基于LCoS像素级图像亮度调整方法研究
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在计算机视觉研究领域,图像采集作为光学测量系统的关键环节,通常因为外界因素影响图像质量,例如测量环境变化以及被测物体表面材质、结构、粗糙程度分布不同。在这些因素中,影响较大的是被测物体的高亮和镜面反射。因为如果反射光的强度差异过大,易造成采集图像局部曝光过饱和,从而影响测量系统的后续数据处理 引收稿 日期:2012-08 Received Date:2012-08基金项目:国家自然科学基金(51105273)资助项目为了避免图像采集系统中发生局部过饱和的情况,通常有3种方法来解决这个问题。第 1种方法是根据测量环境和测量对象,设计不同的照明方式解决过饱和现象 。照明光源需要尽量均匀 ,光斑大型安装照射角度很难调节。第 2种方法是在摄像机的前端增加光学滤波器,从而抑制强光,起到抑制过饱和现象的作用 。
此方法能够保证测量图像最大亮度在图像传感器的动态范围之内,但是这种方法同时使低亮区域图像变暗,在测量中需要满足低亮区域为非测量区域条件。第 3种方法148 仪 器 仪 表 学 报 第 3 4卷是采用高动态范围摄像机,避免强光导致 CCD局部过曝光 J。高动态摄像机的优点是应用简单,在高动态摄像机DSP芯片内部,对同-目标进行长短时间2次曝光,然后采用图像合成算法获取图像亮度均匀的图像,合成图像在测量中无法获取被测物图像真正的亮度信息。这些方法都能解决曝光过饱和问题,但是不能对图像的亮度进行精确调整。这些方法虽然能在特定的环境下获得好的图像质量,但是无法对图像的亮度进行像素级调整。
本文采用高解析度反射式硅基液晶(LCoS)和 CCD相结合设计新的光学成像系统,通过调整 LCoS像素的反射率,实现 CCD图像亮度像素级调节,并且CCD单次曝光可以获得高动态的图像,利用此技术获得高动态且不会损失图像细节的三维图像,可以提高光学三维测量的精度。
2 图像亮度调整系统结构设计硅基液晶是-种新兴的微显技术,利用该技术微显示器可以逐像素调整入射光的反射率。最近几年,LCoS的应用主要集 中在投影显示方面 ,如头盔微显示器 、数码彩扩仪 、图像处理系统 等领域。本文根据 LCoS能够对入射的光的亮度进行像素级衰减这-性质,将测量空间的高动态范围的亮度调整到摄像机的动态范围之内,从而抑制图像的过饱和现象 。
本文根据 LCoS的光电特性,设计专门的光学结构与LCoS驱动电路,通过此光学结构与驱动电路装置,实现了采集图像亮度的像素级调节,使过饱和的图像的动态范围调整到图像传感器的动态范围,从而达到提高采集到的图像质量的目的。
像素级亮度控制系统如图1所示,主要由3部分组成:LCoS光学系统、LCoS计算机控制驱动系统、摄像机图像采集系统。LCoS光学系统由物镜和3个中继转像镜,1个偏振分光棱镜和LCoS芯片组成,如图2所示。物镜采用工业标准的C接口保证成像在第 1个中继物镜的前焦平面上,因此可以更换不同焦距的物镜适应不同环境下物体的测量。从被测物体入射到物镜的光学在第 1个中继的焦平面上成实像,实像通过中继镜后转变平行光继续通过偏振分光棱镜,偏振分光棱镜保证 P偏振光透射(S偏振光被反射逃出光学系统),P偏振光继续通过第2个中继镜在其焦屏面成实像,这个实像被LCoS芯片接收,根据测量的需要,LCoS把入射的P偏振光偏转为s偏振光;LCoS芯片反射光线包括 P偏振光和s偏振光,反射光重新进入第2个中继镜,重新经过偏振分光棱镜,只有经过 LCos调整的s偏振光才能进入第3个中继镜在其焦平面上成实像被CCD图像传感器接收。
LC0s计算机控制驱动系统由现成编程门阵列(field pro-grarmnable gate aray,FPGA)和通用串行总线(universal serialbus,USB)接口以及缓存组成,FPGA通过 USB接口从 PC接收LCoS参数,然后生产LCoS的驱动时序。摄像机图像采集系统采用CCD摄像机实时采集经过中继镜转换的图像。系统工作原理为:最初设置IEoS为全反射模式,计算机通过摄像机获取待测物体在LCoS全反射模式下的原始图像,通过图像质量评价算法对原始图像进行评价,计算得到摄像机过饱和的区域,对于图像上过饱和的区域根据 LC0s像面和CCD像面的对应关系,调整 LCoS的反射率,这样摄像机采集的图像将不会发生过饱和区域。
图 1 基于 LCoS像素级图像亮度调整系统结构Fig.1 The system structure of pixel-level imagebrightness adjustment based on LCoS①图像传感器;②光强衰减器;⑧⑤⑥中继透镜;⑤偏振分光棱镜(PBs);⑦被钡4物实像:⑧成像物镜;⑨被测物体图2 LCoS成像系统等效光路Fig.2 The equivalent optical path diagramof LCoS imaging system3 素级图像亮度调整原理与映射关系3.1 图像亮度动态范围调整原理本系统在图像传感器的前端安装-光学亮度衰减器LCoS,通过中继光学系统,对进入图像传感器的光的亮进行调节。通过 LCoS控制电路,对 LCoS芯片上每个像素液晶的电压进行调节,进而控制了液晶的旋转,从而调制了光线的偏光性。
在无衰减器的光学系统中,光线经过图像传感器直接成像。由于图像传感器存在饱和曝光光强, 与最低曝光光强 ,,则图像亮度对外界光强的相应函数可分为3段,则其系统响应函数 L( ,Y)简化为:r 255, ,≥ ,L( ,Y)S[,( ,Y)] , <,<, (1) 0 ,≤第1期 杨中东 等:基于LCoS像素级图像亮度调整方法研究 149图像传感器的动态范围为:DR 20log(,/Imi ) (2)采用光学衰减器 LCoS,对图像高亮区域进行衰减,图像亮度最大值变成为 ,埘 为 LCoS的衰减比例系数,而最小的亮度值不进行衰减,保持原亮度不变。则整个系统的动态范围为:,DR肋R20log(了"m~ax k ):DRs201ogk (3)m ln可以看到,通过 LCoS光学控制系统,图像亮度动态范围得到了提高,实现了图像亮度的动态调节。如果控制了某个像素点的光线的偏光性,通过相应的映射变换,就可以相应的控制到达图像传感器的光强,从而实现图像亮度的像素级调节。
3.2 LCoS像素与图像传感器像素间映射模型为了实现 LCoS像素级控制 CCD过饱和的区域,必须要实现 CCD成像面和 LCoS成像面间像素对应。像素之间的对应关系实际上是-空间映射关系。本文采用摄像机标定技术中比较著名的DLT法(direct linear transfor-marion)对 LCoS像素与图像传感器像素间映射关系进行计算 ,则 LCOS和 CCD像素坐标系映射关系如图3所示。
图 3 LCoS和 CCD像素坐标系映射示意图Fig.3 Pixel coordinate mapping diagrambetween LCoS and CCD日 摄像机模型为三维空间到二维平面的映射关系,因此通过选择在 LCoS平面内建立世界坐标的 yw轴,垂直 LCoS平面的建立 z 轴,简化为二维平面N-维平面的映射。
在摄像机系统中,空间映射的应用基于凶成像摄像机模型,把空间三维坐标 ( ,y ,Z )到理想图像坐标( , )描述为直接的线性变换,使用-个矩阵表示:r] qu q13 q ]s ·l il q i II I I1- Lq3l q32 q33 q34X ]lQ。
Z f1j Z1(4)式中:S为比例系数,Q为 DLT模型的参数矩阵。
根据系统特性,此像素对应关系可以采用空间映射数学模型。而摄像机模型是将三维的世界坐标转换为图像坐标,而在本文的研究中,是将 LCoS某点的坐标 ( ,)与理想图像坐标( , )描述为直接的线性变换,因此可以得到光平面坐标系坐标( ,Y )到理想图像坐标(,)的关系为:r ] I qIl q12 l l ll Yf I g2l g21j (5)由式(5),可以得出: f(q1lg J2 gl3)/(q31 q32 g3) (6) f(q2l g2 q23)/(q3l g32 g3)设有Ⅳ个用于标定的特征点,则其理想图像坐标和测量坐标系坐标分别为( , )和( Y )。根据式(6),可以得出:日 .a0 (7)l 1 l 0 0 0 - ul fl - l z1 - 0 0 0 l l 1 - 1·Yz1 - 1。yfl -Y 1 0 0 0 - · - 。 fI - 0 0 0 1 - ·Yl - ·Y -YuN N 1 0 0 0 -u ·x -∞ ·x - lN0 0 0 Ⅳ 1 - Ⅳ。Yz - Ⅳ。YfⅣ -YfⅣ解H·a0,式中a[q1l ql2 q13 q21 q2 q23 q3l q3q ,r为所求的线性变换矩阵。
为了避免平凡解a0的出现,将式(6)等式右边分子分母同时除以q 则式(6)变为:(ql/q13)口(g12/ql3)1M(q31/ql3) (q32/q13)q3/ql3(q21/ql3) (q22/q13)q23/q13(q31/q13) (g32/q13)q3/ql3(8)(9)152 仪 器 仪 表 学 报 第 3 4卷[5] KOLLIG T,KELLER A.Efficient ilumination by high dy-namic range images[C].Proceedings of the 14th Euro-graphics workshop on Rendering,Leuven,Belgium,2003:25.27。
6] MORENO I.Ilumination uniformity assessment based ofhuman vision[J].Opt.Lett.,2010,35:4030-4032。
[7] LUKAC R,PLATANIOTIS K N Color filter arrays:designand performance analysisJ 1.IEEE Transactions on Con-sumer Electromics,2005,51(4):1260-1267。
[8] WOLFF L B.Polarization-based material classificationfrom specular reflectionJ].IEEE Trans.Patern Analy-sis and Machine Intelligence,1990,12 (11):1059 1071。
[9] JONES B F,FAIRNEY P T.Recognition of shiny dielectricobjects by analyzing the polarization of reflected light[J]。
[10] FOSSUM E R.Digital camera system on a chip[J].Mi-cro,IEEE ,1998,18(3):8-15。
[11] 卢浩 ,刘团结,尤红建.亚像素级的图像配准方法[J]。
LU H.LIU T J.YOU H J.Method of subpixel image regis-tration[J].Foreign Electronic Measurement Technoogy,2012,31(4):45-49。
12] STOPPA D.SIMONI A,GONZO L,et a1.Novel CMOS im-age sensor with a 1 32-dB dynamic range[J].Solid-StateCircuits,2002,37(12):1846-1852。
[13] 耿文韬,朱为,堵国梁,等.单片彩色 LCoS显示系统的设计实现[J].现代电子技术,2008,31(12):41-43。
GENG W T,ZHU W ,DU G L,et a1.Design of single chipcolor LCoS display systemJ].Modern Electronics Tech-nique,2008,31(12):4143。
[14] 黄磊,林祖伦,董戴,等.新型彩色 LCOS头盔微显示器光学系统[J].电子器件,2005,28(3):482485。
HUANG L,LIN Z L,DONG D,et a1.New optical system0f fu1 color LCOS helmet microdisplayJ].Chinese Jour-nal of Electron Devices,2005,28(3):482-485。
15] 孙春雷,倪旭翔,陆祖康.基于 USB总线的 LCoS数码彩扩仪驱动设计[J].光学仪器,2007,29(1):3741。
SUN CH L,NI X X,LU Z K.LCOS digital color photofin-ishing system based on USB bus[J].Optical Instruments,2007,29(1):37-41。
[16] 何进,程亚奇.基于DSP的LCoS嵌入式图像投影接口设计[J].液晶与显示,2012,25(2):245-249。
HE J,CHENG Y Q.Embedded LCoS image projectiondisplay interface based on DSP[J].Chinese Journal ofLiquid Crystals and Displays,2012,25(2):245-249。
[17] MANNAMI H,SAGAWA R,MUKAIGAWA Y,et a1.Highdynamic range camera using reflective liquid crystal[C]。
Proc.International Conference on Computer Vision,2007:14-20。
[18] 邢书剑,曲兴华 ,王晟 ,等.采用高精度 自动定心机构的大尺寸内径测量[J].仪器仪表学报,2012,33(8):1681-1687。
XING SH J.Qu x H.WANG SH.et a1.Large-scale innerdiameter measurement with high precision automatic een-tering deviceJ 1.Chinese Journal of Scientifc Instru-ment,2012,33(8):1681-1687。
[19] 陈跃庭 ,许东晖,李奇.基于熵的图像稳定程度描述方法[J].仪器仪表学报,2006,27(增刊3):2121-2122。
CHEN Y T,XU D H,LI Q.Descriptive method for imagestability based on entropy I J 1.Chinese Journal of Scien-title Instrument,2006,27(Supp1.3):2121-2122。
作者简介杨中东,1998年于武汉测绘科技大学获得学士学位,现为天津大学博士研究生,主要研究方向为激光及光电检测技术。
E-mail:zdyang###tju.edu.cnYang Zhongdong received his B.Sc.degreefrom Wuhan Technical University of Surveying1998.Now he is a Ph.D.candidate in Tianjinresearch interests include computer machine vi-ectronic measurement technology。
王鹏(通讯作者 ),2004年于天津大学获得学士学位 ,2008年于天津大学获得博士学位,现为天津大学副教授 ,主要研究方向为激光及光电检测。
E-mail:wang peng###tju.edu.enWang Peng(Corresponding author)receivedhis B.Sc.degree in 2OO4 and Ph.D.degree in 2008 both from TianjinUniversity,Now he is an associate professor in Tianjin University.Hisresearch interests include machine vision and optical measurementtechnology。
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