CN105590302B - 一种用于图像传感器标定的干涉条纹畸变矫正方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于图像传感器标定的干涉条纹畸变矫正方法，包括：利用阵列探测器采集多帧静态干涉条纹图像、动态干涉条纹图像、平场图像以及相同条件下对应的暗场图像；对静态干涉条纹图像进行预处理；利用预处理之后的干涉条纹图像计算空间频率；利用的空间频率以及干涉激光的频率差计算条纹运动速度；利用条纹运动速度以及阵列探测器相关的指标参数获得仿射变换矩阵；利用仿射变换矩阵对带有畸变的动态干涉条纹图像进行仿射变换，得到畸变矫正后的图像。

Description

一种用于图像传感器标定的干涉条纹畸变矫正方法

技术领域

本发明涉及天文学和空间技术领域，特别涉及一种用于图像传感器标定的干涉条纹畸变矫正方法。

背景技术

近年来，CMOS APS(有源像元，Active Pixel Sensor)图像传感器以其体积小、功耗低、质量轻、空间辐射、热环境适应能力更强、制作周期短、造价低等优势，成为CCD的有力竞争对手，因此作为空间应用的固体成像器件。CMOS APS图像传感器的这些性能降低了载荷对平台的要求，能够满足微型化发展趋势的要求，在空间应用中越来越广泛。CMOS APS和CCD一个非常重要的区别在于信号的读出机制不同。CCD所有的感光像元在同一时刻曝光从而获得整幅图像，这种曝光方式称为全局快门。对于CMOS来说，其每一行曝光开始时间不同，我们称这种曝光机制为电子卷帘快门(rolling shutter，RS)机制，图1为电子卷帘快门机制的示意图。只要拍摄目标和CMOS保持相对静止，在这一机制下，成像没有任何问题。但是，一旦拍摄目标和CMOS有相对运动，卷帘快门就会造成拍摄的图像发生畸变。这种畸变对测量结果会有系统误差，因此应用中需要进行校正。

通常大家都假设焦平面上的每个像素的位置按照规则的网格状分布。但对于质心定位精度要求非常高的应用来说，上面的假设不再成立：像素并不按规则网格分布，而是有一定的位置偏差。事实上，在阵列探测器生产过程中，需要经历一系列的工艺过程。特别是在光刻工艺中，在从掩模图形到光刻胶图形的转移过程中，诸如基片的表面预处理、甩胶、前烘、曝光、显影、后烘等工艺因素都不可避免地产生形状和位置误差。在天文学和空间技术领域中，高精度的位置测量需要对阵列探测器的几何不均匀性进行标定。如图2所示，标定的方法是利用外差式激光干涉产生的动态干涉条纹对探测器的像素特性进行反演。固定在焦平面前方的一对单模光纤同时产生有固定频差的两束激光，这样在焦平面上就会形成动态干涉条纹。通过动态干涉条纹可以对像素特性进行标定。如果利用CMOS采集动态条纹数据，那么由于卷帘快门的效应会导致条纹发生畸变。因此实际应用过程中需要对发生畸变的条纹进行矫正。

发明内容

本发明的目的在于克服现有的标定方法没有对发生畸变的动态干涉条纹进行矫正的缺陷，从而提供一种干涉条纹畸变矫正方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种用于图像传感器标定的干涉条纹畸变矫正方法，包括：

步骤1)、利用阵列探测器采集多帧静态干涉条纹图像、动态干涉条纹图像、平场图像以及相同条件下对应的暗场图像；

步骤2)、对步骤1)获得的静态干涉条纹图像进行预处理，所述预处理包括：根据所述暗场图像扣除暗噪声、本底噪声，并根据所述平场图像进行平场修正，获得预处理之后的干涉条纹图像；

步骤3)、利用步骤2)所得到的预处理之后的干涉条纹图像计算空间频率；

步骤4)、利用步骤3)所得到的空间频率以及干涉激光的频率差计算条纹运动速度；

步骤5)、利用步骤4)得到的条纹运动速度以及阵列探测器相关的指标参数获得仿射变换矩阵；其中，所述阵列探测器相关的指标参数至少包括：探测器阵列N×N中的行列数N，每一行的读出时间t0，产生动态干涉条纹的激光的频率差f0；

步骤6)、利用步骤5)得到的仿射变换矩阵对带有畸变的动态干涉条纹图像进行仿射变换，得到畸变矫正后的图像。

上述技术方案中，所述步骤3)进一步包括：

根据预处理之后的干涉条纹图像，利用如下公式对空间频率进行拟合：

I＝a+b*sin(k_x*x+k_y*y+phi)；

其中，I为每个像素的灰度值，a为直流分量，b为对比度，x、y为二维笛卡尔坐标，k_x为x方向的空间频率，k_y为y方向的空间频率，phi为初始相位。

上述技术方案中，在步骤4)中，利用所得到的空间频率以及干涉激光的频差通过如下公式计算条纹运动速度：

v_x＝f0*2π/k_x；

v_y＝f0*2π/k_y；

其中，v_x、v_y分别为x方向和y方向的条纹运动速度分量。

上述技术方案中，在步骤5)中，利用得到的条纹运动速度v_x、v_y以及阵列探测器相关的指标参数，获得仿射变换矩阵R：

其中，dx1，dy1分别为x方向和y方向的参考坐标；pi表示圆周率。

上述技术方案中，在步骤6)中，利用步骤5)得到的仿射变换矩阵对动态干涉条纹畸变进行仿射变换，得到畸变矫正后的图像，仿射变换如下：

其中，x0，y0分别为变换之后的坐标，x，y分别为变换之前的坐标。

本发明的优点在于：

本发明的方法具有计算简单、计算速度快且结果精度高的优点。

附图说明

图1是CMOS电子卷帘快门示意图；

图2是外差式激光干涉定标示意图；

图3是干涉条纹空间频率示意图；

图4是本发明的用于图像传感器标定的干涉条纹畸变矫正方法的流程图。

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步的描述。

在利用外差式激光干涉产生的动态干涉条纹对探测器的像素特性进行反演过程中，两束激光有固定差频，从而形成动态干涉条纹，由于CMOS探测器的电子卷帘快门会造成条纹发生畸变。如果不对畸变进行校正，像素特性的测量精度会受到很大影响。

本发明充分考虑动态干涉条纹的运动特性，提出一种用于图像传感器标定的干涉条纹畸变矫正方法。

参考图4，本发明的方法具体包括以下步骤：

步骤1)、利用阵列探测器采集多帧静态干涉条纹图像、动态干涉条纹图像、平场图像以及相同条件下对应的暗场图像；

步骤2)、对步骤1)获得的静态干涉条纹图像进行预处理，所述预处理包括：根据暗场图像扣除暗噪声、本底噪声，并根据平场图像进行平场修正，获得预处理之后的干涉条纹图像；

步骤3)、利用步骤2)所得到的预处理之后的干涉条纹图像计算空间频率，图3为干涉条纹空间频率的示意图；

步骤4)、利用步骤3)所得到的空间频率以及干涉激光的频率差计算条纹运动速度；

步骤5)、利用步骤4)得到的条纹运动速度以及阵列探测器相关的指标参数获得仿射变换矩阵；

步骤6)、利用步骤5)得到的仿射变换矩阵对带有畸变的动态干涉条纹图像进行仿射变换，得到畸变矫正后的图像。

下面对本发明方法中的各个步骤做进一步的说明。

在步骤1)中，设探测器阵列为N×N，每一行的读出时间为t0，动态干涉条纹激光的频率差为f0。

在步骤3)中，针对预处理之后的干涉条纹，利用如下公式对空间频率进行拟合：

I＝a+b*sin(k_x*x+k_y*y+phi) (1)

其中，I为每个像素的灰度值，a为直流分量，b为对比度，x、y为二维笛卡尔坐标，k_x为x方向的空间频率，k_y为y方向的空间频率，phi为初始相位。

在本步骤中，由经过预处理的干涉条纹图像可得到已知量I，进而根据上述式(1)拟合得到空间频率k_x、k_y。

在步骤4)中，利用所得到的空间频率以及干涉激光的频差利用如下公式计算条纹运动速度：

v_x＝f0*2π/k_x (2)

v_y＝f0*2π/k_y (3)

其中，v_x、v_y分别为x方向和y方向的条纹运动速度分量。

在步骤5)中，利用得到的条纹运动速度v_x、v_y以及阵列探测器相关的指标参数(包括探测器阵列N×N中的行列数N，每一行的读出时间t0，动态干涉条纹激光的频率差f0)，获得仿射变换矩阵：

其中，dx1，dy1分别为x方向和y方向的参考坐标；pi表示圆周率。

步骤6)、利用步骤5)得到的仿射变换矩阵对动态干涉条纹畸变进行仿射变换，得到畸变矫正后的图像，仿射变换如下：

其中，x0，y0分别为变换之后的坐标，x，y分别为变换之前的坐标。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种用于图像传感器标定的干涉条纹畸变矫正方法，包括：

步骤1)、利用阵列探测器采集多帧静态干涉条纹图像、动态干涉条纹图像、平场图像以及相同条件下对应的暗场图像；

步骤2)、对步骤1)获得的静态干涉条纹图像进行预处理，所述预处理包括：根据所述暗场图像扣除暗噪声、本底噪声，并根据所述平场图像进行平场修正，获得预处理之后的静态干涉条纹图像；

步骤3)、利用步骤2)所得到的预处理之后的静态干涉条纹图像计算空间频率；

步骤4)、利用步骤3)所得到的空间频率以及干涉激光的频率差计算动态干涉条纹图像的条纹运动速度；

步骤5)、利用步骤4)得到的动态干涉条纹图像的条纹运动速度以及阵列探测器相关的指标参数获得仿射变换矩阵；其中，所述阵列探测器相关的指标参数至少包括：探测器阵列N×N中的行列数N，每一行的读出时间t0，产生动态干涉条纹的激光的频率差f0；

步骤6)、利用步骤5)得到的仿射变换矩阵对带有畸变的动态干涉条纹图像进行仿射变换，得到畸变矫正后的动态干涉条纹图像；

所述步骤3)进一步包括：

根据预处理之后的静态干涉条纹图像，利用如下公式对空间频率进行拟合：

I＝a+b*sin(k_x*x+k_y*y+phi)；

其中，I为每个像素的灰度值，a为直流分量，b为对比度，x、y为二维笛卡尔坐标，k_x为x方向的空间频率，k_y为y方向的空间频率，phi为初始相位；

在步骤4)中，利用所得到的空间频率以及干涉激光的频差通过如下公式计算条纹运动速度：

v_x＝f0*2π/k_x；

v_y＝f0*2π/k_y；

其中，v_x、v_y分别为x方向和y方向的条纹运动速度分量；

在步骤5)中，利用得到的条纹运动速度v_x、v_y以及阵列探测器相关的指标参数，获得仿射变换矩阵R：

其中，dx1，dy1分别为x方向和y方向的参考坐标；pi表示圆周率。

2.根据权利要求1所述的用于图像传感器标定的干涉条纹畸变矫正方法，其特征在于，在步骤6)中，利用步骤5)得到的仿射变换矩阵对动态干涉条纹畸变进行仿射变换，得到畸变矫正后的图像，仿射变换如下：

其中，x0，y0分别为变换之后的坐标，x，y分别为变换之前的坐标。