技術領域

　　為攝像機，夜晚照明提供一個可以做三維自動調(diào)整的智能光源，涉及到圖像分析，激光投射角度，強度，光掃描技術。對于需要24小時全天候監(jiān)控的公安，國防具有極大的價值。

　　背景技術

　　目前除熱成像和微光攝像機（在全黑的情況下也無法工作）外，夜間拍攝圖像都是采用紅外照明。安防，國防的應用主要采用不可見的紅外光，無論什么光源也只能是一束投射光，被照明的物體的光強度與光源的距離，和不同物體的物質(zhì)有關，由于不同的距離，和不同的物質(zhì)表面對光的吸收，反射千差萬別，尤其是單色光，明暗反差更為強烈。

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

　　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法看清。特別是在公安，國防的應用上，由于圖像的細節(jié)無法清晰攝取，幾乎得不到有價值的夜晚圖像。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)界還沒有解決的難題。

　　研發(fā)內(nèi)容

　　研發(fā)的目的是為攝像機，夜晚（全黑）環(huán)境下拍攝提供一個智能的照明系統(tǒng)，使得被照物體在有效照射范圍內(nèi)，無論其形狀，大小，物質(zhì)結構的表面反光系數(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，使得整個光照場面能量均勻分布。

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“點照明”。面照明是將整個被照物體同時照射，在同一距離的照射面上光強度是一樣的，而點照明是對被照物體的一個個像素點逐個照亮，逐個曝光，其照亮的時序與攝像機圖像傳感器的像素讀取是同步的，這樣就可以實現(xiàn)在整個光照范圍內(nèi)，任意角度，任意方向，任意形狀，任意物體，無論他們的距離遠近都可以分別獲得不同的曝光量。這種能在X，Y，Z三個方向光的角度和強度都能自動控制調(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，光偏轉器，并與云臺，變倍鏡頭，攝像機一起聯(lián)動。使得旋轉方位角，鏡頭取景的視場角，攝像機傳感器的像素曝光量，點照明的覆蓋面都達到統(tǒng)一步調(diào)彼此自動協(xié)調(diào)。

　　實現(xiàn)這種智能照明的要素是：具有可以控制投射角，準直，發(fā)散的光束，可以對這些光束做高速行場偏轉，對投射光的強度調(diào)節(jié)具有極快的反應時間，對攝像機圖像傳感器中像素的曝光量做出運算，可以讀出激光點掃描坐標位置，像素曝光量的數(shù)值。激光點掃描的速度，相位與攝像機圖像傳感器靶面像素的讀取同步。

　　由于激光點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加強光照，遇到反光物體自動減少光照，距離近的自動減少光強度，距離遠的自動加強光強度，使得整個照射場面的圖像猶如白晝般勻稱。

　　具體實施方式

　　X Y振鏡模式

　　該裝置由激光源，電動擴束鏡頭，光偏轉器，攝像機含自動變倍鏡頭，步進電機云臺，數(shù)字信號處理器（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)過電動擴束準直鏡頭將激光調(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讀出的光照場幅度比例數(shù)據(jù)在DSP內(nèi)計算后控制擴束電機調(diào)節(jié)鏡頭使光斑尺寸剛好均勻覆蓋整個垂直光照面。無論掃描光柵的大小，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入光偏轉器，激光束在X,Y方向按攝像機行場掃描時序同步高速掃描，X,Y掃描幅度根據(jù)攝像機鏡頭取景的角度，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DSP運算，分別控制X,Y偏轉器對激光束的偏轉角度變化以便對應攝像機的取景要求，既可以自動也可以手動完成。

　　光照明強度控制：由于激光點的掃描運動與攝像機的圖像傳感器的像素點讀取是完全同步的，激光照亮的物體的點也正是攝像機圖像傳感器讀取的像素點，該點感光量信息被送至DSP運算，并控制激光輸出功率，這樣就可以對被照射物體的每個像素點分別調(diào)整光強度，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。

　　實驗室測試結果：

　　關閉智能

  開啟智能

　　DLP模式

　　光源由激光器產(chǎn)生，經(jīng)過擴束準直鏡將激光調(diào)整到合適的光斑后投射在百萬微型數(shù)字偏轉鏡DMD上，每個微型鏡控制對應的像素。百萬條激光點通過變倍鏡頭投射，投射角度與攝像機鏡頭取景角度對應，由DSP同步管理。

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

　　目標像素曝光控制：在微鏡裝置里有200萬個（對應攝像機傳感器像素）小微鏡調(diào)整微鏡的角度和振動頻率就可以精準分別控制200萬條激光投射點的強度。系統(tǒng)讀取攝像機的圖像信息，并對信息進行分析判斷知道具體哪個像素曝光不合適，然后發(fā)出指令到對應的微鏡，控制其角度和震動頻率實現(xiàn)對該像素點曝光量做修正，從而達到最理想的曝光量。

　　內(nèi)置的22倍變焦星光級攝像頭進行圖像的初步采集，然后視頻信號通過網(wǎng)絡串流進入圖像處理模塊。由CVLCD軟件進行視頻流抓取，灰度計算，智能補光處理，根據(jù)不同的環(huán)境需要，可以實現(xiàn)圖像的反轉，銳化，高斯模糊，極化等效果。同時實現(xiàn)補光信號的角度，強度調(diào)整。通過一系列的計算后將處理完成的補光信號輸入是由美國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)，事實上，這面鏡子是由數(shù)十萬乃至上百萬個微鏡所組成的。以XGA解析度的DMD芯片為例，在寬1cm，長1.4cm的面積里有1024×768=786432個微鏡單元，每一個微鏡代表一個像素，圖像就由這些像素所構成。一個DMD可被簡單描述成為一個半導體光開關，50~130萬個微鏡片聚集在CMOS硅基片上。一片微鏡片表示一個像素，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，在其下方均設有類似鉸鏈作用的轉動裝置。微鏡片的轉動受控于來自CMOS RAM的數(shù)字驅(qū)動信號。當數(shù)字信號被寫入SRAM時，靜電會激活地址電極、鏡片和軛板以促使鉸鏈裝置轉動。一旦接收到相應信號，鏡片傾斜10°，并隨著來自SRAM的數(shù)字信號而傾斜+12°；如顯微鏡片處于非投影狀態(tài)，則被示為“關”，并傾斜-12°。簡而言之，DMD的工作原理就是借助微鏡裝置反射需要的光，同時通過光吸收器吸收不需要的光來實現(xiàn)影像的投影，而其光照方向則是借助靜電作用，通過控制微鏡片角度來實現(xiàn)的。

　　通過對每一個鏡片下的存儲單元以二進制平面信號進行尋址，DMD陣列上的每個鏡片以靜電方式傾斜為開或關狀態(tài)。決定每個鏡片傾斜在哪個方向上為多長時間的技術被稱為脈沖寬度調(diào)制（PWM）。鏡片可以在一秒內(nèi)開關1000多次，。通過聚光透鏡以及積分鏡的勻化作用后，來自激光光源的光線被直接照射在DMD上。當鏡片在開的位置上時，它們通過投影鏡頭將光反射到環(huán)境中形成一個數(shù)字的像素投影圖像。當 DMD 芯片、激光光源、和投射激光鏡頭協(xié)同工作時，就能根據(jù)被監(jiān)控的場景，目標物，實現(xiàn)精確到像素的曝光控制。

　　普通紅外

DMD激光紅外

　　DMD不僅通過了所有的標準半導體資格測試，而且系統(tǒng)制造非常嚴格，需要經(jīng)過一連串的測試，所有元件均經(jīng)過挑選證實可靠才能用作制造數(shù)碼電子部分驅(qū)動DMD，而且還證明了在模擬應用環(huán)境中，它的生命期超過10萬個小時。測試證明，DMD可以進行超過1700萬億次的循環(huán)無故障運行，其它測試結果顯示，DMD可以在超過11萬個電力周期和11000個溫度周期下無故障，以確保在需求較大的應用領域中提供30年以上的可靠運行期。

　　同時DLP拋棄了傳統(tǒng)意義上的光學匯聚，可以隨意改變焦點，調(diào)整起來十分方便，而且其光學路徑相當簡單，體積更小。因此，DLP的機身相應地就可以做得更薄。體積更小巧，大大減小了占用空間，能耗也隨之降低很多。

　　實驗室測試效果：

 

　　普通紅外

立體激光

　　結束語

　　現(xiàn)有傳統(tǒng)面照明模式下不能對場景目標物做曝光控制的老大難問題，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兩種模式都能實現(xiàn)對像素曝光量的控制，它們各有優(yōu)缺點：振鏡是靠X，Y兩鏡片掃描，由于掃描速度是微秒級別因此對振鏡的慣性重量要求極高，有畸變問題，機械結構和振動都會影響同步精度這是它很難克服的缺點，優(yōu)點是光損失小，激光效率極高，總功耗低。DMD是集成了百萬微型光鏡采用數(shù)字控制幾乎解決了振鏡的所有缺陷，但唯一缺點是光利用率低，功耗至少比振鏡模式大50%，但與市場上的紅外產(chǎn)品比，功耗則低很多，是很有實際應用價值的新型紅外激光夜視技術。