曲面光学结构的多电荷耦合器件组自适应成像方法

摘要

本发明的曲面光学结构的多电荷耦合器件组自适应成像方法，属于图像信息获取和处理领域。它模仿复眼在昼夜交替情况下随光照条件的改变调整神经传导方式从而获得自适应成像效果的原理，采用多个普通的电荷耦合器件(CCD)和相应的辅助电路及神经处理算法构建一种仿生自适应调节式成像仪。该成像仪具有随光照条件改变自动调节融合模式的成像功能，它不仅可以在正常光照条件下获取高对比度的图像，还可以在较弱光照条件下获取高亮度敏感性的图像。本发明实现了在昼夜交替情况下高清晰度的监视监控，属于图像信息获取和处理领域。

主权项

1.一种曲面光学结构的多电荷耦合器件组自适应成像方法，其特征在于：采用以下成像仪：包括3个相同的CCD摄像头，3个用于亮度分量和两个色差分量分离的第一类DSP数字信号处理芯片、1个用于完成多帧图像融合的第二类DSP数字信号处理芯片、3个用于模数转换和制式转换的可编程视频信号处理芯片、3个电可擦存储芯片；上述3个CCD紧密连接在一起，依附在一个半径为r的曲面上，相邻两个小眼光轴之间的夹角为θ≈artsin(D/r)构成仿复眼的曲面结构，其中r为复眼的眼半径，D为小眼直径；上述3个CCD摄像头分别通过USB接口连接到上述3个可编程视频信号处理芯片的模拟信号输入端进行预处理；可编程视频信号处理芯片的状态信息输出入到复杂可编程逻辑电路(CLPC)中作为控制信号，而数据信号则经过上述3个电可擦存储芯片分别输入到上述3个第一类DSP数字信号处理芯中，3个第一类DSP数字信号处理芯片的控制信号输入到1个第二类DSP数字信号处理芯片做为片选信号和使能信号；成像方法包括以下步骤：(1)、利用三个CCD摄像头模拟复眼中的小眼分别独立成像，获得三幅小眼图像；(2)、利用可编程视频信号处理芯片分别对三副小眼图像经过进行模数转换和制式的转换；(3)、分别利用三个第一类DSP数字信号处理芯片对三幅小眼图像进行亮度分量和两个色差分量的分离；(4)、根据视觉处理中只对亮度分量处理的特点，提取三副小眼图像的Y分量，连同分离后未做任何处理的色差分量，共同输入到第二类DSP数字信号处理芯片上进行受生物复眼弹药筒启发的多帧图像融合处理，其中弹药筒指每个弹药筒对应融合图像的一个像素，三个小眼中对应像素位置上的三个样值进入同一个弹药筒，具体融合算法如下：步骤1：设I1、I2和I3分别代表三副小眼图像，提取三幅小眼图像的亮度分量；以任意一副小眼图像I1作为参考图像，将I2和I3配准到参考图像I1上；步骤2：计算弹药筒内感受器的平均值，即针对空间中同一个位置上多个CCD采样值的平均；同时计算围绕空间中一个点的局部领域内像素的均值；步骤3：根据弹药筒内感受器均值和弹药筒均值的比较，选择合适的融合机制，当一个弹药筒周围的亮度均值高于弹药筒内部光感受器的平均值时，那么说明外界的亮度较低，需要将三个光感受器获得的信息通过感受器细胞壁进行叠加加强，提高对光亮度的敏感性；反之说明该外界光照亮度较高，那么需要将弹药筒所在领域的对比度提高获得增强的图像；假设CCD1获得的小眼图像I₁作为参考图像；I_k(l)表示第k幅图像按照列向量形式排列后第l个像素的亮度；F_mean(l)，L_mean(l)分别是第l个弹药筒内光感受器亮度的平均和参考图像I₁上以第l个弹药筒为中心的3×3个弹药筒的平均亮度；由于只有三只小眼，因此每个弹药筒内的光感受器的个数为3：$F_{\mathrm{mean}}\left(l\right)=\underset{k=\mathrm{1,2,3}}{\mathrm{mean}}\left(I_k\left(l\right)\right);L_{\mathrm{mean}}\left(l\right)=\underset{k=l-3,l+3}{\mathrm{mean}}\left(L\left(k\right)\right);---\left(1\right)$公式中的当F_mean(l)＞L_mean(l)时说明外界的光照强度较高，采用第一种融合方式，否则采用第二种融合方式；在融合之前将图像按列向量的形式排列；(1)、分流增强是在正常光照条件下对相同场景位置上差异信息的融合处理；第l个弹药筒的第k个光感受器接受的刺激为I_k(l)，k个感受器中刺激最强烈的是刺激最弱的是平均亮度由于是较强的光照条件所以F_mean(l)＞L_mean(l)，因此第l个弹药筒的细胞外空间V_ecs(l)将收到较强光感受器的输入，而减去流向较弱刺激的光感受器的电流；第l个弹药筒细胞外空间感应产生的电压为v_ecs(l)：$V_{\mathrm{ecs}}\left(l\right)=L_{\mathrm{mean}}\left(l\right)+a_1\times (e^{\underset{k=\mathrm{1,2,3}}{\Sigma }(I_{\max }\left(l\right)-I_k\left(l\right))}-e^{\underset{k=\mathrm{1,2,3}}{\Sigma }(I_{\mathrm{mean}}\left(l\right)-I_{\min }\left(l\right))})---\left(2\right)$其中a₁是参数，L_mean(l)为以第l个弹药筒为中心的参考图像上的3×3个弹药筒的亮度均值；这里采用指数函数为了说明亮度较高时释放的递质成指数增加，而当感受器刺激较小时，释放的递质就会接近于0，甚至会有逆向电流产生；(2)、叠加环路是光照强度不高的情况下，当感受器接收到的亮度信息的平均值低于相邻弹药筒的均值时，说明外界亮度较低即F_mean(l)＜L_mean(l)，则开启叠加环路融合模式；这里采用与相邻弹药筒的电压L_mean(l)与第l个弹药筒内部接受到得亮度值I_k(l)的差的绝对值来提高感受器的亮度，因此细胞外空间的电压V_ecs(l)为：$V_{\mathrm{ecs}}\left(l\right)=L_{\mathrm{mean}}\left(l\right)+a_2\times \underset{k=\mathrm{1,2,3}}{\Sigma }{e}^{|I_k\left(l\right)-L_{\mathrm{mean}}\left(l\right)|}---\left(3\right)$初始时每个弹药筒接的电压为L_mean(l)，通过公式(1)计算得到，随着外部刺激的增加，接收器会按照刺激的大小产生响应从而影响v_ecs(l)；公式(2)和(3)中的a₁，a₂系数不同，一个是在平均亮度的基础上提高图像的对比度，另外一个是在背景原有亮度的基础上增加亮度的；系数a₁，a₂都是电导系数，取值范围在(0，1]之间，其中a₁是相邻感受器之间的电导系数，而a₂是弹药筒和感受器之间的电导系数，因为弹药筒的独立结构，其内部的电流流动频繁，而外部在没有较大刺激出现时，基本没有电流的流动过程，因此按照弹药筒的结构可以估计a₁＞a₂这里选择a₁＝0.5；a₂＝0.25；步骤4：最后在弹药筒内部细胞外电压的作用下得到一个弹药筒融合的输出值；一个弹药筒的细胞外空间电压v_ecs(l)会受到周围弹药筒细胞外空间z_l-z_l′的影响，因此弹药筒外空间电压强度表示为：$z_l=V_{\mathrm{ecs}}\left(l\right)+c\times \underset{l-l^{\prime }=1}{\Sigma }(L_{\mathrm{mean}}\left(l\right)-L_{\mathrm{mean}}\left(l^{\prime }\right))---\left(4\right)$该公式中等号后的第一项v_ecs(l)表示弹药筒内感受器的固有电压，第二项L_mean(l)-L_mean(l′)表示第l个弹药筒与第l′个弹药筒之间亮度的差异，即相邻小眼图像之间的对应像素的差异，该差异的大小影响了弹药筒外空间电压的大小；系数c是细胞外电压和弹药筒的传导系数，也是一种电导系数，取值范围在(0，1]之间，l′代表了除第l个弹药筒外的其他弹药筒，弹药筒之间的距离决定了弹药筒之间的影响强度，距离较近的弹药筒的影响效果明显随着距离的增加，相互之间的影响将降低；这里选择距离弹药筒l为1个像素距离以内的弹药筒；但是c导通的是相邻的弹药筒，因为在通常状态下弹药筒与弹药筒之间是分离的，并没有突触连接，而是通过细胞间质的离子流动来传导的，因此电导系数较小，c＝0.1；根据弹药筒外空间电压z_l计算第l个弹药筒在融合了多幅小眼图像后的结果为I′(l)：I′(l)＝q×z_l+I₁(l)                (5)其中I′(l)是第l个弹药筒融合了三个感受器之后得到了最后的输出结果，I₁(l)为当前参考小眼图I₁上第l像素值；q是弹药筒和二阶神经元的突触连接权重；这样的通过突触的连接产生电流流动要比扩散机制快速的多，因此传导系数要大，这里选择q＝10；神经融合处理结束后将I′与颜色信息一起通过YUV反变换获得彩色输出的图像。