CN101262567B

CN101262567B - 自动曝光方法与装置

Info

Publication number: CN101262567B
Application number: CN200810103479.6A
Authority: CN
Inventors: 沈操; 王浩
Original assignee: Vimicro Corp
Current assignee: Vimicro Corp
Priority date: 2008-04-07
Filing date: 2008-04-07
Publication date: 2010-12-08
Anticipated expiration: 2028-04-07
Also published as: CN101262567A

Abstract

本发明公开了一种自动曝光方法，该方法包括，A在初步曝光并提取图像数据后，根据线性数据中图像亮度值和曝光值之间的关系，计算目标曝光值和当前曝光值；B根据所述目标曝光值和所述当前曝光值确定曝光值差值，根据所述曝光值差值进行曝光时间偏差值和亮度增益偏差值的计算；C按照所述曝光时间偏差值和所述亮度增益偏差值，将曝光图像调整到新曝光时间和新亮度增益，判断所述新曝光时间和新亮度增益下的图像的亮度值与目标亮度值之差是否满足条件，若否，继续进行A的计算，直到图像的亮度值与目标亮度值之差满足条件。同时，本发明还公开了一种自动曝光装置。本发明实施例采用线性图像数据进行处理，减小了自动曝光的计算量。

Description

自动曝光方法与装置

技术领域

本发明涉及摄像装置的图像处理技术领域，尤其涉及一种自动曝光方法及装置。

背景技术

曝光时间即是感光部件接收光的时间。在环境亮度不变的前提下，感光部件的曝光时间越长，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；如果图像中景物过暗，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值在合适的范围内，即在环境较暗时适当的增加曝光时间，在环境较亮时适当的减少曝光时间。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。

因此，需要有自动对曝光时间进行调节的方法和装置，现有技术中自动调节曝光时间的方案有以下几种：

方案一：设定曝光控制的基本参数，确定目标亮度值范围；在曝光并提取处理图形后，判断当前亮度值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，计算所需亮度增益值，判断是否利用亮度增益值可以将亮度值调整到目标亮度值范围内；若是，则将亮度增益值调整为所需亮度增益值，再按新的亮度增益值进行图像处理，若否，进行下一步骤；计算最优曝光时间，用最优曝光时间调整曝光时间。

方案一的缺点为所取的用于亮度统计的图像数据是经过非线性处理，例如伽马(Gamma)校正处理后的数据，所以计算目标曝光时间和目标亮度增益的公式变得复杂而繁琐；同时目标亮度增益还有修正的过程，计算量大。对于不同的曝光时间，有不同的亮度增益阈值。

方案二：判断当前图像是否处于锁定状态，在当前图像未处于锁定状态的情况下，根据当前图像平均亮度与目标亮度的差值确定曝光时间和/或亮度增益的调整步长；以及根据调整步长调整曝光时间和/或亮度增益。

方案二的缺点为所取得用于亮度统计的图像数据也是经过非线性处理后的数据，虽然使得调节的步长可变，但整体上还是逼近的思想，需要每一级曝光时间对应一个亮度增益的范围，必须保证每两个曝光时间之间引起的亮度调变，可以用一系列的亮度增益来填补，从而使得整体上亮度能均匀变化。而在实际上亮度增益范围很难确定，另外，此方法没有优先考虑曝光时间的调节，尽可能小的调节亮度增益，使图像的信噪比较差。

发明内容

本发明实施例提供一种自动曝光方法及装置，用以解决现有技术自动曝光计算量大的问题。

本发明实施例提供的一种自动曝光方法，包括：

A在初步曝光并提取图像数据后，提取当前图像亮度值，以及设置的目标图像亮度值，判断提取的初步曝光图像数据是否为线性数据，若否，则将非线性数据进行反非线性校正，得到线性数据，根据获取的线性数据中图像亮度值和曝光值之间的关系，计算当前曝光值和目标曝光值；

B根据所述当前曝光值和所述目标曝光值差的绝对值确定曝光值差值，根据所述曝光值差值确定速度控制的曝光值差值，根据所述当前曝光值和所述速度控制的曝光值差值确定在曝光过度或曝光不足情况下的曝光偏差值，在曝光过度时，将曝光偏差值确定为当前曝光值和速度控制的曝光值差值之差，在曝光不足时，将曝光偏差值确定为当前曝光值和速度控制的曝光值差值之和，

根据所述曝光偏差值进行曝光时间偏差值和亮度增益偏差值的计算，曝光时间偏差值为所述曝光偏差值和增益基准值的商，其中，增益基准值为大于零的任何整数，亮度增益偏差值为所述曝光偏差值和所述曝光时间偏差值的商；

C按照所述曝光时间偏差值和所述亮度增益偏差值，将曝光图像调整到新曝光时间和新亮度增益，判断所述新曝光时间和新亮度增益下的图像的亮度值与目标亮度值之差是否满足条件，若否，继续进行A的计算，直到图像的亮度值与目标亮度值之差满足条件。

本发明实施例提供的一种自动曝光装置，包括：

校正模块，用于判断提取的初步曝光图像数据是否为线性数据，若否，则将非线性数据进行反非线性校正，得到线性数据；

提取计算模块，用于提取图像数据，提取当前图像亮度值，以及设置的目标图像亮度值，根据获取的线性数据中图像亮度值和曝光值之间的关系，计算当前曝光值和目标曝光值；

计算模块，根据所述当前曝光值和所述目标曝光值差的绝对值确定曝光值差值，根据所述曝光值差值确定速度控制的曝光值差值，根据所述当前曝光值和所述速度控制的曝光值差值确定在曝光过度或曝光不足情况下的曝光偏差值，在曝光过度时，将曝光偏差值确定为当前曝光值和速度控制的曝光值差值之差，在曝光不足时，将曝光偏差值确定为当前曝光值和速度控制的曝光值差值之和，根据所述曝光偏差值进行曝光时间偏差值和亮度增益偏差值的计算，曝光时间偏差值为所述曝光偏差值和增益基准值的商，其中，增益基准值为大于零的任何整数，亮度增益偏差值为所述曝光偏差值和所述曝光时间偏差值的商；

调整模块，用于按照所述曝光时间偏差值和所述亮度增益偏差值，将曝光图像调整到新曝光时间和新亮度增益；

判断模块，用于判断所述新曝光时间和新亮度增益下的图像的亮度值与目标亮度值之差是否满足条件，若否，重新进行提取计算模块的操作。

本发明实施例在进行自动曝光时，将采集的图像数据线性化，按照线性数据曝光时间、亮度增益和曝光值之间的关系，进行曝光时间补偿值和亮度增益补偿值的计算。因此，采用本发明实施例可以减小自动曝光的计算量，使曝光时间最大化。

附图说明

图1为本发明实施例中自动曝光方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的一种反非线性校正的方法示意图；

图3为本发明实施例提供的一种自动曝光装置示意图。

具体实施方式

在本发明实施例中，采用线性图像数据，根据图像的曝光值(Exposure Value，EV)和曝光时间及亮度增益的关系，综合考虑曝光时间和亮度增益的计算，达到使图像亮度值变化平滑，调节快速，以及保持尽可能高的信噪比和图像质量的效果。

对于初步曝光并提取的图像数据，判断是否为线性数据，当提取的图像数据为线性数据时直接进行自动曝光的处理；当提取的图像数据为非线性数据时，将提取的非线性数据经过反非线性校正，得到线性数据，再进行自动曝光的处理。

由于曝光时间设置的不连续性，所以并不能使得到的亮度值连续，因此引入了亮度增益(Gain)，亮度增益为作用于图像亮度曲线的值，通过调节图像的亮度分量的幅度，改变图像的明暗效果。

判断图像数据是否为线性的方法有多有，其中，包括，根据采集的图像是否为原始图像，此原始图像包括，自然界中的图像和未经过任何人工处理的图像，当为原始图像时，图像数据为线性关系；或者根据采集的图像数据中，因为已知曝光时间和亮度增益，根据线性图像数据的关系可以确定曝光值，根据采集的图像可以进行亮度统计，确定图像的亮度，根据亮度和曝光值之间的关系判断图像数据是否为线性数据。

在本发明实施例中已知初步曝光图像的当前曝光时间(Current Exposure Time，CurET)，当前亮度增益(Current Gain，CurGain)，将采集的初步曝光图像进行亮度统计得到当前图像的亮度(Ymean)，以及根据图像充分曝光的要求设定的目标图像的亮度(Ytarget)。

本发明实施例提供的自动曝光的方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤101，开始；

步骤102，获取初步曝光图像数据，包括，当前图像的曝光时间、亮度增益以及当前图像的亮度值；

步骤103，判断当前采集的初步曝光图像数据是否为线性数据，若否，进行步骤104，否则，进行步骤105；

步骤104，将获取的图像数据进行反非线性校正，得到线性数据；

反非线性校正的方法有多种，其中，例如，

假设原函数为：y＝f(x)，其中f为非线性函数；

则其反函数为：x＝f^-1(y)或者写成：y＝f^-1(x)，其中，f^-1为非线性函数的反函数；

以gamma非线性函数为例，如图2所示，曲线1为原始数据经过gamma校正之后的数据，

可以求得其反函数为：x＝y^gamma，其形状如曲线2；

因此，曲线1的非线性数据经过曲线2的反非线性操作，得到曲线3线性数据。

因此，反非线性操作的关键是求得非线性函数，或者用曲线表示的非线性函数，或者非线性参数如gamma参数。因为当已知非线性参数时，可以得到非线性函数的表达式和函数曲线，因此可以进行反非线性处理。

步骤105，根据线性图像亮度值和曝光值的关系，计算目标曝光值和当前曝光值，建立目标曝光值和当前曝光值之间的联系；

对于线性图像数据通过统计的当前图像的亮度，因为图像的亮度值和曝光值成正比，即

L＝k×EV (1)

其中，L为图像亮度值；k为图像传感器的参数，只要传感器选定此参数为一常数。

所以根据当前图像亮度值及当前曝光值的关系Ymean＝k×CurEV，可以计算出当前曝光值CurEV。

同样在已知目标图像亮度值的情况，根据Ytarget＝k×NewEV，也可以得出目标曝光值NewEV。

有上述表达式可以确定目标曝光值和当前曝光值、当前图像亮度值以及目标图像亮度值的关系，即

NewEV＝CurEV×Ytarget/Ymean

步骤106，根据目标曝光值和当前曝光值，确定在不同的曝光情况下的曝光偏差值；

曝光程度不同时，得到的曝光偏差值不同，即当前图像出现曝光过度情况时，即Ymean＞Ytarget，时则曝光偏差值可用下式表示，

AppEV＝CurEV-deltaEV (6)

否则当曝光不足时，则曝光偏差值可以表示为，

AppEV＝CurEV+deltaEV

并且，deltaEV＝|NewEV-CurEV|

其中，AppEV为曝光偏差值，deltaEV为曝光值差值。

由于在自动曝光的过程中不允许图像的亮度由当前图像亮度值突变到目标图像亮度值，因此在自动曝光的过程中采用图像亮度值渐变的方法，由速度控制的曝光值差值来实现，从而使图像的亮度平滑过渡，具体方法为，计算自动曝光过程中速度控制的曝光偏差值，即

AppEVs＝CurEV-deltaEVs当Ymean＞Ytarget

AppEvs＝CurEV+deltaEVs当Ymean≤Ytarget

其中，deltaEVs为速度控制的曝光值差值，AppEVs为速度控制的曝光值偏差值。

由于，速度控制的曝光偏差值的计算涉及到了速度控制的曝光值差值deltaEVs，其中deltaEVs的计算，具体为，

deltaEVs＝deltaEV×speedlevel/SPEEDBASE

并且，0＜speedlevel≤SPEEDBASE；

其中，speedlevel为控制图像亮度值调节的速度值，速度调节可以使图像亮度值变化平滑；SPEEDBASE为摄像装置内设定的曝光步长，并且SPEEDBASE可以取大于零的任意整数，一般为了计算方便SPEEDBASE取为2N，例如128等。

步骤107，根据曝光值、亮度增益及曝光时间之间的关系，确定曝光时间偏差值；

对于亮度增益，当对其的改变越小，即，使亮度增益值保持为1，说明图像的当前曝光值和目标曝光值接近，因为亮度增益值的调节并不会使图像携带的信息量增加，也不会使图像的信噪比改善，但亮度增益与1相差较多时，会造成图像质量的下降。例如当亮度增益大于1时，会放大噪声；当亮度增益小于1时，会使图像对比度变小。但是曝光时间的增加，会明显改善图像的信噪比。因此在计算中，假设亮度增益为1，并且取GAINBASE为摄像装置内设定的增益基准值，GAINBASE一般为大于零的整数，为了计算方便可以取GAINBASE为2^M，例如64等。

由曝光值为曝光时间和亮度增益的乘积，可以得到曝光时间的偏差值为，

AppETs＝AppEVs/GAINBASE

步骤108，根据曝光时间、亮度增益和曝光值的关系，依据步骤107确定的曝光时间偏差值，确定亮度增益偏差值；

AppGains＝AppEVs/AppETs

将上述计算的亮度增益偏差值除以增益基准值，将所得结果取整，得到最终的亮度增益偏差值。

步骤109，根据上述计算的曝光时间偏差值调整当前曝光时间，根据最终亮度增益偏差值调整当前亮度增益，统计自动曝光后的图像的亮度值，判断曝光后的亮度值与目标亮度值差值的绝对值，是否小于设定的比较参数，若是，则进行步骤110，否则，进行步骤102；

可以根据人眼观察的正常曝光图像的亮度值，确定曝光图像亮度值的误差范围，将此范围内的亮度值都认为是正常的曝光图像亮度值，此误差范围即为设定的比较参数的值。此比较参数的值也可以根据经验值进行设定。

并且，此比较参数的设定的时间可以根据需要选择，可以在此过程的开始设定此比较参数，也可以在具体的比较过程中设定。只要满足本发明实施例提供的图像亮度值与目标亮度值进行比较，通过设定的比较参数确定图像亮度值是否满足要求的方法，都应该在本发明的保护范围之内。

步骤110，自动曝光结束。

采用步骤106的原因为，在实际的曝光过程中，不允许亮度值由当前的亮度值直接变为目标亮度值，所以在自动曝光的计算过程中，可以采用将当前亮度值平滑过渡到目标亮度值的方法，即采用渐变的方法，使每次对当前图像进行曝光，直到曝光后的亮度值与目标亮度值差的绝对值小于设定的参数，认为自动曝光结束。

在上述计算过程中，当曝光后的亮度值与目标亮度值差值的绝对值，不小于设定的比较参数时，可以进行循环自动曝光，speedlevel可以控制图像调整过程快慢，最终使曝光后的图像的亮度值满足条件。

另外，在进行循环自动曝光的过程中，也可以根据采集的图像数据是否为线性，当为线性数据时，直接进行步骤105的计算。

由上面实施例的分析可以得到，将获得的图像数据为线性图像数据时，进行曝光时间偏差值和亮度增益偏差值的计算，简单有效；同时，由于得到的图像数据为线性关系，曝光时间和亮度增益间存在一定的关系，在确定了曝光时间偏差值的情况下，可以根据关系式直接确定亮度增益偏差值。

本发明实施例提供了一种自动曝光装置，如图3所示，该装置包括，提取计算模块3000、计算模块3200、调整模块3300和判断模块3400。其中，提取计算模块3000，用于在初步曝光后提取图像数据，提取当前图像亮度值，以及设置的目标图像亮度值，根据获取的线性数据中图像亮度值和曝光值之间的关系，计算当前曝光值和目标曝光值；计算模块3200，根据所述当前曝光值和所述目标曝光值确定曝光值差值，根据所述曝光值差值进行曝光时间偏差值和亮度增益偏差值的计算；调整模块3300，用于按照所述曝光时间偏差值和所述亮度增益偏差值，将曝光图像调整到新曝光时间和新亮度增益；判断模块3400，用于判断所述新曝光时间和新亮度增益下的图像的亮度值与目标亮度值之差是否满足条件，若否，重新进行提取计算模块的操作。

所述装置还包括，校正模块3100，其中，校正模块3100，用于根据提取的初步曝光图像数据是否为线性数据，将非线性数据进行反非线性校正，得到线性数据。

所述校正模块3100包括，第一获取单元3110、第二获取单元3120、反函数单元3130和计算单元3140。其中，第一获取单元3110，用于获取非线性数据的函数表达式；第二获取单元3120，用于获取非线性函数的参数，根据所述参数获取非线性函数数据的函数表达式；反函数单元3130，用于根据获取的非线性数据的函数的表达式计算反非线性函数；计算单元3140，用于根据计算的反非线性函数对非线性数据进行校正。

所述计算模块3200包括，确定子模块3210和存储子模块3250。其中，确定子模块3210，用于根据所述目标曝光值和所述当前曝光值差的绝对值确定曝光值差值；存储子模块3250，用于保存所述曝光值差值。

所述确定子模块3210包括，第一计算单元3220、第二计算单元3230和第三计算单元3240。其中，第一计算单元3220，用于根据所述曝光值差值确定速度控制的曝光值差值；第二计算单元3230，用于根据所述速度控制的曝光值差值确定曝光偏差值；第三计算单元3240，根据所述曝光偏差值进行曝光时间偏差值和曝光增益偏差值的计算。

所述第一计算单元3220包括，第一计算子单元3221和第一存储子单元3222。其中，第一计算子单元3221，用于根据所述曝光值差值和控制图像亮度值调节的速度值，确定速度控制的曝光值差值，即deltaEVs＝deltaEV×speedlevel/SPEEDBASE，其中，deltaEVs为速度控制的曝光值差值，deltaEV为曝光值差值，speedlevel为控制图像亮度值调节的速度值，并且，0＜speedlevel≤SPEEDBASE，SPEEDBASE为曝光步长，为大于零的任何整数；第一存储子单元3222，用于保存所述速度控制的曝光值差值。

所述第二计算单元3230包括，第一确定子单元3231和第二确定子单元3232。其中，第一确定子单元3231，用于在曝光过度时，将曝光偏差值确定为当前曝光值和速度控制的曝光值差值之差；第二确定子单元3232，用于在曝光不足时，将曝光偏差值确定为当前曝光值和速度控制的曝光值差值之和。

所述第三计算单元3240包括，第二计算子单元3241和第三计算子单元3242。其中，第二计算子单元3241，用于将曝光时间偏差值确定为所述曝光偏差值和增益基准值的商，其中，增益基准值为大于零的任何整数；第三计算子单元3242，用于将亮度增益偏差值确定为所述曝光偏差值和所述曝光时间偏差值的商。

所述判断模块3400还用于在所述新曝光时间和新亮度增益下的图像的亮度值，与目标亮度值之差的绝对值满足条件时，结束操作。

本发明实施例在进行自动曝光时，将采集的图像数据线性化，按照线性数据曝光时间、亮度增益和曝光值之间的关系，进行曝光时间偏差值和亮度增益偏差值的计算。因此，采用本发明实施例可以减小自动曝光的计算量，使曝光时间最大化。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种自动曝光方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将非线性数据进行反非线性校正，包括：

获取非线性函数的表达式，根据所述非线性函数的表达式得到反非线性函数，根据反非线性函数对非线性数据进行校正；或，

获取非线性函数的参数，根据所述参数获取非线性函数的表达式，根据所述非线性函数的表达式得到反非线性函数，根据反非线性函数对非线性数据进行校正。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述曝光值差值确定速度控制的曝光值差值，包括：

根据所述曝光值差值和控制图像亮度值调节的速度值，确定速度控制的曝光值差值，即deltaEVs＝deltaEV×speedlevel/SPEEDBASE，其中，deltaEVs为速度控制的曝光值差值，deltaEV为曝光值差值，speedlevel为控制图像亮度值调节的速度值，并且，0＜speedlevel≤SPEEDBASE，SPEEDBASE为曝光步长，为大于零的任何整数。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述判断所述新曝光时间和新亮度增益下的图像的亮度值与目标亮度值之差是否满足条件，包括：

判断所述新曝光时间和新亮度增益下的图像的亮度值与目标亮度值之差的绝对值是否不大于设定的比较参数。

5.一种自动曝光装置，其特征在于，该装置包括：

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述校正模块包括：

第一获取单元，用于获取非线性函数的表达式；

第二获取单元，用于获取非线性函数的参数，根据所述参数获取非线性函数的表达式；

反函数单元，用于根据获取的非线性函数的表达式计算反非线性函数；

计算单元，用于根据计算的反非线性函数对非线性数据进行校正。

7.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述计算模块包括：

确定子模块，用于根据所述目标曝光值和所述当前曝光值差的绝对值确定曝光值差值；

存储子模块，用于保存所述曝光值差值。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述确定子模块包括：

第一计算单元，用于根据所述曝光值差值确定速度控制的曝光值差值；

第二计算单元，用于在曝光过度时，将曝光偏差值确定为当前曝光值和速度控制的曝光值差值之差，在曝光不足时，将曝光偏差值确定为当前曝光值和速度控制的曝光值差值之和；

第三计算单元，根据所述曝光偏差值进行曝光时间偏差值和亮度增益偏差值的计算，将曝光时间偏差值确定为所述曝光偏差值和增益基准值的商，其中，增益基准值为大于零的任何整数，将亮度增益偏差值确定为所述曝光偏差值和所述曝光时间偏差值的商。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述第一计算单元包括：

第一计算子单元，用于根据所述曝光值差值和控制图像亮度值调节的速度值，确定速度控制的曝光值差值，即deltaEVs＝deltaEV×speedlevel/SPEEDBASE，其中，deltaEVs为速度控制的曝光值差值，deltaEV为曝光值差值，speedlevel为控制图像亮度值调节的速度值，并且，0＜speedlevel≤SPEEDBASE，SPEEDBASE为曝光步长，为大于零的任何整数；

第一存储子单元，用于保存所述速度控制的曝光值差值。

10.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述第二计算单元包括：

第一确定子单元，用于在曝光过度时，将曝光偏差值确定为当前曝光值和速度控制的曝光值差值之差；

第二确定子单元，用于在曝光不足时，将曝光偏差值确定为当前曝光值和速度控制的曝光值差值之和。

11.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述第三计算单元包括：

第二计算子单元，用于将曝光时间偏差值确定为所述曝光偏差值和增益基准值的商，其中，增益基准值为大于零的任何整数；

第三计算子单元，用于将亮度增益偏差值确定为所述曝光偏差值和所述曝光时间偏差值的商。

12.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述判断模块还用于在所述新曝光时间和新亮度增益下的图像的亮度值，与目标亮度值之差的绝对值满足条件时，结束操作。