一、摘要
为满足各种应用的不同要求，车载摄像头在成像特性（如视角、工作距离和像素数）方面差异很大。此外，汽车零件还必须能够承受环境温度的剧烈变化。这些都给汽车行业评估车载摄像头的成像性能带来了巨大挑战。本文介绍了专为解决这些问题而开发的集成式全自动系统。该系统的关键部件包括一根包含 LED 光源和透射式测试标靶的准直仪装置、一个用于固定和移动准直仪和被测相机的机械结构，以及一套用于与控制器通信并计算相机所捕捉图像的软件。有了这个多功能系统，就可以方便地测量摄像头的成像性能，而且准确度、精确度和兼容性都很高。测量结果与使用传统方法进行的测试结果一致。初步结果表明，随着系统的不断发展，其在功能性和灵活性方面具有很大的潜力。
二、引言
近年来，道路车辆配备了越来越多的摄像头，用于驾驶辅助、驾驶员和乘员监控、后视、环视监控等。这些车载摄像头的成像参数差别很大，以适应特定应用的具体要求。例如，为驾驶员辅助系统设计的摄像头可以对准远处的物体，而驾驶员和乘员监控系统所对准的物体可能只有几厘米远。同样，环视摄像机通常具有超宽视场角，而探测相当远距离物体的摄像机的视角可能相当狭窄。数码相机的传统客观成像性能测试（如摄影用数码相机）通常是在实验室中进行的，即用被测相机对某些适当照明的测试目标进行拍照，然后用专用软件对图像进行分析，得出结果。实际上，较长的工作距离需要很大的空间，测试人员往往并不能获得足够的空间来搭建测试环境。此外，测试目标通常是在纸张、金属或照相胶片制成的平面上形成的几何图案。在给定的工作距离内，摄像头的视场角越宽，测试目标的尺寸就越大。即使可以接受大而笨重的测试目标，但当平面目标的视场角等于或超过 180 度时，摄像头的视场角也不可能完全被平面目标覆盖。
在开发车载摄像头的过程中，往往需要高精度、高准确度、高兼容性和紧凑型的自动图像质量测试解决方案。然而，上述问题给汽车行业的图像质量评估带来了相当大的挑战。此外，汽车摄像头必须承受的环境温度剧烈变化会导致摄像头硬件热膨胀，进而降低图像质量。这就需要进行验收测试，即在整个工作温度范围内测量图像质量，这就使测试系统的设计更加复杂。 为了解决这些问题，我们开发了一个集成的全自动系统，可以对各种汽车摄像头进行多功能测试。该系统支持主要的测试项目，如基于边缘的空间频率响应（e-SFR）、离焦 e-SFR、几何失真、视场角 等，并具有很高的准确度和精确度。在本文的后续章节中，我们将介绍如何解决每个问题，并详细介绍该系统。我们还将展示一些验证结果，并将其与使用传统方法获得的结果进行对比。
(1).可调节聚焦的准直仪：一种针对多种工作距离的解决方案  
众所周知，当物体靠近放大镜而不是同一侧的焦点时，就会在远处形成虚像。一阶光学意味着物体及其通过透镜获得的影像是相互共轭的。光学准直仪本质上是一个透镜或镜子，顾名思义，物体位于焦平面，其像位于无限远处。因此，准直仪在设计时考虑到了可调焦距，即可以改变物距，从而在不同的像距范围内产生高质量的远距离虚像。准直器形成的虚拟图像成为被测相机的真实物体。
为了便于使用，准直仪集成在一个紧凑的封装中，校准过程非常简单。除准直仪外，封装还包括一个光源、一个测试标靶、一个马达控制器以及其他机械部件。透射式测试标靶通过玻璃制成的基板连接到圆形光源上，在马达控制器的驱动下，测试目标沿着准直仪的光轴双向移动，以模拟所需的目标距离。光源通过均光片均匀地照亮测试目标，均光片下面是一个 LED 阵列，它发出的光在光谱功率分布上类似于 CIE D65 日光光源。
使用可调聚焦准直器的核心理念是使系统在不占用太多空间的情况下兼容各种汽车摄像头所需的不同物距。焦点的可调节性还使所谓的离焦扫描成为可能，即在不同物距范围内进行图像质量测试。离焦 e-SFR 测量就是一个很好的例子，将在后续章节中详细介绍。
在参考设计中，准直器的工作距离范围为 0.5米至无限远，视场角为 15 度。  
图1：准直仪组件及其部件图解：(a) 推杆和导螺杆，(b) 均匀 LED 光源和控制器，(c) 透射式测试标靶，(d) 准直透镜，(e) 准直透镜的前焦平面
(2).类似测角仪的结构：一种针对不同视角测试的解决方案  
用于光源角度光度测量的测角光度计通常包含一个围绕位于旋转中心的光源旋转的测量仪器。我们的设计与测角光度计类似，准直器组件围绕被测相机旋转，以测量相机在图像平面上不同位置的图像质量。在几何光学中，物镜的入口瞳孔指的是光圈挡板在物体空间中的影像，通常是虚拟的。事实上，我们无法看到他人眼中的虹膜本身，只能看到其在角膜上形成的影像。因此，我们观察到的瞳孔就是眼睛的入瞳。对于成像透镜来说，任何光线如果不经过折射，都会通过其入瞳的中心，因为两者之间存在共轭关系。从物体空间的某一点发出并通过入瞳中心的光线称为成像系统的主光线。在给定的工作距离下，物体空间中的所有主光线都相交于光圈挡板的中心，并相应地相交于入瞳的中心。在这里，入瞳中心也是无视差点。然而，对于超宽视场角的相机，例如使用鱼眼镜头的相机，并不存在单一的入瞳，因为如果入瞳位于垂直于光轴的固定平面上，则没有光线会以不小于与光轴成 90 度的角度进入镜头。事实上，随着斜度的增加，入瞳会向前、向侧和向入射光倾斜。因此，最合适的旋转中心应该是理想视差点的近似估计值。
因此，准直仪组件要围绕被测相机镜头切线平面上的视差点旋转，以覆盖整个视场角的测试范围。此外，被测相机应围绕镜头的光轴旋转，使测试目标出现在任何方位角上。同时，准直仪组件也应围绕其光轴旋转，以补偿照相机的旋转，从而使测试目标的方位在生成的数字图像中保持不变。
图2：系统关键部件示意图：(a) 准直仪组件，(b) 电动旋转平台，(c) 待测相机，(d) 6 轴平台，(e) 旋转臂
(3).基于模组的系统设计
上述各个组件被集成到一个独立的系统中，该系统被包裹在一个金属外壳中，内外表面均为黑色哑光处理，以减少反射杂散光。硬件系统主要由一个旋转臂和一个具有 6 个自由度的平台组成。准直仪套件通过一个旋转平台连接到前者上，而后者则固定着被测相机。   
机械臂围绕一个中心旋转，这应该是相机的无视差点，而云台则允许准直器围绕其自身的光轴旋转。在参考设计中，机械臂的旋转范围为 210 度。平台可实现照相机的平移和旋转，以确保准直仪和照相机同轴，准直仪和照相机之间的距离适当，无视差点与旋转中心重合。
图4：系统机械结构示意图
系统的硬件和软件均采用模块化设计。因此，该系统具有高度的灵活性和适应性。例如，可以更换测试目标和图像分析模块，以支持新的测试项目。下面两节将举例说明。
(4).通过独特的测试标靶设计实现多功能的测试  
预计该系统能够进行多个测试项目，包括但不限于符合 ISO12233 标准[2]的 e-SFR 测试。
e-SFR 的计算依赖于测试目标的斜边。在实践中，由于相机的像素数和视场角不同，瞬时视场角（即单个像素所覆盖的视场角）也不同，因此测试目标在数字图像中所占的像素数差别很大。这可能会导致因边缘长度不足而导致 e-SFR 计算失败，或因目标图像过大而导致结果不准确。为此，我们创建了一个新的图案，它由两个同心正方形组成，两个正方形都倾斜了一个小角度。它符合 ISO 12233 标准，并能满足更大范围瞬时视场的需要。  
此外，准直器焦距的可调节性还允许进行所谓的离焦 e-SFR 测试。在这种测试中，e-SFR 测试是针对一系列物体距离进行的。当被测相机对准准直仪产生的虚拟测试目标时，性能最高。当测试目标偏离最佳聚焦位置时，生成的图像会因性能较差而变得模糊。离焦 e-SFR 测试结果通常表现为一条完整或部分高斯函数形状的曲线，其峰值表示最佳聚焦位置。离焦 e-SFR 测试有助于确定相机的最佳物距是否与规格相符，这是衡量制造质量的一个指标。这种扫描还有助于测量有效景深，并给出一个标准，例如物体检测算法可接受的分辨率下限。
图5：回字形测试图案示意图。黄色的边界框表示计算边缘扩散函数和 eSFR 时所关注的区域。
除 e-SFR 外，硬件配置还支持其他测试项目。最明显的可能就是视场角了，因为臂的旋转允许测试目标向角落径向移动，直至从视角中消失。在此过程中，还可以进行几何变形，因为主光线角度（即机械臂的旋转角度）和相应的视野位置都是已知的。支持的另一项测试是横向色差，测量边缘扩散函数在三基色通道上的位移。
(5).高低温温漂测试能力  
考虑到公路车辆所能承受的环境温度变化很大，热膨胀导致的摄像头结构和组件变形可能会引起散焦。为此，可在设计中集成一个温度室，将接受测试的摄像机置于温度室中。在每个温度下，离焦 e-SFR 测试都会产生一条带峰值的钟形曲线。温度的变化通常会导致峰值随物体距离而移动。温漂测试可帮助汽车摄像头的开发人员和用户更好地了解和验证环境温度变化对图像质量和识别率的影响。此外，由于图像距离和物镜距离是由焦距决定的，因此可以对相机后焦距的温度漂移进行无损检测。为此，扩大物距范围的准直器套件可能会有助于确定钟形曲线中峰值的位置，从而方便确定热漂移。由于系统采用模块化设计，因此准直器组件的更换非常简单。
设计中，腔室的温度范围从最低温度约为 -40℃，到最高温度约为 125℃。
图6：支持高低温温漂测试系统示意图。(a) 空气压缩机，(b) 温室   
图 7：显示后焦距随温度变化的离焦 e-SFR 曲线
图 8：使用同一台相机拍摄的测试目标图像在不同物距范围内分别通过准直仪和实际拍摄获得的 e-SFR 测试结果 
三、验证和结果 
毫无疑问，e-SFR 是该系统最重要的功能，而将该系统与传统实验室测试区分开来的关键部件可能就是准直仪。因此，有必要进行系统而全面的验证。首先，我们对 ISO 12233 投诉图像分析模块进行了评估，该模块可根据测试图像计算电子 SFR。我们向内部开发的模块和另一款业界公认的相机图像质量分析工具输入了同一组测试图像，结果显示两者非常一致。此外，我们还使用照相机分别在使用准直仪和相同物理距离的情况下拍摄了测试目标在不同物距范围内的图像。结果表明，使用准直仪获得的结果与在相同物体距离上使用印刷测试图获得的结果非常接近。
四、结论
总体而言，该系统满足了我们对高精度、高准确度、高兼容性和紧凑型超宽视场相机测试自动化解决方案的期望。该系统支持多个测试项目，如 e-SFR、离焦 e-SFR、视场角、几何畸变、色差。在设计中引入热测试也是可行的。系统的模块化设计实现了可扩展性和可升级性。初步结果表明，圆形测试图案具有明显的优势，例如可以测量全向 e-SFR、抗几何畸变、测量色差的稳健性以及评估遮蔽眩光的潜力等等。