[发明专利]基于图像传感器多帧曝光的瞬态成像动态范围扩展方法

说明书

本发明提供了一种基于图像传感器多帧曝光的瞬态成像动态范围扩展方法，包括步骤：选取图像传感器和像增强器的类型，确定图像传感器的最大曝光次数n；将图像传感器与像增强器进行耦合；在瞬态现象发生过程中、像增强器的余辉衰减时间内，使图像传感器进行n次曝光；分别获取图像传感器n次曝光输出的n帧图像数据；图像融合。仅需要一台由图像传感器和像增强器组成的ICCD或ICMOS相机，通过设置像增强器的开门时间和图像传感器的曝光时间和工作模式即可实现瞬态成像动态范围扩展，因此所需系统简单，成本较低，误差小。

技术领域

本发明涉及一种基于图像传感器多帧曝光的瞬态成像动态范围扩展方法。

背景技术

基于图像传感器的高速相机在瞬态物理过程研究领域中应用广泛。目前常用的图像传感器主要有两种：CCD图像传感器和CMOS图像传感器。在瞬态物理应用过程中，高速相机一般与像增强器组成ICCD或ICMOS相机，其中像增强器具有10²～10⁵的光增益，可以补偿耦合光能损失，起到光增益的作用，同时像增强器的开门时间相对于CCD或CMOS相机的电子快门或高速机械快门装置要快2～3个数量级以上，因此，可以将像增强器作为光快门选通器件，对高速瞬态过程进行高时间分辨成像。在爆轰效应、高速碰撞和等离子体实验等瞬态物理研究领域中，所要诊断测试的目标往往具有非常高的动态范围，在利用高速相机进行成像时，若曝光时间过长，较亮的区域会出现饱和；若曝光时间过短，则较暗的区域不能够被分辨，在这种应用条件下需要对图像传感器的成像动态范围进行扩展。

目前，进行图像传感器动态范围扩展的方法有很多种，其中双帧曝光甚至多帧曝光图像融合技术是一种发展较早、应用比较广泛的动态扩展方法。它的原理是对同一场景进行两次或者多次曝光拍摄，分别获取不同曝光条件下的图像信息，然后通过图像融合实现动态扩展。但是这种方法只对静态场景或相对静态场景有效，亦即在多次曝光拍摄时，目标场景不变或变化极小；对于瞬态过程来说，难以在极短的时间内进行多次曝光成像，在进行多次拍摄的过程中目标状态已经发生了变化，因此进行图像融合已经没有了意义。另外一种实现方法是采用多台相机，通过预设不同的光圈值或曝光时间，采用分光镜使多台相机能够获取同一时刻的目标图像，从而能够进行图像融合。但是这种方法的缺点是系统过于复杂，价格昂贵，而且光学对准带来的多幅图像之间的误差也会对最终的图像融合结果带来影响。

发明内容

为解决现有图像传感器瞬态成像动态范围扩展方法所需系统过于复杂、价格昂贵、误差较大的技术问题，本发明提出一种基于图像传感器多帧曝光的瞬态成像动态范围扩展方法，采用该方法进行动态范围扩展时所需系统简单，成本较低、误差小。

本发明的原理是：

本发明利用像增强器的余辉衰减效应和规律，将瞬态现象的某一时刻场景定格并进行时间延长，在余辉衰减时间内进行多帧曝光并分别采集多帧曝光的图像(其中曝光量大的图像能够获取较暗区域的细节，曝光量小的图像能够获取较亮甚至饱和区域的细节)，然后通过图像融合的方法使得瞬态现象中的亮区域和暗区域的细节信息在同一幅图像中得以体现，进而实现适用于瞬态过程的图像传感器的动态扩展。

本发明的技术解决方案为：

基于图像传感器多帧曝光的瞬态成像动态范围扩展方法，包括以下步骤：

1】选取图像传感器和像增强器的类型，确定图像传感器的最大曝光次数n；

2】将图像传感器与像增强器进行耦合；

3】在瞬态现象发生过程中触发像增强器开关使像增强器进行曝光，在像增强器的余辉衰减时间t_λ内使图像传感器进行第一次曝光；

4】将图像传感器感光区中由其第一次曝光形成的电荷转移至图像传感器存储区；

5】图像传感器第一次曝光形成的电荷转移完毕后，使图像传感器进行第二次曝光；