一種面向圖像寬動態範圍擴展的在軌曝光控制方法與流程

2023-11-10 15:38:12

本發明涉及一種面向圖像的曝光控制方法，尤其涉及一種應用於空間在軌圖像，使得圖像能夠獲得寬動態範圍擴展的方法。

背景技術：

動態範圍是指在一幅圖像中，圖像傳感器可拍攝的最亮和最暗光照的比值。從人的視覺的角度，同一場景下圖像中光強亮的區域和光強暗的區域的細節都能夠清晰顯示，意味著圖像傳感器具有比較大的動態範圍。由於圖像傳感器晶片設計以及圖像數據存儲、傳輸、顯示等環節的制約，圖像中所有像素具有相同的曝光時間，而且每一個像素的數據位長度固定，因此制約了圖像傳感器的動態範圍。

由於在軌應用環境下，環境中不同區域的光強差異顯著，CMOS或CCD傳感器的響應範圍有限，拍攝的圖像往往不能很好的同時顯示明暗部分圖像細節，動態範圍不理想。多次曝光組合是一種有效擴展圖像傳感器動態範圍的有效方法。通過將幾幅不同曝光時間的圖像組合起來，可以同時獲得強光照和弱光照部分的更多細節，從而達到擴大動態範圍的目的。於是提出了一種相機在軌曝光控制方法，該曝光控制方法能夠根據當前曝光時間，以n的冪級數為係數，自動生成一系列具有確定關係的曝光時間參數，進一步控制相機生成適合寬動態範圍擴展處理的圖像序列，可以有效解決上述問題。該方法主要應用於遙感相機、星敏感器、可視遙測、目標跟蹤等空間光學系統。

專利「一種多次曝光組合中曝光次數確定及曝光時間分配的方法」(專利號：200910067835.8)提出了一種根據像素輸出與光照強度和積分時間的乘機成正比的特點，通過分析圖像中飽和像素與嚴重欠飽和像素的比例，得出目前拍攝場景中光照強度的變化範圍，進而分別使用不同的積分時間的長短進行組合的方法，擴展圖像的動態範圍。但該方法在只有在圖像亮度達到特定條件才調整曝光時間，增加曝光次數，動態擴展範圍較小，不適用於空間在軌不同區域光強差異顯著的環境，且調整曝光時間次數不固定，導致不能達到穩定的幀頻。論文「一種應用於高動態範圍CMOS圖像傳感的曝光控制技術」提出了一種新的組合式滾筒曝光技術，這種技術將多次滾筒式曝光穿插進行，實現對目標圖像的多次成像。但滾筒式曝光中由於各行的曝光開始時間存在一定延遲，在拍攝旋轉地物體時圖像會出現扭曲，因此該曝光方法一般應用於只在掃描方向存在運動的場合，比如掃描儀、醫學成像等。

技術實現要素：

本發明的技術解決問題是：克服現有技術的不足，提出一種面向圖像寬動態範圍擴展的在軌曝光控制方法，該方法可以自動產生曝光時間序列，完成多次曝光，配合後續的圖像融合技術，將圖像明暗部分的細節融合，使得圖像能夠獲得大程度寬動態範圍擴展。

本發明的技術方案是：一種面向圖像寬動態範圍擴展的在軌曝光控制方法，步驟如下：

(1)圖像傳感器開始工作；

(2)設置初始曝光時間Tauto；

(3)設定最大曝光時間為Tmax，最小曝光時間為Tmin，曝光乘積基數為n，根據初始曝光時間Tauto的數值，按照下表計算出十個曝光時間，；

(4)圖像傳感器對同一場景依次採用T1至T10十個曝光時間進行曝光，並在每次曝光結束後將每一幅圖像輸出。

所述曝光乘積基數為n的取值為2或3。

本發明與現有技術相比的優點在於：在軌應用環境下，環境中不同區域的光強差異顯著，CMOS或CCD傳感器的響應範圍有限，利用同一光照強度下，圖像傳感器像素輸出與曝光時間呈線性關係的特點，本專利提出了一種以冪級數為乘數的曝光時間序列。該序列能更好的適應在軌環境下光照強度差異大的特點，儘可能的擴大了圖像的曝光時間範圍，使得較強光照和較弱光照下的圖像都能得到較好的響應，擴展了圖像動態範圍。同時利用更密集的短曝光時間，獲取了更多強光照下的圖像信息。該方法自動完成多次曝光，並將圖像輸出，配合後續的圖像融合技術，將圖像明暗部分的細節融合，使得圖像能夠獲得大程度寬動態範圍擴展。

附圖說明

圖1為圖像傳感器動態範圍示意圖；

圖2為圖像傳感器像素輸出與曝光時間、光照的關係圖；

圖3為本發明曝光控制流程圖；

圖4為本發明多級曝光圖片，其中圖4(1)為50ms曝光時間下圖像，圖4(2)為40ms曝光時間下圖像，圖4(3)為20ms曝光時間下圖像，圖4(4)為10ms曝光時間下圖像，圖4(5)為5ms曝光時間下圖像，圖4(6)為2.5ms曝光時間下圖像，圖4(7)為1.25ms曝光時間下圖像，圖4(8)為0.63ms曝光時間下圖像，圖4(9)為0.32ms曝光時間下圖像，圖4(10)為0.16ms曝光時間下圖像。

具體實施方式

自然界中光強的變化範圍很大，例如夏天正午時間直射陽光照射下的光強可以達到10000～1000000Lux。而在無月光的夜晚光強只有0.1～0.01Lux，在晴天時有日光燈照射的室內，光強大致在50～150Lux，強弱光強跨度高達十幾個數量級。然而圖像傳感器，以CMOS圖像傳感器為例，其光電轉換呈線性關係，其動態範圍如圖1所示，一幅圖像採用相同的曝光時間，且每個像素的位寬固定，可以直接測量的光強變化是有限的。普通的CCD或CMOS圖像傳感器的動態範圍僅為28～210。尤其在軌環境下，同一場景中光強亮的區域和光強暗的區域光強差別顯著，由於圖像傳感器動態範圍過小的缺陷，導致場景中許多信息無法被捕獲。

圖像傳感器像素輸出與曝光時間、光照的關係如圖2所示。由圖我們可知，強光照下，傳感器採用較小的曝光時間，就可以得到較好的響應，當曝光時間逐漸增大，圖像很快達到飽和。而弱光照下，傳感器採用較小的曝光時間，得到的響應值較小，當曝光時間增大到一定量時，達到較理想的適於人眼識別的響應。

綜上所述，提出了一種面向圖像的在軌曝光控制方法，該方法可以自動產生曝光時間序列，不同以往的曝光時間序列採用等差數列，本方法採用等比數列，以適應在軌環境光強差別顯著的特點，使強光照和弱光照下的圖像都能得到較好的響應，完成多次曝光。

本方法的曝光控制流程圖如圖3所示，具體的實施步驟如下

1、圖像傳感器工作開始。

2、設置初始曝光時間Tauto。

3、根據初始曝光時間，按照下表計算出十個曝光時間。

4、判斷曝光次數是否為10次，是則回到第2步，進行下一個多級曝光，否則進行第5步。

5、圖像傳感器對同一場景依次用T1至T10十個曝光時間進行曝光，並在每次曝光結束後將每一幅圖像輸出。輸出後回到第4步。

設最大曝光時間為Tmax，最小曝光時間為Tmin，初始曝光時間為Tauto，曝光乘積基數為n(通常n＝2,3)，則多次曝光的曝光時間分配如下表，

表1 曝光時間分配表

以最大曝光時間為50ms，最小曝光時間為10us，自動曝光時間為40ms，曝光基數為2為例，則多次曝光的曝光時間分配如下表，

表2 曝光時間分配表舉例

以上述曝光時間序列曝光後的圖像如圖4(1)～圖4(10)所示，曝光時間從大到小，分別獲取了圖像從暗到明的不同光強下的圖像細節，配合後續的圖像融合技術，使得圖像能夠獲寬動態範圍擴展。

本發明說明書中未作詳細描述的內容屬本領域技術人員的公知技術。