平视显示器视差自动测量系统的设计与实现

李建超，高 明，张维光，王战胜，李岳峰

(1.西安工业大学光电学院，西安 710032;2.中国航空工业洛阳电光设备研究所，河南 洛阳 471009)

0 引言

平视显示器是综合航电火控系统的重要组成部分［1－2］，通常安装在座舱中央仪表板的上方，是飞机的主显示器，是飞行员和飞机之间交换信息的主要窗口。若光学组件的图像源平面偏离焦平面就会产生视差，驾驶员由于双目同时观察这种带有视差的光点，视觉极易疲劳，并且其头部处于不同位置将会瞄向不同方向，从而带来瞄准误差。因此，必须消除平视显示器视差。传统的视差测量方法主要有:视度测量法［3－5］、摆头法［6］、示数观测镜法［6］。视度测量法直接用视度筒测量物像和分划像的视度差值，这种方法精度较低，不能得到广泛应用;摆头法主观因素太大，不同检测者能得出不同的结果，并且不易给出定量结果，故不适用于平视显示器视差的最终测试;示数观测镜是实用简便的平视显示器视差调校设备，但对视差的检测是不定量的，而目前对存在视差的平视显示器主要调校方法［7］，是通过加减不同厚度的垫片改变像源与系统透镜间距进行调整系统视差的，检测出准确的视差值对平显的光学性能至关重要。目前大多研究者都只进行了理论研究［8－9］，还没有采用光电测量法对视差进行客观测量的、高精度的自动视差测量装置。

研制了一套基于光电法的新型视差自动测量装置，装置利用CCD光电转换器件，采用光学系统自动调焦常用方法［10］中的数字图像处理技术，实现检测的自动化和数字化。

1 计算原理

对于存在视差的系统，分划面与无限远物(像)不重合，分划板上的分划刻线和物(像)再次成像后仍不重合，造成二者视度的差异［7］。因此视差可以用无限远物(像)的视度ΔSD1和分划板中心分划的视度SD2之差ΔSD表示，即:

式中:b为分划面到焦平面的距离;f'为系统的焦距。

设平视显示器光学系统口径为D，焦距为f'，F、F'分别是光学系统的前焦点和后焦点，A、A'分别为物点和像点。当物面位于前焦面上时，出射光束与主光线平行，视差为零;当物面偏离前焦面位置时，出射光束会聚或发散，与主光线存在一定的偏角，此时视差不为零。见图1。CRT分划面或备用环分划面A偏离前焦面F，偏离距离为b，称为离焦量;Q'就是出射光束与主光线的偏差角，即为存在的视差量。

图1 计算原理图Fig.1 Schematic diagram of calculation

离焦量b与视差角Q'的关系式为

该光学系统属于小孔径长焦距系统，其相应角度的弧度可以用正弦值来代替，故可得出:

由于式(4)中离焦量b与系统焦距f'相比，是一个很微小的量，可以略去不计，所以取u=D/2f'，并代入式(4)中，整理后可得:

式(7)是在CRT分划面或备用环分划面A位于焦平面之外的情况。同理，当图像源分划面A位于焦平面内时，同样可以推导出式(7)。在推导过程中，规定光线以锐角方向转到光轴，视差角顺时针为正，逆时针为负;而离焦量以焦点为中心，到物点的方向与光线方向相同为正，相反为负。当CRT分划面或者备用环分划面位于光学组件的前焦面之外，造成出射光线会聚，产生后视差，规定离焦量b为负值，计算出视差角Q'为负值;当CRT分划面或者备用环分划面位于光学组件的前焦面之内，造成出射光线发散，产生前视差，规定离焦量b为正值，计算出视差角Q'为正值。

2 系统描述

2.1 系统组成

本测试系统由目视光学系统、光电接收系统、方位调节机构、自动对焦系统及视差测量软件5部分组成。测量系统框图如图2所示。

图2 平视显示器视差自动测量系统框图Fig.2 Diagram of HUD's parallax automatic measuring apparatus

图3 视差自动测量系统原理图Fig.3 Automatic parallax measurement system

1)目视光学系统。

目视光学系统是典型的望远系统，由调焦物镜和目镜组成，分划板位于物镜像方焦平面上，可以在目镜出瞳平面内同时观测到视差自动测量装置和被测仪器的分划刻线像。

2)光电接收系统。

光电接收系统由CCD接收物镜、CCD及计算机组成。CCD接收物镜接收分光棱镜反射，CCD接收成像，送给计算机储存和分析。本系统选用索尼公司的ARTCAM－500P型号的彩色面阵CCD相机，光学尺寸为2/3 in(1 in=25.4 mm)，有效像素尺寸为 9.74 mm(H)×7.96 mm(V)，像元尺寸为 3.4 μm(H)×3.4 μm(V)。

3)方位调节机构。

方位调节机构用以调整整台仪器的方位，方便测量。包括俯仰、水平旋转、水平移动、高度调节等功能，采用常见的蜗轮蜗杆机构原理和螺旋传动原理实现。

4)自动对焦系统。

自动对焦系统由两个功能模块构成，一个分析处理模块，一个控制驱动模块。分析处理模块是基于数字图像处理的对焦深度法［11］来实现自动对焦，通过能量梯度函数对不同对焦位置所成的像的清晰度进行评价，由于能量梯度函数的单峰性，峰值两侧单调性以及无偏性，峰值对应于清晰度最佳的成像位置。评价函数峰值搜索采用爬山法，实现寻找对焦最清晰点。

能量梯度函数［12］为

其中:f(x，y)为图像在点(x，y)的灰度值。

控制驱动模块由齿轮传动机构、步进电机及其驱动器组成。通过步进电机驱动机构调节测量系统调焦物镜的移动，改变系统焦距f'，从而改变成像像距，当大视场平行光管十字分划线通过分析处理模块分析结果成像清晰时，步进电机脉冲数置零;放置被测平视显示器，调节内调焦物镜，使得图像源平面分划成像清晰。

5)视差测量软件。

满足要求视差测量软件运行于Windows XP操作系统下，使用的开发工具为Visual C++6.0，软件操作主要由CCD相机参数设置、测试操作两部分组成。在实际测量过程中，从大视场平行光管分划清晰成像到被测平视显示器使图像源平面分划成像清晰为止，记录步进电机脉冲数，与步距角的乘积即可得出平视显示器的离焦量，计算视差值Q'，软件显示的单位为“s”。

2.2 系统工作过程

将视差自动测量装置置于大视场平行光管前，调整大视场平行光管和视差自动测量装置高低、前后位置，使大视场平行光管中的中心十字分划位于视差自动测量装置视场中心;驱动自动对焦系统，调节视差自动测量装置内调焦物镜，使得分析处理模块对大视场平行光管分划像分析结果为:清晰。此时，视差测量软件中步进电机脉冲数置零;再将被测平视显示器置于视差自动测量装置和大视场平行光管之间，驱动自动对焦系统，使得分析处理模块对大视场平行光管分划像分析结果为:清晰;并记录此次调焦步进电机发出的脉冲数;步进电机脉冲数与步距角的乘积即为平视显示器的离焦量，计算软件通过式(7)给出视差值。

图4 视差测量软件流程图Fig.4 The flow chart of parallax measurement

3 测量精度分析

采用本系统进行视差测量，产生误差的误差源主要有:步进电机的步长、被测瞄具定位误差、自动调焦系统的分析处理模块产生的误差、平行光管光束平行性等因素。

1)步进电机的步长因素。

由于步进电机是以步长为单位驱动测量仪内调焦物镜的，故理论上存在大视场平行光管分划像最清晰位置不在整数步长位置，最大误差不大于一个步长，步长为0.01 mm，本装置的误差由式(7)计算得到为10.4″。

2)被测瞄具定位误差因素。

被试品的定位误差主要为大视场平行光管、平视显示器与自动测试仪的光轴不重合的误差对视差的影响，按一般实验测试误差取为3″。

3)自动调焦系统的分析处理模块产生的误差因素。

由于自动对焦系统的分析处理模块是基于数字图像处理的对焦深度法来实现自动对焦，焦深必然会对自动调焦精度带来一定的影响。由焦深公式

算得Δl=0.009 mm，对应视差值为1″。其中:λ为中心波长;n'为像方折射率;f'为CCD摄像系统的焦距;D为CCD摄像系统入瞳直径。此系统中D=14 mm，f'=28 mm。

4)平行光管光束平行性产生误差因素［13］。

综合上述误差分析，得到平行光管光束平行性产生误差较小，可以忽略不计，系统误差最大值为14.4″。完全满足平视显示器通用规范［6］要求。

4 测量系统的测试实验

在实际测量过程中，根据现场的测量环境，设置相机的各相关参数，依据被测平视显示器的型号设置相应的焦距和口径。通过采用自动检测系统和未采用自动对焦系统视差检测仪及摆头法3种方法，选用某型号的平视显示器，分别对其12°中心视场和12°～24°视场进行了3次视差检测，结果见表1。

表1 检测结果Table 1 Test results

表1中:b1为未采用自动对焦系统视差检测，当大视场平行光管分划清晰成像时，调焦手轮读数;b2对物镜进行调焦，当平视显示器图像源平面分划像清晰时，调焦手轮读数;b=b2－b1;Q1'为自动测量系统测试结果;Q2'未采用自动对焦系统视差检测仪测试结果。

视差是平视显示器的一项重要光学性能指标，GJB189《平视显示器通用规范》对于平视显示器视差的规定是:当通过组合玻璃，在设计眼位垂直于基准轴线的62 mm的圆形平面内观察时，对任意眼点位置所产生的角度误差，在12°中心视场内应不大于3.5'，在12°～24°视场内应不大于 7.5'。

通过数据分析，与合格视差标准相比，摆头法在误差大于1'的情况下判断较为准确，1'以内容易判断错误。实际测量说明，采用基于机器视觉的视差检测系统进行视差测量，提高了检测的准确度，同时由Q1'值可以看出自动测量系统的精度和可重复性较好，并且直接获取离焦量，大大提高了产品调校的精度和效率。

5 结论

应用自动对焦技术，设计了一套视差自动检测装置，从理论和实践上实现了平视显示器视差自动检测。该装置克服了传统视差检测方法结果受主观影响较大的缺陷，实现了视差的自动、定量检测，提高了平显调校的效率和精度。

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