智能交通监控镜头眩光模拟研究

2020-03-13柳晓娜

智能物联技术 2020年1期

柳晓娜

（凤凰光学股份有限公司杭州分公司，浙江杭州 310053）

0 引言

智能交通监控镜头的成像质量直接影响了监控效果，所以不仅要求镜头解析度高，也要求镜头没有杂光、鬼影等眩光因素存在。否则，画面信息被干扰，会造成我们对信息判断失误或者信息提取失败。因而，在设计监控镜头时，一定要进行眩光模拟分析，并对眩光加以改善和消除，使监控画面像质清晰通透和有效信息不会被遮挡。本文将针对道路监控镜头的眩光、鬼影等杂散光的模拟及改善进行研究。

1 眩光的种类、影响及消除方法

眩光主要分两大类：一类是光学元件比如镜片之间的来回反射形成的影像，叫做鬼影眩光，简称鬼影。之所以叫鬼影是因为这些形状和光源相似的影像，本不应该出现在画面中但却出现了，如果亮度过高，会给人造成有多个光源同时存在的假象。另一类是机构件之间的反射造成的弥散不成团的杂散眩光，简称杂散光。

1.1 鬼影眩光

图1所示为摄像头常见的鬼影，其中沿着某一光束出现的一系列圆斑，是镜头中各镜片之间反射生成的影像，它会随着光源或镜头的移动而移动，且光斑所占画面面积小。这类鬼影眩光影响度不大，消除或淡化这类鬼影的一般方法是增强AR镀膜来降低镜片反射率。

图1 轻微鬼影眩光Fig.1 Slight ghosting flare

图2所示为严重鬼影，左上角的圆斑遮挡了画面大幅面积，右下角出现类似全反射的高亮度圆斑。如果是在道路监控情况下，车灯为强光源，画面若出现这种鬼影，会遮挡监控车辆的型号及车牌号码，所以这种鬼影必须要消除。这种情况下，一般是在光学设计阶段通过眩光模拟分析，再优化改变镜片R值或镜片之间的间隔，甚至是变更镜片材质，来缩小鬼影圆斑面积，并增强AR镀膜降低镜片反射率来淡化鬼影亮度。

图2 严重鬼影眩光Fig.2 Severe ghosting flare

1.2 杂散炫光

图3所示为薄雾状杂散眩光，整个画面就像覆盖了一层薄纱，画面对比度及清晰度下降。在道路监控时，这种眩光画面会导致看不清车牌号码，严重干扰监控信息提取，所以这一类杂散眩光也必须要消除。一般造成这种情况的原因是镜片反射率大或者机构件反光，所以在镜头机构设计完成后，要再次进行眩光模拟，着重查看机构件反光情况，对机构反光件进行消光处理或改变形状，另外也要加强镜片AR镀膜、降低镜片反射率。

图3 薄雾状杂散眩光Fig.3 Misty stray glare

2 眩光模拟分析方法

2.1 Zemax软件模拟分析

光学设计软件一般自带鬼影分析模块，比如Zemax软件通过将设计好的镜头转换成非序列模式，再设置光线数量和探测器位置即可计算模拟鬼影状况。但这种方法耗时较久，如果光学组态和镜片数量较多，可能会耗费数个小时的模拟时间。本文介绍一种利用Zemax编程语言编写macro的方式进行鬼影分析的方法[1-2]，可以让设计者快速得到画面中鬼影位置、大小等信息，并输出鬼影图片。为方便设计者观察及分析，在这里只节选部分编程程序。

将所编写的macro放在Zemax安装文件中，并在Zemax Macro选项中打开，运行即可得到分析结果，如图4所示。

图4 Zemax的分析结果Fig.4 Zemax analysis results

2.2 Tracepro模拟分析

将Zemax光学设计档案导入到Tracepro中，并将每个镜片的材料及镀膜条件设置到软件中，设置方法为打开Define中的Apply Properties[3]，如图5所示。

图5 TracePro中Define设置页面Fig.5 Define setting page in TracePro

Apply Properties的界面如图6所示，在左侧列表中可以选择Material设置镜片材料，选择Surface设置镜片表面属性，比如镀膜或完美透射，一般选择3层镀膜。

图6 TracePro中Apply properties设置页面Fig.6 Apply properties setting page in TracePro

最终设置好的界面如图7所示，然后再设置光源，一般光源类型选择Annular，Grid格式选择Random。总光线数目越多，分析越准确，在这里选择20万条光线。设置好后点击工具条中的trace rays按钮，即可进行光线追迹并得到分析结果。

图7 TracePro分析结果Fig.7 TracePro analysis results

3 模拟结果分析

本文以智能交通领域的道路监控镜头为模型进行模拟结果的分析。如图8所示，左侧为实拍画面，可以发现在光源的下方有一个圆斑且重叠了一个水滴状的薄雾杂光。我们用Zemax进行模拟，分析结果中出现了圆斑和水滴状杂光，这与实拍照片是有对应性的，且在分析结果中看到圆斑及水滴状杂光为最后一枚镜片的R2表面与保护玻璃之间的反射产生的。同样用Tracepro分析得出的光线追迹照度图也可以看到亮斑和水滴状的杂光。这表明两种软件的模拟分析方法均与实际情况有对应性。

图8 改善前实拍照片和Zemax与TracePro分析结果对比Fig.8 Real photos taken before improvement&Comparison ofitsanalysis results of Zemax and TracePro

从上述模拟结果中得知，最后一枚镜片与保护玻璃之间的反射是产生圆斑及水滴状杂光的原因。因为保护玻璃是固定的平板玻璃，无法更改，所以我们需要修改最后一枚镜片的R值，减少镜片的弯曲度，从而使反射的光线能量分散，减少圆斑和水滴状眩光的亮度和面积。在保证镜头整体光学性能和加工公差范围的前提下，将最后一枚镜片的R值设为变数，使用Zemax软件对光学系统结构进行优化设计，发现R值由23.386变为56.329时[9-10]，可使光学性能不变的前提下，使圆斑鬼影眩光完全消失，但水滴状鬼影眩光依旧存在，需要进一步实施对策使其减轻或消失，实拍效果及模拟分析结果如图9所示。