基于LCoS的HDR实时图像获取系统研究

摘要

夜间交通监控图像的质量往往受到眩光现象的影响，在眩光区域附近的图像信息受到严重损失。本文主要致力于研究具有防眩光作用的实时、高性能嵌入式监控系统。在利用图像传感器动态范围扩展技术的基础上，使用基于LCoS的空间光调制器对图像传感器的动态范围进行扩展，设计并完成了防眩光监控系统。
　　 采用互信息量来评价基于LCoS空间光调制器的防眩光系统的成像质量。在CMOS成像模型的基础上加入空间光调制器LCoS的影响，建立了基于互信息量的离散成像系统数学模型。利用该模型分析了LCoS与CMOS阵列像素数比、像素开口率、相对平移、相对旋转等因素对系统互信息量的影响。通过仿真计算，得到LCoS和CMOS阵列的最佳匹配条件是：LCoS和CMOS像素的占空比尽可能大，CMOS像素尺寸尽可能小，避免相对平移和相对旋转，LCoS像素数和CMOS像素数之比为1:1。
　　 利用琼斯矩阵建立光线入射LCoS空间光调制器的数学模型，分别通过理论推导和实验来分析影响系统动态范围的因素，得到LCoS调制电压、光线入射角度、PBS器件性能与系统动态范围的关系。分析两种提高系统动态范围的方法：1、优化PBS偏振性能；2、使用四分之一波片平衡中心与边缘光线的光程差。实验结果表明这两种方法分别能提高10％左右的系统动态范围。
　　 分析了直接反馈算法和PID反馈算法的优缺点，提出了阈值判断反馈算法。完成三种算法的自适应反馈实验，比较了三种算法的反馈速度、跟随性能、防眩光性能。实验结果表明：阈值判断反馈算法在防眩光监控应用中的综合性能优于其他两种算法。最终完成了以DSP为核心的系统方案，设计了由DSP控制的嵌入式防眩光监控系统，得到了反馈速度快、跟随性能强、动态范围扩展约42dB的防眩光视频输出。

目录

文摘

英文文摘

致谢

1 绪论

1.1 HDRI技术应用背景

1.2 HDRI技术概念

1.3 HDRI技术发展现状

1.3.1 基于软件实现

1.3.2 基于硬件实现

1.4 论文的研究内容和创新点

1.5 论文的总体结构

2 防眩光监控系统实现

2.1 防眩光监控系统介绍

2.1.1 系统结构和工作流程

2.1.2 核心器件介绍

2.1.3 实验系统平台

2.2 反馈算法设计

2.2.1 自适应反馈过程介绍

2.2.2 传统HDRI反馈算法

2.2.3 阈值判断反馈算法

2.3 本章小结

3 防眩光监控系统成像质量分析

3.1 基于信息理论的防眩光监控系统成像模型

3.1.1 光学信息论基本概念

3.1.2 LCoS和CMOS成像过程

3.1.3 整个系统的互信息模型

3.2 基于信息理论的离散器件匹配

3.2.1 像素数量匹配

3.2.2 像素开口率、相对位移、相对旋转的影响

3.3 本章小结

4 系统动态范围优化研究

4.1 PBS性能对系统动态范围的影响分析

4.1.1 理论分析

4.1.2 测试实验平台和测试结果

4.2 成像镜头孔径对系统动态范围的影响分析

4.2.1 理论分析

4.2.2 测试镜头参数

4.2.3 测试结果和评价

4.3 四分之一玻片对系统动态范围的修正

4.3.1 理论分析

4.3.2 四分之一波片修正效果评价

4.4 本章小结

5 防眩光监控系统实验研究

5.1 防眩光监控系统实验

5.1.1 系统初始化

5.1.2 防眩光实验结果及分析

5.2 系统脱机方案研究

5.2.1 图像处理单元选择

5.2.2 系统平台搭建

5.2.3 实验过程与结果

5.3 本章小结

6 总结与展望

参考文献

硕士期间的研究工作和成果