[發明專利]一種基于轉輪動態分光的高動態范圍成像模塊

在審

• 申請號: 201710704693.6
• 申請日: 2017-08-17
• 公開（公告）號: CN107302668A
• 公開（公告）日: 2017-10-27
• 發明（設計）人: 于起峰;劉肖琳;張小虎;劉海波
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科技大學
• 主分類號: H04N5/235
• 分類號: H04N5/235;H04N9/04;G06T7/80
• 代理公司: 湖南省國防科技工業局專利中心43102
• 代理人: 馮青

技術領域

本發明涉及傳感器高動態成像領域，具體涉及一種基于轉輪動態分光的高動態范圍成像模塊。

背景技術

光測由于其非接觸、直觀、高精度的特點，在新型武器裝備試驗景象記錄、異常現象分析、姿態測量等任務中具有不可替代作用。但是相比于火箭發射、導彈初始飛行階段的高動態場景，現有單臺套成像設備動態范圍較低，在某一種曝光強度下，現有設備很難捕獲場景中的所有細節，圖像的部分細節不能夠很好的曝光，因而就不能清晰地顯示。采用多個相機組成相機陣列，每個相機設定不同的曝光時間，短曝光時間有利于捕獲場景高亮區域細節，長曝光時間則可捕獲暗區域細節。具有不同曝光時間的所有相機同時曝光，使得場景中不同亮度背景下的目標都能夠在某個相機中有較好曝光，即每張圖像都有一部分區域細節表現很好；之后通過將不同曝光圖像合成的方法，獲得場景中所有細節都能夠清晰顯示的圖像。

利用多曝光圖像來顯示高動態場景的方法可以分為兩大類，一種是基于成像過程恢復場景的照度圖像的高動態成像方法，這種方法最終得到的結果是高動態圖像，需要經過色調映射，才能在普通設備上顯示結果。另一種是加權融合的方法，即將曝光圖像根據其質量賦予相應的權值，再根據一定的融合規則進行融合，使得最終得到的結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，大多數多曝光高動態圖像生成算法僅適用于低速或靜態的場景，對于高速變化的場景，或者動態范圍超大(如>120dB以上)的場景，這種方案仍顯得無能為力。

在面向特殊場景應用方面，據不完整的信息推斷，美國已經通過多口徑設計、光學鏡頭和光機電結構設計和新型成像探測器等方面的突破，并依托美日在光學鏡頭設計制造、光機電結構設計和控制實現、圖像探測器方面的技術和工業優勢，實現了超大動態范圍的成像，在NASA和美軍方的相關火箭、航天飛機和導彈的發射試驗中獲得了高動態范圍的圖像，可以獲取較為真實的發射場景，包括光強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發展。

反觀我國，由于在圖像探測器上不具備成熟領先的技術和工業水平，同時在成像鏡頭設計制造、光機電設計及控制實現方面的技術和工業水平與國際領先水平還有不少差距，因此我國目前還沒有成熟的高動態范圍成像方案和系統用于如靶場光測等特殊場景的高動態范圍成像任務。但是，國內的長春光機所、浙江大學、南開大學、貴州大學、國防科技大學、清華大學等單位、以及一些光電研究所和公司企業在相機響應曲線生成、相機內外參數標定、圖像對齊和配準、圖像拼接、光學鏡頭設計制造、光機電結構設計、圖像傳感器的應用控制設計等方面有了不錯的進展，形成了子模塊的技術實力，并且在一些新型器件的應用研究方面取得了突破，比如長春光機所利用DMD與CCD的結合，實現像素級的曝光控制，可以實現達到96dB的成像動態范圍，但是與靶場光測成像需要的大于120dB(甚至150dB以上)的動態范圍還有不少差距。而且，目前國內的高動態范圍成像還缺乏大型系統級的設計應用能力。

發明內容

為解決上述問題，本發明特提出一種基于轉輪動態分光的高動態范圍成像模塊，通過主鏡、多個適配器和多臺相機的結合，采用分光比、光強透過率、鏡頭光圈、相機曝光時間等參數的動態調節技術和多源圖像高動態合成技術，實現場景光強極端變化條件下大動態范圍的清晰成像，解決高動態范圍成像所需要的曝光量動態調整問題，在光測中實現目標高質量成像具有重要意義。

本發明的一種基于轉輪動態分光的高動態范圍成像模塊，由基于分光轉輪的動態分光裝置以及光路控制和圖像融合軟件模塊組成。動態分光裝置根據不同的成像任務，實現至相機靶面的分光比區域動態可調。結合圖像融合和增強處理算法，能夠提供的動態范圍達到136dB，系統的整體動態范圍將大于150dB，實現對目標的高動態范圍成像。

本發明的一種基于轉輪動態分光的高動態范圍成像模塊結構如圖1所示，包括動態分光裝置，該裝置包括主鏡1、適配器2、分光轉輪空間光調制器4、相機7、計算機8，其中適配器2是為了適應不同靶面大小的相機，在主鏡與相機之間增加的一組鏡頭，適配器包含動態可調分光機構5、光強動態可調機構6。按照高動態成像適配模塊的設計原理，對于不同靶面尺寸的相機，均有相應的適配器與之相對應。

所述分光轉輪空間光調制器位于主鏡末端，適配器前端；

所述適配器的數量與相機數量一致；

所述各相機發出同步信號，各相機的同步信號將由各相機的采集卡產生；

所述計算機完成相機的圖像采集及高動態范圍圖像的合成。