CN100458541C - 一种用于自动曝光调节的方法及控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自动曝光调节的方法，主要步骤为：设定曝光控制基本参数，包括目标亮度标准值Y_target、亮度阈值Y_thd、亮度增益值G_target、亮度增益值阈值G_thd；进行曝光，提取图像并进行图像处理；读取曝光时间T₁、亮度增益G₁和图像曝光强度统计值Y₁；判断曝光强度值Y₁是否在目标曝光强度值范围内，若不是，则计算所需亮度增益值，判断是否利用亮度增益值调整可以将曝光强度值调整到目标曝光强度值范围内，若不是，则计算最优曝光时间T₂，用计算所得最优曝光时间T₂调整图像数据输入模块的曝光时间T₁。

Description

一种用于自动曝光调节的方法及控制系统

技术领域

本发明涉及一种用于自动曝光调节的方法及控制系统，特别涉及应用于胶卷或者数码感光部件(CCD，CMOS等)的自动曝光调节的方法与控制系统。

背景技术

曝光是胶卷或者数码感光部件(CCD，CMOS等)接收从镜头进光来形成影像的过程。曝光时间即是感光部件接收光的时间。在同样环境下(光照强度等条件不发生改变)，曝光时间越长，图像越亮；反之，曝光时间越短，图像越暗。如果图像中景物过亮，而且亮的部分没有层次或细节，这就是曝光过度；如果照片较黑暗，无法真实反映景物的色泽，就是曝光不足。所以，当环境发生变化时，也要相应的调整曝光时间以使输出的图像亮度在合适的范围内，即在环境较暗时适当的增加曝光时间，在比较亮的环境减少曝光时间。但是，在不同光源下曝光时间的设置有所不同。

以下参照图1和图2描述光源的特点。理想光源可分为两种：一种是光源的强度不随时间发生变化，如图1所示；另一种是光源的强度随着时间发生周期性变化，如图2所示。在日常生活中，相关的光主要有：太阳光和室内照明所用的光。其中，由于太阳光具有持续、稳定的特点，为了方便研究，认为太阳光为理想光源A。目前，室内照明用光一般与当地供电频率相关，其光强一般都随着时间发生变化。当然现在也有许多照明用光基本没有频率特性或有些是采用直流供电方式，但这毕竟较少，这里不做讨论。当前世界上的交流电频率基本都是50Hz或60Hz，根据电源电压与功率的关系，可以得到室内光源的频率为100Hz或120Hz。简单推导如下：

U(t)＝U₀sin(ωt)                            (1)

P(t)＝U(t)²/R    R为灯泡电阻，为常数        (2)

$P\left(t\right)=\mathrm{kU}{\left(t\right)}^2={\mathrm{kU}}_0^2{\sin }^2\left(\mathrm{\ωt}\right)=k{U}_0^2(1-\cos \left(2\mathrm{\ωt}\right))/2---\left(3\right)$

当w＝50Hz时，P(t)的频率为100Hz，Y与P(t)为线性关系，所以室内光源的频率为100Hz或120Hz。

因此就具备如下所描述的曝光特性。根据环境的不同来改变图像数据输入模块(Sensor)的曝光时间，以使其传入的图像亮度适宜。图像数据输入模块的曝光程度和曝光时间的关系如图3所示，图3示出了感光特性与曝光时间的关系曲线图。

从图3中可以看出，随着曝光时间的增加，图像的曝光程度也在增加。但是曝光时间越大，其对曝光程度的贡献越小，即相同的曝光时间的增加量，在曝光时间的值较小时对亮度的影响要大于曝光时间值较大时。

以下是在室内照明情况下对不同入射光强进行测试的测试数据，每次数据都测量2组，两次的差别都在±1之间，因此都取第一组数据。

其中：

曝光时间的单位是10ms

曝光数值的单位是电子量化值，最大值为255，最小值为0

                         表格1

曝光时间	1	2	3	4	5	6	7	8	9
										第一次	33	67	90	110	128	143	157	169	180
第二次	30	62	86	105	121	134	146	156	166
										第三次	37	73	99	118	133	146	159	172	183

在实际应用中，室内环境下如果曝光时间设置的不是室内光源周期的整数倍时(国内交流电频率50HZ下周期为10毫秒)，不同帧的图象会出现明暗条纹，而当曝光时间是光源周期的整数倍时则不会出现，这种现象称为Flicker现象。

通常采用的图像数据输入模块有CMOS和CCD两种，其生产技术有一些区别，因此曝光的方式也有所不同。CMOS图像数据输入模块采用行曝光技术，即每次曝光一行，行与行之间间隔一定时间(具体间隔时间值不同厂商有不同规定)，因此，每一行的曝光起始点都不相同，如果曝光时间不是周期的整数倍，则各行所接受的光强有可能不同，虽然各行的曝光时间是一样的，但是也会造成明暗不同的变化，即我们所说的Flicker现象。CCD图像数据输入模块采用的是面曝光技术，一次曝光一整幅图像，如果我们设置的曝光时间不正确，虽然不会出现行与行之间的明暗变化，但是会造成连续图像间的明暗不同，给人一种图像闪烁的视觉感受，这也是Flicker现象的一种。

出现Flicker现象的原因如下：

由前面关于曝光理论的描述，可以知道对于一幅图像其亮度由光强和曝光时间决定，在光强一定的情况下，曝光时间越长图像越亮；反之，如果曝光时间一定，光强越强图像也越亮。因此，在相同曝光时间的条件下，光强的变化也会造成图像的明暗不均。

已经知道室内光源的电压是随周期变化的，其变化如(1)所示，光强的变化如(3)所示，那么在一段时间内的光强计算公式如下：

${\∫}_1^{t_2}P\left(t\right)\mathrm{dt}={\∫}_1^{t_2}\mathrm{tU}{\left(t\right)}^2\mathrm{dt}=\frac{1}{2}k{U}_0^2{\∫}_1^{t_2}(1-\cos \left(2\mathrm{\ωt}\right))\mathrm{dt}=\frac{1}{2}t{U_0}^2[(t_2-t_1)-\frac{1}{2\mathrm{\ω}}\sin 2\mathrm{\ω}(t_2-t_1)]---\left(4\right)$

令Δt＝t₂-t₁，则上式变为：

${\∫}_1^{t_2}P\left(t\right)\mathrm{dt}=\frac{1}{2}k{U_0}^2[\mathrm{\Δt}-\frac{1}{2\mathrm{\ω}}\sin 2\mathrm{\ω\Δt}]---\left(5\right)$

可见，如果Δt等于周期T，上式为常数

否则为变值。这说明当曝光时间为一个周期的整数倍时，不论起始曝光点从哪开始，光强的作用为一个常数，即曝光效果相同。反之，则会造成光强作用不均。

当光源的强度随周期发生变化时(如室内情况)，设置的曝光时间必须是其变化周期的整数倍。当光源强度恒定时，不受此限制。

由前所述，在室内情况下，曝光时间的设定必须为室内光源变化周期T的整数倍以避免flicker现象的产生，这就造成了另一个问题：曝光时间设定的不连续性。如果需要设置的曝光时间恰好不是T的整数倍(实际上大多数情况都是这样)，那就不能得到需要的图像亮度。

自动曝光是所有涉及数字图像处理的产品(如数码相机等)都要解决的问题，它也是使用者最直接感受到的效果。

过去由于没有找到曝光程度和曝光时间的数学关系，只能采用逼近拟合的方法，即一点点地增加或减少曝光时间和亮度增益来逼近理论值，这种方法的效率显然是很低的。

发明内容

本发明的目的是提供一种自动曝光调节的方法及控制系统，本发明的自动曝光调节的方法，包含以下步骤：

(1)设定曝光控制基本参数，确定目标亮度值范围；

(2)在曝光并提取处理图像后，判断当前亮度值Y₁是否在目标亮度值范围内，若是，继续按原有参数曝光并处理图像，若否，则进行以下自动曝光调节步骤；

(3)计算所需亮度增益值G₂，判断是否利用亮度增益值调整可以将亮度值调整到目标亮度值范围内；若是，则将亮度增益值G₁调整为G₂的值，再按新的亮度增益值处理图像，若否，进行下一步骤；

(4)计算最优曝光时间T2，用最优曝光时间T2调整曝光时间T1。

在步骤(1)中设定的曝光控制基本参数包括目标亮度标准值Y_target、亮度阈值Y_thd，所述确定的目标亮度值范围为：[Y_target-Y_thd，Y_target+Y_thd]。

为避免调整亮度增益值时使亮度值变化不连续而造成闪烁，先根据初始设置的亮度增益阈值G_thd，设定不同时间下保证亮度变化连续的亮度增益阀值：利用公式G_thd.n+1＝(G_target-n×G_thd.n)÷(n+1)+offset计算不同曝光时间时允许的亮度增益阈值G_thd.n，并将计算结果保存于亮度增益阈值对照表中，其中n为曝光时间对光照强度变化周期时间T的倍数，offset为任意整数，G_thd.1＝G_thd，

在步骤(3)中，所述的判断是否利用亮度增益值调整可以将亮度值调整到目标亮度值范围内的具体方法是：

(3.1)利用公式 $G_2=\frac{\ln (M-Y_{t\arg \mathrm{et}})-\ln \left(M\right)}{\ln (M-Y_1)-\ln \left(M\right)}\×G_1$ 计算所需亮度增益值G₂，公式中M为亮度范围最大值；

(3.2)判断是否G_target-G_thd.n≤G₂≤G_target+G_thd.n；

在步骤(4)中，所述计算最优曝光时间T₂是利用公式 $f\left(Y_1\right)=\frac{\ln (M-Y_1)-\ln \left(M\right)}{\ln (M-Y_{t\arg \mathrm{et}})-\ln \left(M\right)}$ 计算f(Y₁)；然后利用公式 $T_{t\arg \mathrm{et}}=\frac{G_1{T}_1}{f\left(Y_1\right)G_{t\arg \mathrm{et}}}$ 计算目标曝光时间T_target，取T_target为最优曝光时间T₂。

计算目标曝光时间的优选方法是先将不同曝光强度及其对数值存于对照表，最大曝光强度设定为常数M，当系统处理数据为8位整数时，常数M＝256；然后按以下步骤计算：

(4.1)读取Y₁、M-Y₁、M-Y_target及M在对归照表中的对数值；

(4.2)利用公式 $f\left(Y_1\right)=\frac{\ln (M-Y_1)-\ln \left(M\right)}{\ln (M-Y_{t\arg \mathrm{et}})-\ln \left(M\right)}$ 计算f(Y₁)；

(4.3)利用公式 $T_{t\arg \mathrm{et}}=\frac{G_1{T}_1}{f\left(Y_1\right)G_{t\arg \mathrm{et}}}$ 计算T_target。

为避免flicker现象，在步骤(1)中还设置光照强度变化周期时间T；在步骤(4)中利用公式计算出目标曝光时间T_target后还进行以下处理：若计算的目标曝光时间T_target为光照强度变化周期时间T整数倍，则取时间T_target为T2，若计算的目标曝光时间T_target不是光照强度变化周期时间T的整数倍，则取时间最接近T_target的T的整数倍数为T₂。

由于选择的最优曝光时间不是目标曝光时间(目标亮度要求的曝光时间)，所以在计算最优曝光时间T₂后还可以执行以下步骤调整亮度增益值来进行曝光补偿：

使用公式 $G_2=\frac{G_1{T}_1}{f\left(Y_1\right)T_2}$ 计算最优亮度增益值G₂，并用计算结果调整图像处理模块中的亮度增益值G₁。

在计算出G₂后，根据曝光时间T₂读取亮度增益阈值对照表中相应的亮度增益值阈值G_thd.n，先判断是否G₂在G_target允许的范围内：若G₂＞G_target+G_thd.n，则取G₂＝G_target+G_thd.n；若G₂＜G_target-G_thd.n，则取G₂＝G_target-G_thd.n；若G_target-G_thd.n≤G₂≤G_target+G_thd.n，则不修正G₂；然后再用G₂调整亮度增益值G₁。

本发明的还提供一种自动曝光调节的控制系统，包括图像数据输入模块(sensor)、控制装置、图像数据输出模块(LCD)，图像数据输入模块将曝光获得的图像数据传送给控制装置，控制装置处理图像数据后从图像数据输出模块输出图像，控制装置中配有可以修改图像数据输入模块曝光时间和/或图像处理亮度增益值的寄存器，并设置有目标亮度值和自动曝光产生中断的亮度变化阈值的寄存器，以及实现计算曝光时间的公式 $f\left(Y_1\right)=\frac{\ln (M-Y_1)-\ln \left(M\right)}{\ln (M-Y_{t\arg \mathrm{et}})-\ln \left(M\right)}$ 及 $T_2=\frac{G_1{T}_1}{f\left(Y_1\right)G_{t\arg \mathrm{et}}}$ 算法的装置。

在控制装置中包含有图像数据输入模块控制接口模块(SIF)、图像处理模块(ISP)和处理器(HOST)，实现曝光时间计算公式算法的装置可由在处理器(HOST)中安装有可实现所述计算公式算法的软件来实现，控制接口模块(SIF)从图像数据输入模块中读取图像数据传送给图像处理模块(ISP)，并读取控制参数如当前曝光时间T₁传送给处理器，处理器通过控制接口模块调整图像数据输入模块的控制参数。

控制装置中配置有存储亮度增益阈值对照表的寄存器、存储亮度对数值的对照表的寄存器，图像处理模块统计图像处理参数如当前亮度值Y₁及亮度增益值G₁等，并将其传送给控制装置中的处理器，处理器将计算调整后的图像处理参数送回图像处理模块，调整图像处理参数设置。

本发明的自动曝光调节方法及控制系统利用曝光算法公式使得自动曝光的过程变得非常简单，而且可以相对较快地调节到目标值。同时，所需要设置的参数非常少，简化了用户的使用。

附图说明

图1示出了光源强度不随时间发生变化的情况；

图2示出了光源强度随时间发生周期性变化的情况；

图3示出了感光特性与曝光时间的关系曲线图；

图4示出了入射光与曝光度的关系图；

图5示出了自动曝光系统的主要结构；

图6示出了自动曝光调节方法的处理流程。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

1、数学模型

为了更好的研究曝光变化的规律，找出计算曝光时间的方法，构造如下的概率模型：

模型建立：有两个相同数量的乒乓球盒A和B，盒里各自放了M个乒乓球，两个盒子里的球都有自己的序号且序号唯一，在初始状态下B里的乒乓球都是白色的。我们从A里拿乒乓球，并根据拿出的乒乓球号，将B里相应的球上换成黄色，然后将拿出的乒乓球放回A。

问如果每次从A中拿出K个球，重复拿N次，最后B里共有多少个球会变成黄色？

解答如下：

因为A中的乒乓球没有区别，因此每次拿球时拿中任何一个球的概率相同，都是(K/M)；

设n次后，B里共有Sn个黄球，则有：

当n＝0时，S0＝0；

n＝1时，S1＝K；

n＝2时，S2＝(M-S1)(K/M)+S1；

……

n＝m时，Sm＝(M-Sm-1)(K/M)+Sm-1；

由以上的推导，我们可知：

(1)当K＝0时，S_N＝0；

(2)当K＝M时，S₁＝S₂＝……＝S_N＝M

(3)S_m＞＝S_m-1；

(4)S_m-S_m-1＜S_m-1

(5)当N→∞时，S_N无限趋近于M

依据上面的数学模型建立，图像数据输入模块入射光与曝光度的关系，如图4所示。图4中，点阵A用于模拟对电压U的响应，点阵B用于模拟曝光度S，拿球数量用于模拟电压U，拿球次数用于模拟曝光时间，则：

如果每次的拿球数量一致，则模拟的是U恒定即恒定光源照射情况；

如果每次的拿球数量不要求一致，则模拟的是U变化即变化光源情况。

使用数学模型的公式对实验结果进行计算得：

表格2

可以看到模型非常好的逼近测试结果，因此可以认为这个曝光模型是可以说明CMOS图像数据输入模块的曝光度问题的。

由数学模型有

S_m＝(M-S_m-1)(K/M)+S_m-1                    (6)

映射在连续空间有

$f(x+\mathrm{\Δx})=(M-f\left(x\right))\frac{f(0+\mathrm{\Δx})}{M}+f\left(x\right)---\left(7\right)$

即

$f^{\′}\left(x\right)=\frac{M-f\left(x\right)}{M}{f}^{\′}\left(0\right)---\left(8\right)$

令K＝f′(0)，有

$f^{\′}\left(x\right)+\frac{K}{M}f\left(x\right)=K---\left(9\right)$

解这个微分方程得到

$f\left(x\right)=M(1-e^{-\frac{K}{M}x})---\left(10\right)$

其中f(0)＝0；f′(0)＝K

2、曝光补偿

在室内情况下，曝光时间的设定必须为室内光源变化周期T的整数倍以避免flicker现象的产生，这就造成了另一个问题：曝光时间设定的不连续性。如果需要设置的曝光时间恰好不是T的整数倍(实际上大多数情况都是这样)，那就不能得到我们需要的图像亮度。为此，引入了另一个参数：亮度增益值G(Gain)。

亮度增益值G是作用在图像亮度曲线的值，通过调节图像的亮度分量的幅度，可以改变图像的明暗效果。但是亮度增益调节不能够增加图像所携带的信息量，因此如果过分的调节亮度增益值，会造成图像质量下降。

本发明采用同时调节曝光时间和亮度增益值的方法来进行曝光补偿，通过亮度增益值来保证亮度调节的连续性。

由数学模型推导出的公式，本发明可以得到计算曝光时间和亮度增益的方法如下：

假设：

亮度最大值为M，该最大值由图像处理模块的数据处理位数决定，这里使M＝256为常数；

当前的曝光时间为T₁，亮度增益为G₁，亮度为Y₁；

如果将亮度增益改为G₂(目标亮度增益)，希望获取图像的亮度度为Y₂，则曝光时间T₂计算过程为：

$Y_1=M(1-e^{-\frac{{\mathrm{KG}}_1{T}_1}{M}})---\left(11\right)$

$\ln (M-Y_1)-\ln \left(M\right)=-\frac{{\mathrm{KG}}_1{T}_1}{M}---\left(12\right)$

同理有

$\ln (M-Y_2)-\ln \left(M\right)=\frac{{\mathrm{KG}}_2{T}_2}{M}---\left(13\right)$

$\frac{\ln (M-Y_1)-\ln \left(M\right)}{\ln (M-Y_2)-\ln \left(M\right)}=\frac{G_1{T}_1}{G_2{T}_2}---\left(14\right)$

在实际应用中，一般会有一个期望的曝光程度值(图象亮度适宜)和亮度增益值(一般为1，即亮度增益值不发生作用)，因此会确定一个目标曝光强度Y_target和目标亮度增益值G_target，对(14)进行修正得到：

$\frac{\ln (M-Y_1)-\ln \left(M\right)}{\ln (M-Y_{t\arg \mathrm{et}})-\ln \left(M\right)}=\frac{G_1{T}_1}{G_{t\arg \mathrm{et}}{T}_2}---\left(15\right)$

可见，公式中只有一个未知数T₂，因此可以解出T₂值：

令

$f\left(Y_1\right)=\frac{\ln (M-Y_1)-\ln \left(M\right)}{\ln (M-Y_{t\arg \mathrm{et}})-\ln \left(M\right)}---\left(16\right)$

可以得到

$f\left(Y_1\right)=\frac{G_1{T}_1}{G_{t\arg \mathrm{et}}{T}_2}\→T_2=\frac{G_1{T}_1}{f\left(Y_1\right)G_{t\arg \mathrm{et}}}---\left(17\right)$

由此得到了本发明计算曝光时间的数学方法。

3、方法实现

自动曝光控制系统实现自动曝光控制的方案：利用寄存器读取图像处理模块统计的图像的亮度值，在图像处理模块统计出的亮度值超出设置的亮度区间时处理器产生中断，系统进行自动曝光调节；设置目标曝光强度、目标亮度增益值、亮度增益变化范围，获取当前亮度增益值、曝光强度值(亮度统计值)和曝光时间等参数，并利用计算曝光时间的公式计算出新的曝光时间；通过IIC总线或者Serials Bus通信方式将计算出的曝光时间写入图像数据输入模块的寄存器。

本发明的一种具体实施例提供一种利用安装的软件来实现自动曝光(AE)算法的系统，其中该系统包括：图像数据输入模块、可以修改图像数据输入模块曝光时间T₁和图像处理模块亮度增益值G₁的寄存器，设置有目标亮度度值Y_target和自动曝光产生中断的亮度阈值Y_thd的寄存器，以及自动曝光算法的软件；自动曝光控制系统的工作流程如图6所示。曝光产生后，系统比较当前亮度值Y₁与可接受亮度区间[Y_target-Y_thd，Y_target+Y_thd]，在当前亮度值超出亮度区间时产生中断，自动曝光系统进行自动曝光调节；

获得图像的亮度取决于曝光强度和亮度增益调整，曝光强度则由曝光时间决定，因此，图像亮度由曝光时间和亮度增益值决定。先判断亮度增益补偿能否将亮度调整到可接受亮度区间：

[Y_target-Y_thd，Y_target+Y_thd]，

利用公式

$G_2=\frac{\ln (M-Y_{t\arg \mathrm{et}})-\ln \left(M\right)}{\ln (M-Y_1)-\ln \left(M\right)}\×G_1$

计算所需亮度增益值，公式中M为亮度最大值，判断是否G_target-G_thd.n≤G₂≤G_target+G_thd.n，若是，则将亮度增益值G₁调整为G₂的值，并继续以后的曝光，若不是，

则进行曝光时间调整：利用计算曝光时间的公式 $T_{t\arg \mathrm{et}}=\frac{G_1{T}_1}{f\left(Y_1\right)G_{t\arg \mathrm{et}}}$ 及 $f\left(Y_1\right)=\frac{\ln (M-Y_1)-\ln \left(M\right)}{\ln (M-Y_{t\arg \mathrm{et}})-\ln \left(M\right)}$ 计算出目标曝光时间，式中T_target是在目标曝光时间，G₁是当前的亮度增益，T₁是当前的曝光时间，Y₁是当前的亮度。用计算出的目标曝光时间T_target调整曝光时间T₁设置。

当光源为室内灯光时，因光照强度会以T为周期变化，为避免flicker现象，若计算的目标曝光时间T_target为光照强度变化周期时间T整数倍，则用时间T_target做为最优曝光时间T₂来调整曝光时间T₁设置，若计算的目标曝光时间T_target不是光照强度变化周期时间T的整数倍，则用最接近T_target的T的整数倍时间做为最优曝光时间T₂调整曝光时间T₁设置。

由于上面选择的最优曝光时间不是目标曝光时间T_target(目标亮度要求的曝光时间)，所以在计算最优曝光时间T₂后再执行以下步骤调整亮度增益值来进行曝光补偿：

使用公式 $G_2=\frac{G_1{T}_1}{f\left(Y_1\right)T_2}$ 计算最优亮度增益值G₂，并用计算结果调整图像处理模块中的亮度增益值G₁。

为避免调整亮度增益值时使亮度值变化不连续而造成闪烁，先根据初始设置的亮度增益阈值G_thd，利用公式G_thd.n+1＝(G_target-n×G_thd.n)÷(n+1)计算不同曝光时间时允许的亮度增益阈值G_thd.n，并将计算结果保存于亮度增益阈值对照表中，其中n曝光时间对光照强度变化周期时间T的倍数，G_thd.1＝G_thd，在计算出G₂后，根据曝光时间T₂读取亮度增益阈值对照表中相应的亮度增益值阈值G_thd，先判断是否G₂在G_target允许的范围内：若G₂＞G_target+G_thd.n，则取G₂＝G_target+G_thd.n；若G₂＜G_target-G_thd.n，则取G₂＝G_target-G_thd.n；若G_target-G_thd.n≤G₂≤G_target+G_thd.n，则不修正G₂；然后再用G₂调整图像处理模块中的亮度增益值G₁。

由于算法要求以及用户使用时的灵活性考虑，需要由用户根据实际情况在系统中配置如下参数：

Y_target：目标亮度；

Y_thd：允许的亮度变化阈值，即为上面所说的中断产生区间；

G：初始亮度增益值，可设置为目标亮度增益值G_target；

G_thd：可以接受的亮度增益值变化阈值；

G_delay：Sensor在修改了曝光时间后有可能在几帧后生效，而且不同的Sensor这个值也有所不同，G₁的设置需要与曝光时间同时生效，此处配置G₁生效的位置，如sensor配置的曝光时间在隔一帧生效，则此处G_delay值设为1

Maxet：可以设置的最大曝光时间，由于曝光时间增加到一定值会导致帧率变慢，所以应限制设置的最大值。

Minet：设置最小曝光时间。

Maxgain：当曝光时间已经达到最大值仍不能满足要求时，G₁值的设定可以超出(G_target-G_thd，G_target+G_thd)的范围，最大值可以设为Maxgain.

Mingain：当计算得出的曝光时间小于一个T时，首先将曝光时间减小到一个T，然后减小G₁值可以到Mingain设置的范围，如果仍然不能满足，再减小曝光时间到小于一个T。

Speed：可以设置4个值(0，1，2，3)。在需要调整曝光时间时，有可能计算得出的新值与原来的设定有很大的变化，如果直接将曝光时间调整到计算出的值，有可能图像会产生比较明显的明暗变化的阶越，所以在此处可以设定用户希望调整的速度，速度0＜1＜2＜3。

当环境发生比较大的变化时(比如由比较暗的环境突然切换到比较亮的环境)，由于本发明的算法能够很快的得到目标的曝光时间值，如果将计算值直接设置，会使图像有一个比较大的明暗变化，也就是所谓的阶越效果。这可能会使用户不适应，因此，本发明在实际应用中通过设置参数speed值能够避免这种情况。根据用户的实际需求，可以改变此值以获得不同的效果。例如，当前曝光时间为n，计算所得新的曝光时间为m，当环境亮度变化剧烈时，|m-n|会是一个较大的值(超过4倍T)，如果我们直接设置m，就会产生阶越效果。在我们的实现方案里设置了4级调节速度。速度0＜1＜2＜3。当设置为不同的调节速度时，以|m-n|/s的变化幅度改变曝光时间。即设置曝光时间为n±|m-n|/s。调节速度越快，s的值越小。无论速度设定为何值，若曝光时间调整幅度为不足4倍T时，调整曝光时间的方式为每次调整一个T。

由于曝光时间在室内必须设置为50HZ/60HZ的整数倍，而在室外则没有此限制，当使用环境在室内和室外切换时会出现问题。例如：室内灯光比较强时，所计算出的曝光时间有可能小于一个T，由于很难确定当前的环境(环境随时可变)，所以很难决定是将曝光时间设置为计算值，或是设置为1个T值，因此，可以增加一些模式选择，由使用者决定当前的环境和曝光的效果。模式的选择完全可以通过配置或修改上面列出的参数值来完成。

以下为各模式说明，以及推荐的设置值：

Auto

各参数设置值为：Minet＝0，Maxet＝0xe0，Y_top＝0xe0

当计算出的曝光时间小于一个T时，如果此时Y₁值小于y_top值，则不调整曝光时间设置，否则调整曝光时间设置。此模式下当室内环境比较亮时有可能出现flicker。

Outdoor

各参数设置值为：Minet＝0，Maxet＝0xe0，Y_top＝Y_target+Y_thd

当计算出的曝光时间小于1T时，设置为计算值。此模式下如果处于室内会出现flicker。

Indoor

各参数设置值为：Minet＝1，Maxet＝0xe0，Y_top＝0xe0此模式下不论室内环境如何都不会出现flicker，但是当室内灯光比较亮时，Y值可能达不到最好效果。

Dark

各参数设置值为：Minet＝5，Maxet＝255

此模式下最小曝光时间为5T，当处于比较亮的环境时可能会造成图像发亮。

4、自动曝光系统的基本硬件体系结构

图5为一个自动曝光系统应用的基本硬件体系结构，主要包括4个部分：图像数据输入模块(Sensor)，图像数据输出模块(LCD)，图像处理芯片(Chip)，处理器(Host)，图像处理芯片(Chip)和处理器(Host)组成系统中的控制装置。这也是一个最基本的图像处理系统。图像数据输入模块(sensor)接受外界图像信号，经过模拟信号到数字信号的转换，将转换过的数字数据传入图像处理芯片经过处理后显示到LCD显示屏上。在这个系统中，图像处理芯片是最重要的部分，他的处理能力决定整个图像处理系统的优劣。

本实施例的自动曝光系统可以应用于一颗专用的图像处理芯片VC0568中，他可以完成对输入图像的处理，显示和存储。上图的结构中只是描述了其中和自动曝光系统相关的硬件模块。

从图5中可以看出，芯片包括两个接口模块，分别完成与图像数据输入模块和输出设备的交互。本发明主要关心与图像数据输入模块(Sensor)的接口模块SIF，所有对图像数据输入模块的操作都是通过接口模块SIF完成的。图像数据输入模块与接口模块的通信协议主要采用IIC或Serial bus，可以将要写入图像数据输入模块的寄存器的值写入接口模块的特定寄存器，然后由接口模块负责将这些数据写入Sensor。ISP模块是图像处理模块，提供对图像的分析和处理，可以提供给我们图像的基本信息。处理器一般为一颗微处理器(本发明采用三星公司的Arm7TDMI)。本发明的软件(包括自动曝光算法)都是在处理器上运行的。以下是自动曝光系统的处理过程：

首先，图像处理芯片获取数据，对每一幅图像的数据进行处理和统计，在ISP模块中配置了两个寄存器，当ISP模块对当前图像的亮度(Y)值统计的出的Y₁值超出配置的范围时，芯片发出自动曝光中断，处理器调用本发明在初始化时对自动曝光中断注册的中断处理程序(ISR_AUTOEXPOSE)。

其次，在中断处理程序中，我们通过读取ISP的相关寄存器获取进行自动曝光计算所需要的参数(如Y₁，G₁，G_target等)，通过公式计算出新的曝光时间T₂和G₂值。

最后，处理器Host通过配置接口模块SIF的寄存器，将要配置的新的曝光时间通过接口模块SIF写入图像数据输入模块Sensor，新的亮度增益值G₂直接写入ISP模块的G₁值寄存器。

虽然与本发明的优选示范实施例一起公开了本发明，但是本领域技术人员应该理解在不脱离本发明范围下，能够对其过程和细节进行多种其它变化、省略和改变。

Claims (16)

1、一种自动曝光调节的方法，其特征在于，包含以下步骤：

(1)设定曝光控制基本参数，确定目标亮度值范围；

(2)在曝光并提取处理图像后，判断当前亮度值Y₁是否在目标亮度值范围内，若是，继续按原有参数曝光并处理图像，若否，则进行以下自动曝光调节步骤；

(3)计算所需亮度增益值G₂，判断是否利用亮度增益值调整可以将亮度值调整到目标亮度值范围内；若是，则将亮度增益值G₁调整为G₂的值，再按新的亮度增益值处理图像，若否，进行下一步骤；

(4)计算最优曝光时间T2，用最优曝光时间T2调整曝光时间T1；

(5)计算最优亮度增益值G2，用以调整亮度增益值G1。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，

在步骤(1)中设定的曝光控制基本参数包括目标亮度增益值G_target、亮度增益阈值G_thd，并根据初始设置的亮度增益阈值G_thd，利用公式G_thd.n+1＝(G_target-n×G_thd.n)÷(n+1)+offset计算不同曝光时间时允许的亮度增益阈值G_thd.n，并将计算结果保存于亮度增益阈值对照表中，其中n为曝光时间对光照强度变化周期时间T的倍数，offset为任意整数，G_thd.1＝G_thd。

3、如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：在步骤(1)中设定的曝光控制基本参数包括目标亮度标准值Y_target、亮度阈值Y_thd，所述确定的目标亮度值范围为：[Y_target-Y_thd，Y_target+Y_thd]。

4、如权利要求3所述的方法，其特征在于，

在步骤(3)中，所述的判断是否利用亮度增益值调整可以将亮度值调整到目标亮度值范围内的具体方法是：

(3.1)利用公式 $G_2=\frac{\ln (M-Y_{t\arg \mathrm{et}})-\ln \left(M\right)}{\ln (M-Y_1)-\ln \left(M\right)}\×G_1$ 计算所需亮度增益值G₂，公式中M为亮度范围最大值；

(3.2)判断是否G_target-G_thd.n≤G₂≤G_target+G_thd.n；

5、如权利要求3所述的方法，其特征在于，在步骤(4)中，所述计算最优曝光时间T₂是利用公式 $f\left(Y_1\right)=\frac{\ln (M-Y_1)-\ln \left(M\right)}{\ln (M-Y_{t\arg \mathrm{et}})-\ln \left(M\right)}$ 计算f(Y₁)；然后利用公式 $T_{t\arg \mathrm{et}}=\frac{G_1{T}_1}{f\left(Y_1\right)G_{t\arg \mathrm{et}}}$ 计算目标曝光时间T_target，取T_target为最优曝光时间T₂。

6、如权利要求3所述的方法，其特征在于，

在步骤(1)中还将不同亮度及其对数值存于对照表，亮度范围最大值M定为常数；

在步骤(4)中所述计算目标曝光时间T_target包括以下步骤：

(4.1)读取Y₁、M-Y₁、M-Y_target及M在对照表中的对数值；

(4.2)利用公式 $f\left(Y_1\right)=\frac{\ln (M-Y_1)-\ln \left(M\right)}{\ln (M-Y_{t\arg \mathrm{et}})-\ln \left(M\right)}$ 计算f(Y₁)；

(4.3)利用公式 $T_{t\arg \mathrm{et}}=\frac{G_1{T}_1}{f\left(Y_1\right)G_{t\arg \mathrm{et}}}$ 计算T_target。

7、如权利要求6所述的方法，其特征在于，

在步骤(1)中还设置有光照强度变化周期时间T；

在步骤(4)中利用公式计算出目标曝光时间T_target后还进行以下处理：若计算的目标曝光时间T_target为光照强度变化周期时间T整数倍，则取时间T_target为T₂，若计算的目标曝光时间T_target不是光照强度变化周期时间T的整数倍，则取时间最接近T_target的T的整数倍数为T₂。

8、如权利要求7所述的方法，其特征在于，在计算最优曝光时间T₂后还执行以下步骤：

(5)使用公式 $G_2=\frac{G_1{T}_1}{f\left(Y_1\right)T_2}$ 计算最优亮度增益值G₂，并用计算结果调整亮度增益值G₁。

9、如权利要求8所述的方法，其特征在于，

在步骤(5)中计算出最优亮度增益值G₂后，根据曝光时间T₂读取亮度增益阈值对照表中相应的亮度增益值阈值G_thd.n，先判断是否G₂在G_target允许的范围内：若G₂＞G_target+G_thd.n，则取G₂＝G_target+G_thd.n；若G₂＜G_target-G_thd.n，则取G₂＝G_target-G_thd.n；若G_target-G_thd.n≤G₂≤G_target+G_thd.n，则不修正G₂；然后再用G₂调整亮度增益值G₁。

10、如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(1)中还设定有针对不同型号图像感应器确定的亮度增益值调整生效迟延时间G_delay。

11、如权利要求3所述的方法，其特征在于，设置以下参数：

最大曝光时间Maxet，用于防止曝光时间T₂增加到一定值会导致帧率变慢，；

最小曝光时间Minet；

最大亮度增益值Maxgain，用于在曝光时间已经达到最大值Maxet仍不能满足要求时，增益值的设定可以超出亮度增益阈值的范围，最大值可以设为最大亮度增益值Maxgain；

最小亮度增益值Mingain，用于当计算得出的曝光时间小于一个T时，首先将曝光时间减小到一个T，然后减小亮度增益值到最小增益值Mingain设置的范围，如果仍然不能满足，再减小曝光时间到小于一个T。

12、权利要求11所述的方法，其特征在于，在步骤(1)中还设置一个速度控制参数speed，当需要调整的曝光时间与当前曝光时间差距大于4倍光照强度变化周期时间T时，分段逐步调整曝光时间。

13、权利要求11中的自动曝光调节的方法：增加模式选择，由用户决定当前的环境和曝光的效果，并通过配置或修改上面列出的参数值来完成模式选，模式选择由自动模式、户外模式、室内模式或夜间模式以及这几种模式的任意搭配组合；

所述的自动模式，其参数设置值为：Minet＝0，Maxet＝0xe0，Y_top＝0xe0；当计算出的曝光时间小于一个T时，如果此时y₁值小于y_top值，则不调整曝光时间设置，否则调整曝光时间设置；

所述的户外模式，其参数设置值为：Minet＝0，Maxet＝0xe0，Y_top＝y_target+y_thd，当计算出的曝光时间T2小于T时，设置为计算值T2。

所述的室内模式，其参数设置值为：Minet＝1，Maxet＝0xe0，y_top＝0xe0，避免在室内环境下出现flicker现象；

所述的夜间模式，其参数设置值为：Minet＝5，Maxet＝255，此模式下最小曝光时间为5T。

14、一种使用上述自动曝光控制方法的自动曝光控制系统，包括图像数据输入模块(sensor)、控制装置、图像数据输出模块(LCD)，其特征在于，控制装置中配有可以修改图像数据输入模块曝光时间和/或图像处理亮度增益值的寄存器，并设置有目标亮度值和自动曝光产生中断的亮度变化阈值的寄存器，以及实现计算曝光时间的公式 $f\left(Y_1\right)=\frac{\ln (M-Y_1)-\ln \left(M\right)}{\ln (M-Y_{t\arg \mathrm{et}})-\ln \left(M\right)}$ 及 $T_2=\frac{G_1{T}_1}{f\left(Y_1\right)G_{t\arg \mathrm{et}}}$ 算法的装置，其中M为最大亮度值，Y₁为当前亮度值，Y_target为目标亮度标准值，T₂为最优曝光时间，T₁为当前曝光时间，G₁为亮度增益值，G_target为目标亮度增益值。

15、权利要求14所述的自动曝光控制系统，其特征在于，控制装置中包含有图像数据输入模块控制接口模块(SIF)、图像处理模块(ISP)和处理器(HOST)，处理器(HOST)中安装有可实现所述计算公式算法的装置，控制接口模块(SIF)从图像数据输入模块中读取图像数据传送给图像处理模块(ISP)，并读取控制参数传送给处理器，处理器通过控制接口模块调整图像数据输入模块的控制参数。

16、权利要求14或15所述的自动控制曝光控制系统，其特征在于，控制装置中配置有存储亮度增益阈值对照表的寄存器、存储亮度对数值的对照表的寄存器，图像处理模块统计图像处理参数并将其传送给控制装置中的处理器，处理器将计算调整后的图像处理参数送回图像处理模块，调整图像处理参数设置。

Images