标定和重新标定:优化成像系统性能的关键

作者:
Anne Corning

从住宅和工作场所的灯具和照明设备,到智能手机和电视机的显示屏,再到用于3D感测应用的不可见红外波长,由电力驱动的人造光如今无处不在。很重要的一点是,制造商们必须确保光源和显示器的性能、功能、准确性和安全性。许多行业已出台监管标准,要求对产品进行严格的测试,并提供测试报告。

光线测量科学称为“光度学”,其是产品开发和质量保证计划的一个关键组成部分。为了测试照明和发光设备,制造商们使用专门设计的计量仪器测量亮度(照度)和色彩(色度)。

与测量和记录产品性能同样重要的是,用于进行这些测量的仪器必须保持准确性。分光计、测光计、亮度计、色度计等计量仪器必须经过标定,以确保用户可以依赖这些仪器产生的测量结果。

Metrology instruments_KM_Radiant

光线和色彩计量仪器示例(左上顺时针方向):柯尼卡美能达的CR-400 色度计CM-5 台式分光光度计T-10A 照度计以及(左下)瑞淀的ProMetric® 成像亮度计和成像色度计

计量设备的标定

仪器标定主要有三个目标。首先,检查仪器所进行测量的准确性。仪器标定将量化测量过程中的误差或不确定性,并确保性能达到可接受的水平或者在公差范围内,方法是将仪器的性能与已知标准进行比较,以识别任何差异。

如果发现差异,我们可以对仪器进行调整,使其符合标准;如果该等差异在公差范围以内,则注明详细情况,以供用户参考。举例来说,亮度测量成像系统的标定方法是通过确保测量值在误差公差范围内,即偏离已知值的一定百分比(+或-),以确保使用该设备所进行的亮度测量的准确性。对于色度测量成像系统,标定目标在于确保亮度和色度测量值的准确性(基于测量值与CIE色度图上已知坐标的偏差进行评估)。

仪器标定的第二个目标是确保能够根据普遍接受的标准 追溯设备的性能和测量值。许多行业(如汽车业)出台了相关规定和监管法规,要求照明设备和显示器必须满足全行业适用的精确性能标准,因此制造商们能够根据通用标准追溯仪器的测量精度至关重要。举例来说,美国汽车工程师学会(SAE)针对汽车行业制定了许多标准,规定必须使用可根据NIST(美国国家标准与技术研究所)标准进行追溯的设备测量汽车上安装的抬头显示、控制台显示器或仪表板。

美国国家标准与技术研究所(NIST)定义了标准参考数据、测试方法和工具,以确保测量质量,并基于普遍接受的参考值【通常使用国际单位制(简称SI units)测得】评估测量不确定性。NIST可追溯标定能够证明,实验室或制造商装备齐全,并且能够对设备进行标定,以确保满足特定的标准,而且该制造商生产的产品符合NIST所维护的测量标准。“通过进行NIST可追溯标定,使用经过认证的仪器进行的任何测量都具有不间断的测量链,可追溯至NIST维护的标准,该测量链中包含每个步骤记录在案的已知不确定性,以及为解决这些问题所实施的质量保证计划。”1

最后,仪器标定的第三个目标是在仪器使用一段时间后进行维修或重新标定 ,因为仪器在此使用期间内可能已超出精度或性能公差范围。通过重新标定,我们可以使仪器恢复至其初始规格和准确度。

亮度和色度参考标准:CIE

光线测量设备通常测量亮度,这是一种由单个数值量化的单位,用于定义任何可见光光源的感知亮度。对于测量色度(色彩)的设备而言,量化感知值则更为复杂。

为应对这一挑战,国际照明委员会(CIE)于1931年制定了一项标准,用于从人类观察者视觉感知的角度对色彩的物理特性进行科学量化。CIE值可实现对色彩的精确数学表示和再现,通常以三角图图形方式表示。

CIE 1931

CIE 1931色彩空间2D图形表示,包含人眼可见的所有颜色。边缘上的黑色数字给出了可见光谱波长,人眼感知的颜色则以这些范围内的坐标点(x和y)表示。

为提供人眼所感知色度的最准确测量,计量设备必须测量与此图示相关的色度。如今,成像系统制造商们使用多种方法来测量光输出的色彩。举例来说,有一种方法使用滤色片阵列(由微小的红色、绿色和蓝色滤片组合而成),称为“拜耳模式”(RGB)滤色系统。另一种方法则使用三个单独的滤色片,称为三色刺激(XYZ)滤色片,这是以它们与人类视觉响应的三种三色刺激曲线的对应关系命名的。

确保色彩准确性

旋转滤光轮上的三色刺激滤光片使成像系统能够根据CIE色彩匹配函数和色度值进行色彩测量。光线进入计量装置后,将通过相应的滤光片进行传输,然后由传感器记录。滤光片对入射光进行了调整,阻挡了特定波长的光线,以确保相机传感器所采集的测量图像和测量值尽可能接近人眼感知水平。

tristimulus filter wheel inside PM-I

与CIE匹配的三色刺激滤光轮系统(这里显示在ProMetric I系列成像色度计内部)使测量设备能够采集到反映人眼光谱灵敏度的光线和色彩值。

Jensen、Piehl和Renner2于2020年进行的一项研究表明,三色刺激滤光轮系统在CIE标准色彩测量方面表现出高度的准确性,并且通常比拜耳模式(RGB)测量系统的准确性更高(基于已知参考值进行比较)。

除使用三色刺激滤光片外,瑞淀还应用了其他方法来提高测量系统所采集色度测量值的精度。其中一种方法称为“增强色彩校准™(ECC)”,其应用最先进的校准算法,以确保准确性,并最大限度地减少CIE色彩空间的变化性。

增强色彩校准(ECC)

ECC方法生成一个12元素校正校准矩阵,以优化色彩测量系统承受变化性的能力。这意味着,如右下图所示,瑞淀色度计可以从校准点在CIE色彩空间的较大区域内提供准确的色彩测量。

ABC display regions on CIE color space_ECC

请考虑一台存在不均匀性缺陷问题的显示器的不同颜色区域,以左图中的A、B和C表示。瑞淀成像系统提供三色刺激滤光片与CIE色彩匹配函数之间固有接近的光谱响应。结合使用ECC校准方法,这使成像系统能够继续提供整个显示器的准确测量,包括光源光谱数据进一步偏离校准点的情况下。右侧图表显示了左侧示例中绘制的A、B和C各值的预期精度限制(白色虚线圆圈内的区域)。

在上文所述的同一项研究中,与拜耳系统相比,ECC校准提供最高水平的色度测量精度,甚至包括在单独使用非ECC校准的三色刺激滤光片的情况下。ECC校准方法提高了CIE匹配三色刺激滤色片成像系统的色度测量精度。

瑞淀ProMetric®成像系统的标定

在工厂制造过程中,所有瑞淀相机均接受多种类型的标定,以确保最佳性能,包括平场标定和亮度标定。为了确保根据CIE标准进行准确的色度测量,常用的标定方法使用分光辐射计采集的参考数据。

瑞淀使用柯尼卡美能达的分光光度计作为参考,对ProMetric I 系列成像色度计进行标定,以实现绝对色度测量,其准确性在行业内得到了广泛认可。除了这些初始标定外,瑞淀还建议客户定期重新标定,以确保长期的性能可靠性和测量准确性。

重新标定为什么很重要

当您将一辆新车开出销售中心的停车场时,您会预计到,这辆车在整个生命周期内将需要定期维护,以确保其性能始终处于最佳状态。跟汽车或其他精密机械设备一样,瑞淀的ProMetric成像亮度计和色度计需要定期重新标定,以使其保持最佳运行状态。

重新标定可以确保测量结果长期保持一致性。在正常使用条件下,任何计量仪器的测量结果均存在‘偏移’趋势,即准确度下降3。这种偏移可能是由一些常见的因素引起的,举例来说,生产设施内微小的温度变化导致金属零部件发生热胀冷缩。

长时间忽视定期重新标定可能会导致相机中出现碎屑和灰尘颗粒、传感器死像素或湿气滞留。随着时间的推移,污染物的逐渐堆积可能会使计量仪器的性能下降。此外,如果仪器意外跌落或受到冲击,还可能会发生机械损坏。任何此类问题均会影响测量结果的准确性。您必须在计量设备的整个生命周期内持续对其进行维护和重新标定,以实现可靠、准确且可重复的测量结果。

瑞淀客户可以轻松地定期重新标定ProMetric相机。我们在全球各地均设有服务中心,提供可根据NIST标准进行追溯的标定。瑞淀员工依靠专业设备和丰富的专业知识对相机进行重新标定和维修,使其恢复至初始性能和准确度。我们建议您每年对ProMetric相机进行重新标定和维修,以确保最佳性能。您的ProMetric 相机上次进行重新标定是在多久之前?

如需了解更多信息,请查看瑞淀的“操作指南:关于相机重新标定的常见问题

 

Read the How-To Guide: Camera Recalibration

 

 

 

引用文献

  1. What are NIST traceable standards?” Beckman Coulter. (Retrieved October 20, 2021)
  2. Jensen, J., Piehl, A., and Renner, W., “Evaluating tristimulus and Bayer pattern matching system accuracy for color measurement based on CIE color-matching functions,” presented at the 34th annual electronic displays conference (edC), January. 2020.
  3. Calibration,” published by Lab Facility on labfacility.com. (Retrieved October 20, 2021)
     
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