CN109639941B - 采用偏振片控制图像亮度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用偏振片控制图像亮度的装置和方法。起偏器固定在相机前方，检偏器布置于起偏器和相机之间，且检偏器安装于电控旋转台，由电控旋转台带动检偏器绕自身中心旋转；电控旋转台连接步进电机控制器；在实验环境下，调整起偏器和检偏器之间的关系形成不同布儒斯特角并相机采集图像，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，同一布儒斯特角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布儒斯特角调整控制。本发明利用图像的亮度作为控制信号控制布儒斯特角，能快速、精度地控制图像的亮度，非常简单有效。
Description
技术领域
本发明涉及相机采集图像亮度的控制方法和装置，具体涉及一种采用偏振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偏振片控制相机所采集的图像亮度的装置和方法，实现相机采集图像的亮度精确控制，解决了由于温度、湿度与步进电机定位位置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包括：
一、一种采用偏振片控制图像亮度的装置：
装置包括步进电机控制器、起偏器、检偏器、电控旋转台、相机和电脑；起偏器固定在相机前方，检偏器布置于起偏器和相机之间，且检偏器安装于电控旋转台，由电控旋转台带动检偏器绕自身中心旋转；电控旋转台连接步进电机控制器，步进电机控制器和相机均连接到电脑。
所述的起偏器、检偏器和相机同光轴依次布置，起偏器、检偏器和相机在光轴上的位置固定。
所述的电控旋转台内置有步进电机，步进电机输出轴连接检偏器中心，步进电机运行带动检偏器绕自身中心旋转。
所述的步进电机连接步进电机控制器，电脑发出控制信号经由步进电机控制器控制步进电机的旋转。
所述的起偏器、检偏器均为线偏振片。
所述的相机采用Mars 2000-50gc型USB相机。
二、一种采用偏振片控制图像亮度的方法：
步骤1：在实验环境下，起偏器固定不旋转，调整检偏器旋转，即调整起偏器和检偏器之间的关系，形成布儒斯特角θ，外界自然光线依次透过起偏器和检偏器后入射到相机，利用相机测量每次不同布儒斯特角θ时对应的图像，并处理获得图像平均亮度I；由每次不同的布儒斯特角θ组成初始角数组θ 1，由每次不同布儒斯特角θ时对应的图像平均亮度I组成初始亮度数组I 1；
步骤2：在实验环境下，从初始角数组θ 1中选取任一布儒斯特角θ，并将检偏器旋转到该布儒斯特角θ对应的位置，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I 2j ；
实际实施中，检偏器位置存在偏差，相机的电子参数也会发生变化，进行同样操作来处理。
步骤3：在实际检测环境中，检偏器保持到步骤2的布儒斯特角θ对应的位置，通过相机采集图像，并处理获得图像平均亮度，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(即每个图像平均亮度)均乘以I 2i /I 2j ，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和布儒斯特角θ之间的关系模型，利用新亮度数组I 1 ′和初始角数组θ 1代入到关系模型中拟合获得模型参数；
θ =a 1 I 3 + a 2 I 2- a 3 I + a 4
其中，θ—初始角数组θ 1的布儒斯特角，I--新亮度数组I 1 ′中的图像平均亮度，a 1 , a 2 ,a 3 ,a 4—第一、第二、第三、第四模型参数；
步骤6：将第一亮度I 2j 代入步骤5的公式中，计算出布儒斯特角θ 2k ；
步骤7：将检偏器旋转到布儒斯特角为θ 2k 对应的位置，进而实现相机采集到获得所需图像亮度的图像。
检偏器旋转到该布儒斯特角θ对应的位置，具体是通过电脑控制步进电机控制器带动检偏器旋转而进行调整。
所述的实验环境是指理论上检测环境中温度和温度固定不变的情况，所述的实际检测环境是指温度、湿度与电控旋转台内置的步进电机定位位置存在变化，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得到。
本发明的有益效果是：
本发明利用图像的亮度作为控制信号控制布儒斯特角(Brewster angle, 偏振角)，能快速、精度地控制图像的亮度，非常简单有效。
附图说明
图1是装置示意图。
图2是本发明光路原理示意图。
图中：1、步进电机控制器，2、起偏器，3、检偏器，4、电控旋转台，5、相机，6、电脑。
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，本发明具体实施的装置包括步进电机控制器1、起偏器2、检偏器3、电控旋转台4、相机5和电脑6；起偏器2固定在相机5前方，检偏器3布置于起偏器2和相机5之间，且检偏器3安装于电控旋转台4，由电控旋转台4带动检偏器3绕自身中心旋转；电控旋转台4内置有步进电机，步进电机输出轴连接检偏器3中心，步进电机运行带动检偏器3绕自身中心旋转。
如图1所示，电控旋转台4连接步进电机控制器1，步进电机控制器1和相机5均连接到电脑6，步进电机连接步进电机控制器1，电脑6发出控制信号经由步进电机控制器1控制步进电机的旋转。
起偏器2、检偏器3均为线偏振片，起偏器2、检偏器3和相机5同光轴依次布置，起偏器2、检偏器3和相机5在光轴上的位置固定。如图2所示，外界自然光线依次透过起偏器2和检偏器3后入射到相机5。具体是从外界来的光经起偏器2后得到线偏振光A1，线偏振光A1经检偏器3得到线偏振光A2，线偏振光A2进入相机5成像。
本发明控制相机采集亮度的具体实施流程是：
步骤1：在实验环境下，调整检偏器3形成固定的布儒斯特角θ,再利用相机5测量该布儒斯特角θ时图像平均亮度I，多次调整实施记录为初始角数组θ 1和初始亮度数组I 1。
在实验环境下进行实验，初始角数组θ 1和初始亮度数组I 1数据记录于表1中。
表1图像平均亮度I和布儒斯特角θ
步骤2：在实验环境下，从初始角数组θ 1中选取布儒斯特角调整到40度，并将检偏器3旋转固定在布儒斯特角40度对应的位置，通过相机5采集图像，记录此时的图像平均亮度I为132.6。
步骤3：在实际检测环境中，在实际存在温度、湿度及电控旋转台（4）内置的步进电机定位位置与理论上检测环境中存在变化差异的情况下，检偏器3保持固定在布儒斯特角θ 2j 对应的位置，通过相机5采集图像，并计算图像平均亮度109.6。
步骤4：对初始亮度数组I 1中的每个元素(即每个图像平均亮度)均乘以109.6/132.6，得到新的图像平均亮度，并组成新亮度数组I 1 ′；
新亮度数组I 1 ′记录于表2。
表2图像平均亮度I和布儒斯特角
步骤5：建立以下公式的图像平均亮度I和布儒斯特角θ的关系模型，利用新亮度数组I 1 ′和初始角数组θ 1代入到关系模型中拟合获得模型参数；
θ =a 1 I 3 + a 2 I 2- a 3 I + a 4
其中，θ—初始角数组θ 1的布儒斯特角，I--新亮度数组I 1 ′中的图像平均亮度，a 1 , a 2 ,a 3 ,a 4—第一、第二、第三、第四模型参数；
具体实施中，a 1 ,a 2 ,a 3 ,a 4获得分别为-2.529×10-5 、7.3×10-3 、-0.9388和89.5436。
步骤6：将步骤2的图像平均亮度I为132.6代入步骤5的公式中，计算计算得到布儒斯特角θ为34.44度；
步骤7：通过电脑6控制电控旋转台4，使布儒斯特角为34.44度，采集图像得到图像平均亮度为131.6，与光照环境改变前的图像平均亮度132.6之前差别仅为0.8%。
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 (8)
1.一种采用偏振片控制图像亮度的方法，其特征在于：采用偏振片控制图像亮度的装置，装置包括步进电机控制器（1）、起偏器（2）、检偏器（3）、电控旋转台（4）、相机（5）和电脑（6）；起偏器（2）固定在相机（5）前方，检偏器（3）布置于起偏器（2）和相机（5）之间，且检偏器（3）安装于电控旋转台（4），由电控旋转台（4）带动检偏器（3）绕自身中心旋转；电控旋转台（4）连接步进电机控制器（1），步进电机控制器（1）和相机（5）均连接到电脑（6）；
方法采用以下过程控制相机采集亮度：
步骤1：在实验环境下，调整检偏器（3）旋转，即调整起偏器（2）和检偏器（3）之间的关系，形成布儒斯特角θ，外界自然光线依次透过起偏器（2）和检偏器（3）后入射到相机（5），利用相机（5）测量每次不同布儒斯特角θ时对应的图像，并处理获得图像平均亮度I；由每次不同的布儒斯特角θ组成初始角数组θ 1，由每次不同布儒斯特角θ时对应的图像平均亮度I组成初始亮度数组I 1；
步骤2：在实验环境下，从初始角数组θ 1中选取任一布儒斯特角θ，并将检偏器（3）旋转到该布儒斯特角θ对应的位置，通过相机（5）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，检偏器（3）保持到步骤2的布儒斯特角θ对应的位置，通过相机（5）采集图像，并处理获得图像平均亮度，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 ，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和布儒斯特角θ之间的关系模型，利用新亮度数组I 1 ′和初始角数组θ 1代入到关系模型中拟合获得模型参数；
θ =a 1 I 3 + a 2 I 2- a 3 I + a 4
其中，θ—初始角数组θ 1的布儒斯特角，I--新亮度数组I 1 ′中的图像平均亮度，a 1 ,a 2 ,a 3 , a 4—第一、第二、第三、第四模型参数；
步骤6：将第一亮度I 2j 代入步骤5的公式中，计算出布儒斯特角θ 2k ；
步骤7：将检偏器（3）旋转到布儒斯特角为θ 2k 对应的位置，进而实现相机（5）采集到获得所需图像亮度的图像。
2.根据权利要求1所述的一种采用偏振片控制图像亮度的方法，其特征在于：检偏器（3）旋转到该布儒斯特角θ对应的位置，具体是通过电脑（6）控制步进电机控制器（1）带动检偏器（3）旋转而进行调整。
3.根据权利要求1所述的一种采用偏振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和温度固定不变的情况，所述的实际检测环境是指温度、湿度与电控旋转台（4）内置的步进电机定位位置存在变化，与理论上检测环境中存在差异的情况。
4.根据权利要求1所述的一种采用偏振片控制图像亮度的方法，其特征在于：所述的图像平均亮度是由相机（5）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得到。
5.根据权利要求1所述的一种采用偏振片控制图像亮度的方法，其特征在于：所述的起偏器（2）、检偏器（3）和相机（5）同光轴依次布置，起偏器（2）、检偏器（3）和相机（5）在光轴上的位置固定。
6.根据权利要求1所述的一种采用偏振片控制图像亮度的方法，其特征在于：所述的电控旋转台（4）内置有步进电机，步进电机输出轴连接检偏器（3）中心，步进电机运行带动检偏器（3）绕自身中心旋转。
7.根据权利要求6所述的一种采用偏振片控制图像亮度的方法，其特征在于：所述的步进电机连接步进电机控制器（1），由步进电机控制器（1）控制步进电机的旋转。
8.根据权利要求1所述的一种采用偏振片控制图像亮度的方法，其特征在于：所述的起偏器（2）、检偏器（3）均为线偏振片。
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