CN115629505B - 基于液晶调控的成像过程过曝光实时抑制方法和系统 - Google Patents

基于液晶调控的成像过程过曝光实时抑制方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于液晶调控的成像过程过曝光实时抑制方法和系统，方法用于包括一次镜头、二次镜头、LCD屏和成像面的成像系统，一次镜头用于将视野的实像投射在LCD屏上，二次镜头用于将LCD屏上经过调制后的实像投射到成像面，方法包括：获取投射在成像面的采集图像；基于过曝阈值对采集图像进行阈值分割，以选出采集图像中的过曝区域；确定过曝区域在LCD屏上的对应区域，并对对应区域进行抑制调节；重复上述步骤，直至过曝区域中各像素点的亮度在预设亮度区间。该方法可对视场中过曝光区域的光能进行抑制，提升成像质量，且有成本较低、系统稳定性和可调节性较好的优势。

Description

基于液晶调控的成像过程过曝光实时抑制方法和系统
技术领域
本发明涉及光学成像技术领域，尤其涉及一种基于液晶调控的成像过程过曝光实时抑制方法和系统。
背景技术
正常环境光的辐射强度在10-4cd/m2（星光）到109cd/m2（太阳光）之间变化。一幅取景良好的自然摄影作品，其视野中的景物实际辐射出的光线对比度在10000：1左右。而当视野中出现更大的对比度，例如室外摄影视野中的阳光或阳光的镜面反射像，室内摄影视野中出现的照明点光源的直射或镜面反射，视野中接收到阳光漫反射情况下对室内场景（从外向内拍摄）等情况下，视野中的部分图像信息会不可避免地被过度曝光的白色光斑或光晕所覆盖，或者被淹没在暗电流噪声中，从而丢失原本已经进入镜头光阑视野的光场信息。因此，如何保证大对比度下的成像效果很有研究意义。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于液晶调控的成像过程过曝光实时抑制方法和系统，以对视场中过曝光区域的光能进行抑制，提升成像质量，且有成本较低、系统稳定性和可调节性较好的优势。
为达到上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种基于液晶调控的成像过程过曝光实时抑制方法。所述方法用于包括一次镜头、二次镜头、LCD屏和成像面的成像系统，所述一次镜头用于将视野的实像投射在所述LCD屏上，所述二次镜头用于将所述LCD屏上经过调制后的实像投射到所述成像面，所述方法包括：获取投射在所述成像面的采集图像；基于过曝阈值对所述采集图像进行阈值分割，以选出所述采集图像中的过曝区域；确定所述过曝区域在所述LCD屏上的对应区域，并对所述对应区域进行抑制调节；重复上述步骤，直至所述过曝区域中各像素点的亮度在预设亮度区间。
另外，本发明上述实施例的基于液晶调控的成像过程过曝光实时抑制方法还可以具有如下附加的技术特征：
根据本发明的一个实施例，所述采集图像为彩色图像，所述对所述采集图像进行阈值分割，包括：对所述采集图像进行灰度处理，得到灰度图像；根据所述灰度图像中像素点的灰度值对所述灰度图像进行阈值分割。
根据本发明的一个实施例，所述过曝区域为所述灰度图像中灰度值大于所述过曝阈值的像素点组成的区域。
根据本发明的一个实施例，所述确定所述过曝区域在所述LCD屏上的对应区域，包括：获取所述过曝区域中各像素点在相机坐标系中的像素坐标；根据所述像素坐标计算所述过曝区域中各像素点在LCD坐标系中的LCD坐标，所述LCD坐标组成的区域为所述对应区域。
根据本发明的一个实施例，所述根据所述像素坐标计算所述过曝区域中各像素点在LCD坐标系中的LCD坐标，包括：获取所述相机坐标系到所述LCD坐标系的转换表达式；利用所述转换表达式根据所述像素坐标计算所述LCD坐标。
根据本发明的一个实施例，所述转换表达式如下：
Figure 192257DEST_PATH_IMAGE001
，
其中，(X,Y)为在所述相机坐标系中的像素坐标，(x,y)为(X,Y)在所述LCD坐标系中的LCD坐标，(cx,cy)为在所述LCD坐标系中预设LCD坐标，(Cx,Cy)为在所述相机坐标系中的预设像素坐标，Dx,Dy为横纵两方向上的预设间距，
Figure 861136DEST_PATH_IMAGE002
为所述LCD坐标系相对所述相机坐标系的倾斜角度。
根据本发明的一个实施例，方法还包括：所述方法还包括：接收针对所述过曝阈值的设置指令，并根据所述设置指令设置所述过曝阈值。
根据本发明的一个实施例，对对应区域进行抑制调节，包括：所述对所述对应区域进行抑制调节，包括：根据所述过曝阈值确定目标抑制比，并根据所述目标抑制比对所述对应区域进行抑制调节。
根据本发明的一个实施例，所述一次镜头采用广角镜头，所述二次镜头采用微距镜头，所述成像系统还包括匣形结构和位移台，所述匣形结构用以固定所述一次镜头，以及容纳所述LCD屏和辅助所述LCD屏压紧固定的缓冲防滑泡沫，所述二次镜头固定在所述位移台上，所述位移台用以对所述二次镜头的位置进行平移调整。
为达到上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种基于液晶调控的成像过程过曝光实时抑制系统，所述抑制系统包括：成像系统，包括一次镜头、二次镜头、LCD屏和成像面，所述一次镜头用于将视野的实像投射在所述LCD屏上，所述二次镜头用于将所述LCD屏上经过调制后的实像投射到所述成像面；控制设备，包括存储器、处理器和存储在所述存储器上的计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现上述的基于液晶调控的成像过程过曝光实时抑制方法。
本发明实施例的基于液晶调控的成像过程过曝光实时抑制方法和系统，可对视场中过曝光区域的光能进行抑制，提升成像质量，且有成本较低、系统稳定性和可调节性较好的优势。
附图说明
图1是本发明第一个实施例的基于液晶调控的成像过程过曝光实时抑制方法的流程图；
图2是本发明第二个实施例的基于液晶调控的成像过程过曝光实时抑制方法的流程图；
图3是本发明第三个实施例的基于液晶调控的成像过程过曝光实时抑制方法的流程图；
图4是本发明第四个实施例的基于液晶调控的成像过程过曝光实时抑制方法的流程图；
图5是本发明一个实施例的一个LCD像素的结构图；
图6是本发明一个实施例的LCD像素在相机坐标系下的模糊像的示意图；
图7是本发明一个实施例的成像系统的光路结构图；
图8是本发明一个实施例的基于液晶调控的成像过程过曝光实时抑制系统的结构图；
图9是本发明一个实施例的控制设备的结构图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参考附图描述本发明的实施例的基于液晶调控的成像过程过曝光实时抑制方法和系统。
图1是本发明一个实施例的基于液晶调控的成像过程过曝光实时抑制方法的流程图。
在该实施例中，方法用于包括一次镜头、二次镜头、LCD（Liquid CrystalDisplay，液晶显示器）屏和成像面的成像系统，一次镜头用于将视野的实像投射在LCD屏上，二次镜头用于将LCD屏上经过调制后的实像投射到成像面。如图1所示，方法包括：
S11，获取投射在成像面的采集图像。
具体地，一次镜头将场景原始光场信息成像传递到LCD屏上，二次镜头将原始光场加载了LCD屏的光场调制信息图案所成的叠加像再次对焦并传递到相机成像面，相机将图像传输到控制设备。
S12，基于过曝阈值对采集图像进行阈值分割，以选出采集图像中的过曝区域。
S13，确定过曝区域在LCD屏上的对应区域，并对对应区域进行抑制调节。
S14，重复上述步骤，直至过曝区域中各像素点的亮度在预设亮度区间。
本发明实施例的基于液晶调控的成像过程过曝光实时抑制方法，可对视场中过曝光区域的光能进行抑制，提升成像质量，且有成本较低、系统稳定性和可调节性较好的优势。
在一些实施例中，如图2所示，采集图像为彩色图像，对采集图像进行阈值分割，包括：
S21，对采集图像进行灰度处理，得到灰度图像。
具体地，控制设备执行的计算机程序使用灰度公式将采集图像每一像素的RGB（Red Green Blue，红绿蓝）信息转化为灰度信息。
S22，根据灰度图像中像素点的灰度值对灰度图像进行阈值分割。
具体地，过曝区域为灰度图像中灰度值大于过曝阈值的像素点组成的区域。为得到过曝区域，控制设备执行的计算机程序如下：若像素点的灰度值大于过曝阈值，则将其灰度值设为255；若像素点的灰度值小于等于过曝阈值，则将其灰度值设为0。也就是说，对采集图像进行阈值分割后，图像的过曝区域为白色，其他区域为黑色。
其中，过曝阈值可由计算机程序根据需要调整。
在一些实施例中，方法还包括：接收针对过曝阈值的设置指令，并根据设置指令设置过曝阈值。
具体地，针对同一采集图像，首次过曝阈值可人为设定或者控制设备根据当前环境光照情况或亮度情况自动设定。若为人为设定，用户可通过控制设备的设置选项设置过曝阈值；若为自动设定，则控制设备可根据当前环境亮度值查表确定过曝阈值。之后的过曝阈值可由控制设备根据上一周期的衰减抑制情况设定，例如，衰减抑制情况较好，可减小过曝阈值用于下一周期的调节。
在一些实施例中，如图3所示，确定过曝区域在LCD屏上的对应区域，包括：
S31，获取过曝区域中各像素点在相机坐标系中的像素坐标。
具体地，分割后图像中白色区域的像素坐标，即为过曝区域中各像素点在相机坐标系中的像素坐标。
S32，根据像素坐标计算过曝区域中各像素点在LCD坐标系中的LCD坐标，LCD坐标组成的区域为对应区域。
在一些实施例中，如图4所示，根据像素坐标计算过曝区域中各像素点在LCD坐标系中的LCD坐标，包括：
S41，获取相机坐标系到LCD坐标系的转换表达式。
S42，利用转换表达式根据像素坐标计算LCD坐标。
在一些实施例中，依据几何光学物像共轭关系,可得转换表达式如下：
Figure 41451DEST_PATH_IMAGE001
，
其中，(X,Y)为在相机坐标系中的像素坐标，(x,y)为(X,Y)在LCD坐标系中的LCD坐标，(cx,cy)为在LCD坐标系中预设LCD坐标，(Cx,Cy)为在相机坐标系中的预设像素坐标，Dx,Dy为横纵两方向上的预设间距，
Figure 795780DEST_PATH_IMAGE002
为LCD像素矩阵坐标系（即LCD坐标系）相对成像像素矩阵坐标系（即相机坐标系）的倾斜角度。
在该实施例中，上述转换表达式中的预设参数需预先通过标定得到。方法如下：
首先通过二分法确定成像面在LCD屏上的共轭范围，即LCD屏上能映到成像面的像素所组成的区域。在视野中选取一块较大的区域进行全衰减，使用所得图像进行测量。由于选取的区域中每个LCD像素两边不等长，故需采集两组数据，即两组图像。具体地，二分法包括：在LCD屏上设置控制区域，将控制区域划分为等面积四象限,改变控制区域面积且不断向下划分,最终确定成像区域边缘像素对应的LCD像素。
采集全衰减所得到的区域，其边界有模糊邻域，由于其过渡范围参差交错，故采取灰度分割的方式，以最暗点为阈值取所有最暗点为黑域。所采集的两组图像，两个黑域的中心相同，使用在两张图像上所量得的黑域边界尺寸，估计该中心点的相机坐标。结合估算的LCD像素在相机坐标系下的共轭图形尺寸，可以将相机所得过曝区域中各像素点坐标转换到LCD坐标系下的LCD坐标。
如图5所示，一个LCD像素在成像面的像为圆角矩形，其有一个像素中心。如图6所示，设n个LCD像素在相机坐标系下的圆角矩形模糊像尺寸如下：设在横纵两个方向上两个像素中心的间距分别为Dx,Dy；设边缘的像素中心到阈值分割后所确定的黑域边界之间的误差半径为Rx,Ry。LCD分区行列数分别为Nx,Ny。黑域边界尺寸在相机坐标系下的长度为Lx,Ly。
在实际测量中，假设两张照片中已知使用的LCD分区行列数分别为N1x,N1y,N2x,N2y；测量得到的黑域边界尺寸在相机坐标系下的长度分别为L1x,L1y,L2x,L2y。之后，可利用黑域边界尺寸的等价关系得到如下的方程组解出Dx和Dy。
Figure 470475DEST_PATH_IMAGE003
取靠近校定过程中LCD黑域中心的一个LCD像素作为基点，可得到该基点在LCD坐标系中坐标为(cx,cy)，并得到该基点在相机坐标系下坐标为(Cx,Cy)。具体地，通过计算得到基点在相机坐标系下坐标方法可如下：在LCD屏中以基点(cx,cy)为中心取一矩形，得到矩形四个顶点的坐标，该矩形映到成像面后得到四个顶点在相机坐标系的坐标，最后由成像面中顶点坐标计算中心坐标(Cx,Cy)。
在一些实施例中，对对应区域进行抑制调节，包括：根据过曝阈值确定目标抑制比，并根据目标抑制比对对应区域进行抑制调节。
具体地，过曝阈值与抑制比正相关，过曝阈值减小，则抑制比降低。在调节过程中，可根据过曝区域中各像素点在LCD坐标系中的LCD坐标得到LCD屏的显示矩阵，以图像的形式输出目标抑制比下LCD屏的显示矩阵，并通过控制设备执行计算机程序将图像全屏加载到通过HDMI(High Definition Multimedia Interface,高清多媒体接口)连接的LCD屏。其中，图像可为灰度图像，抑制比与图像灰度正相关，抑制比增大，灰度增大。
由于对过曝光区域的抑制是一个不断适应的过程，通过一次镜头、LCD屏、二次镜头第一次捕捉到的过曝区域，无法预先确知其具体的辐照强度，因此逐渐改变目标抑制比，使得过曝区也能稳定成像，既不会保持过曝，也不会抑制过度而使画面缺失。具体做法是，逐步降低目标抑制比，每次将目标抑制比下LCD屏显示矩阵对应的图像加载到LCD屏，直到相机得到的图像中过曝区域的亮度达到最易分辨细节的亮度区间。
在一些实施例中，如图7所示，成像系统700包括：一次镜头701、二次镜头702、匣形结构703、位移台704、LCD屏705和成像面706。其中，成像面706可为相机。一次镜头701采用广角镜头，二次镜头702采用微距镜头，匣形结构703用以固定一次镜头701，以及容纳LCD屏705和辅助LCD屏压紧固定的缓冲防滑泡沫，二次镜头702固定在位移台704上，位移台704用以对二次镜头702的位置进行平移调整。成像面706与二次镜头702设置在同一光轴上以接收成像。
具体地，LCD屏705对角线尺寸可为4英寸，屏幕比例可为5：3；一次镜头701可为靶面尺寸4/3英寸，焦距16mm的广角镜头，其镜头法兰距可为17.526mm，一次镜头701与LCD屏705的距离可为17.526mm，通过不同尺寸的C接口转接环可以将该距离可进一步增加；二次镜头702可采用焦距为28mm的微距镜头，二次镜头702最前端到成像面706之间的最短距离，可为10cm左右。每次对一次镜头701位置进行调整时，都需要同步调整二次镜头702在光轴方向上的位置，从而保持成像清晰度。
综上所述，本发明实施例的基于液晶调控的成像过程过曝光实时抑制方法，可对视场中过曝光区域的光能进行抑制，提升成像质量，且有成本较低、系统稳定性和可调节性较好的优势。
图8是本发明一个实施例的基于液晶调控的成像过程过曝光实时抑制系统的结构图。
如图8所示，抑制系统800包括：成像系统700和控制设备801。其中，成像系统700，包括一次镜头701、二次镜头702、LCD屏705和成像面706，一次镜头701用于将视野的实像投射在LCD屏705上，二次镜头702用于将LCD屏705上经过调制后的实像投射到成像面706；如图9所示，控制设备801包括：处理器802和存储器803。其中，处理器802和存储器803相连，如通过总线804相连。可选地，控制设备801还可以包括收发器805。需要说明的是，实际应用中收发器805不限于一个，该控制设备801的结构并不构成对本发明实施例的限定。
处理器802可以是CPU（Central Processing Unit，中央处理器），通用处理器，DSP（Digital Signal Processor，数据信号处理器），ASIC（Application SpecificIntegrated Circuit，专用集成电路），FPGA（Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）或者其他可编程逻辑器件、晶体管逻辑器件、硬件部件或者其任意组合。其可以实现或执行结合本发明公开内容所描述的各种示例性的逻辑方框、模块和电路。处理器802也可以是实现计算功能的组合，例如包含一个或多个微处理器组合，DSP和微处理器的组合等。
总线804可包括一通路，在上述组件之间传送信息。总线804可以是PCI（Peripheral Component Interconnect，外设部件互连标准）总线或EISA（ExtendedIndustry Standard Architecture，扩展工业标准结构）总线等。总线804可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图9中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
存储器803用于存储与本发明上述实施例的基于液晶调控的成像过程过曝光实时抑制方法对应的计算机程序，该计算机程序由处理器802来控制执行。处理器802用于执行存储器803中存储的计算机程序，以实现前述方法实施例所示的内容。
其中，控制设备801包括但不限于：移动电话、笔记本电脑、数字广播接收器、PDA（个人数字助理）、PAD（平板电脑）、PMP（便携式多媒体播放器）、车载终端（例如车载导航终端）等等的移动终端以及诸如数字TV、台式计算机等等的固定终端。图9示出的控制设备801仅仅是一个示例，不应对本发明实施例的功能和使用范围带来任何限制。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种基于液晶调控的成像过程过曝光实时抑制方法，其特征在于，所述方法用于包括一次镜头、二次镜头、LCD屏和成像面的成像系统，所述一次镜头用于将视野的实像投射在所述LCD屏上，所述二次镜头用于将所述LCD屏上经过调制后的实像投射到所述成像面，所述方法包括：
获取投射在所述成像面的采集图像；
基于过曝阈值对所述采集图像进行阈值分割，以选出所述采集图像中的过曝区域；
获取所述过曝区域中各像素点在相机坐标系中的像素坐标，并获取所述相机坐标系到LCD坐标系的转换表达式；
利用所述转换表达式根据所述像素坐标计算所述过曝区域中各像素点在所述LCD坐标系中的LCD坐标，所述LCD坐标组成的区域为对应区域，并对所述对应区域进行抑制调节，其中，所述转换表达式如下：
Figure QLYQS_1
，
其中，(X,Y)为在所述相机坐标系中的像素坐标，(x,y)为(X,Y)在所述LCD坐标系中的LCD坐标，(cx,cy)为在所述LCD坐标系中预设LCD坐标，(Cx,Cy)为在所述相机坐标系中的预设像素坐标，Dx,Dy为横纵两方向上的预设间距，
Figure QLYQS_2
为所述LCD坐标系相对所述相机坐标系的倾斜角度；
返回至所述获取投射在所述成像面的采集图像的步骤，直至所述过曝区域中各像素点的亮度在预设亮度区间。
2.根据权利要求1所述的基于液晶调控的成像过程过曝光实时抑制方法，其特征在于，所述采集图像为彩色图像，所述对所述采集图像进行阈值分割，包括：
对所述采集图像进行灰度处理，得到灰度图像；
根据所述灰度图像中像素点的灰度值对所述灰度图像进行阈值分割。
3.根据权利要求2所述的基于液晶调控的成像过程过曝光实时抑制方法，其特征在于，所述过曝区域为所述灰度图像中灰度值大于所述过曝阈值的像素点组成的区域。
4.根据权利要求1所述的基于液晶调控的成像过程过曝光实时抑制方法，其特征在于，所述方法还包括：
接收针对所述过曝阈值的设置指令，并根据所述设置指令设置所述过曝阈值。
5.根据权利要求1所述的基于液晶调控的成像过程过曝光实时抑制方法，其特征在于，所述对所述对应区域进行抑制调节，包括：
根据所述过曝阈值确定目标抑制比，并根据所述目标抑制比对所述对应区域进行抑制调节。
6.根据权利要求1所述的基于液晶调控的成像过程过曝光实时抑制方法，其特征在于，所述一次镜头采用广角镜头，所述二次镜头采用微距镜头，所述成像系统还包括匣形结构和位移台，所述匣形结构用以固定所述一次镜头，以及容纳所述LCD屏和辅助所述LCD屏压紧固定的缓冲防滑泡沫，所述二次镜头固定在所述位移台上，所述位移台用以对所述二次镜头的位置进行平移调整。
7.一种基于液晶调控的成像过程过曝光实时抑制系统，其特征在于，所述抑制系统包括：
成像系统，包括一次镜头、二次镜头、LCD屏和成像面，所述一次镜头用于将视野的实像投射在所述LCD屏上，所述二次镜头用于将所述LCD屏上经过调制后的实像投射到所述成像面；
控制设备，包括存储器、处理器和存储在所述存储器上的计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求1-6中任一项所述的方法。
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