CN109541870B - 采用变色镜片控制图像亮度的装置和方法 - Google Patents

采用变色镜片控制图像亮度的装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种采用变色镜片控制图像亮度的装置和方法。外滤光片、变色镜片、半反半透镜、相机依次同光轴布置，透镜、内滤光片、紫外发光管和半反半透镜依次同光轴布置；外界自然光线依次透过外滤光片、变色镜片后入射到半反半透镜透射到相机；紫外发光管发出紫外光线依次透过内滤光片、透镜后入射到半反半透镜反射到变色镜片；在实验环境下，调整不同的脉冲宽度并相机采集图像，代入到关系模型中拟合获得模型参数；在实验环境和实际检测环境中，同一脉冲宽度下通过相机采集图像两个亮度计算模型调整系数，利用模型调整系数计算新的脉冲宽度调整控制。本发明利用PWM技术控制变色镜片的透光率，可以实现对图像亮度的精确控制。

Description

采用变色镜片控制图像亮度的装置和方法
技术领域
本发明涉及控制图像亮度的方法和装置，具体涉及一种采用变色镜片控制图像亮度的装置和方法。
背景技术
在图像采集过程中，光照环境的变化易导致图像亮度不足或亮度过高，给后期图像处理带来困难。
为控制视场中的照度，中国专利CN2143974(杨梦麟.磁光双控变色电焊护目镜.申请号：932026249，申请日：1993.01.30)公开了一种磁光双控自动变色电焊护目镜，通过对电弧产生之前的电磁波和电弧光进行处理，从而控制护目镜的光通量。中国专利CN2676873(陈飚.电子自动变色电焊防护面罩.申请号：2003201214217申请日：2003.12.31)公开了一种电子自动变色电焊防护面罩，在电焊机侧设置与其输出端连接的电压信号检测单元，采用电焊机的输出电压变化作为液晶镜片透光性变化的控制信号。
这些专利对视场亮度的控制以人眼感受为主，不能适应图像成像系统中精确控制光照强度的需要。
发明内容
为了解决背景技术中存在的精确控制光照强度的问题，本发明提供了一种采用变色镜片控制图像亮度的装置和方法，采用PWM方法控制变色镜片的透光率来控制图像亮度，实现相机采集图像亮度的精确控制，解决了由于温度、湿度与等存在变化差异情况下导致相机所采集的图像亮度变化而无法保持控制图像亮度的技术问题。
本发明所采用技术方案如下：
一、一种采用变色镜片控制图像亮度的装置：
装置包括外滤光片、变色镜片、半反半透镜、相机、光源箱、紫外发光管、内滤光片和透镜；所述的外滤光片、变色镜片、半反半透镜、相机依次同光轴布置；光源箱中安装有内滤光片和紫外发光管，光源箱侧壁安装透镜，透镜、内滤光片、紫外发光管和半反半透镜依次同光轴布置；外界自然光线依次透过外滤光片、变色镜片后入射到半反半透镜发生反射和透射，外界自然光线在半反半透镜的透射光线入射到相机；紫外发光管发出紫外光线依次透过内滤光片、透镜后入射到半反半透镜发生反射和透射，紫外光线在半反半透镜的反射光线入射到变色镜片，使得变色镜片的透光率受到影响。
所述的变色镜片采用受紫外光影响作用的变色眼镜片，外滤光片为紫外截止滤光片，内滤光片为紫外透过滤光片。
紫外光照射到变色镜片时，使得变色镜片的透光量减少；通过紫外发光管发出的紫外光的脉冲宽度控制变色镜片的透光率，即控制外界自然光线透过变色镜片到相机的光通量。
还包括电脑和控制电路，紫外发光管经控制电路连接到电脑，相机直接连接到电脑。
所述的控制电路包括数据采集卡和MOS管Q1，数据采集卡连接电脑，MOS管Q1的栅极G与数据采集卡的DO0相连接，紫外发光管8两端连接在电源的正极和MOS管Q1的漏极D上，MOS管Q1的源极接地。数据采集卡采用USB5831型数据采集卡。
控制电路6的MOS管D1采用IRF540N型MOS管，IRF540N型的栅极G与数据采集卡的DO0相连接。
相机4采用Mars 2000-50gc型USB相机，电脑5采用带USB3.0的计算机，紫外发光管8采用10W紫外发光二极管。
二、一种采用变色镜片控制图像亮度的方法：
电脑经控制电路以脉冲宽度调制(PWM)方式控制紫外发光管的发光；
步骤1：在实验环境下，在不同脉冲宽度P的脉冲宽度调制(PWM)控制紫外发光管的发光下，用相机采集图像，并处理获得图像平均亮度I；由每次不同的脉冲宽度P组成初始脉冲数组P1，由每次不同脉冲宽度P对应图像平均亮度I组成初始亮度数组I1；
步骤2：在实验环境下，从初始脉冲数组P1中选取任一脉冲宽度P2j，在该脉冲宽度P2j的脉冲宽度调制(PWM)控制紫外发光管的发光下，通过相机采集图像，并处理获得图像平均亮度I，记为第一亮度I2j；
步骤3：在实际检测环境中，保持脉冲宽度P2j，在该脉冲宽度P2j的脉冲宽度调制(PWM)控制紫外发光管的发光下，通过相机采集图像，并处理获得图像平均亮度I，记为第二亮度I2i；
步骤4：对初始亮度数组I1中的每个元素(即每个图像平均亮度)均乘以I2i/I2j，得到新的图像平均亮度，并组成新亮度数组I1′；
步骤5：建立以下公式的图像平均亮度I和脉冲宽度P之间的关系模型，利用新亮度数组I1′和初始脉冲数组P1代入到关系模型中拟合获得模型参数；
P＝a1I2-a2I+a3
式中，P--脉冲宽度，I--图像平均亮度，a1,a2,a3—第一、第二、第三模型参数，
步骤6：将第一亮度I2j代入步骤5的公式中，计算出脉冲宽度P2k；
步骤7：对脉冲宽度P2k取整后得到新脉冲宽度，用新脉冲宽度的脉冲宽度调制(PWM)控制紫外发光管的发光，再通过相机采集到的图像，进而实现相机采集到获得所需图像亮度的图像。
所述的实验环境是指理论上检测环境中温度、温度固定不变的情况，所述的实际检测环境是指温度、湿度存在变化，与理论上检测环境中存在差异的情况。
所述的图像平均亮度I是由相机所采集图像的各个通道的每一个像素灰度值累加后除以图像像素数量与通道数量之积获得。
所述脉冲宽度调制(PWM)中，设置脉冲的波形周期T、时钟计数器C和脉冲宽度P，相机每次采集图像后，时钟计数器C加1，再将时钟计数器C分别和波形周期T、脉冲宽度P之间比较：如果时钟计数器C大于脉冲宽度P，则通过控制电路使紫外发光管停止发光；如果时钟计数器C大于波形周期T，则将时钟计数器C置为0，通过控制电路使紫外发光管发光。
脉冲宽度P为控制电路输入到紫外发光管中的控制信号数字。
具体实施中，波形周期T设置为1024。
本发明的有益效果是：
本发明利用PWM技术控制变色镜片的透光率，可以实现对图像亮度的精确控制，方式简单却非常有效。
附图说明
图1是本发明装置结构示意图。
图2是控制电路的电路原理图。
图3是本发明光路原理示意图。
图中：1、外滤光片，2、变色镜片，3、半反半透镜，4、相机，5、电脑，6、控制电路，7、光源箱，8、紫外发光管，9、内滤光片、10、透镜。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示，本发明具体实施采用的装置包括外滤光片1、变色镜片2、半反半透镜3、相机4、光源箱7、紫外发光管8、内滤光片9和透镜10；外滤光片1、变色镜片2、半反半透镜3、相机4依次同光轴布置，半反半透镜3和相机4的光轴之间成45度夹角；光源箱7中安装有内滤光片9和紫外发光管8，光源箱7侧壁安装透镜10，透镜10、内滤光片9、紫外发光管8和半反半透镜3依次同光轴布置，半反半透镜3也和紫外发光管8的光轴之间成45度夹角；外界自然光线依次透过外滤光片1、变色镜片2后入射到半反半透镜3发生反射和透射，外界自然光线在半反半透镜3的透射光线入射到相机5，半反半透镜3的反射光线不作用。
如图3所示，紫外发光管8发出紫外光线依次透过内滤光片9、透镜10后入射到半反半透镜3发生反射和透射，紫外光线在半反半透镜3的反射光线入射到变色镜片2，使得变色镜片2的透光率受到影响，半反半透镜3的透射光线不作用。
变色镜片2采用受紫外光影响作用的变色眼镜片，外滤光片1为紫外截止滤光片，内滤光片9为紫外透过滤光片。紫外光照射到变色镜片2时，使得变色镜片2的透光量减少；紫外光越强，变色镜片2的透光量越少。通过紫外发光管8发出的紫外光的脉冲宽度控制变色镜片2的透光率，即控制外界自然光线透过变色镜片2到相机4的光通量。
如图1所示，还包括电脑5和控制电路6，紫外发光管8经控制电路6连接到电脑5，相机4直接连接到电脑5。电脑5经控制电路6控制紫外发光管8的发光，电脑5接收相机4采集的图像。
如图2所示，控制电路6包括数据采集卡和MOS管Q1，数据采集卡连接电脑5，MOS管Q1的栅极G与数据采集卡的DO0相连接，紫外发光管8两端连接在电源的正极和MOS管Q1的漏极D上，MOS管Q1的源极接地。
下面是一个具体实施例：
具体实施中，变色镜片2采作变色眼镜片，外滤光片1为紫外截止滤光片，相机4采用Mars 2000-50gc型USB相机，电脑5采用带USB3.0的计算机，紫外发光管8采用10W紫外发光二极管，内滤光片9为紫外透过滤光片。控制电路6的MOS管D1采用IRF540N型MOS管，IRF540N型的栅极G与数据采集卡的DO0相连接。
如图3所示，从外界来的光经外滤光片1后得到光A1，光A1经变色镜片2后得到光A2，光A2经半反半透镜3后得到光A3和光A4，光A3进入相机4成像。从紫外发光管8发出的紫外光B依次经过内滤光片9和透镜10后得到光B1，光B1经过半反半透镜3反射后得到光B2和光B3，光B2作用于变色镜片2，使其透光率发生改变。
相机4通过USB线与电脑5相连，USB5831型数据采集卡通过USB线与电脑5相连。
电脑5经控制电路6以脉冲宽度调制(PWM)方式控制紫外发光管8的发光；
步骤1：在实验环境下，在不同脉冲宽度P的脉冲宽度调制PWM控制紫外发光管8的发光下，用相机4采集图像，并处理获得图像平均亮度I；由每次不同的脉冲宽度P组成初始脉冲数组P1，由每次不同脉冲宽度P对应图像平均亮度I组成初始亮度数组I1；
初始脉冲数组P1和初始亮度数组I1数据记录于表1中。
表1图像平均亮度I和脉冲宽度P
图像平均亮度I 脉冲宽度P
224.2 32
215.9 96
205.5 160
196.9 224
189.5 288
184.5 352
179.6 416
176.2 480
174.7 544
173.2 608
169.8 672
166.2 736
步骤2：在实验环境下，从初始脉冲数组P1中选取脉冲宽度调整到288，在该脉冲宽度的脉冲宽度调制PWM控制紫外发光管8的发光下，通过相机4采集图像，并处理获得图像平均亮度I，记为第一亮度189.7；
步骤3：在实际检测环境中，在温度、湿度异于实验环境的情况下，保持脉冲宽度调整到288，在该脉冲宽度的脉冲宽度调制PWM控制紫外发光管8的发光下，通过相机4采集图像，并处理获得图像平均亮度，记为第二亮度175.4；
步骤4：对初始亮度数组I1中的每个元素(即每个图像平均亮度)均乘以I2i/I2j，得到新的图像平均亮度，并组成新亮度数组I1′；
新亮度数组I1′记录于表2。
表2图像平均亮度I和脉冲宽度P
步骤5：建立以下公式的图像平均亮度I和脉冲宽度P之间的关系模型，利用新亮度数组I1′和初始脉冲数组P1代入到关系模型中拟合获得模型参数；
P＝0.2356I2-97.4738I+10143.8582。
步骤6：将图像平均亮度步骤2的189.7代入步骤5的公式中，计算出脉冲宽度130.9616；
步骤7：对脉冲宽度130.9616取整后得到新脉冲宽度131，用新脉冲宽度的脉冲宽度调制PWM控制紫外发光管8的发光，再通过相机采集到的图像，进而实现相机采集到获得所需图像亮度193.5，与光照环境改变前的图像平均亮度189.7之前差别仅为2.0％。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种采用变色镜片控制图像亮度的装置，其特征在于：包括外滤光片（1）、变色镜片（2）、半反半透镜（3）、相机（4）、光源箱（7）、紫外发光管（8）、内滤光片（9）和透镜（10）；所述的外滤光片（1）、变色镜片（2）、半反半透镜（3）、相机（4）依次同光轴布置；光源箱（7）中安装有内滤光片（9）和紫外发光管（8），光源箱（7）侧壁安装透镜（10），透镜（10）、内滤光片（9）、紫外发光管（8）和半反半透镜（3）依次同光轴布置；外界自然光线依次透过外滤光片（1）、变色镜片（2）后入射到半反半透镜（3）发生反射和透射，外界自然光线在半反半透镜（3）的透射光线入射到相机（4）；紫外发光管（8）发出紫外光线依次透过内滤光片（9）、透镜（10）后入射到半反半透镜（3）发生反射和透射，紫外光线在半反半透镜（3）的反射光线入射到变色镜片（2），使得变色镜片（2）的透光率受到影响。
2.根据权利要求1所述的一种采用变色镜片控制图像亮度的装置，其特征在于：所述的变色镜片（2）采用受紫外光影响作用的变色眼镜片，外滤光片（1）为紫外截止滤光片，内滤光片（9）为紫外透过滤光片。
3.根据权利要求2所述的一种采用变色镜片控制图像亮度的装置，其特征在于：紫外光照射到变色镜片（2）时，使得变色镜片（2）的透光量减少；通过紫外发光管（8）发出的紫外光的脉冲宽度控制变色镜片（2）的透光率，即控制外界自然光线透过变色镜片（2）到相机（4）的光通量。
4.根据权利要求1所述的一种采用变色镜片控制图像亮度的装置，其特征在于：还包括电脑（5）和控制电路（6），紫外发光管（8）经控制电路（6）连接到电脑（5），相机（4）直接连接到电脑（5）。
5.根据权利要求4所述的一种采用变色镜片控制图像亮度的装置，其特征在于：所述的控制电路（6）包括数据采集卡和MOS管Q1，数据采集卡连接电脑（5），MOS管Q1的栅极G与数据采集卡的DO0相连接，紫外发光管8两端连接在电源的正极和MOS管Q1的漏极D上，MOS管Q1的源极接地。
6.一种采用变色镜片控制图像亮度的方法，其特征在于：采用权利要求1-5任一所述装置，采用以下过程控制相机采集亮度：电脑（5）经控制电路（6）以脉冲宽度调制（PWM）方式控制紫外发光管（8）的发光；
步骤1：在实验环境下，在不同脉冲宽度P的脉冲宽度调制（PWM）控制紫外发光管（8）的发光下，用相机（4）采集图像，并处理获得图像平均亮度I；由每次不同的脉冲宽度P组成初始脉冲数组P 1，由每次不同脉冲宽度P对应图像平均亮度I组成初始亮度数组I 1；
步骤2：在实验环境下，从初始脉冲数组P 1中选取任一脉冲宽度P 2j ，在该脉冲宽度P 2j 的脉冲宽度调制（PWM）控制紫外发光管（8）的发光下，通过相机（4）采集图像，并处理获得图像平均亮度I，记为第一亮度I 2j ；
步骤3：在实际检测环境中，保持脉冲宽度P 2j ，在该脉冲宽度P 2j 的脉冲宽度调制（PWM）控制紫外发光管（8）的发光下，通过相机（4）采集图像，并处理获得图像平均亮度I，记为第二亮度I 2i ；
步骤4：对初始亮度数组I 1中的每个元素均乘以I 2i /I 2j ，每个元素表示每个图像平均亮度，得到新的图像平均亮度，并组成新亮度数组I 1 ′；
步骤5：建立以下公式的图像平均亮度I和脉冲宽度P之间的关系模型，利用新亮度数组I 1 ′和初始脉冲数组P 1代入到关系模型中拟合获得模型参数；
P = a 1 I 2- a 2 I + a 3
式中，P--脉冲宽度，I--图像平均亮度，a 1 ,a 2 ,a 3—第一、第二、第三模型参数，
步骤6：将第一亮度I 2j 代入步骤5的公式中，计算出脉冲宽度P 2k ；
步骤7：对脉冲宽度P 2k 取整后得到新脉冲宽度，用新脉冲宽度的脉冲宽度调制（PWM）控制紫外发光管（8）的发光，再通过相机采集到的图像，进而实现相机采集到获得所需图像亮度的图像。
7.根据权利要求6所述的一种采用变色镜片控制图像亮度的方法，其特征在于：所述的实验环境是指理论上检测环境中温度、温度固定不变的情况，所述的实际检测环境是指温度、湿度存在变化，与理论上检测环境中存在差异的情况。
8.根据权利要求6所述的一种采用变色镜片控制图像亮度的方法，其特征在于：所述的图像平均亮度I是由相机（4）所采集图像的各个通道的每一个像素灰度值累加后除以图像像素数量与通道数量之积获得。
9.根据权利要求6所述的一种采用变色镜片控制图像亮度的方法，其特征在于：所述脉冲宽度调制（PWM）中，设置脉冲的波形周期T、时钟计数器C和脉冲宽度P，相机（4）每次采集图像后，时钟计数器C加1，再将时钟计数器C分别和波形周期T、脉冲宽度P之间比较：如果时钟计数器C大于脉冲宽度P，则通过控制电路（6）使紫外发光管（8）停止发光；如果时钟计数器C大于波形周期T，则将时钟计数器C置为0，通过控制电路（6）使紫外发光管（8）发光。
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