CN115209061A - 一种基于dmd的实时高动态成像方法及系统 - Google Patents

一种基于dmd的实时高动态成像方法及系统 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种基于DMD的实时高动态成像方法和系统。所述方法包括：接收通过成像镜头入射的光束，通过时序控制算法对数字微镜器件中微镜组的偏转维持时间进行控制，得到不同亮度的多个光束；将多个光束通过调制光路进行传输，并在相机焦面上进行成像，合成高动态图像。采用本方法能够减少了微镜反射光线对成像的干扰，并延长了数字微镜器件的使用寿命。

Description

一种基于DMD的实时高动态成像方法及系统
技术领域
本申请涉及高动态成像技术领域，特别是涉及一种基于DMD的实时高动态成像及系统。
背景技术
基于局域光强调制的高动态成像方法，主要解决运动目标高动态成像模糊问题。其基本原理是将相机探测器上相邻的2×2像素划分成一组，在同一帧图像中，这4个像素分别获得对同一场景不同灰度的图像，然后通过场景重建和色调映射将4个像素合成为1个高动态像素。上述中不同像元产生不同的灰度值的方法主要有如下两种：一种是在探测器每个像元表面设置不同衰减率的衰减片（2000年由Nayer提出），在相机一次曝光的图片中产生不同灰度图像，称为空间变换曝光（SVE）方法；另外一种将目前拜尔模式分布的探测器像元进一步划分，1个像元分为2×2像元，处于对角线方向的两队像元分别利用电子快门控制不同的曝光时间，探测器一次曝光可产生高曝光和低曝光的两幅图像，利用一定的规则将两幅图像融合为一幅高动态图像，例如目前主流CMOS生产厂商使用的Quad-Bayer高动态成像方法。
上述两种方法具有各自的优缺点。基于像元衰减的方法可以在原探测器上改动，不需要额外设计读取电路，缺点是制作工艺复杂，往往不是在探测器生产阶段生成衰减片，需要对成品探测器加工改动，拆解探测器封装以及光刻窗口与原像元匹配等难度较大，加工精度要求高，像素衰减片均匀性也难以保证，因此不是主流的局域光控制方法。而Quad-Bayer高动态成像方法是目前主流CMOS探测器支持的技术，应用广泛，高动态成像效果较好，缺点是Quad-Bayer模式减小了像元尺寸，使得像元满阱容量降低，暗电流噪声升高，图像噪声相比于Bayer模式有明显的增大，而且Quad-Bayer模式只有高低两个曝光等级，动态范围提升有限，难以应对高动态范围场景。
上述两种方法均在探测器端提升动态范围，与之不同的是，基于DMD（DigtialMicromirror Devices，数字微镜器件）的高动态成像系统在光线传输路径中提升不同区域的光线对比度。与传统DMD负反馈调节局域曝光方法不同，本文提出的方法，将DMD划分为2×2的单元，每个单元采用固定的偏转时间来确定反射比，产生4种不同曝光的像素灰度，然后将采集的图像实时融合为高动态图像。传统的DMD负反馈调节方式首先获得场景的高动态图像，然后根据此高动态图像设置下一帧图像的调节参数，图像高亮区域提取和DMD控制信号传输耗时较长，导致DMD对动态场景反馈调节时间滞后，导致运动产生伪影。本文提出的方法则能克服运动目标成像伪影问题，系统中无图像区域提取环节，DMD采用固定的反射模式，不需要反馈回路，避免反馈时延问题。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够基于DMD的实时高动态成像方法及系统。
一种基于DMD的实时高动态成像方法，所述方法包括：
接收通过成像镜头入射的光束，通过时序控制算法对数字微镜器件中微镜组的偏转维持时间进行控制，得到不同亮度的多个光束；
将所述多个光束通过调制光路进行传输，并在相机焦面上进行成像，合成高动态图像；
其中，所述时序控制算法为：
将所述数字微镜器件中的微镜划分为多个微镜组；所述微镜组反射的光束通过所述调制光路与相机进行匹配；
在一幅图像的曝光时间内设置微镜组中每个微镜保持偏转状态的偏转维持时间，控制每个微镜对光束的反射强度。
在其中一个实施例中，所述微镜组中包括：四个微镜；还包括：在一幅图像的曝光时间内设置微镜组中每个微镜保持偏转状态不同的偏转维持时间；其中所述偏转状态的时间越长，被反射利用的光束亮度越大。
在其中一个实施例中，还包括：所述调制光路由反射镜与凸透镜组成，用于将多个光束进行光路匹配以及将多个光束聚焦在相机对应的像元上。
在其中一个实施例中，还包括：根据多个光束聚焦在相机对应的像元的灰度分布，计算相机的响应函数和通道间的分光比；根据所述响应函数和所述分光比，计算得到图像的真实亮度分布；通过色调映射将所述真实亮度分布转化为高动态图像。
一种基于DMD的实时高动态成像系统，所述系统包括：
数字微镜器件、调制光路、相机以及计算机；
所述数字微镜器件接收通过成像镜头入射的光束，通过时序控制算法对数字微镜器件中微镜组的偏转维持时间进行控制，得到不同亮度的多个光束；其中，所述时序控制算法为：将所述数字微镜器件中的微镜划分为多个微镜组；在一幅图像的曝光时间内设置微镜组中每个微镜保持偏转状态的偏转维持时间，控制每个微镜对光束的反射强度；
所述调制光路接收多个光束，通过光路调制将所述多个光束与相机进行匹配，并传输至相机的焦面上进行成像；
所述计算机采集相机焦面上的成像，合成高动态图像。
在其中一个实施例中，所述微镜组中包括：四个微镜；在一幅图像的曝光时间内计算机控制微镜组中每个微镜保持偏转状态不同的偏转维持时间；其中所述偏转状态的时间越长，被反射利用的光束亮度越大。
在其中一个实施例中，所述调制光路由反射镜与凸透镜组成，用于将多个光束进行光路匹配以及将多个光束聚焦在相机对应的像元上。
在其中一个实施例中，所述数字微镜器件中微镜的对角线方向偏转±12°，反射光线在水平轴45°方向上与垂面成24°；所述反射镜用于调整光束的方向，所述凸透镜用于进行光束聚焦。
在其中一个实施例中，所述调制光路包括四个反射镜，其中，第一反射镜和第二反射镜用于将数字微镜器件输出的多个光束调整为水平光；所述凸透镜对多个光束进行聚焦，并通过第三反射镜和第四反射镜将聚焦后的多个光束与相机进行光路匹配。
在其中一个实施例中，所述计算机根据多个光束聚焦在相机对应的像元的灰度分布，计算相机的响应函数和通道间的分光比；根据所述响应函数和所述分光比，计算得到图像的真实亮度分布；通过色调映射将所述真实亮度分布转化为高动态图像。
上述基于DMD的实时高动态成像方法及系统，首先将场景成像至数字微镜器件表面，然后通过时序控制算法控制数字微镜器件的局域调光比例，将一路光束分解为亮暗不同的四路光束，经过平面镜组和凸透镜的调制后在相机焦面上成像。从而合成高动态图像。本发明数字微镜器件中每个微镜在图像的采集时间内仅偏转一次，减少了微镜反射光线对成像的干扰，并延长了数字微镜器件的使用寿命。
附图说明
图1为一个实施例中基于DMD的实时高动态成像方法的流程示意图；
图2为一个实施例中基于DMD的实时高动态成像系统的结构框图；
图3为一个实施例中DMD中2×2单元时序控制图；
图4为一个实施例中DMD至相机匹配光路图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种基于DMD的实时高动态成像方法，以该方法应用于图2中的基于DMD的实时高动态成像系统为例进行说明，包括以下步骤：
步骤202，接收通过成像镜头入射的光束，通过时序控制算法对数字微镜器件中微镜组的偏转维持时间进行控制，得到不同亮度的多个光束。
入射的光束为对场景进行成像形成的，时序控制算法是将数字微镜器件中的微镜划分为多个微镜组；在一幅图像的曝光时间内设置微镜组中每个微镜保持偏转状态的偏转维持时间，控制每个微镜对光束的反射强度。偏转维持时间不同，光束的亮度不同，具体如图3所示，在图3中，微镜偏转时间中白色为ON状态，黑色为OFF状态，ON状态表示偏转状态，OFF状态表示非偏转状态。
步骤204，将多个光束通过调制光路进行传输，并在相机焦面上进行成像，合成高动态图像。
上述基于DMD的实时高动态成像方法中，首先将场景成像至数字微镜器件表面，然后通过时序控制算法控制数字微镜器件的局域调光比例，将一路光束分解为亮暗不同的四路光束，经过平面镜组和凸透镜的调制后在相机焦面上成像。从而合成高动态图像。本发明数字微镜器件中每个微镜在图像的采集时间内仅偏转一次，减少了微镜反射光线对成像的干扰，并延长了数字微镜器件的使用寿命。
在其中一个实施例中，微镜组中包括：四个微镜；在一幅图像的曝光时间内设置微镜组中每个微镜保持偏转状态不同的偏转维持时间；其中偏转状态的时间越长，被反射利用的光束亮度越大。
具体的，为了避免图像反馈控制时延问题，选取2×2单元的4个微镜为一组，在一幅图像的曝光时间内分别设置不同反射镜的偏转维持时间，微镜在ON状态时间按照编号1-4依次递减。在一帧图像曝光周期内，微镜全程保持ON状态，则光线全部被反射，微镜保持ON状态时间减小，那么被反射利用的光线减少。假设DMD的微镜每秒偏转20000次，相机的采集频率为25Hz，那么在一帧图像的采集时间内DMD可偏转800次，图像传输过程中动态范围最大可以提升20log（800/1）=58dB。4个微镜的偏转维持时间可由计算机控制，并可以根据实际应用场景设置，优于SVE相机固定的光衰减比例和Quad-Bayer中仅2种高低曝光设置。得益于该发明提出的时序控制算法，DMD的每个微镜在图像的采集时间内仅偏转一次，减少了微镜反射光线对成像的干扰，并延长了DMD的使用寿命。
在其中一个实施例中，调制光路由反射镜与凸透镜组成，用于将多个光束进行光路匹配以及将多个光束聚焦在相机对应的像元上。DMD反射的光线需要经过调制后才能与采集相机匹配。匹配光路如图4所示。由于DMD微镜在对角线方向偏转±12°，反射光线在水平轴45°方向上与垂面成24°。反射镜将DMD反射光线调整为水平平行光线，凸透镜的作用是将该光线聚焦至相机，将单个DMD微镜反射的光线会聚至单个相机像元，保证DMD微镜与相机像元匹配。
在其中一个实施例中，根据多个光束聚焦在相机对应的像元的灰度分布，计算相机的响应函数和通道间的分光比；根据响应函数和所述分光比，计算得到图像的真实亮度分布；通过色调映射将真实亮度分布转化为高动态图像。
应该理解的是，虽然图1的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
在其中一个实施例中，如图2所示，提出一种基于DMD的实时高动态成像系统，所述系统包括：
数字微镜器件、调制光路、相机以及计算机；数字微镜器件接收通过成像镜头入射的光束，通过时序控制算法对数字微镜器件中微镜组的偏转维持时间进行控制，得到不同亮度的多个光束；其中，所述时序控制算法为：将所述数字微镜器件中的微镜划分为多个微镜组；在一幅图像的曝光时间内设置微镜组中每个微镜保持偏转状态的偏转维持时间，控制每个微镜对光束的反射强度；调制光路接收多个光束，通过光路调制将所述多个光束与相机进行匹配，并传输至相机的焦面上进行成像；计算机采集相机焦面上的成像，合成高动态图像。
在其中一个实施例中，微镜组中包括：四个微镜；在一幅图像的曝光时间内计算机控制微镜组中每个微镜保持偏转状态不同的偏转维持时间；其中所述偏转状态的时间越长，被反射利用的光束亮度越大。
在其中一个实施例中，调制光路由反射镜与凸透镜组成，用于将多个光束进行光路匹配以及将多个光束聚焦在相机对应的像元上。
在其中一个实施例中，数字微镜器件中微镜的对角线方向偏转±12°，反射光线在水平轴45°方向上与垂面成24°；反射镜用于调整光束的方向，凸透镜用于进行光束聚焦。
在其中一个实施例中，调制光路包括四个反射镜，其中，第一反射镜和第二反射镜用于将数字微镜器件输出的多个光束调整为水平光；凸透镜对多个光束进行聚焦，并通过第三反射镜和第四反射镜将聚焦后的多个光束与相机进行光路匹配。
在其中一个实施例中，计算机根据多个光束聚焦在相机对应的像元的灰度分布，计算相机的响应函数和通道间的分光比；根据所述响应函数和所述分光比，计算得到图像的真实亮度分布；通过色调映射将所述真实亮度分布转化为高动态图像。
关于基于DMD的实时高动态成像系统的具体限定可以参见上文中对于基于DMD的实时高动态成像方法的限定，在此不再赘述。上述基于DMD的实时高动态成像系统中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器（ROM）、可编程ROM（PROM）、电可编程ROM（EPROM）、电可擦除可编程ROM（EEPROM）或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器（RAM）或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM（SRAM）、动态RAM（DRAM）、同步DRAM（SDRAM）、双数据率SDRAM（DDRSDRAM）、增强型SDRAM（ESDRAM）、同步链路（Synchlink） DRAM（SLDRAM）、存储器总线（Rambus）直接RAM（RDRAM）、直接存储器总线动态RAM（DRDRAM）、以及存储器总线动态RAM（RDRAM）等。
以上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申请的几种实施方式，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，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种基于DMD的实时高动态成像方法，其特征在于，所述方法包括：
接收通过成像镜头入射的光束，通过时序控制算法对数字微镜器件中微镜组的偏转维持时间进行控制，得到不同亮度的多个光束；
将所述多个光束通过调制光路进行传输，并在相机焦面上进行成像，合成高动态图像；
其中，所述时序控制算法为：
将所述数字微镜器件中的微镜划分为多个微镜组；所述微镜组反射的光束通过所述调制光路与相机进行匹配；
在一幅图像的曝光时间内设置微镜组中每个微镜保持偏转状态的偏转维持时间，控制每个微镜对光束的反射强度；
所述调制光路由反射镜与凸透镜组成，用于将多个光束进行光路匹配以及将多个光束聚焦在相机对应的像元上；
所述在相机焦面上进行成像，合成高动态图像，包括：
根据多个光束聚焦在相机对应的像元的灰度分布，计算相机的响应函数和通道间的分光比；
根据所述响应函数和所述分光比，计算得到图像的真实亮度分布；
通过色调映射将所述真实亮度分布转化为高动态图像。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述微镜组中包括：四个微镜；
所述在一幅图像的曝光时间内设置微镜组中每个微镜保持偏转状态的偏转维持时间，控制每个微镜对光束的反射强度，包括：
在一幅图像的曝光时间内设置微镜组中每个微镜保持偏转状态不同的偏转维持时间；其中所述偏转状态的时间越长，被反射利用的光束亮度越大。
3.一种基于DMD的实时高动态成像系统，其特征在于，所述系统包括：
数字微镜器件、调制光路、相机以及计算机；
所述数字微镜器件接收通过成像镜头入射的光束，通过时序控制算法对数字微镜器件中微镜组的偏转维持时间进行控制，得到不同亮度的多个光束；其中，所述时序控制算法为：将所述数字微镜器件中的微镜划分为多个微镜组；在一幅图像的曝光时间内设置微镜组中每个微镜保持偏转状态的偏转维持时间，控制每个微镜对光束的反射强度；
所述调制光路接收多个光束，通过光路调制将所述多个光束与相机进行匹配，并传输至相机的焦面上进行成像；
所述计算机采集相机焦面上的成像，合成高动态图像；
所述调制光路由反射镜与凸透镜组成，用于将多个光束进行光路匹配以及将多个光束聚焦在相机对应的像元上；
所述数字微镜器件中微镜的对角线方向偏转±12°，反射光线在水平轴45°方向上与垂面成24°；
所述反射镜用于调整光束的方向，所述凸透镜用于进行光束聚焦；
所述计算机根据多个光束聚焦在相机对应的像元的灰度分布，计算相机的响应函数和通道间的分光比；根据所述响应函数和所述分光比，计算得到图像的真实亮度分布；通过色调映射将所述真实亮度分布转化为高动态图像。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述微镜组中包括：四个微镜；在一幅图像的曝光时间内计算机控制微镜组中每个微镜保持偏转状态不同的偏转维持时间；其中所述偏转状态的时间越长，被反射利用的光束亮度越大。
5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述调制光路包括四个反射镜，其中，第一反射镜和第二反射镜用于将数字微镜器件输出的多个光束调整为水平光；所述凸透镜对多个光束进行聚焦，并通过第三反射镜和第四反射镜将聚焦后的多个光束与相机进行光路匹配。
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