프리 엠 퍼시스 기술을 사용하여 비례 - 적분 - 미분 제어에 검류계 미러의 사인 스캔에 대한 이득 보상 방법론

이 절차의 전반적인 목표는 사인파 경로 추적 시 검류계 거울의 이득 감소를 보상하는 기술을 시연하는 것입니다. 모션 블러 보상을 위해 비례-적분-미분 제어를 사용합니다. 이 방법은 타겟 추적, 스캐닝 제어 및 모션 블러 보상과 같은 광학 공학 분야의 문제들에 적용될 수 있습니다.

이 기술의 주요 장점은 미리 설정된 파라미터와 입력 대 출력 비율에 의존하며, 추가적인 능동 윤곽 모델(active contour models)과 하드웨어가 필요하지 않다는 점입니다. 광학 벤치에서 실험을 수행하십시오. 그리고 벤치에 장착할 검류계 거울을 준비하십시오.

거울과 거울 몸체가 진동 중에 움직이는 것을 방지하기 위해 거울은 맞춤 제작된 지그에 고정되어 있어야 합니다. 지그와 거울을 광학 마운트에 배치하십시오. 그런 다음, 계속 진행하기 위해 마운트를 광학 벤치에 고정하십시오.

A/D D/A 보드가 장착된 컴퓨터로 미러를 제어하십시오. 보드에서 미러까지 적절하게 연결된 케이블을 연장하십시오. 그 다음, 갈바노미터 미러의 입력 및 위치 소켓에 케이블을 연결하십시오.

컴퓨터에서 정현파 함수 발생기의 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)를 사용하십시오. 주파수와 진폭을 변경하면서 여러 번의 실험을 수행하도록 인터페이스를 프로그래밍하십시오. 본 실험에서는 주파수 범위에 대해 외부 루프를 사용하십시오.

최저 주파수를 100 Hertz로 설정하십시오. 최고 주파수를 500 Hertz로 설정하십시오. 주파수를 100 Hertz씩 증가시키십시오.

내부 루프는 전압 진폭에 대해 설정합니다. 최소 전압은 10 millivolts를 사용하십시오. 최대 전압은 500 millivolts를 사용하십시오.

전압을 10 millivolts씩 증가시킵니다. 사인파 경로 신호의 지속 시간을 2000 samplings로 입력합니다. 컴퓨터로 미러를 구동하며 동시에 위치 신호를 기록하고 각도를 측정합니다.

각 주파수와 각 전압 진폭에 대한 데이터를 저장하기 위해 별도의 파일을 사용하십시오. 모든 데이터 수집이 완료되면, 각 주파수에 대해 입력 진폭의 함수로 출력 진폭을 그래프로 그리십시오. 저주파수 데이터가 고주파수 데이터보다 입력 진폭에 따른 출력 진폭이 더 크게 나타남에 유의하십시오.

이는 이 기술이 보정하고자 하는 주파수 함수에 따른 이득 감소를 보여줍니다. 비선형 동작 부분은 제외하고, 그래프의 대략적인 선형 부분에 집중하여 프리엠퍼시스(pre-emphasis) 계수를 구하십시오. 이 실험을 위해서는 거울의 시야 내에 움직이는 이미지가 필요합니다.

이를 위해 시속 30km로 이동할 수 있는 컨베이어 벨트를 사용하십시오. 본 실험을 위한 이미지인 미세 질감 패턴은 테이프에 인쇄되어 벨트에 부착되어 있습니다. 이제 광학 소자를 설정하는 단계로 넘어가십시오.

망원 렌즈가 장착된 카메라를 배치하여 검류계 거울을 이용해 컨베이어 벨트의 움직임을 추적할 수 있도록 합니다. 검류계 거울이 프리엠퍼시스(pre-emphasis) 소프트웨어가 설치된 제어 컴퓨터에 연결되어 있는지 확인하십시오. 적절한 이미지를 캡처하기 위해 적절한 광원으로 컨베이어 벨트를 조명합니다.

실험대에서 컴퓨터 디스플레이에 맞게 적절한 렌즈 초점을 설정하십시오. 다음으로, 카메라의 거울과 노출 시간을 동기화하십시오. 그런 다음, 예상되는 이미지에 맞는 카메라 설정을 입력하십시오.

이 이미지는 트리거 소프트웨어에서 사용하는 타이밍을 보여줍니다. 시간에 따른 거울 각도는 파란색 사인 곡선으로 표시됩니다. 빨간색 삼각형 함수는 시간에 따른 스캔의 이상적인 거울 각도를 나타냅니다.

각도가 0도이면서 양의 각속도로 이동할 때 노출 시간을 중앙에 맞추십시오. 이곳이 두 곡선이 교차하는 지점입니다. 소프트웨어를 설정하여 카메라가 노출 시간의 절반만큼 더 일찍 트리거되고, 노출 시간의 절반만큼 더 늦게 종료되도록 하십시오.

프리엠파시스(pre-emphasis) 소프트웨어를 사용하여 컨베이어 벨트 속도를 km/h 단위로 입력하십시오. 그런 다음, 카메라에서 벨트까지의 거리를 m 단위로 입력하십시오. 소프트웨어가 필요한 각속도를 계산합니다.

다음으로, 거울이 구동되는 주파수를 입력합니다. 소프트웨어가 입력 진폭을 계산합니다. 프리엠퍼시스(pre-emphasis) 소프트웨어에서 해당 진폭을 사용하십시오.

모든 파라미터 입력을 완료했다면, 컨베이어 벨트로 돌아갑니다. 소프트웨어에서 설정한 속도로 벨트를 작동시켜 이동 영상을 생성합니다. 제어 소프트웨어를 실행하고 카메라로부터 이미지 기록을 시작합니다.

컨트롤러는 갈바노미터 미러의 관성을 보정하여 이미지 흐림 현상을 개선합니다. 프리엠퍼시스(pre-emphasis) 기법을 적용하기 전, 이는 입력 신호에 따른 출력 신호의 그래프였습니다. 기법을 적용한 후의 그래프는 다음과 같습니다.

출력 그래프의 거의 모든 지점이 y=x 직선 위에 있습니다. 마찬가지로, 사전 강조(pre-emphasis) 기술을 적용하기 전에는 입력 신호에 따른 이득(gain)의 그래프가 이와 같았습니다. 해당 기술을 적용한 후에는 거의 모든 진폭 그래프가 y=0 dB 직선 위에 위치합니다.

이것은 컨베이어 벨트가 정지해 있을 때 벨트 위에 놓인 이미지입니다. 파란색 선은 오른쪽에 표시된 프로필이 촬영된 위치를 나타냅니다. 이것은 컨베이어 벨트가 30 kilometers per hour의 속도로 이동하며 모션 블러 보정이 활성화되지 않았을 때의 동일한 이미지입니다.

여기서는 모션 블러 보정이 적용되었으나, 프리엠퍼시스는 비활성화된 상태입니다. 최종 버전에서는 모션 블러 보정과 프리엠퍼시스 기법이 모두 활성화되었습니다. 이는 앞선 두 가지 옵션에 비해 크게 개선된 결과입니다.

이 기술을 완전히 익히면, 적절하게 수행했을 때 1시간 이내에 완료할 수 있습니다. 이 기술의 개발 이후, 광학 공학 분야의 연구자들이 고속 스캐닝에서의 모션 블러 보정을 탐구할 수 있는 길이 열렸습니다.