基于HDR图像处理的数码相机成像式亮度测量方法

　　0　引　言

　　常规的成像式亮度计在实际使用过程中存在诸多不便，瞄点式亮度计在低亮度场景中无法观察到目标，且对面积微小而亮度均匀性很差的发光面测量误差较大;筒式亮度计则要求被测面是完全漫发射面，且需充满光探测器的整个立体角范围，否则就无法测定正确的亮度值[1]。另外，由于传统光度计所测量的是微小发光面的亮度平均值，在对道路照明、隧道照明、体育场馆等大视野范围内的亮度分布进行测量时，采用这类设备逐点测量不仅费时费力，而且误差较大。数码成像式亮度计能方便快捷地完成亮度分布测量和眩光评价等工作，但该类设备价格昂贵，未能得到普及[2，3]。随着数码相机成像质量等性能指标的不断提升，利用经标定的数码相机可以获得能接受的亮度测量结果，不失为一种性价比很高的替代方案[4，5]。

　　1　基于HDRI的亮度测量原理

　　对于简单的透镜系统，其焦平面曝光量H与照度E、物体亮度Ls之间满足公式(1)[6]

式中：q=(π/4)Tνcos4(θ);A为镜头F数(镜头焦距/光圈直径);E为焦平面照度(单位为lx);F为镜头焦距(单位为m);H为焦平面总曝光量(单位为lx·s);Hf为焦平面杂光曝光量(单位为lx·s);i为像距(单位为m);Ls为景物亮度(单位为cd/m2);t为曝光时间(单位为s);T为镜头透过率;u为物距(单位为m);ν为渐晕系数;θ为物体与透镜法线的夹角。

　　当对焦在无穷远时，H》Hf，可忽略杂散光的影响，且在实际测量时，u》f，此时由公式(1)可得

　　由于图像传感器在饱和之前，其输出信号强度与入射光强成正比，由式(2)可以看出，数码相机模数转换单元(ADU)的输出电平与物体的实际物理亮度线性相关。点式亮度计便是基于这一原理的，将光电探测器(硅光电二极管或光电倍增管)的光电流信号直接输出至后续的放大电路，从而测得被测面的亮度。然而数码相机的成像过程除了与相机的光学系统以及图像传感器的光电转换相关外，数码相机的图像数据处理系统、色彩管理、动态范围、图像数据格式等都对最终输出的数码照片产生影响。

　　DSC成像流程框图如图1所示[7]。场景经CCD或CMOS阵列的光电转换得到原始图像数据(raw　DSC　image　data)，如前所述，这一转换过程是线性的。原始图像数据是与输入设备相关的不可见图像，需经过必要的图像预处理环节(去马赛克、白平衡处理等)才能得到景物图像数据(scene-referredimage　data)。为了实现数字图像的交换、显示、编辑、打印，将其按照标准的图像格式进行伽马校正、色彩空间编码、文件压缩，最终得到标准化的相关图像数据文件输出(JPEG、TIFF等)。为了获得更符合人类视觉感受的数字图像，数码相机制造厂家还可能增加了自动降噪、轮廓增强、对比度增强等处理流程，这些处理环节都不可避免地引入噪声。成像过程中，动态范围的影响更是至关重要。通常认为，对于固定场景，当动态范围为105时，即与人眼能处理的亮度范围相接近时，则称之为高动态范围(HDR)，但就目前而言，普通的消费级数码相机其动态范围仍远远小于肉眼所能处理的亮度。