基于顯微光學(xué)成像的微細(xì)纖維測量識(shí)別系統(tǒng)光源優(yōu)化研究

鄭之遠(yuǎn)，俞曉磊，2，劉振魯，趙志敏

(1.南京航空航天大學(xué)，江蘇 南京 210016；2.江蘇省質(zhì)量與標(biāo)準(zhǔn)化研究院，江蘇 南京 210029)

1 引 言

微納米纖維測量識(shí)別與評(píng)價(jià)近年來越來越受到重視，評(píng)價(jià)纖維的一個(gè)重要參數(shù)就是纖維直徑。微細(xì)纖維直徑相當(dāng)于紡織材料的線密度，是纖維重要的幾何參數(shù)。纖維直徑與紡織品的手感、用途、風(fēng)格以及紗線和織物的加工過程有密切關(guān)系。因此快速、準(zhǔn)確地測量纖維直徑進(jìn)行纖維的等級(jí)識(shí)別對工業(yè)生產(chǎn)和人類生活具有重要意義。提高纖維檢測系統(tǒng)的成像質(zhì)量就變得極其重要[1]。在顯微光學(xué)成像纖維測量識(shí)別系統(tǒng)中，對系統(tǒng)檢測圖像質(zhì)量影響識(shí)別最大的問題是光源，由于檢測微納米纖維本身的光學(xué)特性不同，在檢測不同種類的微納米纖維時(shí)應(yīng)該選用不同的光源進(jìn)行照明。光源在針對每個(gè)應(yīng)用實(shí)例，使用相應(yīng)的照明裝置，使圖像信息凸現(xiàn)，降低圖像處理算法分割和識(shí)別的難度，提高系統(tǒng)的定位，測量精度，使系統(tǒng)的可靠性和綜合性能得到最佳效果。

系統(tǒng)光源需要根據(jù)樣品本身特性，以及需要達(dá)到預(yù)期的效果進(jìn)行選擇。LED是一種新興的半導(dǎo)體固態(tài)的照明光源，目前已經(jīng)逐步取代傳統(tǒng)光源并廣泛應(yīng)用于通用照明、道路照明以及各類特種照明領(lǐng)域。單個(gè)LED光源發(fā)光功率有限，在照射面的光照度分布不均，不能達(dá)到預(yù)期的效果，LED陣列光源可以有效解決這些問題[2～6]。陣列的排列方式有很多，不同種類的LED陣列排列方式有不同的照明效果。最優(yōu)的LED陣列光源保證了系統(tǒng)檢測出纖維圖像的質(zhì)量，使樣品本身與背景均勻細(xì)節(jié)清晰，提高了測量精度，對纖維的級(jí)別識(shí)別有重要的應(yīng)用意義。

目前，已有不少對陣列光源的研究。胡海蕾等[7]以及霍彥明等[8]均對該領(lǐng)域做了初步的研究探索；Moreno等[9]通過理論分析和仿真了不同結(jié)構(gòu)的LED陣列，得到LED光源分布特征；趙芝璞等[10]提出基于PSO算法的照度分布均勻的陣列光源設(shè)計(jì)；劉沁等[11]對LED圓形陣列照度受各種因素的影響做了比較詳盡的分析。然而大多數(shù)研究只是停留在理論上，沒有將LED陣列光源的優(yōu)化與實(shí)際檢測圖像系統(tǒng)相結(jié)合進(jìn)行研究。

根據(jù)目前研究現(xiàn)狀，本文針對微納米纖維測量識(shí)別的不足，開展基于顯微光學(xué)成像的纖維測量與識(shí)別系統(tǒng)光源優(yōu)化研究，提出系統(tǒng)的照明光源優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，并以實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，給出優(yōu)化結(jié)果，為微細(xì)纖維測量與識(shí)別研究提供了新的途徑。

2 纖維測量識(shí)別技術(shù)

纖維的識(shí)別方法隨著其他領(lǐng)域(如光學(xué)、力學(xué)、電子學(xué)、熱學(xué)等)的技術(shù)進(jìn)步而不斷發(fā)展。早在1932年國外就開始了纖維細(xì)度檢測識(shí)別的研究，而國內(nèi)在這個(gè)領(lǐng)域的研究起步較晚，高精度檢測基本依靠國外進(jìn)口的儀器。纖維細(xì)度檢測識(shí)別的基本方法主要可分為直接檢測法與間接檢測法。其中直接法的代表方法有纖維顯微投影法、光學(xué)纖維直徑分析儀(OFDA，optical fibre diameter analyzer)法、賽洛蘭激光細(xì)度儀(Siro Lan-laser scan)法和單纖維分析儀(single fibre analyzer)輪廓掃描法等；直接法具有直觀、精度高的特點(diǎn)，不僅能獲得纖維的直徑平均值、極值、離散值以及分布曲線，還能得到卷曲率和髓腔毛含量等參數(shù)。間接法的代表是氣流儀法和聲測量法，具有快速高效的特點(diǎn)，但是不能反映纖維直徑分布。直接測量法大多為破壞性和離線測量，而間接法大多為非破壞性測量并能在線測量。目前較為常用的纖維細(xì)度檢測方法是顯微投影法和光學(xué)纖維直徑分析法[12～15]。

本文設(shè)計(jì)基于顯微光學(xué)系統(tǒng)的纖維細(xì)度測量識(shí)別方法，通過對光源優(yōu)化方法進(jìn)行優(yōu)化選擇，選出最優(yōu)照射光源及照明方式，提高系統(tǒng)檢測質(zhì)量與準(zhǔn)確率便于對纖維等級(jí)的識(shí)別，降低后期圖像處理算法的分割對纖維圖像處理的誤差，可提高纖維測量與識(shí)別精度。

3 顯微光學(xué)成像的微細(xì)纖維測量識(shí)別系統(tǒng)

根據(jù)被測對象為微納米級(jí)纖維細(xì)徑，提出和設(shè)計(jì)基于顯微光學(xué)成像的纖維細(xì)徑檢測識(shí)別系統(tǒng)并且進(jìn)行研究。設(shè)計(jì)和搭建的測量識(shí)別系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括：光源、顯微光學(xué)放大模塊、信號(hào)處理模塊、顯示模塊。在光源的照射下，反射光傳入顯微鏡的光學(xué)放大模塊；使用CCD(光電轉(zhuǎn)換器件)將顯微放大后的光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；最后經(jīng)過圖像采集卡將纖維數(shù)字圖像傳送至計(jì)算機(jī)主機(jī)中，將測量的結(jié)果送至顯示器上顯示。該系統(tǒng)的搭建可以實(shí)現(xiàn)微納米及單絲纖維細(xì)經(jīng)測量的實(shí)時(shí)顯示及直徑測量通過評(píng)判直徑參數(shù)進(jìn)行纖維的等級(jí)識(shí)別。

圖1 基于顯微光學(xué)成像纖維細(xì)徑測量系統(tǒng)示意圖

系統(tǒng)在檢測纖維圖像時(shí)，系統(tǒng)照明光源對系統(tǒng)檢測圖像的質(zhì)量影響很大。系統(tǒng)的優(yōu)化光源采用LED光源，此種光源具有體積小、壽命長、效率高等優(yōu)點(diǎn)，可連續(xù)使用長達(dá)10萬個(gè)小時(shí)，LED光源應(yīng)用在照明領(lǐng)域已成為主流。但單個(gè)LED光源發(fā)光功率有限，在照射面的光照度分布不均，不能達(dá)到預(yù)期的效果，將多個(gè)LED進(jìn)行組合優(yōu)化(LED平面陣列)成為了系統(tǒng)光源優(yōu)化選擇的方向。優(yōu)化光源照明可以使顯微光學(xué)纖維測量系統(tǒng)采集高質(zhì)量微納米級(jí)動(dòng)植物纖維(羊毛或棉花)的圖像。本文提出采用矩形LED陣列、環(huán)形LED陣列以及線形LED陣列等幾種常見的LED陣列光源進(jìn)行對比優(yōu)化與驗(yàn)證，仿真給出LED陣列的特性。通過分析每種照明陣列的特性，以及系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)對比驗(yàn)證，給出最優(yōu)系統(tǒng)照明優(yōu)化結(jié)果。

4 不同LED陣列照明優(yōu)化的理論與模型仿真

4.1 LED光照度計(jì)算

通常情況下，LED單元所照射的目標(biāo)距離比起自身直徑要大得多，因此可以將LED單元簡化為一個(gè)有一定空間光強(qiáng)分布的點(diǎn)光源。LED出射的光服從朗伯特定律，藍(lán)光LED芯片的出光亦符合朗伯特定律[2]，即：

I(θ)=I0cosmθ

(1)

式中：θ是出光方向與和軸向之間的夾角；I0為θ=0°方向時(shí)的光強(qiáng)值；m值與半角θ1/2有關(guān)(一般由生產(chǎn)商提供)，其公式為：

(2)

則在LED面板上的點(diǎn)(x0，y0，z0)處排布的單顆LED芯片在樣品平面上點(diǎn)(x，y，z)，z=0處產(chǎn)生的光照強(qiáng)度為[3，4]：

(3)

因此，LED面板上面的n個(gè)LED芯片在樣品板平面上點(diǎn)(x，y，z)，z=0處產(chǎn)生光照度為：

(4)

由于LED是非相干光源，2個(gè)LED在樣品面上的光照度為其單個(gè)光照度的線性疊加。兩個(gè)LED光源的照度表達(dá)式為：

(5)

式中d為兩個(gè)LED之間的距離。

在x=0，y=0處，令?2E/?x2=0，可以得到陣列的最大平坦度條件為：

(6)

4.2 LED平面陣列研究與仿真

由于單個(gè)的LED不能滿足不同功能的需求。要達(dá)到系統(tǒng)采集圖像的預(yù)期效果，需要對多個(gè)LED光源進(jìn)行組合排列來滿足系統(tǒng)光源的要求。系統(tǒng)采集高質(zhì)量的微納米級(jí)纖維圖像是為了后期進(jìn)行圖像算法分割，進(jìn)行纖維直徑的測量。因此，整個(gè)圖片的背景噪聲越均勻、信噪比越高，圖像處理算法就能避免樣本主體的損失，并且把樣品與背景均勻的分離出來，這樣就會(huì)提高整個(gè)系統(tǒng)測量樣品直徑的準(zhǔn)確率為達(dá)到實(shí)驗(yàn)預(yù)期效果，主要采用3種形狀的LED陣列: 矩形LED陣列、圓形LED陣列以及線形LED平面陣列結(jié)構(gòu)。3種LED陣列結(jié)構(gòu)圖分別如圖2、圖3和圖4所示。

圖2 LED矩形陣列結(jié)構(gòu)圖

圖3 LED環(huán)形陣列結(jié)構(gòu)圖

圖4 LED線形陣列結(jié)構(gòu)圖

在3種類型的平面LED陣列設(shè)計(jì)中，使用相同的小功率的LED光源，其半光強(qiáng)角度為7.5°，根據(jù)式(2)可以得出m=81，且光源平面與樣品平面的距離z是100 mm，d為兩個(gè)LED單元的最優(yōu)間距。LED光源是非相干光源，所以LED陣列光照度等于每個(gè)光源照度的線性相加。

4.2.1 矩形LED平面陣列

從LED陣列應(yīng)用的范圍上來講，矩形LED陣列的用途最為廣泛，矩形LED平面陣列在一個(gè)照射面的光照度分布表達(dá)公式如下所示：

(M+1-2i)(d/2)]2+[y-

(N+1-2j)(d/2)]2+z2}-(m+2)/2

(7)

在優(yōu)化LED平面陣列之前，必須要考慮LED之間的最優(yōu)間距d，本文采用對E進(jìn)行二次微分，在x=0，y=0處，令?2E/?x2=0，就可以得到陣列的最大平坦度條件下d的取值。如圖2所示采用4×4(M×N)的矩形陣列，z=100 mm、m=81的條件下d=0.017 5 m。利用matlab2017軟件進(jìn)行樣品面的光源照度仿真，為了使仿真的結(jié)果更加可靠，仿真參數(shù)與實(shí)際實(shí)驗(yàn)參數(shù)保持一致。仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5(a)和(b)分別為仿真模擬得到的矩形陣列照度二維和三維分布圖。定義照度均勻度為φ，φ=Emin/Eave。從圖中可以看出，在-20 mm到20 mm的范圍內(nèi)，通過matlab軟件計(jì)算在這個(gè)范圍內(nèi)的光照度均勻度92.97%，照度分布非常均勻，在-30 mm到30 mm的范圍內(nèi)，光照度均勻度為83.58%，照度下降不是很明顯；在-35 mm到35 mm范圍內(nèi)，均勻度為65.69%，光照度均勻度下降明顯。因此，將待測微納米級(jí)纖維標(biāo)簽放置于-30 mm到30 mm范圍內(nèi)，可以得到均勻光照，光強(qiáng)適中，系統(tǒng)圖像采集質(zhì)量理論上相對較好，但之外的區(qū)域光強(qiáng)則下降迅速，不再適合作為照明范圍。

4.2.2 環(huán)形LED平面陣列

在機(jī)器視覺中最常用的就是環(huán)形LED平面陣列。LED環(huán)形陣列是由不同半徑的同心環(huán)構(gòu)成的，設(shè)環(huán)的個(gè)數(shù)為M，第i個(gè)圓環(huán)的半徑為ρi，則每環(huán)有Ni個(gè)LED單元構(gòu)成(其中i=1，…，M；Ni≥3)，則此陣列在目標(biāo)照射面上的光照度E為所有環(huán)上LED單元照度值的線性疊加。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。本文采用兩個(gè)環(huán)的陣列結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。每個(gè)環(huán)上各有8個(gè)LED單元。環(huán)形陣列在樣品面的理論照度可以用下面的表達(dá)式表示為：

(8)

圖5 矩形LED平面陣列光照度仿真結(jié)果

第一個(gè)環(huán)的半徑r1在最大的平坦條件下的最優(yōu)半徑可以使在x=0，y=0處，令?2E/?x2=0求得：

(9)

本陣列采用的兩個(gè)環(huán)上的LED個(gè)數(shù)一樣，如圖3所示排列，根據(jù)公式(6)，d=Dmax可求得在最大平坦條件下r2=r1+Dmax，代入相應(yīng)的數(shù)值參數(shù)得出r1=15.49 mm，r2=37.4 mm。利用matlab2017軟件進(jìn)行樣品面的光源照度仿真，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 環(huán)形LED平面陣列光照度仿真結(jié)果

圖6(a)和(b)分別為仿真模擬得到的環(huán)形陣列照度二維和三維分布圖。從圖可以看出，在-15 mm到15 mm的范圍內(nèi)，光照度均勻度為92.75%，照度分布非常均勻；在-20 mm到20 mm的范圍內(nèi)，光照度均勻度為82.61%，照度下降不是很明顯；在-25 mm到25 mm范圍內(nèi)，均勻度為69.78%，光照度均勻度下降明顯。因此，將待測微納米級(jí)纖維標(biāo)簽放置于-20 mm到20 mm范圍內(nèi)，可以得到均勻光照，光強(qiáng)較高，但之外的區(qū)域光強(qiáng)則下降迅速，不再適合作為照明范圍。

4.2.3 線形LED平面陣列

在結(jié)構(gòu)照明中，最常用的LED平面陣列光源就是線形LED平面陣列。本文采用2×8(M×N)線形LED平面陣列，LED的照度分布為：

(d/2)]2+y2+z2}-(m+2)/2

(10)

在x=0，y=0處，令?2E/?x2求得最大平坦條件下的最優(yōu)間距d=0.013 5 m。利用matlab軟件進(jìn)行樣品面的光源照度仿真，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7(a)和圖7(b)分別為仿真模擬得到的線型陣列照度二維和三維分布圖。從圖(a)x軸方向的照度分布曲線中可以看出，在-40 mm到40 mm的范圍內(nèi)，光照度均勻度為92.04%，照度分布非常均勻；在-45 mm到45 mm的范圍內(nèi)，光照度均勻度為82.80%，照度下降不是很明顯；在-50 mm到50 mm范圍內(nèi)，均勻度為68.45%，光照度均勻度下降明顯。所以將待測微納米級(jí)纖維標(biāo)簽放置于-45 mm到45 mm范圍內(nèi)，可以得到均勻光照，光強(qiáng)較高，系統(tǒng)圖像采集質(zhì)量理論上較好，但之外的區(qū)域光強(qiáng)則下降迅速，不再適合作為照明范圍。在y軸方向，由于形狀的關(guān)系，從仿真圖中看出，照度范圍受很大影響，在這個(gè)方向上不適合作為照明。

圖7 線形LED平面陣列光照度仿真結(jié)果

通過對以上的3種LED平面陣列的選擇優(yōu)化，從光照度仿真圖的中心照度的大小來看，環(huán)形最高，其次為矩形，最低為線形；從光照度的最大均勻范圍可以看出，線形最廣，其次為矩形，最低為環(huán)形；矩形LED平面陣列無論是從照度的均勻范圍還是中心光照強(qiáng)度說都有著不錯(cuò)的仿真結(jié)果，應(yīng)用范圍較廣。環(huán)形LED平面陣列光照度的均勻范圍最小，但光照較強(qiáng)，適合對均勻范圍要求較小但對光強(qiáng)要求較高的場景。線形LED平面陣列從仿真結(jié)果來看，在特定的方向上范圍和光照度都表現(xiàn)的不錯(cuò)，但由于形狀的關(guān)系，不同的照明方向?qū)?shí)驗(yàn)結(jié)果影響較大，適合特殊形狀的照明。不同陣列的LED平面光源具有不同的特點(diǎn)。

5 LED平面陣列光源的優(yōu)化與驗(yàn)證

本文根據(jù)設(shè)計(jì)3種LED平面陣列光源仿真結(jié)，采用單個(gè)LED、矩形、環(huán)形以及線形LED平面陣列進(jìn)行的對比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)是基于顯微光學(xué)纖維測量識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，分別在4種光源的照射下，采集圖像進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)樣品采用動(dòng)、植物纖維(動(dòng)物纖維為羊毛,植物纖維為棉花)。將系統(tǒng)采集的纖維圖像進(jìn)行灰度化處理，得到的圖像如圖8和圖9所示。

圖8 LED照明羊毛纖維灰度化圖像

圖9 LED照明棉花纖維灰度化圖像

以下分析系統(tǒng)在4種照明方式下采集圖像的效果。從圖8(a)可以看出，單個(gè)LED照明情況下，系統(tǒng)采集的羊毛整個(gè)纖維圖像不僅亮度低，而且在整根纖維上存在亮度照明不均的情況，照明區(qū)域較小。從8(b)圖看出，矩形LED陣列照明情況下，系統(tǒng)采集的整個(gè)纖維圖像亮度適中，照明范圍廣，能將整根待測纖維全部照亮而且在整根待測纖維上。而且在整根纖維上亮度很均勻，很好的將纖維邊緣與背景區(qū)分開。從8(c)和(d)圖看出，環(huán)形LED陣列照明情況下系統(tǒng)采集的整個(gè)纖維圖像亮度高，但是在整根纖維上存在亮度照明不均的情況，照明區(qū)域較小。線型LED陣列照明情況下，系統(tǒng)采集的整個(gè)纖維圖像亮度較高，便于識(shí)別，照明范圍廣，能將整根待測纖維全部照亮但是在整根待測纖維樣品上亮度太高，導(dǎo)致邊緣不清晰。從圖9的各個(gè)系統(tǒng)檢測棉花纖維圖中得出的結(jié)論與圖8類似。綜合來看矩形陣列更適合作為系統(tǒng)的光源照明。系統(tǒng)實(shí)際的實(shí)驗(yàn)優(yōu)化結(jié)果也與仿真結(jié)果相符合。

為了進(jìn)一步證明光源優(yōu)化效果的可行性，利用圖像參數(shù)去評(píng)價(jià)在不同光源優(yōu)化下系統(tǒng)檢測的圖像質(zhì)量更為客觀。圖像參數(shù)中圖像參數(shù)峰值信噪比(PSNR)是表示信號(hào)最大可能功率和影響它的表示精度的破壞性噪聲功率的比值，PSNR是最普遍、最廣泛使用的評(píng)鑒畫質(zhì)的客觀量測法，一般來說信噪比越大圖像的主要信號(hào)在整張圖中所占的比重就越重，圖像的質(zhì)量就越好[16]。計(jì)算公式如下：

(11)

MSE為均方差，定義為：

(12)

表1為4種LED照明優(yōu)化下系統(tǒng)檢測的圖像參數(shù)結(jié)果。

表1 4種LED照明圖像參數(shù)PSNR

Tab.1 Four LED Illumination Image Parameters PSNR

種類單顆LED矩形陣列環(huán)形陣列線形陣列羊毛53.067.866.367.0棉花49.368.355.656.8

從表1的結(jié)果可以看出，無論是動(dòng)物纖維(羊毛)還是植物纖維(棉花)，單個(gè)LED照明相對后3種陣列的圖像參數(shù)數(shù)值較差，圖像模糊。雖然線形LED陣列照明與矩形LED陣列照明在圖像參數(shù)的數(shù)值上相差不大，但是由于形狀的關(guān)系，從仿真結(jié)果來看，只有在與光源擺列一致的方向上接受面有光照度分布，其他方向上光照度分布較弱，線形LED陣列在不同的照明方向?qū)y量結(jié)果影響很大，不宜作為系統(tǒng)的光源。

從圖像的觀感和理論的圖像參數(shù)綜合評(píng)判，矩形陣列更適合作為纖維測量系統(tǒng)的照明光源。

6 結(jié) 論

為提高系統(tǒng)采集的樣品圖像質(zhì)量，便于對纖維進(jìn)行級(jí)別識(shí)別，本文設(shè)計(jì)并搭建了顯微光學(xué)成像的微細(xì)纖維測量識(shí)別系統(tǒng)，對系統(tǒng)光源照明進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)LED光照度理論模型進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了3種LED平面陣列，并根據(jù)理論模型推導(dǎo)出3種陣列在樣品面光照度表達(dá)式以及最優(yōu)的LED間距，利用matlab軟件進(jìn)行光照度仿真。通過仿真結(jié)果分析與研究，選用矩形、環(huán)形以及線形LED平面陣列進(jìn)行纖維測量識(shí)別系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，從系統(tǒng)檢測圖像的視覺觀感和客觀的圖像質(zhì)量參數(shù)分析綜合評(píng)價(jià)與分析,LED平面陣列光源照明相比單個(gè)LED照明，纖維圖像的邊緣更加清晰，整個(gè)纖維的亮度更加均勻適中。在LED平面陣列照明光源中，相比LED線形以及環(huán)形陣列光源，LED矩形陣列光源能更加有效提高纖維圖像采集的質(zhì)量，使系統(tǒng)檢測的圖像亮度均勻，纖維的邊緣與背景能夠均勻清晰地分離出來。因此在基于顯微光學(xué)的纖維測量識(shí)別系統(tǒng)的光源優(yōu)化研究中，選用LED矩形陣列光源作為系統(tǒng)的最優(yōu)照明光源方式，可使系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)的纖維檢測效果。LED平面陣列光源在基于顯微光學(xué)纖維測量識(shí)別系統(tǒng)圖像采集中有重要的實(shí)用意義。