專利名稱：成像系統(tǒng)中的寬動(dòng)態(tài)壓縮器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及成像系統(tǒng)，特別是涉及成像系統(tǒng)中的壓縮器。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的成像系統(tǒng)中通常采用壓縮器來對(duì)圖像進(jìn)行必要的處理。在成像系統(tǒng)中，寬動(dòng)態(tài)一般是指場(chǎng)景中特別亮的部位和特別暗的部位同時(shí)都能看得特別清楚，寬動(dòng)態(tài)范圍則是圖像能分辨最亮的亮度信號(hào)值與能分辨的最暗的亮光信號(hào)值的比值。寬動(dòng)態(tài)的表現(xiàn)方式以“倍數(shù)”或“dB”來表示，在以100IRE為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，換算公式=NdB = 201og(V2/Vl)。舉例來說，如果第一款攝像機(jī)(稱VI)的寬動(dòng)態(tài)值為10dB，第二款攝像機(jī)(稱V2)的寬動(dòng)態(tài)值為 48dB，那么，第二款攝像機(jī)與第一款攝像機(jī)之間的差為38dB，也就是V2/V1 = 80，說明第二款攝像機(jī)與第一款攝像機(jī)的寬動(dòng)態(tài)范圍相差為80倍。隨著科技的發(fā)展，寬動(dòng)態(tài)漸漸地被大家所認(rèn)識(shí)，在監(jiān)控?cái)z像機(jī)行業(yè)中，帶有寬動(dòng)態(tài)功能也慢慢地被認(rèn)為攝像機(jī)的一種必備的基本功能。但是這種功能的實(shí)現(xiàn)瓶頸在于是否具備寬動(dòng)態(tài)采樣或是具備多重曝光功能，隨著圖像傳感器的不斷發(fā)展，這個(gè)瓶頸已經(jīng)基本解決，現(xiàn)有的一些CMOS圖像傳感器的寬動(dòng)態(tài)范圍值甚至可以達(dá)到160db。有了寬動(dòng)態(tài)范圍的圖像傳感器后就需要一種與它相匹配的攝像機(jī)，以更好地還原寬動(dòng)態(tài)傳感器的圖像。若圖像傳感器是寬動(dòng)態(tài)的，而攝像機(jī)不具備寬動(dòng)態(tài)的還原，那么得到的圖像就還是和普通的攝像機(jī)一樣。一方面，現(xiàn)有的寬動(dòng)態(tài)壓縮器通常是通過在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的軟件來實(shí)現(xiàn)，這種軟件難以在攝像機(jī)上實(shí)現(xiàn)；另一方面，在硬件上實(shí)現(xiàn)一個(gè)實(shí)時(shí)的寬動(dòng)態(tài)壓縮器有很大的難度， 即使在單獨(dú)的硬件上實(shí)現(xiàn)也必須耗費(fèi)大量的硬件資源，致使硬件成本大大提高?？梢?，實(shí)有必要對(duì)現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提出一種成像系統(tǒng)中的寬動(dòng)態(tài)壓縮器，用硬件實(shí)現(xiàn)，并且成本較低。本實(shí)用新型解決上述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案包括，提出一種成像系統(tǒng)中的寬動(dòng)態(tài)壓縮器，包括統(tǒng)計(jì)模塊，其將輸入的當(dāng)前亮度值與保存的最大亮度值及最小亮度值相比，對(duì)保存的最大亮度值及最小亮度值進(jìn)行更新，并將當(dāng)前亮度值、保存的最大亮度值及最小亮度值輸出；對(duì)數(shù)壓縮模塊，其對(duì)該統(tǒng)計(jì)模塊提供的當(dāng)前亮度值、最大亮度值及最小亮度值進(jìn)行對(duì)數(shù)運(yùn)算并輸出三者的對(duì)數(shù)值；除法模塊，其根據(jù)對(duì)數(shù)壓縮模塊提供的當(dāng)前亮度值、最大亮度值及最小亮度值對(duì)當(dāng)前亮度值進(jìn)行歸一化處理并將該歸一化值輸出；以及Gamma校正模塊，其根據(jù)除法模塊提供的歸一化值進(jìn)行查表以得到當(dāng)前亮度值的壓縮表達(dá)值。該對(duì)數(shù)壓縮模塊包括三路并列的單元，以同時(shí)進(jìn)行三路的對(duì)數(shù)壓縮運(yùn)算。該對(duì)數(shù)壓縮模塊是進(jìn)行以2為底的對(duì)數(shù)運(yùn)算的。該對(duì)數(shù)壓縮模塊包括用以得到整數(shù)對(duì)數(shù)值的第一部分和用以得到小數(shù)對(duì)數(shù)值的第二部分，該第二部分是以查表的形式實(shí)現(xiàn)的。該除法模塊是采用牛頓迭代算法實(shí)現(xiàn)的。該歸一化值是8位表不的。該壓縮表達(dá)值是8位表示的。該統(tǒng)計(jì)模塊、對(duì)數(shù)壓縮模塊、除法模塊以及Gamma校正模塊是采用FPGA實(shí)現(xiàn)的。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的成像系統(tǒng)中的寬動(dòng)態(tài)壓縮器，用硬件實(shí)現(xiàn)，并且成本較低。

圖I為本實(shí)用新型的成像系統(tǒng)中的寬動(dòng)態(tài)壓縮器的結(jié)構(gòu)示意。圖2為本實(shí)用新型的成像系統(tǒng)中的寬動(dòng)態(tài)壓縮器的流程圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖所示之最佳實(shí)施例作進(jìn)一步詳述。如圖I所示，本實(shí)用新型的成像系統(tǒng)中的寬動(dòng)態(tài)壓縮器實(shí)施例大致包括統(tǒng)計(jì)模塊1，對(duì)數(shù)模塊2，除法模塊3以及6&_&校正模塊4。這幾個(gè)模塊組合起來可實(shí)現(xiàn)寬動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)壓縮功能，整個(gè)壓縮的方法和過程主要可以通過下列公式來表達(dá)。在公式中可以看到， 所有的原始數(shù)據(jù)都是經(jīng)過了對(duì)數(shù)壓縮。由于對(duì)數(shù)函數(shù)是最接近人類眼睛的成像函數(shù)，所以采用對(duì)數(shù)函數(shù)壓縮數(shù)據(jù)可以得到一個(gè)更寬范圍的亮度空間。公式的分子是原始數(shù)據(jù)的對(duì)數(shù)結(jié)果減去最暗點(diǎn)的對(duì)數(shù)結(jié)果，這樣可以理解為原來的像素點(diǎn)在壓縮后的亮度空間的位置。 分母則是最亮點(diǎn)的對(duì)數(shù)結(jié)果減去最暗點(diǎn)的對(duì)數(shù)結(jié)果，這樣可以理解為壓縮完后新的亮度空間范圍。F(X) = [log2(X+l)~log2(Xmin+1)]/[log2(Xmax+1)~log2(Xmin+1)]統(tǒng)計(jì)模塊1，它的功能是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，它可以找出整個(gè)圖像里面的最亮點(diǎn)和最暗點(diǎn)，并將這兩個(gè)的數(shù)據(jù)傳連同當(dāng)前圖像點(diǎn)數(shù)據(jù)輸?shù)綄?duì)數(shù)模塊2去。它的輸入是整個(gè)系統(tǒng)的輸入端，連接了場(chǎng)信號(hào)vs，行信號(hào)hs，圖像數(shù)據(jù)data。輸出連接到對(duì)數(shù)模塊2，分別連了最亮點(diǎn)數(shù)據(jù)，最暗點(diǎn)數(shù)據(jù)以及圖像點(diǎn)數(shù)據(jù)。對(duì)數(shù)模塊2，它的功能是將寬帶寬的數(shù)據(jù)壓縮到較小的帶寬數(shù)據(jù)，為了提高處理速度，本實(shí)用新型中是并列設(shè)置了三路單元21、22、23，以同時(shí)得到最亮點(diǎn)數(shù)據(jù)，最暗點(diǎn)數(shù)據(jù)以及圖像點(diǎn)數(shù)據(jù)的對(duì)數(shù)壓縮值。如果對(duì)數(shù)函數(shù)只用查找表來實(shí)現(xiàn)，那么它會(huì)消耗極大的硬件資源，因此必須對(duì)它進(jìn)行優(yōu)化，這里用一個(gè)數(shù)的優(yōu)化計(jì)算來表達(dá)本實(shí)用新型的優(yōu)化策略先將log2(4000)分解為Il+log2 (1+1952/2048)，然后用一個(gè)8位的查找表去找到一個(gè)近似的 log2 (1+1952/2048)，采用該優(yōu)化策略可以大大減少硬件資源的要求。對(duì)數(shù)模塊2的輸出都連接到除法模塊3中去。除法模塊3，它的功能是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的歸一化，便于以后數(shù)據(jù)空間的換算。在本實(shí)用新型中，除法器也做了優(yōu)化，以縮減計(jì)算時(shí)間以及減少資源的消耗。除法器的算法主要采用了牛頓迭代的方法，也就是先用一個(gè)8位的查找表找出一個(gè)粗劣的原始數(shù)值，然后進(jìn)行迭代找到一個(gè)精確的結(jié)果。Gamma校正模塊4，它的功能是亮度校正，讓圖像的亮度和對(duì)比度更加合理。它主要是由一個(gè)8位的查找表組成。需要說明的是，上述的統(tǒng)計(jì)模塊I、對(duì)數(shù)壓縮模塊2、除法模塊3以及Gamma校正模塊4可以采用FPGA實(shí)現(xiàn)，也可以采用其它的專門的集成電路來實(shí)現(xiàn)。圖2為本實(shí)用新型的成像系統(tǒng)中的寬動(dòng)態(tài)壓縮器的流程圖。大致包括步驟I、將進(jìn)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，找出最亮點(diǎn)和最暗點(diǎn)。每進(jìn)來一個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)都和之前的數(shù)據(jù)點(diǎn)比較，如果現(xiàn)在的數(shù)據(jù)比之前的最亮點(diǎn)大，那就替代原來的最亮點(diǎn)數(shù)據(jù)，如果比最暗點(diǎn)的數(shù)據(jù)還小，那就替換掉原來的最暗點(diǎn)數(shù)據(jù)，這樣重復(fù)直到圖像的最后一個(gè)點(diǎn)結(jié)束。并將這兩個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)在下一張圖片到來的時(shí)候和原始數(shù)據(jù)一起傳送到后面log表中去;步驟2、在對(duì)數(shù)模塊中，先將數(shù)據(jù)進(jìn)行分解，把最高位的數(shù)據(jù)優(yōu)化出來，然后把剩下的數(shù)據(jù)當(dāng)做查找表的地址，找到對(duì)應(yīng)的近似值，然后把這兩個(gè)值相加起來，得到數(shù)據(jù)的真正結(jié)果;步驟3、將步驟2的最亮值數(shù)據(jù)減掉最暗值數(shù)據(jù)作為除法器的分母，原始數(shù)據(jù)減掉最暗值數(shù)據(jù)作為分子，計(jì)算出一個(gè)歸一化的數(shù)值；步驟4、將步驟3的數(shù)據(jù)作為Gamma校正的查找表地址，該查找表是一個(gè)8位的數(shù)據(jù)，這樣還原后就可得到一個(gè)在O 255數(shù)據(jù)空間的壓縮值。這個(gè)數(shù)值就是本實(shí)用新型想壓縮得到的結(jié)果。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的成像系統(tǒng)中的寬動(dòng)態(tài)壓縮器，通過全局的亮度版圖(tonemap)調(diào)節(jié),對(duì)寬動(dòng)態(tài)的圖像進(jìn)行壓縮,這樣也能實(shí)現(xiàn)寬動(dòng)態(tài)圖像的還原,但是圖像的細(xì)節(jié)有所損失，圖像的對(duì)比度較差，不過可以通過一定Gamma校正和對(duì)比對(duì)調(diào)節(jié)加以改善，從而可以大大減少對(duì)資源依賴并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的寬動(dòng)態(tài)還原。以上，僅為本實(shí)用新型之較佳實(shí)施例，意在進(jìn)一步說明本實(shí)用新型，而非對(duì)其進(jìn)行限定。凡根據(jù)上述之文字和附圖所公開的內(nèi)容進(jìn)行的簡(jiǎn)單的替換，都在本專利的權(quán)利保護(hù)范圍之列。
權(quán)利要求1.一種成像系統(tǒng)中的寬動(dòng)態(tài)壓縮器，其特征在于，包括統(tǒng)計(jì)模塊，其將輸入的當(dāng)前亮度值與保存的最大亮度值及最小亮度值相比，對(duì)保存的最大亮度值及最小亮度值進(jìn)行更新，并將當(dāng)前亮度值、保存的最大亮度值及最小亮度值輸出；對(duì)數(shù)壓縮模塊，其對(duì)該統(tǒng)計(jì)模塊提供的當(dāng)前亮度值、最大亮度值及最小亮度值進(jìn)行對(duì)數(shù)運(yùn)算并輸出三者的對(duì)數(shù)值；除法模塊，其根據(jù)對(duì)數(shù)壓縮模塊提供的當(dāng)前亮度值、最大亮度值及最小亮度值對(duì)當(dāng)前亮度值進(jìn)行歸一化處理并將該歸一化值輸出；以及6&_&校正模塊，其根據(jù)除法模塊提供的歸一化值進(jìn)行查表以得到當(dāng)前亮度值的壓縮表達(dá)值。
2.如權(quán)利要求I所述的成像系統(tǒng)中的寬動(dòng)態(tài)壓縮器，其特征在于，該對(duì)數(shù)壓縮模塊包括三路并列的單元，以同時(shí)進(jìn)行三路的對(duì)數(shù)壓縮運(yùn)算。
3.如權(quán)利要求I或2所述的成像系統(tǒng)中的寬動(dòng)態(tài)壓縮器，其特征在于，該統(tǒng)計(jì)模塊、對(duì)數(shù)壓縮模塊、除法模塊以及Gamma校正模塊是采用FPGA實(shí)現(xiàn)的。
專利摘要一種成像系統(tǒng)中的寬動(dòng)態(tài)壓縮器，包括統(tǒng)計(jì)模塊，其將輸入的當(dāng)前亮度值與保存的最大亮度值及最小亮度值相比，對(duì)保存的最大亮度值及最小亮度值進(jìn)行更新，并將當(dāng)前亮度值、保存的最大亮度值及最小亮度值輸出；對(duì)數(shù)壓縮模塊，其對(duì)該統(tǒng)計(jì)模塊提供的當(dāng)前亮度值、最大亮度值及最小亮度值進(jìn)行對(duì)數(shù)運(yùn)算并輸出三者的對(duì)數(shù)值；除法模塊，其根據(jù)對(duì)數(shù)壓縮模塊提供的當(dāng)前亮度值、最大亮度值及最小亮度值對(duì)當(dāng)前亮度值進(jìn)行歸一化處理并將該歸一化值輸出；以及Gamma校正模塊，其根據(jù)除法模塊提供的歸一化值進(jìn)行查表以得到當(dāng)前亮度值的壓縮表達(dá)值。本實(shí)用新型用硬件實(shí)現(xiàn)，并且成本較低。
文檔編號(hào)H04N5/238GK202353675SQ20112029555
公開日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2011年8月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月15日
發(fā)明者莊堉, 陳付軍 申請(qǐng)人:浙江博視電子科技股份有限公司