CN106412452A - 一种面向图像宽动态范围扩展的在轨曝光控制方法 - Google Patents

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李馨
张宏伟
侯作勋
董国伟
唐琦
王震
解静
陈超
张原野
潘铮
关晨辉
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N23/00—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
    • H04N23/70—Circuitry for compensating brightness variation in the scene
    • H04N23/741—Circuitry for compensating brightness variation in the scene by increasing the dynamic range of the image compared to the dynamic range of the electronic image sensors
    • H—ELECTRICITY
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    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N23/00—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
    • H04N23/70—Circuitry for compensating brightness variation in the scene
    • H04N23/743—Bracketing, i.e. taking a series of images with varying exposure conditions

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Abstract

本发明提出一种面向图像宽动态范围扩展的在轨曝光控制方法，用于实现图像的动态范围扩展。该方法可以根据初始的自动曝光或指令曝光的曝光时间，以n的幂级数为乘数，自动生成一系列具有确定关系的曝光时间参数，自动完成多次曝光，进一步控制相机生成适合宽动态范围扩展处理的图像序列，使得图像能够获得大程度宽动态范围扩展。

Description

一种面向图像宽动态范围扩展的在轨曝光控制方法
技术领域
本发明涉及一种面向图像的曝光控制方法，尤其涉及一种应用于空间在轨图像，使得图像能够获得宽动态范围扩展的方法。
背景技术
动态范围是指在一幅图像中，图像传感器可拍摄的最亮和最暗光照的比值。从人的视觉的角度，同一场景下图像中光强亮的区域和光强暗的区域的细节都能够清晰显示，意味着图像传感器具有比较大的动态范围。由于图像传感器芯片设计以及图像数据存储、传输、显示等环节的制约，图像中所有像素具有相同的曝光时间，而且每一个像素的数据位长度固定，因此制约了图像传感器的动态范围。
由于在轨应用环境下，环境中不同区域的光强差异显著，CMOS或CCD传感器的响应范围有限，拍摄的图像往往不能很好的同时显示明暗部分图像细节，动态范围不理想。多次曝光组合是一种有效扩展图像传感器动态范围的有效方法。通过将几幅不同曝光时间的图像组合起来，可以同时获得强光照和弱光照部分的更多细节，从而达到扩大动态范围的目的。于是提出了一种相机在轨曝光控制方法，该曝光控制方法能够根据当前曝光时间，以n的幂级数为系数，自动生成一系列具有确定关系的曝光时间参数，进一步控制相机生成适合宽动态范围扩展处理的图像序列，可以有效解决上述问题。该方法主要应用于遥感相机、星敏感器、可视遥测、目标跟踪等空间光学系统。
专利“一种多次曝光组合中曝光次数确定及曝光时间分配的方法”(专利号：200910067835.8)提出了一种根据像素输出与光照强度和积分时间的乘机成正比的特点，通过分析图像中饱和像素与严重欠饱和像素的比例，得出目前拍摄场景中光照强度的变化范围，进而分别使用不同的积分时间的长短进行组合的方法，扩展图像的动态范围。但该方法在只有在图像亮度达到特定条件才调整曝光时间，增加曝光次数，动态扩展范围较小，不适用于空间在轨不同区域光强差异显著的环境，且调整曝光时间次数不固定，导致不能达到稳定的帧频。论文“一种应用于高动态范围CMOS图像传感的曝光控制技术”提出了一种新的组合式滚筒曝光技术，这种技术将多次滚筒式曝光穿插进行，实现对目标图像的多次成像。但滚筒式曝光中由于各行的曝光开始时间存在一定延迟，在拍摄旋转地物体时图像会出现扭曲，因此该曝光方法一般应用于只在扫描方向存在运动的场合，比如扫描仪、医学成像等。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种面向图像宽动态范围扩展的在轨曝光控制方法，该方法可以自动产生曝光时间序列，完成多次曝光，配合后续的图像融合技术，将图像明暗部分的细节融合，使得图像能够获得大程度宽动态范围扩展。
本发明的技术方案是：一种面向图像宽动态范围扩展的在轨曝光控制方法，步骤如下：
(1)图像传感器开始工作；
(2)设置初始曝光时间Tauto；
(3)设定最大曝光时间为Tmax，最小曝光时间为Tmin，曝光乘积基数为n，根据初始曝光时间Tauto的数值，按照下表计算出十个曝光时间，；
(4)图像传感器对同一场景依次采用T1至T10十个曝光时间进行曝光，并在每次曝光结束后将每一幅图像输出。
所述曝光乘积基数为n的取值为2或3。
本发明与现有技术相比的优点在于：在轨应用环境下，环境中不同区域的光强差异显著，CMOS或CCD传感器的响应范围有限，利用同一光照强度下，图像传感器像素输出与曝光时间呈线性关系的特点，本专利提出了一种以幂级数为乘数的曝光时间序列。该序列能更好的适应在轨环境下光照强度差异大的特点，尽可能的扩大了图像的曝光时间范围，使得较强光照和较弱光照下的图像都能得到较好的响应，扩展了图像动态范围。同时利用更密集的短曝光时间，获取了更多强光照下的图像信息。该方法自动完成多次曝光，并将图像输出，配合后续的图像融合技术，将图像明暗部分的细节融合，使得图像能够获得大程度宽动态范围扩展。
附图说明
图1为图像传感器动态范围示意图；
图2为图像传感器像素输出与曝光时间、光照的关系图；
图3为本发明曝光控制流程图；
图4为本发明多级曝光图片，其中图4(1)为50ms曝光时间下图像，图4(2)为40ms曝光时间下图像，图4(3)为20ms曝光时间下图像，图4(4)为10ms曝光时间下图像，图4(5)为5ms曝光时间下图像，图4(6)为2.5ms曝光时间下图像，图4(7)为1.25ms曝光时间下图像，图4(8)为0.63ms曝光时间下图像，图4(9)为0.32ms曝光时间下图像，图4(10)为0.16ms曝光时间下图像。
具体实施方式
自然界中光强的变化范围很大，例如夏天正午时间直射阳光照射下的光强可以达到10000～1000000Lux。而在无月光的夜晚光强只有0.1～0.01Lux，在晴天时有日光灯照射的室内，光强大致在50～150Lux，强弱光强跨度高达十几个数量级。然而图像传感器，以CMOS图像传感器为例，其光电转换呈线性关系，其动态范围如图1所示，一幅图像采用相同的曝光时间，且每个像素的位宽固定，可以直接测量的光强变化是有限的。普通的CCD或CMOS图像传感器的动态范围仅为28～210。尤其在轨环境下，同一场景中光强亮的区域和光强暗的区域光强差别显著，由于图像传感器动态范围过小的缺陷，导致场景中许多信息无法被捕获。
图像传感器像素输出与曝光时间、光照的关系如图2所示。由图我们可知，强光照下，传感器采用较小的曝光时间，就可以得到较好的响应，当曝光时间逐渐增大，图像很快达到饱和。而弱光照下，传感器采用较小的曝光时间，得到的响应值较小，当曝光时间增大到一定量时，达到较理想的适于人眼识别的响应。
综上所述，提出了一种面向图像的在轨曝光控制方法，该方法可以自动产生曝光时间序列，不同以往的曝光时间序列采用等差数列，本方法采用等比数列，以适应在轨环境光强差别显著的特点，使强光照和弱光照下的图像都能得到较好的响应，完成多次曝光。
本方法的曝光控制流程图如图3所示，具体的实施步骤如下
1、图像传感器工作开始。
2、设置初始曝光时间Tauto。
3、根据初始曝光时间，按照下表计算出十个曝光时间。
4、判断曝光次数是否为10次，是则回到第2步，进行下一个多级曝光，否则进行第5步。
5、图像传感器对同一场景依次用T1至T10十个曝光时间进行曝光，并在每次曝光结束后将每一幅图像输出。输出后回到第4步。
设最大曝光时间为Tmax，最小曝光时间为Tmin，初始曝光时间为Tauto，曝光乘积基数为n(通常n＝2,3)，则多次曝光的曝光时间分配如下表，
表1 曝光时间分配表
以最大曝光时间为50ms，最小曝光时间为10us，自动曝光时间为40ms，曝光基数为2为例，则多次曝光的曝光时间分配如下表，
表2 曝光时间分配表举例
以上述曝光时间序列曝光后的图像如图4(1)～图4(10)所示，曝光时间从大到小，分别获取了图像从暗到明的不同光强下的图像细节，配合后续的图像融合技术，使得图像能够获宽动态范围扩展。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (2)

1.一种面向图像宽动态范围扩展的在轨曝光控制方法，其特征在于步骤如下：
(1)图像传感器开始工作；
(2)设置初始曝光时间Tauto；
(3)设定最大曝光时间为Tmax，最小曝光时间为Tmin，曝光乘积基数为n，根据初始曝光时间Tauto的数值，按照下表计算出十个曝光时间，；
(4)图像传感器对同一场景依次采用T1至T10十个曝光时间进行曝光，并在每次曝光结束后将每一幅图像输出。
2.根据权利要求1所述的一种面向图像宽动态范围扩展的在轨曝光控制方法，其特征在于：所述曝光乘积基数为n的取值为2或3。
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