[發(fā)明專利]一種相機(jī)可互換動態(tài)分光成像系統(tǒng)及其應(yīng)用于高動態(tài)成像的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710704689.X
• 申請日: 2017-08-17
• 公開（公告）號: CN107302667B
• 公開（公告）日: 2019-05-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 于起峰;劉肖琳;張小虎;劉海波
• 申請（專利權(quán)）人: 中國人民解放軍國防科技大學(xué)
• 主分類號: H04N5/235
• 分類號: H04N5/235;G06T5/00;G06T5/50;G06T7/00;G01C11/02
• 代理公司: 湖南省國防科技工業(yè)局專利中心 43102
• 代理人: 馮青

本發(fā)明涉及一種相機(jī)可互換動態(tài)分光成像系統(tǒng)及其應(yīng)用于高動態(tài)成像的方法。該系統(tǒng)采用“組合成像模式”，結(jié)合后端的圖像融合處理算法，構(gòu)成“主鏡+適配器+多相機(jī)+多源圖像融合”結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的高質(zhì)量成像。本發(fā)明改變傳統(tǒng)光測系統(tǒng)的單次單一光路的單傳感器成像模式為動態(tài)分光的多傳感器成像模式，突破大動態(tài)范圍成像方案、分光比動態(tài)可調(diào)適配器模塊、多波段高動態(tài)圖像融合算法等關(guān)鍵技術(shù)，解決多種先進(jìn)傳感器的集成安裝和同步成像、多源圖像融合和增強(qiáng)處理算法等問題，最大限度的獲取光測信息，實(shí)現(xiàn)對靶場目標(biāo)的高動態(tài)、高速、多波段、高分辨、高質(zhì)量成像，有效提高靶場試驗(yàn)光測水平。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及傳感器高動態(tài)成像領(lǐng)域，具體涉及一種相機(jī)可互換動態(tài)分光成像系統(tǒng)及其應(yīng)用于高動態(tài)成像的方法。

背景技術(shù)

光測由于其非接觸、直觀、高精度的特點(diǎn)，在新型武器裝備試驗(yàn)景象記錄、異?，F(xiàn)象分析、姿態(tài)測量等任務(wù)中具有不可替代作用。但是目前光測設(shè)備不能同時(shí)滿足新型武器試驗(yàn)任務(wù)的高光強(qiáng)動態(tài)范圍的成像要求。在目標(biāo)初段光測時(shí)，目標(biāo)的光輻射強(qiáng)度動態(tài)范圍大、光譜輻射信息豐富、目標(biāo)細(xì)節(jié)較多，而隨著目標(biāo)運(yùn)動距離的增大，目標(biāo)的光輻射強(qiáng)度動態(tài)范圍和所呈現(xiàn)出的細(xì)節(jié)信息將發(fā)生顯著變化，現(xiàn)有單套設(shè)備對其全過程的成像效果不甚理想。具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)成像的動態(tài)范圍無法滿足新型先進(jìn)武器試驗(yàn)的需求

在火箭發(fā)射、導(dǎo)彈初始飛行階段，高亮尾焰伴隨著彈體，二者亮度上的巨大差別超出現(xiàn)有光測設(shè)備的成像動態(tài)范圍，無法得到暗目標(biāo)區(qū)和亮火焰區(qū)同時(shí)可分辨的圖像，極易產(chǎn)生尾焰過曝光或彈體曝光不足問題；

(2)現(xiàn)有光測設(shè)備的光學(xué)鏡頭與圖像傳感器固定搭配，靈活適用性方面有待提高

大口徑光學(xué)成像系統(tǒng)更新?lián)Q代較慢，而圖像傳感器技術(shù)和圖像處理技術(shù)進(jìn)步日新月異，但是，目前光學(xué)主鏡與成像傳感器固定搭配，使得設(shè)備一旦裝備后，性能指標(biāo)即固定，無法跟上各類成像傳感器技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，或者需要花費(fèi)大量的人力物力重新設(shè)計(jì)生產(chǎn)新裝備。另外，設(shè)備用于不同任務(wù)的適用范圍較窄；

(3)多源圖像傳感器的圖像融合有待提高

現(xiàn)有光測設(shè)備在每次測量中一般只記錄目標(biāo)單一波段的圖像，其他波段得不到有效利用。

相比于火箭發(fā)射、導(dǎo)彈初始飛行階段的高動態(tài)場景，現(xiàn)有單臺套成像設(shè)備動態(tài)范圍較低，在某一種曝光強(qiáng)度下，現(xiàn)有設(shè)備很難捕獲場景中的所有細(xì)節(jié)，圖像的部分細(xì)節(jié)不能夠很好的曝光，因而就不能清晰地顯示。采用多個(gè)相機(jī)組成相機(jī)陣列，每個(gè)相機(jī)設(shè)定不同的曝光時(shí)間，短曝光時(shí)間有利于捕獲場景高亮區(qū)域細(xì)節(jié)，長曝光時(shí)間則可捕獲暗區(qū)域細(xì)節(jié)。具有不同曝光時(shí)間的所有相機(jī)同時(shí)曝光，使得場景中不同亮度背景下的目標(biāo)都能夠在某個(gè)相機(jī)中有較好曝光，即每張圖像都有一部分區(qū)域細(xì)節(jié)表現(xiàn)很好；之后通過將不同曝光圖像合成的方法，獲得場景中所有細(xì)節(jié)都能夠清晰顯示的圖像。

利用多曝光圖像來顯示高動態(tài)場景的方法可以分為兩大類，一種是基于成像過程恢復(fù)場景的照度圖像的高動態(tài)成像方法，這種方法最終得到的結(jié)果是高動態(tài)圖像，需要經(jīng)過色調(diào)映射，才能在普通設(shè)備上顯示結(jié)果。另一種是加權(quán)融合的方法，即將曝光圖像根據(jù)其質(zhì)量賦予相應(yīng)的權(quán)值，再根據(jù)一定的融合規(guī)則進(jìn)行融合，使得最終得到的結(jié)果圖像包含所有輸入圖像中曝光較好的場景，即場景中所有位置都較好曝光的圖像。

目前，大多數(shù)多曝光高動態(tài)圖像生成算法僅適用于低速或靜態(tài)的場景，對于高速變化的場景，或者動態(tài)范圍超大(如>120dB以上)的場景，這種方案仍顯得無能為力。

在面向特殊場景應(yīng)用方面，據(jù)不完整的信息推斷，美國已經(jīng)通過多口徑設(shè)計(jì)、光學(xué)鏡頭和光機(jī)電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和新型成像探測器等方面的突破，并依托美日在光學(xué)鏡頭設(shè)計(jì)制造、光機(jī)電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制實(shí)現(xiàn)、圖像探測器方面的技術(shù)和工業(yè)優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)了超大動態(tài)范圍的成像，在NASA和美軍方的相關(guān)火箭、航天飛機(jī)和導(dǎo)彈的發(fā)射試驗(yàn)中獲得了高動態(tài)范圍的圖像，可以獲取較為真實(shí)的發(fā)射場景，包括光強(qiáng)及分辨率信息及多波段信息等，有力地支撐了美國的航天及武器工業(yè)發(fā)展。