基于C++语言与OpenCV的分布式孔径成像系统设计

引 言

基于数字全息探测的分布式孔径综合成像技术是一种先 进的主动成像技术 [1]，能够在低照度、复杂背景条件下获取 远距离景物的高分辨率三维图像 [2,3]，具有模块化、可靠性 高等优点。该成像体制采用多个子孔径对目标进行全息探测， 然后将各子孔径上的目标光复振幅根据其空间位置综合起来， 从而获得较大的数值孔径 [4,5]。

在分布式孔径各孔径间记录时会因为 CCD 记录的位置、 角度、焦点等不同造成子孔径间全息图间存在位移、缩放、旋 转等误差。根据参考文献 [6] 知，全息图间放大率误差等于 各自重构出的物体图像间尺度误差的倒数。而重构图像间的 旋转、尺度误差可通过图像配准的方式得到 [6]。重构图像间 的误差可以利用图像处理技术来标定。SURF[7]（Speeded Up Robust Features，SURF）算法是一种基于特征点匹配的图像 拼接算法。可以处理两幅图像间的位移、缩放、旋转等变化 情况下的特征匹配问题，具有匹配性能稳定、速度快等优点 [8]。

由于国内大多数分布式孔径数字全息系统还停留在实验 室阶段，尚未有成型的产品。而当前的软件产品源代码保密性 高，调用的函数库较多，消耗了大量系统资源，且设备驱动繁琐， 导致在实际应用中结合本系统特点进行二次开发和应用的难 度较大，限制环节较多。所以，自主开发具有校装配误差的 数字全息系统十分必要。C++ 语言具有高效、支持继承和重 用等特点 [9]，所以本系统可通过 MFC（Microsoft Foundation Classes，MFC）与 C++ 编程进行人机界面的展示。

1 分布式孔径数字全息

分布式孔径综合成像系统示意图如图 1 所示。激光器发 射出的相干光束被分为两束，一束光作为物光射向目标物体， 再由物体反射回光电探测器 ；另一束光作为参考光再次分束 直接照向各子孔径光电探测器。子孔径内的光电探测器分别 记录参考光与物光的干涉信号 [10]。在数字信号处理器中，首 先利用傅立叶变换等方法从干涉信号中分别复原出子孔径探测 器上的目标，返回光复振幅，然后利用菲涅耳衍射公式计算出 各子孔径入瞳面上的目标光复振幅 Ui（x，y），最后按照子孔径 空间位置对 Ui（x，y）进行综合，并通过菲涅耳衍射公式计算 出目标平面上的光复振幅。

在实际系统中，由于装配误差会影响孔径综合的效果， 所以本系统对孔径综合算法进行了误差校正，程序流程如图 2 所示。

在重建像中选取一幅作为参考图像，分别与其他重建像 进行 SURF 算法缩放、位移误差计算。目标光复振幅旋转误差对应重建像相应的旋转，目标光复振幅缩放误差对应重建 像缩放误差的倒数。对目标光复振幅矩阵做相应旋转、缩放 的坐标变换进行校正。最后，将各子孔径校正后的目标光复 振幅进行叠加、重建，即得到高分辨率的三孔径成像。

2 分布式孔径数字全息处理系统

2.1 分布式孔径系统数据采集系统

建立图 3 所示的模拟分布式孔径系统数据采集系统。激 光器的出射光束经过准直和扩束后由分束镜分为两路，一路照 向目标光作为物光，另外一路作为本地参考光。CCD 记录目 标散射光和参考光形成的离轴全息图。激光器波长为 635 nm， CCD 像素数为 1 300×1 024，每个像素大小为 4.65 μm，目标 与 CCD 的距离约为 1.03 m，目标是一枚直径为 0.25 m 的金属 币。通过多次数据采集模拟多个孔径，并人为地将 CCD 分别 旋转至－15°、0°、+15°来模拟 3 个孔径的装配误差，如图 4 所示。

2.2 基于 C++ 语言与 OpenCV 的软件设计

C++不仅拥有计算机高效运行的实用性特征，同时还能 提高大规模程序的编程质量与程序设计语言的问题描述能力。 OpenCV 是一个集成好的机器视觉函数库，由 C++ 语言编写， 其主要接口也采用 C++ 语言编写。因此，三孔径数字全息系 统软件由 C++ 语言编写，并利用 OpenCV 函数库进行 SURF 算法编程，对各孔径间缩放、旋转误差进行校正。软件主要 包括数据重建、误差配准、目标光复振幅校正、孔径综合等 模块。

（1）数据重建模块是对各目标光复振幅根据式（1）进行 的图像重建 ；

（2）误差配准模块通过 SURF 算法对两幅重建图像进行 误差配准 ；

（3）目标光复振幅校正模块用配准得到的误差对目标光 复振幅进行误差校正；

（4）孔径综合模块是对各孔径校正后的目标光复振幅进 行叠加，并重建。

其中，用于误差配准的 SURF 算法和目标光重建模块的坐标 变换利用 OpenCV 函数库进行。

2.3 基于 MFC 平台的人机界面搭建

MFC 是微软基础类库的简称，是微软公司实现的一个 C++ 类库，封装了大部分 Windows API 函数。VC++ 是微软 公司开发的 C/C++ 集成开发环境，灵活性较大。所以本系统 采用图 5 所示的基于 MFC 的人机界面。

 

图 5 中，左侧三个 rebulid 按钮分别调用数据重建模块 来对各子孔径进行图像重建，并显示在按钮上的图像控件上。 中间两个按钮用来调用误差配准模块，以中间再现像为标准图 像，分别对上侧再现像和下侧再现像进行 SURF 算法图像校正， 并将校正后的图像显示在按钮上的图像控件中，分别将角度 误差、横向缩放误差、纵向缩放误差显示在按钮下方的 edit 控件中。最右侧按钮则通过目标光伏振幅模块将各孔径目标光 复振幅进行校正，之后利用孔径综合模块进行孔径综合并再 现综合成像，将成像结果显示在按钮上的图像控件上。

3 结 语

文中自主设计了基于 C++ 语言的分布式孔径数字成像系 统，利用 OpenCV 函数库对各孔径间的误差进行配准并矫正， 同时还编写了基于 MFC 的人机界面。运行结果说明，本系统 可以很好地矫正孔径间的误差，提高综合成像质量，并进行直 观展示。