TWI461650B - 影像處理系統及其方法 - Google Patents
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Description
本發明係有關一種影像處理系統及其方法，詳而言之，係涉及一種應用於干涉圖樣之影像處理系統及其方法。
近年來，光學量測已成功發展出一些高效率的量測技術並廣泛運用到各種變形量測上，如骨頭、IC封裝、或薄膜變形等，其中，電子斑點干涉術(Electronic Speckle Pattern Interferometry；簡稱ESPI)可量測，待測物因壓力、溫度或應力所引起的面內與面外振動、待測物表面的起伏變化情形、以及待測物振動模態等。
當雷射光照射表面粗糙的待測物時，由於其凹凸不平的表面導致反射光因散射而在空間互相干涉進而在反射處形成複雜的光強分布，此即為斑點效應。此外，當待測物表面產生位移時，斑點之分佈情形亦隨之變化。因此，電子斑點干涉術係根據斑點的干涉原理，於待測物變形前後利用CCD擷取影像，再透過影像軟體疊像產生干涉現象，此干涉現象不僅記錄待測物反射光的振幅，同時也記錄了反射光的相位資料等。
再者，電子斑點干涉術為全域式量測技術，但量測結果往往由於雜訊，例如電子儀器、光學設備或機械擾動所產生之雜訊等，而導致影像品質降低，其中電子儀器所產生的為背景雜訊，此外，藉由雷射光和透鏡能減少光學設備所產生的雜訊，但關於機械擾動(一般是因為空氣擾動)則難以移除。
於習知技術中多利用相減法或平均法濾除雜訊以提升影像品質，然而，相減法可減少背景雜訊的影響但難以消除擾動雜訊，而平均法可消除擾動雜訊但仍殘留有背景雜訊。目前，尚未能提出一種能消除或降低背景雜訊和擾動雜訊之量測技術。
為解決前述習知技術之種種問題，本發明提供一種影像處理系統及其方法，用以降低影像的背景雜訊和擾動雜訊。
本發明之影像處理方法，係應用於干涉圖樣，該影像處理方法包括以下步驟：(1)利用感光元件對該干涉圖樣擷取不同曝光時間的影像序列，以使該感光元件之複數個像素點取得該干涉圖樣之光強度；(2)基於該曝光時間，計算各該像素點上的光強度平均值；以及(3)基於該影像序列的張數，對各該像素點上的光強度平均值執行標準差之運算，俾利用該標準差之運算結果消除該干涉圖樣的背景雜訊及擾動雜訊。此外，還可包括步驟(4)對各該像素點上之該標準差之運算結果執行頻率掃描，以取得該待測物之共振頻及對應該共振頻之干涉圖樣的影像。
本發明之影像處理系統，係應用於待測物之干涉圖樣，該影像處理系統係包括：感光元件，用以對該干涉圖樣擷取不同曝光時間的影像序列，以使所具有之複數個像素點取得該干涉圖樣之光強度；以及處理器，係連接該感光元件並取得該干涉圖樣之光強度，該處理器包括：時域平均模組，用以基於該曝光時間，計算各該像素點上的光強度平均值；及雜訊消除模組，用以基於該影像序列的影像張數，對各該像素點上的光強度平均值執行標準差之運算，俾利用該標準差之運算結果消除該干涉圖樣的背景雜訊及擾動雜訊。
於本發明之影像處理系統及其方法中，所述之干涉圖樣可由兩同調光同時照射一面內振動的待測物，該兩同調光所形成之斑點相互干涉而產生；或可由兩同調光分別照射一參考面和一面外振動的待測物，該兩同調光所形成之斑點相互干涉而產生。
此外，於該雜訊消除模組尚未執行標準差運算之前，各該像素點上的光強度平均值仍包括該擾動雜訊，且該擾動雜訊的發生機率可利用高斯分佈函數來估計。
相較於習知技術，本發明將時間域標準差(temporal standard deviation,TSTD)演算法應用在電子斑點干涉術上，可同時兼顧相減法與平均法之優點，更可降低空氣擾動雜訊和背景雜訊對電子斑點干涉術的影響，以獲得高解析度的干涉圖樣，提升影像品質。
以下藉由特定的具體實施形態說明本發明之實施方式，熟悉此技術之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本發明之其他優點與功效，亦可藉由其他不同的具體實施形態加以施行或應用。
第1A圖係概略繪示量測面內振動的待測物之光學架構圖，第1B圖係用以表示待測物的面內振動之示意圖，得藉由第1A圖所示之光學架構對第1B圖所示之待測物的干涉圖樣擷取不同曝光時間的影像序列。
待測物10，例如壓電片，可藉由函數波產生器11和功率放大器12而呈面內振動狀態，如第1B圖所示，面內振動包括U方向和V方向的位移。
光束發射器13發射同調光，例如氦-氖雷射，該同調光經分光器14分成兩束光，此兩束光分別由空間濾波器16a和16b濾除空間雜訊後，以等角度入射在待測物10的法線方向。而待測物10將該兩束光反射，以使該兩束光所形成的斑點相互干涉而產生干涉圖樣。
感光元件17放置於待測物10的法線方向上，以對該干涉圖樣擷取不同曝光時間的影像序列，使感光元件17的複數個像素點取得該干涉圖樣之光強度，並將該些光強度傳輸至處理器18及將所擷取之影像顯示在顯示器19上。於本光學架構中，圖式中處理器18為電腦，然亦可以其他任何具有運算功能之電子裝置代替，處理器18對該影像之影像處理係於後文敘述。
第2A圖係概略繪示量測面外振動的待測物之光學架構圖，第2B圖係用以表示待測物的面外振動之示意圖，得藉由第2A圖所示之光學架構對第2B圖所示之待測物的干涉圖樣擷取不同曝光時間的影像序列。
待測物的面外振動係如第2B圖所示，係在W方向的
位移，第2A圖與第1A圖之差異在於，同調光經反射器15反射及空間濾波器16消除空間雜訊後，分光器14’將該同調光分成兩束，一束光照射於待測物10上再反射回感光元件17(物光)，另一束光照射在參考板20上當作參考光，物光及參考光所形成的斑點相互干涉而產生干涉圖樣。感光元件17放置於待測物10的法線方向上，以對該干涉圖樣擷取不同曝光時間的影像序列，使感光元件17的複數個像素點取得該干涉圖樣之光強度，並將該些光強度傳輸至處理器18及將所擷取之影像顯示在顯示器19上。於本光學架構中，圖式中處理器18為電腦，然亦可以其他任何具有運算功能之電子裝置代替，處理器18對該影像之影像處理係於後文敘述。
需說明的是，本發明之影像處理系統及方法可用以針對面內振對、面外振動及整體振動等振動模式之待測物之干涉圖像進行影像處理，其中，面內振動為待測物平行於其水平面振動、面外振動為待測物垂直於其水平面振動。上述第1A和1B僅為舉例說明之光學架構，所屬技術中具有通常知識者應可針對所需量測的振動模式而改變光學架構。
第3圖係為本發明之影像處理系統之方塊圖。本發明之影像處理系統基本包括感光元件31和處理器32。
感光元件31可例如感光耦合元件(Charge-coupled Device,CCD)或互補式金氧半導體(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS)，用以對該干涉圖樣擷取不同曝光時間的影像序列，以使感光元件31的複數個像素點取得該干涉圖樣之光強度。換言之，感光元件31每隔一段時間(固定或非固定時段皆可)對待測物拍照，其中，該待測物可呈面內振動、面外振動或整體振動狀態，
則感光元件31的複數個像素點便取得該干涉圖樣的光強度，再將每一個像素點所取得之光強度的電荷信號傳輸至處理器32。
處理器32，係連接感光元件31並接收各該像素點所取得之干涉圖樣之光強度的電荷訊號。處理器32包括時域平均模組321和雜訊消除模組322。時域平均模組321，用以基於該曝光時間計算各該像素點上的光強度平均值。雜訊消除模組322，用以基於影像序列的影像張數對在各該像素點上的光強度平均值執行標準差之運算。因此，本發明之影像處理系統能利用標準差消除之干涉圖樣的背景雜訊及擾動雜訊，以增進影像品質。
以下係以第4圖所示之流程圖配合演算法來說明本發明之影像處理方法。
於步驟S301中，利用感光元件對待測物所產生之干涉圖樣擷取不同曝光時間的影像序列，則使感光元件之複數個像素點取得該干涉圖樣的光強度。
於步驟S302中，基於選定曝光時間(i τ)，計算各該像素點上的光強度平均值(I i
(x
,y
))。詳言之，兩同調光發生干涉後，干涉圖樣的光強度公式為：
其中，若考慮擾動所造成的雜訊，則於公式中增加ψ
(x
,y
,t
)，則干涉圖樣的光強度公式為：
則，各像素點的光強度時間平均值為：
其中，i
表示影像序列中的第i張影像，(x,y)表示一像素點，J 0
為零階貝索函數，Γ為靈敏度因子，(x
,y
)表示相位，A
(x
,y
)表示振幅。又，擾動雜訊ψ
(x
,y
,t
)發生的機率可以高斯分布函數來估計，因此，各像素點的光強度時間平均值為：
其中，I0
(x
,y
)+I R
(x
,y
)表示背景雜訊，ψ i
sinφ
(x
,y
)表示擾動雜訊。
於步驟S303中，基於影像序列的影像張數(n
)，對各該像素點上的光強度平均值執行標準差運算。光強度的標準差演算式為：
其中，為不包含時間的常數，亦即，該擾動雜訊於大量的影像序列時會收斂至常數，故可消除背景雜訊和擾動雜訊。
另外，在消除背景雜訊和擾動雜訊之後，計算在一特定振動頻率下該待測物所接收到的光強度，以對該待測物執行頻率掃描(frequency-sweeping)。可以下列演算法來表達：
其中L
和W
分別為該待測物的長和寬，ω
為特定頻率。
具體實施時，首先分別於每一特定頻率擷取例如50張影像序列，接著執行時域平均和標準差運算，並執行E
(ω
)運算以建立頻率掃描曲線，如第5圖所示，接著選擇相對應的影像。參閱第5圖，其顯示在各個特定頻率下之待測物所接收到的光強度之標準化，並繪示最適曲線(fitting curve)，由該最適曲線的轉折得知該待測物之共振頻率，例如約852Hz，且該共振頻之下，感光元件所取得之該待測物的干涉圖樣的影像品質係為較佳。
參閱第6A、6B及6C圖，其分別為利用平均法、相減法、標準差法之影像處理方法所擷取之影像。第6C圖相較於第6A和6B圖明顯地提升影像品質，平均法仍殘留有背景雜訊。相減法的演算式為：
其中相減法之結果仍殘留有擾動雜訊|ψ j
|-|ψ i
|。
綜上所述，本發明之影像處理系統及其方法，主要對干涉圖樣之不同曝光時間的影像序列執行時間平均運算和標準差運算，亦即時間域標準差演算法，以消除背景雜訊和空氣擾動，進而提升影像品質。此外，本發明除了量測壓電片的微小形變外，更可應用於壓電片之電極、壓電換能器、高頻振動元件之設計與開發。
上述實施形態僅例示性說明本發明之原理、特點及其功效，並非用以限制本發明之可實施範疇，任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施形態進行修飾與改變。任何運用本發明所揭示內容而完成之等效改變及修飾，均仍應為下述之申請專利範圍所涵蓋。因此，本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。
10．．．待測物
11．．．函數波產生器
12．．．功率放大器
13．．．光束發射器
14、14’．．．分光器
15．．．反射器
16、16a、16b．．．空間濾波器
17．．．感光元件
18．．．處理器
19．．．顯示器
20．．．參考板
31．．．感光元件
32．．．處理器
321．．．時域平均模組
322．．．雜訊消除模組
U、V、W．．．方向
S301~S303．．．步驟
第1A圖係概略繪示量測面內振動的待測物之光學架構圖；第1B圖係用以表示待測物的面內振動之示意圖：第2A圖係概略繪示量測面外振動的待測物之光學架構圖；第2B圖係用以表示待測物的面外振動之示意圖；第3圖係為本發明之影像處理系統之方塊圖；第4圖係為本發明之影像處理方法之流程圖；第5圖係為本發明之影像處理方法之執行頻率掃描之說明圖；以及
第6A至6C圖分別為利用平均演算法、相減演算法、標準差演算法之影像處理方法所擷取之影像。
S301~S303．．．步驟
Claims (10)
- 一種影像處理方法，係應用於干涉圖樣，該影像處理方法包括以下步驟：(1)利用感光元件對該干涉圖樣擷取不同曝光時間的影像序列，以使該感光元件之複數個像素點取得該干涉圖樣之光強度；(2)基於該曝光時間，計算各該像素點上的光強度平均值；以及(3)基於該影像序列的影像張數，對各該像素點上的光強度平均值執行標準差之運算，俾利用該標準差之運算結果消除該干涉圖樣的背景雜訊及擾動雜訊。
- 如申請專利範圍第1項所述之影像處理方法，其中，於步驟(1)之前復包括：令兩同調光照射一待測物，以使該兩同調光所形成的斑點相互干涉而產生該干涉圖樣之步驟。
- 如申請專利範圍第2項所述之影像處理方法，其中，該待測物係呈面內振動狀態。
- 如申請專利範圍第1項所述之影像處理方法，其中，於步驟(1)之前復包括：令兩同調光分別照射一參考物和一待測物，以使該兩同調光所形成的斑點相互干涉而產生該干涉圖樣之步驟。
- 如申請專利範圍第4項所述之影像處理方法，其中，該待測物係呈面外振動狀態。
- 如申請專利範圍第1項所述之影像處理方法，其中，該待測物係呈整體振動狀態。
- 如申請專利範圍第1項所述之影像處理方法，其中，於步驟(2)中，各該像素點上的光強度平均值係包括該擾動雜訊。
- 如申請專利範圍第1項所述之影像處理方法，其中，於步驟(2)中，該擾動雜訊的發生機率係利用機率分佈函數來估計。
- 如申請專利範圍第1項所述之影像處理方法，復包括步驟(4)，對各該像素點上之該標準差之運算結果執行頻率掃描，以取得該待測物之共振頻及對應該共振頻之干涉圖樣的影像。
- 一種影像處理系統，係應用於待測物之干涉圖樣，該影像處理系統係包括：感光元件，用以對該干涉圖樣擷取不同曝光時間的影像序列，以使所具有之複數個像素點取得該干涉圖樣之光強度；以及處理器，係連接該感光元件以取得該干涉圖樣之光強度，該處理器包括：時域平均模組，用以基於該曝光時間，計算各該像素點上的光強度平均值；及雜訊消除模組，用以基於該影像序列的影像張數，對各該像素點上的光強度平均值執行標準差之運算，俾利用該標準差之運算結果消除該干涉圖樣的背景雜訊及擾動雜訊。
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