CN110708471B - 一种基于主动照明的ccd自关联成像系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于主动照明的CCD自关联成像系统及方法，成像系统包括主动随机光源、CCD相机光学系统、数据采集卡以及计算电路。成像方法包括：1)由主动随机光源产生动态的随机散斑照射在待成像物体的表面进行曝光；2)将CCD相机光学系统对准待成像物体，在主动随机光源产生随机散斑调制的时间间隔内对接收到曝光后的待成像物体所反射的光子进行采集，得到光学图像；3)将CCD相机光学系统各像素单元曝光强度的输出信号用数据采集卡按时序采集并存储；重复进行多次曝光和采集，曝光的时间窗口小于动态随机散斑调制的时间间隔；4)使用计算电路对每个像素单元的强度时序数据进行自关联运算得到自关联成像。本发明能够快速在非强光照明下提高成像的对比度。

Description

一种基于主动照明的CCD自关联成像系统及方法

技术领域

本发明属于光成像探测领域，涉及一种基于主动照明的CCD自关联成像系统及方法。

背景技术

在天文、科研、医疗以及生活中，摄影和照相是获取物体图像信息的常用手段。但是在实际应用中，往往存在噪声光的影响，所以为了提高成像质量，通常需要采用强光的照明或者对单一物体长时间的曝光来实现。而强光照明，如闪光灯，往往会对强光敏感的成像物体造成损伤，对单一物体长时间的曝光成像，也往往会耗时过长。因此，如何提高成像质量特别是对比度，并且不依赖强光，同时耗时相对较短，是光成像探测技术研究的一个方向。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中为了提高成像对比度采用强光会对成像物体造成损伤，而采用长时间曝光会耗时较长的问题，提供一种基于主动照明的CCD自关联成像系统及方法，能够在非强光照明下提高成像的对比度，并且成像计算速度快，分辨率高。

为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：

一种基于主动照明的CCD自关联成像系统，包括：

用于产生动态的随机散斑照射在待成像物体表面进行曝光的主动随机光源；

用于在主动随机光源产生随机散斑调制的时间间隔内，对接收到曝光之后的待成像物体的反射光子进行采集，进而得到光学图像的CCD相机光学系统；

所述随机散斑调制的时间间隔为光强空间分布变化的间隔时间；

用于将各像素单元曝光强度的输出信号按时序采集并存储的数据采集卡；

以及，用于对每个像素的时序数据进行自关联运算，得到自关联成像的计算电路。

所述的主动随机光源产生动态的随机散斑的方式包括使用激光透过旋转毛玻璃产生赝热光、使用投影仪投射随机的光学图像。

本发明基于主动照明的CCD自关联成像系统的成像方法，包括以下步骤：

1)由主动随机光源产生动态的随机散斑照射在待成像物体的表面进行曝光；

2)将CCD相机光学系统对准待成像物体，在主动随机光源产生随机散斑调制的时间间隔内对接收到曝光后的待成像物体所反射的光子进行采集，得到光学图像；

3)将CCD相机光学系统各像素单元曝光强度的输出信号用数据采集卡按时序采集并存储；重复进行多次曝光和采集，曝光的时间窗口小于动态随机散斑调制的时间间隔；

4)使用计算电路对每个像素单元的强度时序数据进行自关联运算得到自关联成像。

所述的步骤2)通过CCD相机光学系统(3)获取光学图像P(x,y,t)的计算方式为：

P(x,y,t)＝P₀(x,y,t)+N(x,y,t)＝S(x,y,t)*O(x,y)+N(x,y,t)；

在上式中，P₀(x,y,t)为随机散斑S(x,y,t)照射下得到光学图像，S(x,y,t)为动态的随机散斑，O(x,y)为待成像物体(2)的图像，N(x,y,t)为噪声光。

所述的步骤4)的自关联运算为：

式中，I(x,y)为自关联成像；P(x,y,t)为光学图像；μ₀为P₀(x,y,t)的期望值，σ_o为P₀(x,y,t)的标准差，μ_N为N(x,y,t)的期望值，σ_N为N(x,y,t)的标准差。

当O(x,y)＝0，通过μ₀＝0,σ_o＝0的像素位置，得到成像背底为

所获得成像的对比度C为：

背底噪声光的强度分布是固定的且μ_N＞0，σ_N＞0，对比度是μ₀和σ_o的增函数。

相较于现有技术，本发明的成像系统具有如下的有益效果：通过主动随机光源产生动态的随机散斑照射在待成像物体表面进行曝光成像，与传统的闪光灯曝光成像技术不同的是，引入了自关联运算，不仅将散斑时序上的强度分布的均值还将其强度分布的方差用于控制最终成像的对比度。本发明的成像系统结构简单，使用方便，能够实现在非强光照明下提高成像的对比度，不会因为强光对成像物体造成损伤且成像速度快，能有效克服噪声光的影响。

与现有技术相比，本发明的成像方法具有如下的有益效果：主动随机光源产生动态的随机散斑照射在待成像物体的表面，计算电路对每个像素单元的强度时序数据进行自关联运算得到自关联成像。这种方式成像速度快、成像质量高，且能够实现近距离和远距离目标成像。

附图说明

图1本发明成像系统的结构原理框图；

图2本发明实施例的待成像物体原始图像；

图3本发明实施例散斑下的待成像物体图像；

图4本发明实施例待成像物体原始图像的对比度效果图；

图5本发明实施例待成像物体传统成像结果的对比度效果图；

图6本发明实施例待成像物体自关联成像结果的对比度效果图；

1-主动随机光源；2-待成像物体；3-CCD相机光学系统；4-数据采集卡；5-计算电路。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

参见图1，本发明基于主动照明的CCD自关联成像系统，在结构上包括主动随机光源1，主动随机光源1产生动态的随机散斑S(x,y,t)照射在待成像物体2的表面，待成像物体2的像为O(x,y)，进行曝光后，将CCD相机光学系统3对准待成像物体，在光源产生的随机散斑调制的时间间隔内对接收到曝光后的待测目标的反射光子进行采集，得到光学图像P(x,y,t)；将CCD各像素单元曝光光子数或者强度的输出信号按时序用数据采集卡4采集并存储。进行多次曝光和采集，且每次曝光的时间窗口均小于动态随机散斑的光强空间分布的变化时间。之后使用计算电路5对每个像素的强度时序数据进行自关联运算，得到目标的自关联成像I(x,y)。

本发明成像系统中所用到的主动随机光源1能够产生动态随机散斑，可以使用激光透过旋转毛玻璃产生的赝热光、投影仪投射的随机光学图像等。

本发明基于主动照明的CCD自关联成像系统的成像方法，包括以下步骤：

1)由主动随机光源1产生动态的随机散斑照射在待成像物体2的表面进行曝光；

2)将CCD相机光学系统3对准待成像物体2，在主动随机光源1产生随机散斑调制的时间间隔内对接收到曝光后的待成像物体2所反射的光子进行采集，得到光学图像；

3)将CCD相机光学系统3各像素单元曝光强度的输出信号用数据采集卡4按时序采集并存储；重复进行多次曝光和采集，曝光的时间窗口小于动态随机散斑调制的时间间隔；

4)使用计算电路5对每个像素单元的强度时序数据进行自关联运算得到自关联成像。

通过CCD相机光学系统3得到光学图像P(x,y,t)，即实现了随机散斑S(x,y,t)与待成像物体2的像O(x,y)之间的计算，光学图像P(x,y,t)的计算方式为：

P(x,y,t)＝P₀(x,y,t)+N(x,y,t)＝S(x,y,t)*O(x,y)+N(x,y,t)；

在上式中，P₀(x,y,t)为随机散斑S(x,y,t)照射下得到光学图像，S(x,y,t)为动态的随机散斑，O(x,y)为待成像物体2的图像，N(x,y,t)为噪声光。

自关联运算为：

式中，I(x,y)为自关联成像；P(x,y,t)为光学图像；μ₀为P₀(x,y,t)的期望值，σ_o为P₀(x,y,t)的标准差，μ_N为N(x,y,t)的期望值，σ_N为N(x,y,t)的标准差。

当O(x,y)＝0，通过μ₀＝0,σ_o＝0的像素位置，得到成像背底为

成像结果的对比度与随机散斑光源的统计分布特性相关，如期望值和标准差。

所获得成像的对比度C为：

由上式可知，由于背底噪声光的强度分布是固定的且μ_N＞0，σ_N＞0，所以对比度是μ₀和σ_o的增函数，而传统相机成像的对比度

为：

式中，

为均匀光照下的物体图像强度，

为均匀光照下的背底强度。

因此，当光强期望值μ_o一定时，通过增加随机散斑光源的分布方差能够提高对比度。

参见图3，散斑下的待成像物体图像，即动态的随机散斑S(x,y,t)得到的单张光学图像，可以发现在散斑照射下，物体被部分点亮。同时考虑到噪声的存在，在图像的背底处产生了很多噪点，所以单张光学图像的质量很差。

参见图4-6，本发明自关联成像结果的背底强度，接近待成像物体原始图像的背底强度，低于传统成像的背底强度。通过对比度Contrast的计算公式：

式中I_max为图像的最大灰度值，I_min为图像的最小灰度值，通常为背底强度，可知，传统成像结果的对比度为0.69575，本发明自关联成像结果的对比度为0.9403，从而提高了对比度。在该仿真中，将噪声考虑为强度服从指数分布(均值为待成像物体原始图像的均值)的随机噪声，散斑服从伽马分布(形状参数和比例参数均为1)，待成像物体原始图像由0和1组成。

以上所述仅仅是本发明的较佳实施例，并不用以对本发明的技术方案做任何形式上的限定，本领域技术人员应当理解的是，在不脱离本发明精神和原则的前提下，该技术方案还可以进行若干简单的修改和替换，这些修改和替换也均落入由权利要求划定的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于主动照明的CCD自关联成像系统，其特征在于，包括：

用于产生动态的随机散斑照射在待成像物体(2)表面进行曝光的主动随机光源(1)；

用于在主动随机光源(1)产生随机散斑调制的时间间隔内，对接收到曝光之后的待成像物体(2)的反射光子进行采集，进而得到光学图像的CCD相机光学系统(3)， 所述随机散斑调制的时间间隔为光强空间分布变化的间隔时间；

用于将各像素单元曝光强度的输出信号按时序采集并存储的数据采集卡(4)；

以及，用于对每个像素的时序数据进行自关联运算，得到自关联成像的计算电路(5)。

2.根据权利要求1所述的基于主动照明的CCD自关联成像系统，其特征在于：

所述的主动随机光源(1)产生动态的随机散斑的方式包括使用激光透过旋转毛玻璃产生赝热光、使用投影仪投射随机的光学图像。

3.一种基于主动照明的CCD自关联成像系统的成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)由主动随机光源(1)产生动态的随机散斑照射在待成像物体(2)的表面进行曝光；

2)将CCD相机光学系统(3)对准待成像物体(2)，在主动随机光源(1)产生随机散斑调制的时间间隔内对接收到曝光后的待成像物体(2)所反射光子进行采集，得到光学图像；

3)将CCD相机光学系统(3)各像素单元曝光强度的输出信号用数据采集卡(4)按时序采集并存储；重复进行多次曝光和采集，曝光时间窗口小于动态随机散斑调制的时间间隔；

4)使用计算电路(5)对每个像素单元的强度时序数据进行自关联运算得到自关联成像。

4.根据权利要求3所述的成像方法，其特征在于：

所获得成像的对比度C为：

背底噪声光的强度分布是固定的且μ_N＞0，σ_N＞0，对比度是μ₀和σ_o的增函数；

I(x,y)为自关联成像；μ₀为P₀(x,y,t)的期望值，σ_o为P₀(x,y,t)的标准差，P₀(x,y,t)为随机散斑照射下得到光学图像，μ_N为N(x,y,t)的期望值，σ_N为N(x,y,t)的标准差，N(x,y,t)为噪声光，I_b(x,y)为成像背底。

5.根据权利要求3所述的成像方法，其特征在于，所述的步骤2)通过CCD相机光学系统(3)获取光学图像P(x,y,t)的计算方式为：

P(x,y,t)＝P₀(x,y,t)+N(x,y,t)＝S(x,y,t)*O(x,y)+N(x,y,t)；

上式中，P₀(x,y,t)为随机散斑S(x,y,t)照射下得到光学图像，S(x,y,t)为动态的随机散斑，O(x,y)为待成像物体(2)的图像，N(x,y,t)为噪声光。

6.根据权利要求5所述的成像方法，其特征在于，所述的步骤4)的自关联运算为：

式中，I(x,y)为自关联成像；P(x,y,t)为光学图像；μ₀为P₀(x,y,t)的期望值，σ_o为P₀(x,y,t)的标准差，μ_N为N(x,y,t)的期望值，σ_N为N(x,y,t)的标准差。

7.根据权利要求6所述的成像方法，其特征在于：当O(x,y)＝0，通过μ₀＝0,σ_o＝0的像素位置，得到成像背底为

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