CN109462924B - 一种多层空间光调制自适应光场的照明方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种多层空间光调制自适应光场的照明方法，包括以下步骤：步骤1，根据需求设计照明光场；步骤2，求解最优非负掩膜序列组；步骤3，设计多层时分复用掩膜序列组；步骤4，显示照明光场。

Description

一种多层空间光调制自适应光场的照明方法
技术领域
本发明涉及一种光场照明技术，特别是一种多层空间光调制自适应光场的照明方法。
背景技术
光场(light field)最早可以追溯到1846年法拉第给出的定义，即光在每一个方向通过每一个点的光量。光场实质上就是空间中所有光线光辐射函数的总体。光线携带二维位置信息(u,v)和二维方向信息
Figure BDA0001824966690000013
在光场中传递。光场的获取与特定光场的生成一直以来都是计算摄像与立体视觉领域的研究热点。在工业检测中，理想的照明条件，是获取理想的被检测物图像，并进行后续检测的前提。然而，传统照明方式往往难以满足用户个性化的需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多层空间光调制自适应光场的照明方法。
实现本发明目的的技术方案为：一种多层空间光调制自适应光场的照明方法，包括以下步骤：步骤1，根据需求设计照明光场；步骤2，求解最优非负掩膜序列组；步骤3，设计多层时分复用掩膜序列组；步骤4，显示照明光场。
采用上述方法，步骤1中的照明光场需求至少步包括照明方式，照明光场角度、亮度、波长、时序。
采用上述方法，步骤2具体步包括：
步骤2.1，获取多层调制的出射光场L(u1,v1,...un,vn)
Figure BDA0001824966690000011
其中，静态多层空间光调制器为一组2D光衰减函数f1(u1,v1),f2(u2,v2)...fn(un,vn)，(u1,v1,...un,vn)为连续坐标；
步骤2.2，获取光场的2D掩膜的张量积L[i1,j1,...in,jn]
Figure BDA0001824966690000012
其中，(i1,j1,...in,jn)为离散像素点坐标，f1t[i1,j1],f2t[i2,j2],...,fnt[in,jn]为掩膜，
Figure BDA0001824966690000021
为张量积；
步骤2.3，将非负掩膜序列组最优问题描述为
Figure BDA0001824966690000022
F1,F2,...Fn≥0,α≥0且F中各元素≤1
其中，Fi表示光场L在该平面的归一化强度；
步骤2.4，采用非负矩阵分解求解最优非负掩膜序列组。
采用上述方法，步骤3中使用多栈LCD实现多层空间光调制器，并根据步骤2.3的优化结果设计编码掩膜，具体过程为：最后层LCD作为一块不做改装的面板，其他层LCD需要移除背光板，LCD显示内容为步骤2.3求取的最优非负掩膜序列。
本方法根据用户对检测精度和检测内容的要求，设计非负掩膜序列组，并以该掩膜序列组为依据，对照明光源和多层空间光调制器进行编码，生成任意的个性化照明条件，满足检测需求。
下面结合说明书附图对本发明作进一步描述。
附图说明
图1为多平面光场参数化表示示意图。
图2为本发明一个实施例的多层空间光调制自适应光场照明方法及系统的流程图。
具体实施方式
如图2所示，根据本发明实施例的多层空间光调制自适应光场照明方法及系统的整体流程图，包括以下步骤：
步骤S1，针对检测需求，设计用户需要的光场照明，利用相关软件进行渲染。待检测物体可以采用透射式、反射式或其他照明方式，照明光场角度、亮度、波长、时序可以根据需求完全个性化设计。渲染后光场即为待实现目标光场。
步骤S2，求解最优非负掩膜序列组。
步骤201，离散光场与离散空间光调制掩膜数学表示。
静态多层空间光调制器可视为一组2D光衰减函数，f1(u1,v1),f2(u2,v2)...fn(un,vn)。如图1所示，多层调制的出射光场L(u1,v1,...un,vn)可表示为下面乘积形式
Figure BDA0001824966690000031
实际中，多层空间光调制器掩膜与出射光场都是离散函数。离散像素点坐标表示为(i1,j1,...in,jn)对应于连续坐标(u1,v1,...un,vn)，则离散光场为L[i1,j1,...in,jn]，采用的掩膜为f1[i1,j1],...fn[in,jn]。因此静态光场可表示为2D掩膜的张量积
Figure BDA0001824966690000032
其中
Figure BDA0001824966690000033
为张量积。
若采用时分复用多层空间光调制，则上式改写为
Figure BDA0001824966690000034
其中T为时间序列的数量。
步骤202，非负掩膜序列组最优问题描述
在非相干光源照明下，每一掩膜对{f1t[i1,j1],f2t[i2,j2],…fnt[in,jn]}必须非负。我们用Fi表示光场L在该平面的归一化强度，则需要寻找的一个自适应的光场分解可以表示为
Figure BDA0001824966690000035
使得它与目标光场L间的加权欧几里得距离小于一给定阈值，在非负性约束下，表示为
Figure BDA0001824966690000036
F1,F2,...Fn≥0,α≥0且F中各元素≤1
步骤203，求解最优非负掩膜序列组。
上述优化问题可利用非负矩阵分解(non-negative matrix factorization)为基础进行求解。非负矩阵分解是在矩阵分解的基础上对分解完毕的矩阵加上非负的限制条件，即对于待分解矩阵Vm×n和分解后矩阵Wm×r、Hr×n要求均为非负矩阵，且
Figure BDA0001824966690000037
通常r≤m,n。
非负矩阵分解可采用多种迭代更新法则，其中乘法更新规则(multiplicativeupdate rules)中每次更新迭代式为：
Figure BDA0001824966690000041
Figure BDA0001824966690000042
可以看出每一步都能够结果为正数，通过不断迭代能够最终收敛。
每次非负矩阵分解可以将一个非负矩阵分解为2个低秩矩阵，对分解后的矩阵重复非负矩阵分解可以进一步将原始矩阵分解为更多非负矩阵相乘的形式。因此通过n-1次非负矩阵分解可以得到：
Figure BDA0001824966690000043
对
Figure BDA0001824966690000044
作归一化得到
Figure BDA0001824966690000045
i＝1,2,...n,αi≥0,Fi各元素≤1，其中αi为Fi中最大元素值，令
Figure BDA0001824966690000046
则：
L≈F1F2…Fn,F1,F2,...Fn≥0,α≥0且F中各元素≤1
步骤S3，根据步骤S2求取的最优非负掩膜序列组设计多层时分复用空间光调制掩膜。
可使用多栈LCD实现多层空间光调制器，并根据步骤S203优化结果设计编码掩膜。其中最后层LCD作为一块不做改装的面板，其他层LCD需要移除背光板。此外，移除前层LCD的偏振器和后层LCD的偏振膜，可以增加光通量。LCD分别通过DVI线与显卡相连并被驱动，实现自动同步与刷新。LCD显示内容即为步骤2求取的最优非负掩膜序列，即第i层LCD各行列透过率取值为Fi该行该列的矩阵元素值，背光板的亮度值为α的取值。
步骤S4，组建由背光与步骤S3中多层时分复用空间光调制掩膜组成的光场照明系统，显示照明光场，并与待检测物和观测相机组成完整检测系统。

Claims (3)

1.一种多层空间光调制自适应光场的照明方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，根据需求设计照明光场；
步骤2，求解最优非负掩膜序列组；
步骤3，设计多层时分复用掩膜序列组；
步骤4，显示照明光场；
步骤2具体步包括：
步骤2.1，获取多层调制的出射光场L(u1,v1,...un,vn)
Figure FDA0002566702380000011
其中，静态多层空间光调制器为一组2D光衰减函数f1(u1,v1),f2(u2,v2)…fn(un,vn)，(u1,v1,…un,vn)为连续坐标；
步骤2.2，获取光场的2D掩膜的张量积L[i1,j1,…in,jn]
Figure FDA0002566702380000012
其中，(i1,j1,…in,jn)为离散像素点坐标，f1t[i1,j1],f2t[i2,j2],...,fnt[in,jn]为掩膜，
Figure FDA0002566702380000013
为张量积；
步骤2.3，将非负掩膜序列组最优问题描述为
Figure FDA0002566702380000014
F1,F2,…Fn≥0,α≥0且F中各元素≤1
其中，Fi表示光场L在第i层空间光调制器所在平面的归一化强度；
步骤2.4，采用非负矩阵分解求解最优非负掩膜序列组。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1中的照明光场需求至少步包括照明方式，照明光场角度、亮度、波长、时序。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3中使用多栈LCD实现多层空间光调制器，并根据步骤2.3的优化结果设计编码掩膜，具体过程为：
最后层LCD作为一块不做改装的面板，
其他层LCD需要移除背光板，
LCD显示内容为步骤2.3求取的最优非负掩膜序列。
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