一种冰芯光学特性重构仪及方法与流程

本发明涉及光学领域，特别是涉及一种冰芯光学特性重构仪及方法。

背景技术：

目前，国外已经研制出多套冰芯光学测定仪。日本在2003年就已经研制出了一套冰芯光学测定仪，该冰芯光学测定仪被应用于domefujiicecoreprojectii。该光学测定仪的扫描速度在5mm/s左右，测量的冰芯样品长度1.5米，整条冰芯扫描下来用时6分钟左右。美国国家冰芯实验室在2007年也研制出了一套冰芯光学测定仪。该冰芯光学测定仪的扫描分辨率为0.05mm到1mm。具有自动光学图像采集和数据处理的功能。然而，这些设备不能够抵抗极地的恶劣环境，只能在实验室使用。无法让科研人员在第一时间保存冰芯的原始信息。

国内光学影相技术研究在极地科研领域起步较晚。国内的光学影像仪应用于冰芯检测领域几乎没有成熟产品，而且目前的冰芯光学测定仪不能够抵抗极地的恶劣环境，只能在实验室使用，无法让科研人员在第一时间保存冰芯的原始信息。

技术实现要素：

基于此，本发明提供了一种冰芯光学特性重构仪，包括电源、主控机、电机驱动器、步进电机、工业相机、图像处理器、光学分析器、恒温箱和发光台，其中，所述电源为所述主控机、电机驱动器、恒温箱和发光台供电；所述主控机控制工业相机对冰芯拍摄照片和向电机驱动器发送运动指令；所述发光台对工业相机拍摄冰芯照片时对冰芯照射；所述电机驱动器根据接收到的运动指令对步进电机的前进、后退和停止进行控制，从而实现对工业相机拍摄位置的控制；所述工业相机、图像处理器和光学分析器依次连接，对工业相机拍摄到的冰芯照片进行图像拼接及光学分析。

优选地，还包括工作台，所述工作台上设置电机滑轨，为所述步进电机提供运动线路，所述发光台、工业相机和恒温箱也设置在所述工作台上。

优选地，所述发光台包括led组。

优选地，所述恒温箱为智能变频恒温箱，所述工业相机和电机驱动器均装在所述恒温箱中。

优选地，所述步进电机为开环工作方式，运动距离为6cm、12cm和16cm，运动速度为0.06m/s。

基于上述目的，本发明还提供了一种冰芯光学特性重构方法，包括以下步骤：

主控机向电机驱动器发送运动指令，使步进电机运动，从而使装载在步进电机上的工业相机运动，到设定位置对冰芯拍照；

在冰芯不同位置拍摄6-8张照片，步进电机运动距离12.5cm完成后，步进电机与工业相机返回初始位置；

对拍摄的6-8张冰芯照片进行图像拼接，得到冰芯全景图；

对冰芯全景图进行光学分析。

优选地，所述步进电机运动速度为0.06m/s。

优选地，所述工业相机对冰芯拍照时，有发光台对冰芯进行照射。

优选地，所述图像拼接包括以下步骤：

图像预处理，将冰芯照片进行非线性拉伸，重新分配像素值，使一定灰度范围内的像素数量大致相同，增强局部对比度；

图像匹配区域定位，选择前后照片的40％区域作为图像匹配区域，在相似区域内进行特征点的提取和配准；

图像特征提取，若某像素与其周围邻域内足够多的像素点相差较大，确定该像素为角点；

图像特征匹配，以两个特征点描述符之间的欧氏距离作为特征点匹配的相似度准则，对特征点的欧氏距离最近和次近的两个特征点计算欧氏距离的比值，若小于规定阈值则匹配成功；

图像融合，采用加权平均融合进行图像平滑过渡后无缝拼接。

优选地，所述光学分析，把同一位置的所有像素点的灰度值累加起来计算其平均值，不同的位置代表不同的年代，以此绘制年代-灰度曲线，分析出冰芯的透光度、冰晶体性质。

本发明有益效果至少包括：实现了光学扫描、重建冰芯全景和光学分析的功能。本发明全程自动控制，有效减轻了科研人员的负担；重建后的冰芯全景图分辨率高达7200×1080像素，有效保存了冰芯的细节信息；绘制的距离-灰度值曲线图可以帮助科研人员快速定位冰芯的特征区域。工作稳定可靠，满足科研工作的要求，为冰芯科研工作提供一种便捷高效的现场分析工具。

附图说明

图1为本发明实施例1的冰芯光学特性重构仪的原理框图；

图2为本发明方法实施例1的冰芯光学特性重构方法的步骤流程图；

图3为本发明方法实施例2的冰芯光学特性重构方法的步骤流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1，提供一种冰芯光学特性重构仪的原理框图，电源10、主控机20、电机驱动器30、步进电机40、工业相机50、图像处理器60、光学分析器70、恒温箱90和发光台80，其中，所述电源10为所述主控机20、电机驱动器30、恒温箱90和发光台80供电；所述主控机20控制工业相机50对冰芯拍摄照片和向电机驱动器30发送运动指令；所述发光台80对工业相机50拍摄冰芯照片时对冰芯照射；所述电机驱动器30根据接收到的运动指令对步进电机40的前进、后退和停止进行控制，从而实现对工业相机50拍摄位置的控制；所述工业相机50、图像处理器60和光学分析器70依次连接，对工业相机50拍摄到的冰芯照片进行图像拼接及光学分析。

具体实施例中，还包括工作台，所述工作台上设置电机滑轨，为所述步进电机40提供运动线路，所述发光台80、工业相机50和恒温箱90也设置在所述工作台上。

发光台80包括led组；恒温箱90为智能变频恒温箱90，所述工业相机50和电机驱动器30均装在所述恒温箱90中；步进电机40为开环工作方式，运动距离为6cm、12cm和16cm，为了满足前后两张冰芯照片图像匹配的重叠率，最佳运动距离为12.5cm，为了避免步进电机40急停时工业相机50抖动剧烈，使照片模糊，甚至损坏工业相机50的情况，同时考虑拍摄时间不能过长，设定运动速度为0.06m/s。

当上述冰芯光学特性重构仪工作时，将冰芯放置在发光台80上，按下发光台80开关，则发光台80内部的led组发光，将冰芯照亮至几乎透明主控机20向电机驱动器30发出前进指令，电机驱动器30控制步进电机40正转，带动装载在其上的工业相机50前进，每前进1.5-2cm对冰芯进行拍照，如此获得6-8幅冰芯照片后，完成对冰芯的拍摄。完成摄像后将拍摄照片传输给图像处理器60，图像处理器60对多幅冰芯照片进行全景拼接得到完整的冰芯照片，最后光学分析器70对其进行光学分析得到冰芯透光度、冰晶体性质和冰芯距离-灰度值曲线图等相应光学特性数据，以供科研人员进行更深入的研究和分析。

参见图2为本发明方法实施例1的步骤流程图，包括以下步骤：

s10，主控机向电机驱动器发送运动指令，使步进电机运动，从而使装载在步进电机上的工业相机运动，到设定位置对冰芯拍照；

s20，在冰芯不同位置拍摄6-8张照片，步进电机运动距离12.5cm完成后，步进电机与工业相机返回初始位置；

s30，对拍摄的6-8张冰芯照片进行图像拼接，得到冰芯全景图；

s40，对冰芯全景图进行光学分析。

参见图3位本发明方法实施例2的步骤流程图，包括以下步骤：

s10，主控机向电机驱动器发送运动指令，使步进电机运动，从而使装载在步进电机上的工业相机运动，到设定位置对冰芯拍照；

s20，在冰芯不同位置拍摄6-8张照片，步进电机运动距离12.5cm完成后，步进电机与工业相机返回初始位置；

s301，图像预处理，将冰芯照片进行非线性拉伸，重新分配像素值，使一定灰度范围内的像素数量大致相同，增强局部对比度；

s302，图像匹配区域定位，选择前后照片的40％区域作为图像匹配区域，在相似区域内进行特征点的提取和配准；

s303，图像特征提取，若某像素与其周围邻域内足够多的像素点相差较大，确定该像素为角点；

s304，图像特征匹配，以两个特征点描述符之间的欧氏距离作为特征点匹配的相似度准则，对特征点的欧氏距离最近和次近的两个特征点计算欧氏距离的比值，若小于规定阈值则匹配成功；

s305，图像融合，采用加权平均融合进行图像平滑过渡后无缝拼接。

s40，对冰芯全景图进行光学分析。

具体实施例中与前述系统实施例重复部分不予赘述，对s30图像拼接重点阐述，图像拼接是将同一冰芯的多幅相互重叠区域拼接成一幅全景图像，因南极冰芯一般长达1米，获得一幅全景图像很难。如果扩大图像采集设备的视场角，会导致图像有很大的畸变，同时分辨率没有提高。为了解决这个问题，办发明采用图像拼接的方法，对采集到的图像，采用适当的匹配算法，完成对多幅图像的无缝拼接，以生成全视角的高清晰图像。根据图像匹配算法的不同，一般将图像拼接方法分为以下两种类型：

(1)基于区域相关的拼接方法

基于区域的配准方法是从待拼接图像的灰度值出发，对待配准图像中的一块区域与参考图像中的相同尺寸的区域使用最小二乘法或者其他数学方法计算其灰度值差异，对此差异比较后来判断待拼接图像重叠区域的范围和位置，从而实现图像拼接。

(2)基于特征点的拼接方法

基于特征点的配准方法是通过像素导出图像特征，然后以图像特征为标准，对图像重叠部分的对应特征区域进行搜索匹配，改拼接算法具有比较高的健壮性和鲁棒性。

由于冰芯高透光的特点，拍摄出的照片存在灰度值差异不大，特征点稀少的问题。因此，基于区域相关的匹配算法实际上很难实现。本发明具体实施例中采用在冰芯的轨道上增加特征条的方法，成功将图像的特征点提高了2个数量级。采用基于特征点的拼接算法成功率高、效果好。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。