专利名称：用于人工增强图像显示对比度的系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于增强使用诸如电视摄像机(TV )或人眼本身的 二维光传感器的观测系统的对比度的系统，由于该系统避免或显著 地减d 、 了所观测图像的对比度和质量的损失，该系统能够在不利的 条件下扩大目标或人员的检测或识别范围，所述对比度和质量的损 失是由于降低由所观测的情景中强烈的聚光灯、反射表面、或光散 射层的存在产生的效果而引起的。通过4吏用辅助外部照明源，该系 统还能够人工修改图像内的对象之中的对比度，从而与传统的观测
系统对比增加了监测和识别范围D
背景技术：
在用传统光学仪器或闭路电视系统的场景观观'j期间的检观'j或 识别目标的能力在诸如民事保护、营救、军队和警务工作科学研究 等多个不同领域的申请中得到了较高的关注。与基于热成像摄像机 的观测系统不同，在这样的观测系统中的目标(对象或个人)发射 可冲企测的辐射，基于近红外线或更短波长的传感器用TV系统显示 非发光的目标需要通过场景中的目标或其它对象向一些照明源(自 然或人工的)所发射的光的观测系统进行部分反射。当用由传统的 基于透镜的光学仪器协助的人眼进行显示时，将发生相同的情形。 用这些传统的 见测系统#r测和识别对象的能力在^f氐照明条件下受 到限制。在这种情况下，将影像增强器(诸如那些在被动夜视系统 中所4吏用的影^象增强器)添加到观测系统，这才是高了显示并且能够扩大4全测和识别的范围。当在所乂见测的场景中的对象没有4妄收到足 够的照明时，也可以用辅助人工光源来照明，以使j妄收更多由对象 反射的光，从而无论该系统是否包括影像增强器都可以提高信噪 比。另一方面，在待观测的场景包括强聚光灯以及被动目标的情况 下，在才企测器中需要4交大的、并非总是可用到的动态范围，以<更避 免由于摄像机传感器或影像增强器的饱和度而造成在聚光灯附近 的对象中的对比度损失。从而降低检测和/或识别范围。在这种情况 下的手段包括使检测器上的信号电平衰减从而通过使用滤波器、降 低辅助照明电平、或者通过其它可选手,更避免4企测器中的饱和度。 在这样的做法中，在传感器中从弱照射的对象所接收的光明显减 少，从而降低了信噪比并且使所接收的光接近或低于系统的噪音等 岁文功率的那些乂t象不易夷争别。
另一不利情形是对象与其周围环境相似时，很有可能使对象的
^H则或识别变得困难。
目前，针对军事行动，为改进伪装制月良(mimic uniform )以及 屏蔽(screening)由个人或车辆所散发的热量，研究正在进行。基 于某类蝴i莱用来在不涉及色素的前4是下改变其翅膀的颜色的相似 原理，当前研究正在进行以应用热辐射屏蔽的衍射技术。
也会避开外部散热的伪装制服能够将目标隐藏到基于热成像 才聂像机的观测系统以及传统的观测系统。
;改置在观测系统与场景中的某个对象之间的部分反射的存在 在4艮多情况下也代表不利的观测条件。当待观测的对象的照明必须 通过部分反射表面时，观测系统接收与在由表面反射的光的背景下 甚至也难以识别的对象在时间和空间上重叠的对象。当由对象所反 射的光叠加到由光散射层(诸如烟、雾、大雨)反射的光的背景时，
6或者例如叠加到来自放置在观测系统和对象之间的火的光时，则发 生相同的情形。
因此，有必要在传统乂见测系统上引入改进，所述改进将增加在 不利条件下的系统的检测和识别范围，或者基于热成像摄像机将能 够显示^见测系统未才全测到的热屏蔽目标。
本文所公开的系统在很大程度上包含了这个需求。
发明内容
当在难以或不可能用传统光学或热学系统进4亍7见测的不利条 件下利用传统的光学系统或闭路电一见系统时，本文所7>开的系统以 最佳方式用于提高对象或个人的检测和识别范围。
根据本发明，该系统以脉沖照明和抑制图像形成的装置的结合
为基础，并且包4舌至少一个下面的元4牛
脉冲光源，理想地为激光或发光二级管。在立体角(solid angle ) 内以发散光束的形式发射短持续时间的照明脉冲，以便瞬时照射放 置在所述立体角内的乂十象。 一部分照明月永冲通过》文置在照明立体角 内的7于象向7见测系乡克反射。
光学或反折射组件，用于接收由所照射的对象反射的光，并且 形成这些对象的图4象。理想地，这个组件具有可以通过电才几或其它 构件控制的可变焦距，从而能够在可变距离处聚焦，并且使能区域 控制的深度。
一个装置，用于选择性地抑制来自观测系统的图像输出。这种 装置^f又在确定的时间间隔期间内使能输出图4象。该装置可以是光 电、电光或声光装置，或者是基于液晶的装置。优选地，可以用光电图像传输装置完成抑制，所述光电传输装置包括二维光敏传感器 以及荧光或电致发光屏。光学组件在传感器上聚焦图像，其中将在 其上产生执行图像信息的电信号。不考虑这个装置的内部机构，这 个装置将在聚焦于其传感器上的图像的屏幕上产生复本。在屏幕上 所显示的图像可以用肉眼通过目镜看到，或者通过TV摄像机获取， 并且在监视器上显示。具体地，使用影像增强器作为图像抑制装置 在观察系统中提供亮度增益的优点。
用于探测和系统同步的电子单元，用于控制照明脉冲发射的时 刻及其光学能量，并且在可调整的时间延迟后触发时间间隔也可调 整时间间隔的图像的使能，以便控制一定范围的距离，放置在所述 范围内的反射对象会出现在图像中，并且避免了来自放置在所述距 离范围外的对像的任何反射，所述距离范围由上述时间延迟和时间 间隔设定。以这种方式，放置在由时间延迟和时间间隔-没定的距离 范围内的照射对象的图像将会被图像中的黑色背景围绕，同时增强 了它们的对比度。通过使用时间延迟和时间间隔的不同值的适当的 探测，可以获得关于放置在不同平面的对象的信息，并且系统接收 足够的信息，以产生放置在照明立体角内的对象的三维表象，从而 通过电子处理可以得知到对象的^见测系统的个体距离。
已经描述了所/>开的系统的基本工作原理，我们将继续描述改
善其特性的下面的变化
可以通过电子管TV摄像机或者通过包括二维CCD或CMOS 传感器的固态摄像机获取输出图像，然后在TV监视器上显示。在 监视器上显示图像之前，可以添加电子单元以改善在才聂像机中产生 的图像，以便改善图像质量或者突出对象的检测和识别所关注的一 些特性(诸如边缘强化、平滑化、额外的对比度增强、设置阀值电 平等)。
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图1示意性示出了当使用人眼作为最后的传感器时所公开的系统。
图2示意性示出了当使用TV摄像机作为最后的传感器和监视 器来显示图像时所公开的系统。
具体实施例方式
先前已经描述了所7>开的系统和其主要部件，我们继续描述该 系统的实际实现。
所公开的系统由以发散光束的形式发射短脉沖的照明源1组 成。该照明源包括以高准直光束的形式产生短照明脉冲的激光la 以及瞄准/扩大光学组件2。准直激光束入射至光学组件2， 乂人而4吏 照明光束发散，并且用于控制发散的量和照明光束11的瞄准方向。 这是4吏用可移动透4竟或4竟子的适当的组件来完成的，同时其4立置通 过电才几控制。可选地，可以用电信号〗务改具有折射特性的透4竟组件。 在这两种情况下，系统均将包括用于光学组件2的控制单元7。
当一部分照明光束到达》文置在所照射的立体角11内的对象12 时，照明月永冲的一部分光13朝光学组件3反射，所述光学组件形 成所照射的一个对象或多个对象的图^f象。这种光学组件包4舌产生可 变焦距的一组透镜，例如缩放或远摄，所述可变焦距能够调整组件 的对焦距离和场的深度。这是用电4几来完成的，该电4几通过电机本
相对位置，所述4斤射特性可以通过电信号来改变。在这两种情况下， 系统均将包括电子单元7中的光学组件3的控制。通过这个组件形成的图像集中在影像增强管4的光电阴极上， 该影像增强管在其荧光屏上产生图像的复本。这个来自屏幕的图像
可以被看作输出图像，并且可以直接用图1中的肉眼5看到，或者 使其穿过目镜以提供更轻松的显示。该影像增强管将作为抑制 (inhibiting)装置来工作。输出图4象通过保持反向偏压(与光电阴 极中正常运行所需要的电压相反)而在大部分时间保持被抑制。以 这种方式，在影像增强器的正常运行期间图像形成所需要的光电发 射过程在一时间间隔内保持被抑制。接着通过用于控制系统的时序 和同步的电子控制单元6来恢复短时间间隔的正常偏压。在光电发 射被使能时的时间间隔期间，伴随着照明中的可调增益，图傳-从光 电阴极传送到屏幕(在这种装置中是特有的)。为增加增益，优选 包括至少一个樣史通道(microchannel) 4反的增强器，因为除了冲是供 额外的增益外，该增强器通过控制板的偏置电压能够控制整个增 益。光电阴极的电极需要是外部可进入的，以便建立光电发射使能 /抑制过程(选通)，并且增强器的电源必须结合外部连接以控制其 增益。为了切换包括高电压信号的光电阴极偏置，优选地向系统添 加图1和图2中的电子单元8,这个单元(选通单元)是通过4氐电 压控制信号而商业可得到的。用于切换光电阴极开/关的上升时间将 影响用于范围鉴别的观测系统的能力。优选地，不超过5纳秒的上 升时间。为了X^测个人所在的场景，方^更的是，影4象增强器的光电 阴极在视力安全所顾及的红外光谱范围内具有良好的量子效率，所 述范围分布在1500纳米以上。以这种方式，在没有表示针对位于 系统的照射范围内的个人眼睛的潜在危害风险下，可以利用照明源 以发射相同光谱范围内的强烈光脉冲。影像增强器的荧光屏的持续 不需太短或太长。因为系统有时可以以若干纳秒的〗吏能的图^f象传输^ 间隔来运行，所以一定数量的持续将有助于使眼睛或摄像机继续接 收更长时间的信号。另一方面，长的持续时间将限制用于移动对象 的系统的响应速度。在增强器的屏幕中用P43荧光粉实现了良好的 折中，其具有大约1毫秒的特有延迟时间(持续)。此外，这种类型的荧光粉的峰值发射发生在绿色光谱范围内，这在用人眼观测屏 幕、或者用硅基固态摄像机(敏感峰值正常地与这个光谱范围相匹 配)获取图像时是有利的。
影像增强器的使用表现出提供高增益和低噪声系数的另外的
优点。因此，才艮据著名的弗里斯7>式(Friis formula),可以以如下 最佳方式来执行，该方式为应当增加更多的放大器的级作为与最终 噪声系数有关的第一放大级。
可选地，如上文已经所提及的，在增强器的屏幕上产生的图像 可以通过光耦合或者通过由^艮多个单才艮光纤组成的相干的光纤束 传输到图2中的TV摄像机。在这种最后的情况下，方便之处在于， 增强器的输出窗口是光纤类型的。在摄像机中产生的电信号可以直 接在图2中TV监视器IO上显示，或者可选地，在发送到监视器之 前，将其引入到图2中的电子处理单元9中，或者甚至引入易于探 测和识别的简单的处理功能，诸如边*彖强化(border enhancement )、 在离散级中照明的量化、设置亮度阀值、反视频(inverse video )等。
图1和图2中的电子同步单元6包括50或60周期/秒的定时时 钟(时基)，以保证图像的不明显的闪烁，并且使图像与标准视频 和TV系统相兼容。时钟信号将以周期性的方式(每个时钟周期一 个)触发照明脉沖的发射。不可避免地，将会在照明触发脉冲的前 沿与光脉沖的实际发射之间出现较小的延迟(典型地为几百微妙)。 在该单元的内部，存在延迟单元(在图中未明确示出)，该延迟单 元接收来自时基的时钟信号，并且产生周期性时钟信号的新版本， 所述周期性时钟信号具有适于控制选通单元8的电压电平，并且具 有可以通过7见测系统的用户来调整的延迟和占空比。如果4吏用该系 统的观测的距离范围应当从观测系统的零距离处开始，那么所修改 的时钟信号内的最小延迟必须与需要触发照明脉冲的实际发射的 一个延迟和在相同时刻发生的光电发射的有效使能相匹配。用于延迟的可调值将确定与该系统最近的可以显示的对象的最小值。然后可调占空比将确定系统能够显示对象的最大距离。因此，〗現测的最小和最大3巨离可以由用户来选4奪。
由于影像增强器的抑制动作和照明源的脉冲特征，因此可以控
制图像到最后的传感器元件(眼睛或TV视频摄像机)的传输，以
4吏传感器中所4妄收的光只与由》文置在远离系统一定距离范围内的
对象所反射的光相对应，所述的距离范围包括在cxTe/2与(Te+△ T) xc/2之间，公式中的c代表光速，Te表示在发射照明脉沖与使能影像增强器之间所流逝的时间间隔，以及△ T是在图象增强器中使能内部图像传输的时间间隔，公式中的系数2表示往返路径，该路径需要照射传播到所反射的对象然后再传播返回至系统。为了用眼睛或用才聂l象才几感知没有明显闪烁的连续^L测，照明源将以周期性的方式发射脉沖，即以25周期/秒的合适的(虽然不一定)最小脉冲重复速率。照明脉冲的脉冲接收频率(在下文中为fr)将是系统运行所在的时钟频率，并且将由用于系统中正确同步的适当的电子时基提供。
以这种方式，在AT时间间隔期间，图像通过增强器也将以周期性的方式发生。因此系统与最近的所观测平面之间的距离D将由D= cxTe/2确定，而所照射的区域PC的深度(由系统所观测的最近与最远平面之间的距离)将是PC-cx at/2。由光源所发射的光将找到通向所抑制的系统传感器的^各径，所述光源通过位于距离D+PC的范围外的对象或散射介质来反射。
如果待观测的场景中的对象反射来自系统外部的照明源的光，或者对象中的任何一个向系统发射其本身的光，那么将不能实现这种光到达传感器的总抑制，而这有助于具有Pmx at的积分功率(能量)的图l象，其中，Pm为在时间间隔AT期间内在系统内所4妄收的平均功率。
12本文所公开的系统具有这样的特殊性，即通过适当选择Te和△ T能够在4艮窄的距离范围并且位于远离系统的特定距离处的系统传感器上形成图像。从而辨别落在远离观测系统的所选择距离范围外的对象，与其它传统的观测系统相比，这种能力能够在所公开的系统中可^见地l是升对象的才全测和识别。
根据前文的描述，如果选择at的较小值，恒定的或緩慢变化的强度的聚光灯指向具有平均光强度功率值Pe的系统，那么传感器将接收也为恒定的或緩慢变化的值Pex ATxfr的平均功率。例
如，如果^丁=40纳秒并且fr=25周期/秒，那么在传感器上/人聚光灯所接收的平均光学功率将比以连续的方式运4于时的传感器所4妾收的平均光学功率^f氐一百万^f咅。因此，系统将看到聚光灯，该系统的表观强度比其真实的强度低一百万倍，与在任何其它传统的观测系统中将发生的强度相反。在正常的情况下，传统的光源将在所7>开的系统中几乎不产生传感器的^t包和度，也不产生对比度的相关损失。这个相同的衰减系凄t会导致由所7见测的并且由典型的非月永沖外部光源照射的对象反射的光的结果。
另 一方面，脉沖激光源可以发射集中在4艮短时间间隔内的非常强的光脉沖。继续前文的实例，位于远离系统的相同距离的并且由系统激光源以40纳秒脉冲照射的聚光灯的相似尺寸和形式的对象需要向传感器反射平均功率，在时间间隔△T期间与聚光灯的功率相近的平均功率可以看作到以聚光灯照明的系统的亮度。这通常代表在激光脉冲中非常低的能量。如果我们用P!R表示通过用所述系统的脉冲激光所照射的对象向观测系统反射的功率，那么与示例性的对象相对应的、在时间间隔at期间在系统内所4妻收的总光(光能)是Pc^ (PR+PIR) x at,公式中的PR表示对像向系统反射的外部或环境照射光(或者在聚光灯的情况下由对象所发射的)的平
均功率。考虑到在由激光P!R :PB+R均匀照射的场景中，公式中的pb是由对象所接收的脉沖光，而R是用于系统照明的反射系数，并
且假定Pb通常比R高很多，该系统在白天和夜间(PR=0)环境照
明下将用相同的性能来运行，并且形成在系统中的图像基本上与系统激光波长处的对象的反射系凄t的二维分布相匹配。
另一方面，对于放置在与AT有关的一定距离范围外的对象在图像中看起来比较暗，故可以将有效反射系数设为0,从而提高了放置在AT内和没有力文置在AT内的图像的边舌彖中的对比度，因此有利于对象的检测和识别。以相同的方式，放置在更接近时间AT起始所在的距离的系统的任何对象可以看作是图像中的阴影，这也有利于其4企测和形状识别。
当对象(下文中称为目标)放置在具有相同反射系数的其它对象前方时，并且在形成有那些其它对象的背景下看到限制目标的其中一个边纟彖(或者所有边纟彖)时，会产生相似或伪装(camouflage)的情形。同时适当选择Te的值，以便根据放置目标的观测距离调整其值，可以抑制模仿目标的对象的反射，并且目标边缘会在黑暗背景下较好地定位。还可以调整Te至更远对象所在的距离，所述更远对象有助于所定位的目标伪装。在这种情况下，可以在图l象中看到由较远的对象反射的光，但是由于目标遮住的光使得在图像中具有阴影，因此在图像中的目标的阴影是可辨别的。
还可以通过图1和图2中的部分反射表面14进4亍显示，两个图中的目标15定4立在该反射表面后。有步文;也，因为该表面^f又部分反射，所以该表面将朝系统反射光，但是该表面还传送瞄准目标的一部分激光照明光，所述激光照明光将连续传，潘、到达目标并且朝系统反射回来。由目标反射的一部分光将通过表面14原^各返回。
权利要求
1.一种用于人工增强图像显示对比度的系统，其特征在于，所述系统包括至少一个照明源，用于以发散光束的形式发射短持续时间的光脉冲；光学或反折射成像组件，用于产生由所述照明源照射的对象的输出图像；装置，用于在确定的时间间隔期间内选择性地使能或抑制所述系统中的输出图像的形成；电子单元，用于探测和系统同步，以控制抑制图像形成的时刻，以便选择一定的距离范围，在所述范围内放置的对象会在所述图像中突出显示，或者所述对象的对比度得到增强。
2. 根据权利要求1所述的人工增强图像显示对比度的系统，其特征在于j是供所述发散光束的所述照明源是激光或者发光二;f及管，其中，所述照明源与由所述照明源产生的光束的瞄准/扩大组件一起发射小于30纳秒持续时间的光脉冲。
3. 根据权利要求2所述的人工增强图像显示对比度的系统，其特4正在于，用于瞄准/扩大所述照明光束的所述瞄准/扩大组件包括基于透4竟的光学系统或反折射系统，其中，所述扩大/瞄准系统元4牛通过电控制的电才几改变所述系统元4牛之间相只^N立置，或者通过电信号改变所述透4竟的折射特性，以〗更调整照明光束的发散禾。瞄准方向。
4. 根据权利要求1所述的人工增强图像显示对比度的系统，其特 征在于，所述光学或反折射组件在一组透4竟中形成所照射的对 象的图像，并且具有能够通过电机调整对焦距离和聚焦深度的 可调焦距(缩放或远摄)，并且包括用电信号改变透镜的折射 特;f正的一组透4竟。
5. 根据权利要求1所述的人工增强图像显示对比度的系统，其特 征在于，使能或抑制所述输出系统的图像形成的所述装置是光 电、电光或声光装置，或者是基于液晶的装置。
6. 根据权利要求5所述的人工增强图像显示对比度的系统，其特 征在于，所述光电装置包括二维光敏和二维荧光屏，并且其中， 由于在装置传感器上聚焦由所述光学/反折射成像组件形成的 图像，在所述焚光屏上产生所述系统的所述输出图^f象。
7. 根据权利要求6所述的人工增强图像显示对比度的系统，其特 征在于，选择性地使能或抑制来自所述系统的输出图像的所述 装置是诸如那些在夜视系统中普遍使用的影像增强管，或者是 多于一个影像增强器的级联组件。
8. 根据权利要求1、 5、 6和7所述的人工增强图像显示对比度的 系统，其特4i在于，通过TV 一见频才聂4象才几获耳又并且在监一见器上 显示来自所述系统的所述输出图<象。
9. 根据权利要求8所述的人工增强图像显示对比度的系统，其特 征在于，可选地，在所述监视器上显示之前，在所述TV摄像 机中产生的电一见频信号先^皮进行电子处理。
10. 根据权利要求2所述的人工增强图像显示对比度的系统，其特征在于，所述照明源是激光，所述激光发射具有波长等于或大于1500纳米的光，并且所述照明源被配置在被视为对人类眼 睛的^L力无害的红外光i普的 一些区i或内。
11. 根据权利要求7所述的人工增强图像显示对比度的系统，其特 征在于，所述影像增强管是标记为"扩展的红外响应"的一种， 并且在波长1500纳米以上的光i普范围内高刻j也运4亍。
12. 根据权利要求7和11所述的人工增强图像显示对比度的系统， 其特征在于，所述影像增强器的屏幕具有几微秒的优选的持 续。
13. 根据权利要求12所述的人工增强图像显示对比度的系统，其 特征在于，所述影像增强器的屏幕使用P43荧光粉。
14. 根据权利要求7和8所述的人工增强图像显示对比度的系统， 其特征在于，通过在所述揭J象4几的传感器元件上的电子轰击而 产生所述影像增强管与所述摄像机之间的图像连接，从而，将 所述影像增强器与所述摄像机的传感器合并在单个装置中。
15. 根据权利要求7所述的人工增强图像显示对比度的系统，其特 征在于，所述影^象增强器的内部包括至少一个樣史通道^反，所述 孩吏通道板增加所述影4象增强器的增益，并且允许通过控制所述 樣史通道板或多个所述樣t通道^反的偏置电压来控制所述增益。
16. 根据权利要求1和7所述的人工增强图像显示对比度的系统， 其特4i在于，探测/同步单元包4舌用于控制所述系统中的时序 和同步的元件，以及4吏所述影-像增强器开启或关闭的元件。
全文摘要
一种用于人工增强图像显示对比度的系统，该系统包括至少一个照明源，用于以发散光束的形式发射短脉冲；光学系统，用于形成来自由照射的对象所反射的光的输出图像；一个装置，用于在特定时间间隔期间选择性地阻挡该系统的输出图像；以及用于探测和同步的电子系统。当来自该系统的输出图像被阻挡时，其控制照明脉冲发射的时刻以及时间间隔，以便选择一定范围的距离，在该距离范围内放置的对象将被突出显示并且在图像中具有增强的对比度。
文档编号H01J31/50GK101681777SQ200780052792
公开日2010年3月24日 申请日期2007年3月19日 优先权日2007年3月19日
发明者若泽·穆尼奥斯莱奥 申请人:若泽·穆尼奥斯莱奥