數(shù)字化槍用瞄準(zhǔn)鏡校正儀數(shù)字圖像亮度調(diào)節(jié)方法研究

朱自輝

摘要：瞄準(zhǔn)鏡校正儀發(fā)展到今天，工人們?cè)谛Ｕ闇?zhǔn)鏡時(shí)，已經(jīng)無(wú)需直接對(duì)瞄準(zhǔn)鏡進(jìn)行目視來(lái)手動(dòng)校政，通過(guò)高速攝像機(jī)接受光線導(dǎo)入計(jì)算機(jī)來(lái)減少誤差，而本文研究方向就是著重于解決在校正過(guò)程中如何解決亮度調(diào)節(jié)的一系列問(wèn)題，本文通過(guò)從硬件燈光源，和軟件相機(jī)曝光時(shí)間，計(jì)算機(jī)圖像亮度處理兩方面，嘗試解決在使用校正儀校正瞄準(zhǔn)鏡中出現(xiàn)的圖像亮度明暗不定等問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化槍用瞄準(zhǔn)鏡校正儀；相機(jī)曝光時(shí)間調(diào)整；直方圖均衡化

1.校正儀系統(tǒng)組成與瞄準(zhǔn)鏡工作原理

1.1校正儀系統(tǒng)組成與成像原理

校正儀的組成為：點(diǎn)光源射出光線到桌面固定需校正的瞄準(zhǔn)鏡，通過(guò)瞄準(zhǔn)鏡的光線被高速攝像機(jī)接收在計(jì)算機(jī)上顯示。

因光學(xué)系統(tǒng)的所有波段都具有相同的參考點(diǎn)，因此可以直接使用白光來(lái)校準(zhǔn)肉眼可以觀察到的白光，常用的校準(zhǔn)方法是基于自動(dòng)準(zhǔn)直。自動(dòng)準(zhǔn)直原理：物鏡位于焦平面光照射后，遇到垂直于軸平面的鏡面反射，再次在物鏡的焦平面上成像，如同標(biāo)線重疊，但如果光沿光軸出射，偏移光軸角度一段時(shí)間，反射光偏移光軸角度為2a。系統(tǒng)需要在光罩準(zhǔn)直目鏡后進(jìn)行安裝，觀察并調(diào)整光罩的位置，給定校準(zhǔn)器標(biāo)線采用不透明材質(zhì)，如使用校準(zhǔn)系統(tǒng)，可形成為光罩色調(diào)。校準(zhǔn)系統(tǒng)方法可以克服上述缺陷，但是整個(gè)檢測(cè)裝置由平行光管，安裝平臺(tái)、五棱鏡、基準(zhǔn)面和上部單元組成，根據(jù)軸直徑尺寸d、q、L的設(shè)計(jì)安裝在平臺(tái)上內(nèi)部結(jié)構(gòu)和槍管結(jié)構(gòu)，機(jī)械推力軸可繞中心軸線180°在孔中。旋轉(zhuǎn)它可通過(guò)將校準(zhǔn)器的彈出光轉(zhuǎn)動(dòng)90°，棱鏡可沿基準(zhǔn)電平移動(dòng)。

為在平面線上對(duì)CCD接收面進(jìn)行成像，在上位機(jī)中顯示圖像處理裝置。參考點(diǎn)的校準(zhǔn)分為兩個(gè)步驟：一是聚焦過(guò)程，使分光板在球面鏡的焦平面上，確保光平行于光；調(diào)整光軸的對(duì)準(zhǔn)。該步驟使平行光軸平行于機(jī)械軸。通過(guò)平行光管和光路的成像原理，如果校準(zhǔn)儀器出現(xiàn)平行光，分隔槽只能在CCD接收面成像，PC顯示類似于清晰狀態(tài)；如果噴射軸的軸平行于機(jī)械插入軸，校準(zhǔn)器從位置1旋轉(zhuǎn)180°。

1.2瞄準(zhǔn)鏡的鏡片鍍膜

不鍍膜的鏡頭，其鏡片的透光率比較低，鏡片表面的反光比較嚴(yán)重，稱為“白頭”，對(duì)光譜中的各種光線都有較強(qiáng)的反射，因此反光的綜合顏色發(fā)白。

單層鍍膜的鏡頭，其鏡片表面的反光較弱，它能大大增加光譜中部的黃綠光透過(guò)率，只有光譜兩端的紅光和藍(lán)光才被反射，因此反光一般呈淡藍(lán)紫色。

多層鍍膜的鏡頭，其鏡頭的透光率極高，鏡片表面的直接反光很弱，蓋上鏡頭尾蓋，正對(duì)著鏡片玻璃逆光觀看，只見(jiàn)鏡頭內(nèi)“很黑”，只有從鏡片的側(cè)面觀察才可以看到彩色的反光，這種反光多為深紅（大幅增透藍(lán)光）、深藍(lán)（大幅增透紅光）、深黃（大幅增透藍(lán)綠光）和深綠色，其中深綠色的鍍膜可以同時(shí)增加光譜兩端的藍(lán)光和紅光的透過(guò)率，只有光譜中部的黃綠色光才被反射回來(lái)，因?yàn)檫@種增透膜的透過(guò)率曲線有紅、藍(lán)兩個(gè)增透峰值，就像兩個(gè)駝峰一樣，故又稱為“雙峰膜”。多層鍍膜的鏡頭，其各個(gè)鏡片不可能都鍍上同一種增透膜，否則這個(gè)鏡頭就會(huì)發(fā)生偏色。因此，每一個(gè)鏡頭的不同鏡片，要根據(jù)鏡片所用的材質(zhì)及其對(duì)不同色光的吸收程度，分別鍍上不同特性的增透膜，相互搭配起來(lái)，既能使鏡頭總的透光率增加，又能使鏡頭對(duì)色光的透過(guò)率達(dá)到平衡，做到既不偏藍(lán)也不偏紅。因此，不同材質(zhì)的鏡片就要鍍上不同特性的增透膜，所以其鏡片反光的顏色也不可能相同。

1.3光學(xué)瞄準(zhǔn)鏡

光學(xué)瞄準(zhǔn)鏡的最主要功能是使用光學(xué)透鏡成像，將目標(biāo)影像和瞄準(zhǔn)線重疊在同一個(gè)聚焦平面上，即使眼睛稍有偏移也不會(huì)影響瞄準(zhǔn)點(diǎn)。通常光學(xué)瞄準(zhǔn)鏡可以放大影像倍數(shù)，也有不放大倍數(shù)的。而可放大倍數(shù)的瞄準(zhǔn)鏡又可分固定倍數(shù)或可調(diào)倍數(shù)兩類，如4x28指的是物鏡直徑28公厘，固定放大倍率4倍的瞄準(zhǔn)鏡，3-9x40則是物鏡40公厘，可調(diào)整放大倍率從3倍到9倍的瞄準(zhǔn)鏡。

2.數(shù)字化槍用瞄準(zhǔn)鏡校正儀數(shù)字圖像亮度調(diào)節(jié)方法

數(shù)字化槍用瞄準(zhǔn)鏡校正儀一般前視是物鏡，在鏡頭中心的鏡筒后會(huì)有一個(gè)調(diào)節(jié)旋鈕，背面是目鏡，也是人們眼睛觀看的地方，瞄準(zhǔn)鏡子的底部最多會(huì)有一個(gè)卡槽也被稱為燕尾槽，主要用于安裝在設(shè)備上，一般都是整體。在開始使用時(shí)，為了打開鏡頭蓋和光學(xué)瞄準(zhǔn)鏡目鏡罩，然后將眼睛靠近目鏡，通過(guò)瞄準(zhǔn)鏡觀察目標(biāo)，此時(shí)眼睛將是一個(gè)標(biāo)線，標(biāo)線片旨在幫助瞄準(zhǔn)，只有瞄準(zhǔn)標(biāo)線的部分，以確保數(shù)字化槍用瞄準(zhǔn)鏡校正儀的效果。需要順時(shí)針旋轉(zhuǎn)屈光度調(diào)節(jié)環(huán)直到扭曲，然后瞄準(zhǔn)逆時(shí)針調(diào)整，直到目標(biāo)紋理清除，然后調(diào)整鏡頭，直到圖像和線條清晰。在定位過(guò)程中，應(yīng)做好調(diào)節(jié)工作，以便可使用數(shù)字化槍用瞄準(zhǔn)鏡校正儀數(shù)字圖像亮度，做好調(diào)節(jié)工作，以清楚地觀察目標(biāo)。

3.點(diǎn)光源對(duì)圖像亮度的影響和選取點(diǎn)光源

在研究中，依次嘗試過(guò)很多燈泡并根據(jù)燈泡的特點(diǎn)來(lái)判斷了各種燈泡是否適合做點(diǎn)光源，然后發(fā)現(xiàn)了下述燈泡均不太適合作為點(diǎn)光源。燈泡特點(diǎn)依次為：

（1）白熾燈泡，閃爍，采集的圖像明暗變化不穩(wěn)定，光照不均勻。

（2）led 燈泡，但只有側(cè)面的發(fā)光器件，頂部沒(méi)有，所以光照不均勻。

（3）led射燈，縱向尺寸太長(zhǎng)無(wú)法安裝.

（4）led球泡燈，橫向尺寸太寬無(wú)法安裝。

而其他實(shí)驗(yàn)室常用的燈源也有缺點(diǎn)：

激光燈源：光線過(guò)于集中，不能通過(guò)校正儀矯正瞄準(zhǔn)鏡。

納光燈源：光線分散，光照不均勻。

4.高速相機(jī)的曝光時(shí)間對(duì)圖像亮度的影響和調(diào)整方法研究

因?yàn)橛孟鄼C(jī)代替了人眼接受光線，故產(chǎn)生在計(jì)算機(jī)上的圖像會(huì)有閃爍或者條紋，而本文還將研究如何通過(guò)調(diào)整曝光時(shí)間來(lái)解決瞄準(zhǔn)鏡變倍時(shí)因接受光通量改變而使圖像亮度改變。

4.1高速相機(jī)的原理：高速相機(jī)的自動(dòng)曝光包括兩個(gè)步驟，第一步是圖像亮度的測(cè)量，第二步是曝光時(shí)間調(diào)整。

4.2相機(jī)幀頻與曝光時(shí)間的關(guān)系：高速相機(jī)的最低曝光時(shí)間一般為高速相機(jī)允許的最小曝光時(shí)間，而最高曝光時(shí)間則主要受相機(jī)工作幀頻的限制：曝光后的圖像需要實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)移到內(nèi)存中，因此每幀都要留有充分的幀轉(zhuǎn)移時(shí)間來(lái)完成圖像轉(zhuǎn)移工作高速相機(jī)在工作時(shí)，其最大曝光時(shí)間與工作幀頻成反比，換而言之，幀頻越高則最大曝光時(shí)間越短，相機(jī)對(duì)光線變化場(chǎng)景的適應(yīng)性越差。

4.3曝光時(shí)間粗調(diào)

通過(guò)調(diào)整曝光時(shí)間可以使光的明暗發(fā)生改變，本文改變調(diào)整曝光時(shí)間為下述兩個(gè)方法：曝光粗調(diào)以及曝光精調(diào)。

在曝光粗調(diào)階段，首先提取圖片的Roi，并獲得4個(gè)HF函數(shù)值。隨后，有兩個(gè)條件可以觸發(fā)曝光粗調(diào)，其中α、β為提前按照曝光時(shí)間的增減幅度大小設(shè)定的固定值。并切同時(shí)間要使曝光時(shí)間在不能超過(guò)相機(jī)曝光時(shí)間的量程。當(dāng)曝光時(shí)間被系統(tǒng)檢測(cè)超過(guò)高速相機(jī)量程，則表示對(duì)于目前光照條件，曝光系統(tǒng)無(wú)法控制相機(jī)良好成像，應(yīng)該直接終止自動(dòng)曝光控制。

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（作者單位：漢口學(xué)院光電信息科學(xué)與工程專業(yè)）