法向摄影术：一种用于可视化像素级表面法向分布的新型成像技术

《Sensors》：Normalography: A Novel Imaging Technique for Visualizing Pixel-Wise Surface Normal Distributions

　　

表面质量是产品性能的关键指标，在工业制造中对实时表面检测的需求日益增长。然而，传统的表面法向测量技术需要随照明或观察角度的变化进行顺序测量，这使其不适合高速在线检测。为了克服这一局限性，本文提出了一种称为法向摄影术（Normalography）的新型成像技术，用于可视化像素级表面法向分布。类似于热成像术，法向摄影术可视化材料表面法向方向的空间分布。所提出的方法针对高度光泽和光滑的表面，基于反射率测量。开发了一种多角度准直器，用于从多个入射方向同时照明目标表面，同时采用多光谱照明来区分每个方向对应的反射光。结合红、绿和蓝照明光源的成像系统能够在1024 × 1024像素的视场内单次拍摄获取表面法向信息。所提出的法向摄影术无需连续图像采集即可实现类似相机的表面法向分布实时可视化，展示了其在工业制造在线表面检测和质量监控中的潜力。

在工业制造领域中，材料表面质量的评估是直接影响产品性能和可靠性的关键环节。材料表面的微观形貌和粗糙度通过影响光线的反射与散射，进而改变光泽等视觉印象。宏观表面可视为由微观面元组成的集合，每个面元的表面法向定义为垂直于局部表面的向量。表面法向的微小变化能够反映粗糙度并产生不规则的反射特性，从而强烈影响材料的感知纹理。尽管材料的表观可以通过照片记录，但这仅代表特定照明条件下的孤立现象，因此工业生产中迫切需要能够定量捕捉这些物理现象并实现实时在线检测的传感技术。现有的表面法向测量技术如基于光度立体的方法、偏折法以及轮廓仪等，通常需要通过改变照明角度或进行复杂的机械扫描以获取空间分布，这导致测量耗时且难以满足高速在线检测的需求。为了解决上述问题，研究人员提出了一种名为法向摄影术的新型成像方法，旨在通过单次拍摄快速可视化像素级的表面法向空间分布。该研究成功开发了一套表面法向成像系统，实现了无需机械扫描的实时观测，对工业制造中的在线表面检测和质量监控具有重要意义。该论文发表在《Sensors》期刊上。

研究人员在开展本研究时，主要采用了以下关键技术方法：一是基于多角度准直器的多角度照明技术，通过在准直透镜焦平面上设置多个特定位置的光源，同时生成具有精确控制入射角的平行光束；二是多光谱分离技术，采用红、绿、蓝光学带通滤光片对不同的照明方向进行光谱编码，以利用标准彩色相机的RGB（红、绿、蓝）通道分离反射光；三是远心成像技术，利用远心光学系统在整个视场内保持均匀的观察角度，并通过调节光圈控制接收光线的角度范围。实验样本均为工业材料，无需特定的队列来源。

研制的表面法向成像相机
研究人员开发了一套集成了多角度准直照明单元、半反半透镜、远心成像光学系统和CMOS（互补金属氧化物半导体）相机的原型装置。该系统能够从多角度准直器产生准直光束，经分束反射后照射至样品表面，随后通过远心镜头捕捉镜面反射光。该系统的有效测量区域为20.48 × 20.48 mm，对应1024 × 1024像素的图像尺寸，空间采样间隔为0.02 × 0.02 mm。

原型多角度准直照明单元
多角度准直器采用直径46 mm、焦距150.0 mm的透镜系统。在焦平面上设置了具有三个间隔120°排列的孔径掩模，每个孔径偏离中心2.6 mm，使得照射光束相对于样品表面的入射角约为1.0°。通过在孔径后方放置LED（发光二极管）光源，并分别覆盖红（No. 29）、绿（No. 47）和蓝（No. 61）光学带通滤光片，实现了照明方向的光谱编码。这种配置确保了来自不同照明方向的反射光成分能够被标准彩色相机的RGB通道有效分离，使样品表面方向以特定颜色在法向摄影图像中被可视化。

远心光圈实验表征
研究人员通过设置已知曲率半径为580 mm的反射镜作为样品，研究了远心光学系统中光圈与测量角度范围之间的关系。实验通过计算曲面上各位置的法向角差，发现扩大光圈能够均匀地扩展测量角度范围。当采用f数为6的光圈时，系统能够实现对从平坦表面到表面法向角约1.1°范围内的全面测量，因此该参数被选定用于后续实验。

测量结果
研究人员获取了包括铝板、亚克力板、陶瓷砖、光泽涂层纸和两种喷墨纸在内的六种平面样本的法向摄影图像。结果表明，尽管所有样本在宏观上均为平坦表面，但法向摄影图像呈现出随表面材料而异的独特空间模式。亚克力板表现出近乎均匀的响应，而光泽涂层纸和陶瓷砖在强度分布上展现出结构化变化，反映了表面微观几何形状和光泽特征的差异。铝板图像中相对较大尺度的变化则对应于宏观表面起伏。这证明了该技术对材料表面微小状态变化具有高度敏感性。

测量精度验证
为验证测量性能，研究人员采用了一个具有已知周期性条纹图案的铝制校准样本，其表面倾斜角分别为+1.0°和?1.0°。测得的法向摄影图像显示出与设计条纹几何形状相对应的交替响应。测量模式的空间周期与设计节距完全一致，从而验证了所提出测量原理的有效性。

在讨论部分，研究人员指出该系统不仅能定性可视化表面法向分布，还能通过阈值处理将各通道的像素响应二值化，从而将表面法向方向分类为八种离散状态，实现定量解释。研究人员表示，通过调整多角度准直器的照明几何配置，可以改变系统可检测的角度范围，并且增加多光谱成像通道的数量可进一步提升角分辨率和可分辨的表面法向状态。然而，该方法目前受限于约±1.1°的测量角范围，仅适用于局部接近平坦且具有适度至强烈镜面反射的工业材料，不适用于具有大斜率或复杂几何形状的表面。与现有技术相比，该方法无需计算重建或反射率建模，而是通过镜面反射直接对表面法向状态进行分类，且在成像过程中无运动部件，对振动不敏感，具备优异的生产线运行鲁棒性。

研究结论表明，研究人员提出并验证了一种用于成像像素级表面法向分布的新型法向摄影技术。该方法将多角度准直器与多光谱照明编码相结合，无需机械扫描即可获取整个图像上的方向反射率信息。研制的原型相机在1024 × 1024像素的图像尺寸下实现了约±1.1°测量范围内八种离散法向类别的实时可视化。成功获取了多种工业材料的法向摄影图像，证明了通过表面法向分布的变化能够可视化表面状况和表观特征的差异。该技术特别适用于注重光泽、纹理和表面均匀性细微差异的工业表观评估和生产监控。未来的研究将致力于扩展测量角度范围并通过多光谱成像增加可分辨的表面法向状态，同时将测量出的表面法向分布应用于基于物理的反射渲染，以再现视觉外观并建立表面几何与人类视觉感知之间的定量联系。这一框架有望为工业质量检测以及表观导向的材料设计和表面工程提供有力支持。