CN104159042A - 高动态范围成像的dmd快速调光方法 - Google Patents

Abstract

高动态范围成像的DMD快速调光方法，涉及高动态范围成像领域，解决现有技术存在调光系统振荡的问题，本发明能够迅速使DMD对入射光的调制达到光强控制的目标范围内。利用实际场景成像其非边缘区域的相邻像素值变化缓慢的特点，以多个相邻像元为调光单位，通过粗调光和精调光，在最坏的情况下调光权值的搜索步数为N/h。相比于固定步长法，本方法具有速度较快、且不易出现震荡的特点。

Description

高动态范围成像的DMD快速调光方法

技术领域

本发明涉及高动态范围成像领域，具体涉及一种DMD在高动态范围成像中的快速调光方法，具体地说是一种能够迅速使DMD对入射光的调制达到光强控制的目标范围内。

背景技术

在DMD用于高动态成像探测中，DMD微镜阵列与图像传感器各像元一一对应。目标光线进入成像物镜并将场景成像到DMD光强调制器上，当DMD上的微反射镜处于开的状态时微反射镜将成像物镜上的光反射到CCD成像探测器上，形成对应像素的亮态；当DMD上的微反射镜处于关的状态时，入射到DMD上的光线被反射到非成像反射吸光装置内，光线不能到达图像传感器，从而形成对应像素的暗态。

根据探测器获得的图像去调整对应DMD上相应位置的微反射镜的开关状态以及开关时间以达到调整像面局部区域光强的目的，表现出对图像传感器像素点不同层次的光强控制。

在DMD应用于高动态成像探测中，对某一饱和像素调光只需要将像素值调节到图像探测器自身较敏感的响应区段内，一般为图像探测器的临界饱和值Th_sat与1/m(1/m≥1/2)倍临界饱和值Th_i之间，这是一个宽区间，区间的上限与下限存在m倍关系，因此调光权值的步进可以采用m倍关系，并且可以设为固定的几个值。如将DMD可调光强范围区间分配N个固定的调光权值r_n(n＝1,……N)，且有

0≤r_N＜r_n＜r₁≤1   (1)

研究微镜阵列DMD的快速调光方法是为了快速地获得在高动态成像探测中DMD某一像素的光强调制权值，以控制DMD某一微镜两态(ON/OFF)时间的长短，实现对应图像传感器像素点不同层次的光强调制，使场景成像到图像探测器上的饱和区域处的光强快速的调节至图像探测器最佳响应区域。

将光强调节到光强控制的目标范围的速度是由对光强控制权值的搜索速度决定，对光强控制权值的搜索速度可由(2)式表示：

Num＝f(r_start,L,Δ)   (2)

Num为搜索步数，r_start为初始光强控制权值，L为实际场景光强，Δ为调光权值的改变步长。由于实际场景光强L使图像传感器区域饱和后，L的具体范围是一个未知数，因此只有采用试探搜索光强控制权值的方式使光强达到调制目标范围内。在r_start、L固定的情况下，Δ改变的方式决定着光强控制权值的搜索速度。

若采用一般的固定步长法，即Δ取固定值，此种方法下，Δ在某些取值情况下甚至会出现Num∝∞的情况，此时调光系统振荡。Δ取1时调光系统不会出现Num∝∞的情况，但是在最坏的情况下调光权值的搜索步数Num将取到最大值N。此种方法只适合于对调光速度要求不高、场景光强变化小的静态场景调光。Δ大易使调光系统振荡，Δ小搜索费时。因此需要一种具有较快的收敛速度的光强调制方法。

发明内容

本发明为解决现有技术所存在的调光系统振荡问题，利用实际场景成像其非边缘区域的相邻像素值变化缓慢的特点，提出一种高动态范围成像的DMD快速调光方法。

高动态范围成像的DMD快速调光方法，该方法由以下步骤实现：

步骤一、在DMD可调光强范围区间内分配N个固定的调光权值r_n，n为小于等于N的正整数；且有0≤r_N＜r_n＜r₁≤1，采用自适应空间区域法，以多个相邻像元为调光单位；

所述调光单位具体确定为：以像元P_i为中心，在邻域内，选取h个像元作为调光单位，为像元P_i当前的调光权值，所述h大于等于4，小于等于N；

步骤二、判断调光单位中是否有处于饱和状态的像元，如果是，则重新分配调光单位中像元的调光权值，并执行步骤三；如果否，则执行步骤四；

步骤三、判断调光单位中是否包含亮目标的边缘区域，如果是，则直接回到步骤二；如果否，则中心像元P_i对应的调光权值为调光单位中多个相邻像元的调光权值均为执行到步骤二；

步骤四、判断调光单位中像元值是否小于1/m临界饱和值Th_i，所述1/m大于等于1/2小于1；如果是，则将调光权值进行更新，返回步骤二；如果否，则结束，实现DMD在高动态探测中的快速调光。

本发明的有益效果：本发明利用实际场景成像其非边缘区域的相邻像素值变化缓慢的特点，采取以相邻的几个像元素为调光单位，为调光单位内的每个像元分配相邻的调光权值。若调光单位内的像元个数为h，DMD组成的高动态探测系统的固定调光权值共为N个，则在最坏的情况下调光权值的搜索步数为N/h。相比于固定步长法，本方法具有速度较快、且不易出现震荡的特点。

附图说明

图1为本发明相邻关系示意图。

图2为本发明所述的高动态范围成像中的DMD快速调光方法的流程图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1和图2说明本实施方式，高动态范围成像的DMD快速调光方法，包括确定调光单位、粗调光(范围预估)、精调光。

确定调光单位包括相邻像元定义确定、单位内像元个数确定：

相邻的像元位置可以用距离来定义，现有像元P_i，满足此发明中与其有相邻关系的像元P_i+1与像元P_i之间的距离为

$D=\max \left(\right|x_{p_i}-x_{p_{i+1}}|,|y_{p_y}-y_{p_{i+1}}\left|\right)---\left(3\right)$

其中如图1所示，图中任意一个P_i+1都与P_i满足相邻关系。

以h个满足(3)式关系的相邻像元为调光单位，h取值太大，容易导致调光单位内的像元成像值出现跳变，h值过小，则调光速度(N/h)会减小。因此建议h取值在4到N之间，其中N为系统的固定调光权值个数。

粗调光(范围预估)：

在h个相邻像元为调光单位的调光系统中，以调光单位铺满整个成像面。在某个调光单位内，设为图像传感器上像元P_i所对应的实际场景光强，其中P_i、P_i+1为相邻像元，为像元Pi的光强控制权值，为对像元P_i调光后的像素值，即为DMD对入射光光强调制后图像传感器的响应值。初始 的关系如式(4)所示，其中δ为系统参数。

$(e_{P_i},......,e_{P_{i+h}})=\mathrm{\δ}\·(L_{P_i},......,L_{P_{i+h}})\·(r_{P_i},......,r_{P_{i+h}})---\left(4\right)$

若实际场景光强发生变化，光强增强，导致图像传感器的单位响应集合值内出现饱和值，则调光单位内像元对应的调光权值将发生变化，如式(5)所示：

$(e_{P_i},......,e_{P_{i+h}})=\mathrm{\δ}\·(L_{P_i},......,L_{P_{i+h}})\·(r_n,......,r_{n+h})---\left(5\right)$

其中r_n到r_n+h各权值的位置可随机，若调光后图像传感器的单位响应集合值内还有像元其像素值处于饱和状态，则再次进行由(4)式到(5)式的粗调光，否则进入精调光。

精调光：

在精调光中，我们由(6)式估算出每个像元对应的实际场景光强，然后再由估算出的光强分配对应的调光权值，使DMD将对应像元的入射光调节到图像探测器成像的敏感目标范围内。

$L_{P_i}=\mathrm{\δ}\left(r_{P_i}\right)\frac{e_{P_i}}{r_{P_i}}---\left(6\right)$

其中为与调光权值有关的误差修正，不同的调光权值其也不同。

本实施方式中采用自适应空间区域法以相邻的多个像元为调光单位，进行调光权值的搜索。主要原理为：在系统可调光强范围内，某一个调制权值r_n对实际场景光强的理想作用范围是一个宽区间，即调制权值r_n能使较宽区间的实际场景光强(L_n,L_n+1)在图像传感器上的响应处于对应的光强控制目标范围内，相邻的调光权值r_n-1、r_n对实际场景光强的理想作用范围具有连续性，即多个相邻的调光权值对实际场景光强作用范围是各个调光权值的作用范围的并集，且这个并集是一个连续的区间。如调光权值r_n-1、r_n、r_n+1、r_n+2其对应的场景光强作用范围分别为(L_n-1,L_n)、(L_n,L_n+1)、(L_n+1,L_n+2)、(L_n+2,L_n+3)，它们的区间上存在连续性，其并集为(L_n-1,L_n+3)。

在场景成像的非边缘区域，相邻像元值之间的差距不大，因此可以以相邻的几个像元为调光单位，这几个相邻像素分别分配连续的相邻调光权值，顺序可以随机。当相邻像元对应的实际场景光强分布于光强控制权值集合R(r_n,……,r_n+h)的目标作用范围(L_n,……,L_n+h)内，则图像探测器上对应的调光单位内最少有一像素值处于光强控制目标范围内，其对应的光强控制权值即为搜索目标。如果调光单位中所取的相邻像素个数h过大，容易出现像素值的跳变，而易导致图像探测器上对应的调光单位内无元素处于光强控制目标范围内；若h过小，会使光强控制权值集合R(r_n,……,r_n+h)的实际场景作用光强范围(L_n,……,L_n+h)减小，从而使对目标权值的搜索速度变缓。因此调光单位内的像元个数取值要适当。

Claims (2)

1.DMD在高动态探测中的快速调光方法，其特征是，该方法由以下步骤实现：

步骤一、在DMD可调光强范围区间内分配N个固定的调光权值r_n，n为小于等于N的正整数；且有0≤r_N＜r_n＜r₁≤1，采用自适应空间区域法，以多个相邻像元为调光单位；

所述调光单位具体确定为：以像元P_i为中心，在邻域内，选取h个像元作为调光单位，为像元P_i当前的调光权值，所述h大于等于4，小于等于N；

步骤二、判断调光单位中是否有处于饱和状态的像元，如果是，则重新分配调光单位中像元的调光权值，并执行步骤三；如果否，则执行步骤四；

步骤三、判断调光单位中是否包含亮目标的边缘区域，如果是，则直接回到步骤二；如果否，则中心像元P_i对应的调光权值为调光单位中多个相邻像元的调光权值均为执行到步骤二；

步骤四、判断调光单位中像元值是否小于1/m临界饱和值Th_i，所述1/m大于等于1/2小于1；如果是，则将调光权值进行更新，返回步骤二；如果否，则结束，实现DMD在高动态探测中的快速调光。

2.根据权利要求1所述的DMD在高动态探测中的快速调光方法，其特征在于，步骤二重新分配调光单位中像元的调光权值，即调光权值依次改为至步骤四中将调光权值更新为至