CN102209202A - 相机伽马校正曲线提取方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种相机伽马校正曲线提取方法，通过在控制照明条件下拍摄不同曝光时间下的标靶图像，之后提取标靶图像中各已知反射率小块的平均输出像素值，并根据曝光时间和反射率的组合得到曝光量并与像素值组合在曝光量与像素值的坐标系内做出多条响应曲线，最后根据曝光比例关系调整各条曲线需要补偿的暗电平值以令各条曲线重合，而得到最后的响应曲线和暗电平值，如此减少甚至消除了暗电平的影响，降低了伽马校正曲线拟合的难度并提高了精度，同时增强了测试方式的鲁棒性并可以测试得到相机的残余暗电平水平。
Description
技术领域
本发明涉及一种相机伽马校正曲线提取方法，特别是涉及一种可减少暗电平影响的相机伽马校正曲线提取方法。
背景技术
在图像信号处理器流水线中使用伽马校正最初的原因是为了校正显示设备的显示亮度和输入值之间的非线性。通常PC系统的显示器使用的伽马值为2.2,，即归一化后的输入值x和输出亮度y存在： 
的非线性关系。因此为了在显示器上获取跟被拍摄场景中一样的明暗关系，需要在输入显示器的数值上预先做一个逆向的非线性操作，即做一次伽马值为0.45的变换(0.45x2.2≈1)。因为计算中需要用到指数操作，不利于硬件实现，因此常用的方法是采用LUT查找表内插近似实现伽马校正的效果。
当然，实际上为了让处理得到的图片具有更为类似胶片风格的画质，使用的校正曲线的形状与简单的伽马值为0.45的曲线有较大的区别。胶片自身的响应曲线往往更为复杂，即在曲线的两头上存在所谓的toe和shoulder，类似一个横向拉长的S字母，如图1所示。
在相机的图像信号处理过程中，对伽马校正曲线的一些微调往往能极大地改变图像的外观和风格，使图像中暗区域、中性区域和高亮区的细节得到不同程度的表达，因此存在着提取某个使用者喜欢的相机未知的伽马校正响应曲线的要求。
同时，在一些相机评价测试软件中也存在着类似的功能，如Imatest中的DR测试模块即可以用来测试相机的伽马校正响应曲线。它通过使用相机拍摄一个具有多个连续变化已知反射率的标靶（如Kodak Q13/Q14）来测试得到相机的伽马校正响应曲线。但是Imatest在测试中并没有考虑相机暗电平对测试带来的影响，响应曲线的暗区特别容易受到暗电平的影响，因此测试得到的曲线误差较大。
由于常用的Q13/Q14为反射式标靶，动态范围只有6.7个stop左右，远小于相机的动态范围10 stop左右，因此为了测量响应曲线，通常采用的做法是以一定的间隔改变曝光时间（如以2倍即+1EV的间隔）多次曝光得到多张标靶的图像。
如图2所示，a1、a2、a3对应的横轴位置为预期中标靶中某个已知反射率小块在某一次或某几次曝光中的曝光量。但是由于传感器暗电平的存在，实际的曝光量需要加上未知暗电平的影响，且暗电平的大小等比与曝光时间增长。b1、b2、b3为曝光时间1拍摄中由于暗电平的影响实际曝光量；c1、c2、c3为曝光时间2拍摄中由于暗电平的影响实际曝光量（显然曝光时间1>曝光时间2）。可以从图中看到虽然b和c对应的不同反射率小块在不同的曝光下应该具有相同的曝光量，但是实际上它们的输出像素值具有不同的偏移量。所以如果将几次曝光得到的曲线画在一个坐标系里面将得到图3所示的结果，可以看到曲线并非是理论上连续光滑的一条曲线而是有很大的偏差，这将严重测量结果的准确性。
如果根据Imatest软件文档中建议的使用动态范围在41个step（如Stouffer T4110）的透射式标靶做单次曝光测量，则可以避免图3中的曲线不连续的问题，但是根据上面的分析，使用单次拍摄也很难避免暗电平带来的影响，并且使用透射式标靶需要灯箱配合在全黑的环境内测试，有时这些条件并没有办法完全满足。
发明内容
本发明的目的是提供一种相机伽马校正曲线提取方法，用以解决现有技术中因暗电平对伽马校正曲线精度的影响。
为实现上述目的，实施本发明的相机伽马校正曲线提取方法包括如下步骤：
步骤一：在控制照明条件下拍摄不同曝光时间下的标靶图像；
步骤二：提取标靶图像中各已知反射率小块的平均输出像素值；
步骤三：根据曝光时间和反射率的组合得到曝光量并与像素值组合在曝光量与像素值的坐标系内做出多条响应曲线；
步骤四：判断所有响应曲线是否已经覆盖相机全部响应区域，如否则转至步骤一；
步骤五：如所有响应曲线已经覆盖相机全部响应区域，则根据曝光比例关系调整各条曲线需要补偿的暗电平值并判断它们是否重合，如否则转至步骤一；
步骤六：如各条曲线重合，则拟合得到最后的响应曲线和暗电平值。
依据上述主要特征，步骤一中采用Q13/Q14标靶，并且曝光时间长度为2的倍数。
依据上述主要特征，步骤四中判断所有响应曲线是否已经覆盖相机全部响应区域是指确认多条曲线的像素值范围覆盖0-255。
依据上述主要特征，步骤四中曝光的张数和曝光量改变的比例需满足在曲线的暗部，像素值保持在10以内，而在曲线的亮部，只有2-3点的像素值为255。
依据上述主要特征，步骤六中还包括将重合后曲线的暗的一点外延到原点，并删除多余的亮处饱和点。
依据上述主要特征，步骤五中暗电平与曝光时间为线性关系。
依据上述主要特征，步骤六还包括使用所有数据点进行多项式拟合得到最终伽马曲线的解析表达式，通过该表达式做出任意精度的LUT查找表供硬件使用。
与现有技术相比较，本发明通过在控制照明条件下拍摄不同曝光时间下的标靶图像，之后提取标靶图像中各已知反射率小块的平均输出像素值，并根据曝光时间和反射率的组合得到曝光量并与像素值组合在曝光量与像素值的坐标系内做出多条响应曲线，最后根据曝光比例关系调整各条曲线需要补偿的暗电平值以令各条曲线重合，而得到最后的响应曲线和暗电平值，如此减少甚至消除了暗电平的影响，降低了伽马校正曲线拟合的难度并提高了精度，同时增强了测试方式的鲁棒性并可以测试得到相机的残余暗电平水平。
附图说明
图1为胶片风格的曝光量/像素值响应曲线。
图2为多次不同长度曝光测试法的测试结果比较图。
图3为多次曝光曲线的比较图。
图4为实施本发明的相机伽马校正曲线提取方法的流程图。
图5为找到一个合适的暗电平值并校正后的校正曲线族。
具体实施方式
以下结合附图对本发明具体实施方式进行说明。
请参阅图4所示，实施本发明的相机伽马校正曲线提取方法的流程图，该方法包括如下步骤：
步骤400：以需要在控制照明条件下拍摄不同曝光时间下的标靶图像。其中控制照明条件是为了保证照射在标靶表面上的光是均匀的，这样反射率的关系才能正确的体现为曝光量的对比。同时将相机的光圈数提高，并将标靶图像位于视场中心以避免其过度占据视场以减少镜头暗角的影响。在具体实施时，采用动态范围较小的Q13/Q14标靶，同时因为常用的标靶如Q14都是以1/3stop的关系增减反射率，因此曝光时间长度比例可设定为2的倍数关系。
步骤401：提取标靶图像中各已知反射率小块的平均输出像素值。
步骤402：根据曝光时间和反射率的组合得到曝光量并与像素值组合在曝光量与像素值的坐标系内做出多条响应曲线；
步骤403：判断所有响应曲线是否已经覆盖相机全部响应区域，如否则转至步骤400，其中判断所有响应曲线是否已经覆盖相机全部响应区域是指确认多条曲线的像素值范围已经基本覆盖0-255，同时曝光的张数和曝光量改变的比例需要满足两个原则：第一，在曲线的暗部，不能让像素值过大而偏离原点过远，宜保持在10以内。第二，在曲线的亮部，不能出现过大的饱和现象，即使得只有2-3点的像素值为255则确认已经饱和。
步骤404：如所有响应曲线已经覆盖相机全部响应区域，则根据曝光比例关系调整各条曲线需要补偿的暗电平值并判断它们是否重合，如否则转至步骤400；由于暗电平的本质是传感器像素内部的暗电流积分，因此同样对曝光时间存在线性关系。如果在曝光时间1中得到的曲线的横坐标需要补偿x的暗电平，则曝光时间2需要补偿2x（假设以2倍曝光时间步长拍摄）。在实际使用中可以直接调试x的大小，以便让各条曲线重合，即如图5所示。
步骤405：如各条曲线重合，则拟合得到最后的响应曲线和暗电平值，即将暗的一点外延到原点，并删除多余的亮处饱和点，之后使用所有数据点进行多项式拟合得到最终伽马曲线的解析表达式，通过该表达式做出任意精度的LUT查找表供硬件使用。
与现有技术相比较，本发明的优势在于：
第一、可以通过动态范围较小的Q13/Q14标靶准确测试得到相机的伽马校正曲线，相比以前的方法减少甚至消除了暗电平的影响，降低了伽马校正曲线拟合的难度并提高了精度。
第二、这种通过调整暗电平值观察曲线族重合的程度方式本身即可以判断拍摄的图像是否正确，增强了测试方式的鲁棒性。
第三、除了伽马校正曲线本身，同时可以测试得到相机的残余暗电平水平。
第四、相比较拍摄高动态范围的透射式标靶的方法，由于第二点的原因，本发明测试方法的鲁棒性得到了提高，同时利用本发明的方法还可以得到暗电平的信息，并且具有较高的精度。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (7)
1.一种相机伽马校正曲线提取方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
步骤一：在控制照明条件下拍摄不同曝光时间下的标靶图像；
步骤二：提取标靶图像中各已知反射率小块的平均输出像素值；
步骤三：根据曝光时间和反射率的组合得到曝光量并与像素值组合在曝光量与像素值的坐标系内做出多条响应曲线；
步骤四：判断所有响应曲线是否已经覆盖相机全部响应区域，如否则转至步骤一；
步骤五：如所有响应曲线已经覆盖相机全部响应区域，则根据曝光比例关系调整各条曲线需要补偿的暗电平值并判断它们是否重合，如否则转至步骤一；
步骤六：如各条曲线重合，则拟合得到最后的响应曲线和暗电平值。
2.如权利要求1所述的相机伽马校正曲线提取方法，其特征在于：步骤一中采用Q13/Q14标靶，并且曝光时间长度为2的倍数。
3.如权利要求1所述的相机伽马校正曲线提取方法，其特征在于：步骤四中判断所有响应曲线是否已经覆盖相机全部响应区域是指确认多条曲线的像素值范围覆盖0-255。
4.如权利要求3所述的相机伽马校正曲线提取方法，其特征在于：步骤四中曝光的张数和曝光量改变的比例需满足在曲线的暗部，像素值保持在10以内，而在曲线的亮部，只有2-3点的像素值为255。
5.如权利要求1所述的相机伽马校正曲线提取方法，其特征在于：步骤六中还包括将重合后曲线的暗的一点外延到原点，并删除多余的亮处饱和点的步骤。
6.如权利要求1所述的相机伽马校正曲线提取方法，其特征在于：，步骤五中暗电平与曝光时间为线性关系。
7.如权利要求1所述的相机伽马校正曲线提取方法，其特征在于：步骤六还包括使用所有数据点进行多项式拟合得到最终伽马曲线的解析表达式的步骤。
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