CN101359148A

CN101359148A - 一种用于自动曝光调节的方法及控制系统

Info

Publication number: CN101359148A
Application number: CN200710075399.XA
Authority: CN
Inventors: 林万顷; 王雅君; 玉鹏; 彭铖; 罗碧强; 石岭
Original assignee: Arkmicro Technologies Inc
Current assignee: Shenzhen Shenyang electronic Limited by Share Ltd
Priority date: 2007-08-03
Filing date: 2007-08-03
Publication date: 2009-02-04
Anticipated expiration: 2027-08-03
Also published as: CN101359148B

Abstract

本发明公开了一种用于自动曝光调节的方法及控制系统，包括以下步骤：首先设定曝光初始参数，确定目标亮度范围；其次，判断初始状态下图像的平均亮度值是否在目标亮度范围之内，若是，则无需改变曝光时间和增益值；其特征在于，若否，则将曝光时间分为n级，在每一级上增益按照一定的步长逐步调节，曝光时间在等亮度曲线上从一级跳转到另一级，通过逐步调整增益与曝光时间的方法，使曝光达到最优。使用本发明所述方法的控制系统包括传感器(Sensor)(101)、接口模块(102)、自动曝光控制模块(103)和亮度特征值计算模块(104)；本发明所述方法及系统实现简单灵活，降低了芯片成本，且在等亮度曲线上的调整使整个自动曝光过程非常平滑，不会出现亮暗交错的闪烁现象。

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，特别涉及一种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及控制系统。

背景技术

曝光是胶卷或者数码感光部件(CCD，CMOS等)接受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。在同样环境并且其它条件不变的前提下，曝光时间的长短与图像的亮度成正比，即曝光时间越长，图像越亮，反之则图像越暗。显然，影响曝光的一个很重要的因数就是光源，而我们所处的环境中存在不同的光源，所以曝光时间的设置也会有所不同。

在日常生活中，我们所用的光源一般可分为两种：一种是光源的强度不随时间变化，具有持续、稳定的特点，如太阳光，即室外环境；另一种是光源的强度随着时间发生周期性变化，目前我们室内照明用光一般属于这种，其光强一般与当地照明供电频率相关，光强随时间变化而变化。当前世界上的交流电频率基本都是50Hz或60Hz，按照电压与功率的关系，则室内光源的频率为100Hz或120Hz。在这样的光源照明下，物体反射的光线其实存在一个频率为100Hz或120Hz的闪烁。

一般采用的感光器件有CCD和CMOS，其中CMOS传感器的感光方式是逐行感光的，上一行的积分开始时间与下一行的积分开始时间存在一定的时间差。虽然各行的积分时间是相同的，但积分时间的起点各不相同，当各行的积分时间得到的图像存在明显的明暗相间的滚动条纹；而CCD传感器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。

基于上述原因，在实际应用中，室内环境下曝光时间只能设置成室内光源周期的整数倍，所以，曝光控制一般采用时间和增益配合调整的方法来实现。在2005年6月29日公开的发明专利申请CN 1632688A就公开了一种实现自动曝光的方法，虽然能够快速的实现自动曝光，但是由于公式的计算中涉及到求对数，实现起来比较复杂；其次是调整的时候可能出现亮暗跳变，调整不够平滑。

在2006年1月11日公开的发明专利申请CN 1719328A中也提出了一种自动曝光调节的方法及控制系统，它先判断是否能通过增益达到目标亮度，不能达到的话再通过公式计算所需的目标增益，由增益计算最优曝光时间，按照室内光源的周期对时间取整数倍，得到的时间再反推增益，这样的调整方法在调整的时候虽然不会出现跳变，但需要计算对数，计算量比较大，虽然利用查表等方法来实现对数可以简化运算，但存在存储空间与精确度之间的矛盾。

发明内容

本发明的目的在于消除图像闪烁的视觉感受，提供了一种用于自动曝光调节的方法及控制系统。

为达到上述目的，本发明公开了一种用于自动曝光调节的方法，该方法包括如下步骤：首先设定曝光初始参数，确定目标亮度范围；其次，判断初始状态下图像的平均亮度值是否在目标亮度范围之内，若是，则无需改变曝光时间和增益值；其特征在于，若否，该方法还包括如下步骤：

将曝光时间分为n级，在每一级上增益按照一定的步长逐步调节，曝光时间在等亮度曲线上从一级跳转到另一级，通过逐步调整增益与曝光时间，使图像亮度特征值进入目标亮度值范围内。

所述一种用于自动曝光调节的方法将曝光时间分为n级，每一级曝光时间都对应有增益的最大值G_n(h)、最小值G_n(l)和增益的跳转值G_n(m)；

当改变的增益值在本级曝光时间对应的增益最大值G_n(h)和最小值G_n(l)之间时，按此增益值调节曝光；

当改变的增益值大于本级曝光时间对应的增益最大值G_n(h)时，发生跳转，曝光时间向高一级曝光时间跳转，增益值变为高一级曝光时间所对应的增益跳转值G_n+1(m)；

当改变的增益值小于本级曝光时间对应的增益最小值G_n(l)时，发生跳转，曝光时间向低一级曝光时间跳转，增益值变为低一级曝光时间所对应的增益跳转值G_n-1(m)。

所述一种用于自动曝光调节的方法，其特征在于，

第n级的曝光时间T_n对应其增益最大值G_n(h)点，与第n+1级的曝光时间T_n+1对应其增益跳转值G_n+1(m)点在同一条等亮度曲线上；

第n级的曝光时间T_n对应其增益最小值G_n(l)点，与第n-1级的曝光时间T_n-1对应其增益跳转值G_n-1(m)点在同一条等亮度曲线上。

所述的一种用于自动曝光调节的方法，其特征在于，所述等亮度曲线的确定方法是通过计算出每一级曝光时间对应的增益的最大值G_n(h)、跳转值G_n(m)和最小值G_n(l)得到，并通过软件程序配置到寄存器。

所述的等亮度曲线，其特征在于，在所述的等亮度曲线上曝光时间与增益的乘积是常数。

所述的一定步长可以为某一固定值或自适应步长，所述自适应步长根据图像与曝光目标状态的差值来自动调节。

所述的自适应步长G_step的计算方法为先求出亮度特征值Y_current与目标亮度Y_target的差值，再乘以一小于1的可配增益因子，得到的自适应因数再与配置的步长相乘。

所述的一种用于自动曝光调节的方法，其特征在于，当曝光环境处于室外自然光模式下，该方法所述的增益和曝光时间均按照自适应步长调节。

所述的增益值和曝光时间均按步长调整，具体为：

当曝光不足时，当前增益值加上当前增益自适应步长得到新的增益，当前曝光时间值加上当前曝光时间自适应步长得到新的曝光时间；

当曝光过度时，当前增益值减去当前增益自适应步长得到新的增益，当前的曝光时间减去当前曝光时间自适应步长得到新的曝光时间。

使用所述方法的自动曝光控制系统，其特征在于，所述控制系统包括传感器(Sensor)(101)、接口模块(102)、自动曝光控制模块(103)和亮度特征值计算模块(104)；

图像数据从传感器(Sensor)(101)输出到亮度特征值计算模块(104)，经亮度特征值计算模块(104)计算后得到图像的亮度特征值，自动曝光控制模块(103)依据这个亮度特征值判断当前的曝光状态是否合适和是否需要调整，如果不合适，则计算出新的曝光时间和增益，再将此新的曝光时间和增益通过传感器接口模块(102)配置到图像传感器(101)，图像传感器(101)将得到的新的图像数据重新输入到图亮度特征值计算模块(104)，并计算得到新的图像亮度特征值；按照上述方法依次循环计算，直到得到曝光合适的图像。

所述的自动曝光控制系统，其特征在于，所述自动曝光控制模块(103)配置有存储曝光增益的寄存器；所述寄存器配置有每一级曝光时间对应的增益的最大值G_n(h)、跳转值G_n(m)和最小值G_n(l)。

所述的寄存器配置有的参数为：目标亮度值Y_target、目标亮度值范围Y_tolerance、室内情况下增益步长、室外情况下增益步长、室外情况下曝光时间步长及自适应步长的可配因子；

所述配置给寄存器的值通过软件写入。

本发明的显著有益技术效果在于：采用等亮度曲线跳转的方法，使曝光的整个变化过程更加平滑，不会出现亮暗交错的现象，而且等亮度曲线的确定不需要通过编写硬件代码来实现计算过程，而是预先计算好，再通过软件配置到寄存器中，减少了实现的复杂度；而且对于不同的Sensor(图像输入模块)配置合适的增益参数值，更加灵活；另外，采用自适应的步长调整，步长既根据具体情况变化，还与寄存器配置的值有关，从而使步长的调节既人为可控，又可以根据具体情况自适应调整，更加灵活迅速，避免了逼近调节方法速度较慢的缺点。

附图说明

图1是本发明具体实施例中的控制系统结构示意图；

图2是本发明具体实施例中自动曝光控制方法的流程图；

图3是本发明具体实施例中每一级曝光时间对应的传感器电子增益上下极限值与跳转值示意图；

图4是本发明自动曝光控制调节过程的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细描述。

图1为本发明具体实施方式的控制系统结构示意图，该控制系统包括：Sensor(图像输入模块)101、接口模块102、自动曝光控制模块103以及亮度特征值计算模块104。

图像数据从Sensor 101输出到亮度特征值计算模块104，经亮度特征值计算模块104计算得到图像的亮度特征值，自动曝光控制模块103通过所述亮度特征值判断当前的曝光状态是否合适，是否需要调整，若不合适，则计算出新的曝光时间和增益，再将所述新的曝光时间和增益通过接口模块102配置到Sensor 101，Sensor 101将得到的新的图像数据重新输入亮度特征值计算模块104，计算得到新的图像亮度特征值，控制系统依照前述步骤依次循环运行，直到得到曝光合适的图像。

其中，接口模块102与Sensor 101是通过IIC或串口传输数据的，从自动曝光控制模块103得到的配置Sensor 101的参数通过接口模块102写入Sensor101中。

以下为本发明所述自动曝光控制方法的优选实施方式，分为室内和室外两种情况：

(一)当曝光环境是室内日光灯或白炽灯等时，本实施例以交流电频率为50Hz为例，如附图2所示，按照以下的步骤进行：

在步骤S201，设定初始的曝光时间、增益值、目标亮度值Y_target及目标亮度值范围Y_tolerance、及每一级曝光时间所对应的增益参数值G_n(l)、G_n(m)、G_n(h)，通过软件将这些参数配置到自动曝光控制模块103的寄存器，在初始参数的控制下得到一幅图像，计算出它的亮度特征值Y_current，在本实施例中亮度特征值是指图像中心部分一定区域的亮度平均值，且该区域的大小也在初始状态下通过软件配置寄存器得到；

在步骤S202，计算当前亮度特征值Y_current与目标值Y_target的偏离值Y_delta；

在步骤S203，判断偏离值Y_delta是否在容限Y_tolerance范围内，若是，则进入步骤S204，即保持原有的参数不变，由接口模块102将原有参数送入Senser101，完成一次调整的过程；若所述偏离值Y_delta不在容限Y_tolerance范围内，则进入下面的步骤；

在步骤S205又分为两种情况，若偏离值Y_delta大于零，则曝光太过，应该减小曝光参数，进入步骤S206，将按步长G_step减小当前增益，得到新的增益值G_new，再进入步骤S208；

在步骤S208判断新的增益是否大于当前曝光时间级数对应的增益下限G_n(l)，若是，则进入步骤S210，只更新增益值，即令当前增益值G_current等于G_new，曝光时间保持不变；若否，则进入步骤S211，将当前增益值G_current更新为低一级曝光时间对应的增益跳转值G_n-1(m)，同时曝光时间降低一级为T_n-1，其跳转的示意图如图4中箭头A所示；

步骤S205的另一种情况是当偏离值Y_delta小于零时，表示曝光不够，进入S207按步长G_step增加得到新的增益值G_new，再进入步骤S209；

在步骤S209判断新的增益是否小于当前曝光时间级数对应的增益上限G_n(h)，若是，则进入步骤S212，直接用计算得到的新增益值G_new更新当前增益值G_current；若否，则进入步骤S213，用高一级曝光时间对应的增益跳转值G_n+1(m)更新当前增益值，同时曝光时间加一级为T_n+1，其跳转的示意图如图4中箭头B所示；

从步骤S210或步骤S211或步骤S212或步骤S213或步骤S204得到的当前增益值和曝光时间经接口模块102配置到Sensor 101，从而完成一次曝光调整的过程，得到新的图像，重新开始下一次的流程。

(二)当曝光环境是室外自然光时，则同样进行如图2的步骤S201、S202、S203、S204、S205，若偏离值Y_delta大于零，则按S206计算增益，同法计算T_new；若偏离值Y_delta小于零，则按S207计算增益，用同样的法计算T_new；判断得到的新的增益值和曝光时间是否在设定的可调范围内，若在，则用此新的增益和曝光时间更新当前的增益和曝光时间，若否，则直接用极限值更新当前的增益和曝光时间，最后将确定的曝光时间和增益通过接口模块102配置Sensor 101。

本实施例中所描述的自动曝光控制方法，需要确定每一级曝光时间T_n所对应的曝光增益值的上下极限值G_n(h)和G_n(l)以及跳转值G_n(m)，目的在于当曝光距离目标曝光效果接近时，可以通过在G_n(h)与G_n(l)之间调节Sensor的电子增益使图像亮度保持在一定的水平上；而当曝光距离目标值较远时，单纯调节增益不能达到目标效果，需要配合调节曝光时间，此时曝光时间按照本发明所述方法在等亮度曲线上从一级跳转到另一级，则保证了图像的亮度变化是连续的，所述等亮度曲线为如图3所示的曲线L1、L2、L3、L4、L5。

在本实施例中，等亮度曲线的确定方法是按照下述的步骤预先计算得出，再通过软件配置到自动曝光控制模块103的寄存器中，所述得到等亮度曲线的方法显著降低了硬件实现的复杂度，节省了芯片面积，而且可以根据不同的Sensor 101设置合适的增益，应用更加灵活。在本实施例中，等亮度曲线的确定步骤如下：

(1)确定曝光时间T_n的最小值和最大值，从而进一步确定每一级的曝光时间。数码摄像头的帧率与曝光时间的长短有密切关系，当Tn设置得太大时，将导致摄像头的帧率过低，所以曝光的级数应根据实际情况来确定。本实施例以灯光闪烁频率为50Hz为例，取T_n的最大值为50ms，最小值为10ms，则五级曝光时间分别为：10ms、20ms、30ms、40ms、50ms，分别用T₁、T₂、T₃、T₄、T₅表示。

(2)确定传感器电子增益调节的最大值G_max与最小值G_min。最大值G_max可以取小于等于Sensor 101可以达到的最大增益值，最小值G_min可以取大于等于Sensor 101的最小增益值1。本实施例中G_max和G_min分别取12和1.0为例进行说明。

(3)确定最小曝光时间和最大曝光时间对应的跳转值。在一定范围内，当曝光时间与增益成反比变化，即两者的乘积保持不变时，曝光后得到的图像亮度也基本保持不变，如下式所示：

T_n*G_n(l)＝T_n-1*G_n-1(m) ①

T_n*G_n(h)＝T_n+1*G_n+1(m) ②

将G₂(l)取为G_min＝1.0，G₄(h)取为G_max＝12，分别代入公式(1)和公式(2)，得到G₁(m)＝2.0、G₅(m)＝9.6。

(4)通过公式③确定其它曝光时间对应的跳转值。

G_n(m)＝(G₅(m)-G₁(m))*(T_n-T₁)/(T₅-T₁)+G₁(m) ③

(5)将步骤(4)得到的各个G_n(m)值代入公式①和公式②，得到除G₁(l)和G₅(h)之外的所有G_n(l)和G_n(h)。

按照所述的方法，首先得到如图3所示的等亮度曲线L1、L5上的跳转值，而等亮度曲线L2、L3、L4上跳转值的确定顺序是任意的，由所述等亮度曲线上的跳转值代入公式①和②，得到所述等亮度曲线上的其它点。本实施例中，以先计算G₄(m)，确定G₄(m)所在的等亮度曲线L4，再依次确定等亮度曲线L3，L2，L1，L5为例。

确定等亮度曲线L4：将T₄＝40ms，T₁＝10ms，T₅＝50ms，以及前述计算得出的G₁(m)和G₅(m)代入公式③，得到G₄(m)＝7.7；

将G₄(m)、T₄、T₅代入公式①则得到G₅(l)＝6.2；

将G₄(m)、T₄、T₃代入公式②，则得到G₃(h)＝10.3。

所述同样的方法，确定等亮度曲线L3：由T₃＝30ms，T₁＝10ms，T₅＝50ms，以及前述计算得出的G₁(m)和G₅(m)代入公式③，得到G₃(m)＝7.7；

将G₃(m)、T₃、T₄代入公式①，得到G₄(l)＝4.3；

将G₃(m)、T₃、T₂代入公式②，得到G₂(h)＝8.7。

所述同样的方法，确定等亮度曲线L2：由T₂＝30ms，T₁＝10ms，T₅＝50ms以及前述计算得出的G₁(m)和G₅(m)代入公式③，得到G₂(m)＝3.9；

将G₂(m)、T₂、T₃代入公式①，得到G₃(l)＝2.6；

将G₂(m)、T₂、T₁代入公式②，得到G₁(h)＝7.8。

确定等亮度曲线L1：将T₂、T₁、G₁(m)代入公式①，得到G₂(l)＝1.0。

确定等亮度曲线L5：将T₄、T₅、G₅(m)代入公式②，得到G₄(h)＝12。

最后可以将G₁(l)设为Sensor 101曝光增益的最小值，或者取为G_min，将G₅(h)设为Sensor 101曝光增益的最大值，或者取为G_max。本实施例中，取G₁(l)＝G_min＝1.0，G₅(h)＝G_max＝12。

如表1所示，按照所述方法，得到各级曝光时间对应的Sensor 101曝光增益的上下极限值与跳转值。

跳转值G_n(m)	2.0	3.9	5.8	7.7	9.6
跳转值G_n(m)	2.0	3.9	5.8	7.7	9.6	下极限G_n(l)	1.0	1.0	2.6	4.3	6.2

表1传感器电子增益上下极限值与跳转值的示例数据

本实施例中，步长G_step的自适应调整是通过以下的方法来实现的。由亮度特征值计算模块104得到图像的亮度特征值Y_current与目标亮度值Y_target的差值，再乘以一个小于1的可配增益因子，得到的自适应因数与配置的步长相乘，即得到所需的自适应步长G_step，其中配置的步长有三个，包括室内情况下的增益步长、室外情况下的增益步长和曝光时间的步长。

在实际应用中，有些地方的交流电的频率为60Hz，则室内灯光闪烁频率为120Hz，在这种情况下：自动曝光的控制和调节方法以及等亮度曲线计算方法与交流电频率为50Hz时所述的方法相同，只是室内情况下曝光时间的单位变为8.3ms，T_n每级的曝光时间分别为8.3ms，2*8.3ms，3*8.3ms，4*8.3ms，5*8.3ms，也就是级数与灯光闪烁周期8.3ms的乘积。

本发明不局限于上述等亮度曲线的确定方法，以及自适应步长G_step的计算公式，其他只要是曝光时间跳转时满足等亮度的情况，以及自适应步长与曝光偏离程度成正比的步长确定方法，均属于本发明的范围。另外，计算图像的亮度特征并不局限于所述实施例中在图像的中心区域，也可选取一幅图像中其它位置的一定区域的亮度平均值，或几个区域的亮度平均值的加权。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

1、一种用于自动曝光调节的方法，该方法包括如下步骤：首先设定曝光初始参数，确定目标亮度范围；其次，判断初始状态下图像的平均亮度值是否在目标亮度范围之内，若是，则无需改变曝光时间和增益值；其特征在于，若否，该方法还包括如下步骤：

2、如权利要求1所述的一种用于自动曝光调节的方法，其特征在于，所述方法将曝光时间分为n级，每一级曝光时间都对应有增益的最大值G_n(h)、最小值G_n(l)和增益的跳转值G_n(m)；具体为：

3、如权利要求2所述的一种用于自动曝光调节的方法，其特征在于，

4、如权利要求1所述的一种用于自动曝光调节的方法，其特征在于，所述等亮度曲线的确定方法是通过计算出每一级曝光时间对应的增益的最大值G_n(h)、跳转值G_n(m)和最小值G_n(l)得到，并通过软件程序配置到寄存器。

5、如权利要求1所述的一种自动曝光调节方法，其特征在于：所述的等亮度曲线上曝光时间与增益的乘积是常数。

6、如权利要求1所述的一种用于自动曝光调节的方法，其特征在于，所述一定步长可以为某一固定值或自适应步长，其自适应步长根据图像与曝光目标状态的差值来自动调节。

7、如权利要求6所述的一种用于自动曝光调节的方法，其特征在于，所述自适应步长G_step的计算方法为先求出亮度特征值Y_current与目标亮度Y_target的差值，再乘以一小于1的可配增益因子，得到的自适应因数再与配置的步长相乘。

8、如权利要求1至7任一所述的一种用于自动曝光调节的方法，其特征在于，当曝光环境处于室外自然光模式下，该方法所述增益和曝光时间均按照自适应步长调节。

9、如权利要求1所述的一种用于自动曝光调节的方法，其特征在于，所述增益值和曝光时间均按步长调整，具体为：

10、如使用权利要求1所述方法的自动曝光控制系统，其特征在于，所述控制系统包括传感器(Sensor)(101)、接口模块(102)、自动曝光控制模块(103)和亮度特征值计算模块(104)；

图像数据从传感器(Sensor)(101)输出到亮度特征值计算模块(104)，经亮度特征值计算模块(104)计算得到图像的亮度特征值，自动曝光控制模块(103)依据这个亮度特征值判断当前的曝光状态是否合适，如果合适，则不需要调整；如果不合适，则计算出新的曝光时间和增益，再将此新的曝光时间和增益通过传感器接口模块(102)配置到图像传感器(101)，图像传感器(101)将得到的新的图像数据重新输入到图亮度特征值计算模块(104)，并计算得到新的图像亮度特征值；按照上述方法依次循环计算，直到得到曝光合适的图像。

11、如权利要求10所述的自动曝光控制系统，其特征在于，所述自动曝光控制模块(103)配置有存储曝光增益的寄存器；

所述寄存器配置有每一级曝光时间对应的增益的最大值G_n(h)、跳转值G_n(m)和最小值G_n(l)。

12、如权利要求10所述的自动曝光控制系统，其特征在于，所述寄存器配置有的参数为：目标亮度值Y_target、目标亮度值范围Y_tolerance、室内情况下增益步长、室外情况下增益步长、室外情况下曝光时间步长及自适应步长的可配因子；

所述配置给寄存器的值通过软件写入。