专利名称：像素级自适应数字光学亮度衰减方法及衰减装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及图像处理、视觉检测技术，尤其是涉及像素级自适应数字光学亮度衰减方法及衰减器。
背景技术：
图像采集作为光学测量系统的关键环节，图像质量好能简化后期的图像处理和运算，提高检测的速度和成功率，而图像质量差，即使通过图像的恢复、增强、均衡化等数字图像处理方式也无法得到保证后续软件正常处理的图像质量，影响后续软件的处理。使用图像传感器采集图像的过程中，通常因为环境以及被测物体表面材质、结构、粗糙程度分布等因素的影响，将使反射光的强度差异过大，造成采集到的图像局部曝光过饱和。为了改善采集到的图像质量，通常在图像采集装置的前端增加特殊的模拟光学滤波 的方式，使采集到的图像具有鲜明的对比度和亮度，从而简化后期的图像处理和运算，提高测量的速度和成功率。对于模拟光学滤波的方法只能对图像采集到区域的光照情况进行整体改善，无法对于采集图像的每一个像素的亮度进行精确控制。
发明内容
本发明旨在解决克服现有技术的不足，通过一种像素级自适应数字光学亮度衰减方法及衰减器，取代模拟光学滤波方式，能适应各种光学测量环境，解决图像中曝光过饱和的现象，使图像传感器采集到的图像质量最优。为达到上述目的，本发明采取的技术方案是，像素级自适应数字光学亮度衰减装置，包括图像传感器，用于获取被测物体的原始图像；图像采集卡，用于把原始图像传送到数据处理计算机中；自适应数字光学亮度衰减器，设置在被测物体与图像传感器之间，并与计算机相连，用于根据计算机的控制对被测物体图像进行调整，将调整后的被测物体图像输出到图像传感器；数据处理计算机，用于对原始图像进行评价，计算得到初始的自适应数字光学亮度衰减器初始化设置模板数据，对数字光学衰减器进行设置，对通过自适应数字光学亮度衰减器后图像传感器获取的被测物体的原始图像再次进行评价，并再次计算得到自适应数字光学亮度衰减器设置模板数据，对数字光学衰减器进行设置，通过多次反馈迭代，采集到质量最优图像。自适应数字光学亮度衰减器包括物镜，用于对被测物体成像； 偏振分束棱镜，用于将物镜获得的被测物体的像显示到LCoS芯片上，被LCoS芯片反射的光透过偏振分束棱镜后，通过成像物镜在图像传感器上成像；自适应数字光学亮度衰减器与计算机相连是指，计算机通过数字可编程逻辑控制板对LCoS芯片上每一个像素的反射光的强度进行控制，以控制LCoS芯片反射后图像的亮度。
数字可编程逻辑控制板由计算机通信接口、双缓存存储器、可编程逻辑器件、时钟锁相环、电源管理模块组成，可编程逻辑器件根据时钟锁相环输出的系统时钟从其中一个缓存存储器读取控制参数并输入到LCoS芯片中，对LCoS芯片每个像素的反射光参数进行驱动，计算机通过通信接口更新另一个缓存存储器的LCoS芯片模板数据，缓存存储器的数据更新完成后，向逻辑控制器件发送指令，切换缓存，使得可编程逻辑从刚更新的存储器取数据输入LCoS芯片进行驱动。像素级自适应数字光学亮度衰减方法，借助于前述像素级自适应数字光学亮度衰减装置实现，并包括下列步骤使用图像传感器获取被测物体的原始图像，通过图像采集卡把原始图像传送到数据处理计算机中，采用像素亮度自动调整算法软件中的图像质量评价算法对原始图像进行评价，计算得到初始的LCoS芯片初始化设置模板数据，通过对自适应数字光学亮度衰减器进行设置；然后图像传感器再次采集经自适应数字光学亮度衰减器调整之后的被测物体图像，再次传送到数据处理计算机并且进行再次图像自动亮度调整算法的计算，从而获得的LCoS芯片设置模板数据，用于对数字光学亮度衰减器进行重新设置，通过多次反馈迭代，最 终采集到质量最优的图像。本发明具有如下技术效果本发明采用高分辨率的LCoS作为像素级亮度调节的核心部件，与偏振分光棱镜和相应的镜头组成光学亮度衰减器，光学亮度衰减器安装在原有测量系统的摄像机前端，不用改变原有的测量系统结构。专用LCoS驱动系统、图像采集装置和亮度自动调整算法组成一个闭环反馈控制系统，可以对采集到的图像的每一个像素的亮度进行调节，在视觉测量中可以避免因为环境和被测物结构等因素造成的图像质量下降，改善图像的质量。通过设置特殊LCoS控制数据，可以增强图像中感兴趣部分的图像质量，例如在3D光学测量中可以对结构光图像进行突出增强，对非测量部分进行滤波。
图I系统结构模型。图中①数据处理计算机②图像采集卡③数字可编程逻辑控制板，④照明系统，⑤图像传感器，⑥镜头，⑦数字光学衰减器，⑧被测物体。图2像素级可调数字光学亮度衰减器结构。图中⑨偏振分束棱镜，⑩LCoS芯片，◎物镜， 成像物镜。图3系统控制流程。图4算法流程。
具体实施例方式像素级图像亮度自适应数字光学亮度衰减器能够对采集的图像的每一个像素的亮度进行精确调节，取代模拟光学滤波方式，能适应各种光学测量环境。本发明采用高分辨率硅基液晶(LCoS)设计一个对采集图像的每一个像素的亮度可以任意调节的自适应数字光学亮度衰减器。在原有的测量系统结构不变的情况下，在图像传感器装置的前端安装数字光学亮度衰减器，并将图像传感器与计算机连接，形成一个反馈控制系统。计算机根据图像传感器采集到的图像，通过像素亮度自适应算法对数字光学亮度衰减器进行反馈控制，调整数字光学亮度衰减器对每一个像素亮度的参数，优化图像质量，解决图像中曝光过饱和的现象，方便后续计算机数据处理软件的处理。本发明通过设计像素亮度自动调整算法软件，使用图像评价函数对采集得到的图像的每一个像素的亮度进行自动调节，精确控制采集图像每一个亮度的增益值，将空间的高动态范围的亮度调整到摄像机的动态范围之内。同时根据亮度的增益值对图像传感器采集到的图像进行亮度校正，得到真实测量区域的亮度分布，以便后续的测量计算。本发明由高分辨率的硅基液晶LCoS、分光镜、偏振片、物象转换镜头组成光学亮度衰减器，设计LCoS专用的驱动电路，使用图像传感器、图像采集卡和数据处理软件组成反馈控制系统。整体系统结构如图I所示。⑤图像传感器即摄象机获取⑧被测物体的原始图像，通过②图像采集卡把原始图像传送到数据处理①计算机中，采用像素亮度自动调整算法软件中的图像质量评价算法对原始图像进行评价，计算得到初始的LCoS初始化设置模板数据，通过③数字可编程逻辑控制板对⑦数字光学衰减器进行设置。然后图像传感器再次采集经⑦数字光学衰减器调整之后的被测物体图像，再次传送到数据处理计算机并且进行再 次图像自动亮度调整算法的计算，从而获得的LCoS设置模板数据，用于对数字光学亮度衰减器进行重新设置。这样通过多次反馈迭代，最终解决图像中曝光过饱和的现象，使图像传感器采集到的图像质量最优。像素级可调数字光学亮度衰减器结构如图2所示。◎物镜对⑧被测物体成像，通过⑨偏振分束棱镜被测物体的像显示到⑩LCoS芯片上，通过①可编程逻辑板对⑩LCoS芯片上每一个像素的反射光的强度进行控制，调整经⑩LCoS芯片反射后图像的亮度。被⑩LCoS芯片反射的光透过⑨偏振分束棱镜后，通过 成像物镜在⑥图像传感器上成像。使用像素级可调光学亮度衰减器实现了对采集图像的每一个像素亮度的调节，通过图像亮度自动调整算法可以实现采集图像的亮度的自动调节。LCoS驱动电路原理如图3所示。由计算机通信接口、双缓存存储器、可编程逻辑器件、时钟锁相环、电源管理等电路模块组成。可编程逻辑器件根据系统时钟从其中一个存储器读取控制参数并输入到LCoS中，对其每个像素的反射光参数进行驱动。计算机通过通信接口更新另一个存储器的LCoS模板数据。存储器的数据更新完成后，向逻辑控制器件发送指令，切换缓存，使得可编程逻辑从刚更新的存储器取数据输入LCoS进行驱动。计算机像素级亮度自动调整算法软件流程如图4所示。摄像机采集图像后对图像质量进行评价，如果符合光学测量后续软件处理的要求可以停止。如果图像质量不符合要求，根据图像评价标准，使用亮度自动调整算法对采集的图像重新进行计算，得到LCoS设置数据。通过计算机通信接口对LCoS模板数据进行更新，重新进行图像采集。通过多次采集、计算和LCoS模板数据的更新，最终采集到得到最优的图像质量，以便后续的测量计算。本发明采用高分辨率的LCoS作为像素级亮度调节的核心部件，与偏振分光棱镜和相应的镜头组成光学亮度衰减器，光学亮度衰减器安装在原有测量系统的摄像机前端，不用改变原有的测量系统结构。专用LCoS驱动系统、图像采集装置和亮度自动调整算法组成一个闭环反馈控制系统，可以对采集到的图像的每一个像素的亮度进行调节，在视觉测量中可以避免因为环境和被测物结构等因素造成的图像质量下降，改善图像的质量。通过设置特殊LCoS控制数据，可以增强图像中感兴趣部分的图像质量，例如在3D光学测量中可以对结构光图像进行突出增强，对非测量部分进行滤波。
在原有的光学测量系统图像传感器的前端安装像素级图像亮度自适应调整光学亮度衰减器，计算机上安装像素级亮度调节算法软件，连接LCoS控制板和计算机通信接口。测量过程中摄像机拍摄被测物体图像，经亮度调节算法软件对测量图 像进行评价之后，设置LCoS的控制参数，对被测物物体图像的亮度进行调节，满足摄像机拍摄的动态范围，获取最优的图像质量。根据LCoS的控制参数 以便后续光学测量。
权利要求
1.一种像素级自适应数字光学亮度衰减装置，其特征是，包括 图像传感器，用于获取被测物体的原始图像； 图像采集卡，用于把原始图像传送到数据处理计算机中； 自适应数字光学亮度衰减器，设置在被测物体与图像传感器之间，并与计算机相连，用于根据计算机的控制对被测物体图像进行调整，将调整后的被测物体图像输出到图像传感器； 数据处理计算机，用于对原始图像进行评价，计算得到初始的自适应数字光学亮度衰减器初始化设置模板数据，对数字光学衰减器进行设置，对通过自适应数字光学亮度衰减器后图像传感器获取的被测物体的原始图像再次进行评价，并再次计算得到自适应数字光学亮度衰减器设置模板数据，对数字光学衰减器进行设置，通过多次反馈迭代，采集到质量最优图像。
2.如权利要求I所述的装置，其特征是，自适应数字光学亮度衰减器包括 物镜，用于对被测物体成像； 偏振分束棱镜，用于将物镜获得的被测物体的像显示到LCoS芯片上，被LCoS芯片反射的光透过偏振分束棱镜后，通过成像物镜在图像传感器上成像；自适应数字光学亮度衰减器与计算机相连是指，计算机通过数字可编程逻辑控制板对LCoS芯片上每一个像素的反射光的强度进行控制，以控制LCoS芯片反射后图像的亮度。
3.如权利要求I所述的装置，其特征是，数字可编程逻辑控制板由计算机通信接口、双缓存存储器、可编程逻辑器件、时钟锁相环、电源管理模块组成，可编程逻辑器件根据时钟锁相环输出的系统时钟从其中一个缓存存储器读取控制参数并输入到LCoS芯片中，对LCoS芯片每个像素的反射光参数进行驱动，计算机通过通信接口更新另一个缓存存储器的LCoS芯片模板数据，缓存存储器的数据更新完成后，向逻辑控制器件发送指令，切换缓存，使得可编程逻辑从刚更新的存储器取数据输入LCoS芯片进行驱动。
4.一种像素级自适应数字光学亮度衰减方法，其特征是，像素级自适应数字光学亮度衰减方法，借助于前述像素级自适应数字光学亮度衰减装置实现，并包括下列步骤使用图像传感器获取被测物体的原始图像，通过图像采集卡把原始图像传送到数据处理计算机中，采用像素亮度自动调整算法软件中的图像质量评价算法对原始图像进行评价，计算得到初始的LCoS芯片初始化设置模板数据，通过对自适应数字光学亮度衰减器进行设置；然后图像传感器再次采集经自适应数字光学亮度衰减器调整之后的被测物体图像，再次传送到数据处理计算机并且进行再次图像自动亮度调整算法的计算，从而获得的LCoS芯片设置模板数据，用于对数字光学亮度衰减器进行重新设置，通过多次反馈迭代，最终采集到质量最优的图像。
全文摘要
本发明涉及图像处理、视觉检测技术。为适应各种光学测量环境，解决图像中曝光过饱和的现象，使图像传感器采集到的图像质量最优，本发明采取的技术方案是，像素级自适应数字光学亮度衰减装置，包括图像传感器，用于获取被测物体的原始图像；图像采集卡，用于把原始图像传送到数据处理计算机中；自适应数字光学亮度衰减器，设置在被测物体与图像传感器之间，并与计算机相连，用于根据计算机的控制对被测物体图像进行调整，将调整后的被测物体图像输出到图像传感器；数据处理计算机。本发明主要应用于舌体信息提取。
文档编号G01B11/24GK102679905SQ201210006919
公开日2012年9月19日 申请日期2012年1月10日 优先权日2012年1月10日
发明者孙长库, 杨中东, 王鹏 申请人:天津大学