CN107274359A - 一种面阵用虚拟像元内插细分与信号平滑化的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种面阵用虚拟像元内插细分与信号平滑化的方法。对于每个二维像元或者相邻邻接的四个二维像元分别内插构建子像元并计算子像元的光电信号值，内插细分后子像元的光电信号面密度依据内插前的相近像元的平均面密度计算，实现了对光电信号的平滑化处理；对于单个二维像元，内插构建小正方形的中心子像元，小正方形的中心子像元是由单个二维像元的四条边的边长中点相依次连接构成；相邻邻接的四个二维像元内插构建小正方形的连接子像元，小正方形的连接子像元是由相邻四个二维像元形成的四条共同边的边长中点相依次连接构成。本发明能使减少虚拟像元间距，能使信号显著地平滑化，减小了各像元原来转换率误差，进而减小峰位标准差。

Description

一种面阵用虚拟像元内插细分与信号平滑化的方法
技术领域
本发明属于技术领域，具体涉及一种面阵用虚拟像元内插细分与信号平滑化的方法。
背景技术
由于制造技术限制及使用情况等原因，使面阵各个像元的几何尺寸相对于面阵像元平均尺寸产生具有一定随机性的定值误差，使各像元等效几何中心坐标相对于理想几何中心坐标产生具有一定随机性的定值误差，使各像元光电信号转换率相对于面阵信号转换率平均值也产生具有一定随机性的定值误差。
对于面阵采集的由干涉、衍射等机理形成的近似平行的直条纹或大曲率半径的同心圆环条纹，常常需要求出在条纹的准垂线方向某一线段上的光电信号分布规律，进而用回归或其它方法求出信号峰位坐标的细分后的值。对于近似平行的条纹或同心圆环条纹，在求垂直于条纹方向的光电信号峰值位置坐标(简称峰位)时，需利用这一方向上多个相邻像元的光电信号值，按光强分布规律用回归等方法求出条纹信号的峰位值及其标准差。
现有技术中由于像元间距和转换率误差等都受限于面阵生产工艺等因素的限制，到时求出条纹的信号的峰位不够准确，峰位标准差较大。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明目的在于提供一种面阵用虚拟像元内插细分与信号平滑化的方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
原面阵由像元间隔为w的像元阵列构成时，对于每个二维像元或者相邻邻接在一起的四个二维像元分别内插构建子像元并计算子像元的光电信号值，内插细分后的子像元重构面阵中，子像元的光电信号面密度依据面阵上内插前的相近像元的平均面密度按一定规律计算，实现了对光电信号的平滑化处理。
本发明的内插细分后计算面阵的平均面密度时相当于对光电信号做了平滑化处理，减小了原始面阵信号中有随机性的未定系统误差分量的影响。
对于单个二维像元，内插构建小正方形的中心子像元，小正方形的中心子像元是由单个二维像元的四条边的边长中点相依次连接构成。中心子像元的光电信号值Zmid为：
其中，ZO表示为单个二维像元的光电信号值，ZW表示与信号值为ZO的单个二维像元周围四边分别相邻的四个二维像元的光电信号的总和。
对于相邻邻接在一起的四个二维像元，内插构建小正方形的连接子像元，小正方形的连接子像元是由相邻四个二维像元形成的四条共同边的边长中点相依次连接构成。对于沿条纹方向，连接子像元的光电信号值Zadj为：
其中，ZW1表示相邻四个二维像元中位于沿条纹方向两侧的两个二维像元的光电信号的总和，ZW2表示相邻四个二维像元中沿条纹方向的两个二维像元的光电信号的总和。
本发明内插细分后的等效像元间隔变为组成的新面阵中列或行的像元数增加到原来的倍，同一尺寸面阵的二维虚拟像元总数增加1倍。
若要获得条纹上的光电信号分布规律，就要对条纹垂直方向某一直线上的一系列相邻的中心子像元和连接子像元为基本单位的光电信号值作统计分析，，就能获得条纹上的光电信号分布规律的特征值，例如用回归或其它方法能求出信号峰位坐标的细分后的值及其标准差。
本发明的有益效果：
本发明能使减少虚拟像元间距，能减少到原虚拟像元间距的
本发明的虚拟像元内插细分能使信号显著地平滑化，减小了像元间距，又减小了各像元原来的转换率误差的影响，进而就能减小峰位标准差，减弱了面阵生产工艺不完善的影响。实施例中采用本发明后使峰位标准差平均减小到原来的45％。
附图说明
图1是在像元B2中内插小正方形虚拟像元IJKL的示意图。
图2是以像元B2与C3的接点为中心内插小正方形虚拟像元JNOK的示意图
图3是相邻虚拟像元IJKL和JNOK的示意图。
图4是实施例中面阵获取的干涉产生的同心圆环图。
具体实施方式
以下通过具体实施例对本发明的技术做详细说明，但不局限于此。
本发明的实施例如下：
如图1和图2所示，用短划线表示边界线的二维像元A1～A3、B1～B3和C1～C3组成的3×3面阵，像元间隔为w，面阵中各二维虚拟像元的光电信号值分别为ZA1～ZA3、ZB1～ZB3和ZC1～ZC3。
如图1和图2所示，需要求取光电信号的条纹经过二维像元对角线方向，为图示的y”轴方向，相对于原直角坐标系y轴逆时针转过45度角。
(1)对于单个二维虚拟像元
如图1所示，对于原像元B2构建内接小正方形IJKL(图1中的粗实线表示)作为中心子像元，
小正方形IJKL的边长为一般在与线段FJKG平行的方向上光电信号变化缓慢，小正方形IJKL的光电信号面密度取长方形EFGH光电信号面密度的平均值，以适度减小各原始信号中的有随机性的误差分量的影响。
长方形EFGH边长分别为和面积为w2，则面积为0.5w2的小正方形IJKL的光电信号值取为：
其中，ZB2表示像元B2的光电信号值。
(2)对于相邻邻接在一起的四个二维虚拟像元
如图2所示，在像元C3与像元B2之间内插一个小正方形JNOK像元作为连接子像元(图2中的粗实线表示)。小正方形JNOK的边长为小正方形JNOK的光电信号面密度取长方形FMPG光电信号面密度的平均值，小正方形JNOK光电信号值为：
综合以上两个式子，在斜转45度的一条对角线(y”轴向)上就能产生一系列相邻的边长为的小正方形虚拟像元，如正方形IJKL与正方形JNOK相邻，如图3所示。统计分析条纹垂直方向某一直线上的一系列相邻的中心子像元和连接子像元为基本单位的光电信号值，就能获得条纹上的光电信号分布规律的特征值，例如用回归或其它方法能求出信号峰位坐标的细分后的值及其标准差。
类似地，当条纹方向与x”方向垂直时，在x”方向上也作同样的虚拟像元内插细分。
如小正方形虚拟像元IJKL全部在的像元B2之内，像元B2的几何尺寸相对于面阵像元平均尺寸具有一定随机性的定值误差，B2的等效几何中心坐标相对于理想几何中心坐标具有一定随机性的定值误差，B2的光电信号转换率相对于面阵信号转换率平均值也具有一定随机性的定值误差。因此按照本发明实施例实施后面阵中虚拟像元的等效像元间隔为组成的新构面阵的列或行的像元数增加到原来的约倍，同一尺寸面阵的虚拟像元总数增加约1倍。
将综合以上两个式子(1)和(2)的内插子像元计算面阵的平均面密度，实现了对光电信号的平滑化处理，减小了原始面阵信号中有随机性的未定系统误差分量的影响。对于式(1)的计算，其中以像元B2的信号为主同时考虑四个相邻像元的信号值影响这样使式(1)的结果不仅仅依据B2的信号，减小了B2信号中有一定随机性的未定系统误差的影响，起到了平滑化的效果。对于式(2)的计算，其中虚拟像元小正方形JNOK的信号值，平滑化的效果比较直观。
由于像元间距愈小则峰位标准差愈小，本发明用虚拟像元内插细分能使虚拟像元间距减少到原来像元间距的由于光电信号转换率误差愈小则峰位标准差愈小，但转换率误差受限于面阵生产工艺的限制，虚拟像元内插细分时能使信号显著地平滑化，减小了各像元原来转换率误差的影响，减弱了面阵生产工艺的限制。
本实施例用波长λ≈546.1nm的光透过间距d≈2.0mm的F-P标准具，在焦距f≈75mm的物镜焦平面上形一系列同心圆环，如图4所示。面阵成像器件采用了奥林巴斯EN-F型相机的面阵，尺寸为17.4×13mm2，面阵像元数为10368×7776，面阵的平均像元间距为w≈1.675μm。对从内向外计数的第10个圆环，相对直径D10/w≈4753.15。
对平行于x,y轴方向各取一条近似直径(具体方法是：对于x轴方向或者y轴方向，找出第i个圆环上沿所在轴方向坐标值最大与最小的光电信号极值点，两个光电信号极值点的坐标值取平均后再取整数值作为所在轴向的近似圆心坐标值；过近似圆心坐标定出的近似圆心点作平行于x,y轴方向的直线段作为近似直径，直线段与圆环相交)，在每条近似直径两侧约±35w的范围内取71条间隔为w相邻的平行线，两方向各71条平行线与圆环相交共形成284个小线段。对于284个线段的每个线段，采用申请日为申请号为201510217472.7的专利申请说明书或者PCT国际申请号为PCT/CN2016/078164的专利申请说明书中的对光强峰值坐标值的求取方法来求出每个线段上的峰位坐标。然后再根据所有线段的峰位坐标统计所有线段峰位坐标的标准差的平均值及方均根值计算结果为及
设将x,y轴逆时针旋转45度之后的新坐标轴为x",y"轴。对平行于x",y"轴方向，通过上文定出的近似圆心点各取一条近似直径。采用本发明方法，在每条近似直径两侧±35w的范围内取101条间隔为相邻的平行线，两方向各101条平行线与圆环相交共形成404个小线段。对于404个线段的每个线段，采用申请日为申请号为201510217472.7的专利申请说明书或者PCT国际申请号为PCT/CN2016/078164的专利申请说明书中的对光强峰值坐标值的求取方法来求出每个线段上的峰位坐标。然后再根据所有线段的峰位坐标统计所有线段峰位坐标的标准差的平均值及方均根值计算结果为及
由此可见，采用本发明的面阵像元细分与平滑化方法之后，上述峰位标准差大约减小到原来量值的45％。所对应距离约为0.097μm。

Claims (4)

1.一种面阵用虚拟像元内插细分与信号平滑化的方法，其特征在于：原面阵由像元间隔为w像元阵列构成时，对于每个二维像元或者相邻邻接在一起的四个二维像元分别内插构建子像元并计算子像元的光电信号值，内插细分后子像元的光电信号面密度依据内插前的相近原像元的光电信号平均面密度计算，实现了对光电信号的平滑化处理。
2.根据权利要求1所述的一种面阵用虚拟像元内插细分与信号平滑化的方法，其特征在于：对于单个二维像元，内插构建小正方形的中心子像元，小正方形的中心子像元是由单个二维像元的四条边的边长中点相依次连接构成，中心子像元的光电信号值Zmid为：
<mrow> <msub> <mi>Z</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mi>i</mi> <mi>d</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>3</mn> <mn>8</mn> </mfrac> <msub> <mi>Z</mi> <mi>O</mi> </msub> <mo>+</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mn>32</mn> </mfrac> <msub> <mi>Z</mi> <mi>W</mi> </msub> </mrow>
其中，ZO表示为单个二维像元的光电信号，ZW表示与信号值为ZO的单个二维像元周围四边相邻的四个二维像元的光电信号总和。
3.根据权利要求1所述的一种面阵用虚拟像元内插细分与信号平滑化的方法，其特征在于：对于相邻邻接在一起的四个二维像元，内插构建小正方形的连接子像元，小正方形的连接子像元是由相邻四个二维像元形成的四条共同边的边长中点相依次连接构成；对于沿条纹方向，连接子像元的光电信号值Zadj为：
<mrow> <msub> <mi>Z</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>d</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>3</mn> <mn>16</mn> </mfrac> <msub> <mi>Z</mi> <mrow> <mi>W</mi> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mn>16</mn> </mfrac> <msub> <mi>Z</mi> <mrow> <mi>W</mi> <mn>2</mn> </mrow> </msub> </mrow>
其中，ZW1表示相邻四个二维像元中位于沿条纹方向两侧的两个二维像元的光电信号总和，ZW2表示相邻四个二维像元中沿条纹方向的两个二维像元的光电信号总和。
4.根据权利要求1所述的一种面阵用虚拟像元内插细分与信号平滑化的方法，其特征在于：本发明内插细分后的像元间隔变为组成的新面阵中列或行的像元数增加到原来的倍，同一尺寸面阵的二维虚拟像元总数增加1倍。
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