[發(fā)明專利]一種基于衰減掩膜的瞬態(tài)成像動態(tài)范圍擴展方法

有效

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• 申請日: 2017-11-07
• 公開（公告）號: CN107864317B
• 公開（公告）日: 2020-03-13
• 發(fā)明（設計）人: 嚴明;楊少華;李剛;劉璐;郭明安;李斌康
• 申請（專利權）人: 西北核技術研究所
• 主分類號: H04N5/225
• 分類號: H04N5/225;H04N5/232;H04N5/235
• 代理公司: 西安智邦專利商標代理有限公司 61211
• 代理人: 胡樂

本發(fā)明提出一種基于衰減掩膜的瞬態(tài)成像動態(tài)范圍擴展方法，適用于瞬態(tài)過程圖像診斷，系統(tǒng)結構簡明，實現(xiàn)成本低。該方法所采用的成像系統(tǒng)是由像增強器、衰減掩膜以及圖像傳感器依次耦合形成的；所述衰減掩膜是根據(jù)像增強器的余輝發(fā)光光譜特征和圖像傳感器像素尺寸特征設計并加工的掩膜孔陣列；該方法包括以下步驟：利用像增強器的高時間分辨快門功能，將瞬態(tài)現(xiàn)象的某一時刻場景定格；利用衰減掩膜的位置選擇性光衰減作用，獲取到衰減系數(shù)不同的的多幅子圖像，其中衰減系數(shù)較小的子圖像能夠獲取亮度較低的場景圖像，衰減系數(shù)較大的子圖像能夠獲取亮度較高的場景圖像；通過子圖像插值計算獲得高分辨率的高動態(tài)范圍瞬態(tài)圖像。

技術領域

本發(fā)明涉及一種瞬態(tài)成像動態(tài)范圍擴展方法，具體涉及一種能夠應用于瞬態(tài)過程時間分辨圖像診斷的瞬態(tài)成像動態(tài)范圍擴展方法。

背景技術

基于圖像傳感器和像增強器的高速相機在瞬態(tài)物理過程研究領域中應用廣泛。目前常用的圖像傳感器主要有兩種：CCD圖像傳感器和CMOS圖像傳感器。在瞬態(tài)物理過程研究中，由于對時間分辨要求極高，高速相機一般采用像增強器構成ICCD或ICMOS相機，其中像增強器通常具有10²～10⁵的光增益，可以補償光學耦合過程中的能量損失，起到光增益的作用，同時像增強器的開門時間相對于CCD或CMOS傳感器的電子快門或高速機械快門裝置要快2～3個數(shù)量級以上，因此，可以將像增強器作為光快門選通器件，對高速瞬態(tài)過程進行高時間分辨成像。在爆轟效應、高速碰撞和等離子體實驗等瞬態(tài)物理研究領域中，所要診斷測試的目標往往具有非常高的動態(tài)范圍，在利用高速相機進行成像時曝光時間過長，較亮的區(qū)域會出現(xiàn)飽和，曝光時間過短，較暗的區(qū)域則不能夠分辨，在這種應用條件下需要對瞬態(tài)成像系統(tǒng)的動態(tài)范圍進行擴展。

目前，成像系統(tǒng)動態(tài)范圍擴展的方法有很多種，其中雙幀曝光甚至多幀曝光圖像融合技術是一種發(fā)展較早、應用比較廣泛的動態(tài)擴展方法。它的原理是對同一場景進行兩次或者多次曝光拍攝，分別獲取不同曝光條件下的圖像信息，然后通過圖像融合實現(xiàn)動態(tài)擴展。但是這種方法只對靜態(tài)場景或相對靜態(tài)場景有效，亦即在多次曝光拍攝時，目標場景不變或變化極小；對于瞬態(tài)過程來說，難以在極短的時間內(nèi)進行多次曝光成像，在進行多次拍攝的過程中目標狀態(tài)已經(jīng)發(fā)生了變化，因此進行圖像融合已經(jīng)沒有了意義。另外一種實現(xiàn)方法是采用多臺相機，通過預設不同的光圈值或曝光時間，采用分光鏡使多臺相機能夠獲取同一時刻的目標圖像，從而能夠進行圖像融合。但是這種方法的缺點是系統(tǒng)過于復雜，價格昂貴，而且光學對準帶來的多幅圖像之間的誤差也會對最終的圖像融合結果帶來影響。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提出一種基于衰減掩膜的瞬態(tài)成像動態(tài)范圍擴展方法，適用于瞬態(tài)過程圖像診斷，系統(tǒng)結構簡明，實現(xiàn)成本低。

本發(fā)明的技術解決方案為：

該基于衰減掩膜的瞬態(tài)成像動態(tài)范圍擴展方法，所采用的成像系統(tǒng)是由像增強器、衰減掩膜以及圖像傳感器依次耦合形成的；所述衰減掩膜是根據(jù)像增強器的余輝發(fā)光光譜特征和圖像傳感器像素尺寸特征設計并加工的掩膜孔陣列，使得像增強器余輝圖像在經(jīng)過掩膜孔陣列后，強度衰減系數(shù)在空間分布上有明顯差別；該方法包括以下步驟：

首先，利用像增強器的高時間分辨快門功能，將瞬態(tài)現(xiàn)象的某一時刻場景定格；

然后，利用衰減掩膜的位置選擇性光衰減作用，對像增強器余輝圖像進行不同空間位置的選擇性衰減，獲取到衰減系數(shù)不同的的多幅子圖像，其中衰減系數(shù)較小的子圖像能夠獲取亮度較低的場景圖像，衰減系數(shù)較大的子圖像能夠獲取亮度較高的場景圖像；

最后，通過子圖像插值計算獲得高分辨率的高動態(tài)范圍瞬態(tài)圖像。

基于以上方案，本發(fā)明的具體實現(xiàn)步驟如下：

1】選取圖像傳感器和像增強器，設計衰減掩膜并進行光學耦合；

2】對耦合后的成像系統(tǒng)，在不同光照強度下進行灰度值標定，獲取不同光強下不同衰減系數(shù)像素對應的圖像灰度值；