一种连续变焦相机光轴平行性快速测量方法

摘要

本发明涉及一种变焦相机，具体涉及一种连续变焦相机光轴平行性快速测量方法；解决变焦相机连续变焦时光轴平行性测试过程中，传统的方法通过人为多次发送指令，在几个抽样的焦距位置时人工判读的方法进行测量，且采样点少不能真实反映整个变焦过程光轴平行性的参数，存在自动化程度低、测量误差大、效率低的技术问题。本发明提供的一种连续变焦相机光轴平行性快速测量方法，实现在连续变焦过程中实时计算十字靶标中心与图像中心的偏差，并根据接收的焦距数据实时输出计算结果，在测试过程中实现自动化测量，大幅降低测试工作的复杂度，减小人为测试时的误差，既能提高测量精度又能提高批量检测效率。

权利要求

1.一种连续变焦相机光轴平行性快速测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：搭建连续变焦相机光轴平行性测试平台；

步骤2：设置被测变焦相机的图像分辨率和单个像元尺寸；

步骤3：设置图像理论中心坐标(xm,ym)、焦距转换公式F(·)与矩形区域在图像上的位置；所述矩形区域用于限定图像的处理区域；

步骤4：发送焦距变化指令，控制变焦镜头运动到最长焦距位置；

步骤5：调整被测变焦相机，使十字靶标图像的中心坐标与图像理论中心坐标偏差为(0,0)；

步骤6：发送连续变焦指令，变焦相机开始连续变焦直至焦距最短位置；

步骤6.1：在变焦相机连续变焦的过程中，同步采集变焦相机输出的图像数据和焦距数据zi；所述变焦相机连续变焦范围在变焦相机的最长焦距与最短焦距范围内；

步骤6.2：对步骤6.1中采集到的图像数据，通过十字靶标检测算法，从图像数据中提取并计算十字靶标图像的中心坐标(xfi,yfi)；

步骤6.2.1：对采集到的图像A，将其在矩形区域内的部分转换为灰度图像G；

步骤6.2.2：对灰度图像G，计算其灰度值的均值M与标准差δ；

步骤6.2.3：选取阈值t＝M‑3δ，对灰度图像G做阈值分割，若灰度图像G的像素值小于阈值t，则置为255，否则置为0，得到二值图像B；

步骤6.2.4：对二值图像B的所有像素值为255的像素坐标，以二值图像B的原点到过该像素点的直线距离为变换参数ρ，直线与水平方向的夹角为变换参数θ，使用变换参数为(ρ,θ)的Hough变换进行直线检测；

步骤6.2.5：对Hough空间中独立的最大值点和次大值点分别在其3×3邻域内，求取重心得到点h1，h2；

步骤6.2.6：将h1，h2中|θ|<45°的点记为hh＝(ρh,θh)，另外一个点记为hv＝(ρv,θv)，得到hh为十字靶标图像水平线在Hough空间中对应的点，hv为十字靶标图像垂直线在Hough空间中对应的点；

步骤6.2.7：作Hough反变换，计算十字靶标图像水平线hh与十字靶标图像垂直线hv的交点，将该交点映射至图像A的像素坐标，即为十字靶标图像的中心坐标(xfi,yfi)；

步骤6.3：对步骤6.2中得到的十字靶标图像的中心坐标(xfi,yfi)，计算其与步骤3中图像理论中心坐标(xm,ym)的偏差；

Δxfi＝xfi‑xm

Δyfi＝yfi‑ym

式中，(xfi,yfi)为十字靶标图像的中心坐标，(xm,ym)为图像理论中心坐标，Δxfi为在水平方向上十字靶标图像的中心坐标偏移图像理论中心坐标的像素数，Δyfi为在垂直方向上十字靶标图像的中心坐标偏移图像理论中心坐标的像素数；

步骤6.4：对步骤6.1采集到的焦距数据zi，根据步骤3中焦距转换公式F(·)，将其转换为焦距值；

fi＝F(zi)

式中：

i为连续变焦过程中采集的图像数据与其对应的焦距数据的序号，i≥0；

fi为焦距值，fi≥0；

步骤6.5：根据步骤6.3中得到的偏差(Δxfi,Δyfi)和步骤6.4中得到的焦距值fi，计算光轴平行性；

式中：

d为被测变焦相机的单个像元尺寸，其中d与fi的单位统一；

Δθi为光轴平行性；

步骤7：计算机输出光轴平行性结果并保存。

2.根据权利要求1所述的一种连续变焦相机光轴平行性快速测量方法，其特征在于：所述步骤2、步骤3中，矩形区域在图像分辨率范围内。

3.根据权利要求2所述的一种连续变焦相机光轴平行性快速测量方法，其特征在于：步骤7中所述光轴平行性的结果以两种方式显示输出，两种方式分别为像素偏移(xfi,yfi)和光轴平行性Δθi。

4.根据权利要求3所述的一种连续变焦相机光轴平行性快速测量方法，其特征在于：所述步骤7中保存为图形文件或/和表格文件。

说明书

一种连续变焦相机光轴平行性快速测量方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种变焦相机，具体涉及一种连续变焦相机光轴平行性快速测量方法。

背景技术

[0002] 现有变焦相机的焦距可以在一定范围内连续变化，并在一定范围内对不同距离的景物进行成像与测量，因此有广泛的应用途，如航空侦查与测量、车载侦查与测量、安防等。在测量应用中，连续变焦相机有一个比较重要的指标即光轴平行性，光轴平行性用来表征变焦相机在连续变焦过程中，图像中心相对光轴的偏移量，一般以像素个数或者角度表示；
变焦相机连续变焦时光轴平行性测试一般以最短焦距或者最长焦距为基准，在采样的焦距点测试图像中心与光轴的偏移量；测量光轴平行性的时候既需要图像数据，也需要焦距数据，由于变焦相机大部分连续变焦时光轴平行性测量方法是图像数据和焦距数据分开输出，图像数据多数采用Cameralink、SDI等图像输出接口，焦距数据输出多数和通信接口共用，图像输出接口和通信接口一般采用串联接口的方式。

[0003] 目前常用测试光轴平行性的方法是在长焦距处将图像中心(图像上叠加十字丝)与目标中心(十字靶标中心)调试重合，人眼观察确定重合后，在整个变化的焦距段选取一些点，假定长焦距位置的焦距值为f0，选取f0、f1、f2……fn，其中fn为短焦距位置的焦距值，测试时通过上位机发送指令，控制变焦相机运动到相应的焦距位置附近，然后通过人眼判断十字靶标中心与图像中心的偏移量，并记录当前焦距值。上述方法主要存在两个问题：第一是测试人员判断十字靶标中心时，因为很难准确停在某个焦距位置，所以存在较大的误差和难度，由于在不同的焦距处十字靶标占的像素数是不一样的，十字靶标的图像边缘是亮度渐变的，所以人工判断十字靶标中心时费时费力，而且不同的测试人员可能判出的结果不一样；第二是采样点较少，不能真实反映整个变焦过程光轴平行性的参数，有可能选择的测试点并未覆盖光轴平行性最差处；由于测试过程复杂，特别是当需要检测的产品台数较多时，如果采样点过多会耗时耗力；因为是先采集数据，再进行计算，所以测试结果获取有滞后，而传统的测试方法过度依赖人力，自动化程度低、误差大、效率低，给批量测试带来很大的难度。

发明内容

[0004] 本发明的目的是针对变焦相机连续变焦时光轴平行性测试过程中，传统的方法通过人为多次发送指令，在几个抽样的焦距位置时人工判读的方法进行测量，且采样点少不能真实反映整个变焦过程光轴平行性的参数，存在自动化程度低、测量误差大、效率低的技术问题，而提供一种连续变焦相机光轴平行性快速测量方法，实现在连续变焦过程中实时计算十字靶标中心与图像中心的偏差，并根据接收的焦距数据实时输出计算结果，在测试过程中实现自动化测量，大幅降低测试工作的复杂度，减小人为测试时的误差，既能提高测量精度又能提高批量检测效率。

[0005] 为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：

[0006] 一种连续变焦相机光轴平行性快速测量方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

[0007] 步骤1：搭建连续变焦相机光轴平行性测试平台；

[0008] 步骤2：设置被测变焦相机的图像分辨率和单个像元尺寸；

[0009] 步骤3：设置图像理论中心坐标(xm,ym)、焦距转换公式F(·)与矩形区域在图像上的位置；矩形区域用于限定图像的处理区域；

[0010] 步骤4：发送焦距变化指令，控制变焦镜头运动到最长焦距位置；

[0011] 步骤5：调整被测变焦相机，使十字靶标图像的中心坐标与图像理论中心坐标偏差为(0,0)；

[0012] 步骤6：发送连续变焦指令，变焦相机连续变焦至焦距最短位置；

[0013] 步骤6.1：在变焦相机连续变焦的过程中，同步采集变焦相机输出的图像数据和焦距数据zi；

[0014] 步骤6.2：对步骤6.1中采集到的图像数据，通过十字靶标检测算法，从图像数据中提取并计算十字靶标图像的中心坐标(xfi,yfi)；

[0015] 步骤6.3：对步骤6.2中得到的十字靶标图像的中心坐标(xfi,yfi)，计算其与步骤3中图像理论中心坐标(xm,ym)的偏差；

[0016] △xfi＝xfi‑xm

[0017] △yfi＝yfi‑ym

[0018] 式中，(xfi,yfi)为十字靶标图像的中心坐标，(xm,ym)为图像理论中心坐标，△xfi为在水平方向上十字靶标图像的中心坐标偏移图像理论中心坐标的像素数，△yfi为在垂直方向上十字靶标图像的中心坐标偏移图像理论中心坐标的像素数；

[0019] 步骤6.4：对步骤6.1采集到的焦距数据zi，根据步骤3中焦距转换公式F(·)，将其转换为焦距值；

[0020] fi＝F(zi)

[0021] 式中：

[0022] i为连续变焦过程中采集的图像数据与其对应的焦距数据的序号，i≥0；

[0023] fi为焦距值，fi≥0；

[0024] 步骤6.5：根据步骤6.3中得到的偏差(△xfi,△yfi)和步骤6.4中得到的焦距值fi，计算光轴平行性；

[0025]

[0026] 式中：

[0027] d为被测变焦相机的单个像元尺寸，其中d与fi的单位统一；

[0028] △θi为光轴平行性；

[0029] 步骤7：当变焦相机的变焦镜头变焦到最短焦距位置时，停止计算；

[0030] 步骤8：计算机输出并保存计算结果。

[0031] 进一步地，所述步骤2、步骤3中，矩形区域在图像分辨率范围内。

[0032] 进一步地，所述步骤6.2中十字靶标检测算法如下：

[0033] 步骤6.2.1：对采集到的图像A，将其在矩形区域内的部分转换为灰度图像G；

[0034] 步骤6.2.2：对灰度图像G，计算其灰度值的均值M与标准差δ；

[0035] 步骤6.2.3：选取阈值t＝M‑3δ，对灰度图像G做阈值分割，若灰度图像G的像素值小于阈t，则置为255，否则置为0，得到二值图像B；

[0036] 步骤6.2.4：对二值图像B的所有像素值为255的像素坐标，以二值图像B的原点到过该像素点的直线距离为变换参数ρ，直线与水平方向的夹角为变换参数θ，使用变换参数为(ρ,θ)的Hough变换进行直线检测；

[0037] 步骤6.2.5：对Hough空间中独立的最大值点和次大值点分别在其3×3邻域内，求取重心得到点h1，h2；

[0038] 步骤6.2.6：将h1，h2中|θ|<45°的点记为hh＝(ρh,θh)，另外一个点记为hv＝(ρv,θv)，得到hh为十字靶标图像水平线在Hough空间中对应的点，hv为十字靶标图像垂直线在Hough空间中对应的点；

[0039] 步骤6.2.7：作Hough反变换，计算十字靶标图像水平线hh与十字靶标图像垂直线hv的交点，将该交点映射至图像A的像素坐标，即为十字靶标图像的中心坐标(xfi,yfi)。

[0040] 进一步地，步骤7中所述光轴平行性的结果以两种方式显示输出，两种方式分别为像素偏移(xfi,yfi)和光轴平行性△θi。

[0041] 进一步地，步骤6.1中所述变焦相机连续变焦，其变焦范围在变焦相机的最长焦距与最短焦距范围内。

[0042] 进一步地，所述步骤7中保存为图形文件或/和表格文件。

[0043] 与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

[0044] 1、本发明一种连续变焦相机光轴平行性快速测量方法，在连续变焦相机变焦范围内，实现对变焦相机光轴平行性的自动连续测量，自动生成测试结果，并提供更加详细和充分的测试过程，能够有效提高批量检测效率；

[0045] 2、本发明一种连续变焦相机光轴平行性快速测量方法，自动化程度高且操作简易，大幅降低了对测试人员的要求，同时显著减少了人员操作难度与工作量；

[0046] 3、本发明一种连续变焦相机光轴平行性快速测量方法，通过十字靶标检测算法对十字靶标图像的中心坐标进行自动判读，精度可以达到亚像素级，相较于人工判读的像素级精度有显著提升，同时避免了人为引入的不同主观影响，显著提高了测试结果的一致性；

[0047] 4、本发明一种连续变焦相机光轴平行性的快速测量方法，可用于提高在装调和检测过程中快速自动测试变焦相机的光轴平行性，降低光轴平行性测试的难度和复杂度，还可用于连续变焦相机生产调试阶段、试验阶段和检测阶段。

附图说明

[0048] 图1为本发明一种连续变焦相机光轴平行性快速测量方法的系统结构示意图；

[0049] 图2为本发明中数据采集与光轴平行性计算软件的功能界面示意图；

[0050] 图3为本发明数据采集与光轴平行性计算软件中计算光轴平行性方法的流程图；

[0051] 图4(a)为本发明在最长焦距处，十字靶标图像的中心坐标与图像理论中心坐标重合示意图，其中A为十字靶标图像的中心坐标，B为图像理论中心坐标；

[0052] 图4(b)为本发明在焦距为fi处，十字靶标图像的中心坐标与图像理论中心坐标偏移示意图，其中A为十字靶标图像的中心坐标，B为图像理论中心坐标；

[0053] 图5(a)为本发明中数据采集与光轴平行性计算软件的输出计算结果示意图，横坐标为焦距值，纵坐标为在水平方向上十字靶标图像的中心坐标偏移图像理论中心坐标的像素数；

[0054] 图5(b)为本发明中数据采集与光轴平行性计算软件的输出计算结果示意图，横坐标为焦距值，纵坐标为在垂直方向上十字靶标图像的中心坐标偏移图像理论中心坐标的像素数；

[0055] 图5(c)为本发明中数据采集与光轴平行性计算软件的输出计算结果示意图，横坐标为焦距值，纵坐标为光轴平行性；

[0056] 图6为本发明一种连续变焦相机光轴平行性快速测量方法的操作流程示意图；

[0057] 图中附图标记为：

[0058] 1‑十字靶标，2‑平行光管，3‑变焦镜头，4‑数字相机，5‑图像输出接口，6‑通信接口，7‑图像传输线缆，8‑通信线缆，9‑计算机，10‑相机控制软件，11‑数据采集与光轴平行性计算软件，12‑调节平台，13‑变焦相机，14‑图像显示及设置，15‑焦距转换设置，16‑十字中心偏差设置及计算，17‑光轴平行性计算开始，18‑光轴平行性计算停止，19‑输出计算结果，20‑保存计算结果，21‑图像显示区，22‑结果显示区。

具体实施方式

[0059] 下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0060] 一种连续变焦相机光轴平行性快速测量方法，如图1所示，基于变焦相机光轴平行性测试系统，测试系统包括由十字靶标1、平行光管2、变焦相机13、图像传输线缆7、通信线缆8、计算机9、调节平台12和相机控制软件10组成的测试系统；其中变焦相机13由变焦镜头3、数字相机4、图像输出接口5和通信接口6组成；图像输出接口5和通信接口6分别与计算机
9电连接。

[0061] 十字靶标1用于产生基准十字丝图像，平行光管2用于模拟无穷远的目标，变焦相机13为被测产品，变焦镜头3主要是将目标进行汇聚，同时具有变焦功能，数字相机4用于将光信号转换为电信号，电信号经过处理后通过图像输出接口5输出数字图像，并通过图像传输线缆7传输给计算机9，通信接口6用于控制变焦相机13的焦距位置和通过通信线缆8向计算机9输出当前焦距数据，计算机9接收变焦相机13输出的图像数据和焦距数据，计算机9安装有相机控制软件10和数据采集及光轴平行性计算软件11；相机控制软件10用于向变焦相机13发送变焦指令，控制和采集变焦相机13的焦距数据，调节平台12用于调整变焦相机13在最长焦距时，使十字靶标图像的中心坐标与图像理论中心坐标重合。

[0062] 连续变焦相机光轴平行性测试系统的数据采集及光轴平行性计算软件11，其功能界面设置有图像显示及设置14，如图2所示，焦距转换设置15、十字中心偏差设置及计算16、光轴平行性计算开始17、光轴平行性计算停止18、输出计算结果19、保存计算结果20、图像显示区21和结果显示区22；其中图像显示及设置14用于设置图像的分辨率以及打开图像显示功能；焦距转换设置15用于设置变焦相机13发送的焦距数据与焦距值的转换公式；十字中心偏差设置及计算16用于设置提取十字靶标中心的图像大小及设定图像理论中心坐标，并计算十字靶标中心的图像坐标与图像理论中心坐标的偏差；光轴平行性计算开始17用于启动数据采集和光轴平行性计算软件11的光轴平行性计算；光轴平行性计算停止18用于变焦相机13变焦到最短焦距位置时停止计算光轴平行性；输出计算结果19用于对计算的光轴平行性结果在所述结果显示区22以图表的形式显示出来；保存计算结果20用于将图像数据、焦距数据、计算的光轴平行性和所述结果显示区22的图表结果进行保存；图像显示区21用于对图像数据的实时显示；

[0063] 数据采集及光轴平行性计算软件11用于采集变焦相机13输出的图像数据和实时焦距数据，并计算光轴平行性，实现连续变焦相机13光轴平行性快速测量方法。

[0064] 如图3为本发明连续变焦相机光轴平行性快速测量方法的流程图，基于变焦相机光轴平行性测试系统，图6所示的操作流程，具体如下：

[0065] 步骤1：搭建连续变焦相机光轴平行性测试平台；

[0066] 步骤2：设置被测变焦相机的图像分辨率和单个像元尺寸；图像分辨率用来保证计算机收到的图像分辨率和相机输出的图像分辨率一致，且矩形区域在图像分辨率范围内；

[0067] 步骤3：设置图像理论中心坐标(xm,ym)、焦距转换公式F(·)与矩形区域在图像上的位置；图像理论中心(xm,ym)用于指变焦相机光轴与探测器靶面理论交点的像素坐标；焦距转换公式F(·)用于将变焦相机返回的焦距数据转换为焦距值；根据被测变焦相机设置焦距转换公式F(·)，其用于将变焦相机返回的焦距数据转换为焦距值；矩形区域在图像上的位置用于限制处理区域，以排除无效的区域，可以减少处理计算的数据量，提高处理的实时性，主要针对分辨率较高的图像；图像理论中心坐标(xm,ym)、焦距转换公式F(·)与矩形区域在图像上的位置参数需根据被测的变焦相机的不同进行相应设置；

[0068] 步骤4：相机控制软件发送焦距变化指令，控制变焦镜头运动到最长焦距位置；

[0069] 步骤5：通过调节平台调整被测变焦相机，使十字靶标图像的中心坐标与图像理论中心坐标偏差为(0,0)，如图4(a)所示；

[0070] 步骤6：通过相机控制软件向变焦相机发送连续变焦指令，变焦相机开始连续变焦直至焦距最短位置；变焦相机连续变焦的范围在变焦相机的最长焦距与最短焦距范围内；

[0071] 步骤6.1：在变焦相机连续变焦的过程中，同步采集变焦相机输出的图像数据和焦距数据zi；

[0072] 步骤6.2：对步骤6.1中采集到的图像数据，通过十字靶标检测算法，从图像数据中提取并计算十字靶标图像的中心坐标(xfi,yfi)；十字靶标检测算法如下：

[0073] 步骤6.2.1：对采集到的图像A，将其在矩形区域内的部分转换为灰度图像G；

[0074] 步骤6.2.2：对灰度图像G，计算其灰度值的均值M与标准差δ；

[0075] 步骤6.2.3：选取阈值t＝M‑3δ，对灰度图像G做阈值分割，若灰度图像G的像素值小于阈值t，则置为255，否则置为0，得到二值图像B；

[0076] 步骤6.2.4：对二值图像B的所有像素值为255的像素坐标，以二值图像B的原点到过该像素点的直线距离为变换参数ρ，直线与水平方向的夹角为变换参数θ，使用变换参数为(ρ,θ)的Hough变换进行直线检测；

[0077] 步骤6.2.5：对Hough空间中独立的最大值点和次大值点分别在其3×3邻域内，求取重心得到点h1，h2；

[0078] 步骤6.2.6：将h1，h2中|θ|<45°的点记为hh＝(ρh,θh)，另外一个点记为hv＝(ρv,θv)，得到hh为十字靶标图像水平线在Hough空间中对应的点，hv为十字靶标图像垂直线在Hough空间中对应的点；

[0079] 步骤6.2.7：作Hough反变换，计算十字靶标图像水平线hh与十字靶标图像垂直线hv的交点，将该交点映射至图像A的像素坐标，即为十字靶标图像的中心坐标(xfi,yfi)；

[0080] 步骤6.3：对步骤6.2中得到的十字靶标图像的中心坐标(xfi,yfi)，计算其与步骤3中图像理论中心坐标(xm,ym)的偏差，如图4(b)所示；

[0081] △xfi＝xfi‑xm

[0082] △yfi＝yfi‑ym

[0083] 式中，(xfi,yfi)为十字靶标图像的中心坐标，(xm,ym)为图像理论中心坐标，△xfi为在水平方向上十字靶标图像的中心坐标偏移图像理论中心坐标的像素数，△yfi为在垂直方向上十字靶标图像的中心坐标偏移图像理论中心坐标的像素数；

[0084] 步骤6.4：对步骤6.1采集到的焦距数据zi，根据步骤3中焦距转换公式F(·)，将其转换为焦距值；

[0085] fi＝F(zi)

[0086] 式中：

[0087] i为连续变焦过程中采集的图像数据与其对应的焦距数据的序号，i≥0；

[0088] fi为焦距值，fi≥0；

[0089] F(·)为焦距转换公式；

[0090] 步骤6.5：根据步骤6.3中得到的偏差(△xfi,△yfi)和步骤6.4中得到的焦距值fi，计算光轴平行性；

[0091]

[0092] 式中：

[0093] d为被测变焦相机的单个像元尺寸，其中d与fi的单位统一；

[0094] △θi为光轴平行性；

[0095] 步骤7：当变焦相机的变焦镜头变焦到最短焦距位置时，停止计算；

[0096] 步骤8：计算机输出并保存计算结果，计算的光轴平行性结果以两种方式显示，两种方式分别为像素偏移和光轴平行性；计算机保存的计算结果为图形文件和表格文件，如图5(a)、图5(b)和图5(c)所示，其中横坐标均为焦距值，纵坐标从左到右依次为在水平方向上十字靶标图像的中心坐标偏移图像理论中心坐标的像素数、在垂直方向上十字靶标图像的中心坐标偏移图像理论中心坐标的像素数和光轴平行性。