[發明專利]應用于多比特量子圖像傳感器的高動態范圍圖像還原方法

有效

• 申請號: 202110702289.1
• 申請日: 2021-06-21
• 公開（公告）號: CN113538262B
• 公開（公告）日: 2023-04-11
• 發明（設計）人: 高志遠;尚宗堯;高靜;聶凱明;徐江濤
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G06T5/00
• 分類號: G06T5/00
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 劉國威

本發明涉及多比特量子圖像傳感器，為提出一種基于二分法最佳閾值更新方案實現多比特量子圖像傳感器圖像還原方法。該方法能有效地提高多比特量子圖像傳感器對于高動態范圍圖像的重建效果。為此，本發明采取的技術方案是，應用于多比特量子圖像傳感器的高動態范圍圖像還原方法，利用多個閾值，在全局閾值的情況下進行多個閾值的調整，使其上下限與輸入數據的上下限對應，使有限個數的閾值準確地覆蓋輸入數據，從而使無法量化的部分得以分辨。本發明主要應用于多比特量子圖像傳感器設計制造場合。

技術領域

本發明涉及多比特量子圖像傳感器，特別涉及一種基于二分法閾值更新方案實現單光子高動態范圍成像的多比特量子圖像傳感器圖像還原方法。具體涉及實現高動態范圍圖像還原的多比特量子圖像傳感器。

背景技術

量子圖像傳感器具有單光子計數、空間過采樣、時間過采樣三大特征。這些特征使其具有超低的讀出噪聲、超大的動態范圍、超高的圖像分辨率以及超快的幀頻，量子圖像傳感器的實現將會極大提升許多特殊環境下的圖像獲取質量，例如微弱光環境成像、高速運動物體捕獲、高對比度成像等，具有廣闊的應用前景。

量子圖像傳感器分為單比特量子圖像傳感器和多比特量子圖像傳感器兩類，其工作原理如下：每個單光子探測器像素能夠檢測單個光子以產生指示光子計數，是高于還是低于特定閾值q的二元響應，從而輸出二進制數。對于單比特量子圖像傳感器，如果光子計數高于q，則傳感器輸出“1”；如果光子計數低于q，則傳感器輸出“0”。多比特量子圖像傳感器由于具有多個閾值，其輸出不是僅有一位的二進制數，而是多位的二進制數，對于一個k位的多比特量子圖像傳感器，其輸出范圍為0～2^k-1。由于量子圖像傳感器的時間空間過采樣特性，會產生大量的比特流，所以需要解碼以還原圖片，如圖1所示。

目前大多算法均通過假設固定閾值來獲取比特流，進而重建圖像。然而，實際情況中，常常存在動態范圍較大的場景，固定閾值就表現出明顯的局限性。例如：對于較暗圖像，需要一個小的閾值來確保并非所有輸出都是0；同樣，對于較亮圖像，閾值也應該適當大，使得不是所有輸出都是飽和狀態，因此最佳閾值應該與光強度相匹配，來實現高動態范圍圖像的還原。而目前已有的動態閾值算法要求每一個像素匹配一個閾值，計算量和計算時間均較大，難以應用實現。

發明內容

為克服現有技術的不足，本發明旨在提出一種基于二分法最佳閾值更新方案實現多比特量子圖像傳感器圖像還原方法。該方法能有效地提高多比特量子圖像傳感器對于高動態范圍圖像的重建效果。為此，本發明采取的技術方案是，應用于多比特量子圖像傳感器的高動態范圍圖像還原方法，利用多個閾值，在全局閾值的情況下進行多個閾值的調整，使其上下限與輸入數據的上下限對應，使有限個數的閾值準確地覆蓋輸入數據，從而使無法量化的部分得以分辨。

具體步驟如下：

定義多比特量子圖像傳感器的位數為k，空間過采樣因子M,時間過采樣因子T，L＝M*T,等效滿阱容量為L*2^k-1，閾值步長為σ，對應的量化結果為對于一組輸入，其最大值最小值是唯一的，則對應的量化結果在S₁與中存在最佳值C₁和以最大最小閾值的量化結果是否達到最佳值為判斷依據，通過二分法快速更新閾值，實現閾值準確地覆蓋輸入數據。

在更新最大最小閾值的同時，也對其周圍的閾值進行調整，調整的大小由兩端向中間逐個遞減，直到為0，以此保證整體閾值的線性度，在最大最小閾值確定后，整體閾值也得以確定。圖像恢復過程通過基于最大似然估計非迭代算法進行性，最終重建結果

詳細步驟如下：

定義量化結果誤差為e＝0.01*L*2^k-1，

最小量化結果最佳值為C₁＝L/2,

最大量化結果最佳值為