基于灰度阈值分割算法的动像调制传递函数测量方法

1.一种基于灰度阈值分割算法的动像调制传递函数测量方法，其特征在于由以下步骤组成：
a.关闭点光源，图像传感器成像，记录图像传感器暗电流图像、背景图像以及噪声图像的合成图像；
b.点亮点光源，使其在与图像传感器平行的平面内运动，图像传感器成像，记录包含有图像传感器暗电流图像、背景图像以及噪声图像的该运动状态的强度点扩展函数图像；
c.在第a步得到的合成图像中，将各像素灰度值的最大值作为灰度值阈值；
d.对第b步得到的强度点扩展函数图像进行灰度阈值分割运算，图像中灰度值小于等于阈值的像素，将其灰度值修正为0，得到修正后的强度点扩展函数；
e.将d步得到修正后的强度点扩展函数进行二维傅里叶变换并取模，得到该运动状态下的二维运动动像调制传递函数。
2.根据权利要求1所述的基于灰度阈值分割算法的动像调制传递函数测量方法，其特征在于当考察一维运动动像调制传递函数时，从第b步开始，由以下步骤组成：
b’.点亮点光源，使其在与图像传感器平行的平面内，且沿图像传感器行或列方向运动，图像传感器成像，记录包含有图像传感器暗电流图像、背景图像以及噪声图像的该运动状态的强度点扩展函数图像；
c’.在第a步得到的合成图像中，将各像素灰度值的最大值作为灰度值阈值；
d’.对第b’步得到的强度点扩展函数图像进行灰度阈值分割运算，图像中灰度值小于等于阈值的像素，将其灰度值修正为0，得到修正后的强度点扩展函数图像；
e’.在第d’步得到修正后的强度点扩展函数图像中，将点光源像扫过行或列的整行或列像素灰度值信息提取出来，作为该运动状态修正后的强度线扩展函数图像；
f’.将e’步得到修正后的强度线扩展函数图像进行一维傅里叶变换并取模，得到该运动状态下的一维运动动像调制传递函数。
3.根据权利要求2所述的基于灰度阈值分割算法的动像调制传递函数测量方法，其特征在于第d’、e’步采用如下方法：
d”.在第b’步得到的强度点扩展函数图像中，将点光源像扫过行或列的整行或列像素灰度值信息提取出来，作为该运动状态的强度线扩展函数图像；
e”.对第d”步得到的强度线扩展函数图像进行灰度阈值分割运算，图像中灰度值小于等于阈值的像素，将其灰度值修正为0，得到修正后的强度线扩展函数图像。

基于灰度阈值分割算法的动像调制传递函数测量方法\n技术领域\n[0001] 本发明是关于光学性质测试领域中调制传递函数的测量方法，具体地说，是关于动像调制传递函数的测量方法。\n背景技术\n[0002] 动像调制传递函数是定量描述时延成像系统对动态目标成像过程中，目标运动造成像质退化程度的重要参数。测量动像调制传递函数，得到传递函数曲线，不仅可以得到像质退化的程度，而且可以分析像质退化成因，更为运动模糊图像复原提供理论依据。\n[0003] 1992 年，SPIE 第 1971 卷“Real-Time Numerical Calculation of Optical Transfer Function forImage Motion and Vibration.Part 1：Experiment Verification”一文中介绍了一种以点光源作为动态目标，求动像调制传递函数的思想。\n其构成方法是将点光源作为目标，放置在可承载其运动的平台上，在点光源运动期间由CCD对其成像，得到动像，选取模糊图像中点光源像附近的一小部分区间(40×150像素)对其进行数学变换，得到动像调制传递函数。该方法认为点光源的尺寸可以忽略不计，而且通过选取一小区间的方法，可以将该区间外图像传感器暗电流、背景光线以及随机噪声滤掉，但其不足之处是：①并没有考虑到成像的过程中镜头的衍射、像差对动像调制传递函数测量结果的影响；②并没有考虑到在所选取的区间范围内，图像传感器的暗电流、背景光线以及随机噪声叠加到点光源图像中，对动像调制传递函数测量结果的影响。\n[0004] 中国专利公开号101354307，公开日2009年01月28日，发明“动态目标调制传递函数测量方法与装置”公开了一种测量动像调制传递函数的仪器和方法。该发明专利可在一定程度上解决上述文章所述动像调制传递函数测量方法中存在的两个问题。该项发明专利所述仪器的主要构成是按照光线传播方向依次配置点光源、光学系统和图像传感器，点光源放置在导轨上，并且通过光学系统可以成像到图像传感器上。测量的方法是在点光源静止和随导轨运 动时，图像传感器分别进行成像，得到静态目标图像与动态目标图像，通过这两幅图像可以分别得到静态目标调制传递函数和动像调制传递函数，最后在对应频率处，用初始动态目标调制传递函数除以初始静态目标调制传递函数以达到修正目的。该发明专利综合考虑了光学系统衍射、像差、图像传感器暗电流、背景光对动像调制传递函数测量结果的影响，采用了初始动态目标调制传递函数与初始静态目标调制传递函数相除的方法，因此在一定程度上滤除了成像过程中，光学系统的衍射、像差对动像调制传递函数测量结果的影响；由于该发明所采用的修正方法：初始动态目标调制传递函数除以初始静态目标调制传递函数是针对整幅图像，而不是该图像中一部分区域的修正方法，因此也不会出现文章中所出现的第二个问题：在某一区域范围内，图像传感器暗电流、背景光线会叠加到点光源图像中，对动像调制传递函数最终测量结果造成影响。但是该方法也有其不足之处是：①该方法没有考虑到随机噪声对动像调制传递函数测量结果的影响，因此最终使动像调制传递函数的测量结果呈毛刺状；\n[0005] ②该方法最终利用的是线扩展函数来得到动像调制传递函数，因此该方法只适用于一维动态目标进行调制传递函数测量，不适用于二维动态目标。\n[0006] 中国专利公开号101509827，公开日2009年08月19日，发明“动态目标调制传递函数测量方法”公开了一种测量动像调制传递函数的方法。由于该方法最终采用的是初始动态目标调制传递函数与静态目标调制传递函数相除的形式，同样可以针对背景技术中文章中的第一个问题，滤除成像过程中光学系统衍射、像差对动像调制传递函数测量结果的影响；又由于该发明专利采用合成静态图像与合成动态图像分别于干扰图像做差的方法，因此同样可以针对文章中第二个问题，滤除图像传感器暗电流、背景光线对动像调制传递函数测量结果的影响；更重要的是，该发明利用阈值分割法对图像进一步修正，得到修正静态目标线扩展函数和修正动态目标线扩展函数，该修正方法针对文章中第二个问题和背景技术中第一项专利中第一个问题中的随机噪声问题，滤除了随机噪声对动像调制传递函数的影响，是最终的测量曲线平滑，虽然该测量方法可以获得很好的测量结果，但是该方法的不足之处是：①步骤繁多，共需要十二步，包括三次采集图像、四次针对图像传感器暗电流、背景光以及随机噪声影响的修正图像运算以及五次为实现动像调制传递函数测量而进行的数学运算；②该方法仍然利用的是线扩展函数来得到动像调制传递函数，因此该方法也只适用于一维动像调制传递函数的测量。\n发明内容\n[0007] 本发明的目的就是针对上述已有技术存在的问题，提供一种不但可以消除背景光、图像传感器暗电流，而且可以消除随机噪声，并同时兼顾一维、二维运动状态，测量方法简单的动像调制传递函数测量方法，达到减小测量误差、扩大测量方法适用范围、通过减少测量步骤使测量方法简单的目的。\n[0008] 本发明的目的是这样实现的：基于灰度阈值分割算法的动像调制传递函数测量方法包括以下步骤：\n[0009] a.关闭点光源，图像传感器成像，记录图像传感器暗电流图像、背景图像以及噪声图像的合成图像；\n[0010] b.点亮点光源，使其在与图像传感器平行的平面内运动，图像传感器成像，记录包含有图像传感器暗电流图像、背景图像以及噪声图像的该运动状态的强度点扩展函数图像；\n[0011] c.在第a步得到的合成图像中，将各像素灰度值的最大值作为灰度值阈值；\n[0012] d.对第b步得到的强度点扩展函数图像进行灰度阈值分割运算，图像中灰度值小于等于阈值的像素，将其灰度值修正为0，得到修正后的强度点扩展函数；\n[0013] e.将d步得到修正后的强度点扩展函数进行二维傅里叶变换并取模，得到该运动状态下的二维运动动像调制传递函数。\n[0014] 上述动像调制传递函数测量方法，当考察一维运动动像调制传递函数时，从第b步开始，包括以下步骤：\n[0015] b’.点亮点光源，使其在与图像传感器平行的平面内，且沿图像传感器行或列方向运动，图像传感器成像，记录包含有图像传感器暗电流图像、背景图像以及噪声图像的该运动状态的强度点扩展函数图像；\n[0016] c’.在第a步得到的合成图像中，将各像素灰度值的最大值作为灰度值阈值；\n[0017] d’.对第b’步得到的强度点扩展函数图像进行灰度阈值分割运算，图像中灰度值小于等于阈值的像素，将其灰度值修正为0，得到修正后的强度点扩展函数图像；\n[0018] e’.在第d’步得到修正后的强度点扩展函数图像中，将点光源像扫过行或列的整行或列像素灰度值信息提取出来，作为该运动状态修正后的强度线扩展函数图像；\n[0019] f’.将e’步得到修正后的强度线扩展函数图像进行一维傅里叶变换并取模，得到该运动状态下的一维运动动像调制传递函数。\n[0020] 在考察一维运动动像的调制传递函数时，第d’、e’步也可以按照如下步骤：\n[0021] d”.在第b’步得到的强度点扩展函数图像中，将点光源像扫过行或列的整行或列像素灰度值信息提取出来，作为该运动状态的强度线扩展函数图像；\n[0022] e”.对第d”步得到的强度线扩展函数图像进行灰度阈值分割运算，图像中灰度值小于等于阈值的像素，将其灰度值修正为0，得到修正后的强度线扩展函数图像。\n[0023] 与现有技术相比，本发明的特点和有益效果是：\n[0024] 第一，本发明所述测量方法的特点是：对强度点扩展函数的修正算法，首先根据合成图像找到灰度值阈值，并将强度点扩展函数中，灰度值小于等于该阈值的像素灰度值全部修正为0。区别于现有技术所采用的方法：将合成动态图像与合成干扰图像做差，并进一步修正。所以本发明所述的测量方法中的修正算法是区别于现有方法的创新点之一。\n[0025] 该特点所带来的有益效果是：将强度点扩展函数中，灰度值小于等于阈值的像素灰度值全部修正为0，因此可以将叠加到点扩展函数图像中的图像传感器暗电流以及背景光滤除掉，因此本发明所述方法可以消除了背景光、图像传感器暗电流对动像调制传递函数测量结果的影响；更重要的是，本发明将该阈值设定为合成图像中各像素灰度值的最大值，该阈值的选取，可以将点扩展函数可能存在的随机噪声也一同滤除掉，本发明所述方法可以消除随机噪声对动像调制传递函数测量结果的影响。\n[0026] 第二，本发明所述测量方法的特点是：在计算动像调制传递函数的过程中，始终保留了代表二维信息的强度点扩展函数，区别于现有技术所采用的方法，在完成对动像调制传递函数修正算法之前，就需要将线扩展函数从点扩展函数中提取出来，所以正能保留代表一维信息的强度线扩展函数。所以本发明所述的测量方法中可以将二维信息全部保留下来是区别于现有方法的创新点之一。\n[0027] 该特点所带来的有益效果是：由于保留了代表二维信息的强度点扩展函数，因此可以通过点扩展函数求二维运动动像调制传递函数，使本发明所述动像调制传递函数测量方法的适用范围从一维扩展到二维。\n[0028] 第三，本发明所述测量方法的特点是：对于二维运动动像调制传递函数只需要五步，对于一维运动动像调制传递函数只需要六步，区别于现有技术(背景技术中第二项专利)计算一维运动动像调制传递函数共需要十二步，而本发明所需实验和运算步骤仅为其二分之一。所以本发明所述的测量方法中最多只需要六步就可以将动像调制传递函数计算出来是区别于现有方法的创新点之一。\n[0029] 该特点所带来的有益效果是：由于本专利所述的测量方法步骤更加简单，因此可以使动像调制传递函数的计算速度得到提高。\n附图说明\n[0030] 图1是本发明所对应的测量装置结构示意图\n[0031] 图2是强度点扩展函数图像\n[0032] 图3是修正后的强度点扩展函数图像\n[0033] 图4是二维动像调制传递函数图像\n[0034] 图5是修正后的强度线扩展函数图像\n[0035] 图6是不同方法得到的动像调制传递函数对比图\n[0036] 图7是强度线扩展函数图像\n[0037] 图中：1点光源 2镜头 3图像传感器 4滑块 5导轨\n具体实施方式\n[0038] 下面结合附图对本发明具体实施例作进一步详细描述。\n[0039] 图1为本发明所对应的测量装置结构示意图，沿光线传播方向依次配置点光源1，镜头2，图像传感器3，其中，点光源1作为目标放置在滑块4上，滑块4既可以沿垂直于测量装置光轴的导轨5的方向进行运动，又可以垂直纸面上下运动。其中，点光源1采用直径为15μm的针孔，镜头2的焦距为50mm，图像传感器3采用陕西维视图像的MV-1300UM型CMOS，滑块4和导轨5采用北京光学仪器的MTS313型精密重载型电控平移台。\n[0040] 例1\n[0041] 本发明所述的基于灰度阈值分割算法的动像调制传递函数测量方法，步骤如下：\n[0042] a.关闭点光源1，图像传感器3成像，记录图像传感器暗电流图像、背景图像以及噪声图像的合成图像。\n[0043] b.点亮点光源1，使其在与图像传感器3平行的平面内做匀速直线运动，图像传感器3成像，记录包含有图像传感器暗电流图像、背景图像以及噪声图像的该运动状态的强度点扩展函数图像，如图2所示。其中，在曝光时间内，点光源1的像在图像传感器3表面的位移量是108.8μm。\n[0044] c.在第a步得到的合成图像中，求得各像素灰度值的最大值为19，因此灰度值阈值为19。\n[0045] d.对第b步得到的强度点扩展函数图像进行灰度阈值分割运算，图像中灰度值小于等于19的像素，将其灰度值修正为0，得到修正后的强度点扩展函数图像，如图3所示。\n[0046] e.将d步得到修正后的强度点扩展函数进行二维傅里叶变换并取模，得到该运动状态下的二维运动动像调制传递函数图像，如图4所示。从图中可以看出，在目标运动的方向上，调制传递函数曲线下降得更快，其频谱相比非运动方向呈压缩状态。\n[0047] 例2\n[0048] 本实施例考察目标做一维运动时，动像调制传递函数的测量，对应的测量装置以及装置的各项参数与实施例1完全一致，测量方法的第a步也和实施例1完全一致，从第b步开始，步骤如下：\n[0049] b′.点亮点光源1，使其在与图像传感器3平行的平面内，且沿图像传感器行方向做匀速直线运动，图像传感器3成像，记录包含有图像传感器暗电流图像、背景图像以及噪声图像的该运动状态的强度点扩展函数图像，如图2所示。其中，在曝光时间内，点光源\n1的像在图像传感器3表面的位移量是108.8μm。\n[0050] c′.在第a步得到的合成图像中，求得各像素灰度值的最大值为19，因此灰度值阈值为19。\n[0051] d′.对第b′步得到的强度点扩展函数图像进行灰度阈值分割运算，图像中灰度值小于等于19的像素，将其灰度值修正为0，得到修正后的强度点扩展函数图像，如图3所示。\n[0052] e′.在第d′步得到修正后的强度点扩展函数图像中，将点光源像扫过行的整行像素灰度值信息提取出来，作为该运动状态修正后的强度线扩展函数图像，如图5所示。\n[0053] f′.将e′步得到修正后的强度线扩展函数图像进行一维傅里叶变换并取模，得到该运动状态下的一维运动动像调制传递函数，将本发明得到的动像调制传递函数曲线与理论曲线，以及采用背景技术中文章和专利所述方法得到的动像调制传递函数曲线进行对比，对比结果如图6所示。从图中可以看出，采用本发明专利所述方法得到的动像调制传递函数曲线与采用背景技术中文章所述方法得到的曲线相比，明显更加接近理论模型；与采用背景技术中专利所述方法相比，消除了噪声给测量结果带来的毛刺现象，使动像调制传递函数曲线更加平滑。\n[0054] 目标做一维运动时，动像调制传递函数的测量，第d′、e′步也可以按如下步骤：\n[0055] d”.在第b′步得到的强度点扩展函数图像中，将点光源像扫过行的整行像素灰度值信息提取出来，作为该运动状态的强度线扩展函数图像，如图7所示。\n[0056] e”.对第d”步得到的强度线扩展函数图像进行灰度阈值分割运算，图像中灰度值小于等于19的像素，将其灰度值修正为0，得到修正后的强度线扩展函数图像，如图5所示。