CN112902881A - 一种基于数字图像处理的多光轴系统平行测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数字图像处理的多光轴系统平行测试方法，本发明的方法采用包括光学模块、图像采集模块与图像处理模块的自动测试系统自动获取可见光与激光的光轴失调度和/或红外光与激光的光轴失调度。本发明能够提高可见光、红外光和激光光轴的平行性测试的精度和效率，有效解决了现有机械测量的复杂性以及人眼观察的精度限制等问题。

Description

一种基于数字图像处理的多光轴系统平行测试方法

技术领域

本发明属于光学测试技术领域，具体涉及一种基于数字图像处理的多光轴系统平行测试方法。

背景技术

在军用光电系统中经常融合了激光、可见光、红外等多种传感器，即采用宽光谱光电系统作为侦察平台,光电系统中的可见光光轴、红外光轴和激光光轴的一致性直接决定了对目标信息的探测和获取的精准度,其性能的优劣直接影响目标信息的获取，所以为了提高系统的侦察能力,对多光轴的平行性提出了很高的要求。

传统的光轴平行性测试系统主要是采用人眼观察判断实现，这种测试方法受个人主观因素影响较大，不仅精度有限，效率也会受到很大限制。而现如今市场上存在的测试系统多为单一波段测试系统，且系统较为复杂，这种单一波段测试系统已无法满足目前的应用需求，因此提出一种结构简单、自动化、精度高的测试方法成为了研究的重要方向之一。随着现代化光电技术和数字图像处理技术的发展，多光轴系统光轴平行性的高精度、数字化测量与校准成为了研究的重要方向。

发明内容

为了解决现有机械测量的复杂度与人眼观察的精度限制的问题，本发明提供了一种基于数字图像处理的多光轴系统平行测试方法，自动实现可见光和激光光轴的平行度测试，和/或红外光和激光光轴的平行度测试，将光轴平行性量化，本发明的方法能够提高电视系统(可见光)、红外和激光系统光轴平行性的测试精度，自动化程度高。

本发明通过下述技术方案实现：

一种基于数字图像处理的多光轴系统平行测试方法，本发明的方法包括：

在聚焦设备的焦平面处放置光阑，被测设备通过电视观瞄将瞄准通道的瞄准分划中心对准光阑中心，将电视观瞄调焦至最远；

采用图像采集模块采集光阑图像并将采集的图像数据传输给图像处理模块，所述图像处理模块对接收到的图像进行数字化处理得到光阑中心在整幅图像中的绝对坐标(b_x，b_y)；

保持当前状态，将光阑更换为衰减器；

被测设备输出激光，激光经所述衰减器衰减后由所述图像采集模块采集到激光图像并将采集的图像数据传输给所述图像处理模块，所述图像处理模块对接收到的图像进行数字化处理得到激光光斑最大能量点在整幅图像中的绝对坐标(c_x，c_y)；

所述图像处理模块基于所述光阑中心在整幅图像中的绝对坐标(b_x，b_y)和激光光斑最大能量点在整幅图像中的绝对坐标(c_x，c_y)，实现被测设备可见光光轴和激光光轴的平行性测试。

优选的，本发明的方法还包括：

保持当前状态，将衰减器更换为光阑，被测设备输出红外光；

采用所述图像采集模块采集光阑图像并将采集的图像数据传输给所述图像处理模块，所述图像处理模块对接收到的图像进行数字化处理得到光阑中心在整幅图像中的绝对坐标(b_x′，b_y′)；

保持当前状态，将光阑更换为衰减器，被测设备输出激光；

激光经所述衰减器衰减后由所述图像采集模块采集到激光图像并将采集的图像数据传输给所述图像处理模块，所述图像处理模块对接收到的图像进行数字化处理得到激光光斑最大能量点在整幅图像中的绝对坐标(c_x′，c_y′)；

所述图像处理模块基于所述光阑中心在整幅图像中的绝对坐标(b_x′，b_y′)和激光光斑最大能量点在整幅图像中的绝对坐标(c_x′，c_y′)，实现被测设备红外光光轴和激光光轴的平行性测试。

优选的，本发明的可见光成像的光阑中心绝对坐标或红外光成像的光阑中心绝对坐标通过以下步骤获取：

采用阈值分割法，计算出最佳阈值，对图像进行阈值分割，将像素大于阈值的图像区域从背景中分割出来；

采用形态学腐蚀法重复去除图像边界，直至剩余两条相交的直线；

采用最小二乘法分别拟合两条直线，得到两条直线的交点，即中心点绝对坐标值。

优选的，本发明的激光光斑最大能量点的绝对坐标采用高斯累积分布拟合法提取得到，具体过程包括：

构建目标函数：

T(s，β，c_x，c_y，a，b，φ，σ，μ＝0)＝s*Ω(-E)+β

Ω∈[0，1]

式中，s表示图像灰度的范围，β代表背景噪声，Ω(*)表示高斯累积分布模型，σ是响应的标准差，μ是期望值，E表示椭圆方程，c_x，c_y为中心坐标值，a，b分别为为椭圆方程在半长轴与半短轴的长度；

将采集得到的目标激光光斑N个像素点的坐标代入所述目标函数，再使用梯度下降法得到激光光斑最大能量点的绝对坐标值。

优选的，本发明的平行性测试具体为通过下式计算得到可见光与激光的光轴失调度：

式中，f为聚焦设备焦距。

优选的，本发明的平行性测试具体为通过下式计算得到红外光与激光的光轴失调度：

式中，f为聚焦设备焦距。

优选的，本发明的图像采集模块采用CCD探测器。

优选的，本发明的图像处理模块采用计算机设备。

优选的，本发明的聚焦设备采用抛物面反射镜。

另一方面，本发明还提出了一种基于数字图像处理的多光轴系统平行测试方法，该方法包括：

在聚焦设备的焦平面处放置光阑，被测设备通过电视观瞄将瞄准通道的瞄准分划中心对准光阑中心，将电视观瞄调焦至最远；

被测设备输出红外光；

采用所述图像采集模块采集光阑图像并将采集的图像数据传输给所述图像处理模块，所述图像处理模块对接收到的图像进行数字化处理得到光阑中心在整幅图像中的绝对坐标(b_x′，b_y′)；

保持当前状态，将光阑更换为衰减器，被测设备输出激光；

激光经所述衰减器衰减后由所述图像采集模块采集到激光图像并将采集的图像数据传输给所述图像处理模块，所述图像处理模块对接收到的图像进行数字化处理得到激光光斑最大能量点在整幅图像中的绝对坐标(c_x′，c_y′)；

所述图像处理模块基于所述光阑中心在整幅图像中的绝对坐标(b_x′，b_y′)和激光光斑最大能量点在整幅图像中的绝对坐标(c_x′，c_y′)，实现被测设备红外光光轴和激光光轴的平行性测试。

本发明具有如下的优点和有益效果：

1、本发明采用数字化图像处理手段，获取可见光与激光的光轴失调度和/或红外光与激光的光轴失调度，能够提高可见光、红外光和激光光轴的平行性测试的精度和效率，有效解决了现有机械测量的复杂性以及人眼观察的精度限制等问题，提高了测试精度。

2、本发明自动化程度高，测量精度高且快速的优点。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的测试系统结构示意图。

图2为本发明的方法流程示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-被测设备，2-电源，3-聚焦设备，4-光阑/衰减器，5-图像采集模块，6-图像处理模块。

具体实施方式

在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。

在本发明的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。

在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。

应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。

在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

相较于传统的机械测量技术，本实施例提出了一种基于数字图像处理的多光轴系统平行测试方法。本实施例的方法能够自动测量多光轴(可见光、红外以及激光光轴)平行性，提高了测试精度和测试效率。

具体如图1所示，本实施例采用的测试系统包括光学模块、图像采集模块5与图像处理模块6三部分。

本实施例的光学模块由被测设备1、光阑/衰减器4、聚焦设备3组成。

本实施例的聚焦设备3采用但不限于抛物面反射镜，本实施例的抛物面反射镜能够起到聚焦作用，缩小激光光斑光束直径，使得光斑尺寸能够在CCD探测器上面完整的呈现出来；光阑则是作为目标参照点；衰减器是为了减小激光照射能量保证CCD探测器成像系统的安全。

本实施例的图像采集模块5采用但不限于CCD探测器。

本实施例的图像处理模块6采用但不限于计算机设备。

本实施例中，在抛物面反射镜的焦平面处放置光阑，光阑后放置CCD探测器，被测设备通过电视观瞄观察，将瞄准通道的瞄准分划中心对准光阑中心，将电视观瞄调焦至最远，CCD采集光阑图像；保持此状态，去掉光阑，更换为衰减器，设备输出激光，通过计算机驱动CCD探测器完成激光图像进行采集。然后通过图像处理系统对图像进行处理，分别找到光阑图像的中心坐标与激光能量最大坐标点，最后将激光图像能量最大点坐标与光阑中心的坐标进行比较计算，即可得到光轴平行性的偏差，即可见光与激光的光轴失调度。

同理，对于红外与激光光轴平行性的测试只需要将可见光照射更换为红外光采集图像即可，最终通过图像处理亦可得到计算结果。

具体如图2所示，本实施例的测试方法包括：

步骤1，搭建测试系统：在距离被测设备1的出光口预设距离处放置抛物面反射镜，在抛物面反射镜的焦平面处放置光阑。

步骤2，被测设备开启，通过电视观瞄观察，同时调节光阑位置，将瞄准通道的瞄准分化线对准光阑中心，将电视观瞄调焦至最远。

步骤3，采用图像采集模块采集光阑图像并将采集的图像数据传输给图像处理模块，所述图像处理模块对接收到的图像进行数字化处理得到光阑中心在整幅图像中的绝对坐标(b_x，b_y)。

步骤4，保持当前状态，将光阑更换为衰减器；被测设备输出激光，激光经所述衰减器衰减后由所述图像采集模块采集到激光图像并将采集的图像数据传输给所述图像处理模块，所述图像处理模块对接收到的图像进行数字化处理得到激光光斑最大能量点在整幅图像中的绝对坐标(c_x，c_y)；

步骤5，所述图像处理模块基于所述光阑中心在整幅图像中的绝对坐标(b_x，b_y)和激光光斑最大能量点在整幅图像中的绝对坐标(c_x，c_y)，实现被测设备可见光光轴和激光光轴的平行性测试。

步骤6，启动被测设备输出红外光，重复步骤3-5，即可实现红外光光轴与激光光轴的平行性测试。

本实施例中，对于红外光与可见光成像的光阑中心点坐标获取通过以下步骤实现：

步骤a:采用阈值分割法，计算出最佳阈值，将光阑中心像素值高的区域(即像素大于阈值的区域)从背景中分割出来；

步骤b:采用形态学腐蚀法不断去除图像边界，直至剩余两条相交的直线。

步骤c:两条直线的交点即十字分划中心点，采用最小二乘法分别拟合两条直线，最终得到两条直线的交点，即中心点坐标(b_x，b_y)。

对于激光光斑最大能量点坐标提取采用高斯累积分布拟合法：

通过采用高斯累积分布拟合法，能够将使标准差达到0.1像素以下，测量精度能够达到0.1～0.3像素，从而提供更高的坐标精度。更为重要的是采用该方法可以不用处理背景噪声，加快对于图像的处理速度。

高斯累积分布模型表示：

其中G(x)表示高斯分布，σ是响应的标准差，μ是期望值。

使用椭圆方程代替x,从而转化为三维高斯函数，椭圆方程为：

将椭圆方程带入高斯累积分布函数中，并将(-E)代替x，能够得到椭圆光斑在三维空间中的高斯累积分布：

从而得到一个目标函数：

s表示图像灰度的范围，β代表背景噪声。其中β能够通过计算得出，从而避免了对图像的整体降噪过程，进一步的提高测试效率。目标函数T能够拟合灰度高原形态，从而求解表达式(3)椭圆方程参数。

将采集得到的目标光斑N个像素点的坐标带入式(5)中，再使用梯度下降法能够得出中心坐标值(c_x，c_y)。

通过图像处理得到的两个坐标值分别计算可见光与激光的光轴失调度与红外与激光的光轴失调度，其中f为抛物面反射镜焦距，单位为m：

实施例2

本实施例提出了一种基于数字图像处理的多光轴系统平行测试方法，该测试方法基于上述实施例1的测试系统实现，方法具体包括：

步骤1，搭建测试系统：在距离被测设备1的出光口预设距离处放置抛物面反射镜，在抛物面反射镜的焦平面处放置光阑。

步骤2，被测设备开启，通过电视观瞄观察，同时调节光阑位置，将瞄准通道的瞄准分化线对准光阑中心，将电视观瞄调焦至最远。

步骤3，被测设备输出红外光；采用所述图像采集模块采集光阑图像并将采集的图像数据传输给所述图像处理模块，所述图像处理模块对接收到的图像进行数字化处理得到光阑中心在整幅图像中的绝对坐标(b_x′，b_y′)。具体处理过程与上述实施例1相同，此处不再赘述。

步骤4，保持当前状态，将光阑更换为衰减器；被测设备输出激光，激光经所述衰减器衰减后由所述图像采集模块采集到激光图像并将采集的图像数据传输给所述图像处理模块，所述图像处理模块对接收到的图像进行数字化处理得到激光光斑最大能量点在整幅图像中的绝对坐标(c_x′，c_y′)；具体处理过程与上述实施例1相同，此处不再赘述。

步骤5，所述图像处理模块基于所述光阑中心在整幅图像中的绝对坐标(b_x′，b_y′)和激光光斑最大能量点在整幅图像中的绝对坐标(c_x′，c_y′)，实现被测设备红外光光轴和激光光轴的平行性测试。具体处理过程与上述实施例1相同，此处不再赘述。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于数字图像处理的多光轴系统平行测试方法，其特征在于，该方法包括：

在聚焦设备的焦平面处放置光阑，被测设备通过电视观瞄将瞄准通道的瞄准分划中心对准光阑中心，将电视观瞄调焦至最远；

采用图像采集模块采集光阑图像并将采集的图像数据传输给图像处理模块，所述图像处理模块对接收到的图像进行数字化处理得到光阑中心在整幅图像中的绝对坐标(b_x，b_y)；

保持当前状态，将光阑更换为衰减器；

被测设备输出激光，激光经所述衰减器衰减后由所述图像采集模块采集到激光图像并将采集的图像数据传输给所述图像处理模块，所述图像处理模块对接收到的图像进行数字化处理得到激光光斑最大能量点在整幅图像中的绝对坐标(c_x，c_y)；

所述图像处理模块基于所述光阑中心在整幅图像中的绝对坐标(b_x，b_y)和激光光斑最大能量点在整幅图像中的绝对坐标(c_x，c_y)，实现被测设备可见光光轴和激光光轴的平行性测试。

2.根据权利要求1所述的一种基于数字图像处理的多光轴系统平行测试方法，其特征在于，该方法还包括：

保持当前状态，将衰减器更换为光阑，被测设备输出红外光；

采用所述图像采集模块采集光阑图像并将采集的图像数据传输给所述图像处理模块，所述图像处理模块对接收到的图像进行数字化处理得到光阑中心在整幅图像中的绝对坐标(b_x′，b_y′)；

保持当前状态，将光阑更换为衰减器，被测设备输出激光；

激光经所述衰减器衰减后由所述图像采集模块采集到激光图像并将采集的图像数据传输给所述图像处理模块，所述图像处理模块对接收到的图像进行数字化处理得到激光光斑最大能量点在整幅图像中的绝对坐标(c_x′，c_y′)；

所述图像处理模块基于所述光阑中心在整幅图像中的绝对坐标(b_x′，b_y′)和激光光斑最大能量点在整幅图像中的绝对坐标(c_x′，c_y′)，实现被测设备红外光光轴和激光光轴的平行性测试。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于数字图像处理的多光轴系统平行测试方法，其特征在于，可见光成像的光阑中心绝对坐标或红外光成像的光阑中心绝对坐标通过以下步骤获取：

采用阈值分割法，计算出最佳阈值，对图像进行阈值分割，将像素大于阈值的图像区域从背景中分割出来；

采用形态学腐蚀法重复去除图像边界，直至剩余两条相交的直线；

采用最小二乘法分别拟合两条直线，得到两条直线的交点，即中心点绝对坐标值。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于数字图像处理的多光轴系统平行测试方法，其特征在于，激光光斑最大能量点的绝对坐标采用高斯累积分布拟合法提取得到，具体过程包括：

构建目标函数：

T(s，β，c_x，c_y，a，b，φ，σ，μ＝0)＝s*Ω(-E)+β

Ω∈[0，1]

式中，s表示图像灰度的范围，β代表背景噪声，Ω(*)表示高斯累积分布模型，σ是响应的标准差，μ是期望值，E表示椭圆方程，c_x，c_y为中心坐标值，a，b分别为为椭圆方程在半长轴与半短轴的长度；

将采集得到的目标激光光斑N个像素点的坐标代入所述目标函数，再使用梯度下降法得到激光光斑最大能量点的绝对坐标值。

5.根据权利要求1所述的一种基于数字图像处理的多光轴系统平行测试方法，其特征在于，所述平行性测试具体为通过下式计算得到可见光与激光的光轴失调度：

式中，f为聚焦设备焦距。

6.根据权利要求2所述的一种基于数字图像处理的多光轴系统平行测试方法，其特征在于，所述平行性测试具体为通过下式计算得到红外光与激光的光轴失调度：

式中，f为聚焦设备焦距。

7.根据权利要求1或2所述的一种基于数字图像处理的多光轴系统平行测试方法，其特征在于，所述图像采集模块采用CCD探测器。

8.根据权利要求1或2所述的一种基于数字图像处理的多光轴系统平行测试方法，其特征在于，所述图像处理模块采用计算机设备。

9.根据权利要求1或2所述的一种基于数字图像处理的多光轴系统平行测试方法，其特征在于，所述聚焦设备采用抛物面反射镜。

10.一种基于数字图像处理的多光轴系统平行测试方法，其特征在于，该方法包括：

在聚焦设备的焦平面处放置光阑，被测设备通过电视观瞄将瞄准通道的瞄准分划中心对准光阑中心，将电视观瞄调焦至最远；

被测设备输出红外光；

采用所述图像采集模块采集光阑图像并将采集的图像数据传输给所述图像处理模块，所述图像处理模块对接收到的图像进行数字化处理得到光阑中心在整幅图像中的绝对坐标(b_x′，b_y′)；

保持当前状态，将光阑更换为衰减器，被测设备输出激光；

激光经所述衰减器衰减后由所述图像采集模块采集到激光图像并将采集的图像数据传输给所述图像处理模块，所述图像处理模块对接收到的图像进行数字化处理得到激光光斑最大能量点在整幅图像中的绝对坐标(c_x′，c_y′)；

所述图像处理模块基于所述光阑中心在整幅图像中的绝对坐标(b_x′，b_y′)和激光光斑最大能量点在整幅图像中的绝对坐标(c_x′，c_y′)，实现被测设备红外光光轴和激光光轴的平行性测试。

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