CN114257695B - 一种通用的图像投射设备成像清晰度检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明解决了图像投射设备的自动测试需求，采用机器视觉技术进行检测，避免了目前人工测试结果不准确的问题，测试结果客观可靠，能够反映图像投射设备成像清晰度指标，通过初步定位和精确定位的结合，解决了实测图像出现的不利因素的影响，提高了目标区域的定位精度。首先通过初步定位确定模板区域的大概位置，并计算出缩放比例和旋转角度，对实测图像进行初步修正；再将初步定位结果传递至目标区域附近，通过对加强定位模板图案精确定位，确定目标区域缩放比例和旋转角度，再次对图像进行修正，确定最终目标区域的精确位置；具有通用性，可应用于投影仪、AR眼镜、头盔显示器和夜视镜等直接或间接成像供人眼观察的光学设备的成像清晰度测试。

Description

一种通用的图像投射设备成像清晰度检测方法

技术领域

本发明主要涉及图像投射设备的技术领域，具体为一种通用的图像投射设备成像清晰度检测方法。

背景技术

投影仪是日常生活和办公中经常使用的一种光学设备，它可以将图像通过光学器件投射到幕布上，人眼观察幕布即可观看到放大的投射图像。AR眼镜也是一种类似投影仪的设备，可以理解为一种缩小版的头戴式投影仪，通过光学器件将像源图案传递放大，直接成像在人眼的入瞳位置。头盔显示器是一种类似AR眼镜的光学设备，通过将光学器件和头盔的盔体结构有机结合起来，把二维像源图案经过光学器件传递放大，成像在人眼的入瞳位置。夜视镜，是一种基于夜视技术和光电成像技术的辅助观察设备，通过光学器件将微弱的暗光目标或者红外目标成像在人眼入瞳位置，辅助观察微弱目标或者肉眼不可见的红外目标。这几种光学设备，不考虑具体成像方式，具有一个共同点，其最终目标都是将其他目标图像经过光学器件或其他器件的投射，直接或者间接地成像，最终供人眼进行观察。在本发明中，将这些光学设备统一称为图像投射设备；

因为要供人眼观察，图像投射设备最终成像的清晰度是设备成像性能指标中一个重要的指标，表征图像投射设备将目标图像成像后是否清晰以及清晰的程度。由于制造装配误差造成的光学系统畸变以及使用损耗，图像投射设备投射出的图像质量可能会较差，出现诸如图像异常放大或缩小、旋转或拖影等不利影响，成像清晰度可能会低于设计效果，甚至完全模糊，丧失使用功能。因此，对图像投射设备的成像清晰度进行检测是非常必要的；

发明人认为，目前，测试图像投射设备成像清晰度时，大多通过测试人员直接观察所投射的图像是否清晰，给出判定结果。由于每个测试人员的视力不同，会影响测试结果，因此人工测试只能给出定性的测试结果，且测试结果随测试人员的个体性差异而变化，准确性不足，测试效率低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通用的图像投射设备成像清晰度检测方法和相应的清晰度测试源图案形式，以解决上述背景技术中提到的问题。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：

一种通用的图像投射设备成像清晰度检测方法，该清晰度检测方法的步骤为：

步骤1：控制图像投射设备投射清晰度测试源图案；

步骤2：用经过标定的相机采集图像投射设备投射的清晰度测试源图案得到实测图像；

步骤3：对采集的实测图像，采用图像处理中的模板匹配方法，以第一模板图案为模板进行模板匹配，得到第一模板图案在整幅实测图像中的位置；

步骤4：在实测图像中选取第一子模板图案和第二子模板图案的感兴趣区域，对两个子模板图案的中心精确定位，记中心坐标分别为Cor11(u11，v11)和Cor12(u12,v12)，第一模板图案包括第一子模板图案和第二子模板图案；

步骤5：计算实测图像中第一子模板图案和第二子模板图案之间的距离为L1，清晰度测试源图案设计时，已确定第一子模板图案和第二子模板图案之间的距离平均值为L0，计算从源图案到实测图像的整体缩放比例K1：K1=L1/L0；

根据实测图像中第一子模板图案和第二子模板图案的精确位置，计算图像的滚转角度A1：

A1= atan2(|v11-v12|),|u11-u12|)，A1的正负根据具体情况进行判定；

步骤6：以滚转角度A1为旋转角度，以实测图像中心为旋转中心对实测图像进行旋转，得到旋转后实测图像；

步骤7：根据步骤S4的精确定位结果和清晰度测试源图案的几何信息，再加上整体缩放比例K1的修正，在旋转后实测图像中选取第一等级分划图案区域最靠近第一模板图案的第四子模板图案的感兴趣区域，对第四子模板图案中心精确定位，得到第四子模板图案中心在旋转后实测图像中的位置；

步骤8：根据第四模板图案中心位置和清晰度测试源图案的几何信息，再加上整体放大率K1的修正，在旋转后实测图像中选取第三子模板图案、第五子模板图案和第六子模板图案的感兴趣区域，对三个子模板图案中心精确定位，得到三个子模板图案中心在整幅旋转后实测图像中的位置，记第三子模板图案、第四子模板图案、第五子模板图案、第六子模板图案中心位置分别为Cor21(u21,v21)、Cor22(u22,v22)、Cor23(u23、v23)和Cor24(u24,v24)；

步骤9：根据第三子模板图案、第四子模板图案、第五子模板图案、第六子模板图案的精确位置，计算实测图像中第三子模板图案和第四子模板图案的距离为L2、第五子模板图案和第六子模板图案的距离为L3，根据清晰度测试源图案设计时已确定的第三子模板图案和第四子模板图案的中心距离L20、第五子模板图案和第六子模板图案的中心距离L30，计算第一等级分划图案区域竖直放大系数K2和水平放大系数K3，计算公式：K2=L2/L20，K3=L3/L30；

计算第一等级分划图案区域滚转角度A2：

A2=(atan2(|u22-u21|,|v22-v21|)+atan2(|v24-v23|,|u24-u23|))/2，A2的正负根据具体情况进行判定；

步骤10：根据清晰度测试源图案几何信息，加上第三子模板图案中心精确位置、第四子模板图案中心精确位置、第五子模板图案中心精确位置、第六子模板图案中心精确位置、竖直放大系数K2和水平放大系数K3，在旋转后实测图像中选取第一等级分划图案感兴趣区域，以A2为旋转角度，以第一等级分划图案感兴趣区域中心为旋转中心对第一等级分划图案区域进行旋转，得到旋转后第一等级分划图案；在旋转后第一等级分划图案中依次取条纹一和条纹二、条纹二和条纹三、条纹三和条纹四、条纹四和条纹五组成4个明暗区域，再依次取条纹六和条纹七、条纹七和条纹八、条纹八和条纹九、条纹九和条纹十组成4个明暗区域，分别计算对比度；取8个对比度值的平均值作为清晰度判定条件；

步骤11：当步骤S10所计算的对比度值大于阈值时，则被测设备成像清晰度满足该等级清晰度要求，换算得到清晰度值，完成清晰度检测；若对比度值小于阈值，则被测设备成像清晰度不满足该清晰度要求，继续选取下一等级分划图案，参照步骤S7至步骤S10计算对比度值，直至计算到满足要求的等级，取该等级对应的清晰度值作为测试结果，若所有等级均不满足要求，则说明图像投射设备成像清晰度不满足最低要求。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明，解决了图像投射设备的自动测试需求，采用机器视觉技术进行检测，避免了目前人工测试结果不准确的问题，测试结果客观可靠，能够定量的反映图像投射设备成像清晰度指标，提高了测试效率；

2、本发明，通过初步定位和精确定位的结合，有效解决了实测图像出现的不利因素的影响，提高了目标区域的定位精度。首先通过初步定位确定模板区域的大概位置，并计算出缩放比例和旋转角度，对实测图像进行初步修正；再将初步定位结果传递至目标区域附近，通过对加强定位模板图案精确定位，确定目标区域缩放比例和旋转角度，再次对图像进行修正，确定最终目标区域的精确位置；

3、本发明，具有通用性，可应用于投影仪、AR眼镜、头盔显示器和夜视镜等直接或间接成像供人眼观察的光学设备的成像清晰度测试。

以下将结合附图与具体的实施例对本发明进行详细的解释说明。

附图说明

图1为本发明的测试方法执行的流程图；

图2为本发明的清晰度测试源图案及原理示意图；

图3为本发明的另一清晰度测试源图案及原理示意图；

图4为本发明的清晰度测试源图案中用于初步定位的第一模板图案的介绍图；

图5为本发明的清晰度测试源图案中第一等级分划图案和用于第一等级分化图案精确定位的第二模板图案的介绍图；

图6为本发明的分划图案中明条纹和暗条纹的划分以及计算对比度时提取的各明暗条纹的划分图。

实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更加全面的描述，附图中给出了本发明的若干实施例，但是本发明可以通过不同的形式来实现，并不限于文本所描述的实施例，相反的，提供这些实施例是为了使对本发明公开的内容更加透彻全面。

实施例

一种通用的图像投射设备成像清晰度检测方法：

步骤1：按照清晰度测试源图案形式生成标准格式的电子图像文件，将其导入AR眼镜显示驱动设备中，控制AR眼镜显示清晰度测试源图案；

步骤2：用经过标定的相机采集AR眼镜投射的清晰度测试源图案得到实测图像；

步骤3：对采集的实测图像，以第一模板图案1为模板进行模板匹配，得到第一模板图案1在整幅实测图像中的位置；

步骤4：在实测图像中选取第一子模板图案11和第二子模板图案12的感兴趣区域，对两个子模板图案中心精确定位，中心坐标分别为Cor11(u11，v11)和Cor12(u12,v12)；

步骤5：计算实测图像中第一子模板图案11和第二子模板图案12之间的距离为L1，清晰度测试源图案设计时，已确定第一子模板图案11和第二子模板图案12之间的距离平均值为L0，计算从源图案到实测图像的整体缩放比例K1：K1=L1/L0；

根据实测图像中第一子模板图案11和第二子模板图案12的精确位置，计算图像的滚转角度A1：

A1= atan2(|v11-v12|),|u11-u12|)，A1的正负根据具体情况进行判定；

步骤6：以滚转角度A1为旋转角度，以实测图像中心为旋转中心对实测图像进行旋转，得到旋转后实测图像；

步骤7：根据步骤S4的精确定位结果和清晰度测试源图案的几何信息，再加上整体缩放比例K1的修正，在旋转后实测图像中选取第一等级分划图案区域附近的第四子模板图案22的感兴趣区域，对第四子模板图案22中心精确定位，得到第四子模板图案22中心在旋转后实测图像中的位置；

为了说明本发明所述的对图像根据缩放比例进行修正的过程，以第四子模板图案22感兴趣区域的选取为例进行解释：经过步骤S6已知，第二子模板图案12在旋转后实测图像的坐标为Cor12(u12,v12)，清晰度测试源图案设计时已确定在源图案中第四子模板图案22和第二子模板图案12的坐标相差detaCor(detau,detav)，考虑缩放比例，则在旋转后实测图像中，以第二子模板图案12为参考计算第四子模板图案22时，采用以下公式计算第四子模板图案22在旋转后实测图像中的坐标：

u22=u12+K1*detau,v22=v12+K1*detav；

后续所述根据图像对缩放比例进行修正，可以参考理解执行；

步骤8：根据步骤S7中第四子模板图案22中心位置和清晰度测试源图案的几何信息，再加上整体放大率K1的修正，在旋转后实测图像选取第三子模板图案21、第五子模板图案23和第六子模板图案24的感兴趣区域，对三个子模板图案中心精确定位，得到三个子模板图案中心在整幅旋转后实测图像中的位置，记第三子模板图案21、第四子模板图案22、第五子模板图案23、第六子模板图案24中心位置分别为Cor21(u21,v21)、Cor22(u22,v22)、Cor23(u23、v23)和Cor24(u24,v24)；

步骤9：根据第三子模板图案21、第四子模板图案22、第五子模板图案23、第六子模板图案24的精确位置，计算实测图像中第三子模板图案21和第四子模板图案22中心的距离为L2、第五子模板图案23和第六子模板图案24的距离为L3，根据清晰度测试源图案设计时已确定的第三子模板图案21和第四子模板图案22中心距离L20、第五子模板图案23和第六子模板图案24中心距离L30，计算第一等级分划图案区域竖直放大系数K2和水平放大系数K3，计算公式：K2=L2/L20，K3=L3/L30；

计算第一等级分划图案区域滚转角度A2：

A2=(atan2(|u22-u21|,|v2-v21|)+atan2(|v24-v23|,|u24-u23|))/2，A2的正负根据具体情况进行判定；

步骤10：根据清晰度测试源图案几何信息，加上第三子模板图案21中心精确位置、第四子模板图案22中心精确位置、第五子模板图案23中心精确位置、第六子模板图案24中心精确位置、水平放大系数K2和竖直放大系数K3，在旋转后实测图像中选取第一等级分划图案感兴趣区域，以A2为旋转角度，以第一等级分划图案感兴趣区域中心为旋转中心对第一等级分划图案区域进行旋转，得到旋转后第一等级分划图案；

在旋转后第一等级分划图案中依次取条纹一和条纹二、条纹二和条纹三、条纹三和条纹四、条纹四和条纹五组成4个明暗区域，再依次取条纹六和条纹七、条纹七和条纹八、条纹八和条纹九、条纹九和条纹十组成4个明暗区域，分别计算对比度；取8个对比度值的平均值作为清晰度判定条件，当对比度值大于阈值时，则认为被测设备成像清晰度满足该组等级清晰度要求，换算得到清晰度值；本实施例经过专业人员多次测定，选取对比度为0.20作为是否清晰的判定阈值；

步骤11：当步骤S10所计算的对比度值大于阈值时，则被测设备成像清晰度满足该等级清晰度要求，换算得到清晰度值，完成清晰度检测；若对比度值小于阈值，则被测设备成像清晰度不满足该清晰度要求，继续选取下一等级分划图案，参照步骤S7至步骤S10计算对比度值，直至计算到满足要求的等级，取该等级对应的清晰度值作为测试结果，若所有等级均不满足要求，则说明图像投射设备成像清晰度不满足最低要求。

实施例

现在以夜视镜为被测对象阐述本发明第二种具体实施方式：首先制作满足前述清晰度测试源图案形式要求的靶板，根据夜视镜的具体分类，靶板制作有所不同；

若是微光夜视镜，则在不透光材料底板中刻划源图案形式的图案，将对应的亮条纹区域打穿，在靶板后方设置满足微光要求的光源并点亮，使得光线可通过靶板中图案条纹区域并经夜视镜成像后，再经过相机拍摄后得到实测图像；

若是红外夜视镜，则在防红外材料底板中刻划源图案形式的图案，将对应的亮条纹区域打穿，在靶板后方设置满足要求的红外黑体，使得黑体发出红外光线可通过靶板中图案条纹区域并经夜视镜成像后，再经过相机拍摄后得到实测图像；

得到实测图像后，即可参照本发明所述图像处理办法对实测图像进行处理，得到夜视镜清晰度测试结果。

上述结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的这种非实质改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其他场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种通用的图像投射设备成像清晰度检测方法，其特征在于，该清晰度检测方法的步骤为：

步骤1：控制图像投射设备投射清晰度测试源图案；

步骤2：用经过标定的相机采集图像投射设备投射的清晰度测试源图案得到实测图像；

步骤3：对采集的实测图像，采用图像处理中的模板匹配方法，以第一模板图案为模板进行模板匹配，得到第一模板图案在整幅实测图像中的位置；

步骤4：在实测图像中选取第一子模板图案和第二子模板图案的感兴趣区域，对两个子模板图案中心精确定位，记中心坐标分别为Cor11(u11，v11)和Cor12(u12,v12)，第一模板图案包括第一子模板图案和第二子模板图案；

步骤5：计算实测图像中第一子模板图案和第二子模板图案之间的距离为L1，清晰度测试源图案设计时，已确定第一子模板图案和第二子模板图案的距离平均值为L0，计算从源图案到实测图像的整体缩放比例K1：K1=L1/L0；

根据实测图像中第一子模板图案和第二子模板图案的精确位置，计算实测图像的滚转角度A1：

A1= atan2(|v11-v12|),|u11-u12|)，A1的正负根据具体情况进行判定；

步骤6：以滚转角度A1为旋转角度，以实测图像中心为旋转中心对图像进行旋转，得到旋转后实测图像；

步骤7：根据步骤S4的精确定位结果和清晰度测试源图案的几何信息，再加上整体缩放比例K1的修正，在旋转后实测图像中选取第一等级分划图案区域最靠近第一模板图案的第四子模板图案的感兴趣区域，对第四子模板图案中心精确定位，得到第四子模板图案中心在旋转后实测图像中的位置；

步骤8：根据第四子模板图案中心位置和清晰度测试源图案的几何信息，再加上整体放大率K1的修正，在旋转后实测图像选取第三子模板图案、第五子模板图案和第六子模板图案的感兴趣区域，对三个子模板图案中心精确定位，得到三个子模板图案中心在整幅旋转后实测图像中的位置，记第三子模板图案、第四子模板图案、第五子模板图案、第六子模板图案中心位置分别为Cor21(u21,v21)、Cor22(u22,v22)、Cor23(u23、v23)和Cor24(u24,v24)；

步骤9：根据第三子模板图案、第四子模板图案、第五子模板图案、第六子模板图案中心的精确位置，计算实测图像中第三子模板图案和第四子模板图案的中心距离为L2、第五子模板图案和第六子模板图案的距离为L3，根据清晰度测试源图案设计时已确定的第三子模板图案和第四子模板图案的中心距离L20、第五子模板图案和第六子模板图案的中心距离L30，计算第一等级分划图案区域竖直放大系数K2和水平放大系数K3，计算公式：K2=L2/L20，K3=L3/L30；

计算第一等级分划图案区域滚转角度A2：

A2=(atan2(|u22-u21|,|v22-v21|)+atan2(|v24-v23|,|u24-u23|))/2，A2的正负根据具体情况进行判定；

步骤10：根据清晰度测试源图案几何信息，加上第三子模板图案中心精确位置、第四子模板图案中心精确位置、第五子模板图案中心精确位置、第六子模板图案中心精确位置、竖直放大系数K2和水平放大系数K3，在旋转后实测图像中选取第一等级分划图案感兴趣区域，以A2为旋转角度，以第一等级分划图案感兴趣区域中心为旋转中心对第一等级分划图案区域进行旋转，得到旋转后第一等级分划图案；在旋转后第一等级分划图案中依次取条纹一和条纹二、条纹二和条纹三、条纹三和条纹四、条纹四和条纹五组成4个明暗区域，再依次取条纹六和条纹七、条纹七和条纹八、条纹八和条纹九、条纹九和条纹十组成4个明暗区域，分别计算对比度；取8个对比度值的平均值作为清晰度判定条件；

步骤11：当步骤S10所计算的对比度值大于阈值时，则被测设备成像清晰度满足该等级清晰度要求，换算得到清晰度值，完成清晰度检测；若对比度值小于阈值，则被测设备成像清晰度不满足该清晰度要求，继续选取下一等级分划图案，参照步骤S7至步骤S10计算对比度值，直至计算到满足要求的等级，取该等级对应的清晰度值作为测试结果，若所有等级均不满足要求，则说明图像投射设备成像清晰度不满足最低要求。