机器视觉之高动态范围成像（HDR技术）

HDR(高动态范围成像)是近年来比较热门的成像和图像处理技术。HDR能够实现比普通数字图像技术更大的曝光动态范围（即更大的明暗差别），其目的是要正确地表现真实世界中从太阳光直射到最暗的阴影这样大的范围亮度。

HDR技术的效果堪称震撼人心，而以上就是一组HDR成像技术的对比图，可以更直观的让您感受HDR技术的价值。

那么为什么工业相机的芯片不能直接取得类似HDR的良好成像效果，而必须通过软件校正来实现呢？今天我们就为您具体分析下影响成像效果的因素：动态范围。

动态范围指场景中的亮度范围或胶片、CCD、CMOS等感光材料的感光范围，对于胶片和感光元件来说，动态范围表示图像中所包含的从“最暗”至“最亮”的范围。动态范围越大，所能表现的层次越丰富，所包含的色彩空间也越广。那么，当拍摄场景的动态范围超过相机的动态范围时，会出现什么情况呢？

工业相机的感光元件是由数以百万个像素组成的，这些像素在像素曝光的过程中吸收光子，转化成数字信号，然后成像。这个过程就像我们拿数百万个水桶到户外收集雨水。感光区域越光亮，收集的光子量自然越多。感光元件曝光后，按照每个像素收集的光子量不同，赋予它们不连续的值，并转化为数字信号。没有吸收光子和吸收光子至满载的像素值分别显示为"0"和"255"（以8位图像为例），即代表纯黑色和纯白色。

一旦这些像素满载，光子便会溢出，溢出会导致信息（细节）损失。以红色为例，高光溢出使满载红色的像素附近的其它象素的值都变成255，但其实它们的真实值并没有达到255。换句话说，画面的细节发生了损失，这样会造成高光部分的信息缺失。如果我们以减少曝光时间来防止高光溢出，很多用来描述昏暗环境的像素则没有足够的时间接收光子量，得出的像素值为0，这样就会导致昏暗部分的信息缺失。

真实世界场景的动态范围能够达到1014个数量级，人类视觉系统（HVS）能够感知到105个数量级的动态范围，并且通过人类视觉系统自适应机制的调整能够感知到109个数量级的动态范围。但是目前的数字图像获取设备和显示设备的动态范围却相对有限，仅仅有102~103个数量级。这就是为什么目前的工业相机不能直接拍摄出HDR效果的图片，而HDR技术能够深入发展和应用。

那么，怎样提高工业相机在实际拍摄过程中的动态范围呢？

1、采用大尺寸CCD靶面。通过上面的说明，我们现在就可以理解为什么采用大尺寸感光元件的数相机会拥有更大的动态范围。原因很简单：数码单反的感光元件尺寸一般是消费级数码相机的4～10倍，允许承载更多的像素而不至于缩小像点之间的距离，而产生噪点。更多的像素不会很快被“填满”，因此表现昏暗环境的像素在表现光亮环境的像素“满载”之前，有更多时间吸收光子，从而画面细节便会更加丰富。因此，在工业检测中，我们倾向于采用更大幅面的相机。

2、对传感器做曝光设置，弱光时自动采用长时间曝光，强光时自动采用短时间曝光。这一方法会导致图片中对应的物体灰度值比例发生变化，用来做图像处理的话不能够真实的得到原场景的有效信息，因此该方法不能用在工业相机上，这也是大部分工业相机没有民用相机的动态范围高的原因。