專利名稱：像素級自適應數字光學亮度衰減方法及衰減裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及圖像處理、視覺檢測技術，尤其是涉及像素級自適應數字光學亮度衰減方法及衰減器。
背景技術：
圖像采集作為光學測量系統的關鍵環節，圖像質量好能簡化后期的圖像處理和運算，提高檢測的速度和成功率，而圖像質量差，即使通過圖像的恢復、增強、均衡化等數字圖像處理方式也無法得到保證后續軟件正常處理的圖像質量，影響后續軟件的處理。使用圖像傳感器采集圖像的過程中，通常因為環境以及被測物體表面材質、結構、粗糙程度分布等因素的影響，將使反射光的強度差異過大，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量，通常在圖像采集裝置的前端增加特殊的模擬光學濾波 的方式，使采集到的圖像具有鮮明的對比度和亮度，從而簡化后期的圖像處理和運算，提高測量的速度和成功率。對于模擬光學濾波的方法只能對圖像采集到區域的光照情況進行整體改善，無法對于采集圖像的每一個像素的亮度進行精確控制。

發明內容
本發明旨在解決克服現有技術的不足，通過一種像素級自適應數字光學亮度衰減方法及衰減器，取代模擬光學濾波方式，能適應各種光學測量環境，解決圖像中曝光過飽和的現象，使圖像傳感器采集到的圖像質量最優。為達到上述目的，本發明采取的技術方案是，像素級自適應數字光學亮度衰減裝置，包括圖像傳感器，用于獲取被測物體的原始圖像；圖像采集卡，用于把原始圖像傳送到數據處理計算機中；自適應數字光學亮度衰減器，設置在被測物體與圖像傳感器之間，并與計算機相連，用于根據計算機的控制對被測物體圖像進行調整，將調整后的被測物體圖像輸出到圖像傳感器；數據處理計算機，用于對原始圖像進行評價，計算得到初始的自適應數字光學亮度衰減器初始化設置模板數據，對數字光學衰減器進行設置，對通過自適應數字光學亮度衰減器后圖像傳感器獲取的被測物體的原始圖像再次進行評價，并再次計算得到自適應數字光學亮度衰減器設置模板數據，對數字光學衰減器進行設置，通過多次反饋迭代，采集到質量最優圖像。自適應數字光學亮度衰減器包括物鏡，用于對被測物體成像； 偏振分束棱鏡，用于將物鏡獲得的被測物體的像顯示到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；自適應數字光學亮度衰減器與計算機相連是指，計算機通過數字可編程邏輯控制板對LCoS芯片上每一個像素的反射光的強度進行控制，以控制LCoS芯片反射后圖像的亮度。
數字可編程邏輯控制板由計算機通信接口、雙緩存存儲器、可編程邏輯器件、時鐘鎖相環、電源管理模塊組成，可編程邏輯器件根據時鐘鎖相環輸出的系統時鐘從其中一個緩存存儲器讀取控制參數并輸入到LCoS芯片中，對LCoS芯片每個像素的反射光參數進行驅動，計算機通過通信接口更新另一個緩存存儲器的LCoS芯片模板數據，緩存存儲器的數據更新完成后，向邏輯控制器件發送指令，切換緩存，使得可編程邏輯從剛更新的存儲器取數據輸入LCoS芯片進行驅動。像素級自適應數字光學亮度衰減方法，借助于前述像素級自適應數字光學亮度衰減裝置實現，并包括下列步驟使用圖像傳感器獲取被測物體的原始圖像，通過圖像采集卡把原始圖像傳送到數據處理計算機中，采用像素亮度自動調整算法軟件中的圖像質量評價算法對原始圖像進行評價，計算得到初始的LCoS芯片初始化設置模板數據，通過對自適應數字光學亮度衰減器進行設置；然后圖像傳感器再次采集經自適應數字光學亮度衰減器調整之后的被測物體圖像，再次傳送到數據處理計算機并且進行再次圖像自動亮度調整算法的計算，從而獲得的LCoS芯片設置模板數據，用于對數字光學亮度衰減器進行重新設置，通過多次反饋迭代，最 終采集到質量最優的圖像。本發明具有如下技術效果本發明采用高分辨率的LCoS作為像素級亮度調節的核心部件，與偏振分光棱鏡和相應的鏡頭組成光學亮度衰減器，光學亮度衰減器安裝在原有測量系統的攝像機前端，不用改變原有的測量系統結構。專用LCoS驅動系統、圖像采集裝置和亮度自動調整算法組成一個閉環反饋控制系統，可以對采集到的圖像的每一個像素的亮度進行調節，在視覺測量中可以避免因為環境和被測物結構等因素造成的圖像質量下降，改善圖像的質量。通過設置特殊LCoS控制數據，可以增強圖像中感興趣部分的圖像質量，例如在3D光學測量中可以對結構光圖像進行突出增強，對非測量部分進行濾波。


圖I系統結構模型。圖中①數據處理計算機②圖像采集卡③數字可編程邏輯控制板，④照明系統，⑤圖像傳感器，⑥鏡頭，⑦數字光學衰減器，⑧被測物體。圖2像素級可調數字光學亮度衰減器結構。圖中⑨偏振分束棱鏡，⑩LCoS芯片，◎物鏡， 成像物鏡。圖3系統控制流程。圖4算法流程。
具體實施例方式像素級圖像亮度自適應數字光學亮度衰減器能夠對采集的圖像的每一個像素的亮度進行精確調節，取代模擬光學濾波方式，能適應各種光學測量環境。本發明采用高分辨率硅基液晶(LCoS)設計一個對采集圖像的每一個像素的亮度可以任意調節的自適應數字光學亮度衰減器。在原有的測量系統結構不變的情況下，在圖像傳感器裝置的前端安裝數字光學亮度衰減器，并將圖像傳感器與計算機連接，形成一個反饋控制系統。計算機根據圖像傳感器采集到的圖像，通過像素亮度自適應算法對數字光學亮度衰減器進行反饋控制，調整數字光學亮度衰減器對每一個像素亮度的參數，優化圖像質量，解決圖像中曝光過飽和的現象，方便后續計算機數據處理軟件的處理。本發明通過設計像素亮度自動調整算法軟件，使用圖像評價函數對采集得到的圖像的每一個像素的亮度進行自動調節，精確控制采集圖像每一個亮度的增益值，將空間的高動態范圍的亮度調整到攝像機的動態范圍之內。同時根據亮度的增益值對圖像傳感器采集到的圖像進行亮度校正，得到真實測量區域的亮度分布，以便后續的測量計算。本發明由高分辨率的硅基液晶LCoS、分光鏡、偏振片、物象轉換鏡頭組成光學亮度衰減器，設計LCoS專用的驅動電路，使用圖像傳感器、圖像采集卡和數據處理軟件組成反饋控制系統。整體系統結構如圖I所示。⑤圖像傳感器即攝象機獲取⑧被測物體的原始圖像，通過②圖像采集卡把原始圖像傳送到數據處理①計算機中，采用像素亮度自動調整算法軟件中的圖像質量評價算法對原始圖像進行評價，計算得到初始的LCoS初始化設置模板數據，通過③數字可編程邏輯控制板對⑦數字光學衰減器進行設置。然后圖像傳感器再次采集經⑦數字光學衰減器調整之后的被測物體圖像，再次傳送到數據處理計算機并且進行再 次圖像自動亮度調整算法的計算，從而獲得的LCoS設置模板數據，用于對數字光學亮度衰減器進行重新設置。這樣通過多次反饋迭代，最終解決圖像中曝光過飽和的現象，使圖像傳感器采集到的圖像質量最優。像素級可調數字光學亮度衰減器結構如圖2所示。◎物鏡對⑧被測物體成像，通過⑨偏振分束棱鏡被測物體的像顯示到⑩LCoS芯片上，通過①可編程邏輯板對⑩LCoS芯片上每一個像素的反射光的強度進行控制，調整經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。使用像素級可調光學亮度衰減器實現了對采集圖像的每一個像素亮度的調節，通過圖像亮度自動調整算法可以實現采集圖像的亮度的自動調節。LCoS驅動電路原理如圖3所示。由計算機通信接口、雙緩存存儲器、可編程邏輯器件、時鐘鎖相環、電源管理等電路模塊組成。可編程邏輯器件根據系統時鐘從其中一個存儲器讀取控制參數并輸入到LCoS中，對其每個像素的反射光參數進行驅動。計算機通過通信接口更新另一個存儲器的LCoS模板數據。存儲器的數據更新完成后，向邏輯控制器件發送指令，切換緩存，使得可編程邏輯從剛更新的存儲器取數據輸入LCoS進行驅動。計算機像素級亮度自動調整算法軟件流程如圖4所示。攝像機采集圖像后對圖像質量進行評價，如果符合光學測量后續軟件處理的要求可以停止。如果圖像質量不符合要求，根據圖像評價標準，使用亮度自動調整算法對采集的圖像重新進行計算，得到LCoS設置數據。通過計算機通信接口對LCoS模板數據進行更新，重新進行圖像采集。通過多次采集、計算和LCoS模板數據的更新，最終采集到得到最優的圖像質量，以便后續的測量計算。本發明采用高分辨率的LCoS作為像素級亮度調節的核心部件，與偏振分光棱鏡和相應的鏡頭組成光學亮度衰減器，光學亮度衰減器安裝在原有測量系統的攝像機前端，不用改變原有的測量系統結構。專用LCoS驅動系統、圖像采集裝置和亮度自動調整算法組成一個閉環反饋控制系統，可以對采集到的圖像的每一個像素的亮度進行調節，在視覺測量中可以避免因為環境和被測物結構等因素造成的圖像質量下降，改善圖像的質量。通過設置特殊LCoS控制數據，可以增強圖像中感興趣部分的圖像質量，例如在3D光學測量中可以對結構光圖像進行突出增強，對非測量部分進行濾波。
在原有的光學測量系統圖像傳感器的前端安裝像素級圖像亮度自適應調整光學亮度衰減器，計算機上安裝像素級亮度調節算法軟件，連接LCoS控制板和計算機通信接口。測量過程中攝像機拍攝被測物體圖像，經亮度調節算法軟件對測量圖 像進行評價之后，設置LCoS的控制參數，對被測物物體圖像的亮度進行調節，滿足攝像機拍攝的動態范圍，獲取最優的圖像質量。根據LCoS的控制參數 以便后續光學測量。
權利要求
1.一種像素級自適應數字光學亮度衰減裝置，其特征是，包括 圖像傳感器，用于獲取被測物體的原始圖像； 圖像采集卡，用于把原始圖像傳送到數據處理計算機中； 自適應數字光學亮度衰減器，設置在被測物體與圖像傳感器之間，并與計算機相連，用于根據計算機的控制對被測物體圖像進行調整，將調整后的被測物體圖像輸出到圖像傳感器； 數據處理計算機，用于對原始圖像進行評價，計算得到初始的自適應數字光學亮度衰減器初始化設置模板數據，對數字光學衰減器進行設置，對通過自適應數字光學亮度衰減器后圖像傳感器獲取的被測物體的原始圖像再次進行評價，并再次計算得到自適應數字光學亮度衰減器設置模板數據，對數字光學衰減器進行設置，通過多次反饋迭代，采集到質量最優圖像。
2.如權利要求I所述的裝置，其特征是，自適應數字光學亮度衰減器包括 物鏡，用于對被測物體成像； 偏振分束棱鏡，用于將物鏡獲得的被測物體的像顯示到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；自適應數字光學亮度衰減器與計算機相連是指，計算機通過數字可編程邏輯控制板對LCoS芯片上每一個像素的反射光的強度進行控制，以控制LCoS芯片反射后圖像的亮度。
3.如權利要求I所述的裝置，其特征是，數字可編程邏輯控制板由計算機通信接口、雙緩存存儲器、可編程邏輯器件、時鐘鎖相環、電源管理模塊組成，可編程邏輯器件根據時鐘鎖相環輸出的系統時鐘從其中一個緩存存儲器讀取控制參數并輸入到LCoS芯片中，對LCoS芯片每個像素的反射光參數進行驅動，計算機通過通信接口更新另一個緩存存儲器的LCoS芯片模板數據，緩存存儲器的數據更新完成后，向邏輯控制器件發送指令，切換緩存，使得可編程邏輯從剛更新的存儲器取數據輸入LCoS芯片進行驅動。
4.一種像素級自適應數字光學亮度衰減方法，其特征是，像素級自適應數字光學亮度衰減方法，借助于前述像素級自適應數字光學亮度衰減裝置實現，并包括下列步驟使用圖像傳感器獲取被測物體的原始圖像，通過圖像采集卡把原始圖像傳送到數據處理計算機中，采用像素亮度自動調整算法軟件中的圖像質量評價算法對原始圖像進行評價，計算得到初始的LCoS芯片初始化設置模板數據，通過對自適應數字光學亮度衰減器進行設置；然后圖像傳感器再次采集經自適應數字光學亮度衰減器調整之后的被測物體圖像，再次傳送到數據處理計算機并且進行再次圖像自動亮度調整算法的計算，從而獲得的LCoS芯片設置模板數據，用于對數字光學亮度衰減器進行重新設置，通過多次反饋迭代，最終采集到質量最優的圖像。
全文摘要
本發明涉及圖像處理、視覺檢測技術。為適應各種光學測量環境，解決圖像中曝光過飽和的現象，使圖像傳感器采集到的圖像質量最優，本發明采取的技術方案是，像素級自適應數字光學亮度衰減裝置，包括圖像傳感器，用于獲取被測物體的原始圖像；圖像采集卡，用于把原始圖像傳送到數據處理計算機中；自適應數字光學亮度衰減器，設置在被測物體與圖像傳感器之間，并與計算機相連，用于根據計算機的控制對被測物體圖像進行調整，將調整后的被測物體圖像輸出到圖像傳感器；數據處理計算機。本發明主要應用于舌體信息提取。
文檔編號G01B11/24GK102679905SQ201210006919
公開日2012年9月19日 申請日期2012年1月10日 優先權日2012年1月10日
發明者孫長庫, 楊中東, 王鵬 申請人:天津大學