CN104243840A - 一种在强光下获取目标图像的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种在强光下获取目标图像的方法及装置，采用通过周期性的正弦调制信号调制LED对目标进行照射，计算机发出脉冲信号TTL控制LED阵列，并通过彩色CCD摄像机的SDK来同步采集图像，利用图像反相相关运算技术来分别对图像的RGB三个分量进行运算处理，从而提取强光环境下的目标图像，本发明采用普通LED灯和彩色相机，降低了设备成本，并能有效获取目标图像的彩色信息，可应用于视频监控和工业检测等领域。

Description

一种在强光下获取目标图像的方法及装置

技术领域

本发明属于电子信息技术领域，具体涉及一种图像处理方法及装置。

背景技术

通常情况下，当强背景光和所感兴趣的目标一同处于成像***的视场时，目标图像将湮没在强背景光或复杂背景中，使成像***失去对目标的成像能力，目标图像难以获取，而一般的方法所获取的图像不是效果不好就是获得的图像是灰度图像，无法在强背景光下获得目标图像本来的信息。

在工业监测当中，不可避免有强光源对检测环境进行干扰。例如在钢轨磨耗的测量***中，由于强太阳光和未知光源的影响，采集到的图像会出现强背景光干扰的情况。还有对刚成型的钢坯进行裂纹检测，这样检测的目的是及时发现生产钢坯的质量，从而尽早的对生产***进行调试。而这就要求对还处于高温状态下的钢坯裂纹或者钢水和其他金属液表面进行检测，并且在某些特定情况下要求保留有用的环境光，由于高温和火光非常强，目前尚缺少有效的成像检测手段。

在视频监控***中，一是要实时监控，及时反应；二是要尽量获得更多的信息。目前，视频监控***在安全领域有着广泛的应用。在城市应急交通管理中对各种违章现象进行监控，而这里面涉及到在夜间或者白天强光下车牌的识别，获取车牌的成像***会收到车灯的照射，车牌信息会被车灯的强光所掩盖并且成像***的CCD图像传感器会达到饱和，从而无法有效的获取车牌的信息；进入21世纪，***袭击和破坏无论在范围、规模、频率，还是在技术、手段、危害性等方面，达到了严重的程度，并有继续扩大的趋势，随着社会的不断进步和经济建设的发展，各种社会矛盾导致的恶性突发事件也日趋增多，且具有广泛性、长期性、复杂性，事先征兆少、难以预测和突发性的特征。视频监控作为安防***重要组成部分，以其直观、方便、信息内容丰富而广泛应用于反恐领域。通常监控***要求自动、连续地工作，***的鲁棒性就特别重要，因此***对如噪声、光照、天气等因素的影响不能太敏感。例如在室外环境下，由于天空中云彩的移动、日升日落等因素的影响，至使光线变化很复杂；在室内环境中由门窗的开关、电灯的开关、光线的遮挡和反射、由亮光引起的饱和效应等因素都会引起的光线变化，在实际应用中要求***尽可能不受这些因素的影响。目前绝大部分的视频监控***的画面都是灰色图像，而且在有强光的情况下视频画面很不理想，另外除了能看到监控对象的外貌之外，不能获得更多的信息，如颜色，背景光的滤除等。

这么广泛的应用需要一种在强背景光下获取目标图像的有效方法，从而从看不见的环境中看清目标图像。

电子科技大学余学才、苏柯等人在2010年提出了激光锁定成像技术方案。该方案的***如图1所示。这种激光锁定成像装置，包括一个周期性调制信号产生器、一个半导体激光器、一个光学发散透镜、一个光学滤波片、一个CCD焦平面阵列、一个视频处理电路和一个显示屏；周期性调制信号产生器产生的周期性调制信号用于调制半导体激光器产生的激光，使半导体激光器产生周期性调制激光，周期性调制激光经过光学发散透镜发散后照射目标视场；目标视场的目标散射激光和背景光进行光学滤波片滤波后，由CCD焦平面阵列匀速采集，获得一系列目标视场的传感图像；将周期性调制信号产生器产生的周期性调制信号和CCD焦平面阵列采集到的目标视场的传感图像存储于视频处理电路中的存储器，由视频处理电路完成目标视场的传感图像的鉴相处理：即在一个或整数个周期性调制信号的调制周期内，将CCD焦平面阵列采集到的目标视场的每一幅传感图像与采集该传感图像对应时刻的周期性调制信号相乘，然后再叠加成一幅最终去除了背景光的目标图像；目标图像最后通过显示器显示出来。

其特点：主动成像，鉴相技术与光学相结合具有一定的通用性，对环境的复杂度要求低，抗各种杂光干扰能力强等优点。该技术已经在钢轨磨耗测量***和钢坯轮廓实时测量***中得到了应用。但也有不足之处：一是该技术获得的目标图像是灰度图像，无法满足在强光环境下获取目标的彩色像素信息；二是该技术用到激光器单色光源，红外相摄像机或者黑白摄像机采集图像，成本相对较高。限制了锁定成像技术的使用范围。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种在强光下获取目标图像的方法及装置。

本发明的具体技术方案如下：

一种在强光下获取目标图像的方法，包括以下步骤：

S1：采用周期性的正弦调制信号对LED光源进行调制，所得调制LED光源照射目标视场；

S2：采用光学滤波片对目标视场的目标散射LED光和背景光进行滤波处理；

S3：经滤波处理后的目标散射LED光和背景光，采用CCD焦平面阵列同步采集，获得一系列目标视场的传感图像，所述步骤2具体包括以下步骤：

S31：正弦调制信号调制前半周期，采用高电平脉冲信号TTL，控制LED发光照射目标视场，并同步采用CCD焦平面阵列采集A帧图像；

S32：正弦调制信号调制后半周期，采用低电平脉冲信号TTL，控制LED光源关闭，并同步采用CCD焦平面阵列采集与前半周期相同的A帧图像；

S33：将正弦调制信号调制前半周期获取图像的同一位置的像素RGB分别累加，然后减去正弦调制信号调制后半周期相同位置像素的RGB累加值，得到目标图像；

进一步地，所述CCD焦平面阵列的同步采集，通过彩色CCD摄像机的SDK实现。

本发明同时提供一种在强光下获取目标图像的装置，包括一计算机、一CCD焦平面阵列、一LED阵列；计算机提供周期性调制信号即正弦信号用于调制LED光，同时提供TTL脉冲信号控制LED灯发光，照射目标视场；目标视场的目标散射LED光和背景光进行光学滤波片滤波后，由CCD焦面阵列采集，获得一系列目标视场的传感图像；将获取目标视场的图像存储于计算机，并完成目标视场的传感图像的反相运算处理：即在一个或数个周期性调制信号的调制周期内，将CCD焦平面阵列采集的目标视场的每一幅传感图像与对应时刻的周期性调制信号相乘，然后叠加产生最后的去除背景光的目标图像；目标图像最后通过计算机显示器显示出来。

本发明的有益效果：本发明提出一种在强光下获取目标图像的方法及装置，采用通过周期性的正弦调制信号调制LED对目标进行照射，计算机发出脉冲信号TTL控制LED阵列，并通过彩色CCD摄像机的SDK来同步采集图像，利用图像反相相关运算技术来分别对图像的RGB三个分量进行运算处理，从而提取强光环境下的目标图像，本发明采用普通LED灯和彩色相机，降低了设备成本，并能有效获取目标图像的彩色信息，可应用于视频监控和工业检测等领域。

附图说明

图1是现有技术中激光锁定成像技术原理图。

图2是本发明提供的图像处理原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的内容作进一步说明。

本发明的具体方案如图2所示，具体包括以下步骤：

S1：采用周期性的正弦调制信号对LED光源进行调制，所得调制LED光源照射目标视场；

S2：采用光学滤波片对目标视场的目标散射LED光和背景光进行滤波处理；

S3：经滤波处理后的目标散射LED光和背景光，采用彩色CCD相机的SDK控制相机同步采集，获得一系列目标视场的传感图像，所述步骤2具体包括以下步骤：

S31：正弦调制信号调制前半周期，采用高电平脉冲信号TTL，控制LED发光照射目标视场，并同步控制彩色CCD相机采集A帧图像，所述A值为预先设定的值；

S32：正弦调制信号调制后半周期，采用低电平脉冲信号TTL，控制LED光源关闭，并同步控制彩色CCD相机采集与前半周期相同的A帧图像；

S33：将正弦调制信号调制前半周期获取图像的同一位置的像素RGB分别累加，然后减去正弦调制信号调制后半周期相同位置像素的RGB累加值，得到目标图像。

本发明的工作原理如下：

利用LED光源从强光环境下获取目标图像的彩色信息，主要对目标图像RGB三个分量分别进行了反相算法处理。

本发明实施例以目标图像的R分量反相运算进行说明。

由于采用正弦调制信号调制的LED光源照射目标视场，彩色CCD相机捕获目标散射的光强也是正弦变化的，然而环境光的光强是不变化的，设在一个正弦电压调制期内彩色CCD相机采集了N帧图像，第m帧图像在点(x,y)处的像素的R分量可表示为

G_R(m)＝G_C(m)cosΦ₁+G_L(m)cosΦ₂          (1)

其中，G_C(m)是强光环境中的R分量，其中包含彩色CCD相机内部的干扰信号(暗电流)，G_L(m)为LED发出的光散射到目标上的目标图像的R分量；Φ₁，Φ₂分别是各自的相位常量。

由于LED的调制电压是正弦信号，那么目标区域图像的R分量G_L(m)可以表示为

G_L(m)＝G_L0[1+ξsin(ωmΔI+Φ)]         (2)

其中，G_L0为不加调制电压，LED在额定电压工作下，彩色CCD相机采集到目标视场的图像R分量，ΔI为相机获取两幅图像的时间间隔，Φ为已知常量，是调制信号的相位信息，ξ为调制强度，ω为电信号调制角频率，进行乘法运算有G_m(m)：

$\begin{array}{c}{G}_m\left(m\right)=\{G_C\left(m\right)+G_{L0}[1+\mathrm{\ξ}\sin (\mathrm{\ωm\ΔI}+\mathrm{\Φ})\left]\right\}\×\sin \left(\mathrm{\ωm\ΔI}\right)=\\ [G_C\left(m\right)+G_{L0}]\sin \left(\mathrm{\ωm\ΔI}\right)+\frac{1}{2}{G}_{L0}\mathrm{\ξ}\cos \mathrm{\Φ}+\frac{1}{2}\mathrm{\ξ}{G}_{L0}\cos (2\mathrm{\ωm\ΔI}+\mathrm{\Φ})\end{array}---\left(3\right)$

对G_C(m)单周期内采集到的图像进行图像R分量的积分，由于图像信号是离散的，求积分过程转变为求和：

$G_R\left(m\right)=\underset{m=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{G}_C\left(m\right)=\frac{1}{2}{G}_{\mathrm{RL}0}\mathrm{N\ξ}\cos \mathrm{\Φ}---\left(4\right)$

其中，G_R(m)表示为m帧目标图像求和后的R分量分布，N表示获取的图像帧数。

因为使用的是正弦调制信号进行锁定相乘后再叠加，在一个周期内，频率信号得到了滤除，所以(3)式中的[G_C(m)+G_L0]sin(ωmΔI)和均可以相互抵消，只有反映目标视场散射LED光信号的得以保留，从而将目标视场背景光的灰度滤除。同理可以得出图像G、B分量分别为：

$G_G\left(m\right)=\underset{m=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{G}_G\left(m\right)=\frac{1}{2}{G}_{\mathrm{GL}0}\mathrm{N\ξ}\cos \mathrm{\Φ}---\left(5\right)$

$G_B\left(m\right)=\underset{m=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{G}_B\left(m\right)=\frac{1}{2}{G}_{\mathrm{BL}0}\mathrm{N\ξ}\cos \mathrm{\Φ}---\left(6\right)$

由式(4)、式(5)、式(6)可知：通过以上算法处理后，强光环境的RGB分量几乎被完全滤除，只有目标区域的图像RGB分量信息，并只与所加调制信号的相位强图成正比例关系。

因此，表明利用LED光源获取强光背景下的目标图像方法能够有效的获取目标彩色图像信息，而且此***有强的环境光抑制作用。

本发明同时提供一种在强光下获取目标图像的装置，包括一个计算机、一个CCD焦平面阵列(彩色CCD相机)、一个LED阵列；计算机提供TTL脉冲信号控制LED灯发光，同时提供周期性调制信号即正弦信号用于调制LED光，照射目标视场；目标视场的目标散射LED光和背景光进行光学滤波片滤波后，由CCD焦面阵列采集，获得一系列目标视场的传感图像；将获取目标视场的图像存储于计算机，并完成目标视场的传感图像的反相运算处理：即在一个或数个周期性调制信号的调制周期内，将CCD阵列采集的目标视场的每一幅传感图像与对应时刻的周期性调制信号相乘，然后叠加产生最后的去除背景光的目标图像；目标图像最后通过计算机显示器显示出来。

本发明在对目标的传感图像进行反相运算处理时，是通过将一个或数个调制周期内的传感图像处理成一幅目标图像。背景光消除的多少跟调制周期数有关，周期数越大背景光越少；另外对于运动目标而言，需要调制频率增加，同时也要提高CCD焦平面阵列的采样频率。而目标图像的处理都是靠计算机来完成，所以在保证图像清晰度的同时要提高处理速度可以采用性能高的计算机或者编译环境，另外控制LED可以采用驱动电路而不用继电器。

本发明提出一种在强光下获取目标图像的方法及装置，采用通过周期性的正弦调制信号调制LED对目标进行照射，计算机发出脉冲信号TTL控制LED阵列，并通过彩色CCD摄像机的SDK来同步采集图像，利用图像反相相关运算技术来分别对图像的RGB三个分量进行运算处理，从而提取强光环境下的目标图像，本发明采用普通LED灯和彩色相机，降低了设备成本，并能有效获取目标图像的彩色信息，可应用于视频监控和工业检测等领域。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (3)

1.一种在强光下获取目标图像的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：采用周期性的正弦调制信号对LED光源进行调制，所得调制LED光源照射目标视场；

S2：采用光学滤波片对目标视场的目标散射LED光和背景光进行滤波处理；

S3：经滤波处理后的目标散射LED光和背景光，采用CCD焦平面阵列同步采集，获得一系列目标视场的传感图像，所述步骤2具体包括以下步骤：

S31：正弦调制信号调制前半周期，采用高电平脉冲信号TTL，控制LED发光照射目标视场，并同步采用CCD焦平面阵列采集A帧图像；

S32：正弦调制信号调制后半周期，采用低电平脉冲信号TTL，控制LED光源关闭，并同步采用CCD焦平面阵列采集与前半周期相同的A帧图像；

S33：将正弦调制信号调制前半周期获取图像的同一位置的像素RGB分别累加，然后减去正弦调制信号调制后半周期相同位置像素的RGB累加值，得到目标图像。

S3：将有步骤S2获得的正弦调制信号调制前半周期获取图像的同一位置的像素RGB分别累加，然后减去正弦调制信号调制后半周期相同位置像素的RGB累加值，得到目标图像。

2.根据权利要求1的一种在强光下获取目标图像的方法，其特征在于，所述CCD焦平面阵列的同步采集，通过彩色CCD摄像机的SDK实现。

3.一种在强光下获取目标图像的装置，其特征在于，包括一计算机、一CCD焦平面阵列、一LED阵列；计算机提供周期性调制信号即正弦信号用于调制LED光，同时提供TTL脉冲信号控制LED灯发光，照射目标视场；目标视场的目标散射LED光和背景光进行光学滤波片滤波后，由CCD焦面阵列采集，获得一系列目标视场的传感图像；将获取目标视场的图像存储于计算机，并完成目标视场的传感图像的反相运算处理：即在一个或数个周期性调制信号的调制周期内，将CCD焦平面阵列采集的目标视场的每一幅传感图像与对应时刻的周期性调制信号相乘，然后叠加产生最后的去除背景光的目标图像；目标图像最后通过计算机显示器显示出来。