【摘要】：在現(xiàn)實世界中,有很多場景的亮度變化會很大,在一幅場景中可能同時包含著陽光的直射和角落的陰影。當使用普通圖像采集設(shè)備對這種亮度變化很大的場景進行成像時,得到的圖像由于動態(tài)范圍較低不能夠真實的反映出場景的細節(jié)。高動態(tài)范圍成像技術(shù)可以使拍攝到的圖像擁有更寬廣的動態(tài)范圍和更豐富的層次信息,從而提供更好的成像質(zhì)量和更加逼真的視覺體驗。它在軍事、醫(yī)學(xué)、汽車、天文等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但是,目前提出的許多高動態(tài)范圍的成像技術(shù)手段都有著各自的局限性,并且它們所能獲取的場景的動態(tài)范圍仍然有限。本論文提出了一種基于數(shù)字微鏡器件(DMD)的高動態(tài)像素級調(diào)光成像技術(shù),它將數(shù)字微鏡器件用作空間光調(diào)制器,對到達圖像傳感器每個像元上光強進行單獨的調(diào)制,使得圖像傳感器可以同時探測到場景中的亮目標和暗目標,從而提高成像系統(tǒng)的動態(tài)范圍。本論文通過分析數(shù)字微鏡器件擴展動態(tài)范圍的原理和它的光路結(jié)構(gòu),設(shè)計出了一種基于DMD的雙目高動態(tài)像素級調(diào)光成像系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用兩路同型號、同性能的sCMOS相機作為圖像采集設(shè)備,利用DMD作為空間光調(diào)制器同時對兩個相機進行光強的調(diào)制,其理論動態(tài)范圍可以高達209dB,實驗證明的動態(tài)范圍高于180dB。設(shè)計實驗驗證了DMD對光強的調(diào)制精度,并根據(jù)EMVA 1288標準測試了sCMOS相機的性能參數(shù),驗證了系統(tǒng)中兩個核心組件的線性度。在此基礎(chǔ)上搭建了系統(tǒng)調(diào)光精度分析平臺,驗證了系統(tǒng)整體的調(diào)光精度。為了實現(xiàn)系統(tǒng)對入射光強像素級別的調(diào)制,本文提出了一種雙目實時自標定方法,該方法簡便快捷,不依賴于外界的標定物,可以迅速完成對系統(tǒng)中兩個相機的標定。通過實驗證明,該方法標定后的相機像元與DMD微鏡之間的平均匹配精度可以達到0.7個像元,兩個相機中對應(yīng)于同一個DMD微鏡的像元之間的平均匹配精度優(yōu)于0.57個像元,達到了像素級別的匹配精度。針對不同的高動態(tài)場景以及不同的觀測要求,有針對性的設(shè)計了幾種不同的調(diào)光成像算法,通過實驗證明,這些算法在滿足特定觀測要求的前提下,都能夠有效的對高動態(tài)場景進行調(diào)光成像。提出了高動態(tài)場景的恢復(fù)方法和一種改進的色階映射算子。恢復(fù)出的高動態(tài)場景圖像經(jīng)過壓縮顯示后能夠在普通的顯示器上顯示,并且能夠較為清晰的展現(xiàn)出場景中不同亮度區(qū)域的細節(jié),整幅圖像的對比度比較豐富,符合人眼的主觀感受。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TP391.41
【圖文】：

Crystal）以及數(shù)字微鏡器件（Digital Micro-mirror Device，DMD）。透射液晶是一種比較流行的光調(diào)制器，被廣泛的應(yīng)用于液晶顯示器（LiquidCrystal Displays，LCDs）和其他設(shè)備中。它的器件模型如圖 1.1(a)所示，它通過控制自身的偏振狀態(tài)，來決定入射光是否能透過液晶進行傳導(dǎo)。然而由于在這種模式下入射光是穿過液晶器件進行下一步的傳導(dǎo)，所以液晶單元的驅(qū)動電路只能設(shè)置在每個液晶單元之間。這就會降低設(shè)備的相對孔徑，并且對對比度造成不利的影響。反射液晶器件是在半導(dǎo)體晶片和玻璃平板之間加入了液晶單元，如圖 1.1(b)所示。其中最具有代表性的就是硅基液晶（Liquid Crystal on Silicon），它同樣是通過控制微鏡單元的偏振狀態(tài)來絕對入射光下一步的傳導(dǎo)，但是與 LCDs 不同時的，它是將入射光進行反射。通過這樣的設(shè)計，驅(qū)動電路可以放在器件的背面從而是這種類型的光調(diào)制器件可以擁有很高的對比度。數(shù)字微鏡器件是一個微反射鏡陣列構(gòu)成的微電子機械系統(tǒng)，如圖 1.1(c)所示。它通過控制反射光的方向來實現(xiàn)對光強的調(diào)制。最新一代的 DMD 的微鏡擺動可以在幾微秒內(nèi)完成，從而可以對入射光的調(diào)制達到一個很高的精度。

圖 1.2 Nayer 研制的基于 DMD 的成像系統(tǒng)2007 年利用硅基液晶 LCoS 設(shè)計了一個高動所示。該成像系統(tǒng)能夠根據(jù)液晶旋轉(zhuǎn)的情況自對調(diào)制后的光強成像，實現(xiàn)了系統(tǒng)對高動態(tài)圖 1.3 基于 LCoS 的高動態(tài)成像系統(tǒng)

[31]，系統(tǒng)實物圖如圖1.3所示。該成像系統(tǒng)能夠根據(jù)液晶旋轉(zhuǎn)的情況自適應(yīng)的調(diào)節(jié)LCoS反射的光強，然后對調(diào)制后的光強成像，實現(xiàn)了系統(tǒng)對高動態(tài)場景的調(diào)制和采集。圖 1.3 基于 LCoS 的高動態(tài)成像系統(tǒng)在國內(nèi)，浙江大學(xué)的馬俊使用基于 LCoS 的光強調(diào)制器來擴展圖像傳感器的

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4 江q熟

本文編號：2748642