CN102724405A - 视频成像系统中背光式场景的自动曝光补偿方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种视频成像系统中背光式场景的自动曝光补偿方法，其包括如下步骤：a、采集所需的图像，并将所述图像输入图像统计器内，通过图像统计器统计后输出图像的亮度平均值Y_ave、亮度偏差Y_std及曝光不足像素百分比P_under；b、计算得到判断参考值Y_ref＝Y_std/Y_ave，并将所述判断参考值Y_ref与预设的上阈值、下阈值进行比较，以判断图像采集器采集图像的场景状态；c、当图像采集器采集图像为背光场景时，根据上述曝光不足像素百分比P_under计算图像的曝光目标值，根据曝光目标值对图像进行曝光补偿，并使得图像采集器在所述曝光目标值下进行正常场景曝光采集图像；否则，图像采集器进行正常场景采集图像。本发明操作简单方便，能提高曝光补偿的有效性及稳定性，适应范围广。

Description

视频成像系统中背光式场景的自动曝光补偿方法及装置

技术领域

本发明涉及一种曝光补偿方法，尤其是一种视频成像系统中背光式场景的自动曝光补偿方法，属于图像处理的技术领域。

背景技术

在视频成像系统中，传统的自动化曝光控制（AEC）利用图像的平均亮度来和静态的曝光参考值做比较。但是这种“灰度世界假设”可能会导致在某种类型照明条件下的不当曝光，如在背光情况下的前景物体不当曝光。这种场景的拍摄通常会造成背景过于明亮而主体偏暗的曝光异常情况。

为了避免这个问题，有些相机配备了背光补偿模式，允许用户选择场景是否背光，是否手动激活背光补偿功能。但是这种手动操作可能会给一些用户造成不便，在视频应用上也不实际。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种视频成像系统中背光式场景的自动曝光补偿方法及装置，其操作简单方便，能提高曝光补偿的有效性及稳定性，适应范围广。

按照本发明提供的技术方案，一种视频成像系统中背光式场景的自动曝光补偿方法，所述自动曝光补偿方法包括如下步骤：

a、通过图像采集器采集所需的图像，并将所述图像输入图像统计器内，通过图像统计器统计后输出图像的亮度平均值Y_ave、亮度偏差Y_std及曝光不足像素百分比P_under；

b、根据上述图像的亮度平均值Y_ave、亮度偏差Y_std计算得到判断参考值Y_ref＝Y_std/Y_ave，并将所述判断参考值Y_ref与预设的上阈值、下阈值进行比较，以判断图像采集器采集图像的场景状态，所述图像的场景状态为背光场景或正常场景；

c、当图像采集器采集图像为背光场景时，根据上述曝光不足像素百分比P_under计算图像的曝光目标值，根据曝光目标值对图像进行曝光补偿，并使得图像采集器在所述曝光目标值下进行正常场景曝光采集图像；否则，图像采集器进行正常场景采集图像。

所述步骤b中，包括如下步骤：

b1、当判断参考值Y_ref大于预设的上阈值时，则图像采集器采集图像的场景为背光场景；

b2、当判断参考值Y_ref小于预设的上阈值，且判断参考值Y_ref大于预设的下阈值，且当视频成像系统的上一取景为背光场景时，则图像采集器采集图像的场景为背光场景；其中，下阈值小于上阈值。

所述图像统计器内利用图像亮度直方图统计后输出图像的亮度平均值Y_ave、亮度偏差Y_std及曝光不足像素百分比P_under，图像亮度直方图的纵坐标为像素数目，图像亮度直方图的横坐标为亮度级别对应的箱柜值。

所述图像的亮度平均值Y_ave为

$Y_{\mathrm{ave}}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{n=0}^{255}n*p\left[n\right]}{{\mathrm{\Σ}}_{n=0}^{255}p\left[n\right]}$

其中，n为箱柜值，p[n]是所述箱柜编号中的像素数目。

所述亮度偏差Y_std为

$Y_{\mathrm{std}}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{n=0}^{255}|n-Y_{\mathrm{ave}}|*p\left[n\right]}{{\mathrm{\Σ}}_{n=0}^{255}p\left[n\right]}$

其中，n为箱柜值，p[n]是所述箱柜编号中的像素数目，图像的亮度平均值Y_ave。

所述曝光不足像素百分比P_under为：

P_unr＝N_under/N_total；

其中，N_total是图像的所有采样像素数目，N_under是曝光不足的采样像素数目。

一种视频成像系统中背光式场景的自动曝光补偿装置，包括用于采集光学系统图像的图像采集器，所述图像采集器通过A/D转换器与图像处理器相连，图像处理器通过曝光逻辑控制模块与图像采集器相连；图像处理器内包括图像统计器及背光模式检测补偿模块；

图像统计器统计后输出图像采集器采集图像的亮度平均值Y_ave、亮度偏差Y_std及曝光不足像素百分比P_under；背光模式检测补偿模块根据上述图像的亮度平均值Y_ave、亮度偏差Y_std计算得到判断参考值Y_ref＝Y_std/Y_ave，并将所述判断参考值Y_ref与预设的上阈值、下阈值进行比较，以判断光学系统是否处于背光场景；当光学系统处于背光场景时，背光模式检测补偿模块根据上述曝光不足像素百分比P_under计算曝光目标值，以根据曝光目标值对图像采集器采集的图像进行曝光补偿，通过图像/视频输出模块输出所需的图像；并将所述曝光目标值输入曝光逻辑控制模块，通过曝光逻辑控制模块调整图像采集器的曝光设置。

所述图像采集器包括CCD图像传感器或CMOS图像传感器。

本发明的优点：通过图像统计器统计后输出亮度平均值、Y_ave、亮度偏差Y_std及曝光不足像素百分比P_under；根据上述图像的亮度平均值Y_ave、亮度偏差Y_std计算得到判断参考值Y_ref，并通过判断参考值Y_ref与预设的上阈值、下阈值进行比较，以更好地判断图像采集器采集图像的场景状态，所述图像的场景状态为背光场景或正常场景；当图像采集器采集图像为背光场景时，根据上述曝光不足像素百分比P_under计算图像的曝光目标值，根据曝光目标值对图像进行曝光补偿，并使得图像采集器在所述曝光目标值下进行正常场景曝光采集图像；否则，图像采集器504进行正常场景采集图像。本发明操作简单方便，能提高曝光补偿的有效性及稳定性，适应范围广。

附图说明

图1为现有背光式场景的曝光补偿流程图。

图2为本发明图像统计器的示意图。

图3为本发明的流程图。

图4为本发明背光场景中背光补充流程图。

图5为本发明的结构框图。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，为现有自动曝光补偿流程100的流程图，其中，现有的自动化曝光控制技术是基于测量的图像亮度平均值，通过比较这些平均值来获得预设的静态目标值亮度。具体为：从步骤102开始，图像亮度平均值Y_ave是通过图像统计器200来测量的，然后在步骤104中，将图像亮度平均值Y_ave与预设的静态目标值进行比较；这种检测是一种阀值触发器。也就是说，图像统计器200一帧接一帧地统计检测数据，一旦统计数据偏离静态目标值的相应程度时，曝光控制开始启动；所述偏离程度通过预设的大阈值、小阈值进行度量控制。

具体来说，步骤104决定了已测量的亮度平均值和目标值亮度之间的差异绝对值是否大于预设大阀值。如果没有大于该阀值，那么对当前的取景不进行曝光调整，现有自动曝光补偿流程100会继续通过步骤110来进行下一个取景。相反，如果通过步骤104，确定了在测得的亮度平均值Y_ave和目标值亮度之间存在很大的差值，那么现有自动曝光补偿流程100会进行到步骤106的自动曝光控制，来计算曝光调整的大小和方向（增减）。步骤108会将步骤106中的每一项调整后测得的亮度平均值Y_ave与预设的小阀值进行比较。在步骤108，如果新的亮度平均值Y_ave和目标值亮度的差异绝对值大于预设小阀值，那么实施方法100会进行到步骤106自动曝光来进一步调整曝光。如果新的亮度平均值Y_ave和目标值亮度的差异绝对值小于或等于预设小阀值时，现有自动曝光补偿流程100会进行到步骤110来进行下一个取景。也就是说，当前的亮度平均值Y_ave如果在一个稳定区域值之间波动，那么对当前的取景没有必要进行曝光调整。此种场景的曝光补偿通常会造成背景过于明亮而主体偏暗的曝光异常情况，因此需要进一步改进自动曝光补偿方法。

本发明背光式场景的自动曝光补偿方法包括如下步骤：

a、通过图像采集器504采集所需的图像，并将所述图像输入图像统计器200内，通过图像统计器200统计后输出图像的亮度平均值Y_ave、亮度偏差Y_std及曝光不足像素百分比P_under；

b、根据上述图像的亮度平均值Y_ave、亮度偏差Y_std计算得到判断参考值Y_ref＝Y_std/Y_ave，并将所述判断参考值Y_ref与预设的上阈值、下阈值进行比较，以判断图像采集器504采集图像的场景状态，所述图像的场景状态为背光场景或正常场景；

c、当图像采集器504采集图像为背光场景时，根据上述曝光不足像素百分比P_under计算图像的曝光目标值，根据曝光目标值对图像进行曝光补偿，并使得图像采集器504在所述曝光目标值下进行正常场景曝光采集图像；否则，图像采集器504进行正常场景采集图像。

下面通过具体分析来描述本发明的自动曝光补偿方法：

如图2所示：为本发明在当前取景时，图像统计器200会操作步骤202接收每一个像素的亮度值。红、绿、蓝三色的亮度值的计算使用如下公式：亮度值=0.586*绿光+0.301*红光+0.113*蓝光。在步骤204，针对每一幅图像，用箱柜值（binnumber）和对应的像素数来表征来构建亮度直方图。为了便于进行数字化处理，首先要进行的就是像素亮度值的量化。本发明实施例中，在使用8位进行量化之后，图像亮度可以为0到255，总共256个亮度等级。在进行亮度值量化之后，把一个或者连续几个亮度等级定义为箱柜（bin），每一个箱柜值用符号n来标识。每一个箱柜中所包含的亮度等级数目是均匀的。也就是说，所有的亮度级别都是平均分配给若干个箱柜的。例如，如果8位的量化使用了256个箱柜，即n=0～255，也就是说每一个箱柜值包含一个亮度级别，箱柜值即是相应的亮度级别编号。

图像统计器200中在步骤204中的简略亮度直方图里有3个数据需要计算。第一个统计数据是亮度平均值Y_ave的计算，即像素亮度值的总和除以样本像素数目。亮度平均值在步骤206，以公式

来计算的。在此公式中，n代表箱柜值（像素亮度级别），p[n]是该箱柜编号中的像素数目。第二个统计数据是亮度偏差Y_std，在步骤208中，用如下公式能计算得到，具体为： $Y_{\mathrm{std}}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{n=0}^{255}|n-Y_{\mathrm{ave}}|*p\left[n\right]}{{\mathrm{\Σ}}_{n=0}^{255}p\left[n\right]}$ 计算。

在本发明实施例中，把

的比率作为是否背光场景的主要衡量值，即Y_ref＝Y_std/Y_ave为判断参考值。以Y_ref＝Y_std/Y_ave用来衡量图像场景的亮度对比度情况，场景对比度指的是场景中亮度色调范围的大小，高对比度的场景意味着场景亮度色调范围大，亮度偏差显著，而背光式场景则很好地符合了高对比度场景的特征，所以Y_ref＝Y_std/Y_ave比率高则表示背光的可能性很大。

第三个统计数据是曝光不足像素百分比值P_under，它是在步骤210中，按照公式P_under＝N_under/N_total来计算的，其中，N_total是图像的所有采样像素数目，N_under是曝光不足的采样像素数目。曝光不足的像素是指其亮度值小于一定的亮度级别（DarkBin Threshold暗箱柜阈值），在步骤204的亮度直方图中，我们用虚线标记出了这一亮度级别。曝光不足像素百分比值P_under是被用来在背光模式检测补偿模块400中的自适应性曝光目标值的计算的。图像统计器200为图像处理领域常规的统计手段，为本技术领域人员所熟知，此处不再详述。

如图3所示：根据实施方法300，有两个预定义的阀值，上阈值和下阈值，用来检测背光场景和进入/退出背光补偿模式。下阈值总小于上阈值，上阈值及下阈值根据需要进行设置。

在步骤304，图像的亮度平均值Y_ave和亮度偏差值Y_std从图像统计器200获取。然后参考判断值Y_ref＝Y_std/Y_ave会在步骤304与上阈值相比较。如果参考判断值Y_ref＝Y_std/Y_ave值大于上阈值，实施方法300会进入到步骤310，在步骤310，当前取景的背光模式状态会被设为真，而且会计算出一个所需的新的曝光目标值。如果在步骤304，判断判断值Y_ref不大于上阈值，实施方法300就会继续到步骤306。

在步骤306，如果Y_ref值不大于下阈值，实施方法300会继续到步骤312。在步骤306，如果Y_ref值大于下阈值，实施方法300会继续到步骤308。

在步骤308，上一取景的背光模式状态会从储存器读出，而且会被用作当前取景的进一步判断。在步骤308，如果上一取景的背光模式状态显示为真，就是说，上一取景的场景是背光，曝光模式是背光补偿模式，实施方法300则停留在310。在步骤308，如果上一取景的背光模式状态显示为假，就是说，前一取景的场景为正常场景，曝光模式为正常曝光模式，实施方法300会继续到步骤312；通过步骤314进行下一个取景步骤，其中步骤312及314为正常曝光。

在步骤310，当前取景的背光模式状态显示设为真，曝光模式为背光补偿模式400，如图表4所示。在步骤312，当前取景的背光模式状态显示设为假时，就表示目前不是背光场景。

图4是本发明中背光场景下背光补偿模式400的流程示意图。根据实施方法300，在步骤308和/或步骤304之后，如果图像统计数据符合背光检测的标准，实施方法300会被设为背光补偿模式400。根据背光补偿模式400，背光图像402的曝光不足像素百分比步骤404中的曝光不足像素百分比P_under由图像统计器200计算得出，而且这个百分比会被应用到步骤406中。在步骤406中，一个适应性曝光目标值会被计算得出，这个曝光目标值依赖于曝光不足像素的百分比。越大的曝光不足像素百分比意味着检测到的背光图像的适当曝光需要越大的曝光补偿。从步骤406中的适应性曝光目标值的计算曲线中可以看出，适应性曝光目标值TG_adaptive通过P∈(P1,P2)来计算得出；其中步骤406中，P1、P2和TG₀、TG_max是来优化计算曲线的预设变量；P1为第一曝光不足像素百分比，P2为第二曝光不足像素百分比，TG₀为曝光最小值，TG_max为曝光最大值，曝光不足像素百分比与曝光目标值可以构成近似线性关系，所述线性关系符合现有视频成像系统的规律。当得到曝光不足像素百分比P_under后，能够得到所需的曝光目标值，通过曝光目标值对当前图形进行补偿，并对图像采集器504进行调整控制。

在为检测到的背光图像402计算出适应性曝光目标值之后，实施方法400继续到步骤408，在步骤408中以所需的曝光目标值进行正常的曝光。

图5是本发明的系统装置示意图。本发明包括用于采集光学系统502图像的图像采集器504，所述图像采集器504通过A/D转换器506与图像处理器508相连，图像处理器508通过曝光逻辑控制模块510与图像采集器504相连；图像处理器508内包括图像统计器200及背光模式检测补偿模块；光学系统502为常规的光学成像系统，光学系统502的作用及结构为本技术领域人员所熟知，此处不再详述。

场景中物体通过光学系统502在图像传感器504上成像。图像传感器504可以是CCD图像传感器，也可以是CMOS图像传感器。图像传感器504把光学信号处理成电压模拟信号，随后的模拟数字转换器A/D转换器506将图像传感器504的输出信号转换成数字信号，以便随后的图像处理器508进行进一步的处理。图像处理器508包括一些必要的图像信号处理，比如，白平衡，色彩插值，锐化处理，色彩校正，和去噪等处理。在本发明实施例中，更重要的是图像处理器508包括两个重要的模块：图像统计器200和背光模式检测和补偿模块。

针对不同的场景，所述场景包括背光场景和正常场景，图像统计器200统计后输出图像采集器504采集图像的亮度平均值Y_ave、亮度偏差Y_std及曝光不足像素百分比P_under；背光模式检测补偿模块根据上述图像的亮度平均值Y_ave、亮度偏差Y_std计算得到判断参考值Y_ref＝Y_std/Y_ave，并将所述判断参考值Y_ref与预设的上阈值、下阈值进行比较，以判断光学系统502否为背光场景；当光学系统502为背光场景，背光模式检测补偿模块根据上述曝光不足像素百分比P_under计算曝光目标值，以根据曝光目标值对图像采集器504采集的图像进行曝光补偿，通过图像/视频输出模块512输出所需的图像；并将所述曝光目标值输入曝光逻辑控制模块510，通过曝光逻辑控制模块510调整图像采集器504的曝光设置，所述曝光设置包括光圈大小、快门时间等，以通过光圈大小，快门时间等来控制图像传感器504来达到最优化的场景曝光。

本发明通过图像统计器200统计后输出亮度平均值、Y_ave、亮度偏差Y_std及曝光不足像素百分比P_under；根据上述图像的亮度平均值Y_ave、亮度偏差Y_std计算得到判断参考值Y_ref，并通过判断参考值Y_ref与预设的上阈值、下阈值进行比较，以更好地判断断图像采集器504采集图像的场景状态，所述图像的场景状态为背光场景或正常场景；当图像采集器504采集图像为背光场景时，根据上述曝光不足像素百分比P_under计算图像的曝光目标值，根据曝光目标值对图像进行曝光补偿，并使得图像采集器504在所述曝光目标值下进行正常场景曝光采集图像；否则，图像采集器504进行正常场景采集图像。本发明操作简单方便，能提高曝光补偿的有效性及稳定性，适应范围广。

Claims (8)

1.一种视频成像系统中背光式场景的自动曝光补偿方法，其特征是：所述自动曝光补偿方法包括如下步骤：

（a）、通过图像采集器（504）采集所需的图像，并将所述图像输入图像统计器（200）内，通过图像统计器（200）统计后输出图像的亮度平均值Y_ave、亮度偏差Y_std及曝光不足像素百分比P_under；

（b）、根据上述图像的亮度平均值Y_ave、亮度偏差Y_std计算得到判断参考值Y_ref＝Y_std/Y_ave，并将所述判断参考值Y_ref与预设的上阈值、下阈值进行比较，以判断图像采集器（504）采集图像的场景状态，所述图像的场景状态为背光场景或正常场景；

（c）、当图像采集器（504）采集图像为背光场景时，根据上述曝光不足像素百分比P_under计算图像的曝光目标值，根据曝光目标值对图像进行曝光补偿，并使得图像采集器（504）在所述曝光目标值下进行正常场景曝光采集图像；否则，图像采集器（504）进行正常场景采集图像。

2.根据权利要求1所述的视频成像系统中背光式场景的自动曝光补偿方法，其特征是，所述步骤（b）中，包括如下步骤：

（b1）、当判断参考值Y_ref大于预设的上阈值时，则图像采集器（504）采集图像的场景为背光场景；

（b2）、当判断参考值Y_ref小于预设的上阈值，且判断参考值Y_ref大于预设的下阈值，且当视频成像系统的上一取景为背光场景时，则图像采集器（504）采集图像的场景为背光场景；其中，下阈值小于上阈值。

3.根据权利要求1所述的视频成像系统中背光式场景的自动曝光补偿方法，其特征是：所述图像统计器（200）内利用图像亮度直方图统计后输出图像的亮度平均值Y_ave、亮度偏差Y_std及曝光不足像素百分比P_under，图像亮度直方图的纵坐标为像素数目，图像亮度直方图的横坐标为亮度级别对应的箱柜值。

4.根据权利要求1所述的视频成像系统中背光式场景的自动曝光补偿方法，其特征是：所述图像的亮度平均值Y_ave为

$Y_{\mathrm{ave}}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{n=0}^{255}n*p\left[n\right]}{{\mathrm{\Σ}}_{n=0}^{255}p\left[n\right]}$

其中，n为箱柜值，p[n]是所述箱柜编号中的像素数目。

5.根据权利要求1所述的视频成像系统中背光式场景的自动曝光补偿方法，其特征是：所述亮度偏差Y_std为

$Y_{\mathrm{std}}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{n=0}^{255}|n-Y_{\mathrm{ave}}|*p\left[n\right]}{{\mathrm{\Σ}}_{n=0}^{255}p\left[n\right]}$

其中，n为箱柜值，p[n]是所述箱柜编号中的像素数目，图像的亮度平均值Y_ave。

6.根据权利要求1所述的视频成像系统中背光式场景的自动曝光补偿方法，其特征是：所述曝光不足像素百分比P_under为：

P_under＝N_under/N_total；

其中，N_total是图像的所有采样像素数目，N_under是曝光不足的采样像素数目。

7.一种视频成像系统中背光式场景的自动曝光补偿装置，其特征是：包括用于采集光学系统（502）图像的图像采集器（504），所述图像采集器（504）通过A/D转换器（506）与图像处理器（508）相连，图像处理器（508）通过曝光逻辑控制模块（510）与图像采集器（504）相连；图像处理器（508）内包括图像统计器（200）及背光模式检测补偿模块；

图像统计器（200）统计后输出图像采集器（504）采集图像的亮度平均值Y_ave、亮度偏差Y_std及曝光不足像素百分比P_under；背光模式检测补偿模块根据上述图像的亮度平均值Y_ave、亮度偏差Y_std计算得到判断参考值Y_ref＝Y_std/Y_ave，并将所述判断参考值Y_ref与预设的上阈值、下阈值进行比较，以判断光学系统（502）是否处于背光场景；当光学系统（502）处于背光场景时，背光模式检测补偿模块根据上述曝光不足像素百分比P_under计算曝光目标值，以根据曝光目标值对图像采集器（504）采集的图像进行曝光补偿，通过图像/视频输出模块（512）输出所需的图像；并将所述曝光目标值输入曝光逻辑控制模块（510），通过曝光逻辑控制模块（510）调整图像采集器（504）的曝光设置。

8.根据权利要求7所述视频成像系统中背光式场景的自动曝光补偿装置，其特征是：所述图像采集器（504）包括CCD图像传感器或CMOS图像传感器。

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