CN104320593B

CN104320593B - 一种数码摄像装置自动曝光控制方法

Info

Publication number: CN104320593B
Application number: CN201410661079.2A
Authority: CN
Inventors: 张葵阳
Original assignee: Hunan Goke Microelectronics Co Ltd
Current assignee: Shandong Dai Microelectronics Co.,Ltd.
Priority date: 2014-11-19
Filing date: 2014-11-19
Publication date: 2016-02-24
Anticipated expiration: 2034-11-19
Also published as: CN104320593A

Abstract

本发明公开了一种数码摄像装置自动曝光控制方法，选择数码摄像装置的摄像应用场景对应的分块统计亮度权重模型、该摄像应用场景目标帧图像的目标亮度和该摄像应用场景对应的曝光曲线，分块计算当前图像的亮度，然后计算整个图像的平均亮度，根据平均亮度确定环境测光补偿系数，并将当前帧图像亮度和目标亮度之间的差值DeltaBv作为调整条件，确定下一帧曝光的曝光时间和光圈值。本发明根据不同场景，不同采集目标自适应调整不同权重系数的方法来进行图像亮度估计，能更好地表现出实际应用中的摄像场景；本发明在不增加软硬件成本情况下，通过简单的计算，实现了自动曝光的精确控制，能有效提高摄像质量。

Description

一种数码摄像装置自动曝光控制方法

技术领域

本发明涉及一种数码摄像装置自动曝光控制方法。

背景技术

自动曝光影响摄像装置获取的图像视频的基本亮度信息，是稍次于解像力的重要性能指标，因此对自动曝光控制方法的研究有着重要的现实意义和市场价值。

摄像装置采集的图像视频的亮度主要是由以下几个因素决定的：sensor（传感器）硬件的模拟，数字电路放大因子，被sensor捕获的光通量，以及曝光持续时间。用一个简单的量化公式可以描述如下：

Ev=Av+Tv=Bv+Sv–Cv（1）

其中Av代表摄像装置的光圈对图像的影响，Tv代表快门速度也就是曝光时间。Bv是指图像的亮度度量。Sv是sensor器件的模拟，数字电路放大因子。Cv代表当前环境光对Ev的影响补偿，也可以认为是个人偏好。

上述公式也可以改写如下：

Ev–Sv+Cv=Bv

或者

Av+Tv–Sv+Cv=Bv

由上式可得，当Sv不发生变化时候，Bv的当前帧亮度与目标帧亮度取决于Av和Tv的组合。如上式Sv不变，Cv可以预知（对于数码相机，可以认为设定）的情况。

在摄像系统中自动曝光系统可以分为2个部分，测光部分和曝光控制部分。测光部分又主要包含2项内容，环境光的测量和当前采集图像数据的亮度估计。这2部分会影响到理论公式的Cv和Bv部分。

曝光控制部分是实现当前视频图像亮度与期望的视频图像亮度不一致时采取措施使两者的差异逐渐收敛消失的过程。该部分的主要理论依据是

Ev=Av+Tv

对Ev的调整可以通过Av和Tv来实现，但如何实现才能得到更好的图像视频质量是图像采集装置必须考虑的问题。

现有的自动曝光控制技术在准确控制方面不能满足多个场景的变化，而摄像装置的应用范围非常大，并且现存的自动曝光控制算法在目标亮度和当前亮度出现差异的情况下，大多是根据设计者的喜好来选择EV的调整方向和特性，缺乏对sensor和镜头特性的考虑。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种数码摄像装置自动曝光控制方法，实现自动曝光的精确控制，从而提高摄像质量。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种数码摄像装置自动曝光控制方法，包括以下步骤：

1）选择数码摄像装置的摄像应用场景对应的分块统计亮度权重模型、该摄像应用场景目标帧图像的目标亮度和该摄像应用场景对应的曝光曲线；

2）数码摄像装置采集图像，将采集的图像分成M×N个小块；

3）当采用bayer模式采集图像时，根据下式计算每个小块的亮度SumLinY：SumLinY=∑Gi；当采用yuv模式采集图像时，根据下式计算每个小块的亮度SumLinY：SumLinY=∑Yi；其中，Gi为bayer模式下图像小块中绿分量的亮度值；Yi为yuv模式下图像小块中y分量的亮度值；

4）根据下式计算步骤2）中采集的图像的整体平均亮度B：

B=[∑（（SumLinY/count_i）*Wi）]/∑Wi；

其中，count为第i个图像小块的绿分量像素个数或者y分量像素个数；Wi为第i个图像小块的权重系数；

5）根据上述平均亮度B选择所采集的当前帧图像的环境测光补偿系数Cv1；

6）根据下式计算当前帧图像亮度和目标亮度之间的差值DeltaBv：DeltaBv=DeltaEv+DeltaCv；其中，DeltaEv=Ev1-Ev2；DeltaCv=Cv1-Cv2；Cv2为根据目标亮度选择的目标帧图像的环境测光补偿系数；Cv1为当前帧图像的曝光补偿亮度；Cv2为目标帧图像的曝光补偿亮度；由此可见，目标亮度和当前亮度之间的差异主要可以由DeltaEv（也就是光圈和曝光时间的改变）的改变来控制和修正，这也是曝光控制的基本理论基础。

7）在所述曝光曲线上找到当前曝光点，以DeltaEv的正负确定移动方向，以DeltaEv绝对值大小为移动距离，移动当前曝光点，将移动后的曝光点对应的曝光时间和光圈值作为下一帧曝光的控制参数，以此调整数码摄像装置的控制参数；

8）按照步骤7）中获得的曝光时间和光圈值驱动数码摄像装置，采集下一帧图像，得到下一帧图像后，将下一帧图像作为当前帧图像，重复步骤2）～步骤7），直到目标亮度和当前帧图像亮度的差值收敛到小于阈值r，自动曝光过程收敛稳定终止；当目标亮度和当前帧亮度的差值大于阈值r=10的时候，自动曝光过程重新启动，返回步骤1）。

所述步骤7）中，若DeltaBv<10，则不调整曝光时间和光圈值；若≥10，进入步骤8），当前帧图像亮度和目标亮度的差值在10内可以不做调整或者暂缓调整，以防画面剧烈抖动。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明根据不同场景，不同采集目标自适应调整不同权重系数的方法来进行图像亮度估计，能更好地表现出实际应用中的摄像场景；本发明在不增加软硬件成本情况下，通过简单的计算，实现了自动曝光的精确控制，能有效提高摄像质量。

附图说明

图1为曝光曲线示意图；

图2为本发明方法流程图。

具体实施方式

如图2所示，本发明步骤如下：

1）：选择摄像应用场景模式(运动型，监控型，中心拍照型等)对应的分块统计亮度的权重模型。对应不同的场景，权重模型有多种，也可以设计扩展。本发明一般推荐有如下几种（但不限于）：

0,0,0,0,0,0,0,0,

0,0,0,1,1,0,0,0,

0,0,1,3,3,1,0,0,

0,0,0,1,1,0,0,0,

0,0,0,0,0,0,0,0,

（1）

1,1,1,1,1,1,1,1,

（2）

1,1,1,1,1,1,1,1,

1,1,1,2,2,1,1,1,

1,1,2,2,2,2,1,1,

2,3,4,4,4,4,3,2,

3,4,5,6,6,5,4,3,

（3）

2）在开始采集图像时候，硬件发出帧同步信号触发，摄像机sensor开始采集数据（称为raw数据），并把这种raw数据送进isp模块，isp模块一般经过简单的处理或者不处理（这取决于图像采集的硬件设备），就进入自动曝光处理流程的当前帧亮度估计模块。把该raw图像分成MxN块，对每一块采用相同的亮度计算公式，对bayer模式与yuv模式，需要考虑对应的亮度模型，并确保得到线性的亮度估计值。

2.1）对raw图像的平均亮度估计有很多种方法，本发明采用如下策略，当输入为bayer格式时，选择其中的的绿分量作为图像的整体亮度估计。当输入为yuv模式，采用y分量作为亮度估计模型。并且当把图像分为mxn分片时候，每一片的像素个数可以认为是已知的。也就是说对应SumLinY，算法知道累加的像素个数。

其算式为：SumLinY=∑Gi；或者SumLinY=∑Yi；

3）对每一个图像块计算得到的亮度数值，按照不同的场景模型，选择不同的权重系数（如1）中场景所选），通过不同的权重系数计算图像整体的平均亮度，称之为当前亮度。

算式如下：

B=[∑（（Bi/count）*Wi）]/∑Wi；

其中：B为计算结果，最终的当前raw图像平均亮度。

Bi为mxn分片的第i块SumLinY。

Count为第i分块的linY像素个数。

Wi为该分块对应的权重系数。

4）根据3）计算所得的平均亮度估计环境测光Ev补偿系数，一般有（-5/3，

-4/3，-1,-2/3,-1/3,0,1/3,2/3,1,4/3,5/3）。曝光补偿就是有意识地变更相机自动演算出的“合适”曝光参数，让照片更明亮或者更昏暗的拍摄手法。拍摄者可以根据自己的想法调节照片的明暗程度，创造出独特的视觉效果等。

5）根据应用场景得到该场景的目标亮度。

6）根据当前sensor的ISO以及Ev补偿系数计算

Ev=Bv-Cv+Sv

以及需要调整的DeltaEv。

推导如下：

当前帧的曝光等式：Ev1+Cv1-Sv1=Bv1当前亮度

目标帧的曝光等式：Ev2+Cv2-Sv2=Bv2目标亮度

二者相减，可得

Bv1-Bv2=（Ev1+Cv1-Sv1）-（Ev2+Cv2-Sv2）

DeltaBv=DeltaEv+DeltaCv

上式中Bv为当前图像平均亮度和目标亮度。Cv为需要的曝光补偿亮度。所谓的Delta是指当前帧和目标帧的差值。通常情况下数字增益Sv在一定环境下不会经常改变。因此可得DeltaEv。

7）根据1）中场景模型选择的当前场景对应的曝光曲线。假设选定的曲线如图1所示作为曝光曲线。

7.1）根据6）的结果，在上图蓝色曲线上先找到当前的曝光点，然后移动DeltaEv。根据DeltaEv的正负和大小，在蓝色线上沿线正向或者负向移动，移动的多少则有DeltaEv和图1的单位决定，移动到指定位置后，则曝光曲线上的该点即为下一帧曝光的控制参数，从而完成一次自动曝光控制。

7.2）在实际工程应用中，目标亮度和当前亮度之间的差值可以根据经验来设定一个比较适当的变化范围和调节精度。

本发明中，根据经验对当前值的上下变化范围限定在64倍之间，向上64倍增强，向下64倍减弱，这样基本覆盖了可能的亮度范围。本发明中把向上或者向下的64倍的可能差值细分为768步，形成一个Ev差值索引表。当自动曝光流程每一帧计算到一个deltaEv时候，如果需要调整（见8），则根据deltaEv，查找Ev差值索引表最接近的索引值（见7.3），这一步相当于在曝光曲线上找到下一帧的曝光参数，从而达到精确控制的自动曝光目的。

7.3）针对6）中得到的DeltaEv在7.2）中查找到的步长索引，可以通过曝光曲线上找到对应的点，或者在搜索表中到最接近的光圈值和曝光时间值，从而达到精确控制的自动曝光目的，对于光圈和曝光时间的刻度可仿照传统的曝光标定方法进行。

8）曝光控制过程中的缓冲措施，可以设定一个预设的变化比例（例如DeltaBv是否小于10），当前亮度和目标亮度的差值在此范围内可以不做调整或者暂缓调整，以防画面剧烈抖动。

Claims

1.一种数码摄像装置自动曝光控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

2）数码摄像装置采集图像，将采集的图像分成M×N个小块；

4）根据下式计算步骤2）中采集的图像的整体平均亮度B：

B=[∑（（SumLinY/count_i）*Wi）]/∑Wi；

5）根据上述平均亮度B选择所采集的当前帧图像的环境测光补偿系数Ev1；

6）根据下式计算当前帧图像亮度和目标亮度之间的差值DeltaBv：DeltaBv=DeltaEv+DeltaCv；其中，DeltaEv=Ev1-Ev2；DeltaCv=Cv1-Cv2；Ev2为根据目标亮度选择的目标帧图像的环境测光补偿系数；Cv1为当前帧图像的曝光补偿亮度；Cv2为目标帧图像的曝光补偿亮度；

8）按照步骤7）中获得的曝光时间和光圈值驱动数码摄像装置，采集下一帧图像，得到下一帧图像后，将下一帧图像作为当前帧图像，重复步骤2）～步骤7），直到目标亮度和当前帧图像亮度的差值收敛到小于阈值r，自动曝光过程收敛稳定终止；当目标亮度和当前帧亮度的差值大于阈值r的时候，自动曝光过程重新启动，返回步骤1）。

2.根据权利要求1所述的数码摄像装置自动曝光控制方法，其特征在于，所述步骤7）中，若DeltaBv<10，则不调整曝光时间和光圈值；若≥10，进入步骤8）。

3.根据权利要求1或2所述的数码摄像装置自动曝光控制方法，其特征在于，所述步骤8）中，阈值r=10。