视频摄像机闪光照明的研究及在水下成像的应用

摘要

摄像与照相一样经常需要人工照明，为避免运动模糊，对于动态目标的摄像一般曝光时间短，需要强光照明。在很多情况下，如野外夜间摄像或水下摄像采用电池供电，往往难以保证充分的电源供应来维持这种连续的强光照明。本文借助照相机闪光照明的节能方法，设计与摄像机帧频同步的LED脉冲照明技术，提供视频摄像所需要的高峰值功率强光脉冲而维持较低的平均功率，并将这种频闪照明方法应用于水下视频摄像。
　　光在水中传播具有吸收和散射特性，在深处的水下摄像不仅要提供较高光功率的主动照明光源，还要克服后向散射光对成像所造成的影响。本论文考虑到海水的吸收与散射特性和它们在不同情况下的吸收/散射比，把大功率LED脉冲驱动照明与水下摄像相结合，在不同情况下分别克服水的吸收和散射的影响，达到最佳成像效果。
　　本文利用一台像增强型CCD（ICCD）摄像机进行视频采集，它具有很高的成像灵敏度和超短快门曝光时间，允许我们以很小的占空比（<0.01）脉冲来驱动闪光LED就可以使其脉冲宽度覆盖ICCD的快门开启时间，两者的同步通过ICCD摄像机的图像信号采集外部触发端口实现。由一台PC机控制下位单片机输出两路频率相同、相位差和占空比可调的脉冲信号，分别驱动大功率LED和触发ICCD摄像机进行视频信号采集。由于LED和ICCD视频采集响应时间存在一定的差距，研究中通过硬件和软件两种方法对驱动LED的脉冲信号进行一定延时。通过对不同延时时间下所摄图像质量的对比找出最佳延时时间，使ICCD采集光信号时间和LED发光脉冲严格意义上的同步。
　　LED光源的选择对于闪光照明能否达到较好的电-光转换效率也是关键环节之一。我们对不同市场来源的大功率LED脉冲驱动下的瞬态光电特性进行了研究，包括LED发光效率-注入电流特性和光电时间响应特性。发现大部分LED在高峰值电流的脉冲驱动方式下效率都远低于恒直流驱动方式，这些LED并不适合作为摄像机闪光灯，而一些业界先进企业所生产的器件则具有较好的大电流工作效率特性，其大电流工作时的效率较高甚至比小电流时还高，这样的LED光源才比较适合于作为脉冲光源。设计制作相关驱动电路,建立以100w蓝光LED作为主动照明光源的同步水下成像系统模型并在实验室环境下对研究结果进行详细验证。最后，就水下视频图像存在低信噪比，对比度不强等特点在软件上进行相关图像处理。

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第一章 绪论

§ 1.1 引言

§1.2 研究现状

§ 1.3 论文主要内容及结构安排

第二章 水下视频采集相关理论

§2 .1 光在水中的传播特性

§ 2. 2 光源的选择

§ 2. 3 水下激光成像技术

§2.4 本章小结

第三章 大功率LED研究与驱动设计

§ 3. 1 LED原理及主要特性

§3.2 LED发光效率与注入电流关系

§ 3. 3 LED驱动设计

§3.4 本章小结

第四章 脉冲驱动LED照明在水下摄像中的应用实验验证

§4.1 上下位机无线通信模块的实现

§4.2 同步脉冲的实现

§4.3 实验环境以及试验设备

§4 .4 实验结果分析

§4.5 本章小结

第五章 水下视频采集与图像处理

§ 5.1 水下视频采集技术

§5.2 图像处理

§5.3 本章小结

第六章 总结与展望

§ 6.1 总结

§ 6.2 展望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士期间主要研究成果