CN218006385U - 一种光程差一致的高动态范围成像装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种光程差一致的高动态范围成像装置，涉及视觉成像设备设计的技术领域，高动态光照光线从滤光镜入射，经多棱镜分束为同一平面上的若干路光线，并分别入射每一个平面镜，每一个平面镜将入射至其表面的光线反射至相应的图像采集装置，每一路光线辅助相应的图像采集装置获取不同曝光参数下的成像，滤光镜、多棱镜、平面镜配合形成了光路系统，保证了光线光程差的一致性，使得高动态范围成像装置前期拍摄采集的各个局部图像分辨率相同，间接降低了后续处理的工作量，提高图像帧率，通过外壳与底座扣合形成闭合空间容纳腔，光学采集成像设备、信号通讯器、处理器均设置于容纳腔内，避免装置受外界环境光照的影响，提高成像信噪比。

Description

一种光程差一致的高动态范围成像装置

技术领域

本实用新型涉及视觉成像设备设计的技术领域，更具体地，涉及一种光程差一致的高动态范围成像装置。

背景技术

所谓高动态范围成像，是指能够实现高动态光照环境下全信息的获取，得到高动态范围成像环境下的目标特征，海面、焊接、逆光等成像均为高动态范围成像，这类成像环境均为高动态光照环境。

在自然界，人眼可观察到的自然场景动态范围可达180db，而普通消费级摄影设备往往仅能拍摄有限的低动态范围(Low Dynamic Range,LDR)图像(如60db以下)。在工业界，如焊接过程中强弧光下焊缝及熔池的成像、强光照射下水面成像，其光照动态比高达120db以上，对于这种高动态光照环境，传统的相机成像时，会出现低照度区域成像清晰，高照度区域呈现发白的状态现象，或高照度区域成像清晰，低照度区域呈现暗黑的状态现象，从而造成高动态光照环境下成像时目标特征的不完整，导致后续应用于图像识别时产生误判等问题。高动态范围成像作为计算摄像学的基础任务，相对于其他计算机视觉技术来说极其重要，而且具备高动态范围的成像装置也发展的越来越成熟。

为适应后续视觉识别技术在该领域的应用，通常从后续的识别装置或高动态成像环境角度进行改变，高动态范围成像是常用的改进技术手段之一，传统是对于已采集的一幅明暗清晰度不同的高动态光照环境下的图像，然后基于软件变换的方式对图像明暗区等进行变换，如瑞士photonfocus公司采用的linlog技术等均是比较成熟的直接通过软件变换的方式进行的最终高动态范围成像变换处理，采用具备变换处理功能的处理器进行软件角度的高动态范围成像处理是一种比较成熟的技术手段了。

如现有技术中公开了一种高动态范围成像装置，其是借助复合型相机系统与普通相机组成混合相机系统，其中，第一种普通相机拍摄低动态范围图像，第二种相机拍摄高动态范围灰度图，两者拍摄的图像再输入至处理单元，即训练好的神经网络中，最后能融合出最终的图像，但混合相机系统中两个相机的布置位置随意，仅利用一个分光镜将入射光线分为两束，然后入射光线分别入射至两个相机，因此，两路的入射光线的光程差无法保证一致，最终所接收到的两个相机各自局部成像的mm/pixel(分辨率)不相同，因此后续处理器需对接收到的局部成像进行统一分辨率变换等处理，耗费大量时间，工作周期时间长，而且相机暴露在环境中，拍摄采集图像时容易受外界环境光照的影响。

实用新型内容

为解决传统的高动态范围成像装置光程差不一致、拍摄采集图像时容易受外界环境光照影响的问题，导致前期拍摄采集的局部图像分辨率不同，本实用新型提出一种具有光程差一致性的高动态范围成像装置，保证光路的光程差一致，且保证拍摄采集图像时不受外界环境光照影响，使得高动态范围成像装置前期拍摄采集的各个局部图像分辨率相同，从而降低了后续的工作量，提高了后续的图像帧率及成像信噪比。

为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案如下：

一种光程差一致的高动态范围成像装置，包括：外壳、底座、光学采集成像设备、信号通讯器、处理器及供电模块，所述外壳扣设于底座上，与底座之间形成容纳腔，光学采集成像设备、信号通讯器、处理器及供电模块均设置于容纳腔内，供电模块为光学采集成像设备、信号通讯器、处理器供电；所述底座上开设有滤光镜槽，滤光镜槽内设有滤光镜，滤光镜上方设有多棱镜，底座上还设有与多棱镜的棱数相等数目的固定槽，每一个固定槽上倾斜放置有一个平面镜，高动态光照光线从滤光镜入射，经多棱镜分束为同一平面上的若干路光线，并分别入射每一个平面镜，所述光学采集成像设备内设有与多棱镜的棱数相等数目的、且平行分布设置的图像采集装置，每一个平面镜将入射至其表面的光线反射至相应的图像采集装置，图像采集装置连接信号通讯器，信号通讯器连接处理器。

在本技术方案中，高动态光照光线从滤光镜入射，经多棱镜分束为同一平面上的若干路光线，并分别入射每一个平面镜，每一个平面镜将入射至其表面的光线反射至相应的图像采集装置，每一路光线辅助相应的图像采集装置获取不同曝光参数下的成像，其中，滤光镜、多棱镜、平面镜配合形成光路系统，该光路系统保证了光线光程差的一致性，使得高动态范围成像装置前期拍摄采集的各个局部图像分辨率相同，间接降低了后续处理的工作量，而且外壳与底座扣合形成闭合空间容纳腔，光学采集成像设备、信号通讯器、处理器均设置于容纳腔内，避免装置受外界环境光照的影响，提高成像了信噪比。

优选地，所述多棱镜的底面面积与滤光镜的面积相等，保障了从滤光镜入射至多棱镜的高动态光线量，为高动态范围成像做好充足的准备。

优选地，所述供电模块包括第一供电单元、第二供电单元及第三供电单元，所述第一供电单元为光学采集成像设备供电，第二供电单元为信号通讯器供电，第三供电单元为处理器供电，供电模块是分区供电的，互不干扰，保障了供电可靠性。

优选地，所述光学采集成像设备包括与多棱镜的棱数相等数目的且平行分布设置的图像采集装置、光学采集成像设备本体、固定夹具，所述固定夹具的数目与图像采集装置的数目相同，每一个固定夹具的一端固定于光学采集成像设备本体上，另一端固定一个图像采集装置，每一个固定夹具上设有一个用于传达光信号并为图像采集装置传送拍摄命令的光感编码器。

在此，固定夹具的存在，可保证图像采集装置间的精准平行分布，图像采集装置平行分布设置能保障光程差的一致性，使前期拍摄采集的各个局部图像分辨率相同，而且图像采集装置布局紧凑，避免了运动干涉，固定夹具上的光感编码器感受到光线的传播，将产生光感信号传导至处理器进行控制处理，处理器对光感信号进行分析后，再发送指令下达至图像采集装置，图像采集装置接收其触发信号后同时启动图像采集动作。

优选地，所述多棱镜为四棱镜。

优选地，所述图像采集装置共四个，分别为红外相机、微光相机、大曝光量彩色相机、小曝光量彩色相机。

优选地，所述信号通讯器为千兆交换机。

优选地，所述信号通讯器设有若干个通信网口，包括与图像采集装置相同数目的图像传输网口及与处理器连接的图像处理传输网口，每一个图像传输网口与相应的图像采集装置连接。

在此，与图像采集装置相同数目的图像传输网口用于接收图像采集装置采集的图像，并通过图像处理传输网口传送至与处理器连接的图像处理传输网口，处理器接收后，对图像进行分析处理，实现高质量高动态范围成像。

优选地，所述底座上设有第一固定孔，所述外壳的侧壁上设有第二固定孔，外部螺栓依次穿过第二固定孔、第一固定孔，将外壳与底座固定。

优选地，所述供电模块为电池。

与现有技术相比，本实用新型技术方案的有益效果是：

本实用新型提出一种光程差一致的高动态范围成像装置，高动态光照光线从滤光镜入射，经多棱镜分束为同一平面上的若干路光线，并分别入射每一个平面镜，每一个平面镜将入射至其表面的光线反射至相应的图像采集装置，每一路光线辅助相应的图像采集装置获取不同曝光参数下的成像，其中，滤光镜、多棱镜、平面镜配合形成了光路系统，该光路系统保证了光线光程差的一致性，使得高动态范围成像装置前期拍摄采集的各个局部图像分辨率相同，间接降低了后续处理的工作量，而且外壳与底座扣合形成闭合空间容纳腔，光学采集成像设备、信号通讯器、处理器均设置于容纳腔内，避免图像采集装置采集图像时容易受灰尘影响的弊端，避免装置受外界环境光照的影响，提高成像信噪比。

附图说明

图1表示本实用新型实施例1中提出的光程差一致的高动态范围图像成像装置的结构爆炸图；

图2表示本实用新型实施例1中提出的底座的结构示意图；

图3表示本实用新型实施例1中提出的外壳的结构示意图；

图4表示本实用新型实施例1中提出的四棱镜、平面镜与图像采集装置之间光路示意图；

图5表示本实用新型实施例1中提出的信号通讯器的结构图。

图6表示本实用新型实施例2中提出的供电模块的供电示意框图；

图7表示本实用新型实施例3中提出的光学采集成像设备爆炸结构的空间分布俯视图；

图8表示本实用新型实施例3中提出的固定夹具的结构图；

其中，1-外壳；2-底座；3-光学采集成像设备；4-信号通讯器；5.处理器；6.供电模块；7.安装杆；21-滤光镜槽；22-第一固定孔；11-第二固定孔；211-滤光镜；212-多棱镜；213-固定槽；214-平面镜；31-图像采集装置；32-光学采集成像设备本体；33-固定夹具；34-光感编码器；411-图像传输网口；412-图像处理传输网口；61-第一供电单元；62-第二供电单元；63-第三供电单元。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本实用新型的技术方案做进一步的说明。

实施例1

本实施例提出了一种光程差一致的高动态范围成像装置，其结构爆炸图如图1所示，参见图1，该装置包括外壳1、底座2、光学采集成像设备3、信号通讯器4、处理器5及供电模块6，在正常使用非拆卸情况下，外壳1扣设于底座2上，与底座2之间形成容纳腔，光学采集成像设备3、信号通讯器4、处理器5及供电模块6均设置于容纳腔内，供电模块6为光学采集成像设备3、信号通讯器4、处理器5供电。

参见图2及图3所示的结构图，底座2上开设有滤光镜槽21，底座2上设有第一固定孔22，外壳1的侧壁上设有第二固定孔11，外部螺栓依次穿过第二固定孔11、第一固定孔22，将外壳1与底座2固定，在本实施例中，设置在容纳腔内的光学采集成像设备3、信号通讯器4、处理器5及供电模块6可以视作一个整体，这个整体上设有一个贯穿整体的安装槽，这个整体在容纳腔内是通过一个自外壳顶部至安装槽插入的一个安装杆7固定。

滤光镜槽21内设有滤光镜211，滤光镜211上方设有多棱镜212，多棱镜212的底面面积与滤光镜211的面积相等。在本实施例中，多棱镜212为四棱镜，底座2上还设有与多棱镜212的棱数相等数目的固定槽213，在多棱镜212选用四棱镜时，固定槽213对应为4个，每一个固定槽213上倾斜放置有一个平面镜214，在本实施例中，每一个平面镜214沿向底座2的侧壁的方向倾斜，如图4所示，一束高动态光照光线从滤光镜211入射，经多棱镜212分束为同一平面上的若干路光线，在本实施例中，分束后的光线的光路分别如图3中的①②③④所示，箭头表示光线入射方向，分束后的光路光线分别入射每一个平面镜214，光学采集成像设备3内设有与多棱镜212的棱数相等数目的、且平行分布设置的图像采集装置31，在本实施例中即为4个图像采集装置，分别为红外相机、微光相机、大曝光量彩色相机、小曝光量彩色相机，用于获取不同曝光参数下的成像。每一个平面镜214将入射至其表面的光线反射至相应的图像采集装置31，图像采集装置31连接信号通讯器4，信号通讯器4连接处理器5，在本实施例中，信号通讯器4为千兆交换机，结构图如图5所示，整体上信号通讯器4位于处理器5的上端，快速传输所属图像采集装置31获取的图像，信号通讯器4设有若干个通信网口41，包括与图像采集装置31相同数目(4个)的图像传输网口411及与处理器5连接的图像处理传输网口412，每一个图像传输网口411与相应的图像采集装置31连接。

在本实施例中，处理器5采用Xilinx Zynq7020开发板，Xilinx Zynq7020开发板本身提供了资源丰富的可编程逻辑门电路以及卓越性能的ARM Cortex-A9处理器，其有一路以太网RJ-45接口可以连接交换机，通过Realtek RTL8211E-VL以太网PHY芯片提供网络通信服务，一路USB OTG接口，一路USB UART接口，可用于与PC通信，尺寸为130mmx90mm，能实现图像等的后续处理。处理器5将接收到的、在高动态光照环境下已经局部高动态成像的各个局部图片的所有有用信息叠加显示在一张图上，这也是处理器5的基本的处理性能，而更重要的，在本实施例提出的装置中，滤光镜、多棱镜、平面镜配合形成了光路系统，该光路系统保证了光线光程差的一致性，使得图像采集装置的每部分局部成像mm/pixel相同，则后续处理器5不需要进行调整局部成像mm/pixel的操作，直接将局部成像叠加合成即可；而传统不考虑光线光程差的一致性，图像采集装置的每部分局部成像mm/pixel不相同，后续处理器5需要进行调整局部成像mm/pixel的操作，这部分变换计算处理需要时间，因此，对比下来，也即是本实施例提出装置的这部分光路的结构改进，间接降低了后续处理器5的工作量，使得整个工作周期时间更短，单位时间内能获得更多图像，也间接提高了图像的帧率，即基于本实施例提出的高动态范围图像成像装置的结构，高动态光照高动态光照光线从滤光镜211入射，经四棱镜212分束为同一平面上的4路光线，4路光线分别入射每一个平面镜214，每一个平面镜214将入射至其表面的光线反射至相应的图像采集装置31，每一路光线辅助相应的图像采集装置31获取不同曝光参数下的成像，其中，滤光镜211、四棱镜212、平面镜214配合形成光路系统，该光路系统保证了光线光程差的一致性，间接降低了后续处理器5调整局部成像mm/pixel的操作工作量，整个工作周期时间更短，而且外壳1与底座2扣合形成闭合空间容纳腔，光学采集成像设备3、信号通讯器4、处理器5均设置于容纳腔内，避免了图像采集装置31采集图像时容易受灰尘影响的弊端，提高了成像质量。

实施例2

基于实施例1，本实施例对供电模块6进行说明，在本实施例中，供电模块6为电池，参见图6，供电模块6包括第一供电单元61、第二供电单元62及第三供电单元63，第一供电单元61为光学采集成像设备3供电，第二供电单元62为信号通讯器4供电，第三供电单元为处理器处理器5供电。在具体实施时，供电是分区的，互不干扰，保障了供电可靠性。

实施例3

如图7所示的光学采集成像设备爆炸结构的空间分布俯视图，光学采集成像设备3包括与多棱镜212的棱数相等数目的且平行分布设置的图像采集装置31(在多棱镜212为四棱镜时，图像采集装置为4个)、光学采集成像设备本体32、固定夹具33，固定夹具33的数目与图像采集装置31的数目相同，在具体实施时，光学采集成像设备本体32的侧壁上留存有固定槽，固定槽的体积与固定夹具33的结构相适配，固定槽与固定夹具33之间通过螺栓固定，图8为固定夹具的结构示意图，在正常组合情况下，每一个固定夹具33的一端通过螺栓固定于光学采集成像设备本体32上，另一端固定一个图像采集装置31，每一个固定夹具33上设有一个用于传达光信号并为图像采集装置31传送拍摄命令的光感编码器34，图像采集装置31平行分布设置能保障光程差的一致性。

此外，光学采集成像设备本体32的底部预留有固定多棱镜的区域，多棱镜位于滤光镜211的正上方，固定夹具33上的光感编码器34感受到光线的传播，将产生光感信号传导至处理器5进行控制处理，处理器5对光感信号进行分析后，再发送指令下达至图像采集装置5，图像采集装置5接收其触发信号后同时启动图像采集动作。

需要说明，若本实用新型实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本实用新型实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光程差一致的高动态范围成像装置，其特征在于，包括：外壳(1)、底座(2)、光学采集成像设备(3)、信号通讯器(4)、处理器(5)及供电模块(6)，所述外壳(1)扣设于底座(2)上，与底座(2)之间形成容纳腔，光学采集成像设备(3)、信号通讯器(4)、处理器(5)及供电模块(6)均设置于容纳腔内，供电模块(6)为光学采集成像设备(3)、信号通讯器(4)、处理器(5)供电；所述底座(2)上开设有滤光镜槽(21)，滤光镜槽(21)内设有滤光镜(211)，滤光镜(211)上方设有多棱镜(212)，底座(2)上还设有与多棱镜(212)的棱数相等数目的固定槽(213)，每一个固定槽(213)上倾斜放置有一个平面镜(214)，高动态光照光线从滤光镜(211)入射，经多棱镜(212)分束为同一平面上的若干路光线，并分别入射每一个平面镜(214)，所述光学采集成像设备(3)内设有与多棱镜(212)的棱数相等数目的、且平行分布设置的图像采集装置(31)，每一个平面镜(214)将入射至其表面的光线反射至相应的图像采集装置(31)，图像采集装置(31)连接信号通讯器(4)，信号通讯器(4)连接处理器(5)。

2.根据权利要求1所述的光程差一致的高动态范围成像装置，其特征在于，所述多棱镜(212)的底面面积与滤光镜(211)的面积相等。

3.根据权利要求1所述的光程差一致的高动态范围成像装置，其特征在于，所述供电模块(6)包括第一供电单元(61)、第二供电单元(62)及第三供电单元(63)，所述第一供电单元(61)为光学采集成像设备(3)供电，第二供电单元(62)为信号通讯器(4)供电，第三供电单元为处理器(5)供电。

4.根据权利要求3所述的光程差一致的高动态范围成像装置，其特征在于，所述光学采集成像设备(3)包括与多棱镜(212)的棱数相等数目的且平行分布设置的图像采集装置(31)、光学采集成像设备本体(32)、固定夹具(33)，所述固定夹具(33)的数目与图像采集装置(31)的数目相同，每一个固定夹具(33)的一端固定于光学采集成像设备本体(32)上，另一端固定一个图像采集装置(31)，每一个固定夹具(33)上设有一个用于传达光信号并为图像采集装置(31)传送拍摄命令的光感编码器(34)。

5.根据权利要求4所述的光程差一致的高动态范围成像装置，其特征在于，所述多棱镜(212)为四棱镜。

6.根据权利要求5所述的光程差一致的高动态范围成像装置，其特征在于，所述图像采集装置(31)共四个，分别为红外相机、微光相机、大曝光量彩色相机、小曝光量彩色相机。

7.根据权利要求4所述的光程差一致的高动态范围成像装置，其特征在于，所述信号通讯器(4)为千兆交换机。

8.根据权利要求7所述的光程差一致的高动态范围成像装置，其特征在于，所述信号通讯器(4)设有若干个通信网口(41)，包括与图像采集装置(31)相同数目的图像传输网口(411)及与处理器(5)连接的图像处理传输网口(412)，每一个图像传输网口(411)与相应的图像采集装置(31)连接。

9.根据权利要求1所述的光程差一致的高动态范围成像装置，其特征在于，所述底座(2)上设有第一固定孔(22)，所述外壳(1)的侧壁上设有第二固定孔(11)，外部螺栓依次穿过第二固定孔(11)、第一固定孔(22)，将外壳(1)与底座(2)固定。

10.根据权利要求2所述的光程差一致的高动态范围成像装置，其特征在于，所述供电模块(6)为电池。

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