CN101399919A - 自动曝光和自动增益调节方法及其装置 - Google Patents

Abstract

一种自动曝光和自动增益调节方法，包括如下步骤：(1)将输入图像分成N*N个子区域，并计算每个区域的平均成像亮度；(2)得到每个区域的实际亮度，(3)计算该区域的最优曝光时间，(4)得到最优曝光时间，(5)预测在该曝光时间下各个区域的成像亮度值，(6)计算最优增益值，(7)设置成像传感器的成像时间和增益，拍摄下一帧图像，重复进行以上步骤，直至达到目标曝光亮度。一种为实施所述方法的自动曝光和自动增益调节装置包括成像传感器、图像处理模块、自动曝光计算模块、自动增益计算模块和成像控制模块。本发明可以快速调整曝光时间和增益值。

Description

自动曝光和自动增益调节方法及其装置

技术领域

本发明涉及数码成像领域的自动曝光(Auto Exposure-AE)和自动增益调节(Auto Gain Control-AGC)，特别是一种自动曝光和自动增益调节方法及其装置。

背景技术

AE和AGC是数码成像领域两个非常重要又密切相关的模块。其主要功能是通过调节成像传感器(imaging sensor)的曝光时间和增益来控制输出图像的亮度。

AE和AGC对输出图像的质量影响非常大。通常希望图像的暗部细节不丢失，亮部不过曝，同时平均亮度适合人眼观看。在数码相机预览模式下，随着相机的移动，光照条件可能变化很大。所以需要AE和AGC能够快速实时调整。

传统的AE和AGC方法采用基于图像亮度的曝光表搜索方法。由预先指定的图像目标亮度和当前图像亮度决定曝光和增益调整的方向和步长，如果当前图像亮度比目标亮度暗，则增加曝光时间或增加增益，反之亦然。搜索的步长会影响搜索速度和搜索稳定性之间的权衡关系。步长过小会降低搜索速度，步长过长可能造成搜索不稳定。在某些边界条件下，即使步长很小也有可能造成曝光不收敛的闪烁现象。

我们知道，曝光值EV和图像亮度L之间有如下关系：

EV_opt＝EV_prc+log(L_pre)-log(L_opt)     [1]

其中EV_opt是最优的曝光值，EV_pre是当前的初始曝光值，L_pre是当前的初始图像亮度，L_opt是指定的目标图像亮度。

曝光值EV由光圈F和曝光时间T决定：

EV＝2log(F)-log(T)                   [2]

一般的数码相机为固定光圈，所以EV值仅由曝光时间T决定：

EV~-log(T)                           [3]

将[3]代入[1]，可得：

log(T_opt/T_pre)＝log(L_opt/L_pre)           [4]

式中Tpre是当前曝光时间，Topt是最优曝光时间。

所以图像亮度与曝光时间成正比线性关系：

T_opt＝T_pre*L_opt/L_pre                     [5]

但是对于不同光源或不同物体，图像亮度随曝光时间线性变化的斜率不同。所以如果根据整幅图像的平均亮度来计算最优曝光时间并不准确。

发明内容

本发明为克服上述已有技术的缺点，目的是提供一种自动曝光和自动增益调节方法及其装置。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：

一种自动曝光和自动增益调节方法，其特点是该方法包括如下步骤：

(1)图像处理模块将输入图像分成N*N个子图像区域，并计算每个区域的平均成像亮度L_{img_i}，即对每个图像块中的所有像素点的亮度值取平均，i＝1～N*N；

(2)图像处理模块将每个区域的平均成像亮度L_{img_i}除以当前的曝光时间T和当前的增益值G，得到每个区域的实际亮度：

L_{real_i}＝L_{img_i}/(T*G)

(3)自动曝光计算模块根据每个区域的实际亮度值L_{real_i}以及指定的目标成像亮度值L_opt，计算该区域的最优曝光时间T_{opt_i}：

T_{opt_i}＝L_opt/L_{real_i}

(4)自动曝光计算模块根据所有子区域的最优曝光时间T_{opt_i}得到一个适合整幅图像的最优曝光时间T_opt，i＝1～N*N；

(5)图像处理模块根据各个区域的实际亮度值L_{real_i}和整幅图像的最优曝光时间T_opt，根据曝光时间与成像亮度的线性关系，预测在该曝光时间下各个区域的成像亮度值L_{est_i}：

L_{est_i}＝L_{real_i}*T_opt

(6)自动增益计算模块将所有子区域的预测成像亮度值L_{est_i}做平均，得到整幅图像的平均预测成像亮度值L_est，根据指定的目标成像亮度值L_opt，计算最优增益值G_opt：

G_opt＝L_opt/L_est

(7)成像控制模块将T_opt和G_opt设置为成像传感器的成像时间和增益，拍摄下一帧图像，重复进行以上步骤，直至达到目标曝光亮度。

所述的步骤(1)中的N＝8。

所述的步骤(4)中根据所有子区域的最优曝光时间T_{opt_i}得到一个适合整幅图像的最优曝光时间T_opt，是通过对所有子区域最优曝光时间做加权平均的方法来得到整幅图像的最优曝光时间，T_opt＝avg(T_{optl_i}*W_i)，i＝1～N*N，式中avg为取平均，W_i为权重值。

所述的步骤(4)中根据所有子区域的最优曝光时间T_{opt_i}得到一个适合整幅图像的最优曝光时间T_opt，采用均值法或中值法。

一种为实施权利要求1所述方法的自动曝光和自动增益调节装置，其特点是：

该自动曝光和自动增益调节装置包括成像传感器、图像处理模块、自动曝光计算模块、自动增益计算模块和成像控制模块。

所述成像传感器输出图像给所述图像处理模块，所述图像处理模块对输入图像分割为N*N个图像块，并对每个图像块中的所有像素点计算平均亮度，并把图像的亮度信息输出至自动曝光计算模块，自动曝光计算模块根据各个图像块的平均亮度计算最佳曝光时间，并输出该最佳曝光时间至自动增益计算模块，该自动增益计算模块根据亮度信息和最佳曝光时间计算最佳增益值，并将最佳增益值和最佳曝光时间输出至成像控制模块，该成像控制模块设置成像传感器的曝光时间和增益。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本方法利用成像亮度与曝光时间的线性关系，根据图像各区域的实际亮度和目标亮度直接计算出最优曝光时间和增益值。

本发明可以快速调整曝光时间和增益值。特别是在环境亮度变化很大时，本发明可以快速调整曝光时间和增益达到目标亮度。本发明调节AE/AGC比较稳定，不会出现闪烁现象。本发明在调节亮度时，最大化利用曝光时间调节，尽量少的利用增益调节，保证了最佳图像质量。

相比于大多数传统基于搜索的AE/AGC算法，本发明的输入参数少，仅需指定目标成像亮度即可，调节方便。

附图说明

图1是本发明自动曝光和自动增益调节装置的模块联结关系图。

图2是本发明自动曝光和自动增益调节方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步详细描述，但不应以此限制本发明的保护范围。

请参阅图1和图2。

图2是本发明自动曝光和自动增益调节方法的流程图。本发明方法根据图像各区域的成像亮度和曝光时间的线性关系直接计算出最优曝光时间和增益值，步骤如下：

1. 首先，图像处理模块将输入图像分成N*N个子图像区域，例如8*8个区域，计算每个区域的平均成像亮度L_{img_i}，i＝1~N*N。

2. 图像处理模块将每个区域的平均成像亮度L_{img_i}除以当前的曝光时间T和当前的增益值G，得到每个区域的实际亮度：

L_{real_i}＝L_{img_i}/(T*G)

3. 自动曝光计算模块根据每个区域的实际亮度值L_{real_i}以及指定的目标成像亮度值L_opt，计算该区域的最优曝光时间T_{opt_i}：

T_{opt_i}＝L_opt/L_{real_i}

4.自动曝光计算模块根据所有区域的最优曝光时间T_{opt_i}得到一个适合整幅图像的最优曝光时间T_opt，例如采用均值法、中值法等。在本发明实施例中，通过对所有区域最优曝光时间做加权平均的方法来得到整幅图像的最优曝光时间。加权值设置可以使得图像中心区域对曝光影响的权重更大。

T_opt＝avg(T_{optl_i}*W_i)，i＝1~N*N

式中avg为取平均，W_i为权重值。

5.图像处理模块根据各个区域的实际亮度值L_{real_i}和整幅图像的最优曝光时间T_opt，根据曝光时间与成像亮度的线性关系，预测在该曝光时间下各个区域的成像亮度值L_{est_i}：

L_{est_i}＝L_{real_i}*T_opt

6. 自动增益计算模块将所有区域的预测成像亮度值L_{est_i}做平均，得到整幅图像的平均预测成像亮度值L_est。根据指定的目标成像亮度值L_opt，计算最优增益值G_opt：

G_opt＝L_opt/L_est

7. 成像控制模块将T_opt和G_opt设置为成像传感器(imaging sensor)的成像时间和增益，拍摄下一帧图像，重复进行以上步骤，直至达到目标曝光亮度。

图1是本发明自动曝光和自动增益调节装置的模块联结关系图。该自动曝光和自动增益调节装置包括成像传感器、图像处理模块、自动曝光计算模块、自动增益计算模块和成像控制模块。

所述成像传感器输出图像给所述图像处理模块，所述图像处理模块对输入图像分割为N*N个图像块，并对每个图像块中的所有像素点计算平均亮度，并把图像的亮度信息输出至自动曝光计算模块，自动曝光计算模块根据各个图像块的平均亮度计算最佳曝光时间，并输出该最佳曝光时间至自动增益计算模块，该自动增益计算模块根据亮度信息和最佳曝光时间计算最佳增益值，并将最佳增益值和最佳曝光时间输出至成像控制模块，该成像控制模块设置成像传感器的曝光时间和增益。

本发明中成像传感器可以使用OmniVision公司的OV9650系列产品。上述图像处理模块、自动曝光计算模块、自动增益计算模块和成像控制模块可以在嵌入式系统软件中实现。模块之间为软件接口。成像控制模块通过设置成像传感器的相关寄存器实现对曝光和增益的控制。

本方法利用成像亮度与曝光时间的线性关系，根据图像各区域的实际亮度和目标亮度直接计算出最优曝光时间和增益值。比基于搜索的方法速度更快，而且更加稳定，不会出现不收敛的闪烁现象。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应为本发明的技术范畴。

Claims (5)

1、一种自动曝光和自动增益调节方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

(1)图像处理模块将输入图像分成N*N个子图像区域，并计算每个区域的平均成像亮度L_{img_i}，即对每个图像块中的所有像素点的亮度值取平均，i＝1～N*N；

(2)图像处理模块将每个区域的平均成像亮度L_{img_i}除以当前的曝光时间T和当前的增益值G，得到每个区域的实际亮度：

L_{real_i}＝L_{img_i}/(T*G)

(3)自动曝光计算模块根据每个区域的实际亮度值L_{real_i}以及指定的目标成像亮度值L_opt，计算该区域的最优曝光时间T_{opt_i}：

T_{opt_i}＝L_opt/L_{real_i}

(4)自动曝光计算模块根据所有子区域的最优曝光时间T_{opt_i}得到一个适合整幅图像的最优曝光时间T_opt，i＝1～N*N；

(5)图像处理模块根据各个区域的实际亮度值L_{real_i}和整幅图像的最优曝光时间T_opt，根据曝光时间与成像亮度的线性关系，预测在该曝光时间下各个区域的成像亮度值L_{est_i}：

L_{est_i}＝L_{real_i}*T_opt

(6)自动增益计算模块将所有子区域的预测成像亮度值L_{est_i}做平均，得到整幅图像的平均预测成像亮度值L_est，根据指定的目标成像亮度值L_opt，计算最优增益值G_opt：

G_opt＝L_opt/L_est

(7)成像控制模块将T_opt和G_opt设置为成像传感器的成像时间和增益，

拍摄下一帧图像，重复进行以上步骤，直至达到目标曝光亮度。

2、根据权利要求1所述的自动曝光和自动增益调节方法，其特征在于所述的步骤(1)中的N＝8。

3、根据权利要求1所述的自动曝光和自动增益调节方法，其特征在于所述的步骤(4)中根据所有子区域的最优曝光时间T_{opt_i}得到一个适合整幅图像的最优曝光时间T_opt，是通过对所有子区域最优曝光时间做加权平均的方法来得到整幅图像的最优曝光时间，T_opt＝avg(T_{optl_i}*W_i)，i＝1～N*N，式中avg为取平均，W_i为权重值。

4、根据权利要求1所述的自动曝光和自动增益调节方法，其特征在于所述的步骤(4)中根据所有子区域的最优曝光时间T_{opt_i}得到一个适合整幅图像的最优曝光时间T_opt，采用均值法或中值法。

5、一种为实施权利要求1所述方法的自动曝光和自动增益调节装置，其特征在于：该自动曝光和自动增益调节装置包括成像传感器、图像处理模块、自动曝光计算模块、自动增益计算模块和成像控制模块，

所述成像传感器输出图像给所述图像处理模块，所述图像处理模块对输入图像分割为N*N个图像块，并对每个图像块中的所有像素点计算平均亮度，并把图像的亮度信息输出至自动曝光计算模块，自动曝光计算模块根据各个图像块的平均亮度计算最佳曝光时间，并输出该最佳曝光时间至自动增益计算模块，该自动增益计算模块根据亮度信息和最佳曝光时间计算最佳增益值，并将最佳增益值和最佳曝光时间输出至成像控制模块，该成像控制模块设置成像传感器的曝光时间和增益。

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