CN115953338A - 一种提高工业相机动态范围的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高工业相机动态范围的方法，S1：通过分光镜将相机镜头拍摄画面分别送往CMOS传感器A和CMOS传感器B；S2：通过SOC处理器控制CMOS传感器A进行高低增益双通道模式读出图像，并将CMOS传感器B配置成最低增益模式，先后读出两幅不同曝光时间的图像；S3：通过SOC处理器将从CMOS传感器A获取到的高低增益双通道数据进行实时融合处理，并将处理结果存入DDR；本发明将从CMOS传感器A和CMOS传感器B读出的4幅图像在SOC芯片内完成高动态合成，通过FPGA进行最终的融合处理，相机帧率等于普通高动态相机高低增益融合输出的帧率，相机噪声小于等于普通高动态相机长短曝光时间融合输出的噪声，有效解决当前高动态相机噪声大、输出时间长等问题。
Description
技术领域
本发明涉及工业相机技术领域，具体涉及一种提高工业相机动态范围的方法。
背景技术
对于动态范围较大的场景，传统工业相机在曝光时间及增益配置固定的情况下，其所能拍摄到的图像信息是有限的：如果能将暗处信息拍摄清楚，亮处信息就会存在饱和的现象；相反的，如果能将亮处信息拍摄清楚，暗处信息就会存在分辨不清的情况。
中国专利号201610827163.6公开了一种微光线阵基于电子倍增的动态范围自动调整方法，统计当前行图像的灰度直方图，给出直方图3个不同区间数据的比重，即当前行图像直方图特征数据；将其与历史数据进行加权累加，作为动态范围调整的判据；将迭代后的图像直方图特征数据带入动态范围调整策略表，得到电子倍增等效增益建议使用值。对电子倍增等效增益建议使用值做合理性和事件冲突判断，给出实际可执行的电子倍增等效增益值；由可执行电子倍增等效增益值查表得到微光线阵相机电子倍增驱动量，从而实现对相机动态范围的自动控制。
传统工业相机对动态范围较大的图像拍摄效果差，而高动态工业相机可以很好的解决这一问题，当前高动态工业相机所采用的高动态技术一般有两种：
1、采用单CMOS传感器相机进行高低增益图像的融合并输出高动态图像，目前支持高低增益图像同时输出的CMOS传感器有很多，例如索尼IMX425；
2、采用单CMOS传感器相机进行多次曝光配置，然后在SOC处理器中进行高动态图像处理最终输出具有高动态范围的单张图像。
上述两种技术是目前工业相机中最常用的两种高动态合成技术，虽然提升了相机动态范围，但是也有相应的缺点。第一种技术手段通过高低增益图像的融合引入的图像噪声大，第二种技术手段拍摄一张图片需连续曝光多次，处理时间长，拍摄出的图片容易有拖尾现象。因此，针对这两种技术的不足，同时结合各自的优点，提出了一种单镜头双CMOS传感器的高动态工业相机技术方案。
发明内容
本发明的目的是提供一种提高工业相机动态范围的方法，以解决现有技术中的上述不足之处。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种提高工业相机动态范围的方法，包括以下步骤：
S1：通过分光镜将相机镜头拍摄画面分别送往CMOS传感器A和CMOS传感器B；
S2：通过SOC处理器控制CMOS传感器A进行高低增益双通道模式读出图像，并将CMOS传感器B配置成最低增益模式，先后读出两幅不同曝光时间的图像；
S3：通过SOC处理器将从CMOS传感器A获取到的高低增益双通道数据进行实时融合处理，并将处理结果存入DDR；
S4：通过SOC处理器将从CMOS传感器B获取的第一幅图像按照相机响应函数计算图像线性化结果，并存入DDR；
S5：通过SOC处理器从CMOS传感器B中读出第二幅图像，同时从DDR中读出传感器A的图像融合结果和传感器B的第一幅图像计算结果，然后将从DDR读出的2路图像结果以及CMOS传感器B的第二幅图像结果存入fifo中，再同时读出并处理；
S6：SOC处理器将从fifo中读出的三幅图像进行高动态合成，然后输出合成后的高动态图像。
进一步地，在所述S1中，分光镜将镜头拍摄画面按照预定的比例分别送往CMOS传感器A和CMOS传感器B，所述预定的比例为1-3：1-2。
进一步地，在所述S2中，高低增益双通道模式读出图像的曝光时间小于双通道读出时间。
进一步地，在所述S2中，最低增益模式的两副图像的曝光时间与CMOS传感器B上两幅图像的亮处信息占比呈线性关系。
进一步地，在所述S3中，所述低增益为可配置的最低增益，所述高增益与低增益图像像素值成固定倍率。
进一步地，所述固定倍率包括2倍、4倍、8倍和16倍中的任意一种倍率。
进一步地，在所述S1中，所述分光镜为平板分光镜，所述分光镜将入射光按照预定比率分割为两条不同光束。
进一步地，所述相机镜头为C口镜头，所述CMOS传感器A和CMOS传感器B为索尼IMX425传感器，所述SOC处理器为Xilinx的UltraScale芯片。
进一步地，所述CMOS传感器A和CMOS传感器B支持高低增益同时输出，所述SOC处理器驱动CMOS传感器A和CMOS传感器B工作，所述SOC处理器完成处理多幅图像进行高动态合成，并实时输出高动态图像。
进一步地，在所述S4中，所述相机响应函数为CMOS传感器B上曝光度与图像亮度值之间的映射关系，既M＝f(I)，其中M为曝光度，I为CMOS传感器B上曝光度。
在上述技术方案中，本发明提供的一种提高工业相机动态范围的方法，有益效果为：
(1)本发明将从CMOS传感器A和CMOS传感器B读出的4幅图像在SOC芯片内完成高动态合成，通过FPGA进行最终的融合处理，相机帧率等于普通高动态相机高低增益融合输出的帧率，相机噪声小于等于普通高动态相机长短曝光时间融合输出的噪声，有效解决当前高动态相机噪声大、输出时间长等问题；
(2)本发明的CMOS传感器A通过分光镜获取较大的进光量，并进行小于等于单倍读出时间的曝光，采用双通道读出模式，将高低增益图像同时读出，这样即不影响帧率，又能最大程度的进行曝光；
(3)本发明的CMOS传感器B通过分光镜获取较小的进光量，采用单通道读出模式，配置最低增益值，先后读出两幅不同曝光值的图像，其读出两幅图像的时间等于CMOS传感器A双通道读出时间，因此在同一时间段内，可以获取到CMOS传感器A进光量较大、曝光较大、高低增益两幅图像，以及CMOS传感器B进光量较小、最低增益、最小曝光和适度曝光的两幅图像。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种提高工业相机动态范围的方法实施例提供的整体流程图。
图2为本发明一种提高工业相机动态范围的方法实施例提供的SOC处理器高动态合成流程图。
图3为本发明一种提高工业相机动态范围的方法实施例提供的CMOS传感器曝光读出示意图。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步地详细介绍。
如图1-3所示，本发明实施例提供的一种提高工业相机动态范围的方法，包括以下步骤：
S1：通过分光镜将相机镜头拍摄画面分别送往CMOS传感器A和CMOS传感器B；
S2：通过SOC处理器控制CMOS传感器A进行高低增益双通道模式读出图像，并将CMOS传感器B配置成最低增益模式，先后读出两幅不同曝光时间的图像；
S3：通过SOC处理器将从CMOS传感器A获取到的高低增益双通道数据进行实时融合处理，并将处理结果存入DDR；
S4：通过SOC处理器将从CMOS传感器B获取的第一幅图像按照相机响应函数计算图像线性化结果，并存入DDR；
S5：通过SOC处理器从CMOS传感器B中读出第二幅图像，同时从DDR中读出传感器A的图像融合结果和传感器B的第一幅图像计算结果，然后将从DDR读出的2路图像结果以及CMOS传感器B的第二幅图像结果存入fifo中，再同时读出并处理；
S6：SOC处理器将从fifo中读出的三幅图像进行高动态合成，然后输出合成后的高动态图像。
具体的，本实施例中，包括以下步骤：
S1：通过分光镜将相机镜头拍摄画面分别送往CMOS传感器A和CMOS传感器B，分光镜将镜头拍摄画面按照预定的比例分别送往CMOS传感器A和CMOS传感器B，预定的比例为3：1，分光镜为平板分光镜，分光镜将入射光按照预定比率分割为两条不同光束；
S2：通过SOC处理器控制CMOS传感器A进行高低增益双通道模式读出图像，并将CMOS传感器B配置成最低增益模式，先后读出两幅不同曝光时间的图像，高低增益双通道模式读出图像的曝光时间小于双通道读出时间，具体时间由CMOS传感器A上一幅低增益通道图像的暗处信息所占比例决定的，最低增益模式的两副图像的曝光时间与CMOS传感器B上两幅图像的亮处信息占比呈线性关系；
S3：通过SOC处理器将从CMOS传感器A获取到的高低增益双通道数据进行实时融合处理，并将处理结果存入DDR；
S4：通过SOC处理器将从CMOS传感器B获取的第一幅图像按照相机响应函数计算图像线性化结果，并存入DDR；
S5：通过SOC处理器从CMOS传感器B中读出第二幅图像，同时从DDR中读出传感器A的图像融合结果和传感器B的第一幅图像计算结果，然后将从DDR读出的2路图像结果以及CMOS传感器B的第二幅图像结果存入fifo中，再同时读出并处理；
S6：SOC处理器将从fifo中读出的三幅图像进行高动态合成，然后输出合成后的高动态图像。
本发明提供的一种提高工业相机动态范围的方法，本发明将从CMOS传感器A和CMOS传感器B读出的4幅图像在SOC芯片内完成高动态合成，通过FPGA进行最终的融合处理，相机帧率等于普通高动态相机高低增益融合输出的帧率，相机噪声小于等于普通高动态相机长短曝光时间融合输出的噪声，有效解决当前高动态相机噪声大、输出时间长等问题。
本发明提供的再一个实施例中，在S3中，低增益为可配置的最低增益，高增益与低增益图像像素值成固定倍率，固定倍率包括2倍、4倍、8倍和16倍中的任意一种倍率，倍率选择需SOC处理器根据上一幅图像情况，自适应选择，倍率选取2倍、4倍、8倍或16倍是为了方便FPGA实时融合处理。
本发明提供的再一个实施例中，相机镜头为C口镜头，CMOS传感器A和CMOS传感器B为索尼IMX425传感器，SOC处理器为Xilinx的UltraScale芯片，芯片内部实现了基于FPGA的高动态合成技术，CMOS传感器A和CMOS传感器B支持高低增益同时输出，最大化相机的动态范围；SOC处理器驱动CMOS传感器A和CMOS传感器B工作，SOC处理器完成处理多幅图像进行高动态合成，并实时输出高动态图像，保证帧率的同时，有效控制输出图像的噪声。
本发明提供的再一个实施例中，在S4中，相机响应函数为CMOS传感器B上曝光度与图像亮度值之间的映射关系，既M＝f(I)，其中M为曝光度，I为CMOS传感器B上曝光度，相机响应函数跟CMOS传感器B相关，需事先标定好，曝光时间需根据先前图像自适应获取，具体原理为，当被拍摄物体反射回来的光线(场景辐射度)通过相机的镜头转换为CMOS传感器B辐射度，CMOS传感器B辐射度通过快门的通电作用转化为传感器曝光度，这是光学变化过程，CMOS传感器B上的感光器件受到光照激发释放出电荷产生电信号，电信号经过放大和滤波后再进行模数转换得到数字信号，即图像数据，这些数据经过SOC处理器进行相应的处理后存储为图像文件得以输出，这是电子成像部分，亦即相机响应过程。
工作原理：CMOS传感器A通过分光镜获取较大的进光量，并进行小于等于单倍读出时间的曝光，采用双通道读出模式，将高低增益图像同时读出，这样即不影响帧率，又能最大程度的进行曝光；CMOS传感器B通过分光镜获取较小的进光量，采用单通道读出模式，配置最低增益值，先后读出两幅不同曝光值的图像，其读出两幅图像的时间等于CMOS传感器A双通道读出时间，因此在同一时间段内，可以获取到CMOS传感器A进光量较大、曝光较大、高低增益两幅图像，以及CMOS传感器B进光量较小、最低增益、最小曝光和适度曝光的两幅图像，4幅图像在SOC芯片内完成高动态合成，通过FPGA进行最终的融合处理，相机帧率等于普通高动态相机高低增益融合输出的帧率，相机噪声小于等于普通高动态相机长短曝光时间融合输出的噪声，有效解决当前高动态相机噪声大、输出时间长等问题。
以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。
Claims (10)
1.一种提高工业相机动态范围的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：通过分光镜将相机镜头拍摄画面分别送往CMOS传感器A和CMOS传感器B；
S2：通过SOC处理器控制CMOS传感器A进行高低增益双通道模式读出图像，并将CMOS传感器B配置成最低增益模式，先后读出两幅不同曝光时间的图像；
S3：通过SOC处理器将从CMOS传感器A获取到的高低增益双通道数据进行实时融合处理，并将处理结果存入DDR；
S4：通过SOC处理器将从CMOS传感器B获取的第一幅图像按照相机响应函数计算图像线性化结果，并存入DDR；
S5：通过SOC处理器从CMOS传感器B中读出第二幅图像，同时从DDR中读出传感器A的图像融合结果和传感器B的第一幅图像计算结果，然后将从DDR读出的2路图像结果以及CMOS传感器B的第二幅图像结果存入fifo中，再同时读出并处理；
S6：SOC处理器将从fifo中读出的三幅图像进行高动态合成，然后输出合成后的高动态图像。
2.根据权利要求1所述的一种提高工业相机动态范围的方法，其特征在于，在所述S1中，分光镜将镜头拍摄画面按照预定的比例分别送往CMOS传感器A和CMOS传感器B，所述预定的比例为1-3：1-2。
3.根据权利要求1所述的一种提高工业相机动态范围的方法，其特征在于，在所述S2中，高低增益双通道模式读出图像的曝光时间小于双通道读出时间。
4.根据权利要求1所述的一种提高工业相机动态范围的方法，其特征在于，在所述S2中，最低增益模式的两副图像的曝光时间与CMOS传感器B上两幅图像的亮处信息占比呈线性关系。
5.根据权利要求1所述的一种提高工业相机动态范围的方法，其特征在于，在所述S3中，所述低增益为可配置的最低增益，所述高增益与低增益图像像素值成固定倍率。
6.根据权利要求5所述的一种提高工业相机动态范围的方法，其特征在于，所述固定倍率包括2倍、4倍、8倍和16倍中的任意一种倍率。
7.根据权利要求1所述的一种提高工业相机动态范围的方法，其特征在于，在所述S1中，所述分光镜为平板分光镜，所述分光镜将入射光按照预定比率分割为两条不同光束。
8.根据权利要求1所述的一种提高工业相机动态范围的方法，其特征在于，所述相机镜头为C口镜头，所述CMOS传感器A和CMOS传感器B为索尼IMX425传感器，所述SOC处理器为Xilinx的UltraScale芯片。
9.根据权利要求1所述的一种提高工业相机动态范围的方法，其特征在于，所述CMOS传感器A和CMOS传感器B支持高低增益同时输出，所述SOC处理器驱动CMOS传感器A和CMOS传感器B工作，所述SOC处理器完成处理多幅图像进行高动态合成，并实时输出高动态图像。
10.根据权利要求1所述的一种提高工业相机动态范围的方法，其特征在于，在所述S4中，所述相机响应函数为CMOS传感器B上曝光度与图像亮度值之间的映射关系，既M＝f(I)，其中M为曝光度，I为CMOS传感器B上曝光度。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 430000 No. 16, wudayuan Road, Wuda Science Park, Donghu Development Zone, Wuhan, Hubei Province Applicant after: Wuhan HUAZHONG TIANYI Intelligent Technology Co.,Ltd. Address before: 430000 No. 16, wudayuan Road, Wuda Science Park, Donghu Development Zone, Wuhan, Hubei Province Applicant before: Wuhan Huazhong Tianyi Star Technology Co.,Ltd. |
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| CB02 | Change of applicant information | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20240318 Address after: 430000 981 Xiongchu street, Hongshan District, Wuhan City, Hubei Province Applicant after: Huazhong Optoelectronic Technology Research Institute (717 Research Institute of China Shipbuilding Corp.) Country or region after: China Applicant after: Wuhan HUAZHONG TIANYI Intelligent Technology Co.,Ltd. Address before: 430000 No. 16, wudayuan Road, Wuda Science Park, Donghu Development Zone, Wuhan, Hubei Province Applicant before: Wuhan HUAZHONG TIANYI Intelligent Technology Co.,Ltd. Country or region before: China |
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| TA01 | Transfer of patent application right | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |