CN100422839C - 曝光控制装置和曝光控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种曝光控制装置和曝光控制方法。曝光控制装置(1)在使图像传感器(11)的快门速度和PGA(12)的增益的校正量按照曝光误差的大小来变化的同时，将其调整成使曝光误差在曝光容许范围内。并且，曝光控制装置(1)根据从微控制器(30)输入的控制灵敏度，使图像传感器(11)的快门速度和PGA(12)的增益的校正量按照规定的不同变化率来变化。并且，曝光控制装置(1)在使曝光误差收敛到曝光容许范围内之后，在发生闪烁现象的情况下，设定低的控制灵敏度。因此，根据本发明的曝光控制装置(1)，为了从摄影图像中检测出目标信息，能够进行合适的曝光控制。

Description

曝光控制装置和曝光控制方法
技术领域
本发明涉及用于对能够从所摄影的图像中检测出目标信息的摄像装置进行控制的曝光控制装置和曝光控制方法。
背景技术
以往，在医疗用照相机或生产线用照相机等为了测量特定对象而使用的摄像装置中，从该对象(被摄体)的摄影图像中检测出色度、亮度级(反射率)等成为目标的信息。
具体地说，通过从摄影图像中取得色彩或亮度等并使之数值化，来识别对象物的状态。
另外，在摄像装置中，一般是为了使摄影图像的亮度在恒定范围内而进行曝光控制。
通常，在进行曝光控制的情况下，测定摄影图像的亮度并使之数值化，成为亮度的评价值。然后，把该评价值与从外部设定的亮度的基准值(曝光目标值)进行比较，为使两者基本一致，控制摄像装置的电子快门速度和放大器的增益。结果，摄影图像整体的亮度成为与曝光目标值基本一致的值，而与光源的亮度变动等无关。
关于该曝光控制，以往提出了各种技术。
例如，在特开平6-141328号公报中揭示了一种通过对快门速度、增益和光圈进行复合控制来调整摄像装置的灵敏度的技术。
[专利文献1]特开平6-141328号公报
然而，在包括上述公报中记载的以往技术中，是以人欣赏所拍摄的图像(静态图像和动态图像等)为前提的。因此，为了防止闪烁现象，把曝光控制中的灵敏度设定成低级。
即，在把曝光控制中的灵敏度设定成高级的情况下，相对光源和被摄体的微小变化，摄像装置作出敏感反应并进行曝光控制，将发生摄影图像的亮度级频繁变动的现象(闪烁现象)。因此，曝光控制系统的响应速度被设定得较慢(曝光控制的灵敏度被设定得较低)。例如，曝光控制的灵敏度被设定成1/2EV(曝光值：Exposure Value)或者1/3EV左右。
另一方面，在为用于测量的摄像装置的情况下，由于需要检测出被摄体的正确亮度级和色调，因而有必要对光源的亮度变化等迅速且高精度地作出响应，并控制成使摄影图像不受光源的亮度变化等影响。
因此，虽然有必要进行曝光控制，以使摄影图像的亮度高速且高精度地收敛到曝光目标值，然而如上所述，如果提高曝光控制系统的灵敏度，则发生闪烁现象。特别是在对各帧之间的相关性进行检测等的情况下，不希望快门速度或者放大器的增益频繁变化。
发明内容
本发明的课题是在用于从摄影图像中检测出目标信息的摄像装置中进行合适的曝光控制。
为了解决上述的问题，本发明是一种曝光控制装置，包括：具有电子快门的图像传感器(例如，图1的图像传感器11)，和把该图像传感器的输出信号按照规定增益进行放大的放大单元(例如，图1的PGA12)；通过使所述图像传感器的电子快门速度和所述放大单元的增益中的至少任何一方变化，进行把所摄影的图像的亮度(例如，作为亮度评价值来表示的亮度)调整为成为亮度基准的曝光目标值的曝光控制，其特征在于，包括：灵敏度变更单元(例如，图1的曝光控制单元20和微控制器30)，根据所述曝光控制的控制状态(例如，“图像的亮度大幅远离曝光目标值的状态”或者“接近曝光目标值而发生闪烁现象的状态”等)，变更曝光控制对所述图像的亮度变化的响应灵敏度(例如，图1的控制灵敏度)。
根据该结构，由于可设定与曝光控制状态对应的响应灵敏度，因而可灵活设定成与状况对应的控制灵敏度。即，在使图像亮度与曝光目标值吻合时，可使响应灵敏度成为高灵敏度，在更高精度调整成与曝光目标值一致，或者想要防止闪烁现象发生的情况下，可使响应灵敏度成为低灵敏度。
并且，其特征在于，还包括：调整单元，在把所摄影的图像的亮度调整为成为亮度基准的曝光目标值时，该图像亮度和所述曝光目标值的差越大，就越增大所述图像传感器的电子快门速度和所述放大单元的增益中的至少任何一方的变化。
另外，作为使所述图像传感器的电子快门速度和所述放大单元的增益中的至少任何一方变化的方式，使其连续变化和使其阶段性变化全都是可能的。
根据该结构，可把图像亮度迅速收敛到曝光目标值。
并且，其特征在于，还包括：闪烁判定单元(例如，图2的闪烁检测器25)，判定是否发生闪烁现象；在闪烁判定单元判定为发生闪烁现象的情况下，所述灵敏度变更单元设定更低的所述响应灵敏度。
根据该结构，在尽可能高灵敏度来进行曝光控制的同时，也可应对发生闪烁现象的情况。
并且，其特征在于，在把所摄影的图像的亮度调整为成为亮度基准的曝光目标值时，在开始调整时把所述响应灵敏度设定成最高值，在所述图像的亮度收敛到曝光目标值之后，并且在所述闪烁判定单元判定为发生闪烁现象的情况下，所述灵敏度变更单元设定低的所述响应灵敏度。
根据该结构，在使图像亮度收敛到曝光目标值时，在使精度高优先的同时，在收敛后，可进行优先抑制闪烁现象的发生的曝光控制。
并且，本发明还提供一种曝光控制装置用的曝光控制方法，该曝光控制装置包括：具有电子快门的图像传感器，和把该图像传感器的输出信号按照规定增益进行放大的放大单元；通过使所述图像传感器的电子快门速度和所述放大单元的增益中的至少任何一方变化，进行把所摄影的图像的亮度调整为成为亮度基准的曝光目标值的曝光控制，其特征在于，包括：灵敏度变更步骤，根据所述曝光控制的控制状态，变更曝光控制对所述图像的亮度变化的响应灵敏度。
这样，根据本发明，可在用于从摄影图像中检测成为目标的信息的摄像装置中进行合适的曝光控制。
附图说明
图1是表示本发明实施方式的曝光控制装置1的功能结构的图。
图2是表示曝光控制单元20的功能结构的图。
图3是表示校正量计算/增益设定部23的功能结构的图。
图4是表示在控制灵敏度为最大的情况下的曝光误差的大小与校正量计算/增益设定部23的校正量的关系的图。
图5是表示在控制灵敏度为中间的情况下的曝光误差的大小与校正量计算/增益设定部23的校正量的关系的图。
图6是表示在控制灵敏度为最小的情况下的曝光误差的大小与校正量计算/增益设定部23的校正量的关系的图。
图7是表示曝光控制装置1的微控制器30执行的曝光控制处理的流程图。
图中：1…曝光控制装置；10…模拟数字视频信号主线部；11…图像传感器；12…PGA；13…ADC；20…曝光控制单元；21…亮度测光单元；22…曝光误差检测器；23…校正量计算/增益设定部；23a…校正量计算部；23b…加法部；23c…选择器；23d…寄存器；24…曝光误差判定器；25…闪烁检测器；30…微控制器
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的曝光控制装置的实施方式进行说明。
首先，对其结构进行说明。
图1是表示本发明实施方式的曝光控制装置1的功能结构的图。
在图1中，曝光控制装置1包括：模拟数字视频信号主线部(以下称为“主线部”)10，曝光控制单元20，以及微控制器30。
主线部10进一步包括：图像传感器11，可编程增益放大器(PGA：Programmable Gain Amp)12，以及ADC(模数转换器：Analog to DigitalConverter)13。
图像传感器11具有电子快门，并按照曝光控制单元20所设定的快门速度接收从透镜射入的光。并且，图像传感器11把所接收的光(透镜的成像)进行光电转换，并输出表示被摄体图像的信号。
PGA12按照曝光控制单元20所设定的增益把图像传感器的输出信号进行放大。
ADC13把PGA12的输出信号转换成数字信号，并把其作为主线视频信号输出。
下面，对曝光控制单元20进行说明。
图2是表示曝光控制单元20的功能结构的图。
曝光控制单元20包括：亮度测光单元21，曝光误差检测器22，校正量计算/增益设定部23，曝光误差判定器24，以及闪烁检测器25。
在从ADC13输入主线视频信号时，亮度测光单元21对1画面的图像，将各像素的亮度求积分，并把积分结果作为亮度评价值。然后，亮度测光单元21把亮度评价值输出到曝光误差检测器22和闪烁检测器25。
另外，亮度测光单元21中的生成亮度评价值的逻辑被称为亮度测光逻辑。作为亮度测光逻辑，除了将1画面所含的像素的亮度简单求积分的方法以外，还可使用假设在画面的中央附近存在被摄体，并将中央附近的像素进行加权求积分的方法，以及将画面按照规定图形分割进行加权、求积分的方法等。
曝光误差检测器22算出从亮度测光单元21输入的亮度评价值和从微控制器30输入的曝光目标值的差，并把该差值(以下称为“曝光误差”)输出到校正量计算/增益设定部23和曝光误差判定器24。
校正量计算/增益设定部23根据从曝光误差检测器22输入的曝光误差，调整图像传感器11的快门速度和PGA12的增益，并校正图像传感器11和PGA12的综合增益，以使曝光误差在规定范围(以下称为“曝光容许范围”)内。该曝光容许范围被设定成，控制灵敏度越高而越窄，控制灵敏度越低而越宽(参照图4～图6)。
并且，校正量计算/增益设定部23根据从微控制器30输入的控制灵敏度，使在校正图像传感器11的快门速度和PGA12的增益时的校正量的变化率不同。
即，对于校正量计算/增益设定部23，校正图像传感器11的快门速度和PGA12的增益，以使得曝光误差越大，越要使曝光误差高速变化以使其在曝光容许范围内，并且控制灵敏度越高，越要对应曝光误差的微小变动来校正图像传感器11的快门速度和PGA12的增益。
图3是表示校正量计算/增益设定部23的功能结构的图。
在图3中，校正量计算/增益设定部23包括：校正量计算部23a，加法部23b，选择器23c，以及寄存器23d。
校正量计算部23a，如图4～图6所示，预先存储有表示曝光误差与其校正量的关系的列表形式的数据，在输入了从曝光误差检测器22输入的曝光误差和微控制器30所设定的控制灵敏度时，参照该列表，算出图像传感器11的快门速度和PGA12的增益的校正量，并输出到加法部23b。
另外，为了校正曝光误差，可变更图像传感器11的快门速度和PGA12的增益中的任何一方或者两方，该变更量的组合是任意的。
加法部23b把从校正量计算部23a输入的校正量与从寄存器23d输入的当前增益相加，更新综合增益，并输出到选择器23c。另外，此处所算出的综合增益是把图像传感器11的快门速度和PGA12的增益作为参数来表示的二维数据。
选择器23c根据在微控制器30或者曝光控制单元20内部发生的初始化信号，选择从加法部23b输入的更新后的增益和增益的初始值中的任何一方，并输出到寄存器23d。
寄存器23d把从选择器23c输入的更新后的增益或者增益的初始值与更新时刻信号同步存储。该更新时刻信号是在变更图像传感器11的快门速度和PGA12的增益的时刻发生，通常，按照帧速率的整数倍的周期发生。并且，选择器23d输出图像传感器11的快门速度和PGA12的增益作为表示存储的增益的参数。
此处，对曝光误差和其校正量的关系进行说明。
图4～图6是表示曝光误差的大小和校正量计算/增益设定部23的校正量的关系的图，图4表示控制灵敏度为最大的情况，图5表示控制灵敏度为中间的情况，图6表示控制灵敏度为最小的情况。另外，在图4～图6中，曝光目标值表示为“T”，亮度评价值表示为“level”，与亮度评价值level对曝光目标值T的误差范围对应的校正量作为一览表示。
在图4中，在控制灵敏度为最大的条件下，在曝光误差为±6％的情况(曝光目标值对亮度评价值为±6％以内的比的情况)下，不进行校正，每当按小级阶段性放大曝光误差时，就以0.5、1.0、2.0、2.5、3.0、6.0、12.0[db]的各级放大校正量。
并且，在图5中，在控制灵敏度为中间的条件下，在曝光误差为±12％的情况(曝光目标值对亮度评价值为±12％以内的比的情况)下，不进行校正，每当按中级阶段性放大曝光误差时，就以1.0、2.0、3.0、6.0、12.0[db]的各级放大校正量。
而且，在图6中，在控制灵敏度为最小的条件下，在曝光误差为±20％的情况(曝光目标值对亮度评价值为±20％以内的比的情况)下，不进行校正，每当按大级阶段性放大曝光误差时，就以0.5、1.5、3.0[db]的各级放大校正量。
这样，由于设定成，曝光误差越大，校正量的级就越大，因而可把亮度评价值高速收敛到曝光目标值。
并且，由于控制灵敏度越高，就越可以对曝光误差的小变动进行校正，因而在把控制灵敏度设定得较高时，可把亮度评价值高速且高精度地收敛到曝光目标值。
而且，由于控制灵敏度越低，曝光容许范围设定得就越宽，因而在曝光误差在曝光容许范围内的情况下把控制灵敏度设定得较低，可抑制闪烁现象。
回到图2，曝光误差判定器24把从曝光误差检测器22输入的曝光误差与规定阈值进行比较，并输出表示该比较结果的信号(以下称为“曝光误差判定结果”)。另外，该阈值是用于判定校正量计算/增益设定部23的曝光控制是否收敛的值，具体地说，与控制灵敏度对应，表示图4～图6中的不进行校正的曝光误差的边界值(例如，在图4中，曝光误差为±6％的值)。
闪烁检测器25根据从亮度测光单元21输入的亮度评价值，判定是否发生闪烁现象，并输出该判定结果(以下称为“闪烁检测结果”)。
即，闪烁检测器25把连续的数帧的亮度评价值与邻接的帧相互比较，并根据该差值是否在恒定阈值以内，判定是否发生闪烁现象。
另外，用于判定是否发生闪烁现象的阈值，由于依赖于照相机(曝光控制装置1)的设置环境和照相机的特性(S/N比等)，因而最好是预先通过实验来求出。
微控制器30根据从曝光控制单元20输入的闪烁检测结果和曝光误差判定结果，执行后述的曝光控制处理。并且，微控制器30通过执行用户的输入操作(用户事件)或者曝光控制处理，设定曝光控制单元20的控制灵敏度和曝光目标值，或者进行各种初始设定。
下面，对动作进行说明。
图7是表示曝光控制装置1的微控制器30执行的曝光控制处理的流程图。曝光控制处理与曝光控制装置1的电源投入同时开始。
在图7中，当曝光控制处理开始时，微控制器30对曝光控制单元20进行各种初始设定(步骤S1)，而且把控制灵敏度设定成最大(步骤S2)。此处，把控制灵敏度设定成最大是为了使曝光误差高速收敛到曝光容许范围内，并进行响应性高的曝光控制。
然后，微控制器30通过起动曝光控制单元20来开始曝光控制(步骤S3)，并对曝光误差是否在曝光容许范围内进行判定(步骤S4)。
在步骤S4，在判定为曝光误差不在曝光容许范围内的情况下，微控制器30重复步骤S4的处理，等待曝光控制单元20校正曝光误差，在判定为曝光误差在曝光容许范围内的情况下，对是否发生闪烁现象进行判定(步骤S5)。
在步骤S5，在判定为发生闪烁现象的情况下，微控制器30把控制灵敏度设定成1阶段低的状态以抑制闪烁现象(步骤S6)，在判定为未发生闪烁现象的情况下，对曝光控制的停止条件是否成立进行判定(步骤S7)。
此处，作为曝光控制的停止条件，是指进行景物变更，或者光源亮度极端变化等的发生显著曝光误差的情况，以及曝光控制的停止由用户或主计算机指示的情况等。
在步骤S7，在判定为曝光控制的停止条件不成立的情况下，微控制器30重复步骤S7的处理，在判定为曝光控制的停止条件成立的情况下，通过停止曝光控制单元20的动作，停止曝光控制(步骤S8)。
另外，在步骤S8后，微控制器30转移到步骤S1的处理。
如上所述，根据本实施方式的曝光控制装置1在使图像传感器11的快门速度和PGA12的增益的校正量按照曝光误差的大小来变化的同时，将其调整成使曝光误差在曝光容许范围内。并且，曝光控制装置1根据从微控制器30输入的控制灵敏度，使图像传感器11的快门速度和PGA12的增益的校正量按照规定的不同变化率来变化。
因此，可使曝光误差高速且高精度地收敛到曝光容许范围内。
并且，曝光控制装置1在使曝光误差收敛到曝光容许范围内之后，在发生闪烁现象的情况下，把控制灵敏度设定得较低。
因此，在使曝光误差高精度地收敛到曝光目标值的同时，可抑制闪烁现象发生。
即，根据本发明的曝光控制装置1，由于从摄影图像中检测出目标信息，因而可进行合适的曝光控制。

Claims (5)

1. 一种曝光控制装置，包括：具有电子快门的图像传感器和把该图像传感器的输出信号按照规定增益进行放大的放大单元；通过使所述图像传感器的电子快门速度和所述放大单元的增益的至少任何一方变化，进行把所摄影的图像的亮度调整为成为亮度基准的曝光目标值的曝光控制，其特征在于，
包括：灵敏度变更单元，根据所述曝光控制的控制状态，变更对应所述图像的亮度变化的曝光控制响应灵敏度。
2. 根据权利要求1所述的曝光控制装置，其特征在于，还包括：调整单元，在把所摄影的图像的亮度调整为成为亮度基准的曝光目标值时，该图像亮度和所述曝光目标值的差越大，就越增大所述图像传感器的电子快门速度和所述放大单元的增益的至少任何一方的变化。
3. 根据权利要求1或2所述的曝光控制装置，其特征在于，还包括判定是否发生闪烁现象的闪烁判定单元，在闪烁判定单元判定为发生闪烁现象的情况下，所述灵敏度变更单元设定更低的所述响应灵敏度。
4. 根据权利要求3所述的曝光控制装置，其特征在于，在把所拍摄的图像的亮度调整为成为亮度基准的曝光目标值时，在开始调整时把所述响应灵敏度设定成最高值，在所述图像的亮度收敛到曝光目标值之后，并且在所述闪烁判定单元判定为发生闪烁现象的情况下，所述灵敏度变更单元设定更低的所述响应灵敏度。
5. 一种曝光控制装置用的曝光控制方法，该曝光控制装置包括：具有电子快门的图像传感器和把该图像传感器的输出信号按照规定增益进行放大的放大单元；通过使所述图像传感器的电子快门速度和所述放大单元的增益的至少任何一方变化，进行把所摄影的图像的亮度调整为成为亮度基准的曝光目标值的曝光控制，其特征在于，
包括：灵敏度变更步骤，根据所述曝光控制的控制状态，变更对应所述图像的亮度变化的曝光控制响应灵敏度。
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