一种白光干涉信号背景光强实时分离方法与流程

本发明属于光学精密无损检测技术领域，特别是涉及一种白光干涉信号背景光强实时分离方法。

背景技术：

光学精密无损检测技术作为超精密检测技术的重要组成部分近年来发展迅速，在航空航天、汽车制造、医疗健康、能源产业及国防安全等方面都有着巨大的应用需求，相应的测量设备在测量范围、测量精度及应用领域方面取得了长足的进步。在这种背景下，目前工业中对光学精密无损检测的需求变得越来越具体化，往往是根据某些特定的测量对象提出要求，这也促使该领域的研究工作向更加精细化的方向发展。

白光扫描干涉术作为光学无损检测技术的重要分支，起始于上世纪九十年代初。经历了二十余年的发展，相应的设备在功能上已日趋完善，许多原有的测量壁垒被逐步突破，水平测量范围与垂直测量范围不断扩大，测量效率大幅提高，测量对象也从半导体领域逐步扩展到机械加工领域。但是，在测量机械零部件表面时，垂直测量范围往往达到十几或几十微米以上，测量时间的延长加剧了环境散射及光源不稳定带来的影响。同时，由于表面粗糙度较大，所带来的表面漫反射更加严重。在这种情况下提取的白光干涉信号，其背景光强不再是理论上的恒定值，而是呈现出一种非线性的强度变化，结果使原有的背景提取方法变得不再适用，这同时也增大了白光干涉信号解算方法出现错误的可能。因此，研究一种新型且高效的白光干涉信号背景光强分离方法具有极其重要的理论及现实意义。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种白光干涉信号背景光强实时分离方法，以实现非线性背景光强的实时分离，准确提取出白光干涉信号。

为了达到上述目的，本发明提供的白光干涉信号背景光强实时分离方法包括按顺序进行的下列步骤：

步骤1：扫描开始后，利用ccd相机记录前n个扫描位置处的图像，从而获取图像中某一特定像素点的光强变化情况，并为该像素点生成一组背景点集；

步骤2：上述像素点的初始背景模型建成后，从第n+1个扫描位置开始,ccd相机每采集一帧图像，对于第n+1个扫描位置,由该像素点的光强值和初始背景模型判断是否需要对初始背景模型进行更新；对于第n+1个扫描位置后的当前扫描位置,根据该像素点的光强值和当前背景模型判断是否需要对当前背景模型进行更新；

步骤3：根据更新后的当前背景模型分离背景光强，实时提取出白光干涉信号。

在步骤1中，所述的扫描开始后，利用ccd相机记录前n个扫描位置处的图像，从而获取图像中某一特定像素点的光强变化情况，并为该像素点生成一组背景点集的具体步骤如下：

(1)利用ccd相机按照配置的系统参数开始进行图像扫描，并记录下前n个扫描位置处某一特定像素点的光强值；

(2)构建上述像素点的初始背景模型：开始扫描后，取其前n个光强值组成一个光强序列，即构成了该像素点的初始背景模型m(i)，用式(1)表示如下：

m(i)＝{m1,m2,...mn}(1)

其中，i为当前扫描位置的序号，m为初始背景模型中像素点的光强值。

在步骤2中，所述的像素点的初始背景模型建成后，从第n+1个扫描位置开始,ccd相机每采集一帧图像，对于第n+1个扫描位置,由该像素点的光强值和初始背景模型判断是否需要对初始背景模型进行更新；对于第n+1个扫描位置后的当前扫描位置,根据该像素点的光强值和当前背景模型判断是否需要对当前背景模型进行更新的具体步骤如下：

(1)从第n+1个扫描位置开始,ccd相机每采集一帧图像，记录下该像素点的光强值；

(2)对于第n+1个扫描位置,根据该像素点的光强值和初始背景模型m(i)判断式(2)是否成立，若成立则对初始背景模型m(i)进行更新；对于第n+1个扫描位置后的当前扫描位置,根据该像素点的光强值和当前背景模型m(i)’判断式(3)是否成立，若成立则对当前背景模型m(i)’进行更新；

card(m(i)∩[i(i)-d,i(i)+d])＞u(2)

card(m(i)’∩[i(i)-d,i(i)+d])＞u(3)

其中，card表示交集中的元素数目，i为当前扫描位置的序号，i(i)为当前扫描位置处任该像素点的光强值,d和u分别为背景判定阈值和背景模型更新阈值；式(2)表明，以第n+1个扫描位置所记录的像素点的光强值i(i)为中心，以背景判定阈值d为半径构建一闭合区间[i(i)-d,i(i)+d]，若该区间与初始背景模型m(i)交集中的元素数量大于背景模型更新阈值u，则式(2)成立，用当前扫描位置处的像素点的光强值i(i)替换初始背景模型m(i)中最早记录的光强值，由此形成当前背景模型m(i)’，且不再进行下面的判断，本步骤结束；

式(3)表明，以第n+1个扫描位置后的当前扫描位置处的像素点的光强值i(i)为中心，以背景判定阈值d为半径构建一闭合区间[i(i)-d,i(i)+d]，若该区间与当前背景模型m(i)’交集中的元素数量大于背景模型更新阈值u，则式(3)成立，用当前扫描位置处的像素点的光强值i(i)替换当前背景模型m(i)’中最早记录的光强值，由此形成新的当前背景模型m(i)’，且不再进行下面的判断，本步骤结束；

(3)若式(2)不成立，则继续判断式(4)是否成立,并按下述方法进行初始背景模型m(i)更新；若式(3)不成立，则继续判断式(5)是否成立,并按下述方法进行当前背景模型m(i)’更新；

card(m(i)∩(i(i)+d,+∞))＞u(4)

card(m(i)’∩(i(i)+d,+∞))＞u(5)

式(4)表明，以第n+1个扫描位置处的像素点的光强值i(i)+背景判定阈值d与正无穷+∞构建一开区间(i(i)+d,+∞)，若该区间与初始背景模型m(i)交集中的元素数量大于背景模型更新阈值u，则式(4)成立；令k为背景模型调整因子，在具体实施中设定一特定变量d用于记录式(4)的成立次数，当式(4)成立k次时，即用当前扫描位置处的像素点的光强值i(i)替换初始背景模型m(i)中最早记录的光强值，由此形成当前背景模型m(i)’；同时，将上述特定变量d置零；另外，若式(4)成立，不论是否成立k次，都不再继续下面的判断，本步骤结束；

式(5)表明，以第n+1个扫描位置后的当前扫描位置处的像素点的光强值i(i)+背景判定阈值d与正无穷+∞构建一开区间(i(i)+d,+∞)，若该区间与当前背景模型m(i)’交集中的元素数量大于背景模型更新阈值u，则式(5)成立；此时，特定变量d用于记录式(5)的成立次数，当式(5)成立k次时，即用当前扫描位置处的像素点的光强值i(i)替换当前背景模型m(i)’中最早记录的光强值，由此形成新的当前背景模型m(i)’；同时，将上述特定变量d置零；另外，若式(5)成立，不论是否成立k次，都不再继续下面的判断，本步骤结束；

(4)若式(4)不成立，则继续判断式(6)是否成立，并按下述方法进行初始背景模型m(i)更新；若式(5)不成立，则继续判断式(7)是否成立，并按下述方法进行当前背景模型m(i)’更新；

card(m(i)∩(-∞,i(i)-d))＞u(6)

card(m(i’)∩(-∞,i(i)-d))＞u(7)

式(6)表明，以负无穷-∞与当前扫描位置处的像素点的光强值i(i)-背景判定阈值d构建一开区间(-∞,i(i)-d)，若该区间与初始背景模型m(i)交集中的元素数量大于背景模型更新阈值u，则式(6)成立；令k为背景模型调整因子，在具体实施中设定一特定变量m用于记录式(6)的成立次数，当式(6)成立k次时，即用当前扫描位置处的像素点的光强值i(i)替换初始背景模型m(i)中最早记录的光强值，由此形成当前背景模型m(i)’，同时，将上述特定变量m置零；若式(6)成立，不论是否成立k次，本步骤结束；

式(7)表明，以负无穷-∞与当前扫描位置处的像素点的光强值i(i)-背景判定阈值d构建一开区间(-∞,i(i)-d)，若该区间与当前背景模型m(i)’交集中的元素数量大于背景模型更新阈值u，则式(7)成立；此时，特定变量m用于记录式(7)的成立次数，当式(7)成立k次时，即用当前扫描位置处的像素点的光强值i(i)替换当前背景模型m(i)’中最早记录的光强值，由此形成新的当前背景模型m(i)’，同时，将上述特定变量m置零；若式(7)成立，不论是否成立k次，本步骤结束。

在步骤3中，所述的根据更新后的当前背景模型分离背景光强，实时提取出白光干涉信号的具体步骤如下：

求取背景模型中所有光强值m的平均值对于n+1个扫描位置而言，平均值由初始背景模型m(i)中的元素取均值得到；对于第n+1个扫描位置后而言，平均值由当前背景模型m(i)’中的元素取均值得到；

然后结合当前扫描位置的像素点的光强值i(i)按照式(8)计算得到白光干涉信号iext(i)：

本发明提供的白光干涉信号背景光强实时分离方法的技术特点与效果：

本方法中的背景模型实质上是一组点集，且图像中的每一个像素都对应着这样的一组点集，用于反应各个像素点的光强变化情况。不同像素的背景模型是不相关的。扫描过程中，随着ccd相机不断采集图像，所有像素的背景模型都将被实时更新，相应的背景光强与白光干涉信号也将实时的被区分开来。本发明所包含的背景模型更新方法考虑了白光干涉信号与背景光强之间的交互影响，并用背景模型调整因子对这种影响进行了表述，特别是在背景光强为非线性的情况下，本发明能够有效区分背景光强与白光干涉信号，且计算过程简单，满足实时性要求。

附图说明

图1为本发明提供的白光干涉信号背景光强实时分离方法中步骤1流程图。

图2为本发明提供的白光干涉信号背景光强实时分离方法中步骤2和步骤3流程图。

具体实施方式

本方法提供的白光干涉信号背景光强实时分离方法是以像素点为单位进行操作的，对图像中的其他像素点而言，背景光强分离方法是相同的。下面结合附图和具体实施例对本发明提供的白光干涉信号背景光强实时分离方法进行详细说明，说明中以某一特定像素点为例。

如图1、图2所示，本发明提供的白光干涉信号背景光强实时分离方法包括按顺序进行的下列步骤：

步骤1：扫描开始后，利用ccd相机记录前n个扫描位置处的图像，从而获取图像中某一特定像素点的光强变化情况，并为该像素点生成一组背景点集。

具体步骤如下：

(1)利用ccd相机按照配置的系统参数开始进行图像扫描，并记录下前n个扫描位置处某一特定像素点的光强值；

(2)构建上述像素点的初始背景模型：由于扫描过程通常包含上百个扫描位置，因此对该像素点而言，可以记录得到一个较长的光强序列；当开始扫描后，随着扫描过程的进行，该光强序列中的元素不断增长，取其前n个光强值组成一个光强序列，即构成了该像素点的初始背景模型m(i)，用式(1)表示如下：

m(i)＝{m1,m2,...mn}(1)

其中，i为当前扫描位置的序号，m为初始背景模型中像素点的光强值。

步骤2：上述像素点的初始背景模型建成后，从第n+1个扫描位置开始,ccd相机每采集一帧图像，对于第n+1个扫描位置,由该像素点的光强值和初始背景模型判断是否需要对初始背景模型进行更新；对于第n+1个扫描位置后的当前扫描位置,根据该像素点的光强值和当前背景模型判断是否需要对当前背景模型进行更新；

具体步骤如下：

(1)从第n+1个扫描位置开始,ccd相机每采集一帧图像，记录下该像素点的光强值；

(2)对于第n+1个扫描位置,根据该像素点的光强值和初始背景模型m(i)判断式(2)是否成立，若成立则对初始背景模型m(i)进行更新；对于第n+1个扫描位置后的当前扫描位置,根据该像素点的光强值和当前背景模型m(i)’判断式(3)是否成立，若成立则对当前背景模型m(i)’进行更新；

card(m(i)∩[i(i)-d,i(i)+d])＞u(2)

card(m(i)’∩[i(i)-d,i(i)+d])＞u(3)

其中，card表示交集中的元素数目，i为当前扫描位置的序号，i(i)为当前扫描位置处任该像素点的光强值,d和u分别为背景判定阈值和背景模型更新阈值。式(2)表明，以第n+1个扫描位置所记录的像素点的光强值i(i)为中心，以背景判定阈值d为半径构建一闭合区间[i(i)-d,i(i)+d]，若该区间与初始背景模型m(i)交集中的元素数量大于背景模型更新阈值u，则式(2)成立，用当前扫描位置处的像素点的光强值i(i)替换初始背景模型m(i)中最早记录的光强值，由此形成当前背景模型m(i)’，且不再进行下面的判断，本步骤结束；

式(3)表明，以第n+1个扫描位置后的当前扫描位置处的像素点的光强值i(i)为中心，以背景判定阈值d为半径构建一闭合区间[i(i)-d,i(i)+d]，若该区间与当前背景模型m(i)’交集中的元素数量大于背景模型更新阈值u，则式(3)成立，用当前扫描位置处的像素点的光强值i(i)替换当前背景模型m(i)’中最早记录的光强值，由此形成新的当前背景模型m(i)’，且不再进行下面的判断，本步骤结束；

(3)若式(2)不成立，则继续判断式(4)是否成立,并按下述方法进行初始背景模型m(i)更新；若式(3)不成立，则继续判断式(5)是否成立,并按下述方法进行当前背景模型m(i)’更新；

card(m(i)∩(i(i)+d,+∞))＞u(4)

card(m(i)’∩(i(i)+d,+∞))＞u(5)

其中各个符号意义与式(2)、式(3)相同。式(4)表明，以第n+1个扫描位置处的像素点的光强值i(i)+背景判定阈值d与正无穷+∞构建一开区间(i(i)+d,+∞)，若该区间与初始背景模型m(i)交集中的元素数量大于背景模型更新阈值u，则式(4)成立。令k为背景模型调整因子，在具体实施中可设定一特定变量d用于记录式(4)的成立次数，其中背景模型调整因子k及变量d可由实验确定，是与系统有关的参数，d仅用于计数。当式(4)成立k次时，即用当前扫描位置处的像素点的光强值i(i)替换初始背景模型m(i)中最早记录的光强值，由此形成当前背景模型m(i)’。同时，将上述特定变量d置零；另外，若式(4)成立，不论是否成立k次，都不再继续下面的判断，本步骤结束；

式(5)表明，以第n+1个扫描位置后的当前扫描位置处的像素点的光强值i(i)+背景判定阈值d与正无穷+∞构建一开区间(i(i)+d,+∞)，若该区间与当前背景模型m(i)’交集中的元素数量大于背景模型更新阈值u，则式(5)成立。此时，特定变量d用于记录式(5)的成立次数，当式(5)成立k次时，即用当前扫描位置处的像素点的光强值i(i)替换当前背景模型m(i)’中最早记录的光强值，由此形成新的当前背景模型m(i)’。同时，将上述特定变量d置零；另外，若式(5)成立，不论是否成立k次，都不再继续下面的判断，本步骤结束；

(4)若式(4)不成立，则继续判断式(6)是否成立，并按下述方法进行初始背景模型m(i)更新；若式(5)不成立，则继续判断式(7)是否成立，并按下述方法进行当前背景模型m(i)’更新；

card(m(i)∩(-∞,i(i)-d))＞u(6)

card(m(i’)∩(-∞,i(i)-d))＞u(7)

其中各个符号意义与式(2)、式(3)相同。式(6)表明，以负无穷-∞与当前扫描位置处的像素点的光强值i(i)-背景判定阈值d构建一开区间(-∞,i(i)-d)，若该区间与初始背景模型m(i)交集中的元素数量大于背景模型更新阈值u，则式(6)成立。令k为背景模型调整因子，在具体实施中可设定一特定变量m用于记录式(6)的成立次数，特定变量m与上述特定变量d的作用一致，实际中的取值也一致，此处仅为与d区分。当式(6)成立k次时，即用当前扫描位置处的像素点的光强值i(i)替换初始背景模型m(i)中最早记录的光强值，由此形成当前背景模型m(i)’。同时，将上述特定变量m置零。若式(6)成立，不论是否成立k次，本步骤结束；

式(7)表明，以负无穷-∞与当前扫描位置处的像素点的光强值i(i)-背景判定阈值d构建一开区间(-∞,i(i)-d)，若该区间与当前背景模型m(i)’交集中的元素数量大于背景模型更新阈值u，则式(7)成立。此时，特定变量m用于记录式(7)的成立次数，当式(7)成立k次时，即用当前扫描位置处的像素点的光强值i(i)替换当前背景模型m(i)’中最早记录的光强值，由此形成新的当前背景模型m(i)’。同时，将上述特定变量m置零。若式(7)成立，不论是否成立k次，本步骤结束；

此处需要注意，在合理选择背景判定阈值d和背景模型更新阈值u的情况下，当式(2)或式(3)和式(4)或式(5)均不成立时，式(6)或式(7)必然成立。

步骤3：根据更新后的当前背景模型分离背景光强，实时提取出白光干涉信号。

具体步骤如下：

求取背景模型中所有光强值m的平均值对于n+1个扫描位置而言，平均值由初始背景模型m(i)中的元素取均值得到；对于第n+1个扫描位置后而言，平均值由当前背景模型m(i)’中的元素取均值得到。

然后结合当前扫描位置的像素点的光强值i(i)按照式(8)计算得到白光干涉信号iext(i)：

也就是说，ccd相机每采集一帧图像，本发明方法均可以实时地确定其是否为背景光强。