專利名稱：一種超寬動態(tài)范圍圖像的采集方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及到利用固態(tài)半導體光學成像器件(CCD/CMOS)的攝像裝置。特別是寬動態(tài)和超寬寬動態(tài)范圍圖像的采集方法和攝像設備。

背景技術(shù)：
固體感光器件基本光探測原理如圖一，場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成正比，光電流通過對電容器充電產(chǎn)生光電壓，光電壓經(jīng)過放大整形后就得到圖像像素值，如果再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換，就得到數(shù)碼圖像。由于物理原理的限制，在一定暴光時間下，感光器件所能探測到的最大光強和最小光強都是有限的，這個比值就是感光器件或者攝像設備的動態(tài)范圍。一般器件在50dB左右，也就是通常所說的8位圖像。然而，自然界的場景的動態(tài)范圍通常遠遠超過感光器件所能探測的范圍。比如正午陽光下直射區(qū)域的光強比陰影中的光強要高近6個數(shù)量級(~120dB)。如果場景都是明亮物體，可以減小暴光時間或進行光衰減。如都是陰暗物體，可以增加暴光時間或進行光放大，都能得到清晰的圖像。真正的困難在于場景中同時有高亮度部分和陰暗部分，比如陽光下的建筑物陰影或夜晚中的汽車前燈等。如果暴光時間短，高亮度場景部分能得到清晰圖像，但低亮度部分則暴光不足；如果暴光時間長，低亮度部分能得到清晰圖像，但是高亮度部分則過度暴光，圖像飽和，細節(jié)丟失。圖二描述了暴光時間對圖像的影響。為了不失真地測量這樣的寬動態(tài)范圍場景，攝像設備的動態(tài)范圍要求大于16位，有的甚至要求到20位左右。
寬動態(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同一場景進行兩次或多次不同暴光時間采集，然后對這些按時間順序多次采集的圖像進行寬動態(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)價格都比較昂貴。
2，本次暴光與上一次暴光之間有一定的時間差。由于攝像機抖動或者場景物體的運動，兩副圖之間會有些差別，需要進行特別的圖像處理技術(shù)進行糾正。
3，像素的讀取速度限制，多次順序采樣技術(shù)需要高讀取時鐘頻率，這使得器件及系統(tǒng)的設計和制造困難加大，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，要在限定時間內(nèi)讀出的像素越多，對讀取時鐘要求越高，因此，此類技術(shù)的擴展性有限。
本發(fā)明正是針對這些缺點進行改進。利用光學分光器件和多個普通動態(tài)范圍感光器件來實現(xiàn)寬動態(tài)范圍圖像和超寬動態(tài)范圍圖像的采集。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的關鍵就是利用光學分光器件(比如分光鏡)把同一場景出來的光線分成兩幅或多幅不同強度的同一場景的圖像，這樣可以用兩個或多個CCD或CMOS感光器件分別對分光后的每幅場景圖像暴光成像。由于多幅圖像所對應的場景一模一樣，兩副圖像的同一像素點對應的被攝像的場景的同一點，因此圖像的合成就非常簡單。同時，由于每個感光芯片的暴光時間可以分別獨立控制，這樣就可以通過不同的暴光時間來采集到不同動態(tài)范圍的圖像 1.暴光時間長的感光器件，場景中光線弱的地方將得到清晰的圖像，而光線強的地方則過度暴光，圖像細節(jié)信息丟失。
2.暴光時間短的感光器件，場景中光線強的地方將得到清晰的圖像，而光學弱的地方則暴光不足，信息淹沒在噪聲中，圖像細節(jié)信息丟失。
通過合理控制每個感光器件的暴光時間，可以使每個感光器件所能探測的場景動態(tài)范圍無縫地銜接起來，從而擴展了整個攝像系統(tǒng)的動態(tài)范圍。
由于每個感光器件的像素都精確對應被攝場景中的同一點，寬動態(tài)范圍圖像合成非常簡單，兩副不同暴光時間的圖像像素直接對應于合成后的圖像像素的不同位，比如透射圖對應高8位，反射圖對應低8位，合成圖是16位。



圖1光電二級管光探測基本原理，即半導體光探測基本電路原理。
圖2不同暴光時間對感光器件成像的影響，即暴光時間對不同入射光強成像的影響。
·暴光時間1特強光過度暴光，像素飽和，圖像細節(jié)丟失。強光暴光合適，圖像清晰。正常光暴光不足，剛剛超過噪聲水平，圖像過暗。弱光和特弱光淹沒在噪聲下，無法得到任何有用信息。
·暴光時間2特強光和強光過暴，像素飽和，圖像細節(jié)丟失。正常光暴光合適，圖像清晰。弱光欠暴，剛剛超過噪聲水平，圖像過暗。特弱光淹沒在噪聲下，無法得到任何有用信息。
·暴光時間3特強光，強光和正常光統(tǒng)統(tǒng)過暴，像素飽和，圖像細節(jié)丟失。弱光暴光合適，圖像清晰。
圖3利用一個分光鏡和兩個感光器件擴展動態(tài)范圍的系統(tǒng)，即本發(fā)明原理示意圖(一)。
圖4利用兩個分光鏡和三個感光器件擴展動態(tài)范圍的系統(tǒng)，即本發(fā)明原理示意圖(二)。
圖5利用兩個分光鏡和三個感光器件擴展動態(tài)范圍的系統(tǒng)，即本發(fā)明原理示意圖(三)。
圖6動態(tài)范圍合成示意圖，即動態(tài)范圍圖像合成示意圖。

具體實施例方式 以圖三為例場景通過光學鏡頭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分別對透射光8和反射光9成像。由暴光控制系統(tǒng)5計算每個感光器件合適的暴光時間，輸出暴光控制信號10和11來控制感光器件2和3的暴光時間，由此得到不同動態(tài)范圍的圖像12和13，并輸入到寬動態(tài)范圍圖像合成系統(tǒng)進行圖像合成。最后輸出合成后的寬動態(tài)范圍圖像14到圖像顯示設備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)的擴展，原理類似。
下面給出圖3所示系統(tǒng)的每個感光器件暴光時間的算法 假設 Iin入射光強 Ir反射光強 It透射光強
分光鏡反射率
分光鏡透射率 )tr反射光感光器件的暴光時間 )tt透射光感光器件的暴光時間 通過分光鏡后，反射光和透射光的光強分別為 Ir＝αIin It＝(1-α)Iin 通過對反射光和透射光的感光器件的獨立暴光控制 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，通過模擬放大和模數(shù)轉(zhuǎn)化，這個值最終就是數(shù)碼圖像的像素值，也就是光強的測量值。Vr和Vt對于一定的感光芯片，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)，假設為Vmin和Vmax，也就是說 Vmin≤Vr≤Vmax Vmin≤Vt≤Vmax 這樣就可以得到反射光和透射光的動態(tài)范圍 反射光成像的場景動態(tài)范圍是 透射光成像的場景動態(tài)范圍是 本發(fā)明中有三個獨立控制量

，)tr和)tr，通過適當?shù)脑O定這些參數(shù)，使反射像和透射像的動態(tài)范圍迭加起來，就擴展了整個成像系統(tǒng)的動態(tài)范圍。為使反射像和透射像無縫銜接起來，應該使 也就是 其中

就是感光器件本身的動態(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，則只要使就可以滿足上訴條件，使反射像和透射像的動態(tài)范圍無縫銜接起來，通過暴光時間控制，這個條件是很容易滿足的。
當選擇

，)tr和)tr使得上訴條件能夠滿足時，整個合成系統(tǒng)所能探測到的光強范圍為 整個系統(tǒng)的動態(tài)范圍為所能探測的最大光強和最小光強的比值 如果即為普通48dB感光器件(8位圖像)，用兩個這樣的器件就能得到的寬動態(tài)范圍圖像，即16位圖像，已經(jīng)大大高于目前市場上大多數(shù)攝像機的動態(tài)范圍。同理，如果用三個48dB感光器件就能實現(xiàn)144dB動態(tài)范圍，遠遠高于目前的基于單感光器件的攝像機所能達到的性能。理論上通過多個分光鏡和感光器件組合，可以達到無窮大的動態(tài)范圍，見圖六。當然，由于每次分光鏡都會有一定的光損失，這個過程不能無限進行下去。一般，兩次或三次分光足以滿足絕大多數(shù)需求。另外，由于每個感光器件只探測場景光強的一部分，所以在暗光下的性能要有些損失，這個缺陷可以通過適當延長暴光時間來補償。


即分光鏡的反射率，可以由不同反射鍍層材料和厚度來進行控制。
)tr和)tt則由暴光控制系統(tǒng)按照所設定的目標動態(tài)范圍來進行計算。
權(quán)利要求
1，一種超寬動態(tài)范圍的光學成像方法，使用一個或多個分光器件，比如分光鏡，和兩個或多個固體感光芯片對同一場景同時進行成像，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妙愃频钠渌鈱W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占總光強的比例可以通過調(diào)節(jié)分光器件參數(shù)來設定。
利用多個固體感光器件(CCD/CMOS)分別對由分光器件所產(chǎn)生的每束分光光圖像同時暴光，獨立成像。
利用硬件和/或軟件構(gòu)成的暴光控制系統(tǒng)對每個感光器件(CCD/CMOS)進行獨立暴光時間控制。通過調(diào)節(jié)每個感光器件的暴光時間，使每個感光器件所探測的不同的動態(tài)范圍迭加起來。
利用硬件和/或軟件構(gòu)成的圖像合成系統(tǒng)對每個感光器件采集的不同動態(tài)范圍的同一場景的多副圖像進行超寬動態(tài)范圍圖像合成。
2，一種圖像采集系統(tǒng)的動態(tài)范圍迭加和動態(tài)范圍擴展的方法。根據(jù)權(quán)利要求1所述的成像方法，控制暴光時間和分光器件的分光比例，使不同光路的圖像的動態(tài)范圍迭加起來，從而得到擴展了動態(tài)范圍的合成圖像。
3，一種暴光時間計算算方法法。根據(jù)權(quán)利要求2所述的動態(tài)范圍擴展方法，計算不同感光器件的暴光時間，使不同的動態(tài)范圍圖像無縫地銜接起來。具算公式為
其中，
是CCD/CMOS感光器件動態(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間。
4，一種超寬動態(tài)范圍攝像系統(tǒng)。此系統(tǒng)特征是包含有一個分光器件，兩個CCD或CMOS感光器件，暴光控制系統(tǒng)和超寬動態(tài)范圍圖像合成系統(tǒng)。
5，一種超寬動態(tài)范圍攝像系統(tǒng)。此系統(tǒng)特征是包含有多個分光器件和多個CCD或CMOS感光器件，暴光控制系統(tǒng)和超寬動態(tài)范圍圖像合成系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明公開一種超寬動態(tài)光學圖像的采集方法。本發(fā)明利用分光鏡或分光鏡組或其他類似光學器件對入射光進行分光，用兩個或多個感光芯片(CCD/CMOS)對同一場景的每個分光后的圖像同時進行成像，每個感光芯片分別對分光鏡產(chǎn)生的透射光和反射光進行獨立成像。通過對每個感光芯片的暴光時間的獨立控制，得到同一場景的不同動態(tài)范圍的圖像，并對這些圖像進行合成，得到超寬動態(tài)范圍的光學圖像。通過多次分光成像，整個攝像系統(tǒng)理論上動態(tài)范圍可以達到無窮大。
文檔編號H04N5/235GK101631202SQ20081006851
公開日2010年1月20日 申請日期2008年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月16日
發(fā)明者肖長詩 申請人:肖長詩, 陳 鋼