基于LCoS像素级图像亮度调整方法研究

在计算机视觉研究领域，图像采集作为光学测量系统的关键环节，通常因为外界因素影响图像质量，例如测量环境变化以及被测物体表面材质、结构、粗糙程度分布不同。在这些因素中，影响较大的是被测物体的高亮和镜面反射。因为如果反射光的强度差异过大，易造成采集图像局部曝光过饱和，从而影响测量系统的后续数据处理 引收稿 日期：2012-08 Received Date：2012-08基金项目：国家自然科学基金(51105273)资助项目为了避免图像采集系统中发生局部过饱和的情况，通常有3种方法来解决这个问题。第 1种方法是根据测量环境和测量对象，设计不同的照明方式解决过饱和现象 。照明光源需要尽量均匀 ，光斑大型安装照射角度很难调节。第 2种方法是在摄像机的前端增加光学滤波器，从而抑制强光，起到抑制过饱和现象的作用 。

此方法能够保证测量图像最大亮度在图像传感器的动态范围之内，但是这种方法同时使低亮区域图像变暗，在测量中需要满足低亮区域为非测量区域条件。第 3种方法148 仪 器 仪 表 学 报 第 3 4卷是采用高动态范围摄像机，避免强光导致 CCD局部过曝光 J。高动态摄像机的优点是应用简单，在高动态摄像机DSP芯片内部，对同-目标进行长短时间2次曝光，然后采用图像合成算法获取图像亮度均匀的图像，合成图像在测量中无法获取被测物图像真正的亮度信息。这些方法都能解决曝光过饱和问题，但是不能对图像的亮度进行精确调整。这些方法虽然能在特定的环境下获得好的图像质量，但是无法对图像的亮度进行像素级调整。

本文采用高解析度反射式硅基液晶(LCoS)和 CCD相结合设计新的光学成像系统，通过调整 LCoS像素的反射率，实现 CCD图像亮度像素级调节，并且CCD单次曝光可以获得高动态的图像，利用此技术获得高动态且不会损失图像细节的三维图像，可以提高光学三维测量的精度。

2 图像亮度调整系统结构设计硅基液晶是-种新兴的微显技术，利用该技术微显示器可以逐像素调整入射光的反射率。最近几年，LCoS的应用主要集 中在投影显示方面 ，如头盔微显示器 、数码彩扩仪 、图像处理系统 等领域。本文根据 LCoS能够对入射的光的亮度进行像素级衰减这-性质，将测量空间的高动态范围的亮度调整到摄像机的动态范围之内，从而抑制图像的过饱和现象 。

本文根据 LCoS的光电特性，设计专门的光学结构与LCoS驱动电路，通过此光学结构与驱动电路装置，实现了采集图像亮度的像素级调节，使过饱和的图像的动态范围调整到图像传感器的动态范围，从而达到提高采集到的图像质量的目的。

像素级亮度控制系统如图1所示，主要由3部分组成：LCoS光学系统、LCoS计算机控制驱动系统、摄像机图像采集系统。LCoS光学系统由物镜和3个中继转像镜，1个偏振分光棱镜和LCoS芯片组成，如图2所示。物镜采用工业标准的C接口保证成像在第 1个中继物镜的前焦平面上，因此可以更换不同焦距的物镜适应不同环境下物体的测量。从被测物体入射到物镜的光学在第 1个中继的焦平面上成实像，实像通过中继镜后转变平行光继续通过偏振分光棱镜，偏振分光棱镜保证 P偏振光透射(S偏振光被反射逃出光学系统)，P偏振光继续通过第2个中继镜在其焦屏面成实像，这个实像被LCoS芯片接收，根据测量的需要，LCoS把入射的P偏振光偏转为s偏振光；LCoS芯片反射光线包括 P偏振光和s偏振光，反射光重新进入第2个中继镜，重新经过偏振分光棱镜，只有经过 LCos调整的s偏振光才能进入第3个中继镜在其焦平面上成实像被CCD图像传感器接收。

LC0s计算机控制驱动系统由现成编程门阵列(field pro-grarmnable gate aray，FPGA)和通用串行总线(universal serialbus，USB)接口以及缓存组成，FPGA通过 USB接口从 PC接收LCoS参数，然后生产LCoS的驱动时序。摄像机图像采集系统采用CCD摄像机实时采集经过中继镜转换的图像。系统工作原理为：最初设置IEoS为全反射模式，计算机通过摄像机获取待测物体在LCoS全反射模式下的原始图像，通过图像质量评价算法对原始图像进行评价，计算得到摄像机过饱和的区域，对于图像上过饱和的区域根据 LC0s像面和CCD像面的对应关系，调整 LCoS的反射率，这样摄像机采集的图像将不会发生过饱和区域。

图 1 基于 LCoS像素级图像亮度调整系统结构Fig.1 The system structure of pixel-level imagebrightness adjustment based on LCoS①图像传感器；②光强衰减器；⑧⑤⑥中继透镜；⑤偏振分光棱镜(PBs)；⑦被钡4物实像：⑧成像物镜；⑨被测物体图2 LCoS成像系统等效光路Fig.2 The equivalent optical path diagramof LCoS imaging system3 素级图像亮度调整原理与映射关系3.1 图像亮度动态范围调整原理本系统在图像传感器的前端安装-光学亮度衰减器LCoS，通过中继光学系统，对进入图像传感器的光的亮进行调节。通过 LCoS控制电路，对 LCoS芯片上每个像素液晶的电压进行调节，进而控制了液晶的旋转，从而调制了光线的偏光性。

在无衰减器的光学系统中，光线经过图像传感器直接成像。由于图像传感器存在饱和曝光光强， 与最低曝光光强 ，，则图像亮度对外界光强的相应函数可分为3段，则其系统响应函数 L( ，Y)简化为：r 255， ，≥ ，L( ，Y)S[，( ，Y)] ， <，<， (1) 0 ，≤第1期 杨中东 等：基于LCoS像素级图像亮度调整方法研究 149图像传感器的动态范围为：DR 20log(，/Imi ) (2)采用光学衰减器 LCoS，对图像高亮区域进行衰减，图像亮度最大值变成为 ，埘 为 LCoS的衰减比例系数，而最小的亮度值不进行衰减，保持原亮度不变。则整个系统的动态范围为：，DR肋R20log(了"m～ax k )：DRs201ogk (3)m ln可以看到，通过 LCoS光学控制系统，图像亮度动态范围得到了提高，实现了图像亮度的动态调节。如果控制了某个像素点的光线的偏光性，通过相应的映射变换，就可以相应的控制到达图像传感器的光强，从而实现图像亮度的像素级调节。

3.2 LCoS像素与图像传感器像素间映射模型为了实现 LCoS像素级控制 CCD过饱和的区域，必须要实现 CCD成像面和 LCoS成像面间像素对应。像素之间的对应关系实际上是-空间映射关系。本文采用摄像机标定技术中比较著名的DLT法(direct linear transfor-marion)对 LCoS像素与图像传感器像素间映射关系进行计算 ，则 LCOS和 CCD像素坐标系映射关系如图3所示。

图 3 LCoS和 CCD像素坐标系映射示意图Fig.3 Pixel coordinate mapping diagrambetween LCoS and CCD日 摄像机模型为三维空间到二维平面的映射关系，因此通过选择在 LCoS平面内建立世界坐标的 yw轴，垂直 LCoS平面的建立 z 轴，简化为二维平面N-维平面的映射。

在摄像机系统中，空间映射的应用基于凶成像摄像机模型，把空间三维坐标 ( ，y ，Z )到理想图像坐标( ， )描述为直接的线性变换，使用-个矩阵表示：r] qu q13 q ]s ·l il q i II I I1- Lq3l q32 q33 q34X ]lQ。

Z f1j Z1(4)式中：S为比例系数，Q为 DLT模型的参数矩阵。

根据系统特性，此像素对应关系可以采用空间映射数学模型。而摄像机模型是将三维的世界坐标转换为图像坐标，而在本文的研究中，是将 LCoS某点的坐标 ( ，)与理想图像坐标( ， )描述为直接的线性变换，因此可以得到光平面坐标系坐标( ，Y )到理想图像坐标(，)的关系为：r ] I qIl q12 l l ll Yf I g2l g21j (5)由式(5)，可以得出： f(q1lg J2 gl3)/(q31 q32 g3) (6) f(q2l g2 q23)/(q3l g32 g3)设有Ⅳ个用于标定的特征点，则其理想图像坐标和测量坐标系坐标分别为( ， )和( Y )。根据式(6)，可以得出：日 .a0 (7)l 1 l 0 0 0 - ul fl - l z1 - 0 0 0 l l 1 - 1·Yz1 - 1。yfl -Y 1 0 0 0 - · - 。 fI - 0 0 0 1 - ·Yl - ·Y -YuN N 1 0 0 0 -u ·x -∞ ·x - lN0 0 0 Ⅳ 1 - Ⅳ。Yz - Ⅳ。YfⅣ -YfⅣ解H·a0，式中a[q1l ql2 q13 q21 q2 q23 q3l q3q ，r为所求的线性变换矩阵。

为了避免平凡解a0的出现，将式(6)等式右边分子分母同时除以q 则式(6)变为：(ql/q13)口(g12/ql3)1M(q31/ql3) (q32/q13)q3/ql3(q21/ql3) (q22/q13)q23/q13(q31/q13) (g32/q13)q3/ql3(8)(9)152 仪 器 仪 表 学 报 第 3 4卷[5] KOLLIG T，KELLER A.Efficient ilumination by high dy-namic range images[C].Proceedings of the 14th Euro-graphics workshop on Rendering，Leuven，Belgium，2003：25.27。

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作者简介杨中东，1998年于武汉测绘科技大学获得学士学位，现为天津大学博士研究生，主要研究方向为激光及光电检测技术。

E-mail：zdyang###tju.edu.cnYang Zhongdong received his B.Sc.degreefrom Wuhan Technical University of Surveying1998.Now he is a Ph.D.candidate in Tianjinresearch interests include computer machine vi-ectronic measurement technology。

王鹏(通讯作者 )，2004年于天津大学获得学士学位 ，2008年于天津大学获得博士学位，现为天津大学副教授 ，主要研究方向为激光及光电检测。

E-mail：wang peng###tju.edu.enWang Peng(Corresponding author)receivedhis B.Sc.degree in 2OO4 and Ph.D.degree in 2008 both from TianjinUniversity，Now he is an associate professor in Tianjin University.Hisresearch interests include machine vision and optical measurementtechnology。