CN112019758B - 一种机载双目头戴夜视装置使用方法与夜视装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种机载双目头戴夜视装置使用方法与夜视装置，所述方法包括以下步骤：S1、在一个拍摄周期内通过微光摄像头分别采集两帧不同曝光时间的图像并发送给图像处理板；S2、利用图像处理板将微光摄像头所采集的两帧图像进行融合处理；S3、利用图像处理板对融合后的图像进行高动态光照渲染处理；S4、利用图像处理板将高动态光照渲染处理后的数字场景图像发送给头显进行显示；S5、重复步骤S1~S4。从而使得用户在机载的强振动使用环境下，察看真实场景的同时还能察看微光传感器采集到的数字场景，而且能够稳定实现数字场景与真实场景的1:1融合，同时在外部复杂光环境下可自动调整数字场景视频画面。

Description

一种机载双目头戴夜视装置使用方法与夜视装置
技术领域
本发明涉及一种智能穿戴技术领域，尤其涉及一种机载双目头戴夜视装置使用方法与夜视装置。
背景技术
近年来，随着微光传感技术的发展，借助计算机图形图像处理与头戴显示技术，在现实世界、虚拟世界和用户之间搭建一个交互反馈的信息回路，增强了用户低照度环境下感知外部场景的信息量和理解程度。目前，夜视装置可在常规应用场景（如单兵作战、车载驾驶等）下通过微光传感器采集低照度环境下场景画面，通过调整曝光时间、增益、噪声、伽玛、对比度、画面偏移等参数调整输出适合人眼观察的视频信号，且常采用头戴显示或数字画面与真实场景1:1融合的方式来实现用户对外部场景信息的快速感知。
图2为现有技术中的一种双目头戴夜视装置的结构示意图。头戴夜视装置包括电池35、微光摄像头31、头显33、头盔34。该头戴夜视装置的微光摄像头31数量为2，相比使用单个同型号微光传感器的双目头戴夜视装置，传感器功耗多出一倍，且重量多出近一倍。该头戴夜视装置的微光摄像头31位于头显33前端，微光摄像头31光轴与头显33显示中心同轴，可很好的实现数字场景与真实场景的1:1对应，但用户无法透过微光摄像头31察看真实场景，且头显会遮挡人眼大部分真实场景视场（水平：190°；垂直：120°），通常仅可查看微光摄像头31视场范围内（水平：40°；垂直：30°）采集的数字场景。该头戴夜视装置的重心靠近头部前端，为使用户佩戴舒适，需在头盔34后端进行配重，增加了装置整体重量。
图3为现有技术中的另一种双目头戴夜视装置的结构示意图。头戴夜视装置包括电池35、微光摄像头31、头显33、头盔34。该头戴夜视装置的微光摄像头31数量为1，相比图1所述双目头戴夜视装置，传感器功耗少，重量轻。该头戴夜视装置的微光摄像头31通过魔术贴或固定螺钉固定于头盔34顶端，微光摄像头31光轴与头显33显示中心非同轴且无遮挡，用户可透过头显33察看真实场景的同时察看微光摄像头31采集到的数字画面，但在机载强振动环境下，微光摄像头31与头盔34易产生相对位移，无法保障使用过程中数字场景与真实场景1:1融合的稳定性，用户在目视场景中从数字场景和真实场景来回切换时容易产生眩晕。
因此如何能够保障用户，尤其是在机载强振动使用环境和外部复杂光环境下，在察看真实场景的同时能察看微光传感器采集到的数字场景，且能够稳定实现1:1融合，使用户更为舒适、有效地获取和理解外部真实场景信息，成为本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种机载双目头戴夜视装置使用方法与夜视装置，通过该夜视装置及其使用方法使得用户不仅在察看真实场景的同时能察看微光传感器采集到的数字场景，而且能够稳定实现数字场景与真实场景的1:1融合，同时在外部复杂光环境下可自动调整数字场景视频画面，并且能够适应机载的强振动使用环境。
本发明提供一种机载双目头戴夜视装置使用方法，所述方法包括以下步骤：
S1、在一个拍摄周期内通过微光摄像头分别采集两帧不同曝光时间的图像并发送给图像处理板；
S2、利用图像处理板将微光摄像头所采集的两帧图像进行融合处理；
S3、利用图像处理板对融合后的图像进行高动态光照渲染处理；
S4、利用图像处理板将高动态光照渲染处理后的数字场景图像发送给头显进行显示；
S5、重复步骤S1~S4。
优选地，所述微光摄像头采集的两帧图像的曝光时间分别为5ms~10ms和20ms~30ms。
优选地，所述微光摄像头采集的两帧图像的曝光时间分别为5ms和25ms。
优选地，所述步骤S2的具体实现方式为：利用32×32的图像分块比较法计算步骤S1中所采集的两帧图像中相同坐标比较块的平均梯度，保留其平均梯度值高的图像块并将两帧不同曝光时间的图像进行融合。
优选地，所述步骤S3的具体实现方式包括：
S31、利用图像处理板对融合后的图像进行直方图均衡处理，得到图像R；
S32、在一个较大灰度范围内将图像R的灰度进行映射，得到图像R的 N个灰阶，其中灰度范围k=0,1,2,3，……，N-1，统计出像素数最少的灰度值Lmin和像素数最多的灰度值Lmax，对各灰阶的灰度值Lk进行映射成L’k，进而得到高动态光照渲染处理后的图像，其中： L’k = (((N-1)–0.1Lmin)×(Lk-Lmin)/(Lmax-Lmin)+0.21Lmin)/（N-1）×（256-1）。
一种机载双目头戴夜视装置，通过上述所述的机载双目头戴夜视装置使用方法进行使用，其包括头盔，以及安装于头盔上的电池、微光摄像头、图像处理板和头显，其中：
微光摄像头用于采集外部场景画面；
电池分别与微光摄像头、图像处理板和头显连接，用于给微光摄像头、图像处理板和头显供电；
图像处理板分别与微光摄像头和头显连接，用于处理微光摄像头所采集的图像并转换成头显所需的视频信号；
头显用于将视频信号转成光信号进行成像并显示给用户。
优选地，所述微光摄像头设置于头盔顶部，电池和图像处理板分别设于头盔的左右两侧，头显设于头盔前端。
优选地，所述微光摄像头的光轴与头显的光轴不同轴。
优选地，所述微光摄像头的底部设有安装孔位、定位孔、限位槽和螺钉，头盔的顶部设有安装孔、定位销和限位柱，所述定位孔与定位销匹配限位，限位槽与限位柱匹配限位，螺钉穿过相互匹配的安装孔位和安装孔将微光摄像头固定于头盔顶部。
本发明提供的一种机载双目头戴夜视装置使用方法与夜视装置，使得用户在机载的强振动使用环境下，在察看真实场景的同时还能察看微光传感器采集到的数字场景，能够稳定实现数字场景与真实场景的1:1融合，同时在外部复杂光环境下可自动调整数字场景视频画面。
附图说明
图1为本发明提供的一种机载双目头戴夜视装置使用方法的流程图；
图2为现有技术中的一种双目头戴夜视装置的结构示意图；
图3为现有技术中的另一种双目头戴夜视装置的结构示意图；
图4为本发明提供的一种机载双目头戴夜视装置的结构立体示意图；
图5为本发明提供的一种微光摄像头与头盔安装固定的结构示意图。
图中：31.微光摄像头，311.安装孔位，312.定位孔，313.限位槽，32.图像处理板，33.头显，34.头盔，341.安装孔，342.定位销，343.限位柱，35.电池，36.螺钉。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
需要说明的是，为便于描述，本实施例中的“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”是相对于一种机载双目头戴夜视装置使用方法与夜视装置本体而言，除为特殊说明的情况下，使用者佩戴一种机载双目头戴夜视装置使用方法与夜视装置正直站立后，朝向地面方向为下，与向地面垂直相反的方向为上，朝向使用者面部方向为前，与向朝向使用者面部垂直相反的方向为后，使用者左侧为“左”，使用者右侧为“右”。
如图1所示，本发明还提供了使用上述机载双目头戴夜视装置的低照度复杂光环境下使用方法，所述方法包括以下步骤：
S1、在一个拍摄周期内通过微光摄像头31分别采集两帧不同曝光时间的图像并发送给图像处理板32；
其中，所采集的两帧图像的曝光时间分别在5ms~10ms区间内和20ms~30ms区间内，所采集的两帧图像的更优曝光时间分别为5ms和25ms，5ms曝光时间的图像对复杂光环境中的强光积分时间短，可有效减弱强光源光晕，而且25ms曝光时间的图像对复杂光环境中的弱光区域积分时间长，光电转换能量强，输出图像中弱光区域亮度高。
S2、利用图像处理板32将微光摄像头31所采集的两帧图像进行融合处理；
本实施例中，首先利用图像处理板32通过32×32的图像分块比较法对所采集的两帧图像进行处理，并分别计算相同坐标比较块中的平均梯度，然后将平均梯度值高的图像块进行保留，最后将两帧不同曝光时间的图像进行融合。该融合处理算法简单、速度快，且可有效保留所采集的两帧图像中信息量大的数据区域。
S3、利用图像处理板32对融合后的图像进行高动态光照渲染处理；
本实施例中，首先利用图像处理板32对融合后的图像进行直方图均衡处理，得到图像R；然后在一个256级灰度范围内将图像R的灰度进行映射，得到图像R的N个灰阶，其中所述灰度范围可表示为k=0,1,2,3，……，N-1，最后统计出像素数最少的灰度值Lmin和像素数最多的灰度值Lmax，对各灰阶的灰度值Lk进行映射成L’k，进而得到高动态光照渲染处理后的图像，其中：L’k = (((N-1)–0.1Lmin)×(Lk-Lmin)/(Lmax-Lmin)+0.21Lmin)/（N-1）×（256-1）。将融合后的图像进行高动态光照渲染处理，可使低照度复杂光环境下微光摄像头所采集的图像中的数字场景细节数据得到增强，而且高动态光照渲染处理后的图像有较大的灰度动态范围使得其整体上有较高的对比度，有效增强了图像的细节数据。同时，该方法不需要根据直方图均衡后的结果进行阈值判断，具有自适应性。
S4、利用图像处理板32将高动态光照渲染处理后的数字场景图像发送给头显33进行显示。
本实施例中，通过图像处理板32将高动态光照渲染处理后的数字场景图像发送给头显33，头显33将接收到的视频数字信号转换为光信号进行显示，进而投射进使用者的眼中形成远距离虚像。
S5、不断重复步骤S1-S4。
本实施例中，当完成一个拍摄周期内缩采集的图像处理后，重复步骤S1-S4以对下一个拍摄周期内所采集的图像进行处理，使得用户能够持续不断获取外部场景画面。
用户在飞行过程中使用该装置，在低照度环境下，尤其是城郊结合处等复杂光照度环境下，微光摄像头31采集两帧远处不同曝光时间的图像发送给图像处理板32，短曝光时间图像可降低环境中相对强光源的光污染，长曝光时间图像可提升环境中相对暗区域的图像亮度。图像处理板32将所采集的两帧图像进行融合处理，并对融合后的图像进行高动态光照渲染处理，将高动态光照渲染处理后的图像发送给头显33并显示给使用者，由于头显33将电信号图像转换成光信号给人眼提供近似无穷远的虚像投影显示，使得用户不仅在察看真实场景的同时能察看细节信息增强后微光摄像头采集到的数字场景，而且能够稳定实现数字场景与真实场景的1:1融合，提升了飞行员在飞行过程中的视觉体验，加强了对外部真实场景信息的快速理解。
如图4、图5所示，一种机载双目头戴夜视装置，通过上述所述的机载双目头戴夜视装置使用方法进行使用，其包括头盔34，以及安装于头盔34上的电池35、微光摄像头31、图像处理板32和头显33，其中：
微光摄像头31用于采集外部场景画面；
电池35分别与微光摄像头31、图像处理板32和头显33连接，用于给微光摄像31头、图像处理板32和头显33供电；
图像处理板32分别与微光摄像头31和头显33连接，用于处理微光摄像头31所采集的图像并转换成头显33所需的视频信号；
头显33用于将视频信号转成光信号进行成像并显示给用户。
其中，所述微光摄像头31设置于头盔34顶部，电池35和图像处理板32分别设于头盔34的左右两侧，头显33设于头盔34前端。
本实施例中，在低照度复杂光环境下，所述微光摄像头31的视场角为水平40°、垂直30°，成像景深可近似无穷远，当所述微光摄像头31采集两帧不同曝光时间的图像时，其中一帧图像（图像A）的曝光时间为5ms，另一帧图像（图像B）的曝光时间为25ms，采集完成后将图像A和图像B发送给图像处理板32进行融合处理，并对融合后的图像进行高动态光照渲染处理后发送给头显33以显示给使用者，其中所述头显33将电信号图像转换成光信号给人眼提供近似无穷远的虚像投影显示。由于5ms曝光时间的图像对复杂光环境中的强光积分时间短，25ms曝光时间的图像对复杂光环境中的弱光区域积分时间长，因此，图像A可降低环境中相对强光源的光污染，图像B可提升环境中相对暗区域的图像亮度。
本实施例中，所述微光摄像头距离头显的距离小于10cm，对于视距100m的物体，数字场景与真实场景叠加精度优于3′。所述图像处理板32设于头盔34的右侧，电池35设于头盔34的左侧，在其他实施例中，也可以将图像处理板32设于头盔34的左侧，电池35设于头盔34的右侧，只需要保证图像处理板32和电池35分别设于头盔34左右两侧即可。
如图4所示，所述微光摄像头31的光轴与头显33的光轴不同轴。本实施例中，通过将微光摄像头31的光轴与头显33的光轴设置为不同轴，有效保证了微光摄像头31的结构对头显33没有任何遮挡。
如图5所示，所述微光摄像头31的底部设有安装孔位311、定位孔312、限位槽313和螺钉36，头盔34的顶部设有安装孔341、定位销342和限位柱343，所述定位孔312与定位销342匹配限位，限位槽313与限位柱343匹配限位，螺钉36穿过相互匹配的安装孔位311和安装孔341将微光摄像头31固定于头盔34顶部。
本实施例中，所述微光摄像头31的底部有3个带螺纹的安装孔位311、1个定位孔312和1个限位槽313。所述头盔34的顶部有3个安装孔341、1个定位销342和1个限位柱343。微光摄像头31和头盔34安装时，首先将定位孔312和定位销342、限位槽313和限位柱343对插定位，防止微光摄像头31和头盔34发生位移，相对位移精度随该器件的机械加工精度而定，如机械加工精度为0.001mm，则微光摄像头31和头盔34的相对位移精度为0.001mm。然后通过3个螺钉36穿过安装孔341固定在安装孔位311内以实现将微光摄像头31固定在头盔34的顶部，进一步保障微光摄像头31和头盔34在机载强振动环境下的相对位移精度，为机载双目头戴夜视装置输出与真实场景1:1融合的数字场景画面提供了保障。
以上对本发明所提供的一种机载双目头戴夜视装置使用方法与夜视装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进及修饰，这些改进及修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种机载双目头戴夜视装置使用方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1、在一个拍摄周期内通过微光摄像头分别采集两帧不同曝光时间的图像并发送给图像处理板，其中，所采集的两帧图像的曝光时间分别在5ms~10ms区间内和20ms~30ms区间内；
S2、利用图像处理板将微光摄像头所采集的两帧图像进行融合处理，具体为：首先利用图像处理板通过32×32的图像分块比较法对所采集的两帧图像进行处理，并分别计算相同坐标比较块中的平均梯度，然后将平均梯度值高的图像块进行保留，最后将两帧不同曝光时间的图像进行融合；
S3、利用图像处理板对融合后的图像进行高动态光照渲染处理，具体包括：
S31、利用图像处理板对融合后的图像进行直方图均衡处理，得到图像R；
S32、在一个较大灰度范围内将图像R的灰度进行映射，得到图像R的N个灰阶，其中灰度范围k=0,1,2,3，……，N-1，统计出像素数最少的灰度值Lmin和像素数最多的灰度值Lmax，对各灰阶的灰度值Lk进行映射成L’k，进而得到高动态光照渲染处理后的图像，其中：L’k = (((N-1)–0.1Lmin)×(Lk-Lmin)/(Lmax-Lmin)+0.21Lmin)/（N-1）×（256-1）；
S4、利用图像处理板将高动态光照渲染处理后的数字场景图像发送给头显进行显示；
S5、重复步骤S1~S4。
2.根据权利要求1所述的机载双目头戴夜视装置使用方法，其特征在于，所述微光摄像头采集的两帧图像的曝光时间分别为5ms和25ms。
3.一种机载双目头戴夜视装置，其特征在于，通过权利要求1-2任一项所述的机载双目头戴夜视装置使用方法进行使用，其包括头盔，以及安装于头盔上的电池、微光摄像头、图像处理板和头显，其中：
微光摄像头用于采集外部场景画面；
电池分别与微光摄像头、图像处理板和头显连接，用于给微光摄像头、图像处理板和头显供电；
图像处理板分别与微光摄像头和头显连接，用于处理微光摄像头所采集的图像并转换成头显所需的视频信号；
头显用于将视频信号转成光信号进行成像并显示给用户。
4.根据权利要求3所述的机载双目头戴夜视装置，其特征在于，所述微光摄像头设置于头盔顶部，电池和图像处理板分别设于头盔的左右两侧，头显设于头盔前端。
5.根据权利要求4所述的机载双目头戴夜视装置，其特征在于，所述微光摄像头的光轴与头显的光轴不同轴。
6.根据权利要求5所述的机载双目头戴夜视装置，其特征在于，所述微光摄像头的底部设有安装孔位、定位孔、限位槽和螺钉，头盔的顶部设有安装孔、定位销和限位柱，所述定位孔与定位销匹配限位，限位槽与限位柱匹配限位，螺钉穿过相互匹配的安装孔位和安装孔将微光摄像头固定于头盔顶部。
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