基于數(shù)字微鏡的高動態(tài)范圍成像方法研究*

鄭小鈺，楊赫然，孫興偉，董祉序，劉 寅

(1.沈陽工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870；2.遼寧省復(fù)雜曲面數(shù)控制造技術(shù)重點實驗室，遼寧 沈陽 110870)

0 引言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,光學(xué)三維測量在產(chǎn)品檢測、逆向工程、生物醫(yī)學(xué)等眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。結(jié)構(gòu)光三維測量技術(shù)利用相機采集投影儀向被測物表面投影的光柵圖案來進(jìn)行三維形貌測量,以得到物體表面點的三維空間坐標(biāo)。但對于強反射物體表面進(jìn)行三維測量時,其表面的局部鏡面反射光容易導(dǎo)致相機采集的圖像出現(xiàn)部分區(qū)域過曝光現(xiàn)象,造成被測物表面信息缺失的情況,從而影響測量精度。

數(shù)字微鏡(Digital Micro mirror Device,DMD)是一種依靠數(shù)字電壓信號控制微鏡單元執(zhí)行機械運動的器件[1,2],作為一種數(shù)字化光學(xué)調(diào)制器,具有很好的對比度和線性度。數(shù)字微鏡上加載的圖像是由每一個小鏡片對應(yīng)的像素所組成,通過對入射光線的調(diào)制,可以顯示圖像于像面上。

1 基于DMD的結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)

以結(jié)構(gòu)光三維測量技術(shù)為基礎(chǔ),設(shè)計基于數(shù)字微鏡的高動態(tài)范圍測量系統(tǒng),如圖1所示,主要包括數(shù)字微鏡及其控制面板、CCD相機、投影儀、TIR棱鏡和透鏡組。

圖1 高動態(tài)范圍測量系統(tǒng)

DMD放置于CCD相機前,可以使進(jìn)入相機的光線反射到不同方向;CCD相機和透鏡2的光心水平,與數(shù)字微鏡及透鏡1所在的光心線相垂直且高度一致。系統(tǒng)選用DLP650LNIR 型號的數(shù)字微鏡及MV系列工業(yè)相機作為圖像采集器件。

對于本測量系統(tǒng),DMD微鏡單元與CCD相機像素單元之間可能未完全匹配,這是由于DMD芯片與CCD相機芯片的幾何尺寸大小不同,且可能存在一定的角度偏差。利用莫爾條紋的位移放大特點[3],設(shè)計周期性條紋光柵圖案,將圖案上傳到數(shù)字微鏡中,能看到出現(xiàn)了莫爾條紋。手動調(diào)節(jié)CCD相機所在的位移平臺和透鏡組,直到條紋逐漸消失,說明DMD微鏡單元與CCD相機像素單元之間已相互對應(yīng)。

2 系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)定及相位計算

在測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)光測量部分,空間中任意一點的三維幾何位置與其在圖像中的坐標(biāo)點存在一定的對應(yīng)關(guān)系,為解算這種關(guān)系需要測定相機和投影儀的相關(guān)參數(shù)。采用傳統(tǒng)的張氏平面標(biāo)定法對相機和投影儀進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定[4],選用不反光的棋盤格標(biāo)定板作為標(biāo)定物,使用procamcalib標(biāo)定工具箱對棋盤格標(biāo)定板和投影棋盤格一起聯(lián)合標(biāo)定。多次變換標(biāo)定板所在平面的空間位置,同時相機在另一角度采集圖像,從中選擇10幅有效圖像上傳至工具箱中,通過識別并提取棋盤格中的角點解算相關(guān)參數(shù),得到相機的投影誤差為0.36像素,小于1像素,滿足實驗要求。系統(tǒng)標(biāo)定過程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)標(biāo)定示意圖

在基于DMD的高動態(tài)范圍測量系統(tǒng)中,結(jié)構(gòu)光利用正弦條紋的相位信息進(jìn)行三維計算,在相位提取時,所得的相位因反正切函數(shù)影響會被折疊在(-π,π)區(qū)間內(nèi)形成包裹相位[5],為了還原其真實的相位信息,需要對包裹相位進(jìn)行展開求得最終的絕對相位。格雷碼編碼加相移算法是目前使用較為廣泛的時間相位展開算法,穩(wěn)定性和可靠性強。它將相移技術(shù)和二元編碼光柵相結(jié)合,設(shè)置格雷碼最小周期與條紋圖的周期一致,這樣格雷碼總是在截斷相位處發(fā)生級次改變,從而把截斷相位展開為連續(xù)相位。本文采用該方法進(jìn)行相位計算,由計算機生成一系列正弦相移條紋圖案和格雷碼編碼圖案,投影儀向一個鼠標(biāo)表面投射編碼圖案,CCD相機同步拍攝對應(yīng)圖像,然后對拍攝的圖像進(jìn)行解碼得到結(jié)果如圖3所示,可見該方法穩(wěn)定性好,能夠?qū)崿F(xiàn)物體表面的相位展開。

圖3 相位計算結(jié)果

圖3中橫、縱坐標(biāo)分別代表CCD相機拍攝的圖像在水平方向和垂直方向的像素多少,即相機的分辨率為1 280像素×960像素。

3 高動態(tài)范圍成像方法

若想要實現(xiàn)數(shù)字微鏡對入射光線的精確調(diào)制,必須建立DMD微鏡單元與CCD相機像素單元之間的坐標(biāo)映射關(guān)系。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種能學(xué)習(xí)和存貯大量的輸入-輸出模式映射關(guān)系,而無需事前揭示描述這種映射關(guān)系的數(shù)學(xué)方程[6]。為加快訓(xùn)練速度,避免陷入局部極小值,提出一種白鯨優(yōu)化算法(BWO)優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。該算法建立了探索、開發(fā)和鯨魚墜落三個階段,分別對應(yīng)白鯨的游泳、捕食和鯨落行為。根據(jù)BWO對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和閾值進(jìn)行優(yōu)化,最后輸出預(yù)測值。以棋盤格標(biāo)定板圖像中已知角點坐標(biāo)作為輸入量,相機實際采集到的圖像角點坐標(biāo)作為輸出量,拆分(x,y)坐標(biāo)分量,以雙輸入與雙輸出的方式進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)。在訓(xùn)練結(jié)束后,以5×5的棋盤格圖案作為評定掩膜進(jìn)行精度驗證,得到均方根誤差為0.58像素。掩膜精度驗證如圖4所示。

圖4 掩膜精度驗證

建立高動態(tài)范圍成像系統(tǒng)的目的是測量強反射金屬表面,在過曝光條件下獲得高動態(tài)圖像,那么就需要控制數(shù)字微鏡芯片的開關(guān)狀態(tài),從而生成自適應(yīng)掩膜。結(jié)合本測量系統(tǒng)提出一種基于PID控制器的掩膜生成方法。該方法將計算機看作PID控制器,輸入相機采集到的原始場景信息x(n),輸出DMD掩膜圖案y(n),以當(dāng)前輸入和前一次采集的圖像之間的偏差作為系統(tǒng)穩(wěn)定條件。由于一張灰度圖像的灰度值在0～255之間,為避免圖像像素過飽和,應(yīng)使像素點灰度值≤255,根據(jù)PID控制器原理,可得到輸出的掩膜圖案的計算公式為:

y(n)=255-[a·x(n)-b·x(n-1)].

(1)

其中:a、b均為簡化系數(shù)。

將拍攝的圖像代入到公式(1)中,系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后生成掩膜圖案導(dǎo)入到數(shù)字微鏡中,可獲得高動態(tài)范圍圖像。為驗證該方法,使用搭建的高動態(tài)范圍測量系統(tǒng)對強反射金屬表面進(jìn)行三維掃描測量實驗,向一個鋼質(zhì)零件表面投射結(jié)構(gòu)光。由于被測物表面的局部反射光使相機采集到的圖像中出現(xiàn)了過曝光現(xiàn)象,導(dǎo)致表面信息獲取不完整。利用基于PID控制器的掩膜生成方法根據(jù)輸入的原始圖像生成自適應(yīng)掩膜,加載到數(shù)字微鏡上,可以看到原始圖像中過曝光區(qū)域被掩膜所覆蓋,如圖5所示?？梢妶D中的像素點灰度值有所降低,零件表面的細(xì)節(jié)信息可以看清,這說明該方法有利于強反射表面的三維測量,增強了圖像信息。

圖5 DMD調(diào)制前后圖像對比

4 結(jié)論

本文將數(shù)字微鏡引入結(jié)構(gòu)光測量光路中構(gòu)成高動態(tài)范圍成像系統(tǒng),對系統(tǒng)進(jìn)行匹配、標(biāo)定和解算相位之后,建立了數(shù)字微鏡與CCD相機之間的坐標(biāo)映射關(guān)系。根據(jù)提出的自適應(yīng)掩膜成像方法對強反射表面進(jìn)行實驗。實驗結(jié)果表明數(shù)字微鏡能夠有效調(diào)制入射光線,使過曝光圖像中的灰度值降低,進(jìn)而實現(xiàn)對強反射表面的高動態(tài)范圍成像。