一種數碼攝像裝置自動曝光控制方法
2023-09-16 18:40:50
一種數碼攝像裝置自動曝光控制方法
【專利摘要】本發明公開了一種數碼攝像裝置自動曝光控制方法，選擇數碼攝像裝置的攝像應用場景對應的分塊統計亮度權重模型、該攝像應用場景目標幀圖像的目標亮度和該攝像應用場景對應的曝光曲線，分塊計算當前圖像的亮度，然後計算整個圖像的平均亮度，根據平均亮度確定環境測光補償係數，並將當前幀圖像亮度和目標亮度之間的差值DeltaBv作為調整條件，確定下一幀曝光的曝光時間和光圈值。本發明根據不同場景，不同採集目標自適應調整不同權重係數的方法來進行圖像亮度估計，能更好地表現出實際應用中的攝像場景；本發明在不增加軟硬體成本情況下，通過簡單的計算，實現了自動曝光的精確控制，能有效提高攝像質量。
【專利說明】一種數碼攝像裝置自動曝光控制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種數碼攝像裝置自動曝光控制方法。
【背景技術】
[0002]自動曝光影響攝像裝置獲取的圖像視頻的基本亮度信息，是稍次於解像力的重要性能指標，因此對自動曝光控制方法的研究有著重要的現實意義和市場價值。
[0003]攝像裝置採集的圖像視頻的亮度主要是由以下幾個因素決定的censor (傳感器)硬體的模擬，數字電路放大因子，被sensor捕獲的光通量，以及曝光持續時間。用一個簡單的量化公式可以描述如下:
Ev = Av + Tv = Bv + Sv - Cv(I)
其中Av代表攝像裝置的光圈對圖像的影響，Tv代表快門速度也就是曝光時間。Bv是指圖像的亮度度量。Sv是sensor器件的模擬，數字電路放大因子。Cv代表當前環境光對Ev的影響補償，也可以認為是個人偏好。
[0004]上述公式也可以改寫如下:
Ev - Sv + Cv = Bv
或者
Av + Tv - Sv + Cv = Bv由上式可得，當Sv不發生變化時候，Bv的當前幀亮度與目標幀亮度取決於Av和Tv的組合。如上式Sv不變，Cv可以預知(對於數位相機，可以認為設定)的情況。
[0005]在攝像系統中自動曝光系統可以分為2個部分，測光部分和曝光控制部分。測光部分又主要包含2項內容，環境光的測量和當前採集圖像數據的亮度估計。這2部分會影響到理論公式的Cv和Bv部分。
[0006]曝光控制部分是實現當前視頻圖像亮度與期望的視頻圖像亮度不一致時採取措施使兩者的差異逐漸收斂消失的過程。該部分的主要理論依據是
Ev = Av+Tv
對Ev的調整可以通過Av和Tv來實現，但如何實現才能得到更好的圖像視頻質量是圖像採集裝置必須考慮的問題。
[0007]現有的自動曝光控制技術在準確控制方面不能滿足多個場景的變化，而攝像裝置的應用範圍非常大，並且現存的自動曝光控制算法在目標亮度和當前亮度出現差異的情況下，大多是根據設計者的喜好來選擇EV的調整方向和特性，缺乏對sensor和鏡頭特性的考慮。
【發明內容】
[0008]本發明所要解決的技術問題是，針對現有技術不足，提供一種數碼攝像裝置自動曝光控制方法，實現自動曝光的精確控制，從而提聞攝像質量。
[0009]為解決上述技術問題，本發明所採用的技術方案是:一種數碼攝像裝置自動曝光控制方法，包括以下步驟:
1)選擇數碼攝像裝置的攝像應用場景對應的分塊統計亮度權重模型、該攝像應用場景目標幀圖像的目標亮度和該攝像應用場景對應的曝光曲線；
2)數碼攝像裝置採集圖像，將採集的圖像分成MXN個小塊；
3)當採用bayer模式採集圖像時,根據下式計算每個小塊的亮度SumLinY:SumLinY=Σ Gi ;當採用yuv模式採集圖像時，根據下式計算每個小塊的亮度SumLinY:SumLinY=Σ Yi ;其中，Gi為bayer模式下圖像小塊中綠分量的亮度值；Yi為yuv模式下圖像小塊中I分量的亮度值；
4)根據下式計算步驟2)中採集的圖像的整體平均亮度B:
B = [ Σ ((SumLinY/countj) *ffi) ]/ Σ Wi ；
其中，count為第i個圖像小塊的綠分量像素個數或者I分量像素個數;Wi為第i個圖像小塊的權重係數；
5)根據上述平均亮度B選擇所採集的當前幀圖像的環境測光補償係數Cvl；
6)根據下式計算當前巾貞圖像亮度和目標亮度之間的差值DeltaBv:DeltaBv = DeltaEv+DeltaCv ;其中,DeltaEv= Evl- Ev2 ；DeltaCv= Cvl- Cv2 ;Cv2 為根據目標亮度選擇的目標幀圖像的環境測光補償係數；Cvl為當前幀圖像的曝光補償亮度；Cv2為目標幀圖像的曝光補償亮度；由此可見，目標亮度和當前亮度之間的差異主要可以由DeltaEv (也就是光圈和曝光時間的改變)的改變來控制和修正，這也是曝光控制的基本理論基礎。
[0010]7)在所述曝光曲線上找到當前曝光點，以DeltaEv的正負確定移動方向，以DeltaEv絕對值大小為移動距離,移動當前曝光點，將移動後的曝光點對應的曝光時間和光圈值作為下一幀曝光的控制參數，以此調整數碼攝像裝置的控制參數；
8 )按照步驟7)中獲得的曝光時間和光圈值驅動數碼攝像裝置，採集下一幀圖像，得到下一幀圖像後，將下一幀圖像作為當前幀圖像，重複步驟2)?步驟7)，直到目標亮度和當前幀圖像亮度的差值收斂到小於閾值r，自動曝光過程收斂穩定終止；當目標亮度和當前幀亮度的差值大於閾值r=10的時候，自動曝光過程重新啟動，返回步驟I)。
[0011]所述步驟7)中，若DeltaBv〈10，則不調整曝光時間和光圈值；若彡10，進入步驟8)，當前幀圖像亮度和目標亮度的差值在10內可以不做調整或者暫緩調整，以防畫面劇烈抖動。
[0012]與現有技術相比，本發明所具有的有益效果為:本發明根據不同場景，不同採集目標自適應調整不同權重係數的方法來進行圖像亮度估計，能更好地表現出實際應用中的攝像場景；本發明在不增加軟硬體成本情況下，通過簡單的計算，實現了自動曝光的精確控制，能有效提聞攝像質量。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1為曝光曲線示意圖；
圖2為本發明方法流程圖。
【具體實施方式】
[0014]如圖2所示，本發明步驟如下: 1):選擇攝像應用場景模式(運動型，監控型，中心拍照型等)對應的分塊統計亮度的權重模型。對應不同的場景，權重模型有多種，也可以設計擴展。本發明一般推薦有如下幾種(但不限於):
O, O, O, O, O, O, O, O,
O,O, O, I, I, O, O, O,
O, O, I, 3，3，I, O, O,
O, O, I, 3，3，I, O, O,
O, O, O, I, I, O, O, O,
0,O, O, O, O, O, O, O,
(I)
1,I, I, I, I, I, I, I,
I, I, I, I, I, I, I, I,
I, I, I, I, I, I, I, I,
I, I, I, I, I, I, I, I,
I, I, I, I, I, I, I, I,
I, I, I, I, I, I, I, I,
(2)
I, I, I, I, I, I, I, I,
I,I, I, 2， 2， I, I, I,
I, I, 2， 2， 2， 2， I, I,
2，3，4，4，4，4，3，2，
3，4，5，6，6，5，4，3，
3，4，5，6，6，5，4，3，
(3)
2)在開始採集圖像時候，硬體發出幀同步信號觸發，攝像機sensor開始採集數據(稱為raw數據)，並把這種raw數據送進isp模塊，isp模塊一般經過簡單的處理或者不處理(這取決於圖像採集的硬體設備)，就進入自動曝光處理流程的當前幀亮度估計模塊。把該raw圖像分成M X N塊,對每一塊採用相同的亮度計算公式,對bayer模式與yuv模式,需要考慮對應的亮度模型，並確保得到線性的亮度估計值。
[0015]2.1)對raw圖像的平均亮度估計有很多種方法，本發明採用如下策略，當輸入為bayer格式時，選擇其中的的綠分量作為圖像的整體亮度估計。當輸入為yuv模式，採用y分量作為亮度估計模型。並且當把圖像分為mxn分片時候，每一片的像素個數可以認為是已知的。也就是說對應SumLinY，算法知道累加的像素個數。
[0016]其算式為:SumLinY= Σ Gi ；或者 SumLinY = Σ Yi ；
3)對每一個圖像塊計算得到的亮度數值，按照不同的場景模型，選擇不同的權重係數(如I)中場景所選)，通過不同的權重係數計算圖像整體的平均亮度，稱之為當前亮度。
[0017]算式如下:
B = [ Σ ((Bi/count ) *Wi) ]/ Σ Wi ；
其中:Β為計算結果，最終的當前raw圖像平均亮度。
[0018]Bi 為 mxn 分片的第 i 塊 SumLinY。
[0019]Count為第i分塊的IinY像素個數。
[0020]Wi為該分塊對應的權重係數。
[0021]4)根據3)計算所得的平均亮度估計環境測光Ev補償係數，一般有(-5/3，
-4/3，-1，-2/3，-1/3，O, 1/3，2/3，I, 4/3，5/3)。曝光補償就是有意識地變更相機自動演算出的「合適」曝光參數，讓照片更明亮或者更昏暗的拍攝手法。拍攝者可以根據自己的想法調節照片的明暗程度，創造出獨特的視覺效果等。
[0022]5)根據應用場景得到該場景的目標亮度。
[0023]6)根據當前sensor的ISO以及Ev補償係數計算 Ev = Bv- Cv+ Sv
以及需要調整的DeltaEv。
推導如下:
當前巾貞的曝光等式:Evl + Cvl- Svl = Bvl當前亮度目標幀的曝光等式:Ev2 + Cv2- Sv2 = Bv2目標亮度
二者相減，可得
Bvl- Bv2 = ( Evl + Cvl- Svl ) - (Ev2 + Cv2- Sv2)
DeltaBv = DeltaEv +DeltaCv
上式中Bv為當前圖像平均亮度和目標亮度。Cv為需要的曝光補償亮度。所謂的Delta是指當前幀和目標幀的差值。通常情況下數字增益Sv在一定環境下不會經常改變。因此可得 DeltaEv。
[0024]7)根據I)中場景模型選擇的當前場景對應的曝光曲線。假設選定的曲線如圖1所示作為曝光曲線。
[0025]7.1)根據6)的結果，在上圖藍色曲線上先找到當前的曝光點，然後移動DeltaEv0根據DeltaEv的正負和大小，在藍色線上沿線正向或者負向移動，移動的多少則有DeltaEv和圖1的單位決定，移動到指定位置後，則曝光曲線上的該點即為下一幀曝光的控制參數，從而完成一次自動曝光控制。
[0026]7.2)在實際工程應用中，目標亮度和當前亮度之間的差值可以根據經驗來設定一個比較適當的變化範圍和調節精度。
[0027]本發明中，根據經驗對當前值的上下變化範圍限定在64倍之間，向上64倍增強，向下64倍減弱，這樣基本覆蓋了可能的亮度範圍。本發明中把向上或者向下的64倍的可能差值細分為768步，形成一個Ev差值索引表。當自動曝光流程每一幀計算到一個deltaEv時候，如果需要調整(見8)，則根據deltaEv，查找Ev差值索引表最接近的索引值(見7.3)，這一步相當於在曝光曲線上找到下一幀的曝光參數，從而達到精確控制的自動曝光目的。
[0028]7.3)針對6)中得到的DeltaEv在7.2)中查找到的步長索引，可以通過曝光曲線上找到對應的點，或者在搜索表中到最接近的光圈值和曝光時間值，從而達到精確控制的自動曝光目的，對於光圈和曝光時間的刻度可仿照傳統的曝光標定方法進行。
[0029]8)曝光控制過程中的緩衝措施，可以設定一個預設的變化比例(例如DeltaBv是否小於10)，當前亮度和目標亮度的差值在此範圍內可以不做調整或者暫緩調整，以防畫面劇烈抖動。
【權利要求】
1.一種數碼攝像裝置自動曝光控制方法，其特徵在於，包括以下步驟: 1)選擇數碼攝像裝置的攝像應用場景對應的分塊統計亮度權重模型、該攝像應用場景目標幀圖像的目標亮度和該攝像應用場景對應的曝光曲線； 2)數碼攝像裝置採集圖像，將採集的圖像分成MXN個小塊； 3)當採用bayer模式採集圖像時,根據下式計算每個小塊的亮度SumLinY:SumLinY=Σ Gi ;當採用yuv模式採集圖像時，根據下式計算每個小塊的亮度SumLinY:SumLinY=Σ Yi ;其中，Gi為bayer模式下圖像小塊中綠分量的亮度值；Yi為yuv模式下圖像小塊中I分量的亮度值； 4)根據下式計算步驟2)中採集的圖像的整體平均亮度B:
B = [ Σ ((SumLinY/countj) *ffi) ]/ Σ Wi ； 其中，count為第i個圖像小塊的綠分量像素個數或者I分量像素個數;Wi為第i個圖像小塊的權重係數； 5)根據上述平均亮度B選擇所採集的當前幀圖像的環境測光補償係數Cvl； 6)根據下式計算當前巾貞圖像亮度和目標亮度之間的差值DeltaBv:DeltaBv =DeltaEv +DeltaCv ;其中，DeltaEv= Evl- Ev2 ；DeltaCv= Cvl- Cv2 ;Cv2為根據目標亮度選擇的目標幀圖像的環境測光補償係數；Cvl為當前幀圖像的曝光補償亮度；Cv2為目標幀圖像的曝光補償亮度； 7)在所述曝光曲線上找到當前曝光點，以DeltaEv的正負確定移動方向，以DeltaEv絕對值大小為移動距離，移動當前曝光點，將移動後的曝光點對應的曝光時間和光圈值作為下一幀曝光的控制參數，以此調整數碼攝像裝置的控制參數； 8 )按照步驟7)中獲得的曝光時間和光圈值驅動數碼攝像裝置，採集下一幀圖像，得到下一幀圖像後，將下一幀圖像作為當前幀圖像，重複步驟2)?步驟7)，直到目標亮度和當前幀圖像亮度的差值收斂到小於閾值r，自動曝光過程收斂穩定終止；當目標亮度和當前幀亮度的差值大於閾值r的時候，自動曝光過程重新啟動，返回步驟I)。
2.根據權利要求1所述的數碼攝像裝置自動曝光控制方法，其特徵在於，所述步驟7)中，若DeltaBv〈10，則不調整曝光時間和光圈值；若彡10，進入步驟8)。
3.根據權利要求1或2所述的數碼攝像裝置自動曝光控制方法，其特徵在於，所述步驟8)中，閾值r=10。
【文檔編號】H04N5/235GK104320593SQ201410661079
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年11月19日 優先權日:2014年11月19日
【發明者】張葵陽 申請人:湖南國科微電子有限公司