專利名稱：像素級(jí)自適應(yīng)數(shù)字光學(xué)亮度衰減方法及衰減裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及圖像處理、視覺檢測(cè)技術(shù)，尤其是涉及像素級(jí)自適應(yīng)數(shù)字光學(xué)亮度衰減方法及衰減器。
背景技術(shù)：
圖像采集作為光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，圖像質(zhì)量好能簡化后期的圖像處理和運(yùn)算，提高檢測(cè)的速度和成功率，而圖像質(zhì)量差，即使通過圖像的恢復(fù)、增強(qiáng)、均衡化等數(shù)字圖像處理方式也無法得到保證后續(xù)軟件正常處理的圖像質(zhì)量，影響后續(xù)軟件的處理。使用圖像傳感器采集圖像的過程中，通常因?yàn)榄h(huán)境以及被測(cè)物體表面材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、粗糙程度分布等因素的影響，將使反射光的強(qiáng)度差異過大，造成采集到的圖像局部曝光過飽和。為了改善采集到的圖像質(zhì)量，通常在圖像采集裝置的前端增加特殊的模擬光學(xué)濾波 的方式，使采集到的圖像具有鮮明的對(duì)比度和亮度，從而簡化后期的圖像處理和運(yùn)算，提高測(cè)量的速度和成功率。對(duì)于模擬光學(xué)濾波的方法只能對(duì)圖像采集到區(qū)域的光照情況進(jìn)行整體改善，無法對(duì)于采集圖像的每一個(gè)像素的亮度進(jìn)行精確控制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在解決克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，通過一種像素級(jí)自適應(yīng)數(shù)字光學(xué)亮度衰減方法及衰減器，取代模擬光學(xué)濾波方式，能適應(yīng)各種光學(xué)測(cè)量環(huán)境，解決圖像中曝光過飽和的現(xiàn)象，使圖像傳感器采集到的圖像質(zhì)量最優(yōu)。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，像素級(jí)自適應(yīng)數(shù)字光學(xué)亮度衰減裝置，包括圖像傳感器，用于獲取被測(cè)物體的原始圖像；圖像采集卡，用于把原始圖像傳送到數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)中；自適應(yīng)數(shù)字光學(xué)亮度衰減器，設(shè)置在被測(cè)物體與圖像傳感器之間，并與計(jì)算機(jī)相連，用于根據(jù)計(jì)算機(jī)的控制對(duì)被測(cè)物體圖像進(jìn)行調(diào)整，將調(diào)整后的被測(cè)物體圖像輸出到圖像傳感器；數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)，用于對(duì)原始圖像進(jìn)行評(píng)價(jià)，計(jì)算得到初始的自適應(yīng)數(shù)字光學(xué)亮度衰減器初始化設(shè)置模板數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)字光學(xué)衰減器進(jìn)行設(shè)置，對(duì)通過自適應(yīng)數(shù)字光學(xué)亮度衰減器后圖像傳感器獲取的被測(cè)物體的原始圖像再次進(jìn)行評(píng)價(jià)，并再次計(jì)算得到自適應(yīng)數(shù)字光學(xué)亮度衰減器設(shè)置模板數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)字光學(xué)衰減器進(jìn)行設(shè)置，通過多次反饋迭代，采集到質(zhì)量最優(yōu)圖像。自適應(yīng)數(shù)字光學(xué)亮度衰減器包括物鏡，用于對(duì)被測(cè)物體成像； 偏振分束棱鏡，用于將物鏡獲得的被測(cè)物體的像顯示到LCoS芯片上，被LCoS芯片反射的光透過偏振分束棱鏡后，通過成像物鏡在圖像傳感器上成像；自適應(yīng)數(shù)字光學(xué)亮度衰減器與計(jì)算機(jī)相連是指，計(jì)算機(jī)通過數(shù)字可編程邏輯控制板對(duì)LCoS芯片上每一個(gè)像素的反射光的強(qiáng)度進(jìn)行控制，以控制LCoS芯片反射后圖像的亮度。
數(shù)字可編程邏輯控制板由計(jì)算機(jī)通信接口、雙緩存存儲(chǔ)器、可編程邏輯器件、時(shí)鐘鎖相環(huán)、電源管理模塊組成，可編程邏輯器件根據(jù)時(shí)鐘鎖相環(huán)輸出的系統(tǒng)時(shí)鐘從其中一個(gè)緩存存儲(chǔ)器讀取控制參數(shù)并輸入到LCoS芯片中，對(duì)LCoS芯片每個(gè)像素的反射光參數(shù)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，計(jì)算機(jī)通過通信接口更新另一個(gè)緩存存儲(chǔ)器的LCoS芯片模板數(shù)據(jù)，緩存存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)更新完成后，向邏輯控制器件發(fā)送指令，切換緩存，使得可編程邏輯從剛更新的存儲(chǔ)器取數(shù)據(jù)輸入LCoS芯片進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。像素級(jí)自適應(yīng)數(shù)字光學(xué)亮度衰減方法，借助于前述像素級(jí)自適應(yīng)數(shù)字光學(xué)亮度衰減裝置實(shí)現(xiàn)，并包括下列步驟使用圖像傳感器獲取被測(cè)物體的原始圖像，通過圖像采集卡把原始圖像傳送到數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)中，采用像素亮度自動(dòng)調(diào)整算法軟件中的圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)算法對(duì)原始圖像進(jìn)行評(píng)價(jià)，計(jì)算得到初始的LCoS芯片初始化設(shè)置模板數(shù)據(jù)，通過對(duì)自適應(yīng)數(shù)字光學(xué)亮度衰減器進(jìn)行設(shè)置；然后圖像傳感器再次采集經(jīng)自適應(yīng)數(shù)字光學(xué)亮度衰減器調(diào)整之后的被測(cè)物體圖像，再次傳送到數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)并且進(jìn)行再次圖像自動(dòng)亮度調(diào)整算法的計(jì)算，從而獲得的LCoS芯片設(shè)置模板數(shù)據(jù)，用于對(duì)數(shù)字光學(xué)亮度衰減器進(jìn)行重新設(shè)置，通過多次反饋迭代，最 終采集到質(zhì)量最優(yōu)的圖像。本發(fā)明具有如下技術(shù)效果本發(fā)明采用高分辨率的LCoS作為像素級(jí)亮度調(diào)節(jié)的核心部件，與偏振分光棱鏡和相應(yīng)的鏡頭組成光學(xué)亮度衰減器，光學(xué)亮度衰減器安裝在原有測(cè)量系統(tǒng)的攝像機(jī)前端，不用改變?cè)械臏y(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。專用LCoS驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、圖像采集裝置和亮度自動(dòng)調(diào)整算法組成一個(gè)閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，可以對(duì)采集到的圖像的每一個(gè)像素的亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)，在視覺測(cè)量中可以避免因?yàn)榄h(huán)境和被測(cè)物結(jié)構(gòu)等因素造成的圖像質(zhì)量下降，改善圖像的質(zhì)量。通過設(shè)置特殊LCoS控制數(shù)據(jù)，可以增強(qiáng)圖像中感興趣部分的圖像質(zhì)量，例如在3D光學(xué)測(cè)量中可以對(duì)結(jié)構(gòu)光圖像進(jìn)行突出增強(qiáng)，對(duì)非測(cè)量部分進(jìn)行濾波。


圖I系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型。圖中①數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)②圖像采集卡③數(shù)字可編程邏輯控制板，④照明系統(tǒng)，⑤圖像傳感器，⑥鏡頭，⑦數(shù)字光學(xué)衰減器，⑧被測(cè)物體。圖2像素級(jí)可調(diào)數(shù)字光學(xué)亮度衰減器結(jié)構(gòu)。圖中⑨偏振分束棱鏡，⑩LCoS芯片，◎物鏡， 成像物鏡。圖3系統(tǒng)控制流程。圖4算法流程。
具體實(shí)施例方式像素級(jí)圖像亮度自適應(yīng)數(shù)字光學(xué)亮度衰減器能夠?qū)Σ杉膱D像的每一個(gè)像素的亮度進(jìn)行精確調(diào)節(jié)，取代模擬光學(xué)濾波方式，能適應(yīng)各種光學(xué)測(cè)量環(huán)境。本發(fā)明采用高分辨率硅基液晶(LCoS)設(shè)計(jì)一個(gè)對(duì)采集圖像的每一個(gè)像素的亮度可以任意調(diào)節(jié)的自適應(yīng)數(shù)字光學(xué)亮度衰減器。在原有的測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不變的情況下，在圖像傳感器裝置的前端安裝數(shù)字光學(xué)亮度衰減器，并將圖像傳感器與計(jì)算機(jī)連接，形成一個(gè)反饋控制系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)根據(jù)圖像傳感器采集到的圖像，通過像素亮度自適應(yīng)算法對(duì)數(shù)字光學(xué)亮度衰減器進(jìn)行反饋控制，調(diào)整數(shù)字光學(xué)亮度衰減器對(duì)每一個(gè)像素亮度的參數(shù)，優(yōu)化圖像質(zhì)量，解決圖像中曝光過飽和的現(xiàn)象，方便后續(xù)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件的處理。本發(fā)明通過設(shè)計(jì)像素亮度自動(dòng)調(diào)整算法軟件，使用圖像評(píng)價(jià)函數(shù)對(duì)采集得到的圖像的每一個(gè)像素的亮度進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，精確控制采集圖像每一個(gè)亮度的增益值，將空間的高動(dòng)態(tài)范圍的亮度調(diào)整到攝像機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍之內(nèi)。同時(shí)根據(jù)亮度的增益值對(duì)圖像傳感器采集到的圖像進(jìn)行亮度校正，得到真實(shí)測(cè)量區(qū)域的亮度分布，以便后續(xù)的測(cè)量計(jì)算。本發(fā)明由高分辨率的硅基液晶LCoS、分光鏡、偏振片、物象轉(zhuǎn)換鏡頭組成光學(xué)亮度衰減器，設(shè)計(jì)LCoS專用的驅(qū)動(dòng)電路，使用圖像傳感器、圖像采集卡和數(shù)據(jù)處理軟件組成反饋控制系統(tǒng)。整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖I所示。⑤圖像傳感器即攝象機(jī)獲取⑧被測(cè)物體的原始圖像，通過②圖像采集卡把原始圖像傳送到數(shù)據(jù)處理①計(jì)算機(jī)中，采用像素亮度自動(dòng)調(diào)整算法軟件中的圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)算法對(duì)原始圖像進(jìn)行評(píng)價(jià)，計(jì)算得到初始的LCoS初始化設(shè)置模板數(shù)據(jù)，通過③數(shù)字可編程邏輯控制板對(duì)⑦數(shù)字光學(xué)衰減器進(jìn)行設(shè)置。然后圖像傳感器再次采集經(jīng)⑦數(shù)字光學(xué)衰減器調(diào)整之后的被測(cè)物體圖像，再次傳送到數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)并且進(jìn)行再 次圖像自動(dòng)亮度調(diào)整算法的計(jì)算，從而獲得的LCoS設(shè)置模板數(shù)據(jù)，用于對(duì)數(shù)字光學(xué)亮度衰減器進(jìn)行重新設(shè)置。這樣通過多次反饋迭代，最終解決圖像中曝光過飽和的現(xiàn)象，使圖像傳感器采集到的圖像質(zhì)量最優(yōu)。像素級(jí)可調(diào)數(shù)字光學(xué)亮度衰減器結(jié)構(gòu)如圖2所示?！蛭镧R對(duì)⑧被測(cè)物體成像，通過⑨偏振分束棱鏡被測(cè)物體的像顯示到⑩LCoS芯片上，通過①可編程邏輯板對(duì)⑩LCoS芯片上每一個(gè)像素的反射光的強(qiáng)度進(jìn)行控制，調(diào)整經(jīng)⑩LCoS芯片反射后圖像的亮度。被⑩LCoS芯片反射的光透過⑨偏振分束棱鏡后，通過 成像物鏡在⑥圖像傳感器上成像。使用像素級(jí)可調(diào)光學(xué)亮度衰減器實(shí)現(xiàn)了對(duì)采集圖像的每一個(gè)像素亮度的調(diào)節(jié)，通過圖像亮度自動(dòng)調(diào)整算法可以實(shí)現(xiàn)采集圖像的亮度的自動(dòng)調(diào)節(jié)。LCoS驅(qū)動(dòng)電路原理如圖3所示。由計(jì)算機(jī)通信接口、雙緩存存儲(chǔ)器、可編程邏輯器件、時(shí)鐘鎖相環(huán)、電源管理等電路模塊組成?？删幊踢壿嬈骷鶕?jù)系統(tǒng)時(shí)鐘從其中一個(gè)存儲(chǔ)器讀取控制參數(shù)并輸入到LCoS中，對(duì)其每個(gè)像素的反射光參數(shù)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。計(jì)算機(jī)通過通信接口更新另一個(gè)存儲(chǔ)器的LCoS模板數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)更新完成后，向邏輯控制器件發(fā)送指令，切換緩存，使得可編程邏輯從剛更新的存儲(chǔ)器取數(shù)據(jù)輸入LCoS進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。計(jì)算機(jī)像素級(jí)亮度自動(dòng)調(diào)整算法軟件流程如圖4所示。攝像機(jī)采集圖像后對(duì)圖像質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，如果符合光學(xué)測(cè)量后續(xù)軟件處理的要求可以停止。如果圖像質(zhì)量不符合要求，根據(jù)圖像評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，使用亮度自動(dòng)調(diào)整算法對(duì)采集的圖像重新進(jìn)行計(jì)算，得到LCoS設(shè)置數(shù)據(jù)。通過計(jì)算機(jī)通信接口對(duì)LCoS模板數(shù)據(jù)進(jìn)行更新，重新進(jìn)行圖像采集。通過多次采集、計(jì)算和LCoS模板數(shù)據(jù)的更新，最終采集到得到最優(yōu)的圖像質(zhì)量，以便后續(xù)的測(cè)量計(jì)算。本發(fā)明采用高分辨率的LCoS作為像素級(jí)亮度調(diào)節(jié)的核心部件，與偏振分光棱鏡和相應(yīng)的鏡頭組成光學(xué)亮度衰減器，光學(xué)亮度衰減器安裝在原有測(cè)量系統(tǒng)的攝像機(jī)前端，不用改變?cè)械臏y(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。專用LCoS驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、圖像采集裝置和亮度自動(dòng)調(diào)整算法組成一個(gè)閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，可以對(duì)采集到的圖像的每一個(gè)像素的亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)，在視覺測(cè)量中可以避免因?yàn)榄h(huán)境和被測(cè)物結(jié)構(gòu)等因素造成的圖像質(zhì)量下降，改善圖像的質(zhì)量。通過設(shè)置特殊LCoS控制數(shù)據(jù)，可以增強(qiáng)圖像中感興趣部分的圖像質(zhì)量，例如在3D光學(xué)測(cè)量中可以對(duì)結(jié)構(gòu)光圖像進(jìn)行突出增強(qiáng)，對(duì)非測(cè)量部分進(jìn)行濾波。
在原有的光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)圖像傳感器的前端安裝像素級(jí)圖像亮度自適應(yīng)調(diào)整光學(xué)亮度衰減器，計(jì)算機(jī)上安裝像素級(jí)亮度調(diào)節(jié)算法軟件，連接LCoS控制板和計(jì)算機(jī)通信接口。測(cè)量過程中攝像機(jī)拍攝被測(cè)物體圖像，經(jīng)亮度調(diào)節(jié)算法軟件對(duì)測(cè)量圖 像進(jìn)行評(píng)價(jià)之后，設(shè)置LCoS的控制參數(shù)，對(duì)被測(cè)物物體圖像的亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)，滿足攝像機(jī)拍攝的動(dòng)態(tài)范圍，獲取最優(yōu)的圖像質(zhì)量。根據(jù)LCoS的控制參數(shù) 以便后續(xù)光學(xué)測(cè)量。
權(quán)利要求
1.一種像素級(jí)自適應(yīng)數(shù)字光學(xué)亮度衰減裝置，其特征是，包括 圖像傳感器，用于獲取被測(cè)物體的原始圖像； 圖像采集卡，用于把原始圖像傳送到數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)中； 自適應(yīng)數(shù)字光學(xué)亮度衰減器，設(shè)置在被測(cè)物體與圖像傳感器之間，并與計(jì)算機(jī)相連，用于根據(jù)計(jì)算機(jī)的控制對(duì)被測(cè)物體圖像進(jìn)行調(diào)整，將調(diào)整后的被測(cè)物體圖像輸出到圖像傳感器； 數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)，用于對(duì)原始圖像進(jìn)行評(píng)價(jià)，計(jì)算得到初始的自適應(yīng)數(shù)字光學(xué)亮度衰減器初始化設(shè)置模板數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)字光學(xué)衰減器進(jìn)行設(shè)置，對(duì)通過自適應(yīng)數(shù)字光學(xué)亮度衰減器后圖像傳感器獲取的被測(cè)物體的原始圖像再次進(jìn)行評(píng)價(jià)，并再次計(jì)算得到自適應(yīng)數(shù)字光學(xué)亮度衰減器設(shè)置模板數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)字光學(xué)衰減器進(jìn)行設(shè)置，通過多次反饋迭代，采集到質(zhì)量最優(yōu)圖像。
2.如權(quán)利要求I所述的裝置，其特征是，自適應(yīng)數(shù)字光學(xué)亮度衰減器包括 物鏡，用于對(duì)被測(cè)物體成像； 偏振分束棱鏡，用于將物鏡獲得的被測(cè)物體的像顯示到LCoS芯片上，被LCoS芯片反射的光透過偏振分束棱鏡后，通過成像物鏡在圖像傳感器上成像；自適應(yīng)數(shù)字光學(xué)亮度衰減器與計(jì)算機(jī)相連是指，計(jì)算機(jī)通過數(shù)字可編程邏輯控制板對(duì)LCoS芯片上每一個(gè)像素的反射光的強(qiáng)度進(jìn)行控制，以控制LCoS芯片反射后圖像的亮度。
3.如權(quán)利要求I所述的裝置，其特征是，數(shù)字可編程邏輯控制板由計(jì)算機(jī)通信接口、雙緩存存儲(chǔ)器、可編程邏輯器件、時(shí)鐘鎖相環(huán)、電源管理模塊組成，可編程邏輯器件根據(jù)時(shí)鐘鎖相環(huán)輸出的系統(tǒng)時(shí)鐘從其中一個(gè)緩存存儲(chǔ)器讀取控制參數(shù)并輸入到LCoS芯片中，對(duì)LCoS芯片每個(gè)像素的反射光參數(shù)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，計(jì)算機(jī)通過通信接口更新另一個(gè)緩存存儲(chǔ)器的LCoS芯片模板數(shù)據(jù)，緩存存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)更新完成后，向邏輯控制器件發(fā)送指令，切換緩存，使得可編程邏輯從剛更新的存儲(chǔ)器取數(shù)據(jù)輸入LCoS芯片進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。
4.一種像素級(jí)自適應(yīng)數(shù)字光學(xué)亮度衰減方法，其特征是，像素級(jí)自適應(yīng)數(shù)字光學(xué)亮度衰減方法，借助于前述像素級(jí)自適應(yīng)數(shù)字光學(xué)亮度衰減裝置實(shí)現(xiàn)，并包括下列步驟使用圖像傳感器獲取被測(cè)物體的原始圖像，通過圖像采集卡把原始圖像傳送到數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)中，采用像素亮度自動(dòng)調(diào)整算法軟件中的圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)算法對(duì)原始圖像進(jìn)行評(píng)價(jià)，計(jì)算得到初始的LCoS芯片初始化設(shè)置模板數(shù)據(jù)，通過對(duì)自適應(yīng)數(shù)字光學(xué)亮度衰減器進(jìn)行設(shè)置；然后圖像傳感器再次采集經(jīng)自適應(yīng)數(shù)字光學(xué)亮度衰減器調(diào)整之后的被測(cè)物體圖像，再次傳送到數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)并且進(jìn)行再次圖像自動(dòng)亮度調(diào)整算法的計(jì)算，從而獲得的LCoS芯片設(shè)置模板數(shù)據(jù)，用于對(duì)數(shù)字光學(xué)亮度衰減器進(jìn)行重新設(shè)置，通過多次反饋迭代，最終采集到質(zhì)量最優(yōu)的圖像。
全文摘要
本發(fā)明涉及圖像處理、視覺檢測(cè)技術(shù)。為適應(yīng)各種光學(xué)測(cè)量環(huán)境，解決圖像中曝光過飽和的現(xiàn)象，使圖像傳感器采集到的圖像質(zhì)量最優(yōu)，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，像素級(jí)自適應(yīng)數(shù)字光學(xué)亮度衰減裝置，包括圖像傳感器，用于獲取被測(cè)物體的原始圖像；圖像采集卡，用于把原始圖像傳送到數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)中；自適應(yīng)數(shù)字光學(xué)亮度衰減器，設(shè)置在被測(cè)物體與圖像傳感器之間，并與計(jì)算機(jī)相連，用于根據(jù)計(jì)算機(jī)的控制對(duì)被測(cè)物體圖像進(jìn)行調(diào)整，將調(diào)整后的被測(cè)物體圖像輸出到圖像傳感器；數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)。本發(fā)明主要應(yīng)用于舌體信息提取。
文檔編號(hào)G01B11/24GK102679905SQ201210006919
公開日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2012年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月10日
發(fā)明者孫長庫, 楊中東, 王鵬 申請(qǐng)人:天津大學(xué)