用于點源哈特曼波前探測器的背景噪聲特征估計方法
【專利摘要】本發明公開了一種用于點源哈特曼波前探測器的背景噪聲特征估計方法，該方法在估計某一子孔徑的背景噪聲時，對子孔徑內每一個像素，取其領域進行平面擬合，將通過得到的平面的傾斜度計算出該像素為后續計算的權重，再對子孔徑內所有的像素按照權重進行加權計算，得到加權的均值和方差，以作為噪聲估計的均值和方差。本發明該方法流程簡單、穩定，易實現，相對于現有的背景噪聲估計方法，能夠更準確地估計背景噪聲的統計特征，進而提升點源哈特曼波前探測的穩定性和精度。
【專利說明】
用于點源哈特曼波前探測器的背景噪聲特征估計方法
技術領域
[0001] 本發明涉及一種背景噪聲特征估計方法，特別是一種新型的、可用于點源哈特曼 波前傳感器等估計圖像背景噪聲特征一一均值和方差的方法。
【背景技術】
[0002] 哈特曼波前探測器已廣泛應用于自適應光學系統之中，它可以事先用一束高質量 的參考光標定，而在現場測量時無需參考光，對環境的要求不像干涉儀那樣嚴格，因此它可 以應用于光學元件質量控制、光束質量診斷、人眼像差、角膜面形測量、自適應光學等方面。 哈特曼探測器由哈特曼傳感器和波前重構方法組成，波前重構方法有多種，如區域法、模式 法等，而大多重構方法的第一步為檢測質心偏移量，即檢測出重構所需要的子孔徑中待檢 測圖像相對于參考圖像，即標定圖像的質心偏移量，因此質心偏移量的檢測是波前重構的 關鍵之一。目前，質心偏移檢測常用方法之一是光強加權質心計算。而該方法需要通過減閾 值的方式來減小噪聲帶來的影響，但減閾值的方法有其局限性，如背景噪聲不能太大、閾值 的設定需要人為的干預等。文獻[1 ](沈鋒，姜文漢.提高Hartmann波前傳感器質心探測精度 的閾值方法[J].光電工程，1997(3): 1-8.)提出了一種利用背景噪聲的統計特征一一均值 和方差來求解最優閾值的方法。但在使用這種方法前，必須知道背景噪聲的統計特征，而在 實際實施時，背景噪聲的統計特征不一定能事先獲得。因此，對背景噪聲的估計對最優閾值 的選擇相當重要。
[0003] 本發明正是在上述背景下產生的，發明了一種新型的背景噪聲特征估計方法，該 方法能根據點源哈特曼的光斑的半高全寬估計出子孔徑內背景噪聲的均值和方差，能有效 的提高哈特曼傳感器的精度和應用范圍。
【發明內容】
[0004] 本發明要解決的技術問題是：克服現有技術中，對點源哈特曼背景噪聲特征的估 計需要先驗知識或人為參與的問題。
[0005] 本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：用于點源哈特曼波前探測器的背景 噪聲特征估計方法，該方法的步驟為：
[0006] 步驟1)從子孔徑單元為MXM的哈特曼傳感器上獲取得到實測的全靶面灰度圖像 Ia，取其中要估計背景噪聲特性的子孔徑所對應的圖像，即分辨率為NXN的子孔徑圖像I;
[0007] 步驟2)對I中的每一個像素 I (i，j)，其中i為橫坐標，j為縱坐標，取L X L的領域，以 橫方向為X，縱方向為y，像素灰度值為z，進行平面擬合，得到像素I(i，j)對應的平面方程f (i, j)=0：
[0008] f (i , j) =ai,jx+bi,jy+z+ci,j = 0 (1)
[0009] 其中為像素I(i，j)所對應的平面方程的擬合系數；
[0010] 步驟3)計算I(i，j)的的權重W(i，j)，其中系數α為一事先確定的正數：
[0015] 其中，計算I(i，j)對應的平面方程汽1，」）=0，不必局限在子孔徑圖像1中，可以在 全靶面灰度圖像Ια中進行計算。
[0016] 其中，確定權重W( i，j )所需系數α由子孔徑光斑大小來確定，光斑越大，α越大，推 薦計算公式為，若以像素為單位，光斑的半高全寬為D，則
[0017] a = l〇g2(D+l) (5)
[0018] 本發明與現有技術相比有如下優點：
[0019] 1.本發明所公開的用于點源哈特曼波前探測器的背景噪聲特征估計方法可以根 據點源哈特曼子孔徑光斑的大小來估計出背景噪聲的均值和方差，適合于測量時對哈特曼 背景噪聲沒有先驗知識的情況。整個估計過程除了需要事先指定光斑的半高全寬外，無任 何人為參與的環節，實現了背景噪聲估計的自動化，為自適應減閾值提供了實施基礎。 [0020] 2.本發明所公開的用于點源哈特曼波前探測器的背景噪聲特征估計方法在實施 時，平面擬合和權重計算可以在整個探測器的圖像上進行，而不必局限于某個子孔徑，因此 適合硬件的流水處理和并行計算。
[0021] 3.本發明所公開的用于點源哈特曼波前探測器的背景噪聲特征估計方法計算權 重時，只需要根據光斑的半高全寬來確定系數a。
【附圖說明】
[0022] 圖1為本發明中的背景噪聲特征估計方法對一個子孔徑的操作流程；
[0023]圖2為本發明實施過程中得到的全靶面圖像(為了突出光斑，將灰度反轉，即越暗 的像素點表示越大的灰度值）；
[0024]圖3為圖2中某一子孔徑中的像，亦為圖2的一部分，越亮的點表示越大的灰度值；
[0025] 圖4為對背景噪聲估計完成后，根據文獻[1]中的最優閾值得到的減閾值后的圖 像，越亮的點表示越大的灰度值。
【具體實施方式】
[0026] 下面結合附圖及【具體實施方式】詳細介紹本發明。
[0027] 本實施方案采用的是微棱鏡陣列結構的哈特曼波前探測器，描述一種于點源哈特 曼波前探測器的背景噪聲特征估計方法，其操作流程如圖1所示，具體步驟如下：
[0028] 1)本實施方案從哈特曼波前探測器的成像元件上獲得參考全靶面圖像240 X 240， 發2所示，為了突出光斑，將灰度反轉，即越暗的像素點表示越大的灰度值，該參考圖像為由 12 X 12個子孔徑所成的像，即M= 12;
[0029] 2)由哈特曼波前探測器的原理，需要計算每一個子孔徑中的質心位置，為了便于 說明，取出全靶面圖像上的某個子孔徑所對應的圖像I，如圖3所示，它們分辨率為16X16， 即N=16,越亮的點表示越大的灰度值，可進一步看出，子孔徑圖像受噪聲污染比較嚴重；
[0030] 3)對分辨率為16X 16的子孔徑圖像I中的每一個像素I(i，j)，其中i為橫坐標，j為 縱坐標，取3 X 3的領域，以橫方向為X，縱方向為y，像素灰度值為z，進行平面擬合，得到像素 I(i，j)對應的平面方程f (i，j) =0:
[0031] f (i , j) =ai,jx+bi,jy+z+ci,j = 0 (1)
[0032] 4)由系統設計得到哈特曼子孔徑光斑的半高全寬D=l，因此得到系數系數a = l， 進而計算I(i, j)的的權重W(i, j):
[0037] 6)根據文獻[1]中對最優閾值的估計，由計算背景噪聲的均值u和方差s得最優閾 值T為：
[0038] T = u+3s = 489.9 (5)
[0039] 按此T減閾值的結果圖像如圖4所示，可以看出背景噪聲已基本被減干凈，圖4與圖 3的光斑相比清晰了很多。
【主權項】
1. 一種用于點源哈特曼波前探測器的背景噪聲特征估計方法，其特征在于:該方法的 步驟如下： 步驟1)從子孔徑單元為MXM的哈特曼傳感器上獲取得到實測的全祀面灰度圖像lA，取 其中要估計背景噪聲特性的子孔徑所對應的圖像，即分辨率為NXN的子孔徑圖像I; 步驟2)對I中的每一個像素 I(i，j)，其中i為橫坐標，j為縱坐標，取LXL的領域，W橫方 向為X，縱方向為y，像素灰度值為Z，進行平面擬合，得到像素 I(i，j)對應的平面方程f(i，j) =0： f (i , j)=ai,jx+bijy+z+ci,j = 0 (1) 其中31,^，131,^，(31,^為像素1(1^)所對應的平面方程的擬合系數； 步驟3)計算I(i，j)的的權重W(i，j)，其中系數α為一事先確定的正數：2. 根據權利要求1所述的用于點源哈特曼波前探測器的背景噪聲特征估計方法，其特 征在于:計算I(i，j)對應的平面方程f(i，j) = 〇,不必局限在子孔徑圖像I中，可W在全祀面 灰度圖像Ια中進行計算。3. 根據權利要求1所述的用于點源哈特曼波前探測器的背景噪聲特征估計方法，其特 征在于:確定權重W(i，j)所需系數α由子孔徑光斑大小來確定，光斑越大，α越大，推薦計算 公式為，若W像素為單位，光斑的半高全寬為D，則 〇 = 1〇邑2化+1) 巧）。
【文檔編號】G06T5/00GK106097255SQ201610363742
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年5月26日
【發明人】魏凌, 周睿, 王彩霞, 黃奎, 楊金生, 何益, 李梅, 張雨東
【申請人】中國科學院光電技術研究所