CN103354600A - 一种带有减光调节的摄像机曝光调节方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种带有减光调节的摄像机曝光调节方法及对应装置，其中该方法包括：计算当前图像的整体亮度curY_A；如果curY_A大于预设的Y_exp，判断摄像机的内置控制参数是否已经调整到了下限，如果否，则调整摄像机内置参数以降低curY_A；如果是，进一步判断减光滤片是否使能，如果使能则返回，如果没有使能则将减光滤片使能；如果curY_A小于Y_exp，判断摄像机的内置控制参数是否已经调整到了上限，如果否，则调整摄像机内置参数以提升curY_A，如果是，则进一步判断curY_A是否大于预设的Y_exp′；如果大于则返回，如果不大于则将减光滤片去使能。相对于现有技术，本发明实现更广范围的曝光调节，保证摄像机在各种复杂环境下仍然能够取得较好的图像采集表现。

Description

一种带有减光调节的摄像机曝光调节方法及装置

技术领域

本发明涉及视频监控领域，尤其涉及一种带有减光调节的摄像机曝光调节方法及装置。

背景技术

在交通体系的监控系统，智能交通摄像机有着广泛的应用，智能交通摄像机的主用作用是有效地进行卡口和交通违章的捕获。这一类型摄像机通常采用固定安装方式，即摄像机的安装高度、位置、方向、角度均为固定的，从而采集的图像中的场景也是计算的。对摄像机的图像采集而言，随着一天阳光照射角度的不同，以及高低纬度在不同季节的阳光强弱差异，会使整幅图像在一天中出现强顺光或强逆光，即导致采集到的图像中场景过亮、车辆过亮、车辆过暗、车牌区域无法辨别，影响智能交通应用关注信息的辨别和采集，从而导致整个系统在相应时段无法使用。

请参考表1，以我国云南冬季中某一天的光照情况为例，表1记录了由东向西方向和由西向东方向上两台摄像机在24小时内不同时间段上的光照情况。从表1中可以看到由东向西方向的摄像机在上午会有一些轻微顺光现象，而下午则会出现逆光现象；而由西向东方向的摄像机则刚好相反，上午会有些逆光现象，到下午顺光现象会逐步增强。

表1

针对上述情况，一种常见的解决方案是在镜头前方加装固定偏振镜，应用偏振镜对光通过率的损失，达到图像减光的目的，用于改善顺光场景下采集图像的品质。然而偏振镜的主要作用是滤除偏振光，使用偏振镜减光时可能产生色彩的偏差，造成图像色彩失真。同时偏振镜固定在镜头前会使夜间采集的图像更暗，影响夜间采集的图像效果和车辆等信息的辨识。

另一种解决方案是通过宽动态技术来改善逆光环境下的效果，即通过两次曝光的方式：一次曝光时间短，其目标是尽可能使亮区（环境）的亮度趋向期望目标；另一次曝光时间长，其目标是使暗区（如车尾）的亮度尽可能的趋向期望目标。然后两次曝光结果叠加，获取到亮度适中的整体图像。两次曝光在智能交通的应用中并不可取，因为智能交通的场景是持续变化（车辆运动）的，两次曝光的时间差会使车辆产生位移，从而最终合成的图片中关键的车辆车牌会变得更模糊，影响后续车牌定位、车牌识别等智能算法的运算结果。此外，在顺光环境下，如果最小快门下图像亮度仍然超过目标亮度，则此方法不能解决顺光问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种摄像机曝光调节装置，应用于摄像机上，该装置包括亮度计算单元、前置判断单元、参数调整单元以及减光控制单元；其中：

亮度计算单元，用于计算当前图像的整体亮度curY_A；

前置判断单元，用于判断curY_A与预设的第一期望图像整体亮度Y_exp的大小关系，如果curY_A大于或小于Y_exp，转参数调整单元处理，

参数调整单元，用于在curY_A大于Y_exp时，判断摄像机的内置控制参数是否已经调整到了下限，如果否，则调整摄像机内置参数以降低curY_A；如果是，进一步判断减光滤片是否使能，如果使能则返回，如果没有使能则通知减光控制单元将减光滤片使能；

其中该做参数调整单元进一步用于在curY_A小于Y_exp时，判断摄像机的内置控制参数是否已经调整到了上限，如果否，则调整摄像机内置参数以提升curY_A，如果是，则进一步判断curY_A是否大于预设的第二期望图像整体亮度Y_exp′；如果大于则返回，如果不大于则通知减光控制单元将减光滤片去使能；

减光控制单元，用于根据参数调整单元的通知将减光滤片使能或去使能。

本发明还提供一种摄像机曝光调节方法，应用于摄像机上，该方法包括以下步骤：

步骤A、计算当前图像的整体亮度curY_A；

步骤B、判断curY_A与预设的第一期望图像整体亮度Y_exp的大小关系，如果curY_A大于Y_exp，转步骤C；如果curY_A小于Y_exp，转步骤D；

步骤C、判断摄像机的内置控制参数是否已经调整到了下限，如果否，则调整摄像机内置参数以降低curY_A；如果是，进一步判断减光滤片是否使能，如果使能则返回，如果没有使能则将减光滤片使能；

步骤D、判断摄像机的内置控制参数是否已经调整到了上限，如果否，则调整摄像机内置参数以提升curY_A，如果是，则进一步判断curY_A是否大于预设的第二期望图像整体亮度Y_exp′；如果大于则返回，如果不大于则将减光滤片去使能。

相对于现有技术，本发明能够动态地根据外部光照环境的变化来合理地控制减光镜使能以及摄像机的内置控制参数，实现更广范围的曝光调节，保证摄像机在各种复杂环境下仍然能够取得较好的图像采集表现，很大程度上避免了现有技术中过曝或者曝光不足而引发的车辆车牌无法识别等问题。

附图说明

图1是本发明一种实施方式中摄像机曝光调节装置的逻辑结构及硬件环境示意图。

图2是本发明一种实施方式中图像带有指定区域的示意图。

图3是本发明一种实施方式中摄像机曝光调节方法的处理流程图。

具体实施方式

本发明在本申请人提出减光镜（也可称为“减光滤片”）自动切换技术的基础上提出一种摄像机曝光调节解决方案。摄像机前的各种滤片的自动切换技术可参考本申请人先前提出的中国专利申请第2012205643916号。请参考图1，以软件实现为例，本发明提出一种带有减光调节的摄像机曝光调节装置，该装置运行于摄像机内部，其硬件环境可以包括CPU、内存、非易失存储器以及编解码芯片等各种硬件。从逻辑层面来说，该装置包括亮度计算单元、前置判断单元、参数调整单元以及减光控制单元。请参考图2以及图3，该装置在运行过程中执行如下处理流程。

步骤101，亮度计算单元计算当前图像的整体亮度curY_A以及指定区域亮度curY_B；

步骤102，前置判断单元判断curY_A与预设的第一期望图像整体亮度Y_exp的大小关系，如果curY_A等于Y_exp，则返回，如果curY_A大于Y_exp转步骤103，如果curY_A小于Y_exp转步骤107；

步骤103，参数调整单元判断摄像机内置控制参数是否已经调整到下限，如果否，则调整摄像机内置参数以降低curY_A；如果是，进一步判断减光滤片是否使能，如果是则返回，否则通知减光控制单元将减光滤片使能；

步骤104，减光控制单元根据参数调整单元的通知将减光滤片使能，并根据curY_A以及curY_B使用预设算法确定当前场景是逆光场景还是顺光场景，如果是逆光场景，转步骤105；如果是顺光场景，转步骤106；

步骤105，减光控制单元提升摄像机的曝光补偿；

步骤106，减光控制单元降低摄像机的曝光补偿；

步骤107，参数调整单元判断摄像机内置控制参数是否已经调整到上限，如果否，则调整摄像机内置参数以提升curY_A；如果是，进一步判断curY_A是否大于预设的第二期望图像整体亮度Y_exp′，如果大于则返回，如果不大于则转步骤108；

步骤108，参数调整单元进一步判断减光滤片是否使能，如果否，则返回；如果是则通知减光控制单元将减光滤片去使能；

步骤109，减光控制单元将所述减光滤片去使能并恢复曝光补偿。

在本发明中，整个控制过程优先使用摄像机的内置控制参数进行调整，典型的内置控制参数有快门以及增益。若要提升亮度，通常可以通过增大快门或提高增益的方式来实现；值得注意的是，普通摄像机快门的可调整范围通常比较大，而监控摄像机由于其拍摄的目标很多都是移动目标（比如车辆），因此其快门可调整的上限通常会比较小，比如说快门的最大值Shutter_max可能只有4ms，当然不同规格的摄像机Shutter_max的数值不尽相同。在优选的方式中，整个调整过程可采用快门优先的方式，即先通过调节快门的方式提升采集图像的亮度，在快门达到最长快门仍无法满足期望亮度时，才去提升增益。增益的调节主要在夜间场景使用，因为提升增益时通常会引入噪点，因此增益的调节通常是在亮度和噪点之间选择平衡点。若要降低亮度，通常可以通过减小快门或者降低增益的方式来实现，先降低增益，如果在降低增益到最小时仍无法满足期望亮度时，再减小快门。

在对curY_A进行调整之前，首先要计算出curY_A。图像整体亮度的计算方法有很多种，本领域普通技术人员可根据实际需要选择合适的算法。请参考图2所示，本发明中，对两个区域的亮度进行计算，其中curY_A表示整个图像（后续以A表示）的亮度，而curY_B则表示指定区域（后续以B表示）图像的亮度，这个指定区域通常是用户比较关心的区域，比如说图像中车辆车牌出现的区域。以curY_A计算过程为例，其包括以下步骤：

步骤201，设定两个区域的测光权重值分别为weight_A和weight_B，对各个区域进行统计。以区域A为例，获取A区域的rSum、gSum、bSum统计值：

${\mathrm{rSum}}_A=\underset{i\∈A}{\mathrm{\Σ}}{R}_i*{\mathrm{weight}}_A;$

${\mathrm{gSum}}_A=\underset{i\∈A}{\mathrm{\Σ}}{G}_i*{\mathrm{weight}}_A;$

${\mathrm{bSum}}_A=\underset{i\∈A}{\mathrm{\Σ}}{B}_i*{\mathrm{weight}}_A;$

其中Ri、G_i、B_i分别表示A区域像素i的R分量值、G分量值和B分量值。

步骤202，计算区域整体权重WeightSum_A＝Weight_A*N（N为区域A内像素数）；

步骤203，计算得到当前帧图像中区域A的亮度：

totalY_A＝rSum_A*Y_r+gSum_A*Y_g+bSum_A*Y_b（Y_r、Y_g、Y_b为系数）

curY_A＝totalY_A+WeightSum_A＞＞1))/WeightSum_A，其中WeightSum_A＞＞1表示进行移位运算；事实上也可以采用WeightSum_A/2的计算方式来替代WeightSum_A＞＞1。

接下来可以计算一个基准快门，对于一帧图像的亮度，无论从主观视觉还是智能检测的要求上都有一个期望目标，通常这个亮度值为固定值Y_exp。在一种优选的方式中，随着周围环境亮度的变化，可以根据以下公式计算得到当前帧期望快门：Shutter_cur＝Y_exp*γ/Light_env*2^/6其中，Light_env表示当前环境光照度，而Shutter_cur则是后续调整的基础。其中γ表示光电转化系数。

根据curY_A与Y_exp之间的关系可以对Shutter_cur或增益等内置控制参数进行适当的调整，如果curY_A大于Y_exp，则说明图像的亮度过高了，需要调整摄像机内置控制参数来降低curY_A，相反curY_A小于Y_exp，则说明图像整体亮度过低，需要调整内置控制参数来提升curY_A。整个控制的目标是使得curY_A更加趋近于Y_exp。如前所述，考虑到监控摄像机拍摄的对象通常是移动目标，摄像机通常会采用快门优先的模式，因此当快门的调整没有达到极限的时候，优先调整快门。对于快门的调整可以以Shutter_cur为基础进行加大或者减小，当然范围不能超过最小快门值Shutter_min与最大快门值Shutter_max这两个极限值。

当curY_A大于Y_exp的时候，由于采用快门优先的方式，因此首先尝试保持快门，优先降低增益，如果降低增益可以使得curY_A趋近于Y_exp，那么对增益进行调整即可。但是如果增益达到下限值仍然无法实现curY_A趋近于Y_exp，再调整快门。如果调整快门可以使得curY_A趋近于Y_exp，那么减小快门即可。但是如果快门调整到下限仍然无法满足要求，此时需要引入减光滤片。如果减光滤片没有使能，那么此时使能减光滤片可以进一步降低curY_A。如此一来可以使得curY_A趋近于Y_exp。如果减光滤片已经使能，说明减光滤片在之前图像曝光调整的过程中已经被使能，也就是说在减光滤片使能且内部控制参数调整到极限的情况下，依然无法将curY_A调整到趋近Y_exp，此时可以结束调整。

对于减光滤片的使能可以参考本申请人先前提出的中国专利申请第2012205643916号的实现方案，当然本发明并不排除其他实现方案。在优选的方式中，在使能减光滤片的时候，还可以进一步考虑当前是顺光场景还是逆光场景，通常这两种场景的出现才会引发curY_A过大而需要使能减光滤片的结果。在交通监控应用中，由于一个重要的目标是为了看清楚车牌，因此除了保证curY_A趋近于Y_exp，还需要保证指定区域的图像更加清晰。为了这一目标，本发明在优选的方式中，在确定需要使能减光滤片时，还需同时判断当前场景是顺光场景还是逆光场景。如果curY_A小于curY_B，则确定为顺光场景，如果curY_A大于curY_B，则确定为逆光场景。对于顺光场景，使能减光滤片的同时还需要降低曝光补偿，避免指定区域过曝，因为此时指定区域的亮度curY_B比图像整体亮度curY_A要大。对于逆光场景，使能减光滤片的同时还需要提高曝光补偿，避免指定区域曝光不足，因为此时指定区域的亮度curY_B比图像整体亮度curY_A要小。

事实上，减光滤片一旦使能之后，如果减光滤片减光效果较高的话，对于下一帧图像而言，其curY_A会有较大幅度的降低，随着时间的推移，当光外部光照发生变化，尤其是光照强度变低，比如从下午到傍晚这样的光照变化，此时会出现curY_A小于Y_exp的情况，对于这样的情况，则需要提高快门或增益来使得curY_A趋近于Y_exp。在优选的方式中，可以优先调整快门，快门调整到上限后再调整增益。如果快门和增益调整到极限之后，还不能使得curY_A趋近于Y_exp，在优选方式中，此时要考虑是不是减光滤片的原因导致亮度下降幅度过大的，同时也需要考虑不要频繁切换减光滤片。在本发明实施例中，在相机内置控制参数向上调整到极限的情况下，需要先判断curY_A是否大于预设的第二期望图像整体亮度Y_exp′（通常比Y_exp小），如果curY_A大于Y_exp′，说明当前亮度还是可以接受的。如果curY_A小于Y_exp′，说明亮度太低了，图像的品质可能是无法接受的，此时需要检查是否因为此前使用了减光滤片导致的，如果减光滤片已经使能，则需要将其去使能，同时将曝光补偿恢复。一旦curY_A小于Y_exp′，通常说明当前场景不再是顺光或者逆光场景，因此此前的曝光补偿的提升或降低需要恢复到正常水平。当然如果减光滤片没有使能，说明外界光照环境确实很不理想，结束当前处理流程。

从以上的描述中可以看出，本发明能够将摄像机的内置控制参数调整以及减光滤片的使能相结合以更低的成本实现更广范围的曝光调节。在优选的方式中还能根据场景的不同来选择不同的曝光补偿。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种带有减光调节的摄像机曝光调节装置，应用于摄像机上，该装置包括亮度计算单元、前置判断单元、参数调整单元以及减光控制单元；其特征在于：

亮度计算单元，用于计算当前图像的整体亮度curY_A；

前置判断单元，用于判断curY_A与预设的第一期望图像整体亮度Y_exp的大小关系，如果curY_A大于或小于Y_exp，转参数调整单元处理，

参数调整单元，用于在curY_A大于Y_exp时，判断摄像机的内置控制参数是否已经调整到了下限，如果否，则调整摄像机内置参数以降低curY_A；如果是，进一步判断减光滤片是否使能，如果使能则返回，如果没有使能则通知减光控制单元将减光滤片使能；

其中该参数调整单元进一步用于在curY_A小于Y_exp时，判断摄像机的内置控制参数是否已经调整到了上限，如果否，则调整摄像机内置参数以提升curY_A，如果是，则进一步判断curY_A是否大于预设的第二期望图像整体亮度Y_exp′；如果大于则返回，如果不大于则通知减光控制单元将减光滤片去使能；

减光控制单元，用于根据参数调整单元的通知将减光滤片使能或去使能。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述减光控制单元，进一步用于在将减光滤片使能时，判断当前场景为顺光场景还是逆光场景，如果是顺光场景则降低摄像机的曝光补偿；如果是逆光场景，则提升摄像机的曝光补偿。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述亮度计算单元，进一步用于计算当前图像的指定区域亮度curY_B；所述减光控制单元进一步用于在curY_A大于curY_B时，确定当前场景为逆光场景，在curY_A小于curY_B时，确定当前场景为顺光场景。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述减光控制单元进一步用于在将减光镜片去使能时，恢复摄像机的曝光补偿。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述摄像机的内置控制参数包括快门以及增益，其中所述参数调整单元在调整控制参数时采用快门优先的方式进行调整。

6.一种带有减光调节的摄像机曝光调节方法，应用于摄像机上，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤A、计算当前图像的整体亮度curY_A；

步骤B、判断curY_A与预设的第一期望图像整体亮度Y_exp的大小关系，如果curY_A大于Y_exp，转步骤C；如果curY_A小于Y_exp，转步骤D；

步骤C、判断摄像机的内置控制参数是否已经调整到了下限，如果否，则调整摄像机内置参数以降低curY_A；如果是，进一步判断减光滤片是否使能，如果使能则返回，如果没有使能则将减光滤片使能；

步骤D、判断摄像机的内置控制参数是否已经调整到了上限，如果否，则调整摄像机内置参数以提升curY_A，如果是，则进一步判断curY_A是否大于预设的第二期望图像整体亮度Y_exp′；如果大于则结束，如果不大于则将减光滤片去使能。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括：

步骤E、在将减光滤片使能时，判断当前场景为顺光场景还是逆光场景，如果是顺光场景则降低摄像机的曝光补偿；如果是逆光场景，则提升摄像机的曝光补偿。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于：所述步骤A进一步包括：

计算指定区域的亮度curY_B；

所述步骤E判断当前场景的方法具体为：

在curY_A大于curY_B时，确定当前场景为逆光场景，在curY_A小于curY_B时，确定当前场景为顺光场景。

9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括：

步骤F、在将减光镜片去使能时，恢复摄像机的曝光补偿。

10.如权利要求6所述的方法，其特征在于：所述摄像机的内置控制参数包括快门以及增益，其中调整控制参数时采用快门优先的方式进行调整。

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