CN107421722A

CN107421722A - 基于ccd相机像增强器调制传递函数测试方法及系统

Info

Publication number: CN107421722A
Application number: CN201710528812.7A
Authority: CN
Inventors: 钱芸生; 黄贤斌
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2017-07-01
Filing date: 2017-07-01
Publication date: 2017-12-01

Abstract

本发明提供了一种基于CCD相机像增强器调制传递函数测试系统。该测试系统由硬件模块和软件模块两个模块构成，其中硬件模块包括靶标光源系统、图像采集系统、CCD移位系统以及工控机等子系统；软件模块包括图像采集模块、电机控制模块、MTF计算模块、文件管理模块等子模块。所采集的图像信息进行清晰度判断，若图像模糊，则通过CCD移位系统控制CCD相机前后移动实现调焦，使得采集的图像达到最清晰，此时工控机对清晰的图像信息进行处理，由MTF计算模块实现调制传递函数的计算，并通过文件管理模块，将计算得到的调制传递函数值进行保存。本发明系统控制过程简单且稳定性好，能对图像进行自动调焦，且能用于其他光电系统调制传递函数的检测。

Description

基于CCD相机像增强器调制传递函数测试方法及系统

技术领域

本发明涉及一种调制传递函数测试技术，特别是一种一种基于CCD相机像增强器调制传递函数测试方法及系统。

背景技术

光电系统的成像质量直接影响到人眼所能观察到图像的清晰程度，所以具体衡量一个光电系统的成像质量显得尤为重要。评价光电系统成像质量的指标有很多，主要有鉴别率法、星点检验以及调制传递函数(MTF)等等。由于调制传递函数以函数的形式定量地表示星点所提供的大量像质信息，同时也包含了鉴别率所表示的像质信息，并且调制传递函数可以精确、客观地直接测量，所以调制传递函数被公认为是客观、全面、准确评价光学成像系统的成像质量的指标，己经成为各国在军事、民用领域的研究重点。由于微光夜视仪能将人眼不可感知的微弱可见光照射下的目标图像，转变为人眼可感知的可见光图像，延伸人眼所能观看的范围，而作为其核心部件的像增强器其成像质量显得尤为重要。目前光学传递函数测量技术在实践和理论上都日趋完善，并且各国也出现了许多以光学传递函数作为测量方法的测量仪。目前美国和德国在该领域的研究处于领先地位，国内也有不少研究机构与高校从事这一领域的研究与探索，但是由于起步较晚，在系统实时性、精度等方面还落后于国外公司。

在我国目前很多光学仪器厂测量光电系统的仪器是基于刀口、狭缝等机械来检测的，探测器件采用光电二极管等分立成像器件。这样测量的误差来源比较多，得到精度较高的测量结果使得测量装置繁杂笨重。目前国内也出现了一些进口MTF测试仪，这些测试仪器精度高、测量速度快，但是造价昂贵。但随着CCD相机的出现，其本身具有体积小、使用方便、功耗低、线性好等特点，因此以此作为探测器的测试系统具有实时采集数据、采样速度快、系统结构简单等优点，不会在检测过程中带来其他系统误差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于CCD相机像增强器调制传递函数测试方法及系统，将CCD相机作为探测器采集图像，采用CCD移位系统控制CCD相机的前后移动，实现计算机自动调焦。

实现本发明目的的技术方案为：

一种基于CCD相机像增强器调制传递函数测试方法，包括以下步骤：

利用光源靶标系统形成小孔像，由光学系统投影在像增强器阴极面，经像增强器成像、显微物镜放大后，由图像采集系统的高分辨率CCD相机采集像增强器荧光屏图像；对采集的像增强器荧光屏图像的清晰度进行判断，若图像不清晰，通过对调制传递函数的计算获得调焦函数值，根据调焦函数值控制CCD相机前后移动实现调焦。

采用上述方法，对调制传递函数的计算获得调焦函数值包括以下步骤：对CCD相机每次移动后采集的像增强器荧光屏图像计算获得调焦函数值；若CCD相机移动次数小于预先设定的数值，则比较当前调焦函数值与所保存的最大调焦函数值的大小；若当前调焦函数值大于最大调焦函数值，则当前调焦函数值替代原最大调焦函数值；若当前调焦函数值不大于最大调焦函数值，则放弃当前调焦函数值；若CCD相机移动次数等于预先设定的数值，保留当前最大调焦函数值。

采用上述方法，所述CCD相机按照每次采集图像获得的最大调焦函数值移动预先设置的单步步长的距离实现调焦。

一种基于CCD相机像增强器调制传递函数测试系统，包括图像采集模块、MTF计算模块、电机控制模块、文件管理模块；图像采集模块包括光源靶标系统、像增强器、图像采集系统、图像保存系统；电机控制模块包括CCD移位系统；文件管理模块包括MTF值保存模块、MTF值提取模块；其中光源靶标系统形成小孔像，像增强器将小孔像呈现于该像增强器的阴极面，图像采集系统中的CCD相机采集像增强器荧光屏的图像，图像保存系统对CCD相机采集的图像进行保存；MTF计算模块根据CCD相机采集图像计算调焦函数值；CCD移位系统根据调焦函数值对CCD相机进行移动；MTF值保存模块保存每次计算获得的调焦函数值，MTF值提取模块用于提取所保存的调焦函数值。

采用上述系统，MTF计算模块包括调焦函数值计算单元、比较单元、阈值单元；调焦函数值计算单元根据CCD相机采集的没幅图像计算调焦函数值，比较单元比较当前条件函数值与之前最大调焦函数值间的大小，阈值单元设置调焦函数值计算的最大次数。

采用上述系统，CCD移位系统中设置单步步长距离。

本发明是一种基于CCD相机像增强器调制传递函数测试系统。该测试系统由各个子模块构成，可移植性强，也能用于其他光电系统的测量，控制过程简单，稳定性强，采用计算机自动调焦，避免人工调焦所带来的测量误差。同时采用VC++与MATLAB语言混合编程，利用VC++面向对象的程序设计方法，结合MATLAB强大的数据处理能力，对图像数据进行分析处理，简化代码，提高了测试速度与测试精度，使硬件模块和软件有机结合在一起，协调完成整个测试工作。

下面结合说明书附图对本发明作进一步描述。

附图说明

图1是本发明基于CCD相机像增强器调制传递函数测试系统整体结构示意框图。

图2是本发明基于CCD相机像增强器调制传递函数测试系统软件计算模块系统框图。

图3是本发明基于CCD相机像增强器调制传递函数测试系统实现方法工作流程图。

图4(a)是本发明基于CCD相机像增强器调制传递函数测试系统CCD相机采集的不满足测试要求的图像。图4(b)为满足要求的图像。

图5是本发明基于CCD相机像增强器调制传递函数测试系统CCD移位系统工作流程图。

图6是本发明基于CCD相机像增强器调制传递函数测试系统调制传递函数计算流程图。

图7是本发明基于CCD相机像增强器调制传递函数测试系统计算得到MTF曲线图。

具体实施方式

结合图1、图2，一种基于CCD相机像增强器调制传递函数测试系统。该测试系统包括硬件和软件部分。

结合图1，其中硬件模块包括靶标光源系统、图像采集系统、CCD移位系统以及工控机等各个子系统构成；其中靶标光源系统由光源、积分球、小孔、投影物镜组成；图像采集系统主要由显微物镜、高分辨率相CCD机组成；CCD移位系统主要由驱动控制器、电机驱动器、三维电动平移台组成。光源通过积分球、小孔、投影物镜后在想增强器的荧光屏上成像，CCD相机通过显微物镜采集像增强器荧光屏上的图像并传送给工控机，工控机进行计算获得调焦函数值，CCD位移系统中的驱动控制器根据调焦函数值发送驱动信号给电机驱动器，电机驱动器驱动三维移动平台带动设置于三维移动平台上的CCD相机移动，实现自动调焦。

结合图2，测试系统的软件模块包括图像采集模块、电机控制模块、MTF计算模块、文件管理模块等各个子模块构成。图像采集模块主要控制CCD相机采集经过像增强荧光屏的像。电机控制模块的功能是控制CCD相机的位置移动，从而使得CCD相机采集到的图像变得清晰。MTF计算模块是根据CCD相机采集到的图像数据计算得出像增强器的调制传递函数。文件管理模块的功能是保存CCD采集的图像信息以及通过MTF计算模块得到实际调制传递函数的值，以便以后的查阅。

图像采集模块包括初始化相机子模块、图像采集子模块、图像保存子模块，初始化相机子模块用于初始化相机的参数，图像采集子模块用于采集增强器荧光屏的图像，图像保存子模块用于保存图像。MTF计算子模块包括图像预处理模块、降噪模块、频谱标定模块、MTF值计算模块，MTF值计算模块中包括调焦函数值计算模块、比较模块、阈值模块，调焦函数值计算模块根据CCD相机采集的没幅图像计算调焦函数值，比较模块比较当前条件函数值与之前最大调焦函数值间的大小，阈值模块设置调焦函数值计算的最大次数，降噪模块对调焦后CCD相机采集的图像进行降噪处理；预处理模块对降噪后的图像提取线扩展函数数据并对提取的线扩展函数数据进行累积平均得到一条较均匀的线扩展函数曲线，对线扩展函数曲线进行线性拟合，对拟合后的曲线进行傅里叶变换得到调制传递函数；频谱标定模块对调制传递函数曲线进行标定频率。电机控制模块包括参数设置模块和自动聚焦模块，参数设置模块设置包括移动单步步长在内的参数，自动聚焦模块产生信号给CCD移位系统。文件管理模块包括MTF值保存模块、LSF值保存模块、MTE值提取模块、LSF值提取模块，MTF值保存模块保存每次计算获得的调焦函数值，MTF值提取模块用于提取所保存的调焦函数值，LSF值保存模块保存线扩展函数数据，LSF值提取模块提取保存的线扩展函数数据。

结合图3，一种基于CCD相机像增强器调制传递函数测试方法，包括以下步骤：

步骤S101，在采集图像之前应设置系统参数，例如小孔大小，显微物镜的放大倍数，电机的移动步长等参数；

步骤S102，利用光源靶标系统形成小孔像，由光学系统投影在像增强器阴极面，经像增强器成像、显微物镜放大后，由图像采集系统的高分辨率CCD相机采集像增强器荧光屏图像，传入工控机；

步骤S103，工控机对所采集的图像信息进行清晰度的判断，若图像不满足要求如图4(a)，则通过CCD移位系统控制CCD相机前后移动实现调焦，使得采集到图像满足要求如图4(b)；

步骤S104，将图4(b)的图像信息传入工控机处理，由MTF计算模块实现调制传递函数的计算；

步骤S105，计算结果通过文件管理模块，将计算得到的MTF值进行保存。

由于测试系统需要对CCD采集后的图像进行清晰度的判断，这主要取决于调焦函数值的大小，函数值越大，图像越清晰。调焦函数值由调制传递函数计算得到。结合图5，基于CCD相机像增强器调制传递函数测试系统的CCD移位系统工作流包括以下步骤：

步骤S201，设置好电机每次移动的步长后；

步骤S202，CCD开始采集图像；

步骤S203，CCD将采集的图像传入工控机后，根据采集的图像数据计算调焦函数值；

步骤S204，判断电机是否移动十次；若移动次数不足时，比较当前调焦函数的值与调焦函数最大值的大小，若小于最大值，则对电机发出指令，使电机移动单步距离，改变当前CCD相机的位置，重新采集图像；若此时调焦函数的值大于最大值，则将此时的调焦函数值更新为最大值并记录此时电机的位置，同样对电机发出指令，使电机移动单步距离，改变CCD相机位置，重新采集图像，这个过程直到电机移动的次数满足要求，此时将CCD移动到调焦函数最大值处，认为此时的图像已经为最清晰，已经完成调焦过程，则进入MTF计算模块。

结合图6，对于调焦后CCD相机采集像增强器荧光屏图像进行如下处理：

步骤S301，得到的聚焦图像由于仍包含着噪声，需对图像进行降噪处理，

步骤S302，当去除背景噪声之后，选取合适范围(255*255)的图像数据从中提取线扩展函数数据(LSF)；

步骤S303，累积平均之后得到一条较均匀的线扩展函数曲线，并对该曲线进行线性拟合，进一步降低噪声；

步骤S304，对线扩展函数进行傅里叶变换，可得到调制传递函数；

步骤S305，将频谱进行标定之后，并将调制传递函数曲线供人直观的观看如图7，并对调制传递函数值进行保存供后续研究。

Claims

1.一种基于CCD相机像增强器调制传递函数测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

利用光源靶标系统形成小孔像，由光学系统投影在像增强器阴极面，经像增强器成像、显微物镜放大后，由图像采集系统的高分辨率CCD相机采集像增强器荧光屏图像；

对采集的像增强器荧光屏图像的清晰度进行判断，若图像不清晰，通过对调制传递函数的计算获得调焦函数值，根据调焦函数值控制CCD相机前后移动实现调焦。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对调制传递函数的计算获得调焦函数值包括以下步骤：

对CCD相机每次移动后采集的像增强器荧光屏图像计算获得调焦函数值；

若CCD相机移动次数小于预先设定的数值，则比较当前调焦函数值与所保存的最大调焦函数值的大小；若当前调焦函数值大于最大调焦函数值，则当前调焦函数值替代原最大调焦函数值；若当前调焦函数值不大于最大调焦函数值，则放弃当前调焦函数值；

若CCD相机移动次数等于预先设定的数值，保留当前最大调焦函数值。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述CCD相机按照每次采集图像获得的最大调焦函数值移动预先设置的单步步长的距离实现调焦。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对于调焦后CCD相机采集像增强器荧光屏图像进行如下处理：

步骤1，对采集的图像进行降噪处理；

步骤2，选取一范围的图像数据从中提取线扩展函数数据，对提取的线扩展函数数据进行累积平均得到一条较均匀的线扩展函数曲线；

步骤3，对线扩展函数曲线进行线性拟合；

步骤4，对拟合后的曲线进行傅里叶变换得到调制传递函数曲线并进行标定。

5.一种实现权利要求1所述的方法的基于CCD相机像增强器调制传递函数测试系统，其特征在于，包括图像采集单元、MTF计算单元、电机控制单元、文件管理单元；图像采集单元包括光源靶标系统、像增强器、图像采集系统、图像保存系统；电机控制单元包括CCD移位系统；文件管理单元包括MTF值保存模块、MTF值提取模块；其中

光源靶标系统形成小孔像，

像增强器将小孔像呈现于该像增强器的阴极面，

图像采集系统中的CCD相机采集像增强器荧光屏的图像，

图像保存系统对CCD相机采集的图像进行保存；

MTF计算单元根据CCD相机采集图像计算调焦函数值；

CCD移位系统根据调焦函数值对CCD相机进行移动；

MTF值保存模块保存每次计算获得的调焦函数值，

MTF值提取模块用于提取所保存的调焦函数值。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，MTF计算单元包括调焦函数值计算模块、比较模块、阈值模块；

调焦函数值计算模块根据CCD相机采集的没幅图像计算调焦函数值，

比较模块比较当前条件函数值与之前最大调焦函数值间的大小，

阈值模块设置调焦函数值计算的最大次数。

7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，CCD移位系统中设置单步步长距离。

8.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，MTF计算单元还包括图像预处理模块、降噪模块、频谱标定模块；

降噪模块对调焦后CCD相机采集的图像进行降噪处理；

预处理模块对降噪后的图像提取线扩展函数数据并对提取的线扩展函数数据进行累积平均得到一条较均匀的线扩展函数曲线，对线扩展函数曲线进行线性拟合，对拟合后的曲线进行傅里叶变换得到调制传递函数；

频谱标定模块对调制传递函数曲线进行标定频率。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，文件管理单元还包括LSF值保存模块和LSF值提取模块；

所述LSF值保存模块保存线扩展函数数据，

所述LSF值提取模块提取保存的线扩展函数数据。