基于数字微镜器件的高动态范围成像技术研究

摘要

动态范围是评价光电成像设备的重要性能之一，普通光电成像设备的可探测动态范围一般能够达到48dB，难以满足空间目标成像探测和科学成像应用100dB以上的需求。如何提高成像系统的动态范围是目前光学探测成像设备亟待解决的关键问题之一。 为解决此问题提出的多次曝光拟合等方法仍有着很大的局限性，而成像前光学调制技术很好的解决了在线性和实时性的问题，具有的诸多优势和广阔的应用前景，使得其成为当今机器视觉领域的研究热点。利用DMD芯片在成像前进行光学调制，可以使视觉测量系统能够实现更加灵活多样的视觉空间范围，更宽的成像动态范围以及更高的测量精度和测量效率。本文提出了一种基于DMD的高动态自适应成像系统，主要研究内容包括： DMD高动态范围成像系统搭建。分析DMD结构以及工作情况，以其工作原理为基础，提出一种以DMD为核心的高动态范围成像系统。设计系统光路，选择相应镜头型号，进行外壳设计并实现封装，成功搭建了新一代DMD相机。 系统匹配校正与内部算法研究。应用莫尔条纹法对系统进行了匹配与校正，达到良好匹配。用Harris算子对系统内部进行了标定。针对基于DMD的高动态范围成像系统中的DMD与CCD的高精度映射问题，先后提出了DLT直接线性算法、非线性多项式畸变拟合算法和BP神经网络算法。三种方案通过实验测试都能够完成匹配映射关系，其中多项式算法能有较好的精度，且能校正部分畸变使得最终误差在1.02像素，满足成像系统像素级映射的需求。 高动态范围成像方法研究。为实现系统的自适应高动态成像，要能够控制DMD每个镜元的偏转，包括固定步长法、自适应空间区域法、掩膜设计法等，以掩膜设计来进行DMD的控制。为实现自适应控制的目的，选择了PID控制，设计合理的融合于系统的PID公式，通过参数整定，得到相应的自适应掩膜生成方案。可根据此公式，得到上载的掩膜，从而生成自适应的高动态图像。

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 研究目的与意义

1.3 国内外研究现状

1.3.1 高动态范围成像技术国内外研究现状

1.3.2 成像前光学调制技术国内外研究现状

1.4 本文内容

第2章 基于DMD的高动态范围成像系统

2.1 DMD工作原理

2.1.1 DMD基本结构

2.1.2 DMD开关转换

2.2 系统光路设计

2.2.1 光路设计

2.2.2 TIR棱镜

2.3 仪器的调试与封装工作

2.4 本章小结

第3章 系统匹配校正与内部算法研究

3.1 DMD与CCD的匹配与校正工作

3.2 系统角点标定

3.2.1 Harris算子进行相机内部标定

3.2.2 误差点剔除

3.3 像素级映射算法设计

3.3.1 DLT映射算法

3.3.2 非线性多项式畸变拟合映射算法

3.3.3 基于BP神经网络的映射算法

3.3.4 映射精度验证及分析

3.4 本章小结

第4章 高动态范围成像方法

4.1实现DMD自适应控制技术

4.1.1 DMD控制技术

4.1.2 DMD控制与系统结合

4.2基于PID控制的自适应高动态成像

4.2.1 PID控制原理

4.2.2 PID参数整定

4.2.3 PID控制与高动态成像系统结合

4.3 本章小结

第5章 实验与分析

5.1 高动态范围成像实验

5.2 基于PID控制的自适应高动态成像实验

5.3 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 工作展望

参考文献

附录A

发表论文和参加科研情况说明

致 谢