CN105136292A - 一种基于aotf多光谱成像系统的色差补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于AOTF多光谱成像系统成像特点的新型图像质量评价算法，属于AOTF多光谱成像系统技术领域；按照以下步骤进行：目标物体通过镜头进入AOTF分光，+1级衍射光经过后置成像镜头组成像在CCD焦平面上，硬件电路的FPGA对CCD探测器时序进行控制，并通过控制采集和存储的图像数据传到硬件电路的DSP，DSP经图像质量评价算法得到图像质量评价结果，并将此结果反馈到FPGA，FPGA根据结果控制步进电机带动镜头调焦环转动，实现不同波长下成像的焦距控制，使得AOTF多光谱成像系统每一波段都能够成像清晰；本发明主要应用在AOTF多光谱成像系统中。

Description

一种基于AOTF多光谱成像系统的色差补偿方法

技术领域

本发明涉及一种基于AOTF多光谱成像系统成像特点的新型图像质量评价算法，是一种根据此算法准确得到某一波长入射光经过AOTF衍射后的清晰图像，补偿系统色差的自动调焦系统，属于AOTF多光谱成像系统技术领域。

背景技术

多光谱成像技术及系统在航空航天、科学研究、环境监测、军事以及化学分析等方面有着广泛的应用和迫切的需求。AOTF作为一种新型的分光器件，由于孔径大、衍射效率高、采用电控扫描，波长切换快、无机械运动部件、体积小，重量轻，易于系统小型化等优点，使得AOTF在多光谱成像领域有着不可比拟的优势。

在AOTF多光谱成像系统中，复色光通过对AOTF施加不同的射频驱动频率实现波长选择。如图2所示，当对AOTF施加一个固定频率后，由于AOTF衍射存在一定的半峰宽以及旁瓣，实质依然相当于复色光，只是不同波长衍射效率有差异。中心波长衍射效率最高，衍射半峰宽内其它波长依次降低，旁瓣最低。由于声光晶体TeO₂的折射率随波长改变，不同波长的光经AOTF双折射之后衍射偏转角（0级光与+1级光夹角）不同，因此在衍射方向上不同波长的光在CCD所成像元位置不同，形成横向光谱展宽，造成光谱分辨率下降，光谱分辨率又影响空间分辨率，使得所成图像横线清楚竖线模糊（其中横线方向为衍射方向）。最终使得固定焦距不同波长下成像清晰度有所差异，即每个波段图像聚焦清晰时的镜头焦距位置各不相同。文献[Analysisofthedeviationofthediffractedbeamscausedbyacousto-optictunablefilterinmultispectralimaging，CHINESEOPTICSLETTERS，2011，9(8)：081101]提出的晶体切割是在出射面加工适当的小角度光楔消色散，该方法减弱了+1级衍射光中心波长因色散引起的出射位置漂移，但对AOTF衍射光的成像质量并无贡献（这里主要指AOTF和成像光学系统色差所引起的成像质量下降）。因此，有必要对现有技术进行改进。

发明内容

针对现有AOTF多光谱成像系统由色散引起的不同波长成像清晰处对应镜头焦距有所差异，提出一种以新型图像清晰度评价算法为核心的自动调焦系统对成像系统进行色差补偿。该方案以AOTF衍射光所成图像中相邻行对比度为测量目标，只需计算图像所需范围内每一行的亮度均值、标准差，计算量小，而且单峰性、无偏性好。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于AOTF多光谱成像系统的色差补偿方法，按照以下步骤进行：目标物体通过镜头进入AOTF分光，+1级衍射光经过后置成像镜头组成像在CCD焦平面上，硬件电路的FPGA对CCD探测器时序进行控制，并通过控制采集和存储的图像数据传到硬件电路的DSP，DSP经图像质量评价算法得到图像质量评价结果，并将此结果反馈到FPGA，FPGA根据结果控制步进电机带动镜头调焦环转动，实现不同波长下成像的焦距控制，使得AOTF多光谱成像系统每一波段都能够成像清晰。

所述质量评价算法按照以下步骤进行：

1）首先探测器得到一帧图像数据，选择目标物体所在区域的窗口；

2）根据下述公式求出所在窗口区域内图像各行的亮度均值和标准差；

，

式中，μ为亮度均值，σ为标准差，G(i)为图像窗口区域内某一行的亮度，N为窗口区域内这一行的像素个数；

3）将上述所得结果带入公式（2）计算相邻行的亮度相关度和对比度相关度；

4）将上述亮度相关度和对比相关度带入（1）式进行SSIM算法运算；

5）将上述所得结果带入公式（3），公式（3）中求和范围从所选窗口内第一行开始；

6）将上述最终的计算结果输出作为当前AOTF衍射图像清晰度评价结果；

7）重复上述1）至6）的步骤得到下一帧图像评价结果；

8）对两帧图像的评价结果作比较，假设当前帧的计算结果比前一帧大，代表当前帧比前一帧成像清晰；反之，代表当前帧图像质量较前一帧模糊；

9）重复上述1）至8）的步骤直到自动调焦系统结束工作；

上述所用公式为：

（1）

其中：，（2）

式中：、分别对应参考目标与待测目标间的亮度和对比度；、为对应目标亮度均值；、为标准差；、取很小的正常数，防止分母为零或接近于零而出现不稳定现象；、均为正数，用来调整亮度和对比度；

（3）

式中，x代表AOTF多光谱成像系统所成图像中有用区域的某一行。

所述FPGA根据结果控制步进电机带动镜头调焦环转动具体为：若当前帧的计算结果比前一帧大，代表当前帧比前一帧清晰，则FPGA控制镜头调焦环按当前方向转动，若当前帧的计算结果比前一帧小，代表当前帧比前一帧模糊，则FPGA控制镜头调焦环按与当前转动方向相反的方向转动。

与现有技术相比本发明所具有的有益效果为：

该方法是对光学系统消色散的有益补充，AOTF多光谱成像系统单纯通过光学方法消色散引起的色差需要多组镜组组合使用，使得体积变大；对镜头的要求比较高，尤其在宽光谱范围内很难实现，而且光学组件成本较高，该方法使得系统简化，成本降低。

该算法无需完全计算整幅图像的均值、标准差、协方差等参数，也无需对整幅图像的中心点邻域内各点像素做亮度差，只需将所需窗口范围内的各行的亮度均值和标准差求出代入公式即可，减小了计算量，而且是根据AOTF衍射光成像特点提出的，符合系统实际需要。

总之，该方法对AOTF多光谱成像系统因色散引起的色差进行必要的补偿，算法简单易实现，符合实际需要，而且可使系统简化，降低成本。

附图说明

下面通过附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为本发明的系统框图；

图2为AOTF固定射频驱动频率下衍射效率曲线；

图3为本发明中图像清晰度评价算法对不同焦距下AOTF成像系统成像结果评价曲线图；

图4为AOTF多光谱成像系统未经本发明方法对色差补偿和经过本发明方法色差补偿后的成像结果对比图；

图4中：a代表600nm成像清晰时焦距所在位置，500nm和450nm波长成像质量；b代表500nm成像清晰时焦距所在位置，600nm和450nm波长成像质量；c代表450nm成像清晰时焦距所在位置，500nm和600nm波长成像质量；d代表经过本发明提出的色差补偿方法自动调焦之后，450nm，500nm和600nm波长成像质量。

具体实施方式

下面实施例结合附图对本发明作进一步详细的描述。

本发明所用自动调焦系统通过新型图像清晰度评价算法和焦距搜索算法控制步进电机带动镜头调焦环转动实现。

图像质量评价通常用SSIM参数表征，SSIM参数是通过衡量待测图像与参考图像的相似度，并可以调整不同因素的比重以实现对待测图像较参考图像的质量评价。具体定义为：

（1）

其中：，，（2）

式中：、、分别对应参考目标与待测目标间的亮度、对比度和结构相关函数；、为对应目标亮度均值；、为标准差；为协方差；、、取很小的正常数，防止分母为零或接近于零而出现不稳定现象；、、均为正数，用来调整亮度、对比度、结构相关度的权重。

基于AOTF成像测试中横线清楚、竖线模糊的特点，将SSIM评价方法中参考目标和待测目标设定为图像的相邻行的亮度值，而且图像清晰度主要与亮度和对比度有关，因此将结构相关函数权重设为0，即γ=0，不予考虑，也减少了运算量。对图像中有效区域的相邻行亮度做改进的SSIM算法运算，最后将所得结果求和作为评价函数结果，如式（3）所示：

（3）

式中，x代表AOTF多光谱成像系统所成图像中有用区域的某一行。

不同焦距下对一帧图像做此算法计算成像质量的评价结果，假设当前帧的评价函数计算结果比前一帧大，代表当前帧比前一帧成像清晰；反之则代表当前帧较前一帧图像模糊。

自动调焦硬件部分主要通过搜索算法控制步进电机实现，电机搜索算法用效果好而且简单易实现的爬山搜索算法。根据图像清晰度评价函数的计算结果为依据，假设当前帧的计算结果比前一帧大，代表当前帧比前一帧成像清晰，则镜头调焦环按当前方向转动；反之，代表当前帧图像质量较前一帧模糊，镜头调焦环按与当前转动方向相反的方向转动，反复多次，即可确定当前焦距位置即为固定波长下图像在镜头焦距范围内最清晰位置所在处。

下面通过具体实施例对本发明作进一步的描述。

一种基于AOTF多光谱成像系统的色差补偿装置，所用AOTF采用美国BRIMROSE公司可见光VA210-0.4-0.9-L型号，相机用PCOEdgeSCMOS，镜头用1.5-6.5度腾龙(TAMRON)f70-300mm变焦镜头和5.7-13度腾龙f28-80mm变焦镜头；目标图像用横竖线交叉实验板。

如图1所示，目标物体通过镜头进入AOTF分光，+1级衍射光经过后置成像透镜组成像在CCD焦平面上，硬件电路用于提供CCD时序以及自动聚焦算法实现和步进电机对调焦环的控制。

硬件电路中包括DSP和FPGA，DSP用于实现本发明中根据AOTF多光谱成像系统成像特点而提出的新型的图像清晰度评价算法，FPGA用于实现对CCD探测器时序的控制、图像数据的采集和存储、步进电机步进的速度和方向的控制，并最终通过上位机显示图像结果。

图像清晰度评价算法SSIM步骤如下：

1）首先探测器得到一帧图像数据，选择目标物体所在区域的窗口；

2）根据下述公式求出所在窗口区域内图像各行的亮度均值和标准差；

，

式中，μ为亮度均值，σ为标准差，G(i)为图像窗口区域内某一行的亮度，N为窗口区域内这一行的像素个数；

3)将上述所得结果带入公式（2）计算相邻行的亮度相关度和对比度相关度；

4)将上述亮度相关度和对比相关度带入（1）式进行SSIM算法运算；

5）将上述所得结果带入公式（3），公式（3）中求和范围从所选窗口内第一行开始；

6）将上述最终的计算结果输出作为当前AOTF衍射图像清晰度评价结果；

7）重复上述1）至6）的步骤得到下一帧图像评价结果；

8）对两帧图像的评价结果作比较，假设当前帧的计算结果比前一帧大，代表当前帧比前一帧成像清晰；反之，代表当前帧图像质量较前一帧模糊；

9）重复上述1）至8）的步骤直到自动调焦系统结束工作；

图像数据通过FPGA控制采集和存储后传到DSP，经过图像清晰度评价算法得到图像质量评价结果，DSP将此结果反馈到FPGA，根据图像清晰度评价函数的计算结果为依据，假设当前帧的计算结果比前一帧大，代表当前帧比前一帧成像清晰，则FPGA控制镜头调焦环按当前方向转动；反之，代表当前帧图像质量较前一帧模糊，镜头调焦环按与当前转动方向相反的方向转动。FPGA根据此结果控制步进电机带动镜头调焦环转动实现不同波长下（现用450nm，500nm，600nm为例）成像的焦距控制，最终使得AOTF多光谱成像系统每一波段都能够成像清晰。

如图3所示，图3为基于行对比的SSIM清晰度评价算法评价效果曲线，从图中可以看出，该评价函数单峰性、无偏性好，符合图像清晰度评价函数的要求。

如图4所示，图4为实验板在不同波长下所成图像，从图中可以看出，经过本方案提出的自动聚焦系统调焦之后，可以达到各个波长下成像清晰，对AOTF多光谱成像系统色差实现补偿。

Claims (3)

1.一种基于AOTF多光谱成像系统的色差补偿方法，其特征在于，按照以下步骤进行：目标物体通过镜头进入AOTF分光，+1级衍射光经过后置成像镜头组成像在CCD焦平面上，硬件电路的FPGA对CCD探测器时序进行控制，并通过控制采集和存储的图像数据传到硬件电路的DSP，DSP经图像质量评价算法得到图像质量评价结果，并将此结果反馈到FPGA，FPGA根据结果控制步进电机带动镜头调焦环转动，实现不同波长下成像的焦距控制，使得AOTF多光谱成像系统每一波段都能够成像清晰。

2.根据权利要求1所述的一种基于AOTF多光谱成像系统的色差补偿方法，其特征在于，所述质量评价算法按照以下步骤进行：

1）首先探测器得到一帧图像数据，选择目标物体所在区域的窗口；

2）根据下述公式求出所在窗口区域内图像各行的亮度均值和标准差；

，

式中，μ为亮度均值，σ为标准差，G(i)为图像窗口区域内某一行的亮度，N为窗口区域内这一行的像素个数；

3）将上述所得结果带入公式（2）计算相邻行的亮度相关度和对比度相关度；

4）将上述亮度相关度和对比相关度带入（1）式进行SSIM算法运算；

5）将上述所得结果带入公式（3），公式（3）中求和范围从所选窗口内第一行开始；

6）将上述最终的计算结果输出作为当前AOTF衍射图像清晰度评价结果；

7）重复上述1）至6）的步骤得到下一帧图像评价结果；

8）对两帧图像的评价结果作比较，假设当前帧的计算结果比前一帧大，代表当前帧比前一帧成像清晰；反之，代表当前帧图像质量较前一帧模糊；

9）重复上述1）至8）的步骤直到自动调焦系统结束工作；

上述所用公式为：

（1）

其中：，（2）

式中：、分别对应参考目标与待测目标间的亮度和对比度；、为对应目标亮度均值；、为标准差；、取很小的正常数，防止分母为零或接近于零而出现不稳定现象；、均为正数，用来调整亮度和对比度；

（3）

式中，x代表AOTF多光谱成像系统所成图像中有用区域的某一行。

3.根据权利要求1所述的一种基于AOTF多光谱成像系统的色差补偿方法，其特征在于，所述FPGA根据结果控制步进电机带动镜头调焦环转动具体为：若当前帧的计算结果比前一帧大，代表当前帧比前一帧清晰，则FPGA控制镜头调焦环按当前方向转动，若当前帧的计算结果比前一帧小，代表当前帧比前一帧模糊，则FPGA控制镜头调焦环按与当前转动方向相反的方向转动。