CN108107541A

CN108107541A - 一种基于图像处理的红外光学系统无热化补偿方法及装置

Info

Publication number: CN108107541A
Application number: CN201711178645.4A
Authority: CN
Inventors: 钱坤; 李军伟; 李婷; 曾克思
Original assignee: Beijing Institute of Environmental Features
Current assignee: Beijing Institute of Environmental Features
Priority date: 2017-11-23
Filing date: 2017-11-23
Publication date: 2018-06-01

Abstract

本发明公开了一种基于图像处理的红外光学系统无热化补偿方法及装置，适用于包括连接的调焦电机和调焦控制板的补偿装置，调焦控制板包括FPGA芯片、AD采集芯片和电机驱动芯片；补偿方法包括初始化FPGA芯片，在初始化完成后驱动AD采集芯片对红外图像进行采集，FPGA芯片运行自动聚焦方法，计算前后两帧图像灰度梯度，根据灰度梯度大小驱动调焦电机沿光轴前后运动以搜索正焦位置，搜索到正焦位置后驱动调焦电机运动到此位置，完成无热化补偿。本发明能在宽温度范围内自动调整，调整动作迅速，成像清晰，目标细节可辨，达到较好的无热化补偿效果。

Description

一种基于图像处理的红外光学系统无热化补偿方法及装置

技术领域

本发明涉及光电探测技术领域，尤其涉及一种基于图像处理的红外光学系统无热化补偿方法及装置。

背景技术

温度变化会导致红外光学系统的材料折射率、透镜厚度、透镜曲率半径和镜筒尺寸发生变化，若不采取补偿措施，红外光学系统的成像性能将急剧下降，造成光学系统离焦，即成像模糊不清，目标细节无法分辨。为了保证光学系统的性能,必须采取无热化补偿措施。目前无热化设计的主要方法有：机械被动式、光学被动式和电子主动式。

机械被动式无热化方法使用多种不同膨胀率材料或记忆合金来消除热效应效果较好，但在这种方法增加了机械补偿器件，使得系统体积变大、重量增加。

光学被动式无热化方法是通过合理选择搭配玻璃材料并合理分配每个镜片的光焦度，使整个光学系统像面位置随温度的变化量与镜筒随温度的变化量保持一致。这种方法要求对镜片材料选择要求苛刻且要合理分配每片镜片的光焦度，设计上繁琐复杂。

电子主动式利用测温传感器、反馈电路、电机对镜片进行控制，原理是实际测出光学系统在每个温度区间下的调整量，然后存储到电路中，现场根据测温传感器测出光学系统实际温度，反馈电路根据存储的对应温度下的调整量驱动电机进行调整已达到无热化补偿的目的。由于实际上很多红外光学系统工作温度范围很宽，可达-40℃～+60℃，实际存储的调整量不可能覆盖到每个准确的温度值，因此补偿精度对于宽温工作范围的红外光学系统是不够的。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷，本发明提供一种基于图像处理的红外光学系统无热化补偿方法及装置，通过图像处理的方式自动搜索最佳聚焦位置，去除了测温传感器及避免了事前繁琐的每个温度区间调整量的测量，自动消除因温度变化所造成的光学系统离焦，在宽温范围内能够清晰成像。

本发明提供的一种基于图像处理的红外光学系统无热化补偿方法，其改进之处在于，适用于包括连接的调焦电机和调焦控制板的补偿装置，所述调焦控制板包括FPGA芯片、AD采集芯片和电机驱动芯片；所述补偿方法包括初始化所述FPGA芯片，在初始化完成后驱动AD采集芯片对红外图像进行采集，FPGA芯片运行自动聚焦方法，计算前后两帧图像灰度梯度，根据灰度梯度大小驱动调焦电机沿光轴前后运动以搜索正焦位置，搜索到正焦位置后驱动调焦电机运动到此位置，完成无热化补偿。

优选的，所述FPGA芯片运行自动聚焦方法，计算前后两帧图像灰度梯度，根据灰度梯度大小驱动调焦电机沿光轴前后运动以搜索正焦位置，搜索到正焦位置后驱动调焦电机运动到此位置，完成无热化补偿的步骤包括：

(1)所述FPGA芯片计算当前帧图像灰度梯度，同时记录所述调焦电机码盘值；

(2)所述FPGA芯片驱动所述调焦电机正向前进一个步长，并计算此步长中当前帧的图像灰度梯度，记录所述调焦电机码盘值；

(3)判断步骤(1)和步骤(2)中的灰度梯度值大小，若步骤(1)帧图像的灰度梯度值小于步骤(2)帧图像的灰度梯度值，则进入步骤(4)，否则进入步骤(5)；

(4)所述FPGA芯片驱动所述调焦电机正向前进一个步长，判断此步长内的帧图像的灰度梯度值是否大于上一个步长内的帧图像的灰度梯度值，是则循环此步骤，否则进入步骤(6)；

(5)所述FPGA芯片驱动所述调焦电机反向前进一个步长，判断此步长内的帧图像的灰度梯度值是否大于上一个步长内的帧图像的灰度梯度值，是则循环此步骤，否则进入步骤(6)；

(6)所述FPGA芯片找到峰值位置，即为正焦位置；

(7)所述FPGA芯片控制所述电机驱动芯片驱动所述调焦电机调整红外光学系统镜片的变倍镜组轴向位置到所述正焦位置，完成无热化补偿。

较优选的，所述找到峰值位置的方法包括：

把图像设成二维离散函数，令图像灰度分布函数像素为f(x,y)，x是像素的横坐标，y是像素的纵坐标，则灰度梯度函数G(x,y)的表达式为：

式中f(x+1,y)为像素横坐标与x坐标相邻的下一个坐标的图像灰度分布函数像素，f(x,y+1)为像素纵坐标与y坐标相邻的下一个坐标的图像灰度分布函数像素；

灰度梯度函数G(x,y)的计算公式为：

S＝max{F_K}；

式中，S为灰度梯度函数G(x,y)的极值，K为图像序列，K＝1,2,3,…,n，n值为图像总数，正焦的图像具有灰度梯度极值，对应的峰值位置即为正焦位置。

较优选的，所述FPGA芯片收到自动聚焦触发信号后，通过I²C总线完成对所述AD采集芯片的初始化配置。

较优选的，所述FPGA芯片将接收的图像通过DDR2内存芯片缓存。

本发明基于上述补偿方法的装置，其改进之处在于，所述装置包括调焦电机和调焦控制板；

所述调焦控制板包括FPGA芯片、AD采集芯片和电机驱动芯片；

所述FPGA芯片分别与所述AD采集芯片、所述电机驱动芯片和所述调焦电机连接。

优选的，所述FPGA芯片通过I²C总线与所述AD采集芯片连接。

较优选的，所述装置包括DDR2内存芯片；所述DDR2内存芯片与所述FPGA芯片连接。

较优选的，所述FPGA芯片内部模块划分包括自动聚焦计算模块、I²C协议模拟模块和调焦电机驱动模块；所述调焦电机驱动模块发出PWM驱动脉冲驱动所述电机驱动芯片。

较优选的，所述AD采集芯片的型号为SAF7113；所述FPGA芯片的型号为XC5VLX110；所述电机驱动芯片的型号为L298N。

本发明的技术方案中，在宽温度范围内自动调整，补偿精度高，调整动作迅速，成像清晰，目标细节可辨，达到较好的无热化补偿效果。

附图说明

图1为本发明实施例的红外光学系统无热化补偿装置的调焦控制板原理示意图；

图2为本发明实施例的调焦电机驱动变倍镜组移动示意图；

图3为本发明实施例的FPGA内部模块划分；

图4为本发明实施例的红外光学系统无热化补偿方法流程图；

图5为本发明实施例的自动聚焦方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举出优选实施例，对本发明进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本发明的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以实现本发明的这些方面。

本实施例提出的一种基于图像处理的红外光学系统无热化补偿装置，其原理图如图1所示，包括调焦电机和调焦控制板；调焦控制板包括FPGA芯片、AD采集芯片和电机驱动芯片；FPGA芯片分别与AD采集芯片、电机驱动芯片和调焦电机连接。FPGA芯片接收上位机发送的指令工作。具体的，FPGA芯片内部包括自动聚焦计算模块、I²C协议模拟模块和调焦电机驱动模块，如图3所示。AD采集芯片进行图像采集、模数转换输出，I²C协议模拟模块实现了AD采集芯片初始化驱动，自动聚焦计算模块根据AD采集芯片输出的数字图像运行自动聚焦方法搜索正焦位置，调焦电机驱动模块产生PWM驱动脉冲，电机驱动芯片接收到后，驱动调焦电机，调整红外光学系统镜片的变倍镜组轴向位置。调焦电机也将电机码盘位置反馈回FPGA芯片。

优选的，本实施例的装置还包括DDR2内存芯片，其与FPGA芯片连接，用于对图像的缓存。

根据上述的装置，本实施例对应的补偿方法，其流程图如图4所示，包括初始化FPGA芯片，在初始化完成后驱动AD采集芯片对红外图像进行采集，FPGA芯片运行自动聚焦方法，计算前后两帧图像灰度梯度，根据灰度梯度大小驱动调焦电机沿光轴前后运动以搜索正焦位置，搜索到正焦位置后驱动调焦电机运动到此位置，完成无热化补偿。自动聚焦方法的流程图如图5所示，具体包括如下步骤：

(1)FPGA芯片计算当前帧图像灰度梯度，同时记录调焦电机码盘值；

(2)FPGA芯片驱动调焦电机正向(定义调焦电机顺时针转动为正向，逆时针转动为反向)前进一个步长(此步长指调焦电机每接收一个驱动脉冲后旋转而转化产生的直线位移)，并计算此步长中当前帧的图像灰度梯度，记录调焦电机码盘值；

(4)FPGA芯片驱动调焦电机正向前进一个步长，判断此步长内的帧图像的灰度梯度值是否大于上一个步长内的帧图像的灰度梯度值，是则循环此步骤，否则进入步骤(6)；

(5)FPGA芯片驱动调焦电机反向前进一个步长，判断此步长内的帧图像的灰度梯度值是否大于上一个步长内的帧图像的灰度梯度值，是则循环此步骤，否则进入步骤(6)；

(6)FPGA芯片找到峰值位置，即为正焦位置，其方法包括：

灰度梯度函数G(x，y)的计算公式为：

S＝max{FK}；

(7)FPGA芯片控制电机驱动芯片驱动调焦电机调整红外光学系统镜片的变倍镜组轴向位置到正焦位置，其示意图如图2所示，此过程完成无热化补偿。

优选的，本实施例的AD采集芯片的型号为SAF7113；FPGA芯片的型号为XC5VLX110；电机驱动芯片的型号为L298N。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于图像处理的红外光学系统无热化补偿方法，其特征在于，适用于包括连接的调焦电机和调焦控制板的补偿装置，所述调焦控制板包括FPGA芯片、AD采集芯片和电机驱动芯片；所述补偿方法包括初始化所述FPGA芯片，在初始化完成后驱动AD采集芯片对红外图像进行采集，FPGA芯片运行自动聚焦方法，计算前后两帧图像灰度梯度，根据灰度梯度大小驱动调焦电机沿光轴前后运动以搜索正焦位置，搜索到正焦位置后驱动调焦电机运动到此位置，完成无热化补偿。

2.如权利要求1所述的补偿方法，其特征在于，所述FPGA芯片运行自动聚焦方法，计算前后两帧图像灰度梯度，根据灰度梯度大小驱动调焦电机沿光轴前后运动以搜索正焦位置，搜索到正焦位置后驱动调焦电机运动到此位置，完成无热化补偿的步骤包括：

(6)所述FPGA芯片找到峰值位置，即为正焦位置；

3.如权利要求2所述的补偿方法，其特征在于，所述找到峰值位置的方法包括：

灰度梯度函数G(x,y)的计算公式为：

<mrow> <msub> <mi>F</mi> <mi>K</mi> </msub> <mo>=</mo> <munder> <mo>&Sigma;</mo> <mi>X</mi> </munder> <munder> <mo>&Sigma;</mo> <mi>Y</mi> </munder> <mo>{</mo> <mo>|</mo> <mi>f</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> <mo>,</mo> <mi>y</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mi>f</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>,</mo> <mi>y</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>|</mo> <mo>+</mo> <mo>|</mo> <mi>f</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>,</mo> <mi>y</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mi>f</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>,</mo> <mi>y</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>|</mo> <mo>}</mo> <mo>;</mo> </mrow>

S＝max{F_K}；

4.如权利要求2所述的补偿方法，其特征在于，所述FPGA芯片收到自动聚焦触发信号后，通过I²C总线完成对所述AD采集芯片的初始化配置。

5.如权利要求1所述的补偿方法，其特征在于，所述FPGA芯片将接收的图像通过DDR2内存芯片缓存。

6.一种采用权利要求1-5任意一项所述的补偿方法的装置，其特征在于，所述装置包括调焦电机和调焦控制板；

所述调焦控制板包括FPGA芯片、AD采集芯片和电机驱动芯片；

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述FPGA芯片通过I²C总线与所述AD采集芯片连接。

8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述装置包括DDR2内存芯片；

所述DDR2内存芯片与所述FPGA芯片连接。

9.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述FPGA芯片内部模块划分包括自动聚焦计算模块、I²C协议模拟模块和调焦电机驱动模块；

所述调焦电机驱动模块发出PWM驱动脉冲驱动所述电机驱动芯片。

10.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述AD采集芯片的型号为SAF7113；

所述FPGA芯片的型号为XC5VLX110；

所述电机驱动芯片的型号为L298N。