CN108289179A - 一种提高视频信号采集抗干扰能力的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种提高视频信号采集抗干扰能力的方法，本发明基于近红外激光补光技术，采用衍射光学元件(DOE)对激光光源进行光束整形得到可以覆盖摄像机视角的光源，该光源可以照射一定距离内的物体，摄像头前置一个窄带滤光片，激光的波长范围和窄带滤光片的带通范围一致，这样就可以保证激光补光光源的能量能通过窄带滤光片，而环境光的能量一般是宽频带能量，其在窄带滤光片通带范围内的光能量的比例及其少，因此可以滤除绝大部分的环境光。最后，让激光以隔帧点亮的方式工作，这样摄像头采集到的是隔帧补光的视频源，将相邻两帧作差合成一帧，则得到彻底消除环境光的视频流。本发明的目的是去除环境光，为各领域提供稳定的视频信号。
Description
【技术领域】
本发明涉及视频信号采集及处理领域，具体涉及一种提高视频信号采集抗干扰能力的方法。
【背景技术】
视频信号的采集离不开照明，完全没有亮度的空间是无法成像的。然而，如果环境光的变化太剧烈，也会对视频信号产生干扰，对后续的图像识别产生影响。为了克服这种干扰，中国发明专利CN200710176106采用红外LED作为补光光源，对人脸进行照射，在摄像机的前端放置一滤光片，该滤光片能让LED波段的光通过，而把大部分的环境光滤除。由此获得具有一定光照稳定性的近红外图像，供识别模块进行识别。然而该法仍然存在很大部分的环境光，其波长属于滤光片带通范围内的光可以通过，在环境光照比较强烈的情况下，此影响仍然很难忽略。因而，中国发明专利CN201010220908对此作进一步的提升，提出一种帧间作差的方法，此时LED不是持续点亮的而是隔帧点亮的，然后对奇帧和偶帧作差，则得到进一步消除环境光影响的视频流。以上方法在人脸识别上确实取得一定的实用效果。因为人脸识别是近距离的，环境没有那么恶劣的情况下使用。然而，把视频识别作为人工智能，安防监控，自动控制等方面的重要的传感技术的话，需要进一步的消除环境光的影响，才能使其有较好的鲁棒性，因为它将面对的环境是难以预料的，并且是不分白天黑夜的，通常是比人脸识别更远的距离的，同时要求有较苛刻的可靠性。比如在太阳强烈，车头灯，舞台闪灯等强光直视的场合，以上的两种技术都很难得到较好的图像质量。再者，在夜晚的场合，以上两种技术将得到更加糟糕的结论，因为画面很可能会过于昏暗。
【发明内容】
针对以上问题，本发明提出了一种提高视频信号采集抗干扰能力的方法。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：本发明基于近红外激光补光技术，采用DOE光束整形片对激光光源进行光束整形得到可以覆盖摄像机视角的光源，该光源可以照射一定距离内的物体，摄像头前置一个窄带滤光片，激光的波长范围和窄带滤光片的带通范围一致，这样就可以保证激光补光光源的能量能通过窄带滤光片，而环境光的能量一般是宽频带能量，其在窄带滤光片通带范围内的光能量的比例及其少，因此可以滤除绝大部分的环境光，最后，采用帧间差分法让激光以隔帧点亮的方式工作，这样摄像头采集到的是隔帧补光的视频源，将相邻两帧作差合成一帧，则得到彻底消除环境光的视频流。
在本发明所述一种提高视频信号采集抗干扰能力的方法中，所述近红外激光补光技术采用840nm、870nm、910nm或者940nm的半导体近红外激光器作为补光光源(相比红外LED，该光源有着更窄的光谱成分，光谱越窄，越有利于滤除环境光)，激光的单色性非常好，一般光谱宽度小于5nm，考虑温度对光谱漂移的影响，激光的光谱宽度也会在±10nm以内，因此，窄带滤光片的带通宽度为20nm。
在本发明所述一种提高视频信号采集抗干扰能力的方法中，所述DOE光束整形片的作用是对光束整形，让激光的能量可以均匀的照射整个场景，形成可以覆盖整个摄像机视场角的发散光源。
在本发明所述一种提高视频信号采集抗干扰能力的方法中，所述窄带滤光片的带通范围为20nm左右，其中心波长和激光对应，若采用830nm的激光器，则滤光片的中心波长也是830nm，其带通范围为820nm～840nm；在带通范围内的透过率为75％，带通范围外的透过率接近0％；由于激光的波长范围和滤光片的带通范围非常吻合，所以透过率约75％。而环境光有着非常宽的光谱范围，因此其透过率小于2％。
在本发明所述一种提高视频信号采集抗干扰能力的方法中，所述帧间差分法：通过上述的窄带滤光片，红外激光有75％左右的透过率，环境干扰光有2％的透过率，当环境光的亮度很大时，2％的能量也是一个不可忽略的值，甚至有可能高于红外激光的能量。将激光隔帧点亮，这样就得到一帧含激光补光+环境光的视频帧，而下一帧则仅含环境光的视频帧，把两帧作差，则得到仅含激光补光的视频帧，将两帧作差得到一帧纯激光的视频，使帧率减少一半，可以采取复制的方式，使帧率保持在原来的数值；比如第n帧和第n-1帧作差，得到该时刻下仅含激光光源的新视频帧第n帧，复制新视频流第n帧，放在新视频流的第n-1帧里。
在本发明所述一种提高视频信号采集抗干扰能力的方法中，激光点亮的时间周期和视频的帧周期同步，即视频每一帧曝光的时间和激光点亮和熄灭的同步。
实施本发明所述一种提高视频信号采集抗干扰能力的方法，具有以下有益效果：采用本发明所述提高视频信号采集抗干扰能力的方法，将得到去除环境光、LED光、舞台光等光源影响的视频流，该视频流的光照度均来自于近红外激光光源。
【附图说明】
图1是本发明所述一种提高视频信号采集抗干扰能力的方法的结构示意图。
【具体实施方式】
如图1所示，在本发明所述提高视频信号采集抗干扰能力的方法优选实施例中，激光模组包含半导体激光器及准直透镜，所述半导体激光器采用近红外波长，一般的，中心波长为830nm、850nm、870nm、904nm或者980nm的半导体近红外激光器均可以考虑，比如选择850nm；准直透镜时激光调制成准直光输出。该模组用铜管封装。
在本发明所述提高视频信号采集抗干扰能力的方法优选实施例中，实现CMOS的曝光时间和激光的开关时间同步。将CMOS的时钟信号发送给激光头控制器，在激光点亮帧开始曝光时，激光头控制器控制激光头开始发光，当该帧曝光完毕时，激光头同时熄灭。在下一帧非激光点亮帧时，激光一直保持熄灭状态，直到下一帧激光点亮帧开始曝光才点亮。CMOS帧率一般为10帧到60帧均可考虑，比如我们选择25帧。
在本发明所述提高视频信号采集抗干扰能力的方法优选实施例中，DOE光束整形片可以是一些光束整形透镜或者衍射光学元件，比如我们选择衍射光学元件，实现将准直光发散，使得调制后的发散光可以均匀照射摄像机将要拍摄的场景。一般来说，发散光的发散角，要大到刚好足以覆盖整个摄像机的视场角为最合适。比如摄像机的水平方向的视场角为75度时，光束的发散角也为75度左右。
在本发明所述提高视频信号采集抗干扰能力的方法优选实施例中，窄带滤光片的带通范围和激光波长对应，它的中心波长和激光的中心波长一致时为最佳状态，它的通带带宽一般在50nm以下合适，带宽越小，系统抗环境光干扰则越好。比如选择850nm激光器时，滤光片的带宽为840nm～860nm，带宽内的平均透过率约为75％，带宽外的能量透过率接近0％。
在本发明所述提高视频信号采集抗干扰能力的方法优选实施例中，镜头将光能聚焦在CMOS的感光面上。镜头可以是变焦或者定焦的比如我们选择定焦镜头。选择大光圈的镜头有利于提高能量利用率。
在本发明所述提高视频信号采集抗干扰能力的方法优选实施例中，CMOS可以是各种性能的，比如我们可以选择720P@25fps，同时，采用低照度及高宽动态范围的CMOS有利于提升视频质量。CMOS可以是彩色的，或者是黑白的。
在本发明所述提高视频信号采集抗干扰能力的方法优选实施例中，图像预处理模块将CMOS的视频流做帧间差分处理，由于激光光源采用隔帧点亮的方式，因此这样的相邻两帧之间的视频图像作差，则得到剔除环境杂散光影响的视频图像，激光光源是唯一的光源，然后将作差后的帧按次序排列，生成新的视频流。在此，图像预处理模块可以进行传统的像质提升处理，比如伽玛校正，自动曝光补偿，自动白平衡等。也可以不做这些处理。比如我们可以考虑保留伽玛校正和自动聚焦功能，关闭自动曝光补偿和自动白平衡等功能。
在本发明所述提高视频信号采集抗干扰能力的方法优选实施例中，将图像预处理模块得到的优化后的新的视频流送入前端的AI处理模块，或者通过传输模块压缩并传到后端进行AI的相关处理。前端处理和后端处理都是可行的。比如我们将算法前端处理，即摄像机集成AI模块，模块可以是嵌入式的，或者是PC，或者是GPU，或者是专有芯片。
Claims (6)
1.一种提高视频信号采集抗干扰能力的方法，其特征在于，包括摄像头、激光发射头、激光头控制器及驱动电路、DOE光束整形片、窄带滤光片、图像预处理模块，本发明基于近红外激光补光技术，采用DOE光束整形片对激光光源进行光束整形得到可以覆盖摄像机视角的光源，该光源可以照射一定距离内的物体，摄像头前置一个窄带滤光片，激光的波长范围和窄带滤光片的带通范围一致，这样就可以保证激光补光光源的能量能通过窄带滤光片，而环境光的能量一般是宽频带能量，其在窄带滤光片通带范围内的光能量的比例及其少，因此可以滤除绝大部分的环境光，最后，采用帧间差分法让激光以隔帧点亮的方式工作，这样摄像头采集到的是隔帧补光的视频源，将相邻两帧作差合成一帧，则得到彻底消除环境光的视频流。
2.根据权利要求1所述一种提高视频信号采集抗干扰能力的方法，其特征在于，所述近红外激光补光技术采用840nm、870nm、910nm或者940nm的半导体近红外激光器作为补光光源(相比红外LED，该光源有着更窄的光谱成分，光谱越窄，越有利于滤除环境光)，激光的单色性非常好，一般光谱宽度小于5nm，考虑温度对光谱漂移的影响，激光的光谱宽度也会在±10nm以内，因此，窄带滤光片的带通宽度为20nm。
3.根据权利要求1所述一种提高视频信号采集抗干扰能力的方法，其特征在于，所述DOE光束整形片的作用是对光束整形，让激光的能量可以均匀的照射整个场景，形成可以覆盖整个摄像机视场角的发散光源。
4.根据权利要求1所述一种提高视频信号采集抗干扰能力的方法，其特征在于，所述窄带滤光片的带通范围为20nm左右，其中心波长和激光对应，若采用830nm的激光器，则滤光片的中心波长也是830nm，其带通范围为820nm～840nm；在带通范围内的透过率为75％，带通范围外的透过率接近0％；由于激光的波长范围和滤光片的带通范围非常吻合，所以透过率约75％，而环境光有着非常宽的光谱范围，因此其透过率小于2％。
5.根据权利要求1所述一种提高视频信号采集抗干扰能力的方法，其特征在于，所述帧间差分法：通过上述的窄带滤光片，红外激光有75％左右的透过率，环境干扰光有2％的透过率，当环境光的亮度很大时，2％的能量也是一个不可忽略的值，甚至有可能高于红外激光的能量；将激光隔帧点亮，这样就得到一帧含激光补光+环境光的视频帧，而下一帧则仅含环境光的视频帧，把两帧作差，则得到仅含激光补光的视频帧，将两帧作差得到一帧纯激光的视频，使帧率减少一半，可以采取复制的方式，使帧率保持在原来的数值；比如第n帧和第n-1帧作差，得到该时刻下仅含激光光源的新视频帧第n帧，复制新视频流第n帧，放在新视频流的第n-1帧里。
6.根据权利要求5所述一种提高视频信号采集抗干扰能力的方法，其特征在于，激光点亮的时间周期和视频的帧周期同步，即视频每一帧曝光的时间和激光点亮和熄灭的同步。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20180717 |