技術(shù)領(lǐng)域

　　為攝像機(jī)，夜晚照明提供一個(gè)可以做三維自動(dòng)調(diào)整的智能光源，涉及到圖像分析，激光投射角度，強(qiáng)度，光掃描技術(shù)。對(duì)于需要24小時(shí)全天候監(jiān)控的公安，國(guó)防具有極大的價(jià)值。

　　背景技術(shù)

　　目前除熱成像和微光攝像機(jī)（在全黑的情況下也無(wú)法工作）外，夜間拍攝圖像都是采用紅外照明。安防，國(guó)防的應(yīng)用主要采用不可見的紅外光，無(wú)論什么光源也只能是一束投射光，被照明的物體的光強(qiáng)度與光源的距離，和不同物體的物質(zhì)有關(guān)，由于不同的距離，和不同的物質(zhì)表面對(duì)光的吸收，反射千差萬(wàn)別，尤其是單色光，明暗反差更為強(qiáng)烈。

　　攝像機(jī)受圖像傳感器動(dòng)態(tài)范圍的限制，就會(huì)導(dǎo)致所攝取的圖像在亮暗差距懸殊的物體上亮的部分過(guò)分曝光泛白，暗的地方卻光照不足。目前現(xiàn)有的技術(shù)是可以根據(jù)圖像明暗自動(dòng)調(diào)整光的強(qiáng)度，但不能在同一照射面上對(duì)圖像亮與暗的部位

　　分別調(diào)整，往往反光（亮）的地方合適了，暗的部位就更暗以致無(wú)法看清。特別是在公安，國(guó)防的應(yīng)用上，由于圖像的細(xì)節(jié)無(wú)法清晰攝取，幾乎得不到有價(jià)值的夜晚圖像。如何從根本上解決照射角度，距離，物體大小，形狀，物體不同部位的反射面都能得到如同白晝般的均勻照明，是業(yè)界還沒(méi)有解決的難題。

　　研發(fā)內(nèi)容

　　研發(fā)的目的是為攝像機(jī)，夜晚（全黑）環(huán)境下拍攝提供一個(gè)智能的照明系統(tǒng)，使得被照物體在有效照射范圍內(nèi)，無(wú)論其形狀，大小，物質(zhì)結(jié)構(gòu)的表面反光系數(shù)如何，物體距光源的距離如何均可以得到均勻的照明。（見示意圖一）

　　示意圖一

　　目標(biāo)A，B，C，在光照范圍L內(nèi)，可以分別獲得相同的光照能量，使得整個(gè)光照?qǐng)雒婺芰烤鶆蚍植肌?br />

A區(qū)域不需要照明，B區(qū)域需要照明，本裝置可以根據(jù)需要形成任意不同形狀的照明區(qū)域。

　　面照明  

   點(diǎn)照明

　　與傳統(tǒng)的照明模式相比，該研發(fā)思路是將傳統(tǒng)的“面照明”改為新穎的“點(diǎn)照明”。面照明是將整個(gè)被照物體同時(shí)照射，在同一距離的照射面上光強(qiáng)度是一樣的，而點(diǎn)照明是對(duì)被照物體的一個(gè)個(gè)像素點(diǎn)逐個(gè)照亮，逐個(gè)曝光，其照亮的時(shí)序與攝像機(jī)圖像傳感器的像素讀取是同步的，這樣就可以實(shí)現(xiàn)在整個(gè)光照范圍內(nèi)，任意角度，任意方向，任意形狀，任意物體，無(wú)論他們的距離遠(yuǎn)近都可以分別獲得不同的曝光量。這種能在X，Y，Z三個(gè)方向光的角度和強(qiáng)度都能自動(dòng)控制調(diào)節(jié)的照明，我們稱之為：“三維立體照明”。

　　這種三維立體照明裝置采用激光源，光偏轉(zhuǎn)器，并與云臺(tái)，變倍鏡頭，攝像機(jī)一起聯(lián)動(dòng)。使得旋轉(zhuǎn)方位角，鏡頭取景的視場(chǎng)角，攝像機(jī)傳感器的像素曝光量，點(diǎn)照明的覆蓋面都達(dá)到統(tǒng)一步調(diào)彼此自動(dòng)協(xié)調(diào)。

　　實(shí)現(xiàn)這種智能照明的要素是：具有可以控制投射角，準(zhǔn)直，發(fā)散的光束，可以對(duì)這些光束做高速行場(chǎng)偏轉(zhuǎn)，對(duì)投射光的強(qiáng)度調(diào)節(jié)具有極快的反應(yīng)時(shí)間，對(duì)攝像機(jī)圖像傳感器中像素的曝光量做出運(yùn)算，可以讀出激光點(diǎn)掃描坐標(biāo)位置，像素曝光量的數(shù)值。激光點(diǎn)掃描的速度，相位與攝像機(jī)圖像傳感器靶面像素的讀取同步。

　　由于激光點(diǎn)掃描速度與電視幀頻一樣，人眼看不出閃爍，效果就像一束奇妙的光投射出去，遇到吸收物體表面自動(dòng)加強(qiáng)光照，遇到反光物體自動(dòng)減少光照，距離近的自動(dòng)減少光強(qiáng)度，距離遠(yuǎn)的自動(dòng)加強(qiáng)光強(qiáng)度，使得整個(gè)照射場(chǎng)面的圖像猶如白晝般勻稱。

　　具體實(shí)施方式

　　X Y振鏡模式

　　該裝置由激光源，電動(dòng)擴(kuò)束鏡頭，光偏轉(zhuǎn)器，攝像機(jī)含自動(dòng)變倍鏡頭，步進(jìn)電機(jī)云臺(tái)，數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）組成（見圖二）。

　　示意圖二

　　射出光斑控制：照明光源由激光器產(chǎn)生，經(jīng)過(guò)電動(dòng)擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡頭將激光調(diào)整到合適的光斑后投射出去，光斑尺寸根據(jù)從光掃描X，Y讀出的光照?qǐng)龇缺壤龜?shù)據(jù)在DSP內(nèi)計(jì)算后控制擴(kuò)束電機(jī)調(diào)節(jié)鏡頭使光斑尺寸剛好均勻覆蓋整個(gè)垂直光照面。無(wú)論掃描光柵的大小，形狀如何變化，其光掃描總條數(shù)是不變的。光斑大小與光照面大小成正比。

　　光掃描控制：，調(diào)整好光斑后的激光束進(jìn)入光偏轉(zhuǎn)器，激光束在X,Y方向按攝像機(jī)行場(chǎng)掃描時(shí)序同步高速掃描，X,Y掃描幅度根據(jù)攝像機(jī)鏡頭取景的角度，圖像比例，如4:3， 16:9或不規(guī)則圖案，如T型，S型….等信息經(jīng)過(guò)DSP運(yùn)算，分別控制X,Y偏轉(zhuǎn)器對(duì)激光束的偏轉(zhuǎn)角度變化以便對(duì)應(yīng)攝像機(jī)的取景要求，既可以自動(dòng)也可以手動(dòng)完成。

　　光照明強(qiáng)度控制：由于激光點(diǎn)的掃描運(yùn)動(dòng)與攝像機(jī)的圖像傳感器的像素點(diǎn)讀取是完全同步的，激光照亮的物體的點(diǎn)也正是攝像機(jī)圖像傳感器讀取的像素點(diǎn)，該點(diǎn)感光量信息被送至DSP運(yùn)算，并控制激光輸出功率，這樣就可以對(duì)被照射物體的每個(gè)像素點(diǎn)分別調(diào)整光強(qiáng)度，把光照明的總功率，均勻投射在不同距離，不同的物質(zhì)，不同大小的被照射物體上。從而得到均勻曝光量的清晰圖像。

　　實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果：

　　關(guān)閉智能

  開啟智能

　　DLP模式

　　光源由激光器產(chǎn)生，經(jīng)過(guò)擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡將激光調(diào)整到合適的光斑后投射在百萬(wàn)微型數(shù)字偏轉(zhuǎn)鏡DMD上，每個(gè)微型鏡控制對(duì)應(yīng)的像素。百萬(wàn)條激光點(diǎn)通過(guò)變倍鏡頭投射，投射角度與攝像機(jī)鏡頭取景角度對(duì)應(yīng)，由DSP同步管理。

　　激光源強(qiáng)度控制：根據(jù)夜視覆蓋范圍的需要，由DSP計(jì)算處理，對(duì)激光模組的恒流源調(diào)節(jié)控制激光強(qiáng)度。

　　目標(biāo)像素曝光控制：在微鏡裝置里有200萬(wàn)個(gè)（對(duì)應(yīng)攝像機(jī)傳感器像素）小微鏡調(diào)整微鏡的角度和振動(dòng)頻率就可以精準(zhǔn)分別控制200萬(wàn)條激光投射點(diǎn)的強(qiáng)度。系統(tǒng)讀取攝像機(jī)的圖像信息，并對(duì)信息進(jìn)行分析判斷知道具體哪個(gè)像素曝光不合適，然后發(fā)出指令到對(duì)應(yīng)的微鏡，控制其角度和震動(dòng)頻率實(shí)現(xiàn)對(duì)該像素點(diǎn)曝光量做修正，從而達(dá)到最理想的曝光量。

　　內(nèi)置的22倍變焦星光級(jí)攝像頭進(jìn)行圖像的初步采集，然后視頻信號(hào)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)串流進(jìn)入圖像處理模塊。由CVLCD軟件進(jìn)行視頻流抓取，灰度計(jì)算，智能補(bǔ)光處理，根據(jù)不同的環(huán)境需要，可以實(shí)現(xiàn)圖像的反轉(zhuǎn)，銳化，高斯模糊，極化等效果。同時(shí)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)光信號(hào)的角度，強(qiáng)度調(diào)整。通過(guò)一系列的計(jì)算后將處理完成的補(bǔ)光信號(hào)輸入是由美國(guó)Texas Instruments公司開發(fā)的DMD芯片，全稱為Digital Micro-mirror Devices。

　　DMD芯片外觀看起來(lái)只是一小片鏡子，被封裝在金屬與玻璃組成的密閉空間內(nèi)，事實(shí)上，這面鏡子是由數(shù)十萬(wàn)乃至上百萬(wàn)個(gè)微鏡所組成的。以XGA解析度的DMD芯片為例，在寬1cm，長(zhǎng)1.4cm的面積里有1024×768=786432個(gè)微鏡單元，每一個(gè)微鏡代表一個(gè)像素，圖像就由這些像素所構(gòu)成。一個(gè)DMD可被簡(jiǎn)單描述成為一個(gè)半導(dǎo)體光開關(guān)，50~130萬(wàn)個(gè)微鏡片聚集在CMOS硅基片上。一片微鏡片表示一個(gè)像素，變換速率為1000次/秒。每一鏡片的尺寸為14微米×14微米，為便于調(diào)節(jié)其方向與角度，在其下方均設(shè)有類似鉸鏈作用的轉(zhuǎn)動(dòng)裝置。微鏡片的轉(zhuǎn)動(dòng)受控于來(lái)自CMOS RAM的數(shù)字驅(qū)動(dòng)信號(hào)。當(dāng)數(shù)字信號(hào)被寫入SRAM時(shí)，靜電會(huì)激活地址電極、鏡片和軛板以促使鉸鏈裝置轉(zhuǎn)動(dòng)。一旦接收到相應(yīng)信號(hào)，鏡片傾斜10°，并隨著來(lái)自SRAM的數(shù)字信號(hào)而傾斜+12°；如顯微鏡片處于非投影狀態(tài)，則被示為“關(guān)”，并傾斜-12°。簡(jiǎn)而言之，DMD的工作原理就是借助微鏡裝置反射需要的光，同時(shí)通過(guò)光吸收器吸收不需要的光來(lái)實(shí)現(xiàn)影像的投影，而其光照方向則是借助靜電作用，通過(guò)控制微鏡片角度來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

　　通過(guò)對(duì)每一個(gè)鏡片下的存儲(chǔ)單元以二進(jìn)制平面信號(hào)進(jìn)行尋址，DMD陣列上的每個(gè)鏡片以靜電方式傾斜為開或關(guān)狀態(tài)。決定每個(gè)鏡片傾斜在哪個(gè)方向上為多長(zhǎng)時(shí)間的技術(shù)被稱為脈沖寬度調(diào)制（PWM）。鏡片可以在一秒內(nèi)開關(guān)1000多次，。通過(guò)聚光透鏡以及積分鏡的勻化作用后，來(lái)自激光光源的光線被直接照射在DMD上。當(dāng)鏡片在開的位置上時(shí)，它們通過(guò)投影鏡頭將光反射到環(huán)境中形成一個(gè)數(shù)字的像素投影圖像。當(dāng) DMD 芯片、激光光源、和投射激光鏡頭協(xié)同工作時(shí)，就能根據(jù)被監(jiān)控的場(chǎng)景，目標(biāo)物，實(shí)現(xiàn)精確到像素的曝光控制。

　　普通紅外

DMD激光紅外

　　DMD不僅通過(guò)了所有的標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體資格測(cè)試，而且系統(tǒng)制造非常嚴(yán)格，需要經(jīng)過(guò)一連串的測(cè)試，所有元件均經(jīng)過(guò)挑選證實(shí)可靠才能用作制造數(shù)碼電子部分驅(qū)動(dòng)DMD，而且還證明了在模擬應(yīng)用環(huán)境中，它的生命期超過(guò)10萬(wàn)個(gè)小時(shí)。測(cè)試證明，DMD可以進(jìn)行超過(guò)1700萬(wàn)億次的循環(huán)無(wú)故障運(yùn)行，其它測(cè)試結(jié)果顯示，DMD可以在超過(guò)11萬(wàn)個(gè)電力周期和11000個(gè)溫度周期下無(wú)故障，以確保在需求較大的應(yīng)用領(lǐng)域中提供30年以上的可靠運(yùn)行期。

　　同時(shí)DLP拋棄了傳統(tǒng)意義上的光學(xué)匯聚，可以隨意改變焦點(diǎn)，調(diào)整起來(lái)十分方便，而且其光學(xué)路徑相當(dāng)簡(jiǎn)單，體積更小。因此，DLP的機(jī)身相應(yīng)地就可以做得更薄。體積更小巧，大大減小了占用空間，能耗也隨之降低很多。

　　實(shí)驗(yàn)室測(cè)試效果：

 

　　普通紅外

立體激光

　　結(jié)束語(yǔ)

　　現(xiàn)有傳統(tǒng)面照明模式下不能對(duì)場(chǎng)景目標(biāo)物做曝光控制的老大難問(wèn)題，已經(jīng)被立體激光夜視系統(tǒng)徹底顛覆了，高質(zhì)量的紅外夜視圖像不再是奢望。振鏡掃描和DMD兩種模式都能實(shí)現(xiàn)對(duì)像素曝光量的控制，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)：振鏡是靠X，Y兩鏡片掃描，由于掃描速度是微秒級(jí)別因此對(duì)振鏡的慣性重量要求極高，有畸變問(wèn)題，機(jī)械結(jié)構(gòu)和振動(dòng)都會(huì)影響同步精度這是它很難克服的缺點(diǎn)，優(yōu)點(diǎn)是光損失小，激光效率極高，總功耗低。DMD是集成了百萬(wàn)微型光鏡采用數(shù)字控制幾乎解決了振鏡的所有缺陷，但唯一缺點(diǎn)是光利用率低，功耗至少比振鏡模式大50%，但與市場(chǎng)上的紅外產(chǎn)品比，功耗則低很多，是很有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的新型紅外激光夜視技術(shù)。