CN109754413A - 一种菲索型动态干涉仪条纹图配准方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种菲索型动态干涉仪条纹图配准方法和一种基于十字丝的图像配准装置，利用不同相位的CCD相机通过高性能变焦镜头对同一十字丝刻划板进行成像，利用sobel算子对十字丝图像进行边缘提取，利用整体最小二乘法对十字丝进行直线拟合，计算直线交点及斜率，从而得到配准所需的平移量和旋转量，最后将配准公式应用于菲索型动态干涉仪的四幅条纹图配准中。本发明的方法可以将条纹图与位置配准在关联度上人为分开，避免将条纹与标志点混在一幅图像内，实现条纹图空间位置上的精确配准，为之后的移相算法和面型计算提供了精度保障。

Description

一种菲索型动态干涉仪条纹图配准方法

技术领域

本发明涉及光干涉领域，具体涉及菲索型动态干涉仪条纹图配准方法。

背景技术

在共光路斐索型动态干涉仪光机结构装调完毕后，由于在安装时不能保证空间相对位置绝对的精确，存在微量的旋转、上下平移、左右平移等影响；并且由于相机的摆放位置，还有可能出现采集到的条纹图存在镜像、倒像等情况；另外在成像过程中不同的CCD感光特性也有细微的差别；共光路动态干涉仪在进行面形重构时，相位信息需要从同步采集的四幅条纹图中获得，四幅条纹图中相同位置的像素点所对应的必须是光学面形上同一处细小区域反射光的干涉光强。目前存在的图像配准技术，是基于条纹图的图像配准，通过对条纹图的特征点进行提取，然后通过配准条纹图像来实现4幅条纹图的点点位置精确对应，此种方法的缺点是，由于采集到的条纹图像几乎没有相同的特征点，特征点提取精度不高导致图像的配准精度很低；还有在此方法上进行的改进，采用在条纹图中加入一个标志点来对4幅条纹进行配准，这种方法由于人为在条纹中加入标志点，更改条纹像素值，会影响面型计算结果，并且将条纹与标志点混在一起也加大了提取标志点的难度。

鉴于此，克服以上现有技术中的缺陷，提供一种新的菲索型动态干涉仪条纹图配准方法成为本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的上述缺陷，提供一种菲索型动态干涉仪条纹图配准方法和一种基于十字丝的图像配准装置，旨在解决目前直接对条纹图进行配准精度较低或者标志点与条纹图混杂一起配准导致配准精度低的问题。

本发明提供了一种菲索型动态干涉仪条纹图配准方法，所述配准方法包括以下步骤：

S1：利用多台CCD相机同时采集多个相位的十字丝图像；

S2：利用sobel算子分别对多个相位的十字丝图像进行边缘提取；

S3：利用整体最小二乘法对每个相位的十字丝图像的两条直线进行直线拟合，计算两条拟合直线的交点坐标及两条拟合直线的斜率；

S4：对每个相位的十字丝图像进行平移，以使所述交点位于第一位置，根据所述交点坐标和第一位置的坐标计算平移量；对平移后的十字丝图像进行旋转，两条拟合直线的斜率以使两条拟合直线的斜率分别为0°和90°，根据两条拟合直线的斜率计算旋转量；

S5：利用多台CCD相机同时采集多个相位的条纹图，根据每个相位的平移量和旋转量对该相位的条纹图进行图像变换，以实现条纹图配准。

进一步的，所述配准方法还包括如下步骤：

S0：利用多台CCD相机通过高性能变焦镜头对同一十字丝刻划板进行十字丝成像，调整所述多台CCD相机的空间位置以使多个十字丝像重合，对调整后的CCD相机进行空间位置固定。

进一步的，所述高性能变焦镜头为VH-Z50L长距离高性能变焦镜头，其观察距离在85mm时能够达到500的放大率。

进一步的，所述sobel算子在以像素点为中心的3×3窗口内进行灰度计算，根据所述像素点的极值状态进行边缘提取检测来提取Sobel边缘检测算子。

进一步的，像素点的灰度值为f(x,y)，则所述Sobel边缘检测算子为：

f_x＝(f(i-1,y-1)+2f(i-1,j)+f(i-1,j+1))-(f(i+1,j-1)+2f(i+1,j)+f(i+1,j+1))

f_y＝(f(i-1,y-1)+2f(i,j-1)+f(i+1,j-1))-(f(i-1,j+1)+2f(i,j+1)+f(i+1,j+1))；

其中，像素点的灰度值为f(x,y)，fx为水平方向上的梯度，fy为垂直方向上的梯度。

进一步的，所述直线拟合方程为：其中，a^为斜率，b^为截距，v_xi为自变量x_i的误差，v_yi为因变量y_i的误差。

进一步的，所述直线拟合方程中包含的误差方程可以表示为(A+E_A)δX＝l+E_l，其中A为设计矩阵，l为观测向量，E_A为A的误差，E_l为I的误差。

进一步的，所述CCD相机的数量为四，四台CCD相机分别采集0°相位、90°相位、180°相位和270°相位的图像。

进一步的，所述步骤S0包括：

S00：在所述高性能变焦镜头的目视位置安装十字丝刻划板，在镜头前端安装法线与镜头光轴平行的平面反射镜；

S01：用均匀光源照亮刻所述十字丝刻划板，并用镜头放大所述十字丝成像在四个CCD上分别形成四个十字丝成像；

S02：在接近靶面中心位置固定其中一个十字丝像，调整其他三个CCD相机上的十字丝像，使得这三个十字丝像与第一个像位置重合。

本发明提供了一种基于十字丝的图像配准装置，用于上述菲索型动态干涉仪条纹图的配准方法，其特征在于，所述图像配准装置包括多个CCD相机，高性能变焦镜头、偏振分束薄膜、十字丝刻画板、平面反射镜和均匀光源，所述镜头的目视位置安装所述十字丝刻划板，所述镜头前端安装法线与所述镜头光轴平行的所述平面反射镜，所述光源照亮所述十字丝刻画板，所述偏振分束薄膜将所述光源相移分光产生不同相位的十字丝成图像，所述CCD相机用于接收多个相位的十字丝图像。

本发明的有益效果在于本发提供了一种菲索型动态干涉仪条纹图配准方法，本发明设计并搭建了基于十字丝的物理配准装置，利用四台CCD相机通过高性能变焦镜头对同一十字丝刻划板进行成像，利用sobel算子对十字丝图像进行边缘提取，利用整体最小二乘法对十字丝进行直线拟合，计算直线交点及斜率，从而得到配准所需的平移量和旋转量，最后将配准公式应用于菲索型动态干涉仪的四幅条纹图配准中。本发明通过将条纹图与位置配准在关联度上人为分开，避免将条纹与标志点混在一幅图像内，同时还可以实现四幅条纹图空间位置上的精确配准，为之后的移相算法和面型计算提供了精度保障。

附图说明

图1是本发明菲索型动态干涉仪条纹图配准方法第一实施例的流程图。

图2是本发明菲索型动态干涉仪条纹图配准方法第二实施例的流程图。

图3是本发明实施例的基于十字丝的图像配准装置。

图4是本发明实施例的4个相位的CCD相机基于十字丝图像的校准固定流程图。

图5是本发明实施例的经过图像配准装置配准后4个相位的十字丝图像示意图，A为0°相位、B为90°相位、C为180°相位和D为270°相位的图像。

图6是本发明实施例的经过sobel算法处理后的0°相位的十字丝图像局部放大示意图。

图7是本发明实施例的配准变换后的条纹图，A为0°相位、B为90°相位、C为180°相位和D为270°相位的图像。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为了使本揭示内容的叙述更加详尽与完备，下文针对本发明的实施方式与具体实施例提出了说明性的描述；但这并非实施或运用本发明具体实施例的唯一形式。实施方式中涵盖了多个具体实施例的特征以及用以建构与操作这些具体实施例的方法步骤与其顺序。然而，亦可利用其它具体实施例来达成相同或均等的功能与步骤顺序。

图1示出了本发明实施例的菲索型动态干涉仪条纹图配准方法流程图，请参阅图1所述，该配准方法包括以下步骤：

S1：利用多台CCD相机同时采集多个相位的十字丝图像；

S2：利用sobel算子分别对多个相位的十字丝图像进行边缘提取；

S3：利用整体最小二乘法对每个相位的十字丝图像的两条直线进行直线拟合，计算两条拟合直线的交点坐标及两条拟合直线的斜率；

S4：对每个相位的十字丝图像进行平移，以使所述交点位于第一位置，根据所述交点坐标和第一位置的坐标计算平移量；对平移后的十字丝图像进行旋转，两条拟合直线的斜率以使两条拟合直线的斜率分别为0°和90°，根据两条拟合直线的斜率计算旋转量；

S5：利用多台CCD相机同时采集多个相位的条纹图，根据每个相位的平移量和旋转量对该相位的条纹图进行图像变换，以实现条纹图配准。

本实施例中基于十字丝的物理配准装置，利用多台CCD相机通过高性能变焦镜头对同一十字丝刻划板进行成像，利用sobel算子对十字丝图像进行边缘提取，利用整体最小二乘法对十字丝进行直线拟合，计算直线交点及斜率，从而得到配准所需的平移量和旋转量，最后将配准公式应用于菲索型动态干涉仪的四幅条纹图配准中。通过将条纹图与位置配准在关联度上人为分开，避免将条纹与标志点混在一幅图像内，同时还可以实现四幅条纹图空间位置上的精确配准，为之后的移相算法和面型计算提供了精度保障。

为了进一步提高上述实施例中菲索型动态干涉仪条纹图配准方法的精确度，在利用多台CCD相机同时采集多个相位的十字丝图像前，对多台CCD相机进行物理配准，使得这多台CCD相机的靶面位置空间位置一致，从而提高多个相位的十字丝图像的精准度，使后续基于多相位十字丝图像的配准方法能够更加准确。

图2示出了本发明菲索型动态干涉仪条纹图配准方法第二实施例的流程图，具体的请参考图2第二实施例的S0步骤，

S0：利用多台CCD相机通过高性能变焦镜头对同一十字丝刻划板进行十字丝成像，调整所述多台CCD相机的空间位置以使多个十字丝像重合，对调整后的CCD相机进行空间位置固定。

本实施例增加的S0步骤通过调准多个CCD相机的空间位置，能够使S1步骤中采集的多个相位的十字丝图像的精准度提高，从而使后续基于多相位十字丝图像的配准方法能够更加准确。

为了帮助理解，下面结合本发明的图3-图7，来对上述图1和图2配准方法两种实施例流程图作进一步说明。

请参阅图3，图3示出了本发明实施例的基于十字丝的图像配准装置。用于图4的配准方法中，图像配准装置包括4个CCD相机1、VH-Z50L长距离高性能变焦镜头2、偏振分束薄膜、十字丝刻划板、平面反射镜和均匀光源，该装置能够辅助配准干涉条纹。VH-Z50L长距离高性能变焦镜头2其观察距离在85mm时能够达到500的放大率，在缩短CCD像面和PBS距离后，能够选取放大率更大的镜头。利用四个CCD相机2同时拍摄刻划板实物，十字丝刻划板上包含一个十字丝标志。镜头的目视位置安装所述十字丝刻划板，镜头前端安装法线与所述镜头光轴平行的所述平面反射镜，均匀光源照亮十字丝刻画板，偏振分束薄膜将光源相移分光产生不同相位的十字丝成图像，4个CCD相机2用于接收0°相位、90°相位、180°相位和270°相位的十字丝图像。

具体请参考图4，图4示出了4个相位的CCD相机的十字丝图像的校准固定流程图，4台CCD相机接收四台CCD相机分别采集0°相位、90°相位、180°相位和270°相位的图像，这里首先采集4个相位的十字丝图像，在S0步骤中，对4个CCD相机进行位置配准，调整过程如下：步骤S00中，在镜头的目视位置安装十字刻划板，在镜头前端安装法线与镜头光轴平行的平面反射镜；步骤S01中，通过均匀光源照亮刻划板后并通过镜头放大成像在4个CCD相机上；步骤S03中，使其中一个像在接近靶面中心位置后固定，调整其他3个CCD相机上的像与第一个像位置重合，即保证了3个CCD相机靶面位置空间位置的配准。

请参阅图5，图5示出了经过图像配准装置配准后4个相位的十字丝图像示意图，获取上述步骤中4个空间位置配准后CCD相机接收的4个相位的十字丝图像，此时的十字丝图像已经经过精准调试，可以用于后面的基于十字丝图像的配准方法。

在配准完成的CCD相机进行空间位置固定之后，CCD相机依然会出现不同影响的位置偏移及旋转，此时需要通过更为精准的技术对条纹图像进行精确配准。

在S2步骤中，由于上述获得的十字丝图像特征不明显，为了提高十字丝图像的对比度，对十字丝图像进行边缘处理，利用Sobel算子对采集到的十字丝图像进行预处理。

Sobel算子本质上是一种梯度幅度检测算子，其原理是：以像素点为中心的3×3窗口内进行灰度计算。然后根据该点的极值状态来进行边缘提取检测。令f(x,y)为像素点的灰度值，f_x为水平方向上的梯度，f_y为垂直方向上的梯度。

Sobel边缘检测算子定义为：

f_x＝(f(i-1,y-1)+2f(i-1,j)+f(i-1,j+1))-(f(i+1,j-1)+2f(i+1,j)+f(i+1,j+1))

f_y＝(f(i-1,y-1)+2f(i,j-1)+f(i+1,j-1))-(f(i-1,j+1)+2f(i,j+1)+f(i+1,j+1))

Sobel边缘检测算子综合了图像每个像素点的上下左右邻点灰度的和，接近模板中心的权值较大。适当选取阈值T就可以实现图像的边缘检测。请参阅图6，图6是本发明实施例的经过sobel算法处理后的0°相位的十字丝图像局部放大示意图，相比之前的清晰度更高，对比度更好。

在S3步骤中，对图6中Sobel边缘检测算子预处理后的十字丝图像进行直线拟合，求取两直线交点的坐标，为此我们将求交点坐标转换为直线拟合问题。本发明在最小二乘直线拟合方法的基础上，提出了基于整体最小二乘直线拟合方法，完成了十字丝两直线交点坐标的计算。

在此，将自变量和因变量的误差加入到直线拟合方程中，其表达式为：

相应的误差方程可以按照EIV模型描述，公式如下所示

(A+E_A)δX＝l+E_l

其中，设计矩阵A与观测向量l的误差分别由E_A、E_l表示。

在设计矩阵A中，我们可以看到有一列元素的值恒为1，这是混合最小二乘法的求解问题，因此，应按混合最小二乘求解。

令：A＝[A₁ A₂]，其中，A₁＝[1 1 … 1]^T，A₂＝[x₁ x₂ … x_m]^T，此时我们构造一个增广矩阵C，并对其进行QR三角分解：

C＝[A l]C＝QR

其中，Q为正交矩阵，R为上三角矩阵，则

其中，R₁₁、R₁₂、R₂₂、R_1l、R_2l为标量，可将上式写成如下的形式：

R₁₁δb+R₁₂δa＝R_1l

R₂₂δa＝R_2l

在对上述参数进行求解时，先利用整体最小二乘法对R₂₂δa＝R_2l进行求解以获取参数δa，把δa带入方程R₁₁δb+R₁₂δa＝R_1l，然后再按照普通的最小二乘法进行求解参数δb。

构造增广矩阵C_R＝[R₂₂ R_2l]，并进行奇异值分解：

C_R＝U∑N^T

式中，U＝[U₁ U₂]，V＝[N₁ N₂]，Σ＝diag(σ₁,σ₂)，σ₁>σ₂

可得参数δa的整体最小二乘解如下式所示：

将带入方程R₁₁δb+R₁₂δa＝R_1l，可得如下式：

得到了参数δa，δb的解，需要对其残差和精度进行理论上的评价。

把增广矩阵C_R写成下述形式：

R的改正量即为：

设计矩阵和观测向量的改正数为：

此时可得出残差：

在正交方向上的距离残差为：

距离残差在几何意义上就是要求最小的正交距离的残差平方和，所以，样本精度的评定应该按照正交距离的残差的平方和来计算

由于整体最小二乘法同时考虑了两个坐标轴的误差，并且在两个坐标轴方向上的正交距离残差都比普通最小二乘法要小，其单位权中误差要比普通的最小二乘法更小。

在步骤S4中，根据上述步骤S3分别得到4个相位拟合直线的交点坐标和每个相位两条直线的斜率。下面以一个相位来进行说明，其他相位参考说明相位步骤。对该相位的十字丝图像进行平移，以使该项为相位的交点位于第一位置，根据该相位的交点坐标和第一位置的坐标计算该相位的平移量；对该相位平移后的十字丝图像进行旋转，以使该相位的两条拟合直线的斜率分别为0°和90°，根据该相位的两条拟合直线的斜率计算该相位的旋转量。以此类推，可以分别算出4个相位的平移量和旋转量。

在步骤S5中，利用4台CCD相机同时采集4个相位的条纹图，根据4个相位的平移量和旋转量对该相位的条纹图进行图像变换，以实现条纹图配准，请参阅图7，图7示出了本发明实施例的配准变换后的条纹图。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种菲索型动态干涉仪条纹图配准方法，其特征在于，所述配准方法包括以下步骤：

S1：利用多台CCD相机同时采集多个相位的十字丝图像；

S2：利用sobel算子分别对多个相位的十字丝图像进行边缘提取；

S3：利用整体最小二乘法对每个相位的十字丝图像的两条直线进行直线拟合，计算两条拟合直线的交点坐标及两条拟合直线的斜率；

S4：对每个相位的十字丝图像进行平移，以使所述交点位于第一位置，根据所述交点坐标和第一位置的坐标计算平移量；对平移后的十字丝图像进行旋转，两条拟合直线的斜率以使两条拟合直线的斜率分别为0°和90°，根据两条拟合直线的斜率计算旋转量；

S5：利用多台CCD相机同时采集多个相位的条纹图，根据每个相位的平移量和旋转量对该相位的条纹图进行图像变换，以实现条纹图配准。

2.如权利要求1所述菲索型动态干涉仪条纹图的配准方法，其特征在于，所述配准方法还包括如下步骤：

S0：利用多台CCD相机通过高性能变焦镜头对同一十字丝刻划板进行十字丝成像，调整所述多台CCD相机的空间位置以使多个十字丝像重合，对调整后的CCD相机进行空间位置固定。

3.如权利要求1或2所述菲索型动态干涉仪条纹图的配准方法，其特征在于，所述高性能变焦镜头为VH-Z50L长距离高性能变焦镜头，其观察距离在85mm时能够达到500的放大率。

4.如权利要求1-3任一所述菲索型动态干涉仪条纹图的配准方法，其特征在于，所述sobel算子在以像素点为中心的3×3窗口内进行灰度计算，根据所述像素点的极值状态进行边缘提取检测来提取Sobel边缘检测算子。

5.如权利要求4所述菲索型动态干涉仪条纹图的配准方法，其特征在于，像素点的灰度值为f(x,y)，则所述Sobel边缘检测算子为：

f_x＝(f(i-1,y-1)+2f(i-1,j)+f(i-1,j+1))-(f(i+1,j-1)+2f(i+1,j)+f(i+1,j+1))

f_y＝(f(i-1,y-1)+2f(i,j-1)+f(i+1,j-1))-(f(i-1,j+1)+2f(i,j+1)+f(i+1,j+1))；

其中，像素点的灰度值为f(x,y)，fx为水平方向上的梯度，fy为垂直方向上的梯度。

6.如权利要求5所述菲索型动态干涉仪条纹图的配准方法，其特征在于，所述直线拟合方程为：其中，a^为斜率，b^为截距，v_xi为自变量x_i的误差，v_yi为因变量y_i的误差。

7.如权利要求6所述菲索型动态干涉仪条纹图的配准方法，其特征在于，所述直线拟合方程中包含的误差方程可以表示为(A+E_A)δX＝l+E_l，其中A为设计矩阵，l为观测向量，E_A为A的误差，E_l为I的误差。

8.如权利要求1或2所述菲索型动态干涉仪条纹图的配准方法，其特征在于，所述CCD相机的数量为四，四台CCD相机分别采集0°相位、90°相位、180°相位和270°相位的图像。

9.如权利要求8所述菲索型动态干涉仪条纹图的配准方法，其特征在于，所述步骤S0包括：

S00：在所述高性能变焦镜头的目视位置安装十字丝刻划板，在镜头前端安装法线与镜头光轴平行的平面反射镜；

S01：用均匀光源照亮刻所述十字丝刻划板，并用镜头放大所述十字丝成像在四个CCD上分别形成四个十字丝成像；

S02：在接近靶面中心位置固定其中一个十字丝像，调整其他三个CCD相机上的十字丝像，使得这三个十字丝像与第一个像位置重合。

10.一种基于十字丝的图像配准装置，用于权利要求1或2的述菲索型动态干涉仪条纹图的配准方法，其特征在于，所述图像配准装置包括多个CCD相机、高性能变焦镜头、偏振分束薄膜、十字丝刻画板、平面反射镜和均匀光源，所述镜头的目视位置安装所述十字丝刻划板，所述镜头前端安装法线与所述镜头光轴平行的所述平面反射镜，所述光源照亮所述十字丝刻画板，所述偏振分束薄膜将所述光源相移分光产生不同相位的十字丝成图像，所述CCD相机用于接收多个相位的十字丝图像。