一種雙波段高低分辨率協(xié)同目標(biāo)識別裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高低分辨率雙波段協(xié)同目標(biāo)識別裝置，主要特征模塊包括兩組自適應(yīng)液晶光線調(diào)節(jié)器、準(zhǔn)直全反射分光裝置、可見光高分辨率成像系統(tǒng)、紅外低分辨率成像系統(tǒng)與數(shù)字圖像處理單元。本裝置通過將光學(xué)信號在光學(xué)接收系統(tǒng)中進(jìn)行初步處理，有效減少了數(shù)字圖像處理單元的運(yùn)算量。本裝置模擬人眼視錐細(xì)胞與視桿細(xì)胞協(xié)作成像過程，對同一目標(biāo)同時分別輸出可見光高分辨率圖像信號與近紅外低分辨率圖像信號，優(yōu)先處理近紅外低分辨率圖像信號，獲取目標(biāo)物體后實(shí)時切換至可見光高分辨率圖像信號，提高了機(jī)器視覺對目標(biāo)的識別速度并同時保證了對目標(biāo)物體的觀測質(zhì)量。本發(fā)明首次采用活性液晶材料作為光線強(qiáng)度調(diào)節(jié)器，利用活性液晶材料的光電性質(zhì)控制其光學(xué)透過率，兩組成像系統(tǒng)分別獨(dú)立擁有自適應(yīng)液晶光線調(diào)節(jié)器，在同一光照條件下同時保證兩組圖像的曝光質(zhì)量。
【專利說明】一種雙波段高低分辨率協(xié)同目標(biāo)識別裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001]本發(fā)明涉及一種雙通道協(xié)同快速識別光學(xué)裝置，尤其涉及可見光高分辨率一近 紅外低分辨率協(xié)同光學(xué)成像裝置，屬于智能機(jī)器人視覺【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】：
[0002]機(jī)器快速識別技術(shù)在機(jī)器視覺中占據(jù)重要地位，也是智能機(jī)器人的核心技術(shù)，該 技術(shù)可迅速在視場范圍內(nèi)提取物體特征，與信息庫中的目標(biāo)物體特征快速匹配，并實(shí)現(xiàn)對 目標(biāo)物體的高質(zhì)量可持續(xù)觀測。目標(biāo)快速識別光學(xué)裝置被廣泛應(yīng)用于安全檢測系統(tǒng)、智能 機(jī)器人視覺系統(tǒng)、夜視系統(tǒng)與地面目標(biāo)追蹤系統(tǒng)等領(lǐng)域。
[0003]目前機(jī)器視覺系統(tǒng)采用的光學(xué)信號接收裝置為單一分辨率，并根據(jù)具體用途中需 要處理的光波波段，分為可見光機(jī)器視覺裝置與紅外機(jī)器視覺裝置，光學(xué)信號主要依靠系 統(tǒng)的數(shù)字圖像處理單元進(jìn)行運(yùn)算分析處理，對數(shù)字圖像處理單元的運(yùn)算能力依賴大。單一 分辨率使光學(xué)系統(tǒng)的后期信號處理受到約束，當(dāng)選用高分辨率成像探測器接收圖像信號 時，可以獲取目標(biāo)更多的有效特征，提高識別的準(zhǔn)確率，但與此同時會大大增加圖像處理系 統(tǒng)的運(yùn)算量，造成圖像信息的延時獲??；選用低分辨率成像探測器接收圖像信號則會相反， 圖像獲取速度提升，但圖像細(xì)節(jié)和特征獲取的精度降低。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0004]本發(fā)明提供了一種雙波段高低分辨率協(xié)同目標(biāo)識別裝置，模擬人眼視錐細(xì)胞與視 桿細(xì)胞的雙通道同步成像過程，實(shí)現(xiàn)了對同一目標(biāo)同一時刻輸出一個可見光高分辨率圖像 與一個近紅外光低分辨率圖像，其中可見光圖像主要負(fù)責(zé)對目標(biāo)物體的色彩與結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)獲 取，近紅外圖像主要負(fù)責(zé)物體的輪廓特征獲取，數(shù)字圖像處理單元優(yōu)先處理低分辨率近紅 外圖像中的物體輪廓特征，識別出目標(biāo)物體并實(shí)時切換至與低分辨率近紅外圖像標(biāo)定匹配 后的高分辨率可見光圖像，對目標(biāo)物體進(jìn)行高質(zhì)量細(xì)節(jié)觀測。對光學(xué)信號的處理不再單純 依賴后期運(yùn)算，而是在光學(xué)接收系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)預(yù)處理，減少了在識別目標(biāo)物體的過程中數(shù)字 圖像處理單元的數(shù)據(jù)計算量與系統(tǒng)對外界光線環(huán)境的依賴。本發(fā)明首次提出使用活性液晶 光電材料作為探測器的成像光強(qiáng)調(diào)節(jié)裝置，根據(jù)對加載在活性液晶材料上的電壓的控制調(diào) 節(jié)液晶材料的光學(xué)透過率大小，從而改變透過的光線強(qiáng)度。
[0005]本發(fā)明主要由兩組獨(dú)立自適應(yīng)液晶光線調(diào)節(jié)器、準(zhǔn)直全反射分光裝置、可見光高 分辨率成像系統(tǒng)、近紅外低分辨率成像系統(tǒng)與數(shù)字圖像處理單元五部分組成。自適應(yīng)液晶 光線調(diào)節(jié)器由感光器與活性液晶光電材料板組成，感光器可實(shí)時感應(yīng)外界光強(qiáng)，并將光強(qiáng) 值與自身預(yù)設(shè)的光強(qiáng)——電壓數(shù)據(jù)庫比對后產(chǎn)生反饋電壓信號，活性液晶光電材料的透過 率隨加載在其兩端反饋電壓信號的增大而降低，從而調(diào)節(jié)入射在光線探測器上的光強(qiáng)大 小，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)物體的成像曝光質(zhì)量調(diào)節(jié)；準(zhǔn)直全反射分光裝置包含一組準(zhǔn)直透鏡、一塊半 反半透鏡與兩塊全反射棱鏡，用于初次糾正像差、將入射光束進(jìn)行一次半反半透式分光，該 裝置使光束在傳播過程中保持為準(zhǔn)直光束并保證每次反射過程為全反射過程，使光學(xué)信號在傳播過程中產(chǎn)生的像差與光能損失達(dá)到最小；可見光高分辨率成像系統(tǒng)與近紅外低分辨 率成像系統(tǒng)用于再次糾正像差，并通過高分辨率可見光彩色成像探測器與低分辨率近紅外 成像探測器分別輸出可見光高分辨率圖像與近紅外低分辨率圖像的電壓信號，為提高成像 探測器接收到的光學(xué)信號質(zhì)量，兩套成像系統(tǒng)的成像透鏡組分別鍍有可見光增透光學(xué)薄膜 與近紅外增透光學(xué)薄膜；兩套成像系統(tǒng)分別獨(dú)立擁有自適應(yīng)液晶光線調(diào)節(jié)器，在同一光照 條件下同時保證兩組圖像的曝光質(zhì)量；可見光高分辨率成像系統(tǒng)所用光學(xué)探測器為高分辨 率可見光彩色成像探測器，其光譜響應(yīng)范圍為400nm至700nm，選用2048 X 2048px及以上的 高分辨率；近紅外低分辨率成像系統(tǒng)所用光學(xué)探測器為低分辨率近紅外成像探測器，其光 譜響應(yīng)范圍為700nm至1500nm，選用768 X 768px低分辨率；第一與第二片上系統(tǒng)（SOC)分 別驅(qū)動高分辨率可見光彩色成像探測器與低分辨率紅外成像探測器并接收圖像信號；半反 半透鏡將入射光束一分為二分別輸出到可見光高分辨率成像系統(tǒng)與近紅外低分辨率成像 系統(tǒng)，兩系統(tǒng)同時成像，協(xié)同工作，數(shù)字圖像處理單元優(yōu)先處理低分辨率近紅外圖像中的物 體輪廓特征，識別出目標(biāo)物體并實(shí)時切換至與低分辨率近紅外圖像標(biāo)定匹配后的高分辨率 可見光圖像，對目標(biāo)物體進(jìn)行高質(zhì)量細(xì)節(jié)觀測。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0006]圖I是雙波段高低分辨率協(xié)同目標(biāo)識別裝置的結(jié)構(gòu)示意圖
[0007]標(biāo)號說明：1、可見光感光器，2、第一活性液晶材料板,3、準(zhǔn)直透鏡組,4、全反射棱 鏡，5、半反半透鏡，6、可見光成像鍍膜透鏡組，7、高分辨率可見光彩色成像探測器，8、紅外 全反射鍍膜棱鏡，9、紅外成像鍍膜透鏡組，10、低分辨率紅外成像探測器，11、近紅外感光 器，12、第二活性液晶材料板，13、第一片上系統(tǒng)，14、第二片上系統(tǒng)，15、數(shù)字圖像處理單元。
[0008]圖2是活性液晶材料光學(xué)透過率隨外加電壓的變化曲線圖
【具體實(shí)施方式】
[0009]結(jié)合圖I詳細(xì)闡述本發(fā)明的參照實(shí)例，同時應(yīng)明確本發(fā)明并不僅限于此參考實(shí) 例。
[0010]如圖I所示的自適應(yīng)液晶光線調(diào)節(jié)器有兩個，分別為可見光自適應(yīng)液晶光線調(diào)節(jié) 器（可見光感光器I與第一活性液晶材料板2)與近紅外自適應(yīng)液晶光線調(diào)節(jié)器（近紅外感 光器11與第二活性液晶材料板12);可見光感光器I與近紅外感光器11分別預(yù)設(shè)可見光波 段曝光參數(shù)和紅外波段曝光參數(shù)，即各自的光強(qiáng)一電壓數(shù)據(jù)庫，每組感光器與活性液晶 材料板協(xié)同工作，感光器可實(shí)時感應(yīng)外界光強(qiáng)，得到的外界光強(qiáng)數(shù)據(jù)，并將其與各自預(yù)設(shè)的 數(shù)據(jù)庫相比對，產(chǎn)生反饋電壓信號，將活性液晶光電材料的光學(xué)透過率調(diào)節(jié)至最佳值，本參 照實(shí)例中電壓信號的設(shè)定范圍為OV至I. 5V，活性液晶材料光學(xué)透過率隨外界加載電壓的 變化如圖2所示，當(dāng)外加電壓低于I. 2V時，其光學(xué)透過率接近于100%，外加電壓在I. 2V至
I.4V之間時，活性液晶材料光學(xué)透過率隨電壓值的升高而不斷降低，當(dāng)外加電壓大于I. 4V 時，活性液晶材料光學(xué)透過率低于10%且不隨外加電壓的升高而繼續(xù)降低。根據(jù)活性液晶 材料板的這一光電性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)對其光學(xué)透過率大小的實(shí)時調(diào)節(jié)，使兩組成像曝光質(zhì)量保持 在最佳范圍。明視覺（即外界光線條件好，一般取10000尼特）時，本裝置的亮度適應(yīng)范圍 為200尼特至20000尼特，暗視覺（外界光線條件低于30尼特）時，本裝置的亮度適應(yīng)范圍為I尼特至200尼特；明暗光照條件適應(yīng)過程耗時為300毫秒。
[0011]分光裝置5采用半透半反式光學(xué)立方棱鏡，準(zhǔn)直光束與模塊組內(nèi)部的半反半透鏡 成45度夾角，垂直透射平行光束與水平反射平行光束分別用于可見光高分辨率與近紅外 低分辨率成像探測器成像。反射裝置8為近紅外全反射鍍膜棱鏡，具體操作為入射面與出 射面表面鍍有近紅外光學(xué)增透薄膜。兩組成像系統(tǒng)的光學(xué)透鏡組8和10在設(shè)計過程中保 證在兩塊成像探測器上成像區(qū)域?qū)?yīng)，保證系統(tǒng)的同軸性，在高低分辨率圖像信號切換時 易配準(zhǔn)。成像模塊7為可見光高分辨率成像探測器，其光譜響應(yīng)范圍為400nm至700nm，選 用2048X2048px及以上的高分辨率，成像模塊9為近紅外低分辨率成像探測器，其光譜響 應(yīng)范圍為700nm至1500nm，選用768 X 768px低分辨率。第一與第二片上系統(tǒng)負(fù)責(zé)分別驅(qū)動 高分辨率可見光彩色成像探測器與低分辨率紅外成像探測器，并分別接收兩個探測器輸出 的圖像信號，之后將圖像信號輸入數(shù)字圖像處理單元（如DSP處理器）。數(shù)字圖像處理單元 優(yōu)先處理低分辨率近紅外圖像中的物體輪廓特征，識別出目標(biāo)物體并實(shí)時切換至與低分辨 率近紅外圖像標(biāo)定匹配后的高分辨率可見光圖像，對目標(biāo)物體進(jìn)行高質(zhì)量細(xì)節(jié)觀測。
[0012]本實(shí)施例的光學(xué)系統(tǒng)第一透鏡組3中凹透鏡3-1直徑為24_，厚度為2. 5mm ;凸透 鏡3-2直徑為28mm，厚度為3mm ;凸透鏡3-3直徑為30mm，厚度為3mm ;準(zhǔn)直透鏡3-4直徑 為12mm,厚度為4mm ;第二透鏡組6為可見光成像透鏡組,其中凸透鏡6-1直徑為15mm,厚 度為3mm ;透鏡6-2直徑為12mm,厚度為3. 5mm ;第三透鏡組9為近紅外成像透鏡組,其中透 鏡9-1直徑為12mm，厚度為2. 7mm ;凸透鏡9-2直徑為14mm，厚度為3. 5mm ;透鏡9-3直徑我 12mm,厚度為3mm ;凹透鏡3-1與凸透鏡3-2之間距離為0. 5mm,凸透鏡3-2與凸透鏡3-3之 間距離為0. 5mm,凸透鏡3-3與準(zhǔn)直透鏡3_4之間距離為18mm，準(zhǔn)直透鏡3_4與全反射棱鏡 4相距20mm,全反射棱鏡4與半反半透立方棱鏡5相距42mm,半反半透立方棱鏡5與可見光 第一活性液晶材料板2之間距離為15mm，半反半透立方棱鏡5與全反射棱鏡8之間距離為 30mm，全反射棱鏡8與第二活性液晶材料板12之間距離為15mm，第一活性液晶材料板2與 透鏡6-1距離為10mm，透鏡6-1與透鏡6_2距離為0. 8mm,透鏡6_2與可見光高分辨率成像 探測器7之間的距離為12mm，第二活性液晶材料板12與透鏡9_1距離為12mm，透鏡9_1與 透鏡9-2距離為0. 6mm，透鏡9_2與透鏡9_3距離為0. 5mm，透鏡9_3與近紅外低分辨率成 像探測器9之間的距離為14mm ;可見光成像透鏡組的組合焦距為23. 36mm，可見光高分辨率 成像探測器7放置在可見光成像透鏡組的成像焦平面上；近紅外成像透鏡組的組合焦距為 25. 17_，近紅外低分辨率成像探測器9放置在近紅外成像透鏡組的成像焦平面上。
[0013]上述實(shí)施例闡述了發(fā)明目的、技術(shù)方案與具體優(yōu)勢，所應(yīng)理解的是以上所述僅為 本發(fā)明的具體實(shí)施例，用于解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡在本發(fā)明的精 神和原則之內(nèi)所做的任何修改、同等替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種雙波段高低分辨率協(xié)同目標(biāo)識別裝置，其特征為，包括兩組獨(dú)立自適應(yīng)液晶光 線調(diào)節(jié)器、準(zhǔn)直全反射分光裝置、可見光高分辨率成像系統(tǒng)、近紅外低分辨率成像系統(tǒng)與數(shù) 字圖像處理單元五部分。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的雙波段高低分辨率協(xié)同目標(biāo)識別裝置，其特征為，同一時刻 對同一目標(biāo)輸出一個高分辨率的彩色圖像信號與一個低分辨率的近紅外圖像信號，輸出的 兩個圖像信號協(xié)同工作，數(shù)字圖像處理單元優(yōu)先處理低分辨率近紅外圖像中的物體輪廓特 征，識別出目標(biāo)物體并實(shí)時切換至與低分辨率近紅外圖像標(biāo)定匹配后的高分辨率可見光圖 像，對目標(biāo)物體進(jìn)行高質(zhì)量細(xì)節(jié)觀測。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的雙波段高低分辨率協(xié)同目標(biāo)識別裝置，其特征為，所述 的自適應(yīng)液晶光線調(diào)節(jié)器由感光器與活性液晶光電材料板組成，感光器可實(shí)時感應(yīng)外界光 強(qiáng)，并將光強(qiáng)值與自身預(yù)設(shè)的光強(qiáng)——電壓數(shù)據(jù)庫比對后產(chǎn)生反饋電壓信號，活性液晶光 電材料的透過率隨加載在其兩端反饋電壓信號的增大而降低，從而調(diào)節(jié)入射在光線探測器 上的光強(qiáng)大小，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)物體的成像曝光質(zhì)量調(diào)節(jié)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的雙波段高低分辨率協(xié)同目標(biāo)識別裝置，其特征為，所述的 可見光高分辨率成像系統(tǒng)與近紅外低分辨率成像系統(tǒng)分別獨(dú)立擁有自適應(yīng)液晶光線調(diào)節(jié) 器，實(shí)現(xiàn)在同一光照條件下同時保證輸出的可見光圖像與近紅外圖像的成像曝光質(zhì)量。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的雙波段高低分辨率協(xié)同目標(biāo)識別裝置，其特征為，所述的 可見光高分辨率成像系統(tǒng)所用光學(xué)探測器為高分辨率可見光彩色成像探測器，其光譜響應(yīng) 范圍為400nm至700nm，選用2048 X 2048px及以上的高分辨率；近紅外低分辨率成像系統(tǒng) 所用光學(xué)探測器為低分辨率近紅外成像探測器，其光譜響應(yīng)范圍為700nm至1500nm，選用 768X768px低分辨率。
6.一種使用如權(quán)利要求I所述雙波段高低分辨率協(xié)同目標(biāo)識別裝置協(xié)同成像的方法， 其特征在于光束進(jìn)入裝置后，在半反半透立方棱鏡中進(jìn)行一次透反式分光，分出的兩束光 分別進(jìn)入可見光高分辨率成像系統(tǒng)與近紅外低分辨率成像系統(tǒng)，兩個自適應(yīng)液晶光線調(diào)節(jié) 器上的感光器感應(yīng)到入射光光強(qiáng)后得到光強(qiáng)信號，分別與各自預(yù)設(shè)的光強(qiáng)——電壓數(shù)據(jù)庫 比對，然后向活性液晶材料輸出電壓反饋信號，活性液晶光電材料板的光學(xué)透射率根據(jù)電 壓值的變化而改變，活性液晶材料的這一性質(zhì)將透射光線的光強(qiáng)調(diào)節(jié)至探測器的最佳響應(yīng) 范圍，兩個探測器接收到光信號后，分別向第一與第二片上系統(tǒng)（SOC)輸出高分辨率的彩 色圖像信號與低分辨率的近紅外圖像信號，片上系統(tǒng)接收到圖像信號后將其輸入數(shù)字圖像 處理單元，數(shù)字圖像處理單元優(yōu)先對低分辨率近紅外圖像中的物體快速篩選，識別出目標(biāo) 物體，并實(shí)時切換至高分辨率可見光圖像對目標(biāo)物體實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量觀測。
【文檔編號】G01B11/24GK103578097SQ201210264404
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2012年7月30日 優(yōu)先權(quán)日:2012年7月30日
【發(fā)明者】郭喜慶, 韓文欽, 孫鵬飛, 解官寶, 楊敬嫻, 唐亞軍 申請人:中國科學(xué)院光電研究院