专利名称：非后向反射牌照成像系统的制作方法
非后向反射牌照成像系统背景存在可捕获和认出牌照的成像系统。现有系统已设计成捕获后向反射牌照的图 像。前述牌照已制造成反射高比例的光以使它们在夜间更明显。因此，许多州均使用后向 反射牌照。后面的牌照通常可从足够近的警察巡逻车在车头灯的照明下读取。现有监视系 统已比此前进了一步，且已使用红外照明来实现目标汽车的前牌照的读取，尽管存在来自 汽车自身的车头灯或刹车灯的干扰灯光。在困难的照明条件下，先前可用的监视系统已不能始终如一地捕获快速移动的非 后向反射物体的高清晰度、高对比度且不模糊的图像。在世界上的许多地方，牌照没有后向反射特性。这导致很难获得足够高质量的图 像用于字母数字数据分析。由于非后向反射表面相较后向反射表面仅反射回二十分之一的 光，因此很难在宽范围情况下获得适当的曝光。还有大量着色表面如航运集装箱和卡车不 具有后向反射特性。在港口和路面上的许多应用可受益于摄像机技术，其能够在困难的环 境光条件下捕获这些表面上的标识的高质量图像。另外，除了读取牌照信息之外，对非后向 反射表面的图像进行拍照的能力也有助于摄像机捕获驾驶员和/或汽车里面的人的图像 的能力。由于违章可追溯到具体个人，该能力可增强交通摄像机的有效性。捕获非后向反射牌照的图像存在许多难题。由于少得多的场景光被反射回摄像 机，因此必须捕获该光的更多部分以获得适当的图像。传统上这要求较慢的快门速度，导致 图像模糊及增大包括车头灯光和日光的环境光对场景的干扰。由于摄像机快门打开期间牌 照的位移，以高于20kph的速度移动的汽车展现已知为高速模糊的影响。减少快门曝光时 间将使高速模糊的影响最小化，但也增加了所需要的场景光强度，因为现在只有更少的时 间来收集可用数量的光子用于视频帧。另一问题在于为将场景光强度增加到所需水平而需 要的更亮的照明闯入并损伤人眼。这些急待解决的问题很重要且已阻碍用于安全和商业应 用的关键成像技术的发展。先前的汽车成像系统特征在于在透镜上放置未达最佳标准的滤光片，其阻碍系统 精简、不经济地利用高质量带通滤光技术、及在快速移动的非后向反射表面的颜色信息方 面提供很差的结果。
发明内容
该用于非后向反射牌照的高对比度成像的红外照明器和摄像机系统可在从完全 漆黑到任何角度的直接迎面而来的车头灯光或明亮日光的照明条件下工作，即使以超过 lOOmph的速度移动时也可捕获汽车及其牌照的清晰图像。高质量窄带通滤光片直接安装在 CCD感应器上以减少环境光进入。由于滤光片安装在CCD上而不是透镜上，可使用更小的、 不太昂贵的滤光片，从而降低成本但不降低质量。高的透镜孔径设置和快速轮换快门速度 增大景深并减少高速目标的图像的拖尾效应。高功率输出红外LED比通常情况多传送三到 四倍的照明，且其工作循环与摄像机同步以达到灵活系统配置的可见度阈值。本发明通过利用多个特征的组合进行工作，以克服在获得高速移动的后向反射和
4非后向反射物体的高分辨率、不模糊图像时的固有极端难题。本发明结合经来自高功率 LED照明器的快速脉冲调制LED照明进行短暂滤光以减少明亮的光照照在人眼上；IR敏感 摄像机，具有可控3级不同摄像机设置变化的快门和增益循环，以捕获正确的场景光量同 时使高速模糊最小化；使用直接放在CCD感应器上的高透射窄带通滤光片进行光谱滤光， 以基于对孔径设置的最佳配置进行RS-232串行控制而减少超出摄像机配置调节能力的 环境光的变形影响；透镜配置；摄像机快门曝光，包括轮换快门以在单一摄像机结构中捕 获牌照变化(即捕获后向反射和非后向反射牌照及不同亮度和对比度的牌照)；摄像机增 益设置；为产生所需视频信号水平指定的目标功率；及针对具体图像目标距离选择的照明 场。作为新颖的方案，本发明的成像系统可产生宽范围的后向反射和非后向反射表面 的高清晰度、高对比度图像，前述表面包括汽车牌照、ISO航运集装箱、及在防护板上具有用 于运动系统称重的DOT ID号的运输卡车。本发明可在从完全漆黑到明亮日光的所有照明 条件下工作。本发明的用于捕获非后向反射高速表面的高对比度、低拖尾图像的监视系统包 括a)照明器控制模块，控制发射窄谱波长的光的发光二极管的照明器；b)对至少覆盖所述窄谱的范围中的光能敏感的电子图像感应器；c)用于电子图像感应器对进入的光进行聚焦的透镜；d)透镜孔径控制模块，使能针对透镜光圈选择孔径设置；e)快门速度控制模块，使能针对电子图像感应器选择快门速度设置；及f)通过具有窄谱内的波长的光及阻止该范围之外的光的带通滤光片；其中快门速度控制模块可在一系列快门速度内针对电子图像感应器设定快门速 度，及可向电子图像感应器提供与来自照明器的光能脉冲同步的开孔短暂滤光。快门速度控制模块可在一系列快门速度和增益内针对电子图像感应器设定曝光， 及可向电子图像感应器提供与来自照明器的光能脉冲同步的开孔短暂滤光。在最佳实施例中，监视系统具有a)照明器控制模块，控制具有820和880纳米之间的波长范围的最高光能发射的 窄谱发光二极管的高功率照明器；b)对400和1000纳米之间的波长的光能敏感的电子图像感应器；c)针对电子图像感应器具有F8到F12范围的快速孔径设置的透镜孔径控制模 块；d)针对电子图像感应器具有从1/500秒到1/10000秒范围的快速快门速度及 0-12dB的增益的快门速度控制模块；及快门速度控制模块可在一系列快门速度和增益内针对电子图像感应器轮换快 门速度和增益，每一快门速度具有实质上与来自照明器的光能脉冲同步的开孔持续时间。带通滤光片元件应具有与窄谱发光二极管发射的光频率实质上匹配的陷波频率。 对于带通滤光片，下述特征有利a)关于最高透光波长和半功率/半透射波长与照明器实质上匹配；b)比透镜小且直接安装在光感应器之上；
c)在滤光片中心部分在指定波长允许大于90%的透射，及在大于30nm的波长的 透射小于指定波长时的50% ；d)经光学环氧树脂或双面胶粘带直接安装到CCD。本发明系统的最佳实施例的进一步的细节包括a)默认快门速度为1/1000秒，及根据环境光条件自动调节为更短；b)发光二极管具有与图像感应器的开孔持续时间实质上同步的工作循环；c)用于电子图像感应器的快门速度控制模块提供从1/500秒到1/10000秒范围的 快速快门速度。即使后向反射和非后向反射快速移动牌照上的微小细节如非后向反射州及保险 细节均可用该系统捕获。类似地，可捕获非后向反射细节如驾驶员和乘客的脸，用于为识别 目的处理HOV道中的汽车的多个乘客及其面部特征。牌照类型或表面类型的变化可用单一摄像机结构经轮换曝光进行捕获。通常，快 门和增益通过三种不同的设置循环以去除多余的光，及应获得最佳图像分辨率以进行数据 分析。来自摄像机外壳内的共用窗口的照明器闪回的光干扰由包围摄像机透镜的环阻 挡。本发明系统可经先进的串行控制手动或通过软件自动进行远程配置。本发明系统在低和高环境光条件下均可工作。比现有监视系统中的典型功率高的 红外照明按需添加到场景以改善从非后向反射表面的图像捕获。较高功率的照明通过使 LED电源吸热部件具有C形支架板而使能，及单独的LED照明器吸热部件C形支架板适于在 压力下滑入系统的吸热部件外壳。
图1为本发明系统的主要特征的示意图。图2为整个系统的立体图。图3A为传统牌照成像系统捕获的非后向反射前牌照和汽车图像的的图示。图3B为本发明成像系统捕获的非后向反射前牌照和汽车图像的的图示。图4A为传统牌照成像系统捕获的非后向反射后牌照和汽车图像的的图示。图4B为本发明成像系统捕获的非后向反射后牌照和汽车图像的的图示。图5A为传统牌照成像系统捕获的航运集装箱号的图示。图5B为本发明成像系统捕获的航运集装箱号的图示。图6A为摄像机系统的组成的侧向透视图，其中传统滤光片放在摄像机透镜之上。图6B为本发明系统的组成的侧向透视图，其表明小的带通陷波滤光片直接放在 CXD图像感应器之上。
具体实施例方式本发明提供捕获字母数字或符号标识符的图像的红外LED照明器和摄像机控制 系统。例如，反射和非反射汽车牌照及货物集装箱标识符的高对比度图像均可捕获。本发明 系统在所有环境光条件下工作，从明亮的日光、到弱光、到黑暗、到零环境光。所捕获的牌照 字母和数字组合的图像可远程查看或用光学特征识别计算机硬件和软件转换为文本格式。
6之后，处理后的数据可与列出牌照号的数据文件进行比较以提供关于汽车拥有者的进一步 的信息。关于是否允许汽车通过入口点或是否采取其它行动可快速做出决定。本发明系统 使用增强灵敏度的红外(IR)摄像机，与脉冲调制红外LED照明器同步，其控制采样以使夜 间捕获清晰度最大化，及设定快门速度以捕获快速移动的汽车的清楚牌照图像，即使当车 头灯干扰人观察牌照时亦没关系。捕获设备上的光学和电子过滤器仅通过在照明器范围中 的红外波长，从而减少该范围之外的环境光。滤光防止夜间因车头灯或日间因来自太阳的 反射眩光引起的图像拖尾和感应器过载。这两种情况均使输入图像质量降级到所捕获图像 不能转换为有意义数据的点。图1示出了红外图像捕获装置10，包括红外照明器12、捕获装置14、控制定时器 40、及代表性物体26。照明器12包括LED阵列16、滤光板18、及IR输出窗口 20。捕获装 置14包括IR窗口 30、带通滤光片32、透镜34、及摄像机36。带通滤光片32和透镜34的 位置可颠倒。控制定时器40在照明器12和捕获装置14之间运行。物体26被示为由来自 IR照明器12的IR输出22及任何环境光源24照明，及其反射光28由捕获装置14接收。图1还借助于曲线A-D示出了装置10的四级输出。曲线A示出了来自LED阵列 16的波长输出强度。曲线B示出了 IR窗口 30通过的波长。曲线C示出了带通滤光32之 后的波长输出。曲线D示出了控制定时器40怎样使摄像机36快门打开与LED阵列16脉 动同步。最后，摄像机36提供图像输出38，在此示为代表性物体26的复制，且其适于光学 特征识别及进一步的图像处理。现在将描述图1中的每一元件的功能和交互作用。LED阵列16为多个电连接的红外发光二极管(LED)，由控制定时器40打开。控制 定时器40还使LED阵列16的脉动与摄像机36的快门打开同步。如曲线D所示，当摄像机 36的快门打开时，LED阵列16脉动。来自LED阵列16的光为在850nm出现峰值的均勻输出(见曲线A)，之后其通过滤 光板18，滤光板将该光发散(散布或散射)为适合来自IR输出窗口 20的最大照明的具体 图案，其中IR输出窗口产生有效的850nm IR光。照明器12将其IR输出22照在物体上， 物体可以是后向反射或非后向反射牌照或货物集装箱侧壁标识符或类似的机器可读信息。 物体26还由来自太阳、汽车头灯、高空照明、街灯等的环境光24照明。IR输出22和环境光 24结合到来自物体26的反射光28内，然后返回到捕获装置14。进入捕获装置14的光通过IR窗口 30，其仅允许大于700nm的波长(参见曲线B)。 光由带通陷波滤光片32进一步处理，如曲线C所示。只有过滤到+/-30nm的850nm IR光 被允许通过透镜34并进入摄像机36。摄像机36具有固定孔径，其限制由图像输出装置38 接收多少光。摄像机36还具有固定快门或有限自动曝光的快门以控制曝光。来自摄像机 的输出去到图像输出装置38，其可以是数字或电子图像捕获电路的任何装置，如电荷耦合 装置等。牌照的副本被示为输出，其由OCR读出器看见。参考图2，示出了非后向反射牌照成像系统的立体概图，具有红外照明器12和图 像捕获装置14。红外照明器12经支撑202附着到柱201上。其IR输出窗口和内部构件用 保护性外罩203遮护。类似地，摄像机14具有保护性外罩204，其保护IR窗口 30。本发明 系统很紧凑，及红外照明器12和图像捕获装置14可经球形支座205调节到最佳角度以采 集目标图像。
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参考图3A，示出了传统牌照成像系统捕获的非后向反射前牌照301和汽车图像 305的图示。如车头灯303发出的眩光导致模糊的牌照图像301。相反，参考图3B，更高质 量的汽车图像306由本发明系统捕获，没有看得见的来自车头灯304的眩光，及捕获清楚且 容易确认的牌照图像302。参考图4A，示出了传统牌照成像系统捕获的非后向反射后牌照401和汽车图像 405的图示。如刹车灯403发出的眩光导致模糊的牌照图像401。相反，参考图4B，更高质 量的汽车图像406由本发明系统捕获，没有看得见的来自刹车灯404的眩光，及捕获清楚且 容易确认的牌照图像402。参考图5A，示出了传统牌照成像系统捕获的航运集装箱503及其识别号501的图 示。号501因阴影而部分模糊，及图像质量因来自太阳的眩光而降低。相反，图5B示出了 本发明成像系统捕获的航运集装箱的图示。没有太阳眩光，及在502处的序号清楚且可从 图像容易读取。本发明系统将以非常好的高对比度示出图像中的细节，包括集装箱两侧上 典型的人造褶皱(504)甚至502周围的三角形、矩形或其它数字徽章。参考图6A，示出了图像捕获系统的组件安排的侧向透视图，其中滤光片601放在 透镜603的前面，透镜603朝向CXD 605弯曲光。滤光片601允许由短线如608指示的所需 波长的光进入，同时阻止由长线如607指示的不合需要的波长的光进入。该安排的主要缺 点在于滤光片601必须足够大以覆盖透镜603，这要求更稀有和昂贵的材料及更多的空间。 相反，图6B示出了本发明系统的安排，其中透镜604允许由线609和610指示的所有波长 的光通过，其中由长线如609指示的不合需要的波长之后由小的带通陷波滤光片602滤光， 带通陷波滤光片直接放在CCD图像感应器606之上。该安排节省贵重的滤光材料和空间， 从而使能更小的、成本更合算的、及更有效率的系统设计。非后向反射牌照成像系统的上述特征的组合，包括其快门、脉冲调制和摄像机增 益设置的可自动调节控制、其异常高质量的窄带通滤光技术、及其新颖的系统组件安排，在 变化很大的照明和环境条件下产生变化或混合类型表面的异常高质量的成像。优化本发明 系统以传送极好的图像，该图像为服务于目前的与信息有关的商业、管理和安全应用的信 息系统提供关键数据。备选实施方式包括使用照明和匹配不同于850nm中心点的滤光片波长，例如红外 波长中的940nm、880nm或730nm，或可见光波长如660nm、550nm及其它波长。不同的默认透 镜孔径设置可用于不同标准的照明条件和成像应用。在不背离本发明的精神或实质特征的情况下，本发明可体现为其它具体形式及具 有另外的选择和附件。因此，在此公开的实施方式在各个方面均应视为说明性而非限制性 的实施方式，本发明的范围由所附权利要求而非前面的描述指示，因此，在权利要求的含意 和等效范围内的所有变化均包含在其中。
权利要求
用于捕获非后向反射高速表面的高对比度、低拖尾图像的监视系统包括a)照明器控制模块，控制发射窄谱波长的光的发光二极管的照明器；b)对至少覆盖所述窄谱的范围中的光能敏感的电子图像感应器；c)用于所述电子图像感应器对进入的光进行聚焦的透镜；d)使能针对透镜光圈选择孔径设置的透镜孔径控制模块；e)使能针对电子图像感应器选择快门速度设置的快门速度控制模块；及f)通过具有所述窄谱内的波长的光及阻止所述窄谱范围之外的光的带通滤光片；其中快门速度控制模块可在一系列快门速度内针对电子图像感应器设定快门速度，及可向电子图像感应器提供与来自照明器的光能脉冲同步的开孔短暂滤光。
2.根据权利要求1的监视系统，其中所述带通滤光片关于最高透光波长和半功率/半 透射波长与所述照明器匹配。
3.根据权利要求1的监视系统，其中默认快门速度为1/1000秒，及所述快门速度根据 环境光条件自动调节为更短。
4.根据权利要求1的监视系统，其中所述带通滤光片具有与窄谱发光二极管发射的光 频率匹配的陷波频率。
5.根据权利要求1的监视系统，其中所述带通滤光片比透镜小且直接安装在光感应器 之上。
6.根据权利要求1的监视系统，其中发光二极管具有与图像感应器的开孔持续时间同 步的工作循环。
7.根据权利要求1的监视系统，其中快门速度和增益在给出图像选择的范围内轮换， 可从该图像选择最佳分辨率图像进行图像数据处理。
8.根据权利要求6的监视系统，其中用于电子图像感应器的快门速度控制模块提供从 1/500秒到1/10000秒范围的快速快门速度。
9.根据权利要求1的监视系统，还包括用于系统调节的远程串行控制。
10.根据权利要求1的监视系统，其中所述照明器峰值光谱为820到880纳米的脉冲调 制红外照明。
11.根据权利要求1的监视系统，其中所述照明器发射光谱在820到880纳米内的脉冲 调制红外照明。
12.根据权利要求1的监视系统，其中所述短暂滤光与lOOOuSLED脉冲调制同步。
13.根据权利要求1的监视系统，其中所述带通滤光片在滤光片中心部分在指定波长 允许大于90%的透射，及在大于30nm的波长的透射小于指定波长时的50%。
14.根据权利要求1的监视系统，其中所述系统经远程控制模块校准和优化以从快速 移动的非后向反射汽车牌照捕获无拖尾、高对比度、字母数字图像。
15.根据权利要求1的监视系统，其中所述系统经远程控制模块校准和优化以从远处 的航运集装箱捕获无拖尾、高对比度、字母数字图像。
16.根据权利要求1的监视系统，具有a)照明器控制模块，控制具有820和880纳米之间的波长范围的最高光能发射的窄谱 发光二极管的高功率照明器；b)对400和1000纳米之间的波长的光能敏感的电子图像感应器；c)针对光学透镜，具有F8到F12范围的快速孔径设置的透镜孔径控制模块；d)针对电子图像感应器具有从1/500秒到1/10000秒范围的快速快门速度的快门速度 控制模块；其中所述快门速度控制模块可在一系列快门速度内针对电子图像感应器轮换快门速 度，每一快门速度具有与来自照明器的光能脉冲同步的开孔持续时间。
17.根据权利要求1的监视系统，其中所述带通滤光片a)关于最高透光波长和半功率/半透射波长与照明器匹配；b)比透镜小且直接安装在光感应器之上；c)在滤光片中心部分在指定波长允许大于90%的透射，及在大于30nm的波长的透射 小于指定波长时的50%。
18.根据权利要求1的监视系统，其中a)默认快门速度为1/1000秒，及根据环境光条件自动调节为更短；b)发光二极管具有与图像感应器的开孔持续时间同步的工作循环；c)用于电子图像感应器的快门速度控制模块提供从1/500秒到1/10000秒范围的快速 快门速度。
19.根据权利要求16的监视系统，其中a)所述带通滤光片关于最高透光波长和半功率/半透射波长与照明器匹配；b)所述带通滤光片比透镜小且直接安装在光感应器之上；c)所述带通滤光片具有与窄谱发光二极管发射的光频率匹配的陷波频率；d)所述带通滤光片在滤光片中心部分在指定波长允许大于90%的透射，及在大于 30nm的波长的透射小于指定波长时的50% ；e)默认快门速度为1/1000秒，及根据环境光条件自动调节为更快或更慢；f)发光二极管具有与图像感应器的开孔持续时间同步的工作循环；g)快门速度在给出图像选择的范围内轮换，从该图像可选择最佳分辨率图像进行图像 数据处理；h)用于电子图像感应器的快门速度控制模块提供从1/500秒到1/10000秒范围的快速 快门速度；i)所述系统经远程控制模块校准和优化以从快速移动的非后向反射汽车牌照捕获无 拖尾、高对比度、字母数字图像。
全文摘要
本发明公开了用于非后向反射牌照的高对比度成像的红外照明器和摄像机系统，其利用经脉冲调制LED照明进行短暂滤光、使用直接放在CCD感应器上的高透射窄带通滤光片进行光谱滤光、及具有可调计算机控制设置的IR敏感摄像机的组合产生宽范围的后向反射和非后向反射表面的高清晰度、高对比度图像，所述表面包括汽车牌照、ISO航运集装箱、及在防护板上具有用于运动系统称重的DOTID号的运输卡车。本发明可在从完全漆黑到明亮日光的所有照明条件下工作。
文档编号G08G1/017GK101919246SQ200780100190
公开日2010年12月15日 申请日期2007年8月8日 优先权日2007年8月8日
发明者托尼·迈耶, 斯蒂芬·朱, 马克·弗农 申请人:托尼·迈耶;马克·弗农;斯蒂芬·朱