一种获取高动态范围图像的装置和方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及图像处理技术领域，具体设及一种获取高动态范围图像的装置和方 法。
【背景技术】
[0002] 高动态范围图像化igh Dynamic Range Image,HDR图像)是一种可W表示真实世 界场景中高动态范围亮度信息的最有发展前途的高新技术。高动态范围成像技术就是要正 确地表示真实世界中从太阳光直射到最暗的阴影运样大的范围亮度。其设及到图形图像 学，数学，物理学，机械学和计算机等众多学科领域。与传统图像相比，HDR图像中的像素值 正比于场景中对应点的时间亮度值，能更好的保留场景中的亮区及暗区的细节信息。皿R图 像获取的关键点是获取同一场景中一系列曝光程度不同的照片W及配套的合并算法。
[0003] 目前，获取HDR图像的主要方法是通过普通的数码成像设备来得到HDR图像，前提 条件是需要获得同一个场景的多幅不同曝光量的图像，运里图像的两个重点是必须是相同 场景、具有不同曝光量。但在实际应用中，利用普通数码相机手动获取不同曝光量的图像时 容易产生如下两个问题：
[0004] 1.如果在定点拍摄过程中相机存在微小的移动，会使合成得到的HDR图像变得模 糊。即使使用=脚架进行固定，也可能因为地面不平或按快口时用力不等造成轻微的移动 或旋转。
[0005] 2.在拍摄图像组时，如果场景中的物体发生了移动，则会使最终合成的高动态图 像中出现伪影。运种情况在室外拍摄时经常发生，例如移动的人物，云朵和被风吹动的树木 等。
[0006] 虽然去伪影方法在速度上和性能上较原来方法都有明显进步，但在使用中对于高 速运动的目标物(例如高速行驶的列车)仍然无法满足实时性要求。当前的各种去伪影算法 对于实用来说都在耗时过多的缺陷，因此在高速运动环境下进行景物拍摄，现有的先后拍 摄多张不同曝光图像无法满足无伪影的要求。
[0007] 如果只拍一张图像，且使运张图像包含所有信息，再用运张图像合成HDR就不会存 在伪影的影响。但在实际应用中，运种皿R图像的获取需要专口的硬件系统，且都造价昂贵， 难W普及。经过多年的尝试，该方法至今没有重大突破，利用多张不同曝光图像序列合成一 种皿R图像仍然是最常用最有效的方法。
[0008] 但是，目前将不同曝光图像序列合成HDR图像的算法一直是只依靠单个像素的信 息进行合并，而不考虑它邻近的像素信息。运种方法针对曝光程度差别在3档W上的图像序 列合成时，得到的皿R图像质量很差。
[0009] 此外，对影响HDR图像质量的因素方面，现有研究大都侧重于HDR图像中的去伪影 技术，对于如何获取无须去伪影的HDR图像尚无相关研究，特别是在高速场景中如何获取 皿R图像的问题尚待解决。
【发明内容】
[0010] 有鉴于此，本发明提出一种获取高动态范围图像的装置和方法，利用该装置及配 套的合并算法，可针对一系列曝光程度不同的图像序列进行处理，获得皿R图像。
[0011] 本发明提供一种获取高动态范围图像的装置，包括:相机、第一分光镜、第二分光 镜、高度曝光皿传感器、中度曝光ME传感器和低度曝光LE传感器;其中，相机镜头竖直放置， S个传感器全部位于相机镜头的同一侧，并且，肥传感器与相机镜头平行，ME传感器与相机 镜头垂直，LE传感器与ME传感器平行;其中，第一分光镜和第二分光镜位于相机镜头和S个 传感器所包围的区域中，第一分光镜与相机镜头成45°角放置，第二分光镜垂直于相机镜 头。
[0012] 优选地，第一分光镜和第二分光镜都采用半反射的镜面。
[0013] 优选地，第一分光镜和第二分光镜都采用无涂层的薄膜分光镜。
[0014] 优选地，在肥传感器、ME传感器和LE传感器上得到的图片完全相同，且图片的起始 像素点在每个传感器上也相同。
[0015] 优选地，皿传感器的曝光量是ME传感器曝光量的12.2倍，ME传感器的曝光量是LE 传感器曝光量的17倍。
[0016] 本发明可W获得同一时刻，同一场景下曝光程度不同的一系列图片，运样使得得 到的图片，只是曝光程度不同，而场景完全相同，避免了伪影的影响。另外，本发明提出的合 并算法，利用邻近像素点的信息，针对曝光程度差别在=档W上的图片仍然有较好的合成 效果。
【附图说明】
[0017] 图1是本发明实施例的获取皿姻像的装置俯视图。
[0018] 图2是本发明实施例的获取皿R图像的方法的流程图。
[0019 ]图3是本发明实施例的相机响应曲线对照表。
[0020] 图4是本发明实施例的合并算法的流程图。
[0021] 图5和图6是列车的皿R图像。
【具体实施方式】
[0022] W下结合附图W及具体实施例，对本发明的技术方案进行详细描述。
[0023] 在本领域，获取同一场景的曝光程度不同的图像序列是合成皿R图像的首要关键 技术，而得到曝光程度不同的图像序列之后的合成算法是获得皿R图像的又一关键技术。图 1为本发明实施例的获取皿R图像的装置的俯视图，利用该装置可获取同一场景曝光程度不 同的图像序列，该装置包括:相机、两个分光镜、=个传感器，根据获得光照的多少分别命名 为高度曝光化igh Exposure)皿传感器、中度曝光(Medium Exposure)ME传感器、低度曝光 (Low Exposure)LE传感器。
[0024] 图1实施例中，相机位于左侧，S个传感器位于相机镜头的右侧区域，其中，ME传感 器与相机镜头垂直，ME传感器与LE传感器平行，皿传感器与相机镜头平行，其中，两个分光 镜位于相机镜头和=个传感器所包围的区域，并且，分光镜1与镜头成45°角放置，分光镜2 垂直于镜头，即与镜头成90°角放置。
[0025]在本发明的实施例中，分光镜1和分光镜2都采用半反射的镜面，通过改变分光镜 的角度，可代替滤光片、光圈大小和曝光时间长短等参数变化，运样可W使传感器得到大量 的光照。图1实施例采用的是半反射镜面中的一种，既无涂层的薄膜分光镜。
[00%]在本发明的实施例中，S个传感器均选用市售的秒映电子科技型号为SI-1920HD CMOS的传感器。传感器的像素为1920*1080,且尺寸为5微米。传感器动态范围可W达到10 档。相机机身拥有哈苏镜头卡口，允许使用高性能、可互换的商业镜头。
[0027] 在安装肥传感器、ME传感器和LE传感器时，应确保S个传感器与分光镜完全对齐， 运里的"对齐"是指使得场景图片在=个传感器上得到的图片完全相同，且图片的起始像素 点在每个传感器上必须相同，既=个传感器在分辨率和场景信息方面与单传感器的效果完 全一样，运样可W使传感器上得到图像完全是同一场景，从而免除了去伪影的过程，使后续 的图像处理过程得到简化。
[0028] 在本发明的实施例中，将分光镜安装在镜头与传感器之间，避免了多个镜头的使 用。分光镜的实际透光率（Transmittance)和反射率（Ref Iectance)是W角度为变量的函 数。其中将分光镜1放置成45°角，那么它的17?比值接近92/8,也就是说有92%的光从镜头 透射后，通过直接照射到高曝光肥传感器上，而另外8%的光向上照射到分光镜2上。分光镜 2的角度为90°，它的17?比值是94/6,运样有94%的光穿过分光镜2投影到ME传感器上，另外 的6%的光经过反射照到了分光镜1上。其中92%的光透过分光镜照到LE传感器上。
[0029] 光照在经过分光镜后，皿、ME和LE传感器捕获到的光照量分别占总光量的92%、 7.52%和0.44%。皿传感器的曝光量是ME传感器曝光量的12.2倍，也就是它们的动态范围 相差3.61档。而ME传感器的曝光量是LE传感器的17倍，也就是动态范围相差4.09档。运样传 感器的动态范围被扩展到了 7.7档。通过运样的分光棱镜只浪费了 0.04%的光照，而且使得 S个传感器上照片除了光照水平不同外，其它都是相同的。当然由于ME传感器图片是经过 奇数次反射后的图像，因此会左右颠倒，但是运个很容易用软件进行校正。当然T/R的值是 受波长影响的，但是为了叙述简单，运里统一采用平均值。
[0030] W上给出了本发明实施例的获取HDR图像的装置构造及说明，相对于W往使用普 通相机拍摄时对操作人员要求较高的情况，利用上述装置使操作人员能容易并准确地获取 一系列曝光程度不同的图像序列，无需长期训练和丰富的经验，对周边环境也没有特殊要 求，适用于高速场景。
[0031] 利用上述装置采集图像之前，对目标场景聚焦，设置相机帖率、光圈大小等，使图 像清晰，然后开始采集图像，可将采集到的图像存储在数据采集卡中。
[0032] 对于采集到的图像，为一系列曝光程度不同的图像序列，为了得到高质量的皿R图 像，本发明提出了配套的图像数据处理方法，W下进行详细描述。
[0033] 参考图2,在对采集到的图像进行算法合并之前，首先进行插值处理，可利用 Malvar方法进行RGB通道的插值处理。由于对图像数据进行了插值处理，运样可W有效的破 坏像素的饱和度。例如，亮澄色的区域可能具有饱和的红色像素，而绿色和蓝色像素却是不 饱和的。运里，由于在合并算法之前进行了插值技术的处理，所W W下描述的合并算法是建 立在像素值基础上的。
[0034] 然后，对插值处理后的图像数据进行HDR算法合并，目的是得到HDR图像。具体过程 如下：
[00巧]首先直接利用Debevec与Malik算法，获取如图3所示的相机响应曲线值。Debevec 和MaUk使用一组已知精确曝光度的图像，可W得到更精确地结果。该算法对响应函数没有