CN101718616A - 基于序列图像校正的气动光学传输效应测评装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于序列图像校正的气动光学传输效应测评装置，装置包括上位机、多功能图像采集控制卡、并行数字信号协处理卡；其中上位机与多功能图像采集控制卡通过高速外部设备接口总线互联，多功能图像采集控制卡与并行数字信号协处理卡通过板间对外扩展接口互联；利用测评装置计算的高并行性及处理单元可扩展的特点，灵活选取计算处理单元的数量以达到处理的实时性；本发明装置体积小，重量轻，易于携带。

Description

基于序列图像校正的气动光学传输效应测评装置

技术领域

本发明属于气动光学、图像处理与测量技术相结合的交叉科学技术领域，具体涉及一种基于序列图像校正的气动光学传输效应测评方法与装置。

背景技术

气动光学是研究高速绕流对高速飞行器成像探测的影响及其校正的一门学科。带有光学成像探测系统的高速飞行器在大气层内飞行时，光学头罩与来流之间形成复杂的流场，对光学成像探测系统造成热辐射和光线传输干扰，引起景物图像偏移、抖动、模糊，这种效应称为气动光学效应。高速飞行器搭载的光学成像探测系统在大气层内飞行时，其光学头罩与来流之间发生剧烈的相互作用将引起周围大气的显著变化：组成成份的变化、构成密度及密度梯度的变化、气体温度及温度梯度的变化，甚至产生分子电离现象等，形成复杂的流场，对光学成像探测系统造成热、热辐射和图像传输干扰，引起图像偏移、抖动、模糊等气动光学效应。气动光学效应包括：高速流场气动光学传输效应、气动热辐射效应和光学头罩气动热效应。

气动光学传输效应是指从景物发出的光波经过气动流场后，由于气动流场的随机变化使传输光束产生偏折，不均匀介质对光能有散射、吸收等现象，最终在飞行器成像系统中反映为图像模糊、像偏移、聚焦能量的衰减和像抖动等效应。气动光学传输效应一般用像偏移、像模糊、像抖动和能量衰减度等参数来衡量。

上述气动光学应用问题存在于高速真实气体流场，光波与流场的相互关系是十分复杂的。目前，对这些复杂的气动光学效应问题没有成熟的理论，这意味着所有可适用的研究进展必须依赖于地面风洞实验，在地面上对飞行高速流场进行模拟，从风洞验证实验测量中采集完整可靠的数据。在风洞试验中获取气动光学效应序列图像数据，是一种方便实用、经济、有效的试验方法，为研究气动光学效应引起的像偏移、像模糊、像抖动的分析预测提供可靠的测评手段。

然而，目前国内外公开文献仅有微观测量手段的报道，这些基于流场参数测量的传统方法从微观角度对流场参数进行直接测量，很难建立这些流场参数对目标成像质量影响的数学模型，也很难建立高速飞行器马赫数与气动光学传输效应的关系和高速飞行器光学窗口与气动光学传输效应的关系。因此，不能定量地估计气动光学传输效应对成像质量的影响。气动光学传输宏观效应(包括点扩展函数PSF、光学调制传递函数MTF、Strehl比、抖动范围、抖动频率等)的定量测量和评价目前还缺乏手段和措施。

目前，公开文献中用于气动光学测量的方法主要有以下几种形式。

1.流场显示的纹影方法和阴影方法；

纹影和阴影方法能显示透明介质中折射率的微小变化。纹影方法归结为测量折射率变化的一阶导数；而阴影方法测量折射率变化的二阶导数。其得到的图像记录是空间、时间的积分过程。

(见文献1：Beams.J W.Shadow and Schlieren Methods.In“Physical Measurements inGas Dynamics and Combustion”(R.W.Ladenburg)Princeton univ Press，New Jersey，1954)

2.流场显示测量的激光光片散射方法；

用激光光片切割流场的光学散射方法，瞬时显示被切割的平面，得到流场信息。激光光片散射方法有平面米氏微粒散射法和平面瑞利分子散射法两种。(见文献2：Dyer T.M.Rayleigh Scattering Measurements of Time-Resolved Concentration in a TurbulentPropane Jet.AIAA J.17(8)，912-914，1979)

3.流场密度分布测量的干涉方法；

流场密度分布测量的干涉方法是以光波干涉原理为基础的测量技术。干涉图中的干涉条纹是干涉测量得到的信息载体，反映了两路不同路径的光束传输过程的光程差。干涉方法有双光束干涉法、点衍射干涉法、全息干涉法和剪切干涉法。(见文献3：BachaloW D.Optical Interferometer in Fluid Dynamics Research.Optical Engineering，Vol.24，No.3，May 1985)

4.波面传感器方法；

波面传感器是用于测量入射光束的波面(或相位)的一种光学探头，当具有平面波面的光通过流场时，由流场密度或气流温度变化将影响总的光程和光波相位，从测量波面变形来分析流场的变化。用波面传感器测量光波的两个参数：辐照分布和波面相位分布。用波面传感器测量的数据计算点扩展函数，是一种流场特性的非接触测量方法。波面传感器对于初级像差能精确测量波面，从而计算点扩展函数，对于气动光学高瞬态流场产生的像差与初级像差不同，导致很大的散射角，使点扩展函数大大下降。(见文献4：Neal D.R.，O’Hern T.J.，Torczyanski J.R.，Warren M.E.and Shul R.，“Wavefront Sensorsfor Optical Diagnostics in Fluid Mechanics：Applications to Heated Flows，Turbulence andDroplet Evaporation，”Optical Diagnostics in Fluid and Thermal Flows，SPIE，Vol.2005，1993)

上述方法主要测量流场参数，很难建立这些参数对景物成像质量影响的数学模型。目前文献中公开的点扩展函数的测量计算方法利用波面传感器测量流场引入的像差数量。

目前，公开文献中用于验证图像校正方法的计算系统主要有以下几种形式。

1.高性能单机计算机系统；

高性能单机计算机系统是图像校正算法仿真实现最常用的平台，优点是单机系统简单易用，成本低廉，缺点是计算性能有限，完成复杂校正耗时长，仿真周期长。

2.基于网络环境的微机多节点系统；

基于网络环境的多机系统克服单机系统计算性能有限的缺点，使用多台高性能计算机组成多机系统进行校正算法的仿真实现，如文献5：“Parallel Image Restoration withDomain Decomposition”(“Real-time Imaging”杂志2001年第7期)中提及的由9台Sun工作站(3台Ultra30，3台Sparc20和3台Sparc10)组成的多机系统，工作站通过10Mbps以太网互连；以及Cray T3E/1200系统，使用了128个DEC Alpha 21164处理器连接成三维网络。多机通过10/100Mbps以太网互连，用于图像校正。优点是计算性能得到提高，缺点是系统复杂庞大，集成度不高，由于以太网数据通信带宽瓶颈，多机并行效率不高，并且不能接收外部相机数据直接输入，不能进行实时校正评估。

上述计算方法适用于高速流场退化图像的离线复原和校正，携带不便，不能实现实时校正，不便携带到实验场地上。

发明内容

本发明提供了一种基于序列图像数字校正的气动光学传输效应测评装置，用于在线和离线气动光学效应数字测评试验平台，既可用于现场气动光学效应风洞试验测评，还可对高速飞行器实际飞行过程的气动光学效应离线测评以及实验室气动光学效应仿真研究。

本发明提供的一种基于序列图像数字校正的气动光学传输效应测评装置，其特征在于：装置包括上位机、多功能图像采集控制卡、并行数字信号协处理卡；其中上位机与多功能图像采集控制卡通过高速外部设备接口总线互联，多功能图像采集控制卡与并行数字信号协处理卡通过板间对外扩展接口互联；

上位机包括控制模块，控制模块控制测评装置完成以下任务：①实现人机交互，接收用户输入的各种控制命令及算法运行所需的配置参数；②向多功能图像采集控制卡转发控制命令及配置参数；③向多功能图像采集控制卡发送图像源数据；④接收多功能图像采集控制卡传回的测评结果并送给显示模块；⑤实时监视多功能图像采集控制卡及并行数字信号协处理卡的工作状态并将其反馈到用户界面；

多功能图像采集控制卡包括二个由高速总线接口实现互联的主控制节点和从控制节点；主控制节点完成以下任务：①从上位机接收控制命令、算法参数、图像源数据；②完成自身命令解释译码；③向从控制节点及其它计算节点转发控制命令和图像源数据；从控制节点完成以下任务：①接收主控制节点转发的控制命令和图像数据；②完成自身命令解释译码；③完成测评指标的计算和评估；

并行数字信号协处理卡包括N片由高速总线实现互联的计算节点，N≥1；其中一片为主计算节点，其余为从计算节点；主计算节点完成以下任务：①接收多功能图像采集控制卡上由主控制节点发送的算法参数和配置命令并向其它从计算节点转发；②完成该计算节点自身算法固化软件包的卸载与更新；③完成该计算节点自身的计算处理；④接收各个从计算节点传回的计算结果并进行结果图像的合并；从计算节点完成以下任务：①接收主计算节点转发的算法参数及图像源数据；②完成该计算节点算法固化软件包的卸载与更新；③完成该计算节点自身的计算处理；④向主计算节点回传计算处理结果。

本发明能够对气动光学传输效应所引起的退化图像进行校正并计算估计相应的点扩展函数。利用校正图像和点扩展函数来计算一系列的测评指标，用于对气动光学传输效应综合测量和分析。本发明不仅用于现场气动光学效应风洞试验测评中，而且能对高速飞行器实际飞行过程的气动光学效应离线测评以及实验室气动光学效应仿真研究。因此，该测评装置既可从序列图像中测量和估计气动光学效应对成像的影响，也可离线测量估计高速飞行器的气动光学效应。

针对测评方法设计的测评装置采取了基于“上位机+多功能图像采集控制卡+并行数字信号协处理卡”的结构，可以根据算法的复杂度和实时性的要求对硬件装置进行扩展，具有多通道数据源获取、可扩展性强以及实时性高等优点。

和以往传统背景技术相比，本发明的创新点是：

1.提出了一种基于序列图像校正的气动光学传输效应的测评方法。主要用来在线和离线测评高速流场产生的气动光学效应对成像质量的影响。

本发明通过图像校正方法估计校正图像和点扩展函数，定量测评气动光学效应对成像质量的影响，进而对气动光学效应严重程度进行测量。本装置可以对气动光学效应引起的成像模糊、偏移、抖动等进行有效性的测评。气动光学效应测评指标主要包括以下几项：图像模糊度、能量集中度、点扩展函数(PSF)支撑域、斯特列尔比Strehl、偏移量、抖动指标。

2.针对装置结构，提出了气动光学效应数字并行校正方法包括空间分块并行校正、二维抽样并行校正和并行迭代校正。

空间分块校正方法可将图像分成互有重叠的若干子块，同时对各个子块进行并行快速处理，避免了传统分块处理的边界效应。二维抽样并行校正方法利用空间抽样的方式，对整幅图像进行抽样，从而将整幅图像分成若干个子块，以便进行并行快速处理。并行迭代校正方法将校正算法中的传统流水式迭代过程变成点扩展函数估计和校正图像估计并行迭代过程，以提高处理效率。

3.气动光学效应测评装置高效灵活的控制与处理结构

测评装置采用基于“上位机+多功能图像采集控制卡+并行数字信号协处理卡”的结构。解决了现有的高性能单机计算机系统以及基于网络环境的多机系统在气动光学试验过程中存在的不便于携带以及不具有嵌入式实时校正的仿真验证功能和算法更新功能的问题，其验证的最终结果可直接用于气动光学退化图像校正算法的研究。

利用高性能的并行数字信号协处理卡进行处理，克服了现有气动光学效应验证装置计算性能有限，完成校正计算耗时长，仿真周期长的缺点，大大缩短了做气动光学效应测评前期所需要的模拟仿真功能的时间。在非风洞采集的情况下可以使用现有的退化图像对所设计算法的功能和效果进行快速验证。

该结构与传统的基于多台高性能计算机组成的多机系统相比，其体积和功耗与多机系统相比大大减小，结构也较基于多台高性能计算机组成的多机系统简化，在进行风洞试验时易于携带和安装调试，缩短了架设试验设备的时间。由于其使用专用的嵌入式高性能数字信号处理器进行校正处理，研究成果还可直接用于研制嵌入式校正系统。

测评装置具有获取不同类型图像源数据的功能。包括来自本地硬盘存储器的图像源数据、来自网络环境图像源数据；利用模拟相机采集得到的图像源数据及利用数字相机采集得到的图像源数据。用户能够通过基于该装置的软件控制平台对数据源进行选择控制。使得本装置可以适应多种数据来源的图像采集和处理。

附图说明

图1是本发明中测评方法的处理流程图；

图2是空间分块并行校正的处理流程图；

图3是空间褶叠分块(四块)原理图；

图4是基于极大似然估计的循环迭代复原算法的处理流程图；

图5是二维抽样并行校正的处理流程图；

图6是二维抽样校正原理图；

图7是并行迭代校正的处理流程图；

图8是风洞退化图像序列。其中，图8(a)风洞退化序列图像(序号1)；图8(b)风洞退化序列图像(序号2)；图8(c)风洞退化序列图像(序号3)；图8(d)风洞退化序列图像(序号4)；图8(e)风洞退化序列图像(序号5)；图8(f)校正图像；图8(g)装置估计出的气动光学传输效应PSF(序号1)；图8(h)装置估计出的气动光学传输效应PSF(序号2)；图8(i)装置估计出的气动光学传输效应PSF(序号3)；图8(j)装置估计出的气动光学传输效应PSF(序号4)；图8(k)装置估计出的气动光学传输效应PSF(序号5)；图8(l)PSF横向中心剖面曲线(序号1)；图8(m)PSF纵向中心剖面曲线(序号1)；图8(n)PSF横向中心剖面曲线(序号2)；图8(o)PSF纵向中心剖面曲线(序号2)；图8(p)PSF横向中心剖面曲线(序号3)；图8(q)PSF纵向中心剖面曲线(序号3)；图8(r)PSF横向中心剖面曲线(序号4)；图8(s)PSF纵向中心剖面曲线(序号4)；图8(t)PSF横向中心剖面曲线(序号5)；图8(u)PSF纵向中心剖面曲线(序号5)；

图9是本发明测评方法的数据流程图。

图10是本发明测评装置的结构框图。

图11是本发明测评装置详细结构框图。

图12是本发明测评装置内部模块调用层次关系图。

图13是装置进行流水式迭代计算数据流图。

图14是装置进行并行式迭代计算数据流图。

图15是本发明测评装置工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明测评方法包括以下步骤：

(1)采集气动光学试验图像g(x，y)，(x，y)分别表示图像高度和宽度方向上的象素坐标；

采集到的图像可以是风洞试验中获取的气动光学效应序列图像数据，或者是利用高速飞行器在高速飞行过程中搭载成像探测器来获得的气动光学传输效应图像数据。

(2)对采集到的气动光学试验图像g(x，y)进行校正；

对采集到的气动光学试验图像g(x，y)利用图像校正算法来估计未知的基准图像f(x，y)和点扩展函数h(x，y)。估计出的校正图像和点扩展函数分别用

和

表示。

本发明利用以下三种并行校正方法：

(a)空间分块并行校正方法

结合附图2，空间分快并行校正的详细步骤为：

a.1将待校正的气动光学试验图像g(x，y)分成四个子块，子块的尺寸为2的幂次方，并使子块之间互相有重叠的区域；

由于图像处理中所使用的傅立叶变换是基于全图的，相邻象素之间存在着紧密的联系，因此，为了降低子块拼接处象素灰度突变而引起的边界效应，将图像分成褶叠的四块，使子块之间互相有重叠的区域。同时，为了能够利用快速傅立叶变换，子块的尺寸应为2的幂次方，因此，各个子块相对于重叠区域应去掉相同宽度的边界。在保证子块的尺寸为2的幂次方的前提下，使子块之间重叠的区域尽量的小。将图像空间褶叠分块为四块的原理图见附图3。

a.2对图像的四个子块分别应用基于极大似然估计的循环迭代复原算法进行处理，得到四个子块的校正图像和点扩展函数；

结合附图4，基于极大似然估计的循环迭代复原算法的处理步骤为：

①设定迭代次数，本算法包括两个内循环和一个外循环，两个内循环分别为计算点扩展函数循环(迭代次数设定为M_psf)和计算校正图像循环(迭代次数设定为M_obj)，外循环迭代次数设定为N₀。M_psf一般取1-50，M_obj一般取1-10，N₀一般取10-50。设定校正图像和点扩展函数的初始值，校正图像和点扩展函数的初始值可以设定为全1的矩阵。令n＝0，m＝0，k＝0，n表示外循环迭代已经执行的次数，m表示点扩展函数循环迭代已经执行的次数。k表示校正图像循环迭代已经执行的次数。

②循环迭代计算点扩展函数。根据下式迭代计算点扩展函数：

${\hat{h}}_{n,m+1}(x,y)=\{\left(\frac{g(x,y)}{{\hat{f}}_{n,m}(x,y)\⊗{\hat{h}}_{n,m}(x,y)}\right)\·{\hat{f}}_{n,m}(x,y)\}*{\hat{h}}_{n,m}(x,y)$

其中，g(x，y)表示采集到的气动光学试验图像，

表示本次迭代的点扩展函数，

和分别表示上次迭代计算出来的校正图像和点扩展函数，

表示卷积运算，●表示相关运算，*表示点乘。

③判断m是否小于M_psf，如果是，令m＝m+1，然后转入步骤②；否则进入步骤④

④循环迭代计算校正图像。根据下式迭代计算校正图像：

${\hat{f}}_{n,k+1}(x,y)=\{\left(\frac{g(x,y)}{{\hat{f}}_{n,k}(x,y)\⊗{\hat{h}}_{n,k}(x,y)}\right)\·{\hat{h}}_{n,k}(x,y)\}*{\hat{f}}_{n,k}(x,y)$

其中，g(x，y)表示采集到的气动光学试验图像，

表示本次迭代的校正图像，和

分别表示上次迭代计算出来的校正图像和点扩展函数，

⑤判断k是否小于M_obj，如果是，令k＝k+1，然后转入步骤④；否则进入步骤⑥

⑥令n＝n+1，判断n是否小于N₀，如果是，然后转入步骤②；否则计算完成。

本发明中用到的基于极大似然估计的循环迭代复原算法更为详细说明可见文献6：洪汉玉，张天序等.气动光学效应退化图像循环迭代复原算法研究，华中科技大学学报(自然科学版))，2005，33(9)：15-18.]

a.3对步骤a.2估计出的四个子块的校正图像和点扩展函数进行拼接，形成和原始待校正图像空间大小相同的校正图像和点扩展函数。

a.4对步骤a.3拼接出的校正图像和点扩展函数进行平滑处理，得到校正图像和点扩展函数

平滑处理可以利用低通滤波的方法。

(b)二维抽样并行校正方法

结合附图5，二维抽样并行校正的详细步骤为：

b.1利用空间抽样的方式，将采集到的气动光学试验图像g(x，y)以2为抽样间隔进行抽样，得到4个子块。

具体抽样方式为：分别取位于偶数行和偶数列的象素组成第一个子块，取位于偶数行和奇数列的象素组成第二个子块，取位于奇数行和偶数列的象素组成第三个子块，取位于奇数行和奇数列的象素组成第四个子块。

b.2对图像的4个子块分别应用基于极大似然估计的循环迭代复原算法进行处理；

b.3对步骤a.2估计出的4个子块的校正图像和点扩展函数进行拼接，得到校正图像和点扩展函数

拼接是步骤b.1的逆过程，具体方式为：将步骤b.2估计出的4个子块按各象素在整图中的位置填充回整图，形成校正后的图像。

二维抽样校正原理见附图6。图6中，数字1代表奇数行奇数列象素，数字2代表奇数行偶数列象素，数字3代表偶数行奇数列象素，数字4代表偶数行偶数列象素。

(c)并行迭代校正方法

如图7所示，并行迭代校正方法包括以下步骤：

(c1)设定迭代次数M_psf、M_obj、N₀，M_psf为计算点扩展函数的迭代次数，M_obj为计算校正图像的迭代次数，N₀为外循环的迭代次数；并设定校正图像和点扩展函数的初始值；令n＝0，m＝0，k＝0，n表示外循环迭代已经执行的次数，m表示点扩展函数循环迭代已经执行的次数。k表示点扩展函数循环迭代已经执行的次数。

(c2)同时进行过程(F)和过程(G)；

过程(F)：按照下述步骤迭代计算点扩展函数；

(F1)根据下式迭代计算点扩展函数：

${\hat{h}}_{n,m+1}(x,y)=\{\left(\frac{g(x,y)}{{\hat{f}}_{n,m}(x,y)\⊗{\hat{h}}_{n,m}(x,y)}\right)\·{\hat{f}}_{n,m}(x,y)\}*{\hat{h}}_{n,m}(x,y)$

其中，g(x，y)表示采集到的气动光学试验图像，

表示本次迭代的点扩展函数，

和

分别表示上次迭代计算出来的校正图像和点扩展函数；

(F2)判断m是否小于M_psf，如果是，令m＝m+1，然后转入步骤(F1)；否则进入步骤(c3)

过程(G)：按照下述步骤迭代计算校正图像：

(G1)根据下式迭代计算校正图像：

${\hat{f}}_{n,k+1}(x,y)=\{\left(\frac{g(x,y)}{{\hat{f}}_{n,k}(x,y)\⊗{\hat{h}}_{n,k}(x,y)}\right)\·{\hat{h}}_{n,k}(x,y)\}*{\hat{f}}_{n,k}(x,y)$

其中，g(x，y)表示采集到的气动光学试验图像，

表示本次迭代的校正图像，

和分别表示上次迭代计算出来的校正图像和点扩展函数，

(G2)判断k是否小于M_obj，如果是，令k＝k+1，然后转入步骤(G1)；否则进入步骤(c3)

(c3)判断过程(F)和(G)是否均已完成，如果是，进入步骤(C4)，否则等待，直至过程(F)和(G)均已完成，再进入步骤(c4)；

(c4)令n＝n+1，判断n是否小于N₀，如果是，然后转入步骤(c2)；否则计算完成。

(3)对步骤(2)得到的校正图像

和点扩展函数

进行计算，得到测评指标。

利用估计的基准图像估计的点扩展函数

和采集到的试验图像g(x，y)来计算测评指标。测评指标包括：图像模糊度、能量集中度、点扩展函数支撑域、斯特列尔比(Strehl比)、偏移量和抖动范围。各测评指标的定义及计算方法如下：

(a)计算图像模糊度

对于一个给定的灰度图像，对图像模糊度的计算过程如下：

a.1对整幅图进行1层哈尔(Harr)离散小波分解；

对待评价图像进行一层Haar小波变换后得到了低频分量矩阵LL、水平细节分量矩阵HL、垂直细节分量矩阵LH和对角细节分量矩阵HH。

a.2根据下式对对角细节分量矩阵HH计算得到|HH|_gray；

${\left|\mathrm{HH}\right|}_{\mathrm{gray}}(m,n)=\frac{\left|\mathrm{HH}\right|(m,n)-\min \left(\right|\mathrm{HH}\left|\right)}{\max \left(\right|\mathrm{HH}\left|\right)-\min \left(\right|\mathrm{HH}\left|\right)}\×255$

a.3遍历|HH|_gray中每个像素，判断是否是模糊边缘特征点，记录模糊边缘特征点的数目N_c；同时记录|HH|_gray中灰度值大于零的象素点的数目N_nonzero。

模糊边缘特征点是指某一象素点的八邻域内的象素点的值都与该象素点的值相等的象素点。

a.4确定全图的模糊度为D_b： $D_b=\frac{N_c}{N_{\mathrm{nonzero}}}.$

(b)能量集中度

定义原始图像与基准图像的能量集中度Y_mo为：

$Y_{\mathrm{mo}}=\frac{h_m}{h_o}$

h_o为基准图像指定区域上的象素峰值；h_m为原始图像指定区域上的象素峰值。

(c)点扩展函数(PSF)支撑域

点扩展函数(PSF)支撑域(即有效范围)是指点扩展函数为非零值的区域的大小。

(d)斯特列尔比(Strehl比)

Strehl比的定义式如下：

$\mathrm{Strehl}=\frac{p_{\max }}{y_{\max }}$

其中，p_max表示校正图像(或原始采集图像)相对于基准图像的PSF能量归一化后峰值，y_max表示成像系统衍射PSF能量归一化后峰值。

(e)偏移量

偏移量是校正图像中景物目标相对于基准图像中景物目标的灰度质心偏移象素。

景物目标的灰度质心定义为：

$X_c=\frac{\underset{(i,j)\∈T_k}{\mathrm{\Σ}}I(i,j)*i}{S_{\mathrm{sum}}}$ $Y_c=\frac{\underset{(i,j)\∈T_k}{\mathrm{\Σ}}I(i,j)*j}{S_{\mathrm{sum}}}$

式中，i和j表示图像的象素坐标，I(i，j)表示图像中(i，j)象素处的灰度值，S_sum表示景物目标象素灰度值之和。X_c为图像宽度方向上的质心，Y_c为图像高度方向上的质心。T_k表示整个图像区域。

校正图像

的质心与基准图像f(x，y)的质心之差即为偏移量。图像高度方向上的偏移量用δ_x表示，图像宽度方向上的偏移量用δ_y表示。

(f)抖动指标

抖动指标的计算对象为采集到的多帧原始图像和校正后的多帧图像。抖动指标包括：偏移量的均值和抖动范围。

偏移量的均值：

${\mathrm{\μ}}_x=\frac{1}{N}\mathrm{\Σ}{\mathrm{\δ}}_x$ ${\mathrm{\μ}}_y=\frac{1}{N}\mathrm{\Σ}{\mathrm{\δ}}_y$

其中，δ_x，δ_y是每帧图像在x(宽度)和y(高度)方向上的偏移量，N为总的帧数。

抖动范围：

表示序列图像相对于基准图像在x(宽度)和y(高度)方向上偏移的最大值与最小值之差。(最大范围)

(4)气动光学传输效应综合测评与分析。

步骤(3)计算的一系列测评指标用来对气动光学传输效应进行综合测评与分析。

(a)利用图像模糊度对气动光学传输效应的严重程度进行分析；

模糊度表征了图像的模糊程度，模糊度越大表明采集到的原始图像越模糊，说明气动光学传输效应对成像质量的影响越严重。一般可以认为：当模糊度小于0.1时，图像比较清晰，气动光学传输效应对成像质量的影响较弱；当模糊度大于0.1小于0.2时，图像存在一定程度模糊，气动光学传输效应对成像质量有一定的影响；当模糊度大于0.2时，图像的模糊程度比较大，气动光学传输效应对成像质量的影响比较严重。

(b)利用能量集中度对气动光学传输效应对景物目标成像的影响进行分析；

图像的能量集中度反映了指定象素点处的能量集中程度，在景物目标象素点位置，图像的能量集中度越小，表明景物目标的能量越扩散，成像质量越差，说明气动光学传输效应对成像质量的影响越严重。一般可以认为：当图像的能量集中度小于0.5时，景物目标的能量有较大扩散，气动光学传输效应对景物目标成像的影响很严重；当图像的能量集中度大于0.5小于0.85时，景物目标的能量有一定扩散，气动光学传输效应对景物目标成像有一定的影响；当模糊度大于0.85时，景物目标的能量有轻微扩散，气动光学传输效应对景物目标成像影响较弱。

(c)利用点扩展函数(PSF)的支撑域对气动光学传输效应的严重程度进行分析；

点扩展函数(PSF)的支撑域越大，说明气动光学传输效应对成像质量的影响越严重。一般可以认为：当点扩展函数(PSF)支撑域的有效范围小于7×7象素时，气动光学传输效应对成像质量的影响较弱；当点扩展函数(PSF)支撑域的有效范围大于7×7小于21×21时，气动光学传输效应对成像质量有一定的影响；当点扩展函数(PSF)支撑域的有效范围大于21×21时，气动光学传输效应对成像质量的影响比较严重。

以附图8中风洞退化图像序列及其校正结果为例进行说明：对应于图8(a)的点扩展函数图8(g)的支撑域的有效范围大约为15×15象素，可以认为气动光学传输效应对图8(a)的成像有一定影响。对应于图8(b)～(e)的点扩展函数的图8(h)～(k)的支撑域的有效范围均大约为80×80象素，气动光学传输效应对图8(b)～(e)的成像影响比较严重。

(d)利用斯特列尔比对气动光学传输效应的严重程度进行分析；

斯特列尔比的值，反映了原始图像(或校正图像)相对于基准图像的点扩展函数与成像系统衍射的点扩展函数的偏离程度，其值越大，两者越接近，反之，两者越偏离。当斯特列尔比(Strehl比)的值较小时，说明气动光学传输效应对成像质量的影响较严重。一般可以认为：当斯特列尔比小于0.4时，气动光学传输效应对成像质量的影响比较严重；当斯特列尔比大于0.4小于0.7时，气动光学传输效应对成像质量有一定的影响；当斯特列尔比大于0.7时，气动光学传输效应对成像质量的影响较弱。

(e)利用景物目标的偏移量对气动光学传输效应对景物目标成像的影响进行分析；

偏移量越大表明采集到的试验图像中的景物目标越偏离基准图像中的景物目标，说明气动光学传输效应对景物目标成像的影响较越严重。一般可以认为：当图像的偏移量小于2个象素时，景物目标成像偏离较小，气动光学传输效应对景物目标成像的影响较微弱；当图像的偏移量大于2个象素小于5个象素时，景物目标成像有一定偏离，气动光学传输效应对景物目标成像有一定的影响；当图像的偏移量大于5个象素时，景物目标成像有较大偏离，气动光学传输效应对景物目标成像影响轻微。

(f)利用抖动指标对气动光学传输效应对景物目标序列图像成像的影响进行分析；

抖动指标是对图像序列中景物目标的统计测量，其值越大表明原始图像序列中的景物目标越偏离基准图像中的景物目标，说明气动光学传输效应对序列图像成像质量的影响越严重。抖动指标以偏移量(象素)为单位。一般可以认为：当图像序列的偏移量的均值小于1个象素，抖动范围小于3个象素时，气动光学传输效应对景物目标成像的影响很微弱；当图像序列的偏移量的均值大于1个象素小于3个象素时，抖动范围大于3个小于5象素时，气动光学传输效应对景物目标成像有一定的影响；当图像序列的偏移量的均值大于3个象素，抖动范围大于5个象素时，气动光学传输效应对景物目标成像的影响比较严重。

基于序列图像校正的气动光学传输效应的测评方法的数据流程图见附图9。采集到气动光学试验图像经校正处理后得到估计的原图像和点扩展函数，估计的原图像和点扩展函数与采集的试验图像一起被用来计算得到一系列的测评指标，得到的测评指标用来对气动光学传输效应进行综合测评与分析。

实现上述测评方法的装置如附图10所示，包括上位机1、多功能图像采集控制卡2(以下简称控制卡2)、并行数字信号协处理卡3(以下简称协处理卡3)。其中上位机1与控制卡2通过高速外部设备接口总线互联，控制卡2与协处理卡3通过板间对外扩展接口互联；协处理卡3可以以级联的方式与更多协处理卡互联，从而可以灵活控制测评装置的并行计算能力以适应不同算法的计算时间复杂度，以达到测评装置计算处理的实时性要求。

上位机1通常为性能稳定、存储容量大、外设接口丰富的服务器。上位机1主要包括控制模块4，控制模块4控制测评装置完成以下任务：(a)实现人机交互，接收用户输入的各种控制命令及算法运行所需的配置参数；(b)向控制卡2转发控制命令及配置参数；(c)向控制卡2发送图像源数据；(d)接收控制卡2传回的测评结果并送给显示模块；(e)实时监视控制卡2及协处理卡3的工作状态并将状态反馈到用户界面。

控制卡2包括二个由高速总线接口实现互联的控制节点5A、5B。其中控制节点5A为主控制节点，控制节点5B为从控制节点。主控制节点5A完成以下任务：(a)从上位机1接收控制命令、算法参数、图像源数据；(b)完成自身命令解释译码；(c)向从控制节点5B及计算节点6.1～6.N转发控制命令和图像源数据；从控制节点5B完成以下任务：(a)接收主控制节点5A转发的控制命令和图像数据；(b)完成自身命令解释译码；(c)完成测评指标的计算和评估；

协处理卡3包括N片由高速总线实现互联的计算节点6.1、6.2...6.N，N≥1。针对测量算法计算时间复杂度大及对浮点计算处理要求高的特点，计算节点6.1，6.2...6.N可以选用ADI公司的高性能浮点数字信号处理器TS201。在实际应用中，可以根据计算任务的复杂性、实时性等需求灵活选择计算节点的数量N。其中计算节点6.1为主计算节点，6.2～6.N为从计算节点。主计算节点6.1完成以下任务：(a)接收控制卡2上由主控制节点5A发送的算法参数和配置命令并向从计算节点6.2～6.N进行转发；(b)完成该计算节点自身算法固化包的卸载与更新；(c)完成该计算节点自身的计算处理；(d)接收各个从计算节点6.2～6.N传回的计算结果并进行结果图像的合并；从计算节点6.2～6.N完成以下任务：(a)接收主计算节点6.1转发的算法参数及图像源数据；(b)完成该从计算节点自身算法固化软件包的卸载与更新；(c)完成该计算节点自身的计算处理；(d)向主计算节点6.1回传计算处理结果。

结合附图12，说明本发明装置内部各个模块调用关系。

控制模块4将用户输入的各种算法参数及控制命令通过高速外设接口发送给主控制节点5A，主控制节点5A即对控制命令解释译码，同时向从控制节点5B转发该控制命令，从控制节点5B同时也完成对控制命令的解释译码。根据控制命令解释译码结果的不同，各个控制节点和计算节点分别完成以下不同的任务：(a)如果命令为“采集图像”命令，则主控制节点5A执行图像采集；(b)如果命令为“固化软件更新”，则计算节点6.1～6.N开始进行固化软件包的卸载与更新过程；(c)如果命令为“进入算法处理”，则控制模块4开始发送图像源数据，且计算节点6.1～6.N调用各自的计算处理模块开始进行图像计算处理；(d)如果命令为“计算测评指标”，则从控制节点5B完成对主计算节点6.1回传的结果图像进行测评指标的计算。

以下以计算节点数N＝4为例，对上述各部分作进一步详细的说明。

控制模块4包括命令参数配置模块4.1、图像源数据发送模块4.2和显示模块4.3。

命令参数配置模块4.1用于实现人机交互，接收用户发送的各种算法参数及控制命令，并通过高速外部设备接口将算法所需的各种参数和控制命令发送给控制卡2。

图像源数据发送模块4.2用于将存储在上位机本地硬盘存储器中的图像源数据以及来自网络环境中的图像源数据流通过与之互联的外部设备接口发送给控制卡2。

显示模块4.3用于实时显示相机采集得到的图像、本地硬盘存储器中的图像、网络图像、测评指标计算结果以及测评装置工作状态信息。

主控制节点5A包括命令解释译码模块5A.1、多通路图像源数据获取模块5A.2。

命令解释译码模块5A.1完成对上位机1的控制命令的解释译码，同时将命令及控制参数发送给从控制节点5B及计算节点6.1～6.4。其任务如下：(a)接收上位机参数及命令配置模块4.1发送的各种算法参数和控制命令，(b)对控制命令进行解释译码；(c)将算法参数及控制命令转发给从控制节点5.B及计算节点6.1～6.4；(d)根据译码结果进行算法任务的调度和执行。

以发送控制命令为例，说明命令解释译码模块的工作原理。

(a)命令解释译码模块5A.1接收到上位机1发送的控制命令，读取控制命令字。

(b)查找命令映射表，从表中找到与接收到的命令相同的任务跳转地址。

(c)将该命令同时分发给从控制节点5B及计算节点6.1～6.4。

(d)进行本控制节点的任务跳转，执行相应的任务。

以发送算法参数为例，说明命令解释译码模块的工作原理。

(a)命令解释译码模块5A.1接收到上位机1发送的算法配置参数。

(b)将配置参数通过控制卡的对外扩展接口发送给协处理卡3上的计算节点。

模块5A.1要进行跳转的任务可能是以下几种情况之一：

(a)启动多通路图像源数据获取任务，开始进行图像采集，但不进行计算处理。

(b)启动多通路图像源数据获取任务，开始进行图像采集，同时启动计算任务开始计算处理。

(c)向协处理卡3上的各个计算节点发送控制命令，通知其启动固化软件更新任务，即进行算法固化软件包的重新固化更新。

(d)停止计算任务，将测评装置转入到空闲状态。

多通路图像源数据获取模块5A.2为测评装置的计算处理提供了图像输入功能，以获取不同来源的图像源数据，包括以下几种：(a)来自上位机硬盘存储器的图像源数据；(b)来自上位机的网络环境的图像源数据；(c)控制卡模拟相机接口采集得到的图像源数据；(d)控制卡数字相机接口采集得到的图像源数据；其中(a)、(b)为存储在本地或其它服务器硬盘存储器上的数据，由上位机通过高速外部总线传送给控制卡2；(c)、(d)为实时图像数据，由控制卡自身的图像采集接口输入。实际运行中，可以利用软件控制平台完成数据源选择与切换，当需要采集而不用处理时，该模块仅完成图像采集任务，此时的测评装置可以作为一个图像采集卡；当需要采集并实时处理时，该模块在采集的同时并将图像数据发送给协处理卡3进行处理，此时该装置能够完成实时采集、处理和气动光学传输效应测评。

从控制节点5B包括命令解释译码模块5B.1、测评指标计算评估模块5B.2。

命令解释译码模块5B.1的译码原理与5A.1相同，主要完成从控制节点5B自身的命令解释译码任务，只是其参数及控制命令是由主控制节点5A输入而不是由上位机1输入。其工作原理如下：

(a)命令解释译码模块5B.1接收主控制节点5A转发的控制命令，读取控制命令字。

(b)查找命令映射表，从表中找到与接收到的命令相同的任务跳转地址。

(c)进行本控制节点的任务跳转，执行相应的任务。

模块5B.1要进行跳转的任务可能是以下几种情况之一：

(a)启动测评指标计算任务，完成抖动、偏移等测评指标的计算。

(b)向显示模块4.3回传处理的结果图像及测评指标的计算结果。

测评指标计算评估模块5B.2的主要任务如下：(a)接收协处理卡3回传的计算结果图像；(b)对结果图像进行测评指标的进一步计算，得出测量方法中提出的各种有效指标，如校正图像与退化图像的质心偏移、模糊度、能量集中度等；(c)向上位机1显示模块4.3回传测评指标计算结果。

协处理卡3包括主计算节点6.1及从计算节点6.2、6.3、6.4。各主计算节点及从计算节点分别包含有一个固化软件更新模块和计算模块。

固化软件更新模块6.1.1、6.2.1、6.3.1、6.4.1为计算节点6.1、6.2、6.3、6.4提供了算法固化软件包的卸载与更新功能。气动光学效应测评装置允许将不同的测评方法以软件包的方式固化到与各计算节点相对应的非易失性存储器中，在系统上电时引导并加载更新的算法软件。

计算模块6.1.2、6.2.2、6.3.2、6.4.2将输入的退化图像序列进行处理并输出校正图像序列。其输入为退化序列图像，输出为经计算处理后的校正结果图像序列，该校正图像序列作为下一步进行测评指标计算的依据。其中计算节点6.1为主计算节点，计算节点6.2、6.3、6.4为从计算模块。主计算节点6.1接收退化图像序列并将图像数据分发给从计算节点6.2、6.3、6.4，从计算节点计算处理后将计算结果传回主计算节点6.1进行结果合并。以计算节点数目N＝4为例，说明计算模块的工作原理。

附图13表示了按照基于极大似然估计的循环迭代复原算法计算的流水式迭代方案。计算节点6.1～6.4各自分别对一帧模糊图像按照基于极大似然估计的循环迭代复原算法进行顺序式迭代计算，迭代计算结束后将结果依次传回控制卡2。具体步骤如下：(1)主计算节点6.1接收控制卡2的模糊图像序列S01、S02、S03、S04；(2)主计算节点将S01进行暂时保存，同时将S02、S03、S04分发给从计算节点6.2、6.3、6.4；(3)计算节点6.1～6.4同时按照基于极大似然估计的循环迭代复原算法；(4)迭代结束后主计算节点6.1输出校正图像R01，从计算节点6.2、6.3、6.4输出校正图像序列R02、R03、R04并传给主计算节点6.1；(5)主计算节点6.1依次将校正图像R01、R02、R03、R04回传给控制卡2；(6)重复步骤(1)～(5)。

附图14表示了按照并行迭代校正方法进行计算的并行式迭代方案。其原理是将计算节点分为两组，第一组为计算节点6.1、6.4，第二组为计算节点6.2、6.3。以第一组为例，计算节点6.1仅进行PSF计算，计算节点6.4仅进行OBJ计算，计算节点6.1、6.4按照并行迭代校正方法同时进行并行式迭代，第二组与第一组工作原理相同，迭代结束后，由计算节点6.3、6.4将计算结果传回控制卡2。具体步骤如下：(1)计算节点6.1接收控制卡2发送的模糊图像序列，设帧号为S01，同时计算节点6.2接收控制卡2发送的模糊图像序列，设帧号为S02；(2)计算节点6.1、计算节点6.4作为一组按照并行迭代校正方法进行并行式迭代计算，同时计算节点6.2、6.3作为另一组按照并行迭代校正方法进行并行式迭代计算；(3)迭代结束，计算节点6.3、6.4将校正图像R01、R02传回给控制卡2；(4)重复(1)～(3)。

如附图15所示为气动光学传输效应测评装置工作的流程图。结合前述的硬件构成及模块层次关系，说明装置工作的原理。

(a)装置上电复位后，进入“空闲”状态，等待接收参数及控制命令。

(b)一旦接收到参数及控制命令，则进入命令解释译码模块进行命令解释译码。如果为“进入处理”命令，则进入步骤(f)，否则进入下一步。

(c)如果命令为“进入软件更新”，则进入下一步，否则进入步骤(m)。

(d)进行固化软件更新过程。

(e)如果固化软件更新过程结束，则进入步骤(m)，否则重复步骤(d)～(e)。

(f)如果命令为“进入算法处理”，则进入步骤(i)，否则进入下一步。

(g)如果命令为“采集图像”，则进入下一步，否则进入步骤(m)。

(h)进行图像采集过程。

(i)进行算法计算处理过程。

(j)进行测评指标的计算评估过程。

(k)显示采集图像、校正结果及测评指标

(l)判断所有图像序列是否处理完毕，如果是则进入下一步，否则重复步骤(b)～(l)。

(m)进入“空闲”状态，等待装置复位重启。

表1是多DSP处理计算时间、处理帧频和加速比表

Claims (5)

1.一种基于序列图像数字校正的气动光学传输效应测评装置，其特征在于：装置包括上位机(1)、多功能图像采集控制卡(2)、并行数字信号协处理卡(3)；其中上位机(1)与多功能图像采集控制卡(2)通过高速外部设备接口总线互联，多功能图像采集控制卡(2)与并行数字信号协处理卡(3)通过板间对外扩展接口互联；

上位机(1)包括控制模块(4)，控制模块(4)控制测评装置完成以下任务：①实现人机交互，接收用户输入的各种控制命令及算法运行所需的配置参数；②向多功能图像采集控制卡(2)转发控制命令及配置参数；③向多功能图像采集控制卡(2)发送图像源数据；④接收多功能图像采集控制卡(2)传回的测评结果并送给显示模块；⑤实时监视多功能图像采集控制卡(2)及并行数字信号协处理卡(3)的工作状态并将工作状态反馈到用户界面；

多功能图像采集控制卡(2)包括二个由高速总线接口实现互联的主控制节点(5A)和从控制节点(5B)；主控制节点(5A)完成以下任务：①从上位机(1)接收控制命令、算法参数、图像源数据；②完成自身命令解释译码；③向从控制节点(5B)及其它计算节点(6.1～6.N)转发控制命令和图像源数据；从控制节点(5B)完成以下任务：①接收主控制节点(5A)转发的控制命令和图像数据；②完成自身命令的解释译码；③完成测评指标的计算和评估；

并行数字信号协处理卡(3)包括N片由高速总线实现互联的计算节点(6.1、6.2...6.N)，N≥1；其中一个计算节点(6.1)为主计算节点，其它计算节点(6.2～6.N)为从计算节点；主计算节点(6.1)完成以下任务：①接收多功能图像采集控制卡(2)上由主控制节点(5A)发送的算法参数和配置命令并向从计算节点(6.2～6.N)转发；②完成该计算节点自身固化算法软件包的卸载与更新；③完成该计算节点自身的计算处理任务；④接收各个从计算节点(6.2～6.N)传回的计算结果并进行结果图像的合并；从计算节点(6.2～6.N)完成以下任务：①接收主计算节点转发的算法参数及图像源数据；②完成该计算节点算法固化包的卸载与更新；③完成该计算节点自身的计算处理任务；④向主计算节点(6.1)发送计算处理结果。

2.根据权利要求1所述的气动光学传输效应测评装置，其特征在于：控制模块(4)包括命令参数配置模块(4.1)、图像源发送模块(4.2)和显示模块(4.3)；

命令参数配置模块(4.1)用于实现人机交互，接收用户发送的各种算法参数及控制命令，并通过高速外设接口将算法所需的各种参数和控制命令发送到多功能图像采集控制卡(2)；

图像源发送模块(4.2)用于将存储在上位机硬盘存储器中的图像源数据以及来自网络环境中的图像源数据流通过与之互联的外高速外设接口发送给多功能图像采集控制卡(2)；

显示模块(4.3)用于实时显示采集的图像源数据、本地图像源数据、网络图像、测评指标计算结果以及测评装置的工作状态信息。

3.根据权利要求2所述的气动光学传输效应测评装置，其特征在于：主控制节点

(5A)包括命令解释译码模块(5A.1)和多通路图像源数据获取模块(5A.2)；

命令解释译码模块(5A.1)完成对上位机(1)的控制命令的解释、译码，同时将命令及控制参数发送给从控制节点(5B)及计算节点(6.1～6.4)；其任务如下：①接收上位机参数命令配置模块(4.1)发送的各种算法参数和控制命令，②根据自定义的软件协议解释译码；③将算法参数及控制命令转发给从控制节点(5.B)及计算节点(6.1～6.4)；④根据译码结果进行算法任务的调度和执行；

多通路图像源数据获取模块(5A.2)为测评装置的计算处理提供了图像输入功能，从而能够完成不同通路图像源数据的获取。

4.根据权利要求3所述的气动光学传输效应测评装置，其特征在于：从控制节点(5B)包括命令解释译码模块(5B.1)和测评指标计算评估模块(5B.2)；

命令解释译码模块(5B.1)用于完成控制节点(5B)自身的命令解释译码功能，它接收主控制节点(5A)转发的控制命令，读取控制命令字；查找命令映射表，从表中找到与该接收到的命令相同的任务跳转的分支；进行本控制节点的任务跳转，启动并执行相应的任务；

测评指标计算评估模块(5B.2)用于接收并行数字信号处理卡(3)回传的计算结果图像；并对结果图像进行测评指标的进一步计算，得出测量方法中提出的各种有效指标，向上位机(1)显示模块(4.3)回传测评指标计算结果。

5.根据权利要求4所述的气动光学传输效应测评装置，其特征在于：所述主计算节点和所述从计算节点均包含有固化软件更新模块和计算模块；

所述固化软件更新模块为主计算节点和各从计算节点提供固化算法软件包的卸载与更新功能；

所述计算模块将输入的退化图像序列处理后输出校正图像序列，各计算节点各自分别对一帧模糊图像按照基于极大似然估计的循环迭代复原算法进行顺序式迭代或并行式迭代计算，计算结束后将结果依次传回多功能图像采集控制卡(2)。

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