CN110191289B - 一种宽动态红外图像的采集结构、采集装置和显示方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种宽动态红外图像的采集结构、采集装置和显示方法，解决现有硬件条件下光通量无法满足成像要求的技术问题。包括：外固定环，用于利用外圈与镜头套筒中对应镜片的承载结构固定，并提供控制信号和功率信号的接入端点；内固定环，用于利用内圈与所述镜片共轴线固定，外圈活动嵌套在所述外固定环内圈中，所述内固定环受控与所述外固定环保持共轴线或轴线共原点相交；镜片，用于采集视场内的微光或红外光。有规律地偏转使更多的旁轴光通量在很短时间周期内密集分时进入镜头的光信号采集通道，使得光学传感器可以获得视场中较远景物的更多成帧的相关光学信息，满足ISP处理过程中对不同景深、不同景物的对比识别和成像增强。

Description

一种宽动态红外图像的采集结构、采集装置和显示方法

技术领域

本发明涉及光学信号处理技术领域，特别涉及宽动态红外图像的采集结构、显示装置和显示方法。

背景技术

现有技术中，成像质量受到光通量的直接影响，焦平面处光学传感器面积尺寸与成像质量正相关，而光学传感器受结构密度和制造成本限制尺寸有限，仅通过ISP(图像信号处理器)进行图像处理获得的最终图像不能满足对远距离观测对象的有效识别，因此，对于较远距离的景象识别需要更多的光通量以使光学传感器获得更多光学信息。在微光成像或热成像过程中初始光通量始终受限，经过ISP处理后的最终图像对景深表达存在缺陷。对较远景物中的宽动态红外场景中的非移动物体的识别效果更差。

发明内容

鉴于上述问题，本发明实施例提供一种宽动态红外图像的采集结构、采集装置和显示方法，解决现有硬件条件下光通量无法满足成像要求的技术问题。

本发明实施例的宽动态红外图像的采集结构，包括：

外固定环，用于利用外圈与镜头套筒中对应镜片的承载结构固定，并提供控制信号和功率信号的接入端点；

内固定环，用于利用内圈与所述镜片共轴线固定，外圈活动嵌套在所述外固定环内圈中，所述内固定环受控与所述外固定环保持共轴线或轴线共原点相交；

镜片，用于采集视场内的微光或红外光。

本发明一实施例中，所述外固定环、所述内固定环与所述镜片共圆心，在经过圆心的断面上，所述内固定环的外圈圆弧弧度与所述外固定环的内圈圆弧弧度相同。

本发明一实施例中，所述内固定环的外圈表面和所述外固定环的内圈表面布设光滑涂层，所述光滑涂层表面设置沿所述断面弧线方向延伸的细微线性纹理，所述细微线性纹理沿所述内固定环和所述外固定环的周向均匀分布。

本发明一实施例中，还包括控制单元模组，所述控制单元模组包括设置在所述外固定环中靠近内圈的受控归位磁极、受控第一调节磁极和受控第二调节磁极，还包括设置在所述内固定环中靠近外圈的归位永磁极、第一定位永磁极和第二定位永磁极；沿所述断面弧线方向所述受控第一调节磁极和所述受控第二调节磁极以轴对称的方式位于所述受控归位磁极两侧，所述受控归位磁极、所述受控第一调节磁极和所述受控第二调节磁极的端面朝向所述镜片中心；沿所述断面弧线方向，所述第一定位永磁极和所述第二定位永磁极以轴对称的方式位于所述归位永磁极的两侧，所述归位永磁极、所述第一定位永磁极和所述第二定位永磁极的端面背向所述镜片中心。

本发明一实施例中，所述受控归位磁极、所述受控第一调节磁极和所述受控第二调节磁极采用电磁铁结构，所述归位永磁极、所述第一定位永磁极和所述第二定位永磁极采用永磁体材料，表面除端面外覆盖铜涂层。

本发明一实施例中，所述受控第一调节磁极和所述受控第二调节磁极成对设置，所述第一定位永磁极位于所述第一调节磁极之间，所述第二定位永磁极位于所述受控第二调节磁极之间。

本发明实施例的宽动态红外图像采集装置，包括：

转动姿态控制器，用于响应ISP触发数据，解析所述触发数据中的姿态需求数据和数据需求量，根据所述需求数据和数据需求量确定宽动态红外图像的采集结构的旁轴光通量基准方向和采集频率。

控制策略规划器，用于根据所述采集基准方向规划转动关联方向，根据转动关联方向和所述采集频率规划涉及的受控磁极和受控磁极的开关顺序。

控制数据生成器，用于根据所述采集频率调整所述受控磁极的通断时长，形成以时间轴为基准的受控磁极通断数据。

编码驱动器，用于将所述受控磁极通断数据转换相应受控磁极的顺序控制功率信号，根据时间轴顺序输出至所述采集结构。

本发明实施例的宽动态红外图像的显示方法，包括：

获取主轴图像的主亮度分布信息；

获取关联的旁轴图像的辅亮度分布信息；

通过所述主亮度分布信息和所述辅亮度分布信息的区域亮度比较形成所述主轴图像与所述旁轴图像间的曝光差异规律；

根据所述曝光差异规律调整所述主轴图像的局部亮度，形成均衡主轴图像。

本发明实施例的宽动态红外图像的显示装置，包括：

存储器，用于存储如权利要求8所述的宽动态红外图像的显示方法对应的程序代码；

处理器，用于执行所述程序代码。

本发明实施例的宽动态红外图像的显示装置，包括：

主图像获取模块，用于获取主轴图像的主亮度分布信息；

辅图像获取模块，用于获取关联的旁轴图像的辅亮度分布信息；

比较模块，用于通过所述主亮度分布信息和所述辅亮度分布信息的区域亮度比较形成所述主轴图像与所述旁轴图像间的曝光差异规律；

更新模块，用于根据所述曝光差异规律调整所述主轴图像的局部亮度，形成均衡主轴图像。

本发明实施例的宽动态红外图像的采集结构、采集装置和显示方法有规律地偏转使更多的旁轴光通量在很短时间周期内密集分时进入镜头的光信号采集通道，使得光学传感器可以获得视场中较远景物的更多成帧的相关光学信息，满足ISP处理过程中对不同景深、不同景物的对比识别和成像增强。同时作为宽动态红外图像信号的采集手段，利用旁轴与主光轴的规律性调整形成的整帧光信号数据中额外包含了宽动态红外信号范围内相同景物的细小亮度特征差别，利用ISP处理过程突出特征差别可以更好地调节独立景物间的HDR(即高动态范围图像)亮度特征，形成较好的成像内容。

附图说明

图1所示为本发明一实施例宽动态红外图像的采集结构的侧视剖面示意图。

图2所示为本发明一实施例宽动态红外图像的采集结构的主视剖面示意图。

图3所示为本发明一实施例宽动态红外图像的采集结构中A处放大的剖面示意图。

图4所示为本发明一实施例宽动态红外图像采集装置的结构示意图。

图5所示为本发明一实施例宽动态红外图像的显示方法的流程示意图。

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，以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明一实施例宽动态红外图像的采集结构如图1和图2所示。在图1中，本实施例包括镜片110、内固定环120和外固定环130，其中：

外固定环130，用于利用外圈与镜头套筒中对应镜片的承载结构固定，并提供控制信号和功率信号的接入端点。

本领域技术人员可以理解，本技术方案中的镜片存在原有镜片固定结构可以实现镜片的固定和受控位移(通常沿轴线)。外固定环固定在原有镜片固定结构上，不改变镜片原有的固定和受控位移。

内固定环120，用于利用内圈与镜片共轴线固定，外圈活动嵌套在外固定环内圈中，内固定环受控与外固定环保持共轴线或轴线共原点相交。

内固定环与镜片始终共轴线，内固定环在一种(主要的)受控状态下与外固定环保持稳定的共轴线，在另一种受控状态下与外固定环保持轴线的动态相交。内固定环与外固定环的轴线直线的原点为镜片的中心，即镜片主光轴直线的原点。

镜片110，用于采集视场内的微光或红外光。

如图1所示，对本实施例进一步说明，外固定环130、内固定环120与镜片110共圆心，在经过圆心的断面上，内固定环120的外圈圆弧121弧度与外固定环130的内圈圆弧131弧度相同。即内固定环120的外圈和外固定环130的内圈属于同一球体直径方向的环形条带表面。

外固定环130和内固定环120采用非导磁材料，例如非导磁金属，或有机高分子基质的非导磁材料。

本发明实施例宽动态红外图像的采集结构在通过外固定环130保证镜片的中心位于镜头主光轴的基础上，通过控制内固定环120有规律地偏转使更多的旁轴光通量在很短时间周期内密集分时进入镜头的光信号采集通道，使得光学传感器可以获得视场中较远景物的更多成帧的相关光学信息，满足ISP处理过程中对不同景深、不同景物的对比识别和成像增强。同时作为宽动态红外图像信号的采集手段，利用旁轴与主光轴的规律性调整形成的整帧光信号数据中额外包含了宽动态红外信号范围内相同景物的细小亮度特征差别，利用ISP处理过程突出特征差别可以更好地调节独立景物间的HDR(即高动态范围图像)亮度特征，形成较好的成像内容。

本发明实施例的宽动态红外图像的采集结构直接应用在镜头的第一外侧取景透镜上即可实现旁轴光通量的摄入。

如图2所示，本发明一实施例中，在内固定环120的外圈表面和外固定环130的内圈表面布设光滑涂层140，例如光滑涂层采用全氟碳材料。

在本发明一实施例中，光滑涂层表面设置沿断面弧线方向延伸(即轴线方向)的细微线性纹理(图中未示出)，细微线性纹理沿内固定环120和外固定环130的周向均匀分布。

在本发明一实施例中，内固定环120的外圈表面和外固定环130的内圈表面的细微线性纹理顺序间隔排列。

本发明实施例的宽动态红外图像的采集结构利用光滑涂层140形成低摩擦系数的接触表面，有利于内固定环120和外固定环130的紧密嵌套和嵌套中内固定环120沿轴线方向的自由转动和复位。进一步利用有序排列的、具有特定方向的细微线性纹理间的契合度，形成内固定环120在意外周向转动时的较大阻力，避免内固定环120和外固定环130间周向错位。

由于细微线性纹理间的契合度，在内固定环120受控沿轴线方向自由转动和复位时，只有转轴接触处的细微线性纹理形成相对阻力，相对阻力对于转动和复位力矩可以忽略。

本发明一实施例宽动态红外图像的采集结构的内固定环120和外固定环130的具体结构如图3所示。在图3中，本实施例包括一个控制单元模组150，控制单元模组150包括设置在外固定环中靠近内圈的受控归位磁极151、受控第一调节磁极152和受控第二调节磁极153，还包括设置在内固定环120中靠近外圈的归位永磁极154、第一定位永磁极155和第二定位永磁极156；沿(上述实施例中外固定环130的)断面弧线方向受控第一调节磁极152和受控第二调节磁极153以轴对称的方式位于受控归位磁极151两侧，受控归位磁极151、受控第一调节磁极152和受控第二调节磁极153的端面朝向镜片110中心；沿(上述实施例中内固定环120的)断面弧线方向，第一定位永磁极155和第二定位永磁极156以轴对称的方式位于归位永磁极154的两侧，归位永磁极154、第一定位永磁极155和第二定位永磁极156的端面背向镜片110中心。

稳定状态下，受控归位磁极151与归位永磁极154位于镜片同一径向，第一定位永磁极155位于受控归位磁极151与受控第一调节磁极152之间，第二定位永磁极156位于受控归位磁极151与受控第二调节磁极153之间。

受控归位磁极151、受控第一调节磁极152和受控第二调节磁极153采用电磁铁结构，归位永磁极154、第一定位永磁极155和第二定位永磁极156采用永磁体材料，表面除端面外覆盖铜涂层。本领域技术人员可以理解，以上磁极部件的微型化可以采用增材制造工艺或MEMS(微机电系统Micro-Electro-Mechanical System)制造工艺获得。

本发明实施例宽动态红外图像的采集结构通过一个控制单元模组150可以带动镜片沿一组正反方向快速转动和归位，通过各受控磁极的控制配合可以有效获得较高转动频率和转动稳定性。使得单位时间内较多的的旁轴光通量可以耦合进光信号采集通道形成整帧光信号。

实际应用中，归位永磁极154与受控归位磁极151对应，归位永磁极154对受控归位磁极151的铁芯结构吸引形成基本的定位对齐。第一调节磁极152和受控第二调节磁极153的对称分布，配合第一定位永磁极155和第二定位永磁极156的对称分布形成平衡的定位对齐，共同保证了内固定环120和外固定环130共轴线。

通过控制受控第一调节磁极152(或受控第二调节磁极153)产生磁极有力吸引第一定位永磁极155(或第二定位永磁极156)破坏了基本的定位对齐和平衡的定位对齐，使得内固定环120以确定方向转动确定角度，内固定环120和外固定环130的轴线形成对应方向的相交，使得旁轴光通量可以更有效地耦合进光信号采集通道。控制受控归位磁极151产生磁极的同时控制受控第一调节磁极152消除磁极可以有力吸引归位永磁极154，进而带动内固定环120转动归位，重新形成基本的定位对齐和平衡的定位对齐。

利用受控第二调节磁极153配合产生瞬间磁极有利吸引第二定位永磁极156可以加速定位对齐过程。当受控归位磁极151、受控第一调节磁极152和受控第二调节磁极153同时产生磁极吸引对应永磁极时可以形成更稳定的定位对齐。

如图2所示，本发明一实施例中，在上述实施例基础上，受控第一调节磁极152和受控第二调节磁极153成对设置，第一定位永磁极155位于第一调节磁极152之间，第二定位永磁极156位于受控第二调节磁极153之间。

本发明实施例宽动态红外图像的采集结构实际应用中，通过成对相同受控磁极有序形成吸引磁极可以有效加快镜片110的转动速度。

本发明一实施例中，在镜片110的0度、90度、180度和270度位置各设置一控制单元模组150。

本发明实施例宽动态红外图像的采集结构实际应用中，可以形成正交的镜片110转动变化，使得旁轴光通量的光学信息间具有正交相关性，有利于简化ISP的数据处理过程，提高计算效率。

控制单元模组150的设置数量和位置可以根据ISP算法的改进作适应性变化。

本发明一实施例宽动态红外图像采集装置的结构如图4所示。在图4中，本实施例包括：

转动姿态控制器160，用于响应ISP触发数据，解析触发数据中的姿态需求数据和数据需求量，根据需求数据和数据需求量确定宽动态红外图像的采集结构的旁轴光通量基准方向和采集频率。

ISP触发数据由ISP根据固有算法形成。

进一步在本步骤中，根据ISP图形处理过程中帧数据中局部缺失信息缺失程度形成。根据局部缺失信息形成克服信息缺失的旁轴光通量方向信息和需要弥补的光通量需求。根据旁轴光通量方向信息确定基准方向和保持基准方向的采集时长(即采集周期数，与成帧频率相关)。

控制策略规划器170，用于根据采集基准方向规划转动关联方向，根据转动关联方向和采集频率规划涉及的受控磁极和受控磁极的开关顺序。

转动关联方向包括宽动态红外图像的采集结构中直接匹配的采集基准方向或合成采集基准方向的相关转动关联方向。每个相关转动关联方向的维持时长涉及对应控制单元模组中受控磁极的调整和归位。

控制数据生成器180，用于根据采集频率调整受控磁极的通断时长，形成以时间轴为基准的受控磁极通断数据。

采集频率对应相关转动关联方向的维持时长，将通断时长转换对应控制单元模组中每个受控磁极顺序完成全部动作的顺序通断数据。

编码驱动器190，用于将受控磁极通断数据转换相应受控磁极的顺序控制功率信号，根据时间轴顺序输出。

将受控磁极通断数据转换为功率信号，并根据受控磁极的编码线路进行分路，按时间轴传输。

本发明实施例宽动态红外图像采集装置利用上述实施例的宽动态红外图像的采集结构形成了配合ISP动态信号处理的动态红外图像信号补偿过程。使得ISP图形处理过程中的信息缺失可以通过利用旁轴光通量的主动采集进行补偿。同时没有改变镜头的光信号采集通道的主光轴的主要采集过程。

本发明一实施例宽动态红外图像的显示方法如图5所示。本实施例利用上述宽动态红外图像采集装置形成的旁轴图像。在图5中，本实施例包括：

步骤210：获取主轴图像的主亮度分布信息。

主轴图像的亮度通道可以反映主轴图像中的各区域的曝光时长。

步骤220：获取关联的旁轴图像的辅亮度分布信息。

旁轴图像与主轴图像由于存在准同步状态下利用主光轴光通量和特定旁轴光通量的成像差异，存在成像细微差异形成的曝光差异。

步骤230：通过主亮度分布信息和辅亮度分布信息的区域亮度比较形成主轴图像与旁轴图像间的曝光差异规律。

通过在亮度通道比较对应区域的亮度变化，可以获得对应区域的曝光变化规律，对应区域可以是一个较大区域，也可以是一个较大区域中的若干小的组成区域。

步骤240：根据曝光差异规律调整主轴图像的局部亮度，形成均衡主轴图像。

通过比较旁轴图像中质量较高的局部间亮度特征修正主轴图像中质量较低的局部间亮度特征可以动态地均衡主轴图像的宽动态温区，使图像整体曝光效果更均衡。

本发明实施例宽动态红外图像的显示方法利用旁轴图像和主轴图像的准同步性和两种图像相近区域的亮度特征差异获得改善主轴图像局部亮度并平衡整个主轴图像的效果。旁轴图像内针对较远区域的亮度等细节特征可以更好地体现在亮度均衡的主轴图像中。

如图5所示，在本发明一实施例中，步骤210包括：

步骤211：对主轴图像进行区域划分。

区域划分可以根据对应温区的亮度区域进行，也可以针对亮度通道中的对象边界识别划分。区域划分和边界划分可以采用本领域惯用的双边滤波器、高斯滤波器等。

步骤212：对区域进行编码。

步骤213：通过亮度通道获得像素的亮度并确定各区域的亮度均值。

亮度均值可以较好地表征区域的亮度，说明曝光程度。

如图5所示，在本发明一实施例中，步骤220包括：

步骤221：对旁轴图像进行区域划分。

区域划分可以根据对应温区的亮度区域进行，也可以针对亮度通道中的对象边界识别划分。区域划分和边界划分可以采用本领域惯用的双边滤波器、高斯滤波器等。

步骤222：对区域进行编码。

步骤223：通过亮度通道获得像素的亮度并确定各区域和对象的亮度均值。

亮度均值可以较好地表征区域的亮度，说明曝光程度。

步骤224：进行主轴图像和旁轴图像的区域的相似性识别，形成编码间映射。

编码间映射可以满足局部图像特征的有效比对，存在无法形成编码间映射的区域。

如图5所示，在本发明一实施例中，步骤230包括：

步骤231：根据编码间映射对比主轴图像和旁轴图像对应区域的清晰度。

清晰度可以根据区域和对象边界评判，也可以根据区域的亮度均值与极值的偏离度评判。

步骤232：根据清晰度选取主轴图像和旁轴图像中的对应区域，根据对应区域的亮度均值形成对应区域间的亮度差异作为曝光差异规律。

选取主轴图像和旁轴图像中对应部分中清晰度较高的区域，作为一个有序整体，并根据有序整体的区域的亮度均值形成区域间的曝光差异。

如图5所示，在本发明一实施例中，步骤240包括：

步骤241：根据曝光差异规律调整主轴图像区域的亮度，形成第一均衡主轴图像。

利用曝光差异规律将主轴图像和旁轴图像中优质区域的亮度统一在有序整体中，通过曝光差异调整主轴图像各区域间的曝光参数，形成均衡主轴图像。

步骤242：根据曝光差异规律替换主轴图像中的区域和对象，形成第二均衡主轴图像。

根据有序整体对旁轴图像中优质区域的记载，利用编码间映射直接在主轴图像中进行替换可以获得额外的均衡主轴图像。

本发明一实施例的宽动态红外图像的显示装置，包括：

存储器，用于存储上述宽动态红外图像的显示方法对应的程序代码；

处理器，用于执行上述宽动态红外图像的显示方法对应的程序代码。

处理器可以采用DSP(Digital Signal Processing)数字信号处理器、FPGA(Field-Programmable Gate Array)现场可编程门阵列、MCU(Microcontroller Unit)系统板、SoC(system on a chip)系统板或包括I/O的PLC(Programmable Logic Controller)最小系统。

本发明一实施例的宽动态红外图像的显示装置中，包括：

主图像获取模块，用于获取主轴图像的主亮度分布信息；

辅图像获取模块，用于获取关联的旁轴图像的辅亮度分布信息；

比较模块，用于通过主亮度分布信息和辅亮度分布信息的区域亮度比较形成主轴图像与旁轴图像间的曝光差异规律；

更新模块，用于根据曝光差异规律调整主轴图像的局部亮度，形成均衡主轴图像。

上述各模块中还包括与上述宽动态红外图像的显示方法中对应方法步骤相应的处理单元。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种宽动态红外图像的采集结构，其特征在于，包括：

外固定环，用于利用外圈与镜头套筒中对应镜片的承载结构固定，并提供控制信号和功率信号的接入端点；

内固定环，用于利用内圈与所述镜片共轴线固定，外圈活动嵌套在所述外固定环内圈中，所述内固定环受控与所述外固定环保持共轴线或轴线共原点相交；

镜片，用于采集视场内的微光或红外光；

所述外固定环、所述内固定环与所述镜片共圆心，在经过圆心的断面上，所述内固定环的外圈圆弧弧度与所述外固定环的内圈圆弧弧度相同；

还包括控制单元模组，所述控制单元模组包括设置在所述外固定环中靠近内圈的受控归位磁极、受控第一调节磁极和受控第二调节磁极，还包括设置在所述内固定环中靠近外圈的归位永磁极、第一定位永磁极和第二定位永磁极；沿所述断面弧线方向所述受控第一调节磁极和所述受控第二调节磁极以轴对称的方式位于所述受控归位磁极两侧，所述受控归位磁极、所述受控第一调节磁极和所述受控第二调节磁极的端面朝向所述镜片中心；沿所述断面弧线方向，所述第一定位永磁极和所述第二定位永磁极以轴对称的方式位于所述归位永磁极的两侧，所述归位永磁极、所述第一定位永磁极和所述第二定位永磁极的端面背向所述镜片中心。

2.如权利要求1所述的宽动态红外图像的采集结构，其特征在于，所述内固定环的外圈表面和所述外固定环的内圈表面布设光滑涂层，所述光滑涂层表面设置沿所述断面弧线方向延伸的细微线性纹理，所述细微线性纹理沿所述内固定环和所述外固定环的周向均匀分布。

3.如权利要求1所述的宽动态红外图像的采集结构，其特征在于，所述受控归位磁极、所述受控第一调节磁极和所述受控第二调节磁极采用电磁铁结构，所述归位永磁极、所述第一定位永磁极和所述第二定位永磁极采用永磁体材料，表面除端面外覆盖铜涂层。

4.如权利要求1所述的宽动态红外图像的采集结构，其特征在于，所述受控第一调节磁极和所述受控第二调节磁极成对设置，所述第一定位永磁极位于所述第一调节磁极之间，所述第二定位永磁极位于所述受控第二调节磁极之间。

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