CN104917976A - 一种相机自动曝光和自动增益调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种相机自动曝光和自动增益(Auto Shutter and Auto Gain,2A)调节方法，包括如下步骤：步骤1：获取相机所拍摄图像以及相机的运行参数；步骤2：基于一帧或多帧所拍摄图像确定其平均亮度值；步骤3：基于平均亮度值和目标亮度值的差值确定相机的自动曝光和自动增益调节功能是否启动；步骤4：基于平均亮度值与目标亮度值的差值计算需要进行的曝光调节或增益调节；步骤5：按照预定顺序启动自动曝光和/或自动增益调节；步骤6：将调整后的曝光时间或者增益值更新并输出。本发明根据相机的图像获取模式和使用者的场景需要，选择自动曝光或者自动增益调节，持续或者单次进行2A调节，通过设定的不同调节策略，使图像亮度平稳地达到期望值，避免跳闪。

Description

一种相机自动曝光和自动增益调节方法

技术领域

本发明涉及自动控制领域，具体涉及一种数字相机自动曝光和自动增益调节方法。

背景技术

在工业相机使用中，由于环境光源的不确定性和场景的不确定性，用户在使用相机时一般要求图像亮度在一定的范围内运行，因此需要对相机的增益和曝光时间进行设置，以期达到期望的亮度值。

根据用户需求的不同，相机自动曝光和自动增益调节过程一般分为两种模式，连续调节和单次调节；在持续调节模式下，相机的2A(自动曝光和自动增益调节)功能一致在持续工作，它可以根据当前环境的不同，根据用户设置期望亮度的差别，实时的调整相机的曝光和增益，为防止光源的闪烁对相机图像亮度产生的跳变，在持续调节模式下需要对图像当前亮度进行平滑处理；在单次调节模式下，客户希望2A只调节一次就达到期望亮度，且该功能可以自动关闭，这就需要2A方法对当前相机的增益和曝光以及当前灰度与期望灰度的差值进行判断，然后决策2A是否使能。

但是，目前的2A调节方法在使用过程中，相机持续调节时图像均会出现跳闪的问题，同时在自动调节均会持续进行，一般不会自动关闭，对相机的耗损和成像的效果均带来不利影响。

发明内容

1.目的

针对数字相机存在的上述问题，本发明希望提供一种能够根据期望图像亮度自动设置相机曝光时间和模拟增益的方法，其能够应用场景中环境亮度的不确定性，对调节方式进行变更的方法，其能够避免跳闪问题的出现。

2.技术方案

具体而言，本发明提供了一种相机自动曝光和自动增益调节方法，所述方法用于对具有自动曝光和自动增益调节功能的相机进行控制，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤1：获取相机所拍摄图像以及相机的运行参数；

步骤2：基于一帧或多帧所拍摄图像确定其平均亮度值；

步骤3：基于所述平均亮度值和目标亮度值的差值确定相机的自动曝光和自动增益调节功能是否启动；

步骤4：基于所述平均亮度值与目标亮度值的差值计算需要进行的曝光调节或增益调节；

步骤5：按照预定顺序启动自动曝光和/或自动增益调节；

步骤6：将调整后的曝光时间或者增益值更新并输出。

进一步地，所述相机的运行参数包括：所述相机当前的模拟增益、曝光时间以及自动曝光调节模式和自动增益调节模式，对于曝光调节和增益调节，所述相机分别包括三种调节模式：连续调节模式、单次调节模式以及关闭模式。

进一步地，所述步骤2包括：

步骤2.1：如果当前图像是相机采集的第一帧图像或者当前的自动曝光和自动增益的调节模式均为单次调节模式，则取所述相机的当前图像亮度值为平均亮度值；否则载入当前图像的亮度值，根据迭代平滑公式计算多帧图像的平均亮度值。

进一步地，所述步骤3包括：

步骤3.1：根据图像的平均亮度值和目标亮度值的差值决策是否对所述相机的自动曝光和自动增益调节功能进行锁定和/或解锁：如果所述相机的自动曝光和自动增益调节功能处于锁定状态，并且当前图像平均亮度值与目标亮度值的差值大于解锁阈值UNLOCKED_VALUE，则对所述相机的自动曝光和自动增益调节功能解锁；如果所述相机的自动曝光和自动增益调节功能处于解锁状态下，并且当前图像平均亮度值与预定期望亮度值的差值小于加锁阈值LOCKED_VALUE，则使所述相机的自动曝光和自动增益调节功能锁定；

步骤3.2：如果自动曝光和自动增益调节功能处于锁定状态，并且自动曝光或自动增益的调节模式为单次调节模式，则将相应调节模式切换到关闭模式。

进一步地，所述步骤5包括：

步骤5.01：判断所述相机当前的模拟增益是否为模拟增益最小值，并且判断当前的曝光时间是否为曝光时间最大值；

步骤5.02：如果当前模拟增益不是模拟增益最小值，且曝光时间不是曝光时间最大值，则将模拟增益设置为模拟增益最小值；

步骤5.03：判断当前图像的平均亮度值是否大于期望亮度值；

步骤5.04：如果当前图像的平均亮度值小于期望亮度值，则判断曝光时间是否达到曝光时间最大值，如果没有达到曝光时间最大值，则进行自动曝光调节，否则判断所述相机的当前模拟增益是否达到模拟增益最大值，若达到模拟增益最大值则进行自动模拟增益调节，否则，此轮调节结束；

步骤5.05如果当前图像的平均亮度值大于期望亮度值，则首先判断当前模拟增益是否达到模拟增益最小值，如果没有达到模拟增益最小值，则进行模拟增益自动调节；否则判断曝光时间是否达到曝光时间最小值，若没有达到曝光时间最小值，则进行自动曝光时间调节，否则，此轮调节结束。

进一步地，所述步骤5包括：

步骤5.11：如果图像当前平均亮度值小于期望亮度值，则增大曝光时间，当曝光时间达1s后，增大模拟增益，直到模拟增益达到1023；

步骤5.12：如果图像当前平均亮度值大于期望亮度值，则减少模拟增益，当模拟增益减至109时，减少曝光时间，直到曝光时间达到20us。

进一步地，所述步骤5包括：

5.21：如果所述相机的曝光调节模式为单次调节模式，且当前图像的平均亮度值大于期望亮度值，当曝光时间达到最小值或者所拍摄的当前图像平均亮度值达到期望亮度值时，将所述相机的曝光调节模式由单次调节模式切换到关闭模式；

5.22：如果所述相机的曝光调节模式为单次调节模式，并且当前图像的平均亮度值大于期望亮度值，当曝光时间达到最大值或者所拍摄的当前图像平均亮度值达到期望亮度值时，将所述相机的曝光调节模式由单次调节模式切换到关闭模式；

5.23：如果所述相机的曝光调节模式为连续调节模式，则对曝光时间进行持续调节。

进一步地，所述步骤5包括：

5.41：如果所述相机的曝光调节模式为关闭，则：当图像的平均亮度值大于期望亮度值，模拟增益达到模拟增益最小值或者当前图像的平均亮度达到期望亮度时，将所述相机的增益调节模式由单次调节模式切换到关闭模式；当图像的平均亮度值小于期望亮度值时，模拟增益达到最大值或者当前图像的平均亮度达到期望亮度时，将所述相机的增益调节模式由单次调节模式切换到关闭模式；

5.42：如果所述相机的曝光调节模式为单次调节模式，在图像的平均亮度值大于期望亮度值的情况下，(1)如果用户先切换相机的增益调节模式到单次调节模式后切换曝光调节模式到单次调节模式，则所述方法先调节模拟增益，模拟增益达到模拟增益最小值后才调节曝光，曝光时间和模拟增益都达到最小值或者当前图像平均亮度等于期望亮度时，将自动曝光和自动增益同时切换到关闭模式，(2)如果用户先切换相机的曝光调节模式到单次调节模式后切换增益调节模式到单次调节模式，则所述方法先调节曝光时间，在用户将增益切换到单次调节模式的时候，如果增益不为最小值则所述方法先将增益设置到最小值，然后调节曝光到最大，直到曝光和增益都达到最小值或者当前图像平均亮度等于期望亮度，曝光和增益同时切换到关闭模式；

5.43：如果所述相机的曝光调节模式为单次调节模式，在图像的平均亮度值小于期望亮度值的情况下，(1)如果用户先将相机的增益调节模式切换到单次调节模式后将相机的曝光调节模式切换到单次调节模式，则所述方法先调节曝光时间，曝光时间达到曝光时间最大值时再调节模拟增益，直到曝光时间和模拟增益都达到相应最大值或者当前图像平均亮度值等于期望亮度值时，自动曝光和自动增益调节模式同时切换到关闭模式，(2)如果先将相机的曝光调节模式切换到单次调节模式后将将相机的增益调节模式切换到单次调节模式，则所述方法先调节曝光时间，在增益调节模式切换到单次调节模式的时候，如果模拟增益不为模拟增益最小值则先将模拟增益设置到最小值，然后调节曝光时间到曝光时间最大值，直到曝光时间和模拟增益都达到相应最大值或者当前图像平均亮度值等于期望亮度值，将自动曝光和自动增益的调节模式同时切换到关闭模式；

5.44：如果所述相机的曝光时间调节模式为连续调节模式，在图像的平均亮度值大于期望亮度值的情况下，(1)如果用户先将自动增益调节模式切换到单次调节模式后将相机的自动曝光调节模式切换到连续调节模式，则所述方法持续调节模拟增益直到模拟增益达到模拟增益最小值或者当前图像亮度值达到期望亮度值，将自动增益调节模式切换到关闭模式，(2)如果用户先将相机的自动曝光调节模式切换到连续调节模式后将相机的自动增益调节模式切换到单次调节模式，则所述方法将模拟增益强制设置到模拟增益最小值，然后调节曝光时间和模拟增益，直到曝光时间达到曝光时间最小值或者当前图像平均亮度值达到期望亮度值，将自动增益的调节模式切换到关闭模式；

5.45：如果所述相机的曝光时间调节模式为连续调节模式，在图像的平均亮度值小于期望亮度值的情况下，(1)如果用户先将相机的自动增益调节模式切换到单次调节模式后将相机的自动曝光调节模式切换到连续调节模式，则，所述方法持续调节曝光时间，当曝光时间调节到曝光时间最大值时，再调节模拟增益，直到模拟增益调节到模拟增益最大值或者当前图像平均亮度值达到期望亮度值，将模拟增益调节模式切换到关闭模式，(2)如果用户先将相机的自动曝光调节模式切换到连续调节模式后将相机的自动增益调节模式切换到单次调节模式，则所述方法将模拟增益强制设置到模拟增益最小值，然后调节曝光时间和模拟增益，直到曝光时间达到曝光时间最大值后，再调节模拟增益，直到模拟增益调节到模拟增益最大值或者当前图像平均亮度值达到期望亮度值，将模拟增益调节模式切换到关闭模式。

进一步地，在自动增益调节模式为连续调节模式的情况下，所述步骤5包括：

5.61：如果自动曝光调节模式为关闭模式，则持续调节相机模拟增益；

5.62：如果自动曝光调节模式为单次调节模式，并且在图像的平均亮度值大于期望亮度值的情况下，(1)如果用户先将相机的模拟增益调节模式切换到连续调节模式后将相机的曝光时间调节模式切换到单次调节模式，则所述方法先调节模拟增益，当曝光调节模式被设置为单次调节模式时，继续调节增益，直到模拟增益和曝光时间都达到相应最小值或者当前图像平均亮度值达到图像期望亮度值，将自动曝光调节模式切换到关闭模式(2)如果用户先将相机的曝光调节模式切换到单次调节模式后将相机的增益调节模式切换到连续调节模式，则所述方法先调节曝光时间，在增益设置为连续调节时将模拟增益设置为模拟增益最小值，如果曝光时间和模拟增益都达到相应最小值或者当前图像平均亮度值达到图像期望亮度值，则曝光调节模式切换到关闭模式；

5.63：如果曝光调节模式为单次调节模式，并且图像的平均亮度值小于期望亮度值的情况下，(1)如果用户先将相机的模拟增益调节模式切换到连续调节模式后将相机的曝光调节模式切换到单次调节模式，则所述方法先调节模拟增益，当曝光设置为单次调节模式，将增益强制设置为最小值，继续调节曝光，直到曝光时间调节到曝光时间最大值之后再调节模拟增益，模拟增益和曝光时间都达到相应最大值或者当前图像平均亮度值等于期望亮度值，将曝光调节模式切换到关闭模式(2)如果用户先将相机的曝光调节模式切换到单次调节模式后将相机的增益调节模式切换到连续调节模式，则所述方法先调节曝光时间，当增益设置成连续调节模式时，增益被强制设置为最小值，而后继续调节曝光，直到曝光时间和模拟增益都达到最大值或者当前图像平均亮度值达到期望亮度值，将曝光调节模式切换到关闭模式；

5.64：如果曝光调节模式为连续调节模式，则持续进行曝光时间和模拟增益自动调节。

进一步地，所述自动增益调节的调节方式为：

设当前的模拟增益为dCurGain/(单位1)，当前模拟增益对应的实际放大倍数为dCurRate/(单位dB)，为达到期望亮度图像需要调节的倍数为R，调节后的模拟增益值为dGainNew/(单位1)，调节后模拟增益对应的实际放大倍数为dRateNew，则调节后的模拟增益为：dRateNew＝R*dCurRate；根据dRateNew/(单位dB)，计算其对应的模拟增益值dGainNew/(单位1)，

在将增益调节的倍数转换为dB数时，其公式为对数：R_dB＝20log(R)，将上式展开得：

$\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{dB}}=20{\log }_{10}({\log }_{10}(1-\frac{Y_{t\arg \mathrm{et}}}{255})/{\log }_{10}(1-\frac{Y}{255}))\\ =20\{{\log }_{10}(-{\log }_{10}(1-\frac{Y_{t\arg \mathrm{et}}}{255}))-{\log }_{10}(-{\log }_{10}(1-\frac{Y}{255}))\}\end{array}$

将转换为查找表，数据放大128倍，以提高其精确度；

所述自动曝光调节的调节方式为：

设当前曝光时间为nCurShutter，图像需要调节的倍数为nRate，调节后的曝光时间为nShutterNew，则调节后的曝光时间为如下：nShutterNew＝nCurShutter*nRate。

3.优点及效果

本发明的自动曝光自动增益调节方法的优点在于：1)针对用户设置的期望亮度值自动设置相机的曝光或增益值，调节当前图像亮度达到期望亮度；2)本发明的调节模式分为单次调节和持续调节两种，客户可以根据不同的使用场景自主选择，较好地满足了生产和客户的需求。

此外，本发明的2A调节方法在使用过程中，相机持续2A调节时图像亮度缓慢过渡到期望亮度，不会出现跳闪问题，同时在单次2A调节时，本发明2A方法依据当前图像亮度是否达到期望亮度值，相机的曝光和增益是否达到边界值，自动确定相机2A是否使能。

附图说明

本发明所附附图主要是为了方便对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为执行本发明方法的由普通计算机101和大恒图像数字摄像机102组成的设备环境示意图；

图2为Bayer格式Sensor成像模型示意图；

图3为本发明自动曝光自动增益调节整体流程图；

图4为放大倍数对数曲线及其采用查找表实现之间的误差；

图5为采用dB为单位表示增益放大倍数曲线及其采用查找表实现之间的误差；

图6为自动曝光和自动增益调节均启动情况的示意流程图；

图7为自动增益调节的示意流程图；

图8为自动曝光调节的示意流程图。

具体实施方式

本发明具体实施所需要的设备条件是：(1)一台大恒图像产MER-Gx200数字摄相机，物理参数为：镜头：Computar 16mm,1:1.4，2/3；摄相机型号：MER-Gx200UC-L，摄像机CCD芯片像素尺寸：4.40um*4.40um，图像分辨率为：1628*1236；(2)一台获取相机图像并显示的计算机，物理参数为：CPU：Core i7 920 2.66GHz，RAM：8GB，如附图1所示；(3)大恒图像Galaxy View相机演示程序。

本发明具体实施所需环境条件是：普通数字摄像机成像环境，如附图2所示；201表示输入可见光场景，202表示镜头，203表示Bayer格式的滤波器，204表示成像SENSOR。该数字摄像机通过编程能够执行本实施例的调节方法。

下面结合附图对本发明的方法进行详细描述。

本发明的方法主要实现功能为根据相机的图像获取模式和使用者的场景需要，自主选择自动曝光或者自动增益调节，持续或者单次进行2A调节，通过设定的不同调节策略，使图像亮度达到期望值。

本发明方法的流程如附图3所示，其包括以下步骤：

步骤一：获取相机所拍摄图像以及相机的运行参数

获取参数包括相机的当前模拟增益，当前曝光时间和2A调节模式(连续CONTINUE模式，单次ONCE模式或关闭OFF模式)。对于曝光调节和增益调节，相机分别包括三种调节模式：连续调节模式、单次调节模式以及关闭模式。需要说明的是，相机的调节模式是用户在相机中设定的，用户可以为增益调节和曝光调节分别设定调节模式，用户设定好调节模式后。

步骤二、确定图像平均亮度，获取方式为：如果当前图像是相机采集的第一帧图像或者当前的自动曝光和自动增益的调节模式均为单次调节模式，则取相机的当前图像亮度值为平均亮度值；否则载入当前图像的亮度值，根据迭代平滑公式计算多帧图像的平均亮度值。

单帧图像的平均亮度为：

$Y_{\mathrm{mean}}=\frac{1}{N}\underset{i=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}V\left(i\right)---\left(1\right)$

式(1)中，V(i)表示原始Raw图像中每个像素亮度值，N表示整幅图像的像素个数，Y_mean表示整幅图像的平均亮度值；同时设相机当前增益为nCurGain，当前曝光时间为nCurShutter，自动曝光调节方式为emASCtrl，自动增益调节方式为emASCtrl。

为了减少亮度突变的图像对自动调节算法的影响，可以对多幅图像的进行平均。通过对多幅图像亮度值求平均亮度，用以控制是否开始调节。调节时，不是用多幅平均亮度计算需要调节的增益和曝光时间的步长；而是使用当前图像的平均亮度计算所需调节的步长；多幅平均图像亮度用于2A状态锁控制，其平滑函数为

Y_n+1＝(1-α)Y_n+αY_current  (2)

式(2)中，Y即为式(1)中所求得的Y_mean；同时为了减小在对α取整时的精确度损失，将Y_current放大100倍进行平均亮度的迭代，这样平均亮度Y_n+1可以取到边界值[0,255]。

步骤三：基于所述平均亮度值和目标亮度值的差值确定相机的自动曝光和自动增益调节功能是否启动，其包括：

步骤3.1：根据图像的平均亮度值和目标亮度值的差值决策是否对所述相机的自动曝光和自动增益调节功能进行锁定和/或解锁：如果所述相机的自动曝光和自动增益调节功能处于锁定状态，并且当前图像平均亮度值与目标亮度值的差值大于解锁阈值UNLOCKED_VALUE，则对所述相机的自动曝光和自动增益调节功能解锁；如果所述相机的自动曝光和自动增益调节功能处于解锁状态下，并且当前图像平均亮度值与预定期望亮度值的差值小于加锁阈值LOCKED_VALUE，则使所述相机的自动曝光和自动增益调节功能锁定；

步骤3.2：如果自动曝光和自动增益调节功能处于锁定状态，并且自动曝光或自动增益的调节模式为单次调节模式，则将相应调节模式切换到关闭模式。

步骤四：基于所述平均亮度值与目标亮度值的差值计算需要进行的曝光调节或增益调节

设当前图像的平均亮度为Y_current，设定的图像期望亮度为Y_hope，希望通过本次调节，图像亮度所能达到的目标值Y_target为：

Y_target＝Y_hope  (3)

为了减小振荡，图像亮度所能达到的目标值Y_target设置为：

Y_target＝Y+(Y_hope-Y)/2  (4)

图像平均亮度从当前值Y变化到目标值Y_target需要改变的倍数为：

$R={\log }_{10}(1-\frac{Y_{t\arg \mathrm{et}}}{255})/{\log }_{10}(1-\frac{Y}{255})---\left(5\right)$

将对数预先生成查找表，为保证分母不为0，将边界值用其邻域替换。同时，将比率R放大128倍，以将其整形化，查找表与原始浮点数值曲线和误差如附图4所示，图中横坐标表示图像亮度值，纵坐标表示对数查找表值或误差；由于对数空间数值本身就比较小，在放大128倍之后，查找表与原始数据之间的误差在(-0.5,0.5)的范围之内，精确度可以接受。

步骤五：按照预定顺序启动自动曝光和/或自动增益调节。

本发明为曝光和增益调节设定了详细的调节逻辑，进而保证所拍摄出的图像能够稳定并且在预定期望亮度范围内。下面结合图6-8对具体的调节逻辑进行描述。

具体调节步骤包括：

步骤5.01：判断所述相机当前的模拟增益是否为模拟增益最小值，并且判断当前的曝光时间是否为曝光时间最大值；

步骤5.02：如果当前模拟增益不是模拟增益最小值，且曝光时间不是曝光时间最大值，则将模拟增益设置为模拟增益最小值；

步骤5.03：判断当前图像的平均亮度值是否大于期望亮度值；

步骤5.04：如果当前图像的平均亮度值小于期望亮度值，则判断曝光时间是否达到曝光时间最大值，如果没有达到曝光时间最大值，则进行自动曝光调节，否则判断所述相机的当前模拟增益是否达到模拟增益最大值，若达到模拟增益最大值则进行自动模拟增益调节，否则，此轮调节结束；

步骤5.05如果当前图像的平均亮度值大于期望亮度值，则首先判断当前模拟增益是否达到模拟增益最小值，如果没有达到模拟增益最小值，则进行模拟增益自动调节；否则判断曝光时间是否达到曝光时间最小值，若没有达到曝光时间最小值，则进行自动曝光时间调节，否则，此轮调节结束。

自动曝光和自动增益调节的逻辑判断过程还包括：

5.21：如果所述相机的曝光调节模式为单次调节模式，且当前图像的平均亮度值大于期望亮度值，当曝光时间达到最小值或者所拍摄的当前图像平均亮度值达到期望亮度值时，将所述相机的曝光调节模式由单次调节模式切换到关闭模式；

5.22：如果所述相机的曝光调节模式为单次调节模式，并且当前图像的平均亮度值大于期望亮度值，当曝光时间达到最大值或者所拍摄的当前图像平均亮度值达到期望亮度值时，将所述相机的曝光调节模式由单次调节模式切换到关闭模式；

5.23：如果所述相机的曝光调节模式为连续调节模式，则对曝光时间进行持续调节。

自动曝光和自动增益调节的逻辑判断过程还包括：

5.41)如果所述相机的曝光调节模式为关闭，则：当图像的平均亮度值大于期望亮度值，模拟增益达到模拟增益最小值或者当前图像的平均亮度达到期望亮度时，将所述相机的增益调节模式由单次调节模式切换到关闭模式；当图像的平均亮度值小于期望亮度值时，模拟增益达到最大值或者当前图像的平均亮度达到期望亮度时，将所述相机的增益调节模式由单次调节模式切换到关闭模式；

5.42)如果所述相机的曝光调节模式为单次调节模式，在图像的平均亮度值大于期望亮度值的情况下，(1)如果用户先切换相机的增益调节模式到单次调节模式后切换曝光调节模式到单次调节模式，则所述方法先调节模拟增益，模拟增益达到模拟增益最小值后才调节曝光，曝光时间和模拟增益都达到最小值或者当前图像平均亮度等于期望亮度时，将自动曝光和自动增益同时切换到关闭模式，(2)如果用户先切换相机的曝光调节模式到单次调节模式后切换增益调节模式到单次调节模式，则所述方法先调节曝光时间，在用户将增益切换到单次调节模式的时候，如果增益不为最小值则所述方法先将增益设置到最小值，然后调节曝光到最大，直到曝光和增益都达到最小值或者当前图像平均亮度等于期望亮度，曝光和增益同时切换到关闭模式；

5.43)如果所述相机的曝光调节模式为单次调节模式，在图像的平均亮度值小于期望亮度值的情况下，(1)如果用户先将相机的增益调节模式切换到单次调节模式后将相机的曝光调节模式切换到单次调节模式，则所述方法先调节曝光时间，曝光时间达到曝光时间最大值时再调节模拟增益，直到曝光时间和模拟增益都达到相应最大值或者当前图像平均亮度值等于期望亮度值时，自动曝光和自动增益调节模式同时切换到关闭模式，(2)如果先将相机的曝光调节模式切换到单次调节模式后将将相机的增益调节模式切换到单次调节模式，则所述方法先调节曝光时间，在增益调节模式切换到单次调节模式的时候，如果模拟增益不为模拟增益最小值则先将模拟增益设置到最小值，然后调节曝光时间到曝光时间最大值，直到曝光时间和模拟增益都达到相应最大值或者当前图像平均亮度值等于期望亮度值，将自动曝光和自动增益的调节模式同时切换到关闭模式；

5.44)如果所述相机的曝光时间调节模式为连续调节模式，在图像的平均亮度值大于期望亮度值的情况下，(1)如果用户先将自动增益调节模式切换到单次调节模式后将相机的自动曝光调节模式切换到连续调节模式，则所述方法持续调节模拟增益直到模拟增益达到模拟增益最小值或者当前图像亮度值达到期望亮度值，将自动增益调节模式切换到关闭模式，(2)如果用户先将相机的自动曝光调节模式切换到连续调节模式后将相机的自动增益调节模式切换到单次调节模式，则所述方法将模拟增益强制设置到模拟增益最小值，然后调节曝光时间和模拟增益，直到曝光时间达到曝光时间最小值或者当前图像平均亮度值达到期望亮度值，将自动增益的调节模式切换到关闭模式；

5.45)如果所述相机的曝光时间调节模式为连续调节模式，在图像的平均亮度值小于期望亮度值的情况下，(1)如果用户先将相机的自动增益调节模式切换到单次调节模式后将相机的自动曝光调节模式切换到连续调节模式，则，所述方法持续调节曝光时间，当曝光时间调节到曝光时间最大值时，再调节模拟增益，直到模拟增益调节到模拟增益最大值或者当前图像平均亮度值达到期望亮度值，将模拟增益调节模式切换到关闭模式，(2)如果用户先将相机的自动曝光调节模式切换到连续调节模式后将相机的自动增益调节模式切换到单次调节模式，则所述方法将模拟增益强制设置到模拟增益最小值，然后调节曝光时间和模拟增益，直到曝光时间达到曝光时间最大值后，再调节模拟增益，直到模拟增益调节到模拟增益最大值或者当前图像平均亮度值达到期望亮度值，将模拟增益调节模式切换到关闭模式；

在自动增益调节模式为连续调节模式的情况下，自动曝光和自动增益调节的逻辑判断过程还包括：

5.61如果自动曝光调节模式为关闭模式，则持续调节相机模拟增益；

5.62如果自动曝光调节模式为单次调节模式，并且在图像的平均亮度值大于期望亮度值的情况下，(1)如果用户先将相机的模拟增益调节模式切换到连续调节模式后将相机的曝光时间调节模式切换到单次调节模式，则所述方法先调节模拟增益，当曝光调节模式被设置为单次调节模式时，继续调节增益，直到模拟增益和曝光时间都达到相应最小值或者当前图像平均亮度值达到图像期望亮度值，将自动曝光调节模式切换到关闭模式(2)如果用户先将相机的曝光调节模式切换到单次调节模式后将相机的增益调节模式切换到连续调节模式，则所述方法先调节曝光时间，在增益设置为连续调节时将模拟增益设置为模拟增益最小值，如果曝光时间和模拟增益都达到相应最小值或者当前图像平均亮度值达到图像期望亮度值，则曝光调节模式切换到关闭模式；

5.63如果曝光调节模式为单次调节模式，并且图像的平均亮度值小于期望亮度值的情况下，(1)如果用户先将相机的模拟增益调节模式切换到连续调节模式后将相机的曝光调节模式切换到单次调节模式，则所述方法先调节模拟增益，当曝光设置为单次调节模式，将增益强制设置为最小值，继续调节曝光，直到曝光时间调节到曝光时间最大值之后再调节模拟增益，模拟增益和曝光时间都达到相应最大值或者当前图像平均亮度值等于期望亮度值，将曝光调节模式切换到关闭模式(2)如果用户先将相机的曝光调节模式切换到单次调节模式后将相机的增益调节模式切换到连续调节模式，则所述方法先调节曝光时间，当增益设置成连续调节模式时，增益被强制设置为最小值，而后继续调节曝光，直到曝光时间和模拟增益都达到最大值或者当前图像平均亮度值达到期望亮度值，将曝光调节模式切换到关闭模式；

如果曝光调节模式为连续调节模式，则持续进行曝光时间和模拟增益自动调节。

上面介绍了自动曝光和增益的调节逻辑。基于上述逻辑对自动曝光和增益的启动和关闭进行控制，采用这种判断逻辑，所拍出的图像具有更好地稳定性，明显减少跳闪，并且更接近期望亮度值。启动了自动曝光和增益调节之后，需要对曝光和增益进行具体调节。

自动增益调节的具体调节过程为：

设当前的模拟增益为dCurGain/(单位1)，当前模拟增益对应的实际放大倍数为dCurRate/(单位dB)，为达到期望亮度图像需要调节的倍数为R，调节后的模拟增益值为dGainNew/(单位1)，调节后模拟增益对应的实际放大倍数为dRateNew，则调节后的模拟增益为：dRateNew＝R*dCurRate；根据dRateNew/(单位dB)，计算其对应的模拟增益值dGainNew/(单位1)，

在将增益调节的倍数转换为dB数时，其公式为对数：R_dB＝20log(R)，将上式展开得：

$\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{dB}}=20{\log }_{10}({\log }_{10}(1-\frac{Y_{t\arg \mathrm{et}}}{255})/{\log }_{10}(1-\frac{Y}{255}))\\ =20\{{\log }_{10}(-{\log }_{10}(1-\frac{Y_{t\arg \mathrm{et}}}{255}))-{\log }_{10}(-{\log }_{10}(1-\frac{Y}{255}))\}\end{array}---\left(6\right)$

将转换为查找表，数据放大128倍，以提高其精确度；

所述自动曝光调节的调节方式为：

设当前曝光时间为nCurShutter，图像需要调节的倍数为nRate，调节后的曝光时间为nShutterNew，则调节后的曝光时间为如下：

nShutterNew＝nCurShutter*nRate  (7)

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明方法既可以应用于计算机设备的软件端也可以在移动嵌入式设备中使用，基于这样的理解，本发明的技术方案可以以软件的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)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)执行本发明各个实施例所述的方法。

虽然上面结合本发明的优选实施例对本发明的原理进行了详细的描述，本领域技术人员应该理解，上述实施例仅仅是对本发明的示意性实现方式的解释，并非对本发明包含范围的限定。实施例中的细节并不构成对本发明范围的限制，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均落在本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种相机自动曝光和自动增益调节方法，所述方法用于对具有自动曝光和自动增益调节功能的相机进行控制，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤1：获取相机所拍摄图像以及相机的运行参数；

步骤2：基于一帧或多帧所拍摄图像确定其平均亮度值；

步骤3：基于所述平均亮度值和目标亮度值的差值确定相机的自动曝光和自动增益调节功能是否启动；

步骤4：基于所述平均亮度值与目标亮度值的差值计算需要进行的曝光调节或增益调节；

步骤5：按照预定顺序启动自动曝光和/或自动增益调节；

步骤6：将调整后的曝光时间或者增益值更新并输出。

2.根据权利要求1所述的自动曝光和自动增益调节方法，其特征在于，

所述相机的运行参数包括：所述相机当前的模拟增益、曝光时间以及自动曝光调节模式和自动增益调节模式，对于曝光调节和增益调节，所述相机分别包括三种调节模式：连续调节模式、单次调节模式以及关闭模式。

3.根据权利要求2所述的自动曝光和自动增益调节方法，其特征在于，所述步骤2包括：

步骤2.1：如果当前图像是相机采集的第一帧图像或者当前的自动曝光和自动增益的调节模式均为单次调节模式，则取所述相机的当前图像亮度值为平均亮度值；否则载入当前图像的亮度值，根据迭代平滑公式计算多帧图像的平均亮度值。

4.根据权利要求2所述的自动曝光和自动增益调节方法，其特征在于，所述步骤3包括：

步骤3.1：根据图像的平均亮度值和目标亮度值的差值决策是否对所述相机的自动曝光和自动增益调节功能进行锁定和/或解锁：如果所述相机的自动曝光和自动增益调节功能处于锁定状态，并且当前图像平均亮度值与目标亮度值的差值大于解锁阈值UNLOCKED_VALUE，则对所述相机的自动曝光和自动增益调节功能解锁；如果所述相机的自动曝光和自动增益调节功能处于解锁状态下，并且当前图像平均亮度值与预定期望亮度值的差值小于加锁阈值LOCKED_VALUE，则使所述相机的自动曝光和自动增益调节功能锁定；

步骤3.2：如果自动曝光和自动增益调节功能处于锁定状态，并且自动曝光或自动增益的调节模式为单次调节模式，则将相应调节模式切换到关闭模式。

5.根据权利要求2所述的自动曝光和自动增益调节方法，其特征在于，所述步骤5包括：

步骤5.01：判断所述相机当前的模拟增益是否为模拟增益最小值，并且判断当前的曝光时间是否为曝光时间最大值；

步骤5.02：如果当前模拟增益不是模拟增益最小值，且曝光时间不是曝光时间最大值，则将模拟增益设置为模拟增益最小值；

步骤5.03：判断当前图像的平均亮度值是否大于期望亮度值；

步骤5.04：如果当前图像的平均亮度值小于期望亮度值，则判断曝光时间是否达到曝光时间最大值，如果没有达到曝光时间最大值，则进行自动曝光调节，否则判断所述相机的当前模拟增益是否达到模拟增益最大值，若达到模拟增益最大值则进行自动模拟增益调节，否则，此轮调节结束；

步骤5.05如果当前图像的平均亮度值大于期望亮度值，则首先判断当前模拟增益是否达到模拟增益最小值，如果没有达到模拟增益最小值，则进行模拟增益自动调节；否则判断曝光时间是否达到曝光时间最小值，若没有达到曝光时间最小值，则进行自动曝光时间调节，否则，此轮调节结束。

6.根据权利要求2所述的自动曝光和自动增益调节方法，其特征在于，所述步骤5包括：

步骤5.11：如果图像当前平均亮度值小于期望亮度值，则增大曝光时间，当曝光时间达1s后，增大模拟增益，直到模拟增益达到1023；

步骤5.12：如果图像当前平均亮度值大于期望亮度值，则减少模拟增益，当模拟增益减至109时，减少曝光时间，直到曝光时间达到20us。

7.根据权利要求2所述的自动曝光和自动增益调节方法，其特征在于，所述步骤5包括：

5.21：如果所述相机的曝光调节模式为单次调节模式，且当前图像的平均亮度值大于期望亮度值，当曝光时间达到最小值或者所拍摄的当前图像平均亮度值达到期望亮度值时，将所述相机的曝光调节模式由单次调节模式切换到关闭模式；

5.22：如果所述相机的曝光调节模式为单次调节模式，并且当前图像的平均亮度值大于期望亮度值，当曝光时间达到最大值或者所拍摄的当前图像平均亮度值达到期望亮度值时，将所述相机的曝光调节模式由单次调节模式切换到关闭模式；

5.23：如果所述相机的曝光调节模式为连续调节模式，则对曝光时间进行持续调节。

8.根据权利要求2所述的自动曝光和自动增益调节方法，其特征在于，所述步骤5包括：

5.41：如果所述相机的曝光调节模式为关闭，则：当图像的平均亮度值大于期望亮度值，模拟增益达到模拟增益最小值或者当前图像的平均亮度达到期望亮度时，将所述相机的增益调节模式由单次调节模式切换到关闭模式；当图像的平均亮度值小于期望亮度值时，模拟增益达到最大值或者当前图像的平均亮度达到期望亮度时，将所述相机的增益调节模式由单次调节模式切换到关闭模式；

5.42：如果所述相机的曝光调节模式为单次调节模式，在图像的平均亮度值大于期望亮度值的情况下，(1)如果用户先切换相机的增益调节模式到单次调节模式后切换曝光调节模式到单次调节模式，则所述方法先调节模拟增益，模拟增益达到模拟增益最小值后才调节曝光，曝光时间和模拟增益都达到最小值或者当前图像平均亮度等于期望亮度时，将自动曝光和自动增益同时切换到关闭模式，(2)如果用户先切换相机的曝光调节模式到单次调节模式后切换增益调节模式到单次调节模式，则所述方法先调节曝光时间，在用户将增益切换到单次调节模式的时候，如果增益不为最小值则所述方法先将增益设置到最小值，然后调节曝光到最大，直到曝光和增益都达到最小值或者当前图像平均亮度等于期望亮度，曝光和增益同时切换到关闭模式；

5.43：如果所述相机的曝光调节模式为单次调节模式，在图像的平均亮度值小于期望亮度值的情况下，(1)如果用户先将相机的增益调节模式切换到单次调节模式后将相机的曝光调节模式切换到单次调节模式，则所述方法先调节曝光时间，曝光时间达到曝光时间最大值时再调节模拟增益，直到曝光时间和模拟增益都达到相应最大值或者当前图像平均亮度值等于期望亮度值时，自动曝光和自动增益调节模式同时切换到关闭模式，(2)如果先将相机的曝光调节模式切换到单次调节模式后将将相机的增益调节模式切换到单次调节模式，则所述方法先调节曝光时间，在增益调节模式切换到单次调节模式的时候，如果模拟增益不为模拟增益最小值则先将模拟增益设置到最小值，然后调节曝光时间到曝光时间最大值，直到曝光时间和模拟增益都达到相应最大值或者当前图像平均亮度值等于期望亮度值，将自动曝光和自动增益的调节模式同时切换到关闭模式；

5.44：如果所述相机的曝光时间调节模式为连续调节模式，在图像的平均亮度值大于期望亮度值的情况下，(1)如果用户先将自动增益调节模式切换到单次调节模式后将相机的自动曝光调节模式切换到连续调节模式，则所述方法持续调节模拟增益直到模拟增益达到模拟增益最小值或者当前图像亮度值达到期望亮度值，将自动增益调节模式切换到关闭模式，(2)如果用户先将相机的自动曝光调节模式切换到连续调节模式后将相机的自动增益调节模式切换到单次调节模式，则所述方法将模拟增益强制设置到模拟增益最小值，然后调节曝光时间和模拟增益，直到曝光时间达到曝光时间最小值或者当前图像平均亮度值达到期望亮度值，将自动增益的调节模式切换到关闭模式；

5.45：如果所述相机的曝光时间调节模式为连续调节模式，在图像的平均亮度值小于期望亮度值的情况下，(1)如果用户先将相机的自动增益调节模式切换到单次调节模式后将相机的自动曝光调节模式切换到连续调节模式，则，所述方法持续调节曝光时间，当曝光时间调节到曝光时间最大值时，再调节模拟增益，直到模拟增益调节到模拟增益最大值或者当前图像平均亮度值达到期望亮度值，将模拟增益调节模式切换到关闭模式，(2)如果用户先将相机的自动曝光调节模式切换到连续调节模式后将相机的自动增益调节模式切换到单次调节模式，则所述方法将模拟增益强制设置到模拟增益最小值，然后调节曝光时间和模拟增益，直到曝光时间达到曝光时间最大值后，再调节模拟增益，直到模拟增益调节到模拟增益最大值或者当前图像平均亮度值达到期望亮度值，将模拟增益调节模式切换到关闭模式。

9.根据权利要求2所述的自动曝光和自动增益调节方法，其特征在于，在自动增益调节模式为连续调节模式的情况下，所述步骤5包括：

5.61：如果自动曝光调节模式为关闭模式，则持续调节相机模拟增益；

5.62：如果自动曝光调节模式为单次调节模式，并且在图像的平均亮度值大于期望亮度值的情况下，(1)如果用户先将相机的模拟增益调节模式切换到连续调节模式后将相机的曝光时间调节模式切换到单次调节模式，则所述方法先调节模拟增益，当曝光调节模式被设置为单次调节模式时，继续调节增益，直到模拟增益和曝光时间都达到相应最小值或者当前图像平均亮度值达到图像期望亮度值，将自动曝光调节模式切换到关闭模式(2)如果用户先将相机的曝光调节模式切换到单次调节模式后将相机的增益调节模式切换到连续调节模式，则所述方法先调节曝光时间，在增益设置为连续调节时将模拟增益设置为模拟增益最小值，如果曝光时间和模拟增益都达到相应最小值或者当前图像平均亮度值达到图像期望亮度值，则曝光调节模式切换到关闭模式；

5.63：如果曝光调节模式为单次调节模式，并且图像的平均亮度值小于期望亮度值的情况下，(1)如果用户先将相机的模拟增益调节模式切换到连续调节模式后将相机的曝光调节模式切换到单次调节模式，则所述方法先调节模拟增益，当曝光设置为单次调节模式，将增益强制设置为最小值，继续调节曝光，直到曝光时间调节到曝光时间最大值之后再调节模拟增益，模拟增益和曝光时间都达到相应最大值或者当前图像平均亮度值等于期望亮度值，将曝光调节模式切换到关闭模式(2)如果用户先将相机的曝光调节模式切换到单次调节模式后将相机的增益调节模式切换到连续调节模式，则所述方法先调节曝光时间，当增益设置成连续调节模式时，增益被强制设置为最小值，而后继续调节曝光，直到曝光时间和模拟增益都达到最大值或者当前图像平均亮度值达到期望亮度值，将曝光调节模式切换到关闭模式；

5.64：如果曝光调节模式为连续调节模式，则持续进行曝光时间和模拟增益自动调节。

10.根据权利要求2所述的自动曝光和自动增益调节方法，其特征在于，

所述自动增益调节的调节方式为：

设当前的模拟增益为dCurGain/(单位1)，当前模拟增益对应的实际放大倍数为dCurRate/(单位dB)，为达到期望亮度图像需要调节的倍数为R，调节后的模拟增益值为dGainNew/(单位1)，调节后模拟增益对应的实际放大倍数为dRateNew，则调节后的模拟增益为：dRateNew＝R*dCurRate；根据dRateNew/(单位dB)，计算其对应的模拟增益值dGainNew/(单位1)，

在将增益调节的倍数转换为dB数时，其公式为对数：R_dB＝20log(R)，将上式展开得：

$\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{dB}}=20{\log }_{10}({\log }_{10}(1-\frac{Y_{t\arg \mathrm{et}}}{255})/{\log }_{10}(1-\frac{Y}{255}))\\ =20\{{\log }_{10}(-{\log }_{10}(1-\frac{Y_{t\arg \mathrm{et}}}{255}))-{\log }_{10}(-{\log }_{10}(1-\frac{Y}{255}))\}\end{array}$

将转换为查找表，数据放大128倍，以提高其精确度；

所述自动曝光调节的调节方式为：

设当前曝光时间为nCurShutter，图像需要调节的倍数为nRate，调节后的曝光时间为nShutterNew，则调节后的曝光时间为如下：nShutterNew＝nCurShutter*nRate。