亞像素細(xì)分在光學(xué)自準(zhǔn)直系統(tǒng)觀測(cè)中的應(yīng)用*

張 億 路 杰 史雨輝 劉延飛 鄭 勇

(中國(guó)地震局地震研究所(地震大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)，武漢 430071)

1 引言

傳統(tǒng)光學(xué)自準(zhǔn)直系統(tǒng)都是通過(guò)人眼進(jìn)行觀測(cè)，由于人眼分辨率的限制和觀測(cè)人員的熟練程度，對(duì)觀測(cè)系統(tǒng)的觀測(cè)精度有一定的影響;同時(shí)觀測(cè)人員長(zhǎng)時(shí)間使用眼睛進(jìn)行觀測(cè)，容易疲勞，增加觀測(cè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。為此，本文提出了一種基于CCD 探測(cè)器和數(shù)字圖像處理技術(shù)的觀測(cè)方法。采用面陣CCD 作為光電探測(cè)器件，對(duì)目鏡視場(chǎng)內(nèi)的光學(xué)圖像進(jìn)行采集，將采集到的數(shù)字圖像送入計(jì)算機(jī)。通過(guò)圖像處理技術(shù)對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行處理，得到視場(chǎng)內(nèi)目標(biāo)的精確位置，從而提高目視系統(tǒng)的觀測(cè)精度。

2 基于CCD 光學(xué)自準(zhǔn)直系統(tǒng)的觀測(cè)方法

圖1 為光學(xué)自準(zhǔn)直系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖。整個(gè)光路的原理為:普通白熾燈泡(S)發(fā)出的光經(jīng)過(guò)綠色濾光片(F)后，射向聚光鏡組(L1)，聚焦后射向反射棱鏡(P1)，經(jīng)反射后到達(dá)平面反射鏡(P2)，在平面反射鏡(P2)靠近反射棱鏡(P1)的一側(cè)鍍有鋁膜層，鍍鋁面上是刻穿了鋁膜層的十字刻線(xiàn)。光線(xiàn)透過(guò)十字刻線(xiàn)的縫隙投射到平行光管的物鏡(L3)上，平面反射鏡(P2)的十字刻線(xiàn)位于光管物鏡(L3)的焦平面上，因此透過(guò)物鏡(L3)的光線(xiàn)將成為平行光束射向平面反射鏡(P4)，被反射回來(lái)的光線(xiàn)再次經(jīng)過(guò)物鏡(L3)將成像于物鏡的焦平面上，即平面反射鏡(P2)的鍍鋁面上。十字刻線(xiàn)本身及其返回像經(jīng)平面反射鏡(P2)反射，通過(guò)顯微物鏡(L2)聚焦和平面反射鏡(P3)反射，最后成像于瞄準(zhǔn)分劃板(M1)上。

圖1 光學(xué)自準(zhǔn)直系統(tǒng)原理圖Fig.1 Principle of optical auto-collimation system

根據(jù)光學(xué)自準(zhǔn)直系統(tǒng)原理，提出了一種基于CCD 的光學(xué)自準(zhǔn)直系統(tǒng)觀測(cè)方法。該方法是通過(guò)夾具將CCD 相機(jī)固定在光學(xué)自準(zhǔn)直系統(tǒng)的目鏡上進(jìn)行數(shù)字圖像采集，CCD 相機(jī)采集的圖像通過(guò)USB接口傳送到便攜式PC 機(jī)上，然后通過(guò)圖像處理技術(shù)，將處理后的結(jié)果顯示在PC 機(jī)上(圖2)。

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，搭建的光學(xué)自準(zhǔn)直觀測(cè)系統(tǒng)如圖3。

本光學(xué)自準(zhǔn)直系統(tǒng)主要由4 部分組成:

圖2 基于CCD 的光學(xué)自準(zhǔn)直系統(tǒng)觀測(cè)原理圖Fig.2 Observation principle of optical auto-collimation system based on CCD

圖3 基于CCD 的光學(xué)自準(zhǔn)直系統(tǒng)Fig.3 Optical auto-collimation system based on CCD

1)平行光管

實(shí)驗(yàn)中采用的的是F550 的平行光管，其焦距為550 mm，口徑為55 mm，相對(duì)孔徑為1∶10;同時(shí)選用5.7 倍放大率的高斯目鏡，以十字分劃板為觀測(cè)目標(biāo)。

2)CCD 相機(jī)及其支架

CCD 相機(jī)選用的是深圳迪美捷公司生產(chǎn)的DC140M 黑白相機(jī)，其感光元件采用的是SONY 公司生產(chǎn)的1/2″CCD，像元尺寸為4.65 mm × 4.65 mm，有效像元數(shù)為1 360 H ×1 024 V，幀率為7.5 fps，相機(jī)的外形尺寸為40 mm ×40 mm ×90 mm，通過(guò)USB 給相機(jī)供電和傳輸數(shù)據(jù)。同時(shí)提供了SDK，可供二次開(kāi)發(fā)，并可以編程控制曝光時(shí)間、白平衡、RGB 增益、GAMMA 校正、圖像尺寸等。與CCD 相機(jī)配套的鏡頭是日本COMPUTAR 公司生產(chǎn)的M1614-MP 型光學(xué)鏡頭，其焦距為16 mm，相對(duì)孔徑為1.4，像面尺寸為2/3″，最大視場(chǎng)角為38.0°。

用于支撐相機(jī)的支架采用的是實(shí)驗(yàn)室的光學(xué)支架，其可以在X、Y、Z 三個(gè)方向進(jìn)行移動(dòng)。在調(diào)整相機(jī)與平行光管位置時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)支架使得相機(jī)鏡頭的光軸盡量與目鏡的光軸盡量重合，從而減小成像誤差。

3)便攜式計(jì)算機(jī)

第三，鴉片貿(mào)易合法化，并明確規(guī)定了鴉片進(jìn)口關(guān)稅稅率?！吨杏⑼ㄉ陶鲁躺坪髼l約》第五款規(guī)定：“向來(lái)洋藥、銅錢(qián)、米谷、豆石、硝磺、白鉛等物，例皆不準(zhǔn)通商，現(xiàn)定稍寬其禁，聽(tīng)商遵行納稅貿(mào)易。洋藥準(zhǔn)其進(jìn)口，議定每百觔納稅銀叁拾兩”“洋藥”即鴉片，并規(guī)定鴉片進(jìn)口實(shí)行從量稅，每百斤納稅三十兩白銀。

實(shí)驗(yàn)中圖像采集和數(shù)據(jù)處理是在便攜式計(jì)算機(jī)上進(jìn)行的，計(jì)算機(jī)安裝了VC++ 6.0 軟件和CCD 相機(jī)驅(qū)動(dòng)軟件。通過(guò)VC ++ 6.0 編制程序，使用廠家提供的API 函數(shù)對(duì)相機(jī)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置并采集圖像，然后對(duì)圖像進(jìn)行處理得到結(jié)果，最后將結(jié)果顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上。

4)調(diào)整式平面反射鏡

調(diào)整式平面反射鏡可以通過(guò)后面的調(diào)節(jié)旋鈕完成繞Z 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)和繞Y 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。

在搭建好上面的光學(xué)自準(zhǔn)直系統(tǒng)后，若調(diào)整式平面反射鏡與光軸垂直，則返回像與十字刻線(xiàn)重合，在計(jì)算機(jī)屏幕上只會(huì)出現(xiàn)一個(gè)十字像;如果平面反射鏡與光軸有一微小傾斜角，則屏幕上就會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)十字像。圖4 所示圖像是平面鏡繞Y 軸有一個(gè)微小角度傾斜得到的。

3 亞像素細(xì)分

對(duì)于目標(biāo)的亞像素級(jí)邊緣檢測(cè)，傳統(tǒng)的處理過(guò)程［1］是:先對(duì)圖像進(jìn)行濾波處理，消除噪聲的影響;接著，利用傳統(tǒng)像素級(jí)邊緣檢測(cè)算子，得到目標(biāo)像素級(jí)邊緣;最后，使用亞像素細(xì)分算法進(jìn)行定位。

本文采用了一種簡(jiǎn)便的亞像素級(jí)邊緣定位方法。

圖4 經(jīng)CCD 相機(jī)采集到的十字絲圖像Fig.4 Reticle image acquired from CCD camera

進(jìn)行十字絲的粗定位［2］，圖像分割后圖像如圖5 所示。

圖5 圖像分割后十字絲圖像Fig.5 Reticle image after image segmentation

確定十字絲的像素級(jí)邊緣位置(圖6)［3］。

圖6 積分法后十字絲圖像Fig.6 Reticle image after integral method

式(1)反映了全部測(cè)量值于回歸值之間的偏離程度。要使回歸曲線(xiàn)與全部測(cè)量值最接近，就要求兩者的偏離程度最小。根據(jù)極值條件有

結(jié)合式(1)、(2)可得:

(n=取樣點(diǎn)數(shù))

在擬合之前，首先在原圖像中像素級(jí)邊緣點(diǎn)左右取點(diǎn)，共8 點(diǎn)。為了減小擬合誤差，在取點(diǎn)過(guò)程中，對(duì)于異常點(diǎn)予以剔除;然后將這些點(diǎn)代入式(3)求取a、b、c、d;最后根據(jù)亞像素點(diǎn)的坐標(biāo)得到邊緣的亞像素位置。

根據(jù)亞像素邊緣位置，采用最小二乘擬合法得到精確的邊緣直線(xiàn)方程，據(jù)此求得橫絲的精確中心，從而得到兩橫絲之間的間距。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中采用高精度微動(dòng)裝置改變平面反射鏡P4 的角度，然后使用數(shù)字圖像處理軟件計(jì)算兩橫絲之間的距離。為了對(duì)比方便，計(jì)算時(shí)已經(jīng)將平面鏡的微動(dòng)角度轉(zhuǎn)換為橫絲之間的微動(dòng)距離。

為了檢驗(yàn)亞像素細(xì)分算法的有效性，在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，同時(shí)計(jì)算了未使用亞像素細(xì)分算法得到的結(jié)果。未細(xì)分的計(jì)算過(guò)程是在得到像素級(jí)邊緣位置以后，直接根據(jù)像素級(jí)邊緣位置來(lái)擬合邊緣直線(xiàn)，然后取得十字絲中心，進(jìn)而求得兩十字絲之間的距離。測(cè)量數(shù)據(jù)如表1，微動(dòng)距離為微動(dòng)裝置步進(jìn)的距離，軟件計(jì)算的結(jié)果是微動(dòng)前后十字橫絲之間距離的差值，誤差為微動(dòng)距離與軟件計(jì)算結(jié)果之間的差值。

從表1 可以看出，從個(gè)體來(lái)看，只有個(gè)別點(diǎn)細(xì)分誤差比未細(xì)分誤差大，因CCD 誤差、光學(xué)誤差和算法誤差等綜合影響可以將其當(dāng)做誤差點(diǎn);從整體上看，未進(jìn)行亞像素細(xì)分的軟件計(jì)算結(jié)果誤差在2 μm以?xún)?nèi)，而經(jīng)過(guò)亞像素細(xì)分后誤差在1μm以?xún)?nèi)(其中微動(dòng)裝置的單步誤差為0.07 μm)，細(xì)分后誤差均值和方差相比未細(xì)分的結(jié)果都有所減小。

表1 垂直方向測(cè)量數(shù)據(jù)Tab.1 Data of vertical direction

5 結(jié)論

提出了一種基于CCD 的光學(xué)自準(zhǔn)直系統(tǒng)觀測(cè)方法，并將亞像素細(xì)分算法運(yùn)用到目標(biāo)的亞像素定位中;同時(shí)提出了一種簡(jiǎn)便的亞像素邊緣定位方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，亞像素細(xì)分技術(shù)相比傳統(tǒng)邊緣定位方法，在目標(biāo)邊緣定位上精度更高，有效地提高了光學(xué)自準(zhǔn)直系統(tǒng)的觀測(cè)精度。

1 徐鳳茹，等.基于視覺(jué)跟蹤式自準(zhǔn)直儀的十字線(xiàn)提取技術(shù)［J］.激光與紅外，2011，41(11):1 212－1 213.

2 岡薩雷斯.數(shù)字圖像處理(第三版)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2011.

3 史雨輝，路杰.高精度水平基標(biāo)準(zhǔn)裝置自動(dòng)化圖像處理研究［J］.大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2010，(增刊Ⅱ):129－131.

4 陳靜，尚雅層，田軍委.快速多項(xiàng)式擬合亞像素邊緣檢測(cè)算法的研究［J］.應(yīng)用光學(xué)，2011，32(1):91－95.