CN103905731B - 一种宽动态图像采集方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明适用于图像采集技术领域，提供一种宽动态图像采集方法及系统，所述方法包括：通过设置各个摄像头的曝光参数，调整各个摄像头的光照强度范围；控制各个摄像头同时采集图像；判断采集到的图像是否满足宽动态采集要求；当满足宽动态采集要求时，拼接所述采集到的图像获得宽动态图像。本发明采用多个普通的具有独立曝光控制能力的摄像头即可实现宽动态范围图像采集，无需对摄像头进行大规模的改造，可以实现最大限度地动态范围拍摄，而且本发明无需额外光学设备，制造成本低，拍照质量高。

Description

一种宽动态图像采集方法及系统

技术领域

本发明属于图像采集技术领域，尤其涉及一种宽动态图像采集方法及系统。

背景技术

根据固体感光器件基本光探测原理，场景光照使光电二极管产生电流，电流的大小与入射光强成正比，电流对电容器充电产生电压，电压经过放大整形后就得到图像像素值，如果再经过模数转换，就得到数码图像。

对于标准CCD和CMOS图像传感器来说，所有感光单元的曝光（收集光子）时间都是相同的。感光单元对景物明亮部分收集的光子较多，对阴暗部分收集的光子则较少。但是，感光单元能够收集的光子数量会受到阱容量的限制，所以捕捉物体较亮色调的感光单元有可能会溢出或饱和。为防止出现这种情况，可以减少曝光时间，但这样，捕捉物体较暗色调的感光单元可能又无法收集到足够多的光子。因此，对于典型的单次曝光的图像传感器，其动态范围的上限受制于感光单元的阱容量，下限则受制于感光单元的信噪比。

由于元器件的这种物理限制，在一定曝光时间下，感光器件所能探测到的最大光强和最小光强都是有限的，这个比值就是感光器件或者摄像设备的动态范围。一般器件在50dB左右，也就是通常所说的8位图像。然而，自然界场景的动态范围通常远远超过感光器件所能探测的范围。比如正午阳光下直射区域的光强比阴影中的光强要高近6个数量级(120dB)。如果场景都是明亮物体，可以减小曝光时间或进行光衰减。如都是阴暗物体，可以增加曝光时间或进行光放大，都能得到清晰的图像。但若场景中同时存在高亮度部分和阴暗部分，比如阳光下的建筑物阴影或夜晚中的汽车前灯等。如果曝光时间短，高亮度场景部分能得到清晰图像，但低亮度部分则曝光不足；如果曝光时间长，低亮度部分能得到清晰图像，但是高亮度部分则过度曝光，图像饱和，细节丢失。为了不失真地测量这样的宽动态范围场景，摄像设备的动态范围要求大于16位，有的甚至要求到20位左右。宽动态范围采集图像已有多种方法，大多数都是利用同一感光器件依次对同一场景进行两次或多次不同曝光时间采集，然后对这些采集到的图像进行宽动态范围的图像合成。但是这种采集方法有一些缺陷：

1、高性能的宽动态范围感光器件价格都比较昂贵；

2、本次曝光与上一次曝光之间有一定的时间差。由于若摄像机抖动或者场景物体运动时，采集到的两副图之间会有些差别，需要通过图像处理进行纠正；

3、像素的读取速度限制，多次顺序采样技术需要高读取时钟频率，这使得器件及系统的设计和制造困难加大，并且影响器件的光电灵敏度和信噪比。随着感光器件的像素增多，要在限定时间内读出的像素越多，对读取时钟要求越高，因此，此类技术的扩展性有限。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种宽动态图像采集方法及系统，旨在解决现有宽动态图像采集方案成本高、技术复杂、并且存在像素读取速度瓶颈的技术问题。

一方面，所述宽动态图像采集方法包括下述步骤：

通过设置各个摄像头的曝光参数，调整各个摄像头的光照强度范围；

控制各个摄像头同时采集图像；

判断采集到的图像是否满足宽动态采集要求；

当满足宽动态采集要求时，拼接所述采集到的图像获得宽动态图像。

另一方面，所述宽动态图像采集系统包括至少两个摄像头，还包括控制各个摄像头的控制模块，所述控制模块包括：

摄像头设置单元，用于通过设置各个摄像头的曝光参数，调整各个摄像头的光照强度范围；

图像采集控制单元，用于控制各个摄像头同时采集图像；

图像判断单元，用于判断采集到的图像是否满足宽动态采集要求；

图像拼接单元，用于当满足宽动态采集要求时，拼接所述采集到的图像获得宽动态图像。

本发明的有益效果是：本发明使用多个普通性能摄像头，设置不同曝光参数后同时对同一对象进行图像采集，然后进行图像拼接得到宽动态图像，本发明无需使用高性能摄像头、无需额外的光学设备、无需对摄像头进行大规模改造，通过对多个普通摄像头进行组合与合理控制，可以实现最大限度地宽动态范围拍摄，本发明方案简单易行，成本较低。

附图说明

图1是本发明第一实施例提供的宽动态图像采集方法的流程图；

图2是本发明第二实施例提供的宽动态图像采集系统的结构方框图；

图3是图2中控制模块的一种具体结构图。

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。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

实施例一：

图1示出了本发明实施例提供的宽动态图像采集方法的流程，为了便于说明仅示出了与本发明实施例相关的部分。

本实施例提供的宽动态图像采集方法包括下述步骤：

步骤S101、通过设置各个摄像头的曝光参数，调整各个摄像头的光照强度范围。

本实施例中，所述摄像头为普通摄像头，各个摄像头独立控制，摄像头数量不限，具体实施时根据需要进行选择。所述曝光参数包括快门速度、光圈值、感光度增益、GAMMA曲线值等。假设摄像头的动态范围为40(表示40个光照强度，以下同)至10，而所拍对象的动态范围为80到10。

假设有两个摄像头，调整其中一个摄像头的曝光参数：采用光圈F2.0、快门速度1/25秒、感应器ISO增益40、GAMMA曲线1.6，使得摄像头能够获得的图像的光照强度范围为80-40，即光强小于40的图像区域呈现曝光不足，光强大于80的图像区域呈现过曝。调整另一个摄像头的曝光参数：采用光圈F2.0、快门速度1/100秒、感应器ISO增益100、GAMMA曲线2.2，使得摄像头能够获得的图像的光照强度范围为40-10，即光强小于10的图像区域呈现曝光不足,光强大于40的图像区域呈现过曝。

步骤S102、控制各个摄像头同时采集图像。

本实施例中，各个摄像头统一控制。同时触发各个摄像头的快门，各个摄像头同时对被拍摄对象同时进行拍摄，采集到光照强度范围不同的图像。上述实例中，经过拍摄后，可以得到光照强度范围为80-40以及光照强度范围为40-10的两幅图像。

步骤S103、判断采集到的图像是否满足宽动态采集要求。

通过设置曝光参数调整摄像头的光照强度范围会存在一些误差，这里首先需要判断采集到的图像是否满足宽动态采集要求，在上述实例中，需要判断采集到的两幅图像的光照强度范围是否在80-10之间，若是，则满足宽动态采集要求，说明步骤S101中曝光参数设置正确，否则，回到步骤S101中重新设置各个摄像头的曝光参数。

步骤S104、当满足宽动态采集要求时，拼接所述采集到的图像获得宽动态图像。

上述实例中，集到的第一幅图像的光照强度范围为80-40，采集到的第二幅图像的光照强度范围为40-10，通过软硬件计算方法，将这两幅图像拼接为一幅宽动态图像，其照度强度范围为80-10，从而实现了利用多摄像头取代单一摄像头进行宽动态范围的图像采集，大大降低了对拍摄对象的光照度限制，理论上可以实现无限宽动态范围的采集。

进一步优选的，在拼接图像之前还包括：

除去采集到的图像中，光照强度在被拍对象光照强度范围外的像素点。

虽然通过设置曝光参数可以调整摄像头的光照强度范围，但是由于环境噪声干扰，图像中会存在光照强度在被拍对象光照强度范围外的像素点，比如上述实例中，虽然采集到的第一幅图像的光照强度范围为80-40，但是可能会出现光照强度大于80的像素点，虽然采集到的第二幅图像的光照强度范围为40-10，但是也可能出现光照强度小于10的像素点。本优选方式中，需要剔除这些位于拍对象光照强度范围外的像素点，使得采集到的图像更为真实、准确。

经过曝光参数设置后，不同摄像头的光照强度范围不同，上述实例中，一个摄像头的光照强度范围为80-40，另一摄像头的光照强度范围为40-10，两个范围临接。实际应用中各摄像头的动态范围之间还可以互相覆盖，采用相应算法对覆盖部分进行处理即可，比如可以将重合的动态范围的光强值求平均值等等。

普通单个摄像头采集图像动态范围窄，而宽动态范围的摄像头造价又很高，针对此问题，本实施例提供一种利用多摄像头曝光实现宽动态范围图像采集的方法，该方法采用多个普通的具有独立曝光控制能力的摄像头即可实现宽动态范围图像采集，无需对摄像头进行大规模的改造，可以实现最大限度地动态范围拍摄，从理论上讲，可以实现无限宽动态范围的图像采集。此外，本实施例方法不需要额外的光学设备，比如滤光片，分光镜等，避免采集的画面亮度不足，画面或者颜色的失真。

实施例二：

图2示出了本发明实施例提供的宽动态图像采集系统的结构，为了便于说明仅示出了与本发明实施例相关的部分。

本实施例提供的宽动态图像采集系统包括少两个摄像头1，还包括控制各个摄像头的控制模块2，所述摄像头1与所述控制模块2网络连接或者数据线连接，具体实现时，所述控制模块2可以是计算机也可以是装有控制芯片的电路板。在所述控制模块2的控制下，可以设置各个摄像头的曝光参数、图像采集时间。具体的，如图3所示，所述控制模块2包括：

摄像头设置单元21，用于通过设置各个摄像头的曝光参数，调整各个摄像头的光照强度范围；

图像采集控制单元22，用于控制各个摄像头同时采集图像；

图像判断单元23，用于判断采集到的图像是否满足宽动态采集要求；

图像处理单元24，用于当满足宽动态采集要求时，拼接所述采集到的图像获得宽动态图像。

本实施例中，摄像头至少有两个，均为普通摄像头，数据和型号根据所需设置，在所述摄像头设置单元21控制下，设置各个摄像头的曝光参数，以调整各个摄像头的光照强度范围，然后图像采集控制单元22控制各个摄像头同时采集图像得到多幅图像数据，图像判断单元23判断采集到的图像是否满足宽动态采集要求，当满足宽动态采集要求时，图像处理单元24拼接所述采集到的图像获得宽动态图像，否则通过摄像头设置单元21继续设置曝光参数。

优选的，所述图像处理单元24还用于除去采集到的图像中，光照强度在被拍对象光照强度范围外的像素点。

总之，本发明根据所拍摄对象光照度情况，以及对取景效果的要求，合理安排多个摄像头的位置，在不同的摄像头上设置不同的曝光参数，并且控制不同摄像头对同一取景对象同时拍摄，将采集到的图像经过图像拼接处理，实现宽动态范围图像采集。本发明技术方案简单易行，成本较低，理论上可以实现宽动态甚至超宽动态范围的图像采集，并且相对于其他类似方案，本发明本不需要额外的光学设备，能够在满足要求的情况下使得摄像头的数量尽可能减少，成本较低。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种宽动态图像采集方法，其特征在于，所述方法包括：

通过设置各个摄像头的曝光参数，调整各个摄像头的光照强度范围；

控制各个摄像头同时采集图像；

判断采集到的图像是否满足宽动态采集要求；

当满足宽动态采集要求时，拼接所述采集到的图像获得宽动态图像。

2.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述拼接所述采集到的图像获得宽动态图像步骤之前，还包括：

除去采集到的图像中，光照强度在被拍对象光照强度范围外的像素点。

3.如权利要求1或2所述方法，其特征在于，所述判断采集到的图像是否满足宽动态采集要求步骤之后，还包括：

当不满足宽动态采集要求时，重新设置各个摄像头的曝光参数。

4.如权利要求3所述方法，其特征在于，所述曝光参数包括快门速度、光圈值、感光度增益、GAMMA曲线值。

5.如权利要求4所述方法，其特征在于，调整后不同摄像头的光照强度范围不同，且可重合。

6.一种宽动态图像采集系统，其特征在于，所述系统包括至少两个摄像头，还包括控制各个摄像头的控制模块，所述控制模块包括：

摄像头设置单元，用于通过设置各个摄像头的曝光参数，调整各个摄像头的光照强度范围；

图像采集控制单元，用于控制各个摄像头同时采集图像；

图像判断单元，用于判断采集到的图像是否满足宽动态采集要求；

图像处理单元，用于当满足宽动态采集要求时，拼接所述采集到的图像获得宽动态图像。

7.如权利要求6所述系统，其特征在于，所述图像处理单元还用于除去采集到的图像中，光照强度在被拍对象光照强度范围外的像素点。

8.如权利要求6或7所述系统，其特征在于，所述摄像头设置单元还用于当不满足宽动态采集要求时，重新设置各个摄像头的曝光参数。

9.如权利要求8所述系统，其特征在于，所述摄像头与所述控制模块网络连接或者数据线连接。

10.如权利要求9所述系统，其特征在于，调整后不同摄像头的光照强度范围不同，且可重合。