CN102025925A - 一种cmos图像传感器对外部光线环境自动适应的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种CMOS图像传感器对外部光线环境自动适应的方法，步骤如下：1、主控制器对CMOS进行初始化，初始化时设置预设曝光参数；2、采集一帧空原始图像，并计算平均灰度；3、判断平均灰度是否在合理范围内，若是，则跳过步骤4；4、若平均灰度不在合理范围内，根据结果调整CMOS曝光参数，返回步骤2；5、等待采集图像的命令，收到命令后进入步骤6；6、CMOS使用当前参数采集一帧图像；7、对CMOS采集到的图像进行分析判断，若图像不合格则返回步骤6；8、处理合格图像，完成设备工作。本发明有益的效果是：1、易用性：设备对外界环境的自动适应，不需要人为控制；2、准确性：使设备关于图像方面的性能保持在最佳状态；3、实时性；4、稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及CMOS图像传感器的应用领域，尤其是一种CMOS图像传感器对外部光线环境自动适应的方法。
背景技术
现有技术在CMOS的应用中，是基于预设的曝光值和增益值，在设备收到图像命令后采集图像，并对采集到的图像进行判断，继而根据判断结果对图像进行具体操作或后续运用。如图1所示，具体步骤如下：
步骤1：系统上电，主控制器对CMOS进行初始化，设置预设参数；
步骤2：等待采集图像的命令，收到命令后进入步骤3；
步骤3：CMOS使用预设参数采集一帧图像；
步骤4：主控制器对CMOS采集到的图像进行分析判断，若图像不合格则返回步骤3；
步骤5：设备处理合格图像，完成设备工作目的；
步骤6：等待设备命令，收到关机/结束命令进入步骤7，收到采集图像命令进入步骤3；
步骤7：关机或结束操作。
一些应用环境下有以下功能：如图2所示，在菜单中有CMOS校正项，用户手动执行该命令时设备将对CMOS进行校正。
上述方法存在以下问题：
1)预设的曝光参数有局限性，预设的参数一般都是开发者在固定的开发环境下通过实验或计算得到的让设备稳定、高效工作在该环境下的一组参数，而应用中由于外界环境千变万化，固定参数显然不能满足设备在任何环境下最高效工作的要求；
2)当用户将设备移动到光照条件区别明显的两处(如从室内移动到室外)应用，按照固定的预设曝光值，对同一事物所采集到的图像灰度将有很大区别，使设备的适应性和既有数据的延用性下降；
3)很多设备无法直接观测到图像，而少数能看到图像的设备，获得的图像基本都是处理过的图像而非原始图像，并且由于使用者对图像质量要求不了解，所以使用者本身无法正确判断该环境下是否需要调整或如何调整；
4)大多数带有CMOS校正项的设备都需要管理员来执行该命令，而一般用户即使发现问题也无法使用指令校正，并且当天气变化显著的季节(如夏日阴雨天和晴朗天气的交替)，每次手动调整参数几乎是不可行的，此可见CMOS校正命令的实用性和及时性并不高。
1、CMOS图像传感器：CMOS图像传感器采用感光二极管作为影像捕获的基本手段。该二极管在接受光线照射之后能够产生输出电流，而电流的强度则与光照的强度对应。CMOS图像传感器还包括放大器与模数转换电路，将感光二极管受光线照射产生的电流强度转化为数字信号输出。
2、灰度图像：在计算机领域中，灰度数字图像是每个像素只有一个采样颜色的图像。这类图像通常显示为从最暗黑色到最亮的白色的灰度，尽管理论上这个采样可以任何颜色的不同深浅，甚至可以是不同亮度上的不同颜色。灰度图像与黑白图像不同，在计算机图像领域中黑白图像只有黑色与白色两种颜色；灰度图像在黑色与白色之间还有许多级的颜色深度。
3、CMOS图像传感器的颜色：红、绿、蓝为三原色。自然中的颜色都可以由这3种颜色混合而成。CMOS图像传感器在每个像素点前都有1个滤光器，只允许红色、绿色、或者蓝色通过，这样来保证每个像素只采集对应颜色光的强度。典型的CMOS图像传感器像素采集光颜色排列如图3所示，其中G表示绿色、R表示红色、B表示蓝色。
4、曝光参数：CMOS图像传感器用于调节感光二极管曝光时间的一组寄存器，寄存器值越大，曝光时间越长。应用中通常通过改变曝光参数使得输出图像整体灰度值变化。
5、增益参数：CMOS图像传感器用于调节输出图像某1种颜色(红、绿、蓝)图像灰度增益或图像整体灰度增益的寄存器。一般有5组，分别为红色像素点增益一组、蓝色像素点增益一组、绿色像素点增益两组、整体增益一组。调节相应参数能改变输出图像对应像素点的整体灰度值，但同时会产生噪音。
6、图像平均灰度/平均方差：灰度图像所有像素点的平均灰度级/平均方差，在应用在指纹或相关领域时，通常用于对图像质量的判断。
发明内容
本发明要解决CMOS传感器在不同外部光线环境下，无法自动调整参数，从而导致采集图像质量不符合要求和CMOS传感器在变换应用环境后适应性不强以及CMOS传感器一致性不强的问题，而提供一种CMOS图像传感器对外部光线环境自动适应的方法。
本发明解决其技术问题采用的技术方案：这种CMOS图像传感器对外部光线环境自动适应的方法，步骤如下：
步骤1：系统上电，主控制器对CMOS进行初始化，初始化时设置预设曝光参数；如果之前有校正过则使用校正时保存的曝光参数；
步骤2：采集一帧空原始图像，并计算平均灰度；
步骤3：判断平均灰度是否在合理范围内，若是，则跳过步骤4；
步骤4：若平均灰度不在合理范围内，根据结果调整CMOS曝光参数，返回步骤2；
步骤5：等待采集图像的命令，收到命令后进入步骤6；
步骤6：CMOS使用当前参数采集一帧图像；
步骤7：主控制器对CMOS采集到的图像进行分析判断，若图像不合格则返回步骤6；
步骤8：设备处理合格图像，完成设备工作目的；
步骤9：等待设备命令，收到关机/结束命令进入步骤10，收到采集图像命令进入步骤6；
步骤10：关机或结束操作。
作为优选，CMOS调整参数详细步骤如下：
步骤1：设备上电、退出休眠、执行设备初始化命令、执行CMOS校正命令动作时对CMOS初始化；
步骤2：采集一帧空原始图像，并计算图像前景色的平均灰度值，用Ef表示；
步骤3：比较Ef和期望值En，期望值在开发者开发时根据实际需求得到，存储在设备内，用En表示)；
步骤4：计算两者的差值，用|ΔE|表示，|ΔE|＝|Ef-En|，若|ΔE|在合理范围，即传感器在该设计中允许的偏差范围内，进入步骤6；
步骤5：根据|ΔE|大小，调整曝光参数，|ΔE|越大，曝光参数调整的量越大，反之亦然，，返回步骤2；
步骤6：保存调整后的曝光参数，作为下次初始化CMOS时的预设曝光参数；
步骤7：结束调整，设备开始正常运行。
作为优选，调整曝光参数中，|ΔE|＜10即认为调整合格，10＜|ΔE|＜20，以5为单位调整曝光寄存器参数，20＜|ΔE|＜30，以10为单位调整曝光寄存器参数，30＜|ΔE|＜40，以20为单位调整曝光寄存器参数...依此类推，调整方向由Ef和En的值决定，如果Ef＞En，则减小寄存器参数，如果Ef＜En，则增加寄存器参数。
本发明有益的效果是：1、易用性：本技术实现了在设备启动、退出休眠等动作中，设备对外界环境的自动适应，完全不需要人为控制；而现有技术则需要人为(并且大多数设备只有管理员有权限)发送命令使设备适应环境。2、准确性：本技术由于引入了开发者预设的期望值，使得设备对CMOS的调整能完全按照开发者的要求，使设备关于图像方面的性能保持在开发者希望的最佳状态；而现有技术则需要依靠一般用户向管理员的反馈，以及管理员对整体设备性能的判断，来决定是否调整CMOS参数，从而降低了准确性。3、实时性：本技术使得CMOS在设备启动、重启、人为发送校正命令、退出休眠等动作发生时，能及时对外界环境进行适应，使得即使短时间内外间环境不断变化，有休眠机制的设备都能在退出休眠时及时适应环境变化，而目前各种设备由于低功耗的考虑，都包含有休眠机制；而现有技术仅有部分设备且仅在人为发送校正命令时，才对外界环境进行适应，使得设备对外界适应的实时性不强。4、稳定性：本技术自动校正均选择在设备启动，重启，退出休眠时，即在用户使用前进行校正，不会在用户使用时校正而影响设备功能，同时避免了产生各种冲突的可能；而现有技术在发送命令的同时，如果设备正在被使用，则可能影响该次操作的效果，且一旦产生数据冲突可能影响设备稳定性。
附图说明
图1是现有技术的流程示意图；
图2是现有技术中使用CMOS校正项校正设备的示意图；
图3是CMOS图像传感器像素颜色分布图；
图4是本发明的流程示意图；
图5是本发明对CMOS校正详细操作的流程图；
图6是使用本发明技术校正设备的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
如图4所示，本发明所述的这种CMOS图像传感器对外部光线环境自动适应的方法，使应用CMOS传感器的设备对外界环境变化进行自动适应；不需要人为干涉，并及时的根据外界环境变换而自动调整；校正速度快，准确度高；校正不会和用户操作产生冲突，不会影响设备稳定性。具体步骤如下：
步骤1：系统上电，主控制器对CMOS进行初始化，初始化时设置预设曝光参数；如果之前有校正过则使用校正时保存的曝光参数；
步骤2：采集一帧空原始图像，并计算平均灰度；
步骤3：判断平均灰度是否在合理范围内，若是，则跳过步骤4；
步骤4：若平均灰度不在合理范围内，根据结果调整CMOS曝光参数，返回步骤2；
步骤5：等待采集图像的命令，收到命令后进入步骤6；
步骤6：CMOS使用当前参数采集一帧图像；
步骤7：主控制器对CMOS采集到的图像进行分析判断，若图像不合格则返回步骤6；
步骤8：设备处理合格图像，完成设备工作目的；
步骤9：等待设备命令，收到关机/结束命令进入步骤10，收到采集图像命令进入步骤6；
步骤10：关机或结束操作。
如图5所示，CMOS调整参数详细步骤：
步骤1：设备上电、退出休眠、执行设备初始化命令、执行CMOS校正命令等动作时对CMOS初始化；
步骤2：采集一帧空原始图像，并计算图像前景色的平均灰度值，用Ef表示；
步骤3：比较Ef和期望值En(期望值在开发者开发时根据实际需求得到，存储在设备内，用En表示)；
步骤4：计算两者的差值，用|ΔE|表示，|ΔE|＝|Ef-En|，若|ΔE|在合理范围(合理范围：即传感器在该设计中允许的偏差范围，一般为±10)内，进入步骤6；
步骤5：根据|ΔE|大小，调整曝光参数，|ΔE|越大，曝光参数调整的量越大，反之亦然，，返回步骤2；以光学传感器GC0303在某指纹门禁应用的场合为例，|ΔE|＜10即认为调整合格，10＜|ΔE|＜20，以5为单位调整曝光寄存器参数，20＜|ΔE|＜30，以10为单位调整曝光寄存器参数，30＜|ΔE|＜40，以20为单位调整曝光寄存器参数...依此类推。调整方向由Ef和En的值决定，如果Ef＞En，则减小寄存器参数，如果如果Ef＜En，则增加寄存器参数；
步骤6：保存调整后的曝光参数(作为下次初始化CMOS时的预设曝光参数)；
步骤7：结束调整，设备开始正常运行。
图6为本发明技术应用的示意图，本发明技术CMOS调整参数的特点：
特点1：结果精确，前景色平均灰度值的期望又开发者提供，并保存在设备中，使校正能最大限度的满足开发者对设备的要求；
特点2：速度快，现有的CMOS传感器采集一帧480*640像素的空原始图像时间在20-30ms，而各种处理后的一帧图像则需要80-200ms(具体需要时间根据应用不同而不同)，校正时采用有梯度的变化量，使得校正所需要的采集图像次数大幅降低；
特点3：避免重复校正，每次校正后将结果参数保存并作为下次校正时的预设参数，避免了每次都从出厂时的预设参数开始校正的重复作业，同时节省了大量校正时间；
特点4：兼容性好，没有复杂或特殊的函数，没有较大的数组，校正函数的使用没有特殊要求，可以轻松的移植到各种现有设备代码中，使得设备使用该技术。
术语解释：
图像传感器：能感受光学图像信息并转换成可用输出信号的传感器。
CMOS图像传感器：采用CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor，金属氧化物半导体元件)的图像传感器。
帧：图像传感器输出的一副图像。每帧由若干行组成。
灰度值：0为黑色，255为白色，一般颜色深浅范围为0～255(一定介于0～255之间)。前景区，背景区：在光学传感器CMOS/CCD的感测区域S内进行前、背景区的设定，前景区Sf，位于感测区的中心部位，背景区Sb位于感测区的边缘部分。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
Claims (3)
1.一种CMOS图像传感器对外部光线环境自动适应的方法，其特征在于：步骤如下：
步骤1：系统上电，主控制器对CMOS进行初始化，初始化时设置预设曝光参数；如果之前有校正过则使用校正时保存的曝光参数；
步骤2：采集一帧空原始图像，并计算平均灰度；
步骤3：判断平均灰度是否在合理范围内，若是，则跳过步骤4；
步骤4：若平均灰度不在合理范围内，根据结果调整CMOS曝光参数，返回步骤2；
步骤5：等待采集图像的命令，收到命令后进入步骤6；
步骤6：CMOS使用当前参数采集一帧图像；
步骤7：主控制器对CMOS采集到的图像进行分析判断，若图像不合格则返回步骤6；
步骤8：设备处理合格图像，完成设备工作目的；
步骤9：等待设备命令，收到关机/结束命令进入步骤10，收到采集图像命令进入步骤6；
步骤10：关机或结束操作。
2.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器对外部光线环境自动适应的方法，其特征在于：CMOS调整参数详细步骤如下：
步骤1：设备上电、退出休眠、执行设备初始化命令、执行CMOS校正命令动作时对CMOS初始化；
步骤2：采集一帧空原始图像，并计算图像前景色的平均灰度值，用Ef表示；
步骤3：比较Ef和期望值En，期望值在开发者开发时根据实际需求得到，存储在设备内，用En表示)；
步骤4：计算两者的差值，用|ΔE|表示，|ΔE|＝|Ef-En|，若|ΔE|在合理范围，即传感器在该设计中允许的偏差范围内，进入步骤6；
步骤5：根据|ΔE|大小，调整曝光参数，|ΔE|越大，曝光参数调整的量越大，反之亦然，，返回步骤2；
步骤6：保存调整后的曝光参数，作为下次初始化CMOS时的预设曝光参数；
步骤7：结束调整，设备开始正常运行。
3.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器对外部光线环境自动适应的方法，其特征在于：调整曝光参数中，|ΔE|＜10即认为调整合格，10＜|ΔE|＜20，以5为单位调整曝光寄存器参数，20＜|ΔE|＜30，以10为单位调整曝光寄存器参数，30＜|ΔE|＜40，以20为单位调整曝光寄存器参数...依此类推，调整方向由Ef和En的值决定，如果Ef＞En，则减小寄存器参数，如果Ef＜En，则增加寄存器参数。
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