一种过曝抑制成像的方法

1.本发明涉及相机成像技术领域，尤其涉及一种过曝抑制成像的方法。


背景技术：

2.对密闭管道内部成像时常需要进行补光，而异形管道内表面高反光特征及其内部自由变化的结构特征极易导致图像过曝，这直接影响对检测表面细节信息的完整获取，限制了检测效果。为减少高反光特性给表面细节成像时所带来的影响，shao w设计了一种基于dmd时空调制的自适应光学照明系统，该系统以数字微镜器件为像素级调光核心，并引入准直光源和均匀条纹算法，实现了对高反光圆柱体表面强反射光干扰的抑制。seulin r利用一种具有二进制荧光灯管的大型照明隧道，实现对镜面反射工件表面缺陷的检测；rosati g利用曲面先验信息来定制多平面反射镜辅助成像视觉系统，该系统利用背光效应来发现在白色涂层中显示为小黑点的缺陷，并通过多个平面反射镜反射多个不同曲率的表面，从而实现塑料涂层缺陷信息的突显；zhang z利用待成像表面三维数据的先验信息对多照明装置进行优化，利用图像融合技术实现了对固定视点但不同光源下序列图像的融合，并恢复了过曝光区域的信息。
3.虽然这些针对特定高反光对象的成像研究均取得了一定的效果，但到目前为止，绝大多数研究都是面向确定对象外表面成像，由于专门设计的照明装置比待成像目标体积更大，因此不适合在空间狭小的异形管道内工作，同时，这类专门设计的成像装置及其成像算法与成像对象间具有高耦合特性，对成像条件的改变适应性较差，无法用于具有自由成像条件的高反光管道内成像。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了解决现有技术中的成像装置及其成像算法对成像条件的改变适应性较差，无法用于具有自由成像条件的高反光管道内成像的难题。
5.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
6.一种过曝抑制成像装置，包括安装支架，所述安装支架中心处设置有安装槽，所述安装槽用于放置相机，还包括若干子光源组件，所述子光源组件环绕所述安装支架设置，所述子光源组件包括光源支臂及子光源，所述光源支臂一端转动设置在所述安装支架上，另外一端用于固定所述子光源。
7.优选的，所述安装支架上设置有若干光强传感器，所述光强传感器用于检测所述安装支架上各点位的光源强度。
8.优选的，所述子光源组件沿所述安装支架外周圆周阵列设置。
9.优选的，所述安装支架的侧边设置有限位板，每侧所述限位板成对设置，所述光源支臂的其中一端设置有限位轴，所述限位轴转动设置在所述限位板上。
10.本技术还提供了一种过曝抑制成像装置的动态照明方法，包含以下步骤：
11.s1：利用各光源单独提供照明，根据光强传感器反馈的反光强度调整各光源照明
强度，使各光源下反光强度保持一致后进行预成像；
12.s2：计算每一位置光源照明下所呈图像的反光情况，获得各光源照明效果的先验信息；
13.s3：根据先验信息，选择不产生高反光问题的光源进行照明；
14.s4：若单光源可以避免高反光过曝情况时，则选择响应的光源i进行照明补光；
15.s5：若各光源单独照明都无法避免高反光情况，则在两不同光源(光源m，光源n)独立照明下分别成像。
16.优选的，所述s4中的决策公式为：
17.size(ii)＝0,stddev(ii)＝min(stddev(ij))
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)；
18.上述公式中，ii表示光源i补光时所得图像；size(ii)表示图像ii中过曝区域面积，stddev(ii)表示图像ii的整体标准差。
19.优选的，所述s5中选取的双光源m，n的组合照明方案进行补光，决策方程式可以表示为：
20.lc＝max(ko×
osr(xm,xn)+km×
msr(xm,xn))
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)；
21.上述公式中，lc(light combination)为决策的光源组合，osr为光斑总体强度，表征两光源下成像的总体高反光情况，msr为光斑重合强度表征两光源下的光斑重合情况，ko与km分别为决策系统中osr与msr权重，ko+km＝1。
22.优选的，所述
23.所述
24.其中：α和β分别为对两光斑进行“与操作(size
and
(xm,xn))”和“或操作 (size
or
(xm,xn))后”归一化的总光斑面积以及重合光斑面积，
25.其中，
26.kα、kβ分别为光斑总面积惩罚系数与重合光斑面积惩罚系数，惩罚系数越大，则α，β的增大对总体决策结果的衰减作用越强烈，size
img
为图像大小。
27.与现有技术相比，本技术具有以下有益效果：
28.1.与成像表面形貌及成像算法间耦合性低，自适应性好：所发明的光源或光源组合决策方法利用预成像信息进行决策，每次决策均根据反光情况进行决策，不因表面形貌或表面特征的改变而丧失有效性，该方法不与特定的表面形状或光照条件耦合，在各类成像条件均具有良好的适应性。
29.2.装置体积小，可用于内部高反光表面成像：照明装置可根据需求自由设定，其设定结果与决策算法不具有强耦合，故可设定为较小体积并用于物体内部高反光表面的照明成像。
30.3.光强反馈控制，成像稳定性好：考虑相机感光参数，利用光强反馈进行子光源调光，以保证每一光源对最终曝光的影响具有一致性，使成像效果稳定。
附图说明
31.图1为本发明一实施方式中过曝抑制成像装置的结构示意图；
32.图2为本发明一实施方式中过曝抑制成像装置多方位照明光源及四方位照明光源的展示示意图，图中，(a)为多方位照明光源、(b)为四方位照明光源；
33.图3为本发明一实施方式中过曝抑制流程示意图；
34.图4为本发明一实施方式中子光源强度控制流程图；
35.图5为本发明一实施方式中高反光情况示意图；
36.图6为本发明一实施方式中决策分类示意图。
37.图例说明：
38.1、安装支架；11、安装槽；12、限位板；13、光强传感器；2、子光源组件；21、子光源；22、光源支臂。
具体实施方式
39.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合具体实施例，对本发明作进一步地详细说明。
40.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开说明书的具体实施例的限制。
41.请参阅图1和图2，本技术提供了一种过曝抑制成像装置，包括安装支架1 及若干子光源组件2及控制装置3，所述安装支架1用于放置相机，所述子光源组件2可调节设置在所述安装支架1上，所述控制装置3与所述安装支架1相对固定，并与所述子光源组件2及安装支架1中的相机电连接设置。
42.请参阅图1，在一实施方式中，所述安装支架1大致呈长方体设置，所述安装支架1中心处设置有安装槽11，所述安装槽11用于放置相机，所述安装支架 1的四周侧边分别设置有限位板12，每侧所述限位板12成对设置，用于固定子光源21。在一实施方式中，所述安装支架1上设置有若干光强传感器13，用于检测所述安装支架1上各点位的光源强度。
43.请参阅图1，在一实施方式中，所述子光源组件2设置有四个，每一所述子光源组件2包括子光源21及光源支臂22，所述光源支臂22一端固定在所述安装支架1的周侧，所述光源支臂22的另外一端与所述子光源21固定设置，在一实施方式中，所述光源支臂22指向所述安装支架1一端设置有限位轴，所述光源支臂22与所述限位轴固定设置，所述限位轴沿自身轴线转动设置在两个所述限位板12之间。在一实施方式中，其中，每个子光源21按照以相机为极点的极坐标系进行定位，请参阅图2(a)中子光源第一个i为子光源编号，i∈(1-n)，n为总光源数量，θ分别为其在极坐标系中的极距和极角。子光源21极距与极角按照实际需要进行定义，原理上极距应尽量大，同时极角保持均匀等大以满足其中至少两光源所产生的过曝光斑不重合。
44.同时，设定1至多个光强度传感器以获取光照强度，或直接利用摄像头采集图像感知环境光强水平，根据光强反馈数据，控制每一子光源21单独照明时反馈光强保持一致，以使各光源对最终成像影响保持稳定，并在各子光源21下分别控制相机iso、光圈值、快门时间等感光参数保持一致后进行预成像或正式成像。
45.在其他实施方式中，所述安装支架1可以设置为多边形，所述子光源组件2 可以根据需求进行增减，并且，所述子光源组件2沿所述安装支架1的外周圆周阵列设置。
46.请参阅图3和图4，本技术还提供了一种过曝抑制成像装置的动态照明方法，使用上述所述的过曝抑制成像装置，包含以下步骤：
47.s1：利用各光源单独提供照明，并预成像；
48.s2：计算每一位置光源照明下所呈图像的反光情况，获得各光源照明效果的先验信息；
49.s3：根据先验信息，选择不产生高反光问题的光源进行照明；
50.s4：若单光源可以避免高反光过曝情况时，则选择响应的光源i进行照明补光，决策公式为：
51.size(ii)＝0,stddev(ii)＝min(stddev(ij))
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(1)
52.ii表示光源i补光时所得图像；size(ii)表示图像ii中过曝区域面积，stddev(ii) 表示图像ii的整体标准差；
53.s5：若各光源单独照明都无法避免高反光情况，则在两不同光源独立照明下分别成像；
54.若无法避免成像中的高反光过曝情况，则选取双光源m，n的组合照明方案进行补光，决策方程式可以表示为：
55.lc＝max(ko×
osr(xm,xn)+km×
msr(xm,xn))
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
56.lc(light combination)为决策的光源组合，决策公式的决策结果lc数值越大，则预示最终成像效果越好，osr为光斑总体强度，表征两光源下成像的总体高反光情况，msr为光斑重合强度表征两光源下的光斑重合情况，ko与km分别为决策系统中osr与msr权重，ko+km＝1。
57.所述光斑总体强度所述光斑重合强度
58.其中：α和β分别为对两光斑进行与操作(size
and
(xm,xn))和或操作 (size
or
(xm,xn))后归一化的总光斑面积以及重合光斑面积，
59.kα、kβ分别为光斑总面积惩罚系数与重合光斑面积惩罚系数，惩罚系数越大，则α，β的增大对总体决策结果的衰减作用越强烈，size
img
为图像大小。
60.s6：利用所成图像件的互补信息通过融合的方式抑制高反光的影响。
61.以下结合具体实施例对本技术进行阐述。
62.首先，请参阅图5，不同光源特定如a-1、a-2、b是由相对位置关系固定的相机与小型光源组成的照明成像系统，c-l1、c-l2是非固定照明的成像系统。自由表面的反光问题主要是由自由曲面表面特征结构、相机位姿以及光源位姿三个因素耦合的结果，其反光类型会因三个条件的不同而呈现出明场前向照明 (高反光)或暗场前向照明(非高反光)类型，如图5中在相同视点位置a的不同相机姿态a-1、a-2下，或面向同一区域但不同相机位姿的
a-2与b条件下。即使在同一相机位姿c下，照明条件l1、l2不同时，其成像效果又分别表现为非高反光的c-l1与高反光类型的c-l2；此外，不同的曲面特点与光照条件，也可以产生类型一致高反光成像，这种在成像条件自由变化，反光因素相互影响的条件下抑制高反光并成像，就要求成像系统在面对不同的反光情况时采取不同的照明方案以适应各种不同的条件变化。
63.请参阅图6，根据所提出的过曝抑制算法，以四子光源为例：
64.情况a：请参阅图6(a)，当预成像中有光源r不产生过曝光斑，则选取此光源r为决策光源并进行成像。
65.情况b：请参阅图6(b)，当预成像图像均出现过曝光斑，则选取造成光斑距离较远且总面积尽量小的两光源t与l作为决策组合，分别在决策组合光源下进行照明并成像，并在融合后实现对过曝光斑的抑制。
66.(2)本发明中照明决策示例如下：
67.条件a：若单光源可以避免高反光过曝情况时，则选择相应的光源i(i,j∈ {1,2,3,4})进行照明补光；决策公式可以表示为：
68.size(ii)＝0,stddev(ii)＝min(stddev(ij))
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(1)
69.条件b：若无法避免成像中的高反光过曝情况，则选取双光源m，n(m，n ∈{t,b,l,r})的组合照明方案进行补光，决策方程式可以表示
70.lc＝max(ko×
osr(xm,xn)+km×
msr(xm,xn))
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
71.其中ii表示光源i补光时所得图像；size(ii)表示图像ii中过曝区域面积，1/2/3/4 分别表示light t、light b、light l、light r；stddev(ii)表示图像ii的整体标准差；公式(2)中lc(light combination)为决策的光源组合，
72.光斑总体强度表征两光源下成像的总体高反光情况，采用光斑重合强度表征两光源下的光斑重合情况，其中：α和β分别为对两光斑进行与操作(size
and
(xm,xn)) 和或操作(size
or
(xm,xn))后归一化的总光斑面积以及重合光斑面积，
73.式中，ko与km分别为决策系统中osr与msr权重，ko+km＝1，kα、kβ分别为光斑总面积惩罚系数与重合光斑面积惩罚系数，惩罚系数越大，则α，β的增大对总体决策结果的衰减作用越强烈，size
img
为图像大小。决策公式的决策结果lc数值越大，则预示最终成像效果越好，该公式的重要作用是在光斑重合尽量小的情况下选取具有最小总光斑面积的两个光源进行照明并成像。
74.通过上述决策所得到的序列图像，在融合后可以获得当前视点下对高反光抑制效果最佳的图像，其融合方法主要为利用两过曝图像间的冗余信息进行过曝光区域信息的恢复，如在小波域下通过保留两过曝图像间的低水平分量进行去过曝融合。
75.此外，通过多方位子光源分别进行照明后预成像，对预成像图像进行图像处理以获取先验信息，决策单光源或多个(大于等于二)子光源组合，并在光源组合下进行组合内单独照明成像，在成像后利用图像间冗余信息进行融合以抑制过曝光的方法及装置，都应
视为本发明的一部分。
76.以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围。