劉志剛，吳俊豐，劉力力，劉永梅，嚴紅紅

(中國科學技術(shù)大學精密機械與精密儀器系，安徽合肥 230027)

0 引言

LAMOST共有4000個光纖定位單元，當前使用的光纖定位單元位置檢測為背照方式檢測［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，以光重心法計算光纖端部的中心位置，繼而通過計算得到光纖定位單元的定位參數(shù)，從而對光纖定位單元進行誤差補償。

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

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

前照法作為一種新型的檢測方式，相比背照法不僅更加簡便高效，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，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方法。前照法檢測光纖位置時，不需要從光譜儀端額外添加光照，前照燈開啟即可檢測光纖位置，前照燈關閉LAMOST就可以直接進行觀測，不僅在很大程度上提高了檢測效率，又同為閉環(huán)檢測提供了前提，圖1為兩種檢測方式示意圖。

圖1 兩種檢測方式示意圖

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

1 前照法檢測光纖位置

1.1 亮點閾值的選取

使用迭代法計算背景閾值［3］T。迭代法是基于逼近的思想，先給定一個初始背景值T0，從而根據(jù)背景值劃分前景和背景，分別計算兩者的平均灰度FB和FS，令新背景值Tn=(FSn－1+FBn－1)/2。如此迭代，當?shù)玫降谋尘爸蹬c上一次背景值之差的絕對值小于收斂精度時，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、灰度值與目標光斑(即光纖端面反射光斑)相差無幾，導致干擾光斑與目標光斑很難單純以背景值區(qū)分，所以不妨設定一個亮點閾值L=T×2，將灰度值超過L的光斑都作為亮點進行提取。這樣能夠把目標光斑盡可能一個不漏的提取之后，再以其他限制條件區(qū)分干擾光斑與目標光斑。

1.2 光斑位置的確定

改進后的8點聯(lián)通法［3］:

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

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

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

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

3）壓水試驗。灌前物探測試孔、灌后質(zhì)量檢查孔均進行“單點法”壓水試驗，其他灌漿孔進行“簡易壓水”試驗。

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

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

(7)重復過程(1)～(6)，直至整幅圖像檢測完畢。

通過改進的8點聯(lián)通法來獲取圖像的光斑信息與原矩形法［5］相比，雖然增大了運算量，但是在運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的情況，提高了光斑提取的準確度。

設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。再由光重心法計算光斑坐標，表示為:

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

1.3 目標光斑與干擾光斑的區(qū)分

將之前提取好光斑圖像進行二值化轉(zhuǎn)變，將所有光斑中的每一個像素的灰度值賦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:檢測每個光斑中包含像素的個數(shù)，將像素數(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:對于每個光斑，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用來識別光斑邊界的復雜程度;形狀因子F根據(jù)光斑周長P和光斑面積A計算出來，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際面積比得出，可以對光斑邊界不平整和不規(guī)則度進行測量;偏心率Et也稱之為伸長度，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個特征參數(shù)的計算公式如下:

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。

因為干擾光斑眾多且形狀各異，這里用3σ做標準，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和標準差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和標準差σ，然后剔除大于μ+3σ的光斑;

③重復過程②，直到所有光斑的圓形度在μ+3σ之內(nèi)。

④對于剩余三個特征參數(shù)F、Av、Et也做同樣的處理。

第二次面積約束:以3σ為標準，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光斑從眾多雜點中區(qū)分出來。

2 LAMOST現(xiàn)場拍攝圖像處理

現(xiàn)場拍攝使用SBIG公司STX－16803型CCD相機，鏡頭為佳能EF300 mm f/4L IS USM遠攝定焦鏡頭。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張原始圖像如圖2。

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

圖2 現(xiàn)場拍攝原始圖像

圖3 由光重心法計算所得坐標點

圖4為計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，像素數(shù)量范圍為9～200的光斑二值圖像。

圖4 計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，坐標圖像如圖6。此時還剩余7 356個坐標點。與理論坐標進行匹配，匹配上3 781個坐標點，畫出匹配上坐標點與理論坐標點距離的矢量圖如圖7所示。最終匹配所得的3781個坐標點與理論點距離誤差如圖8所列。所檢出光纖坐標點各個距離區(qū)間的數(shù)量與比例如表1所列?？煽闯龃舜翁幚砬罢辗ǖ墓饫w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

圖7 數(shù)匹配后的矢量圖

圖8 最終獲得坐標點與理論點距離誤差

表1 最終檢測結(jié)果

3 結(jié)語

從實際檢測角度出發(fā)，闡述了前照方式進行LAMOST光纖位置檢測的優(yōu)勢，重點介紹了已改進的8點聯(lián)通法，形狀特征約束法等新型檢測方法。以實例描述了前照法獲得光纖位置的具體流程，以實驗數(shù)據(jù)證明了前照法的可行性。說明前照法作為LAMOST光纖位置檢測的新方式，簡便高效，且能夠滿足實時光纖位置提取的需要。

前照法的研究為新型LAMOST光纖位置的檢測提供了堅實的理論和實驗基礎，在后繼的檢測過程中起到了很好的指導作用。另外，對其它類型特別是目標參雜在眾多干擾中的檢測也具有重要的參考價值。

［1］ 鄔林通，劉志剛，胡紅專，等.標定方法應用于LAMOST光纖定位單元的飽和測試［J］.現(xiàn)代制造工程，2007(9):100－102.

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［3］ 曾文鋒，李樹山，王江安.基于仿射變換模型的圖像配準中的平移、旋轉(zhuǎn)和縮放［J］.紅外與激光工程，2001(2):18－20.

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［5］ 劉志剛，江 暉，謝志林.LAMOST光纖單元定位參數(shù)研究［J］.光學技術(shù)，2010，36(2):239－243.

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