專利名稱：基于灰度閾值分割算法的動像調制傳遞函數測量方法
技術領域：
本發明是關于光學性質測試領域中調制傳遞函數的測量方法，具體地說，是關于 動像調制傳遞函數的測量方法。
背景技術：
動像調制傳遞函數是定量描述時延成像系統對動態目標成像過程中，目標運動造 成像質退化程度的重要參數。測量動像調制傳遞函數，得到傳遞函數曲線，不僅可以得到像 質退化的程度，而且可以分析像質退化成因，更為運動模糊圖像復原提供理論依據。1992 年，SPIE 第 1971 卷 “Real-Time Numerical Calculation of Optical Transfer Function for Image Motion and Vibration.Part 1 -Experiment Verification” 一文中介紹了一種以點光源作為動態目標，求動像調制傳遞函數的思想。 其構成方法是將點光源作為目標，放置在可承載其運動的平臺上，在點光源運動期間由CXD 對其成像，得到動像，選取模糊圖像中點光源像附近的一小部分區間(40X150像素)對其 進行數學變換，得到動像調制傳遞函數。該方法認為點光源的尺寸可以忽略不計，而且通過 選取一小區間的方法，可以將該區間外圖像傳感器暗電流、背景光線以及隨機噪聲濾掉，但 其不足之處是①并沒有考慮到成像的過程中鏡頭的衍射、像差對動像調制傳遞函數測量 結果的影響；②并沒有考慮到在所選取的區間范圍內，圖像傳感器的暗電流、背景光線以及 隨機噪聲疊加到點光源圖像中，對動像調制傳遞函數測量結果的影響。中國專利公開號101354307，
公開日2009年01月28日，發明“動態目標調制傳遞 函數測量方法與裝置”公開了一種測量動像調制傳遞函數的儀器和方法。該發明專利可在 一定程度上解決上述文章所述動像調制傳遞函數測量方法中存在的兩個問題。該項發明專 利所述儀器的主要構成是按照光線傳播方向依次配置點光源、光學系統和圖像傳感器，點 光源放置在導軌上，并且通過光學系統可以成像到圖像傳感器上。測量的方法是在點光源 靜止和隨導軌運動時，圖像傳感器分別進行成像，得到靜態目標圖像與動態目標圖像，通 過這兩幅圖像可以分別得到靜態目標調制傳遞函數和動像調制傳遞函數，最后在對應頻率 處，用初始動態目標調制傳遞函數除以初始靜態目標調制傳遞函數以達到修正目的。該發 明專利綜合考慮了光學系統衍射、像差、圖像傳感器暗電流、背景光對動像調制傳遞函數測 量結果的影響，采用了初始動態目標調制傳遞函數與初始靜態目標調制傳遞函數相除的方 法，因此在一定程度上濾除了成像過程中，光學系統的衍射、像差對動像調制傳遞函數測量 結果的影響；由于該發明所采用的修正方法初始動態目標調制傳遞函數除以初始靜態目 標調制傳遞函數是針對整幅圖像，而不是該圖像中一部分區域的修正方法，因此也不會出 現文章中所出現的第二個問題在某一區域范圍內，圖像傳感器暗電流、背景光線會疊加到 點光源圖像中，對動像調制傳遞函數最終測量結果造成影響。但是該方法也有其不足之處 是①該方法沒有考慮到隨機噪聲對動像調制傳遞函數測量結果的影響，因此最終使動像 調制傳遞函數的測量結果呈毛刺狀；②該方法最終利用的是線擴展函數來得到動像調制傳遞函數，因此該方法只適用于一維動態目標進行調制傳遞函數測量，不適用于二維動態目標。中國專利公開號101509827，
公開日2009年08月19日，發明“動態目標調制傳遞 函數測量方法”公開了一種測量動像調制傳遞函數的方法。由于該方法最終采用的是初始 動態目標調制傳遞函數與靜態目標調制傳遞函數相除的形式，同樣可以針對背景技術中文 章中的第一個問題，濾除成像過程中光學系統衍射、像差對動像調制傳遞函數測量結果的 影響；又由于該發明專利采用合成靜態圖像與合成動態圖像分別于干擾圖像做差的方法， 因此同樣可以針對文章中第二個問題，濾除圖像傳感器暗電流、背景光線對動像調制傳遞 函數測量結果的影響；更重要的是，該發明利用閾值分割法對圖像進一步修正，得到修正靜 態目標線擴展函數和修正動態目標線擴展函數，該修正方法針對文章中第二個問題和背景 技術中第一項專利中第一個問題中的隨機噪聲問題，濾除了隨機噪聲對動像調制傳遞函數 的影響，是最終的測量曲線平滑，雖然該測量方法可以獲得很好的測量結果，但是該方法的 不足之處是①步驟繁多，共需要十二步，包括三次采集圖像、四次針對圖像傳感器暗電流、 背景光以及隨機噪聲影響的修正圖像運算以及五次為實現動像調制傳遞函數測量而進行 的數學運算；②該方法仍然利用的是線擴展函數來得到動像調制傳遞函數，因此該方法也 只適用于一維動像調制傳遞函數的測量。
發明內容
本發明的目的就是針對上述已有技術存在的問題，提供一種不但可以消除背景 光、圖像傳感器暗電流，而且可以消除隨機噪聲，并同時兼顧一維、二維運動狀態，測量方法 簡單的動像調制傳遞函數測量方法，達到減小測量誤差、擴大測量方法適用范圍、通過減少 測量步驟使測量方法簡單的目的。本發明的目的是這樣實現的基于灰度閾值分割算法的動像調制傳遞函數測量方 法包括以下步驟a.關閉點光源，圖像傳感器成像，記錄圖像傳感器暗電流圖像、背景圖像以及噪聲 圖像的合成圖像；b.點亮點光源，使其在與圖像傳感器平行的平面內運動，圖像傳感器成像，記錄 包含有圖像傳感器暗電流圖像、背景圖像以及噪聲圖像的該運動狀態的強度點擴展函數圖 像；c.在第a步得到的合成圖像中，將各像素灰度值的最大值作為灰度值閾值；d.對第b步得到的強度點擴展函數圖像進行灰度閾值分割運算，圖像中灰度值小 于等于閾值的像素，將其灰度值修正為0，得到修正后的強度點擴展函數；e.將d步得到修正后的強度點擴展函數進行二維傅里葉變換并取模，得到該運動 狀態下的二維運動動像調制傳遞函數。上述動像調制傳遞函數測量方法，當考察一維運動動像調制傳遞函數時，從第b 步開始，包括以下步驟b’.點亮點光源，使其在與圖像傳感器平行的平面內，且沿圖像傳感器行或列方向 運動，圖像傳感器成像，記錄包含有圖像傳感器暗電流圖像、背景圖像以及噪聲圖像的該運 動狀態的強度點擴展函數圖像；C’ .在第a步得到的合成圖像中，將各像素灰度值的最大值作為灰度值閾值；
d’ .對第b’步得到的強度點擴展函數圖像進行灰度閾值分割運算，圖像中灰度值 小于等于閾值的像素，將其灰度值修正為0，得到修正后的強度點擴展函數圖像；e’ .在第d’步得到修正后的強度點擴展函數圖像中，將點光源像掃過行或列的整 行或列像素灰度值信息提取出來，作為該運動狀態修正后的強度線擴展函數圖像；f'.將e’步得到修正后的強度線擴展函數圖像進行一維傅里葉變換并取模，得到 該運動狀態下的一維運動動像調制傳遞函數。在考察一維運動動像的調制傳遞函數時，第d’、e’步也可以按照如下步驟d”.在第b’步得到的強度點擴展函數圖像中，將點光源像掃過行或列的整行或列 像素灰度值信息提取出來，作為該運動狀態的強度線擴展函數圖像；e”.對第d”步得到的強度線擴展函數圖像進行灰度閾值分割運算，圖像中灰度值 小于等于閾值的像素，將其灰度值修正為0，得到修正后的強度線擴展函數圖像。與現有技術相比，本發明的特點和有益效果是第一，本發明所述測量方法的特點是對強度點擴展函數的修正算法，首先根據合 成圖像找到灰度值閾值，并將強度點擴展函數中，灰度值小于等于該閾值的像素灰度值全 部修正為0。區別于現有技術所采用的方法將合成動態圖像與合成干擾圖像做差，并進一 步修正。所以本發明所述的測量方法中的修正算法是區別于現有方法的創新點之一。該特點所帶來的有益效果是將強度點擴展函數中，灰度值小于等于閾值的像素 灰度值全部修正為0，因此可以將疊加到點擴展函數圖像中的圖像傳感器暗電流以及背景 光濾除掉，因此本發明所述方法可以消除了背景光、圖像傳感器暗電流對動像調制傳遞函 數測量結果的影響；更重要的是，本發明將該閾值設定為合成圖像中各像素灰度值的最大 值，該閾值的選取，可以將點擴展函數可能存在的隨機噪聲也一同濾除掉，本發明所述方法 可以消除隨機噪聲對動像調制傳遞函數測量結果的影響。第二，本發明所述測量方法的特點是在計算動像調制傳遞函數的過程中，始終保 留了代表二維信息的強度點擴展函數，區別于現有技術所采用的方法，在完成對動像調制 傳遞函數修正算法之前，就需要將線擴展函數從點擴展函數中提取出來，所以正能保留代 表一維信息的強度線擴展函數。所以本發明所述的測量方法中可以將二維信息全部保留下 來是區別于現有方法的創新點之一。該特點所帶來的有益效果是由于保留了代表二維信息的強度點擴展函數，因此 可以通過點擴展函數求二維運動動像調制傳遞函數，使本發明所述動像調制傳遞函數測量 方法的適用范圍從一維擴展到二維。第三，本發明所述測量方法的特點是對于二維運動動像調制傳遞函數只需要五 步，對于一維運動動像調制傳遞函數只需要六步，區別于現有技術(背景技術中第二項專 利)計算一維運動動像調制傳遞函數共需要十二步，而本發明所需實驗和運算步驟僅為其 二分之一。所以本發明所述的測量方法中最多只需要六步就可以將動像調制傳遞函數計算 出來是區別于現有方法的創新點之一。該特點所帶來的有益效果是由于本專利所述的測量方法步驟更加簡單，因此可 以使動像調制傳遞函數的計算速度得到提高。
圖1是本發明所對應的測量裝置結構示意2是強度點擴展函數圖像圖3是修正后的強度點擴展函數圖像圖4是二維動像調制傳遞函數圖像圖5是修正后的強度線擴展函數圖像圖6是不同方法得到的動像調制傳遞函數對比7是強度線擴展函數圖像圖中1點光源2鏡頭3圖像傳感器4滑塊5導軌
具體實施例方式下面結合附圖對本發明具體實施例作進一步詳細描述。圖1為本發明所對應的測量裝置結構示意圖，沿光線傳播方向依次配置點光源1， 鏡頭2，圖像傳感器3，其中，點光源1作為目標放置在滑塊4上，滑塊4既可以沿垂直于測 量裝置光軸的導軌5的方向進行運動，又可以垂直紙面上下運動。其中，點光源1采用直徑 為15 μ m的針孔，鏡頭2的焦距為50mm，圖像傳感器3采用陜西維視圖像的MV-1300UM型 CMOS，滑塊4和導軌5采用北京光學儀器的MTS313型精密重載型電控平移臺。例 1本發明所述的基于灰度閾值分割算法的動像調制傳遞函數測量方法，步驟如下a.關閉點光源1，圖像傳感器3成像，記錄圖像傳感器暗電流圖像、背景圖像以及 噪聲圖像的合成圖像。b.點亮點光源1，使其在與圖像傳感器3平行的平面內做勻速直線運動，圖像傳感 器3成像，記錄包含有圖像傳感器暗電流圖像、背景圖像以及噪聲圖像的該運動狀態的強 度點擴展函數圖像，如圖2所示。其中，在曝光時間內，點光源1的像在圖像傳感器3表面 的位移量是108. 8 μ m。c.在第a步得到的合成圖像中，求得各像素灰度值的最大值為19，因此灰度值閾 值為19。d.對第b步得到的強度點擴展函數圖像進行灰度閾值分割運算，圖像中灰度值小 于等于19的像素，將其灰度值修正為0，得到修正后的強度點擴展函數圖像，如圖3所示。e.將d步得到修正后的強度點擴展函數進行二維傅里葉變換并取模，得到該運動 狀態下的二維運動動像調制傳遞函數圖像，如圖4所示。從圖中可以看出，在目標運動的方 向上，調制傳遞函數曲線下降得更快，其頻譜相比非運動方向呈壓縮狀態。例 2本實施例考察目標做一維運動時，動像調制傳遞函數的測量，對應的測量裝置以 及裝置的各項參數與實施例1完全一致，測量方法的第a步也和實施例1完全一致，從第b 步開始，步驟如下b'.點亮點光源1，使其在與圖像傳感器3平行的平面內，且沿圖像傳感器行方 向做勻速直線運動，圖像傳感器3成像，記錄包含有圖像傳感器暗電流圖像、背景圖像以及 噪聲圖像的該運動狀態的強度點擴展函數圖像，如圖2所示。其中，在曝光時間內，點光源1的像在圖像傳感器3表面的位移量是108. 8 μ m。c'.在第a步得到的合成圖像中，求得各像素灰度值的最大值為19，因此灰度值 閾值為19。d'.對第b'步得到的強度點擴展函數圖像進行灰度閾值分割運算，圖像中灰度 值小于等于19的像素，將其灰度值修正為0，得到修正后的強度點擴展函數圖像，如圖3所示。e'.在第d'步得到修正后的強度點擴展函數圖像中，將點光源像掃過行的整行 像素灰度值信息提取出來，作為該運動狀態修正后的強度線擴展函數圖像，如圖5所示。f'.將e'步得到修正后的強度線擴展函數圖像進行一維傅里葉變換并取模，得 到該運動狀態下的一維運動動像調制傳遞函數，將本發明得到的動像調制傳遞函數曲線與 理論曲線，以及采用背景技術中文章和專利所述方法得到的動像調制傳遞函數曲線進行對 比，對比結果如圖6所示。從圖中可以看出，采用本發明專利所述方法得到的動像調制傳遞 函數曲線與采用背景技術中文章所述方法得到的曲線相比，明顯更加接近理論模型；與采 用背景技術中專利所述方法相比，消除了噪聲給測量結果帶來的毛刺現象，使動像調制傳 遞函數曲線更加平滑。目標做一維運動時，動像調制傳遞函數的測量，第d'、e'步也可以按如下步驟d”.在第b'步得到的強度點擴展函數圖像中，將點光源像掃過行的整行像素灰 度值信息提取出來，作為該運動狀態的強度線擴展函數圖像，如圖7所示。e”.對第d”步得到的強度線擴展函數圖像進行灰度閾值分割運算，圖像中灰度值 小于等于19的像素，將其灰度值修正為0，得到修正后的強度線擴展函數圖像，如圖5所示。
權利要求
一種基于灰度閾值分割算法的動像調制傳遞函數測量方法，包括以下步驟a.關閉點光源，圖像傳感器成像，記錄圖像傳感器暗電流圖像、背景圖像以及噪聲圖像的合成圖像；b.點亮點光源，使其在與圖像傳感器平行的平面內運動，圖像傳感器成像，記錄包含有圖像傳感器暗電流圖像、背景圖像以及噪聲圖像的該運動狀態的強度點擴展函數圖像；其特征在于還包括以下步驟c.在第a步得到的合成圖像中，將各像素灰度值的最大值作為灰度值閾值；d.對第b步得到的強度點擴展函數圖像進行灰度閾值分割運算，圖像中灰度值小于等于閾值的像素，將其灰度值修正為0，得到修正后的強度點擴展函數；e.將d步得到修正后的強度點擴展函數進行二維傅里葉變換并取模，得到該運動狀態下的二維運動動像調制傳遞函數。
2.根據權利要求1所述的基于灰度閾值分割算法的動像調制傳遞函數測量方法，其特 征在于當考察一維運動動像調制傳遞函數時，從第b步開始，包括以下步驟b’ .點亮點光源，使其在與圖像傳感器平行的平面內，且沿圖像傳感器行或列方向運 動，圖像傳感器成像，記錄包含有圖像傳感器暗電流圖像、背景圖像以及噪聲圖像的該運動 狀態的強度點擴展函數圖像；C’ ·在第a步得到的合成圖像中，將各像素灰度值的最大值作為灰度值閾值； d’ .對第b’步得到的強度點擴展函數圖像進行灰度閾值分割運算，圖像中灰度值小于 等于閾值的像素，將其灰度值修正為0，得到修正后的強度點擴展函數圖像；e’ ·在第d’步得到修正后的強度點擴展函數圖像中，將點光源像掃過行或列的整行或 列像素灰度值信息提取出來，作為該運動狀態修正后的強度線擴展函數圖像；f’ ·將e’步得到修正后的強度線擴展函數圖像進行一維傅里葉變換并取模，得到該運 動狀態下的一維運動動像調制傳遞函數。
3.根據權利要求2所述的基于灰度閾值分割算法的動像調制傳遞函數測量方法，其特 征在于第d’、e’步采用如下方法d”.在第b’步得到的強度點擴展函數圖像中，將點光源像掃過行或列的整行或列像素 灰度值信息提取出來，作為該運動狀態的強度線擴展函數圖像；e”.對第d”步得到的強度線擴展函數圖像進行灰度閾值分割運算，圖像中灰度值小于 等于閾值的像素，將其灰度值修正為0，得到修正后的強度線擴展函數圖像。
全文摘要
基于灰度閾值分割算法的動像調制傳遞函數測量方法屬于光學性質測試領域；該方法首先關閉點光源，并由圖像傳感器成像，將所記錄圖像中各像素灰度值的最大值作為閾值，然后點亮點光源并使其運動，圖像傳感器再次成像得到強度點擴展函數圖像，利用灰度閾值分割算法修正強度點擴展函數圖像，最后通過二維傅里葉變換并取模得到二維運動動態目標調制傳遞函數；當點光源做一維運動時，可從強度點擴展函數中提取強度線擴展函數，利用一維傅里葉變換并取模得到一維運動動像調制傳遞函數；該方法既可以消除背景光、圖像傳感器暗電流，又可以消除隨機噪聲，并同時兼顧一維、二維運動狀態，測量步驟簡單。
文檔編號G06T7/00GK101923001SQ20101025035
公開日2010年12月22日 申請日期2010年8月11日 優先權日2010年8月11日
發明者丁雪梅, 劉儉, 譚久彬, 趙煙橋 申請人:哈爾濱工業大學