CN108495055B - 获取用于高动态范围成像的多曝光图像的方法及系统 - Google Patents

获取用于高动态范围成像的多曝光图像的方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种获取用于动态范围成像的多曝光图像的方法及系统，属于光电传感器成像模式设计与应用技术领域，该方法包括以下步骤：获取成像积分级数；根据成像积分级数确定传感器开窗以及一个周期内的强曝光帧数和弱曝光帧数；按照先强曝光、后弱曝光的顺序，根据传感器开窗、强曝光帧数和弱曝光帧数进行成像，获得一个周期对应的图像序列；分别对图像序列中的强曝光图像序列和弱曝光图像序列以隔行交错的方式进行时间延迟积分，获得目标区域的多曝光图像。本发明通过开窗区域以固定步长交替强弱曝光，并在同一个曝光类型内以隔行交错方式进行时间延迟积分，实现具有高灵敏度、高信噪比的时间延迟积分类成像模式的同时具备同一区域多次曝光功能。

Description

获取用于高动态范围成像的多曝光图像的方法及系统
技术领域
本发明涉及光电传感器成像模式设计与应用技术领域，特别是涉及一种获取用于高动态范围成像的多曝光图像的方法及系统。
背景技术
数字域TDI技术是一种利用面阵CMOS作为成像系统探测器，基于时间延迟积分的思想通过对同一目标多次曝光实现提高系统灵敏度与信噪比的方法。目前该方法在航天遥感领域应用广泛，但针对需要进行高动态范围成像的场景则存在相应的限制。
为了获取用以高动态范围成像的同一区域不同曝光场景图像，现有的数字域TDI成像系统仅能采用传统CMOS面阵成像模式进行分时曝光的方案，这相当于牺牲了TDI方法带来的灵敏度与信噪比等指标的提升，因此，传统CMOS面阵成像模式进行分时曝光的方法无法在有效兼顾数字域TDI成像系统的高灵敏度与高信噪比的同时，获取用于合成高动态范围图像的多曝光图像序列，限制了数字域TDI成像系统成像能力的进一步提升。
发明内容
基于此，有必要针对传统CMOS面阵成像模式进行分时曝光的方法无法兼顾数字域TDI成像系统的高探测性能与多曝光图像获取的问题，提供一种获取用于高动态范围成像的多曝光图像的方法及系统，该方法及系统在有效兼顾高灵敏度与高信噪比的同时，可获取用于合成高动态范围图像的多曝光图像序列，有效兼顾了数字域TDI成像系统的高灵敏度、高信噪比与高动态范围，为数字域TDI成像系统成像能力的进一步提升提供保障。
为解决上述问题，本发明采取如下的技术方案：
一种获取用于高动态范围成像的多曝光图像的方法，该方法包括以下步骤：
获取成像积分级数；
根据所述成像积分级数确定传感器开窗以及一个周期内的强曝光帧数和弱曝光帧数，所述传感器开窗为所述成像积分级数的三倍，所述强曝光帧数与成像积分级数之差为1，且所述强曝光帧数与所述弱曝光帧数相等；
按照先强曝光、后弱曝光的顺序，根据所述传感器开窗、所述强曝光帧数和所述弱曝光帧数进行成像，获得一个所述周期对应的图像序列；
对所述图像序列中的强曝光图像序列以隔行交错的方式进行时间延迟积分，对所述图像序列中的弱曝光图像序列以隔行交错的方式进行时间延迟积分，获得目标区域的多曝光图像。
相应地，本发明还提出一种获取用于高动态范围成像的多曝光图像的系统，该系统包括：
获取模块，用于获取成像积分级数；
传感器开窗及曝光帧数确定模块，用于根据所述成像积分级数确定传感器开窗以及一个周期内的强曝光帧数和弱曝光帧数，所述传感器开窗为所述成像积分级数的三倍，所述强曝光帧数与成像积分级数之差为1，且所述强曝光帧数与所述弱曝光帧数相等；
成像模块，用于按照先强曝光、后弱曝光的顺序，根据所述传感器开窗、所述强曝光帧数和所述弱曝光帧数进行成像，获得一个所述周期对应的图像序列；
时间延迟积分模块，用于对所述图像序列中的强曝光图像序列以隔行交错的方式进行时间延迟积分，对所述图像序列中的弱曝光图像序列以隔行交错的方式进行时间延迟积分，获得目标区域的多曝光图像。
上述获取用于高动态范围成像的多曝光图像的方法及系统利用传感器作为探测器件，在数字域TDI过程中，通过开窗区域以固定步长交替强弱曝光，实现同一区域一组强弱曝光图像的获取，并且在同一个曝光类型内，以隔行交错方式进行时间延迟积分，实现具有高灵敏度、高信噪比的时间延迟积分类成像模式的同时具备同一区域多次曝光功能，使得利用数字域TDI方式成像的成像系统同时具备实现高动态范围成像的能力。
附图说明
图1为本发明获取用于高动态范围成像的多曝光图像的方法其中一个实施例的流程示意图；
图2为本发明获取用于高动态范围成像的多曝光图像的方法其中一个具体实施方式中的流程示意图；
图3为成像积分级数为2时本发明获取用于高动态范围成像的多曝光图像的方法的成像示意图。
具体实施方式
本发明的目的是提供一种获取用于高动态范围成像的多曝光图像的方法及系统，以实现具有高灵敏度、高信噪比的时间延迟积分类成像模式同时具备同一区域多次曝光功能。下面将结合附图及较佳实施例对本发明的技术方案进行详细描述。
在其中一个实施例中，如图1所示，一种获取用于高动态范围成像的多曝光图像的方法，该方法包括以下步骤：
S100获取成像积分级数；
S200根据成像积分级数确定传感器开窗以及一个周期内的强曝光帧数和弱曝光帧数；
S300按照先强曝光、后弱曝光的顺序，根据传感器开窗、强曝光帧数和弱曝光帧数进行成像，获得一个周期对应的图像序列；
S400对图像序列中的强曝光图像序列以隔行交错的方式进行时间延迟积分，对图像序列中的弱曝光图像序列以隔行交错的方式进行时间延迟积分，获得目标区域的多曝光图像。
具体地，在本实施例的步骤S100中，首先确定用于时间延迟积分成像所需的成像积分级数M。
在步骤S200中，根据步骤S100中获取的成像积分级数M确定传感器开窗S以及一个周期内的强曝光帧数N1和弱曝光帧数N2。优选地，传感器开窗为成像积分级数的三倍，即根据所需的成像积分级数M确定传感器开窗S的大小为：
S＝3·M
强曝光帧数与弱曝光帧数相等，并且强曝光帧数与成像积分级数之差为1，即根据所需的成像积分级数M确定一个周期内的强曝光帧数N1和弱曝光帧数N2为：
N1＝N2＝M+1
在步骤S300中，按照先强曝光、后弱曝光的顺序，根据传感器开窗、强曝光帧数和弱曝光帧数进行成像，获得一个周期对应的图像序列。在本步骤中，按照先强曝光N1次、弱曝光N2次的顺序为一个循环开始成像，获得一个周期对应的图像序列，假设当前采集循环强曝光图像的第一帧为Pi(m,n)，弱曝光图像的第一帧为Qi(m,n)，待成像的目标景物区域(或者目标区域)为O(m,n)，其中m为传感器像素所在行位置，n为传感器像素所在列位置，i为每个周期第1帧在实际的全部成像序列的位置。
在步骤S400中，对图像序列中的强曝光图像序列以隔行交错的方式进行时间延迟积分，对图像序列中的弱曝光图像序列以隔行交错的方式进行时间延迟积分，获得目标区域的多曝光图像。在步骤S300获取一个循环成像后得到的图像序列后，进入步骤S400的时间延迟积分过程，假设成像积分级数M代表的行数为偶数行，其相邻的行为奇数行，强曝光图像序列和弱曝光图像序列分别在组内按照如下隔行交错的方式进行时间延迟积分：
强曝光图像序列偶数行：
O(M+2d,k)＝Pi(M+2d,k)+Pi+1(M+2d-1,k)+...+Pi+M-1(2d+1,k)d＝0,1,...,M
强曝光图像序列奇数行：
O(M+2d+1,k)＝Pi+1(M+2d,k)+Pi+2(M+2d-1,k)+...+Pi+M(2d+1,k)d＝0,1,...,M
弱曝光图像序列偶数行：
O(M+2d+N1,k)＝Qi(M+2d,k)+Qi+1(M+2d-1,k)+...+Qi+M-1(2d+1,k)d＝0,1,...,M
弱曝光图像序列奇数行：
O(M+2d+N1+1,k)＝Qi+1(M+2d,k)+Qi+2(M+2d-1,k)+...+Qi+M(2d+1,k)d＝0,1,...,M
其中，k为传感器像素所在列位置。优选地，本实施例中的传感器为面阵CMOS传感器，以提高成像系统的高灵敏度与高信噪比。
对强曝光图像序列和弱曝光图像序列以隔行交错的方式进行时间延迟积分后，输出目标区域的多曝光图像。
本实施例所提出的获取用于高动态范围成像的多曝光图像的方法利用传感器作为探测器件，在数字域TDI过程中，通过开窗区域以固定步长交替强弱曝光，实现同一区域一组强弱曝光图像的获取，并且在同一个曝光类型内，以隔行交错方式进行时间延迟积分，实现具有高灵敏度、高信噪比的时间延迟积分类成像模式的同时具备同一区域多次曝光功能，使得利用数字域TDI方式成像的成像系统同时具备实现高动态范围成像的能力。
作为一种具体的实施方式，如图2所示，获取用于高动态范围成像的多曝光图像的方法还包括以下步骤：
S500判断是否接收到停止成像指令，若是，则输出目标区域的多曝光图像；若否，则执行步骤S300，即执行按照先强曝光、后弱曝光的顺序，根据传感器开窗、强曝光帧数和弱曝光帧数进行成像，获得一个周期对应的图像序列的步骤。其中，停止成像指令由地面控制中心发送。
下面结合实例对本发明所提出的获取用于高动态范围成像的多曝光图像的方法进行详细说明。本发明所提供的获取用于高动态范围成像的多曝光图像的方法，其系统设备包括：具备可编程能力的成像系统(如：CPLD，FPGA等)、图像模拟器或靶标、成像转台或导轨等。这里以FPGA成像系统、图像模拟器、成像转台搭建的成像平台为例，以成像积分级数M＝2，传感器开窗列数为2进行具体说明，同样适用于其他满足类TDI成像需求的成像系统。具体步骤如下：
步骤S1：获取成像积分级数M，此时成像积分级数M＝2，代表的行数为偶数行，其相邻的行为奇数行。
步骤S2：根据所需成像积分级数M＝2，确定一个周期内强曝光帧数N1和弱曝光帧数N2为：
N1＝N2＝M+1＝3
传感器开窗S的大小为：
S＝3·M＝6
步骤S3：按照先强曝光N1＝3次、弱曝光N2＝3次的顺序为一个循环开始成像，获得一个周期对应的图像序列，假设当前采集循环强曝光图像的第一帧为Pi(m,n)，弱曝光图像的第一帧为Qi(m,n)，待成像的目标景物区域(或者目标区域)为O(m,n)。
步骤S4：在步骤S3中获取一个循环成像后得到的图像序列后，进入时间延迟积分过程，假设成像积分级数M代表的行数为偶数行，其相邻的行为奇数行，强、弱曝光图像分别在组内按如下隔行交错方式进行积分：
强曝光图像序列偶数行：
O(2+2d,k)＝Pi(2+2d,k)+Pi+1(2+2d-1,k)d＝0,1,2k＝1,2
强曝光图像序列奇数行：
O(2+2d+1,k)＝Pi+1(2+2d,k)+Pi+2(2+2d-1,k)d＝0,1,2k＝1,2
弱曝光图像序列偶数行：
O(2+2d+3,k)＝Qi(2+2d,k)+Qi+1(2+2d-1,k)d＝0,1,2k＝1,2
弱曝光图像序列奇数行：
O(2+2d+3+1,k)＝Qi+1(2+2d,k)+Qi+2(2+2d-1,k)d＝0,1,2k＝1,2
如图3所示为成像积分级数M＝2时的成像示意图，假设目标区域为O，此时三次强曝光与三次弱曝光成像区域如图3所示，两个目标区域重合位置即为所求目标区域，以O(5,1)点举例进行说明，强曝光区域O(5,1)＝P2(4,1)+P3(3,1)，弱曝光区域O(5,1)＝Q1(2,1)+Q2(1,1)。根据图3可知，基于本发明的成像系统每次曝光后的图像并非全部输出，每类曝光的第一帧与最后一帧选择隔行输出模式，第一帧起始输出行为第M行(M为成像积分级数)，最后一帧起始输出行为第一行。本发明所提出的这种多行输出错位累加的模式是与常规TDI模式最大的区别，也是实现同一区域强弱曝光图像获取的关键。
步骤S5：判断是否接收到停止成像指令，若是，则进入步骤S6；若否，则进入步骤S3。
步骤S6：停止成像，输出目标区域积分图像，实现用于高动态范围成像的多曝光图像的数字域TDI方式获取。
在图像模拟器或靶标所在的目标区域与置于成像转台或导轨的成像系统之间存在相对运动时，利用本实施方式所提出的获取用于高动态范围成像的多曝光图像的方法的成像系统所采集的图像即为多曝光图像序列，通过实施本实施方式能够有效兼顾成像系统的高灵敏度、信噪比与高动态范围。
在另一个实施例中，本发明还提出了一种获取用于高动态范围成像的多曝光图像的系统，该系统包括：
获取模块，用于获取成像积分级数；
传感器开窗及曝光帧数确定模块，用于根据成像积分级数确定传感器开窗以及一个周期内的强曝光帧数和弱曝光帧数；
成像模块，用于按照先强曝光、后弱曝光的顺序，根据传感器开窗、强曝光帧数和弱曝光帧数进行成像，获得一个周期对应的图像序列；
时间延迟积分模块，用于对图像序列中的强曝光图像序列以隔行交错的方式进行时间延迟积分，对图像序列中的弱曝光图像序列以隔行交错的方式进行时间延迟积分，获得目标区域的多曝光图像。
具体地，在本实施例中，获取模块用于确定成像积分级数M，成像积分级数M用于时间延迟积分成像。
传感器开窗及曝光帧数确定模块根据获取模块获取的成像积分级数M确定传感器开窗S以及一个周期内的强曝光帧数N1和弱曝光帧数N2。优选地，传感器开窗为成像积分级数的三倍，即根据所需的成像积分级数M确定传感器开窗S的大小为：
S＝3·M
强曝光帧数与弱曝光帧数相等，并且强曝光帧数与成像积分级数之差为1，即根据所需的成像积分级数M确定一个周期内的强曝光帧数N1和弱曝光帧数N2为：
N1＝N2＝M+1
成像模块按照先强曝光、后弱曝光的顺序，根据传感器开窗、强曝光帧数和弱曝光帧数进行成像，获得一个周期对应的图像序列。在本实施例中，成像模块按照先强曝光N1次、弱曝光N2次的顺序为一个循环开始成像，获得一个周期对应的图像序列，假设当前采集循环强曝光图像的第一帧为Pi(m,n)，弱曝光图像的第一帧为Qi(m,n)，待成像的目标景物区域(或者目标区域)为O(m,n)。
时间延迟积分模块则对图像序列中的强曝光图像序列以隔行交错的方式进行时间延迟积分，对图像序列中的弱曝光图像序列以隔行交错的方式进行时间延迟积分，获得目标区域的多曝光图像。在成像模块获取一个循环成像后得到的图像序列后，进入时间延迟积分过程，假设成像积分级数M代表的行数为偶数行，其相邻的行为奇数行，时间延迟积分模块对强曝光图像序列和弱曝光图像序列分别在组内按照如下隔行交错的方式进行时间延迟积分：
强曝光图像序列偶数行：
O(M+2d,k)＝Pi(M+2d,k)+Pi+1(M+2d-1,k)+...+Pi+M-1(2d+1,k)d＝0,1,...,M
强曝光图像序列奇数行：
O(M+2d+1,k)＝Pi+1(M+2d,k)+Pi+2(M+2d-1,k)+...+Pi+M(2d+1,k)d＝0,1,...,M
弱曝光图像序列偶数行：
O(M+2d+N1,k)＝Qi(M+2d,k)+Qi+1(M+2d-1,k)+...+Qi+M-1(2d+1,k)d＝0,1,...,M
弱曝光图像序列奇数行：
O(M+2d+N1+1,k)＝Qi+1(M+2d,k)+Qi+2(M+2d-1,k)+...+Qi+M(2d+1,k)d＝0,1,...,M
其中，k为传感器像素所在列位置。优选地，本实施例中的传感器为面阵CMOS传感器，以提高成像系统的高灵敏度与高信噪比。
时间延迟积分模块对强曝光图像序列和弱曝光图像序列以隔行交错的方式进行时间延迟积分后，输出目标区域的多曝光图像。
本实施例所提出的获取用于高动态范围成像的多曝光图像的系统利用传感器作为探测器件，在数字域TDI过程中，通过开窗区域以固定步长交替强弱曝光，实现同一区域一组强弱曝光图像的获取，并且在同一个曝光类型内，以隔行交错方式进行时间延迟积分，实现具有高灵敏度、高信噪比的时间延迟积分类成像模式的同时具备同一区域多次曝光功能，使得利用数字域TDI方式成像的成像系统同时具备实现高动态范围成像的能力。
作为一种具体的实施方式，获取用于高动态范围成像的多曝光图像的系统还包括判断模块，该判断模块用于判断是否接收到停止成像指令，若是，则时间延迟积分模块输出目标区域的多曝光图像；若否，则成像模块重新按照先强曝光、后弱曝光的顺序，根据传感器开窗、强曝光帧数和弱曝光帧数进行成像，获得一个周期对应的图像序列。
下面结合实例对本实施方式进行具体说明。本实施方式所提供的获取用于高动态范围成像的多曝光图像的系统，其系统设备包括：具备可编程能力的成像系统(如：CPLD，FPGA等)、图像模拟器或靶标、成像转台或导轨等。这里以FPGA成像系统、图像模拟器、成像转台搭建的成像平台为例，以成像积分级数M＝2，传感器开窗列数为2进行具体说明，同样适用于其他满足类TDI成像需求的成像系统。具体过程如下：
获取模块获取成像积分级数M。
传感器开窗及曝光帧数确定模块根据所需成像积分级数M＝2，确定一个周期内强曝光帧数N1和弱曝光帧数N2为：
N1＝N2＝M+1＝3
传感器开窗S的大小为：
S＝3·M＝6
成像模块按照先强曝光N1＝3次、弱曝光N2＝3次的顺序为一个循环开始成像，获得一个周期对应的图像序列，假设当前采集循环强曝光图像的第一帧为Pi(m,n)，弱曝光图像的第一帧为Qi(m,n)，待成像的目标景物区域(或者目标区域)为O(m,n)。
在成像模块获取一个循环成像后得到的图像序列后，时间延迟积分模块进入时间延迟积分过程，假设成像积分级数M代表的行数为偶数行，其相邻的行为奇数行，对强、弱曝光图像分别在组内按如下隔行交错方式进行积分：
强曝光图像序列偶数行：
O(2+2d,k)＝Pi(2+2d,k)+Pi+1(2+2d-1,k)d＝0,1,2k＝1,2
强曝光图像序列奇数行：
O(2+2d+1,k)＝Pi+1(2+2d,k)+Pi+2(2+2d-1,k)d＝0,1,2k＝1,2
弱曝光图像序列偶数行：
O(2+2d+3,k)＝Qi(2+2d,k)+Qi+1(2+2d-1,k)d＝0,1,2k＝1,2
弱曝光图像序列奇数行：
O(2+2d+3+1,k)＝Qi+1(2+2d,k)+Qi+2(2+2d-1,k)d＝0,1,2k＝1,2
判断模块判断是否接收到停止成像指令，若是，则时间延迟积分模块输出所述多曝光图像；若否，则成像模块重新按照先强曝光、后弱曝光的顺序，根据所述传感器开窗、所述强曝光帧数和所述弱曝光帧数进行成像，获得一个所述周期对应的图像序列。
步骤S6：停止成像，输出目标区域积分图像，实现用于高动态范围成像的多曝光图像的数字域TDI方式获取。
在图像模拟器或靶标所在的目标区域与置于成像转台或导轨的成像系统之间存在相对运动时，利用本实施方式所提出的获取用于高动态范围成像的多曝光图像的方法的成像系统所采集的图像即为多曝光图像序列，通过实施本实施方式能够有效兼顾成像系统的高灵敏度、信噪比与高动态范围。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种获取用于高动态范围成像的多曝光图像的方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取成像积分级数；
根据所述成像积分级数确定传感器开窗以及一个周期内的强曝光帧数和弱曝光帧数，所述传感器开窗为所述成像积分级数的三倍，所述强曝光帧数与成像积分级数之差为1，且所述强曝光帧数与所述弱曝光帧数相等；
按照先强曝光、后弱曝光的顺序，根据所述传感器开窗、所述强曝光帧数和所述弱曝光帧数进行成像，获得一个所述周期对应的图像序列；
对所述图像序列中的强曝光图像序列以隔行交错的方式进行时间延迟积分，对所述图像序列中的弱曝光图像序列以隔行交错的方式进行时间延迟积分，获得目标区域的多曝光图像。
2.根据权利要求1所述的获取用于高动态范围成像的多曝光图像的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
判断是否接收到停止成像指令，若是，则输出所述多曝光图像；若否，则重新执行所述按照先强曝光、后弱曝光的顺序，根据所述传感器开窗、所述强曝光帧数和所述弱曝光帧数进行成像，获得一个所述周期对应的图像序列的步骤。
3.根据权利要求1或2所述的获取用于高动态范围成像的多曝光图像的方法，其特征在于，
所述传感器为面阵CMOS传感器。
4.一种获取用于高动态范围成像的多曝光图像的系统，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取成像积分级数；
传感器开窗及曝光帧数确定模块，用于根据所述成像积分级数确定传感器开窗以及一个周期内的强曝光帧数和弱曝光帧数，所述传感器开窗为所述成像积分级数的三倍，所述强曝光帧数与成像积分级数之差为1，且所述强曝光帧数与所述弱曝光帧数相等；
成像模块，用于按照先强曝光、后弱曝光的顺序，根据所述传感器开窗、所述强曝光帧数和所述弱曝光帧数进行成像，获得一个所述周期对应的图像序列；
时间延迟积分模块，用于对所述图像序列中的强曝光图像序列以隔行交错的方式进行时间延迟积分，对所述图像序列中的弱曝光图像序列以隔行交错的方式进行时间延迟积分，获得目标区域的多曝光图像。
5.根据权利要求4所述的获取用于高动态范围成像的多曝光图像的系统，其特征在于，还包括：
判断模块，用于判断是否接收到停止成像指令，若是，则所述时间延迟积分模块输出所述多曝光图像；若否，则成像模块重新按照先强曝光、后弱曝光的顺序，根据所述传感器开窗、所述强曝光帧数和所述弱曝光帧数进行成像，获得一个所述周期对应的图像序列。
6.根据权利要求4或5所述的获取用于高动态范围成像的多曝光图像的系统，其特征在于，
所述传感器为面阵CMOS传感器。
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