CN108834252B - 一种用于文物精细3d重建的自适应光源照明系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于文物精细3D重建的自适应光源照明系统，包括多个光源、光源控制器、计算机、图像获取设备和图像质量评价模块，所述多个光源用于从多个不同方向照射待建文物；所述图像获取设备用于获取待建文物的图像；所述图像质量评价模块用于对获得的图像的质量进行评价；所述计算机根据图像质量评价模块的评价结果控制所述光源控制器；所述光源控制器根据计算机的指令控制各个光源的亮度等级。本发明还涉及一种用于文物精细3D重建的自适应光源照明方法。本发明能根据不同待建文物自动调节光源亮度，实现多方位照明，使平台相机获得最佳的图像效果。

Description

一种用于文物精细3D重建的自适应光源照明系统及方法

技术领域

本发明涉及影像测量技术领域中的光源照明，特别是涉及一种用于文物精细3D重建的自适应光源照明系统及方法。

背景技术

光源照明系统是支持文物3D重建的自动取景平台控制系统中最关键的部分之一，其主要目标是以合适的方式将光线投射到被测物体上，突出被测特征部分的对比度。光源对成像质量有很大的影响，光源的均匀性、几何形状、光照强度、光照方向、波长等因素都会直接影响到测量结果，它往往是整个系统成败的关键，这就要求光源与照明方案的配合应尽可能地突出物体特征量，在物体需要检测的部分与不重要部分之间应尽可能地产生明显的区别，增加对比度，同时还应保证足够的整体亮度。

目前用于影像测量的照明光源结构形式多种多样，主要有多角度照射环形灯，条形灯，同轴光，Dome光源等，然而以上类型的光源配置或多或少地会引起以下问题，花点和过度曝光隐藏图像重要的信息；阴影造成边缘的误检；信噪比的降低以及不均匀的照明导致图像处理阈值选择的困难。在一般的影像测量中，照明强度的选择多采用人工调试和多次比较得出，具有受人为因素影响大，测量效率低等缺点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于文物精细3D重建的自适应光源照明系统及方法，能根据不同待建文物自动调节光源亮度，实现多方位照明，使平台相机获得最佳的图像效果。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种用于文物精细3D重建的自适应光源照明系统，包括多个光源、光源控制器、计算机、图像获取设备和图像质量评价模块，所述多个光源用于从多个不同方向照射待建文物；所述图像获取设备用于获取待建文物的图像；所述图像质量评价模块用于对获得的图像的质量进行评价；所述计算机根据图像质量评价模块的评价结果控制所述光源控制器；所述光源控制器根据计算机的指令控制各个光源的亮度等级。

所述计算机和光源控制器之间通过基于Modbus TCP进行通讯以实现多通道光源照明的控制。

所述光源包括顶部光源、底部光源、左侧面光源和右侧面光源，其中，顶部光源位于待建文物的前上方，底部光源位于待建文物的前下方，左侧面光源位于待建文物的前左方，右侧面光源位于待建文物的前右方。

所述光源为阵列LED光源。

所述光源与待建文物之间设置有柔光遮罩。

所述图像质量评价模块根据图像信息熵来对获得的图像的质量进行评价。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：还提供一种用于文物精细3D重建的自适应光源照明方法，采用上述的自适应光源照明系统，包括以下步骤：

(1)取不同材料、不同表面质量的典型工件进行照明和成像试验，以图像的信息熵为评价指标，在整个四维搜索空间中运算，得到典型工件的最佳照明参数；

(2)根据试验所测数据，建立最佳照明参数知识库；

(3)将待建物放置在光源的照射处，由计算机输入各个光源的经验光照强度矢量值，确定控制矢量基点，根据给定的控制矢量基点进行搜索，从最佳照明参数知识库中找到待建文物的初始拍摄光照强度矢量值；

(4)计算机发送光强度指令到光源控制器，光源控制器完成每个光源的照明调节，图像获取设备获取待建文物的图像，图像质量评价模块以图像信息熵为评价指标评价得到的图像，计算机根据评价结果确定局部搜索范围内的最佳照明控制参数。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明采用四通道光源照明(顶部光源、底部光源、左侧面光源和右侧面光源相组合)的光源配置，选用了性价比较高的LED光源均匀阵列而成，这样的光源布局设计将会使得整个光源系统提供的光线更加均匀，利于相机拍摄高质量图像。在每一面阵列的LED光源与被摄文物之间都增加了一层柔光遮罩，它是由能使光线发生漫反射的相关材料制成，这样设计的目的同样是为了使光源系统提供的光源光线更加均匀、柔和，提高相机成像质量，有助于更精准的获取待建物体的3D模型。另外还建立了最佳照明参数知识库，测量工件时，控制系统会根据输入的控制矢量基点自动找到当前文物的最佳照明参数，实现自适应控制光源的亮度，使得相机获得最佳的图像。随着不同文物的大量3D重建，控制矢量基点将会不断更新，进一步提升系统效率。

附图说明

图1是本发明的照明系统控制原理图；

图2是本发明的光源控制系统框图；

图3是本发明的光源结构示意图；

图4是本发明的阵列LED连接图；

图5是本发明的智能光源调控系统工作原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的第一实施方式涉及一种用于支持文物3D重建的自适应光源照明系统，图1为本发明的照明系统控制原理图。所述光源照明系统包括四通道光源照明(顶部光源、底部光源、左侧面光源和右侧面光源相组合)的光源配置，其中，顶部光源位于待建文物的前上方，底部光源位于待建文物的前下方，左侧面光源位于待建文物的前左方，右侧面光源位于待建文物的前右方。其照明控制系统如图2所示，包括智能光源调控系统模块(PC端)、USR-TCP232-304模块、光源控制器模块、相机控制模块等。采用了基于PC-光源控制器照明控制方式，PC机和光源控制器基于Modbus TCP进行通讯以实现四通道光源照明的控制，Modbus是一种请求/应答协议，它可以对相互连接的不同设备或总线之间进行客户机/服务器的双向通信。光源系统可以实现0-100不同等级的光照强度调制，也就是说，照明控制强度分为101个不同等级。应注意：照明实际亮度与控制亮度值并非呈线性关系，这是本系统实现照明自适应控制之前应首先被解决的问题。人机交互界面和智能光源调控系统模块运行在PC端，并通过Modbus TCP与光源控制器通讯以交换数据。

PC端发送控制矢量的信息码方式为：“前导字符”+“照明通道值”+“照明控制值”，光源控制器接收到相应指令后，以该控制值产生相应的电流来驱动相应照明通道。为满足不同要求的照明效果，四通道光源布局如图3所示，顶部光源A、底部光源B、左侧面光源C和右侧面光源D都采用了阵列的LED光源，并增加一层可使光线发生漫反射的柔光遮罩E，能使照射在待建文物的光源均匀稳定。四通道LED光源一起点亮可以实现多个不同方向的照射，满足不同形状表面文物的高质量图像获取。如此不受待建文物的材质、颜色、表面纹理、形状变化等对图片质量的影响，也可以得到一个对比明显的图片，使后续的图像处理变得更加简单。通过四路光源的相互结合，克服光源几何形状、不均匀性、光照方向等因素对测量结果的不良影响。

如图4所示，各面光源所采用的LED连接采用混联方式，串并联的LED数量平均分配，如图中每5个LED串联后并联在一起。通过这样的连接方式使得分配在每个LED串联支路上的电压相同，并且在串联支路上的每个LED的电流也大致相同，亮度一致，同时通过每个串联支路的电流也相近。这样的连接方式使线路简单、亮度稳定、可靠性高，并且对器件的一致性要求较低，即使个别LED单管失效，对整个发光组件的影响也较小。

本实施方式中，PC机和光源控制器是基于Modbus TCP进行通讯以实现各路光源独立控制的。在PC机和光源控制器之间增加了USR-TCP232-304模块。该模块能实现串口到以太网数据的双向透明传输，用户无需关心具体细节，模块内部完成协议转换。

光源控制器采用了上海迪控电子有限公司的产品，型号是DK2000-CDA0616M。该产品是一个自带人机界面的模拟量可编程控制模块，它的主回路采用磁保持继电器输出，从而实现了功耗小、发热量小、可靠性高的目的。该产品的调光回路的控制模式有：DC0/1-10V、PWM10V、4-20mA，可以满足各个场景对各种光源驱动器的控制输入方式，为照明系统的智能化提供了基础支撑。

本实施方式中图像质量评价模块以图像信息熵作为照明效果的评价指标，图像信息熵作为衡量一幅图像信息量大小的重要参数，可以通过研究一幅图像的熵来判断该图像失真的程度,从而判断一幅图像质量的好坏，以突出物体和背景的差异性，同时突出表面特征，增大图像对比度，以利于后续的3D重建工作。

本发明的第二实施方式涉及一种用于支持文物3D重建的自适应光源照明方法，包括以下内容：

(1)在智能光源调控系统模块中，根据待建文物的特征参数范围建立最佳照明参数知识库。其中，待建文物的特征参数包括待建文物的材料、颜色、形状、尺寸、表面粗糙度、表面氧化程度等。该系统建立的数据库具有如下表结构形式：

该最佳照明参数知识库应全面反映不同零件的待测特征，知识库越丰富，系统性能越好。这些知识来源于大量试验，以及实际运用中不同补充建立。该最佳照明参数知识库将决定由PC端输入四通道光源的经验光照强度矢量值，确定控制矢量基点。智能光源调控系统根据给定的控制矢量基点进行搜索，可快速找到当前文物的最佳拍摄光照强度矢量值，并进一步扩充知识库。

(2)由于4个照明通道组合工作，每一个通道的控制量具有101个变化可能，理论上需要进行101×101×101×101次比较运算采用获取最佳照明效果，使得实用性降低。本系统的意义在于，给定一个待建文物，基于知识库确定的控制矢量基点，智能光源调控系统可快速找到当前文物的最佳拍摄光照强度矢量值。

(3)智能光源调控系统的具体工作原理如图5所示。

(4)基于最佳照明参数知识库确定的控制矢量基点，系统将在该小区域内搜索最佳照明控制矢量。系统将成像质量作为控制系统的反馈。注意，这里的成像质量优劣主要看是否有利于后续的图像处理和3D重建。以图像的信息熵作为评价标准反馈图像质量非常合适，其中，获取的图像信息熵越大，图像就越清晰，图像的对比度就越高，能提供的信息量就越多，目标和背景区分越明显，图像对细节对比的表达能力越强。

(5)每一光源回路都有100个亮度等级，总计最多有100⁴种组合模式。如果在找组合模式的过程中，每一种情况都遍历一遍，这样不但效率很低，而且完全没有必要。所以，基于最佳照明参数知识库确定的控制矢量基点，在此基础上再次采用固定变量法逐个找到各路回路的最佳光照强度值，这样就成功把搜索范围缩小到了一个很小的区域，这样做不但效率高，而且找到的光照强度模式能够满足后续图像处理的要求。文物重建越多，最佳照明参数知识库越丰富，系统性能越好。

(6)采用了基于PC-光源控制器照明控制方式，PC机和光源控制器是基于ModbusTCP进行通讯以实现四通道光源照明的控制，上位机PC与光源控制器系统构成了“主-从”式照明控制系统，上位机PC机运行照明控制用人机界面，针对多通道光照强度的非线性，以及不同特征文物所需的最佳光照环境不同的问题，进行了不同文物的光照试验，并内建有通过图像信息熵的成像质量评价机制，提出了一个可根据不同文物特征自动调节最佳光照强度的优化方案，达到满意的拍摄效果。

不难发现，本发明采用了四通道光源相结合的光源配置，选用了性价比较高的LED光源均匀阵列而成，这样的光源布局设计将会使得整个光源系统提供的光线更加均匀，利于相机拍摄高质量图像。在每一面阵列的LED光源与被摄文物之间都增加了一层漫反射板，它是由能使光线发生漫反射的相关材料制成，这样设计的目的同样是为了使光源系统提供的光源光线更加均匀、柔和，提高相机成像质量。另外还建立了最佳照明参数知识库，对文物进行拍摄时，控制系统会根据输入的控制矢量基点进行快速搜索，实现自适应控制光源的亮度，达到满意的拍摄效果。

Claims (5)

1.一种用于文物精细3D重建的自适应光源照明系统，包括多个光源、光源控制器、计算机、图像获取设备和图像质量评价模块，其特征在于，所述多个光源用于从多个不同方向照射待建文物，其中，所述光源包括顶部光源、底部光源、左侧面光源和右侧面光源，所述顶部光源位于待建文物的前上方，所述底部光源位于待建文物的前下方，所述左侧面光源位于待建文物的前左方，所述右侧面光源位于待建文物的前右方；所述图像获取设备用于获取待建文物的图像；所述图像质量评价模块用于根据图像信息熵对获得的图像的质量进行评价；所述计算机根据图像质量评价模块的评价结果控制所述光源控制器；所述光源控制器根据计算机的指令控制各个光源的亮度等级。

2.根据权利要求1所述的用于文物精细3D重建的自适应光源照明系统，其特征在于，所述计算机和光源控制器之间通过基于Modbus TCP进行通讯以实现多通道光源照明的控制。

3.根据权利要求1所述的用于文物精细3D重建的自适应光源照明系统，其特征在于，所述光源为阵列LED光源。

4.根据权利要求1所述的用于文物精细3D重建的自适应光源照明系统，其特征在于，所述光源与待建文物之间设置有柔光遮罩。

5.一种用于文物精细3D重建的自适应光源照明方法，其特征在于，采用如权利要求1-4中任一所述的自适应光源照明系统，包括以下步骤：

(1)取不同材料、不同表面质量的典型工件进行照明和成像试验，以图像的信息熵为评价指标，在整个四维搜索空间中运算，得到典型工件的最佳照明参数；

(2)根据试验所测数据，建立最佳照明参数知识库；

(3)将待建物放置在光源的照射处，由计算机输入各个光源的经验光照强度矢量值，确定控制矢量基点，根据给定的控制矢量基点进行搜索，从最佳照明参数知识库中找到待建文物的初始拍摄光照强度矢量值；

(4)计算机发送光强度指令到光源控制器，光源控制器完成每个光源的照明调节，图像获取设备获取待建文物的图像，图像质量评价模块以图像信息熵为评价指标评价得到的图像，计算机根据评价结果确定局部搜索范围内的最佳照明控制参数。

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