專利名稱：一種統(tǒng)計(jì)調(diào)制傳遞函數(shù)的隨機(jī)圖案測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光電成像系統(tǒng)的成像質(zhì)量測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，是一種實(shí)現(xiàn)非空間平移不變性離散成像系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)調(diào)制傳遞函數(shù)測(cè)量方法，其可用于光電成像系統(tǒng)產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)光學(xué)已經(jīng)逐漸向數(shù)字化、光電結(jié)合的方向發(fā)展。各種新產(chǎn)品、新器件層出不窮，CCD、CMOS以及成像光纖束端面、光纖面板等已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用。光學(xué)傳遞函數(shù)被普遍認(rèn)為是評(píng)價(jià)光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量較為完善的指標(biāo)，它的概念是建立在系統(tǒng)的線性和空間不變性(也稱等暈性)基礎(chǔ)上的。對(duì)于一般的經(jīng)過(guò)良好消像差設(shè)計(jì)的純光學(xué)系統(tǒng)，總可以認(rèn)為滿足線性條件和空間不變性條件。而對(duì)于離散采樣成像系統(tǒng)，由于它往往包含掃描、多路復(fù)用等過(guò)程，以及包含CCD等離散探測(cè)元陣列和圖像采集卡等離散采樣器件，傳統(tǒng)的OTF概念不能完全適用于這類系統(tǒng)。采樣成像系統(tǒng)不具備空間不變性，有時(shí)甚至不滿足線性特性。
因此，對(duì)于光電離散采樣成像系統(tǒng)，必須采用一些特殊的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)制傳遞函數(shù)的測(cè)量。目前，文獻(xiàn)報(bào)道的方法已有微米級(jí)機(jī)械掃描法、光柵調(diào)制度法、激光散斑法等，其原理圖分別如圖1、2、3所示。
微米級(jí)機(jī)械掃描法的實(shí)質(zhì)是利用亞像元級(jí)精確機(jī)械掃描來(lái)實(shí)現(xiàn)超分辨率，減少頻譜混疊現(xiàn)象對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。為獲取超分辨率，需要在亞像元尺度上精確定位每條掃描線上刀口的位置，這在實(shí)際測(cè)量工作中會(huì)有不小的困難。光柵調(diào)制度法的實(shí)質(zhì)是將光柵以某種方式成像到離散采樣器件，測(cè)量各種空間頻率條紋的的調(diào)制度衰減量。這種方法需要制作各種空間頻率的矩形光柵，并將矩形條紋成像到采樣成像器件上，通過(guò)數(shù)字圖像分析技術(shù)和相應(yīng)的數(shù)學(xué)算法計(jì)算出基頻分量的調(diào)制度衰減量。測(cè)試過(guò)程中必須注意測(cè)試條紋圖像與采樣元之間的對(duì)準(zhǔn)位置關(guān)系，多次對(duì)準(zhǔn)和測(cè)試以便能遍歷多種采樣場(chǎng)景相位，因此操作上也是非常困難的，并且效率低下。激光散斑法是利用激光散斑的隨機(jī)性測(cè)量CCD等離散采樣成像器件的一種新方法，該方法由G.Boreman等人最先提出，后來(lái)又由Ducharme等人采用全息衍射技術(shù)改進(jìn)。激光散斑法不需要掃描機(jī)構(gòu)和精確對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)，操作簡(jiǎn)單方便，但一般直接將激光散斑投射到CCD靶面上，適宜CCD器件的測(cè)量。
雖然目前有上述方法可用于測(cè)量離散采樣成像器件的頻譜特性，但是這些方法往往實(shí)施起來(lái)費(fèi)時(shí)費(fèi)力。首先，部分類型目標(biāo)靶加工制作和更換困難。質(zhì)量良好的正弦光柵加工制作困難，并且為了能測(cè)量各種頻率下的傳遞函數(shù)性能，需要配備一系列不同空間頻率的光柵板。其次，為了獲取統(tǒng)計(jì)意義上的平均傳遞函數(shù)性能，需要遍歷采樣相位各值。因此要求非常準(zhǔn)確地微量平移(通常是在亞像元級(jí))測(cè)試目標(biāo)或采樣器件，使采樣器件像元和入射圖像間形成特定采樣相位的精確對(duì)準(zhǔn)。這給測(cè)試裝置的制造精度帶來(lái)了非常嚴(yán)格的要求，也對(duì)測(cè)試人員的專業(yè)技術(shù)水平提出了很高的要求，同時(shí)也是造成測(cè)試效率低下的一個(gè)主要原因。
為了改進(jìn)對(duì)離散采樣成像系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)測(cè)量方法，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也進(jìn)行了不少的研究，并提出了一系列的研究方法和技術(shù)。根據(jù)信息論、信號(hào)與系統(tǒng)理論，人們很早就已認(rèn)識(shí)到線性平移不變性系統(tǒng)的激勵(lì)和響應(yīng)之間存在某種相關(guān)關(guān)系。東京大學(xué)的Hiroshi Kubota和Hitoshi Ohzu最先提出可將物像相關(guān)性應(yīng)用于光學(xué)成像系統(tǒng)響應(yīng)函數(shù)的測(cè)量中。ArnoldDaniels、Glenn D.Boreman等人和Eli Levy、Doron Peles等人率先將該方法嘗試用于可見光和紅外波段光學(xué)鏡頭調(diào)制傳遞函數(shù)的測(cè)量。但這些方法實(shí)施過(guò)程仍然較為復(fù)雜，需要制作隨機(jī)噪聲的照相膠片，或者使用投影儀等。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服上述已有技術(shù)的不足，提出一種利用高分辨率液晶圖形發(fā)生器技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)光電采樣成像系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)測(cè)量的隨機(jī)圖案法，其特征在于采用功率譜相關(guān)性來(lái)得到傳遞函數(shù)，采用隨機(jī)條紋測(cè)試靶標(biāo)，或者其它隨機(jī)圖案靶標(biāo)，隨機(jī)圖案由計(jì)算機(jī)隨機(jī)算法生成，不需要掃描機(jī)構(gòu)和精確對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)，可以在計(jì)算機(jī)控制下快速得到離散采樣成像系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)意義上的調(diào)制傳遞函數(shù)特性。
本發(fā)明方法利用基于物像相關(guān)性的理論算法，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制實(shí)現(xiàn)，主要包括以下步驟(1)采用偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器算法，由計(jì)算機(jī)生成灰度隨機(jī)圖案， 其中xn為迭代算法中的中間值，rn為所得的隨機(jī)值；N為數(shù)字圖像像素?cái)?shù)量；M為模數(shù)，a為乘數(shù)，c為加數(shù)，且要求xn、M、a、c均為非負(fù)整數(shù)；一般地，M可以取數(shù)字圖像的最大灰度值。
其中，所述的偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器算法可以是線性同余LCG法、組合同余法或反饋位移寄存器法。
(2)采用圖像壓縮編碼協(xié)議對(duì)灰度隨機(jī)圖案數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，按照計(jì)算機(jī)與液晶電路間的通訊協(xié)議將壓縮數(shù)據(jù)發(fā)送到液晶分劃圖形發(fā)生器并由其解壓縮到緩存，所述的圖像壓縮編碼協(xié)議可以是圖像行程長(zhǎng)度RLE8壓縮編碼協(xié)議或者GIF等無(wú)損壓縮編碼規(guī)范。
(3)分析產(chǎn)生的隨機(jī)圖案的灰度功率譜分布函數(shù)，得到物方的功率譜分布，然后采集通過(guò)被測(cè)光電離散采樣成像系統(tǒng)的圖像，再由自相關(guān)運(yùn)算和快速傅里葉變換算法得到該圖像的灰度功率譜分布函數(shù)，根據(jù)物像功率譜相關(guān)性關(guān)系式，得到調(diào)制傳遞函數(shù)曲線Pg(μ)＝Pf(μ)|H(μ)|2式中的Pg(μ)為像自功率譜估計(jì)，Pf(μ)為物的自功率譜估計(jì)，H(μ)為光學(xué)成像系統(tǒng)的頻域響應(yīng)函數(shù)。
(4)重復(fù)步驟(1)～(3)，按照集總平均的要求取得統(tǒng)計(jì)意義下的平均調(diào)制傳遞函數(shù)特性。
其中測(cè)試靶標(biāo)采用計(jì)算機(jī)生成的灰度隨機(jī)圖案、并在高分辨率液晶圖形發(fā)生器顯示的方式，灰度隨機(jī)圖案主要是隨機(jī)條紋圖案，或者隨機(jī)點(diǎn)陣圖案。
其中照明光源可以是高亮度均勻照明面光源，例如積分球或LCD背光源。
本發(fā)明具有如下顯著優(yōu)點(diǎn)1.能非常容易地得到大量隨機(jī)條紋測(cè)試圖或者其它類型的測(cè)試圖，便于進(jìn)行統(tǒng)計(jì)意義上的測(cè)試，具有很高的靈活性和可操作性；2.具有平移不變特性，避免了微米級(jí)精密的機(jī)械掃描；3.首次采用高分辨率液晶作為光學(xué)分劃圖形發(fā)生器并應(yīng)用于光學(xué)測(cè)量；4.測(cè)試過(guò)程簡(jiǎn)單，對(duì)人員的專業(yè)技術(shù)水平要求不高，利于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)化測(cè)試。


圖1為已有的微米級(jí)刀口掃描法的示意圖，其中(1)為采樣點(diǎn)，(2)為刀口，(3)為刀口響應(yīng)曲線，(4)為掃描線。
圖2為已有的光柵調(diào)制度測(cè)量法的示意圖。
圖3為已有的激光干涉散斑法的示意圖，其中(1)為隨機(jī)散射板，(2)為CCD靶板。
圖4為本發(fā)明實(shí)施例的示意圖，其中，左圖表示計(jì)算機(jī)生成并在高分辨率液晶圖形發(fā)生器上顯示的隨機(jī)條紋圖案，圖4的右圖表示CCD等光電離散采樣系統(tǒng)采樣到的圖像。
圖5表示本發(fā)明實(shí)施例中單次實(shí)驗(yàn)得到的計(jì)算曲線和理論曲線；圖6表示的是經(jīng)過(guò)5次實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行集總平均得到的平均曲線和理論計(jì)算曲線；
具體實(shí)施例方式
首先，利用線性同余發(fā)生器LCG偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器算法，根據(jù)以下公式 這里取M＝255、N＝128，每次隨機(jī)選取符合條件的a、c、x0初始值(xn、M、a、c均為非負(fù)整數(shù))，產(chǎn)生若干組一定長(zhǎng)度的偽隨機(jī)數(shù)，由計(jì)算機(jī)生成灰度隨機(jī)條紋圖案；(2)采用數(shù)字圖像行程長(zhǎng)度RLE8壓縮編碼協(xié)議對(duì)灰度隨機(jī)圖案數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，按照計(jì)算機(jī)與液晶電路間的通訊協(xié)議將壓縮數(shù)據(jù)發(fā)送到液晶分劃圖形發(fā)生器，在高分辨率液晶圖形發(fā)生器上顯示，如圖4所示，其中，左圖是作為測(cè)試靶標(biāo)的隨機(jī)條紋圖，右圖是經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)成像后，由被測(cè)CCD系統(tǒng)拍攝到的圖像。
其中，所使用的液晶分劃圖形發(fā)生器采用SONY 0.9英寸黑白透射式液晶板，它的幾項(xiàng)重要性能指標(biāo)如下◆有效像元數(shù)1024×768◆有效區(qū)域長(zhǎng)寬比4∶3◆像元尺寸17.86×17.86微米◆典型的最高光學(xué)透射率16％◆高對(duì)比度白∶黑＝400∶1(3)分析產(chǎn)生的隨機(jī)圖案的灰度功率譜分布函數(shù)，得到物方的功率譜分布，然后采集通過(guò)被測(cè)光電離散采樣成像系統(tǒng)的圖像，采用自相關(guān)運(yùn)算和快速傅里葉變換算法，分析測(cè)試靶標(biāo)和CCD拍攝的圖像(分別如圖4中的左圖和右圖所示)，得到灰度功率譜分布函數(shù)并計(jì)算出調(diào)制傳遞函數(shù)數(shù)據(jù)及其擬合曲線，其結(jié)果如圖5和圖6。
圖5和圖6是根據(jù)物像相關(guān)性理論公式計(jì)算出的數(shù)據(jù)點(diǎn)及曲線，進(jìn)行了多項(xiàng)式擬合并給出了擬合曲線和理論計(jì)算曲線。圖5僅對(duì)一組隨機(jī)條紋進(jìn)行了分析，可以看出MTF擬合曲線基本逼近理論曲線，但它的MTF數(shù)據(jù)還有一定的隨機(jī)性，各次實(shí)驗(yàn)間擬合曲線有一定的波動(dòng)，尤其是在低頻點(diǎn)附近波動(dòng)較大。右圖則是對(duì)五組隨機(jī)條紋測(cè)試圖進(jìn)行計(jì)算得到的集總平均調(diào)制傳遞函數(shù)數(shù)據(jù)及擬合曲線，也可以看到MTF數(shù)據(jù)的隨機(jī)性大大降低，擬合MTF曲線和理論曲線非常吻合。
以上結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
和效果作了說(shuō)明，但這些說(shuō)明不能被理解為限制了本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的保護(hù)范圍由權(quán)利要求書限定，任何在本發(fā)明權(quán)利要求基礎(chǔ)上進(jìn)行的改動(dòng)都是本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種采用隨機(jī)圖案靶標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)調(diào)制傳遞函數(shù)測(cè)量的方法，包括步驟(1)采用偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器算法，由計(jì)算機(jī)生成灰度隨機(jī)圖案； 其中xn為中間值，rn為所得的隨機(jī)值；n＝1，2，3…N，且N為數(shù)字圖像像素?cái)?shù)量；M為模數(shù)，a為乘數(shù)，c為加數(shù)，且xn、M、a、c均為非負(fù)整數(shù)；(2)采用圖像壓縮編碼協(xié)議對(duì)灰度隨機(jī)圖案數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，按照主控計(jì)算機(jī)與液晶電路間的通訊協(xié)議將壓縮數(shù)據(jù)發(fā)送到液晶分劃圖形發(fā)生器并由其解壓縮到緩存；(3)分析產(chǎn)生的隨機(jī)圖案的灰度功率譜分布函數(shù)，得到物方的功率譜分布，然后采集通過(guò)被測(cè)光電離散采樣成像系統(tǒng)的圖像，再由自相關(guān)運(yùn)算和快速傅里葉變換算法得到該圖像的灰度功率譜分布函數(shù)，根據(jù)物像功率譜相關(guān)性關(guān)系式，得到調(diào)制傳遞函數(shù)曲線Pg(μ)＝Pf(μ)|H(μ)|2其中，Pg(μ)為像自功率譜估計(jì)，Pf(μ)為物的自功率譜估計(jì)，H(μ)為光學(xué)成像系統(tǒng)的頻域響應(yīng)函數(shù)；(4)重復(fù)步驟(1)～(3)，按照集總平均的要求取得統(tǒng)計(jì)意義下的平均調(diào)制傳遞函數(shù)特性。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟(1)中的M是數(shù)字圖像的最大灰度值。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器算法是線性同余LCG法、組合同余法或反饋位移寄存器法。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的圖像壓縮編碼協(xié)議是圖像行程長(zhǎng)度RLE8壓縮編碼協(xié)議或GIF編碼規(guī)范。
全文摘要
一種統(tǒng)計(jì)調(diào)制傳遞函數(shù)的隨機(jī)圖案測(cè)量方法，采用功率譜相關(guān)性來(lái)得到傳遞函數(shù)，采用隨機(jī)條紋測(cè)試靶標(biāo)，或者其它隨機(jī)圖案靶標(biāo)，隨機(jī)圖案由計(jì)算機(jī)隨機(jī)算法生成，不需要掃描機(jī)構(gòu)和精確對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)，可以在計(jì)算機(jī)控制下快速得到離散采樣成像系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)意義上的調(diào)制傳遞函數(shù)特性。利用該方法能非常容易地得到大量隨機(jī)條紋測(cè)試圖或者其它類型的測(cè)試圖，便于進(jìn)行統(tǒng)計(jì)意義上的測(cè)試，具有很高的靈活性和可操作性；具有平移不變特性，避免了微米級(jí)精密的機(jī)械掃描；采用高分辨率液晶作為光學(xué)分劃圖形發(fā)生器并應(yīng)用于光學(xué)測(cè)量；測(cè)試過(guò)程簡(jiǎn)單，對(duì)人員的專業(yè)技術(shù)水平要求不高，利于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)化測(cè)試。
文檔編號(hào)H04N5/335GK101025382SQ20071006316
公開日2007年8月29日 申請(qǐng)日期2007年1月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月30日
發(fā)明者張旭升, 周桃庚, 陳凌峰, 何川, 沙定國(guó), 林家明 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)