CN1874499A - 一种高动态、超分辨率图像重建装置 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种高动态、超分辨率图像重建装置,属于图像获取技术领域。该方法利用多个低分辨率、低动态范围的普通图像成像器件,将亚象素动态成像技术和多图像重建高动态图像方法结合起来,采用特定的图像传感器位置分布,实现图像超分辨率的重建,并利用图像灰度插值的灰度重建方法,得到高动态、超分辨率的高质量图像。该方法突破过去将高动态、超分辨率图像重建分开研究与实现的现状,成功的将高动态成像和亚象素超分辨率成像相结合,获取的图像具有高动态、高分辨率的特点。可以应用在现有摄像机的各种应用领域中,并可得到更好的图像质量。
Description
技术领域
本发明为一种高动态、超分辨率图像重建装置,属于图像获取技术领域。
背景技术
我们或者计算机能从一幅图像中获取什么信息,受到获取图像的限制。目前的图像获取系统受到空间分辨率、视场角和动态范围的限制。在图像获取技术领域中,提出了各种突破这些限制的方法。如针对视场角的问题,提出了全向成像技术,全向摄像机在机器人、监控等领域得到应用。为了突破空间分辨率的限制,人们研究了超分辨率图像重建方法,试图从一系列质量较差、分辨率较低的图像来重建图象质量更好、空间分辨率更高的图像。超分辨率图像重建方法能改善成像系统引起的空间分辨率下降,弥补原有影像空间分辨率的不足,突破现有影像获取手段的空间分辨率极限,发掘现有影像数据(如多角度、多时相、多平台遥感影像,序列影像等)的潜力。
从目前的研究和应用来看,超分辨率图像重建算法主要可以分为两类,即频域方法和空间域方法。频域方法是在频域内解决图像内插问题,其观察模型是基于傅立叶变换的移位特性。空间域方法能将复杂的运动模型与相应的插值、迭代及滤波重采样放在一起处理,作为影像重建的全部内容。超分辨率重建一般根据单个摄像机获取的图像序列,或者采用多个图像传感器得到的图像来重建,如基于半像素动态成像的超分辨率重建。超分辨率重建技术目前已经在识别与定位、卫星遥感成像、视频增强与复原、医学计算机层析成像等领域得到了广泛的应用。
对于CCD/CMOS这类成像器件来说,成像的动态范围由势阱中可存贮的最大电荷量(饱和信号)和由噪声决定的最小电荷量之比决定。势阱能存储的最大电荷量取决于像素的尺寸,像素尺寸越小,饱和电流随之降低,读出放大器的噪声越大;同时,传感器的动态范围减小,灵敏度降低。反之,如果要提高动态范围,则希望增大像元的尺寸。因此从感光器件的设计来看,提高分辨率与提高动态范围之间存在一定的矛盾。更为重要的是,对于要拍摄的自然场景,其动态范围往往大于这类图像传感器的限制,从而造成成像后信息的损失。
为了解决CCD摄像机成像动态范围小的问题,Mann等人率先提出扩展数字相机的动态范围的方法。该方法利用多幅不同曝光量的低动态图像序列,通过合成得到一幅高动态范围的图像,这种方法被称为多次曝光法。随后,许多研究者基于该思想,提出各种不同的高动态范围的图像获取方法,如多靶面曝光合成,单象素集成多个感光单元,自适应象素曝光,空间变化像素曝光,光学衰减器法,数字微反射镜阵列技术,基于CMOS的对数变换法,以及局部自适应方法。
从目前的研究现状来看,超分辨率重建和高动态成像技术互相独立,还没有将二者结合的先例。从信息获取的角度来看,超分辨率成像和高动态成像都利用了多幅图像,由于没有很好的结合,所以没有充分利用能够得到的信息。另外,普通相机受成像动态范围的限制,无法获取高动态图像,而能够得到高动态图像的器件一般采用复杂的加工工艺,成本很高。
本发明的第一个目的是提供一种高动态、超分辨率图像重建装置,该装置采用普通的低分辨率、低动态范围的成像器件,通过特殊的安装位置和处理算法,能够获取超过普通相机的动态范围,而且分辨率也得到很大提高的图像。
本发明的第二个目的是提供一种高动态、超分辨率图像重建装置,该装置将高动态图像重建和超分辨率成像方法结合起来,突破了过去将二者孤立研究与应用的现状。可以解决摄像机成像时,动态范围与分辨率之间的矛盾。
本发明的第三个目的是提供一种高动态、超分辨率图像重建装置,该装置不仅能够获取静态场景的图像,也能够用于动态场景的视频成像中,解决在高动态范围成像时,多幅图像的获取要求场景的光照不变的限制。
发明内容
本发明所述的一种高动态、超分辨率图像重建装置,是由图像传感模块(a)、图像合成与输出模块(b)、计算机处理与显示(c)三部分组成。其中,图像传感模块包括成像镜头(3)、分光棱镜(4)、光通量控制(5)、图像传感器件(6)、模数转换器(7)、同步信号产生及控制电路(2);图像合成与输出模块包括信号处理与控制单元(1)、存储器(8)、存储器(9)、D/A转换电路(10)、数字图像输出接口(11);计算机处理与显示部分包括计算机(12)、计算机连接线(13)。自然场景图像经过成像镜头(3)后,通过分光棱镜(4)将同一场景分成多路成像,经过光通量控制(5)后,在图像敏感器件(6)上成像,得到同一场景的多个成像。在光通量控制(5)或者同步信号产生及控制电路(2)的控制下,每个图像敏感器件(6)得到的图像,其曝光量是不同的。图像敏感器件(6)输出的图像信号经过模数转换器(7)将模拟图像信号转换为数字图像信号,在信号处理及控制单元(1)的控制下,存储到存储器(9)中,信号处理及控制单元对多幅输入图像进行合成处理,重建得到高动态、超分辨率的数字图像后,将结果存储于存储器(8)中,高动态、超分辨率的数字图像在信号处理及控制单元(1)的控制下,可通过D/A转换电路(10)输出模拟信号图像,或者经过数字图像输出接口(11)、计算机连接线(13)发送到计算机(12)中进行显示和进一步处理。
通过成像光学系统(主要由3和4组成)将一幅场景分成多路,在光通量控制(5)或控制电路(2)的控制下,得到多幅曝光量不同的图像。将同一场景分成多路成像的光学系统,可以采用成像镜头和分光棱镜实现,也可以采用光纤等方式实现。曝光量可以通过光通量控制(5)来控制入射光强的大小,也可以通过控制电路来控制图像敏感器件(6)的曝光积分时间来实现。
成像敏感器件(6)可以采用CCD类器件,也可以采用CMOS类器件,采用的成像器件不同,同步信号产生及控制电路(2)略有不同,如果采用CMOS器件,则不需要A/D转换(7)。成像敏感器件(6)也可以采用线阵器件来实现,可以是单色、灰度和彩色模式的。
通过光学系统分光成像时,得到不同曝光量的图像可以是2幅或者两幅以上;多幅图像是同步获取的,可以适用于静态和动态图像的获取。
将多幅曝光量不同的图像合成高动态、超分辨率图像的算法实现,可以是由信号处理及控制单元(1)用硬件实现,或软硬件结合实现,或者将得到的多幅图像通过数字图像输出接口传输到计算机,由计算机实现。
高动态、超分辨率数字图像可以经过信号处理及控制单元(1)及D/A转换电路(10)后,以模拟的方法输出,取得和传统相机类似的模拟输出;也可以直接通过数字图像输出接口(11)传输到计算机中。
多个图像敏感器件之间采用一定的相对位置关系安装,每幅图像的对应像素之间相差固定的值,通过一次成像就可进行超分辨率重建。
在超分辨率、高动态图像重建时,通过对多幅图像的位置进行校正、融合后,高动态范围的重建可以采用简单的求均值、加权插值、曲面拟合插值等,还可以通过先对图像敏感器件的响应曲线进行标定,然后基于响应曲线将多幅图像融合在一起,形成一幅虚拟的高动态图像。
多幅数字图像可以直接进行融合处理,然后直接输出,也可以将输入的多幅数字图像先存放到存储器(9)中,将融合处理后得到的结果存放到存储器(8)中,然后根据需要输出。
本发明具有如下优点:
(1)可以得到高动态、超分辨率的高质量图像,极大提高了摄像机的性能;
(2)在多幅图像获取时,采用一次成像,不需要移动摄像机,可实现静态场景或动态场景的成像;
(3)采用低动态、低分辨率成像器件,实现原理简单。
本发明具有很广泛的应用领域,如模式识别领域、智能交通系统、基于图像的建模和渲染、视频监控、跟踪,机器人视觉导航、工业检测、遥感遥测、军事侦察、武器的导航制导等应用中。
附图说明
图1-整体结构示意图,
其中:(1)-信号处理与控制单元,(2)-同步信号产生及控制电路,(3)-成像镜头,(4)-分光棱镜,(5)-光通量控制,(6)-图像传感器件,(7)-模数转换器,(8)-存储器,(9)-存储器,(10)-D/A转换电路,(11)-数字图像输出接口,(12)-计算机,(13)-计算机连接线
图2-四幅图像融合的像素分布示意图。
图3-两幅图像融合的像素分布示意图。
图4-三个CCD图像敏感器和分光棱镜构成的多图像获取。
图5-三个CMOS图像敏感器和分光棱镜构成的多图像获取。
图6-光学衰减器控制光通量示意图。
图7-多幅不同曝光图像合成后的图像。
图8-采用插值重建得到的高动态、超分辨率图像。
实施例
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明
具体实施方式1
高动态、超分辨率图像重建装置由图像传感模块(a)、图像合成与输出模块(b)、计算机处理与显示(c)三大部分组成。图2所示的是四幅图像合成时,各个图像平面采用的一种相互位置关系,即半像素偏移。即图像敏感器件0(圆圈表示该传感器的像素位置)与图像敏感器件1(小三角表示该传感器的像素位置)之间,仅在水平轴上相差半个像素,在垂直方向上是平行的,其他两幅图像的像素位置如图所示。
图3是采用两幅图像合成时,两个传感器平面上像素的位置关系。图4、图5是采用三个图像敏感器时,分光系统采用分光棱镜实现的示意图。
在每个图像敏感器前放置一个光通量控制部分,光通量控制可以有很多种实现方式,如光学衰减器,如图6所示,经过光学衰减器后的入射光强减弱,减弱的多少由控制器控制。这样,在成像时,各个图像的曝光量是不同的。
将多个图像平面的像素值,按照位置分布,合并在一起,就得到一个尺寸被放大的图像,按图2所示的关系,可以得到一个放大两倍的图像。
由于每幅图像的曝光量不同,合成后的图像如图7所示。从图中可见,对于图像中很亮的区域,如窗户部分,曝光量大的图像中,像素值已经饱和,但曝光量小的值却没有;反之,对于图像中暗的区域,曝光量小时,图像基本全部是噪声,但曝光量大的图像中,曝光却是正常的。也就是说,合成后的图像中,不管是亮的区域,还是暗区域,在各幅图像中,总能找到曝光正常的相邻点。
在高动态图像重建时,再设法恢复出上述合成后的图像中,那些饱和的、暗点像素的灰度值。最简单的方法就是直接在合并后的图像上进行邻域求平均、或者加权求和的方法。一个更好的做法是,先设定最大、最小阈值,大于最大值(视为饱和点)、小于最小值(视为噪声点)的点去掉,将多幅图像按曝光量归一化后,再通过曲面拟合插值方法得到这些被去掉的点的灰度值。
经过重建后的图像,就是一幅高动态、超分辨率的图像,如图8所示。此时,还可以进行一些图像后处理,以去除噪声。将结果存储到存储器中,或者通过输出接口发送给计算机。
具体实施方式2
高动态、超分辨率图像重建也可以采用如下过程得到:
(1)设定四个图像敏感器的曝光积分时间,各幅图像的曝光时间成一定比例,例如:e1=4e2;以此类推;
(2)对四幅图像进行同步曝光,并进行位置校正预处理,使校正后的图像满足图2所示的位置关系;
(3)将四幅图像按图2合并,得到一幅尺寸增大的图像,该图像大小是原来的四倍;
(4)设定阈值,将合成后图像中的饱和点、噪声点等去掉,归一化后,采用灰度插值方法重构出这些点的灰度值;
(5)对图像进行后处理,得到高动态、超分辨率图像输出结果。
Claims (6)
1.一种高动态、超分辨率图像重建装置,其特征在于:它是由图像传感模块(a)、图像合成与输出模块(b)、计算机处理与显示(c)三部分组成,其中,图像传感模块包括成像镜头(3)、分光棱镜(4)、光通量控制(5)、图像传感器件(6)、模数转换器(7)、同步信号产生及控制电路(2);图像合成与输出模块包括信号处理与控制单元(1)、存储器(8)、存储器(9)、D/A转换电路(10)、数字图像输出接口(11);计算机处理与显示部分包括计算机(12)、计算机连接线(13);自然场景经过成像镜头(3)后,通过分光棱镜(4)将同一场景分成多路成像,经过光通量控制(5)后,在图像敏感器件(6)上成像,得到同一场景的多个成像。在光通量控制(5)或者同步信号产生及控制电路(2)的控制下,每个图像敏感器件(6)得到的图像,其曝光量是不同的;图像敏感器件(6)输出的图像信号经过模数转换器(7)将模拟图像信号转换为数字图像信号,在信号处理及控制单元(1)的控制下,存储到存储器(9)中,信号处理及控制单元对多幅输入图像进行合成处理,重建得到高动态、超分辨率的数字图像后,将结果存储于存储器(8)中,高动态、超分辨率的数字图像在信号处理及控制单元(1)控制下,可通过D/A转换电路(10)输出模拟信号图像,或者经过数字图像输出接口(11)、计算机连接线(13)发送到计算机(12)中进行显示和进一步处理。
2.根据权利要求1所述的一种高动态、超分辨率图像重建装置,其特征在于:通过成像光学系统(主要由3和4组成)将一幅场景分成多路,在光通量控制(5)或控制电路(2)的控制下,得到多幅曝光量不同的图像,经过图像合成处理后,得到高动态、超分辨率的图像。
3.根据权利要求1所述的一种高动态、超分辨率图像重建装置,其特征在于:多个图像敏感器件之间采用一定的相对位置关系安装,每幅图像的对应像素之间相差固定的值,通过一次成像就可进行超分辨率重建。
4.根据权利要求1所述的一种高动态、超分辨率图像重建装置,其特征在于:通过光学系统分光成像时,得到多幅不同曝光量的图像;多幅图像是同步获取的,可以适用于静态和动态图像的获取。
5.根据权利要求1所述的一种高动态、超分辨率图像重建装置,其特征在于:将多幅曝光量不同的图像合成高动态、超分辨率图像的算法实现,可以是由信号处理及控制单元(1)用硬件实现、软硬件结合实现,或者将得到的多幅图像通过数字图像输出接口(11)传输到计算机,由计算机实现。
6.根据权利要求1所述的一种高动态、超分辨率图像重建装置,其特征在于:高动态、超分辨率数字图像可以经过信号处理及控制单元(1)及D/A转换电路(10)后,以模拟的方法输出,取得和传统相机类似的模拟输出;也可以直接通过数字图像输出接口(11)传输到计算机中。
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