基于圖像互相關匹配的電光晶體光軸出露點提取方法與流程

一種基于圖像互相關匹配的電光晶體光軸出露點提取方法，用于光軸出露點的精確提取，屬于光學精密檢測技術領域，涉及一種電光晶體偏光干涉圖光軸出露點的自動提取方法。

背景技術：

等離子體電極普克爾盒是實現大型激光裝置多程放大技術的關鍵部件之一，其通過在電光晶體兩側加入稀薄氣體，放電后形成高電導率透明等離子體作為電極，實現普克爾效應。電光晶體因其具有普克爾效應，常作為光開關用于控制激光輸出或隔離反射激光。作為光開關使用的電光晶體，設計要求其光軸方向需和通光面法線方向平行。為了保證較好的消光比，需要實現電光晶體光軸方向的精確測量。

傳統的確定晶體光軸方向的精確方法是X射線衍射法，但X射線衍射儀價格昂貴，需要專門的檢驗及防護措施，使用不方便。而且用它測量晶體光軸方向，需要預先知道該晶體的結構參數以及晶面與衍射峰的對應關系，測量方法復雜，測量范圍也有限制，且現有X射線衍射定向儀不能實現大口徑晶體元件的光軸定向。

利用晶體的偏光干涉圖也可以確定晶體的光軸方向，且能滿足大口徑測試需求。通過在干涉圖中找到光軸的出露點(即黑十字交點)，根據光軸出露點相對于視域中心的位置來測量出光軸的方向。常用偏光顯微鏡來實現晶體偏振光干涉，利用目鏡的分劃板和目測的辦法測出光軸出露點相對于視域中心的距離，結合顯微鏡的數值孔徑可求出光軸偏離角，這種方法的誤差較大(3°～5°)。

技術實現要素：

本發明針對上述不足之處提供了一種基于圖像互相關匹配的電光晶體光軸出露點提取方法，解決現有技術中利用偏光干涉圖確定晶體的光軸方向方法中光軸出露點的提取精度差，導致光軸偏離角測量誤差大的問題。

為了實現上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種基于圖像互相關匹配的電光晶體光軸出露點提取方法，其特征在于,具體如下：

(1)獲得偏光干涉圖I；

(2)根據偏光干涉原理，通過模擬仿真得到合適的初始特征模板T₀；

(3)對模擬仿真得到的初始特征模板T₀以一系列不同的縮放比率S_n、不同旋轉角度θ_m進行幾何變換，獲得不同大小、不同旋轉角度下的特征模板圖像T_mn；

(4)將經過幾何變換后得到的所有特征模板T_mn分別和偏光干涉圖I進行圖像互相關匹配運算，用相關系數r_mn(x,y)定量特征模板T_mn和偏光干涉圖I的相關程度，經過圖像互相關匹配運算，得到所有特征模板T_mn下的最大相關系數r_mn-max和最大相關系數的位置坐標(x_mn,y_mn)；

(5)選取最大相關系數r_mn-max中的最大值r_max，將最大值r_max位置坐標(x_max,y_max)作為光軸出露點的位置坐標。

進一步，所述步驟(3)中幾何變換的公式如下：

式中，S_n為縮放比率，θ_m為旋轉角度，(x_i,y_j)為初始特征模板T₀的某一像素；(x_imn,y_jmn)為縮放比率為S_n、旋轉角度為θ_m下的特征模板T_mn中(x_i,y_j)的對應像素，T_mn為縮放比率S_n、旋轉角度θ_m下的特征模板，其中，S_n＝1±nΔS(n＝0,1,2,…,N，N為整數)，ΔS為縮放的變化間隔；θ_m＝mΔθ(m＝0,1,2,…,M，M為整數)，Δθ為旋轉角度的變化間隔。

進一步，在幾何變換過程中，如果特征模板T_mn中對應像素(x_i,y_j)位置坐標不是整數，采用數字圖像處理中最近鄰插值法或者其他插值法作近似處理。

進一步，所述步驟(4)中，相關系數r_mn(x,y)的計算公式如下：

式中，T_mn為特征模板的灰度分布，I為偏光干涉圖的灰度分布，p、q分別為圖像的橫縱坐標(p＝1,2,…,P、q＝1,2,…,Q，其中P、Q為特征模板的行列數)，x、y分別為特征模板與偏光干涉圖的橫縱向偏移像素。

與現有技術相比，本發明的優點在于：

一、本發明利用已知中心的模板圖像經過一定的幾何變換后，與待測錐光干涉圖進行互相關匹配運算，選取互相關系數最大的位置坐標作為光軸出露點位置坐標，實現了光軸出露點高精度的自動提取，提高了測量精度及效率。

附圖說明

圖1為本發明的流程示意圖；

圖2為本發明實施例1中厚度為30mm的電光晶體偏光干涉圖；

圖3為本發明實施例1中初始特征模板和幾何變換后的特征模板，其中(a)為初始特征模板、(b)、(c)、(d)為幾何變換后的特征模板；

圖4為本發明實施例1中相關系數r_mn和對應的位置坐標(x_mn,y_mn)的圖表示意圖；

圖5為本發明實施例2中不同特征模板T_mn下相關系數r_mn的變化曲線示意圖；

圖6為本發明實施例2中厚度為10mm的電光晶體偏光干涉圖；

圖7為本發明實施例2中初始特征模板和幾何變換后的特征模板，其中(a)為初始特征模板、(b)、(c)、(d)為幾何變換后的特征模板；

圖8為本發明實施例2中相關系數r_mn和對應的位置坐標(x_mn,y_mn)的圖表示意圖；

圖9為本發明實施例2中不同特征模板T_mn下相關系數r_mn的變化曲線示意圖；

圖10為本發明中相應步驟對應相應變化圖的流程示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。

實施例1

一種基于圖像互相關匹配的電光晶體光軸出露點提取方法，具體如下：

對于較厚的電光晶體，本實施例中電光晶體厚度為30mm。在偏光干涉測量系統中采集到厚度為30mm的電光晶體偏光干涉圖I，如圖2所示；

(1)根據偏光干涉原理，模擬仿真得到合適的偏光干涉圖初始特征模板T₀；如圖3(a)所示；

(2)對模擬仿真得到的初始特征模板T₀以一系列不同的縮放比率S_n、不同旋轉角度θ_m進行幾何變換，獲得不同大小、不同旋轉角度下的特征模板圖像T_mn；如圖3(b)、如圖3(c)、如圖3(d)所示；幾何變換的公式如下：

式中，S_n為縮放比率，θ_m為旋轉角度，(x_i,y_j)為初始特征模板T₀的某一像素；(x_imn,y_jmn)為縮放比率為S_n、旋轉角度為θ_m下的特征模板T_mn中(x_i,y_j)的對應像素，T_mn為縮放比率S_n、旋轉角度θ_m下的特征模板，其中，S_n＝1±nΔS(n＝0,1,2,…,N，N為整數)，ΔS為縮放的變化間隔；θ_m＝mΔθ(m＝0,1,2,…,M，M為整數)，Δθ為旋轉角度的變化間隔。在幾何變換過程中，如果特征模板T_mn中對應像素(x_i,y_j)位置坐標不是整數，采用數字圖像處理中最近鄰插值法或者其他插值法作近似處理，否則不作處理。

(3)將經過幾何變換后得到的所有特征模板T_mn分別和偏光干涉圖I進行圖像互相關匹配運算，用相關系數r_mn(x,y)定量特征模板T_mn和偏光干涉圖I的相關程度，經過圖像互相關匹配運算，得到所有特征模板T_mn下的最大相關系數r_mn-max和最大相關系數的位置坐標(x_mn,y_mn)，如圖4所示，其中不同特征模板T_mn下相關系數r_mn-max滿足如圖5所示變化曲線關系；相關系數的計算公式如下：

式中，T_mn為特征模板的灰度分布(特征模板在計算機中存儲的就是圖像灰度值)，I為偏光干涉圖的灰度分布(偏光干涉圖在計算機中存儲的就是圖像灰度值)，p、q分別為圖像的橫縱坐標(p＝1,2,…,P、q＝1,2,…,Q，其中P、Q為特征模板的行列數)，x、y分別為特征模板與偏光干涉圖的橫縱向偏移像素。

(4)選取最大相關系數r_mn-max中的最大值r_max，將最大值r_max位置坐標(x_max,y _max)作為光軸出露點的位置坐標。本實施例選取相關系數r_mn-max最大值0.996對應的位置坐標(251,254)作為光軸出露點的位置坐標。

實施例2

一種基于圖像互相關匹配的電光晶體光軸出露點提取方法，具體如下：

對于較厚的電光晶體，本實施例中電光晶體厚度為30mm。在偏光干涉測量系統中采集到厚度為30mm的電光晶體偏光干涉圖I，如圖6所示；

(1)根據偏光干涉原理，模擬仿真得到合適的偏光干涉圖初始特征模板T₀；如圖7(a)所示；

(2)對模擬仿真得到的初始特征模板T₀以一系列不同的縮放比率S_n、不同旋轉角度θ_m進行幾何變換，獲得不同大小、不同旋轉角度下的特征模板圖像T_mn；如圖7(b)、如圖7(c)、如圖7(d)所示；幾何變換的公式如下：

式中，S_n為縮放比率，θ_m為旋轉角度，(x_i,y_j)為初始特征模板T₀的某一像素；(x_imn,y_jmn)為縮放比率為S_n、旋轉角度為θ_m下的特征模板T_mn中(x_i,y_j)的對應像素，T_mn為縮放比率S_n、旋轉角度θ_m下的特征模板，其中，S_n＝1±nΔS(n＝0,1,2,…,N，N為整數)，ΔS為縮放的變化間隔；θ_m＝mΔθ(m＝0,1,2,…,M，M為整數)，Δθ為旋轉角度的變化間隔。在幾何變換過程中，如果T_mn中對應像素(x_i,y_j)位置坐標不是整數，采用數字圖像處理中最近鄰插值法或者其他插值法作近似處理，否則不作處理。

(3)將經過幾何變換后得到的所有特征模板T_mn分別和偏光干涉圖I進行圖像互相關匹配運算，用相關系數r_mn(x,y)定量特征模板T_mn和偏光干涉圖I的相關程度，經過圖像互相關匹配運算，得到在特征模板T_mn下的最大相關系數r_mn-max和最大相關系數的位置坐標(x_mn,y_mn)，如圖8所示，其中不同特征模板T_mn下相關系數r_mn-max滿足如圖9所示變化曲線關系；相關系數的計算公式如下：

式中，T_mn為特征模板的灰度分布(特征模板在計算機中存儲的就是圖像灰度值)，I為偏光干涉圖的灰度分布(偏光干涉圖在計算機中存儲的就是圖像灰度值)，p、q分別為圖像的橫縱坐標(p＝1,2,…,P、q＝1,2,…,Q，其中P、Q為特征模板的行列數)，x、y分別為特征模板與偏光干涉圖的橫縱向偏移像素。

(4)選取最大相關系數r_mn-max中的最大值r_max，將最大值r_max位置坐標(x_max,y_max)作為光軸出露點的位置坐標。本實施例選取相關系數r_mn-max最大值0.996對應的位置坐標(250,250)作為光軸出露點的位置坐標。

以上所述實施例僅表達了本申請的具體實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對本申請保護范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本申請技術方案構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本申請的保護范圍。