CN114323591A - 一种基于数字图像相关法的光畸变测量方法及测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于数字图像相关法的光畸变测量方法及测试系统，包括，设定模拟散斑图，获取散斑图像；根据散斑图像获取参考图像；根据散斑图像和待测件获取畸变图像；根据参考图像与畸变图像计算待测件的光学畸变场。本发明的有益效果是通过拍摄畸变前后的散斑图像，获得全场范围内的光学畸变场，采用数字图像相关方法计算光学畸变场，提高了光畸变测量的精度和稳定性，使光学性能的检测更具有操作性。

Description

一种基于数字图像相关法的光畸变测量方法及测试系统

技术领域

本发明属于光学测量技术领域，尤其是涉及一种基于数字图像相关法的光畸变测量方法及测试系统。

背景技术

在现阶段，玻璃、塑料等作为日常生活中最常见的透明材料，因其具有良好的透光性而被广泛应用于诸多需要透光、观察的场合。例如汽车的挡风玻璃，作为驾驶员观察外部环境的窗口，主要功能是观察潜在的危险环境，同时保护驾驶员免受环境影响。在透明层的相对厚度或密度上通常会发生微小的差异，从而导致光学畸变。如果光学畸变超过合理范围，会让驾驶员在长期驾驶的情况下出现疲劳驾驶，容易引发安全事故，是巨大的安全隐患。为了确保车辆驾驶的安全性，透明件的光畸变必须控制在合理范围内。光畸变的精确测量是实现这一点的基础。

目前，已经有多种透明件光畸变检测方法，其中基于图像的测量方法最常用。网格照相法将网格直接绘制在网格屏幕上，透过透明件采集图像，并使用最大畸变网格线的斜率表示光畸变；幻灯片投影网格法将幻灯片上的刻线投射到测量基准方格屏幕上，放入透明件将使刻线投影产生变形，光畸变则由畸变网格线的斜率表示。这些方法最早仅使用最大畸变值表示光畸变，不是全场测量方法。后续研究将其扩展到网格节点和网格线上，并使用插值方法得到内部光畸变值。然而，由于在网格内部缺乏测量依据，当较大的局部畸变出现在网格无法捕捉的地方时，网格法将忽略这一畸变，从而影响测量的准确性。投影法除了用网格之外，还有利用条纹的变形来计算其角度偏差，从而获得更高的测量精度的方法。但该方法有时只能得到水平或垂直方向上的光学畸变分量。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提供一种基于数字图像相关法的光畸变测量方法及测试系统，以解决现有技术存在的以上或者其他问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于数字图像相关法的光畸变测量方法，包括，

设定模拟散斑图，获取散斑图像；

根据散斑图像获取参考图像；

根据散斑图像和待测件获取畸变图像；

根据参考图像与畸变图像计算待测件的光学畸变场。

进一步的，设定模拟散斑图，获取散斑图像步骤中，采用的生成公式为：

其中，I(x,y)是模拟散斑图像素点(x,y)处的灰度值；

是模拟散斑图中的最大灰度值；s为散斑总数目；R为散斑图像中散斑尺寸；(x_k,y_k)是一组随机数，表示第k个散斑的中心坐标位置；int为向下取整函数。

进一步的，设定模拟散斑图，获取散斑图像步骤中，将模拟散斑图固定到硫酸纸上，形成散斑图像。

进一步的，根据散斑图像获取参考图像步骤中，在测试系统中设置硫酸纸的位置，通过相机采集散斑图像以形成参考图像。

进一步的，根据散斑图像和待测件获取畸变图像步骤中，在测试系统中设置待测件位于硫酸纸与相机之间，采集散斑图像以形成畸变图像。

进一步的，根据参考图像与畸变图像计算待测件的光学畸变场步骤中，将参考图像与畸变图像进行数字图像相关运算，包括：

在参考图像中选择子区，并获取子区在畸变图像中所对应的变形子区；

计算变形子区的中心点与子区的中心点的相关系数；

根据相关系数计算子区的中心点至变形子区的中心点的位移；

计算每个像素的位移，得到位移场；

根据位移场计算待测件的光学畸变场。

进一步的，在参考图像中选择子区，并获取子区在畸变图像中所对应的变形子区步骤中，设定子区的中心点坐标为(x_i,y_i)，设定位移为(u,v)，则，变形子区的中心点坐标为(x_i',y_i')＝(x_i,y_i)+(u,v)。

进一步的，计算变形子区的中心点与子区的中心点的相关系数步骤中，相关系数采用ZNCC相关函数或ZNSSD相关函数进行计算。

进一步的，位移场的计算方法为整像素搜索算法、可靠性位移导向算法或反向组合高斯牛顿算法。

进一步的，光学畸变场的计算公式为：

其中，γ为光学畸变场表达式，

为垂直方向上的畸变分量，

为水平方向上的畸变分量。

进一步的，得到待测件的光学畸变场后，在畸变图像上设置变形网格，以显示光学畸变。

进一步的，待测件为透明材质，获取参考图像与畸变图像时在暗室内进行。

一种光畸变测试系统，包括背光光源、相机和数字图像处理装置，相机与数字图像处理装置连接，背光光源设于相机的前方，相机在背光光源作用下获取参考图像和畸变图像，并将参考图像与畸变图像传输给数字图像处理装置，进行光学畸变场的计算。

由于采用上述技术方案，通过拍摄畸变前后的散斑图像，获得全场范围内的光学畸变场，改善了现有技术中的网格内部的测量不准确的缺点，采用数字图像相关方法计算光学畸变场，提高了光畸变测量的精度和稳定性，使光学性能的检测更具有操作性，能有效地识别待测透明件的光畸变，提供可靠的光畸变测量结果；可以对不同种类的透明制品的光畸变进行测量，且散斑图像质量可控，操作简单。

附图说明

图1是本发明的一实施例的光畸变测试系统的结构示意图；

图2是本发明的一实施例的光学畸变的几何定义示意图；

图3是本发明的一实施例的模拟散斑图像；

图4是本发明的一实施例的光学畸变场；

图5是本发明的一实施例的可视化的变形网格示意图。

图中：

1、背光光源 2、硫酸纸 3、待测件

4、相机 5、数字图像处理装置

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

图1示出了本发明的一实施例的结构示意图，本实施例涉及一种基于数字图像相关法的光畸变测量方法及测试系统，用于对各种类型的透明件的光学畸变场进行测量，在测量待测件的光学畸变场之前，设定模拟散斑图像，并以该散斑图像获取参考图像，之后，按照测试系统放置待测件，获取畸变图像，使用数字图像相关计算方法得到位移场，由位移场计算光学畸变场，能够获得全场范围内的光学畸变场，采用数字图像相关方法进行计算光学畸变场，提高了光畸变测量的精度和稳定性，使光学性能的检测更具有操作性，能有效地识别待测透明件的光畸变，提供可靠的光畸变测量结果。

一种基于数字图像相关法的光畸变测量方法，包括，

设定模拟散斑图，获取散斑图像，在该步骤中，在设定模拟散斑图时，采用的生成公式为：

其中，I(x,y)是模拟散斑图像素点(x,y)处的灰度值；

是模拟散斑图中的最大灰度值，对于8-bit位图一般设为255；s为散斑总数目；R为散斑图像中散斑尺寸；(x_k,y_k)是一组随机数，表示第k个散斑的中心坐标位置；int为向下取整函数。

上述的散斑总数目s和散斑图像中散斑尺寸R，要根据模拟散斑图的分辨率、待测件3的尺寸以及测试系统中的相机4的方法倍率进行选择设置。

将模拟散斑图固定到硫酸纸2上，形成散斑图像，在将模拟散斑图固定到硫酸纸2上时，采用打印的方式将模拟散斑图固定到硫酸纸2上，得到散斑图像。该硫酸纸2为市售产品，根据实际需求进行选择。该硫酸纸2也可以是其他能够透光并且可打印的纸张，如透明剂浸渍纸张等。

其中，散斑图像中的散斑尺寸和数量根据实际需求进行选择设置。

根据散斑图像获取参考图像，在该根据散斑图像获取参考图像步骤中，在测试系统中设置硫酸纸2的位置，通过相机4采集散斑图像以形成参考图像，在测试系统中，在距离散斑图像一定距离处固定相机4，使得散斑图像在相机4处成像清晰，开启背光光源1，相机4进行拍照，采集散斑图像作为参考图像。

根据散斑图像获取畸变图像，在该根据散斑图像获取畸变图像步骤中，在测试系统中设置待测件3位于硫酸纸2与相机4之间，该待测件3为透明材质，散斑图像通过待测件3在相机4处成像，相机4进行拍照，采集散斑图像以形成畸变图像，由于待测件3的设置，使得散斑图像透过待测件3在相机4处成像时发生畸变，形成畸变图像。

该测试系统放置于暗室内，以使得获取参考图像与畸变图像时在暗室内进行，以使得相机4能够准确清晰的获取参考图像和畸变图像。

根据参考图像与畸变图像计算待测件3的光学畸变场，在该根据参考图像与畸变图像计算待测件3的光学畸变场步骤中，使用参考图像与畸变图像进行数字图像相关运算，得到全场位移，并计算待测件3的光学畸变场，包括：

在参考图像中选择子区，并获取子区在畸变图像中所对应的变形子区，由于畸变图像是在参考图像的基础上发生畸变形成的，所以，在参考图像中选择一子区，则在畸变图像中会有一与该子区相对应的发生畸变的变形子区，将参考图像与畸变图像放置于同一坐标系下，设定子区的中心点坐标为(xi,yi)，由于光学畸变的存在，子区向变形子区产生畸变的过程中，中心点会移动，产生一定的位移，设定位移为(u,v)，则，变形子区的中心点坐标为(x_i',y_i')＝(x_i,y_i)+(u,v)。

计算变形子区的中心点与子区的中心点的相关系数，参考图像中的子区与畸变图像中的子区具有一定的相似程度，该相似程度由相关系数来衡量，则通过计算变形子区与子区的相关系数来衡量子区与变形子区的相似程度，该相关系数在计算时，采用的计算函数为ZNCC相关函数或ZNSSD相关函数，根据实际需求进行选择，这里不做具体要求，如，采用ZNCC相关函数进行相关系数计算时，相关系数公式为：

其中，上述式中，f为参考图像，g为畸变图像，f_m为参考图像子区的平均灰度，g_m为畸变图像子区的平均灰度，m为子区内像素个数。

根据相关系数计算子区的中心点至变形子区的中心点的位移，该位移可以根据相关系数取最值获得，由此可以跟踪子区的中心点在畸变图像上的位移。

计算每个像素的位移，得到位移场，在每个像素点上重复上述操作，最终得到位移场，位移场的计算方法为整像素搜索算法、可靠性位移导向算法或反向组合高斯牛顿算法，该位移场的计算方法根据实际需求进行选择，这里不做具体要求。

根据位移场计算光学畸变场，根据光学畸变场的几何定义，如图2所示，当待测件3设置后，参考图像在水平方向上的直线将出现弯曲，其切线转角的正切就定义为水平方向上的畸变分量；同样地，垂直方向上的直线将出现弯曲，其切线转角的正切就定义为垂直方向上的畸变分量。光畸变被定义为水平方向和垂直方向上各分量的总和，光学畸变场的计算公式为：

其中，γ为光学畸变场表达式，

为垂直方向上的畸变分量，

为水平方向上的畸变分量。

得到待测件3的光学畸变场后，在畸变图像上设置变形网格，以显示光学畸变，在畸变图像上绘制变形网格，能够直观显示光畸变。

一种光畸变测试系统，如图1所示，包括背光光源1、相机4和数字图像处理装置5，相机4与数字图像处理装置5连接，背光光源1设于相机4的前方，相机4在背光光源1作用下获取参考图像和畸变图像，并将参考图像与畸变图像传输给数字图像处理装置5，进行光学畸变场的计算，数字图像处理装置5使用参考图像与畸变图像进行数字图像相关运算得到全场位移，并计算待测透明件的光学畸变场。

上述的相机4为CCD相机4。

上述的数字图像处理装置5为计算机，在计算机中，安装有数字图像相关软件，能够对参考图像和畸变图像进行处理。

该光畸变测试系统在获取参考图像和畸变图像时，在暗室内进行，打印有模拟散斑图的硫酸纸2放置于背光光源1与相机4之间，使得模拟散斑图在相机4处成像清晰，拍照得到参考图，然后将待测光畸变的透明待测件3放置于硫酸纸2与相机4之间，模拟散斑图通过待测件3在相机4处成像，但模拟散斑图在待测件3处会发生光畸变，在水平方向上和垂直方向上会发生弯曲，所以，相机4拍照后，获得的图像为发生光畸变的图像，为畸变图像，使用数字图像相关计算得到位移场，根据光畸变的定义式，由位移场计算光学畸变场。

下面以一个具体实施例进行详细说明。

首先根据模拟散斑图像生成公式，生成模拟散斑图像，如图3所示，在该散斑图像中，散斑的直径为12像素，数量为8000，以确保足够的灰度分布，最后将设计好的模拟散斑图打印在硫酸纸2上。

本实施例选取头盔面罩作为待测机。在进行测量头盔面罩的光畸变时，按照光畸变测试系统放置设备，将CCD相机4与计算机连接，计算机中设置有数字图像相关软件，将背光光源1放置于CCD相机4的前方，在放置头盔面罩前，将打印有模拟散斑图的硫酸纸2放置于背光源与相机4之间，并调整硫酸纸2与CCD相机4之间的距离，使得散斑图像能够在相机4处清晰成像，进行拍照，采集散斑图像作为参考图像；然后将头盔面罩放置于硫酸纸2与CCD相机4之间，CCD相机4进行拍照，采集散斑图像作为畸变图像，使用数字图像相关计算得到位移场。根据光畸变的定义式，由位移场计算光学畸变场，如图4所示。为了直观地显示光学畸变，如图5所示，在畸变图像中绘制了变形网格，其中，虚线表示真实网格，实线表示畸变网格，畸变网格与真实网格的偏差清晰地显示了光学畸变，便于视觉观察。

由于采用上述技术方案，通过拍摄畸变前后的散斑图像，获得全场范围内的光学畸变场，改善了现有技术中的网格内部的测量不准确的缺点，采用数字图像相关方法计算光学畸变场，提高了光畸变测量的精度和稳定性，使光学性能的检测更具有操作性，能有效地识别待测透明件的光畸变，提供可靠的光畸变测量结果。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (13)

1.一种基于数字图像相关法的光畸变测量方法，其特征在于：包括，

设定模拟散斑图，获取散斑图像；

根据所述散斑图像获取参考图像；

根据所述散斑图像和待测件获取畸变图像；

根据所述参考图像与所述畸变图像计算所述待测件的光学畸变场。

2.根据权利要求1所述的基于数字图像相关法的光畸变测量方法，其特征在于：所述设定模拟散斑图，获取散斑图像步骤中，采用的生成公式为：

其中，I(x,y)是模拟散斑图像素点(x,y)处的灰度值；

是模拟散斑图中的最大灰度值；s为散斑总数目；R为散斑图像中散斑尺寸；(x_k,y_k)是一组随机数，表示第k个散斑的中心坐标位置；int为向下取整函数。

3.根据权利要求1或2所述的基于数字图像相关法的光畸变测量方法，其特征在于：所述设定模拟散斑图，获取散斑图像步骤中，将所述模拟散斑图固定到硫酸纸上，形成所述散斑图像。

4.根据权利要求3所述的基于数字图像相关法的光畸变测量方法，其特征在于：所述根据所述散斑图像获取参考图像步骤中，在测试系统中设置所述硫酸纸的位置，通过相机采集所述散斑图像以形成所述参考图像。

5.根据权利要求4所述的基于数字图像相关法的光畸变测量方法，其特征在于：所述根据散斑图像和待测件获取畸变图像步骤中，在所述测试系统中设置所述待测件位于所述硫酸纸与所述相机之间，采集所述散斑图像以形成所述畸变图像。

6.根据权利要求4或5所述的基于数字图像相关法的光畸变测量方法，其特征在于：所述根据所述参考图像与所述畸变图像计算待测件的光学畸变场步骤中，将所述参考图像与所述畸变图像进行数字图像相关运算，包括：

在所述参考图像中选择子区，并获取所述子区在所述畸变图像中所对应的变形子区；

计算所述变形子区的中心点与所述子区的中心点的相关系数；

根据所述相关系数计算所述子区的中心点至所述变形子区的中心点的位移；

计算每个像素的位移，得到位移场；

根据所述位移场计算所述待测件的光学畸变场。

7.根据权利要求6所述的基于数字图像相关法的光畸变测量方法，其特征在于：所述在参考图像中选择子区，并获取所述子区在所述畸变图像中所对应的变形子区步骤中，设定所述子区的中心点坐标为(x_i,y_i)，设定位移为(u,v)，则，所述变形子区的中心点坐标为(x_i',y_i')＝(x_i,y_i)+(u,v)。

8.根据权利要求7所述的基于数字图像相关法的光畸变测量方法，其特征在于：所述计算所述变形子区的中心点与所述子区的中心点的相关系数步骤中，相关系数采用ZNCC相关函数或ZNSSD相关函数进行计算。

9.根据权利要求7或8所述的基于数字图像相关法的光畸变测量方法，其特征在于：所述位移场的计算方法为整像素搜索算法、可靠性位移导向算法或反向组合高斯牛顿算法。

10.根据权利要求9所述的基于数字图像相关法的光畸变测量方法，其特征在于：所述光学畸变场的计算公式为：

其中，γ为光学畸变场表达式，

为垂直方向上的畸变分量，

为水平方向上的畸变分量。

11.根据权利要求1所述的基于数字图像相关法的光畸变测量方法，其特征在于：得到待测件的光学畸变场后，在所述畸变图像上设置变形网格，以显示光学畸变。

12.根据权利要求11所述的基于数字图像相关法的光畸变测量方法，其特征在于：所述待测件为透明材质，获取所述参考图像与所述畸变图像时在暗室内进行。

13.一种光畸变测试系统，其特征在于：包括背光光源、相机和数字图像处理装置，所述相机与所述数字图像处理装置连接，所述背光光源设于所述相机的前方，所述相机在所述背光光源作用下获取所述参考图像和所述畸变图像，并将所述参考图像与所述畸变图像传输给所述数字图像处理装置，进行光学畸变场的计算。

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