1、光電信息系統設計總結,2017.12.15,第1章 緒論,1、光電系統的概念和意義？,2、光電成像系統構成？,輻射源,傳輸介質,光學成像系統,光電轉換器件,信號處理,圖像重現,第2章 光電圖像的獲取技術,1、人眼的視覺的適應：人眼視覺響應分哪三類？,明視覺響應：人眼適應大于或等于3cd/m2的視場亮度時，視覺由錐狀細胞起作用。,暗視覺響應：人眼適應小于或等于310-5cd/m2的視場亮度時，視覺由桿狀細胞起作用。（夜間的灰白）,中介視覺響應：視場亮度介于明、暗視覺響應之間時,視覺響應逐漸由錐狀細胞轉向桿狀細胞起作用。,人眼視覺響應隨著外界視場亮度的變化可分三類:,2、人眼的分辨力如何定義？受什

2、么因素影響？,第2章 光電圖像的獲取技術,第2章 光電圖像的獲取技術,2、影響圖像探測極限的因素？ （影響光電成像系統分辨景物細節的主要因素有哪些？） 景物細節的輻射亮度或單位面積的輻射強度； 景物細節對光電成像系統接收孔徑的張角； 景物細節與背景之間的輻射對比度。,3、 光電成像的圖像探測方程,當滿足上式時，圖像可以被探測到。該表達式包含兩類參數：表征圖像：圖像的平均亮度Bm，圖像的對比度C，圖像的視角；表征光電成像系統：光電成像系統的接收孔徑D，光電成像的光電轉換量子效率，光電成像的有效積分時間。,上式定量的描述了圖像探測特性， Bm 、 、 C決定的圖像細節可以被D、確定的光電成像系統探

3、測到。,第2章 光電圖像的獲取技術, 目標的等效條帶：一組黑白間隔相等的條帶狀圖案，其總高度為基本上能被識別的目標臨界尺寸，及目標的最小投影尺寸，其長度為垂直于臨界尺寸方向的橫跨目標的尺寸，等效條帶圖案的可分辨力為目標臨界尺寸所包含的可分辨的條帶數(周臨界尺寸)。 約翰遜論證了等效條帶圖案可分辨力能用來預測目標的探測識別，通過實驗確定了各類目標探測識別準則。,4、約翰遜（Johnson）準則,第2章 光電圖像的獲取技術,工業上一般采用以下判斷準則：,4、約翰遜（Johnson）準則,第2章 光電圖像的獲取技術,電荷耦合器件（CCD）是由一系列排得很緊密的MOS電容器組成。 CCD的特點以電荷作

4、為信號 CCD的基本功能電荷存儲和電荷轉移 CCD工作過程信號電荷的產生、存儲、傳輸和檢測,5、光電耦合器件-CCD,第2章 光電圖像的獲取技術,技術角度： （1）信息讀取方式不同 （2）速度不同 （3）電源及功耗不同 （4）成像質量不同 內部結構不同： CCD：電荷轉移 CMOS：電荷-電壓轉換,6、CCD與CMOS區別,第2章 光電圖像的獲取技術,微小尺寸的檢測（10500um）,用衍射的方法對細絲、狹縫、微小位移、微小孔等進行測量。,例：,7、CCD與CMOS的應用,第2章 光電圖像的獲取技術,d細絲直徑；K衍射暗紋級次K=1,2,3； 激光波長；,L被測細絲到CCD光敏面的距離；,被測

5、細絲到第K級暗紋的連線，與光線主軸的夾角；,xk第K級暗紋到光軸的距離。,3,根據夫瑯和費衍射公式 :,可以得到：,當很小時（即L足夠大時）Sintg= xk/L,代入,得到：,S暗紋寬度，S=XK/K是相等的，則測細絲直徑d轉化為用CCD測S,例：He-Ne激光632.8nm, L=1000mm0.5mm, d=500m,當CCD像元選用131m,測量誤差：,絲越細，測量精度越高（d越小S越大），甚至可達到d=10-2m.,8、夜視技術解決問題的基本思路？（四個） （1）使用大口徑的望遠鏡，盡可能多的得到光能量； （2）像電子學那樣，設法對微弱的光圖像進行放大； （3）用紅外線探照燈或紅外照

6、明彈對景物進行照明； （4）利用景物在紅外波段的輻射能量實現熱成像。,第2章 光電圖像的獲取技術,S暗紋寬度，S=XK/K是相等的，則測細絲直徑d轉化為用CCD測S,紅外成像系統,核心：如何將紅外圖像轉變為可見光圖像？,第2章 光電圖像的獲取技術,9、紅外成像系統的分類？,10、簡述微光夜視儀的結構組成與工作原理。,微光夜視儀是在夜間低照度下，將目標反射月光、星光等微弱自然光形成的圖像增強、放大成人眼可見圖像的夜視器材。 微光夜視儀由微光物鏡、像增強器、目鏡及電源等組成。其核心部分是像增強器，也稱微光管，由光電陰極、電子透鏡、熒光屏組成。,微弱的 光學圖像,自然 景物,微弱的 電子圖像,增強的

7、 電子圖像,增強的 光學圖像,物鏡,光陰極,微通道板,熒光屏,目鏡,像增強器,第2章 光電圖像的獲取技術,11、像增強器發展歷程：,一代管以三級級聯增強技術為特征，增益高達幾萬倍，但體積大，重量重 二代管以微通道板（MCP）增強技術為特征，體積小，重量輕，但夜視距離無明顯突破 三代管則采用了負電子親和勢（NEA）GaAs光電陰極，使夜視距離提高1.5-2倍以上,第2章 光電圖像的獲取技術,第三章 光電顯示技術,1. 液晶的晶相？ 常見液晶的晶相有向列相（nematic）、膽甾相（cholesteric）和近晶相（smectic）等。 2、液晶顯示器的分類 根據驅動方式分類，可將LCD產品分為扭

8、曲向列（TN）型、超扭曲向列（STN）型及薄膜晶體管（TFT）型3大類。 3、液晶顯示器的工作原理？,TFT-LCD使用的液晶為TN（Twist Nematic）型液晶，分子成橢圓狀。TN型液晶一般是順著長軸方向串接，長軸間彼此平行方式排列；當接觸到槽狀表面時，液晶分子就會順著槽的方向排列與槽中。,液晶顯示技術,3 液晶顯示器件的顯像原理,當液晶被包含在兩個槽狀表面中間，且槽的方向相互垂直，則液晶分子的排列為： a）上表面分子：沿著a方向； b)下表面分子：沿著b方向； c）介于上下表面中間的分子：產生旋轉的效應。 因此液晶分子在兩槽狀表面間產生90的旋轉。,液晶顯示技術,3 液晶顯示器件的顯

9、像原理,當線性偏極光射入上層槽狀表面時，此光線隨著液晶分子的旋轉也產生旋轉。 當線性偏極光射出下層槽狀表面時，此光線已經產生了90度的旋轉。,液晶顯示技術,3 液晶顯示器件的顯像原理,當在上下表面之間加電壓時，液晶分子會順著電場方向排列，此時入射光線不再會旋轉，因而光線直線射出下表面。,液晶顯示技術,3 液晶顯示器件的顯像原理,偏光片特性： 當非偏振光通過a方向的偏光片時，光線被過濾成與a方向平行的線性偏振光。 上圖：偏振方向相同，線性偏極光繼續前進，通過第二片偏光片時，光線通過。 下圖：偏振方向不同，通過第二片時，光線被完全阻擋。,液晶顯示技術,3 液晶顯示器件的顯像原理,偏振光透過液晶分子

10、，偏振方向發生旋轉，光線可通過偏光片。,液晶顯示技術,3 液晶顯示器件的顯像原理,當液晶分子呈如圖方向排列時，光線偏振方向將不再發生旋轉，最終無法通過偏光片。,液晶顯示技術,3 液晶顯示器件的顯像原理,DMD是一個利用二進制Pulsewidth(脈沖寬度PWM)調整技術來實現對基于半導體的微鏡組進行精確數據交換的裝置.,DMD是DLP的核心。一個DMD可被簡單描述成為一個半導體光開關。成千上萬個微小的方形16x16um鏡片，被建造在靜態隨機存取內存上方的鉸鏈結構上而組成DMD。 鉸鏈結構允許鏡片在兩個狀態之間傾斜，+10度為“開”。 -10度為“關”，當鏡片不工作時，處于0度“停泊”狀態。,4

11、、的工作原理？,5、灰度和顏色的控制？,灰度控制： 由于DMD能斷斷續續的快速旋轉來實現對光的反射和關閉，需要的光通過投影鏡頭反射到我們眼睛。DMD的轉換響映時間是2毫秒,從機械動作的切換到微鏡的穩定需要的時間15微秒,這遠遠快過人體對光線轉換的反映時間，通過控制鏡片的反射時間實現不同的灰度. 顏色控制: 顏色是利用高速旋轉的分色輪同DMD鏡片的有效反射獲得的。通過一個色彩環系統過濾掉部分光線所產生的色彩加進影象中。該色彩輪依送入DMD數字信號的紅，綠，藍順序旋轉，小鏡子根據像素的位置及色彩的多少被打開或關閉。,雙眼3D視覺： 雙眼視差：雙眼從略微不同的角度注視物體，且雙眼視像的差異隨距離改變

12、 ； 會聚效應：左右眼在觀看遠近不同的兩點時，眼球轉動的程度也不一樣，產生出的光角不同。,單眼3D視覺： 調節效應：物體的遠近差異引起晶狀體焦距及瞳孔直徑的調節； 單眼移動視差：位置的前后不同引起的移動時的差異（如速度）。,光角,視角,6、人眼3D視覺原理,立體視覺顯示技術,視差(parallax)左眼和右眼所看到的物體的細微差異來感知物體的深度,從而識別出立體圖像； 一般視差為 6-7 CM。,6、人眼3D視覺原理,立體視覺顯示技術,3D顯示技術,立體圖相對技術,體顯示技術,全息技術,裸眼式3D技術,眼鏡式3D技術,色差式,偏光式,快門式,視差 屏障,柱狀 透鏡,指向 光源,7、3D顯示技術

13、分類,立體視覺顯示技術,1、虛擬現實的概念特征,組成要素： 逼真的感覺視覺，聽覺，觸覺，嗅覺等 自然的交互運動，姿勢，語言，身體跟蹤等 個人的視點用戶的眼、耳、身 所感到的感覺信息 迅速的響應信息根據視點變化和用戶輸入及時更新,采用以計算機技術為核心的現代高科技手段生成逼真的視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、味覺等一體化的虛擬環境，用戶從自己的視點出發，借助特殊的輸入輸出設備，采用自然的方式與虛擬世界的物體進行交互，相互影響。,第四章 典型光電信息系統,虛擬現實系統 基本特征,2、虛擬現實的概念特征,第四章 典型光電信息系統,3、虛擬現實與仿真的區別,4、虛擬現實分類,按照系統功能和實現方式的不同，可以

14、分為三種類型：,（1）沉浸型虛擬現實系統（“可穿戴”VR系統）,（2）簡易型虛擬現實系統（桌面VR系統）,(3)分布式虛擬現實,5、合成孔徑光學成像技術如何提升作用距離？,需求分析: 隨著現代戰爭技術發展，對于遠距離領空的目標圖像分辨率要求逐步提高。研制該系統可有效探測識別低小慢目標，對國家的領空安全至關重要。 傳統光學成像系統角分辨力受波長和系統孔徑限制，而系統加工成本和飛行器有效載荷體積等因素限制系統孔徑增大。因此，各國均將如何設計新型光學系統來滿足大口徑成像作為核心研究內容。,第四章 典型光電信息系統,光電成像的探測方程：,探測能力與孔徑尺寸的關系,=1.22/D,望遠鏡分辨率公式：,5

15、、合成孔徑光學成像技術如何提升作用距離？,寬場仿生多孔徑光學系統原理,6、仿生多孔徑光學系統增加視場原理？,第五章 光電信息處理技術,圖像拼接(image mosaic)技術是將一組相互間存在重疊部分的圖像序列進行空間匹配對準,經重采樣融合后形成一幅包含各圖像序列信息的寬視角場景的、完整的、高清晰的新圖像的技術。 圖像拼接技術主要包括圖像配準和圖像融合兩個關鍵環節。 圖像配準是圖像拼接的核心部分. 按照配準算法所利用的圖像信息，可以分為基于區域的方法和基于特征的方法 ?；趨^域的匹配主要是模板匹配和基于相位（頻率）的匹配方法；基于特征的匹配包括基于特征點集的匹配和基于線特征（圖像中邊緣信息）的

16、匹配算法。,7、圖像拼接定義、核心技術？,圖像拼接,圖像坐標變換模型,（a）原圖像 （b）剛體變換 （c）仿射變換 （d）投影變換,（1）仿射變換 仿射變換是指如果一幅圖像中的直線經過映射后到另一幅圖像上仍為直線，并且仍為平行關系。 （2）剛體變換 如果一幅圖像中的兩點間的距離，在經變換后轉移到另一幅圖像中仍然保持不變，則這種變換稱為剛體變換。 （3）投影變換 如果一幅圖像中的直線經過映射后到另一幅圖像上仍為一條直線，但平行關系變化，則這種變換稱為投影變換。,7、圖像拼接定義、核心技術？,8、尺度不變特征變換（SIFT算法）主要思想？,SIFT 主要思想：SIFT算法是一種提取局部特征的算法，

17、在尺度空間尋找極值點，提取位置，尺度，旋轉不變量。 SIFT算法的特點有： （1）SIFT特征是圖像的局部特征，其對旋轉、尺度縮放、亮度變化保持不變性，對視角變化、仿射變換、噪聲也保持一定程度的穩定性； （2）獨特性好，信息量豐富，適用于在海量特征數據庫中進行快速、準確的匹配； （3）多量性，即使少數幾個物體也可產生大量SIFT特征向量； （4）高速性，經優化的SIFT匹配算法甚至可以達到實時的要求； （5）可擴展性，可以很方便的與其他形式的特征向量進行聯合。,9、圖像融合的層次：,圖像融合可以在3個不同層次進行，一是像素層(pixel)，二是特征層(feature)，三是決策層(dicisi

18、on level),第五章 光電信息處理技術,10、穩像技術分類？,機械式穩像： 用機電的方法來達到穩像目的。在大型的武器系統中將整個儀器置于穩定平臺上; 在電視攝像頭中，是將整個光學系統穩定起來。 光學穩像：用光學的方法實現圖像穩定。在光路中設置一些光學元件來作為對不穩定圖像的補償。光學穩像與機械式穩像都是采用專門的裝置，如各種陀螺儀。 電子穩像：應用計算機數字圖像處理和電子技術的方法來直接確定圖像序列的幀間偏移，從而進行補償。該方法由于不需要額外增加精密機械、光學和電子元器件等設備，具有靈活性強、精度高及高智能化等特點。,第五章 光電信息處理技術,11、 電子穩像的基本原理,電子穩像是利用

19、電子設備和數字圖像處理技術相結合的方法，通過檢測出參考圖像和被比較圖象的運動矢量，并利用其補償被比較圖像，從而消除或減輕視頻圖像序列幀間的不穩定，獲取清晰而穩定的視頻圖像序列。,第五章 光電信息處理技術,2020/8/26,45,SIFT算法的實質可以歸為在不同尺度空間上查找特征點（關鍵點）的問題。,12、 SIFT算法實現步驟,第五章 光電信息處理技術,1、靜止背景下的目標檢測 幀差分法：,13、運動目標檢測(靜態場景和動態場景),靜態場景 目標檢測相對簡單，研究漸趨成熟 動態場景 相對復雜，成為當前研究領域的熱點,第五章 光電信息處理技術,要檢測動態場景中的運動目標，關鍵在于對場景的運動進

20、行估計，通過估計出的運動參數補償其運動，最后使用幀差法得到運動目標。,13、運動目標檢測(靜態場景和動態場景),將目標分片，建立目標分片表現模型（模板）。在目標上一幀的位置周圍遍歷搜索，找到與目標模板相似度最高的候選目標作為跟蹤結果。 其中相似度的度量是通過各片的空間直方圖匹配來實現的。確定目標位置后，判斷目標中各片的有效性，僅利用有效片進行下一幀的跟蹤。,被遮擋的區域,片基本丟失,14、分片跟蹤(部分遮擋目標跟蹤)原理？,缺點： （1）對模式畸變較敏感，當目標發生尺寸或旋轉畸變時，相關峰將降低； （2）零級衍射項強度很高而且寬度大，這將影響互相關峰的觀察； （3）背景較復雜時，互相關峰湮沒在彌散斑中； （4）背景中出現相似目標時，易發生誤判現象。 以上因素將導致系統的識別能力下降，要解決這些問題就必須對功率譜進行改造和優化。,14、經典聯合變換相關器的缺點及改進方法？,14、經典聯合變換相關器的缺點及改進方法？,15、 模式識別系統的工作流程？,數據獲取,預處理,特征提取與選擇,分類決策,分類器設計,信號空間,特征空間,第六章 成像性能綜合測試,52,1、傳統測試與現代光電測試,傳統測試方法： 手動目