CN109525765A - 具有铁电液晶光阀的高速图像采集系统与图像采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有铁电液晶光阀的高速图像采集系统、方法及车载图像采集系统，其中图像采集系统包括光学镜头单元、CMOS传感器、图像处理系统以及设置于CMOS传感器的感光阵列之前的铁电液晶调制光阀与光阀控制单元，光阀控制单元与铁电液晶调制光阀耦合，通过控制铁电液晶调制光阀来控制所述感光阵列的曝光时间。本发明通过对铁电液晶调制光阀的高速开关切换控制，来达到对CMOS感光阵列的曝光时间直接调制的目标，从而实现数据读取的一致性和防止图像畸变，改善拍摄模糊或者运动拖尾等现象。

Description

具有铁电液晶光阀的高速图像采集系统与图像采集方法

技术领域

本发明涉及图像采集与处理技术领域，尤其是对高速移动对象的图像采集，具体涉及适用于高速移动目标的图像采集防畸变方法与系统。

背景技术

目前，CMOS图像传感器被用于静态的景深图像，例如静态的人脸扫描与识别、定点监控等场景下，通常能够得到比较好的景深图像，但在针对高速移动目标例如高速移动的汽车，尤其是，近些年汽车自动驾驶需求强烈，需要更加快速的每帧图像成像速度，对成像视角、图像叠加处理以及同系光谱下的抗干扰能力提出了更高的要求，进行动态图像获取时，由于COMS感光曝光阵列扫描时间差，而CMOS曝光时间是持续的，使得读取的数据延时造成图像失真，这种失真将导致图像的畸变，造成图像拍摄效果不理想，例如画面模糊或者运动拖尾等现象。

现有技术中对此图像失真问题提出了多种解决手段，例如采用电子补偿或者电子阀门后处理运算来处理数据读取补偿图像失真，但由于CMOS图像传感器的集成度高、结构复杂，在每个像素上集成了放大器并且大部分信号处理电路与CMOS在同一芯片上制作，例如视频信号处理和静止图像处理，使得这样解决运动失真的成本和效果都达不到预期的理想效果，同时，我们看到补偿计算算法本身也具有复杂性，同样造成了效果的不理想。

发明内容

本发明旨在针对现有技术存在的不足，提供一种适用于高速移动目标的图像采集方法与系统，可实现数据读取的一致性和成像质量改善。

为达成上述目的，本发明提出如下技术方案：

具有铁电液晶光阀的高速图像采集系统，包括：

光学镜头单元，被设置用于采集被摄对象并成像；

CMOS传感器，具有感光阵列，该感光阵列被设置用于经曝光接收来自光学镜头单元所采集的影像、并将影像转换成电信号输出；

图像处理系统，与所述CMOS传感器耦合，被设置用于根据CMOS传感器输出的电信号生成被摄目标的图像；

其中，所述图像采集系统还包括：

设置于CMOS传感器的感光阵列之前的铁电液晶调制光阀；以及

光阀控制单元，与铁电液晶调制光阀耦合，通过控制铁电液晶调制光阀来控制所述感光阵列的曝光时间。

优选的，所述光阀控制单元控制铁电液晶调制光阀的打开与关闭：在打开状态，所述CMOS传感器曝光；在关闭状态，所述CMOS传感器不曝光。

优选的，所述光阀控制单元控制所述铁电液晶调制光阀以周期性的打开与关闭切换方式控制所述感光阵列的曝光时间。

优选的，所述铁电液晶调制光阀包括：

相互之间具有间隙的一对透明基底；

一对电极，其中一个电极设置在一个基底上；

以及夹在所述基底之间的间隙内的铁电液晶；

其中，所述的一对电极分别电耦合至所述光阀控制单元；

所述的电极，构造为透明电极层，分别设置在对应基底的内表面；

所述的一对基底上，相对的一侧还设置有与基底邻接的一对偏光器。

优选的，还包括一数据反馈单元，被设置成按照设定的抽检频率从曝光后的图像中随机选择N帧进行抽检，如果检查合格则继续采用或者降低设定等级曝光频率，如果检查不合格则增加设定等级的曝光频率。

优选的，所述抽检包括计算图像的清晰度，响应于清晰度达到设定要求，判定合格。

优选的，还包括：图像检查控制单元，用于在曝光频率更改之后设定第一时间间隔内，控制增加对曝光后图像的抽检频率。

优选的，所述设定的抽检频率为3-10帧/秒。

根据本发明的公开，还提出一种基于图像采集系统的图像采集方法，包括以下步骤：

使光学镜头单元朝向摄像区域、采集被摄对象并光学成像；

在采集过程中，通过光阀控制单元根据预设的周期控制铁电液晶调制光阀的开启与关闭，以控制CMOS传感器的感光阵列的曝光时间，其中：在打开状态，所述CMOS传感器曝光，接收来自光学镜头单元所采集的影像并将影像转换成电信号输出；在关闭状态，所述CMOS传感器不曝光；

图像处理系统，根据CMOS传感器输出的影像电信号生成被摄目标的图像；

其中，在采集过程中，还通过一设置的数据反馈单元按照设定的抽检频率从曝光后的图像中随机选择N帧进行抽检，如果检查合格则继续采用或者降低设定等级曝光频率，如果检查不合格则增加设定等级的曝光频率，其中前述的抽检包括检查图像的清晰度。

优选的，所述方法更加包括：

在曝光频率更改之后设定第一时间间隔内，控制增加对曝光后图像的抽检频率。

由以上技术方案可见，本发明提出的适用于高速移动目标的图像采集方法的显著的有益效果在于：放弃传统对高速动态目标图像采集采用补偿机制的解决思路，通过在CMOS感光阵列前安装用铁电液晶制成的高速切换调制光阀，通过对铁电光阀的高速开关切换控制，来达到对CMOS感光阵列的曝光时间直接调制的目标，从而实现数据读取的一致性和图像的不畸变，改善拍摄模糊或者运动拖尾等现象。

CMOS传感器的感光与驱动方式导致数据在传送距离较长，会产生噪声，因此，必须先放大，再整合各个像素的数据。由于CMOS传感器的每个感光元件都搭配一个放大器，而放大器属于模拟电路，很难让每个放大器所得到的结果保持一致，因此CMOS传感器的噪声就会增加很多，影响图像品质。现有技术中通过图像降噪技术可以呈现清晰度较高的图像，但是对于快速移动的物体，就势必会造成拖尾现象，图像帧率不足，就需要图像传感器具备较大的动态范围。本发明通过对铁电光阀的高速开关切换控制，可达到微秒级，实现对CMOS感光阵列的曝光时间直接调制的目标，防止发生畸变。

同时，通过在系统中增加的数据反馈单元，按照一定的规则从曝光后的图像中挑选出一部分来做抽检，检查合格可以沿用甚至降低曝光频率，检查不合格适当增加曝光频率。并且，在曝光频率更改之后某段时间段内，需要加大抽检频率，即抽检频率也是变化的。这样通过2个参数和反馈机制规则，去调制曝光和对图像畸变的影响因素，从而形成数据上的反馈。通过数据可以对抽检的图像做评分机制，评分过高，降低曝光频率，减少功耗，具有延长器件的使用寿命的优点和创新点。

附图说明

图1是本发明的图像采集系统的示例性示意图。

图2是本发明的铁电液晶调制光阀的示例性示意图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

结合图1-图2所示，本发明公开的实施例的图像采集系统具有光学镜头单元、CMOS传感器、镜头驱动部、图像处理系统以及控制部。控制部整体整个图像采集系统的运行，通过具有一个中央处理器单元(CPU)。光学镜头单元采集位于光学镜头单元前方的客观景物/对象，通过CMOS传感器的感光处理，输出到图像处理系统进行模拟信号、数字信号的处理，得到数字图像信息，存储到存储卡内、或者通过I/O接口传输，同时可输出到显示屏进行预览、展示。光学镜头单元可通过镜头驱动部驱动以进行各项调节，包括但不限于调焦。

前述的I/O接口包括物理上的I/O接口，例如基于USB传输协议的接口，还可以包括基于网络协议的虚拟I/O接口，例如蓝牙接口、WiFi接口等。

应当理解，在通常的实施例中，前述的光学镜头单元、CMOS传感器、图像处理系统、I/O接口、存储卡(设置在卡槽内)、显示屏以及必要的内部电路(例如驱动电路，以集成电路板的形式)和电源供应，这些组件/部件以及它们的组合以一个相对集成的整体封装到一机壳内。

前述的电源供应，在必要的场合下，可以是基于锂电池等可二次充电电池，或者通过电源线接入电源系统，尤其是车载电源系统，不管这样的电源系统是5V、12V或者其他电压水平，可通过变压器或者功率器件来使其满足采集系统的正常工作。在另一些实施例中，电源供应还可以是上述2种情况的结合。

结合图1，光学镜头单元，被设置用于采集被摄对象并成像。光学镜头单元在一些实施例中，可采用由多组透镜形成的镜头组实现，尤其优选具有广角视角的镜头单元，以利于在高速行驶的车载场合下能够更加有利的获得更加广阔的视角、视野。

CMOS传感器，具有感光阵列，该感光阵列被设置用于经曝光接收来自光学镜头单元所采集的影像、并将影像转换成电信号输出。

CMOS传感器，在本公开的各个实施例中，并不限于某些型号或者性能，诸如等不同型号的CMOS传感器可用作本发明的实施。

尤其优选的是，采用基于APS或者DPS感光元件的CMOS传感器，以获得更佳的成像效果。

图像处理系统，与所述CMOS传感器耦合，被设置用于根据CMOS传感器输出的电信号生成被摄目标(客观景物或者对象)的图像。

在一些实施例中，图像处理系统通常具有至少一个模拟信号处理单元，用于对CMOS传感器输出的电信号进行模数转换，获得数字图像。还具有至少一个数字信号处理单元，用于对数字图像进行处理，例如压缩、图像参数调整等，输出最终的数字图像数据。

模拟信号处理单元，包括一模数转换芯片，实现信号转换。

数字信号处理单元，包括一DSP芯片，实现数字信号的压缩、参数调整等处理。

结合图1所示，图像采集系统还包括：

设置于CMOS传感器的感光阵列之前的铁电液晶调制光阀；以及光阀控制单元，光阀控制单元与铁电液晶调制光阀耦合，通过控制铁电液晶调制光阀来控制所述感光阵列的曝光时间。

具体地，光阀控制单元控制铁电液晶调制光阀的打开与关闭：在打开状态，CMOS传感器曝光，接收来自光学镜头单元所采集的影像并将影像转换成电信号输出；在关闭状态，CMOS传感器不曝光。如此，通过光阀控制单元控制铁电液晶调制光阀起到快门控制的作用。

通过光阀控制单元的控制，实现铁电液晶调制光阀的快速切换，来控制CMOS传感器的曝光，从而控制CMOS传感器数据读取的一致性，防止图像的畸变，因此改善拍摄模糊或者运动拖尾等现象。

应当理解，本发明的各个实施例中，铁电液晶调制光阀的切换响应时间可达到5ms-10ms，以满足快速切换的要求。光阀控制单元控制铁电液晶调制光阀以周期性的打开与关闭切换方式控制CMOS传感器的感光阵列的曝光时间。

本发明的图像采集系统，在成像感光接收单元之前加入基于近晶相的铁电液晶的超高速光阀，利用铁电液晶的超高速光阀的超高速的切换响应，实现微秒级别的每帧成像速度，在汽车高速行进中，仍然可以在瞬间位移中获得连续的图像，以利于形成准确的3D测距能力；通过光阀成像能力，避免相邻汽车相同调制红外光谱信号的干扰。同时，本发明的单像素的光阀结构简单，不易损坏，寿命长。

结合图1所示，本发明示例性实施例的图像采集系统中还设置有数据反馈单元，被设置成按照设定的抽检频率，例如3-10帧/秒，从曝光后的图像中随机选择N帧进行抽检，如果检查合格则继续采用或者降低设定等级曝光频率，如果检查不合格则增加设定等级的曝光频率。例如，在本发明的实施例中，如果抽检不合格，则增加一级曝光频率，每一级曝光频率以毫秒(ms)为数量单位。同样的，降低设定等级的曝光频率，是指对应降低一级曝光频率，每一级曝光频率以毫秒(ms)为数量单位。

当然，在另外的实施例中，可以根据计算量、计算能力和需求的精度来调整抽检频率，以利于在达到清晰度需求时降低器件的损耗，以及减少计算量。

优选的，所述抽检包括计算图像的清晰度，例如通过图像结构相似度算法(NRSS)、给予二次模糊的清晰度算法(Beblur)等进行清晰度的评价。响应于清晰度达到设定要求，判定图像合格。

优选的，图像采集系统中还包括：图像检查控制单元，数据反馈单元数据交互，用于与在曝光频率更改之后设定第一时间间隔内，控制增加对曝光后图像的抽检频率。

如此，通过反馈机制的检查，调制曝光和对图像畸变的影响因素，从而形成数据上的反馈，通过数据对抽检的图像做评分机制，评分过高，降低曝光频率，减少功耗，具有延长器件的使用寿命的优点和创新点。

图2示例性的示出了铁电液晶调制光阀的结构。图示铁电液晶调制光阀包括：相互之间具有间隙的一对基底101A、101B；一对电极102A、102B，其中一个电极设置在一个基底上；夹在所述基底之间的间隙内的铁电液晶103。

基底101A、101B均为透明材质，例如可选择玻璃、硅片、有机聚合物或者无机聚合物构成。

所述的一对电极分别电耦合至光阀控制单元，如此实现光阀控制单元对控制铁电液晶103的控制。

优选的例子中，电极构造为透明电极层，分别设置在对应基底的内表面，与透明基板共面，如此在将基底、电极以及铁电液晶进行组合形成整体时，相互接触，其中电极与铁电液晶相邻接。

优选的，前述一对基底101A、101B上，相对的一侧还设置有与基底邻接的一对偏光器104A和104B，使得基底、电极以及铁电液晶整体组合位于其之间以利于提供电光调制，当铁电液晶打开或者关闭的状态切换时，产生不同的明暗状态效果。

结合图1、图2所示，本发明的各个实施例的图像采集系统，其采集成像过程如下：

使光学镜头单元朝向摄像区域、采集被摄对象并光学成像；

在采集过程中，通过光阀控制单元根据预设的周期控制铁电液晶调制光阀的开启与关闭，以控制CMOS传感器的感光阵列的曝光时间，其中：在打开状态，所述CMOS传感器曝光，接收来自光学镜头单元所采集的影像并将影像转换成电信号输出；在关闭状态，所述CMOS传感器不曝光；

图像处理系统，根据CMOS传感器输出的影像电信号生成被摄目标的图像；

其中，在采集过程中，还通过一设置的数据反馈单元按照设定的抽检频率从曝光后的图像中随机选择N帧进行抽检，如果检查合格则继续采用或者降低设定等级曝光频率，如果检查不合格则增加设定等级的曝光频率，其中前述的抽检包括检查图像的清晰度。

优选地，如前述的，在曝光频率更改之后设定第一时间间隔内，控制增加对曝光后图像的抽检频率。

由此实现通过反馈机制的检查，调制曝光和对图像畸变的影响因素，从而形成数据上的反馈。通过数据可以对抽检的图像做评分机制，评分过高，降低曝光频率，减少功耗，具有延长器件的使用寿命的优点和创新点。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用于限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (10)

1.一种具有铁电液晶光阀的高速图像采集系统，其特征在于，包括：

光学镜头单元，被设置用于采集被摄对象并成像；

CMOS传感器，具有感光阵列，该感光阵列被设置用于经曝光接收来自光学镜头单元所采集的影像、并将影像转换成电信号输出；

图像处理系统，与所述CMOS传感器耦合，被设置用于根据CMOS传感器输出的电信号生成被摄目标的图像；

其中，所述图像采集系统还包括：

设置于CMOS传感器的感光阵列之前的铁电液晶调制光阀；以及

光阀控制单元，与铁电液晶调制光阀耦合，通过控制铁电液晶调制光阀来控制所述感光阵列的曝光时间。

2.根据权利要求1所述的具有铁电液晶光阀的高速图像采集系统，其特征在于，所述光阀控制单元控制铁电液晶调制光阀的打开与关闭：打开状态，所述光阀呈现全透明状态，外界光线进入，CMOS传感器曝光；关闭状态，光阀呈现全磨砂状态，外界光线被阻挡，CMOS传感器不曝光。

3.根据权利要求1所述的具有铁电液晶光阀的高速图像采集系统，其特征在于，所述光阀控制单元控制所述铁电液晶调制光阀以周期性的打开与关闭切换方式控制所述感光阵列的曝光时间。

4.根据权利要求1所述的具有铁电液晶光阀的高速图像采集系统，其特征在于，所述铁电液晶调制光阀包括：

相互之间具有间隙的一对透明基底；

一对电极，其中一个电极设置在一个基底上；

以及夹在所述基底之间的间隙内的铁电液晶；

其中，所述的一对电极分别电耦合至所述光阀控制单元；

所述的电极，构造为透明电极层，分别设置在对应基底的内表面；

所述的一对基底上，相对的一侧还设置有与基底邻接的一对偏光器。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的具有铁电液晶光阀的高速图像采集系统，其特征在于，还包括一数据反馈单元，被设置成按照设定的抽检频率从曝光后的图像中随机选择N帧进行抽检，如果检查合格则继续采用或者降低设定等级曝光频率，如果检查不合格则增加设定等级的曝光频率。

6.根据权利要求5所述的具有铁电液晶光阀的高速图像采集系统，其特征在于，所述抽检包括计算图像的清晰度，响应于清晰度达到设定要求，判定合格。

7.根据权利要求5所述的具有铁电液晶光阀的高速图像采集系统，其特征在于，还包括：图像检查控制单元，用于在曝光频率更改之后设定第一时间间隔内，控制增加对曝光后图像的抽检频率。

8.根据权利要求5所述的具有铁电液晶光阀的高速图像采集系统，其特征在于，所述设定的抽检频率为3-10帧/秒。

9.一种基于权利要求1所述的图像采集系统的图像采集方法，其特征在于，包括以下步骤：

使光学镜头单元朝向摄像区域、采集被摄对象并光学成像；

在采集过程中，通过光阀控制单元根据预设的周期控制铁电液晶调制光阀的开启与关闭，以控制CMOS传感器的感光阵列的曝光时间，其中：在打开状态，所述CMOS传感器曝光，接收来自光学镜头单元所采集的影像并将影像转换成电信号输出；在关闭状态，所述CMOS传感器不曝光；

图像处理系统，根据CMOS传感器输出的影像电信号生成被摄目标的图像；

其中，在采集过程中，还通过一设置的数据反馈单元按照设定的抽检频率从曝光后的图像中随机选择N帧进行抽检，如果检查合格则继续采用或者降低设定等级曝光频率，如果检查不合格则增加设定等级的曝光频率，其中前述的抽检包括检查图像的清晰度。

10.根据权利要求9所述的图像采集方法，其特征在于，所述方法更加包括：

在曝光频率更改之后设定第一时间间隔内，控制增加对曝光后图像的抽检频率。