CN102665047A

CN102665047A - 一种cmos 图像传感器成像中的曝光控制方法

Info

Publication number: CN102665047A
Application number: CN2012101402309A
Authority: CN
Inventors: 丘江; 郜向阳; 郭波
Original assignee: Beijing Hanbang Gaoke Digital Technology Co Ltd
Current assignee: Beijing Hanbang Gaoke Digital Technology Co Ltd
Priority date: 2012-05-08
Filing date: 2012-05-08
Publication date: 2012-09-12

Abstract

公开了一种减少了步进调整次数、快速自动的CMOS图像传感器成像中的曝光控制方法，按5级方式划分光照亮度，建立曝光特性数学模型，以此数学模型下的光强度描述各级光照亮度，同时建立相对应的光强度曝光参数对照表；以分区加权统计的方式计算当前帧亮度统计值，并读取当前曝光参数，计算当前曝光特性数学模型下的光强度；以查表方式，在光强度曝光参数对照表中，完成曝光参数的预设置。

Description

一种CMOS 图像传感器成像中的曝光控制方法

技术领域

本发明属于安防监控的技术领域，具体涉及到一种CMOS图像传感器成像中的曝光控制方法。

背景技术

在CMOS图像传感器(CMOS image sensor，CIS)成像过程中，曝光对图像质量影响很大。曝光过度，会使图像过亮而使图像看似被漂白过，失去图像细节部分；而曝光不足，则会导致图像过暗，也会失去图像细节。曝光过度和曝光不足会使像素的三基色值已经超过了CIS的最大动态范围，不能进行有效的色彩恢复，对图像的后续处理产生较大影响，因此，正确的曝光具有非常重要的意义。

自动曝光控制的关键是如何计算出最优曝光时间及其相应的模拟增益和数字增益。为了防止自动曝光控制出现不稳定状态，通常采用传统的步进式调整方法，即以一定的曝光时间调整步长和增益步长，使图像亮度逐步逼近目标亮度，从而避免图像忽明忽暗的不稳定状态。调整步长选择过大，易出现明暗抖动，但调整速度较快；调整步长选择过小，则不易出现明暗抖动，但调整速度缓慢。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种减少了步进调整次数、快速自动的CMOS图像传感器成像中的曝光控制方法。

本发明的技术解决方案是：这种CMOS图像传感器成像中的曝光控制方法，按5级方式划分光照亮度，建立曝光特性数学模型，以此数学模型下的光强度描述各级光照亮度，同时建立相对应的光强度曝光参数对照表；以分区加权统计的方式计算当前帧亮度统计值，并读取当前曝光参数，计算当前曝光特性数学模型下的光强度；以查表方式，在光强度曝光参数对照表中，完成曝光参数的预设置。

或者，这种CMOS图像传感器成像中的曝光控制方法，包括以下步骤：

（1）将视频帧图像划分若干检测区，设置各个检测区权重值，生成区域检测权重表，所有检测区权重值之和为1；

将光照强度分为5级：暗、较暗、中、较强、强，将AG和DG调整至最小取值，选取符合条件的光源模拟5级光照强度，按公式（1）建立曝光特性数学模型，

\begin{matrix} L_{n} = \frac{Y_{n}}{{AG}_{\min} \times {DG}_{\min} \times T_{n}} & n = 0,1,2,3,4 \end{matrix} - - - (1)

其中，L_n为第n次光强度，Y_n为第n次生成图像平均亮度统计值，T_n为第n次CMOS图像传感器CIS曝光时间，AG为模拟增益，DG数字增益，AG_min、DG_min分别是模拟增益和数字增益的最小值；

（2）按公式（2）建立光强度曝光参数对照表

\begin{matrix} {AG}_{n} \times {DG}_{n} \times T_{n} = \frac{Y_{t \arg et}}{L_{n}} & n = 0,1,2,3,4 \end{matrix} - - - (2)

其中，Y_target为图像曝光目标亮度，AG_n、DG_n分别为第n级的模拟增益、数字增益取值；

（3）对图像进行分区加权的方法统计图像加权亮度值，根据当前帧加权亮度值及当前曝光参数，按公式（3）计算当前帧光强度，

L = \frac{Y_{c}}{{AG}_{c} \times {DG}_{c} \times T_{c}} - - - (3)

其中，L为曝光特性数学模型下光强度，Y_c为当前图像的加权亮度，AG_c、DG_c为当前模拟增益、数字增益，T_c为当前曝光时间；

（4）根据当前帧光强度，在光强度曝光参数对照表中，查找恰当的曝光参数区间，完成预置曝光参数T_p、预置模拟增益AG_p、预置数字增益DG_p的设置。

本发明主要改变传统的步进式曝光参数调整方法，以曝光特性数学模型描述光强度特征，以查表方式实现曝光参数的预设置，减少了步进调整次数，提高曝光参数设定的快速性能，从而实现了CMOS图像传感器成像中的快速自动的曝光控制。

附图说明

图1示出了根据本发明的一个优选实施例的检测区权重表；

图2示出了根据本发明的一个优选实施例的CMOS图像传感器成像中的曝光控制方法的流程图。

具体实施方式

这种CMOS图像传感器成像中的曝光控制方法，按5级方式划分光照亮度，建立曝光特性数学模型，以此数学模型下的光强度描述各级光照亮度，同时建立相对应的光强度曝光参数对照表；以分区加权统计的方式计算当前帧亮度统计值，并读取当前曝光参数，计算当前曝光特性数学模型下的光强度；以查表方式，在光强度曝光参数对照表中，完成曝光参数的预设置。本发明主要改变传统的步进式曝光参数调整方法，以曝光特性数学模型描述光强度特征，以查表方式实现曝光参数的预设置，减少了步进调整次数，提高曝光参数设定的快速性能，从而实现了CMOS图像传感器成像中的快速自动的曝光控制。

条带干扰也是一种常见的影响图像质量现象，干扰来源于交流电，特别在强电场、强磁场环境下易于发生。引入视频图像条带干扰抑制方法，进一步调整曝光参数，控制视频图像条带干扰的产生。

\begin{matrix} L_{n} = \frac{Y_{n}}{{AG}_{\min} \times {DG}_{\min} \times T_{n}} & n = 0,1,2,3,4 \end{matrix} - - - (1)

（2）按公式（2）建立光强度曝光参数对照表

\begin{matrix} {AG}_{n} \times {DG}_{n} \times T_{n} = \frac{Y_{t \arg et}}{L_{n}} & n = 0,1,2,3,4 \end{matrix} - - - (2)

L = \frac{Y_{c}}{{AG}_{c} \times {DG}_{c} \times T_{c}} - - - (3)

优选地，为了控制视频图像条带干扰的产生，该方法还包括步骤（5）：对预置曝光参数T_p、预置模拟增益AG_p、预置数字增益DG_p进行抗条带干扰调整，调整方法为：

N_s＝(tnt(T_p×2f)

其中，f为条带干扰信号频率，N_s为曝光时间与条带干扰周期的整数倍数，int为取整数，则曝光时间调整为：

T_{s} = \frac{N_{s}}{2 f}

并进行增益调整

{AG}_{s} \times {DG}_{s} = \frac{Y_{t \arg et} \times {AG}_{p} \times {DG}_{p}}{Y_{c} \times T_{s}}

从而获得最后的曝光控制参数：最终曝光时间T_s、最终模拟增益AG_s与最终数字增益DG_s。

优选地，将画面中重点监控区所对应的检测赋予较高的权重值。

优选地，如图1所示，将视频帧图像划分为5个检测区，设置各个检测区权重值w₀、w₁、w₂、w₃、w₄，生成区域检测权重表，

w₀+w₁+w₂+w₃+w₄＝1。

下面给出一个优选实施例，其流程图如图2所示。

一、建立当前CIS曝光特性数学模型和光强度曝光参数对照表

人为将光照强度分为5级：暗、较暗、中、较强、强，将模拟增益AG和数字DG调整至固定值，选取符合条件的光源模拟5级光照强度，按下式建立曝光特性数学模型，

\begin{matrix} L_{n} = \frac{Y_{n}}{AG \times DG \times T_{n}} & n = 0,1,2,3,4 \end{matrix}

式中，L_n为第n次曝光特性数学模型意义下的计算光强度，Y_n为第n次生成图像平均亮度统计值，T_n为第n次CIS曝光时间，AG为模拟增益，DG数字增益。

根据各级光照强度及所建立的曝光特性数学模型，设置与不同光照强度相应的曝光特性数学模型意义下的光强度的强变化检测阈值LT_n，可根据实验适当修改。

设定目标亮度，选取符合条件的光源模拟5级光照强度，以调整曝光参数的方法，具体按下式，通过调整曝光参数获取目标亮度图像的方法建立光强度曝光参数对照表。

\begin{matrix} {AG}_{n} \times {DG}_{n} \times T_{n} = \frac{Y_{t \arg et}}{L_{n}} & n = 0,1,2,3,4 \end{matrix}

式中，L_n为第n次曝光特性数学模型意义下的计算光强度，Y_target为图像曝光目标亮度，T_n为第n次CIS曝光时间，AG_n为第n次模拟增益，DG_n第n次数字增益。分别记录AG_min和AG_max，DG_min和DG_max，T_min和T_max形成光强度曝光参数对照表。

二、自动曝光控制具体实施方案

步骤I、设置检测区权重表

将视频帧图像划分若干检测区，设置各个检测区权重值，生成区域检测权重表，所有检测区权重值之和为1（归一化）。通常，将画面中重点监控区所对应的检测赋予较高的权重值。

检测区权重表如图1所示，图中各个区域权重和为1，有

w₀+w₁+w₂+w₃+w₄＝1

步骤II、设置自动曝光目标控制亮度值

该亮度值为自动曝光控制逼近的亮度值，即使调整后的视频画面亮度逼近该亮度，并在稳定于该亮度值周围，这样保证监控人员关注区域曝光正常。

如：

T_target＝120

步骤III、设定曝光参数抗条带干扰调整的光强度微变化检测阈值LT_w

该光强度变化检测阈值用于检测当前光强度微小变化，确定是否进行曝光参数重新调整。

步骤IV、计算当前帧加权亮度值

按设置检测区权重表计算当前帧图像加权亮度值，计算方法如下：

按下式计算各个检测区平均亮度Y_i，

\begin{matrix} Y_{i} = \frac{{&Sum;}_{j = 0}^{N_{i}} y_{N_{i}, j}}{N_{i}} & N_{i} = 0,1,2,3,4 \end{matrix}

式中，y_Ni，j为各检测区域中像素亮度值，N_i为各检测区像素总数。

按下式计算当前帧图像加权亮度，

Y_u＝Y₀×w₀+Y₁×w₁+Y₂×w₂+Y₃×w₃+Y₄×w₄

式中有：

w₀+w₁+w₂+w₃+w₄＝1

步骤V、检测当前光强度是否存在强变化

检测当前光强度是否超过光强度强变化检测阈值LT_n，如超过或初次检测执行步骤VI、VII、VIII；如未超过光强度强变化检测阈值LT_n执行步骤VII。

步骤VI、曝光参数预置

根据当前帧加权亮度值及当前曝光参数，按当前CIS曝光特性数学模型计算当前光强度，有

L = \frac{Y_{c}}{{AG}_{c} \times {DG}_{c} \times T_{c}}

根据当前光强度大小，在光强度曝光参数对照表中，查找恰当的曝光参数区间。确定曝光参数预设值曝光时间T_p。

按下式进行预置模拟增益AG_p、预置数字增益DG_p的设置。

{AG}_{p} \times {DG}_{p} = \frac{Y_{c}}{L \times T_{p}}

步骤VII、检测当前光强度是否存在弱变化

检测当前光强度是否超过光强度弱变化检测阈值LT_w，如超过或初次检测执行步骤VIII；如未超过，返回执行步骤IV。

步骤VIII、曝光参数抗条带干扰调整

条带干扰主要来源于交流电干扰，在视频画面上呈交流电频率f的条带干扰，抑制条带干扰的主要方法为：选择曝光时间为交流电周期时间的整数倍，即曝光时间应为：

T = \frac{1}{2 f} \times N

调整方法：

N_s＝(tnt)(T_p×2f)

则最终曝光时间调整为：

T_{s} = \frac{N_{s}}{2 f}

再进行增益调整

{AG}_{s} \times {DG}_{s} = \frac{Y_{t \arg et} \times {AG}_{p} \times {DG}_{p}}{Y_{c} \times T_{s}}

最后，最终模拟增益AG_s与最终数字增益DG_s调整中，尽量使DG_s保持较低，以避免引入过多干扰。返回执行步骤IV。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。

Claims

1.一种CMOS图像传感器成像中的曝光控制方法，其特征在于，按5级方式划分光照亮度，建立曝光特性数学模型，以此数学模型下的光强度描述各级光照亮度，同时建立相对应的光强度曝光参数对照表；以分区加权统计的方式计算当前帧亮度统计值，并读取当前曝光参数，计算当前曝光特性数学模型下的光强度；以查表方式，在光强度曝光参数对照表中，完成曝光参数的预设置。

2.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器成像中的曝光控制方法，其特征在于，通过抗条带干扰方法进一步调整曝光参数。

3.一种CMOS图像传感器成像中的曝光控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

\begin{matrix} L_{n} = \frac{Y_{n}}{{AG}_{\min} \times {DG}_{\min} \times T_{n}} & n = 0,1,2,3,4 \end{matrix} - - - (1)

（2）按公式（2）建立光强度曝光参数对照表

\begin{matrix} {AG}_{n} \times {DG}_{n} \times T_{n} = \frac{Y_{t \arg et}}{L_{n}} & n = 0,1,2,3,4 \end{matrix} - - - (2)

L = \frac{Y_{c}}{{AG}_{c} \times {DG}_{c} \times T_{c}} - - - (3)

4.根据权利要求3所述的CMOS图像传感器成像中的曝光控制方法，其特征在于，还包括步骤（5）：

对预置曝光参数T_p、预置模拟增益AG_p、预置数字增益DG_p进行抗条带干扰调整，调整方法为：

N_s＝(tnt)(T_p×2f)

T_{s} = \frac{N_{s}}{2 f}

并进行增益调整

{AG}_{s} \times {DG}_{s} = \frac{Y_{t \arg et} \times {AG}_{p} \times {DG}_{p}}{Y_{c} \times T_{s}}

5.根据权利要求3或4所述的CMOS图像传感器成像中的曝光控制方法，其特征在于，将画面中重点监控区所对应的检测赋予较高的权重值。

6.根据权利要求3所述的CMOS图像传感器成像中的曝光控制方法，其特征在于，将视频帧图像划分为5个检测区，设置各个检测区权重值w₀、w₁、w₂、w₃、w₄，生成区域检测权重表，w₀+w₁+w₂+w₃+w₄＝1。