[发明专利]一种硬件在线可重配置的双帧曝光宽动态视频合成方法

说明书

本发明涉及一种硬件在线可重配置的双帧曝光宽动态视频合成方法，包括以下步骤：(1)利用单片机控制相机的快门时间得到连续的两帧过曝光与欠曝光图像。(2)将得到的欠曝光与过曝光图像进行RGB颜色空间和YCrCb颜色空间的转换，得到图像亮度分量和颜色分量。(3)采用传统空间域线性变换方法对亮度分量图像与颜色分量图像进行分段线性变换。(4)将线性变换后的两帧过曝光和欠曝光图像的亮度分量图像与颜色分量图像进行合成(5)将合成后图像进行Gamma校正。(6)将合成后图像进行YCrCb颜色空间和RGB颜色空间的转换。

技术领域

本发明涉及一种硬件在线可重配置的双帧曝光宽动态视频合成方法，在视频监控系统中出现明暗反差较大或逆光的场景时，会使整个图像中明亮的区域曝光过度、较暗的区域曝光不足，而看不清图像最亮与最暗部分，如在银行储蓄所、重要场所出入口等。本发明旨在上述场景中输出清晰、明亮均衡的实时图像。

背景技术

数字成像系统的动态范围是指采集到的同一帧图像中最大像素值与最小像素值的比。由于成像系统的动态范围远小于真实场景的动态范围，监控图像无法对亮区和暗区同时清晰成像。随着科学技术的不断发展，数字监控系统的应用已经渗透到人类生产、生活的各个领域，而为了满足人类对于不同场景下对视频的特定需求，需要针对获取的原始视频进行相应的处理，在某些明暗反差很大的场合(如逆光时)，传统的摄像机受CCD或CMOS感光特性所限，亮区和暗区的细节均难以保持，严重影响图像质量。针对这种情况，宽动态(Wide Dynamic Range-WDR)成像技术应运而生。WDR技术旨在使摄像机在视场存在非常强烈的明暗对比时依然能清晰成像。相比于传统的图像，它可以同时记录和显示处于场景中非常亮和非常暗的区域中的可视细节信息，也即明亮区域未饱和且阴暗区域并非完全黑暗。由于使用宽动态技术可以避免因为拍摄方向(例如逆光)和曝光量的不同而使图像存在亮度和色差而影响建模，非常有利于在复杂环境下获得更高的成像质量，因此它被广泛应用于模式识别、智能交通系统、深空探测、基于图像的建模和渲染机、计算机图形学和图像处理、视频监控、跟踪，机器人视觉导航、工业检测、遥感遥测、军事侦察、武器的导航制导等很多领域。

目前的宽动态视频获取技术有着多种分类。按照所使用硬件设备的不同可以分为基于改进采集设备的直接获取方法、基于高动态范围相机的方法和基于普通传感器的方法。其中基于普通传感器的方法按照软件处理方式的不同，又可以分为基于高动态范围成像和色调映射技术的方法与基于多曝光直接合成的方法。在使用多次曝光法扩展传统相机的动态范围时，有两种获取宽动态图像的途径，一是基于高动态范围图像和色调映射的方法，另一种是多曝光图像直接融合的方法。基于高动态范围图像和色调映射的方法这类方法首先利用曝光量信息，通过处理同一场景的一组不同曝光量的低动态范围图像合成高动态范围图像，再使用色调映射的方法对合成出的高动态范围图像进行处理，使其动态范围被压缩至与传统低动态范围图像相同的同时保留大部分可视化信息。多曝光图像直接融合的方法使用不同的曝光时间对同一场景进行多次采样，获得场景中亮度不同区域的细节，通过将这组图像进行有效地融合获得高动态范围的图像，同时抑制随机噪声。融合后的图像能够保持全局和局部的对比度，因此能够保留亮区和暗区内尽可能多的细节信息，进而反映出全局的亮度差异，现有的图像融合算法主要针对多传感器及多光谱图像，对曝光融合的研究较少。

目前为止，除时域多次曝光法，其他的方法都需要对采集设备进行特别的设计，成本很高，不适于直接应用于现有的普通成像系统或低端图像采集设备。因此本发明主要研究对象是时域多次曝光法，国内针对宽动态视频合成方面的专利存在的主要问题是：效果好的算法大多运算量巨大，缺乏实用性；运算量较小的算法则往往适用范围有限，在实际应用场合中效果难以保证。

总之，现有技术经常把宽动态和数字宽动态混淆在一起。数字宽动态是宽动态技术中最容易实现的一种技术，而真实的宽动态能确保在大部分强光或逆光监控环境下，拍出清晰的图像。数字宽动态只能解决部分画面问题，无法解决全部。真实宽动态采用的是软硬结合的方案，使用图像传感器对图像进行多次曝光，然后传送到图像处理器进行宽动态计算并输出明亮均衡的图像。

发明内容