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基于Hi3519A的4K显微相机的设计与实现

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基于Hi3519A的4K显微相机的设计与实现

作者：周芮浙江大学

学位级别：硕士

随着显微相机在生命科学、文物修缮、工业制造等领域的应用越来越广泛,对其性能的要求也越来越高。目前,国内显微相机的研发与国外知名企业还有一定的差距;因此,本文基于Hi3519A平台研发一款拥有自主知识产权的高性能的4K显微相机,具有... 详细信息

随着显微相机在生命科学、文物修缮、工业制造等领域的应用越来越广泛,对其性能的要求也越来越高。目前,国内显微相机的研发与国外知名企业还有一定的差距;因此,本文基于Hi3519A平台研发一款拥有自主知识产权的高性能的4K显微相机,具有很大的研究价值。论文在相机硬件方面,完成了主控芯片、RAM、Flash、图像传感器等硬件的选型以及连接方式的设计。在相机软件方面,完成了从内核空间到用户空间的整体设计和功能开发。在相机视频流处理方面,从亮度、色彩、通透性和清晰度等四个维度分析了图像质量优化算法,并实现了适用于4K显微相机的图像质量优化算法。论文设计的相机视频预览支持HDMI和千兆以太网两种模式。其中HDMI模式不仅支持4K分辨率的显示屏,而且兼容1080P分辨率的显示屏,相机在该模式下可以自动识别HDMI显示器的EDID信息并自动切换至最佳输出分辨率;千兆以太网模式不仅支持相机通过网线直接连接电脑,还支持相机与电脑连到同一台路由器上实现图像数据的交互。论文采用Qt开发相机HDMI模式的图形用户界面,其中的测量功能极其丰富,图像比较、画中画等功能满足客户实际需求。论文设计的相机图像编解码支持分辨率为3840×2160的图像编解码和4K@60fps的视频编解码。图像编码时,支持保存缩略图和将所有测量信息融入图像中;图像解码时,优化了解码速度;视频解码时,实现的逐帧功能是本设计结合显微相机的应用领域需求而开发的特色功能,常用于显微镜下目标物体的瞬态变化分析。针对相机的自动曝光模块,论文对自动曝光策略进行优化,将最大曝光时间由原来的0.033秒扩大至7秒,同时提供了四种自动曝光策略供用户灵活选择,并利用灰度直方图进行客观分析,据此可自动调整图像亮度至适宜程度。针对相机的白平衡模块,论文利用Bayer数据校正R、G、B三通道的增益值,通过对数据的匹配校验,避免了由于数据错误而导致的时间浪费,增强了白平衡算法的鲁棒性。结合对图像U、V分量的平均值的客观分析和运行时间统计,证明了本文优化算法的高效性。针对相机的视频降噪模块,论文提出了基于曝光增益的3D降噪算法,并通过测试大量的静态场景与动态场景以及分析对应的PSNR值,证明优化算法在静态场景和动态场景均能实现良好的降噪效果。论文对相机的视频进行了边缘锐化,通过改进传统的反锐化掩模算法,根据ISO值的大小调节边缘锐化强度,并通过Tenengrad梯度函数的客观评价,证明了优化算法相比于传统的反锐化掩模算法锐化效果更好。

关键词：显微相机 HDMI 编解码自动曝光白平衡 3D降噪边缘锐化

基于三色LCTF的自然感彩色微光EBAPS成像系统

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应用光学 2022年第6期43卷 1044-1053页

作者：刘璇李瑞强李力金伟其程宏昌闫磊郑舟北京理工大学光电学院光电成像技术与系统教育部重点实验室北京100081 微光夜视技术重点实验室陕西西安710065

高灵敏度电子轰击有源像素传感器(electron bombarded active pixel sensor,EBAPS)既有真空成像器件的高增益、高灵敏度特性,又有固体成像器件的数字化特征,极大地提升了夜视成像水平。该文基于三色液晶可调制滤光片(liquid crystal tun... 详细信息

高灵敏度电子轰击有源像素传感器(electron bombarded active pixel sensor,EBAPS)既有真空成像器件的高增益、高灵敏度特性,又有固体成像器件的数字化特征,极大地提升了夜视成像水平。该文基于三色液晶可调制滤光片(liquid crystal tunable filter,LCTF)搭建了自然感彩色微光EBAPS成像系统,并根据微光图像特性,对系统获得的彩色图像进行了灰度拉伸、白平衡、色彩校正等色彩增强处理。实验结果表明:该系统可实现反映景物本身颜色特点且具有自然感的低照度彩色成像,有效提升夜间对目标景物特点的观察效果,可以在5×10^(−4) lx照度下实现彩色成像。

关键词：电子轰击有源像素传感器液晶可调制滤光片彩色微光成像白平衡色彩校正

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内窥镜影像白平衡镀膜技术

中国新技术新产品 2022年第2期 14-16页

作者：郝天宇曹轶关旭杨振华田丹沈阳沈大内窥镜有限公司辽宁沈阳110000

内窥镜通过人体的天然孔道或手术切口进入人体内部,从而对病灶进行诊断和治疗,其图像质量直接决定它的使用效果。硬管内窥镜主要由光学成像系统和照明系统组成,光学结构是由许多透镜组成的物镜系统、转像系统以及目镜系统组成。基于世... 详细信息

内窥镜通过人体的天然孔道或手术切口进入人体内部,从而对病灶进行诊断和治疗,其图像质量直接决定它的使用效果。硬管内窥镜主要由光学成像系统和照明系统组成,光学结构是由许多透镜组成的物镜系统、转像系统以及目镜系统组成。基于世界灰度理论,运用膜系软件优化不同牌号透镜R(600 nm~700 nm)、G(500 nm~600 nm)以及B(400 nm~500 nm)三分量(R、G、B为3个分量的颜色)的反射光谱曲线。采用真空镀膜机并运用物理气相离子辅助沉积方式镀膜,从而降低单个镜片表面的反射量,提高整支内镜的光透过率,使氙灯光源在R、G以及B三分量的最终出射光强度近似相等,达到硬管内窥镜呈现平衡图像色彩的要求。

关键词：光学镀膜膜系设计硬管内窥镜灰度法白平衡

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基于直方图的白平衡算法的研究

微电子学与计算机 2018年第6期35卷 75-78页

作者：魏超贺光辉上海交通大学微电子学院上海200240

针对常见基于直方图的白平衡算法对于RGB各通道直方图相似度低时失效的问题,提出了一种基于直方图匹配改进的自动白平衡算法.利用RGB通道直方图的相似度对基于直方图匹配的白平衡算法增加有效性判断,对于直方图相似度低的图片采用直方... 详细信息

针对常见基于直方图的白平衡算法对于RGB各通道直方图相似度低时失效的问题,提出了一种基于直方图匹配改进的自动白平衡算法.利用RGB通道直方图的相似度对基于直方图匹配的白平衡算法增加有效性判断,对于直方图相似度低的图片采用直方图平移算法处理.结合直方图匹配与直方图平移的特点,弥补单个算法的不足.通多对大量图片测试表明,该算法对图像偏色有较好的矫正效果,且适用范围提高了11%.

关键词：白平衡直方图匹配直方图平移直方图相似度色偏

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滤光轮分光的近红外彩色成像系统

光学技术 2016年第4期42卷 347-350,356页

作者：刘亚欣王岭雪杨燕飞张玮王海山蔡毅北京理工大学光电学院光电成像技术与系统教育部重点实验室北京100081

研制了滤光轮分光的近红外彩色成像系统。针对一款光谱响应延伸至近红外波段的CMOS大面阵黑白摄像机,设计加工了大小适合的滤光轮和与光谱匹配的滤光片。根据滤光轮载荷选择了微型电机,并采用由时间同步装置产生的脉冲信号触发滤光轮的... 详细信息

研制了滤光轮分光的近红外彩色成像系统。针对一款光谱响应延伸至近红外波段的CMOS大面阵黑白摄像机,设计加工了大小适合的滤光轮和与光谱匹配的滤光片。根据滤光轮载荷选择了微型电机,并采用由时间同步装置产生的脉冲信号触发滤光轮的转停;采用基于灰度世界理论的RGB融合算法形成彩色图像。室内外的成像实验表明:该系统实现了近红外波段的彩色成像,尤其是夜天光中的近红外辐射,使夜间拍摄的图像亮度得到了明显的提升。

关键词：滤光轮近红外彩色成像白平衡

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自动白平衡算法的研究与硬件实现

自动白平衡算法的研究与硬件实现

作者：魏超上海交通大学

学位级别：硕士

由于人类视觉系统具有颜色恒常性的特点,当照射在物体上的光源发生变化时,人类视觉能够在一定范围内认为该物体的颜色是不变的。而图像传感器将光学图像转换为电子信号的过程中并不具有人眼独特的适应性,使得拍摄的图片受到光源的影响... 详细信息

由于人类视觉系统具有颜色恒常性的特点,当照射在物体上的光源发生变化时,人类视觉能够在一定范围内认为该物体的颜色是不变的。而图像传感器将光学图像转换为电子信号的过程中并不具有人眼独特的适应性,使得拍摄的图片受到光源的影响产生色偏,为了消除光源颜色的影响,需要采用合适的白平衡技术校正色偏。针对常见基于直方图的白平衡算法对于RGB各通道直方图分布存在大量高饱和像素值时失效的问题,本文提出了一种基于直方图匹配改进的自动白平衡算法。利用RGB通道直方图的分布特点对基于直方图匹配的白平衡算法增加有效性判断,并针对直方图存在大量高饱和像素值的图片采用直方图平移算法处理,平移系数通过最大的直方图重叠面积求出。本文算法结合直方图匹配与直方图平移的特点,弥补单个算法的不足,更适用于各种光源下拍摄的多种场景。进一步对提出的白平衡算法进行VLSI设计,设计过程中直方图匹配采用累加匹配并行的方式实现,省去累积直方图的存储,减少运算次数。采用SMIC 65nm工艺进行逻辑综合和静态时序分析得到白平衡模块最高时钟频率为150MHz,总面积消耗为95850um,总功耗为6.37mW。本文算法在校正效果上具有明显优势,此外相比于传统的自动白平衡算法,本文算法的输入输出延迟得到减少,只需一个时钟周期;相比于其他基于直方图的自动白平衡算法设计,本算法多消耗了2.4%的硬件资源,使得算法的适用范围提高了13.8%。

关键词：白平衡直方图匹配直方图平移色偏 VLSI

基于CMOS的嵌入式高清电子内镜图像处理技术研究

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基于CMOS的嵌入式高清电子内镜图像处理技术研究

作者：郝福得天津大学

学位级别：硕士

电子内镜系统利用CCD或CMOS获取人体内腔图像,经图像处理器处理后进行显示。作为一种常用的医疗设备,电子内镜系统在内腔病灶诊断、微创外科手术等方面具有重要应用。目前,国内电子内镜产品的技术水平与国外尚存在一定差距,临床应用的... 详细信息

电子内镜系统利用CCD或CMOS获取人体内腔图像,经图像处理器处理后进行显示。作为一种常用的医疗设备,电子内镜系统在内腔病灶诊断、微创外科手术等方面具有重要应用。目前,国内电子内镜产品的技术水平与国外尚存在一定差距,临床应用的电子内镜设备主要依赖于进口。本文以CMOS芯片作为感光器件,基于ZedBoard开发板设计了高清电子内镜图像采集与处理系统,实现了高清电子内镜系统常用的图像处理功能。同时针对电子内镜系统动态范围有限的问题,将高动态范围(High Dynamic Range,HDR)成像技术引入电子内镜系统,针对动态场景提出了基于图像内容评价因子的高动态范围图像融合算法,在合成HDR图像的同时有效抑制了鬼影现象。本文主要完成以下工作:1.基于ZedBoard开发板设计了高清电子内镜图像处理系统,完成了CMOS图像信号的采集,实现了帧频为60fps、分辨率为1920×1080的高清视频的实时显示。2.提出了适用于电子内镜系统的白平衡、自动曝光和图像锐化算法。利用中值滤波预处理和参考白点约束条件,降低了噪声点和过度曝光点对白平衡算法的影响。提出了均值与峰值亮度相结合的亮度统计方式,采用动态步长法实现了自动曝光功能。提出了Sobel算子与拉普拉斯算子相结合的图像锐化算法,提高了锐化算法的抗噪性。3.提出了基于图像内容评价因子的高动态范围图像融合算法,并采用结构相似性(SSIM)参数对鬼影抑制效果进行评价,验证了算法在合成高动态范围图像的同时,具有抑制鬼影的能力。

关键词： Zynq片上系统电子内镜白平衡自动曝光图像锐化高动态范围成像

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一种改进的暗通道先验水下彩色图像复原算法

扬州大学学报（自然科学版） 2018年第4期21卷 37-41页

作者：胡学龙张文胡铸鑫陆慧敏扬州大学信息工程学院江苏扬州225127 温州大学教师教育学院浙江温州325035 九州工业大学工学研究院机械控制工程系福冈北九州8048550

为了解决光在水下传播过程中能量散射和衰减所导致水下图像对比度较低、纹理细节模糊和颜色失真等问题,提出一种改进暗通道先验水下彩色图像复原算法,根据水下光线传播特性建立水下图像成像模型,将水下图像的去模糊和颜色校正相结合,应... 详细信息

为了解决光在水下传播过程中能量散射和衰减所导致水下图像对比度较低、纹理细节模糊和颜色失真等问题,提出一种改进暗通道先验水下彩色图像复原算法,根据水下光线传播特性建立水下图像成像模型,将水下图像的去模糊和颜色校正相结合,应用改进的暗通道先验算法提高水下彩色图像的对比度,再通过白平衡颜色复原方法处理水下彩色图像,实现水下彩色图像的颜色校正.实验结果表明,本文算法能够提高水下彩色图像的对比度,有效恢复水下图像的颜色.

关键词：水下图像图像复原暗通道先验白平衡

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激光显示中颜色配比与实时色温控制研究

中国激光 2020年第7期47卷 344-351页

作者：孙敏远朱建英毕勇袁园张硕张文平中国科学院空天信息创新研究院光学工程研究部北京100094 中国科学院大学北京100049 中国科学院理化技术研究所应用激光研究中心北京100190

为在激光显示中实现白场色温的实时控制,根据CIE1931和CIE1964标准色度系统计算了激光显示三基色光源(R 638 nm,G 520/532 nm,B 450 nm)形成5500~7500 K色温的混合白光时的光功率配比,探讨了三基色光源的光功率比例、中心波长以及光谱... 详细信息

为在激光显示中实现白场色温的实时控制,根据CIE1931和CIE1964标准色度系统计算了激光显示三基色光源(R 638 nm,G 520/532 nm,B 450 nm)形成5500~7500 K色温的混合白光时的光功率配比,探讨了三基色光源的光功率比例、中心波长以及光谱宽度对混合白光色温、色品坐标和光通量的影响。设计了基于AS73211颜色传感器的实时光反馈色温控制系统,并在模拟激光显示装置中于5500~7500 K范围内实现了误差小于±50 K的色温控制精度。

关键词：激光光学色彩配比白平衡色温