转换到Lab空间，计算出24个色块的色保真度并取均值，色保真度计算公式如式(2)
Figure BDA0002647623650000061
式中，ΔH′代表色度差，ΔC′代表饱和度差，SC、SH为饱和度和色调权重因子。
(2c)对于步骤(1)中彩色夜视相机在微光条件下采集到的比色卡图像，将图像从RGB空间转换到Lab空间，分别计算Lab各分量的标准差，加权得到指标色彩噪声，色彩噪声计算公式如式(3)
Figure BDA0002647623650000062
式中，σL,σa,σb分别代表Lab图像L、a、b三通道各自的均方差。
(2d)色彩对比度表示彩色夜视相机在微光条件下区色彩的能力，该值越大，说明器件性能更优；色保真度表示彩色夜视相机采集的色卡颜色与标准颜色之间的匹配程度，当该值接近零时，即待测图像色彩与标准图像色彩基本匹配，则待测彩色夜视相机性能很好；当该值远远大于零时，即待测图像色彩与标准图像色彩偏差过大，则待测彩色夜视相机质量较差；色彩噪声表示图像的噪声性能，该值越大，说明相机成像质量越差。
国际照明委员会于2001年公布了CIEDE2000色差公式，新的色差公式在原色差计算公式的基础上，另外特别引进了三个新的重量系数SL,SC,SH,分别代表了在亮度、饱和度和色调方向上的差异程度。这三个重量系数与亮度、饱和度与色调有关系。因此，本发明综合了在Lab空间中人眼辨别临界区的特征，并为与人眼评估密切相关的三个参数，亮度、饱和度和色调独立设置了修正系数。CIEDE2000色差公式给出了总色差ΔE，与亮度差ΔL′，色调差ΔH′和饱和度差ΔC′的关系，其计算过程分为三步：
(1)图像由RGB空间转到Lab空间
Figure BDA0002647623650000071
其中：
Figure BDA0002647623650000072
Figure BDA0002647623650000073
L*＝116f(Y/Yn)-16 (7)
a*＝500[f(X/Xn)-f(Y/Yn)] (8)
b*＝200[f(Y/Yn)-f(Z/Zn)] (9)
其中
Figure BDA0002647623650000074
(2)计算饱和度C′i和色调角h′i
Figure BDA0002647623650000075
Figure BDA0002647623650000076
Figure BDA0002647623650000077
Figure BDA0002647623650000078
Figure BDA0002647623650000079
Figure BDA0002647623650000081
(3)计算亮度差ΔL′,饱和度差ΔC′,色度差ΔH′
Figure BDA0002647623650000082
ΔC′＝C′2-C′1 (18)
Figure BDA0002647623650000083
Figure BDA0002647623650000084
(4)计算CIEDE2000色差ΔE
Figure BDA0002647623650000085
Figure BDA0002647623650000086
Figure BDA0002647623650000087
Figure BDA0002647623650000088
Figure BDA0002647623650000089
Figure BDA00026476236500000810
Figure BDA00026476236500000811
Figure BDA0002647623650000091
Figure BDA0002647623650000092
RT＝-sin(2Δθ)RC (30)
Figure BDA0002647623650000093
式中，KL、KC、KH为参数因子，是一个与观察环境相关的校正系数，本实施例中，均取1。SL、SC、SH为亮度、饱和度和色调权重因子，用于描述视觉感受对三要素的加权作用，RT为旋转函数，用于校正视觉感受中蓝色区域色分辨椭圆主轴方向的偏转，本实施例中取0。

Claims (3)

1.一种彩色夜视相机性能评价测试方法，其特征在于，具体步骤为：
通过待测彩色夜视相机采集比色卡图像；
根据比色卡图像计算色彩对比度、色保真度以及色彩噪声，具体步骤为：
将采集的图像从RGB空间转换到Lab空间；
取色卡中任一色块，通过CIEDE2000色差公式，计算该色块与其余色块的色差值，将结果取均值后作为指标色彩对比度；
计算24个色块的色保真度并取均值作为相机色保真度，
计算相机色保真度的具体公式为：
Figure FDA0003590654630000011
式中，ΔH'代表色度差，ΔC'代表饱和度差，SC、SH为饱和度和色调权重因子；
分别计算图像Lab各分量的标准差，并加权得到指标色彩噪声。
2.根据权利要求1所述的彩色夜视相机性能评价测试方法，其特征在于，计算指标色彩对比度的具体公式为：
Figure FDA0003590654630000012
式中，ΔL'表示亮度差，ΔH'代表色度差，ΔC'代表饱和度差，SL、SC、SH为亮度、饱和度和色调权重因子。
3.根据权利要求1所述的彩色夜视相机性能评价测试方法，其特征在于，计算色彩噪声的具体公式为：
Figure FDA0003590654630000013
式中，σL,σa,σb分别代表Lab图像L、a、b三通道各自的均方差。
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