LED脈沖光源分時(shí)復(fù)用的光場相機(jī)成像技術(shù)研究

嚴(yán)賽美，劉 吉,，武錦輝，蘇凝鋼，司 宇，牛雅昕

(中北大學(xué) a.信息與通信工程學(xué)院;b.電子測試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051)

1 引言

爆炸場景深空間較大，如果沿用傳統(tǒng)單成像系統(tǒng)的方式，由于其拍攝空間信息有限，勢必導(dǎo)致多個(gè)破片信息丟失。若采用多相機(jī)陣列的方式，不同相機(jī)分別負(fù)責(zé)拍攝不同的層次空間，但是，多相機(jī)系統(tǒng)將造成系統(tǒng)成本和實(shí)驗(yàn)成本大幅度的提高，相機(jī)之間的協(xié)同控制、在爆炸場中多相機(jī)的布置和防護(hù)等也帶來諸多技術(shù)難題。所以，對于高速運(yùn)動、多主體且距離較大的目標(biāo)對象，光場相機(jī)成像技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)更為明確，其內(nèi)部特有的微透鏡陣列(MLA)，可以利用相機(jī)的單次曝光來對全場的光場信息進(jìn)行記錄，能夠解決單相機(jī)成像信息有限及多相機(jī)系統(tǒng)復(fù)雜、操作困難等一系列問題，可將該技術(shù)引入到爆炸場中多破片速度、形狀及空間分布等參數(shù)的測試中。

但是，針對戰(zhàn)斗部爆炸場惡劣的測試環(huán)境，破片本身具有速度快、尺寸小、分布范圍大等難點(diǎn)，對光場相機(jī)的成像幅率將提出更高的要求，而且目前光場相機(jī)由于數(shù)據(jù)量很大，既要保存光線的位置信息，又要保存角度信息，導(dǎo)致光場相機(jī)的幅率不如傳統(tǒng)相機(jī)的高，且光學(xué)傳感器在光場相機(jī)低曝光時(shí)間內(nèi)成像時(shí)靈敏度不夠，無法獲得清晰的圖像等限制，針對此問題，采用光場相機(jī)配合添加外部多種單色窄脈沖主動光源分時(shí)照射被測物體，提高待測物體的光照度，有效提高相機(jī)的成像幅率，且選用的高功率窄脈沖LED光源為紅綠藍(lán)3種單色光源。將采集到的圖像根據(jù)通道分量解析為3幅不同時(shí)間單色光源照射后的通道圖像，使得圖像獲取效率提高了3倍，以此來提高光場相機(jī)用于戰(zhàn)斗部爆炸場的成像幅率。

2 光場相機(jī)成像原理

所有進(jìn)入相機(jī)的光場中的光線的波長、強(qiáng)度與方向等信息都能被光場相機(jī)所采集到,得到的本質(zhì)上即空間中所有的光輻射函數(shù)的總體。由Levoy提出的光場渲染理論可知，光線是同時(shí)帶有二維的位置坐標(biāo)信息(，)與二維的方向信息(，)的，在光場中傳播時(shí)，都是可以對其用如圖1中的-和-兩個(gè)平面參數(shù)化來表征的，主透鏡和傳感器平面與光線一起相交于點(diǎn) (,)與(,)，形成的四維的光場函數(shù)為(,,,),其中平面-表示相機(jī)鏡頭光瞳面，平面-表示成像傳感器面，且為相機(jī)主鏡頭與圖像傳感器之間的距離。通過將光場參數(shù)化來表示，在 (,)像面的某一點(diǎn)，總輻射能量為

圖1 光場四維參數(shù)化表示圖Fig.1 Four-dimensional parametric representation of light field

(1)

式中：(,)為透鏡的光瞳函數(shù)，(,,,)代表一條穿過光場的光線，為光線與光瞳平面法線的夾角，該公式將光場相機(jī)的成像過程進(jìn)行公式化，假設(shè)角很小，而且主透鏡的光瞳面和成像傳感器平面無窮大，旁軸近似情況下，可以把式(1)簡寫為

(2)

基于MLA的光場相機(jī)，其成像原理：目標(biāo)物上的某個(gè)點(diǎn)通過主透鏡的折射，聚焦在微透鏡陣列處，再由一個(gè)子微透鏡散射到圖像傳感器上，得到就是此點(diǎn)處的光場信息，光場相機(jī)成像模型如圖2所示。包含了×個(gè)子微透鏡的微透鏡陣列位于主透鏡的后焦平面上，其中一個(gè)子微透鏡對應(yīng)著×個(gè)成像探測器像元；微透鏡在成像過程過充當(dāng)兩個(gè)重要的角色，第一是散焦的元件，將通過主透鏡折射得到的聚焦像點(diǎn)，散射到許多的成像傳感器單元上得到一個(gè)模糊的圖像；第二是把主透鏡的光瞳成像在圖像傳感器上，并被若干個(gè)傳感器單元所覆蓋，也就是說成像傳感器單元被切分成許多的子孔徑單元。這樣成像傳感器單元所得到的信號對應(yīng)著目標(biāo)物的某點(diǎn)經(jīng)過光瞳的某一個(gè)子孔徑的能量變換，對應(yīng)著的是方向信息，由此一來，探測器上就能得到擁有更多的信息的圖像。這種可同時(shí)保存光場位置、角度等信息的獨(dú)特優(yōu)勢，為大景深空間中破片的空間分布和速度等參數(shù)的測試帶來了新的研究思路(圖2)。

圖2 光場相機(jī)成像模型示意圖Fig.2 Light field camera imaging model

在光場相機(jī)成像系統(tǒng)工作時(shí)，破片群進(jìn)入相機(jī)視場范圍的時(shí)間不確定，而且破片速度高，光場相機(jī)幅率、記錄時(shí)間有限，不能人工按動相機(jī)快門鍵進(jìn)行拍攝，另外戰(zhàn)斗部靜爆時(shí)現(xiàn)場比較危險(xiǎn)，因此需要相機(jī)能夠自動觸發(fā)。而在戰(zhàn)斗部靜爆過程，會產(chǎn)生高溫、高壓、強(qiáng)火光等影響，特別在戰(zhàn)斗部炸心附近區(qū)域，光比較強(qiáng)烈，因此可設(shè)計(jì)專用的光觸發(fā)裝置與光場成像裝置、主動光源照明系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)相機(jī)自動觸發(fā)，而且實(shí)現(xiàn)相機(jī)與光源觸發(fā)同步，不但提高了光場相機(jī)的圖像捕獲率，而且降低了在試驗(yàn)過程中的危險(xiǎn)性。

3 脈沖光源分時(shí)復(fù)用主動照明

當(dāng)R、G、B三種單色的脈沖光源在相機(jī)的一次曝光時(shí)間內(nèi)，分別在、、三個(gè)時(shí)刻主動對光場相機(jī)的視場范圍內(nèi)的待測物體進(jìn)行照射，時(shí)序圖如圖3。光場相機(jī)和脈沖光源在同一時(shí)刻獲得爆炸火光信號處理完生成的TTL觸發(fā)信號后，相機(jī)啟動拍攝，三色單脈沖光源開始分時(shí)照明，假如相機(jī)電子觸發(fā)裝置接收觸發(fā)信號延遲一段時(shí)間啟動拍照，脈沖光源R比相機(jī)的觸發(fā)時(shí)刻再延遲5 μs開始照明，經(jīng)過一定的時(shí)間間隔后脈沖光源G啟動照明，再經(jīng)過一定時(shí)間間隔脈沖光源B啟動照明，若相機(jī)的曝光時(shí)間在10 ms內(nèi)，則三單色光源脈寬均在10 μs以內(nèi)，設(shè)置單色光源脈沖的閃光時(shí)間均分布于相機(jī)曝光周期之內(nèi)。

圖3 系統(tǒng)工作的時(shí)序圖Fig.3 The timing of how the system works

然后拜耳陣列和光學(xué)傳感器對物體反射的光進(jìn)行電荷積累成像，這樣相機(jī)可獲得一幅有效的光場圖像，依據(jù)拜耳彩色濾波器編碼方式，對所得圖像實(shí)施反馬賽克處理后，可獲得RGB色的光場圖像，然后經(jīng)過分解可得到R、G、B單通道解析圖像，如圖4所示。

圖4 單色光分時(shí)復(fù)用解析出三幅單色圖Fig.4 Monochromatic optical time-sharing multiplexing resolves three monochromatic diagrams

為了后期能夠?qū)鈭鰣D片進(jìn)行RGB解析，我們將采用紅綠藍(lán)三種單色光源為脈沖光源，根據(jù)拜耳陣列RGB光譜響應(yīng)曲線，如圖5，以某單色光照明時(shí)其他光源響應(yīng)率應(yīng)遠(yuǎn)低于照明光源響應(yīng)率為參考標(biāo)準(zhǔn)，選用的3種單色脈沖光源的中心波長依次為：紅光為620 nm，綠光為535 nm，藍(lán)光為450 nm，這3個(gè)光源的中心波長基本與光場成像系統(tǒng)中的拜耳三基色濾波器中心一致，如此可在最大程度上使光源的利用率得到提升和在后期圖像處理中更好地進(jìn)行彩色圖像解析，達(dá)到提高光場相機(jī)幅率的目的。另外為了使單色光源在窄脈沖時(shí)間內(nèi)被相機(jī)有效捕捉到，單色光源應(yīng)擁有極高的光能量輸出。LED光源響應(yīng)速度快且可通過控制本身的驅(qū)動電流的輸出來調(diào)節(jié)LED亮度，可滿足大功率光源的需求。

圖5 拜耳陣列的RGB光譜特性響應(yīng)曲線Fig.5 RGB spectral characteristic response curve of Bayer array

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

在研究室的條件下進(jìn)行了驗(yàn)證，測試搭建圖如圖6。在黑色背景板布置3個(gè)目標(biāo)物，然后固定在一個(gè)運(yùn)動的軌道上，且該黑色背景板平面與相機(jī)鏡頭垂直。相機(jī)選用Lytro Illum光場相機(jī)，將快門改造成TTL信號觸發(fā)。光源選擇CBT-120系列LED光源,如圖7所示分別為R、G、B三個(gè)光源，光源時(shí)分復(fù)用控制采用FPGA芯片實(shí)現(xiàn)一個(gè)多路脈寬可調(diào)，間隔可調(diào)的單脈沖發(fā)生器，通過USB to UART的方式在電腦端控制每路控制通道脈寬和相鄰兩路信號之間的間距，實(shí)現(xiàn)對相機(jī)與三色光源主動照明的時(shí)序控制。實(shí)驗(yàn)用打火機(jī)產(chǎn)生的火光來當(dāng)光觸發(fā)源，當(dāng)R、G、B單色脈沖光源分別在、、三個(gè)時(shí)刻主動照射到光場相機(jī)視場空間并拍攝獲得一幅有效的光場圖像。

圖6 實(shí)驗(yàn)測試搭建圖Fig.6 Experimental test build diagram

圖7 CBT-120系列LED光源示意圖Fig.7 CBT-120 series LED light source

如圖8所示，得到有效的光場圖像圖8(a)后，通過MATLAB程序解碼解析得到紅光、綠光、藍(lán)光分時(shí)照明時(shí)段內(nèi)的3幅單色光場圖像圖8(b)、圖8(c)、圖8(d)。該有效的光場圖像圖8(a)能同時(shí)體現(xiàn)出3個(gè)單色脈沖光源分時(shí)照明時(shí)運(yùn)動的物體的在、、時(shí)3個(gè)空間分布狀態(tài)，3張單色圖像分別代表運(yùn)動物體在、、的空間分布狀態(tài)。因此，在光場相機(jī)的單次曝光時(shí)間內(nèi)，可以得到一個(gè)物體在3個(gè)不同時(shí)刻的3個(gè)空間分布狀態(tài)，因此光場相機(jī)成像幅率提高了3倍。

圖8 有效的光場圖像及其單色解析圖Fig.8 A valid light field image and its monochromatic resolution map

5 結(jié)論

提出了一種基于LED脈沖光源分時(shí)復(fù)用的光場相機(jī)成像幅率研究的方法，搭建了測試平臺，在光場相機(jī)的單次曝光周期內(nèi)，利用不同高功率窄脈沖LED光源(R、G、B三種光源)對待測的運(yùn)動目標(biāo)物進(jìn)行分時(shí)復(fù)用主動照明得到單張彩色圖像，將圖像根據(jù)通道分量解析為3幅不同時(shí)刻單色圖像，從而光場相機(jī)的成像幅率提高了3倍，為利用光場相機(jī)測試爆炸場大景深空間多破片高速運(yùn)動空間分布、速度等多參數(shù)同步測試提高了成像幅率。