一种基于刃边像分析的高分辨率相机MTF测试装置及方法

本发明涉及光学成像质量测试装置及方法，具体涉及一种基于刃边像分析的高分辨率相机mtf测试装置及方法。

背景技术：

1、相机的调制传递函数(mtf)反映了相机对目标物不同空间频率信息的传递能力，能全面、客观地表征相机的成像性能，是评价相机成像质量的重要手段，是相机技术协议签订、研制过程质量控制和产品交付验收最常用的技术参数之一。相机mtf的测试方法主要有：周期矩形条纹法、点源法、狭缝法和刀口法。

2、其中，周期矩形条纹法具有条纹图像对比度，能够直观反应相机的成像质量、数据处理过程简单的优点，应用最为广泛。但是其缺点也非常明显：(1)测试靶标无法通用，需要根据被测相机定制周期矩形条纹靶；(2)靶标精度要求高，需要达到微米级；(3)一组周期矩形条纹只能测试单一频率下的mtf，测试效率低，一般只用于测试相机奈奎斯特频率下的mtf；(4)测试过程对调整精度要求高，需要使矩形条纹像和探测器相位严格对准。周期矩形条纹板法存在测试调整精度要求高、经济性和测试效率低的问题。

3、狭缝法能够同时给出相机不同频率下的mtf，但狭缝法对狭缝的宽度、厚度、两边直线度、两边平行度要求较高，同样需要根据被测相机定制合适宽度的狭缝，且测试结果要扣除狭缝宽度的影响，数据处理复杂，还存在欠采样的问题。狭缝法优点不突出，缺点较明显，目前很少用于相机mtf测试。

4、星点法测试相机mtf的原理为：星点像代表相机的脉冲响应函数，其傅里叶变换即为相机的调制传递函数。星点像光强分布规律决定了相机成像的清晰程度及成像质量，其缺点是信号较弱、易受噪声影响、采样点少、存在欠采样问题，重复性及精度较差。实际上星点总是有一定的物理尺寸的，需要扣除星点像自身对mtf的影响。

5、相比其他方法，刃边法优势明显，主要表现在：(1)评价更全面，测试效率高，一次测试能够同时得到全频段的mtf；(2)测量成本低，一个靶标能满足不同相机mtf的测试需求；(3)只有一条刃边，靶标加工精度相对较低。以上优点使得刃边法近些年来在民用数码相机、军用摄像机的mtf测试中应用日益广泛。刃边法在国内外被广泛用于星载光学遥感相机、机载光学遥感相机的外场性能鉴定和评价，也被用于阵列式图像传感器(coms、ccd)的实验室性能测试。

6、刃边法被iso国际标准化组织采纳，作为测试相机mtf的标准方法。iso标准中虽然给出采用刃边法计算mtf的关键过程和步骤，但是该算法相对复杂，影响计算结果的因素较多，如：探测器噪声、响应线性度、均匀性、分析窗口大小、刃边斜率大小、刃边斜率误差、算法自身的参数，而标准并没有考虑这些因素的影响和明确的处理方法，使得在利用该标准方法进行mtf测试时精度低、测试重复性差。这对于产品研制过程质量控制、产品验收、性能鉴定以及科学研究都是不能接受的，因此，必须进一步深入研究，确定解决这些问题办法，制定抑制这些影响因素的措施，明确算法参数，提高刃边法测量mtf精度和重复性。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决现有mtf测试的精度低、测试重复性差的技术问题，而提供一种基于刃边像分析的高分辨率相机mtf测试装置及方法。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种基于刃边像分析的高分辨率相机mtf测试装置，其特殊之处在于，包括平行光管、调焦平移台、安装在调焦平移台上的电控旋转台和均匀光源、安装在电控旋转台上的刀口靶，以及数据处理单元；

4、所述刀口靶、平行光管依次设置在均匀光源出射光的光路上，所述调焦平移台用于承载电控旋转台和均匀光源，并在调节成像目标的物距时沿平行光管的光轴移动，所述电控旋转台用于调整刀口靶的角度；

5、所述平行光管的出射光路上设置待测试相机，使得平行光管的出射光束充满待测试相机的入瞳；

6、所述数据处理单元分别与电控旋转台、调焦平移台、待测试相机电连接，用于控制调焦平移台的位移、电控旋转台的旋转、接收待测试相机的图像信息并对图像信息进行分析和计算得到待测试相机的mtf。

7、进一步地，所述电控旋转台上设置有中心孔，所述刀口靶安装在中心孔内；

8、所述刀口靶为镀铬刃边图案的光学玻璃平板，所述刃边图案亮暗两侧的对比度大于等于500:1，刃边直线度小于等于1μm；

9、所述电控旋转台的旋转角度定位误差小于等于0.003°。

10、进一步地，所述平行光管出射光束口径大于待测试相机的入瞳直径，工作波段覆盖待测试相机的工作谱段，波像差rms≤λ/14，λ＝623.8nm；

11、所述平行光管为折射式平行光管、折反式平行光管或全反式平行光管。

12、进一步地，其特征在于，所述均匀光源的出射光束直径大于刀口靶的直径，均匀光源包括光源和积分球，所述光源设置在积分球内，所述刀口靶设置在积分球的出射光路上。

13、一种基于刃边像分析的高分辨率相机mtf测试方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

14、步骤1、检查、调整上述的基于刃边像分析的高分辨率相机mtf测试装置，并使刀口靶成像在待测试相机的中心视场；

15、步骤2、关闭均匀光源，待测试相机连续采集t帧背景图像ib(i,j,t)，并将其发送至数据处理单元，按照以下公式计算平均背景图像

16、

17、其中，i为待测试相机的图像像元行序号，i取1,2,3,…,m，j为待测试相机的图像像元列序号，j取1,2,3,…,n，t为图像帧序号，t取1,2,3,…,t；待测试相机的分辨率为n×m，n、m均为正整数；

18、步骤3、打开均匀光源电源，待测试相机连续采集t帧刀口图像is(i,j,t)，并将其发送至数据处理单元，按照以下公式计算t帧减去背景图像后的刀口图像i′s(i,j,t)：

19、

20、步骤4、数据处理单元对减去背景图像后的刀口图像进行分析计算，得到待测试相机中心视场的mtf；

21、步骤5、调整待测试相机的姿态，使刀口靶成像在待测试相机的其他视场，按照步骤2-步骤4的方法，获得待测试相机其他视场的mtf。

22、进一步地，所述步骤4具体为：

23、4.1、在其中一帧减去背景图像后的刀口图像中选择分析窗口，所述分析窗口的长度包含完整的线扩展函数曲线，宽度至少包含6个相位周期；

24、4.2、对所述分析窗口区域的图像进行中值滤波；

25、4.3、用canny边缘检测算法检测经中值滤波后的分析窗口区域图像的刃边，利用最大类间方差法确定canny算子的阈值，获得边缘检测图像；

26、4.4、根据步骤4.3得到的边缘检测图像，获取刃边位置对应的坐标(xa,ya)，对刃边位置的坐标进行最小二乘直线拟合，获得拟合函数y＝kx+b，进而得到刃边斜率k和截距b；(xa,ya)表示第a个刃边位置的坐标；

27、4.5、根据刃边斜率对分析窗口的宽度进行裁剪，裁剪后的分析窗口的行数为：

28、

29、其中，u'为分析窗口裁剪后的行数，u为分析窗口原始行数，k为刃边斜率，||为取绝对值运算，round为四舍五入取整函数，floor为向下取整函数；

30、4.6、将裁剪后的分析窗口区域图像的每一个像元图像沿刃边进行映射，将u'行v列像元的响应值映射为一行u'×v列响应值，得到原始边缘扩散函数esf(xl)，其中，xl为原始边缘扩散函数esf(xl)第l个点的横坐标，l取1,2,3,…,u'×v；

31、4.7、划分合并区间长度，对原始边缘扩散函数进行合并，获得合并后的边缘扩展函数esf′(p)，其中，p为第p个合并区间；

32、4.8、对合并后的边缘扩展函数进行sg平滑滤波，并对滤波后的边缘扩展函数进行隔点差分计算，得到线扩展函数lsf(p)：

33、lsf(p)＝[esf′(p+1)-esf′(p-1)]×0.5；

34、4.9、对线扩展函数进行汉宁窗滤波，并对滤波后的线扩展函数进行离散傅里叶变换、取模并进行归一化，得到mtf(p)：

35、mtf(p)＝|fft(lsf(p))|/|fft(lsf(p))|p＝0

36、其中，fft()表示快速傅里叶变换运算；

37、4.10、对隔点差分计算引入的误差进行校正，得到由一帧图像计算得到的被测相机中心视场的mtf，具体为：

38、

39、其中，mtf′(p)为由一帧图像计算得到的被测相机中心视场的mtf；

40、4.11、重复步骤4.1-步骤4.10，得到分别由其余t-1帧图像计算得到的被测相机中心视场的mtf，取分别由t帧图像计算得到的被测相机中心视场的mtf的平均值，得到待测试相机中心视场的mtf。

41、进一步地，所述步骤1具体为：

42、1.1、检查平行光管，调整调焦平移台的位置，使刀口靶刻划面位于平行光管的焦面位置，数据处理单元获取并记录调焦平移台的位置；

43、1.2、根据待测试相机的工作物距或测试要求的物距lo，按照以下公式计算平行光管1的离焦量：

44、

45、其中，△x为平行光管模拟物距为lo的目标对应的离焦量，fc为平行光管的焦距；

46、1.3、根据步骤1.2获得的平行光管的离焦量，数据处理单元控制调焦平移台向靠近平行光管的方向移动，调焦平移台的位移量为△x；

47、1.4、调整待测试相机的位置及姿态，使其对准平行光管，并且刀口靶成像于待测试相机的中心视场；

48、1.5、将待测试相机的积分时间和增益分别设置为mtf测试要求的积分时间和增益；

49、1.6、调整均匀光源的亮度使待测试相机得到的刀口像的亮侧灰度均值位于待测试相机的线性工作区；

50、1.7、调整电控旋转台，使刀口像刃边与待测试相机探测器列方向夹角θ满足：cot(θ)取4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15或16。

51、进一步地，步骤4.7中，所述合并区间长度为0.25像元，所述合并后的边缘扩展函数esf′(p)为：

52、

53、其中，rect()为矩形函数，当|xl-p·0.25|≤0.125时，rect(xl-p·0.25)＝1，否则rect(xl-p·0.25)＝0；

54、n为使rect(xl-p·0.25)＝1的xl的个数；p为第p个合并区间；

55、esf′(p)表示xl落在第p个合并区间内所有点的esf(xl)的均值。

56、进一步地，步骤4.8中，所述sg平滑滤波选用7点3阶多项式。

57、进一步地，步骤1.6中，所述待测试相机的线性工作区为待测试相机饱和灰度值的20％～80％。

58、与现有技术相比，本发明具有的有益技术效果如下：

59、1.本发明提供了一种基于刃边像分析的高分辨率全色相机mtf测试装置，该装置用焦面位置安装刀口靶的平行光管模拟标准刃边目标，刀口靶安装在电控旋转台上，可以精确调整刃边的倾斜角度，消除非均匀采样引入的测试误差。刀口靶安装在调焦平移台上，可以沿平行光管光轴前后移动，模拟不同物距的刃边目标，满足不同物距成像条件下的mtf测试需求。

60、2.本发明提供了一种基于刃边像分析的高分辨率全色相机mtf测试方法，该方法通过减去背景图像、合理选择分析窗口大小、精确控制调整刃边倾斜角度、对分析窗口图像中值滤波、用最大类间方差法确定阈值和canny算法检测刃边、对边缘扩展函数sg滤波、校正差分运算误差等关键步骤，提高了mtf测试的精度和稳定性。