楊少魁 張媛媛 曹海軍

摘要：曝光是攝像機(jī)拍攝中的一種基本處理和重要功能，用于獲得亮度合適的圖像，曝光控制技術(shù)也是攝像機(jī)領(lǐng)域中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)和重要研究方向。本文統(tǒng)計(jì)并分析了攝像機(jī)曝光技術(shù)方面國內(nèi)和國際上的專利申請(qǐng)情況，并介紹了攝像機(jī)曝光領(lǐng)域中的各個(gè)技術(shù)分支及其代表性專利，闡述了該領(lǐng)域現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)展情況。最后總結(jié)了攝像機(jī)曝光技術(shù)方面我國和國外專利的不同特點(diǎn)，希望能為我國相關(guān)企業(yè)和科研單位提供技術(shù)研發(fā)和專利布局方面的思路。本文也可以為攝像機(jī)曝光領(lǐng)域的專利審查提供現(xiàn)有技術(shù)情況。

關(guān)鍵詞：攝像機(jī);曝光;技術(shù)分支;專利分析

中圖分類號(hào)：TN948.41;G306 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2020）24-0156-05

1 引言

攝像機(jī)成像的作用是模擬和代替人類視覺系統(tǒng)，以獲得視覺信息;攝像機(jī)曝光是控制拍攝圖像亮度的處理，是成像過程中的一個(gè)基本處理，只有經(jīng)過合適的曝光才能獲得亮度合適的圖像，不至于過暗或過亮。專業(yè)的相機(jī)中可以通過拍攝者的設(shè)置來進(jìn)行曝光參數(shù)的控制，而一般的成像模組中會(huì)集成自動(dòng)曝光處理功能，使得采集到的圖像有合適的亮度[1]。

專利作為技術(shù)信息的重要載體，其中也必然反映了攝像機(jī)曝光技術(shù)的整個(gè)發(fā)展脈絡(luò)，覆蓋了其中的各個(gè)技術(shù)分支。因此，本文針對(duì)攝像機(jī)曝光技術(shù)方面的專利進(jìn)行分析，既可以梳理出該技術(shù)的發(fā)展路線以供本領(lǐng)域的技術(shù)人員參考，對(duì)相關(guān)企業(yè)和科研院所在技術(shù)研發(fā)和專利布局方面提供幫助，也可以使本領(lǐng)域的專利審查人員了解現(xiàn)有技術(shù)狀況，有助于檢索和審查工作。

2 攝像機(jī)曝光技術(shù)專利統(tǒng)計(jì)分析

本文以中國專利文獻(xiàn)檢索摘要數(shù)據(jù)（CNABS）和德溫特世界專利索引數(shù)據(jù)庫（DWPI）為檢索基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，使用攝像機(jī)控制領(lǐng)域的IPC和CPC分類號(hào)H04N5/235及其下位點(diǎn)組，并結(jié)合關(guān)鍵詞“曝光”來檢索獲得攝像機(jī)曝光技術(shù)領(lǐng)域的專利文獻(xiàn)，檢索日期截至2019年12月31日。本文將從年度專利申請(qǐng)數(shù)量、專利申請(qǐng)國家或地區(qū)分布、主要申請(qǐng)人方面進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2.1 攝像機(jī)曝光技術(shù)專利申請(qǐng)總體情況

在專利申請(qǐng)數(shù)量方面，從圖1可以看出，在2000年至2018年期間，攝像機(jī)曝光技術(shù)方面的專利申請(qǐng)量在世界上基本呈現(xiàn)穩(wěn)步增長的態(tài)勢，在我國也是如此;因?yàn)槠毓獗旧硎菙z像機(jī)的一個(gè)基本處理和重要的功能，需要不斷地進(jìn)行研究和創(chuàng)新，以提高攝像機(jī)的性能。另外，從圖1中還可以看出，在2000年等早期年份，關(guān)于攝像機(jī)曝光的專利在中國的申請(qǐng)只占世界上非常少的一部分，但隨著時(shí)間的推移，中國專利申請(qǐng)量在全世界的占比快速增長，到2015年至2018年都超過了50%，并且占比持續(xù)上升，這也說明了隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和知識(shí)產(chǎn)權(quán)體系的不斷完善，包括國外在內(nèi)的越來越多的申請(qǐng)人都在中國進(jìn)行這方面的專利布局。

2.2 攝像機(jī)曝光技術(shù)專利申請(qǐng)區(qū)域分布

在專利申請(qǐng)的國家或地區(qū)分布方面，從圖2可以看出，日本在攝像機(jī)曝光領(lǐng)域中的專利申請(qǐng)數(shù)量遙遙領(lǐng)先，占到了全世界的40%，其次是美國和中國，歐洲和韓國在該領(lǐng)域中的專利數(shù)量較少。因?yàn)樵跀z像機(jī)產(chǎn)業(yè)，日本的生產(chǎn)廠商在世界中獨(dú)占鰲頭，因而在攝像機(jī)曝光領(lǐng)域中技術(shù)也領(lǐng)先于其他國家和地區(qū)。

2.3 攝像機(jī)曝光技術(shù)專利主要申請(qǐng)人分析

在國外主要申請(qǐng)人方面，從圖3中可以看出，佳能、富士、奧林巴斯、索尼、尼康是申請(qǐng)數(shù)量排名前幾位的申請(qǐng)人，這些均是世界上生產(chǎn)攝像機(jī)的最大廠商，都是日本的企業(yè)，也反映了日本在攝像機(jī)產(chǎn)業(yè)中的地位。另外，韓國三星也在攝像機(jī)曝光領(lǐng)域中申請(qǐng)了較多的專利數(shù)量。

在國內(nèi)主要申請(qǐng)人方面，從圖4中可以看出，歐珀、努比亞、維沃、華為、中星微電子在攝像機(jī)曝光領(lǐng)域中申請(qǐng)的專利數(shù)量排名前五;歐珀、努比亞和維沃等本身是制造手機(jī)等電子終端的企業(yè)，并不是專門的攝像機(jī)廠商，但因?yàn)閿z像頭和拍攝已經(jīng)成為手機(jī)等終端的重要部件和功能，因而上述企業(yè)也申請(qǐng)了大量專利。

通過對(duì)比圖3和圖4可以看出，在攝像機(jī)曝光技術(shù)方面中國企業(yè)的專利數(shù)量仍然少于日本等世界領(lǐng)先企業(yè)的專利數(shù)量，這也反映了中國在這方面技術(shù)積累的薄弱，但是以攝像機(jī)在終端方面的應(yīng)用為突破口，也可以不斷發(fā)展自己的技術(shù)，這也給我國企業(yè)在攝像機(jī)技術(shù)方面的研發(fā)路線和努力方向給出了啟示。

3 攝像機(jī)曝光領(lǐng)域?qū)＠夹g(shù)發(fā)展分析

對(duì)于攝像機(jī)曝光而言，其獲得的圖像的亮度由四個(gè)方面的因素決定：環(huán)境光亮度、相機(jī)的光圈大小、曝光時(shí)間（也稱為快門速度）、信號(hào)增益。這四個(gè)因素中，環(huán)境光亮度是由外界環(huán)境光照決定的，但是也并非不能人為控制，例如拍攝時(shí)使用閃光燈來提升光照亮度;而其余的三個(gè)因素則可以通過控制攝像機(jī)來調(diào)節(jié)，因而光圈大小、曝光時(shí)間和信號(hào)增益是一般的控制曝光所使用的參數(shù)[1]。在攝像機(jī)曝光技術(shù)中，一般包括采用拍攝時(shí)補(bǔ)光、曝光時(shí)間（快門）控制、圖像信號(hào)增益控制、光圈控制、包圍式曝光等幾個(gè)方面，其中包圍式曝光用于獲得高動(dòng)態(tài)范圍圖像。

3.1 拍攝補(bǔ)光技術(shù)

補(bǔ)光技術(shù)是實(shí)質(zhì)是采用照明手段影響景物亮度，一般是指在環(huán)境光亮度較低的條件下，例如夜晚，采用閃光燈等形式進(jìn)行補(bǔ)光，以獲得比較理想的光照條件，進(jìn)而得到亮度合適的圖像。對(duì)于照明補(bǔ)償技術(shù)，其中很重要的一個(gè)思路是根據(jù)當(dāng)前環(huán)境光亮度值來確定需要補(bǔ)光的亮度，這樣才能獲得合適的拍攝照明亮度，例如日本的三洋電機(jī)株式會(huì)社在其申請(qǐng)的專利JPH1031250A中提供了一種數(shù)字照相機(jī)，包括閃光燈和CCD成像器，首先在閃光燈不發(fā)光條件下曝光CCD成像器，生成一個(gè)亮度信號(hào)以計(jì)算亮度評(píng)估值;隨后，使閃光燈在發(fā)出預(yù)閃光條件下曝光CCD成像器，根據(jù)獲得的亮度信號(hào)再次評(píng)估亮度值;然后，根據(jù)由這兩種方式獲得的兩個(gè)亮度評(píng)估值，計(jì)算閃光燈的主閃光量。

另外，控制閃光燈的閃光時(shí)間也是很重要的一個(gè)方面，因?yàn)橐话愕某上駛鞲衅鲝墓ぷ鲿r(shí)序上來說分為電荷收集與積累、電荷轉(zhuǎn)移、電荷信號(hào)讀出這幾個(gè)階段，在線曝光或卷動(dòng)式快門的信號(hào)電荷讀出方式中，在拍攝圖像的同時(shí)使用閃光燈時(shí)，可能發(fā)生圖像灰度在頂部和底部不同的現(xiàn)象。對(duì)此，日本索尼株式會(huì)社申請(qǐng)的專利JP2010093729A中公開了一種成像設(shè)備，設(shè)定閃光燈控制信號(hào)的輸出定時(shí)，以使從閃光燈發(fā)光的開閉時(shí)間段被包含于從信號(hào)電荷讀出完成到隨后的第二讀出命令信號(hào)輸入為止的時(shí)間段內(nèi);根據(jù)閃光燈發(fā)光命令的輸入和輸出定時(shí)，向閃光燈提供控制信號(hào)并且以預(yù)定間隔來提供讀出控制信號(hào)。

采用閃光燈補(bǔ)光的方式一般都是在拍攝瞬間發(fā)出較強(qiáng)的光來進(jìn)行照明，這種方式在拍攝人像時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致問題，因?yàn)樵诠饩€較暗的環(huán)境下拍攝的時(shí)候，突然的閃光會(huì)讓人眼很不適應(yīng)，會(huì)不自覺的閉眼，無法拍攝到理想的人像。針對(duì)這一問題，國內(nèi)企業(yè)廣東歐珀移動(dòng)通信有限公司提出的專利申請(qǐng)CN104243842A公開了一種閃光燈強(qiáng)度控制方法，在閃光燈拍攝模式下進(jìn)行拍照時(shí)，如果檢測到人臉，則獲取人臉在拍攝圖像中的區(qū)域，在該區(qū)域大于預(yù)設(shè)區(qū)域時(shí)，根據(jù)該區(qū)域設(shè)置閃光燈的電流值，使得當(dāng)該區(qū)域大于預(yù)設(shè)區(qū)域時(shí)，閃光燈的電流強(qiáng)度隨著該區(qū)域的變大而變小。由于當(dāng)人臉與攝像設(shè)備的距離越近時(shí)，人臉在拍攝圖像中的區(qū)域越大，這樣使得閃光強(qiáng)度越小，因此該專利能夠?qū)崿F(xiàn)基于人臉與攝像設(shè)備的距離的閃光燈強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)調(diào)整，從而減小閃光燈對(duì)眼睛的沖擊，減少拍攝時(shí)眨眼的概率，提高人像拍攝質(zhì)量。

3.2 曝光時(shí)間控制技術(shù)

曝光時(shí)間是決定圖像亮度的一個(gè)重要參數(shù)，圖像傳感器完成光電轉(zhuǎn)換的過程在一定時(shí)間間隔內(nèi)光電流通過積累成為電荷，這個(gè)積分時(shí)間長度就是曝光時(shí)間;曝光時(shí)間增加，圖像亮度增加，反之曝光時(shí)間減少，圖像亮度也減小[2]。曝光時(shí)間也稱為快門時(shí)間或快門速度，因?yàn)槠毓鈺r(shí)間的多少是由快門機(jī)構(gòu)來決定的。

在模擬相機(jī)的初期采用的是機(jī)械式快門，隨著CCD等數(shù)字相機(jī)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了電子快門，即通過控制每個(gè)像元電荷累積時(shí)間的方式實(shí)現(xiàn)曝光時(shí)間控制。例如，日本佳能公司申請(qǐng)的專利JP2005159418A，在背景技術(shù)中提到：在傳統(tǒng)攝像機(jī)中，通過機(jī)械快門的開閉進(jìn)行曝光;然而，高速秒時(shí)由機(jī)械條件的界限所制約，無法進(jìn)一步提高曝光時(shí)間控制的精度;因而提出了一種電子快門的方法，在多個(gè)位置檢測前幕簾以及后幕簾的通過，在檢測出前幕簾的通過后經(jīng)過預(yù)定時(shí)間后，在檢測出后幕簾的通過之前，順序進(jìn)行像素的復(fù)位，能夠?qū)崿F(xiàn)沒有機(jī)械制約的高速秒時(shí)的曝光時(shí)間控制。

對(duì)于光照度比較均勻的場景，一般的曝光控制算法都可以獲得高質(zhì)量的圖像，根據(jù)當(dāng)前光照度按照一定的算法即可以計(jì)算出合適的曝光時(shí)間;但是對(duì)于場景中同時(shí)存在暗和亮的部分，例如在圖像中既有陽光直射的區(qū)域，同時(shí)也存在光照被遮擋的陰影區(qū)域時(shí)，簡單的曝光控制算法則無從計(jì)算合適的曝光時(shí)間。對(duì)此，美國的全視技術(shù)公司提出了具有雙重自動(dòng)曝光控制的圖像傳感器，在其申請(qǐng)的專利CN1518120A中公開了一種圖像傳感器，其像素陣列包括多個(gè)亮像素和多個(gè)暗像素;暗曝光控制電路控制多個(gè)暗像素的曝光時(shí)間，亮曝光控制電路控制多個(gè)亮像素的曝光時(shí)間。該專利中提出的技術(shù)方案可以解決自動(dòng)曝光控制算法混淆亮和暗部分的組合的圖像，導(dǎo)致成像困難的問題。

在拍攝場景中經(jīng)常會(huì)存在閃爍的光源，如以一定頻率閃爍的LED燈光;還存在閃爍的拍攝目標(biāo)，如計(jì)算機(jī)屏幕等，因?yàn)槠聊皇且砸欢ǖ念l率（60Hz）刷新的;由于閃爍的頻率較高、時(shí)間較短，與攝像機(jī)的曝光時(shí)間為同一個(gè)量級(jí)，這往往會(huì)導(dǎo)致拍攝圖像中存在紋理，導(dǎo)致拍攝圖像很差，這一問題也需要通過適當(dāng)?shù)乜刂破毓鈺r(shí)間來解決。例如國內(nèi)的歐珀公司在其申請(qǐng)的專利CN109120863A中，提供了一種拍攝方案，當(dāng)監(jiān)測到拍攝預(yù)覽畫面中存在閃爍光源時(shí)，實(shí)時(shí)測算閃爍光源的閃爍頻率，并根據(jù)閃爍頻率計(jì)算生成目標(biāo)曝光時(shí)間，然后基于該目標(biāo)曝光時(shí)間進(jìn)行圖像拍攝;通過采用上述技術(shù)方案，可以根據(jù)閃爍光源的閃爍頻率合理確定目標(biāo)曝光時(shí)間，并基于目標(biāo)曝光時(shí)間對(duì)包含該閃爍光源的拍攝主體進(jìn)行拍攝，不僅有效解決了由于閃爍光源造成的拍攝畫面的亮度、顏色失真的問題，還可以避免由于閃爍光源造成的拍攝畫面中的空間紋理，能夠有效提高拍攝圖像的質(zhì)量。

3.3 增益控制

增益控制是攝像機(jī)系統(tǒng)對(duì)圖像亮度的電信號(hào)施加的增益進(jìn)行控制，以獲得亮度合適的圖像。此處的增益也被稱為感光度（ISO值）;通過圖像傳感器轉(zhuǎn)換后的模擬點(diǎn)信號(hào)，在轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)之前，將會(huì)通過一個(gè)稱為自動(dòng)增益控制（AGC）模塊，該模塊將輸入信號(hào)放大，從而使輸出信號(hào)強(qiáng)度滿足最終圖像亮度的要求;尤其是在入射光能量較小，光圈和曝光時(shí)間的設(shè)置無法滿足要求時(shí)，調(diào)節(jié)信號(hào)增益是一種有效的手段[1]。但是增益控制也存在負(fù)面影響，在信號(hào)被放大的同時(shí)，其中的噪聲也被放大了，因而如何即采用增益控制增加圖像亮度，而又不至于噪聲過大，這也是一個(gè)研究的方向。

中國電子科技集團(tuán)公司申請(qǐng)的專利CN104754240A中，提出一種CMOS圖像傳感器自動(dòng)曝光方法，在獲取當(dāng)前拍攝的圖像后，計(jì)算圖像的當(dāng)前曝光量和目標(biāo)亮度閾值，計(jì)算當(dāng)前曝光量到目標(biāo)亮度閾值之間需要調(diào)整的傳感器曝光量，并將其劃分為2n+1個(gè)曝光量分段;依據(jù)每個(gè)分段的曝光量及該分段的奇偶性采用曝光時(shí)間和模擬增益交替調(diào)整的方式調(diào)整曝光量直至曝光量達(dá)到目標(biāo)亮度閾值;如曝光時(shí)間和模擬增益均調(diào)整到最大值，曝光量仍未達(dá)到目標(biāo)亮度閾值，則調(diào)整數(shù)字增益。本發(fā)明的效果在于整合了快門優(yōu)先自動(dòng)曝光模式和增益優(yōu)先自動(dòng)曝光模式的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)兼顧運(yùn)動(dòng)物體拍攝與低噪聲的要求，有效的提高了拍攝質(zhì)量。

歐珀公司申請(qǐng)的專利CN104660915A中，公開了一種全景拍照曝光的控制方法及裝置，其中在啟動(dòng)全景拍照后，根據(jù)移動(dòng)終端當(dāng)前移動(dòng)的實(shí)際角速度、預(yù)設(shè)角速度和移動(dòng)終端在以所述預(yù)設(shè)角速度移動(dòng)時(shí)保證畫面不模糊的曝光時(shí)間，調(diào)整預(yù)置的曝光時(shí)間和增益;根據(jù)調(diào)整后的曝光時(shí)間和增益控制曝光。本專利根據(jù)移動(dòng)終端移動(dòng)時(shí)的實(shí)際角速度對(duì)曝光時(shí)間和增益進(jìn)行調(diào)整，實(shí)際角速度越大，調(diào)整后的曝光時(shí)間越小，調(diào)整后的增益越大，保證畫面的清晰度，實(shí)際角速度越小，調(diào)整后的曝光時(shí)間越大，調(diào)整后的增益越小，圖像噪聲就會(huì)越少，從而可以解決畫面模糊的問題且可以減少噪點(diǎn)。

3.4 光圈控制

光圈大小也是控制曝光的一個(gè)重要參數(shù)。光圈大小指的是相機(jī)的鏡頭中光能夠進(jìn)入的孔徑的大小，當(dāng)光圈孔徑增大時(shí)，到達(dá)傳感器的光通量也隨之增大，圖像亮度提高。光圈控制曝光的基本原理就是通過調(diào)節(jié)光圈大小以得到亮度合適的圖像[2]。

在通過光圈控制曝光方面，日本的索尼公司在申請(qǐng)的專利JPH09284784A中指出，傳統(tǒng)的彩色相機(jī)是檢測包括目標(biāo)和背景在內(nèi)的整個(gè)場景內(nèi)的亮度來自動(dòng)控制光圈大小，如果目標(biāo)所在的區(qū)域和背景區(qū)域的亮度差別較大，背景亮度會(huì)妨礙針對(duì)目標(biāo)對(duì)象獲得準(zhǔn)確的光圈值。針對(duì)這一問題，該專利中公開的圖像拾取裝置能夠執(zhí)行對(duì)目標(biāo)對(duì)象的準(zhǔn)確自動(dòng)光圈控制。

我國的浙江大華技術(shù)股份有限公司也在申請(qǐng)的專利CN101719988A中公開了一種智能化特征區(qū)域控制自動(dòng)光圈的方法，包括獲取圖像Y/C的分量數(shù)據(jù)、智能提取監(jiān)控對(duì)象區(qū)域、特征區(qū)域亮度值提取、特征區(qū)域亮度值與預(yù)設(shè)亮度值比較、自動(dòng)光圈控制等步驟，實(shí)現(xiàn)根據(jù)特征區(qū)域的亮度情況控制自動(dòng)光圈的孔徑，且能智能化獲取監(jiān)控對(duì)象特征區(qū)域，并具備自適應(yīng)能力，保證圖像中的監(jiān)控對(duì)象的可視亮度。

照相機(jī)等攝像裝置中在驅(qū)動(dòng)光圈時(shí)，還同時(shí)調(diào)節(jié)電子快門速度和ISO感光度，由此維持適當(dāng)曝光量;但是，由于電子快門速度或ISO感光度是電氣控制，幾乎不會(huì)產(chǎn)生時(shí)間延遲;而由于光圈是機(jī)械驅(qū)動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生延遲;因此，在到達(dá)希望設(shè)定的曝光之前產(chǎn)生時(shí)間差，這會(huì)導(dǎo)致在圖像中產(chǎn)生閃爍，降低圖像質(zhì)量。對(duì)此，日本奧林巴斯株式會(huì)社子在申請(qǐng)的專利JP2016184874A中提供了即使改變光圈值也不會(huì)在圖像中產(chǎn)生閃爍的攝像方法，其中設(shè)定攝像元件的電子快門速度，在改變光圈的開口和電子快門速度來進(jìn)行曝光量的調(diào)節(jié)時(shí)，使得光圈的開口的變化速度與對(duì)應(yīng)的曝光量變化速度一致，以避免電子快門速度和光圈調(diào)整速度的不同步。

大華公司在專利CN110139042A中提供了一種光圈調(diào)整方法：根據(jù)預(yù)定參數(shù)確定光圈調(diào)整步長，其中的預(yù)定參數(shù)包括亮度、曝光、焦段;根據(jù)光圈調(diào)整步長進(jìn)行調(diào)整。由于綜合考慮了亮度、曝光和焦段參數(shù)，使得光圈調(diào)整步長能夠根據(jù)當(dāng)前的實(shí)際使用情況來確定，克服了現(xiàn)有技術(shù)中光圈的調(diào)整往往采用單一維度信息作為依據(jù)，導(dǎo)致調(diào)整不準(zhǔn)確的問題。

3.5 包圍式曝光

包圍式曝光的一個(gè)重要作用是提高圖像的動(dòng)態(tài)范圍，圖像的動(dòng)態(tài)范圍指的是圖像中亮度的變化跨度，一般取決于其中的最大亮度和最小亮度。在動(dòng)態(tài)范圍（即亮度變化范圍）方面，人類視覺系統(tǒng)能夠感知到的現(xiàn)實(shí)場景的動(dòng)態(tài)范圍至少會(huì)達(dá)到104：1，但是常用的攝像機(jī)在捕獲圖像時(shí)的動(dòng)態(tài)范圍通常僅為1000：1[3]，因而如何增加圖像的動(dòng)態(tài)范圍，使之不斷趨近于人眼視覺系統(tǒng)的程度，這也是曝光技術(shù)中一個(gè)不斷發(fā)展的方面。

包圍式曝光也是一種有悠久傳統(tǒng)的拍攝技術(shù)，在傳統(tǒng)膠片攝影時(shí)代，為了保證拍攝曝光的精確度，避免曝光失誤，攝影師經(jīng)常會(huì)在測光的基礎(chǔ)上確定一個(gè)曝光數(shù)據(jù)，然后以這個(gè)曝光數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，分別增加和減少一定的曝光量進(jìn)行拍攝[4]。包圍式曝光的基本原理是利用單次曝光算法獲得一幅基準(zhǔn)圖像，例如該圖像的曝光量為E，再通過改變曝光時(shí)間分別獲取曝光量為E/2和2E的兩張圖像，這三張不同曝光量的圖像可以更好地覆蓋了整個(gè)場景的動(dòng)態(tài)范圍，然后可以將這三張圖像通過一定的融合算法得到最終圖像，可以具有更高的動(dòng)態(tài)范圍。

例如，美國的幻影自動(dòng)化機(jī)械公司在其申請(qǐng)的專利US2002176010A1中，提供一種將不同曝光時(shí)拍攝的同一場景的多幅圖像進(jìn)行組合，增大圖像傳感器有效動(dòng)態(tài)范圍的系統(tǒng)和方法。日本的富士膠片株式會(huì)社在其申請(qǐng)的專利JP2009268066A中，以不同的攝像條件連續(xù)性地獲取多個(gè)攝像圖像，然后對(duì)其進(jìn)行合成，生成輸出圖像;其中的攝像部件可以通過以時(shí)間長度不同的曝光時(shí)間進(jìn)行曝光，連續(xù)性地拍攝多個(gè)攝像圖像;也可以通過以不同的光圈開度曝光而連續(xù)性地拍攝多個(gè)攝像圖像。

由于包圍式曝光是合成在不同曝光條件下采集的圖像，可能會(huì)導(dǎo)致圖像不連續(xù)的問題，例如過曝高亮區(qū)域、半色調(diào)區(qū)域以及陰影細(xì)節(jié)丟失區(qū)域的圖像不連續(xù);對(duì)此，佳能株式會(huì)社在其申請(qǐng)的專利JP2012217102A中，提出了能夠在避免圖像不連續(xù)的同時(shí)，生成通過最廣的色調(diào)范圍再現(xiàn)變化區(qū)域的被攝體的高動(dòng)態(tài)范圍圖像的方法。

一般的高動(dòng)態(tài)范圍拍攝模式中，通常需要拍攝多張同一場景不同曝光程度的照片，在通過軟件合成時(shí)，將中等亮度照片中相對(duì)曝光不足的部分圖像用較亮照片中對(duì)應(yīng)的部分圖像代替，而相對(duì)曝光過度的部分圖像用較暗照片中對(duì)應(yīng)的部分圖像代替，最終合成HDR圖像，這種方案需要拍攝多張不同亮度照片，處理速度較慢。針對(duì)此問題，歐珀公司申請(qǐng)的專利CN105578068A中提供了一種高動(dòng)態(tài)范圍圖像的生成方法，相比于現(xiàn)有技術(shù)中計(jì)算亮度平均值來說，該專利中使用的算法計(jì)算出來的圖像整體亮度值更高，依此確定的曝光參數(shù)可保證在控制攝像頭捕捉圖像時(shí)，亮區(qū)不會(huì)出現(xiàn)曝光過度的情況;通過以上曝光參數(shù)捕捉的圖像作為待處理圖像，提升其中亮度值低于第二亮度閾值的區(qū)域的亮度，并生成HDR圖像，可有效提高動(dòng)態(tài)范圍，且該方案不需要拍攝多張照片來合成HDR圖像，可提升處理速度，實(shí)現(xiàn)快速拍照。

4 結(jié)語

本文通過對(duì)攝像機(jī)曝光技術(shù)方面的專利進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并闡述了該領(lǐng)域中的技術(shù)分支以及典型專利。分析這些專利中技術(shù)方案可知，他們更注重于核心技術(shù)的基礎(chǔ)研究，并且在其專利體系中，往往是針對(duì)某一技術(shù)方案中的某一細(xì)節(jié)的問題做出改進(jìn)，多數(shù)是基于以往的專利技術(shù)中存在的缺陷，進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)和研發(fā)，以此不斷推進(jìn)自己的技術(shù)體系和專利體系的發(fā)展。相比之下，我國在攝像機(jī)產(chǎn)品方面還沒有形成自己的優(yōu)勢企業(yè)，技術(shù)起步較晚;在純粹的基礎(chǔ)技術(shù)研究方面仍然比較落后，尤其是針對(duì)圖像傳感器芯片級(jí)，或者攝像機(jī)信號(hào)處理芯片級(jí)的技術(shù)方面有較大差距;但華為等技術(shù)實(shí)力雄厚的企業(yè)已經(jīng)在攝像機(jī)以及曝光控制方面提出了一些芯片級(jí)層面的專利技術(shù)。隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和科研創(chuàng)新能力的不斷增強(qiáng)，以歐珀、維沃、努比亞等為代表的終端廠商也紛紛針對(duì)其產(chǎn)品申請(qǐng)了一定數(shù)量的專利;通過對(duì)比可以看出，國內(nèi)企業(yè)的專利技術(shù)主要以終端應(yīng)用為載體，例如集成于手機(jī)等終端的攝像模組的功能改進(jìn);針對(duì)人像攝影等特定應(yīng)用場合，或者更側(cè)重于用戶體驗(yàn)方面進(jìn)行改進(jìn)。這也啟示我國相關(guān)企業(yè)可以以這些方面為突破口，結(jié)合攝像機(jī)在各應(yīng)用領(lǐng)域的不同形態(tài)和用戶體驗(yàn)方面研究創(chuàng)新，以此為契機(jī)帶動(dòng)自己技術(shù)和產(chǎn)品創(chuàng)新。

同時(shí)，對(duì)于攝像機(jī)領(lǐng)域的專利審查工作而言，通過本文也可以簡要地了解在攝像機(jī)曝光技術(shù)方面的現(xiàn)有技術(shù)情況，同時(shí)也可以幫助審查員快速準(zhǔn)確地理解專利申請(qǐng)的技術(shù)方案，有針對(duì)性在相應(yīng)的技術(shù)分支下進(jìn)行檢索，并準(zhǔn)確地進(jìn)行創(chuàng)造性評(píng)判，提高檢索和審查效能。

參考文獻(xiàn)：

[1] 孟夢.高清攝像機(jī)自動(dòng)白平衡和自動(dòng)曝光算法研究實(shí)現(xiàn)[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2014.

[2] 梁佳毅.高性能數(shù)碼相機(jī)自動(dòng)曝光算法研究與實(shí)現(xiàn)[D].上海：復(fù)旦大學(xué)，2008.

[3] 趙金波.基于多曝光的高動(dòng)態(tài)范圍成像技術(shù)研究[D].西安：西安郵電大學(xué)，2018.

[4] 華威.數(shù)碼時(shí)代的包圍曝光[J].中國攝影家，2010：112-113.