高動(dòng)態(tài)范圍成像專利技術(shù)分析

楊 哲

(國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心,北京 100000)

1 概述

高動(dòng)態(tài)范圍(High Dynamic Range,HDR)成像是指捕捉、存儲(chǔ)、傳輸和顯示真實(shí)世界光亮廣泛范圍并進(jìn)行精確表示。HDR 圖像的主要特點(diǎn)是高對(duì)比度、高位深度,層次豐富,畫面真實(shí)感強(qiáng),可更真實(shí)地還原出逼近真實(shí)場(chǎng)景的光影效果。與著重進(jìn)一步提高清晰度的UHDTV(UltraHigh Definition TV)等技術(shù)相比,HDR 技術(shù)不但能夠在戶外、影院等大空間應(yīng)用領(lǐng)域,更能在室內(nèi)、家庭等小空間應(yīng)用中提供更具臨場(chǎng)感、更好視覺體驗(yàn)的觀影效果。因此,HDR 技術(shù)必將在數(shù)字視頻領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,而HDR 視頻傳輸、廣播、顯示系統(tǒng)將是未來(lái)消費(fèi)電子領(lǐng)域發(fā)展的必然趨勢(shì)。HDR 成像的研究起步于上世紀(jì)90 年代,發(fā)展至今,HDR 成像在計(jì)算機(jī)視覺、衛(wèi)星遙感、醫(yī)療影像、虛擬現(xiàn)實(shí)、國(guó)防軍事等領(lǐng)域取得了廣泛應(yīng)用,并且成為學(xué)術(shù)界和各大廠商的研究熱點(diǎn)。本文通過HDR 成像技術(shù)的專利發(fā)展?fàn)顩r來(lái)分析HDR 技術(shù)的目前發(fā)展?fàn)顩r。

2 國(guó)內(nèi)外專利申請(qǐng)概況

針對(duì)HDR 成像技術(shù),分別在中文文摘數(shù)據(jù)庫(kù)(CNABS)和德文特世界專利索引數(shù)據(jù)庫(kù)(DWPI)中進(jìn)行了檢索,在全球和中國(guó)國(guó)內(nèi)范圍內(nèi)從申請(qǐng)量、申請(qǐng)人以及目標(biāo)國(guó)角度進(jìn)行了專利現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)的分析。

2.1 申請(qǐng)趨勢(shì)分析

HDR 成像的研究起步于上世紀(jì)90 年代,圖1 示出了HDR 成像技術(shù)公開日截止到2019 年12 月31 日全球和國(guó)內(nèi)專利申請(qǐng)量情況。由圖中可以看出,早在1995 年就開始有涉及HDR 成像的專利申請(qǐng),不過早期申請(qǐng)一般僅僅涉及高動(dòng)態(tài)范圍這一概念。之后相關(guān)專利的不管是全球?qū)＠暾?qǐng)量還是國(guó)內(nèi)專利申請(qǐng)量整體上都一直處于增長(zhǎng)趨勢(shì)。對(duì)于全球?qū)＠暾?qǐng)量,僅在2002 年和2007 年有些許回落,之后一直快速穩(wěn)步增長(zhǎng),其中2013-2016 年申請(qǐng)量增幅尤其明顯,并在2016 年達(dá)到最大年申請(qǐng)量565 件,之后申請(qǐng)量開始下降,尤其是2019 年的申請(qǐng)量一下子下降到2008 年左右的水平,可見,該領(lǐng)域技術(shù)已經(jīng)日益成熟,各科技公司的研發(fā)重點(diǎn)開始向其他方面轉(zhuǎn)移。

而對(duì)于國(guó)內(nèi)專利申請(qǐng)量,其發(fā)展趨勢(shì)與全球?qū)＠暾?qǐng)量發(fā)展趨勢(shì)基本相同,同樣也是2013-2016 年是快速穩(wěn)步增長(zhǎng)時(shí)期,并在2016 年達(dá)到年最大申請(qǐng)量356 件,之后申請(qǐng)量開始回落?？梢?對(duì)于HDR 成像技術(shù)的研究,國(guó)內(nèi)公司一直緊跟著全球科技公司的步伐。

2.2 專利申請(qǐng)人分析

表1 示出了HDR 成像技術(shù)全球?qū)＠暾?qǐng)人分布情況和國(guó)內(nèi)專利申請(qǐng)人分布情況,為了便于分析,僅僅展示了申請(qǐng)量排名前二十的申請(qǐng)人。對(duì)于全球?qū)＠暾?qǐng)人,由表1 可以看出,日本在HDR 成像技術(shù)的研究方面處于領(lǐng)先地位,申請(qǐng)量排名前兩位的申請(qǐng)人均是來(lái)自日本的公司,分別為佳能株式會(huì)社和索尼公司,除此之外,其他我們熟知的例如松下、夏普等日本公司的申請(qǐng)量也在前二十的排名中占據(jù)一席之地。實(shí)際上,這與我們?cè)谌粘Ｉ钪嘘P(guān)于相機(jī)類電子產(chǎn)品的多數(shù)廠商是日本公司的直觀感受是一致的。來(lái)自美國(guó)公司的申請(qǐng)量緊跟其后,杜比實(shí)驗(yàn)室特許公司、高通股份有限公司和湯姆遜股份有限公司的申請(qǐng)量分別位于申請(qǐng)量前五位的后三位。同時(shí),由表中還可以看出,上榜的美國(guó)公司是最多的,可見,美國(guó)公司對(duì)于HDR 成像技術(shù)的研究也處于領(lǐng)先的地位。

圖1 HDR 成像技術(shù)專利申請(qǐng)量

表1 全球申請(qǐng)人和國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人

值得一提的是,國(guó)內(nèi)的兩個(gè)申請(qǐng)人——廣東歐珀移動(dòng)通信有限公司和華為技術(shù)有限公司也榜上有名,尤其是廣東歐珀移動(dòng)通信有限公司的申請(qǐng)量排名第七,同時(shí)從表1 中也可以看出,廣東歐珀移動(dòng)通信有限公司在國(guó)內(nèi)的申請(qǐng)量排名第一,可見,廣東歐珀移動(dòng)通信有限公司是國(guó)內(nèi)關(guān)于HDR 成像技術(shù)研究方面的佼佼者,創(chuàng)新能力可見一斑,同時(shí)也說明該公司具有知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)和專利布局意識(shí)。不過略有遺憾的是,在HDR 成像技術(shù)方面,跟廣東歐珀移動(dòng)通信有限公司同樣具有創(chuàng)新能力和專利布局意識(shí)的國(guó)內(nèi)公司并不多,在國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人中,大部分申請(qǐng)人與全球?qū)＠暾?qǐng)人基本是一致的,真正的國(guó)內(nèi)公司或高校實(shí)際上只有七家,占比一半不到,這說明在創(chuàng)新能力和專利布局意識(shí)方面,我國(guó)企業(yè)和高校要想趕上發(fā)達(dá)國(guó)家的企業(yè)和高校的水平,還有很長(zhǎng)的一段路要走。

圖2 全球?qū)＠暾?qǐng)目標(biāo)國(guó)分布

2.3 全球?qū)＠繕?biāo)國(guó)分析

圖2 示出了全球?qū)＠暾?qǐng)目標(biāo)國(guó)或地區(qū)分布,為了便于分析,僅提取了申請(qǐng)量排名前十位的國(guó)家或地區(qū)進(jìn)行分析,分別是美國(guó)、中國(guó)、日本、歐盟、韓國(guó)、中國(guó)臺(tái)灣、印度、澳大利亞、德國(guó)和加拿大。通過全球?qū)＠暾?qǐng)目標(biāo)國(guó)或地區(qū)分布,我們可以一窺就HDR 成像技術(shù)而言各科技公司更希望自己的專利在哪些國(guó)家或地區(qū)得到保護(hù),換言之,他們更希望在哪些國(guó)家或地區(qū)的市場(chǎng)推出他們與受保護(hù)專利相關(guān)的產(chǎn)品。從圖中容易看出,目標(biāo)國(guó)為美國(guó)的申請(qǐng)量占申請(qǐng)總量的29%,目標(biāo)國(guó)是中國(guó)的申請(qǐng)量緊跟其后,占申請(qǐng)總量的25%?？梢?目標(biāo)國(guó)為美國(guó)和中國(guó)的申請(qǐng)量的總量之和超過申請(qǐng)總量的一半以上,可謂是該領(lǐng)域的半壁江山都被美國(guó)市場(chǎng)和中國(guó)市場(chǎng)瓜分。當(dāng)然,這也是側(cè)面反映了全球第一大經(jīng)濟(jì)體和第二大經(jīng)濟(jì)體的強(qiáng)大的市場(chǎng)吸引力。目標(biāo)國(guó)或地區(qū)為日本、歐盟和韓國(guó)的申請(qǐng)量分別為14%、12%和7%,分別排在第三名、第四名和第五名,剩下的12%的份額則由剩下的五個(gè)國(guó)家或地區(qū)分享。

2.4 典型專利

HDR 成像技術(shù)中一個(gè)很重要的研究方向是如何獲得HDR 圖像。通過對(duì)目前公開的全球?qū)＠暾?qǐng)進(jìn)行分析梳理,為了獲得HDR 圖像,可以粗略地劃分為三種方法：第一種是通過使用圖像信號(hào)處理的算法來(lái)增強(qiáng)從圖像傳感器輸出的圖像數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)范圍和質(zhì)量；第二種是通過獲得具有不同曝光量的兩個(gè)或多個(gè)圖像并合成這些圖像來(lái)提高動(dòng)態(tài)范圍；第三種是通過在圖像傳感器的單個(gè)像素中配置具有不同敏感度的多個(gè)像素來(lái)獲得兩個(gè)圖像數(shù)據(jù),在相同的曝光時(shí)間中從具有不同的敏感度的多個(gè)像素產(chǎn)生的像素?cái)?shù)據(jù)顯示出與通過不同的曝光量產(chǎn)生的圖像數(shù)據(jù)具有相同的效果,通過兩個(gè)像素產(chǎn)生的圖像數(shù)據(jù)被合成和修正,從而獲得高動(dòng)態(tài)范圍圖像。

申請(qǐng)人為廣東歐珀移動(dòng)通信有限公司、公開號(hào)為CN106454149B 的專利中,公開了一種獲得HDR 圖像的方法：依據(jù)預(yù)設(shè)的策略,控制輔圖像傳感器中,與同一濾光單元對(duì)應(yīng)的n 個(gè)相鄰的像素點(diǎn)分別處于不同的曝光量下；分別通過主圖像傳感器和輔圖像傳感器獲取被拍攝物的第一圖像和第二圖像；將第二圖像進(jìn)行拆分處理,得到與第一圖像中包括的像素?cái)?shù)量相同的第三圖像；將第三圖像和所述第一圖像進(jìn)行合成處理,得到所述被拍攝物的高動(dòng)態(tài)圖像。

申請(qǐng)人為佳能株式會(huì)社、公開號(hào)為JP5767485B2 的專利中公開了一種獲得HDR 圖像的方法：獲得使用第一曝光拍攝的第一圖像和使用高于所述第一曝光的第二曝光拍攝的第二圖像,根據(jù)所述第一圖像創(chuàng)建作為合成處理的基準(zhǔn)使用的第三圖像,通過使用預(yù)先與所述第三圖像的像素值相關(guān)聯(lián)的加法系數(shù)對(duì)所述第一圖像和所述第二圖像進(jìn)行加權(quán)合成來(lái)創(chuàng)建HDR 圖像。

申請(qǐng)人為杜比實(shí)驗(yàn)室特許公司、公開號(hào)為US8135230B2 的專利中公開了一種提高圖像數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)范圍的方法,其發(fā)明點(diǎn)在于將亮度提高函數(shù)應(yīng)用于低動(dòng)態(tài)范圍圖像數(shù)據(jù)以生成高動(dòng)態(tài)范圍圖像數(shù)據(jù)。

申請(qǐng)人為三星電子株式會(huì)社、 公開號(hào)為US8547451B2 的專利中,公開了一種獲得HDR 圖像的方法,其發(fā)明點(diǎn)在于通過基于應(yīng)用不同的曝光時(shí)間獲得的圖像,來(lái)獲得HDR 圖像。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)HDR 成像技術(shù)的全球?qū)＠暾?qǐng)和國(guó)內(nèi)專利申請(qǐng)進(jìn)行了研究分析,全球?qū)＠暾?qǐng)量和國(guó)內(nèi)專利申請(qǐng)量都在2016 年達(dá)到峰值,之后穩(wěn)步發(fā)展。日本在HDR 成像技術(shù)的研究方面處于領(lǐng)先地位,申請(qǐng)量排名前兩位的申請(qǐng)人均是來(lái)自日本的公司。國(guó)內(nèi)企業(yè)的創(chuàng)新能力和專利保護(hù)意識(shí)相比國(guó)外公司依然有一定的差距。值得慶幸的是,以廣東歐珀移動(dòng)通信有限公司為代表的國(guó)內(nèi)公司正在努力迎頭趕上,期待在不遠(yuǎn)的未來(lái)能看到更多中國(guó)公司的身影。