CN111006615A - 一种平坦表面特征扫描成像装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种平坦表面特征扫描成像装置和方法。包括照射光源、接触式图像传感器、导光结构、遮光结构和平坦成像目标，光源发出的光经由导光结构内部的多次反射后入射到成像目标表面，然后由一维接触式图像传感器阵列扫描记录下不同光照条件下目标所成的二维图像。每次改变入射光所成的图像经算法处理后合成最终包含成像目标表面法向特征的图像。本发明具有探测视野大、成像无畸变、系统部署简单、适用性强的特点，可通过表面法向成像实现平坦物体表面大幅面范围表面特征的检测和呈现，可应用于笔迹鉴定、表面痕迹检测、艺术作品和文物表面特征信息获取。

Description

一种平坦表面特征扫描成像装置和方法
技术领域
本发明属于反射变换成像技术，具体涉及一种平坦表面特征扫描成像装置和方法。
背景技术
存储、网络和计算的发展为很多领域的研究方法提供了进步的可能性。对于以静物为目标的研究，为了实现考察时间和空间上的充分自由，常常需要对物体的表面三维结构进行电子存档。反射变换成像(Reflection Transformation Imaging)因为其在获取和表现物体表面三维结构上的卓越性能，近年来被大量地应用在文物存档、考古研究等方面。它通过目标表面的反射光和阴影来近似图像中每一个像素的反射方程，以此来计算表面法向，达到对物体表面起伏结构和色彩建档保存的目的，并能实现交互式的光照环境重构。但是，现有的反射变换成像方法都是使用单镜头相机来获取图像，因此系统的成像视野受限，而且由于相机镜头边缘处有畸变，无法获取成像质量稳定的大幅面结果。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明提出了一种平坦表面特征扫描成像装置和方法，通过导光结构耦合来自多角度照射光源的光线并经多次反射将其引导至目标表面的，并通过接触式图像传感器扫描成像，每次改变入射光后扫描所成的图像经算法处理，合成最终包含平坦成像目标表面法向特征的图像，具有探测视野大、成像无畸变、系统部署简单、适用性强的特点。
反射变换成像(Reflection Transformation Imaging)是一种后图像处理的成像方式。在前期原始图像获取过程中，需要捕捉被观察物体处于不同光照条件下的一系列表面图像。每一张照片中的光都从一个已知的或可获知的角度进行照射，使得每一张图都有不同的阴影和高光，阴影为物体未被照射区域，高光为物体被照射区域。对于静态的目标，高光的反射来源于物体的三维空间信息，因此可以反向计算出图像中高光部分像素的表面法线。将不同光照条件下一系列图像的表面法向特征综合，就可以对图像中每一个像素的反射方程进行建模和近似，从而推导出物体的表面起伏分布。
本发明采用的技术方案如下：
一、一种平坦表面特征扫描成像装置
包括光源多角度照射装置、扫描装置和遮光结构，扫描装置包括接触式图像传感器、导光结构和电机，导光结构底部通过滑轨安装有与电机相连的接触式图像传感器；平坦成像目标待检测面朝下放置于导光结构上表面，平坦成像目标待检测面的相对面上放置有遮光结构；
光源多角度照射装置包括外圈导轨、内圈导轨、弧形导轨和照射光源，外圈导轨和内圈导轨为圆心重合的环状结构，内圈导轨外周面通过滚珠套装有外圈导轨；弧形导轨为四分之一圆弧，弧形导轨一端固定至内圈导轨上，另一端延伸至内圈导轨圆心正上方；弧形导轨内周面滑动安装有照射光源；整个扫描装置置于内圈导轨中间。
照射光源沿弧形导轨转动，外圈导轨固定，内圈导轨绕外圈导轨内周面转动，从而实现照射光源在半球面上任意位置对扫描装置的照射，完成入射光的角度调整。
所述接触式图像传感器在电机带动下沿滑轨移动实现平坦成像目标待检测面的整体扫描并成像
照射光源的入射光经导光结构内部上下表面的多次反射，引导入射至平坦成像目标待检测面。
所述遮光结构用于阻挡对平坦成像目标成像造成干扰的杂光。
二、采用上述装置的一种平坦表面特征扫描成像方法
包括以下步骤：
步骤1)：照射光源光线耦合入导光结构，光线入射角通过光源多角度照射装置控制；光线通过导光结构引导至平坦成像目标待检测面，照亮待检测面；
步骤2)：接触式图像传感器对平坦成像目标待检测面进行平面扫描，记录此时光照条件下待检测面的二维图像，二维图像中包含有反映待检测面部分表面起伏特征的法向特征，从而得到待检测面表面起伏特征的部分分布；
步骤3)：通过光源多角度照射装置改变平坦成像目标的光照条件，获得不同光照条件下扫描的图像，将所有图像经反射变换成像算法处理，处理后合成的图像包含有反映待检测面整体表面起伏特征的法向信息，从而得到平坦成像目标待检测面表面起伏特征的整体分布。
所述步骤3)中改变平坦成像目标光照条件为改变光线的入射角度和强度，光线的入射角度和强度通过光源多角度照射装置控制。
本发明的有益效果是：
1)本发明利用反射变换成像原理获取物体表面的像，将目标在不同光照环境下所成的像合成二维法向特征图。
2)本发明通过一维接触式扫描传感器进行大幅面的扫描，具有较大的探测视野，且在扫描的过程中成像不存在边缘畸变现象，在大幅面范围内的任意位置成像质量稳定。
3)本发明具有探测视野大、成像无畸变、系统部署简单、适用性强的特点，可通过表面法向成像实现平坦物体表面大幅面范围表面特征的检测和呈现，可应用于笔迹鉴定、表面混迹检测、艺术作品和文物信息获取。
附图说明
图1是本发明方法的原理图。
图2是本发明装置的示意图。
图3是本发明光源多角度照射装置的示意图。
图中：接触式图像传感器1、遮光结构2、导光结构3、平坦成像目标4、滑轨5、电机6、照射光源7、光源多角度照射装置8、外圈导轨801、内圈导轨802、滚珠803、弧形导轨804。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明通过导光结构3将光源发出的光引导至成像目标表面，接触式图像传感器对目标进行平面扫描，记录下该光照条件下目标的图像。不同的光照条件通过改变光源入射光的角度和强度来实现，每一次扫描所成的图像经算法处理，最终合成包含目标表面法向特征的图像，得到目标的表面起伏特征分布。为了除去来自其余角度的杂光干扰，需要对目标进行部分方向上的遮光。
如图2所示，本发明包括通过电机6带动在滑轨5上移动的接触式图像传感器1，为系统提供照明环境的多角度照射光源7，平坦成像目标4，以及位于平坦成像目标4背面的遮光结构2和置于平坦成像目标4正面的导光结构3。
如图3所示，照射光源7通过光源多角度照射装置8控制光线的入射角，以此来为平坦成像目标4提供不同的光照条件。光源多角度照射装置8由外圈导轨801和内圈导轨802组成。外圈导轨801固定，内外导轨通过滚珠803来连接，使得内圈导轨802旋转时灵活稳定。两圈导轨皆为正圆，且圆心重合；内圈导轨802上装有一段四分之一圆弧状的弧形导轨804，弧形导轨804的圆心与两圈导轨的圆心处在同一条垂线上。当照射光源7工作时，可以沿弧形导轨804移动，也可以转动内圈导轨802，因此能实现一个半球面上任意位置对中心的照射，满足平坦成像目标4的多样照明条件。
本发明的具体实施工作如下：
1)从照射光源7发出的光，耦合进入导光结构3。经过导光结构3内部上下表面的多次反射后，入射到平坦成像目标4表面，完成对目标的照明。照射光源7可以如图1中置于导光结构3所在平面上方，也可以置于该平面下方；光源发出的光可以是宽带的白色光，也可以是窄带的单色光。
遮光结构2则位于平坦成像目标4的背面，需要完全遮住平坦成像目标4以阻隔来自其余方向的杂光，避免对成像结果造成干扰。来自光源的光与导光结构3所成的角度与遮光结构2的尺寸有关，当遮光结构2面积较大时，应适当减小两者的夹角以确保经导光结构引导后入射到平坦成像目标4待测面的光能满足目标的照明需求。
2)如图2所示，接触式图像传感器1工作时由电机6带动，在滑轨5上移动，对由照射光源7照亮的平坦成像目标4进行扫描成像。所使用的导光结构为305mm×225mm×3.2mm的玻璃板，外圈导轨801外径为530mm，内圈导轨802外径为490mm，接触式图像传感器1为2048像素，单个像素尺寸为14μm×14μm。因此在29mm×29mm的视野范围内分辨率为2048×2048像素。
3)通过光源多角度照射装置8调节照射光源7的入射角使成像平坦成像目标4处于不同的光照条件下(使得平坦成像目标4待测面所有区域均被覆盖照射)，接触式图像传感器1获取不同光照条件下的一系列表面图像，每一张图像记录着平坦成像目标4表面起伏的法向特征值。
对于静态的平坦成像目标4，由于每次生成图像时的入射光都是已知的或是可获知的角度，因此图像包含着每个像素的反射特性与入射角度的联系，根据每个像素的反射特性与入射角度的联系进行反射方程的建模和近似，从而推导出物体的表面起伏分布。
对于图像中的每个像素，反射方程由以下双二次多项式近似：
Figure BDA0002253915420000041
其中，(u,v)是图像像素的坐标，(lu,lv)是入射光向量在像素坐标系(u,v)中的投影，L则是在像素坐标系下，成像目标合成的亮度。
图像的单个像素是由RGB值和反射方程的系数(a0,...,a5)构成的。对于获得的N+1张图像(N>5)，可以通过奇异值分解来计算每张图像中每个像素系数(a0,...,a5)的最优解：
Figure BDA0002253915420000051
其中，(luN,lvN)是第N张图像所对应的入射光向量在像素坐标系(u,v)中的投影。
每张图像所对应的系数(a0,...,a5)存储为一张空间图，经过幅度和偏差值的校准后获取每个像素系数(a0,...,a5)的最终值，完成图像中每一个像素的反射方程的建模和近似，从而获得包含有平坦成像目标4待检测面表面法向特征的图像，该图像全画幅内无畸变，能实现平坦成像目标4表面大幅面范围表面起伏特征的检测和呈现。

Claims (7)

1.一种平坦表面特征扫描成像装置，其特征在于：包括光源多角度照射装置(8)、扫描装置和遮光结构(2)，扫描装置包括接触式图像传感器(1)、导光结构(3)和电机(6)，导光结构(3)底部通过滑轨(5)安装有与电机(6)相连的接触式图像传感器(1)；平坦成像目标(4)待检测面朝下放置于导光结构(3)上表面，平坦成像目标(4)待检测面的相对面上放置有遮光结构(2)；
光源多角度照射装置(8)包括外圈导轨(801)、内圈导轨(802)、弧形导轨(804)和照射光源(7)，外圈导轨(801)和内圈导轨(802)为圆心重合的环状结构，内圈导轨(802)外周面通过滚珠(803)套装有外圈导轨(801)；弧形导轨(804)为四分之一圆弧，弧形导轨(804)一端固定至内圈导轨(802)上，另一端延伸至内圈导轨(802)圆心正上方；弧形导轨(804)内周面滑动安装有照射光源(7)；整个扫描装置置于内圈导轨(802)中间。
2.根据权利要求1所述的一种平坦表面特征扫描成像装置，其特征在于：照射光源(7)沿弧形导轨(804)转动，外圈导轨(801)固定，内圈导轨(802)绕外圈导轨(801)内周面转动，从而实现照射光源(7)在半球面上任意位置对扫描装置的照射，完成入射光的角度调整。
3.根据权利要求1所述的一种平坦表面特征扫描成像装置，其特征在于：所述接触式图像传感器(1)在电机(6)带动下沿滑轨(5)移动实现平坦成像目标(4)待检测面的整体扫描并成像。
4.根据权利要求1所述的一种平坦表面特征扫描成像装置，其特征在于：照射光源(7)的入射光经导光结构(3)内部上下表面的多次反射，引导入射至平坦成像目标(4)待检测面。
5.根据权利要求1所述的一种平坦表面特征扫描成像装置，其特征在于：所述遮光结构(2)用于阻挡对平坦成像目标(4)成像造成干扰的杂光。
6.采用权利要求1～5任一所述装置的一种平坦表面特征扫描成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)：照射光源(7)光线耦合入导光结构(3)，光线入射角通过光源多角度照射装置(8)控制；光线通过导光结构(3)引导至平坦成像目标(4)待检测面，照亮待检测面；
步骤2)：接触式图像传感器(1)对平坦成像目标(4)待检测面进行平面扫描，记录此时光照条件下待检测面的二维图像，二维图像中包含有反映待检测面部分表面起伏特征的法向特征，从而得到待检测面表面起伏特征的部分分布；
步骤3)：通过光源多角度照射装置(8)改变平坦成像目标(4)的光照条件，获得不同光照条件下扫描的图像，将所有图像经反射变换成像算法处理，处理后合成的图像包含有反映待检测面整体表面起伏特征的法向信息，从而得到平坦成像目标(4)待检测面表面起伏特征的整体分布。
7.根据权利要求6所述的一种平坦表面特征扫描成像方法，其特征在于，所述步骤3)中改变平坦成像目标(4)光照条件为改变光线的入射角度和强度，光线的入射角度和强度通过光源多角度照射装置(8)控制。
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