CN113989144B - 镜片中心偏差测量设备的镜片中心点提取方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种镜片中心偏差测量设备的镜片中心点提取方法，该方法如下：对采集的图像进行滤波处理；利用canny算子进行边缘检测，得到各像素点的像素值；将各行、各列像素值等于255的像素点作为特征点；将特征点拟合得到四条直线并根据四条直线交点求取十字丝靶标像中心点坐标；转动旋转台，得到多个十字丝靶标像中心点的拟合圆，调整被测镜片摆放角度使十字丝靶标像中心点移动到拟合圆中心位置，直至拟合圆无法缩小，将此时的十字丝靶标像中心点作为被测镜片中心。本发明提升了镜片中心偏差测量精度。
Description
技术领域
本发明属于镜片中心偏差测量技术领域，涉及一种中镜片中心偏差测量设备的镜片中心点提取方法。
背景技术
光学镜头装调作为制作的最后一环节，通过严格控制光学镜片的中心偏差和镜面间隔，是保证光学镜头性能的关键之一。另外，对已组装好的光学镜组进行各镜片中心偏差的检测验证，也是光学人员经常遇到的问题。非接触式镜片中心偏差测量仪基于反射式测量方法，光源照明产生十字丝靶标，经过分光棱镜和测量镜组，形成会聚光束，或者发散光束。会聚光束有一个会聚点，发散光束的反向延长线也会聚在一点，在这里，我们都称为会聚点。使十字丝靶标的会聚点与当前被测镜面的顶点重合，此时，入射到被测镜面的光束，在被测镜片表面发生部分反射，反射光束沿原路返回自准直测量镜组中，经过分光棱镜，聚焦在成像探测器的靶面上，形成清晰的十字丝靶标像。十字丝靶标像中心点的准确提取，对镜片中心偏差测量的结果起到至关重要的作用。
目前，镜片中心偏差测量中，十字丝靶标像的提取采用霍夫变换方法，该方法由于阈值设定不准原因，易受噪声干扰，精度低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种镜片中心偏差测量设备的镜片中心点提取方法，该方法在噪声干扰下能够有效的防止噪声影响提取十字丝靶标像中心点的精度，从而提升镜片中心偏差测量精度。
为了解决上述技术问题，本发明的镜片中心偏差测量设备的镜片中心点提取方法如下：
将成像探测器采集到的每一帧图像进行滤波处理；利用canny算子对滤波后的图像进行边缘检测，得到边缘检测后的图像各像素点的像素值；
查找每一行的所有像素值等于255的像素点，将每一行遇到的第一个像素值等于255的像素点作为A特征点，将其坐标存到集合XL(Lcount)中，后续像素值等255的全部像素点作为B特征点存到集合XR(Rcount)中；查找每一列的所有像素灰度值等于255的像素点，每一列遇到的第一个像素值等于255的像素点作为C特征点存到集合YUp(upcount)中，后续像素灰度值等255的全部像素点作为D特征点存到集合Yd(dcount)中；
将A特征点、B特征点、C特征点、D特征点进行直线拟合得到四条直线；根据四条直线的四个交点求取十字丝靶标像的中心点坐标；
连续转动镜片中心偏差测量设备的旋转台，在旋转台转动过程中获取多个十字丝靶标像的中心点坐标，将多个十字丝靶标像的中心点进行拟合得到一个拟合圆，调整被测镜片摆放角度，使得实时计算出的十字丝靶标像的中心点移动到拟合圆中心位置；同理继续旋转转台，调整被测镜片摆放角度，获取多个十字丝靶标像中心点拟合而成的拟合圆；直至多个十字丝靶标像中心点拟合而成的拟合圆无法缩小，将此时的十字丝靶标像中心点作为被测镜片中心。
进一步，本发明优选采用中值滤波对每一帧图像进行脉冲噪声处理，再利用高斯滤波对经过中值滤波的图像进行高斯噪声抑制处理。
所述的中值滤波利用二维模板，对二维模板内的像素点按照像素值的大小进行排序，生成单调上升或下降的二维数据序列，并使用下面的公式计算中值滤波处理后的图像各像素点的像素值：
g(i，j)＝med{f(i-m，j-n)，(m，n∈w)}
其中，f(i，j)表示原始图像任一像素点I(i，j)的像素值，g(i，j)表示中值滤波处理后的图像该像素点I(i，j)的像素值，(i，j)为该像素点I(i，j)的坐标；w为二维模板。
所述的二维模板滤波窗口为3×3，m＝1，2，3，n＝1，2，3。
所述的高斯滤波采用3×3掩模进行处理，利用下述公式计算得到高斯滤波后的图像各像素点I(i，j)的像素值：
G(i，j)＝{g(i-1，j-1)+g(i-1，j+1)+g(i+1，j-1)+g(i+1，j+1)+[g(i-1，j)+g(i，j-1)+g(i+1，j)+g(i，j+1)]}/16；
G(i，j)为高斯滤波后的图像像素点I(i，j)的像素值，g(i，j)为中值滤波后的图像像素点I(i，j)的像素值。
利用canny算子的方法对滤波后的图像G(i，j)进行边缘检测的方法如下：
从像素值高于高阈值T1的像素点出发，凡是像素值大于低阈值T2而且相互连接的像素点都保留；T1，T2∈MAX，像素点最大像素值MAX为255；高阈值T1为(0.5，1)×MAX，低阈值T2为(0，0.5)×MAX；根据下式计算边缘检测后的图像各像素点的像素值：
F(i，j)＝canny{G(i，j)，T2，T1}；
F(i，j)为边缘检测后的图像像素点I(i，j)的像素值；
本发明优选高阈值T1取0.5×MAX，低阈值T2取0.3×MAX。
利用最小二乘法进行直线拟合：
将A特征点、B特征点、C特征点、D特征点的坐标分别带入公式yi＝α0+α1xi中进行直线拟合得到四条直线，α0代表截距，α1代表斜率；
(xi，yi)为任一特征点的坐标。
所述的十字丝靶标像的中心点坐标为(centx，centy)计算方法如下：设其中一条直线为Lxl(a，b)，a、b分别为该直线的两个端点；另一条直线为Lxr(c，d)，c、d为该直线的两个端点；根据下式判断两条直线Lxl(a，b)，Lxr(c，d)是否有交点；
denominator＝(b.y-a.y)×(d.x-c.x)-(a.x-b.x)×(c.y-d.y)
其中denominator为分母判断值；b.y为端点b的y坐标，a.y为端点a的y坐标，d.x为端点d的x坐标，c.x为端点c的x坐标，a.x为端点a的x坐标，b.x为端点b的x坐标，c.y为端点c的y坐标，d.y为端点d的y坐标；如果分母判断值denominator为0，则说明两条线平行；如果分母判断值denominator不为0，则根据下式计算两条直线交点：
按照上式我们可求得四条直线的四个交点的坐标分别为(cx1，cy1)，(cx2，cy2)，(cx2，cy2)，(cx2，cy2)，按照下式计算出十字丝靶标像的中心点坐标为(centx，centy)；
centx＝(cx1+cx2+cx3+cx4)/4
centy＝(cy1+cy2+cy3+cy4)/4
本发明的有益效果：本发明可以将图像上的噪声进行滤除，并能够在有噪声情况下将十字中心点精确提取，对后续的中心偏差测量的计算结果有重要作用。从而准确寻找十字靶标在探测器成像的中心点，镜片中心偏差测量精度得到提升。
附图说明
下面结合附图和说明具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1为镜面中心偏差测量原理图。
图2为本发明的流程图。
图3为十字丝靶标像的轨迹图。
图4为成像探测器获取的十字丝靶标像。
图5为边缘检测后的十字丝边缘图像。
图6为找到中心点的十字丝边缘图像。
具体实施方式
如图1所示，镜片中心偏差测量设备的测量头包括光源1、分光镜2、自准直测量镜组3、成像探测器4。光源1照明产生的光束经过分光镜2和自准直测量镜组3，形成会聚光束或者发散光束。这里对分光镜2形式不作限制，可以采用分光棱镜，也可以采用半透半反的分束镜等。会聚光束有一个会聚点，发散光束的反向延长线也会聚在一点，在这里，我们都称为会聚点。在测量过程中，镜片中心偏差测量设备的竖直导轨带动测量头上下移动，可以使光源1的十字丝靶标的会聚点与被测镜头5中当前被测镜片的顶点重合。此时，入射到被测镜片的光束，在被测镜片的表面发生部分反射，反射光束沿原路返回自准直测量镜组中，经过分光镜聚焦在成像探测器4的靶面上，形成清晰的十字丝靶标像。被测镜头5放置在转台6的中心，在测量过程中，被测镜头绕着转台6的中心轴61旋转，该中心轴61即是中心偏差测量过程中的参考轴。如果被测镜片的顶点偏离中心轴，十字丝靶标像将在成像探测器的靶面上画出圆形轨迹，十字丝靶标像的圆形轨迹如图3所示。镜片中心偏差测量设备中的处理器可以提取十字丝靶标像的中心点，并根据十字丝靶标像的中心点圆形轨迹的直径和自准直测量镜组的放大率计算出被测镜面的顶点相对参考轴的中心偏差，利用此方法，可以得到所有待测镜片的顶点相对参考轴的中心偏差。
如图2所示，本发明的镜片中心偏差测量设备的镜片中心点提取方法具体包括下述步骤：
步骤1：将成像探测器采集到的每一帧图像进行滤波；本发明中图像滤波可采用的方法有均值滤波、中值滤波、最大最小值滤波、双边滤波、引导滤波等。其中中值滤波是非线性的空间滤波器，适合处理脉冲噪声；高斯滤波是线性滤波器，很适合去除高斯噪声；因此本发明首先优选中值滤波对每一帧图像进行脉冲噪声处理，再利用高斯滤波对经过中值滤波的图像进行高斯噪声抑制处理。
中值滤波利用中值滤波器，使用二维模板的方法实现，对二维模板内的像素点按照像素值的大小进行排序，生成单调上升(或下降)的二维数据序列，并使用下面的公式计算中值滤波处理后的图像各像素点的像素值：
g(i，j)＝med{f(i-m，j-n)，(m，n∈w)}
其中，f(i，j)表示原始图像任一像素点I(i，j)的像素值，而g(i，j)表示中值滤波处理后的图像该像素点I(i，j)的像素值，(i，j)为该像素点I(i，j)的坐标；w为二维模板，需要选的滤波窗口通常为3×3，5×5，7×7区域，本发明优选3×3的滤波窗口，m＝1，2，3，n＝1，2，3。
高斯滤波采用3×3掩模进行处理，利用下述公式计算得到高斯滤波后的图像各像素点I(i，j)的像素值：
G(i，j)＝{g(i-1，j-1)+g(i-1，j+1)+g(i+1，j-1)+g(i+1，j+1)+[g(i-1，j)+g(i，j-1)+g(i+1，j)+g(i，j+1)]}/16；
G(i，j)为高斯滤波后的图像像素点I(i，j)的像素值，g(i，j)为中值滤波后的图像像素点I(i，j)的像素值。
步骤2：利用canny算子的方法对高斯滤波后的图像G(i，j)进行边缘检测；canny边缘检测需要设置高阈值T1和低阈值T2两个阈值。凡是高于高阈值T1的都保留，凡是小于低阈值T2都丢弃，从像素值高于高阈值T1的像素点出发，凡是像素值大于低阈值T2而目相互连接的像素点都保留。T1，T2∈MAX，通常像素点最大像素值MAX为255；高阈值T1为(0.5，1)×MAX，低阈值T2为(0，0.5)×MAX；本发明优选高阈值T1取0.5×MAX，低阈值T2取0.3×MAX。根据下式计算边缘检测后的图像各像素点的像素值：
F(i，j)＝canny{G(i，j)，T2，T1}；
F(i，j)为边缘检测后的图像像素点I(i，j)的像素值；
步骤3：边缘检测特征点提取；设成像探测器采集到的为H×W的图像，H表示图像像素点的行数，W表示图像像素点的列数；本发明用到的原始图像大小是H＝2048，W＝1024。首先沿X轴方向开始，从边缘检测后的图像第1行第1列像素点作为起点，查找每一行的所有像素值等于255的像素点，将每一行遇到的第一个像素值等于255的像素点作为A特征点，将其坐标存到集合XL(Lcount)中，每增加一个A特征点，计数值Lcount加1；后续像素值等255的全部像素点作为B特征点存到集合XR(Rcount)中，每增加一个B特征点，计数值Rcount加1；其次从Y轴方向开始，从边缘检测后的图像第一列第一行作为起点，查找每一列的所有像素灰度值等于255的像素点，每一列遇到的第一个像素值等于255的像素点作为C特征点存到集合YUp(upcount)中，每增加一个C特征点，计数值upcount加1；后续像素灰度值等255的全部像素点作为D特征点存到集合Yd(dcount)中，每增加一个D特征点，计数值dcount加1。
本步骤不限于上述方式，沿X轴方向，也可以以第一行最后一列像素点为起点，或者以最后一行第一列像素点作为起点，或者以最后一行最后一列像素点为起点；沿Y轴方向，也可以以最后一列第一行像素点为起点，或者以第一列最后一行像素点为起点，或者以最后一列最后一行像素点为起点，
步骤4：将A特征点、B特征点、C特征点、D特征点进行直线拟合；存在集合XL(Lcount)中的A特征点记为xln，A特征点的数量等于Lcount的最终计数值，存在集合xR(Rcount)中的B特征点记为xrm，B特征点的数量等于Rcount的最终计数值，存在集合YUp(upcount)中的C特征点记为yupp，C特征点的数量等于upcount的最终计数值，存在集合Yd(dcount)中的D特征点记为ydk，D特征点的数量等于dcount的最终计数值。将A特征点xln，B特征点xrm，C特征点yupp，D特征点ydk分别拟合成四条直线。拟合方法如下：
直线拟合：针对任一条直线，设直线上像素点的坐标x和y之间的函数关系由直线方程yi＝α0+a1xi给出，式中有两个待定参数，a0代表截距，α1代表斜率。对于等精度测量所得到的M组数据(xi，yi)，i＝1，2，…，M。xi值被认为是准确的，所有的误差只联系着yi；M为A特征点、B特征点、C特征点或者D特征点的数量。
下面利用最小二乘法把M组数据拟合为直线。要求残差的平方和S最小；
应有
整理得
解力程，得
将A特征点xln，B特征点xrm，C特征点yupp，D特征点ydk分别带入公式yi＝a0+a1xi中，可拟合出
四条直线；设其中一条直线为Lxl(a，b)，a、b分别为该直线的两个端点；另一条直线为Lxr(c，d)，c、d为该直线的两个端点；根据下式判断两条直线Lxl(a，b)，Lxr(c，d)是否有交点；
denominator＝(b.y-a.y)×(d.x-c.x)-(a.x-b.x)×(c.y-d.y)
其中denominator为分母判断值；b.y为端点b的y坐标，a.y为端点a的y坐标，d.x为端点d的x坐标，c.x为端点c的x坐标，a.x为端点a的x坐标，b.x为端点b的x坐标，c.y为端点c的y坐标，d.y为端点d的y坐标；如果分母判断值denominator为0，则说明两条线平行；如果分母判断值denominator不为0，则根据下式计算两条直线交点：
按照上式我们可求得四条直线的四个交点的坐标分别为(cx1，cy1)，(cx2，cy2)，(cx3，cy3)，(cx4，cy4)，则最终可按照下式计算出十字丝靶标像的中心点坐标为(centx，centy)；
centx＝(cx1+cx2+cx3+cx4)/4
centy＝(cy1+cy2+cy3+cy4)/4
步骤5：连续转动旋转台，在旋转台转动过程中获取多个十字丝靶标像的中心点坐标，将多个十字丝靶标像的中心点进行拟合得到一个拟合圆，调整被测镜片摆放角度，使得实时计算出的十字丝靶标像的中心点移动到拟合圆中心位置；调整好后，继续旋转转台，获取多个十字丝靶标像中心点拟合而成的拟合圆；观察拟合圆大小，如果拟合圆在可调整范围内，继续调整被测镜片角度，直至多个十字丝靶标像中心点拟合而成的拟合圆无法缩小，将此时的十字丝靶标像中心点作为被测镜片中心。
结果表明，采用现有技术十字靶标中心的提取精度仅能达到±0.5μm。本发明能够达到±0.2μm。
十字靶标的中心的提取精度将影响最终的镜片中心点检测结果，本发明提高了十字靶标中心的提取精度，从而提高了镜片中心点检测结果的准确性。
发明人还曾经采用霍夫变换边缘检测方法结合图像二值化方法进行十字靶标中心的提取，提取结果不稳定，精度仅达到1μm；采用最小二乘拟合迭代方法自动提取十字靶标中心的提取，提取时间长，做不到实时检测；采用模板匹配方法十字靶标中心的提取，此方法设定的阈值的结果有孔洞或者边缘误差，提取的十字中心结果不稳定。
Claims (8)
1.一种镜片中心偏差测量设备的镜片中心点提取方法，其特征在于该方法如下：
将成像探测器采集到的每一帧图像进行滤波处理；利用canny算子对滤波后的图像进行边缘检测，得到边缘检测后的图像各像素点的像素值；
查找每一行的所有像素值等于255的像素点，将每一行的第一个像素值等于255的像素点作为A特征点，将其坐标存到集合XL中，后续像素值等于255的全部像素点作为B特征点存到集合XR中；查找每一列的所有像素值等于255的像素点，每一列的第一个像素值等于255的像素点作为C特征点存到集合YUp中，后续像素值等于255的全部像素点作为D特征点存到集合Yd中；
将A特征点、B特征点、C特征点、D特征点进行直线拟合得到四条直线；根据四条直线的四个交点求取十字丝靶标像的中心点坐标；
连续转动镜片中心偏差测量设备的旋转台，在旋转台转动过程中获取多个十字丝靶标像的中心点坐标，将多个十字丝靶标像的中心点进行拟合得到一个拟合圆，调整被测镜片摆放角度，使得实时计算出的十字丝靶标像的中心点移动到拟合圆中心位置；继续旋转转台，反复调整被测镜片摆放角度，获取多个十字丝靶标像中心点拟合而成的拟合圆；直至多个十字丝靶标像中心点拟合而成的拟合圆无法缩小，将此时的十字丝靶标像中心点作为被测镜片中心。
2.根据权利要求1所述的镜片中心偏差测量设备的镜片中心点提取方法，其特征在于采用中值滤波对每一帧图像进行脉冲噪声处理，再利用高斯滤波对经过中值滤波的图像进行高斯噪声抑制处理。
3.根据权利要求2所述的镜片中心偏差测量设备的镜片中心点提取方法，其特征在于所述的中值滤波利用二维模板，对二维模板内的像素点按照像素值的大小进行排序，生成单调上升或下降的二维数据序列，并使用下面的公式计算中值滤波处理后的图像各像素点的像素值：
g(i，j)＝med{f(i-m,j-n),(m,n∈w)}
其中，f(i，j)表示原始图像任一像素点I(i，j)的像素值，g(i，j)表示中值滤波处理后的图像该像素点I(i，j)的像素值，(i，j)为该像素点I(i，j)的坐标；w为二维模板，其滤波窗口为3×3、5×5或7×7区域，m、n分别为二维模板的像素点行数、列数。
4.根据权利要求2所述的镜片中心偏差测量设备的镜片中心点提取方法，其特征在于所述的高斯滤波采用3×3掩模进行处理，利用下述公式计算得到高斯滤波后的图像各像素点I(i，j)的像素值：
G(i，j)＝{g(i-1，j-1)+g(i-1，j+1)+g(i+1，j-1)+g(i+1，j+1)+[g(i-1，j)+g(i，j-1)+g(i+1，j)+g(i，j+1)]}/16；
G(i，j)为高斯滤波后的图像像素点I(i，j)的像素值，g(i，j)为中值滤波后的图像像素点I(i，j)的像素值。
5.根据权利要求1所述的镜片中心偏差测量设备的镜片中心点提取方法，其特征在于利用canny算子的方法对滤波后的图像G(i，j)进行边缘检测的方法如下：
从像素值高于高阈值T1的像素点出发，凡是像素值大于低阈值T2而且相互连接的像素点都保留；T1，T2∈MAX，像素点最大像素值MAX为255；高阈值T1为(0.5，1)×MAX，低阈值T2为(0，0.5)×MAX；根据下式计算边缘检测后的图像各像素点的像素值：
F(i，j)＝canny{G(i，j)，T2，T1}；
F(i，j)为边缘检测后的图像像素点I(i，j)的像素值。
6.根据权利要求5所述的镜片中心偏差测量设备的镜片中心点提取方法，其特征在于高阈值T1取0.5×MAX，低阈值T2取0.3×MAX。
7.根据权利要求5所述的镜片中心偏差测量设备的镜片中心点提取方法，其特征在于利用最小二乘法进行直线拟合，方法如下：
将A特征点、B特征点、C特征点、D特征点的坐标分别带入公式yi＝a0+a1xi中进行直线拟合得到四条直线，a0代表截距，a1代表斜率；
(xi，yi)为A特征点、B特征点、C特征点或者D特征点中任一特征点的坐标；M为A特征点、B特征点、C特征点或者D特征点的数量。
8.根据权利要求7所述的镜片中心偏差测量设备的镜片中心点提取方法，其特征在于所述的十字丝靶标像的中心点坐标(centx，centy)计算方法如下：设其中一条直线为Lxl(a，b)，a、b分别为该直线的两个端点；另一条直线为Lxr(c，d)，c、d为该直线的两个端点；根据下式判断两条直线Lxl(a，b)，Lxr(c，d)是否有交点；
denominator＝(b.y-a.y)×(d.x-c.x)-(a.x-b.x)×(c.y-d.y)
其中denominator为分母判断值；b.y为端点b的y坐标，a.y为端点a的y坐标，d.x为端点d的x坐标，c.x为端点c的x坐标，a.x为端点a的x坐标，b.x为端点b的x坐标，c.y为端点c的y坐标，d.y为端点d的y坐标；如果分母判断值denominator为0，则说明两条线平行；如果分母判断值denominator不为0，则根据下式计算两条直线交点：
设求得四条直线的四个交点的坐标分别为(cxl，cyl)，(cx2，cy2)，(cx3，cy3)，(cx4，cy4)，按照下式计算出十字丝靶标像的中心点坐标为(centx，centy)；
centx＝(cx1+cx2+cx3+cx4)/4
centy＝(cy1+cy2+cy3+cy4)/4。
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