CN102449671A - 识别可变照明条件下反射物体的方法和执行该方法的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种通过用摄像机捕获和处理所获得的图像来识别处于可变照明条件下的反射物体(1)的方法。该方法包括下列步骤：预测能够影响所获得的图像的质量的照明条件；把所述摄像机(2)的曝光时间和/或孔径适配到所预测的照明条件；以及，使用所述摄像机(2)来获得所述反射物体的至少一个图像。此外，照明条件预测步骤包括下列子步骤：确定所述摄像机(2)镜头的方向的方位角(Az)、所述摄像机的地理位置以及世界时间；以及，基于此数据，预测所反射的太阳辐射，从而适配所述摄像机(2)的曝光时间和/或孔径以识别所述物体。

Description

识别可变照明条件下反射物体的方法和执行该方法的系统
技术领域
本发明涉及一种用于识别处于可变照明条件下的反射物体的方法，以及一种用于执行该方法的系统，这允许通过在高度可变照明条件下用摄像机捕获图像来识别物体。
背景技术
现有技术中常见的是通过用至少一个摄像机捕获和处理所获得的反射物体的图像来识别处于可变照明条件下的反射物体的方法。
在可变照明条件下，好的图像质量时通过适当地适配镜头的参数(例如镜头孔径和/或曝光时间)来实现的。通常，在CCD型摄像机中，镜头始终保持打开，并且曝光是通过控制摄像机读取时间和像素刷新率来控制的。
然而，当待要识别的物体(例如车辆牌照或人脸)处于运动中时，这一适配的速度不足以及时捕获待要识别的物体。
一种公知的解决方案包括：基于正在捕获的场景的亮度测量值来自动确定用于捕获的最佳参数。
这一方法已被摄影行业广泛接受，但它在使用所谓的人造视觉系统来自动分析图像时具有限制。
在这样的情况中，用于捕获该场景的图像的理想参数对于该图像的分析并非一定有用。
具体而言，当针对该应用的所关注的物体或区域具有非常不同于该场景的平均亮度的照明条件时，它们是不适合的。
尽管存在旨在制造具有宽动态范围的图像传感器的技术途径，但它们的目标一般是获得该场景的最佳图像，而并不试图在所有情况下都以高质量显示所关注的物体。
要想针对一个物体确定一个场景的理想曝光时间，仅知道环境亮度是不够的，给定该理想曝光时间取决于下列参数：
-该场景的环境亮度，其取决于光源以及在该场景的其他要素上的反射；
-光源的位置，例如太阳的位置；和/或
-该物体的反射系数，其在深暗物体和光亮物体之间非常不同。
已提出了多种解决方案来解决这一问题，这些解决方案通常包括应用包括了如下阶段的方法：
-预测能够影响所获得的图像的质量的照明条件；
-把摄像机的曝光时间和/或孔径适配到所预测的照明条件；
-使用摄像机来获得该反射物体的至少一个图像；
用于随后的处理以识别所搜寻的物体。
通常，如果该系统的响应速度(换言之，对图像的捕获和处理)要求允许，则对照明范围做出假设，以用不同的曝光时间来捕获多个图像，使得然后自动选择那些提供了待要识别的物体的最多信息的图像。
然而，由于高速移动的物体上的太阳光反射的极端变化(从城间公路上夜晚时的全黑，到夏天中午时的高强度辐射)，新应用(尤其是户外应用)提出了挑战。
而且，光的这一可变性的局限在于，实际上不可能针对平均照明测量值来正确地适配摄像机的参数。
为了解决这一问题，已经基于试图预测牌照上的光反射条件的智能传感器，或者使用环境光传感器的系统，提出了解决方案。
这些预测系统还可以包括多曝光系统，所述多曝光系统使用高速图像捕获摄像机。
在申请人已经开发出的这些系统中，存在连接至高速百万像素摄像机的FPGA器件。这两个元件的组合允许，针对例如四个曝光时间的组，在一千的区域中捕获并分析大量图像。
这一多曝光途径提供了同一场景的具有不同曝光参数的大量图像，从物体识别的观点从中选择最佳样本。
这一多曝光技术可以与前述预测技术相结合，以确定摄像机参数，例如选择一组曝光时间及提高获得高质量图像的机会，以识别物体。
然而，尽管存在这一现有范围选择，申请人已经能够证实，使用可用的技术，最大数目物体的识别尚不理想，因此有必要对现有技术进行改进。
发明内容
为此，本发明通过如下方法来解决该问题：以不同曝光时间高速捕获多个图像及使用图像分析算法在所有图像中搜寻物体，以最终构建一个新图像，在该新图像中所有所关注的物体都以最佳方式可见以供应用。
具体地，本发明通过如下方法实现所提出的目标，所述方法用于通过用至少一个摄像机捕获和处理所获得的反射物体的图像来识别处在可变照明条件下的反射物体，所述方法包括下列步骤：
-预测能够影响所获得的图像的质量的照明条件；
-把所述摄像机的曝光时间和/或孔径适配到所预测的照明条件；
-使用所述摄像机来获得所述反射物体的至少一个图像；
所述方法的特征在于，预测能够影响所获得的图像的质量的照明条件包括下列子步骤：
-确定所述摄像机镜头的方向的方位角；
-确定所述摄像机的地理位置；
-确定世界时间；
以及，基于所述摄像机镜头的上述取向、所述摄像机的地理位置以及世界时间，预测所述物体在所述摄像机镜头的方向上反射的太阳辐射，并且把所述摄像机的曝光时间和/或孔径适配到所预测的照明条件以识别这样的反射物体。
与已知技术相比，这一方法能够把镜头光圈孔径和/或曝光时间的参数限制到更小的范围，从而允许以足够高的质量捕获图像，以识别所研究的物体。
此外，给定使用简单的光学计算来预测反射对摄像机捕获的图像造成的影响，该设备可以被实施在紧凑器件中(如下所示)并且具有最小计算要求。
根据本发明的方法的其他可选特征，所述方法包括：
-还获得相对于水平面的倾角(α)。
-预测所述物体的反射表面的取向。
-预先假设所述反射物体的反射表面的反射系数。
这些步骤尤其但不限于应用在如下方面：用于识别与摄像机处于相对运动中的车辆牌照，或者识别能够通过获得和处理图像而被识别的任何其他物体，例如面部。
此外，由于能够实时适配摄像机位置、取向和倾角参数，摄像机还可以被安装在可移动支撑物上，所述可移动支撑物要么处于移动中要么处于旋转中。
同时，该方法还可以包括下列可选步骤：
-在前述子步骤之前，获得平均环境亮度的测量值。
-在前述步骤之后，基于对所述物体反射的太阳辐射的预测，确定一组曝光时间，这组曝光时间允许覆盖所述物体的不同水平的反射率，换言之执行多曝光。显然，该方法还可以应用于单捕获。
-在前述阶段之后，针对上述一组曝光时间中的每个时间捕获一个图像。
-然后在所述图像中搜寻所述物体，使用图形定位方法来执行该子步骤；以及，最后
-传送所述图像的包含所述物体的区域以及这些区域在所述摄像机的视野中的位置，用于随后适当地使用。
而且，本发明涉及一种允许执行本发明的方法的系统，具体地涉及一种用于通过用至少一个摄像机捕获和处理所获得的反射物体的图像来识别处于可变照明条件下的反射物体的系统，所述系统包括用于预测能够影响所述图像的质量的照明条件的装置，所述摄像机包括用于把所述摄像机的曝光时间和/或孔径适配到所预测的照明条件的装置，所述系统的特征在于，用于预测能够影响所述图像的质量的照明条件的装置包括用于确定所述摄像机镜头的方向的方位角的装置、用于确定所述摄像机的地理位置的装置、用于确定世界时间的装置，所有这些装置使得能够预测所述反射物体在所述摄像机镜头的方向上反射的太阳辐射，从而限制所述摄像机的曝光时间和/或孔径以根据所预测的照明条件来实时适配它。
所述系统还可以包括下列特征，单独采用或者适当地使用所有技术上可能的组合：
-用于确定所述方位角的装置要么包括形成所述系统的一部分的集成罗盘，要么包括允许录入所述方位角的输入设备。
-用于识别所述摄像机的地理位置的装置要么包括集成GPS，要么包括允许录入所述地理位置的输入设备。
-它可以包括用于确定所述摄像机的视线相对于水平面的倾角的装置。
-它可以包括针对环境照明的传感器模块。
-所述罗盘和所述GPS被集成在同一电路板或芯片上，优选地使用COMS技术来实施，所述电路板或芯片设有用于来自所述摄像机的信号的输入设备、用于所述摄像机的曝光时间和/或孔径的控制输出设备，并且被配置为执行上述预测。
附图说明
为了更好地理解所有前述内容，提供了附图，这些附图示意性地且仅通过实施例的方式示出了本发明的系统的一个实际实施方案。
图1是示出了本发明的基本部件的平面图。
图2是概略地示出了构成本发明的系统的基本模块之间的关系的方块图。
具体实施方式
参考图1，本发明涉及一种方法，其用于通过用至少一个摄像机2捕获和处理所获得的反射物体1的图像来识别处于可变照明条件下的反射物体1，所述方法包括如下步骤：
-预测能够影响所获得的图像的质量的照明条件；
-把摄像机2的曝光时间和/或孔径适配到所预测的照明条件；
-使用所述摄像机来获得所述反射物体的至少一个图像。
这些步骤构成了与现有技术中的解决方案的共同特征，本发明的特征在于，预测能够影响所获得的图像的质量的照明条件包括如下子步骤：
-确定摄像机2镜头的方向的方位角Az；
-确定摄像机2的地理位置；
-确定世界时间；
以及，基于摄像机2镜头的取向Az、摄像机2的地理位置以及世界时间，预测所述物体在摄像机2镜头的方向上反射的太阳辐射，并且把摄像机2的曝光时间和/或孔径适配到所预测的照明条件，以识别反射物体1。
因此，做出的选择不仅理论上考虑了入射的辐射在所述物体上的反射对所述摄像机造成的影响。
显然，可选地以及每当能够时，就可以预测所述物体的反射表面的取向。
同时，已验证，对于读取牌照的具体目的，知道摄像机的取向就足够了，但是在一些情况中，可能还希望获得摄像机相对于水平面的倾角α。
而且，当近似知道待要识别的物体的反射系数时，能够在反射物体1的反射表面的反射系数的范围内做出预先假设，以进一步限制摄像机的参数，从而允许获得合适的图像来识别所述物体。
此外，本发明涉及一种系统，其用于通过用至少一个摄像机2捕获和处理所获得的反射物体1的图像来识别处于可变照明条件下的反射物体1，所述系统包括用于预测能够影响所述图像的质量的照明条件的装置，所述摄像机包括用于把摄像机2的曝光时间和/或孔径适配到所预测的照明条件的装置，所述系统的特征在于，用于预测能够影响所述图像的质量的照明条件的装置包括：用于确定摄像机2镜头的方向的方位角Az的装置、用于确定摄像机2的地理位置的装置、用于确定世界时间的装置，所有这些装置允许预测反射物体1在摄像机镜头2的方向上反射的太阳辐射，从而限制摄像机2的曝光时间和/或孔径以根据所预测的照明条件来实时适配它。
如从图2中可以认识到的，该图像捕获系统由下列元件构成，下列元件被组合在由焊接在一个电路板上的不同芯片构成的电路中，或者被集成在单个芯片中(这是优选的选项)：
●图像捕获模块(MCI)。这指的是具有COMS或CCD技术的图像传感器。优选技术是COMS，因为它允许在同一芯片上集成其他元件。
●物体定位模块(MLO)。这指的是被优化用于高速检测所捕获的图像中的所关注的物体的处理器。
●图像传送模块(MTI)。这指的是能够传送已检测到的物体的图像、指示这些图像在图像传感器的视野中的位置的处理器。
●位置定位模块(MLP)。这指的是能够精确确定该系统的地理位置和确切时间的GPS元件。这是一个可选模块，它允许缩短物体搜寻时间，因为它少了一个自由度。
●取向定位模块(MLO)。这指的是具有建立取向并将该取向传达至图像捕获模块的能力的电子罗盘。它与之前的模块组合，以缩短物体搜寻时间。
●控制单元，用于协调所有其他模块。
如已提及的，以及换言之，本发明的方法是反复的，并且包括捕获多个图像以及在所述图像中搜寻所关注的物体以供应用。下列五个操作以循环方式执行：
1.在其可用的实施方案中，使用图像传感器模块来测量平均环境亮度。
2.考虑一天中的时间，基于由定位系统(GPS)和该系统的取向定位模块(罗盘)提供的纬度来计算太阳的位置。
3.确定一组曝光时间，其允许覆盖所关注的物体的不同水平的反射率。
4.基于太阳的影响，为上面设定的曝光时间增加一个量。
5.针对前述列表的每一候选曝光时间，执行下列动作：
a.使用该候选曝光时间来捕获图像。
b.在物体定位模块中，使用以高速实施的图形定位方法在该图像中搜寻该物体。
c.传送该图像的包含该物体的区域以及该区域在摄像机的视野中的位置(在原始图像中的位置X、Y)。
最后，尽管已将本发明的方法和系统描述为应用至牌照识别，但本领域技术人员可以想到将其用在任何其他应用中，以在高度可变的照明条件下通过用一个或几个摄像机捕获图像来辨别/识别移动物体。

Claims (17)

1.用于通过用至少一个摄像机(2)捕获和处理所获得的反射物体(1)的图像来识别处于可变照明条件下的反射物体(1)的方法，包括如下步骤：
-预测能够影响所获得的图像的质量的照明条件；
-把所述摄像机(2)的曝光时间和/或孔径适配到所预测的照明条件；
-使用所述摄像机(2)来获得所述反射物体的至少一个图像；
所述方法的特征在于，预测能够影响所获得的图像的质量的照明条件包括如下子步骤：
-确定所述摄像机(2)镜头的方向的方位角(Az)；
-确定所述摄像机(2)的地理位置；
-确定世界时间；
以及，基于所述摄像机(2)镜头的这样的取向(Az)、所述摄像机(2)的地理位置以及所述世界时间，预测所述物体在所述摄像机(2)镜头的方向上反射的太阳辐射，并且把所述摄像机(2)的曝光时间和/或孔径适配到所预测的照明条件以识别所述反射物体(1)。
2.根据前述权利要求所述的方法，其中除了确定所述摄像机(2)镜头的方向的方位角(Az)，还获得所述摄像机(2)镜头相对于水平面的倾角。
3.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的方法，其中还预测所述物体的反射表面的取向。
4.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的方法，其中还预先假设所述反射物体(1)的反射表面的反射系数。
5.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的方法，其中所述反射物体是车辆牌照，或者是能够通过捕获和处理图像而被识别的任何其他物体。
6.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的方法，其中在前述子步骤之前，测量平均环境亮度。
7.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的方法，其中随后基于对所述物体反射的太阳辐射的预测来确定一组曝光时间，从而允许覆盖所述物体的不同水平的反射率。
8.根据前述权利要求所述的方法，其中接下来针对前述一组曝光时间中的每一时间捕获一个图像。
9.根据前述权利要求所述的方法，其中接下来在所述图像中搜寻所述物体，使用图形定位方法来执行这个于步骤。
10.根据前述权利要求所述的方法，其中接下来传送所述图像的包含所述物体的区域以及这些区域在所述摄像机的视野中的位置。
11.用于通过用至少一个摄像机(2)捕获和处理所获得的反射物体(1)的图像来识别处于可变照明条件下的反射物体(1)的系统，所述系统包括用于预测能够影响所述图像的质量的照明条件的装置，所述摄像机包括用于把所述摄像机(2)的曝光时间和/或孔径适配到所预测的照明条件的装置，
所述系统的特征在于，用于预测能够影响所述图像的质量的照明条件的装置包括：用于确定所述摄像机(2)镜头的方向的方位角(Az)的装置、用于确定所述摄像机(2)的地理位置的装置、用于确定世界时间的装置，所有这些装置允许预测所述反射物体(1)在所述摄像机(2)镜头的方向上反射的太阳辐射，从而限制所述摄像机(2)的曝光时间和/或孔径以根据所预测的照明条件实时适配它。
12.根据前述两个权利要求中任一项权利要求所述的系统，其中用于确定所述方位角(Az)的装置要么是集成在所述系统中的罗盘，要么是允许录入所述方位角(Az)的输入设备。
13.根据前述权利要求所述的系统，其中用于确定所述摄像机(2)的地理位置的装置要么是集成的GPS，要么是允许录入所述地理位置的输入设备。
14.根据前述权利要求所述的系统，包括用于确定所述摄像机的视线相对于水平面的倾角的装置。
15.根据前述四个权利要求中任一项权利要求所述的系统，包括环境照明传感器模块。
16.根据权利要求12和13所述的系统，其中所述罗盘和所述GPS被集成在同一电路板或芯片上，所述电路板或芯片设有用于来自所述摄像机的信号的输入设备、用于控制所述摄像机(2)的曝光时间和/或孔径的输出设备，并且被配置为执行所述预测。
17.根据前述权利要求所述的系统，其中所述芯片是用CMOS技术实施的。
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