طريقة قياس البعد البؤري السريعة بناءً على صور عدسة الأشعة تحت الحمراء
يشير الطول البؤري للعدسة إلى المسافة من النقطة الرئيسية إلى النقطة البؤرية لبصريات العدسة وهو مؤشر أداء مهم للعدسة. يحدد طول البعد البؤري للعدسة حجم الصورة الملتقطة، وحجم مجال الرؤية، وحجم عمق المجال، ومنظور الصورة. لذلك، تعد كيفية اكتشاف البعد البؤري لعدسة الأشعة تحت الحمراء بدقة محتوى بحثيًا مهمًا لاكتشاف معلمات عدسة الأشعة تحت الحمراء.
يمكن تقسيم طريقة قياس البعد البؤري لعدسة الأشعة تحت الحمراء إلى الطريقة المباشرة والطريقة غير المباشرة. الطريقة غير المباشرة هي استخلاص البعد البؤري للعدسة بشكل عكسي عن طريق قياس زاوية رؤية العدسة. ومع ذلك، فإن فرضية الطريقة غير المباشرة هي عدم وجود أي تشويه للعدسة.
في القياس الفعلي، خاصة بالنسبة للعدسات ذات البعد البؤري الصغير، لا يكون التشوه ضئيلًا، مما يؤدي إلى عدم دقة البعد البؤري للعدسة المحسوب بالطريقة غير المباشرة؛ الطريقة المباشرة هي الحصول على معلومات الصورة المستهدفة، ثم الحصول على البعد البؤري للعدسة.
المعدات السائدة الحالية هي معدات قياس العدسة MTF. تتميز هذه المعدات بدقة قياس عالية واتساق جيد، ولكن المعدات باهظة الثمن، وتكلفة قياس البعد البؤري للعدسة مرتفعة، والكفاءة منخفضة، وهو ما لا يفضي إلى الكشف السريع عن العدسات المجمعة.
في ضوء الوضع الحالي، تقترح هذه الورقة طريقة اكتشاف سريعة للبعد البؤري لعدسة الأشعة تحت الحمراء استنادًا إلى الصورة المستهدفة على حافة السكين. تجمع هذه الطريقة صورة هدف حافة السكين في الحالة المركزة لعدسة الأشعة تحت الحمراء، وتستخدم طريقة تجزئة عتبة Otsu للحصول على الصورة الثنائية، وتستخرج محيط حافة الهدف، ثم تستخدم التحويل التقاربي للحصول على الحد الأدنى للمستطيل المحدد المطابق لهدف حافة السكين، والمستطيل المحدد.
يتم إدخال إحداثيات الرأس في صيغة حساب البعد البؤري، ومن ثم يتم تقدير البعد البؤري المقابل لعدسة الأشعة تحت الحمراء. يمكن لهذه الطريقة تحقيق القياس السريع والدقيق للبعد البؤري لعدسة الأشعة تحت الحمراء على دفعات، ويمكن أن تقلل بشكل فعال من تكلفة قياس معلمة العدسة.
1. النظرية والطريقة
1.1 تجزئة عتبة التكيف
الحد الأقصى لطريقة التباين بين الفئات (Otsu) هي خوارزمية عامة للكشف والتجزئة. في ضوء الحالة التي لا تحتوي فيها القمم المزدوجة للرسم البياني الرمادي للصورة على قيعان واضحة أو أن القمم والقيعان المزدوجة ليست واضحة، فإن طريقة التباين الأقصى بين الفئات مناسبة لتحديد موضع عتبة التجزئة بين القمم المزدوجة.
تستخدم هذه الطريقة اللحظات التراكمية ذات الترتيب الصفري والترتيب الأول للرسم البياني الرمادي للصورة لتعظيم الوظيفة التمييزية لتحديد أفضل عتبة لتجزئة الصورة.
1.2 استخراج الحافة
يعد استخراج الحواف طريقة شائعة لتقسيم الصور بناءً على طفرات البكسل الرمادية. تتضمن طرق استخراج الحافة شائعة الاستخدام طريقة استخراج الحافة القائمة على التدرج المورفولوجي، وطريقة استخراج حافة سوبيل، وطريقة استخراج حافة لابلاسي، وطريقة استخراج حافة كاني.
طريقة استخلاص الحواف المعتمدة على التدرج المورفولوجي هي طرح نتيجة التمدد المورفولوجي من نتيجة التآكل المورفولوجي في الصورة للحصول على معلومات كفاف الحافة التي تحتوي على التدرج المستهدف. ستؤدي هذه العملية إلى تغيير حجم البكسل للهدف بعد التصوير وتؤثر على دقة الحساب.
تتمتع طريقة استخراج حافة Sobel وطريقة استخراج حافة Laplacian بدقة منخفضة في استخراج الحافة عندما تكون نواة الالتواء صغيرة. بالنسبة لنواة الالتواء الأكبر حجمًا، يتم استخدام عدد أكبر من البكسلات في عملية التقريب، وبالتالي يكون فقدان الوقت كبيرًا.
تختار هذه المقالة طريقة استخراج الحواف Canny. تحسب هذه الطريقة أولاً مشتقات الدرجة الأولى في اتجاهي x وy، ثم تجمعها في 4 مشتقات اتجاهية، وتجمع النقاط القصوى المحلية في مشتقات الاتجاه لتكوين وحدات البكسل المرشحة للحافة.
أخيرًا، عند استخراج محيط الحافة، تستخدم طريقة Canny عتبتين. إذا كان تدرج البكسل أكبر من الحد الأكبر، فسيتم وضع علامة عليه كحافة صالحة؛ إذا كان تدرج البكسل أقل من العتبة الأصغر، فسيتم وضع علامة عليه كحافة غير فعالة؛ إذا كان تدرج البكسل بين الاثنين، فقط عندما يكون متصلاً ببكسل عالي العتبة، يتم وضع علامة عليه كحافة صالحة.
1.3 التحول التقاربي
يعد التحويل الأفيني طريقة معالجة مهمة في التحويل الهندسي للصورة. يقوم بتعيين أي متوازي أضلاع ABCD في المستوى إلى أي متوازي أضلاع ABCD آخر ويحافظ على استقامة وتوازي القطع المستقيمة قبل وبعد التحويل.
من خلال التحويل التقاربي، يمكن تحقيق التحولات الهندسية مثل ترجمة الصورة وتدويرها وتوسيعها وعكسها. يمكن التعبير عن التحول التقاربي في الفضاء الإقليدي ثنائي الأبعاد بالصيغة (1). وفقًا للصيغة (1)، يحتوي التحويل التقاربي النموذجي بشكل أساسي على الأنواع التالية:
(1) التحول الانتقالي. انقل النقطة (x,y) إلى النقطة (x + a, y + b) فتصبح مصفوفة التغيير:
(2) التحجيم والتحول. إذا تم تكبير أو تقليل الإحداثي الأفقي للنقطة (x، y) بمقدار مرات، وتم تكبير أو تقليل الإحداثي بمقدار b مرات، فإن مصفوفة التحويل هي:
(3) تحويل التناوب. قم بتدوير الرسم المستهدف عكس اتجاه عقارب الساعة بالراديان حول نقطة الأصل، ثم تصبح مصفوفة التحويل كما يلي:
1.4 اشتقاق صيغة حساب البعد البؤري
يظهر الرسم التخطيطي للهدف المستطيل من خلال نظام التصوير البصري في الشكل 1.
الشكل 1: رسم تخطيطي للصورة المستهدفة بواسطة النظام البصري
حيث x_target هو العرض الفعلي للهدف المستطيل، وy_target هو الارتفاع الفعلي للهدف المستطيل، وكلاهما بالملليمتر. حجم الصورة الناتجة للهدف المستطيل بعد تصويرها بالنظام البصري هو m×n، وحجم بكسل الهدف في الصورة هو qp و sr، والوحدات كلها بكسل. وباستخدام العلاقة الثلاثية لنظام التصوير البصري يمكن الحصول على العلاقة التالية:
حيث: ppH هو الحجم الأفقي للكاشف، ميكرومتر؛ Fالعقيدهو البعد البؤري لأنبوب الموازاة، مم؛ Fلينهو البعد البؤري لعدسة الأشعة تحت الحمراء، مم. العلاقة بين مجال الرؤية الأفقي اللحظي للكاشف والبعد البؤري للعدسة هي كما يلي:
وبالتالي فإن البعد البؤري لعدسة الأشعة تحت الحمراء:
من بينها، استبدال المعادلة (2) في المعادلة (3)، يمكن الحصول على مجال الرؤية الأفقي اللحظي للكاشف:
2. النتائج التجريبية والتحليل
الهدف المحدد في هذا البحث هو هدف على شكل حافة سكين يبلغ نصف قطره 16 مم، وطول بؤري لميزاء يبلغ 260 مم، وكاشف غير مبرد بدقة 640 × 512، وتباعد البكسل بمقدار 17 ميكرومتر، والطول البؤري النظري لـ عدسة الأشعة تحت الحمراء 54 ملم.
الشكل 2 (أ) هو صورة الإخراج لهدف حافة السكين من خلال نظام التصوير البصري عندما تكون عدسة الأشعة تحت الحمراء في الحالة المركزة، والشكل 2 (ب) هو نتيجة استخراج حافة الهدف بعد ثنائية الصورة، و الشكل 2 (ج) هو المحاكاة المستهدفة نتيجة الإخراج بعد التحول الشعاعي. يمكن الحصول عليه من الشكل 2 (ب) أنه يمكن للطريقة أن تستخرج بدقة محيط الحافة لهدف حافة السكين.
من خلال إدخال إحداثيات رؤوس المستطيل المحدد لهدف حافة السكين في الشكل 2 (ج) في صيغ الحساب (4) و(5)، يمكن الحصول على الطول البؤري الفعلي لعدسة الأشعة تحت الحمراء مقاس 54 مم بمقدار 56.1406 مم ، وقد تم اختبار البعد البؤري للعدسة من قبل هيئة إصدار الشهادات. وهي 55.7360 ملم، والخطأ المطلق 0.4046 ملم، ونسبة الخطأ 0.7.
(أ) الصورة الأصلية (ب) الصورة بعد استخراج الحافة (ج) الصورة بعد تحويل الإشعاع
الشكل 2: مخطط تدفق المعالجة للصورة المستهدفة ذات حافة السكين
من أجل التحقق من عالمية الخوارزمية في هذا البحث، تم حساب الأطوال البؤرية لـ 5 عدسات تعمل بالأشعة تحت الحمراء مقاس 54 مم و8 مم في نفس الدفعة على التوالي، ومقارنتها بنتائج اختبار هيئة إصدار الشهادات، كما هو موضح في الجدول 1 والجدول 2. من خلال الجمع بين الصيغتين (4) و(5)، تتضمن المعلمات التي تؤثر على دقة قياس البعد البؤري لعدسة الأشعة تحت الحمراء الحجم الأفقي لبيكسل الكاشف، والطول البؤري للموازاة، والحجم المادي للهدف المستطيل، والطول البؤري للموازاة، والحجم المادي للهدف المستطيل. البكسلات الأفقية التي يشغلها الهدف في الصورة.
من بينها، يتأثر الحجم الأفقي لبكسل الكاشف، والبعد البؤري للموازاة، والحجم المادي للهدف المستطيل بدقة معالجة الأجزاء المُشكَّلة، وهناك أخطاء معينة، لذلك تحتاج منصة الكشف بأكملها إلى تتم معايرتها. ترتبط دقة القيمة المحسوبة للبكسلات الأفقية التي يشغلها الهدف في الصورة بالبعد البؤري لعدسة القياس.
تتمتع عدسة الأشعة تحت الحمراء ذات البعد البؤري الكبير بدقة صورة عالية، ويكون للخطأ المقدر تأثير ضئيل على النتيجة، في حين أن عدسة الأشعة تحت الحمراء ذات البعد البؤري الصغير تكون دقة الصورة التي تشكلها العدسة منخفضة، ويكون خطأ التقدير له تأثير كبير على النتيجة.
لذلك، عند حساب وحدات البكسل الأفقية التي يشغلها الهدف في الصورة، من الضروري إجراء معالجة وحدات البكسل الفرعية على الصورة لتقليل خطأ التقدير، وتحسين دقة تقدير القيمة، وبالتالي تحسين دقة قياس البعد البؤري. ستكون كيفية تحسين دقة قياس البعد البؤري لعدسة الأشعة تحت الحمراء هي الخطوة التالية لفريق البحث.
3 - الخلاصة
تقدم هذه المقالة طريقة الكشف السريع القائمة على الصور للبعد البؤري لعدسة الأشعة تحت الحمراء. تظهر نتيجة المقارنة أن متوسط نسبة الخطأ المطلق للبعد البؤري للعدسة المقدرة بهذه الطريقة أقل من 1.48 مقارنة بنتيجة اكتشاف الطول البؤري لهيئة الاعتماد. تم التأكد من صحة الطريقة ودقتها، وتم وضع الأساس للكشف السريع عن المعلمات المهمة للعدسة.
تواصل شركة Quanhom البحث وتطوير تقنيات الكشف الجديدة، وتقييم أداء العدسات البصرية بالأشعة تحت الحمراء وتحسينها بدقة. لا يمكننا تزويد المستخدمين بمنتجات عالية الجودة فحسب، بل يمكننا أيضًا صياغة حلول مدروسة بناءً على احتياجات المستخدمين الفعلية.
كشركة مصنعة من ذوي الخبرةالمكونات الكهروميكانيكية البصريةتلتزم شركة Quanhom بتزويد المستخدمين بمجموعة متنوعة من كاميرات الأشعة تحت الحمراء الحرارية (LWIR وMWIR وSWIR) ذات الجودة الممتازة. لدينا سمعة جيدة في الصناعة بفضل تكنولوجيا البحث والتطوير الرائدة وتكنولوجيا التصنيع الممتازة. وتباع منتجاتنا في جميع أنحاء العالم وقد نالت الثناء والثقة من العديد من العملاء. إذا كنت تريد معرفة المزيد عن خدماتنا ذات الصلة، يمكنك أن ترسل لنا احتياجاتك، وسنقدم لك إجابة مرضية في أقرب وقت ممكن.
المؤلفون: تشونغ جيانبو، لي ماوزونغ، شيا تشينغ سونغ، لوه يونغ فانغ، جيا يو تشاو، وانغ كايبينغ، لي هونغ بينغ، لوه هونغ، هوانغ بان
مصدر المجلة: تقنية الأشعة تحت الحمراء، تكنولوجيا الأشعة تحت الحمراء، يونيو 2021
تاريخ الاستلام: 2019-04-30; تاريخ التعديل: 2021-06-10.
مراجع:
[1] 士文.红外成像系统测试与评价[م]. المصدر: 红外与激光工程، 2008: 150-180.
[2] Ohtsu N. طريقة اختيار العتبة من الرسوم البيانية ذات المستوى الرمادي[J].معاملات IEEE على Systems Man & Cybernetics, 1979, 9(1): 62-66.
[3] إيموتشا سينغ، تجماني سينام. التباين المحلي وتقنية العتبة القائمة على المتوسط في ثنائية الصورة [J]. المجلة الدولية لتطبيقات الكمبيوتر، 2012، 51(6): 5-10.
[4] 赵文涛، 曹昕鸷، 田志勇.基于自适应阈值区域生长的红外舰船目标分割方法[J].红外技术, 2018, 40(2): 158-163. تشاو وينتاو، كاو شينزي، تيان زيونغ. طريقة تجزئة هدف سفينة الأشعة تحت الحمراء بناءً على نمو منطقة العتبة التكيفية [J]. تكنولوجيا الأشعة تحت الحمراء، 2018، 40(2): 158-163.
[5] 郝争辉، 张学松، 王高، 等.基于边缘轮廓线提取的自动对焦评价函数[J].红外技术, 2018, 40(2): 170-175. هاو زينغوي، زانغ شيوسونغ، وانغ جاو، وآخرون. وظيفة تقييم التركيز البؤري التلقائي بناءً على استخراج محيط الحافة [J]. تكنولوجيا الأشعة تحت الحمراء، 2018، 40(2): 170-175.
[6] غابور دوموكوس، زولت لانجي، مارك مزي. نموذج تطور الشكل في ظل التحولات المتقاربة[J/OL][2017-09-18]. أرخايف:1604.07630 (https://arxiv.org/abs/1604.07630v2).