基于EPICS/MATLAB圖像處理的光束位置測(cè)量系統(tǒng)

杜 鵬 米清茹 周劍英 張翼飛 滑文強(qiáng) 鄭麗芳 黎 忠

1 (中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 上海 201800)

2 (中國(guó)科學(xué)院研究生院 北京 100049)

同步輻射光源，需測(cè)定X射線光束線位置，常用的光斑位置探測(cè)器(X-ray Beam Position Monitor，XBPM)有刀片式BPM和絲BPM等。刀片式BPM利用X射線在一對(duì)刀片上產(chǎn)生的光電流之比與位置的關(guān)系推導(dǎo)出光束中心位置及其變化，直觀性有限；絲 BPM 則測(cè)量絲掃描方向上的電流信號(hào)，得到光斑的強(qiáng)度分布和位置變化，其受光束寬度和形狀不穩(wěn)定性影響較大，滿足不了實(shí)時(shí)性較高系統(tǒng)的要求[1,2]。光學(xué)式BPM可測(cè)量光束截面尺寸和位置等參數(shù)，監(jiān)測(cè)其不穩(wěn)定性，具有高精度、全光斑信息、抗干擾能力強(qiáng)、實(shí)時(shí)性等優(yōu)點(diǎn)。本文介紹在上海同步輻射光源基于EPICS(Experimental physics and Industrial control system)的分布式控制系統(tǒng)，獲取熒光靶上產(chǎn)生的可見(jiàn)X光光斑圖像并進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)處理的軟件設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 EPICS結(jié)構(gòu)

根據(jù)束線位置測(cè)量系統(tǒng)的控制和圖像數(shù)據(jù)處理的總體設(shè)計(jì)原則，軟件環(huán)境在EPICS平臺(tái)上進(jìn)行開(kāi)發(fā)，利用 MATLAB進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)處理。包括三部分：操作員的界面OPI(Operator interface)、輸入輸出的控制IOC(Input/Output controller)和底層的設(shè)備(Device)[3]。

操作員界面OPI位于系統(tǒng)頂層，具有訪問(wèn)整個(gè)系統(tǒng)能力。通過(guò)在人機(jī)交換監(jiān)控系統(tǒng)的界面上運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了控制參數(shù)的設(shè)置、回讀、數(shù)據(jù)存檔等功能。操作人員通過(guò)人機(jī)交換界面實(shí)現(xiàn)了對(duì)位置測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)備控制、數(shù)據(jù)處理及結(jié)果的實(shí)時(shí)顯示。

在位置測(cè)量系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)的核心是在Linux系統(tǒng)的軟IOC上運(yùn)行的，向上通過(guò)Channel Access與上層OPI進(jìn)行通信，向下則通過(guò)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件設(shè)備的輸入/輸出。

底層設(shè)備完成束流信號(hào)的獲取，主要由 CCD探測(cè)器及其數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊等組成。

1.2 測(cè)量系統(tǒng)概述

束線位置測(cè)量系統(tǒng)是利用熒光靶束線測(cè)量系統(tǒng)和圖像采集處理技術(shù)得到X光束在熒光靶上形成的光斑圖像，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)字圖像信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)，用圖像分析軟件得到光斑的位置、尺寸和強(qiáng)度分布信息。

束線位置測(cè)量系統(tǒng)由熒光靶系統(tǒng)、光學(xué)顯微放大系統(tǒng)、圖像讀入系統(tǒng)、軟IOC和OPI組成，圖1為測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。X光束打在熒光靶上，形成相應(yīng)的可見(jiàn)光光斑，為獲得足夠大的光斑圖像，并有較大的成像深度，系統(tǒng)采用長(zhǎng)焦距顯微鏡，使光斑成像在 CCD探測(cè)器上?？紤]到測(cè)量系統(tǒng)的工作距離(從鏡頭前端面到狹縫距離)和光學(xué)系統(tǒng)的景深，選用最大工作距離為100 mm的連續(xù)變倍體視顯微鏡，顯微鏡的光學(xué)放大倍率選擇×5倍，像元尺寸 6.45 μm×6.45 μm，因此測(cè)量系統(tǒng)在物空間的分辨率約為1.4 μm。CCD探測(cè)器輸出數(shù)字圖像信號(hào)，輸入到計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)處理。EPICS IOC負(fù)責(zé)CCD探測(cè)器的控制和圖像數(shù)據(jù)的采集，Client OPI上MATLAB通過(guò)與EPICS的接口LabCA讀取IOC通道上的圖像數(shù)據(jù)，利用圖像處理函數(shù)計(jì)算出光斑的中心位置、面積、長(zhǎng)短軸等重要參數(shù)，并顯示描述光斑的三維圖像，完成對(duì)光斑精確的定量測(cè)量。

圖1 XBPM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematics of the XBPM system.

1.3 軟件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

整個(gè)軟件系統(tǒng)在EPICS架構(gòu)下開(kāi)發(fā)，CCD探測(cè)器的設(shè)備驅(qū)動(dòng)、控制和信號(hào)數(shù)據(jù)的交互通過(guò)EPICS IOC上areaDetector程序模塊控制，圖像在OPI上用MATLAB進(jìn)行處理，軟件結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。運(yùn)行人員對(duì)設(shè)備的控制通過(guò) MEDM 控制面板對(duì)底層IOC數(shù)據(jù)記錄的操作來(lái)實(shí)現(xiàn)。上層應(yīng)用程序如光斑的處理都在MATLAB平臺(tái)上開(kāi)發(fā)，通過(guò)LabCA接口訪問(wèn)底層IOC數(shù)據(jù)[4]。

圖2 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Architecture of software.

2 軟件的功能和圖像處理

在EPICS平臺(tái)上把從CCD探測(cè)器中獲取的圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn) EPICS數(shù)據(jù)格式，然后用MATLAB讀取圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。讀取的是 255級(jí)的灰度級(jí)圖像，每幅圖像有2050×2448個(gè)像素，光斑上每一點(diǎn)的強(qiáng)度用該點(diǎn)的灰度值表示。整幅圖像以*.BMP格式的文件儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)中。通過(guò)處理圖像數(shù)據(jù)，可計(jì)算出束線截面強(qiáng)度中心的位置、束線截面長(zhǎng)短軸等。

2.1 軟件的主要功能

根據(jù)測(cè)量系統(tǒng)的要求，束線位置測(cè)量系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了如下功能，功能的實(shí)現(xiàn)主要依賴于圖像處理的效果。

(1) 實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地顯示束線截面圖像(理想情況下為橢圓亮斑)，刷新頻率為15幀/s。

(2) 能隨時(shí)捕獲欲處理的圖像，以*.BMP文件格式存儲(chǔ)。

(3) 由于圖像數(shù)據(jù)信息過(guò)大，為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性，只處理圖像感興趣的部分。

(4) 擬合出光斑在X和Y方向上的強(qiáng)度分布曲線，理想情況下為高斯分布。

(5) 計(jì)算出光斑強(qiáng)度中心點(diǎn)的位置及光斑長(zhǎng)短軸等。

(6) 根據(jù)EPICS分布式系統(tǒng)的特性，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)測(cè)量功能，即一臺(tái)服務(wù)器負(fù)責(zé) CCD相機(jī)的控制和圖像采集，把中控室中的計(jì)算機(jī)作為客戶機(jī)，通過(guò)以太網(wǎng)連接到服務(wù)器，這樣可以在中控室的任何一臺(tái)終端上實(shí)現(xiàn)束線位置的測(cè)量。

2.2 束線光斑圖像處理

2.2.1 噪聲處理

圖像本身會(huì)帶有很多噪聲，如背景噪聲、電子學(xué)系統(tǒng)噪聲等，所以需對(duì)采集到的圖像進(jìn)行本底噪聲扣除。因此，在無(wú)信號(hào)時(shí)，采集一幀熒光靶上的圖像作為本底，從獲得的光斑圖像中減去本底中相對(duì)應(yīng)各點(diǎn)的灰度值，即可得到去除本底噪聲的圖像數(shù)據(jù)。

另外，為減小圖像噪聲的影響，對(duì)圖像進(jìn)行平滑處理。如圖3所示，選擇5×5的區(qū)域，包含點(diǎn)(i,j)的五邊形、六邊形各4個(gè)(圖3a和b)，3×3的區(qū)域一個(gè)(圖3c)。計(jì)算這9個(gè)區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)差和灰度平均值，取標(biāo)準(zhǔn)差最小區(qū)域的灰度平均值作為(i,j)灰度。以此為模板對(duì)整幅圖像進(jìn)行處理，得到濾波后的輸出圖像[5]。

圖3 圖像平滑處理算法示意圖Fig.3 Schematics for image smooth processing.

2.2.2 光斑中心定位算法

為提高測(cè)量系統(tǒng)的精度，可以從硬件入手，如選用高分辨率CCD。在已知硬件精度情況下，利用目標(biāo)的成像特性，采用亞像素定位技術(shù)提高測(cè)量定位的精度。這里采用基于灰度重心法的曲線擬合亞像素定位算法。

先利用灰度重心法找到圖像重心位置：

式中，f(x,y)為圖像的灰度值，x和y分別表示列坐標(biāo)和行坐標(biāo)。找到圖像重心位置后，以該像素點(diǎn)為中心點(diǎn)對(duì)水平方向和垂直方向進(jìn)行曲線擬合。以水平方向?yàn)槔O(shè)二次曲線為：

其中，g(x,y)表示此方向的光強(qiáng)分布，由CCD方形孔采樣定理[6]，每個(gè)像素的輸出灰度值為：

通過(guò)重心法求出坐標(biāo)(x0,y0)。令該像素點(diǎn)灰度值為f0x，以該點(diǎn)為中心點(diǎn)，前后各取一個(gè)像素點(diǎn)，記為f?1x和f1x。根據(jù)f?1x、f0x和f1x的值，代入式(4)，得到關(guān)于二次曲線參數(shù)A、B、C的三元一次方程組：

對(duì)公式(5)(6)(7)聯(lián)合求解，計(jì)算出二次曲線的參數(shù)A、B、C值：

因此，得到水平方向相對(duì)于重心點(diǎn)的亞像素中心為：

則水平方向中心點(diǎn)的絕對(duì)位置坐標(biāo)為：

同理，按照上述方法求出垂直方向的亞像素中心為：

2.2.3 光斑的長(zhǎng)短軸

由于光斑圖形是類橢圓圖像，需對(duì)光斑圖像進(jìn)行慣量橢圓計(jì)算[7]。把光斑圖像的每一個(gè)像素視為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，各質(zhì)點(diǎn)質(zhì)量均為 1，首先計(jì)算光斑圖像的重心，以其為圖像坐標(biāo)系的原點(diǎn)O。按照線性代數(shù)中求特征值方法，確定橢圓二主軸的斜率分別為k和l，可得：

進(jìn)一步解得慣量橢圓的2個(gè)半主軸長(zhǎng)p和q分別為：

式中，A=∑yi2、B=∑xi2分別為圖像繞x’、y’軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，H=∑xiyi，稱作慣性積。

2.3 軟件的設(shè)計(jì)

在上海同步輻射光源基于EPICS的分布式控制系統(tǒng)總原則下，光斑位置測(cè)量系統(tǒng)探測(cè)器的控制和圖像采集也用 EPICS來(lái)實(shí)現(xiàn)。EPICS系統(tǒng)包括軟IOC、OPI以及在兩者間提供通道訪問(wèn)的數(shù)據(jù)交換模塊。EPICS采用分層結(jié)構(gòu)，每一層相對(duì)獨(dú)立，訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)記錄不需要知道具體的記錄類型和設(shè)備名，只需知道通道名即可訪問(wèn)。因此，數(shù)字圖像信號(hào)由以太網(wǎng)傳輸?shù)杰汭OC中，由areaDetector應(yīng)用程序模塊轉(zhuǎn)換成 EPICS數(shù)據(jù)格式，通過(guò) Channel Access與上層OPI層通信，表1是測(cè)量系統(tǒng)用到的記錄。

表1 測(cè)量系統(tǒng)記錄Table 1 Measurement system records.

采用MATLAB R2007編寫(xiě)束線位置測(cè)量系統(tǒng)圖像處理程序，它是一種功能強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算、分析和系統(tǒng)建模工具，具有高效的數(shù)值計(jì)算和符號(hào)計(jì)算功能、完備的圖形處理功能以及功能豐富的應(yīng)用工具箱等特點(diǎn)。由 MATLAB與 EPICS數(shù)據(jù)接口LabCA，使 MATLAB實(shí)現(xiàn)圖像的讀取、處理、顯示和數(shù)據(jù)的存檔。程序功能模塊分別用于設(shè)備驅(qū)動(dòng)和控制、圖像獲取和保存、圖像分析處理和顯示，前兩個(gè)模塊于IOC中運(yùn)行，第三個(gè)模塊在OPI中運(yùn)行，這便于程序的維護(hù)和更新，同時(shí)，程序具有友好的用戶界面，顯示信息直觀、明了。

圖4、5為上海光源BL16B1光束線站測(cè)試的光束線位置測(cè)量結(jié)果，結(jié)果顯示光斑面積為 882.29 μm2，中心點(diǎn)位置0.204、0.353 mm。圖6是每隔一秒采樣結(jié)果統(tǒng)計(jì)的光斑位置波動(dòng)圖，由圖6可見(jiàn)光斑抖動(dòng)范圍≤±10 μm可供調(diào)束參考。

光斑中心定位采用亞像素曲線擬合方法，通過(guò)MATLAB程序隨機(jī)產(chǎn)生一組大小約400×400像素，具有不同形狀、灰度值和中心位置的光斑模擬實(shí)際應(yīng)用中遇到的各種采集結(jié)果，然后用曲線擬合法求取光斑的中心坐標(biāo)，可得曲線擬合定位精度0.2像素，即0.2×1.4 μm=0.28 μm，軟件功能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，可直觀、可靠和實(shí)時(shí)地獲取全光斑信息，用于監(jiān)測(cè)光束的位置和分布變化。

圖4 圖像處理軟件主要界面Fig.4 The main interface for image processing.

圖5 光斑強(qiáng)度空間分布界面Fig.5 The interface of flare intensity spatial distribution.

圖6 光斑中心位置波動(dòng)圖Fig.6 Center position movement.

3 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了基于EPICS環(huán)境下建立的光學(xué)式同步輻射光束線位置測(cè)量系統(tǒng)的圖像處理方法和軟件系統(tǒng)功能及設(shè)計(jì)。目前，已在上海光源光束線站上安裝調(diào)試，并實(shí)時(shí)測(cè)量束線光斑的變化，對(duì)光束線的位置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。為線站基于 EPICS光學(xué)式

BPM的開(kāi)發(fā)積累了經(jīng)驗(yàn)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)BPM的控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、顯示和存檔。

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