傳像光纖束成像算法在DM642上的實現(xiàn)與優(yōu)化

1 光纖束傳像技術(shù) （上海大學(xué)機電工程與自動化學(xué)院，上海200072） 摘要：本文首先分析了光纖傳像方法異于其他傳像方法的特點，并結(jié)合這些特點，列舉了光纖傳像在 醫(yī)學(xué)、工業(yè)、軍事領(lǐng)域成功應(yīng)用的例子，又介紹了光纖傳像束的傳像原理，并詳細列舉了光纖傳像束的光 學(xué)性能參數(shù)，分析影響傳像質(zhì)量的原因。之后結(jié)合主題重點介紹了光纖傳像的一個應(yīng)用——醫(yī)用纖維內(nèi)窺 鏡的功能和結(jié)構(gòu)。最后，介紹了目前傳像光纖的兩種制作方法——層疊法和酸溶法。 關(guān)鍵詞：光纖；傳像；纖維內(nèi)窺鏡 technologyofopticalfiberimagetransmission (schoolofmechatronicsengineeringandautomation,shanghaiuniversity,shanghai200072,china) abstract：inthisarti

在光學(xué)耦接器設(shè)計中引入衍射面,根據(jù)衍射光學(xué)元件的三級像差理論,通過理論計算和zemax光學(xué)軟件優(yōu)化,給出工作波長0.4~0.7μm,焦距27mm,光學(xué)長度為62.9mm,采用一個衍射面的耦接器設(shè)計實例。該耦接器采用物方遠心光路結(jié)構(gòu),適用于單絲直徑16μm,截面直徑為6mm的光纖傳像束。對設(shè)計結(jié)果的分析表明,折-衍混合耦接器不僅在光學(xué)性能方面優(yōu)于傳統(tǒng)的光學(xué)耦接器,而且在尺寸和質(zhì)量上有顯著的減少。實際的室內(nèi)外成像實驗證明,光學(xué)設(shè)計軟件的仿真結(jié)果是正確的。

在光學(xué)耦接鏡設(shè)計中引入衍射面,根據(jù)二元光學(xué)元件的三級像差理論,分析了衍射面初始結(jié)構(gòu)參數(shù)的求解規(guī)律,通過理論計算和zemax光學(xué)設(shè)計軟件的優(yōu)化,給出工作波長0.8～1.1μm,焦距33mm,光學(xué)長度為64mm,采用一個衍射面的耦接鏡設(shè)計實例.

在大截面?zhèn)飨袷爸霉鈱W(xué)系統(tǒng)設(shè)計中,采用“負-正”型式的像方遠心光路結(jié)構(gòu),在像差校正過程中引入標準二次曲面和偶次非球面,能很好地解決鏡頭軸外像差校正與像面照度均勻性問題,同時使鏡頭結(jié)構(gòu)緊湊、小型化。通過理論計算和zemax光學(xué)軟件的優(yōu)化,給出工作波長0.8~1.1μm,焦距5mm,相對孔徑為13∶.8,光學(xué)長度為47.5mm,視場角為60°的鏡頭設(shè)計實例。對設(shè)計結(jié)果的分析表明,該鏡頭在31lp/mm空間頻率處的mtf值超過0.78,像質(zhì)優(yōu)良。

針對傳像光纖束成像的算法結(jié)構(gòu),提出一種基于fpga的傳像光纖束圖像預(yù)處理器設(shè)計方案。該圖像預(yù)處理器相對于傳統(tǒng)的圖像預(yù)處理器具有充分利用fpga有限的片上資源,合理安排數(shù)據(jù)操作之間的并行性和流水性等優(yōu)點。具體實驗結(jié)果表明,該預(yù)處理器能滿足傳像光纖束成像系統(tǒng)的實時性要求,達到預(yù)期效果。

介紹一種采用波長編碼,通過線陣相關(guān)光纖束實現(xiàn)長光路純光型圖像傳輸?shù)姆椒?。運用積分抽樣理論分析了該方法傳輸圖像的機理和特性。結(jié)果表明:線陣光纖束波長編碼傳像的效果和特性隨波長編碼方向與線陣光纖束排列方向夾角的不同而不同。當(dāng)兩方向垂直時,線陣光纖束可并行傳輸二維灰度圖像;當(dāng)兩方向平行時,可傳輸像質(zhì)改善的一維圖像。實驗結(jié)果與理論分析一致。

本文結(jié)合c64系列dsp芯片的特點,討論基于tms320dm642dsp的mpeg-4視頻實時編碼算法實現(xiàn)和優(yōu)化方法。優(yōu)化通過修改適于dsp的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),有效地分配片上核心內(nèi)存,合理應(yīng)用edma、緩存cache、線性匯編、軟件流水、ccs優(yōu)化工具等多種方法綜合來完成。實驗結(jié)果證明,這些方法提高了程序的并行性和存儲器的訪問效率,優(yōu)化過的編碼器可以實現(xiàn)實時編碼。

針對多媒體傳輸過程中需要對視頻數(shù)據(jù)進行壓縮、編碼和解碼的問題,本文提出了一種硬件上基于dm642進行設(shè)計、軟件上基于mpeg-4進行編解碼的視頻編解碼器實現(xiàn)方案,mpeg-4視頻和音頻壓縮編碼標準的應(yīng)用,有效地解決了視頻數(shù)據(jù)量大與數(shù)字存貯媒體和通信帶寬小的矛盾,大大提高了視頻通信的交互能力和編碼效率,解碼后處理過程中采用的去振鈴濾波器提高了接收數(shù)據(jù)質(zhì)量.

文章提出了一種基于tms320dm642的視頻會議終端硬件設(shè)計方案。視頻會議終端主要包括dm642最小系統(tǒng)的設(shè)計,電源模塊的設(shè)計,視頻輸入模塊的設(shè)計,usb傳輸接口模塊的設(shè)計等,同時介紹了終端硬件的調(diào)試過程。終端通過硬件對采集的視頻進行壓縮編碼,減輕了電腦cpu的工作負擔(dān),能夠傳輸高清晰度的視頻信號,實現(xiàn)了便攜、穩(wěn)定、靈活的移動視頻會議終端平臺。

為了解決虛擬試驗系統(tǒng)中具有不同總線類型的各實物子系統(tǒng)互聯(lián)的實時性問題,設(shè)計了一種多協(xié)議轉(zhuǎn)換器。按協(xié)議高低優(yōu)先級分配軟硬件資源,硬件設(shè)計采用dm642+fpga的結(jié)構(gòu),使用fpga實時匹配高優(yōu)先級協(xié)議,并對dm642分類返回不同中斷信息;軟件設(shè)計時,按地址分塊存儲協(xié)議以提高的協(xié)議的查找效率,并根據(jù)dsp/bios中各類線程的特點,合理分配任務(wù)并分類觸發(fā)不同任務(wù),以加快數(shù)據(jù)處理速度并保證高優(yōu)先級協(xié)議實時性。

傳像光纖束透過率測量方法研究

光纖傳像束原理及其應(yīng)用

在大截面?zhèn)飨袷爸霉鈱W(xué)物鏡設(shè)計中,采用“負-正”型式的像方遠心光路結(jié)構(gòu),很好地解決了鏡頭軸外像差校正和像面照度均勻性問題,同時使鏡頭結(jié)構(gòu)緊湊、小型化。給出了前置物鏡設(shè)計實例:工作波長0.8~1.1μm,焦距5mm,相對孔徑為1:3.84,光學(xué)長度為47mm,視場角為60°。在光學(xué)耦接鏡設(shè)計中采用物方遠心光路結(jié)構(gòu),引入二元光學(xué)透鏡,通過理論計算和zemax光學(xué)軟件優(yōu)化,給出工作波長0.8~1.1μm,焦距33.6mm,光學(xué)長度為63.5mm,采用一個衍射面的耦接鏡設(shè)計實例。該設(shè)計結(jié)果適用于單絲直徑16μm,截面直徑6mm的光纖傳像束。

在光學(xué)耦接鏡設(shè)計中引入衍射面,根據(jù)二元光學(xué)元件的三級像差理論,分析了衍射面初始結(jié)構(gòu)參數(shù)的求解規(guī)律,通過理論計算和zemax光學(xué)設(shè)計軟件的優(yōu)化,給出工作波長0.8-1.1μm,焦距33.6mm,光學(xué)長度為63mm,采用一個衍射面的耦接鏡設(shè)計實例。該耦接鏡成像質(zhì)量優(yōu)良,適用于單絲直徑16μm,截面直徑為6mm的光纖傳像束。

為使光纖傳像束具有良好的傳光、傳像性能,需要對原始材料的匹配性進行優(yōu)化設(shè)計.本文引入pbo等陽離子半徑大的材料作纖芯,用低折射率sio2和b2o3材料作包層,選擇bao等酸溶速率高的材料作為酸溶層,研究了纖芯、包層和酸溶層玻璃材料之間物化性能和光學(xué)性能的匹配性.通過差熱分析和光譜透過率等多種實驗手段,對這三種玻璃材料的光學(xué)和熱學(xué)性能進行了測試和分析,優(yōu)化設(shè)計出了酸溶法光纖傳像束所需要的原料配方.結(jié)果表明:在纖芯、包層和酸溶玻璃材料中分別引入質(zhì)量分數(shù)為45%pbo、60%sio2和40%(b2o3+bao)以上時,酸溶法光纖傳像束材料的匹配性最佳,該研究和設(shè)計對高質(zhì)量光纖傳像束的制備和應(yīng)用具有重要意義.

光纖光譜成像技術(shù)原理及其應(yīng)用 趙友全王錦范世福 (天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院300072 本文介紹了一項國外最新研制的纖維束成像壓縮技術(shù)（fic），應(yīng)用該項技術(shù) 可以實現(xiàn)光學(xué)吸收光譜和熒光光譜成像。吸收光譜成像像實驗測定了染色的百合莖 部切片的光學(xué)吸收分布情況，熒光光譜成像實驗測定了紅寶石熒光邊界的移動，分 析了夾擠在兩金剛石界面間的微晶紅寶石粉的壓力分布狀況。 關(guān)鍵詞：熒光光譜；吸收光譜；光譜成像；光學(xué)纖維；顯微鏡。 1.引言 帶電耦合器件（ccd）和紅外聚焦平面陣列（fpa）探測器的發(fā)明推動了光譜 和化學(xué)成像技術(shù)的快速發(fā)展。一般而言，這個過程包括了三維數(shù)據(jù)空間的光譜成像 數(shù)據(jù)的采集，包括定義對象圖像的兩個空間軸和一個用化學(xué)方法測定圖像每點處材 料的一維光譜尺度。過去獲取這些光譜成像立方體的方法是運用液態(tài)晶體可調(diào)諧的 濾波器（lctfs）或聲-光學(xué)可調(diào)濾波器（

光纖傳像束用于內(nèi)窺鏡時,對內(nèi)窺鏡物鏡的結(jié)構(gòu)型式和成像質(zhì)量提出了新的要求。在分析了其基本設(shè)計原則后,根據(jù)實際需求,選用反遠距型物鏡作為初始結(jié)構(gòu),利用zemax軟件優(yōu)化設(shè)計了一個工作波段0.38~0.78μm,焦距0.921mm,全視場100°、相對孔徑1/4的內(nèi)窺鏡物鏡。鏡頭總長10.32mm,滿足像方遠心要求,在38lp/mm頻率處mtf值在0.85以上,像質(zhì)優(yōu)良;同時,在tracepro軟件中建立了所設(shè)計物鏡與光纖傳像束結(jié)合后系統(tǒng)的模型,模擬的系統(tǒng)耦合效率約為96%且出射端照度均勻。結(jié)果表明:該物鏡具有視場大、短焦距、結(jié)構(gòu)合理、耦合效率高、像面照度均勻等特點,滿足內(nèi)窺鏡要求。

光纖傳像束用于內(nèi)窺鏡時,對內(nèi)窺鏡物鏡的結(jié)構(gòu)型式和成像質(zhì)量提出了新的要求。在分析了其基本設(shè)計原則后,根據(jù)實際需求,選用反遠距型物鏡作為初始結(jié)構(gòu),利用zemax軟件優(yōu)化設(shè)計了一個工作波段0.38~0.78μm,焦距0.921mm,全視場100°、相對孔徑1/4的內(nèi)窺鏡物鏡。鏡頭總長10.32mm,滿足像方遠心要求,在38lp/mm頻率處mtf值在0.85以上,像質(zhì)優(yōu)良;同時,在tracepro軟件中建立了所設(shè)計物鏡與光纖傳像束結(jié)合后系統(tǒng)的模型,模擬的系統(tǒng)耦合效率約為96%且出射端照度均勻。結(jié)果表明：該物鏡具有視場大、短焦距、結(jié)構(gòu)合理、耦合效率高、像面照度均勻等特點,滿足內(nèi)窺鏡要求。

為獲取超高分辨率圖像,設(shè)計了一種入端為線陣排列、出端為面陣排列的傳像光纖束.利用該光纖束的成像系統(tǒng)在合成目標圖像時,需要建立光纖束出端、入端位置坐標表.介紹了一種基于卡爾曼濾波器的算法,對出端光纖位置逐一搜索;搜索光纖位置時區(qū)分層內(nèi)、層間設(shè)置不同初始步長,按均方誤差最小原則對搜索步長進行修正.算法采用了比對終止邊界、標定已搜索光纖兩種穩(wěn)健性措施,‘z’字型搜索路徑提高了算法效率.實驗結(jié)果表明,搜索算法得到的位置坐標表準確標定光纖位置,提取光纖束耦合的信息還原了目標圖像.

利用傳像光纖束傳輸圖像,受目前加工工藝限制,不可避免地出現(xiàn)斷絲,斷絲引起的盲元必然造成信息丟失。傳統(tǒng)的中值濾波、均值濾波無法有效消除盲元。提出一種基于極值的雙模板濾波器,有效地解決了盲元問題,并在定位光纖中心位置時得到運用。

在過去的幾年中,光纖技術(shù)用于油井和油藏監(jiān)測取得了巨大的進展,但是油田光纖的研發(fā)大都集中在基于溫度、壓力和流速測量等方面,迄今,幾乎沒有發(fā)表過有關(guān)光纖技術(shù)在監(jiān)測油井管柱和套管變形領(lǐng)域的文章。本文將報告實時的基于纖維光學(xué)的套管成像儀的最新進展情況,該裝置設(shè)計用于對套管或油井管柱形狀連續(xù)的、高分辨率的監(jiān)測,使作用于油井上應(yīng)力的確定成為可能。小比例的和全套管尺寸的實驗室實驗表明,該系統(tǒng)的最新一代產(chǎn)品具有足夠的敏感性,它可探測到每100ft小于10°的套管變形,壓縮應(yīng)力和軸向拉伸應(yīng)力探測范圍從不足0.1%到10%,本文將對技術(shù)背景、測量敏感性、應(yīng)力響應(yīng)特性等加以討論?；仡櫫爽F(xiàn)場試驗結(jié)果,闡明了實時套管變形監(jiān)測如何成為油藏監(jiān)測策略的一個重要組成部分。

受器件制作工藝限制,難以獲取元數(shù)超過6000的超長線列探測器,提高圖像空間分辨率受到限制。設(shè)計一種入端為線陣、出端為面陣的異型結(jié)構(gòu)傳像光纖束,利用現(xiàn)有面陣器件接受光纖束輸出信息,可以獲取超高分辨率圖像。光纖的異型結(jié)構(gòu)決定了圖像恢復(fù)過程十分復(fù)雜。本文提出一種雙模板極值濾波器算法,針對單根光纖對應(yīng)多個像素以及光芯和包層傳光性能不同的特點,從圖像灰度值入手,借助圖像腐蝕和重心算法,有效克服光纖斷絲引起的盲元,準確定位每根光纖中心位置,找出出端光纖和入端光纖的對應(yīng)關(guān)系,完整恢復(fù)入端圖像,實現(xiàn)圖像的空間變換。