CN110636227A - 高动态范围hdr图像合成方法及集成该方法的高速相机 - Google Patents
高动态范围hdr图像合成方法及集成该方法的高速相机 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于高速相机高动态范围HDR图像合成方法，利用HDR技术合成高动态范围图像，集成于一台相机中。本发明公开了一种基于高速相机高动态范围HDR图像合成方法，在同一场景下清晰拍摄超低亮度和超高亮度的物体，对同一场景拍摄曝光时间不同的图像帧，经过HDR图像合成算法合成HDR图像，避免了多台相机拍摄后期处理中配准误差的问题，不同曝光量的图片配准精度更高，能够精准反映和还原更多的细节，使得成像质量更高，同时避免多台相机拍摄因角度和位置不同引起的细节偏差，可以满足在同一场景下清晰拍到超低亮度和超高亮度的物体的要求。
Description
技术领域
本发明涉及数字成像领域，特别是涉及一种高动态范围HDR图像合成方法及集成该方法的高速相机。
背景技术
数字成像设备的成像分辨率和动态范围是衡量成像设备成像质量的两项主要指标，数字成像设备的成像分辨率在近几十年得到了飞速发展，但动态范围的提升一直很小，以至于在逆光或光线变化较大的场景应用中，成像细节难以捕获。
当前的数字成像设备单次曝光成像的动态范围远低于人类视觉的可视动态范围(包括专业级单反相机，专业监控设备，个人手持终端等)。由于其单次曝光可获得图像的动态范围有限，被称为低动态范围成像设备。
目前，普遍采用多台相机对同一场景进行多次曝光，得到几幅曝光参数不同的图像，经过HDR图像合成算法，融合得到一幅图像。具体来说，就是使用短曝光获取较亮的景物，使用长曝光获取较暗的景物，多幅组合以弥补单纯的短曝光造成的暗处细节缺失，和单纯的长曝光造成的亮处细节缺失。这种方法获取的图像拥有可以媲美人眼的动态范围。
但是，采用多台相机拍摄进行合成的过程中，由于多台相机拍摄角度、拍摄位置、场景照度和成像特性存在差异，在利用HDR图像合成算法的时候，会造成合成图像不清晰，加大了HDR图像合成的难度。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于高速相机高动态范围HDR图像合成方法，及基于高动态范围HDR图像合成方法的高速相机，采集不同曝光量的图片，用于HDR合成，配准精度更高。
基于高速相机高动态范围HDR图像合成方法，包括：
(11)设置相机参数：设置高速相机光圈大小、设置相机采集周期，周期内待选图像帧数、周期内待选图像的曝光时间和增益放大倍数；
(12)采集图片：基于步骤(11)设置的高速相机光圈大小、设置相机曝光时间和增益放大倍数，采集不同曝光量图片；
(13)图片质量评价：对步骤(12)采集的不同曝光量图片，基于同一场景不同亮度的四张已采集照片进行质量评价；
(14)判断是否符合合成图片要求：判断是否符合合成图片要求，若基于当前设置相机采集周期，周期内待选图像帧数、周期内待选图像的曝光时间和增益放大倍数，获取的同一场景不同亮度的图片，符合合成要求，固化当前参数，且以当前设置参数继续采集待合成图片；
若基于当前设置相机采集周期，周期内待选图像帧数、周期内待选图像的曝光时间和增益放大倍数，获取的同一场景不同亮度的图片，不符合合成要求，调整高速相机光圈大小、相机曝光时间和增益放大倍数，返回步骤(11)，循环采集；
(15)高动态范围图像融合合成：获取符合合成要求采集的待合成图片，基于同一场景不同亮度采集的待合成的四张图片，基于每帧图像曝光时间和同一场景不同亮度采集的待合成的图片张数，通过HDR算法合成一张高动态图像；设置采集帧率为100帧/秒，重复高动态范围图像融合合成，循环得到每秒25帧高动态范围视频流。
通过对同一场景使用不同的曝光量拍摄多幅图像，高曝光图像采集场景中暗的部分，低曝光图像采集场景中亮的部分，再通过HDR算法就这一系列图像中大致恢复出真实场景的动态范围。
本发明将上述高动态范围HDR图像合成方法集成于一台高速相机中，通过自适应设置高速相机光圈大小、设置相机采集周期，周期内待选图像帧数、周期内待选图像的曝光时间和增益放大倍数选择当前最优参数，且以该最优参数采集图像，再通过HDR算法，对于同一场景点，根据曝光量和采集的不同曝光量的待选图像的可分辨区域合成一张高动态图像，循环得到每秒25帧高动态范围视频流，实现目标区域的高质量成像，以解决在同一场景下清晰拍到超低亮度和超高亮度的物体图像的问题。
作为上述方案的进一步优化，周期内待选图像帧数n至少为三张。周期内待选图像帧数n,周期内待选图像A1,A2,….,An，对应的曝光时间(单位：us微秒)为M1,M2,….,Mn，周期内待选图像的曝光时间的增益放大倍数,Mn/Mn-1(n＝1,2,3,…,n)呈几何级数逐渐增大。拍摄一幅图像A1，其中等亮度的细节能很好的分辨，而明亮部分曝光过度呈现全白，阴暗部分曝光不足无法分辨，适当增加和减小曝光量再各自拍一幅图像A2、A3….An,对于A2、A1中曝光不足的部分得到明显的改善。
作为上述方案的进一步优化，所述相机采集周期为10000微秒，周期内待选图像帧数为四张，第一帧图像曝光时间为500微秒，第二帧图像曝光时间为1000微秒，第三帧图像曝光时间为2000微秒，第四帧图像曝光时间设置为10000微秒。
作为上述方案的进一步优化，基于高速相机高动态范围HDR图像合成方法集成于一台ISP504彩色相机中。使用一台相机对同一场景进行HDR拍摄，相比于多台相机拍摄，相机固定后，能够避免后期处理中配准误差的问题，不同曝光量的图片配准精度更高，能够精准反映和还原更多的细节，使得成像质量更高，还原度也更好。
作为上述方案的进一步优化，所述周期内待选图像的像素点的亮度与曝光量和该点的场景辐射强度呈线性关系，对于同一场景点根据曝光量和采集的不同曝光量的待选图像的可分辨区域，进行线性运算恢复整个场景细节。
作为上述方案的进一步优化，相机参数初始化于相机中，所述相机参数根据不同时间点初始化不同模式；且根据当前获取的光照和天气情况，自动匹配相机参数初始化于开机相机中。
相机默认初始化参数，提供参数更改通道，便于使用者在该初始化参数的基础上，根据环境需求自行调整设置高速相机光圈大小、设置相机采集周期，周期内待选图像帧数、周期内待选图像的曝光时间和增益放大倍数，可以适应不同的拍摄环境。
作为上述方案的进一步优化，所述判断是否符合合成图片要求根据同一场景点当前采集的四张待选图像采集的清晰图像数据元素是否覆盖当前场景细节的95％。
作为上述方案的进一步优化，本发明还公开了一种高动态范围HDR图像合成的高速相机，包括图像传感器，还包括：
多参数控制模块，用于设置高速相机光圈大小、设置相机采集周期，周期内待选图像帧数、周期内待选图像的曝光时间和增益放大倍数；
高速存储模块，用于存储采集的图像；
图像质量评价模块，用于评价基于当前设置相机采集周期，周期内待选图像帧数、周期内待选图像的曝光时间和增益放大倍数，获取的同一场景不同亮度的图片是否符合合成要求；
图像融合合成模块，基于每帧图像曝光时间和同一场景不同亮度采集的待合成的图片张数，通过HDR算法合成一张高动态图像，重复高动态范围图像融合合成，循环得到每秒25帧高动态范围视频流；
图像输出模块，输出每秒25帧高动态范围视频流。
作为上述方案的进一步优化，一种存储指令的计算机可读存储介质，当所述指令被执行时使得具有一个或多个处理器的计算系统执行以下操作，所述操作包括：
获取相机参数：获取设置高速相机光圈大小、设置相机采集周期，周期内待选图像帧数、周期内待选图像的曝光时间和增益放大倍数；
采集图片：基于高速相机光圈大小、设置相机曝光时间和增益放大倍数，采集不同曝光量图片；
图片质量评价：对采集的不同曝光量图片，基于同一场景不同亮度的四张已采集照片进行质量评价；
判断是否符合合成图片要求：判断是否符合合成图片要求，若基于当前设置相机采集周期，周期内待选图像帧数、周期内待选图像的曝光时间和增益放大倍数，获取的同一场景不同亮度的图片，符合合成要求，固化当前参数，且以当前设置参数继续采集待合成图片；
若基于当前设置相机采集周期，周期内待选图像帧数、周期内待选图像的曝光时间和增益放大倍数，获取的同一场景不同亮度的图片，不符合合成要求，调整高速相机光圈大小、相机曝光时间和增益放大倍数，返回步骤(11)，循环采集；
高动态范围图像融合合成：获取符合合成要求采集的待合成图片，基于同一场景不同亮度采集的待合成的四张图片，基于每帧图像曝光时间和同一场景不同亮度采集的待合成的图片张数，通过HDR算法合成一张高动态图像；重复高动态范围图像融合合成，循环得到每秒25帧高动态范围视频流。
本发明一种基于高速相机高动态范围HDR图像合成方法及基于该方法的相机，具备如下有益效果：一种基于高速相机高动态范围HDR图像合成方法集成于一个高速相机中，使用单一相机在同一场景下清晰拍摄超低亮度和超高亮度的物体，结合后端的图像融合处理算法可以实现目标区域的高质量成像，同时避免多台相机拍摄因角度和位置不同引起的细节偏差，可以解决在同一场景下清晰拍到超低亮度和超高亮度的物体。
附图说明
图1为本发明的高动态成像高速相机的结构框图；
图2为本发明的高动态范围HDR图像合成方法的流程图；
图3为本发明的待选合成图像集的示意图；
图4-1，图4-2，图4-3，图4-4为采用本发明优选实施例的采集待合同图像；
图5为应用本发明的高动态范围HDR图像合成方法合成图像。
实施方式
为使发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过实施例，对本发明技术方案进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明技术方案，并不用于限制本发明技术方案的范围。
基于高速相机高动态范围HDR图像合成方法，包括：
(11)设置相机参数：设置高速相机光圈大小、设置相机采集周期，周期内待选图像帧数、周期内待选图像的曝光时间和增益放大倍数；
(12)采集图片：基于步骤(11)设置的高速相机光圈大小、设置相机曝光时间和增益放大倍数，采集不同曝光量图片；
(13)图片质量评价：对步骤(12)采集的不同曝光量图片，基于同一场景不同亮度的四张已采集照片进行质量评价；
(14)判断是否符合合成图片要求：判断是否符合合成图片要求，若基于当前设置相机采集周期，周期内待选图像帧数、周期内待选图像的曝光时间和增益放大倍数，获取的同一场景不同亮度的图片，符合合成要求，固化当前参数，且以当前设置参数继续采集待合成图片；
若基于当前设置相机采集周期，周期内待选图像帧数、周期内待选图像的曝光时间和增益放大倍数，获取的同一场景不同亮度的图片，不符合合成要求，调整高速相机光圈大小、相机曝光时间和增益放大倍数，返回步骤(11)，循环采集；
(15)高动态范围图像融合合成：获取符合合成要求采集的待合成图片，基于同一场景不同亮度采集的待合成的四张图片，基于每帧图像曝光时间和同一场景不同亮度采集的待合成的图片张数，通过HDR算法合成一张高动态图像；重复高动态范围图像融合合成，循环得到每秒25帧高动态范围视频流。
通过对同一场景使用不同的曝光量拍摄多幅图像，高曝光图像采集场景中暗的部分，低曝光图像采集场景中亮的部分，再通过HDR算法就这一系列图像中大致恢复出真实场景的动态范围。
本发明的将上述高动态范围HDR图像合成方法集成于一台高速相机中，通过自适应设置高速相机光圈大小、设置相机采集周期，周期内待选图像帧数、周期内待选图像的曝光时间和增益放大倍数选择当前最优参数，且以该最优参数采集图像，再通过HDR算法，对于同一场景点根据曝光量和采集的不同曝光量的待选图像的可分辨区域合成一张高动态图像，循环得到每秒25帧高动态范围视频流，实现目标区域的高质量成像，以解决在同一场景下清晰拍到超低亮度和超高亮度的物体图像的问题。
作为上述方案的进一步优化，周期内待选图像帧数n至少为三张。周期内待选图像帧数n,周期内待选图像A1,A2,….,An，对应的曝光时间(单位：us微秒)为M1,M2,….,Mn，周期内待选图像的曝光时间的增益放大倍数,Mn/Mn-1(n＝1,2,3,…,n)呈几何级数逐渐增大。拍摄一幅图像A1，其中等亮度的细节能很好的分辨，而明亮部分曝光过度呈现全白，阴暗部分曝光不足无法分辨，适当增加和减小曝光量再各自拍一幅图像A2、A3….An,对于A2、A1中曝光不足的部分得到明显的改善。
作为上述方案的进一步优化，基于高速相机高动态范围HDR图像合成方法集成于一台ISP504彩色相机中。使用一台相机对同一场景进行HDR拍摄，相比于多台相机拍摄，相机固定后，能够避免后期处理中配准误差的问题，不同曝光量的图片配准精度更高，能够精准反映和还原更多的细节，使得成像质量更高，还原度也更好。
作为上述方案的进一步优化，所述周期内待选图像的像素点的亮度与曝光量和该点的场景辐射强度呈线性关系，对于同一场景点根据曝光量和采集的不同曝光量的待选图像的可分辨区域，进行线性运算恢复整个场景细节。
作为上述方案的进一步优化，相机参数初始化于相机中，所述相机参数根据不同时间点初始化不同模式；且根据当前获取的光照和天气情况，自动匹配相机参数初始化于开机相机中。
相机默认初始化参数，提供参数更改通道，便于使用者在该初始化参数的基础上，根据环境需求自行调整设置高速相机光圈大小、设置相机采集周期，周期内待选图像帧数、周期内待选图像的曝光时间和增益放大倍数，可以适应不同的拍摄环境。
作为上述方案的进一步优化，所述判断是否符合合成图片要求根据同一场景点当前采集的四张待选图像采集的清晰图像数据元素是否覆盖当前场景细节的95％。
作为上述方案的进一步优化，本发明还公开了一种高动态范围HDR图像合成的高速相机，包括图像传感器，还包括：
多参数控制模块，用于设置高速相机光圈大小、设置相机采集周期，周期内待选图像帧数、周期内待选图像的曝光时间和增益放大倍数；
高速存储模块，用于存储采集的图像；
图像质量评价模块，用于评价基于当前设置相机采集周期，周期内待选图像帧数、周期内待选图像的曝光时间和增益放大倍数，获取的同一场景不同亮度的图片是否符合合成要求；
图像融合合成模块，基于每帧图像曝光时间和同一场景不同亮度采集的待合成的图片张数，通过HDR算法合成一张高动态图像，重复高动态范围图像融合合成，循环得到每秒25帧高动态范围视频流；
图像输出模块，输出每秒25帧高动态范围视频流。
作为上述方案的进一步优化，一种存储指令的计算机可读存储介质，当所述指令被执行时使得具有一个或多个处理器的计算系统执行以下操作，所述操作包括：
获取相机参数：获取设置高速相机光圈大小、设置相机采集周期，周期内待选图像帧数、周期内待选图像的曝光时间和增益放大倍数；
采集图片：基于高速相机光圈大小、设置相机曝光时间和增益放大倍数，采集不同曝光量图片；
图片质量评价：对采集的不同曝光量图片，基于同一场景不同亮度的四张已采集照片进行质量评价；
判断是否符合合成图片要求：判断是否符合合成图片要求，若基于当前设置相机采集周期，周期内待选图像帧数、周期内待选图像的曝光时间和增益放大倍数，获取的同一场景不同亮度的图片，符合合成要求，固化当前参数，且以当前设置参数继续采集待合成图片；
若基于当前设置相机采集周期，周期内待选图像帧数、周期内待选图像的曝光时间和增益放大倍数，获取的同一场景不同亮度的图片，不符合合成要求，调整高速相机光圈大小、相机曝光时间和增益放大倍数，返回步骤(11)，循环采集；
高动态范围图像融合合成：获取符合合成要求采集的待合成图片，基于同一场景不同亮度采集的待合成的四张图片，基于每帧图像曝光时间和同一场景不同亮度采集的待合成的图片张数，通过HDR算法合成一张高动态图像；重复高动态范围图像融合合成，循环得到每秒25帧高动态范围视频流。
本发明给出了优选实施例：将上述高动态范围HDR图像合成方法集成于富煌君达高科信息技术有限公司自主生产研发的ISP504彩色相机中，该相机成像质量高，采用千兆以太网端口，分辨率为2320×1720pixels，高动态模式下动态范围为90dB，像元尺寸为7um×7um。
自定义设置每帧图像曝光时间：相机采集周期为10000微秒，周期内待选图像帧数为四张，每四帧图像合成一张高动态图片；第一帧图像曝光时间为500微秒，第二帧图像曝光时间为1000微秒，第三帧图像曝光时间为2000微秒，第四帧图像曝光时间设置为10000微秒。采集到同一场景亮度不同的四张图像，参见图4-1，图4-2，图4-3，图4-4为采用本发明优选实施例的采集待合同图像。图4-1和图4-2，拍到超低亮度的图像，图中，窗外的树清晰，但室内的桌、椅子、墙角线以及桌面的摆设不清晰；图4-3为中度亮度采集的图像，窗外的景色部分过曝，但是室内的桌、椅子、墙角线以及桌面的摆设清晰随着光线的亮度清晰层次不同；图4-4为超高亮度采集的图像，窗外的景色过曝，但是室内的桌、椅子、墙角线以及桌面的摆设清晰。
结合本发明给出的高动态范围图像融合合成，将四张图像通过HDR算法合成一张高动态图像；以此循环每秒共得到25帧高动态范围图像，此时基于高速相机高动态范围HDR技术得到25帧/秒高动态范围视频流。图5为应用本发明的高动态范围HDR图像合成方法合成图像。图5中清晰的展示了，窗外的景色和室内的桌、椅子、墙角线桌面的摆设。
Claims (10)
1.基于高速相机高动态范围HDR图像合成方法，其特征在于：包括：
(11)设置相机参数：设置高速相机光圈大小、设置相机采集周期，周期内待选图像帧数、周期内待选图像的曝光时间和增益放大倍数；
(12)采集图片：基于步骤(11)设置的高速相机光圈大小、设置相机曝光时间和增益放大倍数，采集不同曝光量图片；
(13)图片质量评价：对步骤(12)采集的不同曝光量图片，基于同一场景不同亮度的四张已采集照片进行质量评价；
(14)判断是否符合合成图片要求：判断是否符合合成图片要求，若基于当前设置相机采集周期，周期内待选图像帧数、周期内待选图像的曝光时间和增益放大倍数，获取的同一场景不同亮度的图片，符合合成要求，固化当前参数，且以当前设置参数继续采集待合成图片；
若基于当前设置相机采集周期，周期内待选图像帧数、周期内待选图像的曝光时间和增益放大倍数，获取的同一场景不同亮度的图片，不符合合成要求，调整高速相机光圈大小、相机曝光时间和增益放大倍数，返回步骤(11)，循环采集；
(15)高动态范围图像融合合成：获取符合合成要求采集的待合成图片，基于同一场景不同亮度采集的待合成的四张图片，基于每帧图像曝光时间和同一场景不同亮度采集的待合成的图片张数，通过HDR算法合成一张高动态图像；设置采集帧率为100帧/秒，重复高动态范围图像融合合成，循环得到每秒25帧高动态范围视频流。
2.根据权利要求1所述的基于高速相机高动态范围HDR图像合成方法，其特征在于：周期内待选图像帧数n至少为三张。
3.根据权利要求1所述的基于高速相机高动态范围HDR图像合成方法，其特征在于：周期内待选图像帧数n,周期内待选图像1,2,….,n，对应的曝光时间(单位：us微秒)为M1,M2,….,Mn，周期内待选图像的曝光时间的增益放大倍数,Mn/Mn-1(n＝1,2,3,…,n)呈几何级数逐渐增大。
4.根据权利要求1所述的基于高速相机高动态范围HDR图像合成方法，其特征在于：所述相机采集周期为10000微秒，周期内待选图像帧数为四张，第一帧图像曝光时间为500微秒，第二帧图像曝光时间为1000微秒，第三帧图像曝光时间为2000微秒，第四帧图像曝光时间设置为10000微秒。
5.根据权利要求1所述的基于高速相机高动态范围HDR图像合成方法，其特征在于：所述基于高速相机高动态范围HDR图像合成方法集成于一台ISP504彩色相机中。
6.根据权利要求1所述的基于高速相机高动态范围HDR图像合成方法，其特征在于：所述周期内待选图像的像素点的亮度与曝光量和该点的场景辐射强度呈线性关系，对于同一场景点根据曝光量和采集的不同曝光量的待选图像的可分辨区域，进行线性运算恢复整个场景细节。
7.根据权利要求1所述的基于高速相机高动态范围HDR图像合成方法，其特征在于：所述相机参数初始化于相机中，所述相机参数根据不同时间点初始化不同模式；且根据当前获取的光照和天气情况，自动匹配相机参数初始化于开机相机中。
8.根据权利要求1所述的基于高速相机高动态范围HDR图像合成方法，其特征在于：所述判断是否符合合成图片要求根据同一场景点当前采集的四张待选图像采集的清晰图像数据元素是否覆盖当前场景细节的95％。
9.基于权利要求1-8任一所述的高动态范围HDR图像合成的高速相机，包括图像传感器，其特征在于，还包括：
多参数控制模块，用于设置高速相机光圈大小、设置相机采集周期，周期内待选图像帧数、周期内待选图像的曝光时间和增益放大倍数；
高速存储模块，用于存储采集的图像；
图像质量评价模块，用于评价基于当前设置相机采集周期，周期内待选图像帧数、周期内待选图像的曝光时间和增益放大倍数，获取的同一场景不同亮度的图片是否符合合成要求；
图像融合合成模块，基于每帧图像曝光时间和同一场景不同亮度采集的待合成的图片张数，通过HDR算法合成一张高动态图像，重复高动态范围图像融合合成，循环得到每秒25帧高动态范围视频流；
图像输出模块，输出每秒25帧高动态范围视频流。
10.一种存储指令的计算机可读存储介质，当所述指令被执行时使得具有一个或多个处理器的计算系统执行以下操作，所述操作包括：
获取相机参数：获取设置高速相机光圈大小、设置相机采集周期，周期内待选图像帧数、周期内待选图像的曝光时间和增益放大倍数；
采集图片：基于高速相机光圈大小、设置相机曝光时间和增益放大倍数，采集不同曝光量图片；
图片质量评价：对采集的不同曝光量图片，基于同一场景不同亮度的四张已采集照片进行质量评价；
判断是否符合合成图片要求：判断是否符合合成图片要求，若基于当前设置相机采集周期，周期内待选图像帧数、周期内待选图像的曝光时间和增益放大倍数，获取的同一场景不同亮度的图片，符合合成要求，固化当前参数，且以当前设置参数继续采集待合成图片；
若基于当前设置相机采集周期，周期内待选图像帧数、周期内待选图像的曝光时间和增益放大倍数，获取的同一场景不同亮度的图片，不符合合成要求，调整高速相机光圈大小、相机曝光时间和增益放大倍数，返回步骤(11)，循环采集；
高动态范围图像融合合成：获取符合合成要求采集的待合成图片，基于同一场景不同亮度采集的待合成的四张图片，基于每帧图像曝光时间和同一场景不同亮度采集的待合成的图片张数，通过HDR算法合成一张高动态图像；设置采集帧率为100帧/秒，重复高动态范围图像融合合成，循环得到每秒25帧高动态范围视频流。
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