CN113237633B - 一种基于图像处理的光电平台稳定精度检测的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于图像处理的光电平台稳定精度检测的方法，该方法如下：将光电平台挂载在摇摆台上，将平行光管固定在基座上，调节光电平台角度使光电平台内相机的光探测器的十字丝与分划板上的十字丝重合；上位机提取滤波后的分划板十字丝投影中心点的坐标；设定颜色与分划板的十字丝和光探测器的十字丝均不同的标定十字丝，调节标定十字丝中心点位置使其与分划板十字丝投影中心点重合并记录位置调节值；计算此时标定十字丝中心点与光探测器十字丝中心点之间的偏差；控制摇摆台运动，通过上位机实时采集图像，计算标定十字丝中心点与光探测器的十字丝中心点的偏差变化值，从而得到光电平台的稳定精度。
Description
技术领域
本发明属于图像处理技术领域，涉及一种利用图像处理技术检测光电平台稳定精度的方法。
背景技术
随着互联网科技的迅速发展，信息技术不仅广泛应用于工业、建筑、医学、教学、娱乐和公共设施等领域，也广泛应用于军事领域。目前，信息技术应用于军事领域最为典型的例子是光电平台的发展。光电平台是指搭载在飞机、卫星、车辆、船只等动/静基座载体上，用于完成对目标的搜索、定位、跟踪等的设备，内部可装载可见光相机、红外热像仪、激光测距机等载荷。以动载体为例，由于平台与载体为刚性连接，则载体的姿态变化、振动、外界气流的冲击和阻力对光电平台产生一系列不确定影响，从而降低内部载荷的工作性能。为了使内部载荷的工作性能不受影响，就需要光电平台具有高稳定精度，用以克服载体和外界气流的动态扰动影响，保持视轴稳定。
稳定精度是光电平台的一项重要指标，对稳定精度指标的检验和评估不但给稳定精度的优化提供参考依据，还直接关系到后续链路集成的综合指标裕度分析。目前，普遍使用的检测方法是：把待检测光电平台挂载到摇摆台上，在光电平台前方设立固定靶标，晃动摇摆台，利用光电平台的可见光相机拍摄靶标视频，然后后期通过图像分析方式得到光电吊舱的稳定精度。这种事后处理检测方法，操作繁琐，出现较大的测试误差时还需要重新搭建检测环境录制视频，增加时间和人工成本。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于图像处理的光电平台稳定精度检测的方法，该方法既使用方便，又能够实时、高效、直观判断光电平台稳定精度检测结果是否准确。
为了解决上述技术问题，本发明的基于图像处理的光电平台稳定精度检测的方法如下：
将光电平台挂载在摇摆台上；将平行光管固定在基座上；开启光电平台和摇摆台的电源，打开上位机，调节光电平台角度使光电平台内相机的光探测器的十字丝与分划板上的十字丝重合；上位机接收光探测器采集的图像并对图像有效区域进行去噪处理得到滤波后的分划板的十字丝图像，对滤波后的分划板十字丝图像作中心坐标提取，得到分划板十字丝投影中心点O2的坐标；
设定颜色与分划板的十字丝和光探测器的十字丝均不同的标定十字丝；设定标定十字丝的中心点O1的初始位置并通过上位机参数设置功能调节O1的位置使其与分划板十字丝投影中心点O2重合，记录标定十字丝中心点O1的位置调节值Δx、Δy；
按照下述公式计算此时标定十字丝中心点O1与光探测器的十字丝中心点Oo之间的偏差；
offset_x＝Δx+Xmax-m/2
offset_y＝Δy+Ymax-n/2
其中，offset_x为标定十字丝中心点O1与光探测器的十字丝中心点Oo在x轴的偏差值，offset_y为标定十字丝中心点O1与光探测器的十字丝中心点Oo(xo，yo)在y轴的偏差值；Xmax、Ymax分别为分划板十字丝投影中心点O2在有效区域内的坐标；m为有效区域的像素列数，n为有效区域的像素行数；
开启摇摆台电源，控制摇摆台做单方位正弦运动、单俯仰正弦运动或方位和俯仰同时运动；通过上位机实时采集图像，计算标定十字丝中心点与光探测器的十字丝中心点的偏差变化值，从而得到光电平台的稳定精度。
进一步，开启光电平台和摇摆台的电源，打开上位机后，将光电平台的相机的焦距调至最长焦状态，再调节光电平台角度使光电平台内相机的光探测器的十字丝与分划板上的十字丝重合。
进一步，所述的图像有效区域可以为整个图像区域。
进一步，所述的图像有效区域还可以为图像的中间区域。
上位机采用下述方法对图像有效区域进行去噪处理得到滤波后的分划板十字丝图像：
(1)对图像有效区域进行二值化处理得到二值化图像；
(2)利用Two-Pass法去掉干扰，得到滤波后的分划板十字丝图像。
所述步骤(2)中，利用Two-Pass法去掉干扰，得到滤波后的分划板十字丝图像的方法如下：
第一次标记时对二值化图像从左向右，从上向下扫描，当该像素的左邻像素和上邻像素为无效值时，给该像素置一个新的label值；当该像素的左邻像素或者上邻像素有一个为有效值时，则将有效值像素的label赋给该像素的label值，并将该像素作为子节点，将有效值像素作为该子节点的父节点；当该像素的左邻像素和上邻像素都为有效值时，选取其中较小的label值赋给该像素的label值；并将该像素作为子节点，将左邻像素和上邻像素作为该子节点的父节点；
按照上述方法形成树形结构，将属于同一个树形结构的所有像素中最小的label值赋给树形结构内所有像素的label，则label值相同的像素组成同一个连通域；将其中面积小于设定阈值的连通域消除，得到滤波后的分划板的十字丝图像。
进一步，上位机采用灰度投影法对分划板的十字丝图像作中心坐标提取，得到分划板十字丝投影中心点O2的坐标。
进一步，上位机采用灰度投影法对分划板的十字丝图像作中心坐标提取的方法如下：将两幅滤波后的图像叠加，得到完整的分划板十字丝；根据下述公式求取有效区域各行像素的灰度和及各列像素的灰度和：
其中X[p]为有效区域第p行像素的灰度和，m为有效区域的像素列数，graypi为有效区域第p行第i列像素灰度值，Y[q]为有效区域第q列像素的灰度和，n为有效区域的像素行数，grayqj为有效区域第q列第j行像素灰度值；
取X[p]、Y[q]中的最大值Xmax、Ymax作为分划板十字丝投影中心点O2的坐标。
所述的上位机采用下述方法获得光电平台的稳定精度：
按照下述公式计算任意采样时刻i检测到的标定十字丝中心点与光探测器的十字丝中心的偏差变化值；
Δxi＝x1_i-M/2-offset_x
Δyi＝y1_i-N/2-offset_y
其中Δxi、Δyi分别是第i次采样时刻标定十字丝中心点与光探测器的十字丝中心点在x、y方向的偏差变化值；x1_i、y1_i分别是第i次采样检测到的标定十字丝中心点x、y坐标，i＝1,2，…k；k≥1000，k是采样数据个数；
根据下述公式计算光电平台的稳定精度；
ωx＝ωx_j×f
ωy＝ωy_j×f
其中ωx_j、ωy_j分别是k个x方向偏差变化值的均方根和k个y方向偏差变化值的均方根，f为像元尺寸，ωx、ωy分别是光电平台方位稳定精度和俯仰稳定精度。
本发明在相机长焦状态，通过摇杆控制光电平台角度，使得相机光探测器的十字丝，与平行光管中的分划板十字丝重合，利用图像处理的方式，将稳定精度检测转换为对两个十字丝中心坐标偏差的计算，通过上位机图像处理功能可在任意时刻对视频中的十两个字丝中心进行实时检测，且能将检测结果在视频上进行标注，达到可视化的目的，让操作人员直观观测到检测出的十字丝中心是否准确。当停止检测后可自动计算出稳定精度，并保存有效数据。本发明能够实时自动计算稳定精度，无需操作人员后续处理，操作简单，检测结果可视化。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。
图1为本发明的基于图像处理的光电平台稳定精度检测方法示意图。
图2为摇摆台示意图。
图3为光电平台示意图。
图4a、图4b分别为分划板上的十字丝和光探测器上的十字丝图片。
图5为第一次扫描连通域标记示意图。
图6为第二次扫描连通域标记示意图。
图7为分划板十字丝、光探测器的十字丝、标定十字丝相对位置示意图。
图8为上位机图像处理算法流程图。
1.光电平台；2.摇摆台；3.平行光管；31.光源；32.分划板；4.基座；5.上位机。
具体实施方式：
如图1所示，本发明的基于图像处理的光电平台稳定精度检测方法具体如下：
步骤一、如图1所示，将光电平台1挂载在摇摆台2上；将平行光管3固定在基座4上。
摇摆台为两轴两框架平台，可挂载光电平台，根据预期设置为光电平台提供模拟空间扰动，即根据指标需要提供不同频率和不同振幅的轴向正弦运动，还可根据实际情况设置不同初始正交位置。
平行光管可发射出平行光信号，基座可以调整。平行光管3包括光源31和分划板32，分划板位于平行光管的后端，分划板上的十字丝为透明介质，光束可自由透过，分划板的其他部分为不透明介质，光束无法透过。在使用时，打开探照灯，可以调整分划板的背景亮度。
步骤二、开启光电平台和摇摆台的电源，将光电平台的相机的焦距调至最长焦状态(也可以选择调至其他状态，优选最长焦状态，此时稳定精度最高)；打开上位机，如果在上位机界面上看不到十字丝，可用白纸遮挡光探测器找到光斑位置，微调摇摆台的方位和俯仰角度，使光束照射到光探测器靶面上，在上位机界面上就能看到十字丝，如图4a、4b所示。将摇摆台和光电平台都设置到初始工作位置，使光电平台与摇摆台的方位轴和俯仰轴均满足轴向平行(即通过上位机的摇杆调节光电平台角度使相机的光探测器的十字丝与分划板上的十字丝完全重合)，探测器的十字丝与分划板上的十字丝采用不同颜色，这里光探测器的十字丝为绿色，分划板上的十字丝为黑色。
步骤三、上位机是在MFC框架下编写，具备与光电平台通信、视频显示、图像处理功能，主要功能是接收光探测器采集的图像，检测分划板的十字丝的中心坐标。上位机采用下述方法获得分划板十字丝中心点与光探测器的十字丝中心点之间的偏差：
(1)对图像进行裁剪，只保留中间有效区域；根据系统默认阈值，对图像中间有效区域进行全局固定阈值T分割，得到二值化图像；二值化公式如下：
f(x,y)为任一像素的灰度值。
(2)图像去噪：根据图4a、4b可以看到，二值化图像上存在干扰，但干扰点所占面积较小，分划板的十字丝并不完整，这是因为，当分划板的十字丝与光探测器的十字丝重合时，存在遮挡关系。因此分别提取分划板的十字丝与光探测器的十字丝，利用Two-Pass法去掉干扰(或者采用调整阈值的方法降低干扰，或者采用形态学滤波方法通过腐蚀去掉干扰)，得到滤波后的分划板的十字丝图像；具体方法如下：
在Two-pass连通域标记中，第一次标记时从左向右，从上向下扫描，会将各个有效像素置一个label值，以4邻域为例,如图5所示，规则如下：
当该像素的左邻像素和上邻像素为无效值(这里由于分划板十字丝为黑色，无效值为1，有效值为0)时，给该像素置一个新的label值；例如第1行第3列像素label13＝1，第1行第6列像素label16＝label13+1＝2，第2行第1列像素label21＝label16+1＝3；
当该像素的左邻像素或者上邻像素有一个为有效值时，则将有效值像素的label赋给该像素的label值，并将该像素作为子节点，将有效值像素作为该子节点的父节点；例如第2行第2列像素label22＝label21＝3，第2行第2列像素为子节点，第2行第1列像素作为第2行第2列像素的父节点；
当该像素的左邻像素和上邻像素都为有效值时，选取其中较小的label值赋给该像素的label值；并将该像素作为子节点，将左邻像素和上邻像素作为该子节点的父节点；例如第2行第3列像素label23＝label13＝1；第2行第3列像素为子节点，第1行第3列像素和第2行第2列像素作为该像素的父节点；
按照上述方法形成树形结构，将属于同一个树形结构的所有像素中最小的label值赋给树形结构内所有像素的label，则label值相同的像素组成同一个连通域；最后统计所有连通域的面积，将面积小于设定阈值的连通域中的所有像素值置为0，即可去掉干扰，得到滤波后的分划板的十字丝图像。
(3)利用灰度投影法对步骤(2)得到的分划板的十字丝图像作中心坐标提取(也可以采用计数方法，输出十字丝长度，取一半提取十字丝中心坐标)：将两幅步骤(2)得到的滤波后的图像叠加，可得到完整的黑色十字丝；根据公式(2)求取有效区域各行像素的灰度和及各列像素的灰度和：
其中X[p]为有效区域第p行像素的灰度和，m为有效区域的像素列数，graypi为有效区域第p行第i列像素灰度值，Y[q]为有效区域第q列像素的灰度和，n为有效区域的像素行数，grayqj为有效区域第q列第j行像素灰度值；
取X[p]、Y[q]中的最大值Xmax、Ymax作为分划板十字丝投影中心点O2的坐标(x2，y2)；即x2＝Xmax，y2＝Ymax；
设定颜色与分划板的十字丝和光探测器的十字丝均不同的标定十字丝；这里设定为红色；设定标定十字丝的中心点O1的初始位置(x1_0，y1_0)；通过上位机参数设置功能调节O1的位置使其与分划板十字丝投影中心点O2(x2，y2)重合，此时标定十字丝中心点O1的坐标为(x1_1，y1_1),x1_1＝Xmax，y1_1＝Ymax；记录标定十字丝中心点O1的位置调节值Δx、Δy；
根据公式(3)计算分划板十字丝投影中心点O2(x2，y2)与光探测器的十字丝中心点Oo(xo，yo)之间的偏差(即此时标定十字丝中心点O1(x1_1，y1_1)与光探测器的十字丝中心点Oo(xo，yo)之间的偏差)，xo＝m/2，yo＝n/2；
其中，offset_x为分划板十字丝投影中心点O2(x2，y2)与光探测器的十字丝中心点Oo(xo，yo)在x轴的偏差值，offset_y为分划板十字丝投影中心点O2(x2，y2)与光探测器的十字丝中心点Oo(xo，yo)在y轴的偏差值；
此时标定十字丝中心点O1在整个图像中的绝对坐标(x1，y1)根据公式(4)计算；
其中N、M分别为整个图像的像素行数、列数；
采用这种方法，可以将实时检测计算分划板十字丝投影中心点O2(x2，y2)与光探测器的十字丝Oo(xo，yo)之间的偏差值转化为实时检测计算标定十字丝中心点O1与光探测器的十字丝Oo(xo，yo)之间的偏差值。由于标定十字丝为上位机在视频上叠加的图层，并没有改变原始图像的像素值，在光电平台稳定精度检测过程中，不会对画面里的分化板十字丝、与光探测器十字丝造成干扰。方便操作人员直接观看检测结果是否正确，如检测过程中发现偏差可在参数设置中随时更改。
步骤四、由于动基座光电平台的稳定系统依赖于陀螺等测速元件的高精度反馈，而陀螺的漂移特性对光电平台稳定状态下的角度基准有一定的非线性影响，故通常截取陀螺动态漂移表现较优的时段进行稳定精度检测。
开启摇摆台电源，控制摇摆台做单方位正弦运动、单俯仰正弦运动或方位和俯仰同时运动，光电平台底座将随摇摆台一起进行空间运动。这时，光电平台的稳定系统将克服摇摆台的正弦扰动，使光电平台保持稳定状态，则标定十字丝中心点O1(x1_1，y1_1)与光探测器的十字丝点Oo(xo，yo)会一直保持重合。如果光电平台的稳定系统存在稳态残差，不能完全克服摇摆台的扰动，标定十字丝中心点相对于光探测器的十字丝中心之间的偏差会出现微小变化。在平台稳定系统克服扰动的过程中，通过上位机实时采集图像，然后通过图像处理的方式计算标定十字丝中心点与光探测器的十字丝中心的偏差变化值，从而得到稳定精度的统计表现。
任意采样时刻i检测到的标定十字丝中心点与光探测器的十字丝中心点的偏差变化值根据公式(5)计算：
其中Δxi、Δyi分别是第i次采样时刻标定十字丝中心点与光探测器的十字丝中心点在x、y方向的偏差变化值；x1_i、y1_i分别是第i次采样检测到的标定十字丝中心点x、y坐标，i＝1,2，…k；k≥1000，k是采样数据个数。
根据公式(6)计算光电平台的稳定精度；
其中ωx_j、ωy_j分别是k个x方向偏差变化值的均方根和k个y方向偏差变化值的均方根，f为像元尺寸，ωx、ωy分别是光电平台方位稳定精度和俯仰稳定精度。
上位机还具有存储功能，可将光电平台实时晃动的角度保存成EXCEL文件，以备后续使用。
数据分析结果表明，该测量方式得出的测量结果基本符合实验所用光电平台的扰动隔离水平以及对不同扰动参量作用下的稳定残差变化趋势，如表一所示。
表一不同参数下的稳定精度测量结果
。
Claims (8)
1.一种基于图像处理的光电平台稳定精度检测的方法，其特征在于该方法如下：
将光电平台挂载在摇摆台上；将平行光管固定在基座上；开启光电平台和摇摆台的电源，打开上位机，调节光电平台角度使光电平台内相机的光探测器的十字丝与分划板上的十字丝重合；上位机接收光探测器采集的图像并对图像有效区域进行去噪处理得到滤波后的分划板的十字丝图像，对滤波后的分划板十字丝图像作中心坐标提取，得到分划板十字丝投影中心点O2的坐标；
设定颜色与分划板的十字丝和光探测器的十字丝均不同的标定十字丝；设定标定十字丝的中心点O1的初始位置并通过上位机参数设置功能调节O1的位置使其与分划板十字丝投影中心点O2重合，记录标定十字丝中心点O1的位置调节值Δx、Δy；
按照下述公式计算此时标定十字丝中心点O1与光探测器的十字丝中心点Oo之间的偏差；
offset_x＝Δx+Xmax-m/2
offset_y＝Δy+Ymax-n/2
其中，offset_x为标定十字丝中心点O1与光探测器的十字丝中心点Oo在x轴的偏差值，offset_y为标定十字丝中心点O1与光探测器的十字丝中心点Oo(xo，yo)在y轴的偏差值；Xmax、Ymax分别为分划板十字丝投影中心点O2在有效区域内的坐标；m为有效区域的像素列数，n为有效区域的像素行数；
开启摇摆台电源，控制摇摆台做单方位正弦运动、单俯仰正弦运动或方位和俯仰同时运动；通过上位机实时采集图像，计算标定十字丝中心点与光探测器的十字丝中心点的偏差变化值，从而得到光电平台的稳定精度；
所述的上位机采用下述方法获得光电平台的稳定精度：
按照下述公式计算任意采样时刻i检测到的标定十字丝中心点与光探测器的十字丝中心的偏差变化值；
Δxi＝x1_i-M/2-offset_x
Δyi＝y1_i-N/2-offset_y
其中Δxi、Δyi分别是第i次采样时刻标定十字丝中心点与光探测器的十字丝中心点在x、y方向的偏差变化值；x1_i、y1_i分别是第i次采样检测到的标定十字丝中心点x、y坐标，
i＝1,2，…k；k≥1000，k是采样数据个数；
根据下述公式计算光电平台的稳定精度；
ωx＝ωx_j×f
ωy＝ωy_j×f
其中ωx_j、ωy_j分别是k个x方向偏差变化值的均方根和k个y方向偏差变化值的均方根，f为像元尺寸，ωx、ωy分别是光电平台方位稳定精度和俯仰稳定精度。
2.根据权利要求1所述的基于图像处理的光电平台稳定精度检测的方法，其特征在于开启光电平台和摇摆台的电源，打开上位机后，将光电平台的相机的焦距调至最长焦状态，再调节光电平台角度使光电平台内相机的光探测器的十字丝与分划板上的十字丝重合。
3.根据权利要求1所述的基于图像处理的光电平台稳定精度检测的方法，其特征在于所述的图像有效区域为整个图像区域。
4.根据权利要求1所述的基于图像处理的光电平台稳定精度检测的方法，其特征在于所述的图像有效区域为图像的中间区域。
5.根据权利要求3或4所述的基于图像处理的光电平台稳定精度检测的方法，其特征在于上位机采用下述方法对图像有效区域进行去噪处理得到滤波后的分划板十字丝图像：
(1)对图像有效区域进行二值化处理得到二值化图像；
(2)利用Two-Pass法去掉干扰，得到滤波后的分划板十字丝图像。
6.根据权利要求5所述的基于图像处理的光电平台稳定精度检测的方法，其特征在于所述步骤(2)中，利用Two-Pass法去掉干扰，得到滤波后的分划板十字丝图像的方法如下：
第一次标记时对二值化图像从左向右，从上向下扫描，当该像素的左邻像素和上邻像素为无效值时，给该像素置一个新的label值；当该像素的左邻像素或者上邻像素有一个为有效值时，则将有效值像素的label赋给该像素的label值，并将该像素作为子节点，将有效值像素作为该子节点的父节点；当该像素的左邻像素和上邻像素都为有效值时，选取其中较小的label值赋给该像素的label值；并将该像素作为子节点，将左邻像素和上邻像素作为该子节点的父节点；
按照上述方法形成树形结构，将属于同一个树形结构的所有像素中最小的label值赋给树形结构内所有像素的label，则label值相同的像素组成同一个连通域；将其中面积小于设定阈值的连通域消除，得到滤波后的分划板的十字丝图像。
7.根据权利要求1所述的基于图像处理的光电平台稳定精度检测的方法，其特征在于上位机采用灰度投影法对分划板的十字丝图像作中心坐标提取，得到分划板十字丝投影中心点O2的坐标。
8.根据权利要求7所述的基于图像处理的光电平台稳定精度检测的方法，其特征在于上位机采用灰度投影法对分划板的十字丝图像作中心坐标提取的方法如下：将两幅滤波后的图像叠加，得到完整的分划板十字丝；根据下述公式求取有效区域各行像素的灰度和及各列像素的灰度和：
其中X[p]为有效区域第p行像素的灰度和，m为有效区域的像素列数，graypi为有效区域第p行第i列像素灰度值，Y[q]为有效区域第q列像素的灰度和，n为有效区域的像素行数，grayqj为有效区域第q列第j行像素灰度值；
取X[p]、Y[q]中的最大值Xmax、Ymax作为分划板十字丝投影中心点O2的坐标。
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