基于图像互相关匹配的电光晶体光轴出露点提取方法与流程

一种基于图像互相关匹配的电光晶体光轴出露点提取方法，用于光轴出露点的精确提取，属于光学精密检测技术领域，涉及一种电光晶体偏光干涉图光轴出露点的自动提取方法。

背景技术：

等离子体电极普克尔盒是实现大型激光装置多程放大技术的关键部件之一，其通过在电光晶体两侧加入稀薄气体，放电后形成高电导率透明等离子体作为电极，实现普克尔效应。电光晶体因其具有普克尔效应，常作为光开关用于控制激光输出或隔离反射激光。作为光开关使用的电光晶体，设计要求其光轴方向需和通光面法线方向平行。为了保证较好的消光比，需要实现电光晶体光轴方向的精确测量。

传统的确定晶体光轴方向的精确方法是X射线衍射法，但X射线衍射仪价格昂贵，需要专门的检验及防护措施，使用不方便。而且用它测量晶体光轴方向，需要预先知道该晶体的结构参数以及晶面与衍射峰的对应关系，测量方法复杂，测量范围也有限制，且现有X射线衍射定向仪不能实现大口径晶体元件的光轴定向。

利用晶体的偏光干涉图也可以确定晶体的光轴方向，且能满足大口径测试需求。通过在干涉图中找到光轴的出露点(即黑十字交点)，根据光轴出露点相对于视域中心的位置来测量出光轴的方向。常用偏光显微镜来实现晶体偏振光干涉，利用目镜的分划板和目测的办法测出光轴出露点相对于视域中心的距离，结合显微镜的数值孔径可求出光轴偏离角，这种方法的误差较大(3°～5°)。

技术实现要素：

本发明针对上述不足之处提供了一种基于图像互相关匹配的电光晶体光轴出露点提取方法，解决现有技术中利用偏光干涉图确定晶体的光轴方向方法中光轴出露点的提取精度差，导致光轴偏离角测量误差大的问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于图像互相关匹配的电光晶体光轴出露点提取方法，其特征在于,具体如下：

(1)获得偏光干涉图I；

(2)根据偏光干涉原理，通过模拟仿真得到合适的初始特征模板T₀；

(3)对模拟仿真得到的初始特征模板T₀以一系列不同的缩放比率S_n、不同旋转角度θ_m进行几何变换，获得不同大小、不同旋转角度下的特征模板图像T_mn；

(4)将经过几何变换后得到的所有特征模板T_mn分别和偏光干涉图I进行图像互相关匹配运算，用相关系数r_mn(x,y)定量特征模板T_mn和偏光干涉图I的相关程度，经过图像互相关匹配运算，得到所有特征模板T_mn下的最大相关系数r_mn-max和最大相关系数的位置坐标(x_mn,y_mn)；

(5)选取最大相关系数r_mn-max中的最大值r_max，将最大值r_max位置坐标(x_max,y_max)作为光轴出露点的位置坐标。

进一步，所述步骤(3)中几何变换的公式如下：

式中，S_n为缩放比率，θ_m为旋转角度，(x_i,y_j)为初始特征模板T₀的某一像素；(x_imn,y_jmn)为缩放比率为S_n、旋转角度为θ_m下的特征模板T_mn中(x_i,y_j)的对应像素，T_mn为缩放比率S_n、旋转角度θ_m下的特征模板，其中，S_n＝1±nΔS(n＝0,1,2,…,N，N为整数)，ΔS为缩放的变化间隔；θ_m＝mΔθ(m＝0,1,2,…,M，M为整数)，Δθ为旋转角度的变化间隔。

进一步，在几何变换过程中，如果特征模板T_mn中对应像素(x_i,y_j)位置坐标不是整数，采用数字图像处理中最近邻插值法或者其他插值法作近似处理。

进一步，所述步骤(4)中，相关系数r_mn(x,y)的计算公式如下：

式中，T_mn为特征模板的灰度分布，I为偏光干涉图的灰度分布，p、q分别为图像的横纵坐标(p＝1,2,…,P、q＝1,2,…,Q，其中P、Q为特征模板的行列数)，x、y分别为特征模板与偏光干涉图的横纵向偏移像素。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

一、本发明利用已知中心的模板图像经过一定的几何变换后，与待测锥光干涉图进行互相关匹配运算，选取互相关系数最大的位置坐标作为光轴出露点位置坐标，实现了光轴出露点高精度的自动提取，提高了测量精度及效率。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2为本发明实施例1中厚度为30mm的电光晶体偏光干涉图；

图3为本发明实施例1中初始特征模板和几何变换后的特征模板，其中(a)为初始特征模板、(b)、(c)、(d)为几何变换后的特征模板；

图4为本发明实施例1中相关系数r_mn和对应的位置坐标(x_mn,y_mn)的图表示意图；

图5为本发明实施例2中不同特征模板T_mn下相关系数r_mn的变化曲线示意图；

图6为本发明实施例2中厚度为10mm的电光晶体偏光干涉图；

图7为本发明实施例2中初始特征模板和几何变换后的特征模板，其中(a)为初始特征模板、(b)、(c)、(d)为几何变换后的特征模板；

图8为本发明实施例2中相关系数r_mn和对应的位置坐标(x_mn,y_mn)的图表示意图；

图9为本发明实施例2中不同特征模板T_mn下相关系数r_mn的变化曲线示意图；

图10为本发明中相应步骤对应相应变化图的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

一种基于图像互相关匹配的电光晶体光轴出露点提取方法，具体如下：

对于较厚的电光晶体，本实施例中电光晶体厚度为30mm。在偏光干涉测量系统中采集到厚度为30mm的电光晶体偏光干涉图I，如图2所示；

(1)根据偏光干涉原理，模拟仿真得到合适的偏光干涉图初始特征模板T₀；如图3(a)所示；

(2)对模拟仿真得到的初始特征模板T₀以一系列不同的缩放比率S_n、不同旋转角度θ_m进行几何变换，获得不同大小、不同旋转角度下的特征模板图像T_mn；如图3(b)、如图3(c)、如图3(d)所示；几何变换的公式如下：

式中，S_n为缩放比率，θ_m为旋转角度，(x_i,y_j)为初始特征模板T₀的某一像素；(x_imn,y_jmn)为缩放比率为S_n、旋转角度为θ_m下的特征模板T_mn中(x_i,y_j)的对应像素，T_mn为缩放比率S_n、旋转角度θ_m下的特征模板，其中，S_n＝1±nΔS(n＝0,1,2,…,N，N为整数)，ΔS为缩放的变化间隔；θ_m＝mΔθ(m＝0,1,2,…,M，M为整数)，Δθ为旋转角度的变化间隔。在几何变换过程中，如果特征模板T_mn中对应像素(x_i,y_j)位置坐标不是整数，采用数字图像处理中最近邻插值法或者其他插值法作近似处理，否则不作处理。

(3)将经过几何变换后得到的所有特征模板T_mn分别和偏光干涉图I进行图像互相关匹配运算，用相关系数r_mn(x,y)定量特征模板T_mn和偏光干涉图I的相关程度，经过图像互相关匹配运算，得到所有特征模板T_mn下的最大相关系数r_mn-max和最大相关系数的位置坐标(x_mn,y_mn)，如图4所示，其中不同特征模板T_mn下相关系数r_mn-max满足如图5所示变化曲线关系；相关系数的计算公式如下：

式中，T_mn为特征模板的灰度分布(特征模板在计算机中存储的就是图像灰度值)，I为偏光干涉图的灰度分布(偏光干涉图在计算机中存储的就是图像灰度值)，p、q分别为图像的横纵坐标(p＝1,2,…,P、q＝1,2,…,Q，其中P、Q为特征模板的行列数)，x、y分别为特征模板与偏光干涉图的横纵向偏移像素。

(4)选取最大相关系数r_mn-max中的最大值r_max，将最大值r_max位置坐标(x_max,y _max)作为光轴出露点的位置坐标。本实施例选取相关系数r_mn-max最大值0.996对应的位置坐标(251,254)作为光轴出露点的位置坐标。

实施例2

一种基于图像互相关匹配的电光晶体光轴出露点提取方法，具体如下：

对于较厚的电光晶体，本实施例中电光晶体厚度为30mm。在偏光干涉测量系统中采集到厚度为30mm的电光晶体偏光干涉图I，如图6所示；

(1)根据偏光干涉原理，模拟仿真得到合适的偏光干涉图初始特征模板T₀；如图7(a)所示；

(2)对模拟仿真得到的初始特征模板T₀以一系列不同的缩放比率S_n、不同旋转角度θ_m进行几何变换，获得不同大小、不同旋转角度下的特征模板图像T_mn；如图7(b)、如图7(c)、如图7(d)所示；几何变换的公式如下：

式中，S_n为缩放比率，θ_m为旋转角度，(x_i,y_j)为初始特征模板T₀的某一像素；(x_imn,y_jmn)为缩放比率为S_n、旋转角度为θ_m下的特征模板T_mn中(x_i,y_j)的对应像素，T_mn为缩放比率S_n、旋转角度θ_m下的特征模板，其中，S_n＝1±nΔS(n＝0,1,2,…,N，N为整数)，ΔS为缩放的变化间隔；θ_m＝mΔθ(m＝0,1,2,…,M，M为整数)，Δθ为旋转角度的变化间隔。在几何变换过程中，如果T_mn中对应像素(x_i,y_j)位置坐标不是整数，采用数字图像处理中最近邻插值法或者其他插值法作近似处理，否则不作处理。

(3)将经过几何变换后得到的所有特征模板T_mn分别和偏光干涉图I进行图像互相关匹配运算，用相关系数r_mn(x,y)定量特征模板T_mn和偏光干涉图I的相关程度，经过图像互相关匹配运算，得到在特征模板T_mn下的最大相关系数r_mn-max和最大相关系数的位置坐标(x_mn,y_mn)，如图8所示，其中不同特征模板T_mn下相关系数r_mn-max满足如图9所示变化曲线关系；相关系数的计算公式如下：

式中，T_mn为特征模板的灰度分布(特征模板在计算机中存储的就是图像灰度值)，I为偏光干涉图的灰度分布(偏光干涉图在计算机中存储的就是图像灰度值)，p、q分别为图像的横纵坐标(p＝1,2,…,P、q＝1,2,…,Q，其中P、Q为特征模板的行列数)，x、y分别为特征模板与偏光干涉图的横纵向偏移像素。

(4)选取最大相关系数r_mn-max中的最大值r_max，将最大值r_max位置坐标(x_max,y_max)作为光轴出露点的位置坐标。本实施例选取相关系数r_mn-max最大值0.996对应的位置坐标(250,250)作为光轴出露点的位置坐标。

以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。