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三维立体激光夜视摄像系统机理和实现方法

  文/章建国 广州市明希电子工程有限公司

  技术领域

  为摄像机,夜晚照明提供一个可以做三维自动调整的智能光源,涉及到图像分析,激光投射角度,强度,光扫描技术。对于需要24小时全天候监控的公安,国防具有极大的价值。

  背景技术

  目前除热成像和微光摄像机(在全黑的情况下也无法工作)外,夜间拍摄图像都是采用红外照明。安防,国防的应用主要采用不可见的红外光,无论什么光源也只能是一束投射光,被照明的物体的光强度与光源的距离,和不同物体的物质有关,由于不同的距离,和不同的物质表面对光的吸收,反射千差万别,尤其是单色光,明暗反差更为强烈。

  摄像机受图像传感器动态范围的限制,就会导致所摄取的图像在亮暗差距悬殊的物体上亮的部分过分曝光泛白,暗的地方却光照不足。目前现有的技术是可以根据图像明暗自动调整光的强度,但不能在同一照射面上对图像亮与暗的部位

  分别调整,往往反光(亮)的地方合适了,暗的部位就更暗以致无法看清。特别是在公安,国防的应用上,由于图像的细节无法清晰摄取,几乎得不到有价值的夜晚图像。如何从根本上解决照射角度,距离,物体大小,形状,物体不同部位的反射面都能得到如同白昼般的均匀照明,是业界还没有解决的难题。

  研发内容

  研发的目的是为摄像机,夜晚(全黑)环境下拍摄提供一个智能的照明系统,使得被照物体在有效照射范围内,无论其形状,大小,物质结构的表面反光系数如何,物体距光源的距离如何均可以得到均匀的照明。(见示意图一)

  示意图一

  目标A,B,C,在光照范围L内,可以分别获得相同的光照能量,使得整个光照场面能量均匀分布。

A区域不需要照明,B区域需要照明,本装置可以根据需要形成任意不同形状的照明区域。

  面照明  

   点照明

  与传统的照明模式相比,该研发思路是将传统的“面照明”改为新颖的“点照明”。面照明是将整个被照物体同时照射,在同一距离的照射面上光强度是一样的,而点照明是对被照物体的一个个像素点逐个照亮,逐个曝光,其照亮的时序与摄像机图像传感器的像素读取是同步的,这样就可以实现在整个光照范围内,任意角度,任意方向,任意形状,任意物体,无论他们的距离远近都可以分别获得不同的曝光量。这种能在X,Y,Z三个方向光的角度和强度都能自动控制调节的照明,我们称之为:“三维立体照明”。

  这种三维立体照明装置采用激光源,光偏转器,并与云台,变倍镜头,摄像机一起联动。使得旋转方位角,镜头取景的视场角,摄像机传感器的像素曝光量,点照明的覆盖面都达到统一步调彼此自动协调。

  实现这种智能照明的要素是:具有可以控制投射角,准直,发散的光束,可以对这些光束做高速行场偏转,对投射光的强度调节具有极快的反应时间,对摄像机图像传感器中像素的曝光量做出运算,可以读出激光点扫描坐标位置,像素曝光量的数值。激光点扫描的速度,相位与摄像机图像传感器靶面像素的读取同步。

  由于激光点扫描速度与电视帧频一样,人眼看不出闪烁,效果就像一束奇妙的光投射出去,遇到吸收物体表面自动加强光照,遇到反光物体自动减少光照,距离近的自动减少光强度,距离远的自动加强光强度,使得整个照射场面的图像犹如白昼般匀称。

  具体实施方式

  X Y振镜模式

  该装置由激光源,电动扩束镜头,光偏转器,摄像机含自动变倍镜头,步进电机云台,数字信号处理器(DSP)组成(见图二)。

  示意图二

  射出光斑控制:照明光源由激光器产生,经过电动扩束准直镜头将激光调整到合适的光斑后投射出去,光斑尺寸根据从光扫描X,Y读出的光照场幅度比例数据在DSP内计算后控制扩束电机调节镜头使光斑尺寸刚好均匀覆盖整个垂直光照面。无论扫描光栅的大小,形状如何变化,其光扫描总条数是不变的。光斑大小与光照面大小成正比。

  光扫描控制:,调整好光斑后的激光束进入光偏转器,激光束在X,Y方向按摄像机行场扫描时序同步高速扫描,X,Y扫描幅度根据摄像机镜头取景的角度,图像比例,如4:3, 16:9或不规则图案,如T型,S型….等信息经过DSP运算,分别控制X,Y偏转器对激光束的偏转角度变化以便对应摄像机的取景要求,既可以自动也可以手动完成。

  光照明强度控制:由于激光点的扫描运动与摄像机的图像传感器的像素点读取是完全同步的,激光照亮的物体的点也正是摄像机图像传感器读取的像素点,该点感光量信息被送至DSP运算,并控制激光输出功率,这样就可以对被照射物体的每个像素点分别调整光强度,把光照明的总功率,均匀投射在不同距离,不同的物质,不同大小的被照射物体上。从而得到均匀曝光量的清晰图像。

  实验室测试结果:

  关闭智能

  开启智能

  DLP模式

  光源由激光器产生,经过扩束准直镜将激光调整到合适的光斑后投射在百万微型数字偏转镜DMD上,每个微型镜控制对应的像素。百万条激光点通过变倍镜头投射,投射角度与摄像机镜头取景角度对应,由DSP同步管理。

  激光源强度控制:根据夜视覆盖范围的需要,由DSP计算处理,对激光模组的恒流源调节控制激光强度。

  目标像素曝光控制:在微镜装置里有200万个(对应摄像机传感器像素)小微镜调整微镜的角度和振动频率就可以精准分别控制200万条激光投射点的强度。系统读取摄像机的图像信息,并对信息进行分析判断知道具体哪个像素曝光不合适,然后发出指令到对应的微镜,控制其角度和震动频率实现对该像素点曝光量做修正,从而达到最理想的曝光量。

  内置的22倍变焦星光级摄像头进行图像的初步采集,然后视频信号通过网络串流进入图像处理模块。由CVLCD软件进行视频流抓取,灰度计算,智能补光处理,根据不同的环境需要,可以实现图像的反转,锐化,高斯模糊,极化等效果。同时实现补光信号的角度,强度调整。通过一系列的计算后将处理完成的补光信号输入是由美国Texas Instruments公司开发的DMD芯片,全称为Digital Micro-mirror Devices。

  DMD芯片外观看起来只是一小片镜子,被封装在金属与玻璃组成的密闭空间内,事实上,这面镜子是由数十万乃至上百万个微镜所组成的。以XGA解析度的DMD芯片为例,在宽1cm,长1.4cm的面积里有1024×768=786432个微镜单元,每一个微镜代表一个像素,图像就由这些像素所构成。一个DMD可被简单描述成为一个半导体光开关,50~130万个微镜片聚集在CMOS硅基片上。一片微镜片表示一个像素,变换速率为1000次/秒。每一镜片的尺寸为14微米×14微米,为便于调节其方向与角度,在其下方均设有类似铰链作用的转动装置。微镜片的转动受控于来自CMOS RAM的数字驱动信号。当数字信号被写入SRAM时,静电会激活地址电极、镜片和轭板以促使铰链装置转动。一旦接收到相应信号,镜片倾斜10°,并随着来自SRAM的数字信号而倾斜+12°;如显微镜片处于非投影状态,则被示为“关”,并倾斜-12°。简而言之,DMD的工作原理就是借助微镜装置反射需要的光,同时通过光吸收器吸收不需要的光来实现影像的投影,而其光照方向则是借助静电作用,通过控制微镜片角度来实现的。

  通过对每一个镜片下的存储单元以二进制平面信号进行寻址,DMD阵列上的每个镜片以静电方式倾斜为开或关状态。决定每个镜片倾斜在哪个方向上为多长时间的技术被称为脉冲宽度调制(PWM)。镜片可以在一秒内开关1000多次,。通过聚光透镜以及积分镜的匀化作用后,来自激光光源的光线被直接照射在DMD上。当镜片在开的位置上时,它们通过投影镜头将光反射到环境中形成一个数字的像素投影图像。当 DMD 芯片、激光光源、和投射激光镜头协同工作时,就能根据被监控的场景,目标物,实现精确到像素的曝光控制。

  普通红外

DMD激光红外

  DMD不仅通过了所有的标准半导体资格测试,而且系统制造非常严格,需要经过一连串的测试,所有元件均经过挑选证实可靠才能用作制造数码电子部分驱动DMD,而且还证明了在模拟应用环境中,它的生命期超过10万个小时。测试证明,DMD可以进行超过1700万亿次的循环无故障运行,其它测试结果显示,DMD可以在超过11万个电力周期和11000个温度周期下无故障,以确保在需求较大的应用领域中提供30年以上的可靠运行期。

  同时DLP抛弃了传统意义上的光学汇聚,可以随意改变焦点,调整起来十分方便,而且其光学路径相当简单,体积更小。因此,DLP的机身相应地就可以做得更薄。体积更小巧,大大减小了占用空间,能耗也随之降低很多。

  实验室测试效果:

 

  普通红外

立体激光

  结束语

  现有传统面照明模式下不能对场景目标物做曝光控制的老大难问题,已经被立体激光夜视系统彻底颠覆了,高质量的红外夜视图像不再是奢望。振镜扫描和DMD两种模式都能实现对像素曝光量的控制,它们各有优缺点:振镜是靠X,Y两镜片扫描,由于扫描速度是微秒级别因此对振镜的惯性重量要求极高,有畸变问题,机械结构和振动都会影响同步精度这是它很难克服的缺点,优点是光损失小,激光效率极高,总功耗低。DMD是集成了百万微型光镜采用数字控制几乎解决了振镜的所有缺陷,但唯一缺点是光利用率低,功耗至少比振镜模式大50%,但与市场上的红外产品比,功耗则低很多,是很有实际应用价值的新型红外激光夜视技术。

 

来源:安防知识网     编辑:     点击数:9  
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