時(shí)間:2014-09-03 17:46:05來源:維視圖像
HDR即High-DynamicRange,中文為高動(dòng)態(tài)范圍成像,是近年來比較熱門的成像和圖像處理技術(shù)。HDR能夠?qū)崿F(xiàn)比普通數(shù)字圖像技術(shù)更大的曝光動(dòng)態(tài)范圍(即更大的明暗差別),其成像的目的就是要正確地表示真實(shí)世界中從太陽光直射到最暗的陰影這樣大的范圍亮度。
以下是一組HDR成像技術(shù)的對比圖,可以讓讀者更直觀的感受到HDR技術(shù)的價(jià)值。
可以看出,HDR技術(shù)的效果堪稱震撼人心,可以預(yù)見此技術(shù)將會(huì)在視覺成像和圖像處理領(lǐng)域取得越來越多的應(yīng)用。問題在于,為什么相機(jī)的芯片不能直接取得類似HDR的良好成像效果,而必須通過軟件校正來實(shí)現(xiàn)呢?這就涉及到本文將要重點(diǎn)講述的內(nèi)容:動(dòng)態(tài)范圍。網(wǎng)上有部分關(guān)于動(dòng)態(tài)范圍的介紹,但是均不夠系統(tǒng),不夠全面。維視圖像作為國內(nèi)機(jī)器視覺產(chǎn)品的領(lǐng)先提供商,具備十余年的生產(chǎn)和銷售經(jīng)驗(yàn),對視覺產(chǎn)品和軟件的了解在行業(yè)內(nèi)處于絕對的領(lǐng)導(dǎo)地位,在此我們愿意與您分享關(guān)于動(dòng)態(tài)范圍的相關(guān)知識(shí),希望大家共同進(jìn)步。
動(dòng)態(tài)范圍指場景中的亮度范圍或膠片、CCD、CMOS等感光材料的感光范圍,對于膠片和感光元件來說,動(dòng)態(tài)范圍表示圖像中所包含的從“最暗”至“最亮”的范圍。動(dòng)態(tài)范圍越大,所能表現(xiàn)的層次越豐富,所包含的色彩空間也越廣。
那么,當(dāng)拍攝場景的動(dòng)態(tài)范圍超過相機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍時(shí),會(huì)出現(xiàn)什么情況呢?
工業(yè)相機(jī)的感光元件是由數(shù)以百萬個(gè)像素組成的,這些像素在像素曝光的過程中吸收光子,轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號,然后成像。這個(gè)過程就像我們拿數(shù)百萬個(gè)水桶到戶外收集雨水。感光區(qū)域越光亮,收集的光子量自然越多。感光元件曝光后,按照每個(gè)像素收集的光子量不同,賦予它們不連續(xù)的值,并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。沒有吸收光子和吸收光子至滿載的像素值分別顯示為"0"和"255"(以8位圖像為例),即代表純黑色和純白色。
一旦這些像素滿載,光子便會(huì)溢出,溢出會(huì)導(dǎo)致信息(細(xì)節(jié))損失。以紅色為例,高光溢出使?jié)M載紅色的像素附近的其它象素的值都變成255,但其實(shí)它們的真實(shí)值并沒有達(dá)到255。換句話說,畫面的細(xì)節(jié)發(fā)生了損失,這樣會(huì)造成高光部分的信息缺失。如果我們以減少曝光時(shí)間來防止高光溢出,很多用來描述昏暗環(huán)境的像素則沒有足夠的時(shí)間接收光子量,得出的像素值為0,這樣就會(huì)導(dǎo)致昏暗部分的信息缺失。
真實(shí)世界場景的動(dòng)態(tài)范圍能夠達(dá)到1014個(gè)數(shù)量級,人類視覺系統(tǒng)(HVS)能夠感知到105個(gè)數(shù)量級的動(dòng)態(tài)范圍,并且通過人類視覺系統(tǒng)自適應(yīng)機(jī)制的調(diào)整能夠感知到109個(gè)數(shù)量級的動(dòng)態(tài)范圍。但是目前的數(shù)字圖像獲取設(shè)備和顯示設(shè)備的動(dòng)態(tài)范圍卻相對有限,僅僅有102~103個(gè)數(shù)量級。這就是為什么目前的工業(yè)相機(jī)不能直接拍攝出HDR效果的圖片,也是為什么HDR技術(shù)能夠深入發(fā)展和應(yīng)用。
那么,怎樣能提高相機(jī)在實(shí)際拍攝過程中的動(dòng)態(tài)范圍呢?目前可行的辦法有:
1、采用大尺寸CCD靶面
通過上面的說明,我們現(xiàn)在就可以理解為什么采用大尺寸感光元件的數(shù)相機(jī)會(huì)擁有更大的動(dòng)態(tài)范圍。原因很簡單:數(shù)碼單反的感光元件尺寸一般是消費(fèi)級數(shù)碼相機(jī)的4~10倍,允許承載更多的像素而不至于縮小像點(diǎn)之間的距離,而產(chǎn)生噪點(diǎn)。更多的像素不會(huì)很快被“填滿”,因此表現(xiàn)昏暗環(huán)境的像素在表現(xiàn)光亮環(huán)境的像素“滿載”之前,有更多時(shí)間吸收光子,從而畫面細(xì)節(jié)便會(huì)更加豐富。
因此,在工業(yè)檢測中,我們傾向于采用更大幅面的相機(jī),維視圖像經(jīng)過多年積累,現(xiàn)隆重推出大幅面千兆網(wǎng)系列數(shù)字相機(jī),具體參數(shù)見如下列表。歡迎廣大用戶選購。
2、對傳感器做曝光設(shè)置,弱光時(shí)自動(dòng)采用長時(shí)間曝光,強(qiáng)光時(shí)自動(dòng)采用短時(shí)間曝光。這一方法會(huì)導(dǎo)致圖片中對應(yīng)的物體灰度值比例發(fā)生變化,用來做圖像處理的話不能夠真實(shí)的得到原場景的有效信息,因此該方法不能用在工業(yè)相機(jī)上,這也是大部分工業(yè)相機(jī)沒有民用相機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍高的原因。
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