CN111487647A - 一种基于逆向反射背景的主动照明的高速目标探测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于逆向反射背景的主动照明的高速目标探测装置及方法。该装置包括探测相机、补光组件阵列和逆向反光材料的反射器；所述探测相机和补光组件阵列共同位于目标预定运动区域的一侧，所述逆向反光材料的反射器位于目标预定运动区域的另一侧；所述补光组件阵列均匀分布在探测相机光学入口处，其发出的光覆盖目标预定运动区域，且经逆向反光材料的反射器反射后作为目标探测的背景光。本发明巧妙利用了微晶玻璃材料反射光与入射光重合的特性，将主动补光集成在探测端，满足了特殊环境下的背景“点亮”，实现高速目标的准确成像，且系统结构紧凑。

Description

一种基于逆向反射背景的主动照明的高速目标探测装置及 方法

技术领域

本发明涉及一种高速目标探测装置及方法，尤其适用于弱光背景的应用环境。

背景技术

如何测量高速运动目标的运动轨迹是目标探测技术的一个难题。传统的高速运动目标探测方法是采用“背光法”，即以背景为光源，目标为“阴影”，对高速运动目标进行拍摄测量，例如中国专利文献CN110470858A(一种亮光环境下高速运动目标轨迹的识别装置以及方法)。背景可以是可见光波段、紫外波段、激光波段等，用于探测传感器和光学系统与背景光源配合使用。图1所示为可见光波段背景。

传统的高速运动目标探测方法的使用弊端是：必须将拍摄背景“点亮”，即有发光背景。在实际操作中，让背景“点亮”，必须在背景中放置光源，而有些特殊应用环境，无法在背景中放置光源阵列或者平面光源；同时，背景光源的面积也必须足够大，才能满足拍摄距离以及探测器光学视场的需求。

发明内容

本申请的目的是：对于“背景”无法点亮的场景，解决目前主动补光的方式进行高速目标探测存在的受到客观环境限制以及对光源尺寸要求较高的问题。

本发明的解决方案如下：

一种基于逆向反射背景的主动照明的高速目标探测装置，包括探测相机、补光组件阵列和逆向反光材料的反射器；所述探测相机和补光组件阵列共同位于目标预定运动区域的一侧，所述逆向反光材料的反射器位于目标预定运动区域的另一侧；所述补光组件阵列均匀分布在探测相机光学入口处，其发出的光覆盖目标预定运动区域，且经逆向反光材料的反射器反射后作为目标探测的背景光。

进一步地，所述逆向反光材料的反射器采用玻璃微珠反射膜作为反射面。

进一步地，所述逆向反光材料的反射器垂直设置于补光组件阵列中心所在的光轴上。

进一步地，所述补光组件阵列的发光视场与探测相机视场相同，每个补光组件的中心轴均与探测相机光轴平行。

进一步地，所述补光组件阵列在探测相机光学入口处呈圆周环绕分布。

进一步地，所述补光组件阵列的补光组件数量设置满足探测到的平均背景灰度值在8位量化时达到240以上。

上述基于逆向反射背景的主动照明的高速目标探测装置的应用方法，包括：

开启探测相机和补光组件阵列，以补光组件阵列经逆向反光材料的反射器反射后的光作为目标探测的背景光；

当高速目标经过探测视场时，目标的边缘处的反射系数远远低于玻璃微珠反射膜的反射系数，使得探测相机获得的图像中目标图像灰度值远低于背景，相应的“暗斑”部位表征了运动目标的位置，从而识别出运动目标轨迹。

相比现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明巧妙利用了微晶玻璃材料反射光与入射光重合的特性，将主动补光集成在探测端，满足了特殊环境下的背景“点亮”，实现高速目标的准确成像，且系统结构紧凑。

本发明的亮光背景容易搭建，拍摄与补光一体化设计，降低了对补光能量的需求，且对光源无特殊要求，可应用于多个高速运动目标轨迹的拍摄。

本发明还具有易于实现、使用方便、通用性强的优点。

附图说明

图1为传统背光法测量目标。

图2为玻璃微珠反射材料的光学特性。

图3为本发明的一个实施例的设计框图。

图4为高速探测装置与补光组件截面图。

图5为图3所示实施例的工作示意图。

附图标号说明：

1-高速探测相机；101-探测相机光学入口；2-补光组件；3-玻璃微珠反射膜；4-高速运动目标。

具体实施方式

以下结合附图，通过实施例进一步详述本发明。

玻璃微珠制造的反光材料能将从各个方向射来之光反射回原处，是目前世界上反光性能最高的反光材料。如图2所示，玻璃微珠反光材料采用的是微棱镜反射原理，当一束光线在一定范围内以任何角度照射到微珠前表面时，由于微珠的高折射作用而聚光在微珠后表面反射层上，反射层将光线沿着入射光线方向平行反射回去，就形成回归反射。当许多玻璃微珠同时反射时，就会出现前面的光亮景象。如今玻璃微珠材料主要应用在交通标示、安全标示领域。

如图3所示，本实施例利用微晶玻璃材料反射光与入射光重合的特性，提出了一种基于逆向反射背景的主动照明的高速目标探测装置。

该基于逆向反射背景的主动照明的高速目标探测装置，包括高速探测相机1、多个补光组件2构成的补光组件阵列、逆向反光材料的反射器(采用玻璃微珠反射膜3)；高速探测相机和补光组件阵列共同位于目标预定运动区域的一侧，玻璃微珠反射膜位于目标预定运动区域的另一侧；补光组件阵列均匀分布在探测相机光学入口101处(呈圆周环绕)，其发出的光覆盖目标预定运动区域，且经逆向反光材料的反射器反射后作为目标探测的背景光。

该基于逆向反射背景的主动照明的高速目标探测装置的设计要点以及构建的步骤如下：

a)设置高速目标的背景，其采用玻璃微珠反射膜为拍摄背景。

b)玻璃微珠反射膜在垂直方向反射系数最大，将玻璃微珠反射膜垂直放置在高速探测装置与补光组件前。

c)设计主动照明补光组件。将补光组件的发光视场与高速探测相机视场相同，补光组件的中心轴与高速探测相机光轴平行。将补光组件阵列均匀分布在高速探测装置光学入口处，补光阵列均匀分布可修正补光组件中心轴与高速探测装置光轴之间的物理距离差而引入的反射光线之间的物理距离差。截面图如图4所示。

d)设计补光组件数量。补光组件的数量由单个补光发光能量、与反射膜的反射系数、探测装置曝光时间、光学参数等计算确定。补光组件数量设置依据就是要求探测装置探测到的平均背景灰度值在8位量化时达到240以上。

e)设计高速相机视场，高速相机的光轴与主动照明视场光轴平行。

应用本实施例装置的探测过程如图5所示：

开启探测相机和补光组件阵列，以补光组件阵列经逆向反光材料的反射器反射后的光作为目标探测的背景光；

当高速运动目标4经过探测视场时，目标的边缘处的反射系数远远低于玻璃微珠反射膜的反射系数，使得探测相机获得的图像中目标图像灰度值远低于背景，相应的“暗斑”部位表征了运动目标的位置，从而实现目标与背景的分离探测，即识别出运动目标轨迹。

进一步还可根据下面公式计算运动目标的速度v：

其中：L为T1时刻与T2时刻之间的运动目标运动的距离。

本实施例巧妙利用了微晶玻璃材料反射光与入射光重合的特性，将主动补光集成在探测端，满足了特殊环境下的背景“点亮”，实现高速目标的准确成像，系统结构紧凑，易于实现、使用方便、通用性强，降低了对补光能量的需求，且对光源无特殊要求，可应用于多个高速运动目标轨迹的拍摄。

Claims (7)

1.一种基于逆向反射背景的主动照明的高速目标探测装置，其特征在于，包括探测相机、补光组件阵列和逆向反光材料的反射器；所述探测相机和补光组件阵列共同位于目标预定运动区域的一侧，所述逆向反光材料的反射器位于目标预定运动区域的另一侧；所述补光组件阵列均匀分布在探测相机光学入口处，其发出的光覆盖目标预定运动区域，且经逆向反光材料的反射器反射后作为目标探测的背景光。

2.根据权利要求1所述的基于逆向反射背景的主动照明的高速目标探测装置，其特征在于：所述逆向反光材料的反射器采用玻璃微珠反射膜作为反射面。

3.根据权利要求1所述的基于逆向反射背景的主动照明的高速目标探测装置，其特征在于：所述逆向反光材料的反射器垂直设置于补光组件阵列中心所在的光轴上。

4.根据权利要求1所述的基于逆向反射背景的主动照明的高速目标探测装置，其特征在于：所述补光组件阵列的发光视场与探测相机视场相同，每个补光组件的中心轴均与探测相机光轴平行。

5.根据权利要求4所述的基于逆向反射背景的主动照明的高速目标探测装置，其特征在于：所述补光组件阵列在探测相机光学入口处呈圆周环绕分布。

6.根据权利要求1所述的基于逆向反射背景的主动照明的高速目标探测装置，其特征在于：所述补光组件阵列的补光组件数量设置满足探测到的平均背景灰度值在8位量化时达到240以上。

7.权利要求1所述的基于逆向反射背景的主动照明的高速目标探测装置的应用方法，其特征在于，包括：

开启探测相机和补光组件阵列，以补光组件阵列经逆向反光材料的反射器反射后的光作为目标探测的背景光；

当高速目标经过探测视场时，目标的边缘处的反射系数远远低于玻璃微珠反射膜的反射系数，使得探测相机获得的图像中目标图像灰度值远低于背景，相应的“暗斑”部位表征了运动目标的位置，从而识别出运动目标轨迹。

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