CN114018926B - 一种基于灰阶的数字微镜调光模板制作方法 - Google Patents

一种基于灰阶的数字微镜调光模板制作方法 Download PDF

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Abstract

一种基于灰阶的数字微镜调光模板制作方法,属于数字微镜(DMD)相机高动态成像领域，解决了通过不断调光迭代更新的方式制作调光模板效率低下的问题，提供了一种更为便捷快速、操作简易的数字微镜调光模板制作方法。本发明方法只需事先采集5个不同灰阶下的图像，通过合成不同灰阶下生成的调光模板图案，便可得到过渡自然、可视性强的调光模板，操作便捷、节省时间，提高了DMD高动态范围成像系统的调光效率；同时，经证实本发明方法适应性强、可靠性高。该方法有助于实现DMD高动态范围成像系统中光强调控。

Description

一种基于灰阶的数字微镜调光模板制作方法
技术领域
本发明涉及数字微镜(DMD)相机高动态成像领域，特别涉及一种基于灰阶的数字微镜调光模板制作方法。
背景技术
动态范围是光电成像设备的重要性能参数之一，能够准确地反映自然场景的亮度和对比度信息。普通光电成像设备的可检测动态范围一般为48dB，难以满足深空探测和科学成像应用中超过100dB的要求。因此，如何提高成像系统的动态范围是光学成像设备需要解决的关键问题之一。随着空间光调制技术的发展，数字微镜DMD作为先进空间光调制器在高动态成像领域的优势已被证实。然而，在成像前使用数字微镜DMD进行光学调制，主要利用上位机根据成像曝光区域生成相应的DMD调光模板从而对高亮区域光强进行反馈调控。目前的调光模板生成算法主要通过系统调光迭代更新模板，模板的不断导入及更新需要耗费大量的时间，因此迫切需要一种更为便捷快速、操作简易的调光模板生成算法，提高系统的调光效率。
发明内容
本发明的目的是克服现有方法的不足，提出了一种基于灰阶的数字微镜调光模板制作方法，该方法便捷高效、鲁棒性强，有利于实现数字微镜成像系统精准、便捷的高动态图像恢复。
本发明所采用的技术方案是：一种基于灰阶的数字微镜调光模板制作方法，该方法基于数字微镜成像系统实现，系统包括相机CCD(1)、双向远心镜头(2)、全内反射棱镜TIR(3)、数字微镜DMD(4)、双胶合消色差透镜(5)、被测物体(6)、处理器(7)，该方法通过不同灰阶下生成的调光模板图案合成最终的DMD调光模板，以便捷地实现高动态范围成像系统的光强调控。
具体设计过程如下：
步骤一，向DMD控制器按照次序k=1,2,3,4,5依次导入5个灰度值分别为50,100,150,200和250的初步调光模板，记为t(k)，分别代表DMD积分时间50∆T, 100∆T, 150∆T,200∆T和250∆T，每导入一幅模板后采集图像记为I(x, y, t(k))；
步骤二，对采集到的5幅图像进行处理，按照式(a)生成5幅相应的调光模板
Figure 68782DEST_PATH_IMAGE001
；
当
Figure 156824DEST_PATH_IMAGE002
时，
Figure 892699DEST_PATH_IMAGE003
，
Figure 91599DEST_PATH_IMAGE004
(a)
其中，R{}表示相机像素平面
Figure 963740DEST_PATH_IMAGE005
到DMD像素平面
Figure 222683DEST_PATH_IMAGE006
的映射关系，
Figure 445854DEST_PATH_IMAGE007
为衰减系数，
Figure 182866DEST_PATH_IMAGE008
为灰度值步长50，
Figure 175093DEST_PATH_IMAGE009
为像素饱和值，应被设定为稍低于255；
步骤三，按照式(b)合成DMD调光模板
Figure 604937DEST_PATH_IMAGE010
；
对每一个像素
Figure 49825DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 590528DEST_PATH_IMAGE011
，
Figure 702840DEST_PATH_IMAGE004
(b)
步骤四，为了使调光后的图像更加符合人眼视觉规律，使用高斯函数卷积，如式(c)，得到模糊渐变的边缘，进一步减轻灰度跳变，增强可视性，得到最终的DMD调光模板
Figure 38006DEST_PATH_IMAGE012
；
Figure 235770DEST_PATH_IMAGE013
(c)
其中，
Figure 314584DEST_PATH_IMAGE014
为高斯函数，r为高斯核大小，
Figure 281403DEST_PATH_IMAGE015
为高斯核标准差。
本发明的有益效果是：本发明方法经证实适应性强、可靠性高，只需事先采集5个不同灰阶下的图像，便可得到过渡自然、可视性强的调光模板，提高了调光效率。
附图说明
图1为实施例提及的数字微镜成像系统光路结构图。
图2为实施例提及的5个灰阶调光模板下采集到的硬币图像。
图3为实施例提及的5个灰阶调光模板下采集到的硬币图像对应生成的5幅调光模板。
图4为实施例提及的由5幅调光模板合成的最终硬币调光模板。
图5为实施例提及的硬币调光模板生成流程示意图。
图6为实施例提及的调光后系统采集到的高动态范围硬币图像。
图7为实施例提及的调光前系统采集到的低动态范围硬币图像。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
本实施例所述的一种基于灰阶的数字微镜调光模板制作方法，该方法基于数字微镜成像系统实现，如图1所示，系统包括相机CCD(1)、双向远心镜头(2)、全内反射棱镜TIR(3)、数字微镜DMD(4)、双胶合消色差透镜(5)、被测物体(6)、处理器(7)。
本实施例对高亮硬币表面进行成像，通过不同灰阶下生成的调光模板图案合成最终的DMD调光模板，以实现硬币表面的高动态范围成像。
步骤一，向DMD控制器按照次序k=1,2,3,4,5依次导入5个灰度值分别为50,100,150,200和250的初步调光模板，记为t(k)，分别代表DMD积分时间50∆T, 100∆T, 150∆T,200∆T和250∆T，每导入一幅模板后采集图像记为I(x, y, t(k))，5幅采集图见图2；
步骤二，对采集到的5幅图像进行处理，按照式(a)生成5幅相应的调光模板
Figure 253383DEST_PATH_IMAGE001
，如图3；
当
Figure 469600DEST_PATH_IMAGE002
时，
Figure 352106DEST_PATH_IMAGE003
，
Figure 173431DEST_PATH_IMAGE004
(a)
其中，R{}表示相机像素平面
Figure 115979DEST_PATH_IMAGE005
到DMD像素平面
Figure 22755DEST_PATH_IMAGE006
的映射关系，
Figure 443372DEST_PATH_IMAGE016
为衰减系数，
Figure 384784DEST_PATH_IMAGE008
为灰度值步长50，
Figure 232654DEST_PATH_IMAGE017
为像素饱和值，应被设定为稍低于255，本实施例中
Figure 157885DEST_PATH_IMAGE017
取250；
步骤三，按照式(b)合成DMD调光模板
Figure 851034DEST_PATH_IMAGE018
；
对每一个像素点
Figure 178110DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 931303DEST_PATH_IMAGE019
，
Figure 343829DEST_PATH_IMAGE004
(b)
步骤四，为了使调光后的图像更加符合人眼视觉规律，使用高斯函数卷积，如式(c)，得到模糊渐变的边缘，进一步减轻灰度跳变，增强可视性，得到最终的DMD调光模板
Figure 575091DEST_PATH_IMAGE012
，如图4；
Figure 756673DEST_PATH_IMAGE013
(c)
其中，
Figure 680767DEST_PATH_IMAGE020
为高斯函数，r为高斯核大小，
Figure 580590DEST_PATH_IMAGE015
为高斯核标准差，本实施例中
Figure 146700DEST_PATH_IMAGE021
取21，
Figure 651631DEST_PATH_IMAGE015
取默认值0.5。
本实施例中硬币调光模板生成流程示意如图5所示，将最终得到的调光模板导入DMD中，得到高动态范围硬币图像，如图6，可以看到，与图7中没有进行DMD调光的低动态硬币图像相比，高动态图像在过曝光区域的信息更加清晰可见。
本实施例所述的一种基于灰阶的数字微镜调光模板制作方法，与传统的通过迭代不断更新调光模板的方法相比，本发明方法只需事先采集5个不同灰阶下的图像，最终合成DMD的调光模板，操作便捷、节省时间，提高了DMD高动态范围成像系统的调光效率；同时，实验结果表明，本发明方法具有很好的可视性和稳定性。
虽然在本文中选取了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅是本发明的原理和应用的示例，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于灰阶的数字微镜调光模板制作方法，该方法基于数字微镜成像系统实现，系统包括相机CCD(1)、双向远心镜头(2)、全内反射棱镜TIR(3)、数字微镜DMD(4)、双胶合消色差透镜(5)、被测物体(6)、处理器(7)，其特征在于，该方法通过不同灰阶下生成的调光模板图案合成最终的DMD调光模板，以实现DMD高动态范围成像系统中光强调控；
具体设计过程如下：
步骤一，向DMD控制器按照次序k＝1,2,3,4,5依次导入5个灰度值分别为50,100,150,200和250的初步调光模板，记为t(k)，分别代表DMD积分时间50ΔT,100ΔT,150ΔT,200ΔT和250ΔT，每导入一幅模板后采集图像记为I(x,y,t(k))；
步骤二，对采集到的5幅图像进行处理，按照式(a)生成5幅相应的调光模板Mk(x',y')；
当I(x,y,t(k))>Vs时，Mk(x',y')＝R{t(k)-α(I(x,y,t(k))-Vs)2},k＝1,2,3,4,5 (a)其中，R{}表示相机像素平面(x,y)到DMD像素平面(x',y')的映射关系，
Figure FDA0003516114680000011
为衰减系数，Pd为灰度值步长50，Vs为像素饱和值，应被设定为稍低于255；
步骤三，按照式(b)合成DMD调光模板M(x',y')；
对每一个像素点(x',y')，
Figure FDA0003516114680000013
步骤四，为了使调光后的图像更加符合人眼视觉规律，使用高斯函数卷积，如式(c)，得到模糊渐变的边缘，进一步减轻灰度跳变，增强可视性，得到最终的DMD调光模板MG(x',y')；
Figure FDA0003516114680000014
其中，G(r,σ)为高斯函数，r为高斯核大小，σ为高斯核标准差。
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