CN105678744B

CN105678744B - 距离选通自主成像自适应mcp增益调节方法

Info

Publication number: CN105678744B
Application number: CN201511021016.1A
Authority: CN
Inventors: 刘晓泉; 刘壮; 王新伟; 周燕
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2015-12-30
Filing date: 2015-12-30
Publication date: 2018-02-16
Anticipated expiration: 2035-12-30
Also published as: CN105678744A

Abstract

一种距离选通自主成像自适应MCP增益调节的方法，该方法首先对图像进行灰度标定，获取低灰度阈值G₁，高灰度阈值G₂，低像素数阈值N₁和高像素数阈值N₂；工作过程中，对ICCD或ICMOS采集到的图像进行灰度直方图分析，根据灰度直方图分布特征，统计灰度值小于低灰度阈值G₁的像素个数n₁和灰度值大于高灰度阈值G₂的像素个数n₂。若n₂大于高像素数阈值N₂，则在当前图像MCP增益的基础上减小MCP增益，减小量为σ；否则，若n₁小于低像素数阈值N₁，则在当前图像MCP增益的基础上增大MCP增益，增大量为σ；否则，MCP增益维持当前值不变。对ICCD采集随后各帧图像，重复以上过程。

Description

距离选通自主成像自适应MCP增益调节方法

技术领域

本发明涉及距离选通自主成像领域，尤其涉及一种距离选通自主成像中自适应MCP增益调节的方法。

背景技术

近年来以获取目标空间信息为目的的距离选通激光成像技术在夜视、水下成像、空间成像、生物医学成像以及三维成像等领域发展迅速。欲有效抑制环境杂散光后向散射的干扰，距离选通自主成像技术通常选用ns级脉冲激光作为照明光源，和具有ns级选通功能的选通成像器件收集回波信号，并且在目标回波信号到达成像器件时，选通门打开，其他时间关闭。目前国内外用于距离成像技术的选通成像器件主要有ICCD和ICMOS，即在CCD和CMOS图像传感器前加装选通选通型像增强器。选通型像增强器不仅仅是作为选通门实现ns级选通作用，更重要的是可以对弱光信号放大。选通型像增强器主要由光阴极、微通道板(Microchannel Plate，MCP)和荧光屏组成。其中，选通型像增强器对弱光信号的放大作用主要是通过MCP对经由光阴极转换而来的电信号倍增实现的，MCP增益越大，对弱光信号的放大作用越强。在实际应用中，一方面MCP增益会直接影响距离选通自主成像系统的成像信噪比和对比度，从而影响后续信息获取的准确性和难易程度，另一方面相同的MCP增益下，环境改变时容易引入强光，从而损坏荧光屏乃至整个ICCD或ICMOS器件。传统的MCP增益调节方法是人眼根据ICCD或ICMOS图像亮度手动地进行调节，这种方法存在较大的不足：首先实时性较差：当人眼看到强光的入侵到手动降低MCP增益，可能需要数秒甚至数分钟的时间，这个时间足以导致荧光屏的损坏；其次，手动调节MCP增益主观性大，精度差，难以调节至适合的MCP增益以方便后期的图像提取及目标识别；最后，在距离选通自主成像系统工作过程中，无法手动调节MCP增益，固定的MCP增益限制了距离选通自主成像系统的环境适应性。

发明内容

针对传统手动调节MCP增益方法存在的不足之处，本发明的主要目的是提出一种自适应MCP增益调节的方法，以实现距离选通自主成像系统能够根据环境变化自适应地调节MCP增益，以达到保护成像器件和增强系统环境适应性的目的。

为达到以上目的，本发明提供的技术方案如下：

一种距离选通自主成像自适应MCP增益调节的方法，该方法首先对图像进行灰度标定，获取适合后期目标提取及识别的低灰度阈值G₁和高灰度阈值G₂，以及与之对应的低像素数阈值N₁和高像素数阈值N₂；工作过程中，对ICCD或ICMOS采集到的图像进行灰度直方图分析，得到基于灰度直方图的分布特征；随后，根据灰度直方图分布特征，统计灰度值小于低灰度阈值G₁的像素个数n₁和灰度值大于高灰度阈值G₂的像素个数n₂。若n₂大于高像素数阈值N₂，则在当前图像MCP增益的基础上减小MCP增益，减小量为σ；否则，若n₁小于低像素数阈值N₁，则在当前图像MCP增益的基础上增大MCP增益，增大量为σ；否则，MCP增益维持当前值不变。完成当前帧后，进入下一帧，并重复以上过程，在环境不发生明显变化时，图像会在毫秒量级的时间内稳定在小于灰度阈值G₁的像素数小于像素数阈值N₁、大于灰度阈值G₂的像素数大于像素数阈值N₂的状态。

上述方案中，所述灰度标定是指，通过调节MCP增益获取不同平均灰度的目标图像，通过分析不同平均灰度的目标图像，获得适合后期目标提取和识别的图像平均灰度范围以及目标所占的平均像素数范围。标定过程中，目标、目标场景、目标距离以及系统参数的选取都是根据实际的需求选取的，并且在标定过程中保持一致；手动调节MCP增益从低到高等步长增大，获取平均灰度值从低到高的目标图像。后期利用目标分割和识别算法对获取的不同灰度级的图片进行处理，从而得到适合目标分割和识别的目标平均灰度范围(G₁，G₂)，以及所占像素数范围(N₁，N₂)。其中，G₁定义为低灰度阈值，G₂定义为高灰度阈值，N₁定义为低像素数阈值，N₂定义为高像素数阈值。

上述方案中，所述灰度直方图分析是对灰度图像进行统计分析的一种方法，用于统计整幅图像中不同灰度值所占的像素数。灰度直方图分析具体包括：逐像素遍历整幅图像，统计各个灰度值所占的像素个数，然后在横坐标上从左到右按照灰度值从小到大的次序依次标示出各个灰度值，纵坐标对应为像素数。

上述方案中，所述对灰度值小于G₁的像素个数n₁的统计，是通过统计在灰度直方图中灰度值G₁左侧的灰度级的像素数的总和得到的；对灰度值大于G₂的像素个数n₂的统计，是通过统计在灰度直方图中灰度值G₂右侧的灰度级的像素数的总和得到的。

上述方案中，所述增大或减小MCP增益，是通过调节MCP增益调节电压值来实现的。工作中，MCP增益随着加载在MCP上的高压的增大而增大，而加载在MCP上的高压又和MCP增益调节电压具有线性(线性递增或线性递减)的对应的关系。MCP增益调节电压可以由单片机的D/A口输出提供。实际工作中，信息处理模块将数字化的MCP增益调节电压值通过串口传送给单片机，单片机通过内部的D/A转换器转换成对应的模拟信号，即MCP增益调节电压并输出给选通型像增强器，即可实现对MCP增益的调节。

上述方案中，所述的MCP增益值的改变量σ是在单片机输出的MCP增益调节电压改变量为最小值时取得的。若单片机D/A转换器的位数为N，参考电压为V_REF，则单片机输出的MCP增益调节电压的最小改变量ΔV为：

根据MCP增益调节电压和MCP增益倍数之间的单调性对应曲线关系，即可得出在任何位置MCP增益倍数的最小改变量。当MCP增益调节电压和MCP增益之间单调线性对应时，若单片机内部的D/A转换器的位数为N，MCP的最大增益倍数为M，则当单片机输出的MCP增益调节电压改变量取最小值时，MCP增益倍数的改变量σ也最小，取值为：

上述方案中，所述的MCP增益值的改变量σ取值越小，则精度越高，但调节至合适的MCP值的速度越慢，反之亦然。本发明中MCP增益值的改变量σ取为最小值，这是由于本发明提出的自适应MCP增益调节方法处理单幅图像的平均时间在亚毫米量级，即使MCP增益值的改变量σ取为最小，也可在毫米量级的时间内调节至合适的MCP值并在环境不发生变化时稳定图像，满足实际需求，同时保证了以最高的调节精度调节。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1.利用本发明，由于通过采用串口通信来调节MCP增益，速度快，在环境中出现强光时可在数毫秒内迅速降低MCP增益，相对于传统的手动调节，不仅有效地保护了成像器件，并且在强光下依然可正常工作，达到了强光抑制的作用；

2.利用本发明，由于可对MCP增益进行定量的调节，相对于传统的手动调节，精度大，准确性高，较易获得适合后期图像提取和目标识别的MCP增益。

3.利用本发明，在距离选通自主成像系统中，系统可根据环境特点自适应的调节MCP增益，大大增强了系统的环境适应性。

附图说明

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明，其中：

图1是距离选通自主成像自适应MCP增益调节系统；

图2是自适应MCP增益调节流程图。

附图标记说明：

1是图像传感器，2是选通型选通型像增强器，3是单片机，4是信息处理模块，5是自适应MCP增益调节模块。

具体实施方式

本发明提供的距离选通自主成像自适应MCP增益方法是基于图像传感器1、选通型像增强器2、单片机3、信息处理模块4和自适应MCP增益调节模块5所构成的系统实现的，如图1所示。其中，选通型像增强器2不仅是作为选通门实现ns级选通作用，更重要的是可以对微弱的目标回波光信号放大，其中选通型像增强器2对弱光信号的放大倍数(即MCP增益倍数)和单片机3输入到选通型像增强器2的MCP增益调节电压具有单调性的对应关系；放大了的目标回波光信号被图像传感器1收集成像，并由图像传感器1上传图像至信息处理模块4；自适应MCP增益调节模块5将自适应MCP增益调节方法由C++语言基于OpenCV计算机视觉库编程实现，并被嵌入到信息处理模块4中；自适应MCP增益调节模块5对图像分析后，产生数字化的MCP增益调节电压，并通过串口传送至单片机3的数字I/O口；单片机3通过内部的D/A转换器将数字化的MCP增益调节电压转换成模拟电压并输出给选通型像增强器2。

以下部分将对自适应MCP增益调节方法进行详细说明。首先通过灰度标定获得适合后期目标提取和识别的图像平均灰度范围以及目标所占的平均像素数范围。标定过程中，目标、目标场景、目标距离以及系统参数的选取都是根据实际的需求选取的，并且在标定过程中保持一致；手动调节MCP增益从低到高等步长增大，获取平均灰度值从低到高的目标图像。后期利用目标分割和识别算法对获取的不同灰度级的图片进行处理，从而得到适合目标分割和识别的目标平均灰度范围(G₁，G₂)，以及所占像素数范围(N₁，N₂)。其中，G₁定义为低灰度阈值，G₂定义为高灰度阈值，N₁定义为低像素数阈值，N₂定义为高像素数阈值。

然后，通过选通型像增强器2对目标回波光信号进行选通放大，通过图像传感器1采集放大的光信号并成像。信息处理模块4和自适应MCP增益调节模块5对图像传感器1采集到第K(K＝1，2，3...)帧的图像进行灰度直方图分析，得到基于灰度直方图的分布特征；灰度直方图分析是对灰度图像进行统计分析的一种方法，用于统计整幅图像中不同灰度值所占的像素数，灰度直方图分析具体包括：逐像素遍历整幅图像，统计各个灰度值所占的像素个数，然后在横坐标上从左到右按照灰度值从小到大的次序依次标示出各个灰度值，纵坐标对应为像素数。

自适应MCP增益调节模块5根据灰度直方图分析结果，统计在灰度直方图中灰度值G₁左侧的灰度级的像素数的总和，即为灰度值小于G₁的像素个数n₁；统计在灰度直方图中灰度值G₂右侧的灰度级的像素数的总和，即为灰度值大于G₂的像素个数n₂。若n₂大于N₂，则在当前图像MCP增益的基础上减小MCP增益，减小量为σ；否则，若n₁小于N₁，则在当前图像MCP增益的基础上增大MCP增益，增大量为σ；否则，MCP增益维持当前值不变。

其中，自适应MCP增益调节模块5对MCP增益的调节，是通过调节MCP增益调节电压值来实现的。工作中，MCP增益随着加载在MCP上的高压的增大而增大，而加载在MCP上的高压又和MCP增益调节电压具有线性(线性递增或线性递减)的对应的关系。MCP增益调节电压可以由单片机3的D/A口输出提供。实际工作中，信息处理模块4和自适应MCP增益调节模块5将数字化的MCP增益调节电压值通过串口传送给单片机3，单片机3通过内部的D/A转换器转换成对应的模拟信号，即MCP增益调节电压并输出给选通型像增强器2，即可实现对MCP增益的调节。

MCP增益值的改变量σ是在单片机3输出的MCP增益调节电压改变量为最小值ΔV时取得的。实际工作中，数字化的MCP增益调节电压每改变1，单片机3输出的MCP增益调节电压改变ΔV。若单片机3内部D/A转换器的位数为N，参考电压为V_REF，则单片机3输出的MCP增益调节电压的最小改变量为：

根据MCP增益调节电压和MCP增益倍数之间的单调性对应曲线关系，即可得出在任何位置MCP增益倍数的最小改变量。当MCP增益调节电压和MCP增益之间单调线性对应时，若单片机3内部的D/A转换器的位数为N，MCP的最大增益倍数为M，则当单片机输出的MCP增益调节电压改变量取最小值时，MCP增益倍数的改变量σ也最小，取值为：

MCP增益值的改变量σ取值越小，则精度越高，但调节至合适的MCP值的速度越慢，反之亦然。本发明中MCP增益值的改变量σ取为最小值，这是由于本发明提出的自适应MCP增益调节方法处理单幅图像的平均时间在亚毫米量级，即使MCP增益值的改变量σ取为最小，也可在毫米量级的时间内调节至合适的MCP值并在环境不发生变化时稳定图像，满足实际需求，同时保证了以最高的调节精度调节。

将上述自适应MCP增益调节方法通过由C++语言基于OpenCV计算机视觉库编程实现，形成自适应MCP增益调节模块5，并被嵌入到信息处理模块4中，实现自适应MCP增益调节。整个工作流程图如图2所示。

本发明提供的距离选通自主成像自适应MCP增益调节方法，具体步骤如下：

1)根据灰度标定，获取适合后期目标提取及识别的低灰度阈值G₁和高灰度阈值G₂，以及与之对应的低像素数阈值N₁和高像素数阈值N₂；

2)按照图1搭建硬件平台，利用选通型像增强器2和图像传感器1对目标回波光信号进行选通放大并成像；

3)信息处理模块4读取图像传感器1上传的图像；

4)自适应MCP增益调节模块5嵌入到信息处理模块4中，对采集到的图像进行灰度直方图分析，统计灰度值小于G₁的像素个数n₁和灰度值大于G₂的像素个数n₂。若n₂大于N₂，则在当前图像MCP增益的基础上减小MCP增益，减小量为σ；否则，若n₁小于N₁，则在当前图像MCP增益的基础上增大MCP增益，增大量为σ；否则，MCP增益维持当前值不变。

5)自适应MCP增益调节模块5将调节后的数字化的MCP增益调节电压值经由信息处理模块4通过串口传输给单片机，单片机通过内部的D/A转换器转换成模拟信号，即MCP控制电压并输出给选通型像增强器2。

6)对随后的各帧图像重复上述步骤2)-5)，在环境不发生明显变化时，图像会在毫秒量级的时间内稳定在小于灰度阈值G₁的像素数小于像素数阈值N1、大于灰度阈值G₂的像素数大于像素数阈值N₂的状态。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种距离选通自主成像自适应MCP增益调节方法，该方法包括：

首先对图像进行灰度标定，获取适合后期目标提取及识别的低灰度阈值G₁和高灰度阈值G₂，以及与之对应的低像素数阈值N₁和高像素数阈值N₂；

然后，对ICCD或ICMOS采集到的图像进行灰度直方图分析，得到基于灰度直方图的分布特征；

随后，根据灰度直方图分布特征，统计灰度值小于低灰度阈值G₁的像素个数n₁和灰度值大于高灰度阈值G₂的像素个数n₂；若n₂大于高像素数阈值N₂，则在当前图像MCP增益的基础上减小MCP增益值，减小σ；否则，若n₁小于低像素数阈值N₁，则在当前图像MCP增益的基础上增大MCP增益，增大σ；否则，MCP增益值维持当前值不变；

完成当前帧后，进入下一帧，并重复以上过程；

所述的MCP增益值的改变量σ是在单片机输出的MCP增益调节电压改变量为最小值ΔV时取得的；若单片机D/A转换器的位数为N，参考电压为V_REF，则单片机输出的MCP增益调节电压的最小改变量ΔV为：

<mrow> <mi>&Delta;</mi> <mi>V</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>V</mi> <mrow> <mi>R</mi> <mi>E</mi> <mi>F</mi> </mrow> </msub> <mrow> <msup> <mn>2</mn> <mi>N</mi> </msup> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </mfrac> <mo>.</mo> </mrow>

2.根据权利要求1所述的距离选通自主成像自适应MCP增益调节方法，其特征在于，所述灰度标定是指，通过调节MCP增益获取不同平均灰度的目标图像，通过分析不同平均灰度的目标图像，获得适合后期目标提取和识别的图像平均灰度范围以及目标所占的平均像素数范围；其中图像平均灰度范围与低灰度阈值G₁和高灰度阈值G₂对应，目标所占的平均像素数范围对应于低像素数阈值N₁和高像素数阈值N₂。

3.根据权利要求1所述的距离选通自主成像自适应MCP增益调节方法，其特征在于，灰度直方图分析具体包括：逐像素遍历整幅图像，统计各个灰度值所占的像素个数，然后在横坐标上从左到右按照灰度值从小到大的次序依次标示出各个灰度值，纵坐标对应为像素数。

4.根据权利要求1所述的距离选通自主成像自适应MCP增益调节方法，其特征在于，所述增大或减小MCP增益，是通过调节MCP增益调节电压值来实现的：信息处理模块将数字化的MCP增益调节电压值通过串口传送给单片机，单片机通过内部的D/A转换器转换成对应的模拟信号，即MCP增益调节电压并输出给选通型像增强器，即可实现对MCP增益的调节。

5.根据权利要求1所述的距离选通自主成像自适应MCP增益调节方法，其特征在于，

当MCP增益调节电压和MCP增益之间单调线性对应时，若单片机内部的D/A转换器的位数为N，MCP的最大增益倍数为M，则当单片机输出的MCP增益调节电压改变量取最小值时，MCP增益倍数的改变量σ也最小，取值为：

<mrow> <mi>&sigma;</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>M</mi> <mrow> <msup> <mn>2</mn> <mi>N</mi> </msup> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </mfrac> <mo>.</mo> </mrow>

6.根据权利要求1所述的距离选通自主成像自适应MCP增益调节方法，其特征在于，所述的MCP增益值的改变量σ取值越小，则精度越高，调节至合适的MCP增益值的速度越慢。