激光輔助照明在電視觀瞄具逆光成像上的應(yīng)用

雷俊杰, 陳文建, 侯風(fēng)乾, 段園園

(西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安 710065)

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激光輔助照明在電視觀瞄具逆光成像上的應(yīng)用

雷俊杰, 陳文建, 侯風(fēng)乾, 段園園

(西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安 710065)

針對機(jī)載光電裝備的電視觀瞄具對逆光物體進(jìn)行觀瞄時(shí)，光亮度劇烈變化，會產(chǎn)生光暈，無法捕獲有用細(xì)節(jié)這一問題，提出利用激光輔助照明成像方案提高物體在激光波段的照度。在觀瞄逆光物體時(shí)，一方面通過降低相機(jī)的曝光時(shí)間降低相面照度，另一方面采用激光輔助照明，對逆光物體進(jìn)行激光照射。通過實(shí)驗(yàn)，電視系統(tǒng)能夠?qū)す獾恼丈溥M(jìn)行成像，逆光物體的圖像邊緣灰度差達(dá)到55，滿足邊緣檢測的要求，能夠分辨物體邊緣信息。

圖像光暈;激光輔助照明;同步曝光;邊緣檢測

引言

現(xiàn)實(shí)真正存在的亮度差，即最亮的物體亮度和最小的物體亮度之比為108， 而人眼所能看到的范圍是105左右，一般的相機(jī)能表示的只有256種不同的亮度。這樣便會導(dǎo)致相機(jī)在同一場景不同位置亮度極度懸殊，從而造成圖像光暈，這就是機(jī)載光電設(shè)備電視觀瞄具在逆光觀瞄時(shí)，同幅畫面亮暗強(qiáng)烈對比，無法捕獲有用細(xì)節(jié)的原因。針對這種圖形光暈問題，一方面CCD傳感器通常配置相應(yīng)的抗光暈措施[1-2]，在傳感器上對偏壓和電子流速進(jìn)行控制；另一方面通過使用軟件上的高動態(tài)范圍(HDR)處理算法[3]加以改進(jìn)，即使目前商業(yè)成像器件對光暈問題進(jìn)行硬件和軟件改進(jìn)，由于其處理范圍有限，機(jī)載電視觀瞄具在逆光觀瞄時(shí)仍然無法分辨觀瞄物體的輪廓形狀。國內(nèi)外對激光輔助照明技術(shù)的應(yīng)用已進(jìn)行了相應(yīng)的嘗試，美國Intevac公司開發(fā)了一種激光照明二維成像系統(tǒng)[4]，增大了目標(biāo)圖像的對比度；美國在無人航空偵察系統(tǒng)中應(yīng)用了激光主動成像技術(shù)[5], 成像距離達(dá)到了50 km；長春理工大學(xué)研制出一臺激光輔助照明主動紅外成像樣機(jī)[6]，實(shí)現(xiàn)了較好的成像效果。為了解決機(jī)載光電設(shè)備逆光成像問題，利用機(jī)載現(xiàn)有主動光源，對目標(biāo)進(jìn)行照射，增強(qiáng)景物在近紅外波段的信號強(qiáng)度，借助CCD的近紅外響應(yīng)特性，可使機(jī)載光電設(shè)備在大動態(tài)范圍場景下獲得良好成像效果。

1 基本原理

1.1 激光輔助照明

激光輔助照明的實(shí)現(xiàn)，關(guān)鍵在于激光反射回波能量足夠使CCD成像[7]。下面從能量角度出發(fā)，根據(jù)朗伯定律推導(dǎo)激光傳輸過程的衰減情況，并結(jié)合 CCD的自身?xiàng)l件，計(jì)算滿足 CCD 的能量公式。

如圖1所示，激光照明器的發(fā)光位置是O，它的發(fā)散角為θ，照明距離為R，激光照到目標(biāo)上的光束是一個(gè)直徑為φ，面積為S的圓。當(dāng)R?φ時(shí),有關(guān)系式：

(1)

圖1 激光照明光束示意圖Fig.1 Diagram of laser illumination

根據(jù)激光在大氣中的傳輸特性，激光功率為P，則距離R處圓面積S獲得的光照明功率為

Ps=Pεexp(-βR)

(2)

式中：ε為發(fā)射系統(tǒng)透過率；β為大氣透過率[8]。

圖2 接收系統(tǒng)示意圖Fig.2 Diagram of receiving system

目標(biāo)被激光照明的輻射功率PA為

(3)

設(shè)目標(biāo)的反射率為ρ；鏡頭的光學(xué)透過率為τ，則CCD接收到的激光反射光功率為

(4)

1.2CCD同步時(shí)序控制

正常狀態(tài)下，CCD和激光脈沖的工作時(shí)序是不同步的，這樣會導(dǎo)致激光脈沖信號和CCD工作的不匹配，激光脈沖的成像完全是隨機(jī)的，處于CCD曝光時(shí)間內(nèi)時(shí)就能成像，不在CCD曝光時(shí)間內(nèi)則無法成像。CCD采用外觸發(fā)的方式將CCD工作曝光時(shí)間和采集到的激光脈沖信號進(jìn)行同步[9]。圖3顯示了激光脈沖和CCD工作的曝光時(shí)間之間的時(shí)序關(guān)系。

圖3 同步脈沖和激光脈沖時(shí)序圖Fig.3 Sequence diagram of synchronous signal and laser signal

利用FPGA的時(shí)序生成電路產(chǎn)生兩路TTL信號，通過延時(shí)調(diào)整時(shí)序關(guān)系，使得激光脈沖和CCD外觸發(fā)信號兩者完成同步。激光回波信號返回到CCD時(shí)正好處于CCD曝光時(shí)間中。

1.3 邊緣檢測算法

圖像的大部分信息都表現(xiàn)在圖像的邊緣中[10],表現(xiàn)特征為圖像局部特征的不連續(xù),也就是圖像中灰度變化比較劇烈的地方。邊緣檢測的處理步驟如圖4所示。

圖4 邊緣檢測處理步驟
Fig.4 Process steps of edge detection

基于灰度直方圖門限法的邊緣檢測是一種最常用、最簡單的邊緣檢測方法。為了檢測出圖像物體的邊緣,把直方圖用閾值(參數(shù)為T)分割成2個(gè)部分,T的參數(shù)選擇影響邊緣檢測的處理質(zhì)量。對圖像f(i，j)實(shí)施以下步驟：

1) 掃描圖像 f(i, j)的每一行,將所掃描的行中每一個(gè)像素點(diǎn)的灰度與T進(jìn)行比較后得到g1(i, j);

2) 再掃描圖像 f(i, j)的每一列,將所掃描的列中每一個(gè)像素點(diǎn)的灰度與 T進(jìn)行比較后得到g2(i, j);

3) 將 g1(i, j)與 g2(i, j) 合并,即得到物體的邊界圖像 g(i, j)。

2 實(shí)驗(yàn)裝置搭建

2.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由兩大部分組成，一部分為激光輔助照明光源，當(dāng)瞄準(zhǔn)好物體時(shí)，對物體發(fā)射一組照射激光，增強(qiáng)景物在特定激光波段的信號強(qiáng)度，這部分在機(jī)載設(shè)備上便是測照器；另一部分為圖像采集單元，變焦鏡頭根據(jù)觀瞄物體遠(yuǎn)近進(jìn)行調(diào)整，視頻相機(jī)對物體進(jìn)行成像，在正常情況下，進(jìn)行自動成像，當(dāng)觀瞄逆光物體時(shí)，借助CCD的近紅外響應(yīng)特性，對激光輔助照明的物體進(jìn)行成像。這部分在機(jī)載設(shè)備上便是電視觀瞄具。具體組成如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)組成Fig.5 System composition

時(shí)間選通發(fā)生器是一個(gè)FPGA器件，產(chǎn)生時(shí)序TTL信號，該時(shí)序信號一方面提供給CCD的外同步控制端，另一方面輸出給編碼調(diào)制器，用于激光編碼控制，經(jīng)過編碼控制和延時(shí)控制，控制調(diào)Q信號，產(chǎn)生相應(yīng)的高壓信號，通過退壓放電，過發(fā)射天線發(fā)射出一組固定編碼的激光脈沖。

2.2 設(shè)備選取

實(shí)驗(yàn)設(shè)備分為激光發(fā)射光源、電視觀瞄具、成像存儲處理計(jì)算機(jī)3大部分。

激光器采用自制的激光照射器，激光能量值為80 mJ,照射器脈寬為20 ns，激光束散角為1 mrad。激光發(fā)射天線口徑為60 mm。發(fā)射重復(fù)頻率為20 Hz，激光波長為1 064 nm。

電視觀瞄具中光學(xué)鏡頭經(jīng)過近紅外波段光學(xué)設(shè)計(jì)，近紅外波段的透過率大于70%，口徑為50 mm。電視觀瞄具中的相機(jī)采用近紅外相機(jī)，型號為NIR300，分辨率為320像素×256像素，靶面尺寸為9.6 mm×7.68 mm，由圖6響應(yīng)曲線可見，在1 064 nm處的光譜響應(yīng)度大于70%。這樣的配置能夠?qū)Ψ瓷涞奈⑷跫す膺M(jìn)行成像。

圖6 近紅外相機(jī)響應(yīng)曲線Fig.6 Spectral sensitivity of IR camera

將照射器中FPGA產(chǎn)生的TTL時(shí)序信號提供給電視觀瞄具近紅外相機(jī)的外觸發(fā)控制端，保證相機(jī)工作和激光發(fā)射時(shí)序同步。

激光照射器和電視觀瞄具在實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行光軸校準(zhǔn)，保證遠(yuǎn)距離地照器照射的激光能夠在電視觀瞄具的視場范圍內(nèi)。

實(shí)驗(yàn)中在地面上對逆光物體進(jìn)行模擬成像，太陽能蓄水筒在正午時(shí)分反射的太陽光很強(qiáng)，能夠近似地模擬逆光物體。

3 實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)中首先將CCD調(diào)整到處于自動運(yùn)行狀況，相當(dāng)于電視觀瞄具處于常規(guī)運(yùn)行狀態(tài)，如圖7(a)所示，太陽能蓄水筒反射的強(qiáng)太陽光產(chǎn)生光暈，周圍的物體由于對比度的關(guān)系，無法分辨具體的細(xì)節(jié)。

調(diào)整CCD處于外觸發(fā)工作模式，為了盡可能地抑制反射太陽光中的近紅外波段，將相機(jī)曝光時(shí)間設(shè)為1 ms，使得太陽光產(chǎn)生的光暈現(xiàn)象影響變?nèi)酢５玫綀D 7(b)所示的圖像，可以看出，整幅圖像比較暗，反射太陽光比較強(qiáng)的部分亮度降低。

在CCD外觸發(fā)工作模式下，同步照射激光脈沖，近紅外電視觀瞄具捕捉到物體反射的激光光譜的圖像，得到圖7(c)所示的圖像，可以看出，整幅圖像擺脫了光暈的影響，邊緣清晰可見。

圖7 使用不同方法獲得的逆光物體圖像Fig.7 Image of backlighting object obtained in different ways

3.1 圖像對比度分析

人眼在觀看一幅圖像時(shí)，好的圖像對比度能保留圖像更多的細(xì)節(jié)，合適的圖像亮度能夠使圖像對比度符合人眼的需求。

圖8(a)為常規(guī)觀瞄的灰度值，可以看出灰度有2個(gè)波峰，一個(gè)灰度在140附近，一個(gè)灰度在臨近飽和的240附近，成像時(shí)光照過強(qiáng)，使得整幅圖像偏亮，這種情況為低對比度；圖8(b)為1 ms曝光時(shí)間的電視觀瞄圖像灰度值，圖像亮度集中在

35附近，此時(shí)成像時(shí)光照不足，使得整幅圖像偏暗，這種也屬于低對比度；低對比度情況下，顏色都擠在一起，沒有拉開，圖像細(xì)節(jié)難以表現(xiàn)出來。

圖8(c)為在1 ms曝光時(shí)間并加以激光輔助同步照明時(shí)觀瞄圖像的灰度值，圖像亮度在90附近，而且灰度值覆蓋的范圍比較廣，反映了圖像亮度變化動態(tài)范圍廣，圖像的亮度范圍拉開，使得該范圍內(nèi)的像素，亮的越亮，暗的越暗，從而達(dá)到增強(qiáng)對比度的目的。

圖8 圖像的灰度分布圖Fig.8 Gray value distribution diagrams of images

對比可以看出，經(jīng)過激光同步輔助照明物體對比度在90附近，滿足人眼對圖像亮度的要求。

3.2 圖像邊緣檢測

利用邊緣檢測圖像處理方法對圖像進(jìn)行處

理，對逆光物體最亮的部分下方進(jìn)行邊緣檢測，如圖9所示，采用Labview圖形化軟件進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)對圖像的灰度檢測、閾值設(shè)置及邊緣檢測，得到圖10所示的處理結(jié)果。

圖9 軟件處理界面Fig.9 Processing interface of software

由圖10(a)可以看出需要分辨的物體邊緣無法分辨，邊緣特征為被光過亮照射的亮斑邊緣，不是物體的真實(shí)邊緣。邊緣檢測時(shí)由于反光部分灰度為150附近，背光部分由于光暈的作用灰度為140附近?；叶炔顬?0，故無法分辨物體形狀及邊緣特征；圖10(b)邊緣檢測過程中由于目標(biāo)物體太黑而沒有顯示，沒有物體的輪廓信息，反光部分灰度為50附近，背光部分灰度為40附近，灰度差為10,無法分辨物體邊緣輪廓；圖10(c)能夠分辨物體的邊緣，圖像處理采用物體邊緣檢測原理，經(jīng)過檢測后，反光部分灰度值為125附近，背光部分為70附近，灰度差為55，灰度差足夠大以至于邊緣檢測能夠檢測到，物體的邊緣1和2可以清晰地顯示出來。

圖10 邊緣檢測算法結(jié)果Fig.10 Result of edge detection

圖像的大部分信息包含在邊緣中，經(jīng)過輔助照明后觀瞄到的的逆光物體擺脫了太陽光光暈的影響，邊緣細(xì)節(jié)更容易分辨。

4 結(jié)論

本文針對電視觀瞄具在光亮度劇烈變化的情況下，會產(chǎn)生光暈的問題,提出使用激光輔助照明的方法來提高物體在激光波段的照度，通過同步電視攝影使電視觀瞄具達(dá)到對激光照明物體成像的目的。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過在降低相機(jī)積分時(shí)間的基礎(chǔ)上輔助以頻率為20 Hz激光照射，能夠?qū)⒛婀鈭D像中物體的邊緣灰度差達(dá)到55，物體邊緣能夠被檢測到。

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Application of laser auxiliary illumination on TV assembly backlight imaging

Lei Junjie, Chen Wenjian, Hou Fengqian, Duan Yuanyuan

(Xi’an Institute of Applied Optics, Xi’an 710065, China)

When the TV sight of airborne EO device is viewing the backlighting object, the brightness changes dramatically, which can produce image blooming,so the system is unable to capture useful details.Aiming at the problem, we proposed a scheme to solve the image blooming by utilizing the laser auxiliary illumination. When the equipment observed the backlighting object, the designator illuminated a laser of a certain frequency to irradiate the object,meanwhile, the exposure time of camera was reduced so as to decrease the illumination. Experiment shows that the TV system can format a image of laser irradiation，the histogram difference of the image edge is about 55,which meets the demand of edge detection, and the edge information can be distinguished.

image blooming; laser auxiliary illumination; triggered exposure; edge detection

1002-2082(2015)06-0971-06

2015-01-06；

2015-09-09

雷俊杰(1983-)，男，山西晉中人，工程師，主要從事光電探測及激光成像技術(shù)方面的研究工作。

E-mail：leijunjie971@163.com.

TN249

A

10.5768/JAO201536.0605004