CN104754240A - Cmos图像传感器自动曝光方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种CMOS图像传感器自动曝光方法及装置，在获取当前拍摄的图像后，计算图像的当前曝光量和目标亮度阈值，计算当前曝光量到目标亮度阈值之间需要调整的传感器曝光量并将其划分为2n+1个曝光量分段；依据每个分段的曝光量及该分段的奇偶性采用曝光时间和模拟增益交替调整的方式调整曝光量直至曝光量达到目标亮度阈值；如曝光时间和模拟增益均调整到最大值，曝光量仍未达到目标亮度阈值，则调整数字增益。本发明的有益技术效果是整合了快门优先自动曝光模式和增益优先自动曝光模式的优点，同时兼顾运动物体拍摄与低噪声水平的要求，有效的提高了CMOS图像传感器的拍摄质量。

Description

CMOS图像传感器自动曝光方法及装置

发明领域

本发明涉及CMOS图像传感器设计技术，尤其涉及一种适用于CMOS图像传感器的自动曝光装置及其算法。

背景技术

随着CMOS图像传感器（CMOS image sensor，简称为 CIS）标准工艺的不断进步，CIS的成像质量在不断的提升之后，已经可以与CCD媲美，同时凭借其高集成度、低功耗、低成本等优势，已在许多领域得以大范围应用。在CIS成像中，曝光是指在一定的时间内，将一定强度和数量的光信号转换成电信号的过程。曝光对图像质量的影响非常明显，曝光过度，会使得图像过亮，看起来像漂白过；而曝光不足，则会导致图像太暗，曝光不足与曝光过度均会引起图像细节的损失。曝光量是指影响图像亮度的光圈大小、曝光时间、模拟增益和数字增益的一个综合统计值。目标亮度是指图像最适合人眼要求的理想亮度。

CIS的自动曝光技术是指传感器计算当前图像的曝光量，通过调整像素单元的曝光时间、模拟增益和数字增益，从而调整传感器的曝光量，使得图像的亮度能够逐渐接近并达到目标亮度，从而满足人眼的视觉要求。其中，所述模拟增益是指前端模拟电路中可编程增益放大器的模拟增益，所述数字增益是指图像处理部分的数字增益。曝光时间的长短与图像亮度直接相关，在拍摄静止物体时，长曝光时间可增加图像曝光量，得到高亮度的图像。但是，在拍摄运动物体时，若曝光时间过长，且物体的运动速度较快，则会在一帧的曝光时间之内，由于物体的运动而形成阴影，降低图像质量。因此，为保证运动物体的拍摄质量，需要曝光时间尽可能短，即优先保证曝光时间，在此基础上，通过优先调整模拟增益从而调整曝光量（模拟增益调整到最大之后，图像亮度仍不够则再调整曝光时间），这种方法被称之为CMOS图像传感器自动曝光技术中快门优先的自动曝光模式。然而，调整可编程增益放大器的模拟增益，会带来一定的噪声，且增益越大噪声越大。因此，为了降低噪声，需要模拟增益尽可能低，即优先保证模拟增益，通过优先调整曝光时间从而调整曝光量（曝光时间调整到最大之后，图像亮度仍不够则再调整模拟增益），这种方法被称之为CMOS图像传感器自动曝光技术中增益优先的自动曝光模式。无论是快门优先自动曝光模式，或者是增益优先自动曝光模式，当曝光时间与模拟增益均调整到最大，但图像亮度仍然不能达到目标亮度时，则调整数字增益达到目标亮度。

现有技术CMOS图像传感器自动曝光方法，无论是快门优先自动曝光模式，还是增益优先自动曝光模式，均无法同时兼顾运动物体拍摄与低噪声水平。显然，现有技术CMOS图像传感器自动曝光方法存在着不能同时兼顾运动物体拍摄与低噪声水平的问题。

发明内容

为解决现有技术CMOS图像传感器自动曝光方法存在的不能同时兼顾运动物体拍摄与低噪声水平的问题，本发明提出一种CMOS图像传感器自动曝光方法及装置。本发明CMOS图像传感器自动曝光方法，在获取当前拍摄的图像后，计算图像的当前曝光量和目标亮度阈值，计算当前曝光量到目标亮度阈值之间需要调整的传感器曝光量并将其划分为2n+1个曝光量分段；依据每个分段的曝光量及该分段的奇偶性采用曝光时间和模拟增益交替调整的方式调整曝光量直至曝光量达到目标亮度阈值；如曝光时间和模拟增益均调整到最大值，曝光量仍未达到目标亮度阈值，则调整数字增益；其中，n为大于1的自然数，所述目标亮度阈值是指当前曝光条件下图像达到最适合人眼要求的理想亮度所需的最佳曝光量。

进一步的，本发明CMOS图像传感器自动曝光方法，依据每个分段的曝光量及该分段的奇偶性采用曝光时间和模拟增益交替调整的方式调整曝光量直至曝光量达到目标亮度阈值，包括，在奇数分段，即第1，3，5，…2n+1分段调整时，采用调整曝光时间的方式调整一个分段的曝光量，在偶数分段，即第2，4，6，…2n分段调整时，采用调整模拟增益的方式调整一个分段的曝光量；并在每次调整后拍摄图像，计算拍摄图像的曝光量并与目标亮度阈值进行比较，如果曝光量达到了目标亮度阈值，则停止调整；如果曝光量未达到目标亮度阈值，则进行下一次调整；直至曝光时间和模拟增益均调整到最大值。

进一步的，本发明CMOS图像传感器自动曝光方法，包括以下步骤；

S1、获取当前曝光的图像；

S2、计算图像的当前曝光量和目标亮度阈值；所述目标亮度阈值是指当前曝光条件下图像达到最适合人眼要求的理想亮度所需的最佳曝光量；

S3、计算当前曝光量到目标亮度阈值之间需要调整的传感器曝光量并将其划分为2n+1个曝光量分段；n为大于1的自然数；

S4、判断是否为奇数分段调整，即第是否为1，3，5，…2n+1分段调整，是则执行步骤S5，否则执行步骤S6

S5、采用调整曝光时间的方式调整一个分段的曝光量，执行步骤S7；

S6、采用调整模拟增益的方式调整一个分段的曝光量；

S7、再次曝光拍摄并获取图像；

S8、计算拍摄图像的当前曝光量；

S9、判断当前曝光量是否达到目标亮度阈值，是则执行步骤12，否则执行步骤S10；

S10、判断当前曝光时间和曝光量是否已经达到最大值，是则执行步骤S11，否则往复执行步骤S4；

S11、调整数字增益，往复执行步骤S7；

S12、结束调整。

本发明CMOS图像传感器自动曝光装置，包括，曝光量分段模块、曝光计算模块、阈值比较模块、调整模块和控制模块；其中，

曝光量分段模块能够计算当前曝光量到目标亮度阈值之间需要调整的传感器曝光量并将其划分为2n+1个曝光量分段；其中，n为大于1的自然数；

曝光计算模块能够在获取曝光的图像后，计算图像的当前曝光量和目标亮度阈值；所述目标亮度阈值是指当前曝光条件下图像达到最适合人眼要求的理想亮度所需的最佳曝光量；

阈值比较模块能够将图像的当前曝光量与目标亮度阈值进行比较，并判断图像的当前曝光量是否已经达到目标亮度阈值；

调整模块能够根据指令分别采用调整曝光时间、模拟增益或数字增益的方式调整传感器曝光量；

控制模块能够协调各个模块之间的操作和信息交互；包括，控制曝光量分段模块计算当前曝光量到目标亮度阈值之间需要调整的传感器曝光量并将其划分为2n+1个曝光量分段；对奇数分段的调整，控制调整模块调整曝光时间；对偶数分段的调整，控制调整模块调整模拟增益；在每次调整后再次曝光拍摄并获取图像，然后，控制曝光计算模块计算拍摄图像的拍摄曝光量，控制阈值比较模块判断图像的当前曝光量是否已经达到目标亮度阈值；如未达到，则控制调整模块再次进行调整；当曝光时间和模拟增益均达到最大值且图像曝光量未达到目标亮度阈值时，控制调整模块调整数字增益，直至达到目标亮度阈值。

本发明CMOS图像传感器自动曝光方法及装置的有益技术效果是整合了快门优先自动曝光模式和增益优先自动曝光模式的优点，同时兼顾运动物体拍摄与低噪声水平的要求，有效的提高了CMOS图像传感器的拍摄质量。

附图说明

附图1为本发明CMOS图像传感器自动曝光方法的步骤示意图；

附图2为本发明CMOS图像传感器自动曝光装置的结构示意图。

下面结合附图及具体实施例对本发明CMOS图像传感器自动曝光方法及装置作进一步的说明。

具体实施方式

本发明CMOS图像传感器自动曝光方法，在获取当前拍摄的图像后，计算图像的当前曝光量和目标亮度阈值，计算当前曝光量到目标亮度阈值之间需要调整的传感器曝光量并将其划分为2n+1个曝光量分段；依据每个分段的曝光量及该分段的奇偶性采用曝光时间和模拟增益交替调整的方式调整曝光量直至曝光量达到目标亮度阈值；如曝光时间和模拟增益均调整到最大值，曝光量仍未达到目标亮度阈值，则调整数字增益；其中，n为大于1的自然数，所述目标亮度阈值是指当前曝光条件下图像达到最适合人眼要求的理想亮度所需的最佳曝光量。

同时，本发明CMOS图像传感器自动曝光方法，依据每个分段的曝光量及该分段的奇偶性采用曝光时间和模拟增益交替调整的方式调整曝光量直至曝光量达到目标亮度阈值，包括，在奇数分段，即第1，3，5，…2n+1分段调整时，采用调整曝光时间的方式调整一个分段的曝光量，在偶数分段，即第2，4，6，…2n分段调整时，采用调整模拟增益的方式调整一个分段的曝光量；并在每次调整后拍摄图像，计算拍摄图像的曝光量并与目标亮度阈值进行比较，如果曝光量达到了目标亮度阈值，则停止调整；如果曝光量未达到目标亮度阈值，则进行下一次调整；直至曝光时间和模拟增益均调整到最大值。

附图1为本发明CMOS图像传感器自动曝光方法的步骤示意图，由图可知，本发明CMOS图像传感器自动曝光方法，包括以下步骤；

S1、获取当前曝光的图像；

S2、计算图像的当前曝光量和目标亮度阈值；所述目标亮度阈值是指当前曝光条件下图像达到最适合人眼要求的理想亮度所需的最佳曝光量；

S3、计算当前曝光量到目标亮度阈值之间需要调整的传感器曝光量并将其划分为2n+1个曝光量分段；n为大于1的自然数；

S4、判断是否为奇数分段调整，即第是否为1，3，5，…2n+1分段调整，是则执行步骤S5，否则执行步骤S6

S5、采用调整曝光时间的方式调整一个分段的曝光量，执行步骤S7；

S6、采用调整模拟增益的方式调整一个分段的曝光量；

S7、再次曝光拍摄并获取图像；

S8、计算拍摄图像的当前曝光量；

S9、判断当前曝光量是否达到目标亮度阈值，是则执行步骤12，否则执行步骤S10；

S10、判断当前曝光时间和曝光量是否已经达到最大值，是则执行步骤S11，否则往复执行步骤S4；

S11、调整数字增益，往复执行步骤S7；

S12、结束调整。

本发明CMOS图像传感器自动曝光装置，包括，曝光量分段模块、曝光计算模块、阈值比较模块、调整模块和控制模块；其中，

曝光量分段模块能够计算当前曝光量到目标亮度阈值之间需要调整的传感器曝光量并将其划分为2n+1个曝光量分段；其中，n为大于1的自然数；

曝光计算模块能够在获取曝光的图像后，计算图像的当前曝光量和目标亮度阈值；所述目标亮度阈值是指当前曝光条件下图像达到最适合人眼要求的理想亮度所需的最佳曝光量；

阈值比较模块能够将图像的当前曝光量与目标亮度阈值进行比较，并判断图像的当前曝光量是否已经达到目标亮度阈值；

调整模块能够根据指令分别采用调整曝光时间、模拟增益或数字增益的方式调整传感器曝光量；

控制模块能够协调各个模块之间的操作和信息交互；包括，控制曝光量分段模块计算当前曝光量到目标亮度阈值之间需要调整的传感器曝光量并将其划分为2n+1个曝光量分段；对奇数分段的调整，控制调整模块调整曝光时间；对偶数分段的调整，控制调整模块调整模拟增益；在每次调整后再次曝光拍摄并获取图像，然后，控制曝光计算模块计算拍摄图像的拍摄曝光量，控制阈值比较模块判断图像的当前曝光量是否已经达到目标亮度阈值；如未达到，则控制调整模块再次进行调整；当曝光时间和模拟增益均达到最大值且图像曝光量未达到目标亮度阈值时，控制调整模块调整数字增益，直至达到目标亮度阈值。

本发明CMOS图像传感器自动曝光方法及装置实质上是将当前曝光量到目标亮度阈值之间需要调整的传感器曝光量划分为2n+1个曝光量分段，采用调整曝光时间和模拟增益交替调整的方式逐段调整传感器的曝光量，即交替采用快门优先自动曝光模式或增益优先自动曝光模式对曝光量进行调整。并在每次调整后均拍摄图像并对图像的当前曝光量与目标亮度阈值进行比较，力争采用最少的曝光量调整达到最适合人眼要求的理想亮度所需的最佳曝光量，同时，兼顾运动物体拍摄与低噪声水平的拍摄的要求。

显然，本发明CMOS图像传感器自动曝光方法及装置的有益技术效果是整合了快门优先自动曝光模式和增益优先自动曝光模式的优点，同时兼顾运动物体拍摄与低噪声水平的要求，有效的提高了CMOS图像传感器的拍摄质量。

Claims (4)

1.一种CMOS图像传感器自动曝光方法，其特征在于，在获取当前拍摄的图像后，计算图像的当前曝光量和目标亮度阈值，计算当前曝光量到目标亮度阈值之间需要调整的传感器曝光量并将其划分为2n+1个曝光量分段；依据每个分段的曝光量及该分段的奇偶性采用曝光时间和模拟增益交替调整的方式调整曝光量直至曝光量达到目标亮度阈值；如曝光时间和模拟增益均调整到最大值，曝光量仍未达到目标亮度阈值，则调整数字增益；其中，n为大于1的自然数，所述目标亮度阈值是指当前曝光条件下图像达到最适合人眼要求的理想亮度所需的最佳曝光量。

2.根据权利要求1所述CMOS图像传感器自动曝光方法，其特征在于，依据每个分段的曝光量及该分段的奇偶性采用曝光时间和模拟增益交替调整的方式调整曝光量直至曝光量达到目标亮度阈值，包括，在奇数分段，即第1，3，5，…2n+1分段调整时，采用调整曝光时间的方式调整一个分段的曝光量，在偶数分段，即第2，4，6，…2n分段调整时，采用调整模拟增益的方式调整一个分段的曝光量；并在每次调整后拍摄图像，计算拍摄图像的曝光量并与目标亮度阈值进行比较，如果曝光量达到了目标亮度阈值，则停止调整；如果曝光量未达到目标亮度阈值，则进行下一次调整；直至曝光时间和模拟增益均调整到最大值。

3.根据权利要求1所述CMOS图像传感器自动曝光方法，其特征在于，该方法包括以下步骤；

S1、获取当前曝光的图像；

S2、计算图像的当前曝光量和目标亮度阈值；所述目标亮度阈值是指当前曝光条件下图像达到最适合人眼要求的理想亮度所需的最佳曝光量；

S3、计算当前曝光量到目标亮度阈值之间需要调整的传感器曝光量并将其划分为2n+1个曝光量分段；n为大于1的自然数；

S4、判断是否为奇数分段调整，即第是否为1，3，5，…2n+1分段调整，是则执行步骤S5，否则执行步骤S6

S5、采用调整曝光时间的方式调整一个分段的曝光量，执行步骤S7；

S6、采用调整模拟增益的方式调整一个分段的曝光量；

S7、再次曝光拍摄并获取图像；

S8、计算拍摄图像的当前曝光量；

S9、判断当前曝光量是否达到目标亮度阈值，是则执行步骤12，否则执行步骤S10；

S10、判断当前曝光时间和曝光量是否已经达到最大值，是则执行步骤S11，否则往复执行步骤S4；

S11、调整数字增益，往复执行步骤S7；

S12、结束调整。

4.一种CMOS图像传感器自动曝光装置，其特征在于，该装置包括曝光量分段模块、曝光计算模块、阈值比较模块、调整模块和控制模块；其中，

曝光量分段模块能够计算当前曝光量到目标亮度阈值之间需要调整的传感器曝光量并将其划分为2n+1个曝光量分段；其中，n为大于1的自然数；

曝光计算模块能够在获取曝光的图像后，计算图像的当前曝光量和目标亮度阈值；所述目标亮度阈值是指当前曝光条件下图像达到最适合人眼要求的理想亮度所需的最佳曝光量；

阈值比较模块能够将图像的当前曝光量与目标亮度阈值进行比较，并判断图像的当前曝光量是否已经达到目标亮度阈值；

调整模块能够根据指令分别采用调整曝光时间、模拟增益或数字增益的方式调整传感器曝光量；

控制模块能够协调各个模块之间的操作和信息交互；包括，控制曝光量分段模块计算当前曝光量到目标亮度阈值之间需要调整的传感器曝光量并将其划分为2n+1个曝光量分段；对奇数分段的调整，控制调整模块调整曝光时间；对偶数分段的调整，控制调整模块调整模拟增益；在每次调整后再次曝光拍摄并获取图像，然后，控制曝光计算模块计算拍摄图像的拍摄曝光量，控制阈值比较模块判断图像的当前曝光量是否已经达到目标亮度阈值；如未达到，则控制调整模块再次进行调整；当曝光时间和模拟增益均达到最大值且图像曝光量未达到目标亮度阈值时，控制调整模块调整数字增益，直至达到目标亮度阈值。