专利名称：宽波段大跨度调谐滤波单通道彩色微光夜视方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明属于单通道彩色微光夜视技术，特别是一种宽波段大跨度调谐滤波单通道 彩色微光夜视方法及装置。
背景技术：
彩色夜视是通过有效地萃取多波段、多传感器图像信息，构成统一的彩色夜视图 像，使观察者既能依靠亮度差别，同时又能依靠颜色差别分辨与识别场景与目标。传统的单 通道微光成像探测系统主要由光学系统和微光成像探测器等部分组成，由其获得的图像均 为灰度图像，而单通道彩色夜视技术是在传统单通道微光成像探测系统的基础上，通过增 加滤光片对微光波段按时间或空间分割成多个子波段，从而由单一微光成像探测器获得多 波段图像信息，经由色空间映射技术获得彩色图像，即由单通道实现微光彩色夜视。单通道 彩色夜视装置只需一个光学通道和一个成像通道，因而具有构成简单紧凑、性能稳定、重量 轻、成本低、无需配准等优点。张闯等提出的基于帧间补偿的单通道彩色微光成像装置，其核心思想是在单通道 ICXD像增强器光纤输入窗前置入一双波段交替垂直光栅滤光片，通过对所采集图片的拆 分、补偿、融合及色空间映射实现彩色微光夜视(张闯博士论文，“单通道双谱微光彩色夜视 技术研究[D]”，南京理工大学，2008年)；中国计量学院杜培胜、中国科学院安徽光机所张 冬英等先后利用由利奥(Lyot)波片单元级联构成的液晶可调谐滤光片(LCTF)，通过改变 对液晶所施加的电压，实现对滤光片的调制，实现基于LCTF调谐的高光谱成像系统，获得 高精度的窄带输出光谱成像，系统的光谱范围为650nm llOOnm，光谱宽度20nm(中国计量 学院光谱实验室杜培胜，“液晶可调谐滤光片及其在光谱仪上的应用”，《红外》，2007. 11.第 观卷11期；中国科学院安徽光机所张冬英，“基于LCTF调谐的高光谱成像系统设计”，《光 谱学与光谱分析》，2008. 10.第观卷10期)。2008年9月2日授权的美国专利US7420678 多光谱成像，其核心是利用一个多光谱光学组件接收入射光，然后再将接收到的光以许多 个波段传输，每个波段都有一个约IOnm至20nm的预选带宽；2006年12月5日授权的美国 专利US71451M采用光子晶体的多光谱成像芯片，其核心思想是基于一种具有像元级光谱 调谐能力的自适应焦平面列阵，这种自适应焦平面列阵是通过在一个宽带焦平面列阵上增 加与像元配准的光子晶体膜而制成的，通过对这些光子晶体膜进行开/关或者改变材料结 构，以调谐其光子带隙，实现光谱调谐。上述研究中，基于帧间补偿的单通道彩色微光成像从空间上条纹状分割视场，其 条纹效应难以消除；其余为多光谱成像，具有较高精度的光谱性能，较窄的光谱宽度。但由 于光谱宽度窄(20nm)，不利于微光夜视的应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种宽波段大跨度调谐滤波单通道彩色微光夜视方法及 装置，目的是通过微光及近红外波段宽波段大跨度调谐滤波器，充分利用微光及近红外波段辐射能，结合高灵敏度微光成像探测器(ICCD、EMCCD等)与图像融合处理器，实现微光及 近红外波段的彩色夜视成像探测，使观察者既能依靠亮度差别同时又能依靠颜色差别分辨 与识别场景与目标，显著改善现有夜视系统的图像质量，增大目标的发现与识别概率。实现本发明目的的技术解决方案为一种宽波段大跨度调谐滤波单通道彩色微光 夜视方法，步骤如下(1)在单通道微光成像探测系统的微光成像探测器阵列上放置一基于微光夜视光 谱分割点的双波段调谐滤波器；(2)用帧同步信号控制双波段调谐滤波器，将微光波段按帧频交替分割成微光 “长”波段和微光“短”波段，其光谱分割点由最佳匹配滤光技术确定；(3)对微光长、短波段分别成像，得到微光长、短波交替的图像帧序列，并对图像序 列进行预处理；(4)将预处理过的微光长、短波图像分别进行长波帧存储和短波帧存储；(5)对微光长、短波图像进行图像融合得到双谱融合图像；(6)对微光长、短波图像及双谱融合图像依据白天场景真实彩色图像的二维直方 图分布及三基色能量比进行调整；(7)将经过调整的微光长波图像、微光短波图像及双谱融合图像分别对应于三基 色的G/R/B进行色空间映射，获得宽波段大跨度调谐滤波单通道彩色微光夜视图像；(8)采用流水输出机制，获得与微光成像探测器具有相同帧频的彩色夜视视频图像。本发明与现有技术相比，其显著优点(1)装置只需一个图像摄取通道便可实现 双通道假彩色微光成像的功能，构成简单紧凑，重量轻；(2)只有一个光路，无需对双谱图 像进行配准，从而避免了双通道彩色夜视系统像素级图像配准的繁重的工作；C3)有一个 光路和一个成像器件，成本大大降低；(4)单路视频输入便于系统图像采集和处理；(5)改 善了现有夜视系统的图像质量，增大了目标的发现与识别概率，如图9所示，其中(a)为微 光长波图像，(b)为微光短波图像，(c)为双谱融合图像，⑷为融合彩显图像，可以看出双 谱融合图像及融合彩显图像的图像质量较长、短波图像高，且融合彩显图像的色彩较为自 然，符合人的视觉习惯；同时结合表1及表2，双谱融合图像的信噪比较长、短波图像提高了 近一倍，表2为对图9所示的各图随机邀请了 80名观测者进行观测的调查结果，可见对于 双谱融合图像及融合彩显图像能发现目标且目标个数判断正确的概率比长、短波图像分别 提高了近40%和70%。(6)装置具有构成简单紧凑、性能稳定、重量轻、成本低、无需配准等 优点。表1图像信噪比
权利要求
1.一种宽波段大跨度调谐滤波单通道彩色微光夜视方法，其特征在于步骤如下(1)在单通道微光成像探测系统的微光成像探测器阵列上放置一基于微光夜视光谱分 割点的双波段调谐滤波器；(2)用帧同步信号控制双波段调谐滤波器，将微光波段按帧频交替分割成微光“长”波 段和微光“短”波段，其光谱分割点由最佳匹配滤光技术确定；(3)对微光长、短波段分别成像，得到微光长、短波交替的图像帧序列，并对图像序列进 行预处理；(4)将预处理过的微光长、短波图像分别进行长波帧存储和短波帧存储；(5)对微光长、短波图像进行图像融合得到双谱融合图像；(6)对微光长、短波图像及双谱融合图像依据白天场景真实彩色图像的二维直方图分 布及三基色能量比进行调整；(7)将经过调整的微光长波图像、微光短波图像及双谱融合图像分别对应于三基色的 G/R/B进行色空间映射，获得宽波段大跨度调谐滤波单通道彩色微光夜视图像；(8)采用流水输出机制，获得与微光成像探测器具有相同帧频的彩色夜视视频图像。
2.根据权利要求1所述的宽波段大跨度调谐滤波单通道彩色微光夜视方法，其特征在 于步骤O)中，用帧同步信号控制双波段调谐滤波器的过程如下基于最佳光谱分割点的双波段调谐滤波器的驱动控制，就是对微光成像探测器输出 的模拟视频信号进行同步分离，获得控制所需的帧同步信号，帧同步信号经双波段调谐滤 波切换控制器的整形输出频率为帧频的方波信号，即双波段调谐滤波器的波段切换控制信 号，以此控制双波段调谐滤波器的波段切换，当波段切换控制信号为1时，双波段调谐滤波 器透过微光长波段光信号，波段切换控制信号为0时，双波段调谐滤波器透过微光短波段 光信号，按帧频交替的微光长、短波段光信号，经微光成像探测器成像即获得了按帧频交替 的微光长、短波图像帧序列。
3.根据权利要求1所述的宽波段大跨度调谐滤波单通道彩色微光夜视方法，其特征在 于步骤(4)中，长波帧存储和短波帧存储的方法为由帧同步信号经双波段调谐滤波切换 控制器产生的波段切换控制信号控制双波段调谐滤波器，同时控制长、短波帧存储单元的 读写切换，使得双波段调谐滤波器的波段状态与长、短波帧存储器的读写状态相对应，当波 段切换控制信号为1时，双波段调谐滤波器的波段状态为长波状态，这时对应的长波帧存 储单元为写，短波帧存储单元为读，经过微光成像探测器成像并由视频图像采集单元采集 到的长波图像就存入到长波帧存储单元中，由于此时短波帧存储单元为读状态，因此长波 图像数据不会被存入到短波帧存储单元中；波段切换控制信号为0时，双波段调谐滤波器 的波段状态为短波状态，这时对应的长波帧存储单元为读，短波帧存储单元为写，经过微光 成像探测器成像并由视频图像采集单元采集到的短波图像就存入到短波帧存储单元中，由 于此时长波帧存储单元为读状态，因此短波图像数据不会被存入到长波帧存储单元中，这 样就唯一地确定了长、短波帧存储单元中存储的图像分别为长、短波图像；如此得到的两帧 视频图像，具有相同的视场，反映相同的场景目标，但却分别采集于不同的光谱范围。
4.根据权利要求1所述的宽波段大跨度调谐滤波单通道彩色微光夜视方法，其特征在 于步骤(8)中，采用流水输出机制使彩色夜视图像与长、短波交替的图像帧序列具有相同 的帧频，其中L代表长波图像，S代表短波图像，C代表输出的彩色夜视图像，每一个L或S图像都分别与其前后相邻的S或L图像进行作用，获得相应的彩色夜视图像，这样获得的彩 色夜视图像就与长、短波交替的图像帧序列具有相同的帧频，即获得了与微光成像探测器 具有相同帧频的彩色夜视视频图像。
5.一种宽波段大跨度调谐滤波单通道彩色微光夜视装置，其特征在于包括基于微光夜 视光谱分割点的双波段调谐滤波器、双波段调谐滤波切换控制器、视频图像采集单元、视频 图像预处理单元、长波帧存储单元、短波帧存储单元、长波图像调整单元、短波图像调整单 元、双谱图像融合单元及彩色空间映射单元，双波段调谐滤波器放置在微光成像探测器阵 列上，双波段调谐滤波切换控制器连接该双波段调谐滤波器，视频图像采集单元分别与所 述的微光成像探测器、视频图像预处理单元、长波帧存储单元及短波帧存储单元相连，其中 视频图像预处理单元又分别与长波帧存储单元及短波帧存储单元相连，该长波帧存储单元 与长波图像调整单元连接，短波帧存储单元连接短波图像调整单元，长波图像调整单元和 短波图像调整单元又分别与双谱图像融合单元相连，彩色空间映射单元分别与上述的长波 图像调整单元、短波图像调整单元及双谱图像融合单元相连，并将彩色图像信号送给彩色 夜视显示部分进行显示；首先，微光场景经光学系统并通过由双波段调谐滤波切换控制器控制的调谐滤波器 成像在微光成像探测器阵列上，由微光成像探测器输出的模拟视频信号进行同步分离，获 得帧同步信号驱动双波段调谐滤波切换控制器控制双波段调谐滤波器，使其按帧频交替透 过微光长、短波段光信号，经微光成像探测器成像，由视频图像采集单元将采集到的长、短 波交替的微光图像经视频图像预处理单元预处理后分别存放于长波帧存储单元和短波帧 存储单元中，然后，长波图像调整单元、短波图像调整单元及双谱图像融合单元分别对微光 长、短波图像及双谱融合图像由依据白天场景真实彩色图像的二维直方图分布及三基色能 量比进行调整，最后将经过调整的微光长波图像、微光短波图像及双谱融合图像由彩色空 间映射单元分别对应于三基色的G/R/B进行色空间映射，获得宽波段大跨度调谐滤波单通 道彩色微光夜视图像；在整个过程中，每存储一帧微光长波或短波图像，长、短波图像调整 单元、双谱图像融合单元、彩色空间映射单元就对长波帧存储单元和短波帧存储单元中的 长波和短波图像进行一次处理，获得一帧彩色夜视视频图像，由于每存储一帧微光长波图 像到长波帧存储单元中或微光短波图像到短波帧存储单元中时，对应的短波帧存储单元中 还保留着上一帧微光短波图像或长波帧存储单元中还保留着上一帧微光长波图像，这样每 进行一次处理就相当于对当前帧和上一帧图像进行处理，即实现了流水输出机制，获得了 与微光成像探测器具有相同帧频的彩色夜视视频图像。
6.根据权利要求5所述的宽波段大跨度调谐滤波单通道彩色微光夜视装置，其特征在 于双波段调谐滤波器采用TB3639液晶光阀、MICR0*C0L0R三色调谐滤光片或基于多组利奥 波片构成的液晶可调谐滤光片。
全文摘要
本发明公开了一种宽波段大跨度调谐滤波单通道彩色微光夜视方法及其装置，在单通道微光成像探测系统的微光成像探测器阵列上放置一基于微光夜视光谱分割点的双波段调谐滤波器；用帧同步信号控制双波段调谐滤波器，将微光波段按帧频交替分割成微光“长”波段和微光“短”波段，对微光长、短波段分别成像，得到微光长、短波交替的图像帧序列，并进行长波帧存储和短波帧存储；对微光长、短波图像进行图像融合得到双谱融合图像；对微光长、短波图像及双谱融合图像依据白天场景真实彩色图像的二维直方图分布及三基色能量比进行调整、色空间映射，获得宽波段大跨度调谐滤波单通道彩色微光夜视图像。本发明改善了现有夜视系统的图像质量，增大了目标的发现与识别概率。
文档编号H04N9/04GK102148999SQ20111000358
公开日2011年8月10日 申请日期2011年1月10日 优先权日2011年1月10日
发明者岳江, 张毅, 徐杭威, 柏连发, 王博, 韩静 申请人:南京理工大学