CN102053360A - 一种主动照明的夜视装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有自适应功能的主动照明夜视装置，其包括照明光源、空间光调制器(SLM)、照明物镜、成像透镜、中继透镜、摄像机、图像处理和控制单元。照明光源发射的光线通过照明物镜照射物体，然后光线反射到成像透镜并成像在摄像机上，在照明光源和照明物镜之间和/或在成像透镜和摄像机之间设有空间光调制器(SLM)，其用于根据从摄像机经图像处理和控制单元得到的调制信号同步地调整光线的亮度。由于采用了空间光调制器来调整光线的亮度，所以使得物体反光过强或物体本身发光过强的部分亮度减弱、反光过弱的部分亮度增强，从而得到更好的成像质量。还公开了利用该装置的方法。

Description

一种主动照明的夜视装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种用于激光主动照明的方式条件下探测物体的夜视装置。本发明还涉及一种利用该夜视装置的主动照明的夜视方法。

背景技术

夜视仪有主动式和被动式两种。主动夜视系统是利用近红外光作光源照明目标，如红外LED、红外灯和近红外激光器等；用低照度摄像机或微光摄像机接收目标反射的红外光，转换成视频信号在监视器荧光屏上同步显示图像，这种夜视仪称为主动红外夜视仪。被动夜视系统有两种类型，一类是利用月光、星光、天空辉光、夜天光等一切很微弱的自然光线，加以放大增强达到可视的目的，这类夜视仪也称为微光夜视仪。另一类是利用远红外敏感的探测器探测目标本身的热辐射，这类夜视仪也称为热像仪。在自然光照明被动成像测量条件下，由于各种背景辐射的影响，限制了成像系统对远距离目标成像测量和精确跟踪能力。采用激光主动照明的方式，对远、小、暗目标或其局部进行照明，可以减小背景辐射的影响，提高系统对远距离、小、暗目标的精确跟踪和成像测量能力。激光主动照明成像系统的工作原理是通过调节发射激光束的聚焦状态(发散角)，将目标全部或目标的关键特征部位照亮，满足接收系统探测要求，实现对目标的成像和观察的目的。

主动激光夜视仪，具有成本低、使用方便、空间分辨率高、可以昼夜通用(白天也可以使用)、探测距离也比较远、并能在一定程度上识别目标伪装。所以对于公安、武警和边防线监控等应用来说非常合适。

公知地，被动夜视装置利用物体发射的红外光通过摄像机成像。但是该装置像素少，因此灵敏度低、探测范围有限，并且需要价格昂贵的中红外摄像机。而主动夜视装置(即，主动照明的夜视装置)通过加入照明光源照明物体后在摄像机上成像，使得像素多，因此灵敏度高、探测范围大，并且可以使用便宜的CCD摄像机从而使成本大大降低。

图1示出了一种典型的现有技术的主动照明的夜视装置，主要用于在夜间探测车辆，舰船，或其它目标。该夜视装置包括激光驱动器使激光发光依次通过照明物镜、成像透镜、摄像机，目标物体(车辆)，在照明物镜和成像透镜之间，激光光源发射的光线通过照明物镜照射物体，然后反射到成像透镜并成像在摄像机上。但是这种装置存在缺陷：由于物体的反光和发光特性变化大，光过强的部分在摄像机中溢出，而光过弱的部分会与背景相同，从而造成亮的地方更亮、暗的地方更暗，无法看清物体的细节。

发明内容

为克服现有技术的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供了一种使照明光源的亮度均匀、从而看清物体细节的主动照明的夜视装置。

本发明的技术方案是：这种主动照明的夜视装置，包括照明光源、照明物镜、成像透镜、摄像机，照明光源发射的光线通过照明物镜照射目标物体，然后反射到成像透镜并成像在摄像机上，在照明光源和照明物镜之间设有第一空间光调制器(SLM，Spatial Light Modulator)，其用于根据从摄像机经图像处理和控制单元得到的调制信号同步地调整光线的亮度。

或者，这种主动照明的夜视装置包括照明光源、照明物镜、成像透镜、摄像机，照明光源发射的光线通过照明物镜照射物体，然后反射到成像透镜并成像在摄像机上，在成像透镜和摄像机之间设有第二空间光调制器，其用于根据从摄像机经图像处理和控制单元得到的调制信号同步地调整光线的亮度。

由于采用了空间光调制器来调整光线的亮度，所以使得物体反光或发光过强的部分亮度减弱、反光或发光过弱的部分亮度增强，从而得到更好的成像质量。

本发明还提供了一种利用以上装置的主动照明的夜视方法，包括以下步骤：

(1)触发照明光源来照明物体所在区域，从而在摄像机上得到图像信号；

(2)图像信号通过图像处理和控制单元后得到调制信号；

(3)空间光调制器根据调制信号来同步地调整照明光线的亮度；

(4)如果再次从摄像机得到的图像信号不符合满意值则根据调制信号调整照明光源，然后执行步骤(1)，如果再次从摄像机得到的图像信号符合满意值则执行步骤(5)；

(5)结束。

附图说明

现在将参照附图仅仅通过例子的方法示出本发明的以上和其它方面，其中：

图1是一种典型的现有技术的主动夜视装置的示意图；

图2是根据本发明的主动照明的夜视装置的第一实施例的示意图；

图3是根据本发明的主动照明的夜视装置的第二实施例的示意图；

图4是根据本发明的主动照明的夜视装置的第三实施例的示意图；

图5是根据本发明的主动照明的夜视装置的第四实施例的示意图；

图6是根据本发明的主动照明的夜视装置中的系统组成示意图；

图7是所述步骤(2)的信号处理的示意图；

图8是所述步骤(2)的阈值，低通滤波方法的流程图；

图9是所述步骤(2)的低通滤波，阈值方法的软件流程图；以及

图10是图8流程图的简化流程图。

具体实施方式

图1是一种典型的现有技术的主动夜视装置的示意图，这种主动照明的夜视装置，包括照明光源、照明物镜、成像透镜、摄像机，照明光源发射的光线通过照明物镜照射物体，然后反射到成像透镜并成像在摄像机上。在这种方式中如果目标物体有强烈的反射部份就会造成摄像机过度感光，图像信号会益出而无法看清细节.如果降低激光的照明，由于是整个照明区域光强度下降，目标物上反光弱的地方信号也减小而噪声变大.也使反光弱的地方无法看清。摄像机上图像光强分布为：

F(x，y)＝A*R(x，y)+E(x，y)                (1)

在这里，x，y为二维空间座标，R(x，y)为目标区域反射特性函数，A为光源的照明光强，E(x，y)目标区域自发光和环境光特性.

如图2和3所示，本发明的主动照明的夜视装置，包括照明光源(激光器)、偶合透镜、照明物镜、成像透镜、摄像机，照明光源发射的光线通过照明物镜照射物体，然后反射到成像透镜并成像在摄像机上，在照明光源和照明物镜之间设有偶合透镜、第一空间光调制器，其用于根据从摄像机经图像处理和控制单元得到的调制信号同步地调整光线的亮度。

摄像机上图像光强分布为：

F(x，y)＝A*S(x，y)*R(x，y)+E(x，y)            (2)

在这里，x，y为二维空间座标，S(x，y)为第一空间光调制器的调制函数，R(x，y)为目标区域反射特性函数，A为光源的照明光强，E(x，y)目标区域自发光和环境光特性.

优选地，照明光源为激光光源。

更进一步地，激光光源为发射波长在0.76-3um的激光器。

优选地，所述照明物镜和成像透镜均为可变焦透镜。

更进一步地，所述第一空间光调制器SLM可以是DLP(数字光处理器件，Digital Light Procession)。它是基于TI(美国德州仪器)公司开发的DMD(数字微镜元件，Digital Micro mirror Device)来完成可视数字信息显示的技术。说得具体点，就是DLP应用了数字微反射镜片来作为主要关键处理元件以实现数字光学处理过程。

图2和图3分别示出了根据本发明具有反射式和透视式的空间光调制器(SLM)主动照明夜视装置的示意图。空间光调制器(Spatial Light Modulator)是一类能将信息加载于一维或两维的光学数据场上，以便有效的利用电信号对光进行调制的器件。这类器件可在随时间变化的电驱动信号或其他信号的控制下，改变空间上光分布的振幅或强度、相位、偏振态，或者把相干光转化成非相干光。由于它的这种性质，利用光的固有速度、并行性和互连能力作为实时光学信息处理、光计算和光学神经网络等系统中构造单元或关键的器件。本发明采用了SLM来调整照明光线的亮度，这种主动照明的夜视装置包括照明光源、照明物镜、成像透镜、摄像机及显示器，照明光源发射的光线通过照明物镜照射物体，然后反射到成像透镜并成像在摄像机上，在照明光源和照明物镜之间设有空间光调制器SLM，其用于根据从摄像机经图像处理和控制单元得到的调制信号同步地调整光线的亮度。

更进一步地，如图5所示，这种主动照明的夜视装置包括照明光源、照明物镜、成像透镜、摄像机及显示器，照明光源发射的光线通过照明物镜照射物体，然后反射到成像透镜并成像在摄像机上，在照明光源和照明物镜之间设有偶合透镜、第一空间光调制器，在成像透镜和摄像机之间设有中继透镜和第二空间光调制器，其用于根据从摄像机经图像处理和控制单元得到的调制信号同步地调整光线的亮度并且能有效抑制目标物体自身发射的光线对摄像的影响。

摄像机上图像光强分布为：

F(x，y)＝S2(x，y)*(S1(x，y)*A*R(x，y)+E(x，y))            (3)

在这里，x，y为二维空间座标，S1(x，y)为第一空间光调制器的调制函数，S2(x，y)为第二空间光调制器的调制函数，R(x，y)为目标区域反射特性函数，A为光源的照明光强，E(x，y)目标区域自发光和环境光特性.

优选地，在第二空间光调制器SLM和摄像机之间设有中继透镜，其使第二空间光调制器和摄像机成为共轭关系。

优选地，照明光源为激光光源。

更进一步地，激光光源为发射波长在0.76-3um的激光驱动器。

更进一步地，图像处理包括图像压缩，存储，识别等功能.

优选地，所述照明物镜和成像透镜均为可变焦透镜。

图4是根据本发明的主动照明的夜视装置的第三实施例的示意图。这种主动照明的夜视装置包括照明光源、照明物镜、成像透镜、摄像机及显示器，照明光源发射的光线通过照明物镜照射物体，然后反射到成像透镜并成像在摄像机上，在成像透镜和摄像机之间设有中继透镜和第二空间光调制器SLM，中继透镜的作用是将第二SLM成像在摄像机上，也就是第二SLM与摄像机为共轭关系，其用于根据从摄像机经图像处理和控制单元得到的调制信号同步地调在整摄像机上光线的亮度并且能有效抑制目标物体自身发射的光线对摄像的影响。

摄像机上图像光强分布为：

F(x，y)＝S(x，y)*(A*R(x，y)+E(x，y))            (4)

在这里，x，y为二维空间座标，S(x，y)为第二空间光调制器的调制函数，R(x，y)为目标区域反射特性函数，A为光源的照明光强，E(x，y)目标区域自发光和环境光特性.

图6是根据本发明的主动照明的夜视装置中的主要单元的示意图。这种利用以上装置的主动照明的夜视方法包括以下步骤：(1)激光照明光源用来照明物体所在区域，从而在摄像机上得到图像信号，在一个优选的实施例中还可以将该图像信号传送到显示器，激光器由激光驱动电路控制，可进行激光开，关，光强调整和同步等控制；(2)图像信号通过图像处理和控制单元后得到调制信号；(3)第一空间光调制器(第一，第二，第三实施例)或第一和第二空间光调制器(第五实施例)根据调制信号来同步地调整照明光线的亮度，SLM控制器用于控制空间光调制器；(4)摄像机得到图像信号并显示。

如图7和8所示，图像处理和控制包括以下分步骤：(2.1)图像信号的每个像素的灰度分别与高阈值和低阈值比较，大于高阈值的像素灰度则反向变换并乘放大因子，小于低阈值的像素灰度则反向变换并乘放大因子，在高阈值和低阈值之间的像素的灰度保持不变，得到调制图像；(2.2)将调制图像的所有像素乘以帧存储器中的对应像素亮度值；(2.3)将步骤(2.2)的数据保存到帧存储器中。

S(x，y)＝p(F(x，y))*(a*H(x，y)*(1+b*L(x，y))))        (5)

在这里，x，y为二维空间座标，S(x，y)为空间光调制器的调制函数，p()为低通滤波涵数，I(x，y)为存储在帧存中上一次的调制函数，a，b为放大因子，H(x，y)为归一化的与高阈值比较并反相后的图像信号，，L(x，y)归一化的与低阈值比较并反相后的图像信号，也就是H(x，y)，L(x，y)的值均为0～1之间。

关于低通滤波的方法很多，可在空域或频域进行。也可以先进行低通滤波处理然后作其它处理，如图9。

图10为图8的简化方法。

S(x，y)＝I(x，y)*(a*G(x，y)+b)            (6)

在这里，S(x，y)为空间光调制器的调制函数，I(x，y)为存储在帧存中上一次的调制函数，a，b为因子，G(x，y)为归一化的与高阈值比较并反相后的图像信号，，L(x，y)归一化的低通滤波并反相后的图像信号，也就是G(x，y)的值均为0～1之间。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种主动照明的夜视装置，包括照明光源、照明物镜、成像透镜、摄像机、图像处理和控制单元，光源发射的光线通过照明物镜照射物体，然后反射到成像透镜并成像在摄像机上，其特征在于：在照明光源和照明物镜之间设有第一空间光调制器，其用于根据从摄像机经图像处理和控制单元得到的调制信号同步地调整光线的亮度。

2.根据权利要求1所述的主动照明的夜视装置，其特征在于：在照明光源和第一空间光调整器之间设有偶合透镜。

3.一种主动照明的夜视装置，包括照明光源、照明物镜、成像透镜、摄像机、图像处理和控制单元，光源发射的光线通过照明物镜照射物体，然后物体反射的光线到达成像透镜并成像在摄像机上，其特征在于：在成像透镜和摄像机之间设有第二空间光调制器，其用于根据从摄像机经图像处理和控制单元得到的调制信号同步地调整光线的亮度。

4.根据权利要求3所述的主动照明的夜视装置，其特征在于：在第二空间光调制器SLM和摄像机之间设有中继透镜，用于偶合第二空间光调制器和摄像机使之成为共轭成像关系。

5.根据权利要求1-4任一项所述的主动照明的夜视装置，其特征在于：照明光源为任意波长的能量辐射，优选地照明光源为激光光源。

6.根据权利要求1-4任一项所述的主动照明的夜视装置，其特征在于：所述照明物镜、成像透镜均为可变焦透镜，所述空间光调制器是数字光处理器件DLP。

7.根据权利要求1-4任一项所述的主动照明的夜视装置，其特征在于：所述空间光调制器是透射式的或反射式的。

8.根据权利要求1-4任一项所述的主动照明的夜视装置，其特征在于：还包括显示器，其用于显示从摄像机得到的图像信号。

9.根据权利要求1-4任一项所述的主动照明的夜视方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)触发照明光源来照明物体所在区域，从而在摄像机上得到图像信号；

(2)图像信号通过图像处理和控制单元后得到调制信号；

(3)第一和/或第二空间光调制器根据调制信号同步地来调整照明光线的亮度分布；

(4)再次从摄像机得到的图像信号不符合满意值则然后执行步骤(2)，如果从摄像机得到的图像信号符合满意值则执行步骤(5)；

(5)结束。

10.根据权利要求9所述的主动照明的夜视方法，其特征在于：所述步骤(2)包括以下分步骤：

(2.1)图像信号的每个像素的灰度分别与高阈值和低阈值比较，大于高阈值的像素灰度则反向变换并乘放大因子，小于低阈值的像素灰度则反向变换并乘放大因子，在高阈值和低阈值之间的像素的灰度保持不变，得到调制图像；

(2.2)将调制图像的所有像素乘以图像帧存储器中上一次调制图像信号；

(2.3)将步骤(2.2)的数据保存到图像帧存储器中。

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