用Arduino打造RTI超精細微距攝影裝置

6/2/2017

RTIViewer軟體下的鸚鵡螺化石特寫。不同色彩代表表面上特定一點的特定方向。

本文將為你介紹如何使用Arduino微處理器和3D印表機，完成簡單的反射轉換成像（RTI）。

有時候光憑一張照片，很難充分記錄或呈現物體的重要細節，但只要透過RTI攝影技術，研究者就能夠強調物體的形貌、質地和色彩。RTI攝影系統有別於單向攝影，透過不同的打光角度，能呈現同一個物體或人工製品的系列影像，強調隱而未顯的細節。

對科學家和文物保存者來說，RTI技術是重要的工具，可以針對重要的歷史美術收藏品進行研究和保護。RTI系統也被應用於鑑識科學領域，以照片記錄分析子彈和彈痕。此外，RTI也適合拍攝和分析陶器的碎片，以及古代人類的小型工具和石雕藝品等。RTI的應用範圍無可限量，為許多領域的研究者提供關鍵的視覺證據。

動植物的化石也是RTI成像技術的理想拍攝對象，畢竟古化石大多有複雜的形狀、重複的圖案及特殊的表面質地，尤其是鸚鵡螺化石，屬於有稜紋的螺旋狀貝殼。鸚鵡螺是一種軟體動物，曾經在大海自由游動，跟恐龍生存的時期差不多。

PARTS

打光罩，你可以直接用簡易的相機照明圓頂，也可以自己列印一個
LED（50），如果你直接買現成的相機照明圓頂，那就買10mm的燈泡，如果你自己列印的話，就換成5mm燈泡
LED陣列，Adafruit 16x8 LED Matrix Driver Backpack（HT16K33 Breakout）
Arduino Uno
磁簧開關

建構RTI系統

RTI屬於計算攝影學，會從不同位置的固定光源收集40～100張影像。只要軟體能推斷光源的位置，最終影像就能產生物體表面的數學3D圖。

軟體會從這些影像計算表面的法向量（normal vector），進而誇大表面特徵，呈現精細的細節。RTI技術仰賴從固定位置的不同光源拍攝數張影像成像。

本文會介紹幾種簡單的裝置，協助你自動收集參考影像。RTIViewer軟體是由圖像文化遺產（CHI）主持，經數位研究人員開發出來的軟體，鼓勵攝影師、研究者等相關人員認識這項技術。RTI影像的建立和瀏覽，是由文化遺產研究所的RTIBuilder軟體完成，最終得到的RTI檔案則須用RTIViewer軟體觀看。

RTI影像組需要大約50個光源，平均分布於半圓打光罩上。

一個現成的半圓蓋就可以做成一個簡單的打光罩。為了阻絕室內光，我會將打光罩內部漆成黑色，由下而上，均勻地在每列鑽出4個洞，亦即每一行有12個洞，總數約50個洞。每個洞都要編號，以便鋪設電線。頂部的大圓洞專為攝影機而設，以Dremel Drill削鑽，可輕鬆移除多餘的塑膠部分，產生平滑的切面。

我採用10mm白色大LED，電壓為80mA，由微處理器的5V DC電源提供綽綽有餘。為了控制每顆LED，我採用Adafruit Industries的LED光陣列，可減少所需的控制線數量。

電路圖很簡單，但鋪設起來很耗時，大約要花12小時切割和焊接所有接觸面，這是因為鐵氟龍線難以剝線，會拖慢作業速度。未來的系統會再由適合製作電路原型的繞線工具組裝。

這個程式的概念也相對簡單，先打開一個燈，啟動相機快門，接著熄燈，其餘的燈則重複相同的步驟。LED亮燈的時間會直接用軟體設定。這個原型專為105mm微距鏡頭和Canon 5D Mark III DSLR機身打造，為了將影像維持在低ISO和合適的景深，打光必須設定為5秒鐘，整套影像會在4分鐘左右完成。

曝光值可針對拍攝對象進行調整，有需要的話可以調高一些。如果要收集大量的RTI影像，LED的發光時間可以比曝光時間長一些。為了確保可重復性和曝光效率，LED的發光時間最好涵蓋整個快門曝光過程。

電路圖

由於Arduino微處理器沒有50個輸出端，所以需要借助LED照明陣列來控制50個LED。微處理器會與LED陣列驅動板溝通，我在這個專題採用Adafruit 16x8 LED Matrix Driver Backpack（HT16K33 Breakout）來控制LED陣列。HT16K33 Breakout售價約為8美元，通訊協定為I2C，只用2個腳位，8個矩陣可能有高達8個可選擇的I2C位址，每個矩陣控制16x8的LED，無論是矩陣驅動器或微處理器，都可以在Adafruit Industries購買。

這塊板子專為Arduino Uno微處理器和LED陣列而設計。我將每顆LED的長電線集中到陣列控制器後，發現了一個更簡便的方法，也就是先在接地端集中每一排的LED，接著再回到陣列控制器，這可以簡化鋪設電線的工作，只是電路看起來會比較複雜。這組電線即是原型打光罩上的藍色電線。

攝影機是透過微處理器的12個腳位控制，當腳位達到5 Vdc，磁簧開關便會啟動攝影機。這裡使用磁簧開關是要避免微處理器電壓干擾到攝影機的開關，確保攝影機不會受暴露在危險的電壓範圍。磁簧開關很容易佈線，價格也不貴。我在此並未介紹攝影機觸發系統的電路圖，因為它們都不相同。

建立RTI檔案

最後獲得的影像組要轉為JPG影像格式，並透過RTIBuilder軟體運作。這套軟體可免費使用，也可以從文化遺產成像網站下載操作手冊的PDF檔。為了瀏覽最終的檔案，我們會用RTIViewer程式，這套程式也可在文化遺產成像網站免費下載使用。

3D打光罩

製作打光罩可能會面臨幾個問題。為了簡化整套流程讓更多研究者完成這項設計，我設計了一款可以用3D印表機製作的3D打光罩。大多數3D印表機的平臺面積有限，因此這個打光罩是專為微距攝影而設計。每個洞大約可放置5mm的LED，洞口直徑可視印表機的尺寸調整。這些洞可以被視為定位孔，再鑽成自訂的直徑。打光罩也有許多額外的洞，未來可以再裝上不同波長的LED。

RTI LED打光罩的程式碼

// long lead on LED goes in A0-A15 holes.
#include
#include "Adafruit_LEDBackpack.h"
#include "Adafruit_GFX.h"
Adafruit_8x16matrix matrix = Adafruit_8x16matrix();
#define BUSY_LED 13 // Board IO pin of Arduino ORANGE LED
#define CAMERA_CTL 12 // Board pin controlling the Camera Trigger
// active low.
#define LED_COUNT 50 // number of LEDs to sequence through
void setup() {
Serial.begin(9600);
Serial.println("RTI multi-spectral camera");
matrix.begin(0x70); // pass in the I2C address
matrix.clear(); // clear all lights
matrix.writeDisplay();
// set the digital pin as output:
pinMode(CAMERA_CTL, OUTPUT);
digitalWrite(CAMERA_CTL, HIGH); // active low
// set up Arduino LED as output
pinMode(BUSY_LED, OUTPUT);
digitalWrite(CAMERA_CTL, HIGH); // active low
}
/* array indexes - insert LED with long lead on A line.
15 A15 * * * * * * * *
14 A14 * * * * * * * *
. * * * * * * * *
. * * * * * * * *
. * * * * * * * *
1 A1 * * * * * * * *
0 A0 * * * * * * * *
Y= C7 C6 C5 C4 C3 C2 C1 C0
X= 0 1 2 3 4 5 6 7
*/
void loop() {
int x,y,count=0;
for(x=0;x<8;x++) // x's are the C lines
for(y=0;y<11;y++) // y's are the A lines { // toggle BUSY LED digitalWrite(BUSY_LED, HIGH); // ON // turn on one LED matrix.drawPixel(x, y, LED_ON); matrix.writeDisplay(); // write the changes we just made to the display delay(6000); // this delay determines the length the led is on // trigger the camera digitalWrite(CAMERA_CTL, LOW); // active low delay(50); digitalWrite(CAMERA_CTL, HIGH); // active low delay(50); // turn off the only LED on matrix.drawPixel(x, y, LED_OFF); matrix.writeDisplay(); // write the changes we just made to the display // delay while image stored on camera? delay(1000); // toggle BUSY LED digitalWrite(BUSY_LED, LOW); // OFF delay(100); // so we can see the OFF state // test for end of light count count++; if( count >= LED_COUNT) goto DONE;
}
DONE:
Serial.println("Camera sequence complete");
while(1); // infinite loop- stop here
}