數字微鏡陣列編碼閃光三維成像方法及裝置製造方法
2023-09-23 18:35:30 2
數字微鏡陣列編碼閃光三維成像方法及裝置製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種數字微鏡陣列編碼閃光三維成像裝置及方法。所述裝置包括：計算機；中心控制器生成編碼閃光工作時序；脈衝雷射器產生雷射脈衝；照明鏡頭視場內的成像目標進行照明；成像鏡頭收集所述成像目標經過所述雷射脈衝照射後形成的目標回波信號；選通快門採集目標回波信號並放大；整形透鏡將所述選通快門放大後的目標回波信號進行光學整形後耦合至數字微鏡陣列；數字微鏡陣列將所述目標回波信號的一部分反射至耦合透鏡，將其餘部分將所述目標回波信號反射至吸光板；耦合透鏡將數字微鏡陣列反射的目標回波信號進行整形，並耦合至圖像傳感器；圖像傳感器根據所接收到的目標回波信號成像；吸光板吸收照射至其上的目標回波信號。
【專利說明】數字微鏡陣列編碼閃光三維成像方法及裝置
【技術領域】
[0001]本發明屬於三維成像【技術領域】，具體涉及一種數字微鏡陣列編碼閃光三維成像方法及裝置。
【背景技術】
[0002]遠距離、快速三維成像在航天交會對接、避障導航、飛彈制導以及複雜環境下動目標探測及識別等領域具有重要意義和廣泛的應用前景。
[0003]目前遠距離、快速三維成像的典型代表技術是三維閃光雷射成像雷達(FlashLidar)，該技術採用脈衝雷射器作為照明光源，採用雪崩光電二極體(APD)陣列作為探測器，並配以高速的讀出集成電路，工作時，脈衝雷射器發射一個雷射脈衝後，每個APD單元利用讀出集成電路可記錄雷射脈衝經目標反射後形成的回波信號的強度以及時延信息，進而利用時延信息可反演出成像視場內三維場景信息，因此，閃光雷射成像雷達可實現利用一個雷射脈衝獲取全景圖像三維信息的效果，是一種非掃描、快速三維成像技術。但是該技術受限於高速讀出集成電路的發展，APD陣列集成度不高，目前APD陣列單元數最高約為128X128，單次成像仍難以實現高解析度(高像素數)三維成像。
[0004]為實現高解析度、快速三維成像，2007年法德聖路易斯研究院Martin Laurenzis等人提出了一種基於梯形包絡的距離選通超解析度三維成像技術(Martin Laurenzis,Frank Christnacher， and David Monnin， Long-range three-dimens1nal activeimaging with superresolut1n depth mapping，Opt.Lett.，2007，Vol.32 (21)，3146-3148)，該技術通過匹配雷射脈衝和選通脈衝間的延時及脈衝寬度等時域信息，構造出具有梯形距離能量包絡的二維選通切片圖像，進而最少可通過兩幅空間交疊的選通切片圖像實現三維成像。2012年中國科學院半導體研究所王新偉等人對梯形包絡距離選通超解析度三維成像技術進行了改進，提出了一種基於三角形包絡的距離選通超解析度三維成像(中國發明專利，申請號201210430995.6)，與德法聖路易斯研究院的方法不同，在該方法中二維選通切片圖像的距離能量包絡為三角形，同樣地，該方法可最少通過兩幅二維選通切片圖像反演出三維圖像。與三維閃光雷射成像雷達相比，距離選通超解析度三維成像技術採用CCD或CMOS圖像傳感器作為成像器件，像素數大幅提高，可實現像素數大於1000X1000高解析度三維成像。雖然距離選通超解析度三維成像可通過兩幅選通切片圖像實現快速三維重建，但是由於CCD或CMOS器件是一種時間積分器件，獲取圖像需要一定的曝光時間，因此，獲取兩幅選通切片圖像時兩幀圖像的幀間延時將會引起運動目標的像素錯位，尤其是對於高速運動的物體成像時，這將導致三維反演存在較大誤差或三維反演失敗等問題，使得現有距離選通超解析度三維成像難以實現實時三維成像。
【發明內容】
[0005](一 )要解決的技術問題
[0006]針對上述現有技術存在的不足之處，本發明的主要目的在於提出一種數字微鏡陣列編碼閃光三維成像方法及其裝置，以達到解決距離選通超解析度三維成像中圖像傳感器幀間延時導致動目標三維成像存在較大誤差或失敗的問題的目的，實現實時距離選通超解析度三維成像。
[0007]( 二)技術方案
[0008]為達到上述目的，本發明提供了一種數字微鏡陣列編碼閃光三維成像裝置，該裝置包括:
[0009]計算機:用於設置工作參數以及圖像解碼；
[0010]中心控制器:其用於根據設置的工作參數生成編碼閃光工作時序，所述編碼閃光工作時序用於同步激脈衝雷射器、圖像傳感器、數字微鏡陣列、和選通快門；
[0011]脈衝雷射器:其根據所述編碼閃光工作時序的產生雷射脈衝；
[0012]照明鏡頭:其用於將所述脈衝雷射器產生的雷射脈衝進行整形後，對視場內的成像目標進行照明；
[0013]成像鏡頭:用於收集所述成像目標經過所述雷射脈衝照射後形成的目標回波信號，並將其匯聚至選通快門；
[0014]選通快門:其在所述編碼閃光工作時序的觸發下開啟並產生一個選通脈衝，用於採集目標回波信號並放大；
[0015]整形透鏡:其用於將所述選通快門放大後的目標回波信號進行光學整形後耦合至數字微鏡陣列；
[0016]數字微鏡陣列:其包括多個行列分布的微鏡單元，其在所述編碼閃光工作時序的控制下，保持部分微鏡單元處於開態，其餘部分處於關態，處於開態的部分微鏡單元將所述目標回波信號反射至耦合透鏡，處於關態的其餘部分將所述目標回波信號反射至吸光板；
[0017]耦合透鏡:其用於將數字微鏡陣列反射的目標回波信號進行整形，並耦合至圖像傳感器；
[0018]圖像傳感器:其根據所接收到的目標回波信號成像，其中所述成像的像素數與所述數字微鏡陣列中的微鏡單元個數相同，且每個像素對應一個微鏡單元；
[0019]吸光板:其用於吸收照射至其上的目標回波信號。
[0020]本發明提供了一種利用如上所述的數字微鏡陣列編碼閃光三維成像裝置的成像方法，包括:
[0021]步驟1、利用計算機設置工作參數，並將其發送給中心控制器；
[0022]步驟2、所述中心控制器根據所述工作參數產生編碼閃光工作時序，並產生數控變焦控制信號，其中，所述編碼閃光工作時序包括脈衝雷射器TTL信號、選通快門TTL信號、圖像傳感器TTL信號和控制數字微鏡陣列中各微鏡單元開關的信號，分別用於同步激脈衝雷射器、選通快門、圖像傳感器和數字微鏡陣列；
[0023]步驟3、脈衝雷射器在中心控制器輸出的脈衝雷射器TTL信號觸發下產生雷射脈衝，照明鏡頭按照中心控制器輸出的數控變焦控制信號調節照明視場，雷射脈衝經照明鏡頭整形後對視場內的成像目標進行照明，當雷射脈衝傳輸至目標時，形成後向傳播的目標回波信號，該目標回波信號被經中心控制器輸出的數控變焦控制信號調焦後的成像鏡頭收集，匯聚至選通快門，選通快門在中心控制器輸出的選通快門TTL信號觸發下開啟工作，形成一個選通脈衝，經過選通快門採集並放大的目標回波信號透過整形透鏡耦合至數字微鏡陣列，數字微鏡陣列在中心控制器輸出的控制數字微鏡陣列中各微鏡單元開關的信號下實現正片模式和負片模式的空間光調製，處於關態的微鏡單元反射目標回波信號至吸光板，被吸光板吸收，而處於開態的微鏡單元則反射目標回波信號至耦合透鏡，經耦合透鏡耦合至圖像傳感器，圖像傳感器在中心控制器輸出的圖像傳感器TTL信號觸發下開始曝光工作，採集數字微鏡陣列中開態微鏡單元反射回的目標回波信號，將該回波信號轉換為電信號，輸出編碼圖像；
[0024]步驟4、對編碼圖像進行解碼，解碼輸出A型圖像和B型圖像，其中A型圖像中行列數同為奇數或偶數的像素值等於編碼圖像中行列數同為奇數或偶數的像素值，其餘像素值為其鄰域像素值的均值；所述B型圖像中行列數不同為奇數或偶數的像素值等於編碼圖像中行列數不同為奇數或偶數的像素值，其餘像素值為其鄰域像素值的均值；
[0025]步驟5、根據所述A型圖像和B型圖像，採用距離選通超解析度三維成像算法進行重建成像目標的三維圖像。
[0026](三)有益效果
[0027]從上述技術方案可以看出，本發明具有以下有益效果:
[0028]1、利用本發明，由於採用數字微鏡陣列編碼的方式，可實現在圖像傳感器一幀圖像中同時獲取用於距離選通超解析度三維成像三維反演的兩幅空間相關的選通切片圖像，所以，本發明可解決距離選通超解析度三維成像中圖像傳感器幀間延時引起的動目標三維反演存在較大誤差或失敗的問題。
[0029]2、利用本發明，由於採用數字微鏡陣列編碼方式後可實現單幀圖像獲取兩幅用於距離選通超解析度三維成像的選通切片圖像，進而進行目標三維反演重建，所以，利用本發明可實現實時三維成像，三維成像的幀頻與圖像傳感器的幀頻一致，從而解決傳統距離選通超解析度三維成像分別獲取兩幀用於三維反演的選通切片圖像而導致的無法實時三維成像的問題。
[0030]3、利用本發明，由於採用面陣圖像傳感器作為成像器件，同時採用數字微鏡陣列編碼的方式實現單幀編碼圖像獲取兩幅選通切片圖像的效果，所以，本發明在兼顧快速三維成像的前提下可實現高解析度(高像素數)三維成像，規避閃光雷射成像雷達技術中APD陣列集成度不高而導致圖像解析度不高的問題。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0031]圖1是本發明中數字微鏡陣列編碼閃光三維成像方法工作原理示意圖；
[0032]圖2是本發明中數字微鏡陣列編碼閃光三維成像裝置結構示意圖:(a)數字微鏡陣列編碼閃光三維成像裝置示意圖，(b)數字微鏡陣列正片模式，(C)數字微鏡陣列負片模式；
[0033]圖3是本發明中編碼閃光工作時序示意圖；
[0034]圖4是本發明中數字微鏡陣列編碼閃光三維成像仿真實驗結果:(a)編碼圖像，(b)A型圖像，(C)B型圖像，(d)三維圖像
[0035]圖中主要元件符號說明:
[0036]I數字微鏡陣列編碼閃光三維成像裝置，2計算機，3中心控制器，4脈衝雷射器，5選通快門，6數字微鏡陣列，7圖像傳感器，8吸光板，9照明鏡頭，10成像鏡頭，11整形透鏡，12耦合透鏡，13雷射脈衝，14選通脈衝，15正片模式，16負片模式
【具體實施方式】
[0037]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照附圖，對本發明作進一步的詳細說明。
[0038]在此公開本發明結構實施例和方法的描述。可以了解的是並不意圖將本發明限制在特定公開的實施例中，而是本發明可以通過使用其它特徵，元件方法和實施例來加以實施。不同實施例中的相似元件通常會標示相似的號碼。
[0039]圖1是本發明數字微鏡陣列編碼閃光三維成像方法工作原理示意圖，圖2是本發明數字微鏡陣列編碼閃光三維成像裝置結構示意圖。如圖1所示，本發明採用脈衝雷射器作為照明光源，採用面陣圖像傳感器作為成像器件，採用具有選通功能的像增強器作為選通快門，採用數字微鏡陣列作為對回波信號編碼調製的空間光調製器，在編碼閃光工作時序下(見圖3)，在圖像傳感器一幀的曝光時間裡包含一個A型子幀和一個B型子幀，分別對應數字微鏡陣列的正片模式15和負片模式16，且每個子幀內都包含一個由雷射脈衝13和選通脈衝14形成的脈衝對，通過控制脈衝對內的雷射脈衝13和選通脈衝14間的選通延時可實現距離選通成像，工作過程中，A型子幀和B型子幀具有不同的選通延時，從而實現不同成像區間的A型子幀成像區間和B型子幀成像區間的信息採集，通過數字微鏡陣列對A型子幀和B型子幀採集的信息進行編碼調製，進而實現圖像傳感器單幀獲取兩子幀成像區間圖像的目的，輸出一幀編碼圖像，然後，可通過對該編碼圖像解碼獲得A型子幀圖像和B型子幀圖像，並分別對兩幅子幀圖像進行圖像插值，插值重建A型圖像和B型圖像，最後，基於重建的A型圖像和B型圖像通過距離選通超解析度三維成像算法進行三維反演重建，實現三維成像。
[0040]如圖2所示，本發明中數字微鏡陣列編碼閃光三維成像裝置包括:
[0041]計算機2，中心控制器3，脈衝雷射器4，照明鏡頭9，成像鏡頭10，選通快門5，整形透鏡11，數字微鏡陣列6，耦合透鏡12，圖像傳感器7和吸光板8。
[0042]其中，計算機2具有兩個功能:一是作為上位機用於設置數字微鏡陣列6編碼閃光三維成像裝置的工作參數，包括脈衝雷射器4、圖像傳感器7、數字微鏡陣列6、選通快門5、照明鏡頭9和成像鏡頭10以及中心控制器3的工作參數，並將工作參數設置命令發送給下位機中心控制器3 ;二是用於圖像信息處理和顯示，對圖像傳感器7回傳的編碼圖像進行解碼及插值重建，進而進行三維反演，並可顯示插值重建的二維強度圖像(包括A型圖像和B型圖像)以及反演的三維圖像。
[0043]中心控制器3作為下位機將計算機2輸入的工作參數設置命令分別發送給脈衝雷射器4、圖像傳感器7、數字微鏡陣列6、選通快門5、照明鏡頭9和成像鏡頭10，並產生控制脈衝雷射器4、圖像傳感器7、數字微鏡陣列6和選通快門5同步工作所需的編碼閃光工作時序，包括觸發脈衝雷射器4、圖像傳感器7和選通快門5工作的TTL信號，以及控制數字微鏡陣列6各微鏡單元開關的信號。
[0044]脈衝雷射器4是本裝置的照明光源，在中心控制器3輸出的TTL信號觸發下產生雷射脈衝13，並通過照明鏡頭9整形，使得照明視場與成像鏡頭的成像視場匹配後，對視場內目標進行照明。脈衝雷射器4的照明視場可在中心控制器3輸出的數控變焦控制信號下通過控制照明鏡頭9的焦距來實現調節，即調節雷射發散角。
[0045]成像鏡頭10用於收集脈衝雷射照射目標後形成的後向傳播的目標回波信號，並可在中心控制器3輸出的數控變焦控制信號下調節成像視場。目標回波信號經成像鏡頭10收集後，匯聚至選通快門5。
[0046]選通快門5是採用具有選通功能的像增強器實現的，是本裝置的成像快門，在中心控制器3輸出的TTL信號觸發下開啟快門，形成一個選通脈衝14，且只有選通快門5開啟的時間段裡，成像鏡頭10收集的目標回波信號才會通過選通快門5，並被信號放大，選通快門5關閉時，成像鏡頭10收集的目標回波信號不被選通快門5採集。
[0047]經選通快門5採集並放大後的目標回波信號傳輸至整形透鏡11，經整形透鏡11的光學整形後耦合至數字微鏡陣列6。本裝置中的數字微鏡陣列6是一個反射式的空間光調製器，由MXN個微米級尺寸的微鏡單元組成，其每個微鏡單元可根據邏輯值O或I控制微鏡處於關態或開態，當邏輯值為O時，微鏡處於關態，當邏輯值為I時，微鏡處於開態，處於開態的微鏡單元可將經整形透鏡11整形後的回波信號反射至耦合透鏡12，處於關態的微鏡單元則將整形透鏡11整形後的回波信號反射至吸光板8，從而在所述中心控制器3輸出的控制信號下實現各微鏡單元的開關控制，實現正片模式15和負片模式16的空間光調製。反射至耦合透鏡12的目標回波信號經耦合透鏡12進一步整形後耦合至圖像傳感器7 ;反射至吸光板8的目標回波信號被吸收板吸收，以防止該回波信號在本裝置內部經各器件的多次散射形成光汙染。
[0048]圖像傳感器7是用於採集數字微鏡陣列6反射的目標回波信號並輸出圖像的面陣成像器件，其像素數為MXN，與數字微鏡陣列6的微鏡單元數相同，並且圖像傳感器7的像素和數字微鏡陣列6的微鏡單兀存在對應的關係，該圖像傳感器7在中心控制器3輸出的編碼閃光工作時序TTL信號觸發下工作，採集數字微鏡陣列6中處於開態的微鏡單元反射回的目標回波信號，將該回波信號轉換為電信號，實現圖像的採集，並將採集的圖像回傳給計算機2。
[0049]在本發明中，數字微鏡陣列6在所述編碼閃光工作時序的控制下具有兩種編碼調製模式，包括正片模式15和負片模式16，分別對應A型子幀和B型子幀。對於正片模式，如圖2(b)所示，數字微鏡陣列6中微鏡單元所處的行數和列數同為奇數或偶數時，該微鏡單元均處於開態，其餘微鏡單元則均處於關態；對於負片模式，則與正片模式恰好相反，如圖2(c)所示，數字微鏡陣列6中微鏡單元所處的行數和列數同為奇數或偶數時，該微鏡單元均處於關態，其餘微鏡單元則均處於開態。工作過程中，只有處於開態時微鏡單元才會將回波信號反射到圖像傳感器7，被採集成像，處於關態的微鏡單元反射的回波信號不被圖像傳感器7採集成像，因此，正片模式和負片模式對回波信號進行了空間光調製，二者採集的圖像互補。
[0050]圖3是本發明中中心控制器產生的編碼閃光工作時序圖。編碼閃光工作時序用於控制脈衝雷射器4、選通快門5、數字微鏡陣列6和圖像傳感器7的同步工作。如圖3所示，在圖像傳感器7 —幀的曝光時間裡包含一個A型子幀和一個B型子幀，此處A和B並沒有特殊含義，僅起到區別兩個子幀的作用；每個子幀內各包含一個脈衝對，每個脈衝對內含一個雷射脈衝13和一個選通脈衝14。其中，A型子幀下數字微鏡陣列6處於正片模式15，B型子幀下數字微鏡陣列6處於負片模式16，A型子幀和B型子幀內雷射脈衝和選通脈衝間的選通延時分別為^和τΒ，為了實現超解析度三維成像中所需的圖像空間交疊的關係，要滿足關係
[0051]τ Β = τ A+tL (I)
[0052]公式⑴中\為雷射脈衝13的脈寬。
[0053]在基於A型圖像和B型圖像進行三維反演時，當欲採用梯形包絡距離選通超解析度三維成像算法時，選通門寬和雷射脈寬需滿足關係
[0054]tg = 2tL (2)
[0055]當欲採用三角形包絡距離選通超解析度三維成像算法時，選通門寬和雷射脈寬需滿足關係
[0056]tg = tL (3)
[0057]公式⑵和(3)中，tL為雷射脈衝13的脈寬，tg為選通快門5的選通脈衝14的脈寬，即選通門寬。所述A型圖像和B型圖像可分別由A型子幀圖像和B型子幀圖像經過圖像插值重建得到。
[0058]由於圖像傳感器7 —幀曝光時間裡同時包含A型子幀和B型子幀，因此，圖像傳感器7輸出的單幀圖像為一同時含A型子幀圖像和B型子幀圖像的編碼圖像。該編碼圖像的像素數與A型子幀圖像、B型子幀圖像、A型圖像、B型圖像以及數字微鏡陣列6的微鏡單元數相同，均為MXN。本發明中，將編碼圖像、A型子幀圖像、B型子幀圖像、A型圖像和B型圖像中行數和列數同為奇數或偶數的像素稱為a類像素,行數和列數不同為奇數或偶數的像素稱為b類像素，則A型子幀圖像可由編碼圖像中a類像素解碼獲得，B型子幀圖像可由編碼圖像中b類像素解碼獲得。
[0059]A型子幀圖像是由A型子幀中雷射脈衝和選通脈衝在選通延時τΑ下對成像區間[(xA-tL)c/2, (xA+tg)c/2]所成的選通切片像，其中，c為光在空氣中的傳播速度，\為雷射脈衝13的脈寬，tg為選通快門5的選通脈衝14的脈寬。該A型子幀圖像可由編碼圖像中的a類像素解碼獲得，即A型子幀圖像中的a類像素與編碼圖像中的a類像素一一對應，具有相同的灰度值，A型子幀圖像中的b類像素的灰度值則均為O。
[0060]B型子幀圖像是由B型子幀中雷射脈衝和選通脈衝在選通延時τ Β下對成像區間[(xB-tL)c/2, (xB+tg)c/2]所成的選通切片像，其中，c為光在空氣中的傳播速度，\為雷射脈衝13的脈寬，tg為選通快門5的選通脈衝14的脈寬。該B型子幀圖像可由編碼圖像中的b類像素解碼獲得，即B型子幀圖像中的b類像素與編碼圖像中的b類像素一一對應，具有相同的灰度值，B型子幀圖像中的a類像素的灰度值則均為O。
[0061]A型圖像中的a類像素與A型子幀圖像的a類像素一一對應，具有相同的灰度值，A型圖像中b類像素則由圖像插值獲得，即每個b類像素的灰度值是與該像素相鄰的所有a類像素灰度值的平均值。B型圖像中的b類像素與B型子幀圖像的b類像素一一對應，具有相同的灰度值，B型圖像中a類像素則由圖像插值獲得，即每個a類像素的灰度值是與該像素相鄰的所有b類像素灰度值的平均值。
[0062]A型子幀圖像和B型子幀圖像經插值重建後的A型圖像和B型圖像可用於距離選通超解析度三維成像的三維反演重建，當A型圖像和B型圖像的距離能量包絡為梯形時，即選通門寬和雷射脈寬需滿足關係式(2)時，採用梯形距離選通超解析度三維成像算法實現三維重構，當A型圖像和B型圖像的距離能量包絡為三角形時，即選通門寬和雷射脈寬需滿足關係式(3)時，採用三角形距離選通超解析度三維成像算法實現三維重構，最終實現三維成像。
[0063]利用本發明提出的上述數字微鏡陣列編碼閃光三維成像裝置進行成像的具體方法步驟如下:
[0064]步驟一:系統開機。
[0065]步驟二:根據實際需要，通過計算機設置系統工作參數，尤其是設置中心控制器的編碼閃光工作時序的參數，包括雷射脈寬、選通門寬、圖像傳感器7的曝光時間、雷射脈衝和選通脈衝間的選通延時、數字微鏡陣列的編碼模式等。
[0066]步驟三:在設置的系統工作參數下，中心控制器接收計算機輸入的工作參數設置命令產生控制信號，首先脈衝雷射器在中心控制器輸出的脈衝雷射器TTL信號觸發下產生雷射脈衝，該雷射脈衝的脈寬與TTL信號的脈寬大小相等，然後照明鏡頭按照中心控制器輸出的數控變焦控制信號調節照明視場，雷射脈衝經照明鏡頭整形後對目標進行照明，當雷射脈衝傳輸至目標時，形成後向傳播的目標回波信號，該回波信號被經中心控制器輸出的數控變焦控制信號調焦後的成像鏡頭收集，匯聚至選通快門，選通快門在中心控制器輸出的選通快門TTL信號觸發下開啟工作，形成一個選通脈衝，選通脈衝與雷射脈衝間的相對延時為設置的選通延時，選通門開啟持續時間(即選通門寬)等於TTL信號的脈寬，經過選通快門採集並放大的目標回波信號透過整形透鏡耦合至數字微鏡陣列，數字微鏡陣列在中心控制器輸出的控制信號下實現正片模式和負片模式的空間光調製，處於關態的微鏡單元反射目標回波信號至吸光板，被吸光板吸收，而處於開態的微鏡單元則反射目標回波信號至耦合透鏡，經耦合透鏡耦合至圖像傳感器，圖像傳感器在中心控制器輸出的圖像傳感器TTL信號觸發下開始曝光工作，採集數字微鏡陣列中開態微鏡單元反射回的目標回波信號，將該回波信號轉換為電信號，輸出編碼圖像。
[0067]步驟四:對編碼圖像進行解碼，解碼出A型子幀圖像和B型子幀圖像。
[0068]步驟五:基於A型子幀圖像和B型子幀圖像插值重建A型圖像和B型圖像。
[0069]步驟六:根據重建的A型圖像和B型圖像，採用距離選通超解析度三維成像算法進行三維重建，並顯示三維圖像。
[0070]步驟七:完成三維成像，可關機。
[0071]為了驗證本發明方法的有效性，本發明進行了仿真實驗，實驗結果如圖4所示，目標約為12m處前後放置的兩個杯子。在該仿真實驗中，採用的是三角形包絡距離選通超解析度三維成像算法，因此，雷射脈寬和選通門寬相等，實驗中二者均為3ns，A型子幀的選通延時為80ns，B型子幀的選通延時為83ns。圖4(a)中，左圖為仿真實驗獲得的編碼圖像，右圖為左圖中白色虛線窗口區的放大圖像，從該圖中可以看到編碼圖像中包含的A型子幀圖像和B型子幀圖像。圖4(b)為由圖4(a)中的a類像素解碼並進行插值重建後的A型圖像，圖4(c)為由圖4(a)中的b類像素解碼並進行插值重建後的B型圖像。圖4(d)是基於插值重建的A型圖像圖4(b)和B型圖像圖4(c)採用三角形包絡超解析度三維成像算法三維反演的三維圖像。由仿真實驗結果可以發現，本發明可實現單幀獲取兩幅用於距離選通超解析度三維成像的選通切片圖像，實現實時三維成像。
[0072]以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種數字微鏡陣列編碼閃光三維成像裝置，其特徵在於，該裝置包括: 計算機:用於設置工作參數以及圖像解碼； 中心控制器:其用於根據設置的工作參數生成編碼閃光工作時序，所述編碼閃光工作時序用於同步激脈衝雷射器、圖像傳感器、數字微鏡陣列、和選通快門； 脈衝雷射器:其根據所述編碼閃光工作時序的產生雷射脈衝； 照明鏡頭:其用於將所述脈衝雷射器產生的雷射脈衝進行整形後，對視場內的成像目標進行照明； 成像鏡頭:用於收集所述成像目標經過所述雷射脈衝照射後形成的目標回波信號，並將其匯聚至選通快門； 選通快門:其在所述編碼閃光工作時序的觸發下開啟並產生一個選通脈衝，用於採集目標回波信號並放大； 整形透鏡:其用於將所述選通快門放大後的目標回波信號進行光學整形後耦合至數字微鏡陣列； 數字微鏡陣列:其包括多個行列分布的微鏡單元，其在所述編碼閃光工作時序的控制下，保持部分微鏡單元處於開態，其餘部分處於關態，處於開態的部分微鏡單元將所述目標回波信號反射至耦合透鏡，處於關態的其餘部分將所述目標回波信號反射至吸光板； 耦合透鏡:其用於將數字微鏡陣列反射的目標回波信號進行整形，並耦合至圖像傳感器； 圖像傳感器:其根據所接收到的目標回波信號成像，其中所述成像的像素數與所述數字微鏡陣列中的微鏡單元個數相同，且每個像素對應一個微鏡單元； 吸光板:其用於吸收照射至其上的目標回波信號。
2.如權利要求1所述的裝置，其中，所述數字微鏡陣列在所述編碼閃光工作時序的控制下包括兩種編碼調製模式:正片模式和負片模式；其中正片模式下，所述數字微鏡陣列中微鏡單元所處的行數和列數同為奇數或偶數時，所述微鏡單元處於開態，其餘微鏡單元處於關態；負片模式下則相反。
3.如權利要求2所述的裝置，其中，所述編碼閃光工作時序中控制圖像傳感器的同步信號包括A型子幀和B型子幀；每一子幀對應一個雷射脈衝和一個選通脈衝；其中，A型子幀下所述數字微鏡陣列處於正片模式，B型子幀下所述數字微鏡陣列處於負片模式。
4.如權利要求3所述的裝置，其中，所述計算機對所述圖像傳感器產生的編碼圖像進行解碼輸出A型圖像和B型圖像，其中A型圖像中行列數同為奇數或偶數的像素值等於編碼圖像中行列數同為奇數或偶數的像素值，其餘像素值為其鄰域像素值的均值；所述B型圖像中行列數不同為奇數或偶數的像素值等於編碼圖像中行列數不同為奇數或偶數的像素值，其餘像素值為其鄰域像素值的均值。
5.如權利要求3所述的裝置，其中，在A型子幀和B型子幀內所述雷射脈衝和選通脈衝間的選通延時分別為^和τ B，且它們滿足以下關係:
TB = T A+tL 其中，\為雷射脈衝的脈寬。
6.如權利要求4所述的裝置，其中，所述計算機還根據所述A型圖像和B型圖像採用距離選通超解析度三維成像算法重建成像目標的三維圖像。
7.如權利要求4所述的裝置，其中，所述距離選通超解析度三圍成像算法包括梯形包絡距離選通超解析度三圍成像算法和三角形距離選通超解析度三圍成像算法；採用梯形距離選通超解析度三圍成像算法時，所述選通脈衝的門寬為雷射脈衝脈寬的2倍；採用三角形距離選通超解析度三圍成像算法時，所述選通脈衝的門寬和雷射脈衝脈寬相同。
8.如權利要求1所述的裝置，其中，所述中心控制器還產生數控變焦控制信號，用於調節照明視場和成像視場。
9.一種利用如權利要求1-8任一項所述的數字微鏡陣列編碼閃光三維成像裝置的成像方法，包括: 步驟1、利用計算機設置工作參數，並將其發送給中心控制器； 步驟2、所述中心控制器根據所述工作參數產生編碼閃光工作時序，並產生數控變焦控制信號，其中，所述編碼閃光工作時序包括脈衝雷射器TTL信號、選通快門TTL信號、圖像傳感器TTL信號和控制數字微鏡陣列中各微鏡單元開關的信號，分別用於同步激脈衝雷射器、選通快門、圖像傳感器和數字微鏡陣列； 步驟3、脈衝雷射器在中心控制器輸出的脈衝雷射器TTL信號觸發下產生雷射脈衝，照明鏡頭按照中心控制器輸出的數控變焦控制信號調節照明視場，雷射脈衝經照明鏡頭整形後對視場內的成像目標進行照明，當雷射脈衝傳輸至目標時，形成後向傳播的目標回波信號，該目標回波信號被經中心控制器輸出的數控變焦控制信號調焦後的成像鏡頭收集，匯聚至選通快門，選通快門在中心控制器輸出的選通快門TTL信號觸發下開啟工作，形成一個選通脈衝，經過選通快門採集並放大的目標回波信號透過整形透鏡耦合至數字微鏡陣列，數字微鏡陣列在中心控制器輸出的控制數字微鏡陣列中各微鏡單元開關的信號下實現正片模式和負片模式的空間光調製，處於關態的微鏡單元反射目標回波信號至吸光板，被吸光板吸收，而處於開態的微鏡單元則反射目標回波信號至耦合透鏡，經耦合透鏡耦合至圖像傳感器，圖像傳感器在中心控制器輸出的圖像傳感器TTL信號觸發下開始曝光工作，採集數字微鏡陣列中開態微鏡單元反射回的目標回波信號，將該回波信號轉換為電信號，輸出編碼圖像； 步驟4、對編碼圖像進行解碼，解碼輸出A型圖像和B型圖像，其中A型圖像中行列數同為奇數或偶數的像素值等於編碼圖像中行列數同為奇數或偶數的像素值，其餘像素值為其鄰域像素值的均值；所述B型圖像中行列數不同為奇數或偶數的像素值等於編碼圖像中行列數不同為奇數或偶數的像素值，其餘像素值為其鄰域像素值的均值； 步驟5、根據所述A型圖像和B型圖像，採用距離選通超解析度三維成像算法進行重建成像目標的三維圖像。
【文檔編號】H04N5/225GK104320567SQ201410593913
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月29日 優先權日:2014年10月29日
【發明者】王新偉, 李友福, 周燕 申請人:中國科學院半導體研究所