CN110855899A - 基于相关双采样的InGaAs短波红外相机高动态范围成像方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于红外成像技术领域，涉及一种短波红外相机高动态范围成像方法。一种基于相关双采样的InGaAs短波红外相机高动态范围成像方法，包括：设定InGaAs短波红外相机所采集原始数据和HDR数据的位数，确定HDR倍率hdr_mul_factor；确定HDR阈值hdr_th；确定相机的背景响应bg；设定积分时间T1和T2，根据积分时间和HDR阈值hdr_th，判断像元是否进入HDR模式；计算像元的响应，读取所有像元的响应，完成成像。本发明的方法基于InGaAs短波红外相机的相关双采样功能实现了短波红外波段的HDR成像，高效且便于实现，能够获得具有更高图像亮度和对比度范围的图像，更好地反映真实环境中的视觉效果。

Description

基于相关双采样的InGaAs短波红外相机高动态范围成像方法
技术领域
本发明属于红外成像技术领域，涉及一种短波红外相机高动态范围成像方法。
背景技术
近年来，InGaAs材料生长和焦平面制备技术发展迅速，带动了基于InGaAs材料的短波红外成像技术的进步。基于InGaAs材料的短波红外相机具有室温工作、探测率高、均匀性好等优点，现已广泛应用于军事、医疗、工业、农业等领域，广受青睐。基于InGaAs材料的短波红外成像已成为当下成像领域的研究热点，其与中长波相比，成像景物轮廓更为清晰，辨识度高；与可见光相比，受大气凝结水影响小，大气传输性好，具有良好的透烟雾霾能力，在夜间天光和大气辉光中大量存在，在晴朗夜间具有良好的夜视效果。在军事方面，短波红外成像仪可用于动态目标监视、跟踪，激光制导与激光雷达等领域；在工业方面，短波红外成像仪可用于塑料分拣、晶圆测试或者工业过程在线自动监控检测等领域；在民用方面，短波红外成像仪能勘探矿产资源、监测土壤和植被的含水量、监测大气成分变化或进行农作物的估产等领域。虽然短波红外在许多领域有着显著的优势，但其仍然有着很大的进步和发展空间。
高动态范围（HDR）成像，相比于普通成像，可以提供更高的动态范围和更丰富的图像细节，能有效地提高图像亮度和对比度的范围。这种成像方式根据多幅不同积分时间的低动态范围图像，利用每个曝光时间下对应的最佳细节来合成最终的HDR图像，能够更好地反映出真实环境中的视觉效果。
目前，HDR成像技术已经广泛运用在可见光领域，常见的HDR成像技术实现方式有多幅曝光融合和单幅长曝光多次采样，均能获得效果不错的HDR图像，已经趋于成熟。相对而言，短波红外领域里HDR成像技术还基本是一片空白，这方面的研究还没有开展起来。实际上，短波红外成像目前获取的灰度图像相比于可见光波段的彩色图像，HDR成像的实现应当更为简单，是能够获得大幅改善的灰度图像的。因此，本发明提出的针对短波红外特性的HDR成像方法对短波红外成像效果有十分显著的改善效果，是十分必要的。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出了一种基于相关双采样的InGaAs短波红外相机高动态范围成像方法。这种方法基于InGaAs短波红外相机的相关双采样功能实现了短波红外波段的HDR成像，高效且便于实现，能够获得具有更高图像亮度和对比度范围的图像，更好地反映真实环境中的视觉效果。
InGaAs短波红外相机的相关双采样功能，其作用是消除成像过程中的复位噪声以及抑制低频噪声和宽带白噪声。相关双采样是指在每个像素周期内间隔一定时间ΔT=T2-T1对每个像素的信号进行两次采样，即V1和V2，如图1所示。通常情况下，两者的差值即为视频信号的有效值。
HDR处理需要涉及以下参数：HDR阈值hdr_th，HDR倍率hdr_mul_factor，背景响应bg，双采样信号V1对应的数字值R1，以及双采样信号V2对应的数字值R2。
HDR的数据深度相对原始采集的数据深度深n位，即HDR数据最大值是原始数据最大值的2n倍，则HDR的倍率hdr_mul_factor的调整范围就是1×到2n×。（根据过曝景物的具体情况灵活调节HDR倍率hdr_mul_factor）。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种基于相关双采样的InGaAs短波红外相机高动态范围成像方法，包括：
设定InGaAs短波红外相机所采集原始数据和HDR数据的位数，确定HDR倍率hdr_mul_factor；
确定HDR阈值hdr_th；
确定相机的背景响应bg；
设定积分时间T1和T2，
根据积分时间和HDR阈值hdr_th，判断像元是否进入HDR模式；
计算像元的响应，读取所有像元的响应，完成成像。
作为本发明的进一步改进，所述HDR阈值hdr_th的确定方法为：将短波红外相机置于均匀可调光源前，测定每一元的饱和响应值，将所有像元中饱和响应值最低的那个像元的饱和响应值设为HDR阈值hdr_th。
作为本发明的进一步改进，所述的相机的背景响应bg是指相机在没有光照的情况下所有像元的响应值中最高的响应值。
作为本发明的进一步改进，积分时间T2设定为积分时间T1的hdr_mul_factor + 1倍。
作为本发明的进一步改进，像元进入HDR模式的判断方法为：根据积分时间T1和T2中较长的积分时间T2对应的响应数字值R2和HDR阈值hdr_th进行比较，若R2小于等于hdr_th，则像元正常成像，不进入HDR模式；若R2大于hdr_th，则像元进入HDR模式。
作为本发明的进一步改进，不进入HDR模式的像元响应值R = R2 - R1；进入HDR模式的像元响应值R = (R1 - bg) × hdr_mul_factor。
本发明的基于相关双采样的InGaAs短波红外相机高动态范围成像方法，使用InGaAs短波红外相机采集图像，接收景物反射的短波红外光并将其转换为电信号，获得原始图像数据，在主控芯片上进行片上HDR处理，直接获得短波红外波段的HDR图像。
本发明的基于相关双采样的InGaAs短波红外相机高动态范围成像方法，具有的有益效果为：
1.将HDR技术应用于短波红外成像领域，有效改善提升了某些场景下短波红外成像的效果。
2.HDR技术的实现是基于短波红外相机本身自带的相关双采样功能，实现起来简单便捷且能获得较好的效果。
3.灵活调整积分时间T1和T2以及HDR倍率hdr_mul_factor，不需要多幅曝光融合，可以高效地实现HDR成像。
4. 积分时间T1和T2以及HDR倍率hdr_mul_factor的可调性，让短波红外相机HDR成像针对不同场景均能获得较好的效果。
附图说明
图1为短波红外探测器所采用的双采样技术的示意图；
图2为本发明的流程图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
实施例如图2所示，本实施例的基于相关双采样的InGaAs短波红外相机高动态范围成像方法，所需仪器设备有作为均匀可调光源的短波红外积分球和InGaAs短波红外相机。短波红外积分球出射光谱为800nm – 2500nm的均匀光，能够涵盖900nm – 1700nm的InGaAs短波红外波段，且其功率可调。InGaAs短波红外相机响应波段900nm – 1700nm，分辨率640×512，原始数据位数14位。
要取得较好的HDR成像效果，则需保证一定大小的HDR倍率。本实施例将相机的HDR存储深度设为18位，与原始数据相差4位，则相机的HDR倍率范围为1×到16×。
接下来打开积分球，将相机镜头取下并置于积分球出光口处，逐步提高积分球出射光功率并连续采集相机原始数据。记录积分球功率变化下相机的所有原始数据，从原始数据中筛选出每一元的饱和响应值，求取这些饱和响应中的最小值，为14118，设为HDR阈值，用来进行下面相机是否进入HDR成像模式的判定。
将相机从积分球出光口处取下，安装上镜头并盖上镜头盖，采集相机在无光照条件下的响应。记录无光照条件下所有像元的响应，取这些响应的最大值设为相机的背景响应，这里为532。
首先，针对待拍摄的场景，HDR倍率设置为4×。设定相机的积分时间T1为100μs，T2为500μs，相机像元在这两个积分时间下的响应数据分别为R1和R2，此时R2均小于HDR阈值，则相机不存在过曝现象，此时相机进行正常成像，其响应值R = R2 - R1。设定相机的积分时间T1为300μs，T2为1500μs，相机像元在这两个积分时间下的响应数据分别为R1和R2，此时部分像元的响应值R2超出了HDR阈值，此时这部分像元进入HDR模式，其响应值R = (R1 - bg)× hdr_mul_factor，其它像元响应值仍为R = R2 - R1。即在过曝情况下，HDR成像也能获得很好的有层次的成像效果。读取所有像元的响应值，完成成像。

Claims (6)

1.一种基于相关双采样的InGaAs短波红外相机高动态范围成像方法，其特征在于，包括：
设定InGaAs短波红外相机所采集原始数据和HDR数据的位数，确定HDR倍率hdr_mul_factor；
确定HDR阈值hdr_th；
确定相机的背景响应bg；
设定积分时间T1和T2，
根据积分时间和HDR阈值hdr_th，判断像元是否进入HDR模式；
计算所有像元的响应值，读取计算得到的所有响应值，完成成像。
2.根据权利要求1所述的基于相关双采样的InGaAs短波红外相机高动态范围成像方法，其特征在于，所述HDR阈值hdr_th的确定方法为：将短波红外相机置于均匀可调光源前，测定每一元的饱和响应值，将所有像元中饱和响应值最低的那个像元的饱和响应值设为HDR阈值hdr_th。
3.根据权利要求2所述的基于相关双采样的InGaAs短波红外相机高动态范围成像方法，其特征在于，所述相机的背景响应bg是指相机在没有光照的情况下所有像元的响应值中最高的响应值。
4.根据权利要求3所述的基于相关双采样的InGaAs短波红外相机高动态范围成像方法，其特征在于，积分时间T2设定为积分时间T1的hdr_mul_factor + 1倍。
5.根据权利要求4所述的基于相关双采样的InGaAs短波红外相机高动态范围成像方法，其特征在于，像元是否进入HDR成像模式的判断方法为：根据积分时间T1和T2中较长的积分时间T2对应的响应数字值R2和HDR阈值hdr_th进行比较，若R2小于等于hdr_th，则像元正常成像，不进入HDR模式；若R2大于hdr_th，则像元进入HDR模式。
6.根据权利要求5所述的基于相关双采样的InGaAs短波红外相机高动态范围成像方法，其特征在于，不进入HDR模式的像元响应值R = R2 - R1；进入HDR模式的像元响应值R =(R1 - bg) × hdr_mul_factor。
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