一种反射变换实时成像系统论文和设计-张力超

全文摘要

本实用新型属于计算机视觉技术领域，尤其是一种反射变换实时成像系统，针对反射变换成像的实时性问题和设备的便携性问题，现提出如下方案，其包括电源管理电路板，所述电源管理电路板上安装有电池，所述电源管理电路板上安装有主电路板，且电源管理电路板与主电路板电性连接，所述主电路板前侧安装有高速相机，所述高速相机后端安装有微型计算机主板，所述微型计算机主板上端安装有风扇，所述高速相机下方安装有灯组控制电路板，所述灯组控制电路板位于电源管理电路板下端，所述灯组控制电路板上端固定有固定板，本实用新型便携性好，工作效率高，操作便捷，功耗低，照明均匀度好。

主设计要求

1.一种反射变换实时成像系统，包括电源管理电路板（4），其特征在于，所述电源管理电路板（4）上安装有电池（3），所述电源管理电路板（4）上安装有主电路板（16），且电源管理电路板（4）与主电路板（16）电性连接，所述主电路板（16）前侧安装有高速相机（5），所述高速相机（5）后端安装有微型计算机主板（2），所述微型计算机主板（2）上端安装有风扇（1），所述高速相机（5）下方安装有灯组控制电路板（12），所述灯组控制电路板（12）位于电源管理电路板（4）下端，所述灯组控制电路板（12）上端固定有固定板，且固定板一端固定有WIFI模块（15），所述灯组控制电路板（12）上端安装有安装架，且安装架上端通过轴承转动连接有丝杆（11），所述丝杆（11）上通过滚珠安装有丝杆螺母（10），所述丝杆（11）顶端与调焦电机（8）的输出轴相连接，所述调焦电机（8）与安装架固定连接，所述丝杆螺母（10）一端与滑块（9）固定连接，且滑块（9）上安装有直线导轨（7），所述高速相机（5）一端与直线导轨（7）固定连接，所述调焦电机（8）输出轴顶端与手动调焦旋钮（6）固定连接，所述微型计算机主板（2）通过天线（13）与WIFI模块（15）相连接，所述主电路板（16）与灯组控制电路板（12）电性连接，所述灯组控制电路板（12）与穹顶灯组（20）电性连接，所述穹顶灯组（20）设有六个，六个所述穹顶灯组（20）环形整列安装于灯组控制电路板（12）底端，六个所述穹顶灯组（20）上均安装有灯位单元（17）和灯位控制电路板（172），且位于六个所述灯位控制电路板（172）中的两个灯位控制电路板（172）下端分别安装有十字激光器（18）、摄像头（19），所述灯位单元（17）与灯位控制电路板（172）电性连接。

设计方案

2.根据权利要求1所述的一种反射变换实时成像系统，其特征在于，所述灯位单元（17）包括灯组支架（171），所述灯组支架（171）一端与灯组控制电路板（12）固定连接，所述灯组支架（171）下端安装有多个铝基板（175），多个所述铝基板（175）靠近灯组支架（171）一端均安装有散热片（173），多个所述铝基板（175）另一端面均固定有LED（174）。

3.根据权利要求1所述的一种反射变换实时成像系统，其特征在于，所述主电路板（16）与微型计算机主板（2）、风扇（1）、高速相机（5）以及灯组控制电路板（12）电性连接。

4.根据权利要求1所述的一种反射变换实时成像系统，其特征在于，所述主电路板（16）上安装有温度传感器，所述风扇（1）内设置有控制器，温度传感器与控制器电性连接，控制器与风扇（1）电性连接。

5.根据权利要求1所述的一种反射变换实时成像系统，其特征在于，所述高速相机（5）通过USB3.0或GigE或Camera Link与微型计算机主板（2）相连接。

6.根据权利要求1所述的一种反射变换实时成像系统，其特征在于，所述高速相机（5）下端通过卡口方式与微距镜头（14）相连接。

7.根据权利要求1所述的一种反射变换实时成像系统，其特征在于，所述穹顶灯组（20）为镂空型结构。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及计算机视觉技术领域，尤其涉及一种反射变换实时成像系统。

背景技术

反射变换成像(Reflectance Transformation Imaging，缩写RTI)技术是一种计算机视觉技术，它基于数字摄影和表面反射模型，记录和处理被摄物体的颜色信息和表面纹理信息。运用反射变换成像技术需要在相机和被摄物之间的半球面上不同位置布光，从不同角度照射被摄物，构成穹顶光源，每个灯位光源的先后开闭与相机同步拍摄获得系列照片。系列照片经过数学变换，计算出被摄物表面的反射率和法向量数据，通过相关软件可以呈现三维形态和多种渲染影像。现有的反射变换智能成像系统(专利号：NO:ZL201720463099.8)设置不同角度的点光源照明，程序自动控制相机与光源同步自动采集几十张系列照片，随后自动处理系列图片，实现自动获取RTI影像。

现有技术存在的问题和缺点：(1)采用的图片传感器为单反相机或普通工业相机，系列图片拍摄时间较长，图片导入和变换计算需要较长时间，影响获得RTI影像的速度，无法瞬间成像，更不能进行实时预览。(2)现有技术使用单反相机加上穹顶光源，装备较沉重、体积较大，不便于携带和现场操作。(3)系列图片传输形式为有线传输方式，不利于多人、多设备实时观察。(4)现有技术的照明器件为点光源，光距较近的条件下产生照度不均匀，形成RTI计算中的误差较大，现提出一种反射变换实时成像系统。

实用新型内容

本实用新型提出的一种反射变换实时成像系统，解决了反射变换成像的实时性问题和设备的便携性问题。

为了实现上述目的，本实用新型采用了如下技术方案：

一种反射变换实时成像系统，包括电源管理电路板，所述电源管理电路板上安装有电池，所述电源管理电路板上安装有主电路板，且电源管理电路板与主电路板电性连接，所述主电路板前侧安装有高速相机，所述高速相机后端安装有微型计算机主板，所述微型计算机主板上端安装有风扇，所述高速相机下方安装有灯组控制电路板，所述灯组控制电路板位于电源管理电路板下端，所述灯组控制电路板上端固定有固定板，且固定板一端固定有WIFI模块，所述灯组控制电路板上端安装有安装架，且安装架上端通过轴承转动连接有丝杆，所述丝杆上通过滚珠安装有丝杆螺母，所述丝杆顶端与调焦电机的输出轴相连接，所述调焦电机与安装架固定连接，所述丝杆螺母一端与滑块固定连接，且滑块上安装有直线导轨，所述高速相机一端与直线导轨固定连接，所述调焦电机输出轴顶端与手动调焦旋钮固定连接，所述微型计算机主板通过天线与WIFI模块相连接，所述主电路板与灯组控制电路板电性连接，所述灯组控制电路板与穹顶灯组电性连接，所述穹顶灯组设有六个，六个所述穹顶灯组环形整列安装于灯组控制电路板底端，六个所述穹顶灯组上均安装有灯位单元和灯位控制电路板，且位于六个所述灯位控制电路板中的两个灯位控制电路板下端分别安装有十字激光器、摄像头，所述灯位单元与灯位控制电路板电性连接。

优选的，所述灯位单元包括灯组支架，所述灯组支架一端与灯组控制电路板固定连接，所述灯组支架下端安装有多个铝基板，多个所述铝基板靠近灯组支架一端均安装有散热片，多个所述铝基板另一端面均固定有LED。

优选的，所述主电路板与微型计算机主板、风扇、高速相机以及灯组控制电路板电性连接。

优选的，所述主电路板上安装有温度传感器，所述风扇内设置有控制器，温度传感器与控制器电性连接，控制器与风扇电性连接。

优选的，所述高速相机通过USB3.0或GigE或Camera Link与微型计算机主板相连接。

优选的，所述高速相机下端通过卡口方式与微距镜头相连接。

优选的，所述穹顶灯组为镂空型结构。

优选的，所述WIFI模块型号为ATK-ESP8266。

本实用新型的有益效果是：本实用新型具有较好的便携性，属于手持式设备，不会受限于传统设备由于体积和重量等因素而带来的使用方面的问题；本实用新型实现RTI影像的实时呈现，提高工作效率；RTI影像实时操作便捷，通过配合手机等移动终端设备，连接设备无线热点即可多个终端实时预览RTI法线图；本实用新型属低功耗设备，额定功率小于30W，较现有技术降低了能耗；本实用新型运用软件方法对点光源照明的不均匀照度形成RTI误差进行补偿。

本实用新型便携性好，工作效率高，操作便捷，功耗低，照明均匀度好。

附图说明

图1为本实用新型提出的一种反射变换实时成像系统的左侧立体图。

图2为本实用新型提出的一种反射变换实时成像系统的右侧立体图。

图3为本实用新型提出的一种反射变换实时成像系统的底面立体图。

图4为本实用新型提出的一种反射变换实时成像系统中灯位单元的结构示意图。

图5为本实用新型提出的一种反射变换实时成像系统的电路原理图。

图6为本实用新型提出的一种反射变换实时成像系统中实时RTI流程图。

图中标号：1风扇、2微型计算机主板、3电池、4电源管理电路板、5高速相机、6手动调焦旋钮、7直线导轨、8调焦电机、9滑块、10丝杆螺母、11丝杆、12灯组控制电路板、13天线、14微距镜头、15WIFI模块、16主电路板、17灯位单元、18十字激光器、19摄像头、20穹顶灯组、171灯组支架、172灯位控制电路板、173散热片、174LED、175铝基板。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。

参照图1-6，一种反射变换实时成像系统，包括电源管理电路板4，电源管理电路板4上安装有电池3，电源管理电路板4上安装有主电路板16，且电源管理电路板4与主电路板16电性连接，主电路板16前侧安装有高速相机5，高速相机5后端安装有微型计算机主板2，微型计算机主板2上端安装有风扇1，高速相机5下方安装有灯组控制电路板12，灯组控制电路板12位于电源管理电路板4下端，灯组控制电路板12上端固定有固定板，且固定板一端固定有WIFI模块15，灯组控制电路板12上端安装有安装架，且安装架上端通过轴承转动连接有丝杆11，丝杆11上通过滚珠安装有丝杆螺母10，丝杆11顶端与调焦电机8的输出轴相连接，调焦电机8与安装架固定连接，丝杆螺母10一端与滑块9固定连接，且滑块9上安装有直线导轨7，高速相机5一端与直线导轨7固定连接，调焦电机8输出轴顶端与手动调焦旋钮6固定连接，微型计算机主板2通过天线13与WIFI模块15相连接，主电路板16与灯组控制电路板12电性连接，灯组控制电路板12与穹顶灯组20电性连接，穹顶灯组20设有六个，六个穹顶灯组20环形整列安装于灯组控制电路板12底端，六个穹顶灯组20上均安装有灯位单元17和灯位控制电路板172，且位于六个灯位控制电路板172中的两个灯位控制电路板172下端分别安装有十字激光器18、摄像头19，灯位单元17与灯位控制电路板172电性连接。

本实施例中，灯位单元17包括灯组支架171，灯组支架171一端与灯组控制电路板12固定连接，灯组支架171下端安装有多个铝基板175，多个铝基板175靠近灯组支架171一端均安装有散热片173，多个铝基板175另一端面均固定有LED174，主电路板16与微型计算机主板2、风扇1、高速相机5以及灯组控制电路板12电性连接，主电路板16上安装有温度传感器，风扇1内设置有控制器，温度传感器与控制器电性连接，控制器与风扇1电性连接，高速相机5通过USB3.0或GigE或Camera Link与微型计算机主板2相连接，高速相机5下端通过卡口方式与微距镜头14相连接，穹顶灯组20为镂空型结构。

实施例：1.主要技术原理：本实用新型结合RTI技术，将传统实验室固定拍摄条件变为便携式移动产品，而且具有实时RTI多重影像预览的功能。实时的RTI多种渲染模式包括实时去反光、镜面反光增强、漫反射增益、法线视图的预览等，并支持多客户端同时连接。本实用新型分为采集端和预览端，采集端为实时采集RTI数据的便携式设备，预览端可以为智能移动终端设备手机，平板或个人PC。采集端为适用不同的拍摄物体设计为两种结构：手持式和悬挂式。其中悬挂式设备适用于需要水平放置的被摄物，手持式设备更加灵活，可以依靠在各种角度的物体表面进行采集，如贴在垂直的墙体上。采集端硬件部分：按照硬件归类，采集端由内置穹顶光源、高速相机5、取景定位装置、调焦装置、计算机系统和控制电路等组成。穹顶光源为一个亮度均匀的穹顶光源，具有多个分布均匀的灯位单元17，灯位单元17由铝基板175、LED174和散热片173组成，每个灯位单元17都精准指向穹顶中心。LED174性能在色温和显色指数上有较高的要求，可以根据需求选用红外、紫外LED174。穹顶为镂空型结构，减少材料和重量，保证设备的轻便性。高速相机5通过如USB3.0或GigE或Camera Link接口与微型计算机主板2相连，支持8bit\/10bit\/16bit深度的图像采集。取景定位装置有十字激光器18和摄像头19等构成。调焦装置分手动对焦和自动对焦两种方式，由丝杆11、丝杆螺母10、直线导轨7、滑块9、手动调焦旋钮6、十字激光器18和调焦电机8组成。计算机系统由微型计算机主板2、散热风扇1、WIFI模块15、天线13组成。控制电路由主电路板16、电源管理电路板4、灯组控制电路板12、灯位控制电路板172等组成。采集端软硬件系统：按照系统归类，采集端由穹顶照明系统、高速RTI成像系统、快速自动对焦系统和电源管理系统等构成。穹顶光源，由灯位单元17、灯位控制电路和灯组控制电路组成。可以控制穹顶光源中每个灯的开闭和亮度，控制响应时间小于1ms，可以根据需要组成环形光、面光源等不同照明方式。高速RTI成像系统，由穹顶光源、高速相机5、微型计算机主板2和相关驱动电路组成。支持高速RTI采集和高质量RTI采集。实时RTI采集模式下，保证流畅的RTI采集速率，根据CPU性能适量缩放图像，每一帧RTI图像由较少灯位的系列图片计算而成。高质量RTI模式下，使用全尺寸的系列图片数据，使用所有的灯位。在计算高质量RTI时考虑光源照度定律，补偿因光距不同和点光源辐照角度造成的照度不均，减少RTI计算误差。快速自动对焦系统为软硬件结合的系统，由高速相机5、调焦装置、十字激光器18、加速计传感器和相关驱动电路组成。用于避免用户手持拍摄的上下晃动，保证拍摄过程中相机的焦平面始终落在被摄物上。自动对焦采用主动模式，通过十字激光指向穹顶中心，机器视觉识别出中心点坐标，融合加速计数据，计算出成像清晰的物距再反馈给高速电机调整相机高度，从而实现快速对焦。无线传输系统，与预览端通信，采用http协议。用户在预览端对采集端的控制，如开启环形光、开启实时RTI浏览、采集高质量RTI影像等。电源管理系统，管理采集端中所有设备的功耗情况，管理电池3的剩余电量，和充电。预览端软件：预览端为一个运行在PC机的软件或移动设备上的APP，也可以是运行在各种操作系统的浏览器上。支持普通影像预览，实现RTI影像预览、高质量RTI影像预览和对采集端的控制等功能。普通影像预览模式的功能：显示采集端高速相机5拍摄的图片，控制穹顶照明模式。实时RTI影像预览模式的功能：显示采集端采集的RTI影像，控制采集端RTI的参数。高质量RTI影像预览模式的功能：接收采集端获取的全尺寸RTI原始数据，在本地转换为法线图或其他模式预览。2.实时RTI成像技术原理：流畅的实时RTI影像预览需要光源与相机快门的同步速度达到毫秒级。本系统随机选择穹顶光源中1\/3数量的灯位单元17作为一次系列图片拍摄的照明，通过高速同步机制依次点亮这些灯位并控制高速相机5拍照。普通计算机操作系统无法满足此实时性要求，本实用新型中的高速同步机制的关键是利用相机的硬触发来保证相机快门与穹顶光源的高速同步。3.轻型穹顶光源设计：由于本实用新型的定位是便携式设备，需要设备满足体积小、重量轻、无线供电和无线传输的要求，同时满足RTI技术的要求。本实用新型在软硬件设计上采取如下方案达到上述要求：1轻型材料做框架：本实用新型设计的穹顶由6片灯组组成，每个灯组由灯组支架171和多个灯位单元17组成。灯组支架171为镂空结构，材料为高强度尼龙，可以保证穹顶支架在高温(100°)不变形。灯位单元17由LED174、铝基板175、散热片173组成；2间歇性点亮LED174的散热方案和省电方案(应电池供电的需要)：铝基板175和散热片173在硬件条件下为灯位单元17提供散热，可以提高一定程度的散热性能，但本实用新型中光源的散热主要依靠间歇点亮同步曝光技术，即通过相机硬触发控制LED174只在相机曝光时点亮，使得LED174实际只有5％的时间处于点亮状态，大幅度减少LED174的发热，同时也降低LED174的功耗；3光距补偿算法：体积小穹顶光源的直径必然受限，较小的穹顶半径会增加RTI计算误差，因此为了降低其误差，本实用新型设计了点光源误差补偿算法加入RTI计算程序中，在较短光距条件下实现光照度均匀化。称相机中图像传感器中一个像素单元投影到被摄物平面的正方形面为像素面。θ为一像素面入射光与相机光轴之间的夹角；α为入射光线相对点光源F视角中心的夹角；r为像素面中心距离点光源的距离；I为发光强度；x为该像素面的实际边长；k为常数；在以实际LED174点光源为中心的单位球上，RLI为某一点亮度值相对视角中心之比与通过该点的入射光线与视角中心夹角的关系，RLI关系函数需由实际LED174测得，则可以近似认为该像素面上的光通量F为：设计图

一种反射变换实时成像系统论文和设计

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