一种基于最小均方差算法的散斑图像微位移测量系统

　　0 引 言

　　当高度相干的激光照射在粗糙表面时，在距离表面适当远处，来自该表面上不同单元的相干子波相互干涉后，就会产生强度分布呈颗粒状的散斑图样。这些散斑颗粒虽然相位和实振幅随机，但是随机场的分布在时间上是稳定的，仅是空间坐标的函数。因此，散斑图样可被用于设计微位移光学测量设备。研究发现 [1,2]，基于散斑图样的微位移测量方法，具有对复杂环境适应性强、全场非接触测量、灵敏度较高、动态测量范围较大等优点。目前，它在位移和应变测量、振动与倾斜度分析、表面粗糙度测量等领域获得广泛应用。

　　但据本文作者了解，目前该方法主要采用离线处理方式，尚未满足实时测量需求。因此，本文以实时非接触测量为设计目标，基于最小均方差算法[3] 和DSP微处理器，研制了基于散斑图样的一种嵌入式微位移测量系统。实验结果表明，该系统具有优于0.5 μm的分辨力，在500 μm的量程内系统误差优于±1.0 μm，随机误差优于7.0 μm。

　　1 基本原理及亚像素微位移测量算法

　　基于散斑图像的微位移测量方法是利用散斑图像的灰度分布特征表征位移前后图像上某区域的位移向量，建立并求解含位移向量的目标函数。如果位移前的图像为Ir(x,y)，位移后的图像为Id(x,y)，那么求解目标函数的基本前提是：假设客观事物的同一点在运动过程中，保持相同的灰度I：

　　I_r( x,)y=I_d( x+)u,y+v.(1)

　　式中：u，v分别为沿x和y方向的位移，式(1)的求解精度往往要求达到0.01像素的亚像素级。当u和v很小时，对式右边进行级数展开，并舍去高阶小量后,可得：

　　δI= I_d[u v]^T.(2)

　　式中：dI= Ir(x,y)- I_d(x,y)为一点在两帧图像间的光强差，基于式建立目标函数：

　　当(u, v)∈(-1, 1)时，根据线性估计的正交原理得到：

　　2 嵌入式微位移测量系统的设计与实现

　　根据式的结构特征，选择DSP处理器(TMS320DM642)设计硬件子系统。基于实时多任务操作系统内核DSP/BIOS，参考软件框架结构RF5，采用C语言设计符合XDAIS算法标准的软件子系统。

　　软件子系统由4个线程(thrCapture，thrControl，thrProcess，thrDisplay)组成，线程间采用SCOM 和标志位机制完成消息同步和信息通讯。核心线程thrPro cess主要负责执行最小均方差算法和监听线程间的通讯。首先，查询/接收其它3个线程发送的信息，获取需要处理的图像;然后，依次执行算法复位、图像预处理(图像滤波与梯度计算)、最小均方差算法运行、显示内容处理、并输出等操作;最后，将缓冲区返还给线程thrDisplay和thrCapture。