冰芯光學(xué)特性二維重構(gòu)儀開(kāi)發(fā)*

董天驕， 于海濱， 安春雷， 史劍光， 江 曉

(1.杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.中國(guó)極地研究中心，上海 200000)

0 引 言

冰芯光學(xué)檢測(cè)技術(shù)在保持冰芯固態(tài)下掃描冰芯，對(duì)冰芯剖面或冰芯切片的照片進(jìn)行分析，獲得冰芯的光學(xué)性質(zhì)，如灰度，晶體結(jié)構(gòu)等[1]。

目前，國(guó)外已經(jīng)研制出多套冰芯光學(xué)測(cè)定儀。日本在2003年就已經(jīng)研制出了一種冰芯光學(xué)測(cè)定儀，該冰芯光學(xué)測(cè)定儀應(yīng)用于Dome Fuji ice core project Ⅱ[2]。美國(guó)國(guó)家冰芯實(shí)驗(yàn)室在2007年也研制出了冰芯光學(xué)測(cè)定儀[3]。該冰芯光學(xué)測(cè)定儀的掃描分辨率為0.05～1 mm。具有自動(dòng)光學(xué)圖像采集和數(shù)據(jù)處理的功能。然而，這些設(shè)備只能在實(shí)驗(yàn)室使用，無(wú)法抵抗極地的惡劣環(huán)境，難以在第一時(shí)間保存冰芯的原始信息[4]。

國(guó)內(nèi)光學(xué)影相技術(shù)研究在極地科研領(lǐng)域起步較晚[5]。國(guó)內(nèi)的光學(xué)影像儀應(yīng)用在冰芯檢測(cè)領(lǐng)域幾乎沒(méi)有成熟產(chǎn)品[6]，因此，本文設(shè)計(jì)并制作了冰芯光學(xué)特性二維重構(gòu)儀。儀器基于機(jī)電一體式設(shè)計(jì)，并引入全景圖像拼接技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)光學(xué)掃描、冰芯全景圖重建等功能。同時(shí)，模塊化設(shè)計(jì)和智能變頻恒溫控制等關(guān)鍵技術(shù)的引入，使得本儀器可滿(mǎn)足冰川或極地惡劣環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)工作要求。最后，從控制精度、合成效果兩個(gè)方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，說(shuō)明本儀器能夠穩(wěn)定可靠地應(yīng)用于極地科研工作。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

冰川或極地氣候惡劣，運(yùn)輸不便,因此，本儀器采用分模塊設(shè)計(jì)，便于運(yùn)輸和組裝。儀器包括工業(yè)相機(jī)、電機(jī)滑軌、發(fā)光臺(tái)、工作臺(tái)、電機(jī)控制器五部分。工業(yè)相機(jī)用于冰芯拍照，電機(jī)滑軌用于控制工業(yè)相機(jī)，發(fā)光臺(tái)用于冰芯打光。電機(jī)控制器用于控制電機(jī)。工作臺(tái)用于安裝所有模塊。工業(yè)相機(jī)和電機(jī)控制器裝在智能變頻恒溫箱中，用于保障在低溫環(huán)境可靠工作。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，計(jì)算機(jī)控制相機(jī)拍攝冰芯圖片，通過(guò)串口向電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊發(fā)送前進(jìn)、后退和停止指令。計(jì)算機(jī)完成二維重構(gòu)的任務(wù)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊控制步進(jìn)電機(jī)的啟停和方向。智能變頻恒溫箱保護(hù)系統(tǒng)的內(nèi)部電路。發(fā)光二極管(light-emitting diode,LED)燈負(fù)責(zé)給冰芯、標(biāo)尺打光。電源負(fù)責(zé)給整個(gè)系統(tǒng)供電。儀器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 冰芯掃描機(jī)床結(jié)構(gòu)

2 測(cè)控系統(tǒng)

測(cè)控系統(tǒng)由自動(dòng)光學(xué)掃描、圖像拼接兩部分組成。自動(dòng)光學(xué)掃描是采用步進(jìn)電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)控制器組成的一體化控制系統(tǒng)。自動(dòng)光學(xué)掃描需要設(shè)定電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)距離，從而滿(mǎn)足前后兩張圖像的重疊率；控制工業(yè)相機(jī)拍照，將照片保存到本地；掃描結(jié)束后自動(dòng)返回初始位置。

執(zhí)行圖像拼接的操作，將拍攝的多張圖片合成一張完整的全景圖。系統(tǒng)流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)流程

3 圖像拼接

實(shí)際工作中，冰芯樣品長(zhǎng)度1 m左右，獲得一幅場(chǎng)景的全景圖像很難。如果擴(kuò)大圖像采集設(shè)備的視角，會(huì)導(dǎo)致圖像有很大的畸變，同時(shí)分辨率沒(méi)有提高。為了解決這個(gè)問(wèn)題，本文采用基于特征點(diǎn)匹配的圖像拼接算法。具體拼接流程如圖4所示。

圖4 基于特征點(diǎn)的圖像拼接流程

3.1 圖像預(yù)處理

拍攝的冰芯照片一般偏亮，因此，冰芯的原始圖片灰度主要集中在比較亮的區(qū)間。采用直方圖均衡化的方法將圖像進(jìn)行非線(xiàn)性拉伸，重新分配圖像像素值，使一定灰度范圍內(nèi)的像素?cái)?shù)量大致相同，以增強(qiáng)局部的對(duì)比度而不影響整體的對(duì)比度，使圖像更加清晰。

3.2 圖像匹配區(qū)域定位

為了減少圖像拼接的運(yùn)算時(shí)間，需要確定兩幅圖像中配準(zhǔn)的區(qū)域。因?yàn)楸緝x器是水平掃描，所以在圖像配準(zhǔn)時(shí)，只需在相似區(qū)域內(nèi)進(jìn)行特征點(diǎn)的提取和配準(zhǔn)，從而縮短了圖像拼接的時(shí)間。

圖像匹配的時(shí)前后圖像的重疊率在30 %左右效果較好，考慮到步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)動(dòng)中存在丟包的現(xiàn)象，行進(jìn)距離不是非常精確。因此，本文選擇前后圖片40 %的區(qū)域作為圖像匹配區(qū)域，如圖5所示。

圖5 圖像匹配區(qū)域定位

3.3 圖像特征提取

確定圖像匹配區(qū)域后，就要在匹配區(qū)域內(nèi)進(jìn)行特征提取和匹配。因?yàn)楸疚闹胁杉膱D像只存在平移變換，為了加快檢測(cè)速度，采用FAST特征提取。FAST角點(diǎn)的定義為:若某像素與其周?chē)徲騼?nèi)足夠多的像素點(diǎn)相差較大，則該像素可能是角點(diǎn)

(1)

式中I(x)為圓周上任意一點(diǎn)的灰度，I(p)為圓心的灰度，εd為灰度差的閾值,N為滿(mǎn)足不等式的個(gè)數(shù)。如果N大于給定閾值，一般為周?chē)鷪A圈點(diǎn)的3/4，則認(rèn)為該像素是1個(gè)特征點(diǎn)。

3.4 圖像特征匹配

為了提高圖像匹配精度，采用RANSAC算法對(duì)變換矩陣進(jìn)行求解與精煉。

3.5 圖像融合

圖像匹配后，圖像間的變換關(guān)系唯一確定。但由于拍攝時(shí)光照、環(huán)境條件的差異，兩幅待拼接圖像的重疊區(qū)域可能會(huì)有較大的差異。如果直接對(duì)圖像進(jìn)行疊加拼接，則在拼接位置上會(huì)存在明顯的拼接縫以及重疊區(qū)域的模糊和失真的現(xiàn)象。

本文采用加權(quán)平均的融合方法進(jìn)行圖像平滑過(guò)渡。假設(shè)f1,f2是兩幅待拼接的圖像，f是融合后的圖像，則

(2)

式中d1,d2為權(quán)重值。在重疊區(qū)域中，d1由1漸變到0，d2由0漸變到1，由此實(shí)現(xiàn)了在重疊區(qū)域無(wú)縫拼接。

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)采用Windows 7 64位系統(tǒng)、Intel i3處理器、8GB內(nèi)存；網(wǎng)絡(luò)工業(yè)相機(jī)分辨率為1 920像素×1 080像素。系統(tǒng)采用Microsoft Visual Studio 2013的開(kāi)發(fā)環(huán)境，C#編寫(xiě)PC端軟件，冰芯采用純凈水凍結(jié)而成的冰磚樣品。

1)步進(jìn)電機(jī)控制精度分析

控制方式為開(kāi)環(huán)工作，選用6，12，16 cm，3個(gè)設(shè)定距離來(lái)分析運(yùn)行精度，每個(gè)重復(fù)3次，得到結(jié)果如表1所示。

表1 步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行距離的誤差

從結(jié)果上可以看出，由于步進(jìn)電機(jī)存在丟幀的現(xiàn)象，步進(jìn)電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行距離都會(huì)比設(shè)定距離小一點(diǎn)。但運(yùn)行誤差不超過(guò)10 %，不會(huì)對(duì)前后兩張圖片的重疊區(qū)域產(chǎn)生太大影響。因此，誤差可以接受。

2)冰芯圖像拼接分析

本文在4種亮度環(huán)境中對(duì)冰芯進(jìn)行圖像拼接，拼接后的冰芯全景如圖6所示,可以看出,拼接后的圖片完整的保存了整條冰芯，整幅圖細(xì)節(jié)清晰，過(guò)渡自然，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖6 冰芯全景

5 結(jié) 論

設(shè)計(jì)的冰芯光學(xué)特性二維重構(gòu)儀實(shí)現(xiàn)了光學(xué)掃描、重建冰芯全景等功能。本儀器全程自動(dòng)控制，有效減輕了科研人員的負(fù)擔(dān)；重建后冰芯全景圖分辨率高達(dá)7 200像素×1 080像素，有效保存了冰芯的細(xì)節(jié)信息。儀器工作穩(wěn)定可靠，滿(mǎn)足科研工作的要求，為冰芯科研工作提供一種便捷高效的現(xiàn)場(chǎng)分析工具。