專利名稱：一種主動(dòng)照明的夜視裝置及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于激光主動(dòng)照明的方式條件下探測(cè)物體的夜視裝置。本發(fā)明還 涉及一種利用該夜視裝置的主動(dòng)照明的夜視方法。
背景技術(shù)：
夜視儀有主動(dòng)式和被動(dòng)式兩種。主動(dòng)夜視系統(tǒng)是利用近紅外光作光源照明目標(biāo)， 如紅外LED、紅外燈和近紅外激光器等；用低照度攝像機(jī)或微光攝像機(jī)接收目標(biāo)反射的紅 外光，轉(zhuǎn)換成視頻信號(hào)在監(jiān)視器熒光屏上同步顯示圖像，這種夜視儀稱為主動(dòng)紅外夜視儀。 被動(dòng)夜視系統(tǒng)有兩種類型，一類是利用月光、星光、天空輝光、夜天光等一切很微弱的自然 光線，加以放大增強(qiáng)達(dá)到可視的目的，這類夜視儀也稱為微光夜視儀。另一類是利用遠(yuǎn)紅外 敏感的探測(cè)器探測(cè)目標(biāo)本身的熱輻射，這類夜視儀也稱為熱像儀。在自然光照明被動(dòng)成像 測(cè)量條件下，由于各種背景輻射的影響，限制了成像系統(tǒng)對(duì)遠(yuǎn)距離目標(biāo)成像測(cè)量和精確跟 蹤能力。采用激光主動(dòng)照明的方式，對(duì)遠(yuǎn)、小、暗目標(biāo)或其局部進(jìn)行照明，可以減小背景輻射 的影響，提高系統(tǒng)對(duì)遠(yuǎn)距離、小、暗目標(biāo)的精確跟蹤和成像測(cè)量能力。激光主動(dòng)照明成像系 統(tǒng)的工作原理是通過調(diào)節(jié)發(fā)射激光束的聚焦?fàn)顟B(tài)(發(fā)散角)，將目標(biāo)全部或目標(biāo)的關(guān)鍵特 征部位照亮，滿足接收系統(tǒng)探測(cè)要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的成像和觀察的目的。主動(dòng)激光夜視儀，具有成本低、使用方便、空間分辨率高、可以晝夜通用(白天也 可以使用)、探測(cè)距離也比較遠(yuǎn)、并能在一定程度上識(shí)別目標(biāo)偽裝。所以對(duì)于公安、武警和邊 防線監(jiān)控等應(yīng)用來說非常合適。公知地，被動(dòng)夜視裝置利用物體發(fā)射的紅外光通過攝像機(jī)成像。但是該裝置像素 少，因此靈敏度低、探測(cè)范圍有限，并且需要價(jià)格昂貴的中紅外攝像機(jī)。而主動(dòng)夜視裝置 (即，主動(dòng)照明的夜視裝置)通過加入照明光源照明物體后在攝像機(jī)上成像，使得像素多， 因此靈敏度高、探測(cè)范圍大，并且可以使用便宜的CCD攝像機(jī)從而使成本大大降低。圖1示出了一種典型的現(xiàn)有技術(shù)的主動(dòng)照明的夜視裝置，主要用于在夜間探測(cè)車 輛，艦船，或其它目標(biāo)。該夜視裝置包括激光驅(qū)動(dòng)器使激光發(fā)光依次通過照明物鏡、成像透 鏡、攝像機(jī)，目標(biāo)物體(車輛)，在照明物鏡和成像透鏡之間，激光光源發(fā)射的光線通過照明 物鏡照射物體，然后反射到成像透鏡并成像在攝像機(jī)上。但是這種裝置存在缺陷由于物體 的反光和發(fā)光特性變化大，光過強(qiáng)的部分在攝像機(jī)中溢出，而光過弱的部分會(huì)與背景相同， 從而造成亮的地方更亮、暗的地方更暗，無法看清物體的細(xì)節(jié)。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供了一種使照明光源的亮 度均勻、從而看清物體細(xì)節(jié)的主動(dòng)照明的夜視裝置。本發(fā)明的技術(shù)方案是這種主動(dòng)照明的夜視裝置，包括照明光源、照明物鏡、成像 透鏡、攝像機(jī)，照明光源發(fā)射的光線通過照明物鏡照射目標(biāo)物體，然后反射到成像透鏡并成 像在攝像機(jī)上，在照明光源和照明物鏡之間設(shè)有第一空間光調(diào)制器(SLM，Spatial LightModulator)，其用于根據(jù)從攝像機(jī)經(jīng)圖像處理和控制單元得到的調(diào)制信號(hào)同步地調(diào)整光線 的亮度?；蛘?，這種主動(dòng)照明的夜視裝置包括照明光源、照明物鏡、成像透鏡、攝像機(jī)，照明 光源發(fā)射的光線通過照明物鏡照射物體，然后反射到成像透鏡并成像在攝像機(jī)上，在成像 透鏡和攝像機(jī)之間設(shè)有第二空間光調(diào)制器，其用于根據(jù)從攝像機(jī)經(jīng)圖像處理和控制單元得 到的調(diào)制信號(hào)同步地調(diào)整光線的亮度。由于采用了空間光調(diào)制器來調(diào)整光線的亮度，所以使得物體反光或發(fā)光過強(qiáng)的部 分亮度減弱、反光或發(fā)光過弱的部分亮度增強(qiáng)，從而得到更好的成像質(zhì)量。本發(fā)明還提供了一種利用以上裝置的主動(dòng)照明的夜視方法，包括以下步驟(1)觸發(fā)照明光源來照明物體所在區(qū)域，從而在攝像機(jī)上得到圖像信號(hào)；(2)圖像信號(hào)通過圖像處理和控制單元后得到調(diào)制信號(hào)；(3)空間光調(diào)制器根據(jù)調(diào)制信號(hào)來同步地調(diào)整照明光線的亮度；(4)如果再次從攝像機(jī)得到的圖像信號(hào)不符合滿意值則根據(jù)調(diào)制信號(hào)調(diào)整照明光 源，然后執(zhí)行步驟(1)，如果再次從攝像機(jī)得到的圖像信號(hào)符合滿意值則執(zhí)行步驟(5)；(5)結(jié)束。


現(xiàn)在將參照附圖僅僅通過例子的方法示出本發(fā)明的以上和其它方面，其中圖1是一種典型的現(xiàn)有技術(shù)的主動(dòng)夜視裝置的示意圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的主動(dòng)照明的夜視裝置的第一實(shí)施例的示意圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的主動(dòng)照明的夜視裝置的第二實(shí)施例的示意圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的主動(dòng)照明的夜視裝置的第三實(shí)施例的示意圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明的主動(dòng)照明的夜視裝置的第四實(shí)施例的示意圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明的主動(dòng)照明的夜視裝置中的系統(tǒng)組成示意圖；圖7是所述步驟O)的信號(hào)處理的示意圖；圖8是所述步驟O)的閾值，低通濾波方法的流程圖；圖9是所述步驟(2)的低通濾波，閾值方法的軟件流程圖；以及圖10是圖8流程圖的簡(jiǎn)化流程圖。
具體實(shí)施例方式圖1是一種典型的現(xiàn)有技術(shù)的主動(dòng)夜視裝置的示意圖，這種主動(dòng)照明的夜視裝 置，包括照明光源、照明物鏡、成像透鏡、攝像機(jī)，照明光源發(fā)射的光線通過照明物鏡照射物 體，然后反射到成像透鏡并成像在攝像機(jī)上。在這種方式中如果目標(biāo)物體有強(qiáng)烈的反射部 份就會(huì)造成攝像機(jī)過度感光，圖像信號(hào)會(huì)益出而無法看清細(xì)節(jié).如果降低激光的照明，由 于是整個(gè)照明區(qū)域光強(qiáng)度下降，目標(biāo)物上反光弱的地方信號(hào)也減小而噪聲變大.也使反光 弱的地方無法看清。攝像機(jī)上圖像光強(qiáng)分布為F (X，y) = A*R(χ, y) +E (χ, y)(1)在這里，χ, y為二維空間座標(biāo)，R(x, y)為目標(biāo)區(qū)域反射特性函數(shù)，A為光源的照明 光強(qiáng)，E(x，y)目標(biāo)區(qū)域自發(fā)光和環(huán)境光特性.
如圖2和3所示，本發(fā)明的主動(dòng)照明的夜視裝置，包括照明光源(激光器)、偶合透 鏡、照明物鏡、成像透鏡、攝像機(jī)，照明光源發(fā)射的光線通過照明物鏡照射物體，然后反射到 成像透鏡并成像在攝像機(jī)上，在照明光源和照明物鏡之間設(shè)有偶合透鏡、第一空間光調(diào)制 器，其用于根據(jù)從攝像機(jī)經(jīng)圖像處理和控制單元得到的調(diào)制信號(hào)同步地調(diào)整光線的亮度。攝像機(jī)上圖像光強(qiáng)分布為F (x, y) = A*S (χ，y) *R(χ, y)+E(x, y)(2)在這里，χ, y為二維空間座標(biāo)，S (x, y)為第一空間光調(diào)制器的調(diào)制函數(shù)，R (x, y) 為目標(biāo)區(qū)域反射特性函數(shù)，A為光源的照明光強(qiáng)，E(x，y)目標(biāo)區(qū)域自發(fā)光和環(huán)境光特性.優(yōu)選地，照明光源為激光光源。更進(jìn)一步地，激光光源為發(fā)射波長(zhǎng)在0. 76-3um的激光器。優(yōu)選地，所述照明物鏡和成像透鏡均為可變焦透鏡。更進(jìn)一步地，所述第一空間光調(diào)制器SLM可以是DLP(數(shù)字光處理器件，Digital Light Procession)。它是基于TI (美國(guó)德州儀器)公司開發(fā)的DMD (數(shù)字微鏡元件，Digital Micro mirror Device)來完成可視數(shù)字信息顯示的技術(shù)。說得具體點(diǎn)，就是DLP應(yīng)用了數(shù) 字微反射鏡片來作為主要關(guān)鍵處理元件以實(shí)現(xiàn)數(shù)字光學(xué)處理過程。圖2和圖3分別示出了根據(jù)本發(fā)明具有反射式和透視式的空間光調(diào)制器(SLM)主 動(dòng)照明夜視裝置的示意圖。空間光調(diào)制器(Spatial Light Modulator)是一類能將信息加 載于一維或兩維的光學(xué)數(shù)據(jù)場(chǎng)上，以便有效的利用電信號(hào)對(duì)光進(jìn)行調(diào)制的器件。這類器件 可在隨時(shí)間變化的電驅(qū)動(dòng)信號(hào)或其他信號(hào)的控制下，改變空間上光分布的振幅或強(qiáng)度、相 位、偏振態(tài)，或者把相干光轉(zhuǎn)化成非相干光。由于它的這種性質(zhì)，利用光的固有速度、并行性 和互連能力作為實(shí)時(shí)光學(xué)信息處理、光計(jì)算和光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等系統(tǒng)中構(gòu)造單元或關(guān)鍵的器 件。本發(fā)明采用了 SLM來調(diào)整照明光線的亮度，這種主動(dòng)照明的夜視裝置包括照明光源、照 明物鏡、成像透鏡、攝像機(jī)及顯示器，照明光源發(fā)射的光線通過照明物鏡照射物體，然后反 射到成像透鏡并成像在攝像機(jī)上，在照明光源和照明物鏡之間設(shè)有空間光調(diào)制器SLM，其用 于根據(jù)從攝像機(jī)經(jīng)圖像處理和控制單元得到的調(diào)制信號(hào)同步地調(diào)整光線的亮度。更進(jìn)一步地，如圖5所示，這種主動(dòng)照明的夜視裝置包括照明光源、照明物鏡、成 像透鏡、攝像機(jī)及顯示器，照明光源發(fā)射的光線通過照明物鏡照射物體，然后反射到成像透 鏡并成像在攝像機(jī)上，在照明光源和照明物鏡之間設(shè)有偶合透鏡、第一空間光調(diào)制器，在成 像透鏡和攝像機(jī)之間設(shè)有中繼透鏡和第二空間光調(diào)制器，其用于根據(jù)從攝像機(jī)經(jīng)圖像處理 和控制單元得到的調(diào)制信號(hào)同步地調(diào)整光線的亮度并且能有效抑制目標(biāo)物體自身發(fā)射的 光線對(duì)攝像的影響。攝像機(jī)上圖像光強(qiáng)分布為F(x，y) = S2(x，y)*(Sl(x，y)*A*R(x，y)+E(x，y))(3)在這里，χ, y為二維空間座標(biāo)，Sl (χ, y)為第一空間光調(diào)制器的調(diào)制函數(shù)，S2 (x, y) 為第二空間光調(diào)制器的調(diào)制函數(shù)，R(x, y)為目標(biāo)區(qū)域反射特性函數(shù)，A為光源的照明光強(qiáng)， E(x,y)目標(biāo)區(qū)域自發(fā)光和環(huán)境光特性.優(yōu)選地，在第二空間光調(diào)制器SLM和攝像機(jī)之間設(shè)有中繼透鏡，其使第二空間光 調(diào)制器和攝像機(jī)成為共軛關(guān)系。優(yōu)選地，照明光源為激光光源。
更進(jìn)一步地，激光光源為發(fā)射波長(zhǎng)在0. 76-3um的激光驅(qū)動(dòng)器。更進(jìn)一步地，圖像處理包括圖像壓縮，存儲(chǔ)，識(shí)別等功能.優(yōu)選地，所述照明物鏡和成像透鏡均為可變焦透鏡。圖4是根據(jù)本發(fā)明的主動(dòng)照明的夜視裝置的第三實(shí)施例的示意圖。這種主動(dòng)照明 的夜視裝置包括照明光源、照明物鏡、成像透鏡、攝像機(jī)及顯示器，照明光源發(fā)射的光線通 過照明物鏡照射物體，然后反射到成像透鏡并成像在攝像機(jī)上，在成像透鏡和攝像機(jī)之間 設(shè)有中繼透鏡和第二空間光調(diào)制器SLM，中繼透鏡的作用是將第二 SLM成像在攝像機(jī)上，也 就是第二 SLM與攝像機(jī)為共軛關(guān)系，其用于根據(jù)從攝像機(jī)經(jīng)圖像處理和控制單元得到的調(diào) 制信號(hào)同步地調(diào)在整攝像機(jī)上光線的亮度并且能有效抑制目標(biāo)物體自身發(fā)射的光線對(duì)攝 像的影響。攝像機(jī)上圖像光強(qiáng)分布為F (X，y) = S (X，y) * (A*R(χ, y) +E (χ, y))(4)在這里，χ, y為二維空間座標(biāo)，S (x, y)為第二空間光調(diào)制器的調(diào)制函數(shù)，R(x, y) 為目標(biāo)區(qū)域反射特性函數(shù)，A為光源的照明光強(qiáng)，E(x，y)目標(biāo)區(qū)域自發(fā)光和環(huán)境光特性.圖6是根據(jù)本發(fā)明的主動(dòng)照明的夜視裝置中的主要單元的示意圖。這種利用以上 裝置的主動(dòng)照明的夜視方法包括以下步驟(1)激光照明光源用來照明物體所在區(qū)域，從 而在攝像機(jī)上得到圖像信號(hào)，在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中還可以將該圖像信號(hào)傳送到顯示器， 激光器由激光驅(qū)動(dòng)電路控制，可進(jìn)行激光開，關(guān)，光強(qiáng)調(diào)整和同步等控制；⑵圖像信號(hào)通 過圖像處理和控制單元后得到調(diào)制信號(hào)；C3)第一空間光調(diào)制器(第一，第二，第三實(shí)施例) 或第一和第二空間光調(diào)制器(第五實(shí)施例)根據(jù)調(diào)制信號(hào)來同步地調(diào)整照明光線的亮度， SLM控制器用于控制空間光調(diào)制器；(4)攝像機(jī)得到圖像信號(hào)并顯示。如圖7和8所示，圖像處理和控制包括以下分步驟(2. 1)圖像信號(hào)的每個(gè)像素 的灰度分別與高閾值和低閾值比較，大于高閾值的像素灰度則反向變換并乘放大因子，小 于低閾值的像素灰度則反向變換并乘放大因子，在高閾值和低閾值之間的像素的灰度保 持不變，得到調(diào)制圖像；(2. 2)將調(diào)制圖像的所有像素乘以幀存儲(chǔ)器中的對(duì)應(yīng)像素亮度值； (2. 3)將步驟(2. 2)的數(shù)據(jù)保存到幀存儲(chǔ)器中。S(x，y) = p(F(x，y))*(a*H(x，y)*(l+b*L(x，y))))(5)在這里，χ, y為二維空間座標(biāo)，S (x，y)為空間光調(diào)制器的調(diào)制函數(shù)，ρ O為低通濾 波涵數(shù)，I (X，y)為存儲(chǔ)在幀存中上一次的調(diào)制函數(shù)，a, b為放大因子，H(x, y)為歸一化的 與高閾值比較并反相后的圖像信號(hào)，，L(x，y)歸一化的與低閾值比較并反相后的圖像信號(hào)， 也就是H(x，y)，L(x，y)的值均為0 1之間。關(guān)于低通濾波的方法很多，可在空域或頻域進(jìn)行。也可以先進(jìn)行低通濾波處理然 后作其它處理，如圖9。圖10為圖8的簡(jiǎn)化方法。S (x, y) = I (χ, y) * (a*G (χ, y) +b)(6)在這里，S (X，y)為空間光調(diào)制器的調(diào)制函數(shù)，I (x, y)為存儲(chǔ)在幀存中上一次的調(diào) 制函數(shù)，a，b為因子，G(x，y)為歸一化的與高閾值比較并反相后的圖像信號(hào)，，L(x，y)歸一 化的低通濾波并反相后的圖像信號(hào)，也就是G(x，y)的值均為0 1之間。以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化與修飾，均仍屬本發(fā)明 技術(shù)方案的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種主動(dòng)照明的夜視裝置，包括照明光源、照明物鏡、成像透鏡、攝像機(jī)、圖像處理和 控制單元，光源發(fā)射的光線通過照明物鏡照射物體，然后反射到成像透鏡并成像在攝像機(jī) 上，其特征在于在照明光源和照明物鏡之間設(shè)有第一空間光調(diào)制器，其用于根據(jù)從攝像機(jī) 經(jīng)圖像處理和控制單元得到的調(diào)制信號(hào)同步地調(diào)整光線的亮度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的主動(dòng)照明的夜視裝置，其特征在于在照明光源和第一空間 光調(diào)整器之間設(shè)有偶合透鏡。
3.—種主動(dòng)照明的夜視裝置，包括照明光源、照明物鏡、成像透鏡、攝像機(jī)、圖像處理和 控制單元，光源發(fā)射的光線通過照明物鏡照射物體，然后物體反射的光線到達(dá)成像透鏡并 成像在攝像機(jī)上，其特征在于在成像透鏡和攝像機(jī)之間設(shè)有第二空間光調(diào)制器，其用于根 據(jù)從攝像機(jī)經(jīng)圖像處理和控制單元得到的調(diào)制信號(hào)同步地調(diào)整光線的亮度。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的主動(dòng)照明的夜視裝置，其特征在于在第二空間光調(diào)制器SLM 和攝像機(jī)之間設(shè)有中繼透鏡，用于偶合第二空間光調(diào)制器和攝像機(jī)使之成為共軛成像關(guān) 系。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的主動(dòng)照明的夜視裝置，其特征在于照明光源為任 意波長(zhǎng)的能量輻射，優(yōu)選地照明光源為激光光源。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的主動(dòng)照明的夜視裝置，其特征在于所述照明物鏡、 成像透鏡均為可變焦透鏡，所述空間光調(diào)制器是數(shù)字光處理器件DLP。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的主動(dòng)照明的夜視裝置，其特征在于所述空間光調(diào) 制器是透射式的或反射式的。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的主動(dòng)照明的夜視裝置，其特征在于還包括顯示器， 其用于顯示從攝像機(jī)得到的圖像信號(hào)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的主動(dòng)照明的夜視方法，其特征在于包括以下步驟(1)觸發(fā)照明光源來照明物體所在區(qū)域，從而在攝像機(jī)上得到圖像信號(hào)；(2)圖像信號(hào)通過圖像處理和控制單元后得到調(diào)制信號(hào)；(3)第一和/或第二空間光調(diào)制器根據(jù)調(diào)制信號(hào)同步地來調(diào)整照明光線的亮度分布；(4)再次從攝像機(jī)得到的圖像信號(hào)不符合滿意值則然后執(zhí)行步驟O)，如果從攝像機(jī) 得到的圖像信號(hào)符合滿意值則執(zhí)行步驟(5)；(5)結(jié)束。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的主動(dòng)照明的夜視方法，其特征在于所述步驟(2)包括以下 分步驟(2. 1)圖像信號(hào)的每個(gè)像素的灰度分別與高閾值和低閾值比較，大于高閾值的像素灰 度則反向變換并乘放大因子，小于低閾值的像素灰度則反向變換并乘放大因子，在高閾值 和低閾值之間的像素的灰度保持不變，得到調(diào)制圖像；(2. 2)將調(diào)制圖像的所有像素乘以圖像幀存儲(chǔ)器中上一次調(diào)制圖像信號(hào)；(2.3)將步驟(2.2)的數(shù)據(jù)保存到圖像幀存儲(chǔ)器中。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有自適應(yīng)功能的主動(dòng)照明夜視裝置，其包括照明光源、空間光調(diào)制器(SLM)、照明物鏡、成像透鏡、中繼透鏡、攝像機(jī)、圖像處理和控制單元。照明光源發(fā)射的光線通過照明物鏡照射物體，然后光線反射到成像透鏡并成像在攝像機(jī)上，在照明光源和照明物鏡之間和/或在成像透鏡和攝像機(jī)之間設(shè)有空間光調(diào)制器(SLM)，其用于根據(jù)從攝像機(jī)經(jīng)圖像處理和控制單元得到的調(diào)制信號(hào)同步地調(diào)整光線的亮度。由于采用了空間光調(diào)制器來調(diào)整光線的亮度，所以使得物體反光過強(qiáng)或物體本身發(fā)光過強(qiáng)的部分亮度減弱、反光過弱的部分亮度增強(qiáng)，從而得到更好的成像質(zhì)量。還公開了利用該裝置的方法。
文檔編號(hào)G02B23/12GK102053360SQ20101051928
公開日2011年5月11日 申請(qǐng)日期2010年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月18日
發(fā)明者梅曉輝 申請(qǐng)人:北京高普樂光電科技有限公司