CN102706536A - 宽视场光学系统畸变自动测量装置及方法 - Google Patents

宽视场光学系统畸变自动测量装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种宽视场光学系统畸变自动测量装置及方法，本发明中，畸变测试靶由多圈同心正方形组成，它由目标发生单元发出，经待测光学系统后，被图像探测单元接收，其图像送入分析处理单元中利用数字图像处理技术进行目标环的自动识别和相对畸变量的计算。本发明能够更好地适用于不同倍率和视场的光学系统的畸变测试。

Description

宽视场光学系统畸变自动测量装置及方法
技术领域
本发明属光电测量领域，尤其涉及一种光学系统畸变测试靶及测量方法。 
背景技术
成像光学系统，尤其是宽视场光学系统，在离轴位置会存在一定程度的畸变，它会影响成像质量的几何位置精度。为了校正这种畸变，首先需要对畸变进行测量。 
现有畸变测量方法所采用的靶板有狭缝靶、网格靶、方口靶等。狭缝靶需要与测角装置配合起来使用，测量过程复杂，需要耗费较多的人力和时间。网格靶可以测量一定视场范围内的多点畸变量，目前在畸变测量和校正中使用较多，但是一般在一套测量系统中需配备若干个不同空间频率和尺寸的网格靶以满足被测光学系统不同放大倍率和视场的需要，在使用时需根据具体情况选择靶板，这样就使操作复杂且耗费时间。方口靶一次可以测量某一视场位置的畸变量，相比网格靶更便于畸变分析的自动化进行，但是它与网格靶存在一样的问题，即需根据被测光学系统放大倍率和视场的实际情况选择尺寸合适的方口靶，这样同样导致了操作复杂且耗费时间。 
为了使光学系统畸变测试方法能更好地适应被测光学系统不同放大倍率和视场的需要，本发明提出了一种新的测量光学系统畸变的解决方案。 
发明内容
为了克服现有畸变测试技术不能自动适应待测光学系统的倍率和视场的缺点，本发明提供了一种宽视场光学系统畸变自动测量装置及方法。 
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种宽视场光学系统畸变自动测量装置，它包括：平行光管、CCD摄像机、计算机、畸变测试靶和转台等；所述畸变测试靶置于平行光管内准直透镜的焦点处，CCD摄像机固定在转台上待测光学系统的焦面处，CCD摄像机通过数据线和计算机相连。 
一种上述装置的畸变自动测量方法，它包括以下步骤： 
（1）获取畸变测试靶图像：利用平行光管将畸变测试靶发射出去，经待测光学系统后被CCD摄像机接收，所接收的畸变测试靶图像传送到计算机，由此获取畸变测试靶的灰度图像；
（2）对畸变测试靶的灰度图像进行二值化等图像预处理，获得畸变测试靶的二值化图像；
（3）对畸变测试靶的二值化图像中的所有正方形进行分割，获得每一个正方形的图像数据；
（4）将分割的正方形由里到外依次编号，选定视场角大小最接近全视场10%的正方形作为畸变测试的目标环；
（5）计算畸变待测视场位置畸变量：在中心视场处测量目标环的宽W 0和高H 0，转动转台改变视场，在畸变待测视场位置测量目标环的宽W 1和高H 1，利用公式 
Figure 2012100741847100002DEST_PATH_IMAGE001
和计算两个正交方向上的相对畸变量，取其平均值作为该视场下的畸变量。
本发明的有益效果是，由于所使用的畸变测试靶为同心正方形，它包含有多个尺寸不一的正方形，并且采用数字图像处理方法能够根据当前测量情况自动选择目标环，所以本发明与以往的畸变测量方法相比，不需要更换靶板就能够满足不同倍率和视场的光学系统畸变测试的需要，能够在很大程度上提高畸变测试速度、节省人力。 
附图说明
图1为本发明测量装置的构成图； 
图2为本发明畸变测试靶图；
图3为目标环自动识别流程图；
图4为小视场镜头零视场下目标环的自动识别图；
图5为小视场镜头畸变待测视场下目标环的自动识别图；
图6为大视场镜头零视场下目标环的自动识别图；
图7为大视场镜头畸变待测视场下目标环的自动识别图；
图中，平行光管1、待测光学系统2、 CCD摄像机3、计算机4、畸变测试靶5、光源6、毛玻璃7、准直透镜8、转台9、数据线10。
具体实施方式
本发明畸变测量装置如图1所示。包括：平行光管1、CCD摄像机3、计算机4、畸变测试靶5和转台9，畸变测试靶5置于平行光管1内准直透镜8的焦点处，CCD摄像机3固定在转台9上，CCD摄像机3通过数据线10和计算机4相连。 
本发明畸变测量装置的工作过程如下：平行光管1为目标发生单元，包括光源6、毛玻璃7和准直透镜8，光源6发出的光经毛玻璃7散射后照射在位于准直透镜8的焦点处的畸变测试靶5上，然后经准直透镜8发射出去。转台9上放置有待测光学系统2和位于待测光学系统2的焦面处的CCD摄像机3，通过转台9旋转能够改变待测光学系统2相对于平行光管1的视场位置，畸变测试靶5经待测光学系统2成像后被CCD摄像机3接收，其图像通过数据线10传送至计算机4。计算机4为分析处理单元，完成目标环的自动检测和畸变量的计算。 
本发明提出的畸变测试靶5如图2所示，在玻璃基底上刻有若干个同心正方形，正方形之间的对应边平行，正方形边长不等，正方形边线处为不透光状态，其线宽相同。图2中的正方形个数为10个，但不应当作为对本发明的限制，事实上，可以根据不同倍率和视场的光学系统畸变测试的需要确定正方形的个数。 
本发明提出的畸变测量方法具体步骤为： 
步骤一：获取畸变测试靶图像。
利用平行光管1将上述的畸变测试靶5发射出去，经待测光学系统2后被CCD摄像机3接收，所接收的畸变测试靶图像传送到计算机4，由此获取畸变测试靶的灰度图像。 
步骤二：对畸变测试靶的灰度图像进行二值化等图像预处理，获得畸变测试靶的二值化图像。 
对得到的灰度图像进行二值化处理，采用大津阈值分割法，其主要思想就是选取阈值使其类间方差最大化，并在该阈值出将原图像直方图分割成两组。被分成的两组类间方差定义为： 
其中：
Figure 784782DEST_PATH_IMAGE004
为两组类间方差；
为图像中总的灰度均值；
Figure 669561DEST_PATH_IMAGE006
为图像中小于阈值T的像素灰度均值；
Figure 2012100741847100002DEST_PATH_IMAGE007
为图像中大于阈值T的像素灰度均值；
Figure 998911DEST_PATH_IMAGE008
为图像中小于阈值T的像素数；
为图像中大于阈值T的像素数；
灰度级由0到254计算灰度值将直方图分成的两类间方差，找到使两类间方差最大的灰度值选为分割阈值T，将图像按照以下规则进行分割：
Figure 761593DEST_PATH_IMAGE010
其中：
Figure 2012100741847100002DEST_PATH_IMAGE011
为分割后图像灰度值；
Figure 492789DEST_PATH_IMAGE012
为原图像灰度值；
T为选定分割阈值。
经过阈值分割后得到二值化的图像，完成图像的预处理过程。 
步骤三：对畸变测试靶的二值化图像中的所有正方形进行分割，获得每一个正方形的图像数据。 
采用归并法对二值图像进行正方形分割，其过程为： 
1、对图像逐行扫描，碰到第一个灰度值为0的像素时停止，该像素作为种子像素，也是初始的正方形区域；
2、将与正方形区域相邻的、灰度值为0的像素并入正方形区域，得到新的正方形区域，该过程重复进行直到正方形区域的相邻像素没有灰度值为0的为止，这时获得一个完整正方形，并将正方形的像素值修改为128；
3、重复步骤1和步骤2，直到在图像中找不到种子像素为止。
步骤四：将分割的正方形由里到外依次编号，选定视场角大小最接近全视场10%的正方形作为畸变测试的目标环； 
利用直线Hough变换计算两对平行线之间距离以获得正方形的宽和高。最后，自动选择视场角大小最接近全视场10%的正方形作为目标环，并记录下目标环的编号，在倍率或视场不变的情况下目标环的编号是不变的。
步骤五：计算畸变待测视场位置畸变量。 
在中心视场处测量目标环的宽W 0和高H 0，转动转台改变视场，在畸变待测视场位置测量目标环的宽W 1和高H 1，利用公式
Figure 486153DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 302799DEST_PATH_IMAGE002
计算两个正交方向上的相对畸变量，取其平均值作为该视场下的畸变量。式中，W 0和H 0表示零视场处检测目标环的宽和高，W 1和H 1表示畸变待测视场处检测目标环的宽和高。 
图5-图7给出了应用本方法分别对不同视场的镜头进行畸变测试时，目标环自动识别的情形，图中黑色标记的为目标环。根据“选择视场角大小最接近全视场10%的正方形作为目标环”的规则，当前小视场和大视场镜头畸变测试时分别自动选择了序号为2和5的正方形作为目标环，体现了对不同视场大小的光学系统畸变测试的自适应化能力。 

Claims (4)

1.一种宽视场光学系统畸变自动测量装置，其特征在于，它包括：平行光管（1）、CCD摄像机（3）、计算机（4）、畸变测试靶（5）和转台（9）等；所述畸变测试靶（5）置于平行光管（1）内准直透镜（8）的焦点处，CCD摄像机（3）固定在转台（9）上待测光学系统（2）的焦面处，CCD摄像机（3）通过数据线（10）和计算机（4）相连。
2.根据权利要求1所述宽视场光学系统畸变自动测量装置，其特征在于，所述畸变测试靶（5）包括若干个同心正方形，正方形之间的对应边平行，正方形边长不等。
3.一种应用权利要求1所述装置的畸变自动测量方法，其特征在于，它包括以下步骤：
（1）获取畸变测试靶图像：利用平行光管（1）将畸变测试靶（5）发射出去，经待测光学系统（2）后被CCD摄像机（3）接收，所接收的畸变测试靶图像传送到计算机（4），由此获取畸变测试靶的灰度图像；
（2）对畸变测试靶的灰度图像进行二值化等图像预处理，获得畸变测试靶的二值化图像；
（3）对畸变测试靶的二值化图像中的所有正方形进行分割，获得每一个正方形的图像数据；
（4）将分割的正方形由里到外依次编号，选定视场角大小最接近全视场10%的正方形作为畸变测试的目标环；
（5）计算畸变待测视场位置畸变量：在中心视场处测量目标环的宽W 0和高H 0，转动转台改变视场，在畸变待测视场位置测量目标环的宽W 1和高H 1，利用公式                                                
Figure 2012100741847100001DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 742193DEST_PATH_IMAGE002
计算两个正交方向上的相对畸变量，取其平均值作为该视场下的畸变量。
4.根据权利要求2所述的畸变自动测量方法，其特征在于，所述步骤（3）采用归并法对二值图像进行正方形分割，具体包括以下子步骤：
（3.1）对图像逐行扫描，碰到第一个灰度值为0的像素时停止，该像素作为种子像素，也是初始的正方形区域；
（3.2）将与正方形区域相邻的、灰度值为0的像素并入正方形区域，得到新的正方形区域，该过程重复进行直到正方形区域的相邻像素没有灰度值为0的为止，这时获得一个完整正方形，并将正方形的像素值修改为128；
（3.3）重复步骤1和步骤2，直到在图像中找不到种子像素为止。
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