一種用於自動曝光調節的方法及控制系統的製作方法

2023-05-27 04:33:56 1

專利名稱：一種用於自動曝光調節的方法及控制系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於自動曝光調節的方法及控制系統，特別涉及應用於膠捲或者數碼感光部件(CCD，CMOS等)的自動曝光調節的方法與控制系統。
背景技術：
曝光是膠捲或者數碼感光部件(CCD，CMOS等)接收從鏡頭進光來形成影像的過程。曝光時間即是感光部件接收光的時間。在同樣環境下(光照強度等條件不發生改變)，曝光時間越長，圖像越亮；反之，曝光時間越短，圖像越暗。如果圖像中景物過亮，而且亮的部分沒有層次或細節，這就是曝光過度；如果照片較黑暗，無法真實反映景物的色澤，就是曝光不足。所以，當環境發生變化時，也要相應的調整曝光時間以使輸出的圖像亮度在合適的範圍內，即在環境較暗時適當的增加曝光時間，在比較亮的環境減少曝光時間。但是，在不同光源下曝光時間的設置有所不同。
以下參照圖1和圖2描述光源的特點。理想光源可分為兩種一種是光源的強度不隨時間發生變化，如圖1所示；另一種是光源的強度隨著時間發生周期性變化，如圖2所示。在日常生活中，相關的光主要有太陽光和室內照明所用的光。其中，由於太陽光具有持續、穩定的特點，為了方便研究，認為太陽光為理想光源A。目前，室內照明用光一般與當地供電頻率相關，其光強一般都隨著時間發生變化。當然現在也有許多照明用光基本沒有頻率特性或有些是採用直流供電方式，但這畢竟較少，這裡不做討論。當前世界上的交流電頻率基本都是50Hz或60Hz，根據電源電壓與功率的關係，可以得到室內光源的頻率為100Hz或120Hz。簡單推導如下
U(t)＝U0sin(ωt)(1)P(t)＝U(t)2/R R為燈泡電阻，為常數 (2)P(t)＝kU(t)2＝kU02sin2(ωt)＝kU02(1-cos(2ωt))/2(3)當w＝50Hz時，P(t)的頻率為100Hz，Y與P(t)為線性關係，所以室內光源的頻率為100Hz或120Hz。
因此就具備如下所描述的曝光特性。根據環境的不同來改變圖像數據輸入模塊(Sensor)的曝光時間，以使其傳入的圖像亮度適宜。圖像數據輸入模塊的曝光程度和曝光時間的關係如圖3所示，圖3示出了感光特性與曝光時間的關係曲線圖。
從圖3中可以看出，隨著曝光時間的增加，圖像的曝光程度也在增加。但是曝光時間越大，其對曝光程度的貢獻越小，即相同的曝光時間的增加量，在曝光時間的值較小時對亮度的影響要大於曝光時間值較大時。
以下是在室內照明情況下對不同入射光強進行測試的測試數據，每次數據都測量2組，兩次的差別都在±1之間，因此都取第一組數據。
其中曝光時間的單位是10ms曝光數值的單位是電子量化值，最大值為255，最小值為0表格1

在實際應用中，室內環境下如果曝光時間設置的不是室內光源周期的整數倍時(國內交流電頻率50HZ下周期為10毫秒)，不同幀的圖象會出現明暗條紋，而當曝光時間是光源周期的整數倍時則不會出現，這種現象稱為Flicker現象。
通常採用的圖像數據輸入模塊有CMOS和CCD兩種，其生產技術有一些區別，因此曝光的方式也有所不同。CMOS圖像數據輸入模塊採用行曝光技術，即每次曝光一行，行與行之間間隔一定時間(具體間隔時間值不同廠商有不同規定)，因此，每一行的曝光起始點都不相同，如果曝光時間不是周期的整數倍，則各行所接受的光強有可能不同，雖然各行的曝光時間是一樣的，但是也會造成明暗不同的變化，即我們所說的Flicker現象。CCD圖像數據輸入模塊採用的是面曝光技術，一次曝光一整幅圖像，如果我們設置的曝光時間不正確，雖然不會出現行與行之間的明暗變化，但是會造成連續圖像間的明暗不同，給人一種圖像閃爍的視覺感受，這也是Flicker現象的一種。
出現Flicker現象的原因如下由前面關於曝光理論的描述，可以知道對於一幅圖像其亮度由光強和曝光時間決定，在光強一定的情況下，曝光時間越長圖像越亮；反之，如果曝光時間一定，光強越強圖像也越亮。因此，在相同曝光時間的條件下，光強的變化也會造成圖像的明暗不均。
已經知道室內光源的電壓是隨周期變化的，其變化如(1)所示，光強的變化如(3)所示，那麼在一段時間內的光強計算公式如下12P(t)dt=12kU(t)2dt=12kU0212(1-cos(2t))dt=12kU02[(t2-t1)-12sin2(t2-t1)]---(4)]]>令Δt＝t2-t1，則上式變為12P(t)dt=12kU02[t-12sin2t]---(5)]]>可見，如果Δt等於周期T，上式為常數 否則為變值。這說明當曝光時間為一個周期的整數倍時，不論起始曝光點從哪開始，光強的作用為一個常數，即曝光效果相同。反之，則會造成光強作用不均。
當光源的強度隨周期發生變化時(如室內情況)，設置的曝光時間必須是其變化周期的整數倍。當光源強度恆定時，不受此限制。
由前所述，在室內情況下，曝光時間的設定必須為室內光源變化周期T的整數倍以避免flicker現象的產生，這就造成了另一個問題曝光時間設定的不連續性。如果需要設置的曝光時間恰好不是T的整數倍(實際上大多數情況都是這樣)，那就不能得到需要的圖像亮度。
自動曝光是所有涉及數字圖像處理的產品(如數位相機等)都要解決的問題，它也是使用者最直接感受到的效果。
過去由於沒有找到曝光程度和曝光時間的數學關係，只能採用逼近擬合的方法，即一點點地增加或減少曝光時間和亮度增益來逼近理論值，這種方法的效率顯然是很低的。

發明內容
本發明的目的是提供一種自動曝光調節的方法及控制系統，本發明的自動曝光調節的方法，包含以下步驟(1)設定曝光控制基本參數，確定目標亮度值範圍；(2)在曝光並提取處理圖像後，判斷當前亮度值Y1是否在目標亮度值範圍內，若是，繼續按原有參數曝光並處理圖像，若否，則進行以下自動曝光調節步驟；(3)計算所需亮度增益值G2，判斷是否利用亮度增益值調整可以將亮度值調整到目標亮度值範圍內；若是，則將亮度增益值G1調整為G2的值，再按新的亮度增益值處理圖像，若否，進行下一步驟；(4)計算最優曝光時間T2，用最優曝光時間T2調整曝光時間T1。
在步驟(1)中設定的曝光控制基本參數包括目標亮度標準值Ytarget、亮度閾值Ythd，所述確定的目標亮度值範圍為[Ytarget-Ythd，Ytarget+Ythd]。
為避免調整亮度增益值時使亮度值變化不連續而造成閃爍，先根據初始設置的亮度增益閾值Gthd，設定不同時間下保證亮度變化連續的亮度增益閥值利用公式Gthdn+1＝(Gtarget-n×Gthd.n)÷(n+1)+offset計算不同曝光時間時允許的亮度增益閾值Gthdn，並將計算結果保存於亮度增益閾值對照表中，其中n為曝光時間對光照強度變化周期時間T的倍數，offset為任意整數，Gthd.1＝Gthd，在步驟(3)中，所述的判斷是否利用亮度增益值調整可以將亮度值調整到目標亮度值範圍內的具體方法是(3.1)利用公式G2ln(M-Ytarget)ln(M)ln(M-Y1)-ln(M)G1]]>計算所需亮度增益值G2，公式中M為亮度範圍最大值；(3.2)判斷是否Gtarget-Gthd.n≤G2≤Gtarget+Gthd.n；在步驟(4)中，所述計算最優曝光時間T2是利用公式f(Y1)=ln(M-Y1)-ln(M)ln(M-Ytarget)-ln(M)]]>計算f(Y1)；然後利用公式Ttarget=G1T1f(Y1)Gtarget]]>計算目標曝光時間Ttarget，取Ttarget為最優曝光時間T2。
計算目標曝光時間的優選方法是先將不同曝光強度及其對數值存於對照表，最大曝光強度設定為常數M，當系統處理數據為8位整數時，常數M＝256；然後按以下步驟計算(4.1)讀取Y1、M-Y1、M-Ytarget及M在對歸照表中的對數值；(4.2)利用公式f(Y1)=ln(M-Y1)-ln(M)ln(M-Ytarget)-ln(M)]]>計算f(Y1)；(4.3)利用公式Ttarget=G1T1f(Y1)Gtarget]]>計算Ttarget。
為避免flicker現象，在步驟(1)中還設置光照強度變化周期時間T；在步驟(4)中利用公式計算出目標曝光時間Ttarget後還進行以下處理若計算的目標曝光時間Ttarget為光照強度變化周期時間T整數倍，則取時間Ttarget為T2，若計算的目標曝光時間Ttarget不是光照強度變化周期時間T的整數倍，則取時間最接近Ttarget的T的整數倍數為T2。
由於選擇的最優曝光時間不是目標曝光時間(目標亮度要求的曝光時間)，所以在計算最優曝光時間T2後還可以執行以下步驟調整亮度增益值來進行曝光補償使用公式G2=G1T1f(Y1)T2]]>計算最優亮度增益值G2，並用計算結果調整圖像處理模塊中的亮度增益值G1。
在計算出G2後，根據曝光時間T2讀取亮度增益閾值對照表中相應的亮度增益值閾值Gthdn，先判斷是否G2在Gtarget允許的範圍內若G2＞Gtarget+Gthdn，則取G2＝Gtarget+Gthd.n；若G2＜Gtarget-Gthd.n，則取G2＝Gtarget-Gthd.n；若Gtarget-Gthd.n≤G2≤Gtarget+Gthd.n，則不修正G2；然後再用G2調整亮度增益值G1。
本發明的還提供一種自動曝光調節的控制系統，包括圖像數據輸入模塊(sensor)、控制裝置、圖像數據輸出模塊(LCD)，圖像數據輸入模塊將曝光獲得的圖像數據傳送給控制裝置，控制裝置處理圖像數據後從圖像數據輸出模塊輸出圖像，控制裝置中配有可以修改圖像數據輸入模塊曝光時間和/或圖像處理亮度增益值的寄存器，並設置有目標亮度值和自動曝光產生中斷的亮度變化閾值的寄存器，以及實現計算曝光時間的公式f(Y1)=ln(M-Y1)-ln(M)ln(M-Ytarget)-ln(M)]]>及T2=G1T1f(Y1)Gtarget]]>算法的裝置。
在控制裝置中包含有圖像數據輸入模塊控制接口模塊(SIF)、圖像處理模塊(ISP)和處理器(HOST)，實現曝光時間計算公式算法的裝置可由在處理器(HOST)中安裝有可實現所述計算公式算法的軟體來實現，控制接口模塊(SIF)從圖像數據輸入模塊中讀取圖像數據傳送給圖像處理模塊(ISP)，並讀取控制參數如當前曝光時間T1傳送給處理器，處理器通過控制接口模塊調整圖像數據輸入模塊的控制參數。
控制裝置中配置有存儲亮度增益閾值對照表的寄存器、存儲亮度對數值的對照表的寄存器，圖像處理模塊統計圖像處理參數如當前亮度值Y1及亮度增益值G1等，並將其傳送給控制裝置中的處理器，處理器將計算調整後的圖像處理參數送回圖像處理模塊，調整圖像處理參數設置。
本發明的自動曝光調節方法及控制系統利用曝光算法公式使得自動曝光的過程變得非常簡單，而且可以相對較快地調節到目標值。同時，所需要設置的參數非常少，簡化了用戶的使用。


圖1示出了光源強度不隨時間發生變化的情況；圖2示出了光源強度隨時間發生周期性變化的情況；圖3示出了感光特性與曝光時間的關係曲線圖；圖4示出了入射光與曝光度的關係圖；圖5示出了自動曝光系統的主要結構；圖6示出了自動曝光調節方法的處理流程。
具體實施例方式
以下實施例用於說明本發明，但不用來限制本發明的範圍。
1、數學模型為了更好的研究曝光變化的規律，找出計算曝光時間的方法，構造如下的概率模型模型建立有兩個相同數量的桌球盒A和B，盒裡各自放了M個桌球，兩個盒子裡的球都有自己的序號且序號唯一，在初始狀態下B裡的桌球都是白色的。我們從A裡拿桌球，並根據拿出的桌球號，將B裡相應的球上換成黃色，然後將拿出的桌球放回A。
問如果每次從A中拿出K個球，重複拿N次，最後B裡共有多少個球會變成黃色？解答如下因為A中的桌球沒有區別，因此每次拿球時拿中任何一個球的概率相同，都是(K/M)；設n次後，B裡共有Sn個黃球，則有當n＝0時，S0＝0；n＝1時，S1＝K；n＝2時，S2＝(M-S1)(K/M)+S1；n＝m時，Sm＝(M-Sm-1)(K/M)+Sm-1；由以上的推導，我們可知(1)當K＝0時，SN＝0；(2)當K＝M時，S1＝S2＝……＝SN＝M(3)Sm＞＝Sm-1；(4)Sm-Sm-1＜Sm-1(5)當N→∞時，SN無限趨近於M依據上面的數學模型建立，圖像數據輸入模塊入射光與曝光度的關係，如圖4所示。圖4中，點陣A用於模擬對電壓U的響應，點陣B用於模擬曝光度S，拿球數量用於模擬電壓U，拿球次數用於模擬曝光時間，則如果每次的拿球數量一致，則模擬的是U恆定即恆定光源照射情況；如果每次的拿球數量不要求一致，則模擬的是U變化即變化光源情況。
使用數學模型的公式對實驗結果進行計算得表格2


可以看到模型非常好的逼近測試結果，因此可以認為這個曝光模型是可以說明CMOS圖像數據輸入模塊的曝光度問題的。
由數學模型有Sm＝(M-Sm-1)(K/M)+Sm-1(6)映射在連續空間有f(x+x)=(M-f(x))f(0+x)M+f(x)---(7)]]>即f(x)=M-f(x)Mf(0)---(8)]]>令K＝f′(0)，有f(x)+KMf(x)=K---(9)]]>解這個微分方程得到f(x)=M(1-e-KMx)---(10)]]>其中f(0)＝0；f′(0)＝K2、曝光補償在室內情況下，曝光時間的設定必須為室內光源變化周期T的整數倍以避免flicker現象的產生，這就造成了另一個問題曝光時間設定的不連續性。如果需要設置的曝光時間恰好不是T的整數倍(實際上大多數情況都是這樣)，那就不能得到我們需要的圖像亮度。為此，引入了另一個參數亮度增益值G(Gain)。
亮度增益值G是作用在圖像亮度曲線的值，通過調節圖像的亮度分量的幅度，可以改變圖像的明暗效果。但是亮度增益調節不能夠增加圖像所攜帶的信息量，因此如果過分的調節亮度增益值，會造成圖像質量下降。
本發明採用同時調節曝光時間和亮度增益值的方法來進行曝光補償，通過亮度增益值來保證亮度調節的連續性。
由數學模型推導出的公式，本發明可以得到計算曝光時間和亮度增益的方法如下假設亮度最大值為M，該最大值由圖像處理模塊的數據處理位數決定，這裡使M＝256為常數；當前的曝光時間為T1，亮度增益為G1，亮度為Y1；如果將亮度增益改為G2(目標亮度增益)，希望獲取圖像的亮度度為Y2，則曝光時間T2計算過程為Y1=M(1-e-KG1T1M)---(11)]]>ln(M-Y1)-ln(M)=-KG1T1M---(12)]]>同理有ln(M-Y2)-ln(M)=-KG2T2M---(13)]]>ln(M-Y1)-ln(M)ln(M-Y2)-ln(M)=G1T1G2G2---(14)]]>在實際應用中，一般會有一個期望的曝光程度值(圖象亮度適宜)和亮度增益值(一般為1，即亮度增益值不發生作用)，因此會確定一個目標曝光強度Ytarget和目標亮度增益值Gtarget，對(14)進行修正得到ln(M-Y1)-ln(M)ln(M-Ytarget)-ln(M)=G1T1GtargetT2---(15)]]>可見，公式中只有一個未知數T2，因此可以解出T2值令f(Y1)=ln(M-Y1)-ln(M)ln(M-Ytarget)-ln(M)---(16)]]>
可以得到f(Y1)=G1T1GtargetT2T2=G1T1f(Y1)Gtarget---(17)]]>由此得到了本發明計算曝光時間的數學方法。
3、方法實現自動曝光控制系統實現自動曝光控制的方案利用寄存器讀取圖像處理模塊統計的圖像的亮度值，在圖像處理模塊統計出的亮度值超出設置的亮度區間時處理器產生中斷，系統進行自動曝光調節；設置目標曝光強度、目標亮度增益值、亮度增益變化範圍，獲取當前亮度增益值、曝光強度值(亮度統計值)和曝光時間等參數，並利用計算曝光時間的公式計算出新的曝光時間；通過IIC總線或者Serials Bus通信方式將計算出的曝光時間寫入圖像數據輸入模塊的寄存器。
本發明的一種具體實施例提供一種利用安裝的軟體來實現自動曝光(AE)算法的系統，其中該系統包括圖像數據輸入模塊、可以修改圖像數據輸入模塊曝光時間T1和圖像處理模塊亮度增益值G1的寄存器，設置有目標亮度度值Ytarget和自動曝光產生中斷的亮度閾值Ythd的寄存器，以及自動曝光算法的軟體；自動曝光控制系統的工作流程如圖6所示。曝光產生後，系統比較當前亮度值Y1與可接受亮度區間[Ytarget-Ythd，Ytarget+Ythd]，在當前亮度值超出亮度區間時產生中斷，自動曝光系統進行自動曝光調節；獲得圖像的亮度取決於曝光強度和亮度增益調整，曝光強度則由曝光時間決定，因此，圖像亮度由曝光時間和亮度增益值決定。先判斷亮度增益補償能否將亮度調整到可接受亮度區間[Ytarget-Ythd，Ytarget+Ythd]，利用公式G2=ln(M-Ytarget)-ln(M)ln(M-Y1)-ln(M)G1]]>
計算所需亮度增益值，公式中M為亮度最大值，判斷是否Gtarget-Gthd.n≤G2≤Gtarget+Gthd.n，若是，則將亮度增益值G1調整為G2的值，並繼續以後的曝光，若不是，則進行曝光時間調整利用計算曝光時間的公式Ttarget=G1T1f(Y1)Gtarget]]>及f(Y1)=ln(M-Y1)-ln(M)ln(M-Ytarget)-ln(M)]]>計算出目標曝光時間，式中Ttarget是在目標曝光時間，G1是當前的亮度增益，T1是當前的曝光時間，Y1是當前的亮度。用計算出的目標曝光時間Ttarget調整曝光時間T1設置。
當光源為室內燈光時，因光照強度會以T為周期變化，為避免flicker現象，若計算的目標曝光時間Ttarget為光照強度變化周期時間T整數倍，則用時間Ttarget做為最優曝光時間T2來調整曝光時間T1設置，若計算的目標曝光時間Ttarget不是光照強度變化周期時間T的整數倍，則用最接近Ttarget的T的整數倍時間做為最優曝光時間T2調整曝光時間T1設置。
由於上面選擇的最優曝光時間不是目標曝光時間Ttarget(目標亮度要求的曝光時間)，所以在計算最優曝光時間T2後再執行以下步驟調整亮度增益值來進行曝光補償使用公式G2=G1T1f(Y1)T2]]>計算最優亮度增益值G2，並用計算結果調整圖像處理模塊中的亮度增益值G1。
為避免調整亮度增益值時使亮度值變化不連續而造成閃爍，先根據初始設置的亮度增益閾值Gthd，利用公式Gthdn+1＝(Gtarget-n×Gthd.n)÷(n+1)計算不同曝光時間時允許的亮度增益閾值Gthdn，並將計算結果保存於亮度增益閾值對照表中，其中n曝光時間對光照強度變化周期時間T的倍數，Gthd1＝Gthd，在計算出G2後，根據曝光時間T2讀取亮度增益閾值對照表中相應的亮度增益值閾值Gthd，先判斷是否G2在Gtarget允許的範圍內若G2＞Gtarget+Gthd.n，則取G2＝Gtarget+Gthd.n；若G2＜Gtarget-Gthdn，則取G2＝Gtarget-Gthd.n；若Gtarget-Gthd.n≤G2≤Gtarget+Gthdn，則不修正G2；然後再用G2調整圖像處理模塊中的亮度增益值G1。
由於算法要求以及用戶使用時的靈活性考慮，需要由用戶根據實際情況在系統中配置如下參數 Ytarget目標亮度； Ythd允許的亮度變化閾值，即為上面所說的中斷產生區間； G初始亮度增益值，可設置為目標亮度增益值Gtarget； Gthd可以接受的亮度增益值變化閾值； GdelaySensor在修改了曝光時間後有可能在幾幀後生效，而且不同的Sensor這個值也有所不同，G1的設置需要與曝光時間同時生效，此處配置G1生效的位置，如sensor配置的曝光時間在隔一幀生效，則此處Gdelay值設為1 Maxet可以設置的最大曝光時間，由於曝光時間增加到一定值會導致幀率變慢，所以應限制設置的最大值。
Minet設置最小曝光時間。
Maxgain當曝光時間已經達到最大值仍不能滿足要求時，G1值的設定可以超出(Gtarget-Gthd，Gtarget+Gthd)的範圍，最大值可以設為Maxgain.
Mingain當計算得出的曝光時間小於一個T時，首先將曝光時間減小到一個T，然後減小G1值可以到Mingain設置的範圍，如果仍然不能滿足，再減小曝光時間到小於一個T。
Speed可以設置4個值(0，1，2，3)。在需要調整曝光時間時，有可能計算得出的新值與原來的設定有很大的變化，如果直接將曝光時間調整到計算出的值，有可能圖像會產生比較明顯的明暗變化的階越，所以在此處可以設定用戶希望調整的速度，速度0＜1＜2＜3。
當環境發生比較大的變化時(比如由比較暗的環境突然切換到比較亮的環境)，由於本發明的算法能夠很快的得到目標的曝光時間值，如果將計算值直接設置，會使圖像有一個比較大的明暗變化，也就是所謂的階越效果。這可能會使用戶不適應，因此，本發明在實際應用中通過設置參數speed值能夠避免這種情況。根據用戶的實際需求，可以改變此值以獲得不同的效果。例如，當前曝光時間為n，計算所得新的曝光時間為m，當環境亮度變化劇烈時，|m-n|會是一個較大的值(超過4倍T)，如果我們直接設置m，就會產生階越效果。在我們的實現方案裡設置了4級調節速度。速度0＜1＜2＜3。當設置為不同的調節速度時，以|m-n|/s的變化幅度改變曝光時間。即設置曝光時間為n±|m-n|/s。調節速度越快，s的值越小。無論速度設定為何值，若曝光時間調整幅度為不足4倍T時，調整曝光時間的方式為每次調整一個T。
由於曝光時間在室內必須設置為50HZ/60HZ的整數倍，而在室外則沒有此限制，當使用環境在室內和室外切換時會出現問題。例如室內燈光比較強時，所計算出的曝光時間有可能小於一個T，由於很難確定當前的環境(環境隨時可變)，所以很難決定是將曝光時間設置為計算值，或是設置為1個T值，因此，可以增加一些模式選擇，由使用者決定當前的環境和曝光的效果。模式的選擇完全可以通過配置或修改上面列出的參數值來完成。
以下為各模式說明，以及推薦的設置值 Auto各參數設置值為Minet＝0，Maxet＝0xe0，Ytop＝0xe0當計算出的曝光時間小於一個T時，如果此時Y1值小於ytop值，則不調整曝光時間設置，否則調整曝光時間設置。此模式下當室內環境比較亮時有可能出現flicker。
Outdoor
各參數設置值為Minet＝0，Maxet＝0xe0，Ytop＝Ytarget+Ythd當計算出的曝光時間小於1T時，設置為計算值。此模式下如果處於室內會出現flicker。
Indoor各參數設置值為Minet＝1，Maxet＝0xe0，Ytop＝0xe0此模式下不論室內環境如何都不會出現flicker，但是當室內燈光比較亮時，Y值可能達不到最好效果。
Dark各參數設置值為Minet＝5，Maxet＝255此模式下最小曝光時間為5T，當處於比較亮的環境時可能會造成圖像發亮。
4、自動曝光系統的基本硬體體系結構圖5為一個自動曝光系統應用的基本硬體體系結構，主要包括4個部分圖像數據輸入模塊(Sensor)，圖像數據輸出模塊(LCD)，圖像處理晶片(Chip)，處理器(Host)，圖像處理晶片(Chip)和處理器(Host)組成系統中的控制裝置。這也是一個最基本的圖像處理系統。圖像數據輸入模塊(sensor)接受外界圖像信號，經過模擬信號到數位訊號的轉換，將轉換過的數字數據傳入圖像處理晶片經過處理後顯示到LCD顯示屏上。在這個系統中，圖像處理晶片是最重要的部分，他的處理能力決定整個圖像處理系統的優劣。
本實施例的自動曝光系統可以應用於一顆專用的圖像處理晶片VC0568中，他可以完成對輸入圖像的處理，顯示和存儲。上圖的結構中只是描述了其中和自動曝光系統相關的硬體模塊。
從圖5中可以看出，晶片包括兩個接口模塊，分別完成與圖像數據輸入模塊和輸出設備的交互。本發明主要關心與圖像數據輸入模塊(Sensor)的接口模塊SIF，所有對圖像數據輸入模塊的操作都是通過接口模塊SIF完成的。圖像數據輸入模塊與接口模塊的通信協議主要採用IIC或Serial bus，可以將要寫入圖像數據輸入模塊的寄存器的值寫入接口模塊的特定寄存器，然後由接口模塊負責將這些數據寫入Sensor。ISP模塊是圖像處理模塊，提供對圖像的分析和處理，可以提供給我們圖像的基本信息。處理器一般為一顆微處理器(本發明採用三星公司的Arm7TDMI)。本發明的軟體(包括自動曝光算法)都是在處理器上運行的。以下是自動曝光系統的處理過程首先，圖像處理晶片獲取數據，對每一幅圖像的數據進行處理和統計，在ISP模塊中配置了兩個寄存器，當ISP模塊對當前圖像的亮度(Y)值統計的出的Y1值超出配置的範圍時，晶片發出自動曝光中斷，處理器調用本發明在初始化時對自動曝光中斷註冊的中斷處理程序(ISR AUTOEXPOSE)。
其次，在中斷處理程序中，我們通過讀取ISP的相關寄存器獲取進行自動曝光計算所需要的參數(如Y1，G1，Gtarget等)，通過公式計算出新的曝光時間T2和G2值。
最後，處理器Host通過配置接口模塊SIF的寄存器，將要配置的新的曝光時間通過接口模塊SIF寫入圖像數據輸入模塊Sensor，新的亮度增益值G2直接寫入ISP模塊的G1值寄存器。
雖然與本發明的優選示範實施例一起公開了本發明，但是本領域技術人員應該理解在不脫離本發明範圍下，能夠對其過程和細節進行多種其它變化、省略和改變。
權利要求
1.一種自動曝光調節的方法，其特徵在於，包含以下步驟(1)設定曝光控制基本參數，確定目標亮度值範圍；(2)在曝光並提取處理圖像後，判斷當前亮度值Y1是否在目標亮度值範圍內，若是，繼續按原有參數曝光並處理圖像，若否，則進行以下自動曝光調節步驟；(3)計算所需亮度增益值G2，判斷是否利用亮度增益值調整可以將亮度值調整到目標亮度值範圍內；若是，則將亮度增益值G1調整為G2的值，再按新的亮度增益值處理圖像，若否，進行下一步驟；(4)計算最優曝光時間T2，用最優曝光時間T2調整曝光時間T1。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，在步驟(1)中設定的曝光控制基本參數包括目標亮度增益值Gtarget、亮度增益閾值Gthd，並根據初始設置的亮度增益閾值Gthd，利用公式Gthd.n+1＝(Gtarget-n×Gthd.n)÷(n+1)+offset計算不同曝光時間時允許的亮度增益閾值Gthd.n，並將計算結果保存於亮度增益閾值對照表中，其中n為曝光時間對光照強度變化周期時間T的倍數，offset為任意整數，Gthd.1＝Gthd。
3.如權利要求1或2所述的方法，其特徵在於在步驟(1)中設定的曝光控制基本參數包括目標亮度標準值Ytarget、亮度閾值Ythd，所述確定的目標亮度值範圍為[Ytarget-Ythd，Ytarget+Ythd]。
4.如權利要求3所述的方法，其特徵在於，在步驟(3)中，所述的判斷是否利用亮度增益值調整可以將亮度值調整到目標亮度值範圍內的具體方法是(3.1)利用公式G2=ln(M-Ytarget)-ln(M)ln(M-Y1)-ln(M)G1]]>計算所需亮度增益值G2，公式中M為亮度範圍最大值；(3.2)判斷是否Gtarget-Gthd.n≤G2≤Gtarget+Gthd.n；
5.如權利要求3所述的方法，其特徵在於，在步驟(4)中，所述計算最優曝光時間T2是利用公式f(Y1)=ln(M-Y1)-ln(M)ln(M-Ytarget)-ln(M)]]>計算f(Y1)；然後利用公式Ttarget=G1T1f(Y1)Gtarget]]>計算目標曝光時間Ttarget，取Ttarget為最優曝光時間T2。
6.如權利要求3所述的方法，其特徵在於，在步驟(1)中還將不同亮度及其對數值存於對照表，亮度範圍最大值M定為常數；在步驟(4)中所述計算目標曝光時間Ttarget包括以下步驟(4.1)讀取Y1、M-Y1、M-Ytarget及M在對照表中的對數值；(4.2)利用公式f(Y1)=ln(M-Y1)-ln(M)ln(M-Ytarget)-ln(M)]]>計算f(Y1)；(4.3)利用公式Ttarget=G1T1f(Y1)Gtarget]]>計算Ttarget。
7.如權利要求6所述的方法，其特徵在於，在步驟(1)中還設置有光照強度變化周期時間T；在步驟(4)中利用公式計算出目標曝光時間Ttarget後還進行以下處理若計算的目標曝光時間Ttarget為光照強度變化周期時間T整數倍，則取時間Ttarget為T2，若計算的目標曝光時間Ttarget不是光照強度變化周期時間T的整數倍，則取時間最接近Ttarget的T的整數倍數為T2。
8.如權利要求7所述的方法，其特徵在於，在計算最優曝光時間T2後還執行以下步驟(5)使用公式G2=G1T1f(Y1)T2]]>計算最優亮度增益值G2，並用計算結果調整亮度增益值G1。
9.如權利要求8所述的方法，其特徵在於，在步驟(5)中計算出最優亮度增益值G2後，根據曝光時間T2讀取亮度增益閾值對照表中相應的亮度增益值閾值Gthd.n，先判斷是否G2在Gtarget允許的範圍內若G2＞Gtarget+Gthd.n，則取G2＝Gtarget+Gthd.n；若G2＜Gtarget-Gthd.n，則取G2＝Gtarget-Gthd.n；若Gtarget-Gthd.n≤G2≤Gtarget+Gthd.n，則不修正G2；然後再用G2調整亮度增益值G1。
10.如權利要求3所述的方法，其特徵在於，步驟(1)中還設定有針對不同型號圖像感應器確定的亮度增益值調整生效遲延時間Gdelay。
11.如權利要求3所述的方法，其特徵在於，設置以下參數最大曝光時間Maxet，用於防止曝光時間T2增加到一定值會導致幀率變慢，；最小曝光時間Minet；最大亮度增益值Maxgain，用於在曝光時間已經達到最大值Maxet仍不能滿足要求時，增益值的設定可以超出亮度增益閾值的範圍，最大值可以設為最大亮度增益值Maxgain；最小亮度增益值Mingain，用於當計算得出的曝光時間小於一個T時，首先將曝光時間減小到一個T，然後減小亮度增益值到最小增益值Mingain設置的範圍，如果仍然不能滿足，再減小曝光時間到小於一個T。
12.權利要求11所述的方法，其特徵在於，在步驟(1)中還設置一個速度控制參數speed，當需要調整的曝光時間與當前曝光時間差距大於4倍光照強度變化周期時間T時，分段逐步調整曝光時間。
13.權利要求11中的自動曝光調節的方法增加模式選擇，由用戶決定當前的環境和曝光的效果，並通過配置或修改上面列出的參數值來完成模式選，模式選擇由自動模式、戶外模式、室內模式或夜間模式以及這幾種模式的任意搭配組合；所述的自動模式，其參數設置值為Minet＝0，Maxet＝0xe0，Ytop＝0xe0；當計算出的曝光時間小於一個T時，如果此時y1值小於ytop值，則不調整曝光時間設置，否則調整曝光時間設置；所述的戶外模式，其參數設置值為Minet＝0，Maxet＝0xe0，Ytop＝ytarget+ythd，當計算出的曝光時間T2小於T時，設置為計算值T2。所述的室內模式，其參數設置值為Minet＝1，Maxet＝0xe0，ytop＝0xe0，避免在室內環境下出現flicker現象；所述的夜間模式，其參數設置值為Minet＝5，Maxet＝255，此模式下最小曝光時間為5T。
14.一種使用上述自動曝光控制方法的自動曝光控制系統，包括圖像數據輸入模塊(sensor)、控制裝置、圖像數據輸出模塊(LCD)，其特徵在於，控制裝置中配有可以修改圖像數據輸入模塊曝光時間和/或圖像處理亮度增益值的寄存器，並設置有目標亮度值和自動曝光產生中斷的亮度變化閾值的寄存器，以及實現計算曝光時間的公式f(Y1)=ln(M-Y1)-ln(M)ln(M-Ytarget)-ln(M)]]>及T2=G1T1f(Y1)Gtarget]]>算法的裝置，其中M為最大亮度值，Y1為當前亮度值，Ytarget為目標亮度標準值，T2為最優曝光時間，T1為當前曝光時間，G1為亮度增益值，Gtarget為目標亮度增益值。
15.權利要求14所述的自動曝光控制系統，其特徵在於，控制裝置中包含有圖像數據輸入模塊控制接口模塊(SIF)、圖像處理模塊(ISP)和處理器(HOST)，處理器(HOST)中安裝有可實現所述計算公式算法的裝置，控制接口模塊(SIF)從圖像數據輸入模塊中讀取圖像數據傳送給圖像處理模塊(ISP)，並讀取控制參數傳送給處理器，處理器通過控制接口模塊調整圖像數據輸入模塊的控制參數。
16.權利要求14或15所述的自動控制曝光控制系統，其特徵在於，控制裝置中配置有存儲亮度增益閾值對照表的寄存器、存儲亮度對數值的對照表的寄存器，圖像處理模塊統計圖像處理參數並將其傳送給控制裝置中的處理器，處理器將計算調整後的圖像處理參數送回圖像處理模塊，調整圖像處理參數設置。
全文摘要
本發明涉及一種自動曝光調節的方法，主要步驟為設定曝光控制基本參數，包括目標亮度標準值Y
文檔編號G03B7/091GK1719328SQ20051008032
公開日2006年1月11日 申請日期2005年7月1日 優先權日2005年7月1日
發明者黃鑫, 遊明琦, 劉勇 申請人:北京中星微電子有限公司