[发明专利]一种基于电子快门曝光编码的成像方法

说明书

技术领域

该发明涉及一种基于电子快门曝光编码的成像方法。该方法利用图像传感器电子快门对像素的曝光控制及像素存储区对光敏区电荷的累积存储功能，基于曝光编码理论，实现曝光编码成像，发明内容涉及计算成像和图像获取等技术领域。

背景技术

对快速运动或变化的景物进行高分辨率的高速摄影是一类重要的成像应用，在爆炸过程诊断、放电现象研究、燃烧过程诊断、航空航天等领域发挥着重要作用。高速成像技术十分依赖成像器件的性能，即CCD或CMOS图像传感器的制作工艺与设计水平。在图像传感器性能约束不可避免的前提下，如何实现更高分辨率和更高拍摄速度的成像系统，成为研究人员不断努力的方向之一。随着计算技术的不断进步，传统的成像方法正在不断得到革新。通过在成像系统中引入预先设定的编码信息，并利用这些信息对所拍摄的编码图像进行解码，可以获得更加丰富的光场信息。利用计算技术提升成像系统性能和功能的计算成像技术正在飞速发展，并不断推动着现代摄影技术的进步。

曝光编码技术是计算成像领域的一个重要内容，曝光编码技术是通过对成像系统的曝光过程植入二进制编码信息，对所拍摄景物的光场信息在时间上进行编码，可有效提高成像系统的时间分辨能力。普通的CCD图像传感器，像素分辨率通常可以达到百万像素以上，带有电子快门的CCD其曝光时间最短达到微秒以下，行转移CCD其光敏区电荷转移至存储区的速度也可达到微秒量级，但是由于像素规模大，受其数据输入输出带宽限制，其全分辨率的帧频率通常只能达到十几帧每秒。利用普通CCD进行高速成像可以利用其极短的曝光时间，实现单帧成像，亦可通过利用其快速的电荷转移速度，实现2-3帧低分辨率的高速成像。但通常进行高速过程拍摄，需要8-16幅或者更多的较高分辨率的图像。基于曝光编码技术实现高分辨率的高速成像成为解决帧频率、画幅数与分辨率相互制约矛盾的一种可行的技术方案。

发明内容

本发明旨在解决曝光编码的实现技术问题，通过利用图像传感器自身的电子快门，实现曝光时间精度微秒至毫秒可调的曝光编码成像。本发明适用于所拍摄景物图像的点扩散函数（PointSpreadFunction，PSF）已知或可通过其他技术手段获取的应用场合。

本发明的技术解决方案为：

一种基于电子快门曝光编码的成像方法，其特殊之处在于：包括如下步骤：

1】获取景物图像的点扩散函数以及设置曝光参数；其中，根据所拍摄景物对相机时间分辨能力的要求设置曝光时间片长度T；根据所拍摄景物的变化过程持续时间或者说拍摄者所关心的变化持续时间设置曝光全过程的时间片个数N；根据不同拍摄对象场景变化的时间域特征设置曝光二进制编码B1B2B3…BN；

2】曝光、转移及输出：

2.1】编码曝光阶段：电子快门的曝光控制信号受曝光编码的控制，若时间片T_I对应的编码B_I为1，则在该时间片内，电子快门打开，像素单元光敏区接受景物光并产生相应的感应电荷；若B_I为0，则该时间片，电子快门不打开，等待一个时间片长度后进行下一时间片的曝光操作；

2.2】曝光转移阶段：进入下一时间片的曝光，对图像传感器的像素光敏区重复上述的步骤2.1的曝光过程，若上一时间片有曝光，则进行光敏区感应电荷向存储区的转移过程；如此反复，经过N个时间片曝光过程后，图像传感器经过一次完整的编码曝光，N个时间片所获得的图像信息累积存储在像素存储区中；2.3】将图像传感器中存储的图像数据输出，获得一副曝光编码图像；

3】解码还原：

3.1】首先根据景物图像的点扩散函数和时间片信息进行点扩散函数实例化，获得对应时间片的反卷积矩阵；

3.2】使用时间片对应的反卷积矩阵对曝光编码图像进行反卷积运算，得到对应时间片的景物图像；

3.3】对N个时间片重复步骤3.1】和3.2】，即得到每个时间片对应的景物图像。

上述获取景物图像的点扩散函数的方法如下：

利用分光系统和外部触发信号，使一台低分辨率高速成像相机对同一景物进行三次拍摄成像，曝光一个时间片T长度，三次曝光成像时刻分别对应景物快速变化的开始阶段、过程中以及接近结束阶段，即开始帧FrameS、过程帧FrameM和结束帧FrameE；

对开始帧、过程帧和结束帧图像，进行不同灰度阈值条件下的图像轮廓提取，或者进行灰度梯度计算得到图像的灰度梯度图；