CN101304489A

CN101304489A - 一种自动曝光方法及装置

Info

Publication number: CN101304489A
Application number: CNA2008101153282A
Authority: CN
Inventors: 王俊艳; 黄英
Original assignee: Vimicro Corp
Current assignee: Vimicro Corp
Priority date: 2008-06-20
Filing date: 2008-06-20
Publication date: 2008-11-12
Anticipated expiration: 2028-06-20
Also published as: CN101304489B

Abstract

本发明公开了一种自动曝光方法及装置，本发明中摄像头在检测到图像中存在运动目标时，根据运动目标所在区域的亮度信息，调节曝光控制基本参数，并利用调整后的曝光控制基本参数对全图进行曝光处理。保证了图像中的运动目标区域具有合适的亮度，提高了运动目标区域的对比度和信噪比，防止了运动目标区域过暗或者过曝，同时也使得全图区域具有可以接受的亮度。特别地，在光线很弱或过亮的情况下，本发明自动曝光方法得到的图像中运动目标区域具有合适的亮度，提高了运动区域的对比度和信噪比，保障了后期的运动跟踪、运动目标识别等处理。

Description

一种自动曝光方法及装置

技术领域

本发明涉及图像获取技术，尤指一种自动曝光方法及装置。

背景技术

针对不同的应用场景，要求摄像头具有不同的功能。对用于运动检测、场景监控等的摄像头，需要对被称为前景的运动目标(比如运动的人、移动的物体、运动的车辆等)，以及保持不变的背景区域进行曝光处理。

目前，摄像头在运动检测、场景监控等应用场景中，采用针对全图的曝光设置进行自动曝光处理。由于环境光线的差异，现有的针对全图的曝光设置可以使全图具有合适的平均亮度，但是，如果运动目标位于图中的暗区或者亮区，尤其是拍摄场景存在窗户或强光源或者夜间等时，按照现有的摄像头自动曝光方法，运动目标的亮度可能很低也可能很高，这样，会降低运动目标的对比度和信噪比，给后续的视频分析、视频检索、运动目标识别等应用增加了难度。

我们知道，在监控应用中，人们最关心的是运动目标的清晰度，而拍摄场景存在窗户或强光源或者夜间等情况是很容易发生的，采用现有的针对全图的曝光设置进行自动曝光的方法，势必会由于对运动目标的曝光不合适，使最关心的运动目标产生不合适的亮度，从而降低了运动目标区域的对比度和信噪比，这样，严重影响了后续视频分析、运动目标识别等应用。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种自动曝光方法，能够保证运动目标具有合适的亮度，提高运动目标区域的对比度和信噪比。

本发明的另一目的在于提供一种自动曝光装置，能够保证运动目标具有合适的亮度，提高运动目标区域的对比度和信噪比。

为达到上述目的，本发明的技术方案具体是这样实现的：

一种自动曝光方法，设置曝光控制基本参数，该方法还包括以下步骤：

在检测到图像中存在运动目标时，根据运动目标所在区域的亮度信息，调节曝光控制基本参数，并利用调整后的曝光控制基本参数对全图进行曝光处理。

所述调节曝光控制基本参数的方法为：

A.设置运动目标所在区域的目标平均亮度标准值Y_target，计算运动目标所在区域的当前平均亮度值Y₁；

B.根据得到的运动目标所在区域的目标平均亮度标准值及当前平均亮度值，调节曝光控制基本参数。

所述得到图像中的运动目标的方法为：对所述图像进行边缘检测，并去除噪声，得到线条图，利用线条图进行运动目标检测和跟踪。

在得到线条图之前，该方法还包括：对所述图像进行均值滤波、或中值滤波、或高斯滤波处理；

和/或在得到线条图之后，对所述边缘线条图像进行散点滤波处理。

所述设置运动目标所在区域的目标平均亮度标准值的方法为：预先设定为一常数。

所述设置运动目标所在区域的目标平均亮度标准值的方法为：

a1.设置颜色与亮度标准值的对应关系；

b1.统计所述检测到的运动目标区域中所有像素点的颜色信息，根据所述颜色与亮度标准值的对应关系，获取不同颜色对应的亮度标准值；

c1.将不同颜色的亮度标准值和运动区域内的像素数目进行加权求和，得到运动目标区域的目标平均亮度标准值。

a2.设置颜色区间与亮度标准值的对应关系；

b2.统计所述检测到的运动目标区域中所有像素点的颜色信息，根据所述颜色区间与亮度标准值的对应关系，获取不同颜色区间对应的亮度标准值；

c2.将不同颜色区间的亮度标准值和像素数目进行加权求和，得到运动目标所在区域的目标平均亮度标准值。

所述曝光控制基本参数包括：当前亮度增益G₁、曝光时间T₁和亮度阈值Y_th，所述步骤B包括：

B1.根据所述目标平均亮度标准值Y_target和亮度阈值Y_th确定目标亮度范围；

B2.判断所述当前平均亮度值Y₁是否在目标亮度值范围内，若是，按照设置好的曝光控制基本参数曝光，结束本流程；否则，进入步骤B3；

B3.根据当前亮度值Y₁、目标亮度标准值Y_target和目标亮度阈值Y_th计算需要的曝光时间T₂，判断需要的曝光时间T₂是否在传感器的曝光时间范围内，若是，则取需要的曝光时间T₂为最优曝光时间以替换曝光时间T₁，并利用包含新的曝光时间的曝光控制基本参数曝光，结束本流程；否则，进入步骤B4；

B4.根据当前平均亮度值Y₁、目标亮度标准值Y_target，获取所需亮度增益值G₂，将原设置的亮度增益值G₁调整为G₂的值，并利用包含新的亮度增益值G₂的曝光控制基本参数曝光并处理图像根据公式

G_{2} = \frac{\ln (M - Y_{t \arg et}) - \ln (M)}{\ln (M - Y_{1}) - \ln (M)} \times G_{1}

计算所需亮度增益值G₂，其中M为设置的亮度范围最大值，将原设置的亮度增益值G₁调整为G₂的值，并利用包含新的亮度增益值G₂的曝光控制基本参数曝光。

所述检测到的运动目标为新的运动目标时，重新计算目标平均亮度标准值，否则，目标平均亮度标准值不变。

所述调节曝光控制基本参数的方法为：

分别设置运动目标区域和全图区域的目标平均亮度标准值和亮度值范围；或者运动目标区域和全图区域共用一组目标参数；

利用运动区域的信息计算曝光参数，或者对得到的运动目标区域和全图区域的两个当前平均亮度值和目标平均亮度标准值进行加权后，作为当前平均亮度值和目标亮度标准值调整自动曝光参数。

该方法还包括：

在检测到图像中不存在运动目标时，计算全图的当前平均亮度值，并根据设置的全图区域的目标亮度标准值和亮度范围，计算曝光时间和增益值，并利用计算得到的曝光控制基本参数进行曝光处理。

一种自动曝光装置，该装置包括：

设置模块，用于存储预先设置的曝光控制基本参数；

运动目标检测模块，用于接收图像，并在检测出图像中存在运动目标时，获取运动目标区域，并向自动曝光参数计算模块发送根据运动目标调节自动曝光的通知；

自动曝光参数计算模块，用于接收根据运动目标调节自动曝光的通知及图像，计算运动目标所在区域的平均亮度信息；根据得到的亮度信息计算并调节设置模块中的曝光控制基本参数，并对全图进行曝光处理。

所述自动曝光参数计算模块包括：

用于接收运动目标调节通知及图像的接收单元；

用于设置运动目标所在区域的目标平均亮度标准值，计算运动目标所在区域的当前平均亮度值的亮度信息获取单元；

用于根据得到的运动目标所在区域的目标平均亮度标准值及当前平均亮度值，获取当前曝光控制参数，并对全图进行曝光处理的第一处理单元。

所述自动曝光参数计算模块包括：

第一设置单元，用于设置运动目标区域目标平均亮度标准值；

第二设置单元，用于设置全图区域的目标平均亮度标准值的；

第二处理单元，用于对得到的运动目标区域和全图区域的两个目标平均亮度标准值和当前平均亮度值进行加权后，计算曝光控制参数，作为调整后的自动曝光参数。

所述运动目标检测模块，还用于在检测出图像中不存在运动目标时，向自动曝光参数计算模块发送利用全图信息计算曝光参数的通知；

所述自动曝光参数计算模块，还用于接收利用全图信息调整曝光参数的通知，设置全图区域的目标平均亮度标准值，根据计算得到的全图区域的当前平均亮度值和目标平均亮度标准值计算并调节设置模块中的曝光控制基本参数，并进行曝光处理。

由上述技术方案可见，本发明中，摄像头在检测到图像中存在运动目标时，根据运动目标所在区域的亮度信息如当前平均亮度和预先设置的目标亮度等参数，计算并调节曝光控制基本参数，并利用调整后的曝光控制基本参数对全图进行曝光处理。本发明方法保证了图像中的运动目标区域具有合适的亮度，提高了运动目标区域的对比度和信噪比，防止了运动目标区域过暗或者过曝，同时也使得全图区域具有可以接受的亮度。特别地，在光线很弱或过亮的情况下，本发明自动曝光方法得到的图像中运动目标区域具有合适的亮度，提高了运动区域的对比度和信噪比，保障了后期的运动跟踪、运动目标识别等处理。

本发明方法也可以综合利用运动区域和全图的信息进行自动曝光调节，这样，在使得全图区域具有可以接受的亮度的同时尽可能改善了运动区域的亮度。

附图说明

图1是本发明摄像头实现自动曝光的方法的流程图；

图2是本发明调节曝光控制基本参数的流程图；

图3是本发明自动曝光装置的组成结构示意图。

具体实施方式

本发明方法包括：设置曝光控制基本参数，在检测到图像中存在运动目标时，根据运动目标所在区域的亮度信息，调节曝光控制基本参数，并利用调整后的曝光控制基本参数对全图进行曝光处理。

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

图1是本发明摄像头实现自动曝光的方法的流程图，如图1所示，本发明方法包括以下步骤：

步骤100：设置曝光控制基本参数。

曝光控制基本参数包括：亮度阈值Y_th，亮度增益值G_target，曝光时间T、全图区域的目标平均亮度标准值等值。

其中，亮度阈值Y_th的取值由经验确定，如果对亮度质量要求不是很高，亮度阈值Y_th取值可以大些；如果对亮度质量的要求高，亮度阈值Y_th取值可以小些，使目标亮度值范围变化小些。

全图区域的目标平均亮度标准值通常为一个常数，在初始时设置，常为128。

步骤101：检测图像中是否存在运动目标，如果存在，进入步骤1021，如果不存在，进入步骤1022。

由于曝光参数发生变化时全图的亮度会发生较大的变化，传统的利用灰度图进行背景建模、帧差等方法将不能工作。而亮度在一定范围内变化时，图像的边缘信息的变化是很小的，因此，本发明检测运动目标的方法采用基于边缘线条图的检测方法。具体实现大致包括以下步骤：

对待检测的图像进行边缘检测，得到当前帧线条图。利用当前帧线条图与前一帧的线条图进行差分处理，以及前景检测等方法得到运动目标位置，最后进行运动目标分割后获得运动目标。其中，边缘检测具体实现可采用现有的Sobel、Roberts、Canny等算子实现；差分处理、前景检测以及运动目标分割等均可采用现有成熟方法实现，这里不再一一介绍。这里，强调的是，采用基于边缘线条图来检测运动目标即利用线条图进行运动目标检测和跟踪。

为了减小噪声的影响，可以在提取线条图之前，对待检测的图像进行均值滤波、中值滤波、高斯滤波等处理；和/或在获得线条图之后，对边缘线条图像进行散点滤波等处理。其中，上述各种滤波属于现有技术，具体实现这里不再赘述。

步骤1021：设置运动目标所在区域的目标平均亮度标准值Y_target。

不同颜色的运动目标的合适的平均亮度是不同的，因此，本发明首先对得到的运动目标进行颜色分析，根据分析结果来设置目标平均亮度标准值。

自动曝光调整的是图像的亮度，并不会改变图像的颜色信息。而不同的颜色适合的亮度不同，比如，与黑色相比，白色的亮度较高，黑色的亮度较低。因此，本步骤通过对运动目标进行分析，并根据分析结果来设置目标平均亮度的具体实现方法如下：

设置颜色与亮度值的对应关系；该对应关系的设置可以根据经验来设置，比如对同一颜色不同亮度的一组图像，由观测者选择最合适的亮度，即此颜色对应的目标平均亮度标准值，从而建立颜色空间中的颜色与亮度的对照表。

统计步骤101中检测到的运动目标中所有像素的颜色信息，根据预先设置的颜色与亮度值的对应关系，获取不同颜色对应的亮度值，将不同颜色的亮度值和运动目标区域内的像素数目进行加权后求和，得到目标平均亮度标准值Y_target。具体实现公式如下：

Y_{t \arg et} = \frac{1}{N} Σ_{i = 1}^{n} Y_{i} P_{i},

其中，假设有n种颜色，N为运动目标的像素总数，P_i为颜色为C_i的像素点的个数，Y_i为颜色C_i对应的目标亮度标准值，C_i为颜色空间中的一种颜色。

进一步地，为了减小计算量，可以将颜色空间分为少数几个区间，每个区间对应同一个合适亮度值。比如：设一个像素点的红、绿、蓝三个颜色分量的值分别为R、G和B，R/B和G/B可以表示该点的颜色信息。R/B和G/B在某个范围内的像素点，认为其颜色相似，具有同一个目标亮度标准值。另外，为了减小运算量，只有检测到新的运动目标时，才重新计算目标平均亮度标准值，而在对同一个运动目标的跟踪期间，目标平均亮度标准值不变。

需要说明的是，目标平均亮度标准值Y_target的设置除了可以按照步骤1021中根据颜色信息进行设定外，也可以在预先设定为一个常数。

步骤1031：计算运动目标所在区域的当前平均亮度值Y₁。

本步骤即计算当前帧的运动区域的平均亮度。具体实现可通过平均或加权平均所有像素点的亮度等方法来实现，这里不再详述。

进一步地，为了避免亮度的突变，可以利用前一帧的平均亮度值进行加权平均作为当前帧的平均亮度值。

步骤1041：根据得到的运动目标所在区域的目标平均亮度标准值及当前平均亮度值，计算并调节曝光控制基本参数，并对全图进行曝光处理。结束本流程。

图2是本发明调节曝光控制基本参数的流程图，如图2所示，大致包括：

步骤S21.确定目标亮度值范围。即确定目标亮度最大值Y_max和目标亮度最小值Y_min：

Y_max＝Y_target+Y_th；

Y_min＝Y_target-Y_th。

其中，亮度阈值Y_th的取值由经验确定，如果对亮度要求不是很高，亮度阈值Y_th取值可以大些；如果对亮度的要求高，亮度阈值Y_th取值可以小些，使目标亮度值范围变化小些。

步骤S22.判断当前平均亮度值Y₁是否在目标亮度值范围内，若是，进入步骤S28；否则，进入步骤S23。

步骤S23.根据当前平均亮度值Y₁、目标亮度标准值Y_target和亮度阈值Y_th，获取需要的曝光时间T₂。

本步骤具体实现包括：

读取曝光时间T₁，根据当前平均亮度值Y₁、目标亮度标准值Y_target和亮度阈值Y_th，按照下面公式计算需要的曝光时间T₂，

T_{2} = \frac{G_{1} T_{1}}{f (Y_{1}) G_{t \arg et}}

上式中，

f (Y_{1}) = \frac{\ln (M - Y_{1}) - \ln (M)}{\ln (M - Y_{t \arg et}) - \ln (M)} .

其中，M为预先设置的亮度范围最大值。

步骤S24：判断需要的曝光时间T₂是否在传感器的曝光时间范围内，若是，进入步骤S25否则，进入步骤S26。

传感器的曝光时间范围是已知的。

步骤S25：取需要的曝光时间T₂为最优曝光时间，以替换当前的曝光时间T₁，并利用包含有新的曝光时间的曝光控制基本参数进行曝光，结束本流程。

步骤S26：根据当前平均亮度值Y₁、目标亮度标准值Y_target，获取所需亮度增益值G₂。

本步骤具体实现包括：

首先，读取当前亮度增益G₁，根据公式

G_{2} = \frac{\ln (M - Y_{t \arg et}) - \ln (M)}{\ln (M - Y_{1}) - \ln (M)} \times G_{1}

计算所需亮度增益值G₂，其中，M为预先设置的亮度范围最大值。

步骤S27：将原设置的亮度增益值G₁调整为G₂的值，并利用包含新的亮度增益值G₂的曝光控制基本参数曝光并处理图像。结束本流程。

步骤S28：维持当前的曝光控制基本参数，按照当前的曝光控制基本参数曝光并处理图像。结束本流程。

步骤1022：计算全图区域的当前平均亮度值。

本步骤即计算当前帧的全图区域的平均亮度。具体实现可通过平均或加权平均所有像素点的亮度等方法来实现，这里不再详述。

进一步地，为了避免亮度的突变，可以利用前一帧的平均亮度值与当前帧计算得到的平均亮度值进行加权平均作为当前帧的平均亮度值。

步骤1032：根据预设的全图区域的目标平均亮度标准值及计算得到的当前平均亮度值，计算并调节曝光控制基本参数，并对全图进行曝光处理。

本步骤的实现属于现有技术，这里不再赘述。

需要说明的是，调节曝光控制基本参数的方法为：

从图1所示的本发明方法可见，摄像头根据图像中运动目标区域的亮度信息或全图的亮度信息，对图像进行自动曝光处理。保证了图像中的运动目标区域具有合适的亮度，提高了运动目标区域的对比度和信噪比，防止了运动目标区域过暗或者过曝，同时也使得全图区域具有可以接受的亮度。特别地，在光线很弱或过亮的情况下，本发明自动曝光方法得到的图像中运动目标区域具有合适的亮度，提高了运动区域的对比度和信噪比，保障了后期的运动跟踪、运动目标识别等处理。

对于存在运动目标的情况下，也可以同时分别计算运动目标区域和全图区域的目标平均亮度值，然后，以使运动目标区域具有合适的亮度为原则对这个两个目标平均亮度值进行加权后，作为对全图进行自动曝光调节的参数。

在检测到图像中不存在运动目标时，计算全图的当前平均亮度值，并根据设置的全图区域的目标亮度标准值和亮度范围，计算曝光时间和亮度增益值(具体实现与图2一致，这里不再重述)，并利用计算得到的曝光控制基本参数进行曝光处理。

图3是本发明自动曝光装置的组成结构示意图，如图3所示，该装置包括：设置模块、运动目标检测模块和自动曝光参数计算模块，其中，

设置模块，用于存储预先设置的曝光控制基本参数；

运动目标检测模块，用于接收图像，并进行运动目标检测，在检测出图像中存在运动目标时，获取运动目标区域，并向自动曝光参数计算模块发送根据运动目标调节自动曝光的通知；

所述自动曝光模块具体包括以下单元：

接收单元，用于接收运动目标调节通知及图像；

亮度信息获取单元，用于根据接收到的图像，设置运动目标所在区域的目标平均亮度标准值，计算运动目标所在区域的当前平均亮度值的；

处理单元，用于根据得到的运动目标所在区域的目标平均亮度标准值及当前平均亮度值，获取当前曝光控制基本参数，并对全图进行曝光处理。

进一步地，运动目标检测模块，还用于在检测出图像中不存在运动目标时，向自动曝光参数计算模块发送利用全图调节信息计算曝光参数的通知；对应的，自动曝光参数计算模块，还用于接收利用全图信息调整曝光参数的通知，设置全图区域的目标平均亮度标准值，根据计算得到的全图区域的当前平均亮度值和目标平均亮度标准值计算并调节设置模块中的曝光控制基本参数，并进行曝光处理。

另外，在接收到运动目标调节通知后，自动曝光参数计算模块还可以是，用于设置全图区域的目标平均亮度值，以使运动目标区域具有合适的亮度为原则对运动目标所在区域的目标平均亮度值和全图区域的目标平均亮度值进行加权后，作为对全图进行自动曝光调节的参数。此时，所述自动曝光参数计算模块包括：用于设置运动目标区域目标平均亮度值的第一设置单元；用于设置全图区域的目标平均亮度值的第二设置单元；用于对得到的运动目标区域和全图区域的两个目标平均亮度标准值和当前平均亮度值进行加权后，计算曝光控制参数，并作为调整后的自动曝光参数的第二处理单元(图4中未示出)。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种自动曝光方法，其特征在于，设置曝光控制基本参数，该方法还包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的自动曝光方法，其特征在于，所述调节曝光控制基本参数的方法为：

3.根据权利要求2所述的自动曝光方法，其特征在于，所述得到图像中的运动目标的方法为：对所述图像进行边缘检测，并去除噪声，得到线条图，利用线条图进行运动目标检测和跟踪。

4.根据权利要求3所述的自动曝光方法，其特征在于，在得到线条图之前，该方法还包括：对所述图像进行均值滤波、或中值滤波、或高斯滤波处理；

5.根据权利要求2所述的自动曝光方法，其特征在于，所述设置运动目标所在区域的目标平均亮度标准值的方法为：预先设定为一常数。

6.根据权利要求2所述的自动曝光方法，其特征在于，所述设置运动目标所在区域的目标平均亮度标准值的方法为：

a1.设置颜色与亮度标准值的对应关系；

7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述设置运动目标所在区域的目标平均亮度标准值的方法为：

a2.设置颜色区间与亮度标准值的对应关系；

8.根据权利要求2所述的自动曝光方法，其特征在于，所述曝光控制基本参数包括：当前亮度增益G₁、曝光时间T₁和亮度阈值Y_th，所述步骤B包括：

G_{2} = \frac{\ln (M - Y_{t \arg et}) - \ln (M)}{\ln (M - Y_{1}) - \ln (M)} \times G_{1}

9.根据权利要求2所述的自动曝光方法，其特征在于，所述检测到的运动目标为新的运动目标时，重新计算目标平均亮度标准值，否则，目标平均亮度标准值不变。

10.根据权利要求1所述的自动曝光方法，其特征在于，所述调节曝光控制基本参数的方法为：

11.根据权利要求2所述的自动曝光方法，其特征在于，该方法还包括：

12.一种自动曝光装置，其特征在于，该装置包括：

设置模块，用于存储预先设置的曝光控制基本参数；

13.根据权利要求12所述的自动曝光装置，其特征在于，所述自动曝光参数计算模块包括：

用于接收运动目标调节通知及图像的接收单元；

14.根据权利要求13所述的自动曝光装置，其特征在于，所述自动曝光参数计算模块包括：

15.根据权利要求13所述的自动曝光装置，其特征在于，