一种基于DMD的高动态范围成像系统与方法

本方案涉及光学成像，尤其涉及一种基于dmd的高动态范围成像系统与方法。

背景技术：

1、在高动态辐射场景的成像探测中，需要同时探测亮暗目标，但当视场内存在高亮物体时，图像传感器容易产生局部饱和，从而丢失该区域的信息，造成光电成像设备无法正常工作。如光电经纬仪在工作过程中，高动态场景下需要捕获的亮目标与暗目标之间的光照强度之比一般在超越六个数量级，这就要求成像装备必须具备极宽的动态范围。同样，在深空天体探测任务中，若同一视场内的两颗星体星等相差达到10等以上，常规成像体制便无法兼顾两者的精确量化观测。此外，在航天遥感与空间侦察领域，若星载光电相机的指向轴与太阳夹角过小，太阳直射光将引发探测器靶面大面积强饱和，催生严重的日晕及电荷溢出效应，最终导致整个光电成像载荷瘫痪。

2、目前，适应高动态范围场景观测的主要手段有：(1)增大图像传感器的像元尺寸(2)采用双图像传感器成像方法，其中一个积分时间长，另一个积分时间短(3)改变cmos图像传感器的读出结构，将图像传感器的信号输出幅度与接收的光电子数由线性关系变为对数关系(4)采用设定多帧不同积分时间的高帧频的图像传感器进行连续快速成像，再通过多帧不同感光程度合成图像。

3、上述手段和方法一般能够使得成像设备的成像动态范围提升到70db-80db，然而很多技术手段不能在成像的同一时刻获得图像，主要采用事后图像处理的办法获得图像，因此这些技术手段仍然不能满足高动态目标实时成像观察测量的要求。

技术实现思路

1、本方案旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，为此，本发明第一方面提出一种基于dmd的高动态范围成像系统，包括前置物镜组、dmd、二次成像透镜组、ccd探测器、pc端处理器；

2、所述前置物镜组用于接收来自远距离目标物体的光线，并将目标物体成像在中间像面上；

3、所述dmd设置于所述前置物镜组的中间像面处，用于对前置物镜组汇聚的光线进行空间区域的光强调制；

4、所述二次成像透镜组用于接收经所述dmd调制后的调制光线，并将所述调制光线成像于所述ccd探测器；

5、所述ccd探测器用于经图像采集接口向所述pc端处理器输出图像数据；

6、所述pc端处理器用于根据所述图像数据生成dmd调制图案，并对所述dmd调制图案进行分析得到成像状态，根据所述成像状态输出dmd调节指令，以使所述dmd根据所述dmd调节指令对所述dmd的目标微镜的倾斜角度进行调节。

7、可选地，所述前置物镜组依次由位于同一条光轴上的第一双凸正透镜、第一弯月形负透镜、第二双凸正透镜、第一双凹负透镜、第三双凸正透镜组成；

8、所述前置物镜组的孔径光阑位于物方的焦平面处，使得从所述前置物镜组出射的主光线在像方空间平行于光轴。

9、可选地，所述dmd垂直于所述前置物镜组的光轴放置；

10、所述dmd的单个微镜包括打开和关闭两种状态；当所述微镜处于打开状态时，所述微镜的镜面倾斜目标角度，使入射光线通过；当所述微镜处于关闭状态时，所述微镜的镜面向反方向倾斜所述目标角度，入射光线被阻挡；

11、平行于前置物镜组光轴的光线入射到所述dmd上经所述dmd选通后，出射光方向与所述dmd法线成2倍的所述目标角度。

12、可选地，所述二次成像透镜组由第四双凸正透镜、第二双凹负透镜、第二弯月形负透镜、第五双凸正透镜、第三弯月形负透镜、第六双凸正透镜组成；

13、所述ccd探测器与所述二次成像透镜组光轴垂直线的夹角为2倍的所述目标角度。

14、可选地，所述系统还包括图像采集接口、dmd控制器和同步触发模块；所述ccd探测器的图像输出端经所述图像采集接口与所述pc端处理器连接，所述pc端处理器的图像输出端与所述dmd控制器连接，所述dmd控制器的驱动端与所述dmd连接；

15、所述同步触发模块分别与所述ccd探测器和所述dmd控制器连接，用于提供帧触发信号、曝光有效信号和图案起始信号中的至少一种；所述帧触发信号用于通知所述ccd探测器按照设定的曝光时间和增益完成曝光与读出，所述曝光有效信号表示所述ccd探测器当前正处于有效积分曝光阶段，所述图案起始信号用于通知所述ccd探测器开始加载一幅图案或一组dmd子帧序列。

16、可选地，所述pc端处理器由工业计算机或具有图像处理能力的计算机实现；所述图像采集接口包括与ccd输出协议匹配的接口电路和图像帧缓存；所述dmd控制器包括通信接口、图案存储器、时序发生电路和微镜驱动接口，用于接收、缓存并按预定次序输出二值调制图案；所述同步触发模块包括基准时钟、计数器以及分别面向所述ccd探测器和所述dmd控制器的触发输出端。

17、本发明第二方面提出一种基于dmd的高动态范围成像方法，应用于第一方面所述的系统中的pc端处理器，所述方法包括：

18、获取由ccd探测器输入的图像数据，根据所述图像数据生成初始图像，对所述初始图像进行平场校正，得到灰度图像；

19、将所述灰度图像中灰度值大于或等于预设第一灰度阈值的像元标记为高亮像元，对相邻的所述高亮像元进行连通域合并，去除面积小于预设面积值的孤立区域，并将保留区域向外扩张预设像素宽度，得到高亮区域；将所述灰度图像中灰度值小于预设第二灰度阈值的像元标记为暗像元，对相邻的所述暗像元进行连通域合并，去除面积小于所述预设面积值的孤立区域，得到暗区域；

20、分别确定所述高亮区域的像素坐标对应在dmd中的第一目标微镜、所述暗区域的像素坐标对应在所述dmd中的第二目标微镜；

21、获取所述高亮区域的各个像素当前的第一初始灰度值，以及预设的第一目标灰度值，并根据所述第一初始灰度值、所述第一目标灰度值计算所述第一目标微镜的第一打开占空比；获取所述暗区域的各个像素当前的第二初始灰度值，以及预设的第二目标灰度值，并根据所述第二初始灰度值、所述第二目标灰度值计算所述第二目标微镜的第二打开占空比；

22、按照所述第一打开占空比控制所述第一目标微镜的打开状态，按照所述第二打开占空比控制所述第二目标微镜的打开状态，并将所述第一目标微镜和所述第二目标微镜以外的其他微镜设置为常开状态；

23、读取所述ccd探测器上的反馈图像，并根据所述反馈图像更新所述第一目标微镜和所述第二目标微镜的占空比，直至满足预设终止条件，得到目标图像。

24、可选地，所述根据所述第一初始灰度值、所述第一目标灰度值计算所述第一目标微镜的第一打开占空比，包括：

25、计算所述像素的第一初始灰度值与预设的调节参数的和，得到和值；

26、确定所述像素的第一目标灰度值与所述和值的商；

27、当所述商处于预设的最小打开占空比和1之间时，将所述商作为所述像素对应的第一目标微镜的第一打开占空比；

28、当所述商小于所述最小打开占空比时，将所述最小打开占空比作为所述像素对应的第一目标微镜的第一打开占空比；

29、当所述商大于1时，将1作为所述像素对应的第一目标微镜的第一打开占空比。

30、可选地，所按照所述第一打开占空比控制所述第一目标微镜的打开状态，包括：

31、在所述ccd探测器的单次曝光时长

te之内，将所述第一目标微镜处于打开状态的累计时长设置为

dk×

te，剩余时间设置为关闭状态；

dk为所述第一目标打开占空比；

32、或，

33、在n个dmd子帧中控制对应微镜或微镜组打开

round（n×dk）个子帧；其中，n为所述ccd探测器单次曝光时长内划分的dmd子帧总数，round表示将计算结果取为最接近的整数。

34、可选地，所述根据所述反馈图像更新所述第一目标微镜和所述第二目标微镜的占空比，直至满足预设终止条件，包括：

35、统计所述反馈图像中所述高亮区域的高亮像素数量占所述高亮区域总像素数量的第一比例，并计算所述高亮区域中的各个像素的反馈灰度值与所述目标灰度值之间的第一差值；当所述第一比例大于预设比例阈值或所述第一差值大于预设误差阈值时，根据预设的步长因子更新所述高亮区域对应的目标微镜或微镜组的占空比，直至达到任一第一终止条件时停止更新；所述第一终止条件包括：所述第一比例小于或等于所述比例阈值、所述第一差值小于或等于所述误差阈值、迭代次数达到最大迭代次数；

36、统计所述反馈图像中所述暗区域的暗像素数量占所述暗区域总像素数量的第二比例，并计算所述暗区域中的各个像素的反馈灰度值与所述第二目标灰度值之间的第二差值；当所述第二比例大于所述比例阈值或所述第二差值大于所述误差阈值时，根据所述步长因子更新所述暗区域对应的第二目标微镜的占空比，直至达到任一第二终止条件时停止更新；所述第二终止条件包括：所述第二比例小于或等于所述比例阈值、所述第二差值小于或等于所述误差阈值、所述迭代次数达到最大迭代次数。

37、本发明实施例具有以下有益效果：

38、本发明实施例提供的基于dmd的高动态范围成像系统，该系统包括前置物镜组、dmd、二次成像透镜组、ccd探测器、pc端处理器；所述前置物镜组用于接收来自远距离目标物体的光线，并将目标物体成像在中间像面上；所述dmd设置于所述前置物镜组的中间像面处，用于对前置物镜组汇聚的光线进行空间区域的光强调制；所述二次成像透镜组用于接收经所述dmd调制后的调制光线，并将所述调制光线成像于所述ccd探测器；所述ccd探测器用于经图像采集接口向所述pc端处理器输出图像数据；所述pc端处理器用于根据所述图像数据生成dmd调制图案，并对所述dmd调制图案进行分析得到成像状态，根据所述成像状态输出dmd调节指令，以使所述dmd根据所述dmd调节指令对所述dmd的目标微镜的倾斜角度进行调节。该系统将dmd设置在ccd探测器之前作为可编程空间光强调制器，并通过图像采集接口、pc端处理器、dmd控制器和同步触发模块构成闭环调控链路，能够对高动态目标进行自动区域调光，提高了可探测的动态范围，得到在高动态范围场景的实时成像。