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光电信息系统设计总结 2017 12 15 第1章绪论 1 光电系统的概念和意义 2 光电成像系统构成 辐射源 传输介质 光学成像系统 光电转换器件 信号处理 图像重现 第2章光电图像的获取技术 1 人眼的视觉的适应 人眼视觉响应分哪三类 明视觉响应 人眼适应大于或等于3cd m2的视场亮度时 视觉由锥状细胞起作用 暗视觉响应 人眼适应小于或等于3 10 5cd m2的视场亮度时 视觉由杆状细胞起作用 夜间的灰白 中介视觉响应 视场亮度介于明 暗视觉响应之间时 视觉响应逐渐由锥状细胞转向杆状细胞起作用 人眼视觉响应随着外界视场亮度的变化可分三类 2 人眼的分辨力如何定义 受什么因素影响 第2章光电图像的获取技术 第2章光电图像的获取技术 2 影响图像探测极限的因素 影响光电成像系统分辨景物细节的主要因素有哪些 景物细节的辐射亮度或单位面积的辐射强度 景物细节对光电成像系统接收孔径的张角 景物细节与背景之间的辐射对比度 3 光电成像的图像探测方程 当满足上式时 图像可以被探测到 该表达式包含两类参数 表征图像 图像的平均亮度Bm 图像的对比度C 图像的视角 表征光电成像系统 光电成像系统的接收孔径D 光电成像的光电转换量子效率 光电成像的有效积分时间 上式定量的描述了图像探测特性 Bm C决定的图像细节可以被D 确定的光电成像系统探测到 第2章光电图像的获取技术 目标的等效条带 一组黑白间隔相等的条带状图案 其总高度为基本上能被识别的目标临界尺寸 及目标的最小投影尺寸 其长度为垂直于临界尺寸方向的横跨目标的尺寸 等效条带图案的可分辨力为目标临界尺寸所包含的可分辨的条带数 周 临界尺寸 约翰逊论证了等效条带图案可分辨力能用来预测目标的探测识别 通过实验确定了各类目标探测识别准则 4 约翰逊 Johnson 准则 第2章光电图像的获取技术 工业上一般采用以下判断准则 4 约翰逊 Johnson 准则 第2章光电图像的获取技术 电荷耦合器件 CCD 是由一系列排得很紧密的MOS电容器组成 CCD的特点 以电荷作为信号CCD的基本功能 电荷存储和电荷转移CCD工作过程 信号电荷的产生 存储 传输和检测 5 光电耦合器件 CCD 第2章光电图像的获取技术 技术角度 1 信息读取方式不同 2 速度不同 3 电源及功耗不同 4 成像质量不同内部结构不同 CCD 电荷转移CMOS 电荷 电压转换 6 CCD与CMOS区别 第2章光电图像的获取技术 微小尺寸的检测 10 500um 用衍射的方法对细丝 狭缝 微小位移 微小孔等进行测量 例 7 CCD与CMOS的应用 第2章光电图像的获取技术 d 细丝直径 K 衍射暗纹级次K 1 2 3 激光波长 L 被测细丝到CCD光敏面的距离 被测细丝到第K级暗纹的连线 与光线主轴的夹角 xk 第K级暗纹到光轴的距离 3 根据夫琅和费衍射公式 可以得到 当 很小时 即L足够大时 Sin tg xk L 代入 得到 S 暗纹宽度 S XK K是相等的 则测细丝直径d转化为用CCD测S 例 He Ne激光 632 8nm L 1000mm 0 5mm d 500 m 当CCD像元选用13 1 m 测量误差 丝越细 测量精度越高 d越小S越大 甚至可达到 d 10 2 m 8 夜视技术解决问题的基本思路 四个 1 使用大口径的望远镜 尽可能多的得到光能量 2 像电子学那样 设法对微弱的光图像进行放大 3 用红外线探照灯或红外照明弹对景物进行照明 4 利用景物在红外波段的辐射能量实现热成像 第2章光电图像的获取技术 S 暗纹宽度 S XK K是相等的 则测细丝直径d转化为用CCD测S 红外成像系统 核心 如何将红外图像转变为可见光图像 第2章光电图像的获取技术 9 红外成像系统的分类 10 简述微光夜视仪的结构组成与工作原理 微光夜视仪是在夜间低照度下 将目标反射月光 星光等微弱自然光形成的图像增强 放大成人眼可见图像的夜视器材 微光夜视仪由微光物镜 像增强器 目镜及电源等组成 其核心部分是像增强器 也称微光管 由光电阴极 电子透镜 荧光屏组成 微弱的光学图像 自然景物 微弱的电子图像 增强的电子图像 增强的光学图像 物镜 光阴极 微通道板 荧光屏 目镜 像增强器 第2章光电图像的获取技术 11 像增强器发展历程 一代管以三级级联增强技术为特征 增益高达几万倍 但体积大 重量重二代管以微通道板 MCP 增强技术为特征 体积小 重量轻 但夜视距离无明显突破三代管则采用了负电子亲和势 NEA GaAs光电阴极 使夜视距离提高1 5 2倍以上 第2章光电图像的获取技术 第三章光电显示技术 1 液晶的晶相 常见液晶的晶相有向列相 nematic 胆甾相 cholesteric 和近晶相 smectic 等 2 液晶显示器的分类根据驱动方式分类 可将LCD产品分为扭曲向列 TN 型 超扭曲向列 STN 型及薄膜晶体管 TFT 型3大类 3 液晶显示器的工作原理 TFT LCD使用的液晶为TN TwistNematic 型液晶 分子成椭圆状 TN型液晶一般是顺着长轴方向串接 长轴间彼此平行方式排列 当接触到槽状表面时 液晶分子就会顺着槽的方向排列与槽中 液晶显示技术 3液晶显示器件的显像原理 当液晶被包含在两个槽状表面中间 且槽的方向相互垂直 则液晶分子的排列为 a 上表面分子 沿着a方向 b 下表面分子 沿着b方向 c 介于上下表面中间的分子 产生旋转的效应 因此液晶分子在两槽状表面间产生90 的旋转 液晶显示技术 3液晶显示器件的显像原理 当线性偏极光射入上层槽状表面时 此光线随着液晶分子的旋转也产生旋转 当线性偏极光射出下层槽状表面时 此光线已经产生了90度的旋转 液晶显示技术 3液晶显示器件的显像原理 当在上下表面之间加电压时 液晶分子会顺着电场方向排列 此时入射光线不再会旋转 因而光线直线射出下表面 液晶显示技术 3液晶显示器件的显像原理 偏光片特性 当非偏振光通过a方向的偏光片时 光线被过滤成与a方向平行的线性偏振光 上图 偏振方向相同 线性偏极光继续前进 通过第二片偏光片时 光线通过 下图 偏振方向不同 通过第二片时 光线被完全阻挡 液晶显示技术 3液晶显示器件的显像原理 偏振光透过液晶分子 偏振方向发生旋转 光线可通过偏光片 液晶显示技术 3液晶显示器件的显像原理 当液晶分子呈如图方向排列时 光线偏振方向将不再发生旋转 最终无法通过偏光片 液晶显示技术 3液晶显示器件的显像原理 DMD是一个利用二进制Pulsewidth 脉冲宽度PWM 调整技术来实现对基于半导体的微镜组进行精确数据交换的装置 DMD是DLP的核心 一个DMD可被简单描述成为一个半导体光开关 成千上万个微小的方形16x16um镜片 被建造在静态随机存取内存上方的铰链结构上而组成DMD 铰链结构允许镜片在两个状态之间倾斜 10度为 开 10度为 关 当镜片不工作时 处于0度 停泊 状态 4 的工作原理 5 灰度和颜色的控制 灰度控制 由于DMD能断断续续的快速旋转来实现对光的反射和关闭 需要的光通过投影镜头反射到我们眼睛 DMD的转换响映时间是2毫秒 从机械动作的切换到微镜的稳定需要的时间15微秒 这远远快过人体对光线转换的反映时间 通过控制镜片的反射时间实现不同的灰度 颜色控制 颜色是利用高速旋转的分色轮同DMD镜片的有效反射获得的 通过一个色彩环系统过滤掉部分光线所产生的色彩加进影象中 该色彩轮依送入DMD数字信号的红 绿 蓝顺序旋转 小镜子根据像素的位置及色彩的多少被打开或关闭 双眼3D视觉 双眼视差 双眼从略微不同的角度注视物体 且双眼视像的差异随距离改变 会聚效应 左右眼在观看远近不同的两点时 眼球转动的程度也不一样 产生出的光角不同 单眼3D视觉 调节效应 物体的远近差异引起晶状体焦距及瞳孔直径的调节 单眼移动视差 位置的前后不同引起的移动时的差异 如速度 光角 视角 6 人眼3D视觉原理 立体视觉显示技术 视差 parallax 左眼和右眼所看到的物体的细微差异来感知物体的深度 从而识别出立体图像 一般视差为6 7CM 6 人眼3D视觉原理 立体视觉显示技术 3D显示技术 立体图相对技术 体显示技术 全息技术 裸眼式3D技术 眼镜式3D技术 色差式 偏光式 快门式 视差屏障 柱状透镜 指向光源 7 3D显示技术分类 立体视觉显示技术 1 虚拟现实的概念特征 组成要素 逼真的感觉 视觉 听觉 触觉 嗅觉等 自然的交互 运动 姿势 语言 身体跟踪等 个人的视点 用户的眼 耳 身所感到的感觉信息 迅速的响应 信息根据视点变化和用户输入及时更新 采用以计算机技术为核心的现代高科技手段生成逼真的视觉 听觉 触觉 嗅觉 味觉等一体化的虚拟环境 用户从自己的视点出发 借助特殊的输入输出设备 采用自然的方式与虚拟世界的物体进行交互 相互影响 第四章典型光电信息系统 虚拟现实系统基本特征 2 虚拟现实的概念特征 第四章典型光电信息系统 3 虚拟现实与仿真的区别 4 虚拟现实分类 按照系统功能和实现方式的不同 可以分为三种类型 1 沉浸型虚拟现实系统 可穿戴 VR系统 2 简易型虚拟现实系统 桌面VR系统 3 分布式虚拟现实 5 合成孔径光学成像技术如何提升作用距离 需求分析 随着现代战争技术发展 对于远距离领空的目标图像分辨率要求逐步提高 研制该系统可有效探测识别低小慢目标 对国家的领空安全至关重要 传统光学成像系统角分辨力受波长和系统孔径限制 而系统加工成本和飞行器有效载荷体积等因素限制系统孔径增大 因此 各国均将如何设计新型光学系统来满足大口径成像作为核心研究内容 第四章典型光电信息系统 光电成像的探测方程 探测能力与孔径尺寸的关系 1 22 D 望远镜分辨率公式 5 合成孔径光学成像技术如何提升作用距离 宽场仿生多孔径光学系统原理 6 仿生多孔径光学系统增加视场原理 第五章光电信息处理技术 图像拼接 imagemosaic 技术是将一组相互间存在重叠部分的图像序列进行空间匹配对准 经重采样融合后形成一幅包含各图像序列信息的宽视角场景的 完整的 高清晰的新图像的技术 图像拼接技术主要包括图像配准和图像融合两个关键环节 图像配准是图像拼接的核心部分 按照配准算法所利用的图像信息 可以分为基于区域的方法和基于特征的方法 基于区域的匹配主要是模板匹配和基于相位 频率 的匹配方法 基于特征的匹配包括基于特征点集的匹配和基于线特征 图像中边缘信息 的匹配算法 7 图像拼接定义 核心技术 图像拼接 图像坐标变换模型 a 原图像 b 刚体变换 c 仿射变换 d 投影变换 1 仿射变换仿射变换是指如果一幅图像中的直线经过映射后到另一幅图像上仍为直线 并且仍为平行关系 2 刚体变换如果一幅图像中的两点间的距离 在经变换后转移到另一幅图像中仍然保持不变 则这种变换称为刚体变换 3 投影变换如果一幅图像中的直线经过映射后到另一幅图像上仍为一条直线 但平行关系变化 则这种变换称为投影变换 7 图像拼接定义 核心技术 8 尺度不变特征变换 SIFT算法 主要思想 SIFT主要思想 SIFT算法是一种提取局部特征的算法 在尺度空间寻找极值点 提取位置 尺度 旋转不变量 SIFT算法的特点有 1 SIFT特征是图像的局部特征 其对旋转 尺度缩放 亮度变化保持不变性 对视角变化 仿射变换 噪声也保持一定程度的稳定性 2 独特性好 信息量丰富 适用于在海量特征数据库中进行快速 准确的匹配 3 多量性 即使少数几个物体也可产生大量SIFT特征向量 4 高速性 经优化的SIFT匹配算法甚至可以达到实时的要求 5 可扩展性 可以很方便的与其他形式的特征向量进行联合 9 图像融合的层次 图像融合可以在3个不同层次进行 一是像素层 pixel 二是特征层 feature 三是决策层 dicisionlevel 第五章光电信息处理技术 10 稳像技术分类 机械式稳像 用机电的方法来达到稳像目的 在大型的武器系统中将整个仪器置于稳定平台上 在电视摄像头中 是将整个光学系统稳定起来 光学稳像 用光学的方法实现图像稳定 在光路中设置一些光学元件来作为对不稳定图像的补偿 光学稳像与机械式稳像都是采用专门的装置 如各种陀螺仪 电子稳像 应用计算机数字图像处理和电子技术的方法来直接确定图像序列的帧间偏移 从而进行补偿 该方法由于不需要额外增加精密机械 光学和电子元器件等设备 具有灵活性强 精度高及高智能化等特点 第五章光电信息处理技术 11 电子稳像的基本原理 电子稳像是利用电子设备和数字图像处理技术相结合的方法 通过检测出参考图像和被比较图象的运动矢量 并利用其补偿被比较图像 从而消除或减轻视频图像序列帧间的不稳定 获取清晰而稳定的视频图像序列 第五章光电信息处理技术 2020 1 27 45 SIFT算法的实质可以归为在不同尺度空间上查找特征点 关键点 的问题 12 SIFT算法实现步骤 第五章光电信息处理技术 1 静止背景下的目标检测帧差分法 13 运动目标检测 静态场景和动态场景 静态场景目标检测相对简单 研究渐趋成熟动态场景相对复杂 成为当前研究领域的热点 第五章光电信息处理技术 要检测动态场景中的运动目标 关键在于对场景的运动进行估计 通过估计出的运动参数补偿其运动 最后使用帧差法得到运动目标 13 运动目标检测 静态场景和动态场景 将目标分片 建立目标分片表现模型 模板 在目标上一帧的位置周围遍历搜索 找到与目标模板相似度最高的候选目标作为跟踪结果 其中相似度的度量是通过各片的空间直方图匹配来实现的 确定目标位置后 判断目标中各片的有效性 仅利用有效片进行下一帧的跟踪 被遮挡的区域 片基本丢失 14 分片跟踪 部分遮挡目标跟踪 原理 缺点 1 对模式畸变较敏感 当目标发生尺寸或旋转畸变时 相关峰将降低 2 零级衍射项强度很高而且宽度大 这将影响互相关峰的观察 3 背景较复杂时 互相关峰湮没在弥散斑中 4 背景中出现相似目标时 易发生误判现象 以上因素将导致系统的识别能力下降 要解决这些问题就必须对功率谱进行改造和优化 14 经典联合变换相关器的缺点及改进方法 14 经典联合变换相关器的缺点及改进方法 15 模式识别系统的工作流程 数据获取 预处理 特征提取与选择 分类决策 分类器设计 信号空间 特征空间 第六章成像性能综合测试 52 1 传统测试与现代光电测试