CN103578097B - 一种双波段高低分辨率协同目标识别装置 - Google Patents
一种双波段高低分辨率协同目标识别装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种高低分辨率双波段协同目标识别装置，主要特征模块包括两组自适应液晶光线调节器、准直全反射分光装置、可见光高分辨率成像系统、红外低分辨率成像系统与数字图像处理单元。本装置通过将光学信号在光学接收系统中进行初步处理，有效减少了数字图像处理单元的运算量。本装置模拟人眼视锥细胞与视杆细胞协作成像过程，对同一目标同时分别输出可见光高分辨率图像信号与近红外低分辨率图像信号，优先处理近红外低分辨率图像信号，获取目标物体后实时切换至可见光高分辨率图像信号，提高了机器视觉对目标的识别速度并同时保证了对目标物体的观测质量。本发明首次采用活性液晶材料作为光线强度调节器，利用活性液晶材料的光电性质控制其光学透过率，两组成像系统分别独立拥有自适应液晶光线调节器，在同一光照条件下同时保证两组图像的曝光质量。
Description
技术领域：
本发明涉及一种双通道协同快速识别光学装置，尤其涉及可见光高分辨率——近红外低分辨率协同光学成像装置，属于智能机器人视觉技术领域。
背景技术：
机器快速识别技术在机器视觉中占据重要地位，也是智能机器人的核心技术，该技术可迅速在视场范围内提取物体特征，与信息库中的目标物体特征快速匹配，并实现对目标物体的高质量可持续观测。目标快速识别光学装置被广泛应用于安全检测系统、智能机器人视觉系统、夜视系统与地面目标追踪系统等领域。
目前机器视觉系统采用的光学信号接收装置为单一分辨率，并根据具体用途中需要处理的光波波段，分为可见光机器视觉装置与红外机器视觉装置，光学信号主要依靠系统的数字图像处理单元进行运算分析处理，对数字图像处理单元的运算能力依赖大。单一分辨率使光学系统的后期信号处理受到约束，当选用高分辨率成像探测器接收图像信号时，可以获取目标更多的有效特征，提高识别的准确率，但与此同时会大大增加图像处理系统的运算量，造成图像信息的延时获取；选用低分辨率成像探测器接收图像信号则会相反，图像获取速度提升，但图像细节和特征获取的精度降低。
发明内容：
本发明提供了一种双波段高低分辨率协同目标识别装置，模拟人眼视锥细胞与视杆细胞的双通道同步成像过程，实现了对同一目标同一时刻输出一个可见光高分辨率图像与一个近红外光低分辨率图像，其中可见光图像主要负责对目标物体的色彩与结构细节获取，近红外图像主要负责物体的轮廓特征获取，数字图像处理单元优先处理低分辨率近红外图像中的物体轮廓特征，识别出目标物体并实时切换至与低分辨率近红外图像标定匹配后的高分辨率可见光图像，对目标物体进行高质量细节观测。对光学信号的处理不再单纯依赖后期运算，而是在光学接收系统中实现预处理，减少了在识别目标物体的过程中数字图像处理单元的数据计算量与系统对外界光线环境的依赖。本发明首次提出使用活性液晶光电材料作为探测器的成像光强调节装置，根据对加载在活性液晶材料上的电压的控制调节液晶材料的光学透过率大小，从而改变透过的光线强度。
本发明主要由两组独立自适应液晶光线调节器、准直全反射分光装置、可见光高分辨率成像系统、近红外低分辨率成像系统与数字图像处理单元五部分组成。自适应液晶光线调节器由感光器与活性液晶光电材料板组成，感光器可实时感应外界光强，并将光强值与自身预设的光强——电压数据库比对后产生反馈电压信号，活性液晶光电材料的透过率随加载在其两端反馈电压信号的增大而降低，从而调节入射在光线探测器上的光强大小，实现对目标物体的成像曝光质量调节；准直全反射分光装置包含一组准直透镜、一块半反半透镜与两块全反射棱镜，用于初次纠正像差、将入射光束进行一次半反半透式分光，该装置使光束在传播过程中保持为准直光束并保证每次反射过程为全反射过程，使光学信号在传播过程中产生的像差与光能损失达到最小；可见光高分辨率成像系统与近红外低分辨率成像系统用于再次纠正像差，并通过高分辨率可见光彩色成像探测器与低分辨率近红外成像探测器分别输出可见光高分辨率图像与近红外低分辨率图像的电压信号，为提高成像探测器接收到的光学信号质 量，两套成像系统的成像透镜组分别镀有可见光增透光学薄膜与近红外增透光学薄膜；两套成像系统分别独立拥有自适应液晶光线调节器，在同一光照条件下同时保证两组图像的曝光质量；可见光高分辨率成像系统所用光学探测器为高分辨率可见光彩色成像探测器，其光谱响应范围为400nm至700nm，选用2048×2048px及以上的高分辨率；近红外低分辨率成像系统所用光学探测器为低分辨率近红外成像探测器，其光谱响应范围为700nm至1500nm，选用768×768px低分辨率；第一与第二片上系统(SOC)分别驱动高分辨率可见光彩色成像探测器与低分辨率红外成像探测器并接收图像信号；半反半透镜将入射光束一分为二分别输出到可见光高分辨率成像系统与近红外低分辨率成像系统，两系统同时成像，协同工作，数字图像处理单元优先处理低分辨率近红外图像中的物体轮廓特征，识别出目标物体并实时切换至与低分辨率近红外图像标定匹配后的高分辨率可见光图像，对目标物体进行高质量细节观测。
附图说明
图1是双波段高低分辨率协同目标识别装置的结构示意图
标号说明：1、可见光感光器，2、第一活性液晶材料板，3、准直透镜组，4、全反射棱镜，5、半反半透镜，6、可见光成像镀膜透镜组，7、高分辨率可见光彩色成像探测器，8、红外全反射镀膜棱镜，9、红外成像镀膜透镜组，10、低分辨率红外成像探测器，11、近红外感光器，12、第二活性液晶材料板，13、第一片上系统，14、第二片上系统，15、数字图像处理单元。
图2是活性液晶材料光学透过率随外加电压的变化曲线图
具体实施方式
结合图1详细阐述本发明的参照实例，同时应明确本发明并不仅限于此参考实例。
如图1所示的自适应液晶光线调节器有两个，分别为可见光自适应液晶光线调节器(可见光感光器1与第一活性液晶材料板2)与近红外自适应液晶光线调节器(近红外感光器11与第二活性液晶材料板12)；可见光感光器1与近红外感光器11分别预设可见光波段曝光参数和红外波段曝光参数，即各自的光强——电压数据库，每组感光器与活性液晶材料板协同工作，感光器可实时感应外界光强，得到的外界光强数据，并将其与各自预设的数据库相比对，产生反馈电压信号，将活性液晶光电材料的光学透过率调节至最佳值，本参照实例中电压信号的设定范围为0V至1.5V，活性液晶材料光学透过率随外界加载电压的变化如图2所示，当外加电压低于1.2V时，其光学透过率接近于100％，外加电压在1.2V至1.4V之间时，活性液晶材料光学透过率随电压值的升高而不断降低，当外加电压大于1.4V时，活性液晶材料光学透过率低于10％且不随外加电压的升高而继续降低。根据活性液晶材料板的这一光电性质，实现对其光学透过率大小的实时调节，使两组成像曝光质量保持在最佳范围。明视觉(即外界光线条件好，一般取10000尼特)时，本装置的亮度适应范围为200尼特至20000尼特，暗视觉(外界光线条件低于30尼特)时，本装置的亮度适应范围为1尼特至200尼特；明暗光照条件适应过程耗时为300毫秒。
分光装置5采用半透半反式光学立方棱镜，准直光束与模块组内部的半反半透镜成45度夹角，垂直透射平行光束与水平反射平行光束分别用于可见光高分辨率与近红外低分辨率成像探测器成像。反射装置8为近红外全反射镀膜棱镜，具体操作为入射面与出射面表面镀有近红外光学增透薄膜。两组成像系统的光学透镜组6和9在设计过程中保证在两块成像探测器上成像区域对应，保证系统的同轴性，在高低分辨率图像信号切换时易配准。成像模块7为可见光高分辨率成像探测器，其光谱响应范围为400nm至700nm，选用2048×2048px及以上的高分辨率，成像模块10为近红外低分辨率成像探测器，其光谱响应范围为700nm至1500nm，选用768×768px低分辨率。第一与第二片上系统负责分别驱动高分辨率可见光彩色成像探测器与低分辨率红外成像探测器，并分别接收两个探测器输出的图像信号，之后将图像信号输入数字图像处理单元(如DSP处理器)。数字图像处理单元优先处理低分辨率近红外图像中的物体轮廓特征，识别出目标物体并实时切换至与低分辨率近红外图像标定匹配后的高分辨率可见光图像，对目标物体进行高质量细节观测。
本实施例的光学系统第一透镜组3中凹透镜3-1直径为24mm，厚度为2.5mm；凸透镜3-2直径为28mm，厚度为3mm；凸透镜3-3直径为30mm，厚度为3mm；准直透镜3-4直径为12mm，厚度为4mm；第二透镜组6为可见光成像透镜组，其中凸透镜6-1直径为15mm，厚度为3mm；透镜6-2直径为12mm，厚度为3.5mm；第三透镜组9为近红外成像透镜组，其中透镜9-1直径为12mm，厚度为2.7mm；凸透镜9-2直径为14mm，厚度为3.5mm；透镜9-3直径我12mm，厚度为3mm；凹透镜3-1与凸透镜3-2之间距离为0.5mm，凸透镜3-2与凸透镜3-3之间距离为0.5mm，凸透镜3-3与准直透镜3-4之间距离为18mm，准直透镜3-4与全反射棱镜4相距20mm，全反射棱镜4与半反半透立方棱镜5相距42mm，半反半透立方棱镜5与可见光第一活性液晶材料板2之间距离为15mm，半反半透立方棱镜5与全反射棱镜8之间距离为30mm，全反射棱镜8与第二活性液晶材料板12之间距离为15mm，第一活性液晶材料板2与透镜6-1距离为10mm，透镜6-1与透镜6-2距离为0.8mm，透镜6-2与可见光高分辨率成像探测器7之间的距离为12mm，第二活性液晶材料板12与透镜9-1距离为12mm，透镜9-1与透镜9-2距离为0.6mm，透镜9-2与透镜9-3距离为0.5mm，透镜9-3与近红外低分辨率成像探测器10之间的距离为14mm；可见光成像透镜组的组合焦距为23.36mm，可见光高分辨率成像探测器7放置在可见光成像透镜组的成像焦平面上；近红外成像透镜组的组合焦距为25.17mm，近红外低分辨率成像探测器10放置在近红外成像透镜组的成像焦平面上。
上述实施例阐述了发明目的、技术方案与具体优势，所应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，用于解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、同等替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种双波段高低分辨率协同目标识别装置，其特征为，包括两组独立自适应液晶光线调节器、准直全反射分光装置、可见光高分辨率成像系统、近红外低分辨率成像系统与数字图像处理单元五部分，所述准直全反射分光装置由准直透镜组、半反半透镜以及第一全反射棱镜和第二全反射棱镜组成，入射光束首先进入所述准直透镜组，经过准直后到达所述第一全反射棱镜，经过所述第一全反射棱镜全反射后到达所述半反半透镜，经所述半反半透镜而垂直透射的光束到达所述两组独立自适应液晶光线调节器中的第一组自适应液晶光线调节器且经所述半反半透镜而水平反射的光束到达所述两组独立自适应液晶光线调节器中的第二组自适应液晶光线调节器，经过所述第一组自适应液晶光线调节器调节的光束进入所述可见光高分辨率成像系统进行成像且经过所述第二组自适应液晶光线调节器调节的光束进入所述近红外低分辨率成像系统进行成像，所述可见光高分辨率成像系统和所述近红外低分辨率成像系统输出的图像信号均输入到所述数字图像处理单元进行处理，同一时刻对同一目标输出一个高分辨率的彩色图像信号与一个低分辨率的近红外图像信号，输出的两个图像信号协同工作，数字图像处理单元优先处理低分辨率近红外图像中的物体轮廓特征，识别出目标物体并实时切换至与低分辨率近红外图像标定匹配后的高分辨率可见光图像，对目标物体进行高质量细节观测，所述的两组独立自适应液晶光线调节器均由感光器与活性液晶光电材料板组成，感光器可实时感应外界光强，并将光强值与自身预设的光强——电压数据库比对后产生反馈电压信号，活性液晶光电材料板的透过率随加载在其两端反馈电压信号的增大而降低，从而调节入射在光线探测器上的光强大小，实现对目标物体的成像曝光质量调节。
2.根据权利要求1所述的双波段高低分辨率协同目标识别装置，其特征为，所述的可见光高分辨率成像系统与近红外低分辨率成像系统分别独立拥有自适应液晶光线调节器，实现在同一光照条件下同时保证输出的可见光图像与近红外图像的成像曝光质量。
3.根据权利要求1或2所述的双波段高低分辨率协同目标识别装置，其特征为，所述的可见光高分辨率成像系统所用光学探测器为高分辨率可见光彩色成像探测器，其光谱响应范围为400nm至700nm，选用2048×2048px及以上的高分辨率；近红外低分辨率成像系统所用光学探测器为低分辨率近红外成像探测器，其光谱响应范围为700nm至1500nm，选用768×768px低分辨率。
4.一种使用如权利要求1所述双波段高低分辨率协同目标识别装置协同成像的方法，其特征在于光束进入装置后，在半反半透立方棱镜中进行一次透反式分光，分出的两束光分别进入可见光高分辨率成像系统与近红外低分辨率成像系统，两个自适应液晶光线调节器上的感光器感应到入射光光强后得到光强信号，分别与各自预设的光强——电压数据库比对，然后向活性液晶材料输出电压反馈信号，活性液晶光电材料板的光学透射率根据电压值的变化而改变，活性液晶材料的这一性质将透射光线的光强调节至探测器的最佳响应范围，两个探测器接收到光信号后，分别向第一与第二片上系统(SOC)输出高分辨率的彩色图像信号与低分辨率的近红外图像信号，片上系统接收到图像信号后将其输入数字图像处理单元，数字图像处理单元优先对低分辨率近红外图像中的物体快速筛选，识别出目标物体，并实时切换至高分辨率可见光图像对目标物体实现高质量观测。
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