一种基于DMD的成像前处理装置和方法

摘要

本发明公开了一种基于DMD的成像前处理装置和方法，成像前处理装置包括CCD、第一透镜组、DMD、第二透镜组、DSP和物方工作面。所述成像前处理装置经过DMD中的微镜像元和CCD像元实现空间一一对应，CCD与DMD的坐标对应关系成像和DMD与物方工作面的对应关系成像，从而实现成像前对入场光线的处理功能。本发明将图像处理的工作重心从成像后拉到了成像前的光路中。利用CCD和DMD的对应成像，可以使成像灰度直方图的灰度范围指数增加，从而提高了成像系统的动态范围。本发明能够解决环境照明和视场自缺陷，提高成像质量和对象的视觉显现力，可广泛应用于工业检测、医学成像、天文观测等领域。

主权项

一种基于DMD的成像前处理方法，其中，所采用的基于DMD的成像前处理装置包括CCD(1)、第一透镜组(2)、DMD(3)、第二透镜组(4)、DSP(5)和物方工作面(6)，所述CCD(1)与所述DMD(3)之间连接有DSP(5)；所述CCD(1)接收从所述DMD(3)反射出的视场光线；所述第一透镜组(2)将DMD面成像在CCD面上，从而决定了DMD与CCD的像元对应比例；DMD的空间调制电路通过控制DMD在+12°偏角状态的保持时间来控制空间线性调制视场光线的强度，然后将调制后的光线反射给CCD；所述第二透镜组(4)将场景成像在DMD面上，所述第二透镜组(4)的光轴与第一透镜组(2)的光轴成24°夹角，从而决定了系统视场范围和工作距离；以DSP(5)为主芯片的DSP核心运算控制电路接收CCD采集的图像信息并处理，反馈控制DMD的调制动作，以得到理想的成像效果，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、DMD中的微镜像元和CCD像元实现空间一一对应：DMD翻转以纵向和横向4像元为周期成黑白相间光栅条纹，CCD像元以4为周期采样，复制移相补全整周期，显示处理后图像；若观察得到莫尔条纹，条纹数量其中：p是条纹间距，△φ是相位差，则调整CCD与DMD的相对位置直到条纹消失，从而实现DMD中的微镜像元和CCD像元在空间上一一对应；步骤二、CCD与DMD的坐标对应关系成像：DMD像元坐标序列成齿状排列，与实际空间坐标不符，建立DMD坐标序列变换方程:$W_1(x,y)=\left\{\begin{array}{cc}div(x,2)-0.5,0.5+y& even\left(x\right)\\ div(x,2),y& odd\left(x\right)\end{array}\right.$建立CCD与DMD坐标变换数学模型：$\left[\begin{array}{c}{x}_C\\ y_C\\ 1\end{array}\right]=W_2\left[\begin{array}{c}{x}_D\\ y_D\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{t}_{11}& t_{12}& m\\ t_{21}& t_{22}& n\\ & & k\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_D\\ y_D\\ 1\end{array}\right]$其中，二维坐标变换矩阵，t₁₁、t₁₂、t₂₁、t₂₂为旋转参数，m、k和n为平移参数；控制DMD翻转成棋盘格图案，角点检测得到对应点的CCD面坐标值，至少选取出7个点的图像坐标；联立方程解出参数t₁₁、t₁₂、t₂₁、t₂₂，m、n和k；经过W₁，W₂两次变换得到DMD与CCD的坐标对应成像关系；步骤三、DMD与物方工作面的对应关系成像：以光心为原点，物空间中建立oxyz坐标系，像空间中建立o′x′y′z′坐标系，沿光轴以物空间指向像空间方向为x轴与x’轴正方向，则物空间中一点(x,y,z)，像空间中此点对应的像为(x′,y′,z′)；根据理想单透镜将任意方向的平面成像为平面像的理论，建立物方工作面方程a(x‑x₀)+by+cz＝0，其中x₀为此平面与光轴交点的横坐标，(a,b,c)为平面法向的方向向量,其相对应的DMD像面方程为f为第二透镜组焦距；物方工作面与DMD像面在第二透镜组的光轴上的共轭点对分别是(x₀,0,0)和z轴与z′轴方向为竖直向上，c＝0，物平面法向量与光轴夹角θ满足物方工作面和DMD像面在第二透镜组的光轴夹角θ′和θ对应关系是物方工作面和DMD像面空间坐标对应关系方程：$\left\{\begin{array}{c}v=-\frac{{\mathrm{cos\theta }}^{\prime }}{cos\theta }\times \frac{1}{{\beta }_2-\frac{v^{\prime }}{f}{\mathrm{sin\theta }}^{\prime }}{v}^{\prime }\\ w=\frac{1}{{\beta }_2-\frac{v^{\prime }}{f}{\mathrm{sin\theta }}^{\prime }}{w}^{\prime }\end{array}\right.$(v,w)和(v′,w′)分别为物平面坐标和DMD像平面坐标，是第二透镜组的视场放大率，β₁是第一透镜组的视场放大率,成像前处理的视场放大率为β＝β₁β₂，从而实现成像前对入场光线的处理。