CN112954308B - 一种对焦清晰度绝对评价方法和用于对显示屏成像的系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开一种显示屏对焦清晰度绝对评价方法和系统。根据本发明的方法包括：呈现测试图像，该测试图像包括N个具有不同空间频率的区域，每个区域被赋予与其空间频率对应的清晰度系数；利用图像采集单元对呈现的测试图像进行成像，得到包括各区域的成像数据；利用成像数据计算各区域的调制传递函数值，MTF_n＝(Gmax_n–Gmin_n)/(Gmax_n+Gmin_n)，MTF_n为区域n的调制传递函数值，n＝1,…,N，Gmax_n为区域n的灰度最大值，Gmin_n为区域n的灰度最小值；根据计算得到的各区域MTF，确定用于表征对焦清晰度的区域；利用所确定区域的MTF和清晰度系数，计算该成像的对焦清晰度。用待测显示屏呈现所述测试图像，根据本发明的方法可用于显示屏测试中显示屏对焦清晰度的绝对评价。

Description

一种对焦清晰度绝对评价方法和用于对显示屏成像的系统

技术领域

本发明涉及视觉拍摄成像领域。更具体地，涉及一种显示屏对焦清晰度的绝对评价方法和系统。

背景技术

在常规自动化应用领域，视觉系统的对焦和对焦程度的量化评价是一个常规应用需求。

目前的成像清晰度测量方法，分析方向是图像成像的画面质量，基础方向是对成像画面的方差或者是像素梯度差的分析，从画面质量进行图像分析得到测量值。

常规对成像图像锐度、方差等数据的测量，因为是从成像画面的数据进行整体计算，得到的只能是一个相对参考值。在成像曝光时间不同、光圈不一样或者光学系统不一样的条件下，成像数据的灰度值不一样，或者如果计算画面中的高频数据分布不一样，得到的清晰度值域都是不一样的。

因此，希望提供一种显示屏对焦清晰度的绝对评价方法，以便与曝光和光圈等成像条件无关地衡量对焦程度。

发明内容

为解决上述问题，本发明第一方面提供一种对焦清晰度绝对评价方法，该方法包括：

呈现测试图像，该测试图像包括N个具有不同空间频率的区域，每个区域被赋予与其空间频率对应的清晰度系数；

利用图像采集单元对呈现的测试图像进行成像，得到包括各区域的成像数据；

利用成像数据计算各区域的调制传递函数值MTF

MTF_n＝(Gmax_n–Gmin_n)/(Gmax_n+Gmin_n)，

MTF_n为区域n的调制传递函数值，n＝1，…，N，

Gmax_n为区域n的灰度最大值，Gmin_n为区域n的灰度最小值；

根据计算得到的各区域MTF，确定用于表征对焦清晰度的区域；

利用所确定区域的MTF和清晰度系数，计算该成像的对焦清晰度。

优选地，利用下式计算对焦清晰度

sharpness_n＝MTF_n*α_n，

其中α_n为区域n的清晰度系数，0<α_n≤1，且随区域空间分辨率的增大而增大。

优选地，所述确定用于表征对焦清晰度的区域的步骤进一步包括：

按照空间频率由低到高或由高到低的顺序依次计算各区域的MTF，

如果当前区域的MTF大于等于预设值，且相邻空间频率高的区域的MTF小于预设值，则当前区域为用于表征对焦清晰度的区域。

优选地，由显示屏呈现所述测试图像，所述测试图像中区域n的空间频率f_n为显示像素逐m行/列亮暗，m大于等于1，各区域以m增加的方式顺序设置。

优选地，所述测试图像中各区域以m递增的方式设置，各区域清晰度系数随m的递增而递减。

优选地，该方法进一步包括：将得到的各区域成像数据中，数据量小于预定比例的灰度峰值作为干扰数据进行过滤。

优选地，该方法进一步包括：

将得到的成像数据插值到标准的MR，利用得到的插值数据计算MTF，MR为图像采集单元长或宽像素数与显示屏长或宽像素数之比。

根据本发明的第二方面，提供一种对显示屏成像的系统，该系统包括：

测试图像生成单元，该测试图像包括N个具有不同空间频率的区域，每个区域被赋予与其空间频率对应的清晰度系数；

图像采集单元，用于对呈现的测试图像进行成像，得到包括各区域的成像数据；

数据处理单元，利用成像数据计算计算对焦清晰度

sharpness_n＝MTF_n*α_n，

其中

MTF_n＝(Gmax_n–Gmin_n)/(Gmax_n+Gmin_n)，MTF_n为区域n的调制传递函数值，n＝1，…，N，

Gmax_n为区域n的灰度最大值，Gmin_n为区域n的灰度最小值；

α_n为区域n的清晰度系数，0<α_n≤1，且随区域空间分辨率的增大而增大；

根据计算得到的各区域MTF，确定用于表征对焦清晰度的区域；

利用所确定区域的MTF和清晰度系数，计算该成像的对焦清晰度。

优选地，所述数据处理单元确定用于表征对焦清晰度的区域进一步包括，

按照空间频率由低到高或由高到低的顺序依次计算各区域的MTF，

如果当前区域的MTF大于等于预设值，且相邻空间频率高的区域的MTF小于预设值，则当前区域为用于表征对焦清晰度的区域。

根据本发明的第三方面，提供一种用于显示屏对焦测试的显示方法，该方法包括，

显示屏显示测试图像，该测试图像包括N个具有不同空间频率的区域，每个区域被赋予与其空间频率对应的清晰度系数；

所述测试图像中区域n的空间频率f_n为显示像素逐m行/列亮暗，m大于等于1，各区域以m增加的方式顺序设置。

本发明的有益效果如下：

本发明提供了一种用于对焦清晰度绝对评价的显示方法，该显示方法通过由显示屏显示包括具有不同空间频率的多个区域的测试图像，且每个区域具有与其空间频率对应的清晰度系数，提供了一种对焦清晰度的绝对评价方法。用待测显示屏呈现所述测试图像，根据本发明的方法可用于显示屏测试中显示屏对焦清晰度的自动评价，并应用于常规自动化应用领域中视觉系统的自动对焦。

本发明利用光学系统的调制传递函数MTF(Modulation Transfer Function)计算原理，对图像采集装置获取的显示屏成像数据进行分区域计算，得到区域的调制传递函数值，可以确定用于表征对焦清新度的区域，结合该区域清晰度系数，可以得到例如从1％～100％的成像清晰度值，作为一种用于清晰度评价的绝对指标。利用根据本发明定义的清晰度值，可与曝光条件和光圈等条件无关地，对显示屏的对焦程度进行绝对表征和自动化评价，解决了在生产、测试过程中如何对显示屏对焦程度进行标准量化评价的问题。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出本发明一个实施例的显示屏对焦清晰度绝对评价方法流程图。

图2示出空间频率图像成像原理图。

图3示出本发明一个实施例的测试图像。

图4示出本发明一个实施例的测试图像的不同空间频率区域。

图5示出成像摩尔纹示意图；

图6示出本发明一个实例的测试数据灰度直方图。

图7示出本发明一个实例的放大比例概念示意图。

图8示出本发明一个实施例的显示屏对焦清晰度的评价系统。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

图1示出本发明的实施例提供的一种显示屏对焦清晰度绝对评价方法，该方法包括：

由显示屏呈现测试图像，该测试图像包括N个具有不同空间频率的区域，每个区域被赋予与其空间频率对应的清晰度系数；

利用图像采集单元对呈现的测试图像进行成像，得到包括各区域的成像数据；

利用成像数据计算各区域的调制传递函数值MTF

MTF_n＝(Gmax_n–Gmin_n)/(Gmax_n+Gmin_n)，MTF_n为区域n的调制传递函数值，n＝1，…，N，

Gmax_n为区域n的灰度最大值，Gmin_n为区域n的灰度最小值；

根据计算得到的各区域MTF，确定用于表征对焦清晰度的区域；

利用所确定区域的MTF和清晰度系数，计算该成像的对焦清晰度。

理论基础

现有技术中，如图2-a所示的明暗相间的图像，在本说明书中也称为具有空间频率的图像，在视觉系统中的成像同样会体现出明暗相间的数据趋势。在理想的对焦条件下，如果不考虑镜头分辨率、光波色散等问题，那么成像将出现图2-b示理想状态的方波数据。但是在实际的应用中，如果成像虚焦，或者因为光量通过镜头成像会受像散、色散等光学现象的干扰，导致标准空间梯度图像在成像时，梯度边缘部分会有数据的衰减，导致成像波形呈现正态分布趋势如图2-c。

在理想成像下，方波形态数据没有损失，数据的幅值为A1，像素灰度值范围为0-255，在实际成像的虚焦状态下，因为能量向邻域的衰减，幅值降低为A2，像素灰度值范围变为50-200，差值diff＝A2-A1。当虚焦程度越大情况下，diff值越大，越靠近对焦位置，diff值越小。

调制传递函数MTF是分析镜头的解像能力的方法，提供一种可以量化到0～1之间具体数值的测量方式。镜头解像能力越高，计算得到的MTF值越接近1。本发明意图提供一种基于MTF的表征对焦清晰度的方法，如果图像采集装置越靠近对焦位置，那么成像越清晰，计算的MTF也会越接近1。

具体地，图像采集装置对具有某一空间频率的测试图像的进行成像，对成像数据进行分析，得到该空间频率成像数据的灰度最大值Gmax和成像数据灰度最小值Gmin。理想的对焦条件下，具有空间频率的图像的灰度最大值为_Gmax，灰度最小值为_Gmin＝0。根据标准的调制传递函数计算公式：

MTF＝M/M’

M＝(Gmax-Gmin)/Gmax+Gmin)

M’＝(_Gmax-_Gmin)/(_Gmax+_Gmin)＝1

由此，调制传递函数进一步可化简为

MTF＝(Gmax–Gmin)/(Gmax+Gmin)。

本发明利用从成像数据得到灰度最大值和灰度最小值，就可以得到该空间频率图像的成像MTF。当测试图像中包括多个具有不同空间频率的区域时，该测试图像的成像数据MTF可用于确定表征成像对焦清晰度的区域。本发明中，测试图像的不同区域被赋予与区域的空间频率对应的取值为0～1的清晰度系数，利用确定的用于表征清晰度的区域的MTF和该区域的清晰度系数的乘积作为该次成像的对焦清晰度值sharpness_n，

sharpness_n＝MTF_n*α_n

其中α_n为区域n的清晰度系数，0<α_n≤1，且随区域空间分辨率的增大而增大，n取值为1～N，N为测试图像中区域的个数。

逐区域计算每一区域的MTF。例如，按照空间频率由低到高的顺序或由高到低的顺序，依次计算各区域的MTF。比较空间频率相邻的区域的MTF，如果当前区域的MTF大于等于预设值，且相邻空间频率高的区域的MTF小于预设值，则认为当前区域以及空间频率小于当前区域空间频率的区域被清晰成像，空间频率大于当前区域空间频率的区域未能清晰成像，当前区域被确定为用于表征对焦清晰度的区域。优选地，MTF预设值可以根据图像采集装置的成像特性选取，也可以根据测试图像的空间频率区域设计选取，例如可取0.9～1之间的任意值。

本发明由此提供了一种用于显示屏对焦测试的显示方法，该方法利用显示屏显示测试图像，该测试图像包括N个具有不同空间频率的区域，每个区域被赋予与其空间频率对应的清晰度系数；所述测试图像中区域n的空间频率f_n为显示像素逐m行/列亮暗，m大于等于1，各区域以m增加的方式顺序设置。利用该测试图像，使得图像采集装置对显示屏对焦的对焦清晰度绝对评价成为可能。

在不同设置和配置的成像系统中，比如亮度不一致、曝光时间不一致、产品不一致的条件下，每个系统测量出来的清晰度结果都不在同一个比较空间内，无法进行直接清晰度对比。通过使用根据本发明的测试图像用于评价，在不同的条件下，可以得到一个绝对的清晰度测量值。通过利用显示屏呈现包括多个具有不同空间频率区域的测试图像，使用光学系统的调制传递函数MTF(Modulation Transfer Function)计算原理，对成像数据进行分区域计算，并与区域的空间频率值对应地对各区域赋予系数值，可以得到统一的用于对焦清晰度评价的绝对指标，比如从1％～100％。利用根据本发明定义的清晰度值，可与曝光条件和光圈等条件无关地，对显示屏的对焦程度进行绝对表征和评价，解决了在生产、测试过程中进行标准量化评价的问题。

测试图像空间频率的区域设计

根据本发明的实施方式，测试图像设计成包括多个例如N个不同空间频率的区域。本发明中，区域n的空间频率f_n用显示像素逐m行/列像素亮暗的行/列数表示，m是大于等于1的整数，m越大，空间频率越低，m越小，空间频率越高。各区域以m增加的方式或者说以空间频率降低的方式顺序设置。根据本发明的优选实施方式，测试图像中各区域以m递增的方式依次设置，更优选地，各区域以m递增的方式，自中心向外逐区域递增空间亮暗排布的像素列数或行数。或者，可以m递减的方式自外部向中心依次设置各区域。

如图3所示，以测试图像设计成6个不同空间频率的区域为例，空间频率从中心向外逐渐递减，最中心区域的空间频率为逐1行像素亮/暗排列，其右侧区域的空间频率为逐2列像素亮/暗排列，下方区域为逐4列像素亮/暗排列，向右侧区域为逐6行像素亮/暗排列，上方区域为逐8列像素亮/暗排列，向左侧为逐10行像素亮/暗排列的区域。该测试图像的区域分布仅用于对本发明进行示例性说明，当然区域的数量及位置不做限定。

如图4a所示上述示例的区域1放大图，空间频率f₁，m＝1的区域为显示像素逐1列亮暗，如图4b所示上述示例的区域2转向90度的放大图，空间频率空间频率f₂，m＝2为显示像素逐2列亮暗。

给空间频率不同的区域定义不同的清晰度系数α_n，0<α_n≤1，清晰度系数随区域空间分辨率的增大而增大。优选地，各区域清晰度系数随m的递增而递减。利用清晰度计算公式，得到小于1或100％的清晰度值，清晰度值越高成像越清晰。通过合理设计各区域空间频率的大小和相应的清晰度系数的数值，可将清晰度值用作表征对焦清晰度的绝对评价标准。

计算区域的清晰度值

在显示屏上呈现如上述的测试图像，利用图像采集装置进行成像得到成像数据。计算成像数据中各区域的灰度最大值Gmax_n和灰度最小值Gmin_n。获取图像数据中灰度最大值和灰度最小值的方法是已知的，简明起见，这里不作赘述。

利用得到的各区域成像数据灰度最大值Gmax_n和最小值Gmin_n，计算成像数据区域n的调制传递函数值

MTF_n＝(Gmax_n–Gmin_n)/(Gmax_n+Gmin_n)；

利用得到的区域的MTF，判断对该区域的成像是否清晰。以空间频率由低到高的顺序进行判断为例，区域n的空间频率f_n小于区域n+1的空间频率f_n+1，如果区域n的MTF_n大于等于预定值例如0.9，则认为对区域n的成像是清晰的。如果相邻空间频率高的区域n+1的MTF_n+1小于预定值，则将该区域n确定为表征该次成像的对焦清晰度的区域。利用区域n的MTF_n和对应α_n计算清晰度值，得到该次成像的对焦清晰度sharpness_n。

实例1

下面以测试图像包括10个区域N＝10为例，对根据本发明的测试图像和对焦清晰度绝对评价方法进行说明。

在该实施例中，10个区域的空间频率f₁～f₁₀以m＝10-1递增，α取1-0.1，MTF预设值为0.9。各区域清晰度系数α与m的递增而递减，对应关系如下：

由显示屏显示该包括10个区域的测试图像，利用图像采集装置进行第一次成像，计算区域MTF，得到MTF₁＝0.98，MTF₂＝1.0，MTF₃＝0.95，MTF₄＝0.96，MTF₅＝0.82。可以确定将区域4作为确定对焦清晰度的区域，该第一次成像的对焦清晰度sharpness₆＝0.96*0.4＝0.384。利用图像采集装置进行第二次成像，计算区域MTF，得到MTF₁～MTF₅＝1.0，MTF₆＝0.95，MTF₇＝0.94，MTF₈＝0.92。可以确定将区域8作为确定对焦清晰度的区域，该二次成像的对焦清晰度sharpness₆＝0.92*0.8＝0.736。如上面所分析的，清晰度值越大，对焦越好，可以看出，第二次成像的对焦程度好于第一次成像。

可以看出，根据本发明对焦清晰度绝对评价方法得到的对焦清晰度值，可在图像采集的对焦过程中，用于对焦程度的判断，并由此提供一种成像对焦方法。

数据校正

图像采集装置例如相机传感器空间频率和显示屏测试图像的空间频率可能出现重叠，由于摩尔纹的干扰而造成成像图像区域采样数据的峰值(Gmax_n)提高，对MTF_n的计算结果造成偏离的影响，如图5所示。在这种情况下，需要对由此产生的峰值数据进行过滤，消除由摩尔纹效应引入的干扰。

根据本发明的一个实例，成像图像区域采样数据的值域范围通常为(10～230)，那么峰值250有可能是因为摩尔纹峰值重叠造成的数据失真。对得到的成像数据的峰值部分做直方图排列，将直方图中的数据量(个数)小于数据总量预定比例例如1‰的灰度峰值250作为干扰数据过滤掉，如图6所示。

相机分辨率适配

空间频率图像是显示在显示器屏幕上面的，但是成像的分辨率取决于图像采集装置例如CCD相机的分辨率，当相机的分辨率大于产品的分辨率时，就会出现多个相机像素对应显示一个品目像素的情况。相机长或宽像素个数与显示屏长或宽像素个数之比被称为放大比例MR(maganification sbcale)，如图7所示，MR＝6/2＝3。当相机分辨率足够大时，在较大的MR成像条件下，能够将f＝1的区域进行大面阵成像，此时MTF计算中的Gmax和Gmin都有被稀释，会造成在不同的MR条件下，计算得到的清晰度值会受到影响。

根据本发明的实施方式，在对成像数据的处理过程中，将图像数据插值到同一个标准的MR，利用得到的插值数据计算各区域调制传递函数值，可以减小因为相机分辨率成像对结果造成的误差。

图8示出本发明一个实施例的一种对显示屏成像的系统，该系统包括：

测试图像生成单元，该测试图像包括N个具有不同空间频率的区域，每个区域被赋予与其空间频率对应的清晰度系数；

图像采集单元，用于对呈现的测试图像进行成像，得到包括各区域的成像数据；

数据处理单元，利用成像数据计算计算对焦清晰度

sharpness_n＝MTF_n*α_n，

其中

MTF_n＝(Gmax_n–Gmin_n)/(Gmax_n+Gmin_n)，MTF_n为区域n的调制传递函数值，n＝1，…，N，

Gmax_n为区域n的灰度最大值，Gmin_n为区域n的灰度最小值；

α_n为区域n的清晰度系数，0<α_n≤1，且随区域空间分辨率的增大而增大；

根据计算得到的各区域MTF，确定用于表征对焦清晰度的区域；

利用所确定区域的MTF和清晰度系数，计算该成像的对焦清晰度。

根据优选实施方式，处理单元确定用于表征对焦清晰度的区域进一步包括，按照空间频率由低到高或由高到低的顺序依次计算各区域的MTF，如果当前区域的MTF大于等于预设值，且相邻空间频率高的区域的MTF小于预设值，则当前区域为用于表征对焦清晰度的区域。

本发明通过利用显示屏呈现包括多个具有不同空间频率区域的测试图像，使用光学系统的调制传递函数MTF(Modulation Transfer Function)计算原理，对成像数据进行分区域计算，并与区域的空间频率值对应地对各区域赋予系数值，可以得到一种统一的清晰度评价的绝对指标，比如从1％～100％。利用根据本发明定义的清晰度值，可与曝光条件和光圈等条件无关地，对显示屏的对焦程度进行直观的绝对的表征和评价，解决了在生产、测试过程中进行标准量化评价的问题。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (9)

1.一种对焦清晰度绝对评价方法，其特征在于，该方法包括：

呈现测试图像，该测试图像包括N个具有不同空间频率的区域，每个区域被赋予与其空间频率对应的清晰度系数；

利用图像采集单元对呈现的测试图像进行成像，得到包括各区域的成像数据；

利用成像数据计算各区域的调制传递函数值MTF，

MTF_n＝(Gmax_n–Gmin_n)/(Gmax_n+Gmin_n)，MTF_n为区域n的调制传递函数值，n＝1,…,N，

Gmax_n为区域n的灰度最大值，Gmin_n为区域n的灰度最小值；

根据计算得到的各区域MTF，确定用于表征对焦清晰度的区域；

利用所确定区域的MTF和清晰度系数，计算该成像的对焦清晰度；

利用下式计算对焦清晰度

sharpness_n＝MTF_n*α_n，

其中α_n为区域n的清晰度系数，且随区域空间分辨率的增大而增大。

2.根据权利要求1所述的对焦清晰度绝对评价方法，其特征在于，所述区域n的清晰度系数α_n大于零且小于等于1。

3.根据权利要求1所述的对焦清晰度绝对评价方法，其特征在于，

所述确定用于表征对焦清晰度的区域的步骤进一步包括：

按照空间频率由低到高或由高到低的顺序依次计算各区域的MTF，

如果当前区域的MTF大于等于预设值，且相邻空间频率高的区域的MTF小于预设值，则当前区域为用于表征对焦清晰度的区域。

4.根据权利要求1所述的对焦清晰度绝对评价方法，其特征在于，

由显示屏呈现所述测试图像，测试图像中区域n的空间频率f_n为显示像素逐m行/列亮暗，m大于等于1，各区域以m增加的方式顺序设置。

5.根据权利要求4所述的对焦清晰度绝对评价方法，其特征在于，所述测试图像中各区域以m递增的方式设置，各区域清晰度系数随m的递增而递减。

6.根据权利要求1所述的对焦清晰度绝对评价方法，其特征在于，该方法进一步包括：将得到的各区域成像数据中，数据量小于预定比例的灰度峰值作为干扰数据进行过滤。

7.根据权利要求1所述的对焦清晰度绝对评价方法，其特征在于，该方法进一步包括：

将得到的成像数据插值到标准的MR，利用得到的插值数据计算MTF，MR为图像采集单元长或宽像素数与显示屏长或宽像素数之比。

8.一种用于对显示屏成像的系统，其特征在于，该系统包括：

测试图像生成单元，该测试图像包括N个具有不同空间频率的区域，每个区域被赋予与其空间频率对应的清晰度系数；

图像采集单元，用于对呈现的测试图像进行成像，得到包括各区域的成像数据；

数据处理单元，利用成像数据计算各区域的调制传递函数值MTF；

根据计算得到的各区域MTF，确定用于表征对焦清晰度的区域；

利用所确定区域的MTF和清晰度系数，计算该成像的对焦清晰度；

利用下式计算对焦清晰度：

sharpness_n＝MTF_n*α_n，

其中

MTF_n＝(Gmax_n–Gmin_n)/(Gmax_n+Gmin_n)，MTF_n为区域n的调制传递函数值，n＝1,…,N，

Gmax_n为区域n的灰度最大值，Gmin_n为区域n的灰度最小值；

α_n为区域n的清晰度系数，0<α_n≤1，且随区域空间分辨率的增大而增大。

9.根据权利要求8所述的用于对显示屏成像的系统，其特征在于，所述数据处理单元确定用于表征对焦清晰度的区域进一步包括，

按照空间频率由低到高或由高到低的顺序依次计算各区域的MTF，

如果当前区域的MTF大于等于预设值，且相邻空间频率高的区域的MTF小于预设值，则当前区域为用于表征对焦清晰度的区域。

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