[发明专利]一种用于实时高动态范围成像数字相机装置的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于数字相机的方法，特别是涉及一种可通过实时信号处理有效和显著 扩大相机输出图像动态范围值或信噪比的用于实时高动态范围成像数字相机装置的方法。

背景技术

随着成像器件技术的迅速提高，在许多领域中，基于数字相机的成像方法被越来越多地 用于定量测量光辐射能量和其他电磁场如x光辐射能量的空间分布，因此需要增加数字相机 输出图像的动态范围或信噪比，以提高定量测量能量分布的信号精度。例如基于数字相机的 成像测量技术已应用于混浊介质散射光空间分布的快速定量测量，出现了可以准确测量散射 光能量的空间分布并据此确定混浊介质光学参数的反射成像方法和系统(美国专利“Methods andSystemsforOpticallyCharacterizingaTurbidMaterialUsingaStructuredIncidentBeam”，专 利号：8,634,077)。在这种成像测量方法中，用于定量测量辐射能量空间分布的数字相机可以 采用基于电荷耦合器件(简称CCD)类或互补金属氧化物半导体(简称CMOS)类的图像传 感器，测量混浊介质样品和反射率标准板在入射光束照射下所产生的反射光信号能量的空间 分布，输出相应的数字图像数据，然后由一个信号分析单元根据反射光图像数据获得样品的 反射率图像，再根据所测量的反射率图像确定样品的光学参数，如吸收、散射系数和各向异 性参数以及其他参数如样品某一个区域的形状参数等。

在上述混浊介质材料分析以及其他应用中，测量光辐射能量和其他电磁场如x光辐射能 量空间分布的数字相机装置所输出的相机图像的高动态范围或信噪比是准确地确定材料特性 参数的必要条件。数字相机装置一般由具有二维像素阵列组成的成像传感器、图像信号处理 电路和数据传输线组成，其中图像信号处理电路包括时序脉冲驱动电路、具有对成像传感器 输出的模拟视频信号完成放大、采样和模数转换等多种功能的图像处理器、可编程逻辑器件、 存储器和信号控制输入输出电路等部分组成。光电成像传感器由许多位于不同行和列的像素 组成，每个像素在曝光时间内吸收到达像素所在位置上的入射光子能量，转换为电荷。图像 信号处理电路中的可编程逻辑器件和时序脉冲驱动电路为成像传感器提供时序脉冲，成像传 感器根据时序脉冲将所有像素电荷作为脉冲信号移动至其内部的读出寄存器，然后输出由像 素电荷脉冲信号组成的模拟视频信号至图像处理器，成像传感器中的像素电荷的移动和脉冲 信号的放大与输出也称为图像模拟信号读出过程。图像信号处理电路也包括图像处理器，用 于接收模拟视频信号并将此脉冲信号转换为数字视频信号后输出。图像信号处理电路还包括 可编程逻辑器件、存储器和信号控制输入输出电路。存储器用于储存自图像接受和分析装置 (如计算机等)所输入的图像控制处理程序，该程序在每次数字相机装置启动时由存储器读 入可编程逻辑器件，可编程逻辑器件再根据该程序自图像处理器读入、处理数字视频信号和 获得传感器图像数据，然后可根据图像控制处理程序将传感器图像数据存入存储器并做其他 处理，最终获得相机图像数据。图像信号处理电路中的控制输入输出电路用于将用户修改后 的图像控制处理程序传输存储至存储器内和将相机图像数据输出至成像控制和图像分析装置 (如计算机等)。

数字相机装置输出的每幅图像一般由N列M行像素组成，每个像素一般为正整数值，从 0至2^w-1，其中w为二进制像素值的位数，等于相机图像处理电路中模拟数字转换器件的位 数。数字相机的一个重要技术指标为图像幅输出速率F，定义为每秒相机输出图像的最大幅 数。F与成像传感器每幅输出图像的总像素数(＝NM)和单位为赫兹的像素读出频率f的关 系可由下式表达

F=fNMw---(1)]]>

由上式可见，在保持图像幅读出速率F和总像素数NM不变的条件下，像素读出频率f 正比于二进制像素值的位数w。

数字图像的动态范围D一般定义为