CN104243835A - 一种自动光圈的控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种自动光圈的控制方法，包括：设置自动光圈的目标亮度值；采集当前时刻的图像，计算当前时刻采集图像的亮度值；比较所述目标亮度值和所述当前时刻采集图像的亮度值，得到二者的差值作为当前时刻亮度差值；比较所述当前时刻亮度差值的绝对值与预设的亮度差阈值的关系，判断当前时刻自动光圈的状态，采用相应的PID算法计算当前时刻的直流控制电压；根据计算得到的直流控制电压，调整自动光圈动作。本发明实施例还提供一种自动光圈的控制系统。采用本发明实施例能够实现对自动光圈镜头的自动校准，降低时间、人力成本；同时还能解决光圈驱动控制电路的静态偏移和动态漂移的问题，提高光圈的控制精度。

Description

一种自动光圈的控制方法及系统

技术领域

本发明涉及光圈控制技术领域，特别是涉及一种自动光圈的控制方法及系统。

背景技术

摄像机镜头的自动光圈用于通过调整镜头中光圈叶片间小孔的大小来控制进光量，从而实现在不同光照条件下得到曝光适度的影像。

目前，比较常用的自动光圈控制方法主要为直流驱动方法，通过控制输出直流驱动电压的大小来控制自动光圈的打开和闭合。具体的，现有直流驱动方法可以包括：预先设定初始驱动电压值，通过采集图像Y/C分量数据，计算当前亮度与目标亮度之间的差值，根据该亮度差值计算得到所需的直流驱动电压，调整自动光圈的打开与闭合。

但是，现有的自动光圈控制方法的缺点在于：目前市面上带自动光圈的镜头种类很多，各个型号与品牌的自动光圈镜头的直流驱动电压、光圈的线圈阻尼系数、光圈叶片的惯性系数等参数存在差异。现有技术的方法很难实现对不同型号与品牌的自动光圈镜头的自动校准，往往需要人为参与光圈控制参数的校准。由此使得，对自动光圈的校准所需时间较长、投入人力成本较大。

同时，由于光圈驱动控制电路自身容易受外界环境温度、器件特性差异、光圈阻尼变化等因素影响，导致光圈的直流驱动电压发生静态偏移和动态漂移，并进而导致在出厂时设置的人工校准参数失效，使得控制精度下降。但是，现有技术的方法并不能解决上述光圈驱动控制电路的静态偏移和动态漂移的问题。

发明内容

本发明提供了一种自动光圈的控制方法及系统，能够实现对自动光圈镜头的自动校准，降低时间、人力成本；同时还能解决光圈驱动控制电路的静态偏移和动态漂移的问题，提高光圈的控制精度。

第一方面，提供一种自动光圈的控制方法，所述方法包括：

设置自动光圈的目标亮度值；

采集当前时刻的图像，计算得到当前时刻采集图像的亮度值；

比较所述目标亮度值和所述当前时刻采集图像的亮度值，得到二者的差值作为当前时刻亮度差值；

比较所述当前时刻亮度差值的绝对值与预设的亮度差阈值的关系，判断当前时刻所述自动光圈的状态，采用相应的PID算法计算当前时刻的直流控制电压；

根据计算得到的直流控制电压，调整所述自动光圈动作。

在第一方面的第一种可能的实现方式中，所述计算得到当前时刻采集图像的亮度值包括：

采样当前时刻采集的图像中每个像素的亮度值，采用下式计算所述图像中所有像素的亮度值的平均值，得到所述当前时刻采集图像的亮度值；

$Y_t=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{Y}_{\mathrm{ij}}}{n\×m}$

其中，Yt为当前时刻采集图像的亮度值；Yij为当前时刻采集的图像中每个像素的亮度值；m为所述图像横向包括的像素个数，n为所述图像纵向包括的像素个数；n、m均为自然数。

在第一方面的第二种可能的实现方式中，所述计算得到当前时刻采集图像的亮度值包括：

采样当前时刻采集的图像中每个像素的亮度值，选择所述图像的中心区域，采用下式计算所述图像的中心区域包括的像素的亮度值的平均值，得到所述当前时刻采集图像的亮度值Yt；

$Y_t=\frac{\underset{i=a}{\overset{b}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=c}{\overset{d}{\mathrm{\Σ}}}{Y}_{\mathrm{ij}}}{(b-a+1)(d-c+1)}$

其中，Yt为当前时刻采集图像的亮度值；Yij为当前时刻采集的图像中每个像素的亮度值；a为中心区域的起始横坐标值，b为中心区域的终止横坐标值，c为中心区域的起始纵坐标值，d为中心区域终止纵坐标值；a、b、c、d均为自然数。

结合第一方面或第一方面的上述任一种可能的实现形式，在第一方面的第三种可能的实现形式中，所述比较所述当前时刻亮度差值的绝对值与预设的亮度差阈值的关系，判断当前时刻所述自动光圈的状态，采用相应的PID算法计算当前时刻的直流控制电压包括：

如果所述当前时刻亮度差值的绝对值大于所述预设的亮度差阈值，则采用位置式PID算法计算当前时刻的直流控制电压；

如果所述当前时刻亮度差值的绝对值小于等于所述预设的亮度差阈值，则采用增量式PID算法计算当前时刻的直流控制电压。

结合第一方面的第三种可能的实现形式，在第一方面的第四种可能的实现形式中，所述采用位置式PID算法计算当前时刻的直流控制电压包括：

V_t=K_p×E_t+K_i×I_t+K_d×D_t+V_t-1

其中，Vt为当前时刻的直流控制电压；Et为当前时刻亮度差值；It为当前时刻差值的累计误差积分量；Dt为二阶差值的微分量；具体的，

$I_t=\underset{k=0}{\overset{t}{\mathrm{\Σ}}}{E}_k$

D_t＝E_t-E_t-1

Kp为位置比例调节系数；Ki为位置积分调节系数；Kd为位置微分调节系数；Kp、Ki、Kd均为常数；t为当前时刻。

结合第一方面的第三种可能的实现形式，在第一方面的第五种可能的实现形式中，所述采用增量式PID算法计算当前时刻的直流控制电压包括：

V_t=K′_p×(E_t-E_t-1)+K′_i×E_t+K′_d×(E_t-2E_t-1+E_t-2)

其中，Vt为当前时刻的直流控制电压；Et为当前时刻亮度差值；Kp′为增量比例调节系数；Ki′为增量积分调节系数；Kd′为增量微分调节系数；Kp′、Ki′、Kd′均为常数；t为当前时刻。

第二方面，提供一种自动光圈的控制系统，所述系统包括：

目标亮度设置单元，用于设置自动光圈的目标亮度值；

当前亮度计算单元，用于采集当前时刻的图像，计算得到当前时刻采集图像的亮度值；

差值计算单元，用于比较所述目标亮度值和所述当前时刻采集图像的亮度值，得到二者的差值作为当前时刻亮度差值；

电压计算单元，用于比较所述当前时刻亮度差值的绝对值与预设的亮度差阈值的关系，判断当前时刻所述自动光圈的状态，采用相应的PID算法计算当前时刻的直流控制电压；

调整控制单元，用于根据计算得到的直流控制电压，调整所述自动光圈动作。

在第二方面的第一种可能的实现方式中，所述当前亮度计算单元包括：

采样子单元，用于采样当前时刻采集的图像中每个像素的亮度值；

第一亮度计算子单元，用于采用下式计算所述图像中所有像素的亮度值的平均值，得到所述当前时刻采集图像的亮度值；

$Y_t=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{Y}_{\mathrm{ij}}}{n\×m}$

其中，Yt为当前时刻采集图像的亮度值；Yij为当前时刻采集的图像中每个像素的亮度值；m为所述图像横向包括的像素个数，n为所述图像纵向包括的像素个数；n、m均为自然数。

在第二方面的第二种可能的实现方式中，所述当前亮度计算单元包括：

采样子单元，用于采样当前时刻采集的图像中每个像素的亮度值；

区域选择子单元，用于选择所述图像的中心区域；

第二亮度计算子单元，用于采用下式计算所述图像的中心区域包括的像素的亮度值的平均值，得到所述当前时刻采集图像的亮度值Yt；

$Y_t=\frac{\underset{i=a}{\overset{b}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=c}{\overset{d}{\mathrm{\Σ}}}{Y}_{\mathrm{ij}}}{(b-a+1)(d-c+1)}$

其中，Yt为当前时刻采集图像的亮度值；Yij为当前时刻采集的图像中每个像素的亮度值；a为中心区域的起始横坐标值，b为中心区域的终止横坐标值，c为中心区域的起始纵坐标值，d为中心区域终止纵坐标值；a、b、c、d均为自然数。

结合第二方面或第二方面的上述任一种可能的实现形式，在第二方面的第三种可能的实现形式中，所述电压计算单元包括：

第一电压计算子单元，用于如果所述当前时刻亮度差值的绝对值大于所述预设的亮度差阈值，则采用位置式PID算法计算当前时刻的直流控制电压；

第二电压计算子单元，用于如果所述当前时刻亮度差值的绝对值小于等于所述预设的亮度差阈值，则采用增量式PID算法计算当前时刻的直流控制电压。

结合第二方面的第三种可能的实现形式，在第二方面的第四种可能的实现形式中，所述第一电压计算子单元采用位置式PID算法计算当前时刻的直流控制电压包括：

V_t=K_p×E_t+K_i×I_t+K_d×D_t+V_t-1

其中，Vt为当前时刻的直流控制电压；Et为当前时刻亮度差值；It为当前时刻差值的累计误差积分量；Dt为二阶差值的微分量；具体的，

$I_t=\underset{k=0}{\overset{t}{\mathrm{\Σ}}}{E}_k$

D_t＝E_t-E_t-1

Kp为位置比例调节系数；Ki为位置积分调节系数；Kd为位置微分调节系数；Kp、Ki、Kd均为常数；t为当前时刻。

结合第二方面的第三种可能的实现形式，在第二方面的第五种可能的实现形式中，所述第二电压计算子单元采用增量式PID算法计算当前时刻的直流控制电压包括：

V_t=K′_p×(E_t-E_t-1)+K′_i×E_t+K′_d×(E_t-2E_t-1+E_t-2)

其中，Vt为当前时刻的直流控制电压；Et为当前时刻亮度差值；Kp′为增量比例调节系数；Ki′为增量积分调节系数；Kd′为增量微分调节系数；Kp′、Ki′、Kd′均为常数；t为当前时刻。

本发明实施例一所述方法，根据当前时刻亮度差值的绝对值与预设的亮度差阈值的关系，对当前时刻自动光圈的状态进行判断，根据所述自动光圈当前时刻的状态，采用相应的PID算法计算当前时刻所需的直流控制电压，调整所述自动光圈动作。由此实现了对自动光圈的全实时动态反馈控制，根据自动光圈的状态，采用相应的PID算法进行调整控制，可以实时修正因外界环境温度、器件特性差异、光圈阻尼变化等因素导致的静态偏移和动态漂移，提高自动光圈的控制精度。同时，本发明实施例所述方法，根据自动光圈的状态，采用PID算法进行自动调整，可以免去设备在更换镜头和改变电路器件等情况下的人工校准工作，降低自动光圈的调整时间，节省人力成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所述的自动光圈控制系统的典型应用场景图；

图2为本发明实施例一所述的自动光圈的控制方法流程图；

图3为本发明实施例二所述的自动光圈的控制方法流程图；

图4为平均亮度法的图像像素示意图；

图5为中心亮度法的图像像素示意图；

图6为采用位置式PID算法的控制曲线图；

图7为采用增量式PID算法的控制曲线图；

图8为本发明实施例的自动光圈的控制系统结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种自动光圈的控制方法及系统，能够实现对自动光圈镜头的自动校准，降低时间、人力成本；同时还能解决光圈的直流控制电压的静态偏移和动态漂移的问题，提高光圈的控制精度。

参照图1，为本发明实施例所述的自动光圈控制系统的典型应用场景图。如图1所示，外部光线经由设备的镜头100的镜片等光学结构进入设备，透过自动光圈200叶片间的小孔，在图像传感器300上成像。通过控制自动光圈200叶片间小孔的孔径大小可以控制外部光线的进光量。设备的处理器400负责采集图像传感器300上的图像，计算出图像当前的平均亮度，并将计算得到的平均亮度与目标亮度进行比较，计算出当前光圈是需要打开还是闭合，并给出对应的直流电压控制量，通过直流电压驱动单元500控制自动光圈200进行相应的动作。

需要说明的是，本发明实施例所述的自动光圈控制系统适用的设备可以包括：摄像机、数码照相机、医疗成像仪器或其他具有成像功能的仪器和设备。

参照图2，为本发明实施例一所述的自动光圈的控制方法流程图。如图2所示，所述方法包括以下步骤：

步骤S201：设置自动光圈的目标亮度值。

步骤S202：采集当前时刻的图像，计算得到当前时刻采集图像的亮度值。

步骤S203：比较所述目标亮度值和所述当前时刻采集图像的亮度值，得到二者的差值作为当前时刻亮度差值。

步骤S204：比较所述当前时刻亮度差值的绝对值与预设的亮度差阈值的关系，判断当前时刻所述自动光圈的状态，采用相应的PID（Proportion-Integral-Derivativecontroller，比例-积分-微分控制）算法计算当前时刻的直流控制电压。

步骤S205：根据所述当前时刻的直流控制电压，调整所述自动光圈动作。

本发明实施例一所述方法，根据当前时刻亮度差值的绝对值与预设的亮度差阈值的关系，对当前时刻自动光圈的状态进行判断，根据所述自动光圈当前时刻的状态，采用相应的PID算法计算当前时刻所需的直流控制电压，调整所述自动光圈动作。由此实现了对自动光圈的全实时动态反馈控制，根据自动光圈的状态，采用相应的PID算法进行调整控制，可以实时修正因外界环境温度、器件特性差异、光圈阻尼变化等因素导致的静态偏移和动态漂移，提高自动光圈的控制精度。同时，本发明实施例所述方法，根据自动光圈的状态，采用PID算法进行自动调整，可以免去设备在更换镜头和改变电路器件等情况下的人工校准工作，降低自动光圈的调整时间，节省人力成本。

参照图3，为本发明实施例二所述的自动光圈的控制方法流程图。如图3所示，所述方法包括以下步骤：

步骤S301：设备开机，进行初始化过程，为自动光圈的启动设置各项参数，其中包括：设置自动光圈的目标亮度值Ytag。

需要说明的是，所述自动光圈的启动参数可以包括：与所有自动光圈的镜头匹配的直流电压驱动量范围、直流驱动电压的初始值等。所述目标亮度Ytag的设定原则可以为：符合人体主观舒适度。当然，为自动光圈的启动设置各项参数属于本领域的公知技术，在此不再详述。

步骤S302：采集设备的图像传感器上当前时刻的图像，计算得到当前时刻采集图像的亮度值Yt。

具体的，外部光线经由设备的镜头的镜片等光学结构进入摄像机，透过自动光圈叶片间的小孔，在图像传感器上成像。通过采集图像传感器上的图像，并对采集得到的图像的亮度进行计算，可以得到当前时刻采集图像的亮度值Yt。

在实际应用中，计算所述当前时刻采集图像的亮度值Yt的方法有很多种，本发明实施例中以平均亮度法和中心亮度法为例对此进行介绍。

当采用平均亮度法时，所述计算得到当前时刻采集图像的亮度值Yt具体包括：采样当前时刻采集的图像中每个像素的亮度值Yij，按照公式（1）计算所述图像中所有像素的亮度值的平均值，得到所述当前时刻采集图像的亮度值Yt。

$Y_t=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{Y}_{\mathrm{ij}}}{n\×m}---\left(1\right)$

其中，Yij为当前时刻采集的图像中每个像素的亮度值；m为所述图像横向包括的像素个数，n为所述图像纵向包括的像素个数；n、m均为自然数。

参照图4，为平均亮度法的图像像素示意图。对从图像传感器采集得到的图像进行采样，得到该图像中每个像素的亮度值为Yij（i=1、2、···n，j-1、2、···m）。具体的，结合图4所示，该图像横向包括n行，每行包括m个像素；纵向包括m列，每列包括n各像素；整个图像上包括n×m个像素。每个像素的亮度值为Yij，按照公式（1）对该图像上的所有像素的亮度值求平均值，作为当前时刻采集图像的亮度值Yt。

当采用中心亮度法时，所述计算得到当前时刻采集图像的亮度值Yt具体包括：采样当前时刻采集的图像中每个像素的亮度值Yij，选择该图像的中心区域，按照公式（2）计算所述图像的中心区域包括的像素的亮度值的平均值，得到所述当前时刻采集图像的亮度值Yt。

$Y_t=\frac{\underset{i=a}{\overset{b}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=c}{\overset{d}{\mathrm{\Σ}}}{Y}_{\mathrm{ij}}}{(b-a+1)(d-c+1)}---\left(2\right)$

其中，Yij为当前时刻采集的图像中每个像素的亮度值；a为中心区域的起始横坐标值，b为中心区域的终止横坐标值，c为中心区域的起始纵坐标值，d为中心区域终止纵坐标值；a、b、c、d均为自然数。

参照图5，为中心亮度法的图像像素示意图。对从图像传感器采集得到的图像进行采样，得到该图像中每个像素的亮度值为Yij（i=1、2、···n，j-1、2、···m）。选择该图像的中心区域，具体的，该中心区域的像素的起始横坐标为a，终止横坐标为b，起始纵坐标为c，终止纵坐标为d，如图5所示。按照公式（2）对该图像上中心区域包括的像素的亮度值求平均值，作为当前时刻采集图像的亮度值Yt。

当然，以上仅仅是以平均亮度法和中心亮度法为例进行介绍。在实际应用中，任何与上述描述的计算所述当前时刻采集图像的亮度值Yt的方法具有相同功能的计算方法均可以用于本发明实施例，以实现相同的目的。

步骤S303：比较所述目标亮度值Ytag和所述当前时刻采集图像的亮度值Yt，得到二者的差值作为当前时刻亮度差值Et。

具体的，所述当前时刻亮度差值Et为：

E_t＝Y_tag-Y_t  （3）

步骤S304：比较所述当前时刻亮度差值的绝对值|Et|与预设的亮度差阈值Ethr的关系，判断当前时刻所述自动光圈的状态；当所述当前时刻亮度差值的绝对值|Et|大于预设的亮度差阈值Ethr时，进入步骤S305；当所述当前时刻亮度差值的绝对值|Et|小于等于预设的亮度差阈值Ethr时，进入步骤S306。

具体的，本发明实施例中，通过比较所述当前时刻亮度差值的绝对值|Et|与预设的亮度差阈值Ethr的关系，可以判断出当前时刻所述自动光圈的状态，例如，当所述当前时刻亮度差值的绝对值|Et|大于预设的亮度差阈值Ethr时，说明当前时刻亮度变化比较大，自动光圈处于大偏离阶段，需要进行快速的、大步进的调整；而当所述当前时刻亮度差值的绝对值|Et|小于等于预设的亮度差阈值Ethr时，说明当前时刻亮度变化较小，自动光圈处于小偏离阶段，需要进行微量的、细致的调节。因此，本发明实施例所述方法，根据自动光圈当前时刻的状态，采用相应的PID算法计算当前时刻的直流控制电压Vt，对自动光圈进行相应的调节控制，实现对自动光圈的全实时动态反馈控制。

步骤S305：采用位置式PID算法计算当前时刻的直流控制电压Vt，并进入步骤S307。

具体的，当所述当前时刻亮度差值的绝对值|Et|大于预设的亮度差阈值Ethr，则说明当前时刻图像的亮度变化比较大（例如摄像机处于开机启动时刻或者外界环境的亮度剧烈变化时刻等），此时，采用位置式PID算法计算当前时刻的直流控制电压Vt。

具体的，采用公式（4）所示的位置式PID算法计算当前时刻的直流控制电压Vt，其控制曲线可以如图6所示。其中，横坐标为时间t，左侧纵坐标为图像的亮度值Yt的数学量化值，右侧纵坐标为直流控制电压Vt的数学量化值。

V_t=K_p×E_t+K_i×I_t+K_d×D_t+V_t-1  （4）

其中，Kp为位置比例调节系数；Ki为位置积分调节系数；Kd为位置微分调节系数；Kp、Ki、Kd均为常数；t为当前时刻。

式（4）中，It为当前时刻差值的累计误差积分量；Dt为二阶差值的微分量；具体的，

$I_t=\underset{k=0}{\overset{t}{\mathrm{\Σ}}}{E}_k---\left(5\right)$

D_t＝E_t-E_t-1  （6）

需要说明的是，计算所述当前时刻亮度差值Et，是用于控制自动光圈向差值缩小的方向调整；计算所述当前时刻差值的累计误差积分量It，是用于控制光圈向累积误差为零的方向稳定；计算所述二阶差值的微分量，是用于预测自动光圈调整变化的趋势，抑制系统的超调量。

当所述当前时刻亮度差值的绝对值|Et|大于预设的亮度差阈值Ethr时，采用位置式PID算法的目的在于：能够使得计算得到的自动光圈的直流控制电压Vt向目标电压Vhold（其中，所述目标电压Vhold为所述目标亮度Ytag对应的电压值）逼近，从而可以通过调整自动光圈使得图像亮度快速向目标亮度值Ytag靠近，提高自动光圈的调整速度。由图5可知，采用位置式PID算法，图像的亮度值Yt很快的向目标亮度Ytag逼近，直流控制电压Yt也很快的向目标电压Vhold逼近，在亮度差值的绝对值|Et|小于等于预设的亮度差阈值Ethr时，进入增量式PID算法调整阶段。

步骤S306：采用增量式PID算法计算当前时刻的直流控制电压Vt，进入步骤S307。

具体的，所述当前时刻亮度差值的绝对值|Et|小于等于预设的亮度差阈值Ethr时，说明当前时刻图像的亮度变化较小（例如摄像机的自动光圈已经初步调整稳定或者外界环境的亮度变化较小等），此时，采用增量式PID算法计算当前时刻的直流控制电压Vt。

具体的，采用公式（7）所示的增量式PID算法计算当前时刻的直流控制电压Vt，其控制曲线可以入图7所示。其中，横坐标为时间t，左侧纵坐标为图像的亮度值Yt的数学量化值，右侧纵坐标为直流控制电压Vt的数学量化值。

V_t=K′_p×(E_t-E_t-1)+K′_i×E_t+K′_d×(E_t-2E_t-1+E_t-2)  （7）

其中，Kp′为增量比例调节系数；Ki′为增量积分调节系数；Kd′为增量微分调节系数；Kp′、Ki′、Kd′均为常数；t为当前时刻。

需要说明的是，采用增量式PID算法进行调整时：如果当前时刻图像的亮度值Yt保持在目标亮度Ytag，则自动光圈保持当前位置不做调整；如果当前时刻图像的亮度值Yt小于目标亮度Ytag，则自动光圈向打开的方向调整，亮度差值的绝对值|Et|越大，自动光圈打开的速度越快；如果当前时刻图像的亮度值Yt大于目标亮度Ytag，则自动光圈向关闭的方向调整，亮度差值的绝对值|Et|越大，自动光圈关闭的速度越快。

本发明实施例所述方法，根据当前时刻亮度差值的绝对值|Et|判断当前时刻所述自动光圈的状态，依据自动光圈的状态，采用相应的PID算法计算当前时刻的直流控制电压Vt。当图像的亮度差值的绝对值|Et|比较大时，采用位置式PID算法，使得图像亮度Yt迅速的向目标亮度Ytag逼近，自动光圈初步达到稳定；经过位置式PID算法的调整，自动光圈达到初步稳定时，所述图像的亮度差值的绝对值|Et|较小，此时适合采用增量式PID算法进行细致调整，这样有利于提高自动光圈的控制精度，抑制调整过程中出现的超调量，并克服调整震荡。

步骤S307：根据计算得到的当前时刻的直流控制电压Vt，调整所述自动光圈动作，经过一定时间（例如以时间T为周期）后，返回步骤S302，进行反复迭代调整，直至所述设备退出自动光圈调整的操作。

由于外界环境的亮度是时刻变化的，因此设备获取的图像的亮度也是时刻变化的，因此自动光圈的调整是一个周期往复的过程。

以时间T为周期，重复执行步骤S202至S205的操作，使得每个周期内，自动光圈都能够达到的稳定，图像亮度Yt稳定在目标亮度Ytag，实现自动光圈自动调整的目的，直到设备退出自动光圈调整的操作为止。具体的，前述步骤计算得到的是当前时刻（即为当期周期）输出的直流控制电压，用于在当前时刻调整自动光圈动作，影响自动光圈下一周期的状态和图像亮度。

本发明实施例二所述方法，根据当前时刻亮度差值的绝对值与预设的亮度差阈值的关系，对当前时刻自动光圈的状态进行判断，如果当前时刻亮度差值的绝对值较大，则采用位置式PID算法计算当前时刻所需的直流控制电压，如果当前时刻亮度差值的绝对值较小，则采用增量式PID算法计算当前时刻所需的直流控制电压，并根据不同PID算法得到的当前时刻所需的直流控制电压分别对当前时刻的自动光圈进行调整。由此实现了对自动光圈的全实时动态反馈控制，根据自动光圈的状态，采用相应的PID算法进行调整控制，可以实时修正因外界环境温度、器件特性差异、光圈阻尼变化等因素导致的静态偏移和动态漂移，提高自动光圈的控制精度。同时，本发明实施例所述方法，根据自动光圈的状态，采用PID算法进行自动调整，可以免去设备在更换镜头和改变电路器件等情况下的人工校准工作，降低自动光圈的调整时间，节省人力成本。

进一步的，本发明实施例二所述方法中采用的PID算法为二阶类控制算法，提高了自动光圈的控制精度，能够有效抑制自动光圈控制过度并克服震荡，提升自动光圈控制方法的适应性。

对应于本发明实施例提供的自动光圈的控制方法，本发明实施例还提供一种自动光圈的控制系统。参照图8，为本发明实施例的自动光圈的控制系统结构图。如图8所示，所述系统可以包括：目标亮度设置单元801、当前亮度计算单元802、差值计算单元803、电压计算单元804和调整控制单元805。

所述目标亮度设置单元801，用于设置自动光圈的目标亮度值。

所述当前亮度计算单元802，用于采集当前时刻的图像，计算得到当前时刻采集图像的亮度值。

所述差值计算单元803，用于比较所述目标亮度值和所述当前时刻采集图像的亮度值，得到二者的差值作为当前时刻亮度差值。

所述电压计算单元804，用于比较所述当前时刻亮度差值的绝对值与预设的亮度差阈值的关系，判断当前时刻所述自动光圈的状态，采用相应的PID算法计算当前时刻的直流控制电压。

所述调整控制单元805，用于根据计算得到的直流控制电压，调整所述自动光圈动作。

本发明实施例一所述系统，根据当前时刻亮度差值的绝对值与预设的亮度差阈值的关系，对当前时刻自动光圈的状态进行判断，根据所述自动光圈当前时刻的状态，采用相应的PID算法计算当前时刻所需的直流控制电压，调整所述自动光圈动作。由此实现了对自动光圈的全实时动态反馈控制，根据自动光圈的状态，采用相应的PID算法进行调整控制，可以实时修正因外界环境温度、器件特性差异、光圈阻尼变化等因素导致的静态偏移和动态漂移，提高自动光圈的控制精度。同时，本发明实施例所述系统，根据自动光圈的状态，采用PID算法进行自动调整，可以免去设备在更换镜头和改变电路器件等情况下的人工校准工作，降低自动光圈的调整时间，节省人力成本。

在实际应用中，所述当前亮度计算单元802计算所述当前时刻采集图像的亮度值Yt的方法有很多种，本发明实施例中以平均亮度法和中心亮度法为例对此进行介绍。

对于平均亮度法，所述当前亮度计算单元802可以包括：采样子单元和第一亮度计算子单元。

所述采样子单元，用于采样当前时刻采集的图像中每个像素的亮度值。

所述第一亮度计算子单元，用于采用下式计算所述图像中所有像素的亮度值的平均值，得到所述当前时刻采集图像的亮度值。

$Y_t=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{Y}_{\mathrm{ij}}}{n\×m}---\left(1\right)$

其中，Yt为当前时刻采集图像的亮度值；Yij为当前时刻采集的图像中每个像素的亮度值；m为所述图像横向包括的像素个数，n为所述图像纵向包括的像素个数；n、m均为自然数。

对于中心亮度法，所述当前亮度计算单元802可以包括：采样子单元、区域选择子单元和第二亮度计算子单元。

所述采样子单元，用于采样当前时刻采集的图像中每个像素的亮度值。

所述区域选择子单元，用于选择所述图像的中心区域。

所述第二亮度计算子单元，用于采用下式计算所述图像的中心区域包括的像素的亮度值的平均值，得到所述当前时刻采集图像的亮度值Yt；

$Y_t=\frac{\underset{i=a}{\overset{b}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=c}{\overset{d}{\mathrm{\Σ}}}{Y}_{\mathrm{ij}}}{(b-a+1)(d-c+1)}---\left(2\right)$

其中，Yt为当前时刻采集图像的亮度值；Yij为当前时刻采集的图像中每个像素的亮度值；a为中心区域的起始横坐标值，b为中心区域的终止横坐标值，c为中心区域的起始纵坐标值，d为中心区域终止纵坐标值；a、b、c、d均为自然数。

进一步的，本发明实施例中，所述电压计算单元804通过比较所述当前时刻亮度差值的绝对值|Et|与预设的亮度差阈值Ethr的关系，可以判断出当前时刻所述自动光圈的状态，例如，当所述当前时刻亮度差值的绝对值|Et|大于预设的亮度差阈值Ethr时，说明当前时刻亮度变化比较大，自动光圈处于不稳定阶段，需要进行大幅、迅速的调整；而当所述当前时刻亮度差值的绝对值|Et|小于等于预设的亮度差阈值Ethr时，说明当前时刻亮度变化较小，自动光圈处于初步稳定阶段，需要进行微量的、细致的调节。因此，本发明实施例所述系统，根据自动光圈当前时刻的状态，采用相应的PID算法计算当前时刻的直流控制电压Vt，对自动光圈进行相应的调节控制，实现对自动光圈的全实时动态反馈控制。

具体的，所述电压计算单元804包括：第一电压计算子单元和第二电压计算子单元。

所述第一电压计算子单元，用于如果所述当前时刻亮度差值的绝对值大于所述预设的亮度差阈值，则采用位置式PID算法计算当前时刻的直流控制电压。

所述第二电压计算子单元，用于如果所述当前时刻亮度差值的绝对值小于等于所述预设的亮度差阈值，则采用增量式PID算法计算当前时刻的直流控制电压。

优选的，所述第一电压计算子单元采用位置式PID算法计算当前时刻的直流控制电压具体可以包括：

V_t=K_p×E_t+K_i×I_t+K_d×D_t+V_t-1  （4）

其中，Vt为当前时刻的直流控制电压；Et为当前时刻亮度差值；It为当前时刻差值的累计误差积分量；Dt为二阶差值的微分量；具体的，

$I_t=\underset{k=0}{\overset{t}{\mathrm{\Σ}}}{E}_k---\left(5\right)$

D_t＝E_t-E_t-1  （6）

Kp为位置比例调节系数；Ki为位置积分调节系数；Kd为位置微分调节系数；Kp、Ki、Kd均为常数；t为当前时刻。

优选的，所述第二电压计算子单元采用增量式PID算法计算当前时刻的直流控制电压具体可以包括：

V_t=K′_p×(E_t-E_t-1)+K′_i×E_t+K′_d×(E_t-2E_t-1+E_t-2)  （7）

其中，Vt为当前时刻的直流控制电压；Et为当前时刻亮度差值；Kp′为增量比例调节系数；Ki′为增量积分调节系数；Kd′为增量微分调节系数；Kp′、Ki′、Kd′均为常数；t为当前时刻。

本发明实施例二所述系统，根据当前时刻亮度差值的绝对值与预设的亮度差阈值的关系，对当前时刻自动光圈的状态进行判断，如果当前时刻亮度差值的绝对值较大，则采用位置式PID算法计算当前时刻所需的直流控制电压，如果当前时刻亮度差值的绝对值较小，则采用增量式PID算法计算当前时刻所需的直流控制电压，并根据不同PID算法得到的当前时刻所需的直流控制电压分别对当前时刻的自动光圈进行调整。由此实现了对自动光圈的全实时动态反馈控制，根据自动光圈的状态，采用相应的PID算法进行调整控制，可以实时修正因外界环境温度、器件特性差异、光圈阻尼变化等因素导致的静态偏移和动态漂移，提高自动光圈的控制精度。同时，本发明实施例所述系统，根据自动光圈的状态，采用PID算法进行自动调整，可以免去设备在更换镜头和改变电路器件等情况下的人工校准工作，降低自动光圈的调整时间，节省人力成本。

进一步的，本发明实施例二所述系统中采用的PID算法为二阶类控制算法，提高了自动光圈的控制精度，能够有效抑制自动光圈控制过度并克服震荡，提升自动光圈控制方法的适应性。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）或处理器（processor）执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (12)

1.一种自动光圈的控制方法，其特征在于，所述方法包括：

设置自动光圈的目标亮度值；

采集当前时刻的图像，计算得到当前时刻采集图像的亮度值；

比较所述目标亮度值和所述当前时刻采集图像的亮度值，得到二者的差值作为当前时刻亮度差值；

比较所述当前时刻亮度差值的绝对值与预设的亮度差阈值的关系，判断当前时刻所述自动光圈的状态，采用相应的PID算法计算当前时刻的直流控制电压；

根据计算得到的直流控制电压，调整所述自动光圈动作。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算得到当前时刻采集图像的亮度值包括：

采样当前时刻采集的图像中每个像素的亮度值，采用下式计算所述图像中所有像素的亮度值的平均值，得到所述当前时刻采集图像的亮度值；

$Y_t=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{Y}_{\mathrm{ij}}}{n\×m}$

其中，Yt为当前时刻采集图像的亮度值；Yij为当前时刻采集的图像中每个像素的亮度值；m为所述图像横向包括的像素个数，n为所述图像纵向包括的像素个数；n、m均为自然数。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算得到当前时刻采集图像的亮度值包括：

采样当前时刻采集的图像中每个像素的亮度值，选择所述图像的中心区域，采用下式计算所述图像的中心区域包括的像素的亮度值的平均值，得到所述当前时刻采集图像的亮度值Yt；

$Y_t=\frac{\underset{i=a}{\overset{b}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=c}{\overset{d}{\mathrm{\Σ}}}{Y}_{\mathrm{ij}}}{(b-a+1)(d-c+1)}$

其中，Yt为当前时刻采集图像的亮度值；Yij为当前时刻采集的图像中每个像素的亮度值；a为中心区域的起始横坐标值，b为中心区域的终止横坐标值，c为中心区域的起始纵坐标值，d为中心区域终止纵坐标值；a、b、c、d均为自然数。

4.根据权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，所述比较所述当前时刻亮度差值的绝对值与预设的亮度差阈值的关系，判断当前时刻所述自动光圈的状态，采用相应的PID算法计算当前时刻的直流控制电压包括：

如果所述当前时刻亮度差值的绝对值大于所述预设的亮度差阈值，则采用位置式PID算法计算当前时刻的直流控制电压；

如果所述当前时刻亮度差值的绝对值小于等于所述预设的亮度差阈值，则采用增量式PID算法计算当前时刻的直流控制电压。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述采用位置式PID算法计算当前时刻的直流控制电压包括：

V_t=K_p×E_t+K_i×I_t+K_d×D_t+V_t-1

其中，Vt为当前时刻的直流控制电压；Et为当前时刻亮度差值；It为当前时刻差值的累计误差积分量；Dt为二阶差值的微分量；具体的，

$I_t=\underset{k=0}{\overset{t}{\mathrm{\Σ}}}{E}_k$

D_t＝E_t-E_t-1

Kp为位置比例调节系数；Ki为位置积分调节系数；Kd为位置微分调节系数；Kp、Ki、Kd均为常数；t为当前时刻。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述采用增量式PID算法计算当前时刻的直流控制电压包括：

V_t=K′_p×(E_t-E_t-1)+K′_i×E_t+K′_d×(E_t-2E_t-1+E_t-2)

其中，Vt为当前时刻的直流控制电压；Et为当前时刻亮度差值；Kp′为增量比例调节系数；Ki′为增量积分调节系数；Kd′为增量微分调节系数；Kp′、Ki′、Kd′均为常数；t为当前时刻。

7.一种自动光圈的控制系统，其特征在于，所述系统包括：

目标亮度设置单元，用于设置自动光圈的目标亮度值；

当前亮度计算单元，用于采集当前时刻的图像，计算得到当前时刻采集图像的亮度值；

差值计算单元，用于比较所述目标亮度值和所述当前时刻采集图像的亮度值，得到二者的差值作为当前时刻亮度差值；

电压计算单元，用于比较所述当前时刻亮度差值的绝对值与预设的亮度差阈值的关系，判断当前时刻所述自动光圈的状态，采用相应的PID算法计算当前时刻的直流控制电压；

调整控制单元，用于根据计算得到的直流控制电压，调整所述自动光圈动作。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述当前亮度计算单元包括：

采样子单元，用于采样当前时刻采集的图像中每个像素的亮度值；

第一亮度计算子单元，用于采用下式计算所述图像中所有像素的亮度值的平均值，得到所述当前时刻采集图像的亮度值；

$Y_t=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{Y}_{\mathrm{ij}}}{n\×m}$

其中，Yt为当前时刻采集图像的亮度值；Yij为当前时刻采集的图像中每个像素的亮度值；m为所述图像横向包括的像素个数，n为所述图像纵向包括的像素个数；n、m均为自然数。

9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述当前亮度计算单元包括：

采样子单元，用于采样当前时刻采集的图像中每个像素的亮度值；

区域选择子单元，用于选择所述图像的中心区域；

第二亮度计算子单元，用于采用下式计算所述图像的中心区域包括的像素的亮度值的平均值，得到所述当前时刻采集图像的亮度值Yt；

$Y_t=\frac{\underset{i=a}{\overset{b}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=c}{\overset{d}{\mathrm{\Σ}}}{Y}_{\mathrm{ij}}}{(b-a+1)(d-c+1)}$

其中，Yt为当前时刻采集图像的亮度值；Yij为当前时刻采集的图像中每个像素的亮度值；a为中心区域的起始横坐标值，b为中心区域的终止横坐标值，c为中心区域的起始纵坐标值，d为中心区域终止纵坐标值；a、b、c、d均为自然数。

10.根据权利要求8至9任一项所述的系统，其特征在于，所述电压计算单元包括：

第一电压计算子单元，用于如果所述当前时刻亮度差值的绝对值大于所述预设的亮度差阈值，则采用位置式PID算法计算当前时刻的直流控制电压；

第二电压计算子单元，用于如果所述当前时刻亮度差值的绝对值小于等于所述预设的亮度差阈值，则采用增量式PID算法计算当前时刻的直流控制电压。

11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述第一电压计算子单元采用位置式PID算法计算当前时刻的直流控制电压包括：

V_t=K_p×E_t+K_i×I_t+K_d×D_t+V_t-1

其中，Vt为当前时刻的直流控制电压；Et为当前时刻亮度差值；It为当前时刻差值的累计误差积分量；Dt为二阶差值的微分量；具体的，

$I_t=\underset{k=0}{\overset{t}{\mathrm{\Σ}}}{E}_k$

D_t＝E_t-E_t-1

Kp为位置比例调节系数；Ki为位置积分调节系数；Kd为位置微分调节系数；Kp、Ki、Kd均为常数；t为当前时刻。

12.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述第二电压计算子单元采用增量式PID算法计算当前时刻的直流控制电压包括：

V_t=K′_p×(E_t-E_t-1)+K′_i×E_t+K′_d×(E_t-2E_t-1+E_t-2)

其中，Vt为当前时刻的直流控制电压；Et为当前时刻亮度差值；Kp′为增量比例调节系数；Ki′为增量积分调节系数；Kd′为增量微分调节系数；Kp′、Ki′、Kd′均为常数；t为当前时刻。