基于LabVIEW的亞像元成像實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

許博謙，郭永飛，王剛，王磊

（1.中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長(zhǎng)春 130033；2.中國(guó)科學(xué)院研究生院 北京 100039）

分辨力是評(píng)價(jià)航空、航天遙感相機(jī)性能的重要指標(biāo)。經(jīng)過多年的發(fā)展，人們通過增大成像光學(xué)系統(tǒng)的焦距、縮小CCD探測(cè)器的像元尺寸等手段將遙感相機(jī)的像元分辨力發(fā)揮到極致［1，2］。大口徑、長(zhǎng)焦距遙感成像光學(xué)系統(tǒng)的加工涉及諸多領(lǐng)域的技術(shù)難題。目前的CCD探測(cè)器像元尺寸已達(dá)到μm量級(jí)，小像元尺寸的CCD探測(cè)器不僅制造非常困難，而且過于微小的感光面積使圖像的信噪比變低?？梢?，任何通過線性提高硬件系統(tǒng)指標(biāo)的嘗試都將在制造的成本和難度上付出高昂的代價(jià)。

針對(duì)這一情況，有研究者采用兩片CCD探測(cè)器，使它們對(duì)同一目標(biāo)所成的像錯(cuò)開半個(gè)像元，并對(duì)采集到的兩幀圖像通過插值等方法進(jìn)行處理，得到一幀分辨力更高的圖像。亞像元成像技術(shù)能夠在現(xiàn)有的硬件條件下，提高圖像的分辨力、改善圖像質(zhì)量，是一種經(jīng)濟(jì)、有效的方法［3，4］。

為了給實(shí)驗(yàn)各種亞像元圖像融合算法提供素材，本文中介紹了一套亞像元成像實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該平臺(tái)能夠采集多幀亞像元圖像，具有配準(zhǔn)精度高、易于操作等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)原理

系統(tǒng)中的主要組成部件如圖1所示，包括一臺(tái)控制采集計(jì)算機(jī)，一部直線導(dǎo)軌和CCD探測(cè)器。以往的實(shí)驗(yàn)多采用分束鏡分光，兩臺(tái)CCD探測(cè)器錯(cuò)開半個(gè)像元的方法采集亞像元圖像［5］，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度。由于兩臺(tái)CCD探測(cè)器的相對(duì)位置有一定的誤差，采集到的兩幀圖像需要進(jìn)行嚴(yán)格地配準(zhǔn)，才能進(jìn)行處理。本系統(tǒng)僅采用一臺(tái)CCD探測(cè)器，通過直線導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)，采集到錯(cuò)開半個(gè)像元的圖像，該方案的缺點(diǎn)是不能同時(shí)得到兩幀錯(cuò)開半個(gè)像元的圖像，使該系統(tǒng)不具備實(shí)時(shí)采集動(dòng)態(tài)目標(biāo)的能力；優(yōu)點(diǎn)在于兩幀圖像的配準(zhǔn)誤差極小。對(duì)于一套用于驗(yàn)證算法的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，這樣的配置顯然更為實(shí)用。

圖1 亞像元成像實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.1 Subpixel imaging testbed

在系統(tǒng)的安裝方式上，可以采用圖2中所示的兩種方案固定成像光學(xué)系統(tǒng)和CCD探測(cè)器。方案A中將光學(xué)系統(tǒng)和CCD探測(cè)器一起固定在直線導(dǎo)軌的滑塊上，而方案B則將光學(xué)系統(tǒng)固定在光學(xué)平臺(tái)上，CCD探測(cè)器隨著直線導(dǎo)軌的滑塊運(yùn)動(dòng)。

圖2 兩套方案對(duì)比Fig.2 Comparison of two methods

本實(shí)驗(yàn)中采用的CCD探測(cè)器像元尺寸7.4μm×7.4μm，直線導(dǎo)軌重復(fù)精度1μm，成像光學(xué)系統(tǒng)的焦距12mm，成像距離2.0m，則方案A采集到圖像的配準(zhǔn)精度ΔxA：

式中 f是成像光學(xué)系統(tǒng)的焦距，H是成像距離，ΔxS是導(dǎo)軌的重復(fù)精度。

若每次位移為0.5個(gè)像元，則相對(duì)配準(zhǔn)精度：

方案B采集到圖像的配準(zhǔn)精度：

相對(duì)配準(zhǔn)精度：

經(jīng)上述分析可知，采用方案A的固定方式可以采集到配準(zhǔn)精度更高的圖像，相對(duì)配準(zhǔn)精度的理論誤差為0.16%，遠(yuǎn)低于方案B中27%的理論配準(zhǔn)誤差，所以應(yīng)采用方案A中的固定方式。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)基于美國(guó)國(guó)家儀器（National Instruments）公司的虛擬儀器開發(fā)環(huán)境LabVIEW設(shè)計(jì)而成，圖形化界面縮短了開發(fā)周期，近年來廣泛應(yīng)用于測(cè)試、控制、數(shù)據(jù)采集與分析等領(lǐng)域［6，7］。本文利用LabVIEW在機(jī)器視覺與外部程序調(diào)用等方面的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)位移量計(jì)算、導(dǎo)軌控制、圖像采集等功能。

圖3 程序主界面Fig.3 Main interface of the program

軟件系統(tǒng)的程序流程圖如圖4所示，在程序的設(shè)計(jì)過程中，采用了LabVIEW特有的事件結(jié)構(gòu)（Event Structure），使軟件系統(tǒng)可以根據(jù)用戶的指令及時(shí)地做出反應(yīng)，同時(shí)避免循環(huán)空轉(zhuǎn)，節(jié)省硬件資源。

圖4 程序流程圖Fig.4 Flowchart of the program

2.1 步進(jìn)位移量計(jì)算

在采集亞像元圖像序列前，需要計(jì)算出直線導(dǎo)軌的步進(jìn)位移量，以控制直線導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)。使相鄰幀圖像間錯(cuò)開指定的像元數(shù)，目前多采用0.5個(gè)像元。

步進(jìn)位移量根據(jù)當(dāng)前實(shí)驗(yàn)采用的光學(xué)系統(tǒng)焦距、物距、探測(cè)器的像元尺寸計(jì)算得出的，本實(shí)驗(yàn)中，步進(jìn)0.5個(gè)像元對(duì)應(yīng)的位移量：

圖5 步進(jìn)位移量計(jì)算程序Fig.5 Step-by-step motion calculation program

如果由于更換器件等原因改變了實(shí)驗(yàn)參數(shù)，則可在控制軟件主界面左側(cè)的輸入欄中做出相應(yīng)調(diào)整，計(jì)算結(jié)果在左下的指示欄中顯示。

2.2 直線導(dǎo)軌控制

在LabVIEW環(huán)境下，采用調(diào)用庫函數(shù)節(jié)點(diǎn)（Call Library Function Node，CLF），并調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序的動(dòng)態(tài)鏈接庫（Dynamic Link Library，DLL）文件，就能在LabVIEW中用廠方提供的函數(shù)啟動(dòng)設(shè)備，設(shè)置導(dǎo)軌的速度、加速度、PID控制參數(shù)，這個(gè)部分程序如圖6所示。在配置控制采集計(jì)算機(jī)的串口后，可以向?qū)к壈l(fā)出指令，控制直線導(dǎo)軌步進(jìn)、回零、反饋當(dāng)前移動(dòng)狀態(tài)。

圖6 啟動(dòng)并設(shè)置導(dǎo)軌Fig.6 Boot and set up the stage

2.3 亞像元圖像采集

本系統(tǒng)中以NI公司的IMAQ-1409型圖像采集卡作為硬件設(shè)備，在NI公司提供的設(shè)備管理器MAX中，對(duì)圖像采集卡的通道進(jìn)行配置，根據(jù)CCD探測(cè)器的輸出格式選擇采集的模式，根據(jù)當(dāng)前實(shí)驗(yàn)的光照情況，設(shè)置響應(yīng)度和增益，即可采集CCD探測(cè)器輸出的圖像。

在安裝了NI公司為其圖像采集卡設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)程序NI-IMAQ后，即可在LabVIEW環(huán)境下對(duì)圖像采集卡進(jìn)行編程控制，圖像采集程序如圖7所示。

圖7 圖像采集程序Fig.7 Image acquisition program

用戶按下前面板的“采集”按鈕后，觸發(fā)事件，開始運(yùn)行圖像采集程序。首先由IMAQ Init.vi初始化圖像采集設(shè)備，并彈出對(duì)話框，選擇圖像保存路徑。然后由IMAQ Snap.vi拍攝并由IMAQ WriteFile.vi按所選路徑存儲(chǔ)圖像，完成后清空緩存。

3 測(cè)試實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中，每移動(dòng)0.5個(gè)像元采集一幀圖像，采集多幀。在這些幀圖像中，每相隔的兩幀實(shí)際上相當(dāng)于移動(dòng)了一個(gè)像元，第i+2幀圖像第m+1列中每個(gè)像元的灰度值應(yīng)等于第i幀圖像第m列中每個(gè)像元的灰度值，如圖8所示。

圖8 測(cè)試原理示意圖Fig.8 Test principle

將兩幀圖像中的一幀平移一個(gè)像元，然后選取同一塊感興趣區(qū)域（ROI，Region of Interest），對(duì)比兩幀圖像的差異。目前，可以采用均方誤差（Mean Square Error，MSE）和峰值信噪比（Peak Signal to Noise Ratio，PSNR）等方法計(jì)算出重構(gòu)圖像對(duì)原始圖像的失真［8，9］，這里采用上述兩種方法計(jì)算前后采集到的兩幀圖像。計(jì)算公式如下：

式中M、N分別為圖像高和寬方向上的像素?cái)?shù)，R(x,y)是參考圖像在坐標(biāo)(x,y)處的灰度值，I(x,y)是重構(gòu)圖像在坐標(biāo)(x,y)處的灰度值。

式中，m表示圖像的灰度范圍，本實(shí)驗(yàn)中采集的圖像位深度8bit，m應(yīng)取值255。

理想情況下，即采集的圖像沒有配準(zhǔn)誤差時(shí)，MSE=0，PSNR趨于無窮大。連續(xù)采集了6幀圖像，如圖9所示，測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

圖9 采集的圖像數(shù)據(jù)Fig.9 Images acquired

表1 測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Test result

各組對(duì)比值中，MSE的值均小于9；PSNR的值較大，最大超過42dB。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，各組中兩幀圖像之間差異很小，考慮到MSE表征的是兩幀圖像每個(gè)像素灰度級(jí)之差的平方，則兩幀相差2～3個(gè)灰度級(jí)，證實(shí)本系統(tǒng)具有極高的配準(zhǔn)精度。

4 結(jié)論

亞像元成像實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以電控直線導(dǎo)軌、圖像采集卡為硬件，基于LabVIEW開發(fā)控制軟件，實(shí)現(xiàn)了控制導(dǎo)軌微位移和圖像采集等功能，用戶界面友好，操作簡(jiǎn)單易行。測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)采集的圖像配準(zhǔn)精度極高，為開展亞像元圖像融合算法的研究工作奠定了良好的基礎(chǔ)。

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