專利名稱：一種采用線陣ccd的大動(dòng)態(tài)范圍圖像獲取的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型是一種采用線陣CCD的大動(dòng)態(tài)范圍圖像獲取的裝置，用于實(shí)現(xiàn)大動(dòng)態(tài)范圍成像。
背景技術(shù)：
大動(dòng)態(tài)范圍成像(High Dynamic Range Imaging)是一項(xiàng)近年來(lái)十分流行的技術(shù)， 簡(jiǎn)單地說(shuō)就是讓照片表現(xiàn)出更大的明暗差別，強(qiáng)光下不過(guò)曝光，弱光下不欠曝光，令所有的層次和細(xì)節(jié)都很清楚。CCD圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍多為60dB，而像素尺寸受限的動(dòng)態(tài)范圍只能獲得有限的寬度，為了在有限的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)獲得層次和細(xì)節(jié)都很清楚的圖像，必須要求高精密度的曝光控制。以往數(shù)碼照片要獲得HDR效果一般要反復(fù)給同一場(chǎng)景拍攝不同曝光的多張照片，然后再枯燥地剔除每一張中過(guò)曝和欠曝的部分，進(jìn)行數(shù)碼暗房合成。最近許多相機(jī)開(kāi)始內(nèi)置HDR的合成功能，譬如說(shuō)索尼Alpha A550，是拍攝后由機(jī)身自行判斷高光與低光進(jìn)行合成，但因?yàn)樘幚矸绞较噍^通過(guò)專業(yè)軟件制作的HDR簡(jiǎn)單許多，除了看起來(lái)不自然以外，細(xì)節(jié)的耗損更為嚴(yán)重。同樣，在工業(yè)領(lǐng)域，許多目標(biāo)是強(qiáng)光照射或透射下成像的，由于強(qiáng)光的存在，C⑶成像極有可能過(guò)曝光，如減小曝光時(shí)間，又有部分區(qū)域可能欠曝光，為了使相機(jī)具有更寬的動(dòng)態(tài)范圍，研究者提出了一些方法，如采用曝光曲線非線性的CMOS傳感器，但采用該方法在增加動(dòng)態(tài)范圍的同時(shí)，又降低了圖像的對(duì)比度(或稱灰度分辨率)。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型針對(duì)以上問(wèn)題，利用線陣CCD的采像特點(diǎn)，提供一種大動(dòng)態(tài)范圍圖像獲取的裝置，在不降低灰度分辨率的前提下，提高圖像的動(dòng)態(tài)范圍。本實(shí)用新型采用的具體技術(shù)方案如下—種采用線陣CCD的大動(dòng)態(tài)范圍圖像獲取的裝置，該裝置包括獲取大動(dòng)態(tài)范圍圖像的時(shí)序電路、計(jì)算機(jī)和獲取大動(dòng)態(tài)范圍圖像的線陣CCD圖像傳感器；其中計(jì)算機(jī)把獲取大動(dòng)態(tài)范圍圖像的線陣CCD圖像傳感器的時(shí)序?qū)懭氆@取大動(dòng)態(tài)范圍圖像的時(shí)序電路；獲取大動(dòng)態(tài)范圍圖像的時(shí)序電路根據(jù)計(jì)算機(jī)寫入的時(shí)序設(shè)定η個(gè)不同的行曝光時(shí)間；獲取大動(dòng)態(tài)范圍圖像的線陣CCD圖像傳感器根據(jù)獲取大動(dòng)態(tài)范圍圖像的時(shí)序電路設(shè)定的η個(gè)不同的行曝光時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，以η次數(shù)據(jù)采集為一個(gè)循環(huán)，同一循環(huán)內(nèi)的每次數(shù)據(jù)采集的行曝光時(shí)間不同，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送至計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)；計(jì)算機(jī)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像融合。所述圖像融合采用基于灰度和入射光強(qiáng)度的傳遞函數(shù)修正的圖像融合算法。本實(shí)用新型的積極效果在于1.采用線陣CXD圖像傳感器，可以對(duì)其每一行的曝光時(shí)間單獨(dú)控制，實(shí)現(xiàn)行曝光時(shí)間周期性循環(huán)可變。[0011]2.采用獲取大動(dòng)態(tài)范圍圖像的時(shí)序電路，對(duì)線陣CCD圖像傳感器的行曝光時(shí)間單獨(dú)控制，實(shí)現(xiàn)一幅圖像包含多曝光時(shí)間，較以往的整幅圖像曝光時(shí)間一致節(jié)省了反復(fù)拍攝照片的時(shí)間。3.采用基于灰度和入射光強(qiáng)度的傳遞函數(shù)修正的圖像融合算法，將多曝光時(shí)間的圖像合成，減少細(xì)節(jié)損耗，呈現(xiàn)完美的大動(dòng)態(tài)范圍圖像。

圖1為本實(shí)用新型的系統(tǒng)框圖；圖2(a)、2(b)為本實(shí)用新型的大動(dòng)態(tài)范圍成像示意圖；圖3(a)、3(b)、3(c)、3(d)為運(yùn)用加權(quán)平均融合算法對(duì)傳遞函數(shù)修正的示意具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖及優(yōu)選實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。一種采用線陣CCD的大動(dòng)態(tài)范圍圖像獲取的裝置，該裝置包括獲取大動(dòng)態(tài)范圍圖像的時(shí)序電路、計(jì)算機(jī)和獲取大動(dòng)態(tài)范圍圖像的線陣CCD圖像傳感器；并且，所述計(jì)算機(jī)含有獲取大動(dòng)態(tài)范圍圖像的基于灰度和入射光強(qiáng)度的傳遞函數(shù)修正的圖像融合算法程序。 連接關(guān)系如圖1所示，具體說(shuō)明如下計(jì)算機(jī)把獲取大動(dòng)態(tài)范圍圖像的線陣CCD圖像傳感器的時(shí)序?qū)懭氆@取大動(dòng)態(tài)范圍圖像的時(shí)序電路；獲取大動(dòng)態(tài)范圍圖像的時(shí)序電路根據(jù)計(jì)算機(jī)寫入的時(shí)序設(shè)定η個(gè)不同的行曝光時(shí)間；獲取大動(dòng)態(tài)范圍圖像的線陣CCD圖像傳感器根據(jù)獲取大動(dòng)態(tài)范圍圖像的時(shí)序電路設(shè)定的η個(gè)不同的行曝光時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，以η次數(shù)據(jù)采集為一個(gè)循環(huán)，同一循環(huán)內(nèi)的每次數(shù)據(jù)采集的行曝光時(shí)間不同，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送至計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)；計(jì)算機(jī)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像融合。所述圖像融合采用基于灰度和入射光強(qiáng)度的傳遞函數(shù)修正的圖像融合算法。運(yùn)用此算法把利用線陣CCD圖像傳感器每一行感光單元的曝光時(shí)間可控可變得到的曝光時(shí)間不同的圖像合成，實(shí)現(xiàn)大動(dòng)態(tài)范圍成像。如圖2(a)所示，以3個(gè)不同的行曝光時(shí)間為一個(gè)循環(huán)單元為例詳細(xì)說(shuō)明采用獲取大動(dòng)態(tài)范圍圖像的線陣CCD圖像傳感器以及獲取大動(dòng)態(tài)范圍圖像的時(shí)序電路來(lái)采集大動(dòng)態(tài)范圍圖像的方法。首先操作者通過(guò)計(jì)算機(jī)把行曝光時(shí)間單獨(dú)可控且可變的線陣CCD圖像傳感器的時(shí)序?qū)懭氆@取大動(dòng)態(tài)范圍圖像的時(shí)序電路，獲取大動(dòng)態(tài)范圍圖像的時(shí)序電路根據(jù)計(jì)算機(jī)寫入的時(shí)序設(shè)定3個(gè)不同的行曝光時(shí)間，即通過(guò)計(jì)算機(jī)寫時(shí)序時(shí)，把能獲取大動(dòng)態(tài)范圍圖像的線陣CCD圖像傳感器的前3行的行曝光時(shí)間分別設(shè)為3個(gè)不同值，把第1行的曝光時(shí)間設(shè)為2us，第2行的曝光時(shí)間設(shè)為20us，第3行的曝光時(shí)間設(shè)為200us，以此循環(huán)設(shè)置每一行的曝光時(shí)間，即把第4行的曝光時(shí)間設(shè)為2us，第5行的曝光時(shí)間設(shè)為20us，第 6行的曝光時(shí)間設(shè)為200us，這樣線陣CXD圖像傳感器輸出的一幅圖像自身就包含3種不同的曝光時(shí)間，較以往的整幅圖像曝光時(shí)間一致節(jié)省了反復(fù)拍攝照片的時(shí)間。如圖2 (b)所示，也可以把能獲取大動(dòng)態(tài)范圍圖像的線陣CXD圖像傳感器的前6行的行曝光時(shí)間分別設(shè)為6個(gè)不同值，把第1行的曝光時(shí)間設(shè)為5us，第2行的曝光時(shí)間設(shè)為 10us，第3行的曝光時(shí)間設(shè)為15us，第4行的曝光時(shí)間設(shè)為20us，第5行的曝光時(shí)間設(shè)為 25us，第6行的曝光時(shí)間設(shè)為30us，以此循環(huán)設(shè)置每一行的曝光時(shí)間，即把第7行的曝光時(shí)
4間設(shè)為5us，第8行的曝光時(shí)間設(shè)為10us，第9行的曝光時(shí)間設(shè)為15us，第10行的曝光時(shí)間設(shè)為20us，第11行的曝光時(shí)間設(shè)為25us，第12行的曝光時(shí)間設(shè)為30us。對(duì)于采集到的數(shù)據(jù)，可以采用基于灰度和入射光強(qiáng)度的傳遞函數(shù)修正的各種圖像融合算法進(jìn)行圖像融合。采用基于灰度和入射光強(qiáng)度的傳遞函數(shù)修正的圖像融合算法，重點(diǎn)在于不同曝光時(shí)間的灰度和入射光強(qiáng)度的傳遞函數(shù)曲線的修正以及擬合，通過(guò)基于灰度和入射光強(qiáng)度的傳遞函數(shù)修正并擬合的圖像融合算法把曝光時(shí)間不同的灰度和入射光強(qiáng)度的傳遞函數(shù)曲線合成為一條線性傳遞函數(shù)曲線，這條線性傳遞函數(shù)曲線對(duì)應(yīng)一幅完美的的大動(dòng)態(tài)范圍圖像。以獲取大動(dòng)態(tài)范圍圖像的線陣CCD圖像傳感器采集到的包含3個(gè)不同曝光時(shí)間的圖像合成為例，使用加權(quán)平均融合算法進(jìn)行圖像融合。加權(quán)平均融合算法利用matlab軟件，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)擬合出入射光強(qiáng)度與圖像灰度的函數(shù)。如圖 3 (a)所示，實(shí)線a代表曝光時(shí)間為200us的源圖像的入射光強(qiáng)度與灰度的傳遞函數(shù)曲線，實(shí)線b為曝光時(shí)間為20us的源圖像的入射光強(qiáng)度與灰度的傳遞函數(shù)曲線，實(shí)線c為曝光時(shí)間為2us的源圖像的入射光強(qiáng)度與灰度的傳遞函數(shù)曲線。傳遞函數(shù)曲線a由于曝光時(shí)間長(zhǎng)， 在入射光強(qiáng)度較強(qiáng)處灰度值呈現(xiàn)飽和狀態(tài)，即曲線a趨于水平；傳遞函數(shù)曲線b、c由于曝光時(shí)間短，在入射光強(qiáng)度較弱處灰度值不能體現(xiàn)，以上三條傳遞函數(shù)曲線均不能真實(shí)的的反映實(shí)際場(chǎng)景中入射光強(qiáng)度與灰度的線性關(guān)系。為了真實(shí)的反映實(shí)際場(chǎng)景中入射光強(qiáng)度與灰度的線性關(guān)系，使用加權(quán)平均融合算法對(duì)傳遞函數(shù)進(jìn)行修正。首先對(duì)b和c利用加權(quán)平均融合算法進(jìn)行融合得到融合曲線d，然后，再將融合曲線d與a進(jìn)行融合得到最終的融合曲線e。具體步驟如下1、修正曲線c的傳遞函數(shù)。去除灰度值呈現(xiàn)飽和狀態(tài)的部分，即舍去水平部分，如圖3(b)所示；斜率變換為曲線b的斜率；平行上移到曲線b的位置。2、修正曲線b的傳遞函數(shù)。去除灰度值呈現(xiàn)飽和狀態(tài)的部分，即舍去水平部分，如圖3(b)所示；3、利用修正公式對(duì)修正后的曲線c和修正后的曲線b進(jìn)行融合，得到融合曲線d， 如圖3(c)所示。具體修正公式如下f (χ) = W1^ (χ) +W2 f 2 (χ)；其中f (χ)為基于傳遞函數(shù)修正后的融合曲線的傳遞函數(shù)；f^x)為修正后的曲線b的傳遞函數(shù)；f2(x)為修正后的曲線c的傳遞函數(shù)；
X _X _W” W2 為加權(quán)系數(shù)，W1 =1--，W2=-；
n-m n-m式中m為曲線f2 (χ)的起始點(diǎn)的橫坐標(biāo)值，η為曲線(χ)的終點(diǎn)的橫坐標(biāo)值；4、修正曲線d的傳遞函數(shù)斜率變換為曲線a的斜率；平行上移到曲線a的位置。[0041]5、修正曲線a的傳遞函數(shù)去除灰度值呈現(xiàn)飽和狀態(tài)的部分，即舍去水平部分，如圖3(b)所示；6、利用修正公式對(duì)修正后的曲線d和修正后的曲線a進(jìn)行融合，得到融合曲線e， 如圖3(d)所示。具體修正公式如下
權(quán)利要求1. 一種采用線陣CCD的大動(dòng)態(tài)范圍圖像獲取的裝置，該裝置包括獲取大動(dòng)態(tài)范圍圖像的時(shí)序電路、計(jì)算機(jī)和獲取大動(dòng)態(tài)范圍圖像的線陣CCD圖像傳感器；其特征在于計(jì)算機(jī)把獲取大動(dòng)態(tài)范圍圖像的線陣CCD圖像傳感器的時(shí)序?qū)懭氆@取大動(dòng)態(tài)范圍圖像的時(shí)序電路；獲取大動(dòng)態(tài)范圍圖像的時(shí)序電路根據(jù)計(jì)算機(jī)寫入的時(shí)序設(shè)定η個(gè)不同的行曝光時(shí)間； 獲取大動(dòng)態(tài)范圍圖像的線陣CCD圖像傳感器根據(jù)獲取大動(dòng)態(tài)范圍圖像的時(shí)序電路設(shè)定的η個(gè)不同的行曝光時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，以η次數(shù)據(jù)采集為一個(gè)循環(huán)，同一循環(huán)內(nèi)的每次數(shù)據(jù)采集的行曝光時(shí)間不同，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送至計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)； 計(jì)算機(jī)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像融合。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種采用線陣CCD的大動(dòng)態(tài)范圍圖像獲取的裝置，用于實(shí)現(xiàn)大動(dòng)態(tài)范圍成像。該裝置包括獲取大動(dòng)態(tài)范圍圖像的線陣CCD圖像傳感器、獲取大動(dòng)態(tài)范圍圖像的時(shí)序電路、計(jì)算機(jī)；并且，所述計(jì)算機(jī)含有獲取大動(dòng)態(tài)范圍圖像的基于傳遞函數(shù)修正的圖像融合算法。該裝置采用獲取大動(dòng)態(tài)范圍圖像的線陣CCD采像，在獲取大動(dòng)態(tài)范圍圖像的時(shí)序電路控制下，線陣CCD的行曝光時(shí)間單獨(dú)可控，并且以一定的周期循環(huán)可變，線陣CCD采集到的圖像通過(guò)時(shí)序電路實(shí)時(shí)傳送至計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)把線陣CCD的時(shí)序?qū)懭氆@取大動(dòng)態(tài)范圍圖像的時(shí)序電路。基于傳遞函數(shù)修正的圖像融合算法在計(jì)算機(jī)上完成，運(yùn)用此算法把線陣CCD采集到的包含多個(gè)不同曝光時(shí)間的圖像合成，實(shí)現(xiàn)大動(dòng)態(tài)范圍成像。
文檔編號(hào)G06T5/50GK202059486SQ20112013542
公開(kāi)日2011年11月30日 申請(qǐng)日期2011年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月29日
發(fā)明者宋永倫, 李元香, 王紅霞, 閆志鴻 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)