專利名稱：一種單次曝光的高動態(tài)范圍圖像獲取方法
技術領域：
本發(fā)明涉及圖像處理技術領域，特別是涉及一種單次曝光的高動態(tài)范圍圖像獲取 方法。
背景技術：
電荷耦合器件(CXD)是一種廣泛使用的圖像傳感器。然而，這種技術面臨的一個 嚴重問題是其動態(tài)范圍的限制。自然場景的動態(tài)范圍多數(shù)超過IOOdB,而傳統(tǒng)的成像技術大 多只能達到約60-70dB。這就造成在大動態(tài)范圍的場景中采集的圖像既有過曝光區(qū)域又有 欠曝光區(qū)域，而過曝光和欠曝光都意味著圖像細節(jié)的丟失。為了解決上述問題，有人提出了改進的方法，這些方法可以分為兩種一種是基于 多次曝光的方法來擬合高動態(tài)范圍圖像(HDRI)；另一種是單次曝光直接獲得HDRI?；诙啻纹毓鈹M合HDRI的方法在當今高端數(shù)碼照相機中被廣泛采用，即所謂的 “包圍曝光功能”。它的基本原理是，首先使用預設的曝光時間拍攝一幅圖像，再使用比預設 值短的曝光時間拍攝一幅亮度較暗的圖像，最后使用比預設值長的曝光時間拍攝一幅亮度 較亮的圖像，然后將這三幅圖像按照一定的方法進行合成，最后可以得到一幅HDRI。這種 方法由于直接使用普通的影響采集設備，因而具有成本低的優(yōu)勢。但是，由于上述三幅圖像 分別拍攝于三個不同的時間，因此在運動場景中不能完全重合，因此得到的HDRI會發(fā)生錯 誤，嚴重限制了這種方法的應用范圍。基于單次曝光直接獲得HDRI的方法因其在運動場景中的良好表現(xiàn)近年來越來越 得到人們的重視。然而，提出的改進方案多半只局限在對圖像傳感器本身的改進上，例如改 變傳感器的單元結構以直接獲得大動態(tài)范圍的圖像。這些方法固然可行，但是重新設計感 光芯片并進行流片，其消耗的成本是非?？捎^的，因此直接限制了這些方法的實際應用。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種單次曝光的高動態(tài)范圍圖像獲取 方法。單次曝光的高動態(tài)范圍圖像獲取方法包括如下步驟1)電荷耦合元件采用初始曝光時間、進行曝光，將電荷耦合元件輸出的模擬電信 號通過串行信號線分別輸入高增益模擬數(shù)字轉換器和低增益模擬數(shù)字轉換器進行采樣，由 高增益模擬數(shù)字轉換器通過數(shù)字并行總線輸出一幅亮圖，由低增益模擬數(shù)字轉換器通過數(shù) 字并行總線輸出一幅暗圖；2)將亮圖和暗圖存儲于隨機存儲器中，數(shù)字信號處理器通過數(shù)字并行總線讀取隨 機存儲器中的亮圖和暗圖中像素的亮度值，并采用如下公式計算亮圖和暗圖的全部像素的 平均亮度值5
一 ιΝ 其中，云是亮圖和暗圖的全部像素的平均亮度值，Ui是亮圖的第i個像素的亮度 值，Vi是暗圖的第i個像素的亮度值，N是亮圖的總像素個數(shù)；3)將亮圖和暗圖的全部像素的平均亮度值云與預先設定的理想平均亮度值Btl 進行比較，若亮圖和暗圖的全部像素的平均亮度值云與理想平均亮度值Bci的差的絕對值
^小于設定的閾值Y，則進入步驟6)，若亮圖和暗圖的全部像素的平均亮度值g與理
想平均亮度值Btl的差的絕對值大于或等于設定的閾值γ，則進入步驟4)；在8位灰
度圖像中理想平均亮度值Btl是0到255之間的任意整數(shù)，通常取128，閾值Y是0到128 之間的常數(shù)，通常取10;4)通過數(shù)字信號處理器計算出新的曝光時間 其中，tnew是新的曝光時間，云是亮圖和暗圖的全部像素的平均亮度值，Btl是理想平 均亮度值，步長△是正實數(shù)，t。ld是采集當前的亮圖和暗圖時所采用的曝光時間；5)電荷耦合元件采用新的曝光時間tMW進行曝光，將電荷耦合元件輸出的模擬電 信號通過串行信號線分別輸入高增益模擬數(shù)字轉換器和低增益模擬數(shù)字轉換器進行采樣， 由高增益模擬數(shù)字轉換器通過數(shù)字并行總線輸出一幅亮圖，由低增益模擬數(shù)字轉換器通過 數(shù)字并行總線輸出一幅暗圖；重復步驟2)到步驟5)，直至滿足亮圖和暗圖的全部像素的平
均亮度值;^與理想平均亮度值Btl的差的絕對值小于設定的閾值Y，則由步驟3)進入
步驟6)；6)將亮圖的第1個像素的亮度值和暗圖的第1個像素的亮度值分別與閾值S進行 比較，0 ( S ( 255，選取最接近閾值S的像素的亮度值作為高動態(tài)范圍圖像的第1個像素 的亮度值；依次重復上述操作，最后將亮圖中第N個像素的亮度值和暗圖第N個像素的亮度 值與閾值S進行比較，選取最接近閾值S的像素的亮度值作為高動態(tài)范圍圖像的第N個像 素的亮度值；從而得到高動態(tài)范圍圖像第1個到第N個像素的亮度值，由N個像素的亮度值 組成的圖像即為高動態(tài)范圍圖像；或者將亮圖的第1個像素的亮度值與閾值S進行比較，0彡S彡255，如果亮圖的 第1個像素的亮度值大于閾值S，則權重系數(shù)W取0到0. 5之間的常數(shù)，如果亮圖的第1個 像素的亮度值小于或等于閾值S，則權重系數(shù)w取0. 5到1之間的常數(shù)；依次重復上述操作， 最后將亮圖的第N個像素的亮度值與閾值S進行比較，0 < S < 255，如果亮圖的第N個像 素的亮度值大于閾值S，則權重系數(shù)w取0到0. 5之間的常數(shù)，如果亮圖的第N個像素的亮 度值小于或等于閾值S，則權重系數(shù)w取0. 5到1之間的常數(shù)；采用如下公式計算高動態(tài)范圍圖像第1個到第N個像素的亮度值H = wXUj+d-w) XviH為高動態(tài)范圍圖像的亮度值，Ui是亮圖的像素的亮度值，Vi是暗圖的像素的亮度 值，w為權重系數(shù)；從而得到高動態(tài)范圍圖像第1個到第N個像素的亮度值，由N個像素的亮度值組 成的圖像即為高動態(tài)范圍圖像。本發(fā)明是通過圖像傳感器單次曝光獲得一幅高動態(tài)范圍圖像，解決了現(xiàn)有圖像獲
5取方法動態(tài)范圍小、無法在運動場景中使用等技術問題，而且具有生產(chǎn)成本低的優(yōu)勢。
圖1是單次曝光的高動態(tài)范圍圖像獲取方法的流程圖；圖2是高增益模擬數(shù)字轉換器通過數(shù)字并行總線輸出的一幅亮圖；圖3是低增益模擬數(shù)字轉換器通過數(shù)字并行總線輸出的一幅暗圖；圖4是采用本發(fā)明所述方法由圖2圖3合成的高動態(tài)范圍圖像。
具體實施例方式如圖1所示，單次曝光的高動態(tài)范圍圖像(HDRI)獲取方法包括如下步驟1)電荷耦合元件(Charge-coupled Device, CCD)采用初始曝光時間tQ進行曝 光，將電荷耦合元件輸出的模擬電信號通過串行信號線分別輸入高增益模擬數(shù)字轉換器 (Analog-digital Converter,ADC)和低增益模擬數(shù)字轉換器進行采樣，由高增益模擬數(shù)字 轉換器通過數(shù)字并行總線輸出一幅亮圖，由低增益模擬數(shù)字轉換器通過數(shù)字并行總線輸出 一幅暗圖；2)將亮圖和暗圖存儲于隨機存儲器中，數(shù)字信號處理器通過數(shù)字并行總線讀取隨 機存儲器中的亮圖和暗圖中像素的亮度值，并采用如下公式計算亮圖和暗圖的全部像素的 平均亮度值5 其中，云是亮圖和暗圖的全部像素的平均亮度值，Ui是亮圖的第i個像素的亮度 值，Vi是暗圖的第i個像素的亮度值，N是亮圖的總像素個數(shù)；3)將亮圖和暗圖的全部像素的平均亮度值云與預先設定的理想平均亮度值Btl 進行比較，若亮圖和暗圖的全部像素的平均亮度值云與理想平均亮度值Bci的差的絕對值
凡小于設定的閾值Y，則進入步驟6)，若亮圖和暗圖的全部像素的平均亮度值g與理
想平均亮度值Btl的差的絕對值大于或等于設定的閾值Y，則進入步驟4)；在8位灰
度圖像中理想平均亮度值Btl是0到255之間的任意整數(shù)，通常取128，閾值Y是0到128 之間的常數(shù)，通常取10;4)通過數(shù)字信號處理器計算出新的曝光時間 其中，tnew是新的曝光時間，云是亮圖和暗圖的全部像素的平均亮度值，Btl是理想平 均亮度值，步長△是正實數(shù)，t。ld是采集當前的亮圖和暗圖時所采用的曝光時間；5)電荷耦合元件采用新的曝光時間tMW進行曝光，將電荷耦合元件輸出的模擬電 信號通過串行信號線分別輸入高增益模擬數(shù)字轉換器和低增益模擬數(shù)字轉換器進行采樣， 由高增益模擬數(shù)字轉換器通過數(shù)字并行總線輸出一幅亮圖，由低增益模擬數(shù)字轉換器通過 數(shù)字并行總線輸出一幅暗圖；重復步驟2)到步驟5)，直至滿足亮圖和暗圖的全部像素的平
均亮度值j與理想平均亮度值Btl的差的絕對值I盡小于設定的閾值Y，則由步驟3)進入
6
步驟6)；6)將亮圖的第1個像素的亮度值和暗圖的第1個像素的亮度值分別與閾值S進行 比較，0 ( S ( 255，選取最接近閾值S的像素的亮度值作為高動態(tài)范圍圖像的第1個像素 的亮度值；依次重復上述操作，最后將亮圖中第N個像素的亮度值和暗圖第N個像素的亮度 值與閾值S進行比較，選取最接近閾值S的像素的亮度值作為高動態(tài)范圍圖像的第N個像 素的亮度值；從而得到高動態(tài)范圍圖像第1個到第N個像素的亮度值，由N個像素的亮度值 組成的圖像即為高動態(tài)范圍圖像；或者將亮圖的第1個像素的亮度值與閾值S進行比較，0 ^ S ^ 255，如果亮圖的 第1個像素的亮度值大于閾值S，則權重系數(shù)W取0到0. 5之間的常數(shù)，如果亮圖的第1個 像素的亮度值小于或等于閾值S，則權重系數(shù)w取0. 5到1之間的常數(shù)；依次重復上述操作， 最后將亮圖的第N個像素的亮度值與閾值S進行比較，SS 255，如果亮圖的第N個像 素的亮度值大于閾值S，則權重系數(shù)w取0到0. 5之間的常數(shù)，如果亮圖的第N個像素的亮 度值小于或等于閾值S，則權重系數(shù)w取0. 5到1之間的常數(shù)；采用如下公式計算高動態(tài)范圍圖像第1個到第N個像素的亮度值 H為高動態(tài)范圍圖像的亮度值，Ui是亮圖的像素的亮度值，Vi是暗圖的像素的亮度 值，w為權重系數(shù)；從而得到高動態(tài)范圍圖像第1個到第N個像素的亮度值，由N個像素的亮度值組 成的圖像即為高動態(tài)范圍圖像。實施例本實施例中，所述的電荷耦合元件采用SONY公司的ICX204，高增益模擬數(shù)字轉換 器和低增益模擬數(shù)字轉換器均采用SONY公司的CXD2311AR，數(shù)字信號處理器采用ADI的 blackfin561，隨機存儲器采用Samsung公司的K4S511632D。1)電荷耦合元件采用初始曝光時間Ι/lOOs進行曝光，將電荷耦合元件輸出的模 擬電信號通過串行信號線分別輸入高增益模擬數(shù)字轉換器和低增益模擬數(shù)字轉換器進行 采樣，由高增益模擬數(shù)字轉換器通過8位數(shù)字并行總線輸出一幅亮圖，由低增益模擬數(shù)字 轉換器通過8位數(shù)字并行總線輸出一幅暗圖；2)將亮圖和暗圖存儲于隨機存儲器中，數(shù)字信號處理器通過數(shù)字并行總線讀取隨 機存儲器中的亮圖和暗圖中像素的亮度值，并采用如下公式計算亮圖和暗圖的全部像素的 平均亮度值5 其中，云是亮圖和暗圖的全部像素的平均亮度值，Ui是亮圖的第i個像素的亮度 值，Vi是暗圖的第i個像素的亮度值，N是亮圖的總像素個數(shù)；計算結果為云=116.7;3)將亮圖和暗圖的全部像素的平均亮度值5與預先設定的理想平均亮度值Btl 進行比較，若亮圖和暗圖的全部像素的平均亮度值萬與理想平均亮度值Bci的差的絕對值
代小于設定的閾值Y，則進入步驟6)，若亮圖和暗圖的全部像素的平均亮度值》與理 想平均亮度值Btl的差的絕對值代大于或等于設定的閾值Y，則進入步驟4)；在8位灰度圖像中理想平均亮度值Btl是0到255之間的任意整數(shù)，本實施例中理想平均亮度值Btl取 128，閾值Y取10 ；由于
大于閾值10，因此進入步驟4)；4)通過數(shù)字信號處理器計算出新的曝光時間 其中，tMW是新的曝光時間，云是亮圖和暗圖的全部像素的平均亮度值，即116.7，Bq 是理想平均亮度值，即128，步長Δ是正實數(shù)，本實施例中取0.001，told是采集當前的亮 圖和暗圖時所采用的曝光時間，即Ι/lOOs ；計算結果為tnew = 0. 022s ；5)電荷耦合元件采用新的曝光時間0. 022s進行曝光，將電荷耦合元件輸出的模 擬電信號通過串行信號線分別輸入高增益模擬數(shù)字轉換器和低增益模擬數(shù)字轉換器進行 采樣，由高增益模擬數(shù)字轉換器通過數(shù)字并行總線輸出一幅亮圖，由低增益模擬數(shù)字轉換 器通過數(shù)字并行總線輸出一幅暗圖；重復步驟2)到步驟5)，直至滿足亮圖和暗圖的全部
像素的平均亮度值；^與理想平均亮度值Btl的差的絕對值I盡小于設定的閾值γ，即閾值
10，則由步驟3)進入步驟6)；6)將亮2的第1個像素的亮度值與閾值S進行比較，S取200，如果亮2 第1個像素的亮度值大于閾值200，則權重系數(shù)w取0. 25，如果亮2第1個像素的亮度 值小于或等于閾值200，則權重系數(shù)w取0. 75 ；依次重復上述操作，最后將亮2中第N 個像素的亮度值與閾值200進行比較，如果亮2中第N個像素的亮度值大于閾值200， 則權重系數(shù)w取0. 25，如果亮2中第N個像素的亮度值小于閾值200，則權重系數(shù)w取 0. 75 ；采用如下公式計算高動態(tài)范圍圖像第1個到第N個像素的亮度值H = wXUj+d-w) XviH為高動態(tài)范圍圖像的亮度值，Ui是亮圖的像素的亮度值，Vi是暗圖的像素的亮度 值，W為權重系數(shù)，視亮圖的像素的亮度值Ui的取值范圍取0. 25或0. 75 ；從而得到高動態(tài)范圍圖像第1個到第N個像素的亮度值，由N個像素的亮度值組 成的圖像即為高動態(tài)范圍圖像圖4。
權利要求
一種單次曝光的高動態(tài)范圍圖像獲取方法，其特征在于包括如下步驟1)電荷耦合元件采用初始曝光時間t0進行曝光，將電荷耦合元件輸出的模擬電信號通過串行信號線分別輸入高增益模擬數(shù)字轉換器和低增益模擬數(shù)字轉換器進行采樣，由高增益模擬數(shù)字轉換器通過數(shù)字并行總線輸出一幅亮圖，由低增益模擬數(shù)字轉換器通過數(shù)字并行總線輸出一幅暗圖；2)將亮圖和暗圖存儲于隨機存儲器中，數(shù)字信號處理器通過數(shù)字并行總線讀取隨機存儲器中的亮圖和暗圖中像素的亮度值，并采用如下公式計算亮圖和暗圖的全部像素的平均亮度值 <mrow><mover> <mi>B</mi> <mo>‾</mo></mover><mo>=</mo><mfrac> <mn>1</mn> <mrow><mn>2</mn><mi>N</mi> </mrow></mfrac><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi></munderover><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>u</mi><mi>i</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub><mi>v</mi><mi>i</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow> </mrow>其中，是亮圖和暗圖的全部像素的平均亮度值，ui是亮圖的第i個像素的亮度值，vi是暗圖的第i個像素的亮度值，N是亮圖的總像素個數(shù)；3)將亮圖和暗圖的全部像素的平均亮度值與預先設定的理想平均亮度值B0進行比較，若亮圖和暗圖的全部像素的平均亮度值與理想平均亮度值B0的差的絕對值小于設定的閾值γ，則進入步驟6)，若亮圖和暗圖的全部像素的平均亮度值與理想平均亮度值B0的差的絕對值大于或等于設定的閾值γ，則進入步驟4)；在8位灰度圖像中理想平均亮度值B0是0到255之間的任意整數(shù)，通常取128，閾值γ是0到128之間的常數(shù)，通常取10；4)通過數(shù)字信號處理器計算出新的曝光時間tnew <mrow><msub> <mi>t</mi> <mi>new</mi></msub><mo>=</mo><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>B</mi><mn>0</mn> </msub> <mo>-</mo> <mover><mi>B</mi><mo>‾</mo> </mover> <mo>)</mo></mrow><mo>×</mo><mfrac> <msub><mi>B</mi><mn>0</mn> </msub> <mover><mi>B</mi><mo>‾</mo> </mover></mfrac><mo>×</mo><mi>Δ</mi><mo>+</mo><msub> <mi>t</mi> <mi>old</mi></msub> </mrow>其中，tnew是新的曝光時間，是亮圖和暗圖的全部像素的平均亮度值，B0是理想平均亮度值，步長Δ是正實數(shù)，told是采集當前的亮圖和暗圖時所采用的曝光時間；5)電荷耦合元件采用新的曝光時間tnew進行曝光，將電荷耦合元件輸出的模擬電信號通過串行信號線分別輸入高增益模擬數(shù)字轉換器和低增益模擬數(shù)字轉換器進行采樣，由高增益模擬數(shù)字轉換器通過數(shù)字并行總線輸出一幅亮圖，由低增益模擬數(shù)字轉換器通過數(shù)字并行總線輸出一幅暗圖；重復步驟2)到步驟5)，直至滿足亮圖和暗圖的全部像素的平均亮度值與理想平均亮度值B0的差的絕對值小于設定的閾值γ，則由步驟3)進入步驟6)；6)將亮圖的第1個像素的亮度值和暗圖的第1個像素的亮度值分別與閾值S進行比較，0≤S≤255，選取最接近閾值S的像素的亮度值作為高動態(tài)范圍圖像的第1個像素的亮度值；依次重復上述操作，最后將亮圖中第N個像素的亮度值和暗圖第N個像素的亮度值與閾值S進行比較，選取最接近閾值S的像素的亮度值作為高動態(tài)范圍圖像的第N個像素的亮度值；從而得到高動態(tài)范圍圖像第1個到第N個像素的亮度值，由N個像素的亮度值組成的圖像即為高動態(tài)范圍圖像；或者將亮圖的第1個像素的亮度值與閾值S進行比較，0≤S≤255，如果亮圖的第1個像素的亮度值大于閾值S，則權重系數(shù)w取0到0.5之間的常數(shù)，如果亮圖的第1個像素的亮度值小于或等于閾值S，則權重系數(shù)w取0.5到1之間的常數(shù)；依次重復上述操作，最后將亮圖的第N個像素的亮度值與閾值S進行比較，0≤S≤255，如果亮圖的第N個像素的亮度值大于閾值S，則權重系數(shù)w取0到0.5之間的常數(shù)，如果亮圖的第N個像素的亮度值小于或等于閾值S，則權重系數(shù)w取0.5到1之間的常數(shù)；采用如下公式計算高動態(tài)范圍圖像第1個到第N個像素的亮度值H＝w×ui+(1 w)×viH為高動態(tài)范圍圖像的亮度值，ui是亮圖的像素的亮度值，vi是暗圖的像素的亮度值，w為權重系數(shù)；從而得到高動態(tài)范圍圖像第1個到第N個像素的亮度值，由N個像素的亮度值組成的圖像即為高動態(tài)范圍圖像。FSA00000226126300011.tif,FSA00000226126300013.tif,FSA00000226126300014.tif,FSA00000226126300015.tif,FSA00000226126300016.tif,FSA00000226126300017.tif,FSA00000226126300018.tif,FSA000002261263000110.tif,FSA000002261263000111.tif,FSA000002261263000112.tif
全文摘要
本發(fā)明公開了一種單次曝光的高動態(tài)范圍圖像獲取方法。它是將電荷耦合元件采用初始曝光時間t0進行曝光所獲得的亮圖和暗圖的全部像素的平均亮度值與理想平均亮度值B0進行比較，通過數(shù)字信號處理器計算出新的曝光時間tnew，電荷耦合元件采用新的曝光時間tnew進行曝光，獲得一幅亮圖和暗圖，將亮圖的第1個到第N個像素的亮度值和暗圖的第1個到第N個像素的亮度值分別與閾值S進行比較，通過所述公式得到高動態(tài)范圍圖像第1個到第N個像素的亮度值，由N個像素的亮度值組成的圖像即為高動態(tài)范圍圖像。本發(fā)明是通過圖像傳感器單次曝光獲得一幅高動態(tài)范圍圖像，解決了現(xiàn)有圖像獲取方法動態(tài)范圍小、無法在運動場景中使用等技術問題，而且具有生產(chǎn)成本低的優(yōu)勢。
文檔編號H04N5/335GK101917551SQ20101025139
公開日2010年12月15日 申請日期2010年8月10日 優(yōu)先權日2010年8月10日
發(fā)明者劉濟林, 李培弘, 楊鑌, 王延長, 陳乘 申請人:浙江大學