一种转轮式多光谱相机自动曝光调节系统及调节方法与流程

本发明涉及一种自动曝光调节系统及调节方法，属于多光谱相机自动控制技术领域。

背景技术：

多光谱成像系统通常有以下几种成像方式：多探测器多镜头成像方式、光束分离成像方式、微型窄带滤光片阵列成像方式、渐变滤光片成像方式、滤光片转轮成像方式。采用滤光片转轮成像方式设计的多光谱成像系统仅采用一个光学系统，具有同一光路的优势，通过探测器前滤光片转轮的转动来变换滤光片，获取多波段图像。转轮式多光谱相机的优势是滤光片可更换，应用灵活，能适用不同的应用场合，已被应用于工业检测、航空遥感等领域。由于滤光片的中心波长和谱段宽度不同，探测器接收的光能量值差别比较大，成像时需要进行自动曝光控制。自动曝光一般包括光亮度测量、场景(信号)分析和曝光补偿这三个步骤。

相机自动曝光通常有两种实现方式：一种是光学方式，一种是电子学方式。光学方式使用一个单独的传感器来测量光亮度，图像信息则通过图像传感器得到，这样成像系统将用于显示存储的图像信息与图像的亮度信息分开单独处理。

光学方式自动曝光根据测光传感器的安放位置不同分为外测光和内测光两种方式。外测光方式通常将测光传感器安装在光学镜头的正上方或者斜上方，用于测量光亮度的光路和用于成像的光路是彼此分开独立的，常用的方法为基于环境光传感器感测环境光条件并由曝光设置器利用环境光条件的指示来选择曝光设置。内测光方式常在镜头和焦平面快门之间呈45°角放置一块可以向上弹起和向下复位的主反光镜。当处于测光状态时，由镜头入射进来的光线经主反射镜和后续的对焦屏、聚焦透镜及反光棱镜后照射到测光传感器上和取景器中，供测光传感器测光和取景。

电子学方式自动曝光则将图像传感器输出的信号同时用于测量光照度。基于拍摄的图像的实际灰度值判断所处状态对曝光值进行调整的方法已被广泛应用。

在电子学自动曝光方式下，用于测量当前环境亮度情况的信号直接来自图像传感器输出的信号，这样不再需要另加测光传感器，结构简单，实现容易，但测量处理速度较慢。对于转轮式多光谱相机，在转轮的转速较快时使用该方法会因为曝光延时影响正常成像。在光学自动曝光方式下，放置与转轮之外的测光方式只能测得外部光强，不能得到当前滤光片的光强信息；测光传感器和成像探测器放置在一起的测光方式，会增加滤光片尺寸，使整个系统体积变大。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种转轮式多光谱相机自动曝光调节系统及调节方法，可以有效解决目前转轮式多光谱相机自动曝光调节面临的不同谱段图像合理曝光的问题。

本发明的技术解决方案是：一种转轮式多光谱相机自动曝光调节系统，包括：滤光轮、光学镜头、成像探测器、测光器件、信号处理单元、控制单元、数据记录单元；光学镜头放置在滤光轮一侧，成像探测器、测光器件放置在滤光轮另一侧；

滤光轮包含转轮装置和滤光片，滤光轮上的滤光片均匀分布，滤光轮在旋转过程中，成像探测器和测光器件同时分别与滤光轮上两个相邻的滤光片中心位置对应；滤光轮转轮装置中安装有光电传感器，测量滤光片是否到达成像探测器位置，并将滤光片的位置信息发送给控制单元；

光学镜头使用透射式光学镜头，入射光线经光学镜头汇聚后由滤光轮上的滤光片滤光，投射到成像探测器上；

成像探测器接收经过滤光轮上滤光片滤光后的入射光，通过曝光时间和增益调节曝光量，成像探测器接收控制单元的曝光参数设置信号改变曝光参数，在控制单元的控制下采集图像并输出至数据记录单元；

测光器件安装有镜头，测光器件的镜头与光学镜头光轴平行；测光器件接收透过滤光片的入射光信号，转换为电流信号传输到信号处理单元；

信号处理单元接收测光器件输入的电流信号，根据已标定的测光器件电流与光亮度的关系得出透过滤光片的光亮度数据，并将光亮度数据发送给控制单元；

控制单元存储有光亮度数据与成像探测器的曝光时间和增益的关系数据表，根据信号处理单元发送的光亮度数据计算出滤光片对应谱段所需的曝光参数，曝光参数包括成像探测器的曝光时间和增益；控制单元将曝光参数设置信号发送至成像探测器，在滤光轮转至成像位置时，控制成像探测器对曝光参数进行设置并控制成像探测器采集图像，同时控制单元将谱段信息发送给数据记录单元；

数据记录单元记录成像探测器输出的图像数据和控制单元发送的谱段信息数据。

所述成像探测器为全局电子快门面阵CMOS成像探测器或全局电子快门面阵CCD成像探测器，通过成像探测器的曝光时间和增益调节曝光量。

所述测光器件采用硅光电二极管或硅光电池。

一种转轮式多光谱相机自动曝光调节方法，包括步骤如下：

步骤一、将光学镜头放置在滤光轮一侧，成像探测器、测光器件放置在滤光轮另一侧；调整成像探测器和测光器件的位置，使得成像探测器和测光器件同时分别与滤光轮上两个相邻的滤光片中心位置对应；驱动滤光轮开始转动；

步骤二、滤光轮将滤光片位置信息发送给控制单元，控制单元检测滤光轮上滤光片是否到达成像和测光位置；

步骤三、当控制单元检测到滤光轮中的某一个滤光片A中心与成像探测器位置对应时，测光器件测量透过滤光轮中滤光片A相邻的下一个滤光片B的光信号并将透过滤光片B的光信号转换为电流信号传输到信号处理单元；信号处理单元接收测光器件输入的电流信号，根据已标定的测光器件电流与光亮度的关系得出透过滤光片的光亮度数据，并将光亮度数据发送给控制单元，控制单元根据光亮度数据与成像探测器的曝光时间和增益的关系数据表以及此时信号处理单元输出的光亮度数据计算得出滤光片B对应谱段成像时成像探测器需要的曝光时间和增益参数并进行记录；

步骤四、利用控制单元查询滤光片A对应谱段是否已在滤光轮转动的上一个位置进行了测光：若已测光，则根据测光后控制单元得出的曝光参数控制成像探测器曝光成像，并由数据记录单元记录滤光片A对应谱段的图像数据和谱段信息数据；若未测光，则成像探测器不曝光成像；曝光参数包括成像探测器的曝光时间和增益；

步骤五、驱动滤光轮循环转动，重复步骤二～步骤四，数据记录单元记录入射光通过滤光片后各谱段采集的图像数据和对应的谱段信息数据，直至完成对所有谱段图像数据的采集和记录。

所述成像探测器为全局电子快门面阵CMOS成像探测器或全局电子快门面阵CCD成像探测器，通过成像探测器的曝光时间和增益调节曝光量。

所述测光器件采用硅光电二极管或硅光电池。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明采用外测光的方式对透过滤光片的光亮度进行测量，根据透过滤光片的光亮度进行曝光调节，能够满足转轮式多光谱相机应用，尤其是滤光片可更换应用需求；具有调节速度快、适应范围广的优点；

(2)本发明测光器件和成像器件安装位置对应两个相邻的滤光片，通过滤光轮的旋转控制测光和相机曝光过程。可避免测光器件安装时的滤光片尺寸增加，测光器件安装灵活，且控制简单。

附图说明

图1为一种转轮式多光谱相机自动曝光调节系统组成示意图；

图2为一种转轮式多光谱相机自动曝光调节方法框图。

具体实施方式

如图1所示，一种转轮式多光谱相机自动曝光调节系统，包括滤光轮、光学镜头、成像探测器、测光器件、信号处理单元、控制单元、数据记录单元。

滤光轮包含转轮装置和滤光片，滤光轮上的滤光片均匀分布。滤光轮由电机驱动，转轮装置中安装有光电传感器测量滤光片是否到达成像探测器位置，并将滤光片的位置信息发送给控制单元。

光学镜头使用透射式光学镜头，光学镜头放置在滤光轮前端。入射光线经光学镜头汇聚后由滤光轮上的滤光片滤光，投射到成像探测器上。

成像探测器选择全局电子快门面阵CMOS成像探测器或全局电子快门面阵CCD成像探测器，通过成像探测器曝光时间和增益调节曝光量。成像探测器接收控制单元的曝光参数设置信号改变曝光参数，在控制单元的控制下采集图像并输出。

测光器件选择硅光电二极管或硅光电池，并在测光器件前端安装配套镜头。测光器件的镜头与光学镜头光轴平行。测光器件接收透过滤光片的光信号，转换为电流信号传输到信号处理单元。测光器件硅光电二极管输出的电流值与透过滤光片的光亮度成线性关系。

信号处理单元对输入的测光器件电流信号进行处理，根据已标定的测光器件电流与光亮度的关系得出透过滤光片的光亮度数据，发送给控制单元。

控制单元使用DSP电路板，其中存储有光亮度数据与成像探测器的CMOS探测器曝光时间和增益的关系数据表，根据光亮度信息计算出滤光片对应谱段所需的曝光参数，包括成像探测器的曝光时间和增益。控制单元控制滤光轮、成像探测器、测光器件、数据记录单元工作的同步。控制单元在滤光轮转至测光器件位置时，记录信号处理单元发送光亮度数据和测光谱段信息；同时在滤光轮转至成像位置时，对成像探测器曝光参数进行设置并控制成像探测器采集图像，同时将谱段信息发送给数据记录单元。

数据记录单元记录成像探测器输出的图像数据和控制单元发送的谱段信息数据。

滤光轮、光学镜头、成像探测器、测光器件的放置位置和滤光轮的旋转方向使滤光轮的某一滤光片A中心和成像探测器中心位置对应时，滤光轮的下一个相邻的滤光片B的中心和测光器件的位置对应。滤光轮在旋转过程中，成像探测器和测光器件会同时分别和两个相邻的滤光片中心位置对应。滤光片B后端的测光器件测量透过滤光片的光信号，经信号处理单元处理后将光亮度信息传输给控制单元。控制单元根据测量的光亮度信息计算出滤光片B对应谱段所需的曝光参数。若此时滤光片A对应谱段曝光参数已知，则控制成像探测器采集图像并由数据记录单元进行记录；若滤光片A对应谱段曝光参数未知，则成像探测器不采集图像。当滤光轮旋转使滤光片B和成像探测器的位置对应时，控制单元控制成像探测器按需要的曝光量曝光成像并由数据记录单元进行记录；同时测量透过下一个滤光片C的光亮度信息。在滤光轮的循环转动过程中，通过对各滤光片对应谱段先测光、后曝光，使多光谱相机各谱段都能够合理曝光。

一种转轮式多光谱相机自动曝光调节方法，如图2所示，具体步骤如下：

1)转轮式多光谱相机开始工作后，滤光轮开始循环转动。

2)滤光轮将位置信息发送给控制单元，控制单元检测滤光轮是否到达成像和测光位置。

3)当控制单元检测到滤光轮中的一个滤光片A中心与成像探测器位置对应时，测光器件测量透过滤光轮中滤光片A相邻的下一个滤光片B的光信号，信号处理单元对测光器件输出的电流信号进行处理，并把处理后得出的光亮度信息发送给控制单元，控制单元根据此时信号处理单元输出的光亮度信息计算得出滤光片B对应谱段成像时成像探测器需要的曝光时间和增益参数并进行记录。

4)控制单元查询滤光片A对应谱段是否已在滤光轮转动的上一个位置测光。若已测光，则根据测光后控制单元得出的曝光参数信息控制成像探测器曝光成像，并由数据记录单元记录滤光片A对应谱段的图像数据和谱段信息数据；若未测光，则成像探测器不曝光成像。

5)滤光轮循环转动，重复步骤2)～步骤4)，数据记录单元记录各谱段采集的图像数据和对应的谱段信息数据，直至多光谱相机停止工作。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。