CN104215340B - 一种光学干涉条纹快速处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明通过二维连续小波分析方法，针对数字干涉图，设计基于可编程逻辑器件的高速干涉条纹相位提取算法。本发明利用二维快速傅立叶变换实现二维连续小波变换(2D‑CWT)，给出干涉条纹相位提取快速实现算法的FPGA实现，在实现中能对2D‑CWT的缩放因子和旋转因子等参数的设置，以及对不同母小波(核函数)的选择。本发明对基于二维连续小波变换的光学干涉条纹相位提取技术具有重要意义，可为基于干涉图分析的光学测量技术在工业领域的应用提供有效可靠的分析方法。
Description
技术领域
本发明属于光学测量和动态特性分析领域，涉及一种光学干涉条纹快速处理实现方法。
背景技术
在光学测量领域中经常需要对获取的光学干涉图(或称为干涉条纹)进行研究分析。根据干涉方法的不同，常用的干涉图一般包括莫尔条纹图(或称为云纹、叠栅条纹)，全息干涉图，电子散斑干涉图，光栅直接投影的调制条纹图等多种。光学条纹分析技术即利用干涉图的强度信息，通过信号分析理论与方法试图分析条纹的振幅和相位，从而提取出干涉图中蕴含的物理信息，例如物体轮廓、形变/位移、应变/应力、机械特性(热、力分布)等等。由于每种干涉图中条纹的振幅和相位的大小及其变化包含了待研究物体的信息，所以干涉条纹分析，尤其是相位提取技术在光学检测技术中占有十分重要的地位。
通过采用CCD摄像机和数字图像处理技术，现代数字化光学干涉条纹分析技术已经能够实现相位提取的自动化分析。但是在需要对引起相位变化的瞬态变量进行动态测量领域中，例如在电子封装的热可靠性分析、焊点失效特性分析、动态测量中的应变/应力分析、电子器件和机械零部件振动测试等领域，往往只能获取到单幅干涉图，这时采用传统的移相干涉技术分析干涉条纹就不适用了。因此，在测量物体动态特性领域中，要实现高速干涉条纹分析，必须对单幅干涉图进行高精度和高速度的相位分析。
其中连续小波变换(Continuous Wavelet Transform--CWT)技术，由于时频分析窗口可变，具有获取局部信息的能力，或者称为多尺度分析能力，在分析含富频率成分信号时具有得天独厚的优势，逐渐成为光学测量领域中的重要技术之一。但是由于干涉图是二维信号且干扰噪声较强，因此使用一维连续小波变换(1D-CWT)分析干涉条纹时抗干扰能力较差。因此已逐渐被二维连续小波变换(2D-CWT)技术所取代。与传统的单幅干涉图分析技术相比，由于具有更好的抗噪性能，更灵活的时频分析窗，2D-CWT技术在ESPI等光学条纹干涉分析领域成为近些年来的研究热点。运用2D-CWT技术进行高速干涉条纹分析，需要解决的关键问题主要是运算速度问题和噪声干扰等。通过改变缩放因子和旋转因子，2D-CWT具有可变的时频分析窗，从本质上来说是为分析干涉条纹构造了一组参数可变的匹配滤波器，这一特点极大地改善了干涉场的信噪比，使得相位测量精度得到大幅度的提高，测量结果更为可靠。因此，2D-CWT技术非常适合用于干涉图的分析上。另外，由于2D-CWT技术仅需要一幅干涉图即可完成高精度的相位测量，利用这一优势，可以对引起相位变化的瞬态变量进行测量和深入分析，例如动态测量中的应变/应力分析等。
但是，对于单幅512×512像素的干涉图，分析的时间至少要200～400ms，如果提高分析精度或图像像素数，甚至需要10～～30分钟。在动态测量中，例如振动测量，当振动频率为1kHz，处理一幅干涉图的时间最多只有1ms，PC机上实现的算法对高速实时分析场合明显不适用。因此，运算速度问题极大地限制了基于2D-CWT的光学干涉条纹分析技术在工业生产领域的推广和应用。目前，对2D-CWT技术的研究普遍集中在非实时测量领域上，通过PC机对采集后的干涉图进行分析。为了解决高速干涉图分析问题，本发明通过深入研究2D-CWT的原理和干涉图的本质特征，提出将2D-CWT用于高速测量领域的方法，给出干涉条纹相位提取快速实现算法及其FPGA实现。
发明内容
本发明的目的在于提供一种2D-CWT的光学干涉条纹快速处理方法，解决了目前2D-CWT的光学干涉条纹处理方法速度过慢，不适用于高速实时分析场合的问题。
本发明的技术方案按照以下步骤进行：
步骤1.通过干涉仪和振动平台，对待测对象进行测试，并利用高速摄像机采集干涉图，输入至图像数据缓存模块；图像数据缓存模块，用于缓存至少2帧高速采集的干涉图数据，通过先进先出队列实现，图像数据缓存模块包括干涉图输入接口，用于连接高速摄像设备以读取干涉图；图像大小设置接口，用于设置干涉图的尺寸以调整缓存区每帧数据的大小；图像缓存设置接口，用于指定缓存区的帧数和缓存的方式；
步骤2.设置2D-CWT参数设置模块，包括母小波设置接口，用于指定参与后续计算的小波核函数类型；缩放因子和旋转因子设置接口，用于输入参与后续计算的缩放因子序列的起始值和步进大小，以及旋转因子序列的起始值和步进大小；
步骤3：二维小波核函数频谱模块和二维图像频谱模块对步骤1中图像数据缓存模块输入的干涉图进行2D-CWT变换；
二维小波核函数频谱模块，用于根据步骤2中2D-CWT参数设置模块输入的母小波类型，计算母小波的频谱；根据输入的缩放因子序列的起始值和步进大小，计算完整的缩放因子序列；根据输入的旋转因子序列的起始值和步进大小，计算完整的旋转因子序列；
二维图像频谱模块，用于对缓存处理后的干涉图进行快速傅立叶变换，得到干涉图的频谱；
在频域中进行2D-CWT变换的公式如下：
其中I，ψ，u，s，θ，x，ω分别代表干涉图，小波核函数，位移因子，缩放因子，旋转因子，二维时域空间坐标和频域空间坐标；rθ是标准2×2旋转矩阵；符号*代表复共轭，^代表傅立叶变换；R2代表二维实数空间，通过傅立叶变换，完成2D-CWT变换；
步骤4.小波脊提取模块，用于计算经过步骤3中2D-CWT变换后的小波脊数据；根据步骤3中缩放因子序列和旋转因子序列，取每一对缩放因子和旋转因子，计算I(x)的2D-CWT变换时，每一次变换都有一对参数因子(s，θ)与之相对应，在完成所有(s，θ)对的计算后，需要比较每一次2D-CWT变换后的结果，进而得到小波脊序列，以便对高速采样的干涉条纹图进行相位提取，并在提取过程中实现脊点参数设置模块；
步骤5.干涉图分析结果生成模块，用于根据步骤4中的小波脊序列生成干涉图相位数据和幅度数据；小波脊数据是复数，利用其实部和虚部数据计算出幅度值和相位值，从而得到与干涉图对应的相位图和幅度图。
本发明的有益效果是给出干涉条纹相位提取快速实现算法的FPGA实现。
附图说明
图1是本发明一种光学干涉条纹快速处理实现方法计算模块示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明通过干涉仪和高速图像采集系统，在FPGA上实现2D-CWT相位提取算法，以完成光学干涉条纹相位的高速实时提取。本发明实施例如图1所示，包括图像数据缓存模块、2D-CWT参数设置模块、二维图像频谱计算模块、二维小波核函数频谱计算模块、小波脊提取算法模块和干涉图分析结果生成模块。
步骤1.图像数据缓存模块包括干涉图输入接口，用于连接高速摄像设备以读取干涉图；图像大小设置接口，用于设置干涉图的尺寸以调整缓存区每帧数据的大小；图像缓存设置接口，用于指定缓存区的帧数和缓存的方式。
通过干涉仪和振动平台，对待测对象进行测试，并利用高速摄像机采集干涉图，输入至图像数据缓存模块；图像数据缓存模块，用于缓存至少2帧高速采集的干涉图数据，通过先进先出(FIFO)队列实现。
步骤2.2D-CWT参数设置模块，包括母小波设置接口，用于指定参与后续计算的小波核函数类型；缩放因子和旋转因子设置接口，用于输入参与后续计算的缩放因子序列的起始值和步进大小，以及旋转因子序列的起始值和步进大小。
步骤3：二维小波核函数频谱模块和二维图像频谱模块对步骤1中图像数据缓存模块输入的干涉图进行2D-CWT变换；
二维小波核函数频谱模块，用于根据步骤2中2D-CWT参数设置模块输入的母小波类型，计算母小波的频谱；根据输入的缩放因子序列的起始值和步进大小，计算完整的缩放因子序列；根据输入的旋转因子序列的起始值和步进大小，计算完整的旋转因子序列。
二维图像频谱模块，用于对缓存处理后的干涉图进行快速傅立叶变换，得到干涉图的频谱。
本发明中，在频域中进行2D-CWT变换的公式如下：
其中I，ψ，u，s，θ，x，ω分别代表干涉图，小波核函数，位移因子，缩放因子，旋转因子，二维时域空间坐标和频域空间坐标；rθ是标准2×2旋转矩阵；符号*代表复共轭，^代表傅立叶变换；R2代表二维实数空间。其中，要计算I(x)的2D-CWT，通过计算I(x)的频谱和ψ(x)的频谱，然后计算其乘积的反傅立叶变换即可。因此，在FPGA中，通过快速傅立叶变换，例如基-2算法或者基-4算法，就能完成2D-CWT变换。
步骤4.小波脊提取模块，用于计算经过步骤3中2D-CWT变换后的小波脊数据。根据步骤3中缩放因子序列和旋转因子序列，取每一对缩放因子和旋转因子，计算I(x)的2D-CWT变换时，每一次变换都有一对参数因子(s，θ)与之相对应，在完成所有(s，θ)对的计算后，需要比较每一次2D-CWT变换后的结果，进而得到小波脊序列，以便对高速采样的干涉条纹图进行相位提取，并在提取过程中实现脊点参数设置模块。
步骤5.干涉图分析结果生成模块，用于根据步骤4中的小波脊序列生成干涉图相位数据和幅度数据。小波脊数据是复数，利用其实部和虚部数据计算出幅度值和相位值，从而得到与干涉图对应的相位图和幅度图。
与现有技术相比，本发明一种2D-CWT的光学干涉条纹快速处理方法的优点为：1、利用二维快速傅立叶变换(2D-FFT)实现二维连续小波变换(2D-CWT)；2、给出干涉条纹相位提取快速实现算法的FPGA实现，在实现中能对2D-CWT的缩放因子和旋转因子等参数的设置，以及对不同母小波(核函数)的选择；3、为高速实时的干涉相位提取系统提供了有效的实现手段。
以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。
Claims (1)
1.一种在FPGA上实现的光学干涉条纹快速处理方法，其中，通过干涉仪和振动平台对待测对象进行测试，利用高速摄像机采集光学干涉条纹的干涉图，所述FPGA上包括图像数据缓存模块，二维连续小波变换(2D-CWT)参数设置模块，二维图像频谱模块，二维小波核函数频谱模块，小波脊提取算法模块和干涉图分析结果生成模块；其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1.将干涉图输入至图像数据缓存模块，图像数据缓存模块缓存至少2帧干涉图数据；其中，图像数据缓存模块包括：干涉图输入接口，用于连接高速摄像机以读取干涉图；图像大小设置接口，用于设置干涉图的尺寸以调整缓存区每帧数据的大小；图像缓存设置接口，用于指定缓存区的帧数和缓存的方式；，
步骤2.通过2D-CWT参数设置模块的母小波设置接口，指定参与后续计算的小波核函数类型，即母小波类型；通过2D-CWT参数设置模块的缩放因子和旋转因子设置接口，输入参与后续计算的缩放因子序列和旋转因子序列的起始值和步进大小；
步骤3.图像数据缓存模块将干涉图传送给二维图像频谱模块，2D-CWT参数设置模块将母小波类型、缩放因子序列的起始值和步进大小、旋转因子序列的起始值和步进大小传送给二维小波核函数频谱模块；通过二维图像频谱模块和二维小波核函数频谱模块，对干涉图进行2D-CWT变换，具体变换包括：
二维小波核函数频谱模块根据母小波类型，计算母小波的频谱；根据缩放因子序列的起始值和步进大小，计算完整的缩放因子序列；根据输入的旋转因子序列的起始值和步进大小，计算完整的旋转因子序列；
二维图像频谱模块对缓存处理后的干涉图进行快速傅立叶变换，得到干涉图的频谱；
在频域中进行2D-CWT变换的公式如下：
<mrow>
<mi>W</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>u</mi>
<mo>,</mo>
<mi>s</mi>
<mo>,</mo>
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</mrow>
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<msub>
<mo>&Integral;</mo>
<msup>
<mi>R</mi>
<mn>2</mn>
</msup>
</msub>
<mover>
<mi>I</mi>
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</mover>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>&omega;</mi>
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</mrow>
<msup>
<mover>
<mi>&psi;</mi>
<mo>^</mo>
</mover>
<mo>*</mo>
</msup>
<mrow>
<mo>(</mo>
<msub>
<mi>sr</mi>
<mrow>
<mo>-</mo>
<mi>&theta;</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>(</mo>
<mi>&omega;</mi>
<mo>)</mo>
<mo>)</mo>
</mrow>
<msup>
<mi>e</mi>
<mrow>
<mi>i</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mi>&omega;</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mi>u</mi>
</mrow>
</msup>
<msup>
<mi>d</mi>
<mn>2</mn>
</msup>
<mi>&omega;</mi>
</mrow>
其中I代表干涉图，ψ表示小波核函数，u是位移因子，s是缩放因子，θ是旋转因子，x是二维时域空间坐标，ω是二维频域空间坐标，rθ是标准2×2旋转矩阵，r-θ是用θ的负值得到的标准2×2旋转矩阵，符号*代表复共轭，^代表傅立叶变换，R2代表二维实数空间；其中，通过傅立叶变换完成2D-CWT变换；
步骤4.小波脊提取算法模块计算得到小波脊数据，具体为：
根据步骤3中得到的缩放因子序列和旋转因子序列，取每一对(s，θ)，计算I(x)的2D-CWT变换，每一次变换都有一对参数因子(s，θ)与之相对应，在完成所有(s，θ)对的计算后，比较每一次2D-CWT变换后的结果，进而得到小波脊序列，以便对采样的干涉图进行相位提取，并在提取过程中实现脊点参数设置；
步骤5.干涉图分析结果生成模块根据步骤4中得到的小波脊序列，生成干涉图相位数据和幅度数据，其中，小波脊序列是复数，利用其实部和虚部数据计算出幅度值和相位值，从而得到与干涉图对应的相位图和幅度图。
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