基于数字微镜器件的高动态像素级调光的成像技术研究

发布时间：2020-07-10 07:52

【摘要】：在现实世界中,有很多场景的亮度变化会很大,在一幅场景中可能同时包含着阳光的直射和角落的阴影。当使用普通图像采集设备对这种亮度变化很大的场景进行成像时,得到的图像由于动态范围较低不能够真实的反映出场景的细节。高动态范围成像技术可以使拍摄到的图像拥有更宽广的动态范围和更丰富的层次信息,从而提供更好的成像质量和更加逼真的视觉体验。它在军事、医学、汽车、天文等领域得到了广泛的应用。但是,目前提出的许多高动态范围的成像技术手段都有着各自的局限性,并且它们所能获取的场景的动态范围仍然有限。本论文提出了一种基于数字微镜器件(DMD)的高动态像素级调光成像技术,它将数字微镜器件用作空间光调制器,对到达图像传感器每个像元上光强进行单独的调制,使得图像传感器可以同时探测到场景中的亮目标和暗目标,从而提高成像系统的动态范围。本论文通过分析数字微镜器件扩展动态范围的原理和它的光路结构,设计出了一种基于DMD的双目高动态像素级调光成像系统。该系统采用两路同型号、同性能的sCMOS相机作为图像采集设备,利用DMD作为空间光调制器同时对两个相机进行光强的调制,其理论动态范围可以高达209dB,实验证明的动态范围高于180dB。设计实验验证了DMD对光强的调制精度,并根据EMVA 1288标准测试了sCMOS相机的性能参数,验证了系统中两个核心组件的线性度。在此基础上搭建了系统调光精度分析平台,验证了系统整体的调光精度。为了实现系统对入射光强像素级别的调制,本文提出了一种双目实时自标定方法,该方法简便快捷,不依赖于外界的标定物,可以迅速完成对系统中两个相机的标定。通过实验证明,该方法标定后的相机像元与DMD微镜之间的平均匹配精度可以达到0.7个像元,两个相机中对应于同一个DMD微镜的像元之间的平均匹配精度优于0.57个像元,达到了像素级别的匹配精度。针对不同的高动态场景以及不同的观测要求,有针对性的设计了几种不同的调光成像算法,通过实验证明,这些算法在满足特定观测要求的前提下,都能够有效的对高动态场景进行调光成像。提出了高动态场景的恢复方法和一种改进的色阶映射算子。恢复出的高动态场景图像经过压缩显示后能够在普通的显示器上显示,并且能够较为清晰的展现出场景中不同亮度区域的细节,整幅图像的对比度比较丰富,符合人眼的主观感受。
【学位授予单位】：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TP391.41
【图文】：

Crystal）以及数字微镜器件（Digital Micro-mirror Device，DMD）。透射液晶是一种比较流行的光调制器，被广泛的应用于液晶显示器（LiquidCrystal Displays，LCDs）和其他设备中。它的器件模型如图 1.1(a)所示，它通过控制自身的偏振状态，来决定入射光是否能透过液晶进行传导。然而由于在这种模式下入射光是穿过液晶器件进行下一步的传导，所以液晶单元的驱动电路只能设置在每个液晶单元之间。这就会降低设备的相对孔径，并且对对比度造成不利的影响。反射液晶器件是在半导体晶片和玻璃平板之间加入了液晶单元，如图 1.1(b)所示。其中最具有代表性的就是硅基液晶（Liquid Crystal on Silicon），它同样是通过控制微镜单元的偏振状态来绝对入射光下一步的传导，但是与 LCDs 不同时的，它是将入射光进行反射。通过这样的设计，驱动电路可以放在器件的背面从而是这种类型的光调制器件可以拥有很高的对比度。数字微镜器件是一个微反射镜阵列构成的微电子机械系统，如图 1.1(c)所示。它通过控制反射光的方向来实现对光强的调制。最新一代的 DMD 的微镜摆动可以在几微秒内完成，从而可以对入射光的调制达到一个很高的精度。

图 1.2 Nayer 研制的基于 DMD 的成像系统2007 年利用硅基液晶 LCoS 设计了一个高动所示。该成像系统能够根据液晶旋转的情况自对调制后的光强成像，实现了系统对高动态图 1.3 基于 LCoS 的高动态成像系统

[31]，系统实物图如图1.3所示。该成像系统能够根据液晶旋转的情况自适应的调节LCoS反射的光强，然后对调制后的光强成像，实现了系统对高动态场景的调制和采集。图 1.3 基于 LCoS 的高动态成像系统在国内，浙江大学的马俊使用基于 LCoS 的光强调制器来扩展图像传感器的

【参考文献】

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本文编号：2748642