蘇　萍, 張長杰, 程雪岷, 馬建設(shè), 毛　杰

(1.清華大學 深圳研究生院,廣東 深圳 518005； 2.清華大學 精密儀器系,北京 100086；3.上海環(huán)鼎影視科技有限公司,上海 200120)

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基于LabVIEW機器視覺的全息透鏡板自動拼接系統(tǒng)*

蘇萍1, 張長杰2, 程雪岷1, 馬建設(shè)1, 毛杰3

(1.清華大學 深圳研究生院,廣東 深圳 518005； 2.清華大學 精密儀器系,北京 100086；3.上海環(huán)鼎影視科技有限公司,上海 200120)

摘要:理論計算表明，全息透鏡板之間的拼縫偏差或兩個透鏡邊緣線偏差小于0.1 mm時，可以滿足基于全息透鏡技術(shù)的裸眼3D LED顯示系統(tǒng)對全息透鏡板拼接的要求。研究由小尺寸全息透鏡板拼接為大尺寸全息透鏡板的過程，結(jié)合基于投射條紋的拼接方法，提出了基于機器視覺的自動化拼接方案。分析了兩塊透鏡板相對位置變化過程中亮條紋間距的變化規(guī)律，并基于LabVIEW編寫了系統(tǒng)操作程序。根據(jù)理論分析和系統(tǒng)設(shè)計，搭建了閉環(huán)控制實驗平臺。實驗結(jié)果表明：使用該自動拼接系統(tǒng)可以高效地將兩塊透鏡板移動到準確的位置，且透鏡板之間的偏差小于0.1 mm，滿足理論計算要求。此系統(tǒng)方法可以應(yīng)用到小規(guī)模的透鏡板拼接系統(tǒng)中。

關(guān)鍵詞：全息透鏡板； 機器視覺； 自動拼接； 閉環(huán)系統(tǒng)； LabVIEW

0引言

在大屏幕LED裸眼3D顯示系統(tǒng)中，用于分光作用的大尺寸全息透鏡板是核心元件[1]，也是加工難度最大的元件。利用刻蝕和納米壓印工藝很難加工出整塊1 m×1 m以上尺寸的全息透鏡板,只能將小塊全息透鏡板拼接獲得大尺寸透鏡板。

國內(nèi)外很多實驗室對光柵拼接進行了理論和實驗研究，光柵拼接的方法一般分為補償法、干涉拼接法、遠場光斑拼接法、平移曝光法[2]。光柵拼接過程要嚴格控制光柵的旋轉(zhuǎn)誤差[3]，光柵間拼縫和前后位移偏差[5]、角度偏差。光柵拼接機構(gòu)中采用差動螺紋微調(diào)組件與壓電驅(qū)動器相結(jié)合的微納調(diào)整組件結(jié)構(gòu)，可以使光柵拼接過程達到微納級別的調(diào)整[4]，使用宏/微結(jié)合雙驅(qū)動并聯(lián)進給機構(gòu)結(jié)合精確的控制算法可以提高大口徑光柵拼接的精度[6]。另外，通過監(jiān)測主光束和監(jiān)控光束一級衍射光的遠場的形態(tài)，可以實時地監(jiān)控拼接光柵狀態(tài)[7]。

鑒于LabVIEW軟件在機器視覺系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用[9～11]，本文基于LabVIEW設(shè)計了全息透鏡自動拼接系統(tǒng)。系統(tǒng)中采用基于投射條紋的全息透鏡板拼接方法，將圖像中亮條紋間距的變化作為判斷依據(jù)，用極大值方法求出亮條紋間距，并將亮條紋間距和間距數(shù)組的標準差作為拼接位置判斷依據(jù)。實驗證明：本系統(tǒng)準確率高，實時性好，具有很高的實用價值。

1自動拼接系統(tǒng)原理

全息透鏡板將與其成一定距離平行放置的LED屏顯示的左右眼圖像分別投射到不同的區(qū)域，實現(xiàn)裸眼3D顯示效果。因此，在全息透鏡裸眼3D顯示系統(tǒng)中，將LED屏幕作為光源，在距離全息透鏡板的光軸方向一定距離的垂直平面上會出現(xiàn)亮暗相間的條紋，如圖1所示。

圖1　全息透鏡板拼接過程中的條紋圖像Fig 1　Stripes image of holographic lens sheet duringstitching process

采用一定機械裝置將光柵拼接中的五種偏差[2]在全息透鏡板拼接中減少為一種，使透鏡板的相對位置只沿如圖2中的X方向變化。因此，全息透鏡板拼接過程中有拼縫偏差Δs和透鏡邊緣線偏差Δx。

圖2　全息透鏡板的拼接偏差Fig 2　Stitching deviation of holographic lens sheet

圖2中透鏡板上的細線代表全息透鏡板中單個透鏡的透鏡邊緣線。將拼接過程中圖像中的亮條紋間距問題轉(zhuǎn)化為如圖3所示簡化模型，則亮條紋的間距變化規(guī)律可用式(1)

(1)

圖3　亮條紋間距變化模型Fig 3　Bright stripes spacing variation model

式中t為單塊透鏡板投射出的亮條紋的間距，d為拼接過程中亮條紋中心間距。

依據(jù)圖3模型，若亮條紋寬度一定且亮度均勻，在透鏡板相對位置變化過程中亮條紋的間距將如圖4變化。因此，在自動拼接系統(tǒng)中可以將亮條紋間距作為透鏡板相對位置的判斷依據(jù)。

圖4　兩塊全息透鏡板沿X方向相對位置變化時亮條紋間距變化規(guī)律Fig 4　Variation rule of bright stripes spacing when relativeposition of two holographic lens sheet changes in x axis

2自動拼接系統(tǒng)的構(gòu)成

典型的機器視覺系統(tǒng)包括運動控制系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、圖像分析顯示系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)[12]。本文的拼接系統(tǒng)組成如圖5所示。

圖5　自動拼接系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig 5　Structure of auto-stitching system

1)上位機部分：基于LabVIEW軟件編寫圖像采集、圖像處理與通信模塊。

2)圖像采集部分：工業(yè)用高速CCD相機。

3)運動控制部分:C8051F020單片機控制板，功能是通信模塊和脈沖發(fā)生模塊。

4)運動執(zhí)行部分：由高精度5相步進電機、光學精密二維平移臺和透鏡夾持裝置組成，機械移動精度為0.01mm。

2.1LabVIEW上位機程序部分

LabVIEW上位機程序包括圖像采集程序、圖像處理程序、亮條紋間距判斷程序以及串口通信程序。

上位機程序核心之一是亮條紋間距的測量。該部分程序利用了圖像的灰度值二維數(shù)組，將數(shù)組中每列像素值相加得出列像素和S列，并求出S列的極大值，根據(jù)極大值的列坐標求出亮條紋的間距。

上位機的核心程序之二是控制執(zhí)行機構(gòu)移動距離的決策部分。在實驗中采用了兩種決策方法：

1)固定步數(shù)法

如圖6，首先將透鏡板移動固定的距離，并記錄每幅圖像中亮條紋間距的平均值L條紋和每幅圖像中亮條紋間距數(shù)組的標準差s，然后找出s的最小值代表的圖像，判斷該圖像中L條紋是否在L條紋數(shù)組最大值允許偏差范圍內(nèi)，如果在偏差范圍內(nèi)，則根據(jù)數(shù)組序號反算移動距離，控制執(zhí)行機構(gòu)移動透鏡板到s最小值所在位置；否則，將透鏡板反向移動固定距離重復(fù)上述過程。

圖6　固定步數(shù)法移動策略Fig 6　Moving strategy of fixed step number method

2)閾值法

在透鏡板移動過程中測量L條紋，當L條紋大于某一閾值時，觸發(fā)條紋間距記錄程序，將之后圖像的L條紋和s記入2個數(shù)組，當L條紋小于閾值時，中斷記錄程序，分析記錄數(shù)組中s，找出s的最小值。根據(jù)數(shù)組反算移動距離，控制執(zhí)行機構(gòu)移動透鏡板到s最小的位置。閾值法移動策略如圖7。

圖7　閾值法移動策略Fig 7　Moving strategy of threshold method

2.2下位機程序

單片機程序包括通信部分和控制部分。通信部分接收上位機命令，在透鏡板移動固定距離后發(fā)送反饋信息給上位機?？刂撇糠之a(chǎn)生脈沖信號輸入步進電機驅(qū)動器，控制執(zhí)行部分的運動。

3搭建實驗平臺

將一臺裝有LabVIEW軟件的筆記本電腦做為上位機控制平臺。將工業(yè)相機和單片機控制板連接至筆記本，將步進電機驅(qū)動器分別與單片機控制板和步進電機正確連接。

拼接過程中將兩塊透鏡板放置在剛性光學玻璃上限制兩塊透鏡在Z方向的移動，同時將光學精密二維平移臺固定在實驗底座上限制透鏡板繞Z方向的轉(zhuǎn)動，并在拼接過程中使二維平移臺只有一個方向運動，將兩塊透鏡板的偏差限制為Δx和Δs。

4實驗過程與實驗結(jié)果

為驗證自動拼接系統(tǒng)的可行性，實驗過程使用兩塊透鏡板作為拼接對象，并研究透鏡板移動過程中L條紋的規(guī)律。

1)調(diào)整好透鏡板支撐玻璃和LED屏幕的相對位置，并將一塊透鏡板經(jīng)過調(diào)整之后，固定在光學玻璃上。

2)調(diào)整機械移動裝置，使被夾持的透鏡板與第一塊透鏡板在透鏡板透鏡邊緣線方向保持平行。

3)打開所有硬件部分的控制電源，啟動上位機程序。

上位機程序處理CCD采集的圖像后，發(fā)送移動命令至下位機程序，控制執(zhí)行機構(gòu)將透鏡板移動一定距離，同時CCD采集移動后圖像反饋至上位機。整個過程為閉環(huán)控制，直至圖像中亮條紋重疊，L條紋值在允許范圍內(nèi)且s最小時，透鏡板移動過程結(jié)束。

4.1單幅圖像移動規(guī)律

圖8和圖10的條紋圖像和s列曲線，反映出拼接過程中條紋間距的變化規(guī)律。圖8是兩塊透鏡板偏差Δx>0.1mm時采集，圖中亮條紋交錯分布且間距較小。圖10是Δx<0.1mm時采集，因此,亮條紋重疊，條紋間距大。圖9和圖11中s列的曲線的極大值數(shù)目與圖8和圖10亮條紋的數(shù)目相同，驗證了利用極大值判斷亮條紋中心的原理的正確性。

此外，圖8和圖10的亮條紋中間夾雜著亮度低的細亮條紋。原因之一是LED顯示屏作為光源掃描顯示的頻率與CCD采集圖像的頻率不一致，就形成如圖8和圖10中的細亮條紋。

圖8　兩塊透鏡板相對位置變化過程中CCD采集的條紋圖像Fig 8　Stripes image caputured by CCD camera duringrelative position change process of two lens sheets

圖9　圖8列像素和s列Fig 9　Column pixel of fig 8 and s列

圖10　拼接過程結(jié)束時的條紋圖像Fig 10　Stripes image when stitching process is over

圖11　圖10列像素和s列Fig 11　Column pixel of fig 10 and s列

4.2多幅圖像條紋間距規(guī)律

圖12顯示了拼接過程中L條紋的周期性變化，但與圖4中規(guī)律不同。在圖4中L條紋的最大值是一個點，圖12中，多幅圖像中L條紋在最大值10 pixel偏差內(nèi)。

圖12　多幅圖像中條紋間距值L條紋統(tǒng)計Fig 12　Statistics of stripe spacing value L條紋 of several images

這種現(xiàn)象與程序中求極大值的方法有關(guān)。該方法使用了LabVIEW函數(shù)庫中求數(shù)組的最大值最小值的函數(shù)，將s列數(shù)組一定區(qū)間內(nèi)的最大值作為s列極大值，但區(qū)間的選取要考慮消除掃頻不一致產(chǎn)生的細亮條紋的影響。因此，計算極大值的區(qū)間存在最小閾值。在最小閾值內(nèi)s列的最大值即為s列的極大值，如果亮條紋的中心間距在最小閾值范圍內(nèi)，求出的L條紋會非常接近甚至相同。

此外，全息透鏡板存在加工誤差，LED光源透過透鏡板投射的條紋間距存在細微的差異，當兩塊透鏡板的亮條紋部分重疊時，根據(jù)極大值算出的L條紋在多幅圖像中同樣會出現(xiàn)圖11中最大值時出現(xiàn)的現(xiàn)象。

綜上所述，不能單一地將L條紋最大值作為兩塊透鏡板達到最佳位置的判斷依據(jù)。因此，需要將每幅圖像中多個條紋間距值組成數(shù)組，求出數(shù)組的標準差s。實驗過程中求出多幅圖像s曲線如圖13所示。

圖13顯示在圖12中L條紋在最大值10pixel內(nèi)變化時，對應(yīng)圖像的s值在整個s曲線值域內(nèi)變化，在L條紋的極值處的s不為零(或接近零)。因此，決策程序中將L條紋和s結(jié)合起來作為透鏡板拼接效果的判據(jù)，當L條紋在最大值10pixel范圍內(nèi)且s最小時的位置為兩塊透鏡板的最佳位置。實驗中，圖10的圖像就是根據(jù)上述判斷原理采集的。實驗后將圖像中L條紋經(jīng)過像素與mm值的換算，并根據(jù)光學原理反算出透鏡板偏差Δx<0.1mm。

5結(jié)論

本文借鑒光柵拼接研究成果，依據(jù)全息透鏡板設(shè)計原理和機械拼接過程中出現(xiàn)的條紋圖象，設(shè)計了基于機器視覺的全息透鏡板自動拼接系統(tǒng)，使用LabVIEW編寫了系統(tǒng)程序，并搭建了實驗平臺。系統(tǒng)使用了基于極大值的條紋中心間距計算方法，使用了基于條紋間距L條紋與標準差s的判據(jù)，實驗結(jié)果證明:該系統(tǒng)能判斷出兩塊透鏡板的最佳位置，且達到拼接偏差小于0.1mm的要求。系統(tǒng)中采用閉環(huán)控制，保證了拼接過程的準確性。將此系統(tǒng)應(yīng)用于全息透鏡板拼接中，可以提高拼接的精度與效率，在其他類型光柵的拼接中可以將本系統(tǒng)作為參考。

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蘇萍(1984-)，女，河南浚縣人，博士，講師，主要研究方向為三維顯示、二元光學元件及光學檢測。

Auto-stitching system of holographic lens sheet based on LabVIEW machine vision*

SU Ping1, ZHANG Chang-jie2, CHENG Xue-min1, MA Jian-she1, MAO Jie3

(1.Graduate School at Shenzhen,Tsinghua University,Shenzhen 518005,China; 2.Department of Precision Instruments,Tsinghua University,Beijing 100086,China; 3.Huanding Television Technology Co Ltd,Shanghai 200120,China)

Abstract:Theoretical calculation shows that while the seam width deviation of two holographic lens sheets or edge line deviation between two holographic lens is less than 0.1 mm,which can meet demand of naked eye 3D LED display system based on holographic lens technology for stitching of holographic lens sheet.The process of large-size holographic lens sheet stitched by several small-size lens sheets is studied,combined with method of stitching based on projecting stripes,automation stitching scheme based on machine vision is proposed.Analyze variation rule of bright stripes spacings in process of relative position change of two holographic lens sheets,system operation program based on LabVIEW is compiled.According to theoretical analysis and system design,closed-loop control experimental platform is set up.Experimental results show that using this system can move two holographic lens sheets the precise position high-efficiently and the relative position deviations of the holographic lens sheets is less than 0.1mm,which meets demand of theoretical computation.This system method can be applied in the small scale lens sheet auto-stitching system.

Key words:holographic lens sheet; machine vision; auto-stitching; closed-loop system; LabVIEW

作者簡介:

中圖分類號：TP 273

文獻標識碼：A

文章編號：1000—9787(2016)01—0110—04

*基金項目：2012年廣東省產(chǎn)學研省部合作專項資金與省院全面戰(zhàn)略合作專項資金資助項目(050100001)；青年科學基金資助項目(20149110092)；深圳市基礎(chǔ)研究項目(JCYJ20140417115840236)

收稿日期：2015—04—09

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)01—0110—04