一种基于夏克-哈特曼的质心计算加速方法技术

本发明专利技术公开了一种基于夏克

【技术实现步骤摘要】
一种基于夏克
‑
哈特曼的质心计算加速方法


[0001]本专利技术属于图像采集和信号处理领域，具体涉及一种基于夏克
‑
哈特曼的质心计算加速方法，能够用于提高自适应光学系统的控制带宽，扩大系统实用范围。

技术介绍

[0002]自适应光学系统是一种能够实时探测并补偿波前畸变的系统，由波前探测器、波前控制器、波前校正器三部分构成，通常波前处理机获得波前探测器探测到的波前畸变信息计算出波前校正器的控制电压驱动变形镜补偿波前畸变。夏克
‑
哈特曼波前传感器(SH
‑
WFS)具有结构简单、测量速度快、适应能力强等优势，被广泛应用于激光传输、天文观测、医学成像等各个领域。该传感器由微透镜阵列和CCD组成。根据子光斑质心位移与对应子孔径波前的平均斜率成比例关系，通过计算各子光斑质心位移来估算局部波前斜率，最后根据子孔径斜率信息由相应的波前复原算法重构整个入射波前。
[0003]对于基于FPGA的自适应光学波前处理机，其优点在于实时性好，并行能力强等。基于FPGA的波前处理机具体处理过程如图1所示，在实现图像采集，斜率计算和波前复原满足流水线的同时又可实现三个阶段的并行处理，即在进行下一个哈特曼子孔径图像采集的过程中可以实现上一个子孔径的斜率计算和局部波前复原。随着自适应光学的发展，自适应光学系统哈特曼子孔径数量和变形镜驱动器数量不断增加，为保证较高闭环控制带宽对于自适应光学系统算法加速和优化方案迫在眉睫。

技术实现思路

[0004]本专利技术解决的主要问题是：提出一种基于夏克
‑
哈特曼的质心计算加速方法，主要是通过减少对哈特曼子孔径中无效像素的计算加快质心计算速度从而提高闭环带宽。首先通过对采集的像素数据进行去噪声处理，其次依次对子孔径中各行像素进行累加分别求均值，然后将连续几行均值进行对比，最后通过判定是否满足所设定条件从而选取子孔径中有效行像素进行质心计算，减少了无效行像素的采集和计算时间。
[0005]本专利技术解决上述技术问题采用的技术方案是：
[0006]一种基于夏克
‑
哈特曼的质心计算加速方法，所述方法通过筛选夏克
‑
哈特曼子孔径中有效行像素进行质心计算；该方法具体通过以下步骤实现：
[0007]步骤1：通过Camera
‑
link接口进行图像采集，根据统计规律或经验设定噪声阈值并作去噪处理；
[0008]步骤2：根据哈特曼设计参数通过微透镜阵列焦距和入射波前波长计算艾里斑半径所占像素数为PNum,且PNum＝
┍
Num
‑
Mparameter
┓
，其中Mparameter是修正参数，通过波前畸变程度选取Mparameter参数，
┍┓
是向上取整符号，Num是最终选取的艾里斑半径所占像素值，
‑
表示参数相减；
[0009]步骤3：对采集的子孔径行像素进行累加并均值化，然后确定单个夏克
‑
哈特曼子孔径行有效像素范围；
[0010]步骤4：确定有效像素行后，判断该有效像素行与艾里斑半径所占像素值Num的和是否小于单个夏克
‑
哈特曼子孔径行数，如果成立则进行质心计算，否则将单个子孔径完整像素作为有效像素。
[0011]进一步的，步骤1所述的去噪处理基于阈值重心法，其处理流程如下：
[0012][0013]其中，Pixelvalue是图像采集得到的像素值，newPixelvalue是经过处理后的像素值，threhold为像素阈值。
[0014]进一步的，步骤3所述的确定单个夏克
‑
哈特曼子孔径行有效像素范围详细过程如下：
[0015]步骤3.1：首先对单个子孔径行像素进行累加求和，然后求各行均值，其处理流程如下：
[0016][0017]其中，M是单个夏克
‑
哈特曼子孔径行所占像素数，I是像素灰度值，i为像素行数；
[0018]步骤3.2：然后对求出的各行均值进行排序，如果满足L
h
≥L
h+1
…
≥L
h+Num
,
[0019]则h+Num为单个子孔径中有效像素行，其中L
h
是单个夏克
‑
哈特曼子孔径第h行像素均值，L
h+1
是单个夏克
‑
哈特曼子孔径第h+1行像素均值，L
h+Num
是单个夏克
‑
哈特曼子孔径第h+Num行像素均值。
[0020]进一步的，步骤4所述的进行质心计算的处理过程如下：
[0021][0022]其中，X和Y代表计算出的质心坐标；x和y是单个夏克
‑
哈特曼波前传感器像素坐标，I是对应的光强灰度值。
[0023]本专利技术与现有技术相比有如下优点：
[0024]通过对子孔径中有效行像素进行质心计算在不影响探测精度的前提下可以有效加快质心的计算速度，提高自适应光学系统的闭环带宽。
附图说明
[0025]图1为本专利技术实施例一中的质心计算流程图。
[0026]图2为本专利技术实施例一中的哈特曼单个子孔径均值化模块处理的时序图。
[0027]图3为本专利技术实施例一中的坐标x与灰度值乘积模块，坐标y与灰度值乘积模块，像
素灰度值求和模块详细信号处理过程图。
[0028]图4为本专利技术实施例一中的有白噪声的哈特曼图像。
[0029]图5为本专利技术实施例一中的进行质心加速方案处理后的哈特曼图像。
[0030]图6为本专利技术实施例一中的多次实验波前复原RMS对比图。
具体实施方式
[0031]为了使本专利技术的目的、电路设计方案优点更加清楚直观，以下结合附图和具体实施例一，对本专利技术做进一步详细说明。
[0032]本专利技术提出了一种基于夏克
‑
哈特曼的质心计算加速方法，具体的实施方案如图1所示，对于N
×
N子孔径，单个子孔径为M
×
M像素。数据处理流程如下：
[0033]1、进行图像采集，然后进行去噪处理。
[0034]2、并行进入到坐标x与灰度值乘积模块、坐标y与灰度值乘积模块、像素灰度值求和模块和子孔径均值化处理模块。
[0035]3、x与灰度值乘积模块和y与灰度值乘积模块在完成坐标与灰度值乘积后进入到双通道累加器中分别求和。
[0036]4、在均值化处理模块中乘积主要完成对单个哈特曼子孔径行像素求和并求各行均值，然后确定单个哈特曼子孔径行有效像素。
[0037]5、确定有效像素行后，判断有效行与艾里斑半径所占像素数和是否小于单个哈特曼子孔径行数，如果成立进行质心计算，否则将单个子孔径完整像素作为有效像素。
[0038]均值模块主要是实现对行像素求均值然后进本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于夏克
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哈特曼的质心计算加速方法，其特征在于：所述方法通过筛选夏克
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哈特曼子孔径中有效行像素进行质心计算；该方法具体通过以下步骤实现：步骤1：通过Camera
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link接口进行图像采集，根据统计规律或经验设定噪声阈值并作去噪处理；步骤2：根据哈特曼设计参数通过微透镜阵列焦距和入射波前波长计算艾里斑半径所占像素数为PNum,且PNum＝
┍
Num
‑
Mparameter
┓
，其中Mparameter是修正参数，通过波前畸变程度选取Mparameter参数，
┍┓
是向上取整符号，Num是最终选取的艾里斑半径所占像素值，
‑
表示参数相减；步骤3：对采集的子孔径行像素进行累加并均值化，然后确定单个夏克
‑
哈特曼子孔径行有效像素范围；步骤4：确定有效像素行后，判断该有效像素行与艾里斑半径所占像素值Num的和是否小于单个夏克
‑
哈特曼子孔径行数，如果成立则进行质心计算，否则将单个子孔径完整像素作为有效像素。2.根据权利要求1所述的一种基于夏克
‑
哈特曼的质心计算加速方法，其特征在于：步骤1所述的去噪处理基于阈值重心法，其处理流程如下：其中，Pixelvalue是图像采集得到的像素值，newP...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘生虎，官泓利，王帅，杨康建，赵旺，
申请(专利权)人：中国科学院光电技术研究所，
类型：发明
国别省市：