CN102118564B - 曝光控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种曝光控制系统及方法，所述曝光控制系统包括：图像采集模块，自动调整曝光时间和增益值以得到合适的曝光时间值和增益值使得获取图像的平均亮度达到期望亮度范围，其中所述曝光时间在一取值范围内取值，所述取值范围中的最大曝光时间被设定为初始最大时间值；后端控制模块，检测所述曝光时间值，并在所述曝光时间值等于预定时间值时，将所述最大曝光时间修改为所述预定时间值，其中所述预定时间值较所述初始最大时间值小。本发明提供的曝光控制系统及方法中的后端控制模块采用中断信号来锁定感光模块在诸如低光照环境下的特定场景光强时的曝光时间，使得感光模块能够在低光照环境下仍然保持较高的帧率。

Description

曝光控制系统及方法

【技术领域】

本发明涉及图像采集装置的自动曝光控制领域，特别涉及一种通过中断信号干涉原有自动曝光控制装置的系统及方法。

【背景技术】

图像采集系统采集的图像亮度主要由场景光强、光圈大小、曝光时间和信号增益等几个因素决定。在自然情况下，场景光强由自然光的光强决定，不方便自动控制，因此，为了能够自动获得亮度适中的图像，只需要对光圈大小、曝光时间和信号增益这三个量进行有效地自动控制便可以实现。在通常的摄像头或者CCD中，光圈大小是恒定不变的，故通常只需要对曝光时间和信号增益进行自动控制即可。其中曝光时间是指快门打开，感光芯片感光的时间长度。而信号增益则是指由感光芯片输出的模拟图像数据在进行模数转换之前的放大增益，由于信号增益会将噪声信号同时放大，则较高增益值会产生较多的噪点。现有技术已经有自动曝光控制系统(AutomaticExposure，简称AE或者自动曝光)存在，所述自动曝光控制系统可以在一定光照强度和光圈值下找到一组合适的曝光时间和增益值，使得感光芯片所得到的图像亮度能够达到理想值或者是理想范围内。

请参考图1，其示出了现有技术中的一种摄像头100的结构方框图。所述摄像头100包括感光芯片120和图像控制芯片140。所述感光芯片120具体包括感光模块122和ISP模块124，所述ISP模块也称图像信号处理器。所述感光模块122用于采集图像，所述ISP模块124通常包含自动曝光控制系统(也即AE算法)、伽马校正、坏点修复、白平衡和颜色差值等处理模块。所述图像控制芯片140是一种USB桥接(USB bridge)芯片，所述图像控制芯片140直接从所述感光芯片120获得处理过的YUV图像数据，然后再进行一定处理后通过诸如USB之类的接口传输给电脑。其中感光芯片120通常由某一芯片提供商生产，而所述图像控制芯片140通常由另一芯片解决方案提供商生产。

在实际应用中，由于所述感光芯片120中的ISP模块124中的功能设定并不一定符合所述芯片解决方案提供商的需求。比如有一种感光芯片120是面向手机终端设计生产的，该感光芯片120的ISP模块124中包含的自动曝光控制程序为了保证在光线较暗的环境里获得较好的图像效果，采用优先调整曝光时间的策略，也就是说，在光线较暗的环境里，所述感光芯片120将会采用较长的曝光时间、较低的增益值来采集图像。而当所述芯片解决方案提供商将该感光芯片120用于摄像头时，在光线较暗的环境里，所述感光芯片120将会采用的较长曝光时间会导致采集图像的帧率较低而不能满足需求，譬如摄像头的工作环境经常处于工厂或者网吧之类的光线较暗的环境里。现有技术中，所述图像控制芯片140是无法干涉所述ISP模块124的运行状态的，故无法解决上述问题。

因此，亟待提出一种先进的、可以克服上述缺点的技术方案。

【发明内容】

本发明的一个目的在于提供一种曝光控制系统，可以使感光芯片在低光照环境的场景下仍然保持较高的帧率。

本发明的另一目的在于提供一种曝光控制方法，可以使感光芯片在低光照环境的场景下仍然保持较高的帧率。

为了达到本发明的目的，本发明提供一种曝光控制系统，所述曝光控制系统包括：图像采集模块，自动调整曝光时间和增益值以得到合适的曝光时间值和增益值使得获取图像的平均亮度达到期望亮度范围，其中所述曝光时间在一取值范围内取值，所述取值范围中的最大曝光时间被设定为初始最大时间值；后端控制模块，检测所述曝光时间值，并在所述曝光时间值等于预定时间值时，将所述最大曝光时间修改为所述预定时间值，其中所述预定时间值较所述初始最大时间值小。

进一步地，所述后端控制模块还检测所述获取图像的平均亮度，在所述最大曝光时间被修改为所述预定时间值后，如果至少连续两帧图像的平均亮度均未达到期望亮度范围时，所述后端控制模块将所述最大曝光时间值再恢复为所述初始最大时间值。

进一步地，所述图像采集模块包括自动曝光控制单元和感光单元，

所述自动曝光控制单元，自动调整曝光时间和增益值以得到合适的曝光时间值和增益值以使得获取到的图像的平均亮度达到期望亮度范围，

所述感光单元，根据所述曝光时间值和增益值来采集图像，

所述后端控制模块集成于与所述感光模块相连的USB桥芯片的固件中，所述后端控制模块通过中断方式来检测所述曝光时间值和所述获取图像的平均亮度，还通过中断方式来设定和恢复所述最大曝光时间值。

进一步地，所述后端控制模块检测所述曝光时间值，如果所述曝光时间在由长变短或者由短变长的过程中逼近或者等于预定时间值，则所述后端控制模块修改所述取值范围中的最大曝光时间为预定时间值。

进一步地，所述曝光时间在由长变短或者由短变长的过程中按照相同的步长逐步逼近直至等于预定时间值，所述后端控制模块才修改所述取值范围中的最大曝光时间为预定时间值。

进一步地，所述相同的步长为10ms或者8.3ms。

同时，本发明还提供一种曝光控制方法，所述方法包括：自动调整曝光时间和增益以得到合适的曝光时间值和增益值使得获取图像的平均亮度达到期望亮度范围，其中所述曝光时间在一取值范围内取值，所述取值范围的最大曝光时间被设定为一初始最大时间值；检测所述曝光时间值和所述获取图像的平均亮度；在所述曝光时间值等于预定时间值时，将所述最大曝光时间修改为所述预定时间值，其中所述预定时间值较所述初始最大时间值小。

进一步地，在所述最大曝光时间值被修改为所述预定时间值后，在至少连续两帧图像的平均亮度未达到期望亮度范围时，将所述最大曝光时间值再恢复为所述初始最大时间值。

进一步地，在所述曝光时间由长变短或者由短变长的过程中按照相同的步长逐步逼近直至等于预定时间值，才修改所述取值范围中的最大曝光时间为预定时间值。

进一步地，所述检测所述曝光时间值和所述获取图像的平均亮度通过中断方式获取，所述将所述最大曝光时间修改为所述预定时间值通过中断方式修改。

与现有技术相比，本发明提供的曝光控制系统及方法中的后端控制模块采用中断信号来锁定感光模块在诸如低光照环境下的特定场景光强时的曝光时间，使得感光模块能够在低光照环境下仍然保持较高的帧率。

【附图说明】

结合参考附图及接下来的详细描述，本发明将更容易理解，其中同样的附图标记对应同样的结构部件，其中：

图1为现有技术中的一种摄像头的结构方框图；

图2为本发明的曝光控制系统在一个实施例中的结构方框图；

图3为本发明的曝光控制方法在一个实施例中的方法流程图；和

图4为本发明的曝光控制方法在另一个实施例中的方法流程图。

【具体实施方式】

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

请参考图2，其示出了本发明的曝光控制系统在一个实施例200中的结构方框图。所述曝光控制系统200包括图像采集模块220和图像控制模块240。所述图像采集模块220具体包括感光单元222和自动曝光控制单元224，所述图像控制芯片240包括后端控制模块242。所述图像采集模块220用于采集图像，所述图像控制模块240可以是一种USB桥接(USB bridge)芯片，所述图像控制模块240直接从所述图像采集模块220获得处理过的YUV图像数据，然后进行一定处理后通过诸如USB之类的接口传输给电脑。

所述图像采集模块220可以是CCD Sensor或者CMOS Sensor。图像采集模块220可以为包括有ISP图像信号处理器的感光芯片，所述ISP图像信号处理器中包含有AE算法。也就是说，所述自动曝光控制单元224可以认为是包含有AE算法的ISP图像处理器。所述感光单元222根据所述自动曝光控制单元224设定的曝光时间采集图像。而所述自动曝光控制单元224通常根据场景光强和期望亮度来自动计算所述感光单元222进行感光时的曝光时间和增益值，以使感光单元222采集到的图像的平均亮度达到期望亮度范围，而所述自动曝光控制单元224设定的曝光时间并不是随意的，而是在一个特定取值范围内取值，所述取值范围包含有最大曝光时间和最小曝光时间。在具体的实施例中，为了消除摄像头在日光灯环境下的闪烁现象，所述曝光时间通常都是居民用电的周期倍数，比如居民用电是50HZ交流电，则曝光时间的可能取值范围则为10ms的整数倍；如果居民用电时60HZ交流电，则曝光时间的可能取值范围则为8.3ms的整数倍。换句话说，所述曝光时间的取值范围为一有穷等差数列，所述等差数列的公差为10ms或者8.3ms。而且在场景光强由亮变暗时，所述自动曝光控制单元224设定的曝光时间由短变长；在场景光强由暗变亮时，所述自动曝光控制单元224设定的曝光时间由长变短。

为了便于描述，假设所述曝光时间的可能取值有25个，分别为1ms、10ms、20ms、30ms、...、240ms，并以Zone 0至Zone 24分别代表，Zone 0代表曝光时间1ms，并且是所述曝光时间的取值范围内的最小曝光时间；Zone24代表曝光时间240ms，并且是所述曝光时间的取值范围内的最大曝光时间。

在通常情况下，所述自动曝光控制单元222都可以计算出合适的曝光时间值和增益值使得获取图像的平均亮度能够达到期望亮度范围。但是在诸如网吧、工厂之类的光强为60-70lux的典型的低光照环境下，所述自动曝光控制单元224会计算出Zone 11到Zone 14左右的较长曝光时间和匹配的增益值以使采集到的图像能够达到期望亮度范围。虽然此时的图像质量仍然还很清楚准确，但是此时帧率只有6～7帧左右，还不能满足摄像头类实施例的需求。

显然，为了在诸如光强为60-70lux的典型的低光照环境下，能够达到较高的帧率，必须使所述曝光时间变短。假设期望达到15帧/秒左右的帧率，换算成每帧曝光时间为66.7ms，对应于Zone 7模式下的70ms曝光时间，则当场景光强变为60-70lux时，需要将曝光时间锁定为Zone 7模式下。同时注意到所述曝光时间的初始取值范围为[Zone 0，Zone 24]，而所述曝光时间的取值范围是可以设定的。也就是说，如果此时将所述曝光时间的取值范围设定为[Zone 0，Zone 7]。那么不论场景光强如何由亮变暗，所述自动曝光控制单元222计算出的曝光时间如何由短变长，所述曝光时间值都能稳定在Zone7模式而保持15帧/秒左右的帧率。

基于上述思想，本发明中的图像控制芯片240包括有后端控制模块242。所述后端控制模块242可以集成于所述图像控制芯片240的固件程序(Firmware)中。所述后端控制模块242通常情况下不干涉所述自动曝光控制单元224的工作，但是所述后端控制模块242通过中断方式不断监测所述自动曝光单元224计算出的曝光时间，比如在一个实施例中，所述后端控制模块242通过获得曝光时间变化索引(AE Zone Index)来监测所述自动曝光单元224计算出的曝光时间。如果所述自动曝光单元224计算出的曝光时间为预定时间值，比如上述Zone 7模式下的70ms，则认为环境光强变为了60～70lux，此时所述后端控制模块242通过中断方式设定所述曝光时间的取值范围为[Zone 0，Zone 7]，则此时所述自动曝光单元224计算出的曝光时间最多只能为70ms，导致所述感光单元222采集的图像的帧率只会比15帧/秒大，而不会比15帧/秒小，能够满足摄像头类实施例的需求。对应于具体的运行环境，所述自动曝光单元224计算出的曝光时间为预定时间值分为两种情形，第一种情况是环境光强由明变暗，则所述自动曝光单元224计算出的曝光时间越来越长，比如从Zone 5变化为Zone 6、Zone 6又变化为Zone 7、Zone 7又变化为Zone 8、...、Zone 10变化为Zone 11等等。此时帧率在不断下降，而本发明中由于有后端控制模块242的监测，当Zone 6变化为Zone 7时，则所述曝光时间的取值范围被修改为[Zone 0，Zone 7]，此时自动曝光控制单元224计算出的曝光时间最大只能为70ms，然后所述自动曝光控制单元224再寻找合适的增益值使得采集的图像能够达到期望亮度，虽然这样会增加噪点，但是帧率会一直稳定在15帧/秒左右。第二种情况是环境光强有暗变明，则所述自动曝光单元224计算出的曝光时间越来越短，比如从Zone 11变化为Zone 10、Zone 10又变化为Zone 9、Zone 9又变化为Zone 8、...、Zone5变化为Zone 4等等。虽然此时帧率在不断增加，但是当曝光时间从Zone 8变为Zone 7后，所述后端控制模块242仍然将所述曝光时间的取值范围修改为[Zone 0，Zone 7]，如果所述自动曝光控制单元224后续计算出的曝光时间比Zone 7模式下的70ms小，所述曝光时间仍然会变小，所述曝光时间的取值范围变化并不影响正常工作。但是如果此时环境亮度又变暗，所述自动曝光控制单元224后续计算出的曝光时间仍然会稳定在Zone 7模式下，这样就可以避免环境亮度处于60～70lux，但是不够稳定导致画面忽明忽暗的情况发生。

当然所述曝光时间的取值范围被修改为[Zone 0，Zone 7]后，所述自动曝光控制单元224计算出的最大曝光时间也只能为70ms。如果场景光强或者说环境亮度非常暗，则可能出现不论所述自动曝光控制单元224如何增加增益值，所述感光单元222采集的图像都无法达到期望亮度范围，对于此种情况，还应当将所述曝光时间的取值范围恢复为初始取值范围[Zone 0，Zone 24]。在一个实施例中，所述后端控制模块242还通过中断方式不断监测所述感光单元222采集的图像的平均亮度(Y-mean值)，当所述感光单元222采集的连续N张图像的平均亮度都未达到期望亮度(Y-Target值)。则所述后端控制模块242将所述曝光时间的取值范围[Zone 0，Zone 7]恢复为初始取值范围[Zone 0，Zone 24]。虽然此时帧率会下降到15帧/秒以下，但是仍然能够保证获得期望亮度的图像。当然，将所述曝光时间的取值范围[Zone 0，Zone 7]恢复为初始取值范围[Zone 0，Zone 24]的触发条件并不唯一，在一些实施例中，当所述后端控制模块242检测到所述曝光时间不是Zone 7，而是Zone 5、Zone 6等更短的曝光时间，也可以将所述曝光时间的取值范围[Zone 0，Zone7]恢复为初始取值范围[Zone 0，Zone 24]。

综上所述，本发明的曝光控制系统200克服了传统方案中图像控制模块240无法干涉和控制图像采集模块220的运行的缺陷。本发明通过在所述图像控制模块240的固件中集成后端控制模块242，所述后端控制模块242利用中断方式不断检测所述图像采集模块220的曝光时间和获取图像的实际亮度，然后根据需求设定所述图像采集模块220的曝光时间取值范围的最大曝光时间，从而达到了在特定场景下，所述感光单元222仍然能够保证较高的帧率的效果。同时，由于所述曝光时间在由长变短或者由短变长的过程中按照相同的步长逐步逼近直至等于预定时间值，所述后端控制模块242才修改所述取值范围中的最大曝光时间为预定时间值，所以不会出现或者说较少出现自动曝光不稳定的现象。

本发明同时提供一种曝光控制方法，请参考图3，其示出了本发明的曝光控制方法在一个实施例300中的方法流程图。所述曝光控制方法300可以应用于与感光芯片相连的USB桥接芯片中，所述感光芯片中包含有自动曝光控制装置，所述自动曝光控制装置可以自动调整曝光时间和增益以得到合适的曝光时间值和增益值，使得所述感光芯片获取到的图像的平均亮度能够达到期望亮度范围，其中所述曝光时间在一取值范围内取值，所述取值范围的最大曝光时间被设定为一初始最大时间值。所述曝光控制方法300包括：

步骤302，通过中断方式检测曝光时间；

所述USB桥接芯片可以通过中断方式不断检测所述感光芯片的曝光时间，所述曝光时间由感光芯片中的自动曝光控制装置计算得出。

步骤304，判断曝光时间值是否等于预定时间值，如果是，则进入步骤306；如果不是，则进入步骤308。

所述USB桥接芯片判断所述曝光时间值是否等于预定时间值，当然因为所述曝光时间总是按照10ms或者8.3ms的相同步长逐渐由短变长或者由长变短的变化，所以也可以采用判断所述曝光时间值是否正在逐步逼近直至等于预定时间值的方式来达到同样目的，这样的方式可以减少曝光时间变换幅度太大导致画面忽明忽暗的情况。此时如果判断结果为“是”，则步骤308，所述USB桥接芯片通过中断方式修改所述曝光时间取值范围中的最大曝光时间，在具体的实施例中，所述USB桥接芯片可以设置所述感光芯片中的特定寄存器来达到上述目的。此时感光芯片的最低帧率将会被锁定在15帧/秒。

此时如果判断结果为“否”，也即所述曝光时间值不等于预定时间值，或者说所述曝光时间值并没有主部逼近直至等于所述预定时间值。那么所述USB桥接芯片不做任何处理，继续检测并由自动曝光控制装置来设定所述感光芯片的曝光时间和增益值。

显然图3实施例中描述了所述USB桥接芯片将所述曝光时间的取值范围的最大时间值修改于预定时间值的情况，对应于所述USB桥接芯片将所述曝光时间的取值范围的最大时间值恢复为初始最大时间值的情况，请继续参考图4，其示出了本发明的曝光控制方法在另一个实施例400中的方法流程图。所述曝光控制方法400可以应用于所述USB桥接芯片将所述曝光时间的取值范围的最大时间值修改于预定时间值的实施例中，此时所述曝光时间的取值范围的最大时间值已经为预定时间值，所述预定时间值为比初始最大时间值小的一个值。所述曝光控制方法400包括：

步骤402，通过中断方式不断检测实际亮度。

所述USB桥接芯片通过中断方式不断检测所述感光芯片的获取图像的实际亮度。

步骤404，判断若干帧图像的实际亮度是否达到目标亮度范围，如果是，则步骤406，如果不是，则步骤408。

所述USB桥接芯片判断若干帧图像的实际亮度是否达到期望亮度范围，此处所述“若干帧”为至少两帧，通常情况下为连续N帧，N为大于等于2的整数。如果连续N帧图像的实际亮度都未能达到期望亮度范围，则认为环境太暗，进入步骤408中，所述USB桥接芯片通过中断方式设定所述最大曝光时间，具体地说，所述USB桥接芯片恢复所述最大曝光时间为初始最大时间值。此时虽然帧率下降，但是所述感光芯片能够获得更长的曝光时间，从而得到能够达到期望亮度的图像。如果连续N帧图像的实际亮度都能达到期望亮度范围，则进入步骤406，所述USB桥接芯片不做任何处理。

上述说明已经充分揭露了本发明的具体实施方式。需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于所述具体实施方式。

Claims (7)

1.一种曝光控制系统，其特征在于，其包括：

图像采集模块，自动调整曝光时间和增益值以得到合适的曝光时间值和增益值使得获取图像的平均亮度达到期望亮度范围，其中所述曝光时间在一取值范围内取值，所述取值范围中的最大曝光时间被设定为初始最大时间值；

后端控制模块检测所述曝光时间值，如果所述曝光时间值在由长变短或者由短变长的过程中按照相同的步长逐步逼近直至等于预定时间值，则所述后端控制模块才修改所述取值范围中的最大曝光时间为预定时间值，其中所述预定时间值较所述初始最大时间值小。

2.根据权利要求1所述的曝光控制系统，其特征在于，所述后端控制模块还检测所述获取图像的平均亮度，在所述最大曝光时间被修改为所述预定时间值后，如果至少连续两帧图像的平均亮度均未达到期望亮度范围时，所述后端控制模块将所述最大曝光时间再恢复为所述初始最大时间值。

3.根据权利要求1所述的曝光控制系统，其特征在于，所述图像采集模块包括自动曝光控制单元和感光单元，

所述自动曝光控制单元，自动调整曝光时间和增益值以得到合适的曝光时间值和增益值以使得获取到的图像的平均亮度达到期望亮度范围，

所述感光单元，根据所述曝光时间值和增益值来采集图像，

所述后端控制模块集成于与所述感光单元相连的USB桥芯片的固件中，所述后端控制模块通过中断方式来检测所述曝光时间值和所述获取图像的平均亮度，还通过中断方式来设定和恢复所述最大曝光时间。

4.根据权利要求1所述的曝光控制系统，其特征在于，所述相同的步长为10ms或者8.3ms。

5.一种曝光控制方法，其特征在于，其包括：

自动调整曝光时间和增益以得到合适的曝光时间值和增益值使得获取图像的平均亮度达到期望亮度范围，其中所述曝光时间在一取值范围内取值，所述取值范围的最大曝光时间被设定为一初始最大时间值；

检测所述曝光时间值和所述获取图像的平均亮度；

在所述曝光时间值由长变短或者由短变长的过程中按照相同的步长逐步逼近直至等于预定时间值，才修改所述取值范围中的最大曝光时间为预定时间值，其中所述预定时间值较所述初始最大时间值小。

6.根据权利要求5所述的曝光控制方法，其特征在于，在所述最大曝光时间被修改为所述预定时间值后，在至少连续两帧图像的平均亮度未达到期望亮度范围时，将所述最大曝光时间再恢复为所述初始最大时间值。

7.根据权利要求5所述的曝光控制方法，其特征在于，所述检测所述曝光时间值和所述获取图像的平均亮度通过中断方式获取，所述将所述最大曝光时间修改为所述预定时间值通过中断方式修改。

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