CN112304573A - 一种同时测量镜头畸变和mtf指标的方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种同时测量镜头畸变和MTF指标的方法，包括：判断靶标是否对齐，将红外热像仪中心对准靶标中心，使用中心正方形两条垂直的边判断靶标是否对齐；根据镜头焦距、设备与靶标的距离，利用模板匹配算法，得到畸变测量值；利用倾斜边缘法计算MTF值。本发明将红外镜头畸变的测量方法与MTF测量方法相结合，可同时测量红外镜头畸变与MTF指标。相较于现有技术而言，可同时完成畸变测量和MTF测量，节省测量时间，提高测量效率；整个测试过程只需对齐靶标，操作简单；通过倾斜边缘法测量MTF值，不需要不同空间频率的光栅靶标，节省成本。

Description

一种同时测量镜头畸变和MTF指标的方法和系统

技术领域

本发明涉及的是红外成像系统技术领域，特别涉及一种同时测量镜头畸变和MTF指标的方法和系统。

背景技术

随着红外热成像技术的日趋成熟，对热像仪的成像质量要求越来越高。镜头畸变由于制造精度以及组装工艺的偏差导致畸变，导致图像失真。MTF指标反映了图像的清晰度，用来评判镜头还原物体对比度的能力。镜头畸变和MTF指标可直接反映热像仪的成像效果。已有测量方法通常可单独测量镜头畸变和MTF指标，然而，现有技术无法同时获取镜头畸变和MTF指标，当需要获取镜头畸变和MTF指标时，需获得镜头畸变和MTF指标需测量两次，因此，现有技术获取镜头畸变和MTF指标，不仅耗时耗力，而且无法同时测量镜头畸变和MTF指标。

发明内容

鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种同时测量镜头畸变和MTF指标的方法和系统。

一种同时测量镜头畸变和MTF指标的方法，包括：

S100.判断靶标是否对齐，将红外热像仪中心对准靶标中心，使用中心正方形两条垂直的边判断靶标是否对齐；

S200.根据镜头焦距、设备与靶标的距离，利用模板匹配算法，得到畸变测量值；

S300.利用倾斜边缘法计算MTF值。

进一步地，S100包括：

S101.将设备与靶面之间的距离固定后，计算中心正方形两条垂直的边的斜率和偏移的理论值；

S102.对热像仪画面进行Hough直线检测，计算画面中正方形两条垂直的边的斜率和偏移的实际值；

S103.根据斜率和偏移的理论值与实际值的差值判断靶标是否足够接近，若理论值与实际值差异小于预设阈值，则靶标对齐，若理论值与实际值差异大于预设阈值，则靶标未对齐。

进一步地，S200包括：

S201.根据镜头焦距，物距，目标实际长度以及像元尺寸，计算十字光标中心点与靶面中心的理论距离；

S202.利用模板匹配算法，计算十字光标在红外图像中的实际坐标，根据实际坐标换算该十字光标中心点与靶面中心点的实际距离；

S203.根据十字光标中心点与靶面中心的理论距离和实际距离，计算单个十字光标点的畸变值；

S204.将所有十字光标畸变量绝对值的平均值作为最终畸变测量值。

进一步地，S300包括：

S301.对斜边区域进行超采样得到一条黑白变换的边缘扩散函数；

S302.通过对边缘扩散函数求导得到线扩散函数；

S303.对线扩散函数进行快速傅立叶变换得到各个频率下的空间频域响应的值。

进一步地，S101具体方法为：以左上角为坐标原点，水平向右为x轴正方向，垂直向下为y轴正方向，建立坐标轴，根据靶标设计值获取中间矩形四个角的理论坐标，由理论坐标进而获取中心正方形两条垂直的边的斜率和偏移值。

进一步地，S102具体方法为：从热像仪获取靶标的红外图像，对红外图像进行阈值分割分离前景和背景，在此基础上使用Canny边缘检测提取中心正方形两条垂直的边的边缘，利用边缘点计算斜率和偏移的实际值。

进一步地，S103中，若靶标未对齐，则在不改变距离的情况下通过工装移动设备以对齐靶标。

进一步地，S202中，十字光标中心点与靶面中心点的实际距离计算方法为：以左上角为坐标原点，水平向右为x轴正方向，垂直向下为y轴正方向，建立坐标轴，利用模板匹配算法计算十字光标在红外图像中的实际坐标，已知图像中心点坐标，则实际距离为实际坐标和中心点坐标两者空间距离。

进一步地，S203中，单个十字光标点的畸变值计算方法为：将十字光标中心点与靶面中心的实际距离和理论距离进行做差，并将差值与理论距离进行求比百分数，得到单个十字光标点的畸变值。

本发明还公开了一种同时测量镜头畸变和MTF指标的系统，包括：

靶标对齐判定模块、畸变计算模块、MTF值计算模块；其中：

靶标对齐判定模块，用于判断靶标是否对齐，将红外热像仪中心对准靶标中心，使用中心正方形两条垂直的边判断靶标是否对齐；

畸变计算模块，用于根据镜头焦距、设备与靶标的距离，利用模板匹配算法，得到畸变测量值；

MTF值计算模块，用于利用倾斜边缘法计算MTF值。

本发明实施例提供的上述技术方案的有益效果至少包括：

本发明公开的一种同时测量镜头畸变和MTF指标的方法和系统，将红外镜头畸变的测量方法与MTF测量方法相结合，可同时测量红外镜头畸变与MTF指标。相较于现有技术而言，可同时完成畸变测量和MTF测量，节省测量时间，提高测量效率；整个测试过程只需对齐靶标，操作简单；通过倾斜边缘法测量MTF值，不需要不同空间频率的光栅靶标，节省成本。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施例1中，一种同时测量镜头畸变和MTF指标的方法的流程图；

图2为本发明实施例1中，靶标示意图；

图3为本发明实施例1中，畸变测量示意图示意图；

图4为本发明实施例1中，S100步骤具体流程图；

图5为本发明实施例2中，S200步骤具体流程图；

图6为本发明实施例2中，S300步骤具体流程图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

为了解决现有技术中存在的畸变和MTF指标无法同时获取的问题，本发明实施例提供一种同时测量镜头畸变和MTF指标的方法和系统。

实施例1

本实施例公开了一种同时测量镜头畸变和MTF指标的方法，如图1，包括：

S100.判断靶标是否对齐，将红外热像仪中心对准靶标中心，使用中心正方形两条垂直的边判断靶标是否对齐。

具体的，畸变测试与MTF测试靶标如图2所示，靶标中黑色区域为挖空部分，白色区域为挡板。挖空黑色区域放置黑体，黑体温度设置为55℃，高于白色挡板区域温度。靶标中4个倾斜正方形倾斜靶标用于计算MTF指标，C1、C2、C3和C4用于计算畸变镜头畸变。

在测量畸变前，必须将红外热像仪中心对准靶标中心。使用中心正方形两条垂直的边A1和A2判断靶标是否对齐。

在本实施例中，S100具体包括：

S101.将设备与靶面之间的距离固定后，计算中心正方形两条垂直的边的斜率和偏移的理论值。具体的，如图2，以左上角为坐标原点，水平向右为x轴正方向，垂直向下为y轴正方向，建立坐标轴。根据靶标设计值可知中间矩形四个角的理论坐标，由理论坐标可知A1和A2两条斜边的斜率和偏移值。

S102.对热像仪画面进行Hough直线检测，计算画面中正方形两条垂直的边的斜率和偏移的实际值；具体的，从热像仪获取靶标的红外图像，对红外图像进行阈值分割分离前景(图2中黑体区域)和背景(图2中白色区域)，在此基础上使用Canny边缘检测提取A1和A2边缘，利用边缘点计算斜率和偏移的实际值。

S103.根据斜率和偏移的理论值与实际值的差值判断靶标是否足够接近，若理论值与实际值差异小于预设阈值，则靶标对齐，若理论值与实际值差异大于预设阈值，则靶标未对齐。

在一些优选实施例中，若靶标未对齐，则在不改变距离的情况下通过工装移动设备以对齐靶标。

S200.根据镜头焦距、设备与靶标的距离，利用模板匹配算法，得到畸变测量值。

畸变测量原理如图3所示，图中灰色圆表示理论未畸变点，黑色圆表示实际畸变点。畸变值计算方法为：将十字光标中心点与靶面中心的实际距离AD和理论距离PD进行做差，并将差值与理论距离进行求比百分数，得到单个十字光标点的畸变值。若理论值PD与实际值AD越接近则说明畸变测量值越小。

在本实施例中，S200包括：

S201.根据镜头焦距，物距，目标实际长度以及像元尺寸，计算十字光标中心点与靶面中心的理论距离。具体的，假设镜头焦距为λ，物距为d，目标实际长度为l，以及像元尺寸σ，理论距离PD为镜头焦距λ与目标实际长度为l之积比上物距为d与像元尺寸σ之积。

S202.利用模板匹配算法，计算十字光标在红外图像中的实际坐标，根据实际坐标换算该十字光标中心点与靶面中心点的实际距离。具体的，十字光标中心点与靶面中心点的实际距离计算方法为：以左上角为坐标原点，水平向右为x轴正方向，垂直向下为y轴正方向，建立坐标轴，利用模板匹配算法计算十字光标在红外图像中的实际坐标，已知图像中心点坐标，则实际距离为实际坐标和中心点坐标两者空间距离。

S203.根据十字光标中心点与靶面中心的理论距离和实际距离，计算单个十字光标点的畸变值。畸变值计算方法已在畸变测量原理中进行介绍，根据十字光标中心点与靶面中心的理论距离和实际距离，就可以计算单个十字光标点的畸变值。

S204.将所有十字光标畸变量绝对值的平均值作为最终畸变测量值。

S300.利用倾斜边缘法计算MTF值。采用倾斜边缘法(Slanted Edge Method)计算MTF具有算法简单，操作方便的特点。斜边法计算MTF不需要拍摄不同的空间频率的光栅靶标，只需要一个黑白的斜边(刃边)即可换算出约略相等于所有空间频率。

在本实施例中，S300包括：

S301.对斜边区域进行超采样得到一条黑白变换的边缘扩散函数；

S302.通过对边缘扩散函数求导得到线扩散函数；

S303.对线扩散函数进行快速傅立叶变换得到各个频率下的空间频域响应的值。

理论上，图像中心区域的MTF测量值最大而图像四周的MTF测量值较小。由于不同区域的MTF值有所不同，取红外图像中十个不同区域的斜边计算MTF值，如图2所示，共取B1-B8、A1和A2十条斜边计算MTF值。

MTF指标可衡量图像的锐利度，测量MTF值越大，代表图像越锐利，即图像越清晰。

本实施例公开的一种同时测量镜头畸变和MTF指标的方法，将红外镜头畸变的测量方法与MTF测量方法相结合，可同时测量红外镜头畸变与MTF指标。相较于现有技术而言，可同时完成畸变测量和MTF测量，节省测量时间，提高测量效率；整个测试过程只需对齐靶标，操作简单；通过倾斜边缘法测量MTF值，不需要不同空间频率的光栅靶标，节省成本。

实施例2

本实施例还公开了一种同时测量镜头畸变和MTF指标的系统，包括：

靶标对齐判定模块、畸变计算模块、MTF值计算模块；其中：

靶标对齐判定模块，用于判断靶标是否对齐，将红外热像仪中心对准靶标中心，使用中心正方形两条垂直的边判断靶标是否对齐。

具体的，靶标对齐判定模块工作方法为：S101.将设备与靶面之间的距离固定后，计算中心正方形两条垂直的边的斜率和偏移的理论值；

S102.对热像仪画面进行Hough直线检测，计算画面中正方形两条垂直的边的斜率和偏移的实际值；

S103.根据斜率和偏移的理论值与实际值的差值判断靶标是否足够接近，若理论值与实际值差异小于预设阈值，则靶标对齐，若理论值与实际值差异大于预设阈值，则靶标未对齐。

畸变计算模块，用于根据镜头焦距、设备与靶标的距离，利用模板匹配算法，得到畸变测量值。

具体的，畸变计算模块工作方法为：S201.根据镜头焦距，物距，目标实际长度以及像元尺寸，计算十字光标中心点与靶面中心的理论距离；

S202.利用模板匹配算法，计算十字光标在红外图像中的实际坐标，根据实际坐标换算该十字光标中心点与靶面中心点的实际距离；

S203.根据十字光标中心点与靶面中心的理论距离和实际距离，计算单个十字光标点的畸变值；

S204.将所有十字光标畸变量绝对值的平均值作为最终畸变测量值。

MTF值计算模块，用于利用倾斜边缘法计算MTF值。具体的，MTF值计算模块工作方法为：

S301.对斜边区域进行超采样得到一条黑白变换的边缘扩散函数；

S302.通过对边缘扩散函数求导得到线扩散函数；

S303.对线扩散函数进行快速傅立叶变换得到各个频率下的空间频域响应的值。

本实施例公开的一种同时测量镜头畸变和MTF指标的系统，将红外镜头畸变的测量方法与MTF测量方法相结合，可同时测量红外镜头畸变与MTF指标。相较于现有技术而言，可同时完成畸变测量和MTF测量，节省测量时间，提高测量效率；整个测试过程只需对齐靶标，操作简单；通过倾斜边缘法测量MTF值，不需要不同空间频率的光栅靶标，节省成本。

应该明白，公开的过程中的步骤的特定顺序或层次是示例性方法的实例。基于设计偏好，应该理解，过程中的步骤的特定顺序或层次可以在不脱离本公开的保护范围的情况下得到重新安排。所附的方法权利要求以示例性的顺序给出了各种步骤的要素，并且不是要限于所述的特定顺序或层次。

在上述的详细描述中，各种特征一起组合在单个的实施方案中，以简化本公开。不应该将这种公开方法解释为反映了这样的意图，即，所要求保护的主题的实施方案需要清楚地在每个权利要求中所陈述的特征更多的特征。相反，如所附的权利要求书所反映的那样，本发明处于比所公开的单个实施方案的全部特征少的状态。因此，所附的权利要求书特此清楚地被并入详细描述中，其中每项权利要求独自作为本发明单独的优选实施方案。

本领域技术人员还应当理解，结合本文的实施例描述的各种说明性的逻辑框、模块、电路和算法步骤均可以实现成电子硬件、计算机软件或其组合。为了清楚地说明硬件和软件之间的可交换性，上面对各种说明性的部件、框、模块、电路和步骤均围绕其功能进行了一般地描述。至于这种功能是实现成硬件还是实现成软件，取决于特定的应用和对整个系统所施加的设计约束条件。熟练的技术人员可以针对每个特定应用，以变通的方式实现所描述的功能，但是，这种实现决策不应解释为背离本公开的保护范围。

结合本文的实施例所描述的方法或者算法的步骤可直接体现为硬件、由处理器执行的软件模块或其组合。软件模块可以位于RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、移动磁盘、CD-ROM或者本领域熟知的任何其它形式的存储介质中。一种示例性的存储介质连接至处理器，从而使处理器能够从该存储介质读取信息，且可向该存储介质写入信息。当然，存储介质也可以是处理器的组成部分。处理器和存储介质可以位于ASIC中。该ASIC可以位于用户终端中。当然，处理器和存储介质也可以作为分立组件存在于用户终端中。

对于软件实现，本申请中描述的技术可用执行本申请所述功能的模块(例如，过程、函数等)来实现。这些软件代码可以存储在存储器单元并由处理器执行。存储器单元可以实现在处理器内，也可以实现在处理器外，在后一种情况下，它经由各种手段以通信方式耦合到处理器，这些都是本领域中所公知的。

上文的描述包括一个或多个实施例的举例。当然，为了描述上述实施例而描述部件或方法的所有可能的结合是不可能的，但是本领域普通技术人员应该认识到，各个实施例可以做进一步的组合和排列。因此，本文中描述的实施例旨在涵盖落入所附权利要求书的保护范围内的所有这样的改变、修改和变型。此外，就说明书或权利要求书中使用的术语“包含”，该词的涵盖方式类似于术语“包括”，就如同“包括，”在权利要求中用作衔接词所解释的那样。此外，使用在权利要求书的说明书中的任何一个术语“或者”是要表示“非排它性的或者”。

Claims (10)

1.一种同时测量镜头畸变和MTF指标的方法，其特征在于，包括：

S100.判断靶标是否对齐，将红外热像仪中心对准靶标中心，使用中心正方形两条垂直的边判断靶标是否对齐；

S200.根据镜头焦距、设备与靶标的距离，利用模板匹配算法，得到畸变测量值；

S300.利用倾斜边缘法计算MTF值。

2.如权利要求1的一种同时测量镜头畸变和MTF指标的方法，其特征在于，S100包括：

S101.将设备与靶面之间的距离固定后，计算中心正方形两条垂直的边的斜率和偏移的理论值；

S102.对热像仪画面进行Hough直线检测，计算画面中正方形两条垂直的边的斜率和偏移的实际值；

S103.根据斜率和偏移的理论值与实际值的差值判断靶标是否足够接近，若理论值与实际值差异小于预设阈值，则靶标对齐，若理论值与实际值差异大于预设阈值，则靶标未对齐。

3.如权利要求1的一种同时测量镜头畸变和MTF指标的方法，其特征在于，S200包括：

S201.根据镜头焦距，物距，目标实际长度以及像元尺寸，计算十字光标中心点与靶面中心的理论距离；

S202.利用模板匹配算法，计算十字光标在红外图像中的实际坐标，根据实际坐标换算该十字光标中心点与靶面中心点的实际距离；

S203.根据十字光标中心点与靶面中心的理论距离和实际距离，计算单个十字光标点的畸变值；

S204.将所有十字光标畸变量绝对值的平均值作为最终畸变测量值。

4.如权利要求1的一种同时测量镜头畸变和MTF指标的方法，其特征在于，S300包括：

S301.对斜边区域进行超采样得到一条黑白变换的边缘扩散函数；

S302.通过对边缘扩散函数求导得到线扩散函数；

S303.对线扩散函数进行快速傅立叶变换得到各个频率下的空间频域响应的值。

5.如权利要求2的一种同时测量镜头畸变和MTF指标的方法，其特征在于，S101具体方法为：以左上角为坐标原点，水平向右为x轴正方向，垂直向下为y轴正方向，建立坐标轴，根据靶标设计值获取中间矩形四个角的理论坐标，由理论坐标进而获取中心正方形两条垂直的边的斜率和偏移值。

6.如权利要求2的一种同时测量镜头畸变和MTF指标的方法，其特征在于，S102具体方法为：从热像仪获取靶标的红外图像，对红外图像进行阈值分割分离前景和背景，在此基础上使用Canny边缘检测提取中心正方形两条垂直的边的边缘，利用边缘点计算斜率和偏移的实际值。

7.如权利要求1的一种同时测量镜头畸变和MTF指标的方法，其特征在于，S103中，若靶标未对齐，则在不改变距离的情况下通过工装移动设备以对齐靶标。

8.如权利要求1的一种同时测量镜头畸变和MTF指标的方法，其特征在于，S202中，十字光标中心点与靶面中心点的实际距离计算方法为：以左上角为坐标原点，水平向右为x轴正方向，垂直向下为y轴正方向，建立坐标轴，利用模板匹配算法计算十字光标在红外图像中的实际坐标，已知图像中心点坐标，则实际距离为实际坐标和中心点坐标两者空间距离。

9.如权利要求1的一种同时测量镜头畸变和MTF指标的方法，其特征在于，S203中，单个十字光标点的畸变值计算方法为：将十字光标中心点与靶面中心的实际距离和理论距离进行做差，并将差值与理论距离进行求比百分数，得到单个十字光标点的畸变值。

10.一种同时测量镜头畸变和MTF指标的系统，其特征在于，包括：

靶标对齐判定模块、畸变计算模块、MTF值计算模块；其中：

靶标对齐判定模块，用于判断靶标是否对齐，将红外热像仪中心对准靶标中心，使用中心正方形两条垂直的边判断靶标是否对齐；

畸变计算模块，用于根据镜头焦距、设备与靶标的距离，利用模板匹配算法，得到畸变测量值；

MTF值计算模块，用于利用倾斜边缘法计算MTF值。

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