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        智能交通監(jiān)控鏡頭眩光模擬研究

        2020-03-13 08:58:14柳曉娜
        智能物聯(lián)技術(shù) 2020年1期
        關(guān)鍵詞:分析

        柳曉娜

        (鳳凰光學(xué)股份有限公司杭州分公司,浙江 杭州 310053)

        0 引言

        智能交通監(jiān)控鏡頭的成像質(zhì)量直接影響了監(jiān)控效果,所以不僅要求鏡頭解析度高,也要求鏡頭沒有雜光、鬼影等眩光因素存在。否則,畫面信息被干擾,會(huì)造成我們對(duì)信息判斷失誤或者信息提取失敗。因而,在設(shè)計(jì)監(jiān)控鏡頭時(shí),一定要進(jìn)行眩光模擬分析,并對(duì)眩光加以改善和消除,使監(jiān)控畫面像質(zhì)清晰通透和有效信息不會(huì)被遮擋。本文將針對(duì)道路監(jiān)控鏡頭的眩光、鬼影等雜散光的模擬及改善進(jìn)行研究。

        1 眩光的種類、影響及消除方法

        眩光主要分兩大類:一類是光學(xué)元件比如鏡片之間的來回反射形成的影像,叫做鬼影眩光,簡(jiǎn)稱鬼影。之所以叫鬼影是因?yàn)檫@些形狀和光源相似的影像,本不應(yīng)該出現(xiàn)在畫面中但卻出現(xiàn)了,如果亮度過高,會(huì)給人造成有多個(gè)光源同時(shí)存在的假象。另一類是機(jī)構(gòu)件之間的反射造成的彌散不成團(tuán)的雜散眩光,簡(jiǎn)稱雜散光。

        1.1 鬼影眩光

        圖1所示為攝像頭常見的鬼影,其中沿著某一光束出現(xiàn)的一系列圓斑,是鏡頭中各鏡片之間反射生成的影像,它會(huì)隨著光源或鏡頭的移動(dòng)而移動(dòng),且光斑所占畫面面積小。這類鬼影眩光影響度不大,消除或淡化這類鬼影的一般方法是增強(qiáng)AR鍍膜來降低鏡片反射率。

        圖1 輕微鬼影眩光Fig.1 Slight ghosting flare

        圖2所示為嚴(yán)重鬼影,左上角的圓斑遮擋了畫面大幅面積,右下角出現(xiàn)類似全反射的高亮度圓斑。如果是在道路監(jiān)控情況下,車燈為強(qiáng)光源,畫面若出現(xiàn)這種鬼影,會(huì)遮擋監(jiān)控車輛的型號(hào)及車牌號(hào)碼,所以這種鬼影必須要消除。這種情況下,一般是在光學(xué)設(shè)計(jì)階段通過眩光模擬分析,再優(yōu)化改變鏡片R值或鏡片之間的間隔,甚至是變更鏡片材質(zhì),來縮小鬼影圓斑面積,并增強(qiáng)AR鍍膜降低鏡片反射率來淡化鬼影亮度。

        圖2 嚴(yán)重鬼影眩光Fig.2 Severe ghosting flare

        1.2 雜散炫光

        圖3所示為薄霧狀雜散眩光,整個(gè)畫面就像覆蓋了一層薄紗,畫面對(duì)比度及清晰度下降。在道路監(jiān)控時(shí),這種眩光畫面會(huì)導(dǎo)致看不清車牌號(hào)碼,嚴(yán)重干擾監(jiān)控信息提取,所以這一類雜散眩光也必須要消除。一般造成這種情況的原因是鏡片反射率大或者機(jī)構(gòu)件反光,所以在鏡頭機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后,要再次進(jìn)行眩光模擬,著重查看機(jī)構(gòu)件反光情況,對(duì)機(jī)構(gòu)反光件進(jìn)行消光處理或改變形狀,另外也要加強(qiáng)鏡片AR鍍膜、降低鏡片反射率。

        圖3 薄霧狀雜散眩光Fig.3 Misty stray glare

        2 眩光模擬分析方法

        2.1 Zemax軟件模擬分析

        光學(xué)設(shè)計(jì)軟件一般自帶鬼影分析模塊,比如Zemax軟件通過將設(shè)計(jì)好的鏡頭轉(zhuǎn)換成非序列模式,再設(shè)置光線數(shù)量和探測(cè)器位置即可計(jì)算模擬鬼影狀況。但這種方法耗時(shí)較久,如果光學(xué)組態(tài)和鏡片數(shù)量較多,可能會(huì)耗費(fèi)數(shù)個(gè)小時(shí)的模擬時(shí)間。本文介紹一種利用Zemax編程語(yǔ)言編寫macro的方式進(jìn)行鬼影分析的方法[1-2],可以讓設(shè)計(jì)者快速得到畫面中鬼影位置、大小等信息,并輸出鬼影圖片。為方便設(shè)計(jì)者觀察及分析,在這里只節(jié)選部分編程程序。

        將所編寫的macro放在Zemax安裝文件中,并在Zemax Macro選項(xiàng)中打開,運(yùn)行即可得到分析結(jié)果,如圖4所示。

        圖4 Zemax的分析結(jié)果Fig.4 Zemax analysis results

        2.2 Tracepro模擬分析

        將Zemax光學(xué)設(shè)計(jì)檔案導(dǎo)入到Tracepro中,并將每個(gè)鏡片的材料及鍍膜條件設(shè)置到軟件中,設(shè)置方法為打開Define中的Apply Properties[3],如圖5所示。

        圖5 TracePro中Define設(shè)置頁(yè)面Fig.5 Define setting page in TracePro

        Apply Properties的界面如圖6所示,在左側(cè)列表中可以選擇Material設(shè)置鏡片材料,選擇Surface設(shè)置鏡片表面屬性,比如鍍膜或完美透射,一般選擇3層鍍膜。

        圖6 TracePro中Apply properties設(shè)置頁(yè)面Fig.6 Apply properties setting page in TracePro

        最終設(shè)置好的界面如圖7所示,然后再設(shè)置光源,一般光源類型選擇Annular,Grid格式選擇Random??偣饩€數(shù)目越多,分析越準(zhǔn)確,在這里選擇20萬條光線。設(shè)置好后點(diǎn)擊工具條中的trace rays按鈕,即可進(jìn)行光線追跡并得到分析結(jié)果。

        圖7 TracePro分析結(jié)果Fig.7 TracePro analysis results

        3 模擬結(jié)果分析

        本文以智能交通領(lǐng)域的道路監(jiān)控鏡頭為模型進(jìn)行模擬結(jié)果的分析。如圖8所示,左側(cè)為實(shí)拍畫面,可以發(fā)現(xiàn)在光源的下方有一個(gè)圓斑且重疊了一個(gè)水滴狀的薄霧雜光。我們用Zemax進(jìn)行模擬,分析結(jié)果中出現(xiàn)了圓斑和水滴狀雜光,這與實(shí)拍照片是有對(duì)應(yīng)性的,且在分析結(jié)果中看到圓斑及水滴狀雜光為最后一枚鏡片的R2表面與保護(hù)玻璃之間的反射產(chǎn)生的。同樣用Tracepro分析得出的光線追跡照度圖也可以看到亮斑和水滴狀的雜光。這表明兩種軟件的模擬分析方法均與實(shí)際情況有對(duì)應(yīng)性。

        圖8 改善前實(shí)拍照片和Zemax與TracePro分析結(jié)果對(duì)比Fig.8 Real photos taken before improvement&Comparison ofitsanalysis results of Zemax and TracePro

        從上述模擬結(jié)果中得知,最后一枚鏡片與保護(hù)玻璃之間的反射是產(chǎn)生圓斑及水滴狀雜光的原因。因?yàn)楸Wo(hù)玻璃是固定的平板玻璃,無法更改,所以我們需要修改最后一枚鏡片的R值,減少鏡片的彎曲度,從而使反射的光線能量分散,減少圓斑和水滴狀眩光的亮度和面積。在保證鏡頭整體光學(xué)性能和加工公差范圍的前提下,將最后一枚鏡片的R值設(shè)為變數(shù),使用Zemax軟件對(duì)光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),發(fā)現(xiàn)R值由23.386變?yōu)?6.329時(shí)[9-10],可使光學(xué)性能不變的前提下,使圓斑鬼影眩光完全消失,但水滴狀鬼影眩光依舊存在,需要進(jìn)一步實(shí)施對(duì)策使其減輕或消失,實(shí)拍效果及模擬分析結(jié)果如圖9所示。

        圖9 改善后實(shí)拍照片和Zemax與TracePro分析結(jié)果對(duì)比Fig.9 Real photos taken after improvement&Comparison of its analysis results of Zemax and TracePro

        為了解決依舊存在的水滴狀鬼影眩光,將最后一枚鏡片的AR鍍膜增加了層數(shù)使其增強(qiáng),提升透過率降低了鏡片反射率,反射率數(shù)值由原來的5%降低到2%,光源下方的水滴狀眩光被淡化消除,如圖10所示,可以看出效果比較明顯,對(duì)策有效。

        圖10 普通鍍膜和增強(qiáng)鍍膜效果實(shí)拍照片對(duì)比Fig.10 Comparison of real shot photos of ordinary coating and enhanced coating effect

        4 結(jié)語(yǔ)

        本文提出的眩光分析方法,可以快速有效和準(zhǔn)確地模擬出眩光的形狀和亮度并找出造成眩光的原因,讓設(shè)計(jì)者及時(shí)高效地做出改善措施,避免鏡頭投入試做后才發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重眩光造成人力物力浪費(fèi),同時(shí)可以大大縮短項(xiàng)目產(chǎn)品開發(fā)周期。

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