Сравнение по точности алгоритмов определения координат центров изображений в оптико-электронных приборах

Abstract

В метрологических оптико-электронных системах, таких как автоколлиматоры, звездные датчики, датчики Шака–Гартмана, в схемах геометрической калибровки цифровых фотокамер для аэро- и космической съемки, в различных системах следящего типа, основанных на определении координат изображений простых форм, одним из важных и существенных параметров является точность определения этих координат. В статье приводится описание математической модели измерительного стенда на базе коллиматора, проецирующего тест-объект на фотоприемник оптико-электронного прибора. Математическая модель учитывает характерные шумы для фотоприемников: дробовый полезного сигнала (фотонный) и дробовый темнового сигнала, считывания и пространственную неоднородность элементов ПЗС-матрицы. С целью снижения влияния шумов предлагается применять фильтр Винера для сглаживания изображения и однозначной его идентификации, а также вводить порог по уровню яркости. Приводится сравнение двух алгоритмов определения координат по энергетическому центру тяжести и по контуру. При определении контура тест-объекта использовались детекторы Собела, Прюитт, Робертса, лапласиана гауссиана, Канни. Сущность алгоритма определения координат заключается в поиске контура изображения в виде окружности с последующей его аппроксимацией и определением центра изображения. Произведен расчет погрешности определения координат центра тяжести для тест-объектов различных диаметров (5, 10, 20, 30, 40, 50 пикс) фотоприемника, а также значений отношения сигнал/шум 200, 100, 70, 20, 10. Отношение сигнал/шум рассчитывалось как разница максимальной интенсивности изображения тест-объекта и фона, деленная на среднеквадратическое отклонение фона. С увеличением отношения сигнал/шум улучшается точность определения координат на 0,5–1 порядок. Улучшение точности с увеличением диаметра тест-объекта характерно для больших отношений сигнал/шум: 70 и более. На основании проведенных исследований установлено, что алгоритм определения координат по энергетическому центру тяжести является более точным по сравнению контурными методами и требует меньших вычислительных мощностей (для программного пакета MatLab), что связано с дискретностью при определении контура.