CN104501745B - 一种光电成像系统光轴偏差的快速检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光电成像系统光轴偏差快速检测方法及装置，该方法为通过被测光电成像系统和基准成像系统同时采集图像，选取基准系统图像内任意特征明显目标作为基准，运用目标图像轮廓边缘提取和特征匹配方法分析被测光电成像系统与基准成像系统中同一特征明显目标的偏差，得出被测光电成像系统瞄准线的偏差。该装置用来实施上述方法。本发明具有原理简单、操作方便、校准精度高、校准效率高等优点。

Description

一种光电成像系统光轴偏差的快速检测方法及装置

技术领域

本发明主要涉及到光电成像技术领域，特指一种适用于多光电成像系统间光轴偏差的快速检测方法及装置。

背景技术

随着光电技术的发展，激光测距机、激光制导照射、可见光成像、红外成像等电传感器系统在测绘、监视、预警、制导、遥感、救灾等领域的光电图像探测装备上均得到了广泛的应用。在众多应用当中，“光轴指向精度”成为衡量多光轴光电装备性能的一个重要参数，不仅需要在系统设计、安装、检修过程中进行准确的检测和调试，而且由于环境变化会造成光机系统的失调，也需要在使用过程中适时地进行光轴校准。

目前，光轴偏差检测设备由于设备覆盖波段范围窄、检测装备体积重量大、检测过程繁琐、速度慢等缺点，难以适应远距离、多光谱光电探测设备偏差检测要求。而且传统的光轴偏差检测设备主要集中于实验室测量，针对光电探测装备野外使用的便携快速的测试设备较少。因此，解决野外环境条件下的光轴偏差检测快速性、便携性等问题已经成为当前国内外研究的关键技术。

传统的校准方式时以光学校准镜、激光红点式校准镜以及激光准直仪式校准镜三种校准仪器为主。

(1)光学校准镜：通过人工观察校准镜内目标位置，手动调整光电系统瞄准线使其与校准镜中十字叉丝重合，最后通过实验测试检验是否校准，若测试结果较好则校正完成，若偏差较大则需要重复上述步骤。运用该方法进行校准通常需要几次才能校准，该校正方式过程繁琐、精度差、效率低。

(2)激光红点式校准镜：校正装置发射激光，人工调整光电设备十字叉丝与红点重合，即完成校正，但激光红点的能量较小，使用条件受限，在白天时红点在几十米以外难以分辨，只能在黎明、黄昏、阴天时应用，且校正装置主动发射激光，在众多实际应用中受限。激光红点式校准装置的校正精度一般约为1～3MOA。

(3)激光准直仪式校准装置：利用激光准直仪测量原理，在被测光电成像系统上发射与系统基准平行的激光束，经过复杂光路由被测光电设备反射进入激光准直仪，从而测量出光电设备光轴的偏差。该校准方法需要使用复杂仪器设备，校准过程繁琐、速度慢，校准精度一般可达到1MOA以内。

综上所述，针对现有的校正装置普遍存在校准过程繁琐、速度慢、精度低，可重复性差、环境适应性差等诸多缺陷，亟需一种能够同时兼顾校准精度和校准效率精度的高精度快速校正方式。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种基于图像测量与信息处理技术的操作方便、校准精度高、校准效率高的光电成像系统光轴偏差的快速检测方法及装置。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种光电成像系统光轴偏差快速检测方法，通过被测光电成像系统和基准成像系统同时采集图像，选取基准成像系统图像内任意特征明显目标作为基准，运用目标图像轮廓边缘提取和特征匹配方法分析被测光电成像系统与基准成像系统中同一特征明显目标的偏差，得出被测光电成像系统瞄准线的偏差。

作为本发明方法的进一步改进：所述目标图像轮廓边缘提取和特征匹配方法为：运用Sobel边缘提取算法提取基准成像系统与被测光电成像系统的图像轮廓边缘，得到x和z方向的轮廓特征图；整合x和z方向轮廓图得到轮廓灰度图，再通过图像二值化处理得到轮廓边缘特征图像，作为图像匹配的核心依据；根据图像轮廓的边缘特征，在被测光电成像系统图像中进行搜索，最后确定相似度最高的轮廓即为基准成像系统中选定的目标，并返回该目标在两幅图像中的位置偏差。

作为本发明方法的进一步改进：对所述图像轮廓旋转进行缩放，检测基准成像系统的倾角，结合被测光电成像系统的倾角，令基准成像系统内的图像绕其中心进行旋转，使两光电图像间无旋转角度偏差；根据基准成像系统与被测光电成像系统的视场角的比值，对基准成像系统中的图像进行缩放，使基准成像系统中目标大小与被测光电成像系统中相同。

本发明进一步提供一种光电成像系统光轴偏差快速检测装置，其包括：校正基准镜、手持或嵌入式处理终端及适配器，所述校正基准镜通过适配器安装，所述适配器用来保证校正基准镜的基准轴与被测光电成像系统的光轴保持对应；所述校正基准镜用来与被测光电成像系统同时采集图像信号，两个图像信号送入手持或嵌入式处理终端进行分析处理，得出被测光电成像系统瞄准线的偏差。

作为本发明装置的进一步改进：所述校正基准镜内设有摄像机、无线通信模块及倾角仪，所述摄像机用来采集图像，所述无线通信模块用于传输校正基准镜中图像以及校正基准镜的空间角度，所述倾角仪用于测量校正基准镜的空间角度，供手持或嵌入式处理终端的图像处理使用。

作为本发明装置的进一步改进：所述校正基准镜内设置有电源模块和插座用来为摄像机、无线通信模块及倾角仪供电。

作为本发明装置的进一步改进：所述校正基准镜内还设置电池来作为后备电源。

作为本发明装置的进一步改进：所述手持或嵌入式处理终端包括壳体、显示屏、图像采集模块及图像处理模块，所述显示屏位于壳体上，所述图像采集模块和图像处理模块位于壳体内；所述壳体上具有至少两路视频接口、两路通信接口以及无线通信模块，用来同时采集多通道视频、传输多个通信指令；所述图像采集模块用来采集各个通道接收到的视频信号并标记；所述图像处理模块对上述图像进行预处理，然后提取图像的轮廓并降噪，得到轮廓边缘特征图像，利用校正基准镜、被测光电成像系统的姿态传感模块测得的空间角度信息，对轮廓边缘特征图像进行旋转，根据两个视场角大小进行缩放；通过所述显示屏选择校正基准镜中特征明显的目标，所述图像处理模块以校正基准镜中选定的目标为模板，根据轮廓的边缘特征，在被测光电成像系统的图像中进行搜索，确定相似度最高的轮廓即为校正基准镜中选定的目标，最后输出被测光电成像系统与校正基准镜的偏差。

作为本发明装置的进一步改进：所述适配器与校正基准镜通过可拆卸方式连接；所述校正基准镜与适配器之间通过凸台定位或定位锥面进行连接，所述连接轴的外表面上设置橡胶圈和弹片。

作为本发明装置的进一步改进：所述适配器包括若干个直径规格不同的系列化单元体。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明光电成像系统光轴偏差的快速检测方法具有校正速度快、重复精度高的特点，可弥补光电成像系统光轴人工校准的不足，实现电成像系统校准的信息化、智能化。

2、本发明电成像系统光轴偏差快速检测装置既可通过有线传输方式在手持或嵌入式处理终端机上显示和操作，又可以利用无线传输方式在手持或嵌入式处理终端上使用，还可根据不同电成像系统平台灵活更换适配器，大大提高了装置的通用性。

3、本发明的光电成像系统光轴偏差的快速检测方法及装置，可有效地解决野外环境条件下的多波段光电设备之间的光轴平行性测试问题，而且结构简单，操作方便，能够显著提高校正的精度和效率。

附图说明

图1是本发明装置在具体应用实例中的结构示意图。

图2是本发明方法在应用时的原理示意图。

图3是本发明方法的流程示意图。

图4是本发明在具体应用实例中校正基准镜的结构原理示意图。

图5是本发明在具体应用实例中摄像机的结构原理示意图。

图6是本发明在具体应用实例中手持或嵌入式处理终端的外部结构示意图。

图7是本发明在具体应用实例中手持或嵌入式处理终端的内部结构示意图。

图8是本发明在具体应用实例中适配器形成系列化单元的外观示意图；其中8(a)～8(d)为不同规格的直径。

图例说明：

1、校正基准镜；2、手持或嵌入式处理终端；3、适配器；4、被测光电成像系统；5、摄像机；501、高清成像模组；502、可变倍率镜头；503、摄像头壳体；6、无线通信模块；7、开关；8、倾角仪；9、连接轴；10、橡胶圈；11、弹片；12、电池；13、电源模块；14、插座；15、天线；16、通信接口；17、视频接口；18、电源键；19、显示屏；20、无线通信模块；21、图像采集模块；22、图像处理模块。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图2所示，本发明的光电成像系统光轴偏差快速检测方法，是利用被测光电成像系统4与基准成像系统(快速检测装置)，以图像测量学为基本原理，运用Sobel边缘提取算法提取基准成像系统与被测光电成像系统4的图像轮廓边缘，经整合与二值化处理后得到轮廓边缘特征图像，选取基准成像系统(校正基准镜1)的图像内任意特征明显目标点M作为基准，目标点M在基准成像系统(校正基准镜1)图像中的坐标为(x1,z1)，根据目标点M轮廓的形状、像素点的位置、像素点密度等边缘特征，在被测光电瞄具图像中进行搜索，确定相似度最高的轮廓即为目标点M，目标点M在被测光电成像系统4的图像中的坐标为(x2,z2)，得到光电瞄具图像与基准成像系统(校正基准镜1)图像坐标原点的偏差(ΔX，ΔZ)，即为被测光电成像系统4光轴的偏差。

如图3所示，在具体实施例中，本发明方法的具体流程为：

S1：初始化；

S2：图像预处理；

通过校正基准镜1内的摄像机5采集图像，并对图像进行预处理。

S3：图像轮廓提取；

如图3所示，运用Sobel边缘提取算法提取校正基准镜1与被测光电瞄具的图像轮廓边缘，得到x和y方向的轮廓特征图；整合x和y方向轮廓图得到轮廓灰度图，再通过图像二值化处理得到轮廓边缘特征图像，作为图像匹配的核心依据。

根据图像轮廓的形状、像素点的位置、像素点密度等边缘特征，在被测光电瞄具图像中进行搜索，最后确定相似度最高的轮廓即为校正基准镜1中选定的目标，并返回该目标在两幅图像中的位置偏差。

S4：图像旋转缩放；

具有图像旋转功能，根据校正基准镜1内倾角仪8测得的校正基准镜1倾角，结合被测光电成像系统4的倾角，对校正基准镜1内图像绕其中心进行旋转，使两光电图像间无旋转角度偏差，便于后续图像匹配。校正基准镜1可在倾角仪8角度测量范围内以任意角度插入适配器3，使快速检测装置的使用更加灵活。

具有图像缩放功能，根据校正基准镜1与被测光电成像系统4的视场角的比值，对校正基准镜1中的图像进行缩放，使校正基准镜1中目标大小与被测光电成像系统4中相同。

具有倾角修正功能，根据校准精度要求，利用被测系统倾角仪，将测得被测系统倾斜状态时被测系统瞄准线的偏差修正量等效为被测系统水平状态时的偏差修正量。

S5：选取匹配目标；

S6：图像特征匹配；

S7：计算位置偏差值；

S8：偏差值输出。

如图1所示，本发明进一步提供一种光电成像系统光轴偏差快速检测装置，包括校正基准镜1、手持或嵌入式处理终端2及适配器3，校正基准镜1通过适配器3安装，适配器3用来保证校正基准镜1的基准轴与被测光电成像系统4的光轴保持对应；校正基准镜1用来与被测光电成像系统4同时采集图像信号，两个图像信号送入手持或嵌入式处理终端2进行分析处理，从而得出被测光电成像系统4瞄准线的偏差。即，校正基准镜1用于获取与光电成像系统基准同轴的图像，作为被测光电设备光轴的测量基准；手持或嵌入式处理终端2用于采集校正基准镜1与光电成像系统的图像，并通过目标图像轮廓边缘提取和特征匹配方法，计算同一目标在两瞄具图像中的坐标差，并通过有线和无线相结合的方式将检测出的偏差量传送至被测光电成像系统4。图中L1为基准轴，L2为被测光电成像系统4的光轴。

如图4所示，校正基准镜1内设有摄像机5、无线通信模块6及倾角仪8，摄像机5用来采集图像，无线通信模块6可用于传输校正基准镜1中图像以及校正基准镜1的空间角度，倾角仪8用于测量校正基准镜1的空间角度，供手持或嵌入式处理终端2的图像处理使用。

在具体应用实例中，校正基准镜1内进一步设置有电源模块13和插座14用来为摄像机5、无线通信模块6及倾角仪8供电，当然还可以设置电池12来作为后备电源。同时，还可以通过开关7来控制各个执行部件的工作。

结合被测光电瞄具的空间角度，可实现在倾角仪8测量范围内任意空间角度校准，降低了瞄准线偏差快速检测装置的使用要求。无线通信模块6可在车载、舰载、机载等被测光电成像系统4距离较远，有线传输受限的情况下使用，传输视频及通信指令，使校正基准镜1使用更加方便灵活。

如图5所示，摄像机5包括高清成像模组501、可变倍率镜头502以及摄像头壳体503，可根据被测光电成像系统4的视场角相应调整可变倍率镜头502的倍率，使两者视场角大小相当，高清成像模组501可提供高清基准图像，用于图像精确匹配。

通过以上结构，本发明校正基准镜1具备了以下功能：

具有图像旋转功能，根据校正基准镜1内倾角仪8测得的校正基准镜1倾角，结合被测光电成像系统4的倾角，对校正基准镜1内图像绕其中心进行旋转，使两光电图像间无旋转角度偏差，便于后续图像匹配。校正基准镜1可在倾角仪8角度测量范围内以任意角度插入适配器3，使快速检测装置的使用更加灵活。

具有图像缩放功能，根据校正基准镜1与被测光电成像系统4的视场角的比值，对校正基准镜1中的图像进行缩放，使校正基准镜1中目标大小与被测光电成像系统4中相同。

具有倾角修正功能，根据校准精度要求，利用被测系统倾角仪，将测得被测系统倾斜状态时被测系统瞄准线的偏差修正量等效为被测系统水平状态时的偏差修正量。

如图6和图7所示，手持或嵌入式处理终端2可自动检测视频源通道，根据操作人员选定的校正基准镜1中的目标，计算出被测光电成像系统4与校正基准镜1瞄准线的偏差，并通过有线和无线相结合的方式将上述偏差传送至被测系统。

具体应用时，手持或嵌入式处理终端2包括壳体、显示屏19、图像采集模块21及图像处理模块22，显示屏19位于壳体的一个面上，图像采集模块21和图像处理模块22位于壳体内。壳体上具有天线15、电源键18、两路视频接口17、两路通信接口16以及无线通信模块20，能够同时采集多通道视频、传输多个通信指令，可实现多光谱电瞄具同时校准。手持或嵌入式处理终端2上的图像采集模块21用来采集各个通道接收到的视频信号并标记，操作人员根据实际连接方式，通过软件界面选择确定基准图像与被校准图像。手持或嵌入式处理终端2上的图像处理模块22对上述图像进行预处理，然后运用Sobel边缘提取算法提取图像的轮廓并降噪，得到轮廓边缘特征图像，利用校正基准镜1、被测光电成像系统4的姿态传感模块测得的空间角度信息，对轮廓边缘特征图像进行旋转，根据两个视场角大小进行缩放。操作人员通过点击显示屏19选择校正基准镜1中特征明显的目标，图像处理模块22以校正基准镜1中选定的目标为模板，根据轮廓的形状、像素点的位置、像素点密度等边缘特征，在被测光电成像系统4的图像中进行搜索，确定相似度最高的轮廓即为校正基准镜1中选定的目标，最后输出被测光电成像系统4与校正基准镜1的偏差，并将该偏差通过有线与无线相结合的方式传送至被测系统，由被测系统完成修正。

本实施例中，适配器3与校正基准镜1通过可拆卸方式连接，装配简单，易于快速更换适配器。在具体应用实例中，如图3所示，校正基准镜1与适配器3之间通过凸台定位或定位锥面进行连接，以保证校正基准镜1与连接轴9同轴。校正基准镜1的光轴通过适配器3保证与测量基准同轴，因此校正基准镜1的光轴即为测量基准。

本实施例中，在连接轴9的外表面上进一步设置橡胶圈10和弹片11，通过橡胶圈10与弹片11消除连接轴9与被测设备基准间的间隙，最终使校正基准镜1的瞄准线与测量基准同轴。

如图8所示，适配器3可以根据实际需要，采用系列化设计，以适应不同的被测设备。图中8(a)、8(b)、8(c)、8(d)分别为不同的规格，直径分别为5.8mm、7.62mm、12.7mm、35mm。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种光电成像系统光轴偏差快速检测方法，其特征在于，通过被测光电成像系统和基准成像系统同时采集图像，选取基准系统图像内任意特征明显目标作为基准，运用目标图像轮廓边缘提取和特征匹配方法分析被测光电成像系统与基准系统中同一特征明显目标的偏差，得出被测光电成像系统瞄准线的偏差；

所述目标图像轮廓边缘提取和特征匹配方法为：运用Sobel边缘提取算法提取基准成像系统与被测光电成像系统的图像轮廓边缘，得到x和y方向的轮廓特征图；整合x和y方向轮廓图得到轮廓灰度图，再通过图像二值化处理得到轮廓边缘特征图像，作为图像匹配的核心依据；根据图像轮廓的边缘特征，在被测光电成像系统图像中进行搜索，最后确定相似度最高的轮廓即为基准成像系统中选定的目标，并返回该目标在两幅图像中的位置偏差。

2.根据权利要求1所述的光电成像系统光轴偏差快速检测方法，其特征在于，对所述图像轮廓旋转进行缩放，检测基准成像系统的倾角，结合被测光电成像系统的倾角，令基准成像系统内的图像绕其中心进行旋转，使两光电图像间无旋转角度偏差；根据基准成像系统与被测光电成像系统的视场角的比值，对基准成像系统中的图像进行缩放，使基准成像系统中目标大小与被测光电成像系统中相同。

3.一种光电成像系统光轴偏差快速检测装置，其特征在于，包括校正基准镜、手持或嵌入式处理终端及适配器，所述校正基准镜通过适配器安装，所述适配器用来保证校正基准镜的基准轴与被测光电成像系统的光轴保持对应；所述校正基准镜用来与被测光电成像系统同时采集图像信号，两个图像信号送入手持或嵌入式处理终端进行分析处理，得出被测光电成像系统瞄准线的偏差；

所述校正基准镜内设有摄像机、无线通信模块及倾角仪，所述摄像机用来采集图像，所述无线通信模块用于传输校正基准镜中图像以及校正基准镜的空间角度，所述倾角仪用于测量校正基准镜的空间角度，供手持或嵌入式处理终端的图像处理使用。

4.根据权利要求3所述的光电成像系统光轴偏差快速检测装置，其特征在于，所述校正基准镜内设置有电源模块和插座用来为摄像机、无线通信模块及倾角仪供电。

5.根据权利要求4所述的光电成像系统光轴偏差快速检测装置，其特征在于，所述校正基准镜内还设置电池来作为后备电源。

6.根据权利要求3或4或5所述的光电成像系统光轴偏差快速检测装置，其特征在于，所述手持或嵌入式处理终端包括壳体、显示屏、图像采集模块及图像处理模块，所述显示屏位于壳体上，所述图像采集模块和图像处理模块位于壳体内；所述壳体上具有至少两路视频接口、两路通信接口以及无线通信模块，用来同时采集多通道视频、传输多个通信指令；所述图像采集模块用来采集各个通道接收到的视频信号并标记；所述图像处理模块对上述图像进行预处理，然后提取图像的轮廓并降噪，得到轮廓边缘特征图像，利用校正基准镜、被测光电成像系统的姿态传感模块测得的空间角度信息，对轮廓边缘特征图像进行旋转，根据两个视场角大小进行缩放；通过所述显示屏选择校正基准镜中特征明显的目标，所述图像处理模块以校正基准镜中选定的目标为模板，根据轮廓的边缘特征，在被测光电成像系统的图像中进行搜索，确定相似度最高的轮廓即为校正基准镜中选定的目标，最后输出被测光电成像系统与校正基准镜的偏差。

7.根据权利要求3或4或5所述的光电成像系统光轴偏差快速检测装置，其特征在于，所述适配器与校正基准镜通过可拆卸方式连接；所述校正基准镜与适配器之间通过凸台定位或定位锥面进行连接，所述连接轴的外表面上设置橡胶圈和弹片。

8.根据权利要求3或4或5所述的光电成像系统光轴偏差快速检测装置，其特征在于，所述适配器包括若干个直径规格不同的系列化单元体。