专利名称：采用点目标像拼合的图像传感器像素间距测量方法与装置的制作方法
技术领域：
采用点目标像拼合的图像传感器像素间距测量方法与装置属于以采用光学方法为特征的计量设备领域中用于计量长度、宽度或厚度的领域，尤其涉及一种在频域基于两帧静态点目标图像拼合方法的图像传感器像素间距测量方法与装置。
背景技术：
图像传感器像素间距 是精密测量领域非常重要的一项技术指标。例如，将一个尺寸大小已知的目标通过光学系统成像，根据目标像所占图像传感器像素数，以及像素间距，即可知道目标像的大小，最后通过目标像的尺寸与目标尺寸做商，就可以标定该光学系统的横向放大率；另外，对一幅图像进行频谱分析，只有知道像素间距，才可能准确获得该图像的频谱。然而，很多图像传感器的产品说明书，只给出了图像传感器的像元尺寸，而没有给出像素间距，如陕西维视图像的MV-1300UM型工业数字相机，产品说明书只给了像元的尺寸是5.211111\5.211111;又如武汉高德的IR113型非制冷焦平面机芯，它的像元尺寸是25 ii mX 25 ii m，虽然同时给出填充因子> 80 %，但是仍然无法根据一个不确定的填充因子数值来得到像素间距。如果我们利用上述图像传感器去标定光学系统的横向放大率或获得某图像的频谱，像素间距必定成为技术瓶颈。所以，测量图像传感器的像素间距显得十分重要。一、图像传感器像素间距测量方法
背景技术：
对于图像传感器像素间距的测量方法，首先想到的就是在理论上，可以利用一个投影到图像传感器表面且长度可知的线状图像，除以该线状图像所覆盖的像素个数，得到像素间距。在理想状态下，这种方法具有以下两个特点I)将线光源完全覆盖到的像素，其灰度值作为基准灰度值。2)对于线光源不能完全覆盖到的边缘像素，根据其灰度值与基准灰度值的比值，来判断所能覆盖部分的比例大小。然而这种方法却有着不可避免的干扰因素，严重影响测量结果的准确性。I)如果完全覆盖到的像素饱和，则灰度值将保持255不变，不能完全覆盖到的边缘像素与完全覆盖的像素之间的灰度值将不再具有比例关系，线光源所覆盖边缘像素的比例判断就会出现错误。2)对线光源成像的过程中，一定会有背景光、随机噪声以及图像传感器暗电流的影响，受这些干扰因素的影响，会使得线光源完全覆盖到的像素，灰度值也都不相同，这样就会对基准灰度值的判断带来困难。虽然这些缺点在理论上可以增大线光源的长度，通过用更多的像素来均摊误差得到弥补，但是增大线光源的长度也会带来新的问题I)对于畸变大的光学镜头，增大线光源的长度，可能会使线光源像在长度上发生严重形变，这种情况下，不仅不能均摊误差，而且反而会使像素个数的判断误差更大。
2)光学系统调试过程中，会使图像传感器对不同视场下相同强度的目标具有不同的响应。这样又增加了基准灰度值的判断。正是由于这种方法具有上述一系列的问题，因此在实际操作过程中，这种方法很少被采用，取而代之的是另一系列的方法。2005年4月，军事工程学院 学报第17卷第2号发表文章《基于联合傅里叶变换测量CXD图像采集系统的像素间距》，这篇文章介绍了一种利用对中心对称的两个正方形目标进行两次傅里叶变换的方法求得图像采集系统像素间距的方法。该方法首先在空间光调制器上输出一幅中心对称的两个正方形图像，通过傅里叶透镜成像，在C⑶表面得到该幅图像的功率谱|S(u，v) |2，该功率谱经过图像采集系统放大p倍后得到实际功率谱IS' (u'，v/ ) I2;分别将|S(u，v) I2和实际功率谱|S' (u'，v' ) I2再次显示在空间光调制器上，通过傅里叶透镜再次成像、图电采集系统放大，分别得到I S(u，v) I2的功率谱0(1，n)以及|s' (U'，V' ) I2的功率谱OU '，V )，这里，o(i /，V )和oU，n)均为中心为比较亮的正方形，对称在中心两侧为相对暗一些的正方形图样，而且0(1 ' , n/ )经过P倍放大后就是0(€，n)，因此，od，n)所占图像采集系统像素数D是0(1' , n/ )所占图像采集系统像素数D'的P倍，所以，可以利用D和D'的比值标定出图像采集系统的放大倍率P ;p值确定后，|s' (u' , V1 ) I2和od' , n')相继可以确定，就能求出od' , n')中两正方形之间的距离d'，最后利用d' /d'求出c⑶图像采集系统的像素间距。这种方法的缺点是0( I，n)和0( I '，n ')均不能保证正方形恰好正好覆盖到CXD图像采集系统的一个像素上，而且很大可能会横跨在两个像素，这对D和D'的判断就会带来困难，判断时均容易出现±1误差，从而使CCD图像采集系统的放大倍率P的标定结果存在误差，进而影响到0(€ ' , n/ )中两个亮斑的间距d'的判断，由于利用了 d' /D'，所以会使CXD图像采集系统像素间距的判断存在不可避免的误差。2005年12月，军事工程学院学报第17卷第6号发表文章《基于圆孔夫琅和费衍射的CXD像素间距标定》，这篇文章介绍了一种利用夫琅和费衍射分布图来标定CXD像素间距的方法。该方法利用平行光照射置于准直物镜焦距处的圆孔，在准直物镜表面形成圆孔的夫琅和费衍射分布图，该分布图经准直物镜平行射出，入射到CCD表面形成该夫琅和费衍射分布图的像。根据圆孔的直径a，入射光波波长\，以及准直物镜焦距f，即可得到圆孔夫琅和费衍射分布图中中央亮斑直径L = I. 22f X/a，再根据夫琅和费衍射分布图中中央亮斑的直径所占C⑶像素的数目N'，得到CXD的像素间距为S ' =L/N'。这种方法的缺点是不能保证中央亮斑的边缘正好落在CXD的一个像素上，而且很大可能会横跨在两个像素，这就对夫琅和费衍射分布图中中央亮斑直径所占CCD像素数目N'的判断带来困难，容易出现±1误差，使C⑶像素间距的判断存在不可避免的误差。2008年6月，光子学报第37卷第6号发表文章《利用TFT-IXD像素机构衍射测试CXD图像采集系统的像素间距》，这篇文章介绍了一种利用薄膜晶体管液晶显示器(TFT-IXD)测试CXD图像采集系统像素间距的原理和方法。该方法首先通过TFT-IXD形成物方信号，根据TFT-IXD像元区域透光、非像元区域不透光的特性，可将其视为一个由相互垂直的两个周期矩形光栅构成的二维光栅，将其置于傅里叶透镜的前焦面，则在该傅里叶透镜的后焦面上可以获得二维光栅的频谱强度分布图。该频谱分布图为多级频谱分布形式，其中，零级频谱的中心位于谱面坐标原点处，各高级次频谱的分布形式及宽度与零级频谱相同，但强度随级次的升高而迅速降低，根据第m级频谱中心到原点的距离为|naf/d|。
通过CCD图像采集系统采集此二维光栅频谱强度分布图，并根据第m级频谱中心到原点所
占像素数Nm，即可得到CXD图像采集系统的像素间距为ImXf/dN」。这种方法也有同以上
现有技术相同的缺点不能保证零级频谱和第m级频谱中心正好落在CCD的一个像素上，因
Nffl同样会出现±1误差，使CXD图像采集系统像素间距的判断存在不可避免的误差。为
了解决Nm存在±1误差的问题，文中采用了一种多次测量取平均值的方法，在不考虑放大
倍数的情况下，求得的CCD图像采集系统的像素间距为
权利要求
1.采用点目标像拼合的图像传感器像素间距测量方法，其特征在于所述方法步骤如下 a.图像传感器对静态点目标第一次成像，得到第一帧初始静态点目标图像，并提取点目标像所在像素坐标位置Upy1)； b.使点目标沿图像传感器行或列方向运动，位移量为h，之后保持点目标为静止状态； c.保持图像传感器曝光时间不变，图像传感器对静态点目标第二次成像，得到第二帧初始静态点目标图像，并提取点目标像所在像素坐标位置(X2, y2)； d.移除点目标并保持图像传感器曝光时间不变，图像传感器对背景成像，得到干扰图像，并将干扰图像中灰度值的最大值作为阈值； e.第a步得到的第一帧初始静态点目标图像，将灰度值小于第d步所得阈值的像素的灰度值修正为O，得到第一帧修正静态点目标图像；第c步得到的第二帧初始静态点目标图像，将灰度值小于第d步所得阈值的像素的灰度值修正为O，得到第二帧修正静态点目标图像； f.将第e步得到的第一帧修正静态点目标图像和第二帧修正静态点目标图像相叠加，并将叠加后新图像中两个点目标像所在行或列的所有像素灰度值相加并除以2，得到新灰度值；并将第a步得到的像素坐标位置(Xl，yi)和第c步得到的像素坐标位置(x2，y2)连线所覆盖的像素的灰度值替换为新灰度值，得到构造点扩展函数图像； g.第f 步得到的构造点扩展函数图像，将线状光斑所在行或列的整行或整列信息提取出来，作为构造线扩展函数图像，该构造线扩展函数图像具有n个元素； h.对第g步得到的构造线扩展函数图像按间距为I进行离散傅里叶变换并取模，得到初始调制传递函数图像，该初始调制传递函数图像具有同第g步得到的构造线扩展函数图像相同的元素个数n，即n个离散频谱分量，按照空间频率从小到大的顺序分别为M0、M1,M2.....Mlri，在该顺序下，初始调制传递函数值第一次达到极小值所对应的调制传递函数值为Mi，其下脚标序号为i; i.根据第b步的位移量h，计算经过横向放大率为P的光学系统后，两个点目标像之间的距离为d = h 3 ; j.根据第i步得到的两个点目标像之间的距离d和第g步得到的构造线扩展函数所对应的调制传递函数模型MTF(f) = IsincUfd) |，得到第g步构造线扩展函数图像频谱的截止频率为f = 1/d = l/(h 3 )； k.根据第j步得到的构造线扩展函数图像频谱的截止频率f与第h步得到的调制传递函数值为Mp1和Mi+1所对应的空间频率值分别相等，S卩f = (i-l)/(nlmin)和f= (i+1)/(nlmM)，得到图像传感器的像素间距取值范围为lmin = (i-1)/(nf) = (i-l)d/n = (i_l)h3/n 和 Imax= (i+1)/(nf) = (i+l)d/n = (i+l)h^ /n ； 1.将1为变量，并以第k步得到的Imin和Imax为取值范围，在第h步得到的n个调制传递函数值中选取K个作为比对数据，这K个调制传递函数值分别是MK1、MK2.....Mkk，采用遗 传算法寻找到以下公式的最小值
2.根据权利要求I所述的采用点目标像拼合的图像传感器像素间距测量方法，其特征在于第e步、第f步替换为 e’.将第a步得到的第一帧初始静态点目标图像和第c步得到的第二帧初始静态点目标图像相叠加，并将叠加后图像中灰度值小于第d步所得阈值2倍的像素的灰度值修正为O，得到修正叠加图像； f’ 将第e’步得到的修正叠加图像中两个点目标像所在行或列的所有像素灰度值相加并除以2，得到新灰度值；并将第a步得到的像素坐标位置(Xl，Y1)和第c步得到的像素坐标位置(x2，y2)连线所覆盖的像素的灰度值替换为新灰度值，得到构造点扩展函数图像。
3.采用点目标像拼合的图像传感器像素间距测量装置，包括点目标(I)、光学系统(2)、图像传感器(3)、滑块(4)以及垂直光轴方向的第一导轨(5)，所述的点目标(I)经过 光学系统(2)成像到图像传感器(3)表面；其特征在于该装置还包括沿光轴方向的第二导轨(6)，承载点目标(I)的滑块(4)安装在第一导轨(5)和第二导轨(6)上，滑块(4)在第一导轨(5)上的运动与滑块(4)在第二导轨(6)上的运动相配合，使点目标(I)在任意视场位置都准焦成像到图像传感器(3)表面。
全文摘要
采用点目标像拼合的图像传感器像素间距测量方法与装置属于以采用光学方法为特征的计量设备领域中用于计量长度、宽度或厚度的领域；本方法使点目标处于不同视场下并对其两次成像，根据两幅点目标像构造出线状图像，在频域中寻找像素间距的取值范围，并根据与像素间距相关的实际调制传递函数曲线与理论调制传递函数曲线在最小二乘条件下重合度最好，利用遗传算法计算得到像素间距；本装置中承载点目标的滑块安装在第一导轨和第二导轨上，滑块在第一导轨上的运动与滑块在第二导轨上的运动相配合，使点目标在任意视场位置都准焦成像到图像传感器表面；采用本发明测量图像传感器像素间距，有利于减小单次测量结果之间的误差，进而提高测量结果重复性。
文档编号G01B11/14GK102620668SQ20121008478
公开日2012年8月1日 申请日期2012年3月17日 优先权日2012年3月17日
发明者刘俭, 谭久彬, 赵烟桥 申请人:哈尔滨工业大学