СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЦИФРОВОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ ОБЪЕКТА
METHOD OF DIGITAL IMAGING

Изобретение относится к технике получения цифровых изображений объекта с широким диапазоном яркости, преимущественно в аэрофотографических и разведывательных целях.
В большинстве случаев технической съемки (например, рентгеновская или аэросъемка) результирующее изображение формируется за счет совокупности малоконтрастных объектов наблюдения, находящихся в большом диапазоне яркостей. Основной причиной информационных потерь при съемке данных объектов является несоответствие динамического диапазона входного сигнала динамическому диапазону регистратора изображения. Это объясняется действием ряда факторов: перепад освещенности за счет теней от облаков, естественных и искусственных сооружений, дыма от заводских труб и других предметов; наличие в поле зрения съемочной камеры «бликующих» зеркально отражающих, в том числе водных поверхностей; широкий диапазон изменения коэффициента яркости естественных объектов съемки (от 0,02 для чернозема до 1,0 для свежевыпавшего снега); малый динамический диапазон приемников оптического излучения, используемых в съемочных камерах для регистрации изображения.
Известен способ расширения динамического диапазона передаваемых градаций яркости и/или освещенности в телевизионной системе (патент РФ 2199827). Весь световой диапазон регистрируется несколькими параллельными каналами, имеющими различную настройку. Способ не рассматривает обработку полученного сигнала для дальнейшей визуализации на приборах с малым динамическим диапазоном выходного сигнала.
Известен способ получения изображения объекта с большим диапазоном яркости (патент Украины 87415). Экспонирование светочувствительного материала осуществляют через частотно избирательную фильтр-маску, которую предварительно строят на прозрачном элементе из фотохромного материала. Маска представляет собой нерезкое негативное изображение того же объекта. Использование способа предусматривает наличие дополнительного оптико-электронного канала и отличается сложностью из-за необходимости проведения точных котировочных работ по совмещению изображений, формируемых оптическим и оптико-электронным каналами.
Для минимизации потерь информации при регистрации цифровых изображений применяется технология HDR (High Dynamic Range), предусматривающая формирование изображений с большим динамическим диапазоном. Чаще всего, такие изображения формируют из нескольких изображений с малым динамическим диапазоном LDR (Low Dynamic Range), полученных в результате съемки одного и того же сюжета при разных уровнях средней экспозиции (так называемого брекетинга экспозиции). Вместе с тем, не смотря на явные преимущества, применение изображений с большим динамическим диапазоном вызывает проблемы для их использования с целью дешифрирования при отображении на приборах с ограниченным динамическим диапазоном выходного сигнала (мониторы, фотопринтеры и т.д). В связи с этим, сформированные HDR изображения требуют дополнительного сжатия до требуемого уровня. Известны различные способы, позволяющие получить изображение, удобное для дальнейшей визуальной обработки.
Известен способ получения изображения (патент США 6.822.762), выбранный в качестве прототипа заявляемого изобретения. Способ сводится к обработке изображения с большим диапазоном выходного сигнала. В свою очередь, изображение с большим диапазоном выходного сигнала может быть предварительно получено известными способами из нескольких изображений одного и того же объекта, сформированных в результате брекетинга экспозиции. Изображение строят следующим образом. Предварительно создают маску в виде размытого изображения яркостного канала. Для размытия используют линейный фильтр низких частот. Далее, значение каждой компоненты изображения попиксельно преобразуется с учетом значения маски. Предложенный способ позволяет усилить темные места изображения и ослабить светлые, снижая макроконтраст изображения, повышая контраст мелких деталей. Использование способа позволяет существенно улучшить изображение, приведя его к удобному для визуального восприятия виду. Кроме того, сужение динамического диапазона исходного изображения происходит за счет низкочастотных составляющих входного сигнала, не несущих, как правило, информацию, полезную дешифровщику. Основным недостатком способа является наличие эффекта оконтуривания контрастных деталей, известного под термином «halo». Кроме того, по существу, способ не гарантирует получение наиболее информативных изображений, наиболее интересных дешифровщику. Параметр, определяющий эффективность съемки, далеко не всегда определяется только уровнем экспозиции. Чаще всего, эффективность съемки оценивают по информационной емкости снимка или его разрешающей способности. На характеристической кривой приемника оптического изображения (например, матрицы ПЗС) существует достаточно узкий интервал экспозиций, для которого разрешающая способность изображения имеет максимальное значение. В зоне малых и больших экспозиций разрешающая способность падает за счет снижения контраста изображения из-за нелинейности характеристической кривой. В области больших экспозиций имеет место насыщение, малых - доминирующее значение на разрешающую способность оказывают шумы. Однако и другие звенья фотоаппарата оказывают влияние на качество получаемого изображения. Например, фрагмент объекта, изображение которого находится в зоне оптимальных экспозиций на характеристической кривой фотоприемника на одном снимке, может иметь более низкую разрешающую способность, чем тот же фрагмент объекта на другом снимке, изображение которого находится в другой зоне экспозиций. Это может определяться, например, различными выдержками при съемке. В первом случае, нескомпенсированный смаз изображения может оказать более существенное влияние на разрешающую способность, чем неоптимальная экспозиция. Таким образом, с точки зрения дешифрирования, наибольший интерес представляет не изображение, физически точно отображающее объект, а изображение, несущее максимальную информацию о деталях данного объекта.
В основу изобретения положена задача повышения качества изображения объекта съемки, предназначенного для визуализации на приборах с ограниченным динамическим диапазоном за счет составления его из наиболее информативных элементов изображений объекта, полученных при одинаковых внешних условиях и разных экспозициях. Это позволяет получить изображение с малым динамическим диапазоном, удобное для дальнейшего дешифрирования.
Поставленная задача решается за счет того, что в способе получения цифрового изображения объекта, заключающемся в формировании серии цифровых изображений одного и того же объекта, полученных при разных уровнях экспозиции с дальнейшим построением результирующего цифрового изображения, в соответствии с изобретением сначала для каждого пикселя каждого цифрового изображения рассчитывают или измеряют значение параметра, определяющего эффективность фотосъемки, используя информацию от совокупности пикселей участка изображения, содержащей требуемый пиксель, и отстоящих от него на заданном расстоянии, после чего попиксельно строят результирующее изображение, при этом в каждый пиксель результирующего изображения заносят информацию из сопряженного ему пикселя цифрового изображения, для которого ранее полученное значение параметра, определяющего эффективность фотосъемки, имеет максимальное значение.
Решение поставленной задачи позволит повысить эффективность съемки в целом, обеспечив визуализацию изображения на приборах с ограниченным динамическим диапазоном выходного сигнала.
Способ реализуют следующим образом. Сначала получают несколько цифровых снимков одного и того же объекта при различных уровнях экспозиции. Количество снимков определяется соотношением диапазона яркостей объекта съемки и динамического диапазона регистратора цифрового изображения. Например, если диапазон яркостей объекта фотографирования составляет , а диапазон освещенностей, воспринимаемых регистратором изображения, , то необходимо получить не менее двух снимков. После этого задаются размером и формой «окна», в пределах которого для каждого пикселя каждого изображения будет рассчитываться или измеряться параметр, определяющий эффективность фотосъемки. Под термином «окно» в данном случае следует понимать совокупность пикселей, составляющих окружение интересующего пикселя. В данную совокупность входит сам интересующий пиксель, и пиксели, отстоящие от него на заданном расстоянии. В простейшем случае, «окно» определяется центром, в котором находится интересующий пиксель, и соседние с ним пиксели. В более сложном случае, в зависимости от решаемых задач, «окно» может создаваться совокупностью пикселей, ограниченных многоугольником произвольных размеров.
После этого для каждого пикселя каждого изображения рассчитывают или измеряют параметр, определяющий эффективность фотосъемки. При этом для расчета или измерения параметра, определяющего эффективность фотосъемки, используют информацию от совокупности пикселей участка изображения в пределах ранее выбранного «окна», соответствующего данному пикселю. В качестве параметра, определяющего эффективность фотосъемки, может быть выбрана разрешающая способность, усредненная разрешающая способность, информационная емкость или другие параметры. Для художественной фотографии в качестве параметра, определяющего эффективность фотосъемки, могут быть выбраны статистические данные субъективных оценок качества изображения, например условная шкала «плохое - хорошее изображение».
После этого формируют результирующее изображение, для чего в каждый пиксель результирующего изображения заносят информацию из сопряженного ему пикселя цифрового изображения, для которого ранее полученное значение параметра, определяющего эффективность фотосъемки, имеет максимальное значение.
Известно, что такой параметр, как разрешающая способность, в большинстве случаев фотографирования, при прочих равных условиях, определяется контрастом между элементами изображения, находящимися на пределе разрешения. В связи с этим, усреднений контраст между элементами изображений, которые соответствуют соседним пикселям в пределах «окна», также может быть использован в качестве параметра, определяющего эффективность фотосъемки. Ошибки, возникающие при расчете контраста, определяемые наличием шумов, могут быть минимизированы, если расчет будет проводиться по нерезким цифровым изображениям, соответствующим исходным.
1
2
m
1
2
m
1
2
m
p
n
1
n
2
n
m
n
p
n
Предлагаемый способ поясняется чертежом, где показаны графики условных одномерных изображений U(x), U(x), …U(x), полученных при одинаковых внешних условиях и разных уровнях экспозиции. Где: U - параметр, определяющий интенсивность изображения в пикселе (например, в зависимости от формы представления изображения, это может быть оптическая плотность бумаги или прозрачного носителя, яркость экрана монитора, потенциал в ячейке ПЗС, либо некоторое цифровое значение массива); x - координата (одномерная) пикселя. Изображениям U(x), U(x), …U(x) соответствуют распределения параметра, определяющего эффективность съемки R(x), R(x), …R(x). Где R - параметр, определяющий эффективность съемки, измеренный или рассчитанный по информации от совокупности пикселей в пределах заданного «окна». Для формирования результирующего изображения U(x) для каждой координаты x выбирается параметр U того изображения, для которого значение R будет иметь максимальное значение. Например, если для некоторого пикселя изображения с некоторой координатой ξ выполняется условие R(ξ)>R(ξ), R(ξ)>R(x),… R(ξ)>R(x), то пикселю с координатой ξ в результирующем изображении присваивают значение U(ξ), то есть U(ξ)=U(ξ).
Предлагаемый способ позволяет получить цифровые фотографические изображения высокого качества из серии изображений, сформированных в результате брекетинга экспозиции, без создания промежуточного HDR-изображения.