[发明专利]一种基于衰减掩膜的瞬态成像动态范围扩展方法

说明书

本发明提出一种基于衰减掩膜的瞬态成像动态范围扩展方法，适用于瞬态过程图像诊断，系统结构简明，实现成本低。该方法所采用的成像系统是由像增强器、衰减掩膜以及图像传感器依次耦合形成的；所述衰减掩膜是根据像增强器的余辉发光光谱特征和图像传感器像素尺寸特征设计并加工的掩膜孔阵列；该方法包括以下步骤：利用像增强器的高时间分辨快门功能，将瞬态现象的某一时刻场景定格；利用衰减掩膜的位置选择性光衰减作用，获取到衰减系数不同的的多幅子图像，其中衰减系数较小的子图像能够获取亮度较低的场景图像，衰减系数较大的子图像能够获取亮度较高的场景图像；通过子图像插值计算获得高分辨率的高动态范围瞬态图像。

技术领域

本发明涉及一种瞬态成像动态范围扩展方法，具体涉及一种能够应用于瞬态过程时间分辨图像诊断的瞬态成像动态范围扩展方法。

背景技术

基于图像传感器和像增强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。在瞬态物理过程研究中，由于对时间分辨要求极高，高速相机一般采用像增强器构成ICCD或ICMOS相机，其中像增强器通常具有10²～10⁵的光增益，可以补偿光学耦合过程中的能量损失，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传感器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曝光时间过长，较亮的区域会出现饱和，曝光时间过短，较暗的区域则不能够分辨，在这种应用条件下需要对瞬态成像系统的动态范围进行扩展。

目前，成像系统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

本发明提出一种基于衰减掩膜的瞬态成像动态范围扩展方法，适用于瞬态过程图像诊断，系统结构简明，实现成本低。

本发明的技术解决方案为：

该基于衰减掩膜的瞬态成像动态范围扩展方法，所采用的成像系统是由像增强器、衰减掩膜以及图像传感器依次耦合形成的；所述衰减掩膜是根据像增强器的余辉发光光谱特征和图像传感器像素尺寸特征设计并加工的掩膜孔阵列，使得像增强器余辉图像在经过掩膜孔阵列后，强度衰减系数在空间分布上有明显差别；该方法包括以下步骤：

首先，利用像增强器的高时间分辨快门功能，将瞬态现象的某一时刻场景定格；

然后，利用衰减掩膜的位置选择性光衰减作用，对像增强器余辉图像进行不同空间位置的选择性衰减，获取到衰减系数不同的的多幅子图像，其中衰减系数较小的子图像能够获取亮度较低的场景图像，衰减系数较大的子图像能够获取亮度较高的场景图像；

最后，通过子图像插值计算获得高分辨率的高动态范围瞬态图像。

基于以上方案，本发明的具体实现步骤如下：

1】选取图像传感器和像增强器，设计衰减掩膜并进行光学耦合；

2】对耦合后的成像系统，在不同光照强度下进行灰度值标定，获取不同光强下不同衰减系数像素对应的图像灰度值；