相机标定和平场校正装置、相机标定方法及平场校正方法与流程

本发明涉及相机成像校正技术领域，具体涉及相机标定和平场校正装置、相机标定方法及平场校正方法。

背景技术：

理想情况下，当相机各像元接收到的辐照度相等即探测器整个靶面辐照均匀时，得到图像中所有像素点的灰度值应该是相等的。而实际上对任意ccd和cmos相机而言，各像素对相同的辐照度产生的灰度值并不相同，称为探测器的响应非均匀性。导致响应非均匀性的原因包括：相机的ccd或cmos芯片本身的结构材料和制造工艺等具有局部差异性；各像元的光谱响应函数不同；读出噪声和暗电流噪声的差异性等。平场校正的目的就是校正上述非均匀性。相机标定是获得相机输出灰度与入射辐照度之间定量关系的重要手段之一，得到标定结果后可以由相机灰度反演出入射辐照度。在一些对图像质量要求较高的成像领域和光度测量领域，例如天文观测、遥感成像、光度测量、基因测序荧光成像等，需要对相机进行平场校正和标定。这类相机探测器的响应近似为线性，因此最常用的平场校正方法是两点校正，需要暗场(避光)和明场两个不同能量等级的场景，获得每个像素的校正参数：增益和偏置，采用该参数可实现任意场景图像的平场校正。相机标定可以采用两点标定和多点标定等方式，对于响应线性的探测器，两点标定即可获得探测器响应灰度与入射能量的关系。多点标定则有助于研究相机的非线性响应现象，可用于相机响应线性度检测以及宽动态范围的平场校正(多点平场校正)。

相机标定和平场校正的关键是需要亮度可调并能够实时监测的均匀光源，现有的光源通常为积分球。积分球是一个内壁涂有白色漫反射材料的空腔球体，光线在球内部被均匀地反射及漫射，在球面上形成均匀的光强分布，因此输出孔所得到的光线为非常均匀的漫射光束。但是积分球的价格昂贵、体积大、辐射能量对相机标定而言余量过大，因此对使用场景有所限制。

技术实现要素：

本申请提供一种廉价、精确的相机标定和平场校正装置、相机标定方法及平场校正方法。

根据第一方面，一种实施例中提供一种相机标定和平场校正装置，包括：

暗箱；

光源发生器，其安装在暗箱内，光源发生器包括可调节照明光亮度的led光源和与之连接的光纤，led光源通过光纤发射照明光；

用于检测照明光辐照度和辐照均匀性的基准相机；

移动台，其可沿平行和垂直照明光光轴方向移动的安装在暗箱内，移动台设有用于承载待检相机的第一承载位和用于承载基准相机的第二承载位，第一承载位和第二承载位沿垂直照明光光轴的方向并排设置，基准相机安装在移动台的第二承载位上，并面向光纤的发射端设置。

进一步地，相机标定和平场校正装置还包括光纤安装架，光纤安装架安装在暗箱内，位于光源发生器和移动台之间，光纤安装架的上端设有一个可转动调节的安装端，光纤的发射端安装在光纤安装架的安装端上，安装端用于调节照明光光轴的方向。

进一步地，相机标定和平场校正装置还包括第一导轨和第二导轨，第一导轨安装在暗箱内，并沿平行照明光光轴的方向设置，第二导轨可移动的安装在第一导轨上，并与第一导轨垂直，移动台可移动的安装在第二导轨上。

进一步地，光纤安装架的安装端用于调节照明光光轴的水平度，第一导轨沿水平方向设置，第二导轨沿竖直方向设置，移动台的第一承载位和第二承载位上下并排设置。

进一步地，相机标定和平场校正装置还包括驱动机构，驱动机构分别与第二导轨和移动台连接，用于驱动第二导轨和移动台水平方向的移动和驱动移动台竖直方向的移动。

进一步地，相机标定和平场校正装置还包括控制器，其分别与驱动机构、led光源和基准相机信号连接，及用于与待检相机信号连接；控制器包括控制单元和处理单元，控制单元用于控制驱动机构驱动待检相机和基准相机切换交替对准光纤的发射端，及用于控制led光源发射照明光及调节照明光的亮度，处理单元用于获取待检相机和基准相机的成像信息及进行相机标定和平场校正处理。

进一步地，光纤射出照明光的数值孔径为0.22，光纤的长度为5m，移动台与光纤的发射端之间的间距为1-2m。

根据第二方面，一种实施例中提供一种相机标定方法，其特征在于，包括如下步骤：

s101：调节基准相机与光纤的发射端对齐，led光源发射的照明光垂直入射至基准相机上；

s102：打开led光源，从基准相机图像中实时观测图像的均匀性，并调节基准相机与光纤的发射端之间的间距，直至基准相机上光照的均匀性大于等于98％；

s103：调节led光源发射照明光的亮度或相机与光纤的发射端之间的距离，获得n个不同的辐照度值，在n个不同的辐照度值的位置切换待检相机和基准相机接收光照，分别采集待检相机和基准相机的图像，得到两者的灰度值分别为(l＝1,2,...,n)和(l＝1,2,...,n)；

s104：通过如下响应方程式计算出照明光的辐照度e^(l)(l＝1,2,...,n)，

s0＝g0·e+o0

其中，g0和o0分别表示基准相机的响应率和偏置；

s105：对辐照度e^(l)(l＝1,2,...,n)与待检相机像元(i，j)输出灰度(l＝1,2,...,n)进行线性拟合得到待检相机的标定结果。

根据第三方面，一种实施例中提供一种平场校正方法，其特征在于，包括如下步骤：

s201：调节基准相机与光纤的发射端对齐，led光源发射的照明光垂直入射至基准相机上；

s202：打开led光源，从基准相机图像中实时观测图像的均匀性，并调节基准相机与光纤的发射端之间的间距，直至基准相机上光照的均匀性大于等于98％；

s203：移动切换待检相机与光纤的发射端对齐，关闭led光源，连续采集待检相机暗场图像若干帧计算出灰度值的平均值；

s204：开启led光源，调节照明光的亮度，使得待检相机输出的灰度平均值达到预设饱和状态，连续采集待检相机明场图像若干帧计算出灰度值的平均值；

s205：处理待检相机明场和暗场图像，得到待检相机的每个像元的平场校正系数，完成对待检相机靶面的平场校正。

进一步地，连续采集待检相机在明场和暗场图像各50帧计算出灰度值的平均值；并且开启led光源时，调节照明光的亮度，使得待检相机输出的灰度平均值达到饱和状态的70％。

依据上述实施例的相机标定和平场校正装置、相机标定方法及平场校正方法，由于相机标定和平场校正装置采用可调节亮度的led光源作为发射光源，基准相机作为照明光辐照度的检测器，待检相机和基准相机安装在可移动的移动台上，使得本装置能够通过调节led光源的亮度或调节待检相机和基准相机之间与led光源的距离来调节照明光的辐照度，以实现不同辐照度的照射，并且基准相机为面阵探测器，基准相机还能够用于检测照明光的辐照均匀性，从而本装置由更为廉价的部件构成，并能够进行快速精确的相机标定和平场校正。

附图说明

图1为一种实施例中相机标定和平场校正装置的结构示意图；

图2为一种实施例中相机标定方法的流程图；

图3为一种实施例中相机平场校正方法的流程图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例一：

本实施例提供了一种相机标定和平场校正装置，本装置主要用于相机的标定和平场校正，以校正相机各像元成像灰度值相等或接近相等，满足使用的需求，例如标定和平场校正基因测序仪上的荧光成像相机。

如图1所示，本实施例的相机标定和平场校正装置主要包括暗箱1、光源发生器2、基准相机3和移动台4。

暗箱1为一个不透光的密封箱体，暗箱1呈长方形体，水平放置，本装置的其他部件全部安装在暗箱1内，以避免外界光对检测的干扰。

光源发生器2安装在暗箱1内的一端，光源发生器2包括led光源21和光纤22，led光源21为可调节照明光亮度的光源，光纤22的一端与led光源21连接，另一端为发射端，led光源21通过光纤22发射照明光。

在本实施例中，为调节光源发生器2发射照明光的方向，保证光源发生器2与基准相机3或待检相机5对齐，即照明光可垂直入射至基准相机3或待检相机5上，在暗箱1中还安装有一个光纤安装架6，光纤安装架6的上端设有一个可转动调节的安装端，光纤22的发射端安装在光纤安装架6的安装端上，通过光纤安装架6的安装端转动调节光纤22的发射端的发射方向，以克服安装误差，保证发射的照明光光轴处于水平状态。

基准相机3为面阵探测器，可用于探测照明光辐照度和辐照均匀性，为保证基准相机3的标定精度，基准相机3需定期校正。

移动台4主要用于承载基准相机3和待检相机5，本实施例中移动台4在一个竖直平面内沿水平和竖直方向移动，或者移动台4的移动称为水平移动和升降移动，水平移动的目的是调节基准相机3和待检相机5与光纤22的发射端之间的间距，升降移动的目的是切换基准相机3和待检相机5交替对准光纤22的发射端。

在其他实施例中，移动台4也可设置为在一个水平面上沿着相互垂直的两个方向移动，同样可实现调节移动台4与光纤22的发射端之间的间距及切换基准相机3和待检相机5对准光纤22的发射端。

具体的，本实施例中，移动台4设有上下并排的两层，上层设有用于承载待检相机5的第一承载位，下层设有用于承载基准相机3的第二承载位，基准相机3固定安装在移动台4的第二承载位上，并且基准相机3的接收端面向光源发生器2设置，承载固定在第一承载位上的待检相机5也面向光源发生器2设置。

本实施例中，本实施例中，光纤22的数值孔径na为0.22，光纤22的长度为5m，并在中部位置缠绕若干圈。移动台4与光纤22的发射端之间的间距为1-2m，移动台4可在该间距端之间移动调节。光纤22的发散角(半角)约为12.5°，经分析和测试，在远场(>1m)中心区域φ100范围内将会形成较为均匀的照明。

在其他实施例中，光纤22与led光源21为耦合在一起的一体式结构，光纤22的长度及数值孔径也可根据需要设置为其他的数值。

本实施例中，为了将移动台4可移动的安装在暗箱1内，暗箱1内安装有第一导轨7和第二导轨(图中为示出)，第一导轨7水平安装在暗箱1内，并且与光纤22的发射端光轴平行。第二导轨可滑动的安装在第一导轨7上，第二导轨沿竖直方向设置，与第一导轨7垂直，移动台4可滑动的安装在第二导轨上，移动台4可沿着第二导轨升降移动。

本实施例中，移动台4的水平移动用于调节基准相机3和待检相机5与光纤22的发射端之间的间距，实现照明光辐照度的调节，移动台4的竖直升降移动用于切换基准相机3和待检相机5分别对准光纤22的发射端，当基准相机3对准光纤22的发射端时，照明光的光轴垂直入射至基准相机3上，基准相机3用于检测照明光辐照度和辐照均匀性；当待检相机5对准光纤22的发射端时，照明光的光轴垂直入射至待检相机5上，用于标定和平场校正待检相机5。

本实施例中的相机标定和平场校正装置还包括驱动机构，驱动机构分别与第二导轨和移动台4连接，用于驱动第二导轨和移动台4水平移动和驱动移动台4竖直升降移动。驱动机构包括两个气缸和多个位移传感器，实现对第二导轨和移动台4的驱动及检测位移量。

本实施例中的相机标定和平场校正装置还包括控制器，其分别与驱动机构、led光源21和基准相机3信号连接，及用于与待检相机5信号连接，控制器包括控制单元和处理单元，控制单元用于控制驱动机构驱动待检相机5和基准相机3切换交替对准光纤22的发射端，及用于控制led光源21发射照明光及调节照明光的亮度，处理单元用于获取待检相机5和基准相机3的成像灰度值信息及进行相机标定和平场校正处理。

本实施例中提供的一种相机标定和平场校正装置，由于相机标定和平场校正装置采用可调节亮度的led光源21作为发射光源，基准相机3作为照明光辐照度的检测器，待检相机5和基准相机3安装在可移动的移动台4上，使得本装置能够通过调节led光源21的亮度或调节led光源21与待检相机5和基准相机3之间的距离来调节照明光的辐照度，以实现不同辐照度的照射，并且基准相机3为面阵探测器，基准相机3还能够用于检测照明光的辐照均匀性，从而本装置由更为廉价的部件构成，重量更轻，并能够进行快速精确的相机标定和平场校正。

实施例二：

本实施例提供了一种相机标定方法，本相机标定方法基于上述实施例一的相机标定和平场校正装置实现。

如图2所示，本实施例的相机标定方法包括如下步骤：

s101：调节入射角度；

通过光纤安装架6上端的安装端调节照明光的光轴保持水平，通过移动台4竖直升降移动调节基准相机3至与光纤22的发射端对齐，使得led光源21发射的照明光垂直入射至基准相机3上；

s102：寻找照明光均匀的位置；

打开led光源，从基准相机3图像中实时观测图像的均匀性，并通过移动台4的移动调节基准相机3与光纤22的发射端之间的间距，直至基准相机3上光照的均匀性大于等于98％；

s103：切换相机在不同位置接收光照

调节led光源21发射照明光的亮度或相机(待检相机5或基准相机3)与光纤22的发射端之间的间距，获得n个不同的辐照度值，在n个不同的辐照度值的位置切换待检相机5和基准相机3分别接收光照，分别采集待检相机5或基准相机3的图像，得到待检相机5的灰度值为基准相机3的灰度值为

s104：计算照明光的辐照度；

通过如下基准相机3的响应方程式计算出照明光的辐照度e^(l)(l＝1,2,...,n)，

s0＝g0·e+o0

其中，g0和o0分别表示基准相机3的响应率和偏置；

s105：计算待检相机的标定结果；

根据基准相机3反推出的辐照度e^(l)(l＝1,2,...,n)，根据如下待检相机5的响应方程式拟合得到辐照度e^(l)(l＝1,2,...,n)与输出灰度值线性拟合的标定结果：

si,j＝gi,j·e+oi,j

其中，si,j为待检相机5像元(i，j)的输出灰度值，e为基准相机3反推出的辐照度，gi,j和oi,j分别表示待检相机5的响应率和偏置。

本实施例提供的相机标定方法，通过待检相机5的辅助反推计算出照明光的辐照度，再拟合计算待检相机5的标定结果，相机标定方法简单易操作，并具有较高的检测精度。

实施例三：

本实施例提供的一种相机平场校正方法，本相机平场校正方法基于上述实施例一中的相机标定和平场校正装置实现，并上述实施例二中的相机标定方法作为前提进行相机平场校正。

如图3所示，本实施例的相机平场校正方法，包括如下步骤：

s201：调节入射角度；

通过光纤安装架6上端的安装端调节照明光的光轴保持水平，通过移动台4竖直升降移动调节基准相机3至与光纤22的发射端对齐，使得led光源21发射的照明光垂直入射至基准相机3上；

s202：寻找照明光均匀的位置；

打开led光源21，从基准相机3图像中实时观测图像的均匀性，并通过移动台4的移动调节基准相机3与光纤22的发射端之间的间距，直至基准相机3上光照的均匀性大于等于98％；

s203：暗场采集校正参数；

移动移动台4切换待检相机5与光纤22的发射端对齐，再关闭led光源21，连续采集待检相机5暗场图像若干帧并取平均值；本实施例中在暗场中连续采集50帧暗场图像计算出灰度值的平均值s1，采集50帧暗场图像取平均值可有效减低采集误差。

s204：明场采集校正参数；

打开led光源21，调节照明光的亮度，使得待检相机5输出的灰度平均值达到饱和状态的70％，连续采集待检相机5明场图像若干帧计算出灰度值的平均值；本实施例中在明场中连续采集50帧暗场图像计算出灰度值的平均值s2，同样，采集50帧明场图像取平均值可有效减低采集误差。

s205：校正参数；

通过上述步骤计算出待检相机5在暗场和明场的灰度值的平均值分别为s1和s2，根据实施例二计算出的待检相机5的标定结果(si,j＝gi,j·e+oi,j)，在暗场时照明光的辐照度e为零，可对待检相机5的偏置oi,j进行校正；在明场时，由于偏置oi,j被校正，可对待检相机5的响应率gi,j进行校正。通过明场和暗场两点校正方法实现对待检相机5两个参数的校正，从而实现对待检相机5整个均场的校正。

本实施例提供的一种相机平场校正方法，在计算标定结果后通过明场和暗场两点校正的方法实现对待检相机5的两个参数进行校正，最终实现对待检相机5整个均场的校正，本平场校正方法简单有效，校正精度高，能够将相机各像元的成像均匀度校正成一致或几乎一致。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。