高动态范围（共8篇）
高动态范围 篇1
谈到超高清电视, 首先想到的是更高的分辨率和更高的帧率, SMPTE 2036-3-1010标准规定了UHDTV的图像采样结构和帧率如表1所示。
然而近几年人们对超高清电视的普遍认识在高分辨率、高帧率基础之上又增加了另外的三个维度, 即宽色域、高量化比特位以及高动态范围 (见图1) 。高动态范围在照相机功能上早已走进我们的视野, 但是在电视转播中尚处于起步阶段 (见图2) 。
高动态范围 (High-Dynamic Range, HDR) 是相对于标准动态范围 (Standard-Dynamic Range, SDR) 而言的。是针对图像的亮度明暗范围而言, 由于亮度和色彩相关, 因此高动态范围常常与宽色域被一并提及。亮度单位为尼特nit (cd/m2) 。自然界中景物的亮度范围可以从10-6到109, 即达到1015:1, 但人眼在无瞳孔调节时的可视范围只有105:1。对于105的信息量的内容使用线性进行记录时需要16bit地信息位, 因此摄像机输出的16bit的raw文件就可以完整地保存采集信号的亮度信息。而传输域 (包括基带和编码传送) 多为8bit, 因此必须要进行线性到非线性的转换。在高清SDR时代, 调色软件使用伽马曲线进行线性到非线性的OETF转换, 实现使用8bit来传输最高100nits的内容, 图3是BT.1886对HDTV电光转移曲线的定义。
另一方面, 对于显示终端, 液晶显示器LCD和OLED的动态范围都有了比较大的提升。随着背光光源能力的提升, 目前市面上的LCD绝大多数已能达到300nits。同时, 通过动态背光技术 (Local dimming) 得以动态地关闭局部区域发光光源, 即实现了“亮部更亮、暗部更暗”, 解决了LED背光的LCD被动发光无法“绝对黑”的难题。现有的高端LCD的最高亮度可以达到2000nits, 动态范围达到105:1。相比LCD, 由于OLED是主动发光, 可以做到“绝对黑”, 为了达到以上动态范围不需要特别高的最大亮度。目前市场上高端的OLED最高亮度已经可以达到500nits以上, 最低0.0001nits, 动态范围达到106:1。但是过低的亮度值人眼是感受不到明显差别的, 因此对OLED不能因为亮度下限的一再扩展就认定其可以提供更大的动态范围了, 仍要对其亮度上限给予要求。
综上, 我们看到在摄像机采集时已经可以生成比105:1亮度范围更广的图像, 显示终端的亮度范围也有了更大范围的提升, 因此瓶颈就停在了8bit的传输环节中。通过电光转移曲线处理后, 绝大多数的亮度信息得以保存, 但是由于非线性转换的存在和信息量的丢失, 在显示端进行电光还原后, 虽然显示终端可以进行一定的扩展修补, 但对已经缺失掉的信息仍无法有效还原。这就造成了原有的HDR图像恢复显示时没有足够的灰度等级、缺少细节信息, 更甚者会产生色彩的偏差 (见图4) 。
一电光转移特性曲线
为了避免这种现象, 业界针对HDR内容提出了新的电光特性转移曲线, 目前已经被标准化了的 (参加ITU-R BT.2100) 包括Perceptual Quantization (PQ曲线, 见图5) 和Hybrid Log-Gamma (HLG曲线, 见图6) 。PQ曲线由Dolby公司提出, 在SPMTE 2084里也有所定义。HLG曲线由BBC和NHK联合提出。两条曲线有所差别:
第一, PQ曲线定义的是绝对亮度, HLG曲线定义的是相对亮度。根据SMPTE ST 2084定义, PQ曲线支持的最大亮点范围为10, 000nits。
第二, 两条曲线对OOTF的处理不同。PQ曲线定义的是EOTF, 其OOTF处理在摄像机采集环节进行, OETF=OOTF*EOTF-1 (见图7) 。HLG曲线定义的是OETF, 其OOTF处理在终端显示环节进行, EOTF=OETF-1*OOTF (见图8) 。
二传输系统
上述两条电光转移特性曲线较好地保留了亮度范围的细节信息。在业界提出新的电光转移特性曲线的同时, 传输系统和传输编码也在随之发展。适配于超高清视频编码的HEVC标准以及国标的AVS2标准也随之发布。较H.264/MPEG-4 AVC而言, 传输位由8bit提升到10bit, 这就给HDR内容的传输提供了更多的信息位。
三HDR前/后处理方案
1. PQ曲线的HDR内容传输
对于HDR的处理业内最早由端到端部署方案的是Dolby公司提出的Dolby Vision方案。早期的Dolby Vision方案主要立足8bit的传输系统, 同时该方案有一个鲜明的观点即唯有使用12bit以上的信息量对亮度进行描述, 才能避免出现“条带效应”。因此早期的方案是一个两层的方案:一个基本层+增强层;基本层用于传输SDR内容, 增强层用于传输HDR的额外内容;每层都可以使用8bit的视频编码系统进行传输 (见图10) 。
随着HEVC 10bit的应用, MPEG组织也分三个阶段提出了HDR的解决方案。
方案一:基于HEVC标准, 增加新的编码工具集, 形成HDR Profile。
方案二:基于HEVC标准, 不增加新的工具, 靠优化编码里面的前处理后处理环节实现对HDR的支持。
上述两个方案有一个共同的问题, 即只能传递HDR内容并只能支持在HDR终端上的显示。类似的方案就是HDR10, 这是一个用HEVC 10bit传输PQ曲线的方案, 该方案基于上述方案二, 较好地解决了PQ曲线的HDR内容的传输和显示, 但不兼容SDR终端的显示需求。
方案三:类似于Dolby Vision的方案, 传输SDR或HDR以及必要的Metadata, 在终端通过tone mapping恢复生成HDR或SDR。事实上, 现有业界的很多方案都基于此思路, 包括Philips和Technicolor的方案以及Dolby公司后续提出的单层方案。这种方案的优点在于同时兼顾了HDR终端显示和SDR终端显示。MPEG的方案三有图12所示四种变形方案, 但基本思路一致。
MPEG的方案更多地立足于PQ曲线, 在传输层倡导使用10bit的HEVC编码, 这与超高清的整体技术过渡一致。整体技术路线上, 包括只解决HDR终端显示的HDR 10方案以及兼顾HDR和SDR显示的Dolby方案、P&T方案等。
2. HLG曲线的HDR内容传输
除此之外, 另一条曲线HLG的传输解决方案较上述方案相比比较简单, 主要是利用了HLG曲线在100nits范围内与BT.709曲线高度重合的特点, 具备了在SDR终端上可以兼容显示的能力。事实上, 由于HLG曲线不是一条绝对亮度值曲线, 通过在显示终端的OOTF亮度拉伸处理, 具备了容纳更大亮度范围的能力。HLG方案不用传递元数据, 与既有的10bit传输系统兼容, 处理比较简单。HLG方案是BBC和NHK联合推出的, 在HDR推广的早期很好地解决了兼容性显示的问题。但是业界也有测试结果表明, 这种不通过元数据的曲线原生态处理, 在某些图像中会产生明显的色偏现象。HLG方案如图13。
四关于兼容性的考虑
业界对兼容性的考虑经过了几个发展阶段, 包括从最初的对8bit传输系统的兼容, 对既有的解码模块 (含机顶盒、智能电视机等) 的兼容, 以及对SDR电视机的兼容等。目前比较普遍的认识是不再考虑对H.2648bit传输系统的兼容, 而是面向HEVC10bit传输系统 (在我国, 需要考虑AVS210bit传输系统) 。同时全面考虑对HDR电视机和SDR电视机的兼容显示要求。
因此BBC和NHK首先提出的HLG方案, 通过曲线自身特点, 消除兼容性障碍, 但是仍对显示终端有所要求 (OOTF的处理) 。从目前应用来看并不能做到技术上的“完美”且存在局限性, 但是有部署简单、成本低的优势。
另一方面, 以Dolby、Philips和Technicolor等为代表的一派, 则全力倡导带Metadata的兼容解决方案。即在前处理环节获得元数据, 通过传递SDR或HDR, 在后处理环节结合元数据恢复HDR或SDR。这样一种方案基于既有的传输编码算法, 不增加新的编码工具或新的编码类, 只需要将相应的元数据写入扩展数据域, 视频编解码器能够将其透明传输即可, 对既有的编解码设备改动较小。而所增加的元数据内容通常不超过100Kbps, 对既有传输系统影响不大。通过后处理环节可同时解决SDR和HDR的兼容显示问题。
由于这一类方案既可以传输SDR恢复生成HDR, 也可以传输HDR恢复生成SDR, 具体使用哪一种方案可以通过市场上的电视机及解码终端存量情况统筹考虑。如果SDR电视机存量大、既有解码模块尚不能支持HDR的后处理, 可以选择以传输SDR为主, 通过Metadata恢复生成HDR的方案 (见图14) 。反之如果市场上SDR电视机存量有限 (事实上, 市场上的LCD电视机已能普遍支持300nits的最高亮度范围) , 或者解码模块尚未大面积部署, 则可以考虑直接传送高质量的HDR内容, 通过Metadata恢复生成SDR的方案 (见图15) 。
五关于元数据
以上在方案说明时提到, 除HLG方案、HDR 10方案以外, 其他的兼容性方案都需要传递元数据。HDR元数据分为静态元数据、动态元数据。
静态元数据可以理解为:一组静态不变的HDR元数据, 不随节目场景内容而变化。静态元数据是在制作域调色时产生, 是对主显示单元的 (即所制作内容) 整体情况的描述。静态元数据在SMPTE 2086中进行了定义, 包括Display Primaries、Chromaticity of White Point、Maximum Display Mastering Luminance、Minimum Display Mastering Luminance。这部分数据主要用来指导显示终端根据自身的亮度范围适配调整和显示所传递的HDR内容。
动态元数据可以理解为:一组动态变化的HDR元数据, 随节目场景内容而产生变化。动态元数据主要是用来配合所传输的SDR或HDR内容而恢复生成HDR或SDR内容。因此各家方案中动态元数据的定义不尽相同。SMPTE 2094给出了一部分可参考的动态元数据项。
六小结
超高清电视是当下电视发展的重要方向, 高动态范围 (HDR) 是超高清电视的一项关键技术, 涉及端到端的技术和产业实现。HDR技术的选择要全面兼顾既有超高清SDR显示终端的市场现状, 与即将部署的超高清编码标准相契合。我国的高动态范围电视系统技术要求广电行业标准也正在紧锣密鼓的制定当中。
层次高、涵盖范围广 篇2
海外名校聚集京城 出国留学热继续升温
本届教博会，最受关注的依然是与出国留学相关的各个项目和部分，而就展会本身而言，这也是展会的核心和重头戏。
来自美国、英国、法国、德国、加拿大、澳大利亚、韩国、南非、新加坡和中国香港等28个国家和地区的200多所院校参加本届教博会，哈佛大学、斯坦福大学、莫斯科大学、圣彼得堡大学等世界知名院校与北京大学、香港中文大学、北京航空航天大学等中国知名院校同台展示。数以百计的海外名校也引燃了观众的热情，89000人次参观了本届展会。
据悉，留学可以给教育出口国直接带来巨大的外汇收益，还可为出口国带来人力资本的积累。有数据表明，过去5年，澳大利亚通过对中国教育出口赚取30亿美元，超过了实物对华出口赚到的总和。由此可以看出，为什么这些国家对吸收中国留学生如此的热情？
而且，由于越来越多的国外院校来中国参加教育展，院校单枪匹马参展很难突出优势，因此国外院校集体组团参展渐成趋势。本届教博会上，美国、加拿大、英国、澳大利亚、韩国、南非、德国和中国香港等约有12个国家和地区均是组团参加。集体亮相、阵容强大，能有效提高院校的受关注度。
不过，本届展会最受关注的留学目标国家依然是英、美、加、澳等一些开放较早，专业齐全，相关配套服务完善的国家。虽然这些国家的留学费用不断上涨，但仍是中国学生出国留学的主要选择。首次组团参展的韩国14所院校展台也吸引了大批咨询者，韩国学校对英语要求较低、留学费用相对低廉是韩国吸引中国留学生的重要原因。
强化国际合作交流
举办教博会的主要目的就是为了推进教育国际合作与交流向更广领域、更高层次发展，提高首都教育的国际化水平；加大教育对外开放的力度，推进中外合作办学，引进国外优质教育资源，借鉴世界各国的先进办学经验与管理模式。
为此，本届教博会吸取了前两届的成功经验，更加注重专业性、针对性和实效性。洽谈会分为一对一洽谈和专场洽谈，通过会前编制洽谈手册、现场举办信息发布会和设置电子滚动屏等形式，发布中外教育合作项目信息，使洽谈会真正成为中外院校之间、教育相关企业与教育行政管理部门之间以及校企之间开展合作与信息沟通的平台。
本届博览会在国际教育合作上取得了巨大成功。德国巴登符腾堡教育、体育与青年部与北京市教育委员会签署了合作备忘录，就未来两地联合开展职业教育达成了多项共识。156对中外院校进行了教育合作一对一洽谈，并有34个合作项目在现场签约，内容包括师生互换、合作办学和校际交流等。同时，22所国内的中小学和13所加拿大的中小学签约结成友好学校。
综合性强——涵盖教育的各个层次
北京国际教育博览会是由政府组织的国际性、综合性的教育盛会，覆盖高等教育、职业教育、基础教育各个层次，整合中外院校、教育机构、教育产品企业、教育服务贸易机构等多方资源。
以北京来说，大学、中学和小学教育相对完善，而职业教育是北京总体教育整体当中很重要的一部分，同时又是比较薄弱的部分。教博会自创办以来就比较注重职业教育板块，国际职业教育展、职业教育国际论坛和职业教育专场洽谈会等以职业教育为核心内容的相关活动，始终是北京国际教育博览会的重点项目和特色内容。
本届教博会邀请了美国、英国、法国、德国、韩国、澳大利亚等国的职业教育机构参加教博会的国际职业教育展。并继续举办职业教育国际论坛，来自德、美、英、澳、加5国的职业机构演讲人，海内外教育机构负责人以及中、高等职业院校代表共300余人参加了此次论坛。共同探讨“全球化背景下的国际教育交流与合作”和“职业教育的特征规律和未来的发展方向”。论坛结束后，还举行了职业教育专场项目洽谈会。
高动态范围 篇3
在航天侦查以及观测深空星体、太阳活动、运载火箭的发射等领域,由于真实场景所展现的亮度范围超出了成像系统本身所能显示的动态范围,因此会造成图像传感器的大面积饱和,形成日晕、blooming等现象,使成像设备失灵,不能准确获取指定目标的图像数据。普通光电成像设备(CCD或CMOS图像传感器)的动态范围一般仅能达到50~60 d B,即使在科学研究领域所使用的图像传感器的动态范围在常温条件下也只有70 d B左右,往往满足不了高动态范围成像的要求[1]。
目前适应高动态范围场景观测的主要手段有:1) 采用双图像传感器成像方法[1,2],其中一个积分时间长,另一个积分时间短,获得同一时刻开始积分的两幅亮暗图像,最终经过图像融合处理的方法实现提升适应高动态范围场景观测的能力;2) 通过改变CMOS图像传感器的读出结构,将图像传感器信号输出幅度与接收的光电子数由线性关系变为对数关系,提高适应高动态范围场景观测的能力[3,4]。但此项工艺不适合深空探测所采用的CCD图像传感器;3) 通过增大图像传感器的像元尺寸,提高图像传感器每个像元积累光电子的能力来提高成像动态范围[5];4) 对于高帧频的图像传感器,可以通过设定多帧不同积分时间,进行连续快速的成像,再通过多帧不同感光程度的图像进行合成,得到一幅亮暗目标融合的合成图像,达到提高动态范围的目的[6,7]。
上述手段和方法一般能够使得成像设备的成像动态范围提升到70~80 d B,然而很多技术手段不能同一时刻获得的图像,主要采用事后图像处理的办法,因此这些技术手段仍然不能满足高动态目标实时成像观察测量的要求。
本文基于数字微镜器件,提出了一种提高光电成像器件可探测动态范围的方法,根据这一方法设计了一种能够对高动态目标进行自动区域调光的望远系统。
1 系统原理
1.1 DMD 的工作原理
DMD由美国Texas(TI)公司开发,采用微电子机械原理,是一种用二进制数字信号控制的数字光调制器,由上百万片的微米级反射镜片组成,利用静电使微反射镜转动,其具体结构如图1。
DMD底层是衬底,衬底表面刻有CMOS半导体存储器件,CMOS上面是带有铰链可偏转摆动的反射镜片支架,微反射镜片固定在支架上。微反射镜片利用铝溅射工艺制成正方形。每个微镜面的尺寸约10.8μm×10.8μm或更小,微镜面之间的间隔约1μm,每个微镜面代表一个像素,每个微镜面都可以沿着它的对角轴线做±12°翻转,翻转频率可达数千赫兹[8,9,10,11,12]。微反射镜的工作原理如图2所示。
当偏转+12°时,微反射镜处于开状态,将光线反射至目标光学系统;当偏转-12°时,微反射镜处于关状态,将光线反射出光学系统,使其不能到达目标光学系统。利用每一个微反射镜片下的存储单元以二进制信号进行寻址,控制每个像素的开关状态以及开关时间,即可形成不同亮度、对比度和灰度的图像。DMD可通过二进制脉宽调制技术实现全数字方式控制图像的灰度等级。
1.2 系统结构分析
为提高系统的动态范围,提出了一种全新的光学系统,该系统为二次成像系统,采用非远心光学结构,利用处于中间像面位置的DMD作为光强调制器件。整个光学系统原理图如图3所示。
成像物镜将目标景象成像在DMD光调制器上,当DMD上的微反射镜处于开状态时,微反射镜将成像物镜上的光反射到转置镜上,再由转置镜成像到探测器上;当DMD上的微反射镜处于关状态时,入射到DMD上的光线被反射到非成像吸光装置内并被完全吸收。非成像吸光装置由平面反射镜、黑体球组成。
为对高动态目标进行成像,DMD上的微反射镜首先需要全部处于开状态,获取一幅目标景象的图像,然后按照平均灰度和局部动态将图像划分为若干小区域,并设定各区域相应的曝光时间等参数。最后根据已设定的参数逐区控制DMD微反射镜的开关状态及开关时间,同时完成探测器的曝光成像过程,获得具有高动态范围的图像。
为方便光学系统装调并提高DMD调制精度,选择DMD垂直于成像物镜的光轴放置。平行于成像物镜光轴的光线入射到DMD上被DMD反射后出射光方向与DMD法线成24°夹角,即中间像面DMD不再垂直于转折后的光轴。系统采用常规的透射镜头将DMD上的像成像到探测器上,由于物面与光轴出现24°的夹角,相应的探测器与光轴也存在一定的夹角。DMD与探测器间物像关系如图4所示。
2 光学系统设计
2.1 主要技术指标
设计的望远系统主要用于观测高动态范围、强度相差悬殊的目标,如太阳活动等。系统采用DMD作为光强调制器件,使用sC MOS作为图像传感器,DMD上的微反射镜与s CMOS上的像元一一对应,通过控制DMD进行像素级调光,实现高动态目标成像,其主要技术指标如表1所示。
2.2 光学系统结构
设计的基于DMD的高动态范围望远系统是一个较长焦距、小相对孔径、小视场的光学系统,采用透射式光学系统较为简单合理,其光学系统结构如图5所示。
该望远系统主要由成像物镜和转置镜组组成。其中成像物镜由一片胶合透镜、两片单透镜组成,是望远系统的主要部分;转置镜组将DMD上的像成像在探测器CMOS上,其放大倍率为-1,采用双高斯形式设计。由于光线经DMD反射后与光轴成24°夹角,即DMD上的像相对于转折后的光轴为斜物,因此设置探测器CMOS与光轴的夹角为变量进行优化,最终探测器与光轴的夹角为25.93°。为避免转置镜组中的透镜遮挡成像物镜后的光线,需要使成像物镜具有较长的后工作距且转置镜组有较长的前工作距。优化完成后成像物镜的后工作距为142.5 mm,转置镜组的前工作距为78.4 mm。
2.3 像质评价
由于系统需要根据探测器上的像对应调节DMD微镜像元的开关状态及开关时间,因此要求DMD上的像也要有良好的成像质量。图6为DMD像面上的传递函数、场曲和畸变,图7为探测器像面上的传递函数、场曲和畸变。
由图6可以看出,在DMD的Nyquist频率处,全视场范围内子午方向和弧矢方向的系统传递函数接近或大于0.70,场曲小于0.1 mm,畸变接近于0。由此可知,DMD上成像质量良好,能够达到区域调光的要求;由图7可以看出,在探测器CMOS的Nyquist频率处,全视场范围内子午方向和弧矢方向的系统传递函数大于0.55,场曲小于0.1 mm。由于经DMD反射之后为斜物成斜像,因此系统存在一定畸变,但畸变小于2%,对成像质量影响不大。
3 成像系统动态范围估算
一般光电成像器件的动态范围定义为探测最大光能量和最小光能量的比值。本文设计的望远系统的动态范围主要由两个因素决定:1) 图像传感器固有的动态范围;2) DMD器件的调制能力。
设计的望远系统采用高动态科学级CMOS作为图像传感器,其动态范围是23 000:1,约为87 d B。考虑系统帧频很高并且系统噪声会有影响,预计其动态范围不小于20 000:1。
DMD器件的工作方式与控制方式决定了其光强调制的动态范围,理论上DMD器件的摆动频率为3 000Hz,光强调制范围为3 000:1。但DMD需要复位,且在摆动过程中也有部分光线进入图像传感器,因此图像传感器的积分时间不能与DMD的开状态相位完全一致,但是其动态范围至少可达到500:1。
系统总动态范围为(20 000:1)×(500:1)=10 000 000:1,即设计的像素级区域调光的望远系统动态范围至少可达140 d B。
4 结 论
高动态范围 篇4
在真实世界的自然场景,动态范围表示图像中从最亮至最暗的范围。在数字图像中也称对比度,动态范围表示图像中最大灰度值和最小灰度值之间的比例。人类视觉可感受到的范围、打印图像所显示的范围或显示器上显示的范围远远不及自然界中存在的动态范围大。由于所能使用的动态范围很有限,电影艺术家、摄影师等数字图像的使用者必须对场景中的重要视觉元素进行精挑细选,以达到他们的要求。
本项目力图从高动态范围图像(High-dynamic range image)的采集和显示两方面进行深入研究,设计出基于液晶光阀的光强连续选通成像图像采集系统和通过双屏叠加实现高动态范围图像显示的系统,从而充分展示从高动态拍摄到高动态显示整条技术链,更完整、真实的再现现实中的场景。
1 系统总体设计
高动态范围图像采集及其双屏显示系统结构如图1所示,该系统主要由两部分组成,高动态范围图像成像系统和高动态范围图像显示系统。首先,曝光景物通过成像系统获得几幅不同灰度图像,其次,利用扩展图像动态范围处理算法将其合成高动态范围图像。最后,将图像传送给成像系统从而显示高动态范围图像。
2 系统模块设计
2.1 高动态范围图像采集系统
液晶光阀是利用液晶的光学特性制作的一种光寻址的空间光调制器,广泛用于光信息处理、投影显示等领域。液晶光阀成像是利用其旋光特性完成光的调制与解调,背光源参与成像[1]。如图2设计方案所示,镜头将场景成像于液晶光阀上,形成图像信息,按照像素一一对应的关系将该图像信号传递至CCD感光元件的像敏面上,完成光信息的高效采集。主控芯片根据预先设置的函数产生液晶光阀曝
光参数,将控制信号输入至液晶驱动模块,使之产生相应整体明暗度。CCD信号处理单元将接收到的电压信号通过解码、采样转换为数字信号,并将该数字信号输送至图像处理模块后,其接收的数字信号转变为图像逐个像素的亮度信号。亮度信号和曝光参数同时存储至存储模块,作为后续处理原始数据[2]。
2.2 扩展图像动态范围处理算法
目前,高动态范围图像主要获取方法是将多幅不同曝光的普通低动态范围图像进行融合生成。此类算法主要代表有美国加州大学Debevec方法[3]和美国哥伦比亚大学的Nayar方法[4],这两种算法应用于本设计较为复杂,因此采用朱良销等人的一种扩展图像动态范围的处理算法[5],该算法具有速度快,简洁优化特点。
首先,保持场景中的物体和光照度不变,通过成像系统获得几幅不同灰度值的低动态图像,再采用高动态范围图像合成算法扩展图像动态范围,从而获取高动态范围图像。该算法为了使所合成的图像灰度值得到较好改善,主要是对两幅图像进行相加后,再对图像进行改算法处理。这里采用两幅图像,是因为每幅图像都有一部分区域细节能更真实再现场景,将这不同灰度值的两幅图像进行相加,能增加所合成图像的信噪比。这种算法能使图像暗部的地方更暗,亮度的地方更亮,能较好改善图像整体灰度值,增强图像中较暗、较亮、难分辨的区域,扩展图像动态范围。
设g(x,y)是合成的图像在(x,y)位置的像素值,Gi(x,y)是第i幅图像在(x,y)位置的像素值,则:
式中:G0是预设的参数值,N0是采集到的图像数目,
本算法与所取图像的数目N0和预设的参数值G0有关,且限制条件是G0×N0<255。通过用VC编程实现上述算法,实验可知当所取图像的数目N0为2,预设的参数值G0为50时,效果最佳。
2.3 高动态范围图像显示系统
设计一种基于LED的背光动态调制的高动态范围显示系统,通过对显示的画面进行分析,采用区域亮度动态控制的方式得到不同区域的最佳亮度同时驱动LED背光达到相应的亮度[6],LED背光系统框图3所示。
LED背光源阵列本身为低解析度显示器,所产生的光强分布需要配置液晶面板的高解析度信息,才可以显示细致和高对比度的图像。所以,背光图像是原始图像的低频分量图,其中包含了原始图像的大多数特征,而LCD显示面板包含了调整背光后的其余图像部分。
将FPGA输出控制信号与LED驱动板对应信号连接好,还需要将LED驱动板与LED屏相连。下载FPGA程序,观察LED屏上图像显示,通过均光板后经脉宽调制后LED背光结果如图4所示,再将其与液晶屏叠加后效果图如5所示。
3 实验结果
实验中,首先通过成像系统获得两幅不同动态范围的图像,如图6所示,成像系统获得的低灰度图(a)和成像系统获得的高灰度图(b)。其次通过扩展图像动态范围处理算法将预设的参数值G0设为50,图像的数目N0为2时,低灰度图和高灰度图合成的效果图(c),从图中我们可以发现相比于(a)图与(b)图其动态范围得到了较好的扩展。
其次,用亮度功率计测量LED阵列电路板上的LED亮度,采用分区的方式进行测量。测量区域分布见图7,测试结果如表1所示。
实验可知,LED亮度均匀性在95%以上,对于脉宽调制而言,亮度变化很大,最大亮度为496.8 cd/m2,最小亮度为0.04 cd/m2,对比度达到10 000∶1以上,通过功率的相关公式,可计算出脉宽调制后的功率比原来整体调制功率减少了60.2%。
4 结 论
通过本文设计的基于液晶光阀的单镜头光强连续选通成像图像采集系统,及以液晶屏和LED组合作为显示源的双屏显示系统。实验证明,所设计的系统能有效提高图像对比度,扩展图像动态范围,降低功耗,获得的图像更逼真,具有更舒适的视觉效果。利用本系统,对摄影、游戏及医疗等一些需要显示高动态图像的行业将有较大的帮助。
参考文献
[1]武晓阳,贺庚贤.基于液晶光阀的数字仿真目标研究[J].微计算机信息,2008(22):279-281.
[2]张瑞霞.基于液晶选通成像探测器的研究[D].西安:西安理工大学,2010.
[3]Debevec P,Malik J.Recovering high dynamic range radiancemaps from photographs[C].Proceedings of ACM SIGGRAPH1997,1997:369-378.
[4]Mitsunaga T,Nayar S K.Radiometric self calibration[C].Proceedings of Computer Vision and Patern Recognition'99,volumn 1,1999:374-380.
[5]朱良销,余学才,陈摇涛,等.一种扩展动态范围的图像处理算法[J].传感技术学报,2011,24(1):65-67.
高动态范围 篇5
Vray是一款集合Raytracing (光线跟踪) 和Global Illumination (全局照明) 两种算法的渲染器。Vray渲染器无论在渲染效果上, 还是相同质量画面的渲染时间上, 都优越于大部分主流渲染器, 并且支持包含高动态范围图像 (HDRI) 的渲染方式。
高动态范围是针对我们平时使用的一般图片的动态范围来说的。例如一张普通的8bit JPEG图像记录光线的亮度范围是0-255, 16bit的TIFF记录亮度范围是0-65535, 而HDRI则可以包含比普通RGB格式图片更多的光照信息。因此HDRI更接近自然界真实的光照环境。
举个例子, 同样是晴天的天空图片, 一张是普通RGB格式, 一张是HDRI格式。两张图片中, 天空中最亮的部分用肉眼观察都是白色, 如果把两张图放入Photoshop中降低同样的色阶值, 会发现普通RGB格式图片中最亮的部分依然是同一亮度, 而HDRI中同一最亮部分则出现了丰富的明暗层次。这说明了HDRI保存的亮度信息远远大于普通RGB格式图片。HDRI亮度层次的丰富性决定了其在辅助三维数字场景照明时的优势。
在创作动画短片《Lust》的过程中, 我们主要运用了以下几种Vray HDRI贴图类型:
1. 作为GI Environment[Skylight]override (全局光环境【天光】覆盖) 的贴图
全局光环境【天光】覆盖是Vray提供的360°场景辅助照明方式。这种方式允许设置一种颜色作为场景的环境光, 并使用环境光对场景进行照明。除了单纯设置颜色, 还可以设置一张贴图来作为环境光的照明依据。通常会设置一张与场景环境相符的普通动态范围的位图作为全局光环境的贴图。
制作概念动画短片《Lust》时, 我们尝试运用了HDRI作为全局光环境的贴图。
在《Lust》中有一个人体内部的场景, 这个场景设想呈现的是一粒抗生素药丸融化后长出医用注射器触须, 然后注射器触须在人体内张牙舞爪地摆动。为了体现紧张的气氛, 这个场景整体光照强度较弱, 阴影部分是画面的主导。正因为暗部占画面的主体, 所以这部分的细节和层次变化是场景打光所要解决的主要难点。通常情况下, 我们会给暗部补光。这种做法费时费力, 而且场景中灯光太多, 会造成渲染的时间大大增加。如果使用一张适合场景的HDRI作为全局光环境贴图, 则会较好地解决这个问题。 (见图1)
但在解决这个问题之前, 我们首先要获得一张适合场景的HDRI图片。实际操作中, 我们首先用已经贴图调节完成的场景渲染出3张低动态范围的环境图像, 并且保存成JPG格式。渲染这三张图片的要求是:一张欠曝光, 一张正常曝光, 一张过曝。为了达到这样的效果, 我们可以选择通过调节Vray物理摄像机的曝光补偿功能来完成。因为画面看起来欠曝光的图片会比较完整地保留环境的暗部层次, 同理, 过曝的图片会比较完整地保留环境的亮部层次, 正常曝光的图片则是对中间层次较好地保存。有了这样的三张图片后, 我们可以在Photoshop中将这三张图片导入, 在应用文件菜单中以Merge to HDR命令来进行HDRI的合成。
具体制作中, 首先导入模型, 打开材质编辑面板, 点击获取一个Vray HDRI;点击浏览, 选中该场景的HDRI贴图;调节好倍增值, 选择贴图类型为球状环境贴图;打开Vray渲染面板, 在环境面板中勾选此全局光环境【天光】覆盖, 并将设置好的HDRI附加到贴图区域上。此时, 软件已经可以读取HDRI上的亮度信息, 来为场景进行环境照明了。HDRI丰富的亮度层次转化成了层次丰富的环境光源。通过几次渲染测试, 我们已经得到了一个较好的渲染结果, 画面层次分明。通常情况下, 要得到类似的效果, 需要设置主光源、背景光、补光, 经过多次调节才能达到, 并且需要花费数倍的时间, 而使用HDRI作为环境辅助照明, 渲染一帧分辨率为720×404的图片只需要20几秒。
得到上面的渲染结果后, 接下来只需要简单设置主光源, 让场景中所有的物体得到一个统一的阴影方向, 最后便可以设置参数进行渲染输出了。
为了体现HDRI作为环境辅助照明的优势, 我们在同样的场景中, 用默认扫描线渲染器再进行一次渲染, 得到的图像十分平淡, 明暗关系也不及之前的渲染结果丰富。
2. HDRI作为Vray Mtl的材质贴图
在使用HDRI进行场景补光照明时, 除了对整个场景作全局照明, 有时为了强调效果, 还可以对某个特定的材质进行单独的光照效果调节, 此举能够在不影响画面基调的前提上, 达到更好的视觉效果。如果使用已经确定的环境Vray HDRI, 最终效果的融图性一般会比较好, 不会因为贴图和画面相差过多, 造成整体画面不协调。再者, HDRI的层次丰富也会使特定调节的部分细节更多, 画面更加充实。
在《Lust》中, 为了突出火红的天空环境对食人花的影响, 对食人花的材质做了强调。具体做法是:打开材质编辑器, 找到已经编辑好的食人花的材质球;将环境的Vray HDRI贴图附加到食人花材质的反射贴图中, 然后同样地将Vray HDRI贴图附加到食人花材质反射的光泽度贴图上。这样做可以使得其材质的环境感更强, 更能融合在画面中, 也可以突出主体物在画面中的重要性。 (见图2)
高动态范围 篇6
11月15日, 索尼宣布将再次与梵蒂冈电视中心 (CTV) 及其他技术伙伴联手, 在教宗方济各主持的大禧年圣门关闭仪式上, 提供全球现场节目制作和4K HDR转播的技术支持。
CTV为转播此次仪式建立了强大的技术架构, CTV1将采用12台最新型的索尼4K HDR摄像机和索尼HDR S-Log3系统, 用于端到端4K HDR现场系统中的现场节目制作部分。这一工作流程还可以同时提供4K超高清的标准动态范围 (SDR) 信号同步播出记录, 以及HD的SDR信号同步播出记录功能。S-Log3动态范围曲线能够处理具有更多信息的高动态范围和宽色度范围的节目内容, 确保这一系统能够与CTV的所有转播平台实现完全实时的兼容。这次转播的现场画面将采用12台索尼HDC-4300摄像机来拍摄, 现场节目制作流程将由索尼MVS-7000X节目制作切换台和PWS-4400 4K多通道服务器系统来提供支持, 转播节目的提交将使用混合Log-Gamma (HLG) 格式。
高动态范围 篇7
针对高速、高精度的应用需求, 阿尔泰公司推出采样率为1 MS/s~150 MS/s、精度为8 bit~16 bit的PXI/PCI-85XX系列数字化仪, 板卡搭配低相噪数字时钟芯片、精密校准电路及高性能ADC, 使其具有高精度、低噪声和高动态范围的性能。
PCI/PXI85XX系列覆盖了高速、高精度产品线, 客户可以根据自己的需求选择相应的产品。此外PCI/PXI-8532板卡板载64 KB FIFO存储器, 在PCI总线带宽内能够实现连续、实时的数据采集;其他每一款数字化仪均配备了标准DDRⅡ笔记本内存, 还可根据客户需求定制高达2 GB的板载内存, 既可延长采集时间, 还能用作大量数据暂存的空间, 以便给系统留出时间处理多个板卡、多个通道所采集进来的数据。
阿尔泰科技PCI/PXI85XX系列可以通过同步总线触发, 进行多板卡同步, 实现更多通道同步的效果。同时, 多块板卡同步时采用了同源时钟产生ADC的采样时钟, 能够达到高精度的系统同步。PCI/PXI85XX系列板卡可应用于移动通信、超声波测试、雷达及无线电信号测试、弹速测试、破片速度测试等应用场合。
试论雷达接收机动态范围 篇8
1雷达接收机信号功率变化的因素
对于雷达来说,由于多数情况是固定在一个地点,所以雷达接收机的信号来源比较多,必须保证雷达信号功率能够稳定在某一个范围内,否则雷达就会出现“时好时坏”的现象。随着科技的不断进步,雷达相关技术和设备发生了较大的变化。在此,本文首先对雷达接收机信号功率变化的因素进行一定的阐述。
1.1距离
雷达目标距离的变化,如近程目标与超远程外空目标的巨大区别。当采取各种措施以后,对接受及动态范围的影响也有40d B左右。距离对于很多大型固定设备来说,都是一个非常重要的限制性因素。一般情况下,距离越长,能够接收到的信号强度就越弱。在日后的研究当中,要想在客观上扩大雷达接收机动态范围,就必须克服距离上的因素。除了要设置相应的信号接收点以外,我们还需要加强雷达接收机本身的性能和各项技术指标。
1.2目标
雷达目标散射面积的变化,它取决于目标的大小、性质和起伏程度。特别是隐身目标的雷达散射面积越来越小,对接收机动态范围的影响有30d B左右。雷达的主要目的之一就是要捕捉到需要的目标, 无论是天气情况还是空中的飞机,亦或是某一段波长,都可以利用雷达进行准确的定位和捕捉。但是,目标的大小、性质和起伏程度会严重影响雷达的捕捉效果。比方说,现阶段研究出了一种“隐形飞机”,它能够躲避雷达的捕捉,原因在于它的体积不是很大,而且自身的设备不会被雷达扫描到。雷达要想有效的捕捉到这样的目标,就必须将接收机动态范围进行大面积的拓宽,并且要从客观上提高设备的性能和技术上的优势。
1.3杂波
地物杂波、海浪杂波、气象杂波,特别是地面对空雷达的低仰角观测时的杂波、 机载雷达的主瓣杂波和高度线杂波。杂波可以存在于自然界中,也可以通过人为的方式制造出来。相对来说,杂波对雷达接收机动态范围的拓宽具有较大的影响。首先,在自然环境当中,不同的地理位置和不同的高度具有不同类型的杂波,其影响范围和影响程度也存在差异。其次,目前的人工杂波较多,无论是有意还是无意, 都能够对雷达的正常工作造成机较大的影响。在以后的工作中,必须有效的解决杂波带来的危害,并且从根本上提高接收机动态范围,巩固稳定因素。
2相参雷达接收机动态范围
2.1雷达接收机动态范围的下限
雷达是一种比较特殊的设备,其接收机动态范围存在下限。多数情况下,应以进入雷达接收机输入端的最小信号电平为准,而不应是“最小可检测信号”或以 “接收机输入端等效噪声电平”为准。目前的雷达接收机获得了一定的进步,在很多方面都告别了以往的工作方式,运用的技术和设备也比较先进。我们需要对下限进行重新界定,否则很容易犯一些不必要的错误。相对来说,下限是雷达接收机动态范围的一个规则,我们只有在合理的规则内研究,才能获得较大的突破。
2.2通道无虚假响应动态范围
在复杂电磁环境中,如电子战环境, 具有有房雷达或通信干扰环境下,有可能在接收机内部产生交互调失真现象,交互调产物落入接受机通带内时,会产生虚假目标输出。从这个角度来说,雷达接收机动态范围的扩大或者精确定位会受到较大的影响。从图2中,我们可以看到,当互调产物功率等于最小信号输出功率时,此时对应的单频线性输出功率即为此准则的动态范围上限。由此可见,通道无虚假响应动态范围是以后工作和研究的重点。 第一,我们要保证接收机可以自动过滤某些波长或者信号,接收需要的东西,对没有用的波长、信号进行自动免疫。其次,通道无虚假响应动态范围不可能完全不受到任何虚假干扰,我们要保证虚假的信息在一个非常小的范围之内,小到忽略不计。从理论上来说,上限功率与最小信号输出功率之差成为无虚假响应动态范围。
3常用的动态压缩技术
3.1灵敏度时间控制
灵敏度时间控制是常用的动态压缩技术之一,对雷达接收机动态范围具有较大的积极意义,同时可以在一定程度上促进当下工作的不断进步。很多人将灵敏度时间控制称之为近程增益控制。此项技术的实用性较高,能够切实的帮助雷达接收机动态范围在一个合理的范围上波动,并且波动较小。另一方面,随着各项科技的不断提高,雷达接收机动态范围也需要有所进步,配合各项设备和技术,达到更高的目标。就现阶段的情况来看,灵敏度时间控制,比较适用于地面对空情报雷达、 海用雷达等类型。主要原因在于,地面杂波和海浪杂波多处于这些雷达天线波束的近程区。在日后的相关工作中,我们需要进一步提高灵敏度时间控制的力度和范围,不仅仅要对接收机动态范围进行控制,同时还要应用到相关领域的工作中, 取得更大的成就。
3.2程序增益控制
雷达接收机动态范围是一个非常有技术含量的工作,除了上述的技术以外, 我们还会用到程序增益控制,也被称为杂波图增益控制或者是自动杂波衰减器。程序增益控制一般用于固定工作的雷达站。 它可以根据雷达站周围环境的杂波强度分布进行相应的增益衰减,使二者达到完全的匹配。从客观的角度来说,程序增益控制在现阶段的应用和发展中,已经成为了一种必要性的技术。首先,我们不能无限的扩大雷达接收机动态范围,那样会造成非常严重的后果,但又不能长时间停留在一个固定范围,通过程序增益控制可以合理扩大雷达接收机动态范围,实现平衡发展。其次,当我们将程序增益控制应用到固定的雷达工作中的时候,不仅可以提高工作效率,同时对雷达的合理应用,捕捉信息和波长,也具有较大的积极意义, 弹性调节能够帮助雷达的各项工作在一个较好的环境当中进行。
3.3自动增益控制
自动增益控制是一个偏向智能化和自动化的技术,它主要应用于精密跟踪测量雷达接收机。现阶段的军事竞争非常激烈,很多的国家为保卫自身的领土和各项工作可以顺利进行,需要捕捉一些特殊的波长和信息,并且要实现自动控制,因为人工操作常常会出现一定的漏洞或者失误,造成难以弥补的恶性事件。自动增益控制在应用到精密跟踪测量雷达接收机以后,接收机动态范围明显扩大,同时在自动增益技术的帮助下,雷达接收机并不容易被发现,而且能够接收到某一种特别的信息、数据或者是波长。在以后的工作中,我们需要进一步加强自动增益控制的效果和性能,让雷达接收机动态范围在稳步扩大的同时,还能在一定程度上帮助我们做一些特殊工作,实现多元化发展。
4非相参雷达接收机动态范围
非相参雷达只提取回波信号的幅度信息而舍弃了回波信号的相位信息,接收机输出不再是正交检相输出I/O信号,而是简化为包络检波输出,如图3。从现有的工作情况来看,非相参雷达接收机动态范围需要得到进一步的提高。首先,我们需要确定非相参雷达接收机动态范围的具体研究方向和现阶段亟待解决的问题,制定详细的方案,否则一味的进行全面性工作,很难获得突出的成就。其次,我们要对相关的技术和机械设备革新,从客观上解决一些固有的麻烦和冲突,保证相关技术能够得到较大的提高。第三,要让非相参雷达接收机动态范围通过平稳的方式进行扩大,在总体上促进雷达接收机动态范围工作的进步。值得注意的是,限幅放大器对动态范围的压缩,即为输入动态范围与输出动态范围之差。
5总结
本文对雷达接收机动态范围进行了论述,就现有的发展趋势来看,相关工作依然在以一个平稳的速度前进。另一方面,随着相关领域工作的提升,雷达接收机动态范围有所扩大,并且能够捕捉到更加微弱的波长和信息。在日后的工作当中,我们要针对不同的情况制定相应的预案和备案,既要达到工作目标,也要在“规则”以内进行。相信在日后的工作中,雷达接收机动态范围的工作会有一个更大的提升,促进我国技术的全面进步。
摘要：叙述了接收机输入信号功率变化的各种影响因素以及相参雷达和非相参雷达接收机动态范围定义。说明了相参雷达接收机动态范围的下限和上限两种定义以及动态范围、系统增益设计与ADC分辨率的匹配关系。从客观的角度来说,雷达是目前国家发展的必备设备之一,它不仅可以对天气预报产生较大的积极以及,同时在军方、卫星发射、天空侦查等领域,都有独特的作用。雷达接收机动态范围会直接影响到雷达的功能范围,并且对雷达相对的领域产生较大的影响。日后必须通过合理的技术性手段,不断的扩大雷达接收机动态范围,进一步促进各项工作的发展。