專(zhuān)利名稱(chēng)：一種超寬動(dòng)態(tài)范圍圖像的采集方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到利用固態(tài)半導(dǎo)體光學(xué)成像器件(CCD/CMOS)的攝像裝置。特別是寬動(dòng)態(tài)和超寬寬動(dòng)態(tài)范圍圖像的采集方法和攝像設(shè)備。

背景技術(shù)：
固體感光器件基本光探測(cè)原理如圖一，場(chǎng)景光照使光電二極管產(chǎn)生光電流，光電流的大小與入射光強(qiáng)成正比，光電流通過(guò)對(duì)電容器充電產(chǎn)生光電壓，光電壓經(jīng)過(guò)放大整形后就得到圖像像素值，如果再經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換，就得到數(shù)碼圖像。由于物理原理的限制，在一定暴光時(shí)間下，感光器件所能探測(cè)到的最大光強(qiáng)和最小光強(qiáng)都是有限的，這個(gè)比值就是感光器件或者攝像設(shè)備的動(dòng)態(tài)范圍。一般器件在50dB左右，也就是通常所說(shuō)的8位圖像。然而，自然界的場(chǎng)景的動(dòng)態(tài)范圍通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)感光器件所能探測(cè)的范圍。比如正午陽(yáng)光下直射區(qū)域的光強(qiáng)比陰影中的光強(qiáng)要高近6個(gè)數(shù)量級(jí)(~120dB)。如果場(chǎng)景都是明亮物體，可以減小暴光時(shí)間或進(jìn)行光衰減。如都是陰暗物體，可以增加暴光時(shí)間或進(jìn)行光放大，都能得到清晰的圖像。真正的困難在于場(chǎng)景中同時(shí)有高亮度部分和陰暗部分，比如陽(yáng)光下的建筑物陰影或夜晚中的汽車(chē)前燈等。如果暴光時(shí)間短，高亮度場(chǎng)景部分能得到清晰圖像，但低亮度部分則暴光不足；如果暴光時(shí)間長(zhǎng)，低亮度部分能得到清晰圖像，但是高亮度部分則過(guò)度暴光，圖像飽和，細(xì)節(jié)丟失。圖二描述了暴光時(shí)間對(duì)圖像的影響。為了不失真地測(cè)量這樣的寬動(dòng)態(tài)范圍場(chǎng)景，攝像設(shè)備的動(dòng)態(tài)范圍要求大于16位，有的甚至要求到20位左右。
寬動(dòng)態(tài)范圍采集圖像已有多種方法，大多數(shù)都是利用同一塊感光器件依次對(duì)同一場(chǎng)景進(jìn)行兩次或多次不同暴光時(shí)間采集，然后對(duì)這些按時(shí)間順序多次采集的圖像進(jìn)行寬動(dòng)態(tài)范圍的圖像合成。但是這種采集方法有一些缺陷 1，通常這樣的高性能的感光器件(CCD/CMOS)價(jià)格都比較昂貴。
2，本次暴光與上一次暴光之間有一定的時(shí)間差。由于攝像機(jī)抖動(dòng)或者場(chǎng)景物體的運(yùn)動(dòng)，兩副圖之間會(huì)有些差別，需要進(jìn)行特別的圖像處理技術(shù)進(jìn)行糾正。
3，像素的讀取速度限制，多次順序采樣技術(shù)需要高讀取時(shí)鐘頻率，這使得器件及系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制造困難加大，并且影響器件的光電靈敏度和信噪比。隨著感光器件的像素增多，要在限定時(shí)間內(nèi)讀出的像素越多，對(duì)讀取時(shí)鐘要求越高，因此，此類(lèi)技術(shù)的擴(kuò)展性有限。
本發(fā)明正是針對(duì)這些缺點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)。利用光學(xué)分光器件和多個(gè)普通動(dòng)態(tài)范圍感光器件來(lái)實(shí)現(xiàn)寬動(dòng)態(tài)范圍圖像和超寬動(dòng)態(tài)范圍圖像的采集。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的關(guān)鍵就是利用光學(xué)分光器件(比如分光鏡)把同一場(chǎng)景出來(lái)的光線(xiàn)分成兩幅或多幅不同強(qiáng)度的同一場(chǎng)景的圖像，這樣可以用兩個(gè)或多個(gè)CCD或CMOS感光器件分別對(duì)分光后的每幅場(chǎng)景圖像暴光成像。由于多幅圖像所對(duì)應(yīng)的場(chǎng)景一模一樣，兩副圖像的同一像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的被攝像的場(chǎng)景的同一點(diǎn)，因此圖像的合成就非常簡(jiǎn)單。同時(shí)，由于每個(gè)感光芯片的暴光時(shí)間可以分別獨(dú)立控制，這樣就可以通過(guò)不同的暴光時(shí)間來(lái)采集到不同動(dòng)態(tài)范圍的圖像 1.暴光時(shí)間長(zhǎng)的感光器件，場(chǎng)景中光線(xiàn)弱的地方將得到清晰的圖像，而光線(xiàn)強(qiáng)的地方則過(guò)度暴光，圖像細(xì)節(jié)信息丟失。
2.暴光時(shí)間短的感光器件，場(chǎng)景中光線(xiàn)強(qiáng)的地方將得到清晰的圖像，而光學(xué)弱的地方則暴光不足，信息淹沒(méi)在噪聲中，圖像細(xì)節(jié)信息丟失。
通過(guò)合理控制每個(gè)感光器件的暴光時(shí)間，可以使每個(gè)感光器件所能探測(cè)的場(chǎng)景動(dòng)態(tài)范圍無(wú)縫地銜接起來(lái)，從而擴(kuò)展了整個(gè)攝像系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。
由于每個(gè)感光器件的像素都精確對(duì)應(yīng)被攝場(chǎng)景中的同一點(diǎn)，寬動(dòng)態(tài)范圍圖像合成非常簡(jiǎn)單，兩副不同暴光時(shí)間的圖像像素直接對(duì)應(yīng)于合成后的圖像像素的不同位，比如透射圖對(duì)應(yīng)高8位，反射圖對(duì)應(yīng)低8位，合成圖是16位。



圖1光電二級(jí)管光探測(cè)基本原理，即半導(dǎo)體光探測(cè)基本電路原理。
圖2不同暴光時(shí)間對(duì)感光器件成像的影響，即暴光時(shí)間對(duì)不同入射光強(qiáng)成像的影響。
·暴光時(shí)間1特強(qiáng)光過(guò)度暴光，像素飽和，圖像細(xì)節(jié)丟失。強(qiáng)光暴光合適，圖像清晰。正常光暴光不足，剛剛超過(guò)噪聲水平，圖像過(guò)暗。弱光和特弱光淹沒(méi)在噪聲下，無(wú)法得到任何有用信息。
·暴光時(shí)間2特強(qiáng)光和強(qiáng)光過(guò)暴，像素飽和，圖像細(xì)節(jié)丟失。正常光暴光合適，圖像清晰。弱光欠暴，剛剛超過(guò)噪聲水平，圖像過(guò)暗。特弱光淹沒(méi)在噪聲下，無(wú)法得到任何有用信息。
·暴光時(shí)間3特強(qiáng)光，強(qiáng)光和正常光統(tǒng)統(tǒng)過(guò)暴，像素飽和，圖像細(xì)節(jié)丟失。弱光暴光合適，圖像清晰。
圖3利用一個(gè)分光鏡和兩個(gè)感光器件擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍的系統(tǒng)，即本發(fā)明原理示意圖(一)。
圖4利用兩個(gè)分光鏡和三個(gè)感光器件擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍的系統(tǒng)，即本發(fā)明原理示意圖(二)。
圖5利用兩個(gè)分光鏡和三個(gè)感光器件擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍的系統(tǒng)，即本發(fā)明原理示意圖(三)。
圖6動(dòng)態(tài)范圍合成示意圖，即動(dòng)態(tài)范圍圖像合成示意圖。

具體實(shí)施例方式 以圖三為例場(chǎng)景通過(guò)光學(xué)鏡頭7成像，形成入射光1，被分光鏡4分成反射光9和透射光8。感光器件2和3分別對(duì)透射光8和反射光9成像。由暴光控制系統(tǒng)5計(jì)算每個(gè)感光器件合適的暴光時(shí)間，輸出暴光控制信號(hào)10和11來(lái)控制感光器件2和3的暴光時(shí)間，由此得到不同動(dòng)態(tài)范圍的圖像12和13，并輸入到寬動(dòng)態(tài)范圍圖像合成系統(tǒng)進(jìn)行圖像合成。最后輸出合成后的寬動(dòng)態(tài)范圍圖像14到圖像顯示設(shè)備15，或圖像處理系統(tǒng)16。圖四和圖五所示的系統(tǒng)是圖三所示系統(tǒng)的擴(kuò)展，原理類(lèi)似。
下面給出圖3所示系統(tǒng)的每個(gè)感光器件暴光時(shí)間的算法 假設(shè) Iin入射光強(qiáng) Ir反射光強(qiáng) It透射光強(qiáng)
分光鏡反射率
分光鏡透射率 )tr反射光感光器件的暴光時(shí)間 )tt透射光感光器件的暴光時(shí)間 通過(guò)分光鏡后，反射光和透射光的光強(qiáng)分別為 Ir＝αIin It＝(1-α)Iin 通過(guò)對(duì)反射光和透射光的感光器件的獨(dú)立暴光控制 Vr＝IrΔtr＝αIinΔtr Vt＝ItΔtt＝(1-α)IinΔtt Vr和Vt分別是反射光和透射光的感光器件像素的電壓積分值，通過(guò)模擬放大和模數(shù)轉(zhuǎn)化，這個(gè)值最終就是數(shù)碼圖像的像素值，也就是光強(qiáng)的測(cè)量值。Vr和Vt對(duì)于一定的感光芯片，所能得到的范圍是固定的和有限的，它由具體感光器件像素點(diǎn)的物理和幾何參數(shù)決定(比如PN結(jié)面積，攙雜條件，反向偏置電壓等)，假設(shè)為Vmin和Vmax，也就是說(shuō) Vmin≤Vr≤Vmax Vmin≤Vt≤Vmax 這樣就可以得到反射光和透射光的動(dòng)態(tài)范圍 反射光成像的場(chǎng)景動(dòng)態(tài)范圍是 透射光成像的場(chǎng)景動(dòng)態(tài)范圍是 本發(fā)明中有三個(gè)獨(dú)立控制量

，)tr和)tr，通過(guò)適當(dāng)?shù)脑O(shè)定這些參數(shù)，使反射像和透射像的動(dòng)態(tài)范圍迭加起來(lái)，就擴(kuò)展了整個(gè)成像系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。為使反射像和透射像無(wú)縫銜接起來(lái)，應(yīng)該使 也就是 其中

就是感光器件本身的動(dòng)態(tài)范圍。例如，如果

為普通48dB感光器件，即分光鏡反射率α＝0.8，透射率(1-α)＝0.2，則只要使就可以滿(mǎn)足上訴條件，使反射像和透射像的動(dòng)態(tài)范圍無(wú)縫銜接起來(lái)，通過(guò)暴光時(shí)間控制，這個(gè)條件是很容易滿(mǎn)足的。
當(dāng)選擇

，)tr和)tr使得上訴條件能夠滿(mǎn)足時(shí)，整個(gè)合成系統(tǒng)所能探測(cè)到的光強(qiáng)范圍為 整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍為所能探測(cè)的最大光強(qiáng)和最小光強(qiáng)的比值 如果即為普通48dB感光器件(8位圖像)，用兩個(gè)這樣的器件就能得到的寬動(dòng)態(tài)范圍圖像，即16位圖像，已經(jīng)大大高于目前市場(chǎng)上大多數(shù)攝像機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍。同理，如果用三個(gè)48dB感光器件就能實(shí)現(xiàn)144dB動(dòng)態(tài)范圍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前的基于單感光器件的攝像機(jī)所能達(dá)到的性能。理論上通過(guò)多個(gè)分光鏡和感光器件組合，可以達(dá)到無(wú)窮大的動(dòng)態(tài)范圍，見(jiàn)圖六。當(dāng)然，由于每次分光鏡都會(huì)有一定的光損失，這個(gè)過(guò)程不能無(wú)限進(jìn)行下去。一般，兩次或三次分光足以滿(mǎn)足絕大多數(shù)需求。另外，由于每個(gè)感光器件只探測(cè)場(chǎng)景光強(qiáng)的一部分，所以在暗光下的性能要有些損失，這個(gè)缺陷可以通過(guò)適當(dāng)延長(zhǎng)暴光時(shí)間來(lái)補(bǔ)償。


即分光鏡的反射率，可以由不同反射鍍層材料和厚度來(lái)進(jìn)行控制。
)tr和)tt則由暴光控制系統(tǒng)按照所設(shè)定的目標(biāo)動(dòng)態(tài)范圍來(lái)進(jìn)行計(jì)算。
權(quán)利要求
1，一種超寬動(dòng)態(tài)范圍的光學(xué)成像方法，使用一個(gè)或多個(gè)分光器件，比如分光鏡，和兩個(gè)或多個(gè)固體感光芯片對(duì)同一場(chǎng)景同時(shí)進(jìn)行成像，其特征在于
利用分光鏡或分光鏡組將同一入射光分成透射光和反射光?；蛘呃妙?lèi)似的其他光學(xué)分光器件將同一入射光分成多束光。其中分光后的每束光的光強(qiáng)占總光強(qiáng)的比例可以通過(guò)調(diào)節(jié)分光器件參數(shù)來(lái)設(shè)定。
利用多個(gè)固體感光器件(CCD/CMOS)分別對(duì)由分光器件所產(chǎn)生的每束分光光圖像同時(shí)暴光，獨(dú)立成像。
利用硬件和/或軟件構(gòu)成的暴光控制系統(tǒng)對(duì)每個(gè)感光器件(CCD/CMOS)進(jìn)行獨(dú)立暴光時(shí)間控制。通過(guò)調(diào)節(jié)每個(gè)感光器件的暴光時(shí)間，使每個(gè)感光器件所探測(cè)的不同的動(dòng)態(tài)范圍迭加起來(lái)。
利用硬件和/或軟件構(gòu)成的圖像合成系統(tǒng)對(duì)每個(gè)感光器件采集的不同動(dòng)態(tài)范圍的同一場(chǎng)景的多副圖像進(jìn)行超寬動(dòng)態(tài)范圍圖像合成。
2，一種圖像采集系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍迭加和動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展的方法。根據(jù)權(quán)利要求1所述的成像方法，控制暴光時(shí)間和分光器件的分光比例，使不同光路的圖像的動(dòng)態(tài)范圍迭加起來(lái)，從而得到擴(kuò)展了動(dòng)態(tài)范圍的合成圖像。
3，一種暴光時(shí)間計(jì)算算方法法。根據(jù)權(quán)利要求2所述的動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展方法，計(jì)算不同感光器件的暴光時(shí)間，使不同的動(dòng)態(tài)范圍圖像無(wú)縫地銜接起來(lái)。具算公式為
其中，
是CCD/CMOS感光器件動(dòng)態(tài)范圍，
是分光鏡反射率，)tr和)tt分別是反射圖像和透射圖像的暴光時(shí)間。
4，一種超寬動(dòng)態(tài)范圍攝像系統(tǒng)。此系統(tǒng)特征是包含有一個(gè)分光器件，兩個(gè)CCD或CMOS感光器件，暴光控制系統(tǒng)和超寬動(dòng)態(tài)范圍圖像合成系統(tǒng)。
5，一種超寬動(dòng)態(tài)范圍攝像系統(tǒng)。此系統(tǒng)特征是包含有多個(gè)分光器件和多個(gè)CCD或CMOS感光器件，暴光控制系統(tǒng)和超寬動(dòng)態(tài)范圍圖像合成系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種超寬動(dòng)態(tài)光學(xué)圖像的采集方法。本發(fā)明利用分光鏡或分光鏡組或其他類(lèi)似光學(xué)器件對(duì)入射光進(jìn)行分光，用兩個(gè)或多個(gè)感光芯片(CCD/CMOS)對(duì)同一場(chǎng)景的每個(gè)分光后的圖像同時(shí)進(jìn)行成像，每個(gè)感光芯片分別對(duì)分光鏡產(chǎn)生的透射光和反射光進(jìn)行獨(dú)立成像。通過(guò)對(duì)每個(gè)感光芯片的暴光時(shí)間的獨(dú)立控制，得到同一場(chǎng)景的不同動(dòng)態(tài)范圍的圖像，并對(duì)這些圖像進(jìn)行合成，得到超寬動(dòng)態(tài)范圍的光學(xué)圖像。通過(guò)多次分光成像，整個(gè)攝像系統(tǒng)理論上動(dòng)態(tài)范圍可以達(dá)到無(wú)窮大。
文檔編號(hào)H04N5/235GK101631202SQ20081006851
公開(kāi)日2010年1月20日 申請(qǐng)日期2008年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月16日
發(fā)明者肖長(zhǎng)詩(shī) 申請(qǐng)人:肖長(zhǎng)詩(shī), 陳 鋼