CN102572245B - 一种扩展图像动态范围的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种扩展图像动态范围的方法，包括步骤：A、将同一场景的图像信息的光信号分成第一光信号和第二光信号，根据第一曝光时间至少一次采集第一光信号，并将所采集的第一光信号转换成至少一个第一图像的模拟电信号，同时根据第二曝光时间至少一次采集第二光信号，并将所采集的第二光信号转换成至少一个第二图像的模拟电信号；B、分别将至少一个第一图像的模拟电信号和至少一个第二图像的模拟电信号转换成至少一个第一图像的数字电信号和至少一个第二图像的数字电信号；C、对至少一个第一图像的数字电信号和至少一个第二图像的数字电信号进行处理并合成图像。本发明可以扩展动态范围和提高信噪比，实时处理速度快，还可以实现同步曝光。

Description

一种扩展图像动态范围的方法及装置

技术领域

本发明涉及图像获取与处理领域，尤其涉及一种扩展图像动态范围的方法及装置。

背景技术

图像传感器是数字摄像头的重要组成部分，是一种将光学图像转换成电信号的半导体器件。根据元件的不同，可分为CCD和CMOS两大类。

评价图像传感器质量的一个重要指标是动态范围。动态范围定义为最大非饱和信号和最小可测信号的比值，其代表了图像传感器分辨同一幅图像中高亮度与低亮度细节的能力。传统结构的图像传感器的动态范围往往比自然环境的动态范围小得多，这就使得图像传感器所拍摄到的图像分辨率不足。曝光量高时，图像高照度区域因曝光过度而呈现饱和状态；而曝光量低时，图像低照度区域因曝光不足而不清晰，难以同时获取高亮度和低亮度场景的细节信息。

在人们的日常摄影过程中所使用的普通数码相机是不能同时获取高亮度和低亮度的场景。要获取高亮度的场景就要调低数码相机的曝光量，与此同时低亮度的场景也就不能清晰地获得；同样，要获取低亮度的场景就要调高数码相机的曝光量，此时高亮度的场景就会在数码相机上呈现饱和状态。这种现象是人们在日常生活中用数码相机经常会遇到的问题。

在目前应用高科技领域中，像军事侦察卫星、气象卫星和资料卫星上都装有图像传感器的成像***来对目标进行成像也同样会遇到同样的问题。

要解决上述问题，就得扩展图像的动态范围。现有技术中，扩展图像的动态范围的方法主要分为两种。第一种方法是在硬件上重新设计传感器芯片，以达到扩展动态范围的目的，但这种方法极大地增加了图像传感器设计的复杂性和***成本；第二种方法是两次或多次曝光的方法，利用同一图像传感器连续获取不同曝光量的图像，即采用较短积分时间曝光，分辨图像高照度区域，采用较长积分时间曝光，分辨图像低照度区域，再将两次或多次曝光的图像进行合成处理来扩展其动态范围。然而，现有的两次或多次曝光方法也存在着显著的缺点：处理速度慢且不能实现同步曝光(即不能同步实现长短两次积分时间曝光)。利用同一个图像传感器去连续采集多幅图像，处理速度较慢，另外，一个图像传感器不能在极短的时间内同时采集两幅或多幅不同曝光量的图像，图像传感器在每次采集时都需要一定的时间去读取图像才能进行下一次的采集，这会导致不同幅图像的采集之间具有一定的时间偏移，当对快速运动的目标进行拍摄时，两幅或多幅图像不能在空间中重叠，合成图像质量差。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种扩展图像动态范围的方法及装置。由两个图像传感器同时对同一场景的图像信息以不同的曝光时间至少采集一次，并将采集后的图像经图像处理算法合成高动态范围图像，解决了在硬件上设计图像传感器复杂的缺陷和解决了两次或多次曝光的方法处理速度慢且不能实现同步曝光的缺陷。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种扩展图像动态范围的方法，包括步骤：

A、利用第一图像传感器根据预先设定的第一曝光时间至少一次采集第一光信号，并将所采集的第一光信号转换成至少一个第一图像的模拟电信号，同时利用第二图像传感器根据预先设定的第二曝光时间至少一次采集第二光信号，并将所采集的第二光信号转换成至少一个第二图像的模拟电信号，其中：

第一曝光时间不同于第二曝光时间；

第一光信号和第二光信号分别由分光模块对同一场景的图像信息的光信号进行分光而得到的；

B、分别将至少一个第一图像的模拟电信号和至少一个第二图像的模拟电信号转换成至少一个第一图像的数字电信号和至少一个第二图像的数字电信号；

C、对至少一个第一图像的数字电信号和至少一个第二图像的数字电信号进行处理并合成图像。

在本发明的扩展图像动态范围的方法中，在步骤C中，通过下面的算法公式对至少一个第一图像的数字电信号和至少一个第二图像的数字电信号进行处理并合成图像：

$f(x,y)=\frac{(255-A)\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{g}_n(x,y)}{255-A*N+(N-1)\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{g}_n(x,y)/N}$

其中，f(x，y)为合成后的图像在(x，y)位置的灰度值；g_n(x，y)为第n幅图像在(x，y)位置的灰度值；N为所采集到的第一图像和第二图像的数目总和；A为预先设定的参考值，且A*N＜255。

本发明还提供一种扩展图像动态范围的方法，包括：

透镜组，用于聚集基于同一场景的图像信息的光信号；

分光模块，用于将光信号分成第一光信号和第二光信号；

图像采集模块，包括第一图像传感器和第二图像传感器，第一图像传感器根据预先设定的第一曝光时间至少一次采集第一光信号，并将所采集的第一光信号转换成至少一个第一图像的模拟电信号，同时，第二图像传感器根据预先设定的第二曝光时间至少一次采集第二光信号，并将所采集的第二光信号转换成至少一个第二图像的模拟电信号，其中：

第一曝光时间不同于第二曝光时间；

第一光信号和第二光信号分别由分光模块对同一场景的图像信息的光信号进行分光而得到的；

A/D转换模块，包括第一A/D转换器和第二A/D转换器，第一A/D转换器将至少一个第一图像的模拟电信号转换成至少一个第一图像的数字电信号；第二A/D转换器将至少一个第二图像的模拟电信号转换成至少一个第二图像的数字电信号；

计算机，用于控制图像采集模块，且用于对至少一个第一图像的数字电信号和至少一个第二图像的数字电信号进行处理并合成图像。

在本发明的扩展图像动态范围的装置中，其计算机通过下面的算法公式对至少一个第一图像的数字电信号和至少一个第二图像的数字电信号进行处理并合成图像：

$f(x,y)=\frac{(255-A)\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{g}_n(x,y)}{255-A*N+(N-1)\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{g}_n(x,y)/N}$

其中，f(x，y)为合成后的图像在(x，y)位置的灰度值；g_n(x，y)为第n幅图像在(x，y)位置的灰度值；N为所采集到的第一图像和第二图像的数目总和；A为预先设定的参考值，且A*N＜255。

实施本发明的一种扩展图像动态范围的方法及装置，具有以下有益效果：其通过采用两个图像传感器同时对同一场景的图像信息以不同的曝光时间至少采集一次，并将采集后的图像经图像处理算法合成图像，采集一次，就可获得两幅图像(包括一幅高曝光量图像和一幅低曝光量图像)。在扩展图像动态范围和提高图像信噪比的同时，可有效提高图像实时处理速度，并且可以实现长短两次积分时间曝光同步进行，可应用于快速运动目标的拍摄处理。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是根据本发明的扩展图像动态范围的方法的实施例一的流程图；

图2是根据本发明的扩展图像动态范围的装置的实施例一的结构框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的实施例提供了一种扩展图像动态范围的方法及装置，主要是通过以下两方面实现高动态范围图像：一是同时利用两个图像传感器分别对同一场景的图像信息至少采集一次，并且两个图像传感器设置不同的曝光时间，一个曝光时间较长，另一个曝光时间较短；二是将采集好并经A/D转换后的图像数据通过图像处理算法合成高动态范围图像，以达扩展动态范围的目的。

如图1所示，在本发明的扩展图像动态范围的方法的实施例一中，进行图像获取和图像处理，包括步骤：

步骤S1：利用第一图像传感器根据预先设定的第一曝光时间至少一次采集第一光信号，并将所采集的第一光信号转换成至少一个第一图像的模拟电信号，同时利用第二图像传感器根据预先设定的第二曝光时间至少一次采集第二光信号，并将所采集的第二光信号转换成至少一个第二图像的模拟电信号。

其中，第一图像传感器和第二图像传感器是同时开始进行采集的。第一曝光时间为长曝光时间T₁，第二曝光时间为短曝光时间T₂，例如，长曝光时间T₁预先设定为10ms，短曝光时间T₂预先设定为1ms。当然，上述数值在实际应用中可根据需要设定不同的值。这样，第一图像为长曝光时间(即高曝光量)的图像，其在足够的曝光时间后，捕获了图像低照度区域的细节信息；而第二图像为短曝光时间(即低曝光量)的图像，其在饱和前捕获了高照度区域的细节信息。

另外，第一光信号和第二光信号是由成像物体光线(即同一场景的图像信息的光信号)通过透镜组进行成像再经分光棱镜进行分束分成的两个光信号，这两个光信号是相同的。

步骤S2：分别将至少一个第一图像的模拟电信号和至少一个第二图像的模拟电信号转换成至少一个第一图像的数字电信号和至少一个第二图像的数字电信号。

步骤S3：对至少一个第一图像的数字电信号和至少一个第二图像的数字电信号进行处理并合成图像。可通过下面的算法公式对至少一个第一图像的数字电信号和至少一个第二图像的数字电信号进行处理并合成图像：

$f(x,y)=\frac{(255-A)\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{g}_n(x,y)}{255-A*N+(N-1)\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{g}_n(x,y)/N}$

其中，f(x，y)为合成后的图像在(x，y)位置的灰度值；g_n(x，y)为第n幅图像在(x，y)位置的灰度值；N为所采集到的第一图像和第二图像的数目总和；A为预先设定的参考值，且A*N＜255。

本发明的实施例一采用的算法在运算速度上具有一定的优势，合成后的图像能很好地保持原有的信息，其像素灰度值都在0-255之间，不会产生溢出的问题，不需要对图像进行归一化处理。

另外，可以根据实际情况去确定所需采集的图像数目N和参考值A，以达到最佳的效果，例如，取N＝2，A＝50。当N取值为2时，即采集两幅图像数据，分别以长曝光时间采集一次和以短曝光时间采集一次，且这两次采集是分别由两个图像传感器同时开始进行采集的。因此，当对快速运动的目标进行拍摄时，可以有效地避免两幅图像不能在空间中重叠导致合成图像质量差的问题。

如图2所示，在本发明的扩展图像动态范围的装置的实施例一中，包括透镜组1、分光模块2、图像采集模块3、A/D转换模块4和计算机5。

透镜组1，用于聚集基于同一场景的图像信息的光信号。

分光模块2，用于将光信号分成第一光信号和第二光信号。

图像采集模块3，包括第一图像传感器6和第二图像传感器7，第一图像传感器6根据预先设定的第一曝光时间至少一次采集第一光信号，并将所采集的第一光信号转换成至少一个第一图像的模拟电信号，同时，第二图像传感器7根据预先设定的第二曝光时间至少一次采集第二光信号，并将所采集的第二光信号转换成至少一个第二图像的模拟电信号。

其中，第一图像传感器预先设定为长曝光时间，而第二图像传感器预先设定为短曝光时间，两个图像传感器是同时开始采集的。

A/D转换模块，包括第一A/D转换器和第二A/D转换器，第一A/D转换器将至少一个第一图像的模拟电信号转换成至少一个第一图像的数字电信号；第二A/D转换器将至少一个第二图像的模拟电信号转换成至少一个第二图像的数字电信号。

计算机，用于控制图像采集模块，且用于对至少一个第一图像的数字电信号和至少一个第二图像的数字电信号进行处理并合成图像。其中，计算机可通过VC编程实现图像的采集，图像的算法处理和图像的显示。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种扩展图像动态范围的方法，其特征在于，扩展图像动态范围的装置实现，所述扩展图像动态范围的装置包括透镜组、分光模块、图像采集模块、A/D转换模块和计算机，所述图像采集模块包括第一图像传感器和第二图像传感器，所述A/D转换模块包括第一A/D转换器和第二A/D转换器； 

扩展图像动态范围的方法包括步骤： 

A、利用第一图像传感器根据预先设定的第一曝光时间至少一次采集第一光信号，并将所采集的所述第一光信号转换成至少一个第一图像的模拟电信号，同时利用第二图像传感器根据预先设定的第二曝光时间至少一次采集第二光信号，并将所采集的所述第二光信号转换成至少一个第二图像的模拟电信号； 

所述第一曝光时间不同于所述第二曝光时间； 

所述第一光信号和所述第二光信号分别由分光模块对同一场景的图像信息的光信号进行分光而得到的，所述第一光信号与所述第二光信号相同；同一场景的图像信息的光信号由透镜组聚集； 

B、第一A/D转换器和第二A/D转换器相对应地分别将至少一个所述第一图像的模拟电信号和至少一个所述第二图像的模拟电信号转换成至少一个第一图像的数字电信号和至少一个第二图像的数字电信号； 

C、计算机对至少一个所述第一图像的数字电信号和至少一个所述第二图像的数字电信号进行处理并合成图像； 

在所述步骤C中，计算机通过下面的算法公式对至少一个所述第一图像的数字电信号和至少一个所述第二图像的数字电信号进行处理并合成图像： 

其中，f(x,y)为合成后的图像在(x,y)位置的灰度值；g_n(x,y)为第n幅图像在(x,y)位置的灰度值；N为所采集到的第一图像和第二图像的数目总和；A为预先设定的参考值，且A*N<255。 

2.一种扩展图像动态范围的装置，其特征在于，包括： 

透镜组(1)，用于聚集基于同一场景的图像信息的光信号； 

分光模块(2)，用于将所述光信号分成第一光信号和第二光信号； 

图像采集模块(3)，包括第一图像传感器(6)和第二图像传感器(7)，所述第一图像传感器(6)根据预先设定的第一曝光时间至少一次采集第一光信号，并将所采集的所述第一光信号转换成至少一个第一图像的模拟电信号，同时，所述第二图像传感器(7)根据预先设定的第二曝光时间至少一次采集第二光信号，并将所采集的所述第二光信号转换成至少一个第二图像的模拟电信号； 

所述第一曝光时间不同于所述第二曝光时间； 

所述第一光信号和所述第二光信号分别由分光模块对同一场景的图像信息的光信号进行分光而得到的，所述第一光信号与所述第二光信号相同； 

A/D转换模块(4)，包括第一A/D转换器(8)和第二A/D转换器(9)，所述第一A/D转换器(8)将至少一个所述第一图像的模拟电信号转换成至少一个第一图像的数字电信号；所述第二A/D转换器(9)将至少一个所述第二图像的模拟电信号转换成至少一个第二图像的数字电信号； 

计算机(5)，用于控制所述图像采集模块(3)，且用于对至少一个所述第一图像的数字电信号和至少一个所述第二图像的数字电信号进行处理并合成图 像； 

所述计算机(5)通过下面的算法公式对至少一个所述第一图像的数字电信号和至少一个所述第二图像的数字电信号进行处理并合成图像： 

其中，f(x,y)为合成后的图像在(x,y)位置的灰度值；g_n(x,y)为第n幅图像在(x,y)位置的灰度值；N为所采集到的第一图像和第二图像的数目总和；A为预先设定的参考值，且A*N<255。