CN105530399A - 基于线偏振光掠入射式扫描成像方法的室内足迹采集装置 - Google Patents

基于线偏振光掠入射式扫描成像方法的室内足迹采集装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于线偏振光掠入射式扫描成像方法的室内足迹采集装置，该装置的扫描成像单元设置在外壳内且与外壳内的直线位移机构的可移动部件固定连接；其中的扫描成像照明光源采用发散角小于5°的条形光源，该光源出射的光线与足迹所在平面夹角为0°～30°；扫描成像照明光源的出光端处带有线偏振片；扫描成像单元的滤光偏振片与扫描成像照明光源相对布置，扫描成像单元随直线位移机构可移动部件移动过程中，由扫描成像照明光源射出的线偏振光掠入射到足迹上反射的光透过滤光线偏振片最终成像在光学成像系统的图像传感器上。本发明能够有效的保证在扫描成像时屏蔽周围环境光的影响，提高了成像的质量。

Description

基于线偏振光掠入射式扫描成像方法的室内足迹采集装置
技术领域
本发明属于足迹采集装置技术领域，具体涉及一种基于线偏振光掠入射式扫描成像方法的室内足迹采集装置。
背景技术
目前在刑侦领域提取现场足迹时，一般采用强警光照射的配光方式，然后通过照相机进行拍照成像。这样的做法全靠人工操作，且操作繁琐，费时费力。这种常规方法的缺陷如下：1、成像环境受到周围环境光的影响；2、有些足迹垂直方向无法辨别出来，但若是利用照相机倾斜拍照，则无法避免由于倾斜成像导致的图像畸变；3、成像质量受到背景的条纹和图案影响，尤其对于彩色背底上的足迹，很难清晰成像；4、由于光源的不均匀性导致图像明暗不均，成像质量差。上面的这些问题都严重影响了足迹的提取和成像质量，使得刑侦工作的后续部分受到一定程度的阻碍。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于线偏振光掠入射式扫描成像方法的室内足迹采集装置，该装置能够在有效屏蔽周围环境光的前提下，采用线偏振光掠入射配光以及扫描成像的方法，清晰采集到现场的足迹图像。
为解决上述技术上的问题，本发明的基于线偏振光掠入射式扫描成像方法的室内足迹采集装置包括底部开口的外壳及设置在外壳内的扫描成像单元、直线位移机构；所述扫描成像单元包括箱体及固定在箱体内的扫描成像照明光源，滤光线偏振片和光学成像系统，箱体与直线位移机构的可移动部件固定连接；设外壳底部所在平面为xy平面，y向平行于直线位移机构的可移动部件移动方向，z向垂直xy平面；扫描成像照明光源布置在箱体的一侧，采用发散角小于5°的条形光源，该光源沿x向布置，且其出射的光线与xy平面夹角为0°～30°；扫描成像照明光源的出光端处带有线偏振片；滤光偏振片固定在箱体内与扫描成像照明光源相对的位置，扫描成像单元随直线位移机构可移动部件移动过程中，由扫描成像照明光源射出的线偏振光掠入射到足迹上反射的光透过滤光线偏振片最终成像在光学成像系统的图像传感器上。
操作时，首先将本发明的室内足迹采集装置外壳底部开口覆盖在足迹的上方，然后开启扫描成像照明光源；经扫描成像照明光源出射的线偏振光掠入射到足迹上，足迹漫反射光透过滤光线偏振片后最终由光学成像系统的图像传感器接收，形成一行线阵图像；两个线偏振片的作用是屏蔽掉光源光线以及背底的反射光线，确保图像传感器接收到的只是足迹的漫反射光线。控制直线位移机构的可移动部件沿y向移动，带动扫描成像单元每次移动固定距离，逐行采集足迹图像，直到整个足迹图像都被采集出来为止；采集完整个足迹图像之后，扫描成像单元回到初始位置，扫描成像照明光源关闭；扫描得到的一行行线阵图像数据经过拼接、还原等处理过程后得到完整的足迹图像。
所述光学成像系统包括第一、第二、第三、第四反光镜，聚光镜和图像传感器；由滤光线偏振片透射的足迹漫反射光经第一、第二、第三、第四反光镜反射后入射到聚光镜，经聚光镜汇聚的光束由图像传感器接收。
所述图像传感器采用线阵CCD图像传感器或CIS接触式图像传感器。
进一步，本发明还包括预视照明单元、摄像头和显示单元；预视照明单元、摄像头安装在外壳内，摄像头与显示单元连接。
在开启扫描成像照明光源进行扫描成像之前，先打开预视照明单元的光源，其发出的自然光经过足迹平面的反射后被摄像头接收；移动整个装置使得摄像头采集的足迹图像显示在显示单元上，可以保证足迹图像成像位置的准确性。
所述预视照明单元包括布置在外壳内靠近底部的四个相互独立的发散角小于5°的条形光源，该四个条形光源两两相对布置在外壳内，且与xy平面平行，与yz平面成10°～40°夹角，其出射光线与xy平面的夹角呈0～30°；摄像头的光轴与xy平面成0～30°夹角，且平行yz平面。
预视照明与扫描成像照明条件相似，在足迹对位时可通过显示单元预览扫描成像效果，以便于调整照明亮度、曝光时间，分辨率等，从而得到理想的成像效果。
所述直线位移机构包括步进电机、齿轮组、同步带、导轨、滑轮、滑块；步进电机和滑轮安装固定在外壳内相对位置的两个侧面上，导轨沿y向布置在固定在外壳内，齿轮组安装在步进电机的转轴上，同步带安装在齿轮组和滑轮上，滑块固定安装在同步带上且与导轨连接，可沿导轨移动；扫描成像单元的箱体固定安装在滑块上。
步进电机通过齿轮组带动同步带传动，从而通过滑块带动扫描成像单元沿导轨移动，完成足迹图像的逐行采集。
进一步，本发明还包括总控单元；总控单元安装于外壳的内侧顶部，并通过导线与扫描成像照明光源、扫描成像单元的图像传感器、预视照明单元的四个条形光源及摄像头、步进电机连接。
所述扫描成像照明光源由一维排列的一组LED光源、其前端的柱面透镜及柱面透镜出光端处固定的线偏振片构成。
所述预视照明单元的四个条形光源由一维排列的一组LED光源及其前端的柱面透镜构成。
LED光源相比于冷阴极光源，其功耗低，且不需要预热。在LED光源的前方安装了一块柱面透镜，可以使LED发出的光汇聚成小散射角的条形平行光,光线更均匀。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1、有效的保证在扫描成像时屏蔽了周围环境光的影响，提高了成像的质量；
2、有效保证了成像的准确性，因为采用了扫描成像的方式，所以避免了常规拍照方式造成的足迹图像倾斜畸形，保证了每部分的真实情况。
3、采用了条形线偏振光源掠入射配光的方式，同时保证扫描成像单元接收的光的出射方向贴近足迹平面，保证了足迹的清晰呈现。
4、扫描成像照明光源前端和足迹漫反射光接收端都配有线偏振片，增大了成像时足迹与背底的反差。
5、与传统面阵CCD拍照成像的方式相比，创新使用了以线阵CCD、CIS接触式图像传感器作为感光元件的扫描成像方式。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1为本发明的基于线偏振光掠入射式扫描成像方法的室内足迹采集装置的结构示意图。
图2为图1的A—A剖面的俯视图。
图3为预视照明单元配光的示意图。
图4为扫描成像单元的示意图。
图5为直线位移机构的示意图。
1外壳，21、22、23、24预视照明单元四个条形光源，3扫描成像单元，31扫描成像照明光源，32滤光线偏振片，33第一反光镜、34第二反光镜、35第三反光镜、36第四反光镜，37聚光镜，38图像传感器，39箱体，41步进电机，42齿轮组，43同步带，44导轨，45滑轮，46滑块，5总控单元，6显示单元,7摄像头。
具体实施方式
如图1所示，本发明的基于线偏振光掠入射式扫描成像方法的室内足迹采集装置包括外壳1，预视照明单元，扫描成像单元3，直线位移机构，总控单元5，显示单元6，摄像头7。
所述外壳1为矩形或柱形结构的壳体，其底部开口。预视照明单元、扫描成像单元3、直线位移机构、总控单元5、显示单元6、摄像头7安装在外壳1的内部。
设外壳1底部所在平面为xy平面，y向平行于直线位移机构的可移动部件移动方向，z向垂直xy平面。如图1～3所示，预视照明系统包括四个布置在外壳1内靠近底部相互独立的发散角小于0.5度的条形光源21、22、23、24，条形光源21、23相对布置在外壳1内，条形光源22、24相对布置在外壳1内，且四个条形光源21、22、23、24与xy平面平行，与yz平面的夹角β成10°～40°，其出射光线与xy平面的夹角呈0～30°；与xy平面的最近距离为150mm，单个条形光源长度为250mm，条形光源光源的功率为8W。四个条形光源21、22、23、24均由一维排列的一组LED光源及其前端的柱面透镜构成，柱面透镜起汇聚光束以减小光源散射角的作用。
所述显示单元6固定在外壳1顶部内侧，用来显示参数设定窗口、利用摄像头得到的预视图像以及利用扫描方式得到的足迹图像。
所述摄像头7设置在外壳1下部，其光轴与xy平面的夹角γ成0～30°，且平行yz平面，用于提供低角度预视图像。
所述扫描成像单元3包括箱体39及固定在箱体39内的扫描成像照明光源31，滤光线偏振片32和光学成像系统；所述扫描成像照明光源31采用散射角小于0.5度的条形光源，该光源沿x向布置，且其出射的光线与xy平面夹角θ为0°～30°；扫描成像照明光源31的出光端包含线偏振片；滤光线偏振片32固定在箱体39内与扫描成像照明光源31相对位置。光学成像系统固定在箱体39内，箱体39与直线位移机构的可移动部件固定连接；光学成像系统包括第一、第二、第三、第四反光镜33、34、35、36，聚光镜37和图像传感器38；扫描成像单元3随直线位移机构可移动部件移动过程中，由扫描成像照明光源31射出的线偏振光掠入射到足迹上，足迹漫反射光透过滤光线偏振片后，经第一、第二、第三、第四反光镜33、34、35、36反射后入射到聚光镜37，经聚光镜37汇聚的光束由图像传感器38接收，获得足迹的一维图像；线偏振片的作用是滤掉足迹背底的反射光，从而增加足迹与足迹平面的亮度反差；光学成像系统中安装了四片反光镜，目的是使光线多次反射从而减小整体尺寸(同时在多次反射过程中排除了一部分杂光的干扰，提高了成像质量)。扫描成像照明光源31由一维排列的一组LED光源、其前端的柱面透镜及柱面透镜出光端处固定的线偏振片构成，柱面透镜起汇聚光束以减小LED光源散射角的作用。图像传感器38采用线阵CCD图像传感器或CIS接触式图像传感器。
扫描成像单元3通过逐行扫描的成像方式，最终获得完整的足迹图像；扫描成像单元3接收的足迹反射光的反射角与入射线偏振光的入射角大致相同，二者近乎对称，即扫描成像单元3接收的出射光与足迹平面成角在0°到30°之间；这样的低角度扫描成像，足迹图像与背底的亮度反差更大，同时当背底有书、纸、地板等彩色花纹或图案时还可减弱彩色花纹与图案对足迹图像的干扰。
所述直线位移机构包括步进电机41、齿轮组42、同步带43、导轨44、滑轮45、滑块46；步进电机41和滑轮45安装固定在外壳1内相对位置的两个侧面上；导轨44沿y向布置在固定在外壳1内，其两端与外壳两侧壁固定连接；齿轮组4安装在步进电机41的转轴上，同步带43安装在齿轮组42和滑轮45上，滑块46固定安装在同步带43上且与导轨44连接，扫描成像单元的箱体3固定安装在滑块46上。
所述总控单元5安装于外壳1的内侧顶部，并通过导线与预视照明光源、扫描成像单元的扫描成像照明光源31和图像传感器38、摄像头7、显示单元6、步进电机41连接。
所述直线位移机构还可以采用其他结构方式，例如可以将步进电机固定安装在扫描成像单元上部，将齿轮安装在步进电机的转轴上，以齿条代替导轨，通过步进电机带动齿轮转动，使扫描成像单元沿齿条布置方向移动，实现足迹逐行扫描成像。
本发明选择的步进电机41是百格拉368。步进电机41由总控单元5的电机控制部分控制，在不同的分辨率下其驱动频率不同，即满足了不同分辨率要求下步进电机的转速的不同，从而实现了不同的扫描精度；齿轮组42由步进电机41带动，其主要功能是对步进电机41进行转速调整，从而更加合理地进行扫描；同步带43通过齿轮组42传动，同步带43其中一端绕过齿轮组43，另一端绕在位置固定的滑轮45上，齿轮组42和滑轮46分别位于装置两侧，由于同步带43一边侧通过滑块46与扫描成像单元3固定连接，所以在同步带43工作时可以带动扫描成像单元3在导轨44上移动并进行逐行扫描工作；导轨44固定在外壳1内，穿过滑块46以保证扫描成像单元滑动；直线位移机构的作用是在总控单元5的控制下，由步进电机41通过齿轮组42与同步带43带动扫描成像单3在导轨44上滑动以进行足迹扫描成像。
总控单元5包括GL847控制芯片和控制电路板，它负责光源开关的控制、足迹图像在显示系统的显示、步进电机的控制和扫描成像控制、图像数据处理、数据存储、数据通信等。
预视照明单元和摄像头工作于扫描成像之前，可提供低角度预视图像；摄像头接收的光线是预视照明单元发出的光经过足迹平面反射后的光线，它的角度大于扫描成像的角度，所成的图像为倾斜畸变的足迹图像，目的只在于校正装置与足迹的相对位置以及对成像效果提供一定程度的预测；在正式扫描成像开始后，该单元停止工作。
本发明提供了一种基于线偏振光掠入射式扫描成像方法的室内足迹采集装置，主要特点是在线偏振光掠入射方式配光的情况下，利用感光元件以特定角度接收足迹产生的漫反射光来完成扫描成像。操作装置时，首先确定装置覆盖在足迹的上方，并处于装置外壳两端白色提示线提示范围内，以保证良好的成像质量。操作时，预视照明单元的条形光源点亮，摄像头采集图像，此时显示单元会显示预视图像；根据预视图像调节装置与足迹的相对位置；待确定了装置与足迹的合适位置后，此时可以对照明亮度、曝光时间，分辨率等参数进行设定，以便得到清晰的足迹图像；参数设定完之后就可以进行扫描成像了，首先预视照明单元关闭，扫描成像照明光源开启，提供一个线偏振掠入射的配光，5秒后，开始扫描；扫描开始后，在总控单元的控制下，扫描成像单元的图像传感器接收足迹漫反射光，形成一行线阵图像，线偏振片的作用是屏蔽掉光源光线以及背底的反射光线，确保图像传感器接收到的只是足迹的漫反射光线；采集到的一行线阵图像输出到图像处理部分；之后在总控单元的控制下，步进电机开始带动扫描成像单元在导轨上移动固定距离，采集下一行的足迹图像，然后将数据传输到图像处理部分，直到整个足迹图像都被采集出来为止；采集完整个足迹图像之后，扫描成像单元回到初始位置，扫描成像照明光源关闭；扫描得到的一行行线阵图像数据经过拼接、还原等各项处理过程显示在显示单元上。

Claims (9)

1.一种基于线偏振光掠入射式扫描成像方法的室内足迹采集装置，其特征在于包括底部开口的外壳(1)及设置在外壳(1)内的扫描成像单元(3)、直线位移机构；所述扫描成像单元(3)包括箱体(39)及固定在箱体(39)内的扫描成像照明光源(31)，滤光线偏振片(32)和光学成像系统，箱体(39)与直线位移机构的可移动部件固定连接；设外壳(1)底部所在平面为xy平面，y向平行于直线位移机构的可移动部件移动方向，z向垂直xy平面；扫描成像照明光源(31)布置在箱体(39)的一侧，采用发散角小于5°的条形光源，该光源沿x向布置，且其出射的光线与xy平面夹角为0°～30°；扫描成像照明光源(31)的出光端处带有线偏振片；滤光偏振片(32)固定在箱体(39)内与扫描成像照明光源(31)相对的位置，扫描成像单元(31)随直线位移机构可移动部件移动过程中，由扫描成像照明光源(31)射出的线偏振光掠入射到足迹上反射的光透过滤光线偏振片(32)最终成像在光学成像系统的图像传感器(38)上。
2.根据权利要求1所述的基于线偏振光掠入射式扫描成像方法的室内足迹采集装置，其特征在于所述光学成像系统包括第一、第二、第三、第四反光镜(33)、(34)、(35)、(36)，聚光镜(37)和图像传感器(38)；由滤光线偏振片(32)透射的足迹漫反射光经第一、第二、第三、第四反光镜(33)、(34)、(35)、(36)反射后入射到聚光镜(37)，经聚光镜(37)汇聚的光束由图像传感器(38)接收。
3.根据权利要求1或2所述的基于线偏振光掠入射式扫描成像方法的室内足迹采集装置，其特征在于所述图像传感器采用线阵CCD图像传感器或CIS接触式图像传感器。
4.根据权利要求1所述的基于线偏振光掠入射式扫描成像方法的室内足迹采集装置，其特征在于还包括预视照明单元、摄像头(7)和显示单元(6)；预视照明单元、摄像头(7)安装在外壳(1)内，摄像头(7)与显示单元(6)连接。
5.根据权利要求4所述的基于线偏振光掠入射式扫描成像方法的室内足迹采集装置，其特征在于所述预视照明单元包括布置在外壳(1)内靠近底部的四个相互独立的发散角小于5°的条形光源(21、22、23、24)，该四个条形光源两两相对布置在外壳(1)内，且与xy平面平行，与yz平面成10°～40°夹角，其出射光线与xy平面的夹角呈0～30°；摄像头(7)的光轴与xy平面成0～30°夹角，且平行yz平面。
6.根据权利要求1所述的基于线偏振光掠入射式扫描成像方法的室内足迹采集装置，其特征在于所述直线位移机构包括步进电机(41)、齿轮组(42)、同步带(43)、导轨(44)、滑轮(45)、滑块(46)；步进电机(41)和滑轮(45)安装固定在外壳(1)内相对位置的两个侧面上，导轨(44)沿y向布置在固定在外壳(1)内，齿轮组(4)安装在步进电机(41)的转轴上，同步带(43)安装在齿轮组(42)和滑轮(45)上，滑块(46)固定安装在同步带(43)上且与导轨(44)连接，可沿导轨(44)移动；扫描成像单元的箱体(3)固定安装在滑块(46)上。
7.根据权利要求6所述的基于线偏振光掠入射式扫描成像方法的室内足迹采集装置，其特征在于还包括总控单元；总控单元(5)安装于外壳(1)的内侧顶部，并通过导线与扫描成像照明光源、扫描成像单元的图像传感器、预视照明单元的四个条形光源及摄像头、步进电机连接。
8.根据权利要求1所述的基于线偏振光掠入射式扫描成像方法的室内足迹采集装置，其特征在于所述扫描成像照明光源由一维排列的一组LED光源、其前端的柱面透镜及柱面透镜出光端处固定的线偏振片构成。
9.根据权利要求5所述的基于线偏振光掠入射式扫描成像方法的室内足迹采集装置，其特征在于所述预视照明单元的四个条形光源由一维排列的一组LED光源及其前端的柱面透镜构成。
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