本發(fā)明屬于光學(xué)成像，具體涉及一種利用光散射的成像動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、近十幾年來，光電成像系統(tǒng)的應(yīng)用一直受光電傳感器的動(dòng)態(tài)范圍制約，在應(yīng)用攝像機(jī)、光學(xué)瞄準(zhǔn)鏡等光電成像設(shè)備對(duì)視場(chǎng)內(nèi)存在高亮物體或光源的場(chǎng)景成像時(shí)，高亮光會(huì)造成光電傳感器的強(qiáng)度飽和，形成過曝現(xiàn)象，從而導(dǎo)致圖像質(zhì)量嚴(yán)重下降。高亮區(qū)域的過曝不僅使得圖像細(xì)節(jié)丟失，還可能引發(fā)一系列連鎖反應(yīng)，如導(dǎo)致測(cè)量誤差、目標(biāo)識(shí)別困難，甚至影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。因此大動(dòng)態(tài)范圍場(chǎng)景成像已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)，在交通視覺領(lǐng)域，大動(dòng)態(tài)范圍成像技術(shù)可以有效應(yīng)對(duì)強(qiáng)光和陰影并存的復(fù)雜路況，提升自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的識(shí)別精度和安全性。在自動(dòng)化機(jī)械制造領(lǐng)域，由于眩光的存在，對(duì)于探測(cè)設(shè)備來說，可能導(dǎo)致設(shè)備無法準(zhǔn)確捕捉目標(biāo)或圖像，進(jìn)而影響其探測(cè)精度和效率。同時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間處于眩光環(huán)境下，探測(cè)設(shè)備的視覺系統(tǒng)可能會(huì)產(chǎn)生疲勞，進(jìn)一步降低其工作性能，其帶來的影響包括工作效率下降、產(chǎn)品質(zhì)量下降、安全隱患增加等。在智能制造和安防監(jiān)控中，面對(duì)不斷變化的光照條件，大動(dòng)態(tài)范圍成像技術(shù)能確保實(shí)時(shí)監(jiān)控圖像的清晰度和穩(wěn)定性，保障生產(chǎn)和安全。在航空航天領(lǐng)域中，由于探照燈等強(qiáng)光源產(chǎn)生極強(qiáng)的眩光，使技術(shù)人員難以看清儀表，在低能見度的情況下，過高的光強(qiáng)度甚至可能會(huì)對(duì)技術(shù)人員的視線產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致眩光現(xiàn)象，影響其對(duì)周圍環(huán)境的判斷，因此大動(dòng)態(tài)范圍成像技術(shù)對(duì)于探測(cè)和分析復(fù)雜的空間環(huán)境、地面目標(biāo)等具有重要意義。而在計(jì)算攝影中，這種技術(shù)可以幫助攝影師在高對(duì)比度環(huán)境下拍攝出更具藝術(shù)表現(xiàn)力和視覺沖擊力的作品。目前大動(dòng)態(tài)范圍成像的技術(shù)種類有：強(qiáng)度衰減成像技術(shù)、大動(dòng)態(tài)范圍成像技術(shù)、事件相機(jī)成像技術(shù)等。

2、強(qiáng)度衰減成像技術(shù)利用衰減片等光學(xué)材料，可以有效調(diào)節(jié)進(jìn)入成像系統(tǒng)的光強(qiáng)度。這種技術(shù)可以均勻地降低所有波長(zhǎng)的光，從而在大動(dòng)態(tài)范圍場(chǎng)景中避免圖像飽和與細(xì)節(jié)丟失。

3、大動(dòng)態(tài)范圍成像技術(shù)(hdr)通過捕捉和合成一系列在不同曝光水平下拍攝的圖像，來實(shí)現(xiàn)在一個(gè)圖像中同時(shí)保留低亮度和高亮度區(qū)域的細(xì)節(jié)，從而獲得比單個(gè)曝光圖像更廣泛的動(dòng)態(tài)范圍。這種技術(shù)在需要同時(shí)捕捉暗部和亮部細(xì)節(jié)的場(chǎng)景中非常有效，例如在高對(duì)比度環(huán)境下的拍攝，能夠顯著提升圖像的細(xì)節(jié)表現(xiàn)力和視覺效果。其核心優(yōu)勢(shì)在于能夠通過軟件算法的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對(duì)多張圖像的精確合成和處理，提供更為逼真的視覺體驗(yàn)。

4、事件相機(jī)成像技術(shù)僅在檢測(cè)到亮度變化超過預(yù)設(shè)閾值時(shí)才輸出數(shù)據(jù)，這種工作機(jī)制使得事件相機(jī)具有極低的延遲、高動(dòng)態(tài)范圍、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。事件相機(jī)的這些特性使其在實(shí)時(shí)性要求高、光照變化劇烈的應(yīng)用場(chǎng)景中表現(xiàn)尤為突出，適用于動(dòng)態(tài)場(chǎng)景監(jiān)測(cè)和快速反應(yīng)的成像任務(wù)。

5、然而上述技術(shù)存在一定缺陷：

6、強(qiáng)度衰減成像技術(shù)使用衰減片等光學(xué)材料來降低進(jìn)入成像系統(tǒng)的光強(qiáng)度，在抑制背景光干擾的同時(shí)，也可能導(dǎo)致成像目標(biāo)的對(duì)比度降低，從而使得目標(biāo)細(xì)節(jié)信息難以被有效探測(cè)。盡管這種技術(shù)能夠在一定程度上解決高亮環(huán)境下的成像問題，但其對(duì)整體圖像質(zhì)量的影響不可忽視，特別是在對(duì)比度至關(guān)重要的場(chǎng)景中，這一缺陷尤為明顯。

7、hdr技術(shù)需要探測(cè)器采集多幀數(shù)據(jù)，如果在這一過程中探測(cè)器發(fā)生抖動(dòng)或者目標(biāo)發(fā)生運(yùn)動(dòng)，那么利用該成像技術(shù)合成數(shù)據(jù)就會(huì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)模糊或者鬼影。同時(shí)，大動(dòng)態(tài)范圍成像技術(shù)只是對(duì)現(xiàn)有信息進(jìn)行更好的融合，無法展現(xiàn)出用于合成的圖像中沒有的信息。這個(gè)局限性使得它在動(dòng)態(tài)場(chǎng)景或需要高精度靜態(tài)細(xì)節(jié)的場(chǎng)景中無法得到應(yīng)用。盡管通過算法優(yōu)化可以在一定程度上減輕這些問題，但其基礎(chǔ)限制仍然存在。

8、事件相機(jī)成像技術(shù)是具有微秒反應(yīng)時(shí)間的仿生傳感器(類腦)，可記錄每像素亮度變化的異步流，稱為“事件”，其通過檢測(cè)每個(gè)像素的亮度變化來生成一個(gè)事件。然而，事件相機(jī)僅能輸出運(yùn)動(dòng)的像素，在傳統(tǒng)的視覺方法中并不適用，同時(shí)，事件相機(jī)輸出只有“正負(fù)”信號(hào)，而沒有傳統(tǒng)光學(xué)成像中的強(qiáng)度信息，給后續(xù)目標(biāo)關(guān)鍵部位的識(shí)別和確認(rèn)帶來了巨大困難。例如，在進(jìn)行物體識(shí)別、特征提取等任務(wù)時(shí)，傳統(tǒng)相機(jī)依賴于豐富的灰度或彩色信息來確定物體的形狀、紋理和邊緣，而事件相機(jī)由于只能輸出亮度變化的事件信號(hào)，使得這些任務(wù)變得更加復(fù)雜和困難。

9、雖然這些技術(shù)在提高光電成像系統(tǒng)對(duì)大動(dòng)態(tài)范圍場(chǎng)景的適應(yīng)能力方面取得了一定的進(jìn)展，但是仍需在圖像質(zhì)量、實(shí)時(shí)性、系統(tǒng)成本、環(huán)境適應(yīng)性和應(yīng)用范圍等方面進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)。因此，研究一種擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍的成像技術(shù)具有重要應(yīng)用價(jià)值和前景。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，本發(fā)明提供了一種利用光散射的成像動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展方法及系統(tǒng)。本發(fā)明要解決的技術(shù)問題通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

2、第一方面，本發(fā)明提供了一種利用光散射的成像動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展方法，應(yīng)用于利用光散射的成像動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括空間光調(diào)制器、空間濾波器、散射調(diào)制器和探測(cè)器，所述利用光散射的成像動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展方法包括：

3、s100，調(diào)控空間光調(diào)制器，以使進(jìn)入所述空間光調(diào)制器的入射光場(chǎng)均反射至所述空間濾波器中；所述入射光場(chǎng)是大動(dòng)態(tài)范圍場(chǎng)景內(nèi)所有對(duì)象反射的光；

4、s200，利用空間濾波器對(duì)空間光調(diào)制器反饋的入射光場(chǎng)進(jìn)行濾波得到濾波后的光場(chǎng)；

5、s300，利用散射調(diào)制器對(duì)濾波后的光場(chǎng)進(jìn)行彌散得到第一散斑圖，再利用探測(cè)器探測(cè)所述第一散斑圖中的目標(biāo)輪廓信息得到目標(biāo)掩膜；

6、s400，基于目標(biāo)掩膜調(diào)控空間光調(diào)制器，以使進(jìn)入所述空間光調(diào)制器的入射光中含有目標(biāo)信息的部分光場(chǎng)反射至所述空間濾波器；

7、s500，利用空間濾波器對(duì)空間光調(diào)制器反饋的部分光場(chǎng)進(jìn)行濾波得到濾波后的部分光場(chǎng)；

8、s600，利用散射調(diào)制器對(duì)濾波后的部分光場(chǎng)進(jìn)行彌散得到第二散斑圖，再利用探測(cè)器探測(cè)第二散斑圖中的目標(biāo)信息得到目標(biāo)細(xì)節(jié)信息；

9、s700，根據(jù)所述目標(biāo)掩膜和所述目標(biāo)細(xì)節(jié)信息組合成原始目標(biāo)圖像。

10、第二方面，本發(fā)明提供了一種利用光散射的成像動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展系統(tǒng)，所述利用光散射的成像動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展系統(tǒng)利用第一方面所述的利用光散射的成像動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展方法進(jìn)行成像。

11、有益效果：

12、1、本發(fā)明提出的利用光散射的成像動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展方法，該方法在應(yīng)用時(shí)沒有引入復(fù)雜的光學(xué)元器件，流程簡(jiǎn)單。

13、2、本發(fā)明引入散射調(diào)制器對(duì)強(qiáng)光能量彌散化，再基于散射計(jì)算成像理論，不僅能夠在大動(dòng)態(tài)范圍條件下對(duì)目標(biāo)進(jìn)行恢復(fù)與重建，提高成像質(zhì)量提高探測(cè)的動(dòng)態(tài)范圍，還可以避免探測(cè)器靶面損壞。

14、3、本發(fā)明引入空間光調(diào)制器可以實(shí)時(shí)的在大動(dòng)態(tài)范圍場(chǎng)景下對(duì)目標(biāo)進(jìn)行選通，可以提高成像的實(shí)時(shí)性和精準(zhǔn)度。

15、以下將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。

技術(shù)特征：

1.一種利用光散射的成像動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展方法，其特征在于，應(yīng)用于利用光散射的成像動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括空間光調(diào)制器、空間濾波器、散射調(diào)制器和探測(cè)器，所述利用光散射的成像動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展方法包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用光散射的成像動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展方法，其特征在于，所述利用光散射的成像動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展方法還包括：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的利用光散射的成像動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展方法，其特征在于，所述實(shí)際成像條件包括：散射調(diào)制器與所述空間濾波器之間的距離、空間濾波器輸出的濾波后的光場(chǎng)的寬度和是否需要再次濾波的需求。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用光散射的成像動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展方法，其特征在于，s300包括：

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用光散射的成像動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展方法，其特征在于，s600包括：

6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的利用光散射的成像動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展方法，其特征在于，所述目標(biāo)重構(gòu)算法包括散斑恢復(fù)算法，所述散斑恢復(fù)算法采用解卷積算法恢復(fù)出圖像，所述散斑恢復(fù)算法的恢復(fù)過程用公式表示為：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的利用光散射的成像動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展方法，其特征在于，所述解卷積算法包括維納濾波算法、正則化解卷積算法和盲解卷積算法。

8.一種利用光散射的成像動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展系統(tǒng)，其特征在于，所述利用光散射的成像動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展系統(tǒng)利用權(quán)利要求1至7任一項(xiàng)所述的利用光散射的成像動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展方法進(jìn)行成像。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的利用光散射的成像動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展系統(tǒng)，其特征在于，所述利用光散射的成像動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展系統(tǒng)還包括：

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的利用光散射的成像動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展系統(tǒng)，其特征在于，所述實(shí)際成像條件包括：散射調(diào)制器與所述空間濾波器之間的距離、空間濾波器輸出的濾波后的光場(chǎng)的寬度和是否需要再次濾波的需求。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提出了一種利用光散射的成像動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展方法及系統(tǒng)，通過在成像過程中引入空間光調(diào)制器與散射調(diào)制器，通過調(diào)節(jié)空間光調(diào)制器內(nèi)部器件的調(diào)控模式動(dòng)態(tài)調(diào)整進(jìn)入后續(xù)成像系統(tǒng)的光場(chǎng)分布，生成掩膜從而去除強(qiáng)背景光的干擾，保留目標(biāo)的信息光，實(shí)現(xiàn)微米級(jí)別的目標(biāo)光信息快速積累與背景光抑制。引入散射調(diào)制器可以將成像系統(tǒng)中大動(dòng)態(tài)范圍場(chǎng)景光彌散化，擴(kuò)散強(qiáng)光能量，避免探測(cè)器過曝，使得原本超出探測(cè)器響應(yīng)范圍的信息能夠進(jìn)入可探測(cè)范圍內(nèi)，從而增大成像探測(cè)的動(dòng)態(tài)范圍，實(shí)現(xiàn)高效率及高性能的大動(dòng)態(tài)范圍成像。

技術(shù)研發(fā)人員：劉金鵬,喬敏達(dá),白林閣,楊浩東,張宇涵,張桐,劉飛,邵曉鵬
受保護(hù)的技術(shù)使用者：西安電子科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15