專利名稱：一種統(tǒng)計調(diào)制傳遞函數(shù)的隨機圖案測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光電成像系統(tǒng)的成像質(zhì)量測試技術(shù)領(lǐng)域，是一種實現(xiàn)非空間平移不變性離散成像系統(tǒng)的統(tǒng)計調(diào)制傳遞函數(shù)測量方法，其可用于光電成像系統(tǒng)產(chǎn)品質(zhì)量檢驗。
背景技術(shù)：
近年來，隨著科學技術(shù)的迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)光學已經(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)獲得了廣泛的應用。光學傳遞函數(shù)被普遍認為是評價光學系統(tǒng)成像質(zhì)量較為完善的指標，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。對于一般的經(jīng)過良好消像差設(shè)計的純光學系統(tǒng)，總可以認為滿足線性條件和空間不變性條件。而對于離散采樣成像系統(tǒng)，由于它往往包含掃描、多路復用等過程，以及包含CCD等離散探測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，有時甚至不滿足線性特性。
因此，對于光電離散采樣成像系統(tǒng)，必須采用一些特殊的方法來實現(xiàn)調(diào)制傳遞函數(shù)的測量。目前，文獻報道的方法已有微米級機械掃描法、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。
微米級機械掃描法的實質(zhì)是利用亞像元級精確機械掃描來實現(xiàn)超分辨率，減少頻譜混疊現(xiàn)象對測量結(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，這在實際測量工作中會有不小的困難。光柵調(diào)制度法的實質(zhì)是將光柵以某種方式成像到離散采樣器件，測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，通過數(shù)字圖像分析技術(shù)和相應的數(shù)學算法計算出基頻分量的調(diào)制度衰減量。測試過程中必須注意測試條紋圖像與采樣元之間的對準位置關(guān)系，多次對準和測試以便能遍歷多種采樣場景相位，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性測量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，后來又由Ducharme等人采用全息衍射技術(shù)改進。激光散斑法不需要掃描機構(gòu)和精確對準機構(gòu)，操作簡單方便，但一般直接將激光散斑投射到CCD靶面上，適宜CCD器件的測量。
雖然目前有上述方法可用于測量離散采樣成像器件的頻譜特性，但是這些方法往往實施起來費時費力。首先，部分類型目標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。因此要求非常準確地微量平移(通常是在亞像元級)測試目標或采樣器件，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準。這給測試裝置的制造精度帶來了非常嚴格的要求，也對測試人員的專業(yè)技術(shù)水平提出了很高的要求，同時也是造成測試效率低下的一個主要原因。
為了改進對離散采樣成像系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)測量方法，國內(nèi)外學者也進行了不少的研究，并提出了一系列的研究方法和技術(shù)。根據(jù)信息論、信號與系統(tǒng)理論，人們很早就已認識到線性平移不變性系統(tǒng)的激勵和響應之間存在某種相關(guān)關(guān)系。東京大學的Hiroshi Kubota和Hitoshi Ohzu最先提出可將物像相關(guān)性應用于光學成像系統(tǒng)響應函數(shù)的測量中。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鏡頭調(diào)制傳遞函數(shù)的測量。但這些方法實施過程仍然較為復雜，需要制作隨機噪聲的照相膠片，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)和計算機控制技術(shù)的實現(xiàn)光電采樣成像系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)測量的隨機圖案法，其特征在于采用功率譜相關(guān)性來得到傳遞函數(shù)，采用隨機條紋測試靶標，或者其它隨機圖案靶標，隨機圖案由計算機隨機算法生成，不需要掃描機構(gòu)和精確對準機構(gòu)，可以在計算機控制下快速得到離散采樣成像系統(tǒng)的統(tǒng)計意義上的調(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，通過計算機控制實現(xiàn)，主要包括以下步驟(1)采用偽隨機數(shù)發(fā)生器算法，由計算機生成灰度隨機圖案， 其中xn為迭代算法中的中間值，rn為所得的隨機值；N為數(shù)字圖像像素數(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)議對灰度隨機圖案數(shù)據(jù)進行壓縮，按照計算機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度RLE8壓縮編碼協(xié)議或者GIF等無損壓縮編碼規(guī)范。
(3)分析產(chǎn)生的隨機圖案的灰度功率譜分布函數(shù)，得到物方的功率譜分布，然后采集通過被測光電離散采樣成像系統(tǒng)的圖像，再由自相關(guān)運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，Pf(μ)為物的自功率譜估計，H(μ)為光學成像系統(tǒng)的頻域響應函數(shù)。
(4)重復步驟(1)～(3)，按照集總平均的要求取得統(tǒng)計意義下的平均調(diào)制傳遞函數(shù)特性。
其中測試靶標采用計算機生成的灰度隨機圖案、并在高分辨率液晶圖形發(fā)生器顯示的方式，灰度隨機圖案主要是隨機條紋圖案，或者隨機點陣圖案。
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1.能非常容易地得到大量隨機條紋測試圖或者其它類型的測試圖，便于進行統(tǒng)計意義上的測試，具有很高的靈活性和可操作性；2.具有平移不變特性，避免了微米級精密的機械掃描；3.首次采用高分辨率液晶作為光學分劃圖形發(fā)生器并應用于光學測量；4.測試過程簡單，對人員的專業(yè)技術(shù)水平要求不高，利于實現(xiàn)計算機自動化測試。


圖1為已有的微米級刀口掃描法的示意圖，其中(1)為采樣點，(2)為刀口，(3)為刀口響應曲線，(4)為掃描線。
圖2為已有的光柵調(diào)制度測量法的示意圖。
圖3為已有的激光干涉散斑法的示意圖，其中(1)為隨機散射板，(2)為CCD靶板。
圖4為本發(fā)明實施例的示意圖，其中，左圖表示計算機生成并在高分辨率液晶圖形發(fā)生器上顯示的隨機條紋圖案，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)明實施例中單次實驗得到的計算曲線和理論曲線；圖6表示的是經(jīng)過5次實驗并進行集總平均得到的平均曲線和理論計算曲線；
具體實施例方式
首先，利用線性同余發(fā)生器LCG偽隨機數(shù)發(fā)生器算法，根據(jù)以下公式 這里取M＝255、N＝128，每次隨機選取符合條件的a、c、x0初始值(xn、M、a、c均為非負整數(shù))，產(chǎn)生若干組一定長度的偽隨機數(shù)，由計算機生成灰度隨機條紋圖案；(2)采用數(shù)字圖像行程長度RLE8壓縮編碼協(xié)議對灰度隨機圖案數(shù)據(jù)進行壓縮，按照計算機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，左圖是作為測試靶標的隨機條紋圖，右圖是經(jīng)過光學系統(tǒng)成像后，由被測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，它的幾項重要性能指標如下◆有效像元數(shù)1024×768◆有效區(qū)域長寬比4∶3◆像元尺寸17.86×17.86微米◆典型的最高光學透射率16％◆高對比度白∶黑＝400∶1(3)分析產(chǎn)生的隨機圖案的灰度功率譜分布函數(shù)，得到物方的功率譜分布，然后采集通過被測光電離散采樣成像系統(tǒng)的圖像，采用自相關(guān)運算和快速傅里葉變換算法，分析測試靶標和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)性理論公式計算出的數(shù)據(jù)點及曲線，進行了多項式擬合并給出了擬合曲線和理論計算曲線。圖5僅對一組隨機條紋進行了分析，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)還有一定的隨機性，各次實驗間擬合曲線有一定的波動，尤其是在低頻點附近波動較大。右圖則是對五組隨機條紋測試圖進行計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)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
和效果作了說明，但這些說明不能被理解為限制了本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的保護范圍由權(quán)利要求書限定，任何在本發(fā)明權(quán)利要求基礎(chǔ)上進行的改動都是本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種采用隨機圖案靶標進行統(tǒng)計調(diào)制傳遞函數(shù)測量的方法，包括步驟(1)采用偽隨機數(shù)發(fā)生器算法，由計算機生成灰度隨機圖案； 其中xn為中間值，rn為所得的隨機值；n＝1，2，3…N，且N為數(shù)字圖像像素數(shù)量；M為模數(shù)，a為乘數(shù)，c為加數(shù)，且xn、M、a、c均為非負整數(shù)；(2)采用圖像壓縮編碼協(xié)議對灰度隨機圖案數(shù)據(jù)進行壓縮，按照主控計算機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，然后采集通過被測光電離散采樣成像系統(tǒng)的圖像，再由自相關(guān)運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，Pf(μ)為物的自功率譜估計，H(μ)為光學成像系統(tǒng)的頻域響應函數(shù)；(4)重復步驟(1)～(3)，按照集總平均的要求取得統(tǒng)計意義下的平均調(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)計調(diào)制傳遞函數(shù)的隨機圖案測量方法，采用功率譜相關(guān)性來得到傳遞函數(shù)，采用隨機條紋測試靶標，或者其它隨機圖案靶標，隨機圖案由計算機隨機算法生成，不需要掃描機構(gòu)和精確對準機構(gòu)，可以在計算機控制下快速得到離散采樣成像系統(tǒng)的統(tǒng)計意義上的調(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條紋測試圖或者其它類型的測試圖，便于進行統(tǒng)計意義上的測試，具有很高的靈活性和可操作性；具有平移不變特性，避免了微米級精密的機械掃描；采用高分辨率液晶作為光學分劃圖形發(fā)生器并應用于光學測量；測試過程簡單，對人員的專業(yè)技術(shù)水平要求不高，利于實現(xiàn)計算機自動化測試。
文檔編號H04N5/335GK101025382SQ20071006316
公開日2007年8月29日 申請日期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, 林家明 申請人:北京理工大學