阅读说明：本技术 分割投影成像系统的快速定标方法及装置 (Rapid calibration method and device for segmentation projection imaging system ) 是由 袁艳 苏丽娟 蒋一 刘安琪 于 2021-06-29 设计创作，主要内容包括：本申请公开了一种分割投影成像系统的快速定标方法及装置,其中,方法包括：确定分割投影成像系统的物面中心、微反射镜阵列中心和探测器面中心的对心；将单狭缝靶标装入夹具中,利用采集的探测图像计算各个子孔径的空间信息；调整靶标位置,对视场进行水平扫描,得到所有条带信息,以完成横向视场定标；将水平的多狭缝靶标替换单狭缝靶标,并调整靶标角度,在系统视场范围内进行竖直方向扫描,以完成纵向定标；通过空间维度扫描,对采集到的所有定标图像进行数据处理,获得分割投影成像系统的查找表。本申请实施例可以基于微反射镜阵列的分割投影成像系统建立包含物面和像面空间映射关系的查找表,不但保证定标位置精度,而且提高定标效率。(The application discloses a rapid calibration method and a rapid calibration device for a split projection imaging system, wherein the method comprises the following steps: determining the center of the object plane, the center of the micro-reflector array and the center of the detector plane of the split projection imaging system; loading the single slit target into a clamp, and calculating the spatial information of each sub-aperture by using the acquired detection image; adjusting the position of the target, and horizontally scanning the visual field to obtain all strip information so as to finish transverse visual field calibration; replacing a single slit target with a horizontal multi-slit target, adjusting the angle of the target, and scanning in the vertical direction within the field range of the system to finish longitudinal calibration; and (3) carrying out data processing on all the collected calibration images through space dimension scanning to obtain a lookup table of the segmentation projection imaging system. According to the embodiment of the application, the lookup table containing the space mapping relation between the object plane and the image plane can be established based on the segmented projection imaging system of the micro-reflector array, so that the calibration position precision is ensured, and the calibration efficiency is improved.)

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

下面参考附图描述本申请实施例的分割投影成像系统的快速定标方法及装置。针对上述背景技术中心提到的在建立包含物面和像面映射关系的查找表进行数据重构时，无法保证定标位置精度，并且定标效率较低的问题，本申请提供了一种分割投影成像系统的快速定标方法，在该方法中，由于微反射镜阵列各镜面的二维倾角不同，因此视场分割具有不规则特性。使用单狭缝靶标完成视场水平方向(狭缝宽度方向)扫描，使用多狭缝靶标完成视场垂直方向(狭缝长度方向)扫描，且在定标数据处理环节，利用系统分割投影原理作为先验知识，即中心微反射镜对应的子孔径中，条带像具有竖直特性，而其他子孔径的条带像具备不同的倾斜角，且各子孔径相对空间位置由微反射镜的二维倾角决定，利用上述信息，选取视场中心列的定标图像为参考，根据相对位置关系，辅助确定其他列的行信息，以及使用两种靶标在两个空间方向上进行扫描，既保证了定标位置精度，又提高了定标效率。由此，解决了相关技术中，在建立包含物面和像面映射关系的查找表进行数据重构时，无法保证定标位置精度，并且定标效率较低的技术问题。

具体而言，图1为本申请实施例所提供的一种分割投影成像系统的快速定标方法的流程示意图。

如图1所示，该分割投影成像系统的快速定标方法包括以下步骤：

在步骤S101中，基于分割投影成像系统制得十字叉丝、单狭缝靶标和多狭缝靶标，并利用十字叉丝靶标完成分割投影成像系统的物面中心、微反射镜阵列中心和探测器面中心的对心。

可以理解的是，如图2所示，在本步骤中，用十字叉丝靶标完成对心。具体地，根据视场分割投影光谱成像系统设计并制作十字叉丝、单狭缝和多狭缝靶标，调试整个系统，利用十字叉丝靶标完成物面中心、微反射镜阵列中心和探测器面中心的对心。

在步骤S102中，将单狭缝靶标装入夹具中，使得狭缝长度方向垂直于中心微反射镜长度方向，使其一次像穿过各微反射镜面中心位置，利用采集的探测图像计算各个子孔径的空间信息。

可以理解的是，如图2所示，在本步骤中，用水平单狭缝靶标获取子孔径空间信息。具体地，将狭缝靶标装入夹具中，使得狭缝长度方向垂直于中心微反射镜长度方向，使其一次像穿过各微反射镜面中心位置，采集探测图像来计算各个子孔径的空间信息。

在步骤S103中，调整靶标位置，使得狭缝长度方向平行于中心微反射镜长度方向，且一次像位于中心微反射镜中间位置，对视场进行水平扫描，得到所有条带信息，以完成横向视场定标。

可以理解的是，如图2所示，在本步骤中，用垂直单狭缝靶标完成横向视场定标。具体地，调整靶标位置，使得狭缝长度方向平行于中心微反射镜长度方向，一次像位于中心微反射镜中间位置，以此位置为电动位移台水平扫描原点，对视场进行水平扫描获得所有条带信息。

在步骤S104中，将水平的多狭缝靶标替换单狭缝靶标，并调整靶标角度，使狭缝长度方向与中心微反射镜的长度方向垂直，且与探测器像素行方向重合，且在系统视场范围内进行竖直方向扫描，以完成纵向定标。

可以理解的是，如图2所示，在本步骤中，用水平多狭缝靶标完成纵向定标。具体地，用水平多狭缝靶标替换单狭缝靶标，调整靶标角度使狭缝长度方向与中心微反射镜的长度方向垂直，且与探测器像素行方向重合，在系统视场范围内进行竖直方向扫描。

在步骤S105中，通过空间维度扫描，对采集到的所有定标图像进行数据处理，获得分割投影成像系统的查找表。

可以理解的是，如图2所示，在本步骤中，处理采集数据生成系统查找表。对于采集到的所有定标图像，编写程序进行数据处理，最终获得一套查找表。

可选地，在本申请的一个实施例中，还包括：根据分割投影成像系统的放大率和探测器像素尺寸计算狭缝宽度。

可选地，在本申请的一个实施例中，狭缝宽度的计算公式为：

其中，f₂为准直镜焦距，f₃为成像镜焦距，d_pixel为探测器像素宽度，z_o和z_i分别为前置成像镜的物距和像距。

以下以一个具体实施例对本申请实施例的原理进行详细说明。

如图2所示，本申请实施例设计三种不同的靶标(分别为十字叉丝靶标、单狭缝靶标和多狭缝靶标)用于确定基于微反射镜阵列的分割投影成像系统视场中心并进行两个空间维度的扫描，完成了系统空间定标。本申请实施例的方法具体包括以下几个步骤：

步骤S1：为实现逐像素的空间位置扫描，根据成像系统的放大率和探测器像素尺寸，设计靶标刻线(即狭缝)宽度为：

式中，如图3所示，f₂为准直镜焦距，f₃为成像镜焦距，d_pixel为探测器像素宽度，z_o和z_i分别为前置成像镜的物距和像距。为了覆盖系统视场(w×l)，多狭缝靶标包含K条长度为l、宽度为d_line的狭缝。物面坐标系为xO₁y，微反射镜阵列主平面坐标系为x_oO₂y_o，系统成像面坐标系为x_iO₃y_i。

搭建如图4所示的系统定标调试系统，将靶标夹具固定在三维位移台上，使用十字叉丝靶标，调整位移台和靶标装夹机构使靶标位于成像系统的物面处，并调整靶标位置使靶标与成像系统近似共轴，且靶标中心近似位于系统视场中心位置。此时靶标的装夹机构如图5所示，此时进行十字叉丝靶标成像，其成像示意图如图6所示(图中为三个角度，三个周期的微反射镜阵列示意图，中间的三段条带像属于中心子孔径范围，本文成像示意图中的微反射镜阵列和中心子孔径都被定义为这个模型)，观察成像效果并保存图像。通过图像处理算法判断以下三个条件能够满足：(1)中心子孔径中唯一交点(x_i0,y_i0)和视场中心列的两个端点(x_iu,y_iu)、(x_id,y_id)是否满足y_i0＝(y_iu+y_id)/2。(2)三段水平条带像上各点的y_i坐标是否一致。(3)中心列上的点集(x_ia,y_ia)a＝1,2,...,A(A为视场中心列像点总数)是否满足x_i1＝x_i2...＝x_iA。重复微调夹具的位置和旋转角度，直到满足上述三个条件。此时认为靶标中心和系统视场中心完全重合。

步骤S2：保持夹具位置不变，使用单狭缝靶标代替十字叉丝靶标，使单狭缝长度方向和物面坐标系的x轴近似平行，其装夹示意如图7所示，其成像示意图如图8所示，观察成像效果并保存图像。通过图像处理算法判断中心子孔径的三段水平条带像上各点的y_i坐标是否一致。不断微调靶标夹具的旋转角度，直到中心子孔径的三段水平条带像上各点的y_i坐标一致。此时，认为狭缝平行于物面坐标系的x轴，构成水平单狭缝靶标。分割投影后的狭缝像平行于成像面坐标系的x_i轴，且微反射镜阵列上的一次像位于各微反射镜面中心处，采集探测器图像用于后续定标数据处理。

步骤S3：保持上述定标系统不变，旋转单狭缝靶标，使狭缝长度方向和物面坐标系的y轴近似平行，其成像示意图如图9所示。通过图像处理算法分别得到中心子孔径中的成像点集合(x_ib,y_ib)B＝1,2,...,B(B为像点总数)和记录的十字叉丝靶标成像的视场中心列点集合(x_ia,y_ia)a＝1,2,...,A(A为视场中心列像点总数)，判断(x_ia,y_ia)和(x_ib,y_ib)是否是两个相等的集合，若两个集合不相等则继续进行旋转微调，直到满足(x_ia,y_ia)＝(x_ib,y_ib)为止。此时分割投影后的狭缝像平行于成像面坐标系的y_i轴，构成垂直单狭缝靶标，且位于成像面的中心子孔径视场中心列上。以此位置作为扫描过程原点，控制电动位移台沿水平方向从中心视场向某一侧视场扫描，扫描步进与狭缝宽度相同，保证狭缝像在探测器上的成像结果单次水平移动一个像素，扫描至该狭缝超出系统视场。操作电动位移台返回扫描原点，向反方向重复上述扫描过程。

步骤S4：保持夹具位置不变，使用多狭缝靶标代替单狭缝靶标，使多狭缝长度方向和物面坐标系的x轴近似平行，且多狭缝靶标装夹机构如图10所示，此时进行水平多狭缝靶标成像，其成像示意图如图11所示，观察成像效果并保存图像。通过图像处理算法判断中心子孔径中第s(s＝1,2,...,S，S为狭缝总数)行的三段条带像上点的y_is坐标是否一致，若不一致，不断微调靶标夹具的旋转角度，直到满足对s＝1,2,...,S都能满足三段条带像y_is坐标一致的条件，此时各个狭缝长度均平行物面坐标系的x轴。控制电动位移台使靶标最顶端狭缝位于系统上视场边缘处，以此位置为扫描原点，沿垂直方向向下扫描，扫描步进与线宽相同，采集逐次扫描的系统图像。当靶标最底端狭缝超出系统下视场边缘时，扫描结束。

可选地，在本申请的一个实施例中，对采集到的所有定标图像进行数据处理，包括：对单狭缝靶标水平位置成像结果进行处理，获得各子图像的区域中心、半径、条带像倾斜角及条带像间距；对垂直单狭缝靶标图像处理，获得每张探测图像的第一有效响应区域的质心，生成第一点集；对水平多狭缝靶标图像处理，获得每张探测图像的第二有效响应区域的质心，生成第二点集；基于各子图像的区域中心、半径、条带像倾斜角及条带像间距、第一点集和第二点集获取待标定列的行信息。

也就是说，步骤S5：对采集的图像进行预处理，流程如图12所示。首先去除暗电流，然后对图像进行开重构去除杂散点，(图像开重构是指对腐蚀后的图像做膨胀处理并和原图进行对比，在原图的区域范围内进行迭代，直到膨胀后的图像不再变化为止，则认为此时已去除杂散点)，在根据所有图像灰度统计结果选定灰度阈值，对图像进行二值化处理，提取有效响应区域。对定标图像的批量处理流程如图13所示，主要包括：

步骤S501：水平单狭缝靶标图像处理：对单狭缝靶标水平位置成像结果进行处理，首先使用灰度质心提取算法，对每个成像区域的灰度质心进行提取。根据条带像空间分布特点，制定相应的距离判别方法将条带像中心点按照孔径序号归类。最终获得各子图像信息，即区域中心、半径、条带像倾斜角及条带像间距。

步骤S502：垂直单狭缝靶标图像处理：对单狭缝靶标竖直摆放、在视场水平方向进行扫描的图像进行处理，按扫描顺序批量读取图片H_n,n＝-N,-N+1,...,N，水平方向扫描次数为2N+1。对于每张探测图像，使用灰度质心算法逐行提取有效响应区域的质心，点集记为{C_n}。

步骤S503：水平多狭缝靶标图像处理：对多狭缝靶标水平摆放在视场垂直方向进行扫描的图像进行处理按扫描顺序批量读取图片V_m,m＝1,2,...,M,M为垂直方向扫描次数。对于每张探测图像，使用灰度质心算法逐列提取有效响应区域的质心，点集记为{R_m}。

步骤S504：获取待标定列的行信息：以视场中心列为参考列，其质心点集为C₀，求取C₀和{R_m}的交集{I₀₁,...,I_0m}，确定C₀中各元素对应的行信息。根据扫描顺序，{C_n}中包含物空间列信息，对于任意待标定列的质心点集C_n，依次与{R_m}求交集{I_n1,...,I_nm}。利用上述步骤获取的子图像信息，判断{I_n1,...,I_nm}中的点所属子孔径序号及周期序号。由于条带像具有一定的倾斜角，而在比较时参照的条带像为视场中心列，若直接对两个对应点之间的y坐标差值和两个区域圆心的y坐标差值进行比较是不合理的，需要将倾斜条带像围绕子孔径圆心旋转θ后达到和视场中心列平行的状态，对不同的条带像分别进行位置变换且如图14所示(其中r为已经求得的条带像间距，(x_s,y_s)为旋转校正前坐标，(x_d,y_d)为旋转校正后坐标，(x_c,y_c)为待定标点区域圆心坐标，对于左侧条带像，y_d＝y_s+rsinθ,对于中心条带像,yd＝yc+(ys-yc)/cosθ对于右侧条带像,y_d＝y_s+rsinθ，以点(1181，944)为例,ys为944，首先判断该点位于第五个子孔径的左侧条带像，根据子图像信息，对其进行旋转校正后y_d的坐标为952)，此时条带像上的点在视场中心列上匹配到的点才是准确的，因此需要对{I_n1,...,I_nm}中的点进行旋转校正，旋转校正整体原理如图15(其中(x_c0,y_c0)为中心子孔径圆心坐标，(x_d0,y_d0)为视场中心列上满足|y_c0-y_c|＝|y_d0-y_d|的点,即为视场中心列上的匹配点，以点(1181，944)为例,校正后y_d的坐标为952，所在子孔径的圆心坐标(x_c,y_c)＝(1326,1050),中心子孔径圆心坐标(x_c0,y_c0)＝(2192,2192)，y_d0-952＝2192-1050,y_d0＝2094)。根据系统孔径投影特性，对于I_nm中的任一点，其所在子孔径与中心子孔径的圆心y_c0坐标之差为Δh＝|y_c0-y_c|，遍历点集I_0m搜寻和旋转校正后的待定标点的y_d坐标差值|y_d0-y_d|跟Δh最接近的点，认为该点为视场中心列上的匹配点(x_d0,y_d0)，即可获得待定标点对应的行信息。对{I_n1,...,I_nm}中的点重复上述操作，即可完成第n个待标定列的行信息获取，填入查找表的第n列。

本领域技术人员应该理解到的是，本申请实施例针对微反射镜阵列的视场分割特性，利用单狭缝靶标沿微反射镜面排列方向进行逐像素扫描，保证了视场列方向的定位精度；同时，利用了微反射镜阵列的投影成像特性，设计多狭缝靶标沿微反射镜长度方向进行扫描，狭缝数越多，扫描效率越高，极大缩短视场行方向的扫描时间，兼具了点扫描法和单缝扫描法的优点，可推广到系统各谱段的空间位置定标。

根据本申请实施例提出的分割投影成像系统的快速定标方法，由于微反射镜阵列各镜面的二维倾角不同，因此视场分割具有不规则特性。使用单狭缝靶标完成视场水平方向(狭缝宽度方向)扫描，使用多狭缝靶标完成视场垂直方向(狭缝长度方向)扫描，且在定标数据处理环节，利用系统分割投影原理作为先验知识，即中心微反射镜对应的子孔径中，条带像具有竖直特性，而其他子孔径的条带像具备不同的倾斜角，且各子孔径相对空间位置由微反射镜的二维倾角决定，利用上述信息，选取视场中心列的定标图像为参考，根据相对位置关系，辅助确定其他列的行信息，以及使用两种靶标在两个空间方向上进行扫描，既保证了定标位置精度，又提高了定标效率。

其次参照附图描述根据本申请实施例提出的分割投影成像系统的快速定标装置。

图16是本申请实施例的分割投影成像系统的快速定标装置的方框示意图。

如图16所示，该分割投影成像系统的快速定标装置10包括：对心模块100、获取模块200、横向定标模块300、纵向定标模块400和处理模块500。

其中，对心模块100，用于基于分割投影成像系统制得十字叉丝、单狭缝靶标和多狭缝靶标，并利用十字叉丝靶标完成分割投影成像系统的物面中心、微反射镜阵列中心和探测器面中心的对心。

获取模块200，用于将单狭缝靶标装入夹具中，使得狭缝长度方向垂直于中心微反射镜长度方向，使其一次像穿过各微反射镜面中心位置，利用采集的探测图像计算各个子孔径的空间信息。

横向定标模块300，用于调整靶标位置，使得狭缝长度方向平行于中心微反射镜长度方向，且一次像位于中心微反射镜中间位置，对视场进行水平扫描，得到所有条带信息，以完成横向视场定标。

纵向定标模块400，用于将水平的多狭缝靶标替换单狭缝靶标，并调整靶标角度，使狭缝长度方向与中心微反射镜的长度方向垂直，且与探测器像素行方向重合，且在系统视场范围内进行竖直方向扫描，以完成纵向定标。

处理模块500，用于通过空间维度扫描，对采集到的所有定标图像进行数据处理，获得分割投影成像系统的查找表。

可选地，在本申请的一个实施例中，本申请实施例的装置10还包括：计算模块。

其中，计算模块，用于根据分割投影成像系统的放大率和探测器像素尺寸计算狭缝宽度。

可选地，在本申请的一个实施例中，狭缝宽度的计算公式为：

其中，f₂为准直镜焦距，f₃为成像镜焦距，d_pixel为探测器像素宽度，z_o和z_i分别为前置成像镜的物距和像距。

可选地，在本申请的一个实施例中，处理模块500包括：第一获取单元、

其中，第一获取单元，用于对单狭缝靶标水平位置成像结果进行处理，获得各子图像的区域中心、半径、条带像倾斜角及条带像间距。

第一生成单元，用于对垂直单狭缝靶标图像处理，获得每张探测图像的第一有效响应区域的质心，生成第一点集。

第二生成单元，用于对水平多狭缝靶标图像处理，获得每张探测图像的第二有效响应区域的质心，生成第二点集。

第二获取单元，用于基于各子图像的区域中心、半径、条带像倾斜角及条带像间距、第一点集和第二点集获取待标定列的行信息。

需要说明的是，前述对分割投影成像系统的快速定标方法实施例的解释说明也适用于该实施例的分割投影成像系统的快速定标装置，此处不再赘述。

根据本申请实施例提出的分割投影成像系统的快速定标装置，由于微反射镜阵列各镜面的二维倾角不同，因此视场分割具有不规则特性。使用单狭缝靶标完成视场水平方向(狭缝宽度方向)扫描，使用多狭缝靶标完成视场垂直方向(狭缝长度方向)扫描，且在定标数据处理环节，利用系统分割投影原理作为先验知识，即中心微反射镜对应的子孔径中，条带像具有竖直特性，而其他子孔径的条带像具备不同的倾斜角，且各子孔径相对空间位置由微反射镜的二维倾角决定，利用上述信息，选取视场中心列的定标图像为参考，根据相对位置关系，辅助确定其他列的行信息，以及使用两种靶标在两个空间方向上进行扫描，既保证了定标位置精度，又提高了定标效率。

图17为本申请实施例提供的车辆的结构示意图。该电子设备可以包括：

存储器1701、处理器1702及存储在存储器1701上并可在处理器1702上运行的计算机程序。

处理器1702执行程序时实现上述实施例中提供的分割投影成像系统的快速定标方法。

进一步地，车辆还包括：

通信接口1703，用于存储器1701和处理器1702之间的通信。

存储器1701，用于存放可在处理器1702上运行的计算机程序。

存储器1701可能包含高速RAM存储器，也可能还包括非易失性存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。

如果存储器1701、处理器1702和通信接口1703独立实现，则通信接口1703、存储器1701和处理器1702可以通过总线相互连接并完成相互间的通信。总线可以是工业标准体系结构(Industry Standard Architecture，简称为ISA)总线、外部设备互连(PeripheralComponent，简称为PCI)总线或扩展工业标准体系结构(Extended Industry StandardArchitecture，简称为EISA)总线等。总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图17中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。

可选的，在具体实现上，如果存储器1701、处理器1702及通信接口1703，集成在一块芯片上实现，则存储器1701、处理器1702及通信接口1703可以通过内部接口完成相互间的通信。

处理器1702可能是一个中央处理器(Central Processing Unit，简称为CPU)，或者是特定集成电路(Application Specific Integrated Circuit，简称为ASIC)，或者是被配置成实施本申请实施例的一个或多个集成电路。

本实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上的分割投影成像系统的快速定标方法。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或N个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“N个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更N个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，N个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。