CN104954696B - 一种emccd增益自动调节方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种EMCCD增益自动调节方法。设置相机工作模式为连续拍照模式，计算并判断当前帧图像的亮度均值是否处于最佳亮度区间，若当前帧图像亮度均值处于最佳亮度区间内，则对当前帧图像的光照条件进行判断并根据判断结果调整EMCCD相机拍摄下一帧图像的曝光时间，若未处于最佳亮度区间内，则根据当前帧图像的亮度均值对当前帧图像的增益情况进行判断，并根据判断结果调整EMCCD相机拍摄下一帧图像的曝光时间；然后计算出拍摄下一帧图像的增益值，实现对下一帧图像的亮度调节。本发明提高了复杂多变的光照条件下的EMCCD拍摄系统的适应性，使得经过自动增益调节后拍摄的图像亮度得到改善。
Description
技术领域
本发明属于图像处理技术领域，具体涉及一种EMCCD增益自动调节方法。
背景技术
自动增益调节就是计算当前EMCCD图像(即电子倍增CCD图像)的亮度值及增益大小，通过比较判别进行反馈以实现增益水平的调节从而实现图像亮度的自动调整，以改善图像亮度及对比度。
目前传统的基于曝光函数进行计算的自动增益算法，如文献(EMCCD倍增增益自动调节算法，陆震熙何伟基等，第十届全国光电技术学术交流会论文集，2012)突出的方法在针对曝光时间值计算时都是采用一种“中间亮度”固定值作为参考依据进行计算，即设定一个亮度固定值作为参考，该方法在普通光照条件下适用性较强，但在一些特殊光照条件下，例如物体背光或者受到强正面光照射时，此时图像场景中最亮和最暗的区域对比度差异大，若继续采用中间亮度固定值法，就会导致图像中部分区域曝光过度或不足，此时图像的细节信息可能都将丢失。另外对于微光图像，由于其大多数灰度值都集中在较低的灰度级，而当增益增大时，灰度又开始往较高灰度级偏移。简单的设置一个“中间亮度”固定值会导致曝光不足或者曝光过度。简言之，现有的EMCCD图像自动增益调节方法对复杂多变的光照条件适应性不强。
发明内容
本发明提出一种EMCCD增益自动调节方法，提高了复杂多变的光照条件下的EMCCD拍摄系统的适应性，使得经过自动增益调节后拍摄的图像亮度得到改善。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种EMCCD增益自动调节方法，其操作过程为：设定EMCCD图像的最佳亮度区间为BL～BH，BL、BH均为亮度阈值，且BL＜BH，用EMCCD相机在连续拍照模式下摄取图像，设定EMCCD相机拍摄当前帧图像时的增益值为G1、曝光时间为T1；计算当前帧图像的图像灰度均值以获得当前帧图像的亮度均值B1；判断当前帧图像亮度均值B1是否处于最佳亮度区间BL～BH内；
一、如果当前帧图像亮度均值B1不处于最佳亮度区间BL～BH内，则进一步判断B1与BL、BH的大小，
1.1如果B1小于亮度阈值BL，此时判定当前帧图像的增益G1过小，将EMCCD相机拍摄下一帧图像的曝光时间调整为T2，其中T1＜T2，并计算使用EMCCD相机在曝光时间为T2时拍摄下一帧图像可能具有的灰度均值，从而获得下一帧图像可能具有的亮度均值B2，然后如公式(1)所示计算出EMCCD相机拍摄下一帧图像时应当设定的增益值G2；
1.2如果B1大于亮度阈值BH，此时判定当前帧图像增益G1过大，将EMCCD相机拍摄下一帧图像的曝光时间调整为T'2，其中T1＞T'2，并计算使用EMCCD相机在曝光时间为T'2时拍摄下一帧图像可能具有的灰度均值，从而获得下一帧图像可能具有的亮度均值B'2，然后如公式(2)所示计算出EMCCD相机拍摄下一帧图像时应当设定的增益值G'2；
二、如果当前帧图像亮度均值B1处于最佳亮度区间BL～BH内，则计算当前帧图像的直方图灰度分布比例值，根据当前帧图像的直方图灰度分布比例值大小判断当前帧图像的光照条件，
2.1若当前帧图像的光照条件是常规光照条件，则EMCCD相机拍摄下一帧图像的曝光时间保持T1不变，增益保持G1不变；
2.2若图像光照条件是特殊光照条件，即正面强光或背光，则将EMCCD相机拍摄下一帧图像的曝光时间调整为预先设定的正面强光或背光时各自对应的曝光时间T'；并计算使用EMCCD相机在曝光时间为T'时拍摄下一帧图像可能具有的灰度均值，从而获得下一帧图像可能具有的亮度均值B″2；此时根据公式(3)计算出EMCCD相机拍摄下一帧图像时应当设定的增益值G″2，
本发明与现有技术相比，其显著优点在于，本发明采用基于动态灰度级的图像增益调节方法不仅能克服手动设置的不便性及不准确性，相比于固定值调节算法其计算得到的曝光时间值适应性更强，在一些特殊光照条件(如背光条件下)也能较好地实现增益值的自动调节，能改善图像亮度及对比度，提升了图像的局部细节，具有很好的实用价值。
附图说明
图1为本发明方法流程图。
图2(a)和图2(b)为本发明仿真实验一使用的原图及增益调整后拍摄的图像，其中图2(a)为增益为100的原图像；图2(b)为增益调整后拍摄的图像。
图3(a)和图3(b)为本发明仿真实验二使用的原图及增益调整后拍摄的图像，其中图3(a)为增益为100的原图像；图3(b)为增益调整后拍摄的图像。
图4(a)和图4(b)为本发明仿真实验三使用的原图及增益调整后拍摄的图像，其中图4(a)为增益为190的原图像；图4(b)为增益调整后拍摄的图像。
具体实施方式
如图1所示，本发明EMCCD增益自动调节方法的操作过程为：
设定EMCCD图像的最佳亮度区间为BL～BH，BL、BH均为亮度阈值，且BL＜BH，用EMCCD相机在连续拍照模式下摄取图像，设定EMCCD相机拍摄当前帧图像时的增益值为G1、曝光时间为T1；计算当前帧图像的图像灰度均值以获得当前帧图像的亮度均值B1；判断当前帧图像亮度均值B1是否处于最佳亮度区间BL～BH内；
一、如果当前帧图像亮度均值B1不处于最佳亮度区间BL～BH内，则进一步判断B1与BL、BH的大小，
1.1如果B1小于亮度阈值BL，此时判定当前帧图像的增益G1过小，将EMCCD相机拍摄下一帧图像的曝光时间调整为T2，其中T1＜T2，并计算使用EMCCD相机在曝光时间为T2时拍摄下一帧图像可能具有的灰度均值，从而获得下一帧图像可能具有的亮度均值B2，然后如公式(1)所示计算出EMCCD相机拍摄下一帧图像时应当设定的增益值G2；
1.2如果B1大于亮度阈值BH，此时判定当前帧图像增益G1过大，将EMCCD相机拍摄下一帧图像的曝光时间调整为T'2，其中T1＞T'2，并计算使用EMCCD相机在曝光时间为T'2时拍摄下一帧图像可能具有的灰度均值，从而获得下一帧图像可能具有的亮度均值B'2，然后如公式(2)所示计算出EMCCD相机拍摄下一帧图像时应当设定的增益值G'2；
二、如果当前帧图像亮度均值B1处于最佳亮度区间BL～BH内，则计算当前帧图像的直方图灰度分布比例值，根据当前帧图像的直方图灰度分布比例值大小判断当前帧图像的光照条件，
2.1若当前帧图像的光照条件是常规光照条件，则EMCCD相机拍摄下一帧图像的曝光时间保持T1不变，增益保持G1不变；
2.2若图像光照条件是特殊光照条件，即正面强光或背光，则将EMCCD相机拍摄下一帧图像的曝光时间调整为预先设定的正面强光或背光时各自对应的曝光时间T'；特殊光照条件下的曝光时间T'是根据EMCCD相机图像亮度调节获得的经验值；此时根据公式(3)计算出EMCCD相机拍摄下一帧图像时应当设定的增益值G″2，
重复上述过程，以实现根据上一帧图像的亮度情况调整下一帧图像的增益，从而实现EMCCD相机增益的自动调节，达到改善图像亮度的目的。
为了进一步说明本发明的有益效果，本发明选用如图2(a)、图3(a)、图4(a)所示的三幅原图像按照本发明方法进行仿真实验，对EMCCD相机增益的自动调节，获得增益自动调节后拍摄的图片分别如图2(b)、图3(b)、图4(b)所以。由上述实验结果可见，图2(a)图像整体黑暗，看不清展板上的字样，调节后如图2(b)中EMCCD字样可以看见。图3(a)图像整体偏暗，展板上的字样模糊，调节后如图3(b)中EMCCD字样清晰可见。图4(a)整体亮度偏高，图像发白，局部细节模糊，调节后如图4(b)，图像整体亮度适中，景物细节清晰可见。上述实验结果验证表明本发明方法能够有效地改善图像的亮度及对比度。
Claims (1)
1.一种EMCCD增益自动调节方法，其特征在于，设定EMCCD图像的最佳亮度区间为BL～BH，BL、BH均为亮度阈值，且BL＜BH，用EMCCD相机在连续拍照模式下摄取图像，设定EMCCD相机拍摄当前帧图像时的增益值为G1、曝光时间为T1；计算当前帧图像的图像灰度均值以获得当前帧图像的亮度均值B1；判断当前帧图像亮度均值B1是否处于最佳亮度区间BL～BH内，
1.1如果当前帧图像亮度均值B1不处于最佳亮度区间BL～BH内，则进一步判断B1与BL、BH的大小，
1.1.1如果B1小于亮度阈值BL，则将EMCCD相机拍摄下一帧图像的曝光时间调整为T2，其中T1＜T2，并计算使用EMCCD相机在曝光时间为T2时拍摄下一帧图像可能具有的灰度均值，从而获得下一帧图像可能具有的亮度均值B2，然后如公式(1)所示计算出EMCCD相机拍摄下一帧图像时应当设定的增益值G2；
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1.1.2如果B1大于亮度阈值BH，则将EMCCD相机拍摄下一帧图像的曝光时间调整为T′2，其中T1＞T′2，并计算使用EMCCD相机在曝光时间为T′2时拍摄下一帧图像可能具有的灰度均值，从而获得下一帧图像可能具有的亮度均值B′2，然后如公式(2)所示计算出EMCCD相机拍摄下一帧图像时应当设定的增益值G′2；
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1.2如果当前帧图像亮度均值B1处于最佳亮度区间BL～BH内，则计算当前帧图像的直方图灰度分布比例值，根据当前帧图像的直方图灰度分布比例值大小判断当前帧图像的光照条件，
1.2.1若当前帧图像的光照条件是常规光照条件，则EMCCD相机拍摄下一帧图像的曝光时间保持T1不变，增益保持G1不变；
1.2.2若图像光照条件为正面强光或者背光，则将EMCCD相机拍摄下一帧图像的曝光时间调整为预先设定的正面强光或背光各自对应的曝光时间T'，并计算使用EMCCD相机在曝光时间为T'时拍摄下一帧图像可能具有的灰度均值，从而获得下一帧图像可能具有的亮度均值B″2，然后根据公式(3)计算出EMCCD相机拍摄下一帧图像时应当设定的增益值G″2，
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公式(3)中，曝光时间T'是根据EMCCD相机图像亮度调节获得的经验值。
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