以前照方式進(jìn)行LAMOST光纖位置檢測(cè)的光點(diǎn)提取研究*

劉志剛，吳俊豐，劉力力，劉永梅，嚴(yán)紅紅

(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)精密機(jī)械與精密儀器系，安徽合肥 230027)

0 引言

LAMOST共有4000個(gè)光纖定位單元，當(dāng)前使用的光纖定位單元位置檢測(cè)為背照方式檢測(cè)［1］，即光纖所接光譜儀一端由白光照明，在黑暗條件下，使用CCD拍攝焦面板的光纖端面射出的光斑，以光重心法計(jì)算光纖端部的中心位置，繼而通過計(jì)算得到光纖定位單元的定位參數(shù)，從而對(duì)光纖定位單元進(jìn)行誤差補(bǔ)償。

背照法的優(yōu)勢(shì)在于，拍攝所得圖像光纖端面射出的光斑與背景區(qū)別大，幾乎不會(huì)出現(xiàn)灰度值近似的干擾點(diǎn)，易于提取亮點(diǎn)獲得位置，計(jì)算流程較為簡(jiǎn)單。

然而背照法在檢測(cè)過程中望遠(yuǎn)鏡無法正常觀測(cè)，不利于實(shí)時(shí)校準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)。為了使單元的閉環(huán)控制［2］成為可能，LAMOST希望實(shí)現(xiàn)光纖定位單元的實(shí)時(shí)校準(zhǔn)。在研究過程中發(fā)現(xiàn)，以前照法代替背照法進(jìn)行單元位置的檢測(cè)是一套十分可行的方案。

前照法作為一種新型的檢測(cè)方式，相比背照法不僅更加簡(jiǎn)便高效，而且能夠滿足今后LAMOST閉環(huán)控制的需要。所謂前照方式檢測(cè)，就是用前照燈直接照射光纖焦面，然后直接使用CCD拍攝，從而提取光纖位置的檢測(cè)方法。前照法檢測(cè)光纖位置時(shí)，不需要從光譜儀端額外添加光照，前照燈開啟即可檢測(cè)光纖位置，前照燈關(guān)閉LAMOST就可以直接進(jìn)行觀測(cè)，不僅在很大程度上提高了檢測(cè)效率，又同為閉環(huán)檢測(cè)提供了前提，圖1為兩種檢測(cè)方式示意圖。

圖1 兩種檢測(cè)方式示意圖

筆者以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，介紹前照方式檢測(cè)LAMOST光纖位置中光斑提取的方法，對(duì)前照法的可行性進(jìn)行論證，為今后可能以前照法代替背照法進(jìn)行光纖位置檢測(cè)提供理論依據(jù)。

1 前照法檢測(cè)光纖位置

1.1 亮點(diǎn)閾值的選取

使用迭代法計(jì)算背景閾值［3］T。迭代法是基于逼近的思想，先給定一個(gè)初始背景值T0，從而根據(jù)背景值劃分前景和背景，分別計(jì)算兩者的平均灰度FB和FS，令新背景值Tn=(FSn－1+FBn－1)/2。如此迭代，當(dāng)?shù)玫降谋尘爸蹬c上一次背景值之差的絕對(duì)值小于收斂精度時(shí)，迭代結(jié)束，Tn即為背景灰度值。

前照法采用前照燈照射焦面繼而拍攝的方法進(jìn)行圖像采集，使得圖片中不可避免的出現(xiàn)了眾多干擾光斑。部分干擾光斑的大小、形狀、灰度值與目標(biāo)光斑(即光纖端面反射光斑)相差無幾，導(dǎo)致干擾光斑與目標(biāo)光斑很難單純以背景值區(qū)分，所以不妨設(shè)定一個(gè)亮點(diǎn)閾值L=T×2，將灰度值超過L的光斑都作為亮點(diǎn)進(jìn)行提取。這樣能夠把目標(biāo)光斑盡可能一個(gè)不漏的提取之后，再以其他限制條件區(qū)分干擾光斑與目標(biāo)光斑。

1.2 光斑位置的確定

改進(jìn)后的8點(diǎn)聯(lián)通法［3］:

(1)按順序檢測(cè)圖像［4］中的每一個(gè)像素點(diǎn)，若點(diǎn)g的灰度值大于亮點(diǎn)閾值L，則以點(diǎn)g為中心，依次檢測(cè)g周圍的8個(gè)像素點(diǎn)，找出灰度值大于點(diǎn)g的灰度值的點(diǎn)(g1，g2，g3…)，記錄下位置與灰度值。

(2)對(duì)于過程(1)中所記錄的每個(gè)像素點(diǎn)(g1，g2，g3…)，找到其周圍灰度值大于自身灰度值的點(diǎn)，記錄下位置和灰度值。

(3)重復(fù)過程(2)，直到找不到灰度值大于自身灰度值的點(diǎn)為止，將以上所記錄的像素點(diǎn)作為集合G。

(4)找到G中灰度值最大的點(diǎn)p，以該點(diǎn)為起點(diǎn)，找出p周圍8個(gè)點(diǎn)中灰度值小于點(diǎn)p的灰度值而又大于亮點(diǎn)閾值L的點(diǎn)(p1，p2，p3…)，記錄下位置與灰度值。

3）壓水試驗(yàn)。灌前物探測(cè)試孔、灌后質(zhì)量檢查孔均進(jìn)行“單點(diǎn)法”壓水試驗(yàn)，其他灌漿孔進(jìn)行“簡(jiǎn)易壓水”試驗(yàn)。

(5)對(duì)于過程(4)中所記錄的每個(gè)像素點(diǎn)(p1，p2，p3…)，找到其周圍灰度值小于自身灰度值而又大于亮點(diǎn)閾值L的點(diǎn)，記錄下位置和灰度值。

(6)重復(fù)過程(5)，直到找不到灰度值小于自身灰度值而又大于亮點(diǎn)閾值L的點(diǎn)為止，將以上所有記錄了位置和灰度值得像素點(diǎn)作為集合P，以P作為一個(gè)光斑。

(7)重復(fù)過程(1)～(6)，直至整幅圖像檢測(cè)完畢。

通過改進(jìn)的8點(diǎn)聯(lián)通法來獲取圖像的光斑信息與原矩形法［5］相比，雖然增大了運(yùn)算量，但是在運(yùn)算速度沒有顯著下降的前提下，避免了將若干光斑記錄為一個(gè)的情況，提高了光斑提取的準(zhǔn)確度。

設(shè)光斑的圖像灰度表示為f(x，y)，其中:

x=1，…，m，y=1，…，n。將其閾值化為:

T為背景閾值。再由光重心法計(jì)算光斑坐標(biāo)，表示為:

提取好的光斑經(jīng)過光重心法計(jì)算后，可得到每個(gè)光斑的坐標(biāo)。至此光斑的位置得以確定。

1.3 目標(biāo)光斑與干擾光斑的區(qū)分

將之前提取好光斑圖像進(jìn)行二值化轉(zhuǎn)變，將所有光斑中的每一個(gè)像素的灰度值賦255，其余像素的灰度值賦0。依據(jù)形狀與面積等約束，盡可能多的剔除干擾光斑。

面積約束:檢測(cè)每個(gè)光斑中包含像素的個(gè)數(shù)，將像素?cái)?shù)量小于200，大于9的光斑保留下來，其余光斑中所有像素灰度值賦0。

形狀特征約束:對(duì)于每個(gè)光斑，提取圓形度、形狀因子、凸性率［6］、偏心率作為特征參數(shù)。圓形度R0用來識(shí)別光斑邊界的復(fù)雜程度;形狀因子F根據(jù)光斑周長(zhǎng)P和光斑面積A計(jì)算出來，在一定程度上描述了光斑的緊湊性;凸性率Av通過光斑凸性面積即形狀輪廓外接圓的面積和光斑實(shí)際面積比得出，可以對(duì)光斑邊界不平整和不規(guī)則度進(jìn)行測(cè)量;偏心率Et也稱之為伸長(zhǎng)度，為光斑的最大Feret直徑和最小Feret直徑之比，一定程度上描述了光斑輪廓。4個(gè)特征參數(shù)的計(jì)算公式如下:

式中:Ac為光斑最小外接圓面積;max FD為光斑的最大Feret［7］直徑;min FD為光斑的最小Feret直徑。

因?yàn)楦蓴_光斑眾多且形狀各異，這里用3σ做標(biāo)準(zhǔn)，然后采用迭代的方法取得背景。

①求出所有光斑圓形度R0的平均值μ和標(biāo)準(zhǔn)差σ，然后剔除大于μ+3σ的光斑;

②求剩余的所有光斑圓形度的平均值μ和標(biāo)準(zhǔn)差σ，然后剔除大于μ+3σ的光斑;

③重復(fù)過程②，直到所有光斑的圓形度在μ+3σ之內(nèi)。

④對(duì)于剩余三個(gè)特征參數(shù)F、Av、Et也做同樣的處理。

第二次面積約束:以3σ為標(biāo)準(zhǔn)，用迭代法選出面積在μ+3σ之內(nèi)光斑。用這種方法能很好地將目標(biāo)光斑從眾多雜點(diǎn)中區(qū)分出來。

2 LAMOST現(xiàn)場(chǎng)拍攝圖像處理

現(xiàn)場(chǎng)拍攝使用SBIG公司STX－16803型CCD相機(jī)，鏡頭為佳能EF300 mm f/4L IS USM遠(yuǎn)攝定焦鏡頭。CCD距焦面19.8 m。黑暗環(huán)境下以兩盞冷光燈距離焦面5 m處分別從左右照射。其中1張?jiān)紙D像如圖2。

圖3為原始圖像提取光斑后，由光重心法計(jì)算所得的光斑坐標(biāo)，單位為像素。*為計(jì)算所得光斑位置這時(shí)圖像中共有18 857個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)。由圖3可看出干擾光斑眾多，并不適于直接匹配。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)拍攝原始圖像

圖3 由光重心法計(jì)算所得坐標(biāo)點(diǎn)

圖4為計(jì)算確定光斑后所得二值圖像。圖5為第1次面積約束后所剩下的光斑，像素?cái)?shù)量范圍為9～200的光斑二值圖像。

圖4 計(jì)算獲得的光斑二值圖

圖5 第一次面積約后剩余的光斑

第2次面積約束后，坐標(biāo)圖像如圖6。此時(shí)還剩余7 356個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)。與理論坐標(biāo)進(jìn)行匹配，匹配上3 781個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，畫出匹配上坐標(biāo)點(diǎn)與理論坐標(biāo)點(diǎn)距離的矢量圖如圖7所示。最終匹配所得的3781個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)與理論點(diǎn)距離誤差如圖8所列。所檢出光纖坐標(biāo)點(diǎn)各個(gè)距離區(qū)間的數(shù)量與比例如表1所列。可看出此次處理前照法的光纖檢出率為94.53%，距離誤差在1 μm以下的比例為91.87%。

圖6 去除干擾光斑后的所有坐標(biāo)

圖7 數(shù)匹配后的矢量圖

圖8 最終獲得坐標(biāo)點(diǎn)與理論點(diǎn)距離誤差

表1 最終檢測(cè)結(jié)果

3 結(jié)語

從實(shí)際檢測(cè)角度出發(fā)，闡述了前照方式進(jìn)行LAMOST光纖位置檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)，重點(diǎn)介紹了已改進(jìn)的8點(diǎn)聯(lián)通法，形狀特征約束法等新型檢測(cè)方法。以實(shí)例描述了前照法獲得光纖位置的具體流程，以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明了前照法的可行性。說明前照法作為L(zhǎng)AMOST光纖位置檢測(cè)的新方式，簡(jiǎn)便高效，且能夠滿足實(shí)時(shí)光纖位置提取的需要。

前照法的研究為新型LAMOST光纖位置的檢測(cè)提供了堅(jiān)實(shí)的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，在后繼的檢測(cè)過程中起到了很好的指導(dǎo)作用。另外，對(duì)其它類型特別是目標(biāo)參雜在眾多干擾中的檢測(cè)也具有重要的參考價(jià)值。

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