CN101350933B

CN101350933B - 一种基于图像感应器拍摄显示屏幕的亮度调整方法

Info

Publication number: CN101350933B
Application number: CN2008101982505A
Authority: CN
Inventors: 杨月
Original assignee: Vtron Technologies Ltd
Current assignee: Vtron Group Co Ltd
Priority date: 2008-09-02
Filing date: 2008-09-02
Publication date: 2011-09-14
Anticipated expiration: 2028-09-02
Also published as: CN101350933A

Abstract

本发明提供一种基于图像感应器拍摄显示屏幕的亮度调整方法，其包括如下步骤：(1)在普通环境光照射下，令显示设备屏幕显示全黑图像，用图像感应器拍摄显示屏幕全黑图像进行亮点偏移调节；(2)对步骤(1)中全黑图像的亮度值大于0％的像素点调低，并记录这些亮点所在位置坐标及各像素亮点的增益调节值；(3)根据步骤(2)得出的亮点所在位置坐标及增益调节值，对每幅图像感应器拍摄的显示屏幕图像进行自动亮度均匀化调节。本发明目的方法对图像感应器拍摄的显示屏幕图像亮度有较好的匀化效果，特别是拍摄显示屏幕时能够改善图像显示质量和提高亮度检测技术的屏幕定位系统的定位精度。

Description

一种基于图像感应器拍摄显示屏幕的亮度调整方法

【技术领域】

本发明属于图像处理技术领域，涉及一种基于图像感应器拍摄显示屏幕图像的亮度增益自动匀化技术，尤其涉及一种图像感应器拍摄大屏幕拼接墙的画面亮度均匀调整方法。

【背景技术】

随着CCD/CMOS图像感应器技术与数字图像处理技术的广泛应用和不断发展，在高端的显示和控制领域，如大型的信息管理控制系统等需要显示技术与多种技术相结合构成功能完善、技术先进的一套系统。特别是利用摄像头采集技术的监控、定位系统的应用也越来越广泛。但是，由于CCD/CMOS图像传感器本身的光学成像特性、光照、显示设备自身特性等原因，摄像头拍摄显示屏幕获得的图像有可能出现亮度不够或者亮度不均匀，如投影机显示屏幕均存在中心亮度大于四周边缘亮度的情况，导致拍摄到屏幕的显示画面不清晰甚至无法看清楚或者不能够完成基于亮度检测技术的定位功能，这里所说的基于亮度检测技术的定位是指由有源发光笔发光，显示设备屏幕前方或者后方设置图像感应器件来检测发光笔的书写和动作信息完成屏幕定位。现有的照相机及一些摄像装置也公开了拍摄亮度增益调节方法，比如03801714.8公开了保持/增益控制电路和亮度级检测单元，但其亮度调节有的是基于亮度级检测单元针对曝光时间的控制方法，这样只能从整体上调节图像亮度；有的是针对整体的图像拍摄效果而不适合调节拍摄显示屏幕的应用。我们对现有技术的改进，为了更好的完成基于亮度检测技术的定位和显示、监控各种显示设备画面，需要解决拍摄显示屏幕图像时亮度不够或不均匀的缺陷，现对图像感应器拍摄的显示屏幕图像进行研究和分析，并通过采用数字图像处理技术解决图像感应器拍摄显示屏幕的亮度不够或不均匀问题。

因此，提供一种自动化亮度调节，成像亮度均匀，提高亮度检测技术和定位精度的基于图像感应器拍摄显示屏幕的亮度调整方法实为必要。

【发明内容】

针对现有技术存在的问题，本发明目的在于提供一种自动调节图像感应器拍摄显示屏幕图像亮度增益的方法，该方法对图像感应器拍摄的显示屏幕图像亮度有较好的匀化效果，特别是拍摄显示屏幕时能够改善图像显示质量和提高亮度检测技术的屏幕定位系统的定位精度。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

首先，根据感应器拍摄显示屏幕图像的亮度增益调节定义为：在普通的环境光照射下显示屏幕正常工作状态时拍摄的屏幕图像亮度值和有益于监控屏幕显示内容、更好完成基于亮度检测定位系统应用的图像亮度阀值之差。该亮度增益调节改善了人眼在拍摄的显示屏幕图像低亮度区域或黑色区域难于区分的视觉特性，亮度调节后显示屏幕图像的低亮度区域和高亮度区域均可清晰区分亮和暗。

其次，造成CCD/CMOS图像传感器拍摄亮度不均匀的原因是多种多样的，主要有两方面：一是，硅材料本身的质量以及CCD/CMOS的生产工艺造成的成像不均匀特性；二是，拍摄环境的环境光照射变化较大或被拍摄显示设备本身的亮度不均匀所造成的图像亮度不均匀。但是由于同一CCD/CMOS本身的成像特性和被拍摄显示设备本身的亮度不均匀性是固定不变的，所以只需考虑环境光变化较大时利用低亮度区域和高亮度区域均匀分布的亮度阀值和拍摄到的显示屏幕图像不均匀分布亮度值进行比较和校正，即调节图像感应器拍摄的显示图像各点像素亮度增益值来匀化整幅图像亮度，进而改善和提高图像显示质量和基于亮度检测的定位精度。

本发明提供一种自动调节图像感应器拍摄显示屏幕图像亮度增益的方法，包括下面的步骤：

首先设图像感应器拍摄显示屏幕图像各像素点亮度值函数为f(x，y)，其中x，y代表第(x，y)个像素相对位置坐标，f为像素点(x，y)的亮度值，f的值限定在下述范围之内：

0≤f≤1，在亮度级别中，f＝0代表全黑，f＝1代表全白。

对于任何一幅显示设备显示的图像来说，每一个像素取得[0，1]区间内德亮度级别是随机的，也就是说f是一个随机变量。用概率密度函数P_f(f)来表示原始图像的亮度分布信息，在直角坐标系中用横轴来表示亮度级别f，用纵轴来表示亮度级别的概率密度函数P_f即可得到图像亮度的分布信息。

1、在普通环境光照射下对显示设备本身正常工作状态时显示特性进行分析，首先，令显示设备屏幕显示全黑和全白的两幅图像，用图像感应器拍摄显示屏幕全黑和全白图像进行亮点和暗点的偏移调节。

当显示设备屏幕显示全黑图像时，用图像感应器去拍摄显示屏幕，并记录图像感应器拍摄原始图像的首地址、图像的宽和高以及各像素点亮度值。对图像感应器拍摄到的图像各个像素点的亮度值进行提取和分析。所述亮点调节方法如下：

步骤1：对于大于等于50％的亮度级别的像素点亮度值全部调节到“0％”，因为在普通环境光照射下，拍摄全黑显示屏幕图像出现的高亮度像素点多数都是显示器本身的亮点，需要去除。记录这些亮点所在的位置坐标(x，y)及各像素亮点调节到“0％”之后的增益调节值。

步骤2：对于小于50％的亮度级别的各像素点亮度值要根据原始图像亮度直方图来确定不同亮度范围的不同的增益调节系数。因为在普通环境光照射下产生的影响造成拍摄到的图像亮度值不均匀不能按照显示设备本身亮点的调节方法直接调节到“0％”，否则将会令图像感应器拍摄到的显示设备屏幕图像与调节后的图像差异较大，会给人的视觉感觉严重失真。我们设定一阀值，把小于50％的亮度区域分为[0，35％]和[35％，50％]的2个亮度范围进行分区域调节，我们设计一种线形转换函数，设调节后的亮度函数为f′(x，y)，其中确定[0，35％]区域和[35％，50％]区域增益调节系数采用平均值比值法给定。计算亮度矩阵f(x，y)的[0，50％]亮度平均值设为T₀，平均值T₀以下的各像素点亮度值再求一次平均值设为T_L，平均值T₀以上的各像素点亮度值再求一次平均值设为T_H。将T_L/T₀作为[0，35％]区域转换函数的系数，将T₀/T_H作为[35％，50％]区域转换函数的系数，那么2个区域范围内的各像素点亮度值分别乘以所属区域转换函数的系数，并记录各像素点所在相对坐标位置及所属区域的增益调节系数。即可完成亮度增益的调节，这样按区域调节完毕后，对拍摄的全黑显示屏幕大面积偏亮区域进行亮度值大幅度下拉调节，对原本较黑区域进行小幅度下拉调节。

步骤3：综合以上2步调节得出的各像素点相对位置坐标和相对应的增益调节值，对每幅图像感应器拍摄的显示屏幕进行自动的亮度均匀化调节，就能明显改善由普通环境光和显示设备本身特性所造成的整幅图像各像素点亮度不均匀缺陷。

同理，当显示设备显示全白图像时，对图像感应器拍摄到的图像各个像素点的亮度值进行提取和分析，如分辨率为1024×768的一幅全白图像理想状况下亮度值应该是1024×768个“100％”。但由于普通环境光照射下影响或显示器本身造成拍摄到的图像亮度值不均匀或亮度不够，对提取的亮度值非“100％”的像素点进行暗点偏移调节，调节到“100％”并记录该像素点所在的相对坐标和增益调节值。

2、如果普通的环境光发生较大变化，比如增加了其他强光源照射或降低了环境光的照射，首先对图像感应器拍摄到的显示屏幕图像进行亮度检测，拍摄一幅全黑显示屏幕的图像得出它的直方图与普通环境光下拍摄的全黑显示屏幕的直方图进行比较，如果只是直方图整体向亮度增加或减少即横轴的正方向或反方向移动，只需对步骤1和步骤2所述的各增益调节值进行整体的提高或降低。如果环境光发生变化后直方图与普通环境光下的直方图差异较大，那么需要重新做步骤1到步骤3所述的各个像素点的亮度增益调节操作。进行步骤1到步骤3所述的亮点和暗点增益调节后，再对显示设备显示全白图像进行拍摄和分析调节，这样分全黑和全白及分区域调节亮度的不均匀性可以改善人眼在图像低亮度区域或黑色区域及高亮度区域或白色区域难于区分的视觉特性，调节后图像的低亮度区域和高亮度区域均可清晰区分亮和暗；

所述的线形转换函数，这种函数可以将图像亮度在整个亮度范围内作线形映射，根据不同目的可以设计不同的转换函数，比如可以将亮度分布函数中两个极端的低亮度和高亮度区域亮度值加以限制，即分区域对亮度极端值进行上拉和下拉调节，而且限制的比例也是可以调节和设计的，比如步骤2所述的平均值比值法给定的调节比例系数。利用这种数学模型，可以获得千变万化的拍摄环境光下的转换函数，但是一般很难找出一种数学模型来很好的模拟拍摄的图像亮度分布信息，我们必须通过对图像感应器拍摄的显示屏幕图像进行研究、分析和大量试验找到合适的转换函数来分区域进行亮度增益的自动调节以改善图像亮度不均匀的缺陷。

根据上述本发明的基于图像感应器拍摄显示屏幕图像的画面亮度均匀自动调整方法，技术方案容易实现，算法简单，无需复杂的图像处理算法即可达到调整效果显著。且可以根据规环境光的变化自动重新调节增益参数，通过对各种变化较大的环境光下拍摄的显示屏幕图像进行研究和试验，采用了简单的数字图像处理技术解决了亮度不够或不均匀的缺陷，不仅改善人眼在图像低亮度区域或黑色区域及高亮度区域或白色区域难于区分的视觉特性限制，还更好的解决了拍摄显示屏幕图像各点像素亮度增益不均匀的校正，进而改善和提高图像显示质量和基于亮度检测的定位精度。

对比现有技术，本发明具有以下优点：

本发明基于图像感应器拍摄显示屏幕的亮度调整方法对图像感应器拍摄的显示屏幕图像亮度有较好的匀化效果，特别是拍摄显示屏幕时能够改善图像显示质量和提高亮度检测技术的屏幕定位系统的定位精度。

【附图说明】

图1是图像感应器拍摄显示屏幕显示一幅全黑图像亮度分布的直方图；

图2是本发明根据平均值比值法确定的亮度增益调节转换函数示意图；

图3是本发明对拍摄的全黑图像进行亮度增益调节后亮度分布直方图；

图4是本发明实施例1增益调节前拍摄的一幅图像效果示意图；

图5是本发明的实施例1增益调节后拍摄的一幅图像效果示意图。

【具体实施方式】

以下针对上述本发明的自动调节图像感应器拍摄显示屏幕图像亮度增益的调节效果的一个具体实施例进行详细说明。

例如一副图像感应器拍摄到的分辨率为1024×768的显示器显示的全黑图像，其亮度分布信息的直方图如图1所示。理想状况下亮度值应该是1024×768个“0％”，即全部亮度信息应该分布在“0％”，但是从亮度分布的直方图可以看出，在普通环境光照射下屏幕的显示亮度分布信息并不理想，显示设备本身也存在着一些亮点。

所述亮点调节方法如下：

步骤2对于小于50％的亮度级别的各像素点亮度值要根据原始图像亮度直方图来确定不同亮度范围的不同的增益调节系数。因为在普通环境光照射下产生的影响造成拍摄到的图像亮度值不均匀不能按照显示设备本身亮点的调节方法直接调节到“0％”，否则将会令图像感应器拍摄到的显示设备屏幕图像与调节后的图像差异较大，会给人的视觉感觉严重失真。根据图1所示的亮度分布信息我们设定一阀值，把小于50％的亮度区域分为[0，35％]和[35％，50％]的2个亮度范围进行分区域调节，我们设计一种线性转换函数，设调节后的亮度函数为f′(x，y)，如图2所示，其中确定[0，35％]区域和[35％，50％]区域增益调节系数采用平均值比值法给定。计算亮度矩阵f(x，y)的[0，50％]亮度平均值设为T₀，平均值T₀以下的各像素点亮度值再求一次平均值设为T_L，平均值T₀以上的各像素点亮度值再求一次平均值设为T_H。将T_L/T₀作为[0，35％]区域转换函数的斜率系数，将T₀/T_H作为[35％，50％]区域转换函数的斜率系数，那么2个区域范围内的各像素点亮度值分别乘以所属区域转换函数的斜率系数，并记录各像素点所在相对坐标位置及所属区域的增益调节系数。即可完成亮度增益的调节，这样按区域调节完毕后，对拍摄的全黑显示屏幕大面积偏亮区域进行亮度值大幅度下拉调节，对原本较黑区域进行小幅度下拉调节。

步骤3：综合以上2步调节得出的各像素点相对位置坐标和相对应的增益调节值，对每幅图像感应器拍摄的显示屏幕进行自动的亮度均匀化调节，就能明显改善由普通环境光和显示设备本身特性所造成的整幅图像各像素点亮度不均匀缺陷。进行亮度增益调节后的亮度分布直方图如图3所示。

本实施例采用CMOS数字摄像头来对常用的显示器在普通环境光照下进行拍摄，如图4所示，拍摄的显示屏幕正显示一幅小女孩的照片，由于拍摄到的显示屏幕图像整体亮度不均匀，拍摄目标物小女孩裙子较亮，目标物小女孩轮廓不清晰，而背景较暗，背景模糊甚至无法辨认场景。这样拍摄出来的图像效果很差，甚至看不清楚。我们首先对拍摄的显示屏幕图像进行全黑屏幕的亮度增益调节，调节后的图像背景亮度增加，可以分辨出原始图像较黑背景中的物体轮廓和目标物较暗区域的细节；然后对拍摄的显示屏幕图像进行全白高亮度区域进行亮度增益下拉调节，从拍摄的显示屏幕各像素点的亮度值提取出“100％”全白区域进行增益下拉调节、下拉幅度根据全白区域周围同等数目的像素点亮度值平均值确定，在调节完“100％”全白区域后，目标物小女孩的较亮裙子亮度下降，综上调节完成后，目标物小女孩的整体轮廓变得比较清晰，背景亮度均匀可以分辨出背景处更多细节部分，如图5所示为进行整幅图像各个像素点亮度增益自动调节后效果图。同理对每幅CMOS数字摄像头采集的显示屏幕图像都进行亮度增益的自动调节匀化处理，这样即实现了图像感应器拍摄显示屏幕图像时亮度增益自动匀化调整。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，本发明的保护范围并不局限于此，任何基于本发明技术方案上的等效变换均属于本发明保护范围之内。

Claims

1.一种基于图像感应器拍摄显示屏幕的亮度调整方法，其特征在于：

设图像感应器拍摄显示屏幕图像各像素点亮度值函数为f(x，y)，其中x，y代表第(x，y)个像素相对位置坐标，f为像素点(x，y)的亮度值，其中0≤f≤1，

在普通环境光照射下，令显示设备屏幕显示全黑和全白的图像，用图像感应器拍摄显示屏幕全黑和全白图像分别进行亮点和暗点的偏移调节，所述亮点偏移调节包括如下步骤：

(1)对于大于等于50％的亮度级别的像素点亮度值全部调节到“0％”，记录这些亮点所在的相对位置坐标及各像素亮点调节到“0％”之后的增益调节值；

(2)对于小于50％的亮度级别的各像素点亮度值分为[0，35％]和[35％，50％]的2个亮度范围进行分区域调节，根据原始图像亮度直方图来确定不同亮度范围的不同的增益调节系数，各像素点亮度值乘以相应增益调节系数，其中确定[0，35％]区域和[35％，50％]区域增益调节系数采用平均值比值法给定：计算亮度矩阵f(x，y)的[0，50％]亮度平均值设为T₀，平均值T₀以下的各像素点亮度值再求一次平均值设为T_L，平均值T₀以上的各像素点亮度值再求一次平均值设为T_H，将T_L/T₀作为[0，35％]区域转换函数的系数，将T₀/T_H作为[35％，50％]区域转换函数的系数，那么2个区域范围内的各像素点亮度值分别乘以所属区域转换函数的系数，并记录各像素点所在相对位置坐标及其所属区域的增益调节系数；

(3)根据步骤(1)和(2)得出的亮点所在相对位置坐标及增益调节值，对每幅图像感应器拍摄的显示屏幕图像进行自动亮度均匀化调节。

2.如权利要求1所述的基于图像感应器拍摄显示屏幕的亮度调整方法，其特征在于，所述暗点偏移调节是：将亮度值非100％的像素点调节到100％，并记录像素点所在相对位置坐标及增益调节值，对每幅图像感应器拍摄的显示屏幕图像进行自动亮度均匀化调节。

3.如权利要求1所述的基于图像感应器拍摄显示屏幕的亮度调整方法，其特征在于，在环境光发生较大变化情况下：

i、若只是图像整体亮度增加或减少，只需对步骤(1)和(2)所述的各增益调节值进行整体的提高或降低；

ii、若图像各点亮度值差异较大，那么需要重新做步骤(1)到(3)所述的各个像素点的亮度增益调节操作，再对显示设备显示全白图像进行拍摄和分析调节。