專利名稱：一種通過半反射鏡采集圖像和提高圖像質量的方法
技術領域：
本發明涉 及一種采集和提高數字圖像質量的方法，具體涉及一種通過半反射鏡同時獲得兩幅不同參數圖像并合成的方法，屬于數字圖像采集和合成領域。
背景技術：
當前的數字圖像生成方式一般使用單一圖像傳感器采集圖像信息，受到圖像傳感器性能和規格限制，在輸出的圖像質量方面存在很大的局限性。作為圖像質量的一個方面，對圖像亮度反差的寬容程度一般采用動態范圍進行評價，動態范圍是指一幅圖像或一個場景中亮度的最大值和最小值之比稱為動態范圍(Dynamic Range),定義為a=l (max)/I (min),其中,a為動態范圍值、I (max)為最大亮度、I (min)為最小亮度。單一圖像傳感器對亮度的敏感范圍(動態范圍)有限。假設單個圖像傳感器支持的動態范圍為m——即只能覆蓋最暗到最亮相差m倍的亮度范圍。如果被拍攝場景最亮和最暗部分亮度相差η倍(n>m)，即被拍攝場景動態范圍大于圖像傳感器所能支持的動態范圍，則使用單獨圖像傳感器成像，不能覆蓋場景中全部亮度的動態范圍，會導致圖像的一部分曝光過度或曝光不足。對于動態范圍的提升，現有技術的基本思路有兩類第一類是通過多幅不同曝光量的圖像進行合成，即HDR合成，獲得動態范圍更大的圖像；第二類是通過對圖像傳感器不同部分像素分別進行的感光度設置擴大單獨圖像傳感器的動態范圍，從而獲得高動態范圍的圖像，HDR指高動態范圍(High Dynamic Range),高動態范圍HDR合成是指將多幅不同曝光的圖像進行合成以獲得高動態范圍圖像的技術。列舉三種現有技術進行說明，前兩種屬于第一類，第三種屬于第二類。現有技術I :為了獲得供合成的多張數字圖像，需要通過多次成像，拍攝多幅圖像實現。這種方法雖然獲取了多幅圖像，但是各圖像拍攝的時間存在先后差異，要求被拍攝場景基本保持靜止不變，如果場景快速變化或存在運動物體，則各圖像間差異較大，不利于或不能進行合成。現有技術2 :通過多鏡頭拍攝同一場景方法獲得多幅圖像。此種方法需要兩套或多套相同的鏡頭和成像系統并列布置，該方法的缺陷在于由于各鏡頭空間位置不同，拍攝時存在視角差異，在拍攝距離較近場景時，視角差異明顯，不利于進行合成。現有技術3:使用單一圖像傳感器成像，對處于圖像亮部和暗部的像素分別進行不同的曝光或感光度設置。該方法要求圖像傳感器上不同部分的像素具備獨立的感光度調整能力，難度較大，且要求針對圖像的不同部分進行分別測光，以便為每個像素的感光度設置提供數據支持。半反射鏡是一種平面反射鏡，其鏡面上任意一點，均按照相同的比例將入射光線的一部分進行反射，其余部分光線透射。圖像傳感器是能感受光學圖像信息并轉換成可用輸出信號的傳感器——如CXD、COMS等。
發明內容
針對現有技術中數字圖像提取和提高圖像質量的局限，本發明提供了一種通過半反射鏡采集圖像和提高圖像質量的方法，在本發明的方法中將單一鏡頭攝取的圖像分別透射和反射到兩個圖像傳感器上，提高最終輸出的單幅數字圖像質量。為了到達上述的目的，本發明的技術方案是一種通過半反射鏡采集圖像的方法，將半反射鏡片按照一定角度擺放在光學鏡頭后部光路上，將鏡頭入射光線分為透射和反射兩部分，并分別在兩個圖像傳感器上成像，其步驟為I)通過所述光學鏡頭攝取入射光線圖像信息并在所述光學鏡頭后部光路上設置一半反射鏡片；2)根據光線平面反射原理使該半反射鏡片與所述光學鏡頭軸線成設定角度放置，得到該半反射鏡片反射光路與透射光路；·3)在所述反射光路和透射光路的上設置圖像傳感器獲取反射和透射圖像信息；3-1)將一圖像傳感器設置在反射光線焦平面上；3-2)將另一圖像傳感器設置在透射光路的焦平面上；4)提取所述圖像傳感器上圖像信息，完成采集。基于上述方法本發明還進一步提出一種通過半反射鏡提高圖像動態范圍的方法，將半反射鏡片擺放在光學鏡頭所在光路上，其步驟為I)通過所述光學鏡頭攝取入射光線圖像信息并在所述光學鏡頭后部光路上設置一半反射鏡片；2)根據光線平面反射原理使該半反射鏡片與所述光學鏡頭所在軸線成設定角度放置，得到該半反射鏡片反射光路與透射光路；3)在所述反射光路和透射光路的上設置圖像傳感器獲取反射和透射圖像信息；3-1)將一圖像傳感器設置在反射光線焦平面上；3-2)將另一圖像傳感器設置在透射光線的焦平面上；4)提取所述圖像傳感器上圖像信息，根據圖像亮度值對所述產生反射和透射圖像的傳感器進行曝光補償或感光度調節，并通過合成得到最終輸出的數字圖像。對所述圖像傳感器設置的基本思想是對于獲得光線比例較大的傳感器，使其針對圖像暗部進行曝光；對于獲得光線比例較小的傳感器，使其針對圖像亮部進行曝光。根據所述反射和透射光線比例分配和對參考亮度的選擇，設置所述圖像傳感器動態范圍。所述圖像傳感器動態范圍通過曝光補償和/或感光度調節進行控制。對所述兩個圖像傳感器按照下述策略進行設置4-1)對所述半反射鏡的反射比例小于透射比例的條件下，若兩圖像傳感器參考圖像平均亮度進行設置，則減少反射光路上圖像傳感器的曝光補償或感光度、增加透射光路上圖像傳感器的曝光補償或感光度；若反射光路上的圖像傳感器參考圖像亮部亮度進行設置，則該傳感器的曝光補償或感光度不再調整；若透射光路上的圖像傳感器參考圖像暗部亮度進行設置，則該傳感器的曝光補償或感光度不再進行調整。
4-2)對所述半反射鏡的反射比例大于透射比例的條件下，若兩圖像傳感器參考圖像平均亮度進行設置，則增加反射光路上圖像傳感器的曝光補償或感光度、減小透射光路上圖像傳感器的曝光補償或感光度；若反射光路上的圖像傳感器參考圖像暗部亮度進行設置，則該傳感器的曝光補償或感光度不再調整；若透射光路上的圖像傳感器參考圖像亮部亮度進行設置，則該傳感器的曝光補償或感光度不再進行調整。所述合成圖像信息的方式是HDR圖像合成算法。所述光學鏡頭軸線與半反射鏡面的角度設置為使反射光路及光路上的器件與透射光路及光路上的器件互不干擾。所述半反射鏡上任意一點的入射光線強度以固定比例被分為反射光線與透射光線。本發明的有益效果本發明使用半反射鏡將單一鏡頭攝取的圖像分別透射和反射到兩個圖像傳感器 上，采樣得到同一時間上的兩種圖像。同時本發明基于半反射鏡光線分離、分別在兩個圖像傳感器上同時成像這個基本方法，還提出一種提高圖像動態范圍的方法，該方法通過半反射鏡對入射光線的分離，獲得兩幅圖像后再合成；獲得動態范圍更大的單幅圖像；相較于傳統方法，兩幅圖像同時獲取，沒有前后時間上的差異，因此對場景變化和場景中的運動物體不敏感。且入射光線由單一鏡頭獲取，空間上不存在視角差異，有利于提高圖像質量，實現簡單，該方法所用各元件和測光、圖像HDR合成方法均為現有成熟技術。另外，由于該方法中，獲得最終的輸出圖像只需要一次拍攝動作，所以，既可用于獲得單幅圖像，如照相機，也可以方便的通過圖像的連續采集，進行攝像，獲取連續的高動態范圍的視頻輸出。
圖I是本發明通過半反射鏡和雙圖像傳感器采集圖像實現裝置一實施例中示意圖。圖2是本發明通過半反射鏡采集圖像的方法中一實施例中，兩圖像傳感器動態范圍設置的示意圖。圖3Ca)是本發明通過半反射鏡采集圖像的一實施例中針對暗部實際拍攝測試。圖3 (b)是本發明通過半反射鏡采集圖像的一實施例中針對亮部實際拍攝測試。圖3 (C)是本發明通過半反射鏡采集圖像的一實施例中經過HDR方法合成后最終輸出圖像。
具體實施例方式發明原理本發明中圖像傳感器設置的參考亮度通過測光獲得，測光是指測量圖像整體或部分的亮度值。測光方式有平均測光、點測光等。圖像傳感器以測光獲得的亮度值作為基準，設置合適的曝光量和感光度。現有技術成熟，本方法中只關注亮度值的使用，不關注亮度值的具體獲取方式。單個光學鏡頭這里無特殊要求，只要能進行光學成像即可，鏡頭后部距焦平面距離應足夠布置半反射鏡；
鏡頭光路上成一定角度放置的半反射鏡，該鏡片將入射的光線部分反射，另一部分光線透射；實際實現中半反射鏡片的放置角度不做特殊限制，只要符合幾何光學的平面反射原理，使得透射和反射光路及兩光路上的相應器件不會相互干擾和遮擋即可。反射光線焦平面上和透射光線焦平面上的兩塊圖像傳感器的類型不限，對圖像傳感器本身不做特殊要求。兩圖像傳感器放置的要求是一個放在半反射鏡的反射光路的焦平面上，另一圖像傳感器放置在透射光路的焦平面上，使得經同一鏡頭入射的光線能夠同時在兩圖像傳感器上成像。通過半反射鏡，將鏡頭攝取圖像分別投射在兩個圖像傳感器上，兩個圖像傳感器分別成像，對兩圖像進行合成，獲得質量更高的單幅數字圖像。這里，半反射鏡上任意一點的入射光線均以固定的比例進行反射和透射。反射和透射的光線均能夠獲得完整的圖像。兩幅圖像的亮度之比即為半反射鏡反射與透射光的亮度之比。對于透射光線，半反射鏡相當于平面透鏡，對于反射光線，半反射鏡相當于平面反射鏡。 基于上述光學結構，進一步提出提高圖像動態范圍的方法，具體的圖像傳感器設置和圖像合成方式如下基于動態范圍互補設置與圖像合成本方法，使用半反射鏡，通過兩個圖像傳感器成像，彌補單一圖像傳感器動態范圍有限的缺點。由于半反射鏡將鏡頭的全部入射光線分為透射部分和反射部分，所以對兩部分光線成像的兩個圖像傳感器需要按照互補的方式進行曝光設置——根據反射和透射光線的比例分配，分別設置兩個圖像傳感器的曝光策略(I)獲得較小比例光線的圖像傳感器，針對畫面亮部(高光部分)進行曝光設置，即如果基于當前焦平面上畫面的平均亮度，則減小曝光補償或降低圖像傳感器感光度。如果基于當前焦平面上畫面的亮部亮度，則不必額外進行曝光補償或修改感光度；(2)獲得較大比例光線的圖像傳感器，針對畫面暗部(弱光部分)進行曝光設置，即如果基于當前焦平面上畫面的平均亮度，則增加曝光補償或提高圖像傳感器感光度。如果基于當前焦平面上畫面的暗部亮度，則不必額外進行曝光補償或修改感光度。本發明一種量化的描述如下忽略入射光線在各光學元件上的損耗，設半反射鏡反射率為X，透射率為y，則x+y=100%。入射光線，如果不經過半反射鏡分離，焦平面上的平均亮度為I。經過半反射鏡分離后，反射焦平面上的平均亮度為1(a) =l*x，透射焦平面上的平均亮度為1(b) =l*y。分兩種情況I、如果x〈y，即反射光線所占比例較小。則設置反射光路焦平面上的圖像傳感器針對圖像亮部曝光S卩，基于1(a)進行曝光設置時，減小曝光補償或降低感光度；設反射焦平面上圖像亮部的亮度為I (a’)，容易知道I (a’)>l(a)，所以基于l(a’ )進行曝光設置時，不進行額外的曝光補償或修改感光度。設置透射光路焦平面上的圖像傳感器針對圖像暗部曝光。S卩，基于I (b)進行曝光設置時，增加曝光補償或提高感光度；設透射焦平面上圖像暗部的亮度為I (b’)，容易知道I(b’)〈103)，所以基于1(13’)進行曝光設置時，不進行額外的曝光補償或修改感光度。2、如果x>y，即透射光線所占比例較小，則將上述反射和透射焦平面上的圖像傳感器的曝光設置策略顛倒即可。綜上，兩圖像傳感器分別針對被攝場景亮部和暗部進行有針對性的曝光，從而使整體的動態范圍能夠覆蓋整個場景的亮度范圍。根據上述方式獲得兩幅不同曝光的圖像后，使用HDR合成方式，將兩幅圖像合成為單一圖像輸出。最終獲得的單幅圖像具有更高的動態范圍，體現在畫面效果上，圖像的亮部和暗部均得到合適曝光，避免因曝光過度或曝光不足造成的畫面細節丟失。如圖I所示的是本發明中半反射鏡提高圖像質量方法的一種實現裝置示意圖。其中，I一鏡頭，可以為任意可用于成像的單一鏡頭；2—半反射鏡，將鏡頭入射的光線部分透射、部分反射；3—圖像傳感器A，放置在反射光路焦平面上，用于反射光線的成像；4一圖像傳感器B，放置在透射光路焦平面上，用于透射光線的成像；5—鏡頭軸線，鏡頭軸線與圖像傳感器B垂直；6—反射光路，半反射鏡的反射光線路徑；7—透射光路，半反射鏡的透射光 線路徑；鏡頭入射光線經半反射鏡，分成兩部分。第一部分沿反射光路在圖像傳感器A上成像；同時，第二部分沿透射光路在圖像傳感器B上成像。如圖2所示的是本發明中半反射鏡反射光路和透射光路上兩圖像傳感器動態范圍設置的示意圖。其中，a2為針對場景亮部成像的圖像傳感器，其曝光或感光度的設置基于平均亮度減小曝光補償，使動態范圍覆蓋圖像亮部；al為針對場景暗部成像的圖像傳感器，其曝光或感光度的設置基于場景平均亮度增加曝光補償，使動態范圍覆蓋圖像暗部；a為兩圖像傳感器分別獲得的圖像共同覆蓋的動態范圍。通過對兩幅圖像想的HDR合成，擴大最終輸出圖像的動態范圍。如圖3 (a)_圖3 (C)所示，為實際拍攝測試樣例。圖3 (a)為前述方法中針對圖像暗部曝光的圖像傳感器獲得的圖像。暗部曝光正常，細節清晰，但亮部過曝，細節丟失；圖3 (b)為前述方法中針對圖像亮部曝光的圖像傳感器獲得的圖像。亮部曝光正常，圖像細節清晰，但暗部曝光不足，細節丟失；圖3 (c)為前述兩圖像經HDR合成后獲得的最終輸出圖像，圖像亮部和暗部均獲得合適曝光，圖像整體動態范圍得到提高。在本發明的實施例中對鏡頭無具體要求，可用于光學成像即可，其鏡頭后部到焦平面間的距離應足夠放置半反射鏡。在本方法中的半反射鏡，使用現有技術，沒有具體工藝要求。圖像傳感器使用目前常見CCD或COMS均可，無特殊技術要求。圖像平均亮度和亮部、暗部的局部亮度值，使用現有成熟的測光技術獲取即可，HDR合成方法也使用現有技術，無特殊要求和修改。
權利要求
1.一種通過半反射鏡采集圖像的方法，將半反射鏡片按照一定角度擺放在光學鏡頭后部光路上，將鏡頭入射光線分為透射和反射兩部分，并分別在兩個圖像傳感器上成像，其步驟為 1)通過所述光學鏡頭攝取入射光線圖像信息并在所述光學鏡頭后部光路上設置一半反射鏡片； 2)根據光線平面反射原理使該半反射鏡片與所述光學鏡頭所在軸線成設定角度放置，得到該半反射鏡片反射光路與透射光路； 3)在所述反射光路和透射光路的上設置圖像傳感器獲取反射和透射圖像信息； 3-1)將一圖像傳感器設置在反射光線焦平面上； 3-2)將另一圖像傳感器設置在透射光線的焦平面上； 4)提取所述圖像傳感器上圖像信息，完成采集。
2.一種通過半反射鏡提高圖像質量的方法，將半反射鏡片擺放在光學鏡頭所在光路上，其步驟為 1)通過所述光學鏡頭攝取入射光線圖像信息并在所述光學鏡頭后部光路上設置一半反射鏡片； 2)根據光線平面反射原理使該半反射鏡片與所述光學鏡頭軸線成設定角度放置，得到該半反射鏡片反射光路與透射光路； 3)在所述反射光路和透射光路的上設置圖像傳感器獲取反射和透射圖像信息； 3-1)將一圖像傳感器設置在反射光線焦平面上； 3-2)將另一圖像傳感器設置在透射光路的焦平面上； 4)提取所述圖像傳感器上圖像信息，根據圖像亮度值對所述產生反射和透射圖像的傳感器進行曝光補償或感光度調節，并通過合成得到最終輸出的數字圖像。
3.如權利要求2所述的通過半反射鏡采集圖像的方法，其特征在于，根據所述反射和透射光線比例分配和對參考亮度的選擇，設置所述圖像傳感器動態范圍。
4.如權利要求2或3所述的通過半反射鏡采集圖像的方法，其特征在于，所述圖像傳感器動態范圍通過曝光補償和/或感光度調節進行控制。
5.如權利要求2所述的通過半反射鏡采集圖像的方法，其特征在于，當半反射鏡的反射比例小于透射比例，若在兩圖像傳感器參考圖像平均亮度進行設置時，減少反射光路上圖像傳感器的曝光補償或感光度、增加透射光路上圖像傳感器的曝光補償或感光度；若在反射光路上的圖像傳感器參考圖像亮部亮度進行設置時，則該傳感器的曝光補償或感光度不再調整；若在透射光路上的圖像傳感器參考圖像暗部亮度進行設置時，則該傳感器的曝光補償或感光度不再進行調整。
6.如權利要求2所述的通過半反射鏡采集圖像的方法，其特征在于，當半反射鏡的反射比例大于透射比例，若在兩圖像傳感器參考圖像平均亮度進行設置時，則增加反射光路上圖像傳感器的曝光補償或感光度、減小透射光路上圖像傳感器的曝光補償或感光度；若在反射光路上的圖像傳感器參考圖像暗部亮度進行設置時，則該傳感器的曝光補償或感光度不再調整；若在透射光路上的圖像傳感器參考圖像亮部亮度進行設置時，則該傳感器的曝光補償或感光度不再進行調整。
7.如權利要求2所述的通過半反射鏡采集圖像的方法，其特征在于，所述合成圖像信息的方式是HDR圖像合成算法。
8.如權利要求I所述的基于通過半反射鏡采集圖像的方法，所述光學鏡頭軸線與半反射鏡面的角度設置為使反射光路及光路上的器件與透射光路及光路上的器件互不干擾。
9.如權利要求I所述的基于通過半反射鏡采集圖像的方法，其特征在于，所述半反射鏡上任意一點的入射光線強度以固定比例被分為反射光線與透射光線。
全文摘要
本發明涉及一種通過半反射鏡采集圖像和提高圖像質量的方法，1)通過光學鏡頭攝取入射光線圖像信息并在光學鏡頭后部光路上設置一半反射鏡片；2)根據光線平面反射原理使該半反射鏡片與所述光學鏡頭所在軸線成設定角度放置，得到該半反射鏡片反射光路與透射光路；3)在反射光路和透射光路上設置圖像傳感器獲取反射和透射圖像信息；4)提取圖像傳感器上圖像信息，分別針對圖像亮部和暗部對產生反射和透射圖像的傳感器進行曝光補償或感光度調節,并合成得到完整數字圖像。相較于傳統方法，本發明兩幅圖像同時獲取，沒有前后時間上的差異，因此對場景變化和場景中的運動物體不敏感。基于同樣的原因，該方法也便于獲取連續的高動態范圍視頻信息。
文檔編號H04N5/355GK102857681SQ20121034023
公開日2013年1月2日 申請日期2012年9月13日 優先權日2012年9月13日
發明者侯大威 申請人:侯大威