基于人眼的彩色数字相机的研究DOC.docx
- 文档编号:4271597
- 上传时间:2022-11-28
- 格式:DOCX
- 页数:9
- 大小:199.60KB
基于人眼的彩色数字相机的研究DOC.docx
《基于人眼的彩色数字相机的研究DOC.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于人眼的彩色数字相机的研究DOC.docx(9页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
基于人眼的彩色数字相机的研究DOC
基于人眼的彩色数字相机的研究
摘要:
从人眼生理结构出发,分析人眼视觉系统的感光与控制机理,并阐述人眼具有的众多视觉特性,提出了一种基于人眼视觉特性的彩色数字相机的设计。
通过对数字相机成像系统的深入研究,挖掘影响成像质量的重要因素,分析了相机曝光、聚焦以及色彩平衡等关键技术的作用效果。
通过对比人眼视觉系统与相机成像系统,寻找改善相机关键技术性能的有效途径。
对研究如何进一步改善相机的自动曝光、聚焦、白平衡等技术性能具有重要的理论价值与实际意义。
关键词:
数字相机,自动曝光,自动聚焦,自动白平衡,视觉特性
Basedontheresearchofhumaneyecolordigitalcamera
Abstract:
Fromthephysiologicalstructureofhumaneyes,thisdissertationfirstlyanalyzesthephotoreceptiveprinciplesofhumanvisionsystemandelucidatessomevisualfeaturesofhumaneyes.Secondly,throughin-depthresearchesonimagingsystemofdigitalcamera,digoutaseriesofimportantfactorsassociatedwithimagingqualityandanalyzestheeffectsofexposure,focusandwhitebalanceofdigitalcamera.Also,weseekforsomeeffectivemethodstoadvancetheperformanceofdigitalcolorcamerabycomparingthehumanvisionsystemwithcameraimagingsystem,whichwilllaythefoundationforsubsequentresearch.
Keywords:
Digitalcamera,Automaticexposure,Automaticfocus,Automaic
whitebalance,Visioncharacter
1前沿
图像与其他信息载体一样包含着丰富的客体内容,是人们认识世界、理解世界的重要表现手段。
随着人类文明的进步与科学技术的发展,人们获取图像的方式发生着巨大的变化,各种成像设备也因此应运而生。
从成像色彩角度划分,数字相机可分为真彩色数字相机、伪彩色数字相机、假彩色数字相机以及黑白数字相机。
其中,真彩色数字相机的使用最为广泛,通常简称为彩色数字相机。
彩色数字相机成像包含了前端捕获、后期处理、终端显示等一系列过程。
每个过程都会影响最终图像的成像效果与相机的整体性能
。
在拍摄目标时,人们总希望快速地获取清晰度较高、色彩表现力较好、内容信息相对完整的场景图像。
这里的“内容信息”、“清晰度”、“色彩表现”往往是衡量数字相机性能的重要参数指标。
从相机成像过程来看,这些指标都对应着相机不同的参数属性:
曝光参数对应“内容信息”;离焦量表征“清晰度”;而色彩平衡则代表“色彩表现”。
对于具有自动调节功能的数字相机而言,上述三种参数属性分别隶属于相机的三种基本功能,即自动曝光(AutomaticExposure,AE)、自动聚焦(AutomaticFocus,AF)及自动白平衡(AutomaticWhiteBalance,AWB)。
该三种功能的实现依赖于相机中三类不同的自动控制核心技术,因此人们通常称之为3A控制技术
。
3A技术作为彩色数字相机的核心技术,是相机成像与图像处理领域中的一
个重要的研究方向。
由于其所涉及内容较广,具有较强的学术前沿性及良好的实用前景等特点,因此多年来一直受到国内外研究人员的密切关注,并且目前已成
为相机成像技术中的热点问题。
近年来,国内也涌现出不少关于3A技术的新方法,但大多数方法存在较强的使用局限性,在人们不断认识问题、解决问题的同时,各类方法也都有着不同程度的改进与发展。
本论文在前期大量调研的基础上,针对特殊使用环境下无人值守型彩色数字相机的3A技术展开研究,深入研究了相机成像过程中曝光、调焦以及色彩调节等方面的控制机理,类比人眼视觉系统的感光特点与成像机制,改进并提出了一系列新的3A控制解决方案,改善了相机的整体成像性能,并为后续成像分析奠定了理论基础。
2人眼视觉感知与相机成像机制
2.1人眼视觉系统与感知特性
人眼作为视觉系统的主体,受到视神经系统的复杂控制,感知外部世界的客观存在与运动变化,并过各种途径将获得的信息进行加工、储存以及表达。
随着科学技术的发展及对光学理论研究的不断深入,光学成像技术逐渐成为了模拟人眼视觉系统感知信息、处理加工及表达信息等过程的重要手段。
在人眼的生理结构中视网膜充当着人眼的感光系统
。
当光线进入人眼屈光系统到达视网膜后,人眼通过控制瞳孔的缩放大小来实时响应外界自然环境亮度的变化。
合适的亮度条件对于人眼感知外部事物而言至关重要。
人眼的视觉生理系统主要由屈光系统及感光系统构成,并通过视神经等复杂神经网络进行反馈控制。
屈光系统由角膜,房水,晶状体,玻璃体等构成,主要作用是在视神经的调节下,将不同距离的物体在视网膜上清晰成像。
当光线经过屈光系统进入人眼达到视网膜时,视网膜即成为人眼的感光系统
。
2.2数字相机的成像机制
相机作为机器的“视觉系统”,扮演着与人眼同样重要的作用。
在光电成像
系统中,一般通过控制相机的曝光量来达到调节图像亮度的目的。
一方面与人眼感知效果相似的是,相机通过控制入射光的曝光量,使得机器视觉能够具有与人眼视觉感知相似的效果。
合适的曝光量使相机所捕获的图像具有较高的色彩分辨力、亮度分辨力以及目标分辨的能力。
而另一方面,作为相机的重要组分,CCD或CMOS等感光器件本身无法模拟人眼视觉系统对外部光线亮度的变化的感知与调控,因此需要外围附加设备或技术来达到对入射光曝光量实时调节的作用
。
为了获取清晰的图像,相机需要根据场景中目标的空间位置控制调焦机构,
使目标能够在传感器靶面清晰成像。
相机聚焦的实现主要有手动与自动两种方
式。
手动聚焦是通过人眼对目标物的感知,手动调节相机聚焦机构,使相机的聚
焦平面与该目标空间位置相吻合,并在传感器上清晰成像;自动聚焦主要通过主
动或被动方式检测目标物在传感器靶面上成像的清晰程度,从而判断相机的离焦
情况。
2.3数字相机成像系统
图2-1相机系统中图像的捕获与显示
对于彩色数字相机成像系统而言,从场景信息的获取到图像显示需要经历一
系列复杂的转换、控制过程。
如图2-1所示,相机通过CCD或CMOS等图像传
感器将场景光图转化为相应的电信号并经过光电转换、输出等步骤完成相机前端
原始图像数据的采集。
一般情况下,普通彩色CRT显示器的每个色彩通道只能
分辨、显示8位图像数据信号(即256个灰度级),因此相机通过插值算法将原始Bayer图像转化为RGB图像,并将多位数据流映射为8bit数据。
然后根据场景的图像颜色信息确定相机的曝光参数以及系统增益,并完成系统的色差校正、Gamma校正以及色彩空间转换等步骤。
最后,将数据进行不同制式的转换及打包并传输至显示设备,完成图像整个的捕获-显示过程。
3彩色数字相机的自动曝光
3.1基于HVS特性的彩色数字相机AE方法
相机的AE功能对于后期成像效果至关重要,然而现有的AE算法在不同程度上有其诸多局限性。
因此针对上述问题,本文提出了一种基于人眼视觉感观特性的数字相机AE方法,该方法模拟人眼观察事物时的视觉特性,利用多评价参数综合评价场景的曝光水平,使所拍摄的图像能够在传感器动态范围不变的情况下尽可能的满足人眼正常的视觉需求;对于特殊拍摄环境下的场景图像(例如,大背景小目标场景)能够有效地分析出目标的所在区域,并对该区域进行准确曝光,进一步提高了算法的鲁棒性;同时在曝光控制方面,提出了一种最优曝光搜索算法,使相机能够在较短时间内完成自动曝光的搜索、判定过程。
本文算法流程如图3-1所示,主要分为两大步骤:
场景曝光估计与相机曝光搜索控制。
图3-1AE算法流程
3.2HVS特性与图像质量
受人眼视觉系统生理结构的影响,视神经杆状细胞与视神经锥状细胞对场景
光源的明暗变化最为敏感(杆状细胞对应于人眼的暗视觉,锥状细胞对应于人眼
的明视觉)。
故因相机曝光性能差异所导致的图像亮度变化直接影响了人眼视觉
系统对图像的画面细节与色彩表现的感观效果
。
一幅成像效果良好的彩色自然图像应具有良好的色彩表现力,细节分辨力以
及人眼主观的接受力。
首先,色彩表现力是评判彩色图像成像质量的重要指标,
根据不同的应用场合有着不同的衡量标准
。
由于人眼对颜色色貌的直观感知是由其色调、饱和度以及亮度三大基本属性所构成,因而通常人们以此类参数来衡量图像的色彩表现。
因此,人眼所感知的图像色彩饱和度可以作为评价图像亮度水平的一项重要标准。
其次,图像的细节分辨力主要是指人眼所感知的不同灰度级(不同亮度)像
素的分辨能力。
对于一幅图像而言,相机的不同曝光产生了不同亮度的图像。
人眼在图像中对不同灰度级像素的分辨能力也会存在非饱和、饱和以及过饱和等三个阶段。
当图像处于不同亮度段内时,人眼所感知的图像纹理细节(由不同灰度级像素所构成)的丰富程度会随着图像亮度的变化而改变。
因此,图像的细节丰富度(分辨力)也可以作为评价相机曝光精确度的重要参数指标
。
4彩色数字相机的自动聚焦
4.1基于光流估计的彩色数字相机AF方法
常用的AF聚焦评价方式和调焦方法,但对于彩色相机而言上述方法在某些特殊环境下不能达到预期的聚焦效果。
例如,在聚焦评判中,由于色彩空间转换时不同颜色间具有相关性,导致评价函数对某些特殊色彩场景无法做出准确清晰度评价;同时在运动场景中,感兴趣目标与场景背景的比例大小、位置关系、纹理特征等都可能导致相机的聚焦异常
。
针对彩色数字相机的AF功能的特点,本节提出了一种新的彩色相机AF方案。
该方法首先根据捕获的场景图像建立图像的清晰度评价函数;其次,利用运动目标的光流场分析场景中感兴趣目标并准确判定相机的离焦量,最终达到目标清晰成像的目的。
随着相机适用领域的不断拓展,现有算法已不能满足某些特殊环境的使用要
求。
例如在大视场环境中拍摄小目标时,相机的聚焦评判参数会受到前景遮挡物
或背景复杂度等因素的影响,因而往往会对虚假目标物产生误判,导致调焦系统
调焦失败,无法获得准确而清晰的图像。
为了解决上述问题,我们提出了一种基
于目标光流估计的自动聚焦算法(OpticalFlowEstimation,OFE),算法流程如图4-1所示。
首先在粗调焦环节,当相机捕获场景图像时,根据清晰度评价函数调节调焦装置,使相机呈现出清晰图像。
其次在精调焦环节中,对图像进行光流计算:
当场景中存在相对运动的目标时,根据目标光流场确定出感兴趣目标,并对该目标区域再次进行清晰度评价,以此确定出感兴趣目标的清晰成像聚焦位置;当场景中无相对运动目标时(或小于运动判定门限时),则认为所摄场景相对静止,从而按照粗调焦结果输出图像
。
图4-1AE算法流程图
本节主要针对精聚焦环节的理论基础与实现流程进行介绍与讨论。
根据人眼视觉的心理物理学特性,人眼的视场中心区域所获取的信息量最大;人眼对突变的信号响应最为敏感。
因此可以假设:
当相机拍摄场景目标时,若目标物或背景与相机之间有极少或没有发生相对运动时,则该场景判定为相对静止状态,因此可以直接利用清晰度评价函数对全局图像或某聚焦窗口进行评价,并确定出相应的调焦参数;若场景中物体存在较为明显的相对运动时,则认为朝向视场中心方向且相对运动速率最快的目标为相机所观测的感兴趣目标,同时对该目标区域进行聚焦评价并确定调焦位置
。
图4-2视场中心与感兴趣目标的位置关系
该假设基于这样一个事实:
在拍摄场景中的目标时,除去艺术构图因素外,人们总习惯将感兴趣目标移至画面的中心区域,如图4-2所示。
换句话说,感兴趣目标存在着趋向相机视场中心区域的相对运动,且与其他被摄物相比,该相对运动的速率最大。
因此,我们可以利用这一运动特征来分析、描述场景中的感兴趣目标,进而对我们所关注的目标进行准确的聚焦控制。
5彩色数字相机的自动白平衡
5.1数字相机自动白平衡校正技术
对现有AWB技术的讨论,可以看出对于常规场景而言,大多数算法都能将不同色温下的图像色彩进行校正、还原。
然而,对于场景中存在大范围单一色彩区域时,现有AWB算法很难达到满意的调节效果,有时甚至出现色彩畸变的情况。
因此,针对现有算法的不足之处,本文提出一种新的AWB解决方案。
Retinex一词是由Retina和Cortex复合构成的(即视网膜+皮层)。
Retinex理论模型模拟了人类视觉系统(HVS)对图像信息的感知与处理过程。
在自然场景中,物体对光的长波,中波以及短波具有不同的反射能力,HVS响应物体反射出射光后,对反射光中的长、中、短波进行分析与对比,多种感受细胞根据物体对不同波长光线的反射能力确定出物体的真实色彩
。
Retinex反映了人眼对入射光线的响应,而并不是实际场景中物体的物理亮度。
由于Retinex理论假设HVS是根据物体对长波,中波和短波的反射能力差异决定物体颜色的,因此人眼能够对于不同波长光线进行单独处理;同时,对于彩色图像而言,R、G、B三基色通道正好对应长、中、短三个波段,进而利用Retinex理论模型分析、处理彩色图像时,三个基色通道可独立处理
。
本文提出算法的设计流程如图5-1所示。
图5-1算法流程图
图5-2图像的子块划分与属性判断
如图5-2所示,首先为了消除单一色彩区域对场景色温估计的影响,我们预先按照一定的规模将整幅图像分块,从而确定出反射层与细节层。
6总结与展望
本论文通过对彩色数字相机中的关键性技术研究,全面地展现了现代相机中
3A(AE、AF、AWB)技术的发展与核心问题。
本文研究重点为:
无人值守型数字相机的自动曝光算法,相机的聚焦评价与自动聚焦方法,彩色相机的自动白平衡校正以及后期图像的色彩评价等问题。
针对现有技术的一些问题与局限,提出了一些改进性或创新性的解决方案。
本文的具体工作总结如下:
(1)提出了一种符合HVS(人类视觉系统)特性的彩色相机曝光评价函数。
通过对现有相机曝光评价方法的调研,在原有以图像亮度分量作为评价因素的基
础上,提出了一种基于人眼视觉感官的曝光评价方式。
实验表明本文算法具有较高的可靠性与鲁棒性。
(2)提出了一种彩色数字相机快速自动曝光方法。
实验表明本文提出的快速AE方法能够在复杂亮度环境中,对相机进行准确的自动曝光控制;相对于现有曝光算法而言,减小了相机曝光时所需的调整帧数,并对噪声扰动具有良好的鲁棒性能。
(3)提出了一种基于场景目标光流估计的自动聚焦方法。
针对无值守型相机的使用特点,本文根据场景中物体的运动特性对众多目标中的感兴趣目标进行判断,并以该目标为参考对相机进行自动聚焦控制。
(4)以Retinex理论为基础,改进了一种彩色数字相机自动白平衡方法。
本文根据Retinex理论,引伸出了一种新的图像特征表述方式。
通过对图像进行预分块处理后,计算每个子块的期望值与方差,并根据其数字特征判定图像的反射层与细节层分布。
为了避免大范围单一色彩对图像整体色彩表现的影响,本文算法将反射层与细节层进行分离,同时根据细节层的色彩属性估计场景的色温情况,从而得到图像的色差校正参数。
实验证明该方法能有效地减小单一色彩背景对场景中主目标颜色的影响,提高了AWB算法整体的性能。
通过对彩色数字相机3A技术的研究,我们发现在相机成像的过程中仍有诸多方面值得我们在后续的工作中研究与探索,并且我相信随着时间的推移,在未来研究中我们的技术会逐渐成熟,并在该领域占有一席之地。
参考文献
[1]王耀祥.光学玻璃的发展及其应用[J].应用光学,2005,26(5):
61-66
[2]张亭.嫦娥二号线阵CCD影像的月表DEM提取技术研究[D].四川:
成都理工大学,2012
[3]胡愈,荣健.CCD的发展现状与展望[J].仪器仪表学报,2005,26(8):
718-720
[4]王永仲.现代军用光学技术[M].北京:
科学出版社,2004
[5]向世明.现代光电子成像技术概论[M].北京:
北京理工大学出版社,2010
[6]侯雨石,陈永飞,何玉青,张忠廉.数码相机原理与系统设计研究[J].光学技术,2002,28(5):
452-458.
[7]赵光兴,赵雅.基于CPLD的带电子快门功能线阵CCD驱动电路设计[J].安徽工业大学学报(自然科学版),2012,29
(2):
145-149.
[8]徐贵力,刘小霞,田裕鹏,程月华,李鹏.一种图像清晰度评价方法[J].红外与激光工程,2009,38
(1):
180-184.
[9]杨海涛,常义林,王静,霍俊彦.一种基于亮度直方图的自动曝光控制方法[J].光学学报,2007,27(5):
841-847.
[10]尤玉虎,刘通,刘佳文.基于图像处理的自动对焦技术综述[J].激光与红外,2013,43
(2):
132-136.
[11]张钰,姚素英,张娜,金则群.改进的GrayWorld-Retinex图像自动白平衡方法[J].数据采集与处理,2008,23(6):
673-677.
[12]韩强,戎蒙恬,刘文江.图像信号处理器中自动白平衡的算法研究[J],信息技术,2009,11:
55-59
[13]BRIANV.FUNT,MARKS.DREW,JIANHO.ColorConstancyfromMutualReflection[J].InternationalJournalofComputerVision,1991,6
(1):
5-24.
[14]RaduCiprianBilcu,MultiframeAutoWhiteBalance[J].IEEESignalProcessingLetters,2011,18(3):
165-168.
[15]V.Maik,D.Cho,D.HarandJ.Paik.Colouranalysisonportablesphereforcustomwhitebalancewithmultipleilluminations[J],ElectronicsLetters,2010,46
(2):
183-187.
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 彩色 数字相机 研究 DOC