Розділ 3 створення алгоритму сканування високої роздільної здатності

Розглянемо найпростіший спосіб сканування предмета, який використовується у багатьох сканерах. Він полягає у скануванні всієї поверхні предмета точковим променем лазера (рис.3.1.) В такому разі, для забезпечення роздільної здатності 1000×1000, нам потрібно зняти 10⁶ кадрів. Якщо на створення одного кадру в середньому витрачається 20∙10^-3 с, то створення всіх кадрів займе порядку 5.5 годин. Це дуже тривалий термін.

Рис.3.1. Сканування точковим променем лазера

1 – лазер; 2 – предмет; 3 – веб-камера

Тому нами було запропоновано складнішу, але більш швидкодіючу систему сканування. Алгоритм даної системи полягає в скануванні предмета не точковим променем лазера, а розгорнутою лінією – плоским променем.

3.1. Схема установки

Розглянемо схему сканування предмета. На рис.3.1. показана схема установки для проведення горизонтальної і вертикальної розгортки лазера по предмету.

Рис. 3.2. Схема установки для реєстрації зображення предмета

1 – предмет; 2 – лазер; 3 – серводвигун; 4 – веб-камера

Щоб сканер працював, потрібен елемент, який створює на поверхні лінію. Лазер - найпростіший варіант. Підійде напівпровідниковий лазер з потужністю 5 мВт. Лазер може бути з автономним живленням або без нього. Якщо він без автономного живлення, тоді потрібно конструювати спеціальне оснащення для лазерного модуля, завдяки якому зручно буде ним керувати.

Веб-камера. Всі необхідні параметри з предмета зчитуються за допомогою веб-камери. Вона повинна відповідати деяким вимогам: роздільна здатність має бути як мінімум 640х480 пікселів, ручне фокусування і можливість відключення автофокусу, мінімальні шуми при великій якості. Дуже важливо, щоб лінза камери була високої якості: вона не повинна спотворювати сканований об'єкт.

Серводвигун. Серводвигун - це спеціальний електричний двигун з негативним зворотним зв'язком, призначений для використання з числовим програмним управлінням. Він володіє високими швидкісними характеристиками, і точністю позиціонування. Серводвигуни, як відомо, поєднують в собі велику потужність і компактність. Одна з переваг серводвигунів перед кроковими двигунами, це плавністю ходу. Наявність зворотного зв'язку створює умови для точного позиціонування положення і швидкістю обертання вала серводвигуна.

3.2. Сканування предмета

Якщо взяти роздільну здатність камери 1000х1000 точок, то потрібно провести сканування горизонтальною лінією протягом 1000 кадрів і сканування вертикальною лінією також протягом 1000 кадрів, що в сумі займе 2000 кадрів. І якщо створення одного кадру займає 20 мс, то створення 2000 кадрів займе всього 40 секун. Це вже прийнятний результат.

T = 2∙10³ ∙ 20∙10^-3 с = 40 с (3.1)

Для реалізації даного алгоритму потрібно вирішити наступні проблеми.

Сканування предмета проходить у два етапи. На першому етапі по об’єкту проводиться горизонтальною лінією лазера вертикальну розгортку; на другому етапі – вертикальною лінією лазера горизонтальну розгортку.

При проведенні вертикальної розгортки (рис.3.3.), ми маємо скінченну кількість ліній, про які відомо, під яким вертикальним кутом вони освічувалися лазером, але не відомо під яким горизонтальним кутом падали на них промені лазера.

Рис.3.3. Вертикальна розгортка горизонтальним променем

1 – предмет; 2 – лазер; 3 – серводвигун; 4 – веб-камера

Відображення кожної точки в кадрі дає кут і по вертикалі і по горизонталі, під яким бачить цю точку камера.

Отже, просканувавши предмет вертикальною розгорткою, дістаємо наступний масив значень для кожного положення лазерного променя:

де r – номер рядка

s – віддаль точки від початку рядка

j – індекс положення променя

m – позначення точки, яку змогли розділити

Рис.3.4. Промінь лазера при вертикальній розгортці

На рис.3.4. показано зображення довільної лінії лазера з номером j. Координатами точки m якраз і є номер рядка r j,m і віддаль від початку до даної точки в рядку s j,m.

Але по цих даних не можливо відновити зображення предмета, тому що невідомо під яким кутом кожна з цих точок освітлювалася лазером в горизонтальній площині.

Отже для отримання цих даних проводимо ще одну розгортку, на цей раз вертикальним променем, але в горизонтальній площині (рис.3.5.)

Рис.3.5. Горизонтальна розгортка вертикальним променем

1 – предмет; 2 – лазер; 3 – серводвигун; 4 – веб-камера

Провівши горизонтальну розгортку, отримано ще один масив значень:

де r – номер рядка

s – віддаль точки від початку рядка

i – номер лінії, який відповідає куту по горизонталі

k – номер точки в масиві

Рис.3.5. Промені лазера при горизонтальній розгортці

На рис.3.5. показано зображення трьох довільних ліній лазера. В цьому випадку не відомо під яким кутом світив лазер в вертикальній площині, тому що він світив одночасно по всьому горизонту. Тобто невідоме – j. Так само, при горизонтальній розгортці, не відомо під яким кутом світив лазер в вертикальній площині, тому що він світив одночасно по всій вертикалі. Отже тут невідоме – i. А для того, щоб вирішити задачу знаходження координати точок в просторі, нам потрібно мати всі кути. Для цього складаємо наступний алгоритм.

Якщо взяти будь-яку горизонтальну і вертикальну лінії, то в місці їх перетину відоме положення лазерного променя і по горизонталі і по вертикалі. Отже, для того щоб знайти невідомі кути, потрібно знайти всі точки перетину.

Для того, щоб знайти всі точки перетину, складаємо алгоритм:

If (mod [ (;) – (;)] <Ɛ) (3.2)

Якщо віддаль між двома точками є меншою від Ɛ, потрібно вважати, що це одна і та сама точка.

Розв’язавши нерівність 3.2, отримуємо перетин двох масивів. Подивимось, що буде на перетині двох масивів, які зображені на рис.3.6. Нам відомі i,j,r,s. Отже відомо під яким кутом дану точку фіксує камера і під яким кутом освітлює лазер. Тобто у нас є всі кути.

Рис.3.6. Перетин горизонтального і вертикального променів

Математично точку перетину описуємо наступним виразом:

В такому разі можемо знайти новий масив.

Отже отриманий масив всіх кутів, під якими точку фотографує камера, і під яким лазер освітлює дану точку.