CN102135700B - 自动光圈调整方法及装置 - Google Patents

Abstract

提供基于自适应调整的自动光圈调整装置及其方法。该自动光圈调整装置包含：自动光圈镜头，用于采集图像；平均亮度计算单元，用于计算自动光圈镜头所采集的图像的平均亮度；自动光圈控制单元，用于根据平均亮度计算单元所计算出来的平均亮度与目标亮度之差产生控制光圈大小的控制信号；以及自动光圈电机，用于根据自动光圈控制单元输出的控制信号控制自动光圈镜头的光圈大小。通过分析光圈的当前状态来自适应地控制光圈大小，从而可以应用于各种自动光圈镜头，并避免手动调整参数等问题。

Description

自动光圈调整方法及装置

发明领域

本发明涉及自动光圈调整装置及其方法，更具体地说，涉及基于自适应调整的自动光圈调整装置及其方法。

背景技术

众所周知，摄像机镜头的自动光圈，指的是镜头内某个可以调整开孔大小的机构。使用一定的策略，调整光圈开孔的大小，控制单位时间内可以通过光圈到达感光晶片的光量，从而在不同光照条件下得到曝光适中的影像。合理的光圈大小有增加锐利度、控制景深等作用。

目前自动光圈镜头大致分为视频驱动和直流驱动两种。本发明所指的自动光圈是监控摄像机等产品中常用的直流驱动光圈(DC-iris)。传统的直流驱动方式是指摄像机内部增加了镜头光圈电动机的驱动电路，可以直接输出直流控制电压到镜头内的光圈电动机并使其转动。

美国专利US4638366公开了一种自动光圈调整系统。该系统将采集的当前帧视频信号经AD转换为输入电压V_I，与参考电压V_O比较后得到误差电压V_E＝V_I-V_O。然后，根据误差电压V_E计算光圈的调整大小ΔIRIS。该自动光圈调整系统将光圈的调整值ΔIRIS加上之前的光圈控制值IRISn-1得到新的光圈控制值IRISn，即IRISn＝IRISn-1+ΔIRIS。如此反复调试，直到光圈达到合理的大小，得到合适曝光的图像。

对于现有技术的自动光圈调整系统，一方面由于不同的自动光圈镜头因为生产厂商、生产工艺、电机驱动电路等不同，参数特性也会产生差异。因此该专利中的一些参数，例如参考电压Vo，参考电压范围V_N，V_L等，需要根据不同的镜头做调整；另一方面，为不同的镜头找到合适的参数也是相当困难的，一般只能凭经验手动调整。而错误的参数设置计算得到的ΔIRIS将无法稳定自动光圈，引起过调，来回震荡等问题。

发明内容

本发明是考虑到上述问题提出的。其目的是提供自动光圈调整装置和方法，其通过比较当前亮度Y_n与目标亮度Y_ref，当前亮度Y_n和前几帧图像亮度(Y_n-1，Y_n-2，...)两组参数，通过不断地粗调和细调光圈控制电压，使直流驱动光圈在动态调整中达到目标大小，获得合适的亮度值，且在调整过程中不发生过调、振荡等现象。

为了实现本发明的上述和其他目的，根据本发明的一方面实施例，提供基于自适应调整的自动光圈调整装置，包含：自动光圈镜头，用于采集图像信号；平均亮度计算单元，用于计算自动光圈镜头所采集的图像信号的平均亮度；自动光圈控制单元，用于根据平均亮度计算单元所计算出来的平均亮度与目标亮度之差产生控制光圈大小的控制信号；以及自动光圈电机，用于根据自动光圈控制单元输出的控制信号控制自动光圈镜头的光圈大小。

根据本发明的一个优选实施例，该自动光圈控制单元可以包含：图像亮度与目标亮度差计算子单元，用于计算输入图像的平均亮度Y_avg与预先给定的目标亮度Y_ref之差的绝对值Y_e＝|Y_avg-Y_ref|，以得到亮度差Y_e；亮度差分级器，用于根据预先给定的亮度区段，判断图像亮度与目标亮度差计算子单元得到的亮度差Y_e所属的亮度区段，从而给定该亮度差的级别；以及光圈调整信号产生子单元，用于根据所述给定的亮度差的级别，产生控制光圈大小的控制信号。

根据本发明的一个优选实施例，该光圈调整信号产生子单元可以由以下公式计算光圈控制信号V_n，

ΔV＝F₁(Y_e)

$V_n=\left\{\begin{array}{cc}{V}_{n-1}+\mathrm{\&Delta;V},& Y_n\&GreaterEqual;Y_{\mathrm{ref}}+Y_{\mathrm{refth}}\\ V_{n-1}-\mathrm{\&Delta;V},& Y_n\&le;Y_{\mathrm{ref}}-Y_{\mathrm{refth}}\\ V_{n-1},& |Y_n-Y_{\mathrm{ref}}|<Y_{\mathrm{refth}}\end{array}\right.$

其中

$F_1\left(Y_e\right)=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&Delta;V}}_1,& Y_{e\min }\&le;Y_e<Y_{\mathrm{th}1}\\ ......& \\ {\mathrm{\&Delta;V}}_n,& Y_{\mathrm{thn}-1}\&le;Y_e\&le;Y_{e\max }\end{array}\right.$

ΔV₁，...，ΔV_n为预定值；Y_refth为目标亮度范围阈值；而Y_thi是将预定最大亮度差范围区间[Y_emin，Y_emax]划分为n个区段的预定分隔值。

根据本发明的一个优选实施例，作为替换，该自动光圈控制单元可以包括：图像亮度与目标亮度差计算子单元，用于计算输入图像的平均亮度Y_avg与预先给定的目标亮度Y_ref之差的绝对值Y_e＝|Y_avg-Y_ref|，以得到亮度差Y_e；亮度差分级器，用于根据预先给定的亮度区段，判断图像亮度与目标亮度差计算子单元得到的亮度差Y_e所属的亮度区段，从而给定该亮度差的级别；相邻帧图像亮度差计算子单元，用于计算当前帧图像与预定数量的之前帧图像之间的亮度差Y_te；光圈运动状态确定子单元，用于根据亮度差Y_te判断光圈的运动状态；以及光圈调整补偿信号产生子单元，用于结合亮度差Y_e所在的亮度差级别和亮度差Y_te反映的光圈位置和运动状态产生光圈控制信号。

根据本发明的一个优选实施例，在作为替换的该自动光圈控制装置中，该光圈调整补偿信号产生子单元可以由以下公式计算光圈控制信号V_n，

ΔV＝F₁(Y_e)+F₂(Y_te)

$V_n=\left\{\begin{array}{cc}{V}_{n-1}+\mathrm{\&Delta;V},& Y_n\&GreaterEqual;Y_{\mathrm{ref}}+Y_{\mathrm{refth}}\\ V_{n-1}-\mathrm{\&Delta;V},& Y_n\&le;Y_{\mathrm{ref}}-Y_{\mathrm{refth}}\\ V_{n-1},& |Y_n-Y_{\mathrm{ref}}|<Y_{\mathrm{refth}}\end{array}\right.$

其中

$F_1\left(Y_e\right)=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&Delta;V}}_1,& Y_{e\min }\&le;Y_e<Y_{\mathrm{th}1}\\ ......& \\ {\mathrm{\&Delta;V}}_n,& Y_{\mathrm{thn}-1}\&le;Y_e\&le;Y_{e\max }\end{array}\right.$

ΔV₁，...，ΔV_n为预定值；Y_refth为目标亮度范围阈值；Y_thi是将预定最大亮度差范围区间[Y_emin，Y_emax]划分为n个区段的分隔值；而F₂(Y_te)＝K Y_te，其中正向补偿则K为正，负向补偿K为负，这里K是控制补偿的程度的第一预定常数。根据本发明的一方面实施例，提供基于自适应调整的自动光圈调整方法，包含步骤：1)采集图像并计算所采集的图像的平均亮度；2)根据该平均亮度与目标亮度之差产生控制光圈大小的控制信号；3)根据该控制信号控制自动光圈镜头的光圈大小；以及4)重复步骤1)至3)以使自动光圈镜头采集的图像达到目标亮度为止。

根据本发明的一个优选实施例，该步骤2)可以包含以下子步骤：2-1)计算输入图像的平均亮度Y_avg与预先给定的目标亮度Y_ref之差的绝对值Y_e＝|Y_avg-Y_ref|，以得到亮度差Y_e；2-2)根据预先给定的亮度区段，判断亮度差Y_e所属的亮度区段，从而给定该亮度差的级别；以及2-3)根据所述给定的亮度差的级别，产生控制光圈大小的控制信号。

根据本发明的一个优选实施例，该步骤2-3)可以由以下公式计算光圈控制信号V_n，

ΔV＝F₁(Y_e)

$V_n=\left\{\begin{array}{cc}{V}_{n-1}+\mathrm{\&Delta;V},& Y_n\&GreaterEqual;Y_{\mathrm{ref}}+Y_{\mathrm{refth}}\\ V_{n-1}-\mathrm{\&Delta;V},& Y_n\&le;Y_{\mathrm{ref}}-Y_{\mathrm{refth}}\\ V_{n-1},& |Y_n-Y_{\mathrm{ref}}|<Y_{\mathrm{refth}}\end{array}\right.$

其中

$F_1\left(Y_e\right)=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&Delta;V}}_1,& Y_{e\min }\&le;Y_e<Y_{\mathrm{th}1}\\ ......& \\ {\mathrm{\&Delta;V}}_n,& Y_{\mathrm{thn}-1}\&le;Y_e\&le;Y_{e\max }\end{array}\right.$

ΔV₁，...，ΔV_n为预定值；Y_refth为目标亮度范围阈值；而Y_thi是将预定最大亮度差范围区间[Y_emin，Y_emax]划分为n个区段的分隔值。

根据本发明的一个优选实施例，作为替换，该步骤2)可以包括以下子步骤：2-1)计算输入图像的平均亮度Y_avg与预先给定的目标亮度Y_ref之差的绝对值Y_e＝|Y_avg-Y_ref|，以得到亮度差Y_e；2-2)根据预先给定的亮度区段，判断亮度差Y_e所属的亮度区段，从而给定该亮度差的级别；2-3)计算当前帧图像与预定数量的之前帧图像之间的亮度差Y_te；2-4)根据亮度差Y_te判断光圈的运动状态；以及2-5)结合亮度差Y_e所在的亮度差级别和亮度差Y_te反映的光圈位置和运动状态产生光圈控制信号。

根据本发明的一个优选实施例，在上述作为替换的步骤2)中，子步骤2-5)可以由以下公式计算光圈控制信号V_n，

ΔV＝F₁(Y_e)+F₂(Y_te)

$V_n=\left\{\begin{array}{cc}{V}_{n-1}+\mathrm{\&Delta;V},& Y_n\&GreaterEqual;Y_{\mathrm{ref}}+Y_{\mathrm{refth}}\\ V_{n-1}-\mathrm{\&Delta;V},& Y_n\&le;Y_{\mathrm{ref}}-Y_{\mathrm{refth}}\\ V_{n-1},& |Y_n-Y_{\mathrm{ref}}|<Y_{\mathrm{refth}}\end{array}\right.$

其中

$F_1\left(Y_e\right)=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&Delta;V}}_1,& Y_{e\min }\&le;Y_e<Y_{\mathrm{th}1}\\ ......& \\ {\mathrm{\&Delta;V}}_n,& Y_{\mathrm{thn}-1}\&le;Y_e\&le;Y_{e\max }\end{array}\right.$

ΔV₁，...，ΔV_n为预定值；Y_refth为目标亮度范围阈值；而F₂(Y_te)＝K Y_te，其中正向补偿则K为正，负向补偿K为负，这里K是控制补偿的程度的第一预定常数。

根据本发明的一个优选实施例，ΔV_t＝k·(Y_thi-1+Y_thi)/2，这里k是与光圈调整速度有关的第二预定常数。

根据本发明的一个优选实施例，Y_thi＝Y_emin+i·(Y_emax-Y_emin)/n，i＝0，1，...，n。根据上述方案，本发明通过计算当前图像亮度和目标亮度之差Y_e＝|Y_avg-Y_ref|；将最大亮度差Y_emax和最小亮度差Y_emin之间间隔划分为几个亮度区段，并让不同的亮度区段对应于不同的光圈调整速度。然后根据亮度差Y_e所对应的亮度区段调整控制电压的大小。例如，当亮度差Y_e较大时，则产生较大的电压差ΔV，带动光圈以较快速度向目标亮度对应的开口大小运动；当亮度差Y_e较小时，则产生较小的电压差ΔV，带动光圈缓慢向目标亮度对应的开口大小运动，直到目标亮度，则电压差为零，光圈保持静止不动。

此外，还可以通过对当前帧图像亮度Y_n和前几帧图像亮度(Y_n-1，Y_n-2...)进行参数分析，从而判断光圈的运动状态，以便采取相应的控制策略。例如，当前帧图像的亮度Y_n处于目标亮度Y_ref与前一帧图像的亮度Y_n-1之间，则可以判断为光圈向目标方向运动，并根据两帧之间的亮度差Y_te＝|Y_n-Y_n-1|，估算出光圈的运动速度。结合光圈的运动方向和运动速度，产生光圈控制信号。而且，本发明为了避免镜头晃动、有东西掠过镜头等引起的误判，分析的范围不限于前一帧Y_n-1，可以是前面的多帧图像亮度(Y_n-1，Y_n-2，...)的综合分析。

因此，本发明通过分析光圈的当前位置、运动方向和运动速度，控制电压大小和方向，从而可以避免过调。而且，本发明不需要精确的参考电压V_ref等参数的设置，通过自适应调整达到合适的光圈大小，因此本发明的自动光圈控制方法能够应用于各种自动光圈镜头，避免了手动调整参数的问题。

附图说明

发明的特征和优点将在下面结合附图的描述中变得更加清楚。在全部附图中，相同的附图标记指示相同的内容。在附图中，

图1图示了根究本发明的一种基于自适应调整的自动光圈调整装置；

图2是示出图1中的自动光圈控制单元的一个示例的框图；

图3是示出图1中的自动光圈控制单元的另一个示例的框图；

图4是图示当前图像的平均亮度Y_avg随时间变化的示意图；

图5是图示本发明的基于自适应调整的自动光圈调整方法的流程图；以及

图6是根据本发明的自动光圈控制单元的操作流程的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

图1图示了根究本发明的一种基于自适应调整的自动光圈调整装置。如图1所示，该自动光圈调整装置包括自动光圈镜头101、传感器102、平均亮度计算单元103、自动光圈控制单元104、数字/模拟转换电路(D/A电路)105、自动光圈电机106。

参考图1，所要拍摄的图像的光信号经过自动光圈镜头101后，入射到传感器102。传感器102将入射到其上的光信号转为电信号。平均亮度计算单元103计算输入的图像信号的平均亮度Y_avg。自动光圈控制单元104根据平均亮度计算单元103计算出来的平均亮度Y_avg与目标亮度之差以及其他信息，比如光圈位置、光圈的运动方向和运动速度，产生控制光圈大小的控制信号。这里，所提到的目标亮度也就是要达到的目标亮度。根据本发明的优选实施例，目标亮度Y_ref可以由用户设定，一般设为整个灰度级的中间位置，例如在0～255的灰度级的情况下，可以将其设为128，如果感觉太亮，可以调整到100等等。然后，将控制信号经过D/A电路105转换后，得到控制自动光圈电机106的模拟电压，以便驱动自动光圈电机106来控制光圈大小。

根据本发明的一个实施例，图像信号不需要是数字的。在这种情况下，该自动光圈调整装置可以不包含传感器102和D/A电路105。

图2是示出图1中的自动光圈控制单元的一个示例的框图。参考图2，本发明的自动光圈控制单元包括图像亮度与目标亮度差计算子单元201、亮度差分级器203以及光圈调整信号产生子单元207。

参考图2，图像亮度与目标亮度差计算子单元201接收输入图像的平均亮度Y_avg，并计算该图像的平均亮度Y_avg与预先给定的目标亮度Y_ref之差Y_e＝|Y_avg-Y_ref|，以得到亮度差Y_e。

然后，亮度差分级器203接收亮度差Y_e，并且根据在预先给定的最大亮度差Y_emax和预定最小亮度差Y_emin之间划分出的亮度区段(亮度区段分隔值分别为Y_th1到Y_thn-1)，判断接收到的图像亮度的亮度差Y_e所在的亮度区段，从而给定该亮度差的级别。

光圈调整信号产生子单元207根据亮度差分级器203所得到的图像的亮度差级别，产生控制光圈大小的控制信号。

具体来说，光圈调整信号产生子单元207按照亮度差Y_e的级别，以相应的级别增加电压差ΔV，控制自动光圈电机106在亮度差Y_e的级别较大时，以较快速度带动光圈向目标亮度对应的开口大小运动；当亮度差Y_e的级别较小时，控制自动光圈电机106以较缓慢的速度带动光圈向目标亮度对应的开口大小运动；而当采集到的图像的亮度达到目标亮度，也就是说，图像亮度Y_avg与预先给定的目标亮度Y_ref之差为零时，使光圈保持静止不动。

具体来说，光圈调整信号产生子单元207以以下公式计算光圈控制信号V_n。

ΔV＝F₁(Y_e)

$V_n=\left\{\begin{array}{cc}{V}_{n-1}+\mathrm{\&Delta;V},& Y_n\&GreaterEqual;Y_{\mathrm{ref}}+Y_{\mathrm{refth}}\\ V_{n-1}-\mathrm{\&Delta;V},& Y_n\&le;Y_{\mathrm{ref}}-Y_{\mathrm{refth}}\\ V_{n-1},& |Y_n-Y_{\mathrm{ref}}|<Y_{\mathrm{refth}}\end{array}\right.$

其中

$F_1\left(Y_e\right)=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&Delta;V}}_1,& Y_{e\min }\&le;Y_e<Y_{\mathrm{th}1}\\ ......& \\ {\mathrm{\&Delta;V}}_n,& Y_{\mathrm{thn}-1}\&le;Y_e\&le;Y_{e\max }\end{array}\right.$

为一个分段函数，根据Y_e落入的区间[Y_thi-1，Y_thi]，i＝1，2，...，n；Y_th0＝Y_emin；Y_thn＝Y_emax，得到相应的值ΔV₁，...，ΔV_n，其中ΔV₁，...，ΔV_n可以是本领域技术人员根据经验预先给定的值，也可以以其他方式给出(例如，由用户根据自己的需要或偏好设定)，设置ΔV₁，...，ΔV_n的一种优选方式是将其分别取成与各自所在区间中间值有关，例如，ΔV_i＝k·(Y_thi-1+Y_thi)/2，这里k是一个常值系数，k的大小与光圈调整速度有关，设定k越小，光圈调整越慢；反之，光圈调整越快；Y_refth为目标亮度范围阈值，即Y_e＜Y_refth时，图像亮度达到要求，光圈不需要再调整；而每个Y_thi都是将预定最大亮度差范围区间[Y_emin，Y_emax]划分为n个区段的分隔值，其优选是Y_thi＝Y_emin+i·(Y_emax-Y_emin)/n，i＝0，1，...，n。

另外，根据本发明的另一种实施方式，自动光圈电机106的控制电压差ΔV还可以根据当前帧图像的亮度Y_n与其之前一个或多个帧图像的亮度Y_n-1，Y_n-2...之间的亮度差进行调整。图3是示出图1中的自动光圈控制单元的另一个示例的框图。参考图3，本发明的光圈控制单元包括图像亮度与目标亮度差计算子单元201、亮度差分级器203、相邻帧图像亮度差计算子单元305、光圈运动状态确定子单元307以及光圈调整补偿信号产生子单元309。除了相邻帧图像亮度差计算子单元305、光圈运动状态确定子单元307和光圈调整补偿信号产生子单元309之外，图3中的其他部件具有与图2中的同名部件相同的功能和结构，因此省略其描述。

参考图3，相邻帧图像亮度差计算子单元305计算当前帧图像与预定数量的之前帧图像之间的亮度差。为了方便说明起见，本示例以之前一帧图像为例进行描述，但本发明可以在考虑到之前多帧图像的情况下类似地作出。

在这种情况下，相邻帧图像亮度差计算子单元305计算当前帧图像的亮度Y_n与之前帧图像的亮度Y_n-1之间的亮度差Y_te＝|Y_n-Y_n-1|。

光圈运动状态确定子单元307根据亮度差Y_te判断光圈的运动状态。具体来说，光圈运动状态确定子单元307确定是否满足Y_n＜Y_ref和Y_n≤Y_n-1，如果满足Y_n＜Y_ref和Y_n≤Y_n-1，则光圈运动状态确定子单元307确定光圈保持不动或者偏离目标方向(光圈缩小过度)，并根据该两帧之间的亮度差Y_te＝|Y_n-Y_n-1|确定光圈偏离运动的速度；而如果满足Y_n＜Y_ref和Y_n＞Y_n-1，则光圈运动状态确定子单元307确定光圈正在向目标方向运动(光圈放大)，并根据该两帧之间的亮度差Y_te＝|Y_n-Y_n-1|确定光圈运动的速度。

另一方面，当光圈运动状态确定子单元307确定Y_n＞Y_ref和Y_n≥Y_n-1时，确定光圈保持不动或者偏离目标方向(光圈放大过度)，并根据该两帧之间的亮度差Y_te＝|Y_n-Y_n-1|确定光圈偏离运动的速度，而光圈运动状态确定子单元307确定Y_n＞Y_ref和Y_n＜Y_n-1时，确定光圈正在向目标方向运动(光圈缩小)，并根据该两帧之间的亮度差Y_te＝|Y_n-Y_n-1|确定光圈运动的速度。

这里，为了避免误判，光圈运动状态确定子单元307也可以适当增加前几帧图像的亮度(Y_n-1，Y_n-2，...，)，采用多次判断、加权平均等策略提高判断的正确率。所谓多次判断也就是分析前几次而不仅是前一次拍摄的图像的亮度，避免有东西掠过镜头、镜头晃动等情况出现时误判，这样要比仅通过一次判断更精确。

接下来描述光圈调整补偿信号产生子单元309。在本发明中，假定以下一般情况。光圈位置决定了需要施加的电压差的大小，光圈偏离目标位置越大，电压差越大；反之电压差越小。光圈的运动方向决定了施加什么方向的补偿电压。如果光圈是向目标方向运动，则要施加反向的补偿电压，减少光圈的动力，做减速运动；反之，则要施加正向的补偿电压，使光圈具有向目标亮度方向运动的动力。光圈的运动速度与补偿电压成正比。光圈的运动速度快，则补偿电压大，反之则小。

根据本发明的一个实施例，光圈调整补偿信号产生子单元309根据当前光圈位置、运动方向、运动速度三方面信息计算光圈控制信号V_n的细节如下。

ΔV＝F₁(Y_e)+F₂(Y_te)

$V_n=\left\{\begin{array}{cc}{V}_{n-1}+\mathrm{\&Delta;V},& Y_n\&GreaterEqual;Y_{\mathrm{ref}}+Y_{\mathrm{refth}}\\ V_{n-1}-\mathrm{\&Delta;V},& Y_n\&le;Y_{\mathrm{ref}}-Y_{\mathrm{refth}}\\ V_{n-1},& |Y_n-Y_{\mathrm{ref}}|<Y_{\mathrm{refth}}\end{array}\right.$

其中

$F_1\left(Y_e\right)=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&Delta;V}}_1,& Y_{e\min }\&le;Y_e<Y_{\mathrm{th}1}\\ ......& \\ {\mathrm{\&Delta;V}}_n,& Y_{\mathrm{thn}-1}\&le;Y_e\&le;Y_{e\max }\end{array}\right.$

为一个分段函数，根据Y_e落入的区间[Y_thi-1，Y_thi]，i＝1，2，..，n；Y_th0＝Y_emin；Y_thn＝Y_emax，得到相应的值ΔV₁，...，ΔV_n，其中ΔV₁，...，ΔV_n可以是本领域技术人员根据经验预先给定的值，也可以以其他方式给出(例如，由用户根据自己的需要或偏好设定)，设置ΔV₁，...，ΔV_n的一种优选方式是将其分别取成与各自所在区间中间值有关，例如，ΔV_i＝k·(Y_thi-1+Y_thi)/2，这里k是一个常值系数，k的大小与光圈调整速度有关，设定k越小，光圈调整越慢；反之，光圈调整越快；Y_refth为目标亮度范围阈值，即Y_e＜Y_refth时，图像亮度达到要求，光圈不需要再调整；而每个Y_thi都是将预定最大亮度差范围区间[Y_emin，Y_emax]划分为n个区段的分隔值，其优选是Y_thi＝Y_emin+i·(Y_emax-Y_emin)/n，i＝0，1，...，n；而F₂(Y_te)＝K Y_te，其中正向补偿则K为正，负向补偿K为负，这里K是一个常值系数，K的大小控制补偿的程度。例如，如果发生过调，可以适当加大K，加大补偿的程度，防止过调。

图4是图示当前图像的平均亮度Y_avg随时间变化的示意图。参考图4，假设某一时刻获取的图像的亮度在点A的位置，根据上述描述，可以判断此时的光圈开口较大。通过与其之前一帧的亮度比较，可知光圈向目标方向运动，但运动速度较慢。因此，图4所示的点A的情况下，可以给自动光圈电机106施加较大的正向电压，以驱动光圈较快缩小。

此外，在如图4所示的点B的情况下，根据上述描述，可以判断此时光圈开口比之前缩小了，而且光圈向目标运动，但运动速度较快。因此，在如图4所示的点B的情况下，因为光圈向目标运动过快，因此应该减小正向电压差，甚至施加反向电压，以降低光圈向目标方向的速度。

如此逐步控制，例如，在如图4所示的点C的情况下，光圈缓慢运动进入目标亮度范围内。此时所施加的电压接近零，光圈趋于稳定，到达合适大小，获得理想的曝光图像。

图5是图示本发明的基于自适应调整的自动光圈调整方法的流程图。如图5所示，在步骤S501中，利用传感器102获取图像。然后，在步骤S503中，利用平均亮度计算单元103计算图像的平均亮度Y_avg。

接下来，在步骤S505中，自动光圈控制单元104判断平均亮度Y_avg是否在目标亮度范围内。如果平均亮度Y_avg在目标亮度范围内，则完成该次光圈调节处理，结束流程。

如在步骤S505中判断为平均亮度不在目标亮度范围内，则该流程转到步骤S507，在那里，自动光圈控制单元104产生光圈调节的控制信号。

接下来，在步骤S509，利用D/A电路105将自动光圈控制单元104计算的数字形式的控制信号经过D/A转换为模拟形式的控制信号，以控制光圈的转动。

最后，在步骤S511中，根据步骤S509所得到的控制信号，驱动自动光圈电机106放大或缩小光圈，使当前图像的平均亮度Y_avg达到目标亮度范围内，获得需要的理想亮度的图像。然后流程返回到步骤S501，等待获取下一帧图像的时钟信号。

图6是根据本发明的自动光圈控制单元的操作流程的流程图。参考图6，在步骤S601中，计算当前输入图像信号的亮度Y_n和目标亮度Y_ref之间的亮度差Y_e＝|Y_n-Y_ref|。

然后，在步骤S603中，根据在预先给定的最大亮度差Y_emax和预定最小亮度差Y_emin之间预先划分出的亮度区段，判断接收到的图像亮度的亮度差Y_e所在的亮度区段，从而给定该亮度差的级别。

接下来，在步骤S605中，根据步骤S603的输出，计算并判断光圈位置、运动方向、运动速度三个方面的信息。

最后，在步骤S607中，根据所判断出来的当前光圈位置、运动方向、运动速度，产生光圈控制信号以控制光圈，使当前图像亮度达到目标亮度范围内，获得需要的理想亮度的图像。

具体来说，在步骤S605中，当前光圈位置判断如下：比较当前亮度Y_n与目标亮度Y_ref；如果Y_n＜Y_ref，则认为光圈开口偏小，亮度差Y_e＝|Y_n-Y_ref|表示开口偏小的程度；而如果Y_n＞Y_ref，则认为光圈开口偏大，亮度差Y_e＝|Y_n-Y_ref|表示开口偏大的程度。

根据本发明的一个实施例，当前光圈的运动方向、运动速度通过对当前亮度Y_n与前几帧的亮度(Y_n-1，Y_n-2，...)的综合分析进行判断。以下取之前一帧Y_n-1作为例子来进行详细描述。

具体来说，当Y_n＜Y_ref时，如果Y_n≤Y_n-1，则认为光圈保持不动或者偏离目标方向(光圈缩小过度)，两帧的亮度差Y_te＝|Y_n-Y_n-1|反映偏离运动的速度；而如果Y_n＞Y_n-1，则认为光圈正在向目标方向运动(光圈放大)，两帧的亮度差Y_te＝|Y_n-Y_n-1|反映了运动的速度。

另一方面，当Y_n＞Y_ref时，如果Y_n≥Y_n-1，则认为光圈保持不动或者偏离目标方向(光圈放大过度)，两帧的亮度差Y_te＝|Y_n-Y_n-1|反映了偏离运动的速度，而如果Y_n＜Y_n-1，则认为光圈正在向目标方向运动(光圈缩小)，两帧的亮度差Y_te＝|Y_n-Y_n-1|反映了运动的速度。

这里，为了避免误判，可以适当增加前几帧的数量(Y_n-1，Y_n-2...)，采用多次判断、加权平均等策略提高判断的正确率。

根据本发明的一个实施例，在步骤S607中，根据光圈位置、运动方向、运动速度三方面信息计算光圈控制信号的细节如下。

ΔV＝F₁(Y_e)+F₂(Y_te)

$V_n=\left\{\begin{array}{cc}{V}_{n-1}+\mathrm{\&Delta;V},& Y_n\&GreaterEqual;Y_{\mathrm{ref}}+Y_{\mathrm{refth}}\\ V_{n-1}-\mathrm{\&Delta;V},& Y_n\&le;Y_{\mathrm{ref}}-Y_{\mathrm{refth}}\\ V_{n-1},& |Y_n-Y_{\mathrm{ref}}|<Y_{\mathrm{refth}}\end{array}\right.$

其中

$F_1\left(Y_e\right)=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&Delta;V}}_1,& Y_{e\min }\&le;Y_e<Y_{\mathrm{th}1}\\ ......& \\ {\mathrm{\&Delta;V}}_n,& Y_{\mathrm{thn}-1}\&le;Y_e\&le;Y_{e\max }\end{array}\right.$

为一个分段函数，根据Y_e落入的区间[Y_thi-1，Y_thi]，i＝1，2，...，n；Y_th0＝Y_emin；Y_thn＝Y_emax，得到相应的值ΔV₁，...，ΔV_n，其中ΔV₁，...，ΔV_n可以是本领域技术人员根据经验预先给定的值，也可以以其他方式给出(例如，由用户根据自己的需要或偏好设定)，设置ΔV₁，...，ΔV_n的一种优选方式是将其分别取成与各自所在区间中间值有关，例如，ΔV_i＝k·(Y_thi-1+Y_thi)/2，这里k是一个常值系数，k的大小与光圈调整速度有关，设定k越小，光圈调整越慢；反之，光圈调整越快；Y_refth为目标亮度范围阈值，即Y_e＜Y_refth时，图像亮度达到要求，光圈不需要再调整；而每个Y_thi都是将预定最大亮度差范围区间[Y_emin，Y_emax]划分为n个区段的分隔值，其优选是Yt_hi＝Y_emin+i·(Y_emax-Y_emin)/n，i＝0，1，...，n；而F₂(Y_te)＝K Y_te，其中正向补偿则K为正，负向补偿K为负，这里K是一个常值系数，K的大小控制补偿的程度。例如，如果发生过调，可以适当加大K，加大补偿的程度，防止过调。

值得注意，根据本发明的一个实施例，也可以不用判断当前光圈的运动方向和运动速度，而直接使用当前光圈的位置信息来产生光圈控制信号。结合当前光圈的运动方向和运动速度来产生光圈控制信号只是为了更快速精确地调整光圈。本领域技术人员容易理解，在这种情况下，只要在产生光圈控制信号时不考虑F₂(Y_te)＝K Y_te就行了。

本发明的自适应调整系统和方法基于以下基本原理：电压差是带动光圈运动的动力，通过电压差带动光圈放大或缩小；如果施加正向电压差则光圈缩小，反之，则光圈放大；而且光圈调节速度与电压差有关，当电压差大的时候，速度相对较快，反之较慢。

根据上述基本原理，本发明的实施例通过计算当前图像亮度和目标亮度之差的绝对值Y_e＝|Y_avg-Y_ref|；将最大亮度差Y_emax和最小亮度差Y_emin之间间隔划分为几个亮度区段，并让不同的亮度区段对应于不同的光圈调整速度。然后根据亮度差Y_e所对应的亮度区段调整控制电压的大小。例如，当亮度差Y_e较大时，则加大电压差ΔV，带动光圈以较快速度向目标亮度对应的开口大小运动；当亮度差Y_e较小时，则减小电压差ΔV，带动光圈缓慢向目标亮度对应的开口大小运动，直到目标亮度，则电压差为零，光圈保持静止不动。

根据本发明的另一实施例，可以通过对当前帧图像亮度Y_n和前几帧图像亮度(Y_n-1，Y_n-2，...)进行参数分析，从而判断光圈的运动状态，以便采取相应的控制策略。例如，当前帧图像的亮度Y_n处于目标亮度Y_ref与前一帧图像的亮度Y_n-1之间，则可以判断为光圈向目标方向运动，并根据两帧之间的亮度差Y_te＝|Y_n-Y_n-1|，估算出光圈运动的速度。结合运动方向和运动速度，考虑采取相应的策略。为了避免镜头晃动、有东西掠过镜头等引起的误判，分析的范围不限于前一帧Y_n-1，可以是前面的多帧图像亮度(Y_n-1，Y_n-2，...)的综合分析。

为了克服惯性引起的过调现象，通过分析光圈的当前位置、运动方向和运动速度，控制电压大小和方向，可以避免过调。

而且，本发明不需要精确的参考电压V_ref等参数的设置，通过自适应调整达到合适的光圈大小，因此本发明的自动光圈控制方法能够应用于各种自动光圈镜头，避免了手动调整参数的问题。

本领域技术人员将理解，该发明的光圈自适应调整方法可以实现为记录在计算机可读记录介质上的计算机可读代码。该计算机可读记录介质是可以存储可由计算机系统读取的数据的任何数据存储设备。计算机可读记录介质的示例包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、CD-ROM、磁带、软盘、光数据存储装置和载波(诸如通过因特网的数据发送)。计算机可读记录介质还可以分布在联网的计算机系统中，以便以分布的方式存储并执行计算机可读代码。

尽管上述是参照示例性实施方式来描述本发明，但本领域技术人员将理解，在不背离由所附权利要求书限定的本发明宗旨和范围的前提下，可以对本发明进行各种形式和细节上的修改。优选实施方式应该仅认为是说明性的，而不是限制性的。因此，本发明的详细描述不限定本发明的范围，本发明的范围应该由所附权利要求限定，并且本发明的范围内的所有区别技术特征应理解为包含在本发明中。

Claims (12)

1.一种基于自适应调整的自动光圈调整装置，包含：

自动光圈镜头，用于采集图像；

平均亮度计算单元，用于计算所述自动光圈镜头所采集的图像的平均亮度；

自动光圈控制单元，用于根据所述平均亮度计算单元所计算出来的平均亮度与目标亮度之差产生控制光圈大小的控制信号；以及

自动光圈电机，用于根据所述自动光圈控制单元输出的控制信号控制自动光圈镜头的光圈大小，

其中，该自动光圈控制单元包含：

图像亮度与目标亮度差计算子单元，用于计算输入图像的平均亮度Y_avg与预先给定的目标亮度Y_ref之差的绝对值Y_e＝|Y_avg-Y_ref|，以得到亮度差Y_e；

亮度差分级器，用于根据预先给定的亮度区段，判断所述图像亮度与目标亮度差计算子单元得到的亮度差Y_e所属的亮度区段，从而给定该亮度差的级别；以及

光圈调整信号产生子单元，用于根据所述亮度差分级器判断出来的亮度差级别，产生控制光圈以合适的调整速度达到目标大小的控制信号。

2.根据权利要求1的自动光圈调整装置，其中，光圈调整信号产生子单元以以下公式计算光圈控制信号V_n，

ΔV＝F₁(Y_e)

$V_n=\left\{\begin{array}{cc}{V}_{n-1}+\mathrm{\&Delta;V},& Y_n\&GreaterEqual;Y_{\mathrm{ref}}+Y_{\mathrm{refth}}\\ V_{n-1}-\mathrm{\&Delta;V},& Y_n\&le;Y_{\mathrm{ref}}-Y_{\mathrm{refth}}\\ V_{n-1,}& |Y_n-Y_{\mathrm{ref}}|<Y_{\mathrm{refth}}\end{array}\right.$

其中

$F_1\left(Y_e\right)=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{\&Delta;}{V}_1,& Y_{e\min }\&le;Y_e<Y_{\mathrm{th}1}\\ \&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;& \\ \mathrm{\&Delta;}{V}_n,& Y_{\mathrm{thn}-1}\&le;Y_e\&le;Y_{e\max }\end{array}\right.,$

ΔV₁，…，ΔV_n为预定值；Y_refth为目标亮度范围阈值；而Y_thi是将预定最大亮度差范围区间[Y_emin，Y_emax]划分为n个区段的预定分隔值。

3.根据权利要求1的自动光圈调整装置，其中，该自动光圈控制单元包括：

图像亮度与目标亮度差计算子单元，用于计算输入图像的平均亮度Y_avg与预先给定的目标亮度Y_ref之差的绝对值Y_e＝|Y_avg-Y_ref|，以得到亮度差Y_e；

亮度差分级器，用于根据预先给定的亮度区段，判断图像亮度与目标亮度差计算子单元得到的亮度差Y_e所属的亮度区段，从而给定该亮度差的级别；

相邻帧图像亮度差计算子单元，用于计算当前帧图像与预定数量的之前帧图像之间的亮度差Y_te；

光圈运动状态确定子单元，用于根据亮度差Y_te判断光圈的运动状态；以及

光圈调整补偿信号产生子单元，用于结合亮度差Y_e所在的亮度差级别和亮度差Y_te反映的光圈位置和运动状态产生光圈控制信号。

4.根据权利要求3的自动光圈调整装置，其中，所述光圈调整补偿信号产生子单元以以下公式计算光圈控制信号V_n，

ΔV＝F₁(Y_e)+F₂(Y_te)

$V_n=\left\{\begin{array}{cc}{V}_{n-1}+\mathrm{\&Delta;V},& Y_n\&GreaterEqual;Y_{\mathrm{ref}}+Y_{\mathrm{refth}}\\ V_{n-1}-\mathrm{\&Delta;V},& Y_n\&le;Y_{\mathrm{ref}}-Y_{\mathrm{refth}}\\ V_{n-1,}& |Y_n-Y_{\mathrm{ref}}|<Y_{\mathrm{refth}}\end{array}\right.$

其中

$F_1\left(Y_e\right)=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{\&Delta;}{V}_1,& Y_{e\min }\&le;Y_e<Y_{\mathrm{th}1}\\ \&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;& \\ \mathrm{\&Delta;}{V}_n,& Y_{\mathrm{thn}-1}\&le;Y_e\&le;Y_{e\max }\end{array}\right.,$

ΔV₁，…，ΔV_n为预定值；Y_refth为目标亮度范围阈值；Y_thi是将预定最大亮度差范围区间[Y_emin，Y_emax]划分为n个区段的分隔值；而F₂(Y_te)＝KY_te，其中正向补偿则K为正，负向补偿K为负，这里K是控制补偿的程度的第一预定常数。

5.根据权利要求2或4的自动光圈调整装置，其中，ΔV_i＝k·(Y_thi-1+Y_thi)/2，这里k是与光圈调整速度有关的第二预定常数。

6.根据权利要求2或4的自动光圈调整装置，其中，Y_thi＝Y_emin+i·(Y_emax-Y_emin)/n，i＝0，1，…，n。

7.一种基于自适应调整的自动光圈调整方法，包含步骤：

1)采集图像并计算所采集的图像的平均亮度；

2)根据该平均亮度与目标亮度之差产生控制光圈大小的控制信号；

3)根据该控制信号控制自动光圈镜头的光圈大小；以及

4)重复步骤1)至3)以使自动光圈镜头采集的图像达到目标亮度为止，其中，所述步骤2)包含以下子步骤：

2-1)计算输入图像的平均亮度Y_avg与预先给定的目标亮度Y_ref之差的绝对值Y_e＝|Y_avg-Y_ref|，以得到亮度差Y_e；

2-2)根据预先给定的亮度区段，判断所述亮度差Y_e所属的亮度区段，从而给定该亮度差的级别；以及

2-3)根据所述给定的亮度差的级别，产生控制光圈大小的控制信号。

8.根据权利要求7的自动光圈调整方法，其中，所述步骤2-3)以以下公式计算光圈控制信号V_n，

ΔV＝F₁(Y_e)

$V_n=\left\{\begin{array}{cc}{V}_{n-1}+\mathrm{\&Delta;V},& Y_n\&GreaterEqual;Y_{\mathrm{ref}}+Y_{\mathrm{refth}}\\ V_{n-1}-\mathrm{\&Delta;V},& Y_n\&le;Y_{\mathrm{ref}}-Y_{\mathrm{refth}}\\ V_{n-1,}& |Y_n-Y_{\mathrm{ref}}|<Y_{\mathrm{refth}}\end{array}\right.$

其中

$F_1\left(Y_e\right)=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{\&Delta;}{V}_1,& Y_{e\min }\&le;Y_e<Y_{\mathrm{th}1}\\ \&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;& \\ \mathrm{\&Delta;}{V}_n,& Y_{\mathrm{thn}-1}\&le;Y_e\&le;Y_{e\max }\end{array}\right.,$

ΔV₁，…，ΔV_n为预定值；Y_refth为目标亮度范围阈值；而Y_thi是将预定最大亮度差范围区间[Y_emin，Y_emax]划分为n个区段的分隔值。

9.根据权利要求7的自动光圈调整方法，其中，该步骤2)包括以下子步骤：

2-1)计算输入图像的平均亮度Y_avg与预先给定的目标亮度Y_ref之差的绝对值Y_e＝|Y_avg-Y_ref|，以得到亮度差Y_e；

2-2)根据预先给定的亮度区段，判断亮度差Y_e所属的亮度区段，从而给定该亮度差的级别；

2-3)计算当前帧图像与预定数量的之前帧图像之间的亮度差Y_te；

2-4)根据亮度差Y_te判断光圈的运动状态；以及

2-5)结合亮度差Y_e所在的亮度差级别和亮度差Y_te反映的光圈位置和运动状态产生光圈控制信号。

10.根据权利要求9的自动光圈调整方法，其中，所述子步骤2-5)以以下公式计算光圈控制信号V_n，

ΔV＝F₁(Y_e)+F₂(Y_te)

$V_n=\left\{\begin{array}{cc}{V}_{n-1}+\mathrm{\&Delta;V},& Y_n\&GreaterEqual;Y_{\mathrm{ref}}+Y_{\mathrm{refth}}\\ V_{n-1}-\mathrm{\&Delta;V},& Y_n\&le;Y_{\mathrm{ref}}-Y_{\mathrm{refth}}\\ V_{n-1,}& |Y_n-Y_{\mathrm{ref}}|<Y_{\mathrm{refth}}\end{array}\right.$

其中

$F_1\left(Y_e\right)=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{\&Delta;}{V}_1,& Y_{e\min }\&le;Y_e<Y_{\mathrm{th}1}\\ \&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;& \\ \mathrm{\&Delta;}{V}_n,& Y_{\mathrm{thn}-1}\&le;Y_e\&le;Y_{e\max }\end{array}\right.,$

ΔV₁，…，ΔV_n为预定值；Y_refth为目标亮度范围阈值；而F₂(Y_te)＝KY_te，其中正向补偿则K为正，负向补偿K为负，这里K是控制补偿的程度的第一预定常数。

11.根据权利要求8或10的自动光圈调整方法，其中，ΔV_i＝k·(Y_thi-1+Y_thi)/2，这里k是与光圈调整速度有关的第二预定常数。

12.根据权利要求8或10的自动光圈调整方法，其中，

Y_thi＝Y_emin+i·(Y_emax-Y_emin)/n，i＝0，1，…，n。

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