CN102857681A - 一种通过半反射镜采集图像和提高图像质量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通过半反射镜采集图像和提高图像质量的方法，1）通过光学镜头摄取入射光线图像信息并在光学镜头后部光路上设置一半反射镜片；2）根据光线平面反射原理使该半反射镜片与所述光学镜头所在轴线成设定角度放置，得到该半反射镜片反射光路与透射光路；3）在反射光路和透射光路上设置图像传感器获取反射和透射图像信息；4）提取图像传感器上图像信息，分别针对图像亮部和暗部对产生反射和透射图像的传感器进行曝光补偿或感光度调节,并合成得到完整数字图像。相较于传统方法，本发明两幅图像同时获取，没有前后时间上的差异，因此对场景变化和场景中的运动物体不敏感。基于同样的原因，该方法也便于获取连续的高动态范围视频信息。

Description

一种通过半反射镜采集图像和提高图像质量的方法

技术领域

本发明涉及一种采集和提高数字图像质量的方法，具体涉及一种通过半反射镜同时获得两幅不同参数图像并合成的方法，属于数字图像采集和合成领域。

背景技术

当前的数字图像生成方式一般使用单一图像传感器采集图像信息，受到图像传感器性能和规格限制，在输出的图像质量方面存在很大的局限性。

作为图像质量的一个方面，对图像亮度反差的宽容程度一般采用动态范围进行评价，动态范围是指一幅图像或一个场景中亮度的最大值和最小值之比称为动态范围(DynamicRange)，定义为a=l(max)/l(min)，其中，a为动态范围值、l(max)为最大亮度、l(min)为最小亮度。

单一图像传感器对亮度的敏感范围(动态范围)有限。假设单个图像传感器支持的动态范围为m——即只能覆盖最暗到最亮相差m倍的亮度范围。如果被拍摄场景最亮和最暗部分亮度相差n倍(n>m)，即被拍摄场景动态范围大于图像传感器所能支持的动态范围，则使用单独图像传感器成像，不能覆盖场景中全部亮度的动态范围，会导致图像的一部分曝光过度或曝光不足。

对于动态范围的提升，现有技术的基本思路有两类：第一类是通过多幅不同曝光量的图像进行合成，即HDR合成，获得动态范围更大的图像；第二类是通过对图像传感器不同部分像素分别进行的感光度设置扩大单独图像传感器的动态范围，从而获得高动态范围的图像，HDR指高动态范围(High Dynamic Range)，

高动态范围HDR合成是指将多幅不同曝光的图像进行合成以获得高动态范围图像的技术。

列举三种现有技术进行说明，前两种属于第一类，第三种属于第二类。

现有技术1：为了获得供合成的多张数字图像，需要通过多次成像，拍摄多幅图像实现。这种方法虽然获取了多幅图像，但是各图像拍摄的时间存在先后差异，要求被拍摄场景基本保持静止不变，如果场景快速变化或存在运动物体，则各图像间差异较大，不利于或不能进行合成。

现有技术2：通过多镜头拍摄同一场景方法获得多幅图像。此种方法需要两套或多套相同的镜头和成像系统并列布置，该方法的缺陷在于由于各镜头空间位置不同，拍摄时存在视角差异，在拍摄距离较近场景时，视角差异明显，不利于进行合成。

现有技术3：使用单一图像传感器成像，对处于图像亮部和暗部的像素分别进行不同的曝光或感光度设置。该方法要求图像传感器上不同部分的像素具备独立的感光度调整能力，难度较大，且要求针对图像的不同部分进行分别测光，以便为每个像素的感光度设置提供数据支持。

半反射镜是一种平面反射镜，其镜面上任意一点，均按照相同的比例将入射光线的一部分进行反射，其余部分光线透射。图像传感器是能感受光学图像信息并转换成可用输出信号的传感器——如CCD、COMS等。

发明内容

针对现有技术中数字图像提取和提高图像质量的局限，本发明提供了一种通过半反射镜采集图像和提高图像质量的方法，在本发明的方法中将单一镜头摄取的图像分别透射和反射到两个图像传感器上，提高最终输出的单幅数字图像质量。

为了到达上述的目的，本发明的技术方案是：一种通过半反射镜采集图像的方法，将半反射镜片按照一定角度摆放在光学镜头后部光路上，将镜头入射光线分为透射和反射两部分，并分别在两个图像传感器上成像，其步骤为：

1）通过所述光学镜头摄取入射光线图像信息并在所述光学镜头后部光路上设置一半反射镜片；

2）根据光线平面反射原理使该半反射镜片与所述光学镜头轴线成设定角度放置，得到该半反射镜片反射光路与透射光路；

3）在所述反射光路和透射光路的上设置图像传感器获取反射和透射图像信息；

3-1)将一图像传感器设置在反射光线焦平面上；

3-2)将另一图像传感器设置在透射光路的焦平面上；

4）提取所述图像传感器上图像信息，完成采集。

基于上述方法本发明还进一步提出一种通过半反射镜提高图像动态范围的方法，将半反射镜片摆放在光学镜头所在光路上，其步骤为：

1）通过所述光学镜头摄取入射光线图像信息并在所述光学镜头后部光路上设置一半反射镜片；

2）根据光线平面反射原理使该半反射镜片与所述光学镜头所在轴线成设定角度放置，得到该半反射镜片反射光路与透射光路；

3）在所述反射光路和透射光路的上设置图像传感器获取反射和透射图像信息；

3-1)将一图像传感器设置在反射光线焦平面上；

3-2)将另一图像传感器设置在透射光线的焦平面上；

4）提取所述图像传感器上图像信息，根据图像亮度值对所述产生反射和透射图像的传感器进行曝光补偿或感光度调节，并通过合成得到最终输出的数字图像。对所述图像传感器设置的基本思想是：对于获得光线比例较大的传感器，使其针对图像暗部进行曝光；对于获得光线比例较小的传感器，使其针对图像亮部进行曝光。

根据所述反射和透射光线比例分配和对参考亮度的选择，设置所述图像传感器动态范围。

所述图像传感器动态范围通过曝光补偿和/或感光度调节进行控制。

对所述两个图像传感器按照下述策略进行设置：

4-1)对所述半反射镜的反射比例小于透射比例的条件下，若两图像传感器参考图像平均亮度进行设置，则减少反射光路上图像传感器的曝光补偿或感光度、增加透射光路上图像传感器的曝光补偿或感光度；若反射光路上的图像传感器参考图像亮部亮度进行设置，则该传感器的曝光补偿或感光度不再调整；若透射光路上的图像传感器参考图像暗部亮度进行设置，则该传感器的曝光补偿或感光度不再进行调整。

4-2)对所述半反射镜的反射比例大于透射比例的条件下，若两图像传感器参考图像平均亮度进行设置，则增加反射光路上图像传感器的曝光补偿或感光度、减小透射光路上图像传感器的曝光补偿或感光度；若反射光路上的图像传感器参考图像暗部亮度进行设置，则该传感器的曝光补偿或感光度不再调整；若透射光路上的图像传感器参考图像亮部亮度进行设置，则该传感器的曝光补偿或感光度不再进行调整。

所述合成图像信息的方式是HDR图像合成算法。

所述光学镜头轴线与半反射镜面的角度设置为：使反射光路及光路上的器件与透射光路及光路上的器件互不干扰。

所述半反射镜上任意一点的入射光线强度以固定比例被分为反射光线与透射光线。

本发明的有益效果

本发明使用半反射镜将单一镜头摄取的图像分别透射和反射到两个图像传感器上，采样得到同一时间上的两种图像。同时本发明基于半反射镜光线分离、分别在两个图像传感器上同时成像这个基本方法，还提出一种提高图像动态范围的方法，该方法通过半反射镜对入射光线的分离，获得两幅图像后再合成；获得动态范围更大的单幅图像；相较于传统方法，两幅图像同时获取，没有前后时间上的差异，因此对场景变化和场景中的运动物体不敏感。且入射光线由单一镜头获取，空间上不存在视角差异，有利于提高图像质量，实现简单，该方法所用各元件和测光、图像HDR合成方法均为现有成熟技术。另外，由于该方法中，获得最终的输出图像只需要一次拍摄动作，所以，既可用于获得单幅图像，如照相机，也可以方便的通过图像的连续采集，进行摄像，获取连续的高动态范围的视频输出。

附图说明

图1是本发明通过半反射镜和双图像传感器采集图像实现装置一实施例中示意图。

图2是本发明通过半反射镜采集图像的方法中一实施例中，两图像传感器动态范围设置的示意图。

图3（a）是本发明通过半反射镜采集图像的一实施例中针对暗部实际拍摄测试。

图3（b）是本发明通过半反射镜采集图像的一实施例中针对亮部实际拍摄测试。

图3（c）是本发明通过半反射镜采集图像的一实施例中经过HDR方法合成后最终输出图像。

具体实施方式

发明原理

本发明中图像传感器设置的参考亮度通过测光获得，测光是指测量图像整体或部分的亮度值。测光方式有平均测光、点测光等。图像传感器以测光获得的亮度值作为基准，设置合适的曝光量和感光度。现有技术成熟，本方法中只关注亮度值的使用，不关注亮度值的具体获取方式。

单个光学镜头：这里无特殊要求，只要能进行光学成像即可，镜头后部距焦平面距离应足够布置半反射镜；

镜头光路上成一定角度放置的半反射镜，该镜片将入射的光线部分反射，另一部分光线透射；实际实现中半反射镜片的放置角度不做特殊限制，只要符合几何光学的平面反射原理，使得透射和反射光路及两光路上的相应器件不会相互干扰和遮挡即可。

反射光线焦平面上和透射光线焦平面上的两块图像传感器的类型不限，对图像传感器本身不做特殊要求。两图像传感器放置的要求是：一个放在半反射镜的反射光路的焦平面上，另一图像传感器放置在透射光路的焦平面上，使得经同一镜头入射的光线能够同时在两图像传感器上成像。

通过半反射镜，将镜头摄取图像分别投射在两个图像传感器上，两个图像传感器分别成像，对两图像进行合成，获得质量更高的单幅数字图像。

这里，半反射镜上任意一点的入射光线均以固定的比例进行反射和透射。反射和透射的光线均能够获得完整的图像。两幅图像的亮度之比即为半反射镜反射与透射光的亮度之比。对于透射光线，半反射镜相当于平面透镜，对于反射光线，半反射镜相当于平面反射镜。

基于上述光学结构，进一步提出提高图像动态范围的方法，具体的图像传感器设置和图像合成方式如下：

基于动态范围互补设置与图像合成

本方法，使用半反射镜，通过两个图像传感器成像，弥补单一图像传感器动态范围有限的缺点。由于半反射镜将镜头的全部入射光线分为透射部分和反射部分，所以对两部分光线成像的两个图像传感器需要按照互补的方式进行曝光设置——根据反射和透射光线的比例分配，分别设置两个图像传感器的曝光策略：

(1)获得较小比例光线的图像传感器，针对画面亮部(高光部分)进行曝光设置，即：如果基于当前焦平面上画面的平均亮度，则减小曝光补偿或降低图像传感器感光度。如果基于当前焦平面上画面的亮部亮度，则不必额外进行曝光补偿或修改感光度；

(2)获得较大比例光线的图像传感器，针对画面暗部(弱光部分)进行曝光设置，即：如果基于当前焦平面上画面的平均亮度，则增加曝光补偿或提高图像传感器感光度。如果基于当前焦平面上画面的暗部亮度，则不必额外进行曝光补偿或修改感光度。

本发明一种量化的描述如下：

忽略入射光线在各光学元件上的损耗，设半反射镜反射率为x，透射率为y，则x+y=100%。入射光线，如果不经过半反射镜分离，焦平面上的平均亮度为l。经过半反射镜分离后，反射焦平面上的平均亮度为l(a)=l*x，透射焦平面上的平均亮度为l(b)=l*y。

分两种情况：

1、如果x<y，即反射光线所占比例较小。

则设置反射光路焦平面上的图像传感器针对图像亮部曝光：即，基于l(a)进行曝光设置时，减小曝光补偿或降低感光度；设反射焦平面上图像亮部的亮度为l(a’)，容易知道l(a’)>l(a)，所以基于l(a’)进行曝光设置时，不进行额外的曝光补偿或修改感光度。

设置透射光路焦平面上的图像传感器针对图像暗部曝光。即，基于l(b)进行曝光设置时，增加曝光补偿或提高感光度；设透射焦平面上图像暗部的亮度为l(b’)，容易知道l(b’)<l(b)，所以基于l(b’)进行曝光设置时，不进行额外的曝光补偿或修改感光度。

2、如果x>y，即透射光线所占比例较小，则将上述反射和透射焦平面上的图像传感器的曝光设置策略颠倒即可。

综上，两图像传感器分别针对被摄场景亮部和暗部进行有针对性的曝光，从而使整体的动态范围能够覆盖整个场景的亮度范围。

根据上述方式获得两幅不同曝光的图像后，使用HDR合成方式，将两幅图像合成为单一图像输出。最终获得的单幅图像具有更高的动态范围，体现在画面效果上，图像的亮部和暗部均得到合适曝光，避免因曝光过度或曝光不足造成的画面细节丢失。

如图1所示的是本发明中半反射镜提高图像质量方法的一种实现装置示意图。其中，1—镜头，可以为任意可用于成像的单一镜头；2—半反射镜，将镜头入射的光线部分透射、部分反射；3—图像传感器A，放置在反射光路焦平面上，用于反射光线的成像；4—图像传感器B，放置在透射光路焦平面上，用于透射光线的成像；5—镜头轴线，镜头轴线与图像传感器B垂直；6—反射光路，半反射镜的反射光线路径；7—透射光路，半反射镜的透射光线路径；

镜头入射光线经半反射镜，分成两部分。第一部分沿反射光路在图像传感器A上成像；同时，第二部分沿透射光路在图像传感器B上成像。

如图2所示的是本发明中半反射镜反射光路和透射光路上两图像传感器动态范围设置的示意图。其中，a2为针对场景亮部成像的图像传感器，其曝光或感光度的设置基于平均亮度减小曝光补偿，使动态范围覆盖图像亮部；a1为针对场景暗部成像的图像传感器，其曝光或感光度的设置基于场景平均亮度增加曝光补偿，使动态范围覆盖图像暗部；a为两图像传感器分别获得的图像共同覆盖的动态范围。

通过对两幅图像想的HDR合成，扩大最终输出图像的动态范围。

如图3（a）-图3（c）所示，为实际拍摄测试样例。图3（a）为前述方法中针对图像暗部曝光的图像传感器获得的图像。暗部曝光正常，细节清晰，但亮部过曝，细节丢失；图3（b）为前述方法中针对图像亮部曝光的图像传感器获得的图像。亮部曝光正常，图像细节清晰，但暗部曝光不足，细节丢失；图3（c）为前述两图像经HDR合成后获得的最终输出图像，图像亮部和暗部均获得合适曝光，图像整体动态范围得到提高。

在本发明的实施例中对镜头无具体要求，可用于光学成像即可，其镜头后部到焦平面间的距离应足够放置半反射镜。在本方法中的半反射镜，使用现有技术，没有具体工艺要求。图像传感器使用目前常见CCD或COMS均可，无特殊技术要求。图像平均亮度和亮部、暗部的局部亮度值，使用现有成熟的测光技术获取即可，HDR合成方法也使用现有技术，无特殊要求和修改。

Claims (9)

1.一种通过半反射镜采集图像的方法，将半反射镜片按照一定角度摆放在光学镜头后部光路上，将镜头入射光线分为透射和反射两部分，并分别在两个图像传感器上成像，其步骤为：

1）通过所述光学镜头摄取入射光线图像信息并在所述光学镜头后部光路上设置一半反射镜片；

2）根据光线平面反射原理使该半反射镜片与所述光学镜头所在轴线成设定角度放置，得到该半反射镜片反射光路与透射光路；

3）在所述反射光路和透射光路的上设置图像传感器获取反射和透射图像信息；

3-1)将一图像传感器设置在反射光线焦平面上；

3-2)将另一图像传感器设置在透射光线的焦平面上；

4）提取所述图像传感器上图像信息，完成采集。

2.一种通过半反射镜提高图像质量的方法，将半反射镜片摆放在光学镜头所在光路上，其步骤为：

1）通过所述光学镜头摄取入射光线图像信息并在所述光学镜头后部光路上设置一半反射镜片；

2）根据光线平面反射原理使该半反射镜片与所述光学镜头轴线成设定角度放置，得到该半反射镜片反射光路与透射光路；

3）在所述反射光路和透射光路的上设置图像传感器获取反射和透射图像信息；

3-1)将一图像传感器设置在反射光线焦平面上；

3-2)将另一图像传感器设置在透射光路的焦平面上；

4）提取所述图像传感器上图像信息，根据图像亮度值对所述产生反射和透射图像的传感器进行曝光补偿或感光度调节，并通过合成得到最终输出的数字图像。

3.如权利要求2所述的通过半反射镜采集图像的方法，其特征在于，根据所述反射和透射光线比例分配和对参考亮度的选择，设置所述图像传感器动态范围。

4.如权利要求2或3所述的通过半反射镜采集图像的方法，其特征在于，所述图像传感器动态范围通过曝光补偿和/或感光度调节进行控制。

5.如权利要求2所述的通过半反射镜采集图像的方法，其特征在于，当半反射镜的反射比例小于透射比例，若在两图像传感器参考图像平均亮度进行设置时，减少反射光路上图像传感器的曝光补偿或感光度、增加透射光路上图像传感器的曝光补偿或感光度；若在反射光路上的图像传感器参考图像亮部亮度进行设置时，则该传感器的曝光补偿或感光度不再调整；若在透射光路上的图像传感器参考图像暗部亮度进行设置时，则该传感器的曝光补偿或感光度不再进行调整。

6.如权利要求2所述的通过半反射镜采集图像的方法，其特征在于，当半反射镜的反射比例大于透射比例，若在两图像传感器参考图像平均亮度进行设置时，则增加反射光路上图像传感器的曝光补偿或感光度、减小透射光路上图像传感器的曝光补偿或感光度；若在反射光路上的图像传感器参考图像暗部亮度进行设置时，则该传感器的曝光补偿或感光度不再调整；若在透射光路上的图像传感器参考图像亮部亮度进行设置时，则该传感器的曝光补偿或感光度不再进行调整。

7.如权利要求2所述的通过半反射镜采集图像的方法，其特征在于，所述合成图像信息的方式是HDR图像合成算法。

8.如权利要求1所述的基于通过半反射镜采集图像的方法，所述光学镜头轴线与半反射镜面的角度设置为：使反射光路及光路上的器件与透射光路及光路上的器件互不干扰。

9.如权利要求1所述的基于通过半反射镜采集图像的方法，其特征在于，所述半反射镜上任意一点的入射光线强度以固定比例被分为反射光线与透射光线。

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