[发明专利]一种超宽动态范围图像的采集方法

说明书

技术领域

本发明涉及到利用固态半导体光学成像器件(CCD/CMOS)的摄像装置。特别是宽动态和超宽宽动态范围图像的采集方法和摄像设备。

背景技术

固体感光器件基本光探测原理如图一，场景光照使光电二极管产生光电流，光电流的大小与入射光强成正比，光电流通过对电容器充电产生光电压，光电压经过放大整形后就得到图像像素值，如果再经过模数转换，就得到数码图像。由于物理原理的限制，在一定暴光时间下，感光器件所能探测到的最大光强和最小光强都是有限的，这个比值就是感光器件或者摄像设备的动态范围。一般器件在50dB左右，也就是通常所说的8位图像。然而，自然界的场景的动态范围通常远远超过感光器件所能探测的范围。比如正午阳光下直射区域的光强比阴影中的光强要高近6个数量级(~120dB)。如果场景都是明亮物体，可以减小暴光时间或进行光衰减。如都是阴暗物体，可以增加暴光时间或进行光放大，都能得到清晰的图像。真正的困难在于场景中同时有高亮度部分和阴暗部分，比如阳光下的建筑物阴影或夜晚中的汽车前灯等。如果暴光时间短，高亮度场景部分能得到清晰图像，但低亮度部分则暴光不足；如果暴光时间长，低亮度部分能得到清晰图像，但是高亮度部分则过度暴光，图像饱和，细节丢失。图二描述了暴光时间对图像的影响。为了不失真地测量这样的宽动态范围场景，摄像设备的动态范围要求大于16位，有的甚至要求到20位左右。

宽动态范围采集图像已有多种方法，大多数都是利用同一块感光器件依次对同一场景进行两次或多次不同暴光时间采集，然后对这些按时间顺序多次采集的图像进行宽动态范围的图像合成。但是这种采集方法有一些缺陷：

1，通常这样的高性能的感光器件(CCD/CMOS)价格都比较昂贵。

2，本次暴光与上一次暴光之间有一定的时间差。由于摄像机抖动或者场景物体的运动，两副图之间会有些差别，需要进行特别的图像处理技术进行纠正。

3，像素的读取速度限制，多次顺序采样技术需要高读取时钟频率，这使得器件及系统的设计和制造困难加大，并且影响器件的光电灵敏度和信噪比。随着感光器件的像素增多，要在限定时间内读出的像素越多，对读取时钟要求越高，因此，此类技术的扩展性有限。

本发明正是针对这些缺点进行改进。利用光学分光器件和多个普通动态范围感光器件来实现宽动态范围图像和超宽动态范围图像的采集。

发明内容：

本发明的关键就是利用光学分光器件(比如分光镜)把同一场景出来的光线分成两幅或多幅不同强度的同一场景的图像，这样可以用两个或多个CCD或CMOS感光器件分别对分光后的每幅场景图像暴光成像。由于多幅图像所对应的场景一模一样，两副图像的同一像素点对应的被摄像的场景的同一点，因此图像的合成就非常简单。同时，由于每个感光芯片的暴光时间可以分别独立控制，这样就可以通过不同的暴光时间来采集到不同动态范围的图像：

1.暴光时间长的感光器件，场景中光线弱的地方将得到清晰的图像，而光线强的地方则过度暴光，图像细节信息丢失。

2.暴光时间短的感光器件，场景中光线强的地方将得到清晰的图像，而光学弱的地方则暴光不足，信息淹没在噪声中，图像细节信息丢失。

通过合理控制每个感光器件的暴光时间，可以使每个感光器件所能探测的场景动态范围无缝地衔接起来，从而扩展了整个摄像系统的动态范围。

由于每个感光器件的像素都精确对应被摄场景中的同一点，宽动态范围图像合成非常简单，两副不同暴光时间的图像像素直接对应于合成后的图像像素的不同位，比如透射图对应高8位，反射图对应低8位，合成图是16位。

附图说明：

图1：光电二级管光探测基本原理，即半导体光探测基本电路原理。

图2：不同暴光时间对感光器件成像的影响，即暴光时间对不同入射光强成像的影响。

·暴光时间1：特强光过度暴光，像素饱和，图像细节丢失。强光暴光合适，图像清晰。正常光暴光不足，刚刚超过噪声水平，图像过暗。弱光和特弱光淹没在噪声下，无法得到任何有用信息。

·暴光时间2：特强光和强光过暴，像素饱和，图像细节丢失。正常光暴光合适，图像清晰。弱光欠暴，刚刚超过噪声水平，图像过暗。特弱光淹没在噪声下，无法得到任何有用信息。

·暴光时间3：特强光，强光和正常光统统过暴，像素饱和，图像细节丢失。弱光暴光合适，图像清晰。

图3：利用一个分光镜和两个感光器件扩展动态范围的系统，即本发明原理示意图(一)。

图4：利用两个分光镜和三个感光器件扩展动态范围的系统，即本发明原理示意图(二)。