CN112067254B - 一种光学系统鬼像测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种光学系统鬼像测量方法及系统，以定量的方式来评估镜头的鬼像性能，该方法包括以下步骤：将传感器亮度相关参数按画面亮度递增或递减顺序划分成N个亮度等级，每个亮度等级对应一份参数集，且相邻亮度等级间亮度为M倍关系；通过传感器采集成像画面并循环执行N次，每次采集一个亮度等级的画面，将传感器采集到的各亮度等级的画面依次编号为Pn，n＝1,2,...N；对画面Pn的各像素亮度进行量化，将量化后的光源亮度和鬼像亮度做计算，得到镜头的镜头鬼像值，生成若干幅鬼像报告图。该系统包括：图像采集模块、图像亮度量化模块、鬼像能量计算模块、鬼像形状计算模块和鬼像形状能量显示模块。

Description

一种光学系统鬼像测量方法及系统

技术领域

本发明涉及一种光学系统鬼像测量方法及系统。

背景技术

杂散光是指能够到达光电系统探测器靶面的非目标成像的光能量，它的存在会导致光学系统的输出噪声的增加，从而使像面对比度的降低，严重时会使系统输出的目标信号完全湮没在噪声中，影响到光学系统的有效作用距离和分辨能力，因而必需设法提高光学系统对杂散光的抑制水平，从而提高整个系统的信噪比和性能。

杂散光的重要表现之一就是鬼像，鬼像指的是由于光学元件表面的残余反射导致部分成像光线在光学系统光路中汇聚形成的像。对于光学系统的研发来说，鬼像的测试是十分必要的，尤其是对大口径、多光谱、变焦光电测试设备，其鬼像的测试、分析、定位工作将直接关系光学系统的成像质量，所以建立一款高效测量光学系统鬼像的测量装置是非常必要的。

发明内容

基于背景技术中提及的问题，本发明提出一种光学系统鬼像测量方法及系统，以定量的方式来评估镜头的鬼像性能，其具体技术内容如下：

本发明的光学系统鬼像测量方法，其包括以下步骤：

设置传感器，将其亮度参数划分成连续的N个亮度等级；

通过传感器采集各亮度等级下的图像并对图像的各像素亮度进行量化；

根据量化所得的光源亮度值和鬼像亮度值做计算，得到光学系统的鬼像值量化值，并生成用于展示测量结果的若干幅鬼像报告图。

于本发明的一个或多个实施例当中，具体包括以下步骤：

步骤1，设置传感器；将传感器亮度相关参数按画面亮度递增或递减顺序划分成N个亮度等级，每个亮度等级对应一份参数集，且相邻亮度等级间亮度为M倍关系；

步骤2，通过传感器采集成像画面并循环执行N次，每次采集一个亮度等级的画面，将传感器采集到的各亮度等级的画面依次编号为Pn，n＝1,2,...N；

步骤3，扫描每个亮度等级的画面Pn，提取画面Pn中的过曝区域A1n，将相邻亮度等级的过曝区域相减|A1(n+1)–A1n|，得到的差值为各个亮度等级下的亮度区域A2n；

步骤4，计算亮度区域A2n中画面最大亮度MAXn和最小亮度MINn；

步骤5，对各个亮度等级区域A2n中的每个像素点亮度进行量化，量化公式包括：

L(i,j)＝K*Pow(M,n)+(1-K)*Pow(M,n+1)； (1)

K＝(LightVal(i,j)-MINn)/(MAXn-MINn)； (2)

其中，Pow(M,n)是以M为底n的指数，K为亮度等比例系数，LightVal(i,j)为像素点的画面亮度值，结合公式(1)和(2)获得对应像素点的亮度量化值L(i,j)；继而，将所有A2n区域合起来构成一个完整画面，即可得到画面上每个像素点的亮度量化值L(i,j)；

步骤6，扫描每个亮度等级的画面Pn，从中找到有效光源，所述有效光源是指包含有多个亮度值大于或等于亮度上限的像素点的区域；当多个画面都存在有效光源时，取亮度等级最小的画面；

步骤7，计算光源像素的亮度量化值；

S(i,j)＝＝K*Pow(M,n)+(1-K)*Pow(M,n+1)； (3)

结合公式(2)和(3)获得对应光源像素的亮度量化值S(i,j)；

步骤8，计算鬼像像素的亮度量化值；

G(i,j)＝L’(i,j)–B(i,j)； (4)

L’(i,j)为鬼像像素所在位置的画面亮度量化值，B(i,j)为鬼像像素附近的最小亮度量化值；

步骤9，计算光源鬼像能量比值；

光源鬼像能量比值＝G(i,j)/S(i,j)

＝(L’(i,j)–B(i,j))/S(i,j)； (5)

步骤10，生成若干幅鬼像报告图，其中包括鬼像形状图或/和鬼像能量图；

所述鬼像形状图是在画面Pn中选取鬼像现象明显几张画面合成为一张；

所述鬼像能量图根据上述步骤中计算所得的各量化值，并关联若干种颜色渐变以实现对鬼像能量强弱变化的显示。

于本发明的一个或多个实施例当中，在生成鬼像形状图时，根据采集到画面及其对应编号，通过观察画面来选择鬼像明显的若干画面进行合成。

于本发明的一个或多个实施例当中，在生成鬼像形状图时，识别并挑选画面中未完全过曝的前X张画面进行合成。

于本发明的一个或多个实施例当中，设定能量上限值和能量下限值，在能量上限值和能量下限值的区间内结合计算所得的各量化值，关联若干种颜色渐变以实现对鬼像能量强弱变化的显示。

于本发明的一个或多个实施例当中，所述鬼像报告图还包括最亮点鬼像值图；提供由步骤5生成的完整画面，通过人工观察并在画面中框选强亮度区域；识别并计算该区域内的鬼像亮度量化值，通过对鬼像亮度量化值的比较获得最亮点鬼像值，在所述最亮点鬼像值图中标记并显示该最亮点鬼像值。

于本发明的一个或多个实施例当中，设定有若干测量角度，在每一测量角度下分别执行步骤2-10，对应生成该测量角度下的若干幅鬼像报告图。

本发明的光学系统鬼像测量系统，其包括：

用于按预设参数采集图像并对成像画面进行编号的图像采集模块；

用于对各亮度等级下的画面进行亮度量化计算的图像亮度量化模块；

用于对各亮度等级下的画面进行鬼像量化计算的鬼像能量计算模块；

用于根据量化计算结果生成鬼像形状图的鬼像形状计算模块；

用于根据量化计算结果生成鬼像能量图的鬼像形状能量显示模块。

于本发明的一个或多个实施例当中，所述图像采集模块包括按画面亮度递增或递减顺序划分成N个亮度等级的亮度参数等级划分单元，配置及存储每个亮度等级的参数集的参数配置单元，以及画面传感成像的图像采集单元；

所述图像亮度量化模块包括对像素点亮度进行量化的区域计算单元，提取画面中的过曝区域、处理并合并构成完整画面的区域合并单元；

所述鬼像能量计算模块包括获取画面光源并计算其亮度的光源亮度计算单元，获取并计算鬼像画面中各鬼像像素亮度值的鬼像画面亮度计算单元，以及计算光源能量与鬼像能量的比值的鬼像能量比值计算单元。

于本发明的一个或多个实施例当中，光学系统鬼像测量系统具有供用户操作的交互界面，于该交互界面上设置有：

用于触发图像采集模块和图像亮度量化模块执行操作的测量按钮；

用于触发鬼像能量计算模块执行操作的计算能量按钮；

用于导出鬼像报告图的报告输出按钮；

用于设置能量上限值和能量下限值的输入框；

用于触发弹出画面和触发鬼像形状能量显示模块执行操作的框选按钮；

所述鬼像形状能量显示模块还用于识别人工框选的画面区域，计算并获得该区域内的最亮点鬼像值，生成显示该最亮点鬼像值的鬼像最亮点显示图。

于本发明的一个或多个实施例当中，所述交互界面上设置有若干个测量角度选项，用于供用户选择当前测量的光源角度；在选择对应的测量角度选项后，再点选测量按钮启动测量操作。

本发明的有益效果是：主要用于鬼像测量设备中评估测量镜头的鬼像性能，包含鬼像形状，鬼像能量分布和每个点的鬼像值，将传感器亮度参数划分成连续的N个亮度等级，采集不同等级下的图像，并对图像亮度进行量化，将量化后的光源亮度和鬼像亮度做计算，得到镜头的镜头鬼像值，以定量的方式来评估镜头的鬼像性能。

附图说明

图1为本发明的方法流程图。

图2为本发明的方法流程图(续图1)

图3为本发明的系统框架示意图。

图4为本发明的交互界面示意图。

图5为本发明的鬼像形状图。

图6为本发明的鬼像能量图。

图7为本发明的最亮点鬼像值图。

具体实施方式

如下结合附图1至7，对本申请方案作进一步描述：

参见附图1至2、5至7，一种光学系统鬼像测量方法，其包括以下步骤：

步骤1，设置传感器，即画出传感器Sensor；将传感器亮度相关参数按画面亮度递增或递减顺序划分成N个亮度等级，每个亮度等级对应一份参数集，且相邻亮度等级间亮度为M倍关系；

步骤2，通过传感器采集成像画面并循环执行N次，每次采集一个亮度等级的画面，将传感器采集到的各亮度等级的画面依次编号为Pn，n＝1,2,...N；

步骤3，扫描每个亮度等级的画面Pn，提取画面Pn中的过曝区域A1n，将相邻亮度等级的过曝区域相减|A1(n+1)–A1n|，得到的差值为各个亮度等级下的亮度区域A2n；

步骤4，计算亮度区域A2n中画面最大亮度MAXn和最小亮度MINn；

步骤5，对各个亮度等级区域A2n中的每个像素点亮度进行量化，量化公式包括：

L(i,j)＝K*Pow(M,n)+(1-K)*Pow(M,n+1)； (1)

K＝(LightVal(i,j)-MINn)/(MAXn-MINn)； (2)

其中，Pow(M,n)是以M为底n的指数，K为亮度等比例系数，LightVal(i,j)为像素点的画面亮度值，结合公式(1)和(2)获得对应像素点的亮度量化值L(i,j)；继而，将所有A2n区域合起来构成一个完整画面，即可得到画面上每个像素点的亮度量化值L(i,j)；

假设是亮度等级1，则处理画面为P1；

搜索画面P1中区域A21里面最暗像素的亮度值MIN1和最亮像素的亮度值MAX1；最后的计算为：

L(i,j)＝K*Pow(M,1)+(1-K)*Pow(M,2)

K＝(LightVal(i,j)–MIN1)/(MAX1–MIN1)；

假设是亮度等级19，则处理画面P19)；

搜索画面P19中区域A219里面最暗像素的亮度值MIN19和最亮像素的亮度值MAX19；最后的计算为：

L(i,j)＝K*Pow(M,19)+(1-K)*Pow(M,20)

K＝(LightVal(i,j)–MIN19)/(MAX19 MIN19)；

(i,j)是像素点坐标索引，假设画面传感器传感器的分辨率为Width XHeight,左上角为原点，宽为i方向，高为j方向，i往右为递增，j往下递增；

步骤6，扫描每个亮度等级的画面Pn，从中找到有效光源，所述有效光源是指包含有多个亮度值大于或等于亮度上限的像素点的区域；当多个画面都存在有效光源时，取亮度等级最小的画面；

其中，对于亮度上限的解释是：

亮度等级被划分为N级，所以n的取值范围为(1，2，3，，，N)；

每一个亮度等级都会采集一张图片，对于每一个图片，亮度的取值不是无限大的，而是有个范围，例如：

对于8bit的图片，亮度上限值为255(2的8次方-1)，下限为0；

对于10bit的图片，亮度上限值为1023(2的10次方-1)，下限为0；

依此例推12bit，14bit，16bit；根据实际拍摄的图片位数来取得所述亮度上限。

步骤7，计算光源像素的亮度量化值；

S(i,j)＝＝K*Pow(M,n)+(1-K)*Pow(M,n+1)； (3)

结合公式(2)和(3)获得对应光源像素的亮度量化值S(i,j)；

步骤8，计算鬼像像素的亮度量化值；

G(i,j)＝L’(i,j)–B(i,j)； (4)

L’(i,j)为鬼像像素所在位置的画面亮度量化值，B(i,j)为鬼像像素附近的最小亮度量化值；

步骤9，计算光源鬼像能量比值；

光源鬼像能量比值＝G(i,j)/S(i,j)

＝(L’(i,j)–B(i,j))/S(i,j)； (5)

步骤10，生成若干幅鬼像报告图，其中包括鬼像形状图、鬼像能量图和最亮点鬼像值图；具体生成步骤包括：

1)鬼像形状图

在画面Pn中选取鬼像现象明显几张画面合成为一张；即根据采集到画面及其对应编号，通过观察画面来选择鬼像明显的若干画面进行合成；或者是，识别并挑选画面中未完全过曝(画面全白)的前X张画面进行合成，该X值根据实际经验来设定，例如可以是前3至5张。

2)鬼像能量图

根据上述步骤中计算所得的各量化值，并关联若干种颜色渐变以实现对鬼像能量强弱变化的显示；具体是，先设定能量上限值和能量下限值，在能量上限值和能量下限值的区间，如[1.0e-002,1.0e-010]，内结合计算所得的各量化值，若干种颜色按照线性关系对应于该区间渐变以实现对鬼像能量强弱变化的显示，例如以红，绿，蓝，三种颜色渐变的方式显示鬼像能量图；其中，红色区域代表能量值高，绿色居中，蓝色代表能量值低，由红色浓度逐步降低，过渡到绿色，再逐步降低过渡到蓝色。

3)最亮点鬼像值图

提供由步骤5生成的完整画面，通过人工观察并在画面中框选强亮度区域；识别并计算该区域内的鬼像亮度量化值，通过对鬼像亮度量化值的比较获得最亮点鬼像值，在所述最亮点鬼像值图中标记并显示该最亮点鬼像值，包括鬼像高亮点坐标和能量值，参见附图6，鬼像高亮点坐标为(-0.213，0.013)，能量值为1.685299e-005。

进一步的，在测量前先设定测量角度，在每一测量角度下分别执行步骤2-10，对应生成该测量角度下的若干幅鬼像报告图。

参见附图3至4，一种光学系统鬼像测量系统，其包括：

用于按预设参数采集图像并对成像画面进行编号的图像采集模块1，其包括按画面亮度递增或递减顺序划分成N个亮度等级的亮度参数等级划分单元101，配置及存储每个亮度等级的参数集的参数配置单元102，以及画面传感成像的图像采集单元103；

用于对各亮度等级下的画面进行亮度量化计算的图像亮度量化模块2，其包括对像素点亮度进行量化的区域计算单元201，提取画面中的过曝区域、处理并合并构成完整画面的区域合并单元202；

用于对各亮度等级下的画面进行鬼像量化计算的鬼像能量计算模块3，其包括获取画面光源并计算其亮度的光源亮度计算单元301，获取并计算鬼像画面中各鬼像像素亮度值的鬼像画面亮度计算单元302，以及计算光源能量与鬼像能量的比值的鬼像能量比值计算单元303；

用于根据量化计算结果生成鬼像形状图的鬼像形状计算模块4；

用于根据量化计算结果生成鬼像能量图的鬼像形状能量显示模块5，鬼像形状能量显示模块还用于识别人工框选的画面区域，计算并获得该区域内的最亮点鬼像值，生成显示该最亮点鬼像值的鬼像最亮点显示图。

光学系统鬼像测量系统具有供用户操作的交互界面6，于该交互界面6上设置有：

用于触发图像采集模块1和图像亮度量化模块2执行操作的测量按钮601；

用于触发鬼像能量计算模块3执行操作的计算能量按钮602；

用于导出鬼像报告图的报告输出按钮603；

用于设置能量上限值和能量下限值的输入框604；

用于触发弹出画面和触发鬼像形状能量显示模块5执行操作的框选按钮605；

若干个测量角度选项606，用于供用户选择当前测量的光源角度；在选择对应的测量角度选项后，再点选测量按钮601启动测量操作。

具体的操作顺序是：

Step1.鼠标点击标定光源按钮607进行0°光源强度标定，该操作只需在开始测时标定一次，后续不需要每次测试都标定；还设置有用于重置光源标定数据的清空光源数据按钮608；

Step2.调节镜头对光源的拍摄角度，鼠标点击选择对应拍摄角度；

Step3.鼠标点击测量按钮601启动测量，采集不同曝光等级下的图像；

Step4.鼠标点击框选按钮604，通过肉眼观察在弹出的画面中用鼠标框选鬼像最亮区域；

Step5.鼠标点击计算能量按钮602；

Step6.鼠标点击查看能量值按钮609；

Step7.重复步骤2-步骤6，拍摄所需角度；

Step8.鼠标点击报告输出按钮603，导出报告图片，即为每个测试角度的生成三张图：鬼像形状图、鬼像能量图和最亮点鬼像值图。

上述优选实施方式应视为本申请方案实施方式的举例说明，凡与本申请方案雷同、近似或以此为基础作出的技术推演、替换、改进等，均应视为本专利的保护范围。

Claims (9)

1.一种光学系统鬼像测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

设置传感器，将其亮度参数划分成连续的N个亮度等级；

通过传感器采集各亮度等级下的图像并对图像的各像素亮度进行量化；

根据量化所得的光源亮度值和鬼像亮度值做计算，得到光学系统的鬼像值量化值，并生成用于展示测量结果的若干幅鬼像报告图；

进一步包括以下步骤：

步骤1，设置传感器；将传感器亮度相关参数按画面亮度递增或递减顺序划分成N个亮度等级，每个亮度等级对应一份参数集，且相邻亮度等级间亮度为M倍关系；

步骤2，通过传感器采集成像画面并循环执行N次，每次采集一个亮度等级的画面，将传感器采集到的各亮度等级的画面依次编号为Pn，n＝1,2,...N；

步骤3，扫描每个亮度等级的画面Pn，提取画面Pn中的过曝区域A1n，将相邻亮度等级的过曝区域相减|A1(n+1)–A1n|，得到的差值为各个亮度等级下的亮度区域A2n；

步骤4，计算亮度区域A2n中画面最大亮度MAXn和最小亮度MINn；

步骤5，对各个亮度等级区域A2n中的每个像素点亮度进行量化，量化公式包括：

L(i,j)＝K*Pow(M,n)+(1-K)*Pow(M,n+1)； (1)

K＝(LightVal(i,j)-MINn)/(MAXn-MINn)； (2)

其中，Pow(M,n)是以M为底n的指数，K为亮度等比例系数，LightVal(i,j)为像素点的画面亮度值，结合公式(1)和(2)获得对应像素点的亮度量化值L(i,j)；继而，将所有A2n区域合起来构成一个完整画面，即可得到画面上每个像素点的亮度量化值L(i,j)；

步骤6，扫描每个亮度等级的画面Pn，从中找到有效光源，所述有效光源是指包含有多个亮度值大于或等于亮度上限的像素点的区域；当多个画面都存在有效光源时，取亮度等级最小的画面；

步骤7，计算光源像素的亮度量化值；

S(i,j)＝＝K*Pow(M,n)+(1-K)*Pow(M,n+1)； (3)

结合公式(2)和(3)获得对应光源像素的亮度量化值S(i,j)；

步骤8，计算鬼像像素的亮度量化值；

G(i,j)＝L’(i,j)–B(i,j)； (4)

L’(i,j)为鬼像像素所在位置的画面亮度量化值，B(i,j)为鬼像像素附近的最小亮度量化值；

步骤9，计算光源鬼像能量比值；

光源鬼像能量比值＝G(i,j)/S(i,j)＝(L’(i,j)–B(i,j))/S(i,j)； (5)

步骤10，生成若干幅鬼像报告图，其中包括鬼像形状图或/和鬼像能量图；

所述鬼像形状图是在画面Pn中选取鬼像现象明显几张画面合成为一张；

所述鬼像能量图根据上述步骤中计算所得的各量化值，并关联若干种颜色渐变以实现对鬼像能量强弱变化的显示。

2.根据权利要求1所述的光学系统鬼像测量方法，其特征在于：在生成鬼像形状图时，根据采集到画面及其对应编号，通过观察画面来选择鬼像明显的若干画面进行合成；或者是，识别并挑选画面中未完全过曝的前X张画面进行合成。

3.根据权利要求1所述的光学系统鬼像测量方法，其特征在于：设定能量上限值和能量下限值，在能量上限值和能量下限值的区间内结合计算所得的各量化值，关联若干种颜色渐变以实现对鬼像能量强弱变化的显示。

4.根据权利要求3所述的光学系统鬼像测量方法，其特征在于：所述鬼像报告图还包括最亮点鬼像值图；提供由步骤5生成的完整画面，通过人工观察并在画面中框选强亮度区域；识别并计算该区域内的鬼像亮度量化值，通过对鬼像亮度量化值的比较获得最亮点鬼像值，在所述最亮点鬼像值图中标记并显示该最亮点鬼像值。

5.根据权利要求2-4任一项所述的光学系统鬼像测量方法，其特征在于：设定有若干测量角度，在每一测量角度下分别执行步骤2-10，对应生成该测量角度下的若干幅鬼像报告图。

6.一种光学系统鬼像测量系统，其特征在于，包括：

用于按预设参数采集图像并对成像画面进行编号的图像采集模块；

用于对各亮度等级下的画面进行亮度量化计算的图像亮度量化模块；

用于对各亮度等级下的画面进行鬼像量化计算的鬼像能量计算模块；

用于根据量化计算结果生成鬼像形状图的鬼像形状计算模块；

用于根据量化计算结果生成鬼像能量图的鬼像形状能量显示模块。

7.根据权利要求6所述的光学系统鬼像测量系统，其特征在于：

所述图像采集模块包括按画面亮度递增或递减顺序划分成N个亮度等级的亮度参数等级划分单元，配置及存储每个亮度等级的参数集的参数配置单元，以及画面传感成像的图像采集单元；

所述图像亮度量化模块包括对像素点亮度进行量化的区域计算单元，提取画面中的过曝区域、处理并合并构成完整画面的区域合并单元；

所述鬼像能量计算模块包括获取画面光源并计算其亮度的光源亮度计算单元，获取并计算鬼像画面中各鬼像像素亮度值的鬼像画面亮度计算单元，以及计算光源能量与鬼像能量的比值的鬼像能量比值计算单元。

8.根据权利要求6或7所述的光学系统鬼像测量系统，其特征在于：具有供用户操作的交互界面，于该交互界面上设置有：

用于触发图像采集模块和图像亮度量化模块执行操作的测量按钮；

用于触发鬼像能量计算模块执行操作的计算能量按钮；

用于导出鬼像报告图的报告输出按钮；

用于设置能量上限值和能量下限值的输入框；

用于触发弹出画面和触发鬼像形状能量显示模块执行操作的框选按钮；

所述鬼像形状能量显示模块还用于识别人工框选的画面区域，计算并获得该区域内的最亮点鬼像值，生成显示该最亮点鬼像值的鬼像最亮点显示图。

9.根据权利要求8所述的光学系统鬼像测量系统，其特征在于：

所述交互界面上设置有若干个测量角度选项，用于供用户选择当前测量的光源角度；在选择对应的测量角度选项后，再点选测量按钮启动测量操作。

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