CN105227852B - 基于色彩加权的自动曝光方法 - Google Patents

基于色彩加权的自动曝光方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于色彩加权的自动曝光方法，用于实现对图像的自动曝光，提高图像的显示效果，本发明从采集的图像数据中提取色彩特征值，并利用色彩特征值以不同的权重计算图像的亮度指标。根据图像亮度指标判断图像是否在最佳亮度区间内，若否则根据自适应调整步长做出曝光参数的调整，得到曝光准确的图像。本发明对大多数场景得到亮度合适且拥有更鲜艳色彩的曝光图像，且在某种颜色占据主导的场景中色彩可以真实地恢复，获得准确的曝光。

Description

基于色彩加权的自动曝光方法
技术领域
本发明涉及数码成像领域，特别是一种基于色彩加权的自动曝光方法。
背景技术
随着高分辨率的照相机的迅速普及，用户对成像质量的要求也越来越高。精确地控制照相相机的曝光量也成为提高最终成像质量的关键参数之一。相机的测光系统是按被摄物体18％的反光率设计的，对于大多数场景，明暗部分综合后反光率可认为18％，使用相机测光后提供的曝光组合，就可得到综合后18％灰色调照片，这是大多数情况下的正常影调。实际上相机的测光系统测出的曝光量与被摄对象的颜色存在着特定的联系。不同颜色的反光度不同，当拍摄画面以某种颜色为主调时，往往会降低相机测光的准确性，必须对相机曝光值进行适当的调整。曝光会对色彩的表现产生特殊的影响，不同的颜色在不同的亮度达到它们的饱和值，这意味着对于每一种颜色来说，都有一个理想的曝光能提供最佳的亮度和纯度。过曝会减弱任何色调的强度，反之，欠曝会使之加强，但对于特定的色彩只能达到一定的程度。例如红色反光度偏高，相机测光系统会自动判定环境光线较强，从而降低曝光量，容易将红色拍成暗红色。而对于紫色反光度偏低，相机测光系统会自动判定环境光线较弱，从而增加曝光量，容易将紫色冲淡，变成淡紫色。场景中大面积的色彩往往降低测光准确性，并使最终成像的图片色彩失真。
自动曝光算法的核心部分是如何定义和计算图像亮度指标和理想的亮度指标。当前相机中应用最广的自动曝光算法假定景物中的全部反光面的平均反光率是18％。基于这个假定，图像亮度指标就等同于整幅或部分图像的平均亮度值，理想的亮度指标在灰度级上表现为52％的最大灰度级。对于存在大面积低反光率和高反光率的场景会出现色彩失真。改变曝光会改变颜色的亮度，作为一个一般的规律，轻微的欠曝可以获得鲜艳的颜色，而强烈的欠曝会使颜色变暗而转为黑色。过曝会减弱色相的主要特性，产生越来越苍白的色调。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于色彩加权的自动曝光方法，解决了场景中某种颜色占据主导时曝光使颜色失真的问题，在获得合适亮度的同时，得到更鲜艳的色彩。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于色彩加权的自动曝光方法，方法步骤如下：
步骤1)获得前一帧目标图像，通过A/D转换模块，将其转换为目标的数字图像；
步骤2)通过数据采集模块获得目标数字图像信息，以及其曝光时间Ti-1和增益值Gi-1，其中i＝1,2,3……；
步骤3)通过色彩特征值提取模块提取上述目标的数字图像的色彩特征值以及图像亮度均值，其中色彩特征值包括：
a)上述目标数字图像中的红、绿、蓝各个色彩分量的均值，即红色分量均值Ravg，绿色分量均值Gavg，蓝色分量均值Bavg；
b)色彩分量中最大值Cmax，即Cmax＝MAX(Ravg，Gavg，Bavg)；
c)色彩分量中最小值Cmin，即Cmin＝MIN(Ravg,Gavg,Bavg)；
d)色彩分量均值Cavg＝(Ravg+Gavg+Bavg)/3；
e)色彩场景特征值Ctv＝Cmax-Cmin；
f)图像亮度均值Y，即Y＝0.3Ravg+0.6Gavg+0.1Bavg；
步骤4)根据上述目标的数字图像的色彩特征值，通过权重分配模块确定相应的权重；
步骤5)根据相应的权重，通过亮度指标模块确定目标数字图像的亮度指标Yopt，公式为Yopt＝W1Y+W2Cmax+W3Cmin，其中W1为图像亮度均值Y的权重，W2为色彩分量中最大值Cmax的权重，W3为色彩分量中最小值Cmin的权重；
步骤6)自适应步长模块根据目标的数字图像亮度指标Yopt和亮度阈值Yth确定自适应步长，即曝光时间调整步长ΔT和增益调整步长ΔG，方法为：
a)获得初始曝光时间调节步长λT和初始增益调节步长λG；
b)获得步长调整因子Step＝|1-Yopt/Yth|；
c)确定曝光时间调整步长ΔT＝Step*λT，确定增益调整步长ΔG＝Step*λG。
步骤7)曝光参数调整模块根据图像亮度指标Yopt判断是否需要进行曝光调节，其中最佳亮度区间为[YL,YH]，其中YL为亮度低阈值，YH为亮度高阈值，
若图像亮度指标Yopt在最佳亮度区间内，则不调整曝光时间和增益值，曝光时间Ti＝Ti-1，增益值Gi＝Gi-1，其中i＝1,2,3……；输出曝光时间Ti和增益值Gi；
若需要进行曝光调节，则根据自适应调节步长调整曝光时间Ti和增益值Gi，调节方法如下，分为两种情况：
1°若图像亮度指标Yopt高于亮度高阈值YH，根据增益调整标识Flag，再分为两种情况：
7-1-1)若增益调整标识Flag大于等于调整阈值Fth，则调整新的增益值Gi＝Gi-1-ΔG，调整新的曝光时间Ti＝Ti-1-ΔT，其中i＝1，2，3……，输出曝光时间Ti和增益值Gi，返回步骤2)；
7-1-2)若增益调整标识Flag小于调整阈值Fth，则调整新的增益值Gi＝Gmin，其中Gmin为最小增益值，调整新的曝光时间Ti＝Ti-1-ΔT，其中i＝1，2，3……；输出曝光时间Ti和增益值Gi，返回步骤2)；
2°若图像亮度指标Yopt低于亮度低阈值YL，根据增益调整标识Flag，再分为两种情况：
7-2-1)若增益调整标识Flag小于调整阈值Fth时，调整新的增益值Gi＝Gmin，调整新的曝光时间Ti＝T+ΔT，输出曝光时间Ti和增益值Gi，返回步骤2)；
7-2-2)若增益调整标识Flag大于等于调整阈值Fth，调整新的增益值Gi＝G+ΔG，新的曝光时间Ti＝T+ΔT，输出曝光时间Ti和增益值Gi，返回步骤2)。
步骤4)中，通过权重分配模块确定相应的权重的方法为：
4-1)若色彩场景特征值Ctv大于等于色彩阈值Cth，则W1＝0.4；再比较Cavg与亮度阈值Yth，若Cavg大于等于Yth，则W2＝0.1，W3＝0.5；若Cavg小于Yth，则W2＝0.5，W3＝0.1；
4-2)若色彩场景特征值Ctv小于色彩阈值Cth，则W1＝0.6，然后比较Cavg与亮度阈值Yth，若Cavg大于等于Yth，则W2＝0.1，W3＝0.3；若Cavg小于Yth，则W2＝0.3，W3＝0.1。
上述色彩阈值Cth为最大灰度级的18％。
上述亮度阈值Yth在灰度级上表现为52％的最大灰度级；亮度低阈值YL在灰度级上表现为42％的最大灰度级，亮度高阈值YH在灰度级上表现为58％的最大灰度级；初始曝光时间调节步长λT为曝光时间最大值的4％；初始增益调节步长λG为增益最大值的4％。
上述增益调整标识Flag，其计算方法为Flag＝T/Tmax，T为当前曝光时间，Tmax为可调曝光时间的最大值；上述调整阈值Fth为0.7。
步骤7)中，当曝光时间已调整为可调范围最小值时，则Ti＝Tmin，其中Tmin为曝光时间可调范围最小值；当曝光时间已调整为可调范围最大值时，则Ti＝Tmax，其中Tmax为曝光时间可调范围最大值；当增益值已调整为可调范围最小值时，则Gi＝Gmin，其中Gmin为增益可调范围最小值；当增益已调整为可调范围最大值时，则Gi＝Gmax，其中Gmax为增益可调范围最大值。
上述色彩特征值中红色分量均值绿色分量均值蓝色分量均值其中h为一帧图像的行数，h＝1,2,3,……；l为一帧图像的列数，l＝1,2,3,……；N为一帧图像的总像素数。
本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)对大多数场景得到亮度合适且拥有更鲜艳色彩的曝光图像；(2)在某种颜色占据主导的场景中色彩可以真实地恢复，获得准确的曝光。
附图说明
图1是本发明基于色彩加权的自动曝光方法的装置图。
图2是本发明基于色彩加权的自动曝光方法的流程图。
图3是本发明基于色彩加权的自动曝光方法的处理单色场景的效果图。
图4是普通自动曝光方法处理单色场景的效果图。
具体实施方式
下面结合附图做进一步说明。
结合图2，一种基于色彩加权的自动曝光方法，方法步骤如下：
步骤1)获得前一帧目标图像，通过A/D转换模块，将其转换为目标的数字图像；
步骤2)通过数据采集模块获得目标数字图像信息，以及其曝光时间Ti-1和增益值Gi-1，其中i＝1,2,3……；
步骤3)通过色彩特征值提取模块提取上述目标的数字图像的色彩特征值以及图像亮度均值，其中色彩特征值包括：
a)上述目标数字图像中的红、绿、蓝各个色彩分量的均值，即红色分量均值Ravg，绿色分量均值Gavg，蓝色分量均值Bavg；
b)色彩分量中最大值Cmax，即Cmax＝MAX(Ravg，Gavg，Bavg)；
c)色彩分量中最小值Cmin，即Cmin＝MIN(Ravg,Gavg,Bavg)；
d)色彩分量均值Cavg＝(Ravg+Gavg+Bavg)/3；
e)色彩场景特征值Ctv＝Cmax-Cmin；
f)图像亮度均值Y，即Y＝0.3Ravg+0.6Gavg+0.1Bavg；
步骤4)根据上述目标的数字图像的色彩特征值，通过权重分配模块确定相应的权重；
步骤5)根据相应的权重，通过亮度指标模块确定目标数字图像的亮度指标Yopt，公式为Yopt＝W1Y+W2Cmax+W3Cmin，其中W1为图像亮度均值Y的权重，W2为色彩分量中最大值Cmax的权重，W3为色彩分量中最小值Cmin的权重；
步骤6)自适应步长模块根据目标的数字图像亮度指标Yopt和亮度阈值Yth确定自适应步长，即曝光时间调整步长ΔT和增益调整步长ΔG，方法为：
a)获得初始曝光时间调节步长λT和初始增益调节步长λG；
b)获得步长调整因子Step＝|1-Yopt/Yth|；
c)确定曝光时间调整步长ΔT＝Step*λT，确定增益调整步长ΔG＝Step*λG。
步骤7)曝光参数调整模块根据图像亮度指标Yopt判断是否需要进行曝光调节，其中最佳亮度区间为[YL,YH]，其中YL为亮度低阈值，YH为亮度高阈值，
若图像亮度指标Yopt在最佳亮度区间内，则不调整曝光时间和增益值，曝光时间Ti＝Ti-1，增益值Gi＝Gi-1，其中i＝1,2,3……；输出曝光时间Ti和增益值Gi；
若需要进行曝光调节，则根据自适应调节步长调整曝光时间Ti和增益值Gi，调节方法如下，分为两种情况：
1°若图像亮度指标Yopt高于亮度高阈值YH，根据增益调整标识Flag，再分为两种情况：
7-1-1)若增益调整标识Flag大于等于调整阈值Fth，则调整新的增益值Gi＝Gi-1-ΔG，调整新的曝光时间Ti＝Ti-1-ΔT，其中i＝1，2，3……，输出曝光时间Ti和增益值Gi，返回步骤2)；
7-1-2)若增益调整标识Flag小于调整阈值Fth，则调整新的增益值Gi＝Gmin，其中Gmin为最小增益值，调整新的曝光时间Ti＝Ti-1-ΔT，其中i＝1，2，3……；输出曝光时间Ti和增益值Gi，返回步骤2)；
2°若图像亮度指标Yopt低于亮度低阈值YL，根据增益调整标识Flag，再分为两种情况：
7-2-1)若增益调整标识Flag小于调整阈值Fth时，调整新的增益值Gi＝Gmin，调整新的曝光时间Ti＝T+ΔT，输出曝光时间Ti和增益值Gi，返回步骤2)；
7-2-2)若增益调整标识Flag大于等于调整阈值Fth，调整新的增益值Gi＝G+ΔG，新的曝光时间Ti＝T+ΔT，输出曝光时间Ti和增益值Gi，返回步骤2)。
步骤4)中，通过权重分配模块确定相应的权重的方法为：
4-1)若色彩场景特征值Ctv大于等于色彩阈值Cth，则W1＝0.4；再比较Cavg与亮度阈值Yth，若Cavg大于等于Yth，则W2＝0.1，W3＝0.5；若Cavg小于Yth，则W2＝0.5，W3＝0.1；
4-2)若色彩场景特征值Ctv小于色彩阈值Cth，则W1＝0.6，然后比较Cavg与亮度阈值Yth，若Cavg大于等于Yth，则W2＝0.1，W3＝0.3；若Cavg小于Yth，则W2＝0.3，W3＝0.1。
上述色彩阈值Cth为最大灰度级的18％。
上述亮度阈值Yth在灰度级上表现为52％的最大灰度级；亮度低阈值YL在灰度级上表现为42％的最大灰度级，亮度高阈值YH在灰度级上表现为58％的最大灰度级；初始曝光时间调节步长λT为曝光时间最大值的4％；初始增益调节步长λG为增益最大值的4％。
上述增益调整标识Flag，其计算方法为Flag＝T/Tmax，T为当前曝光时间，Tmax为可调曝光时间的最大值；上述调整阈值Fth为0.7。
步骤7)中，当曝光时间已调整为可调范围最小值时，则Ti＝Tmin，其中Tmin为曝光时间可调范围最小值；当曝光时间已调整为可调范围最大值时，则Ti＝Tmax，其中Tmax为曝光时间可调范围最大值；当增益值已调整为可调范围最小值时，则Gi＝Gmin，其中Gmin为增益可调范围最小值；当增益已调整为可调范围最大值时，则Gi＝Gmax，其中Gmax为增益可调范围最大值。
上述色彩特征值中红色分量均值绿色分量均值蓝色分量均值其中h为一帧图像的行数，h＝1,2,3,……；l为一帧图像的列数，l＝1,2,3,……；N为一帧图像的总像素数。如R2，3为第二行第三列像素值中R分量的值。
结合图1，一种基于色彩加权的自动曝光方法的装置，包括数据采集模块、色彩特征值提取模块、权重分配模块、亮度指标模块、自适应步长模块和曝光参数调整模块，数据采集模块、色彩特征值提取模块、权重分配模块、亮度指标模块、自适应步长模块和曝光参数调整模块依次连接，数据采集模块再与曝光参数调整模块连接；数据采集模块接受输入的目标的数字图像及其曝光时间和增益值并输出给色彩特征值提取模块，色彩特征值提取模块确定出色彩特征值，然后输出给权重分配模块，权重分配模块根据色彩特征值分配相应的权重，然后输出给亮度指标模块，亮度指标模块确定出最优亮度指标后输出给自适应步长模块，自适应步长模块确定出曝光时间和增益的调整步长，然后输出给曝光参数调整模块，曝光参数调整模块依据图像亮度指标判断当前的曝光状态是否需要调整，如果需要，则根据曝光时间和增益的自适应调整步长确定出新的曝光时间和增益，将新的曝光时间和增益反馈输入到数据采集模块，数据采集模块将得到的新的数字图像数据重新输入到色彩特征值提取模块；按照上述方法依次循环计算，得到曝光合适的图像。
实施例1
结合图3和图4，目标图像位数采用8bit，取亮度阈值Yth＝133，取亮度低阈值YL＝107，取亮度高阈值YH＝148，取色彩阈值Cth＝46，取调整阈值Fth＝0.7。对以大面积草坪为主的场景采集数据，图3为采用本发明基于色彩加权的自动曝光方法得到的图像，图像色彩真实，曝光准确。图4为采用普通自动曝光方法得到的图像，因图像亮度平均值低于低阈值，系统增加曝光，使画面过亮，颜色失真。
由此本发明基于色彩加权的自动曝光方法，解决了场景中某种颜色占据主导时曝光使颜色失真的问题，在获得合适亮度的同时，得到更鲜艳的色彩，提高了图像的显示效果。

Claims (6)

1.一种基于色彩加权的自动曝光方法，其特征在于，方法步骤如下：
步骤1)获得前一帧目标图像，通过A/D转换模块，将其转换为目标的数字图像；
步骤2)通过数据采集模块获得目标数字图像信息，以及其曝光时间Ti-1和增益值Gi-1，其中i＝1,2,3……；
步骤3)通过色彩特征值提取模块提取上述目标的数字图像的色彩特征值以及图像亮度均值，其中色彩特征值包括：
a)上述目标数字图像中的红、绿、蓝各个色彩分量的均值，即红色分量均值Ravg，绿色分量均值Gavg，蓝色分量均值Bavg；
b)色彩分量中最大值Cmax，即Cmax＝MAX(Ravg，Gavg，Bavg)；
c)色彩分量中最小值Cmin，即Cmin＝MIN(Ravg,Gavg,Bavg)；
d)色彩分量均值Cavg＝(Ravg+Gavg+Bavg)/3；
e)色彩场景特征值Ctv＝Cmax-Cmin；
f)图像亮度均值Y，即Y＝0.3Ravg+0.6Gavg+0.1Bavg；
步骤4)根据上述目标的数字图像的色彩特征值，通过权重分配模块确定相应的权重，方法为：
4-1)若色彩场景特征值Ctv大于等于色彩阈值Cth，则W1＝0.4；再比较Cavg与亮度阈值Yth，若Cavg大于等于Yth，则W2＝0.1，W3＝0.5；若Cavg小于Yth，则W2＝0.5，W3＝0.1；
4-2)若色彩场景特征值Ctv小于色彩阈值Cth，则W1＝0.6，然后比较Cavg与亮度阈值Yth，若Cavg大于等于Yth，则W2＝0.1，W3＝0.3；若Cavg小于Yth，则W2＝0.3，W3＝0.1；
步骤5)根据相应的权重，通过亮度指标模块确定目标数字图像的亮度指标Yopt，公式为Yopt＝W1Y+W2Cmax+W3Cmin，其中W1为图像亮度均值Y的权重，W2为色彩分量中最大值Cmax的权重，W3为色彩分量中最小值Cmin的权重；
步骤6)自适应步长模块根据目标的数字图像亮度指标Yopt和亮度阈值Yth确定自适应步长，即曝光时间调整步长ΔT和增益调整步长ΔG，方法为：
a)获得初始曝光时间调节步长λT和初始增益调节步长λG；
b)获得步长调整因子Step＝|1-Yopt/Yth|；
c)确定曝光时间调整步长ΔT＝Step*λT，确定增益调整步长ΔG＝Step*λG；
步骤7)曝光参数调整模块根据图像亮度指标Yopt判断是否需要进行曝光调节，确定最佳亮度区间为[YL,YH]，其中YL为亮度低阈值，YH为亮度高阈值，若图像亮度指标Yopt在最佳亮度区间内，则不调整曝光时间和增益值，曝光时间Ti＝Ti-1，增益值Gi＝Gi-1，其中i＝1,2,3……；输出曝光时间Ti和增益值Gi；
若需要进行曝光调节，则根据自适应调节步长调整曝光时间Ti和增益值Gi，调节方法如下，分为两种情况：
1°若图像亮度指标Yopt高于亮度高阈值YH，根据增益调整标识Flag，再分为两种情况：
7-1-1)若增益调整标识Flag大于等于调整阈值Fth，则调整新的增益值Gi＝Gi-1-ΔG，调整新的曝光时间Ti＝Ti-1-ΔT，其中i＝1，2，3……，输出曝光时间Ti和增益值Gi，返回步骤2)；
7-1-2)若增益调整标识Flag小于调整阈值Fth，则调整新的增益值Gi＝Gmin，其中Gmin为最小增益值，调整新的曝光时间Ti＝Ti-1-ΔT，其中i＝1，2，3……；输出曝光时间Ti和增益值Gi，返回步骤2)；
2°若图像亮度指标Yopt低于亮度低阈值YL，根据增益调整标识Flag，再分为两种情况：
7-2-1)若增益调整标识Flag小于调整阈值Fth时，调整新的增益值Gi＝Gmin，调整新的曝光时间Ti＝T+ΔT，输出曝光时间Ti和增益值Gi，返回步骤2)；
7-2-2)若增益调整标识Flag大于等于调整阈值Fth，调整新的增益值Gi＝G+ΔG，新的曝光时间Ti＝T+ΔT，输出曝光时间Ti和增益值Gi，返回步骤2)。
2.根据权利要求1所述基于色彩加权的自动曝光方法，其特征在于：色彩阈值Cth为最大灰度级的18％。
3.根据权利要求1所述基于色彩加权的自动曝光方法，其特征在于：亮度阈值Yth在灰度级上表现为52％的最大灰度级；亮度低阈值YL在灰度级上表现为42％的最大灰度级，亮度高阈值YH在灰度级上表现为58％的最大灰度级；初始曝光时间调节步长λT为曝光时间最大值的4％；初始增益调节步长λG为增益最大值的4％。
4.根据权利要求1所述基于色彩加权的自动曝光方法，其特征在于：上述增益调整标识Flag，其计算方法为Flag＝T/Tmax，T为当前曝光时间，Tmax为可调曝光时间的最大值；上述调整阈值Fth为0.7。
5.根据权利要求1所述基于色彩加权的自动曝光方法，其特征在于：步骤7)中，当曝光时间已调整为可调范围最小值时，则Ti＝Tmin，其中Tmin为曝光时间可调范围最小值；当曝光时间已调整为可调范围最大值时，则Ti＝Tmax，其中Tmax为曝光时间可调范围最大值；当增益值已调整为可调范围最小值时，则Gi＝Gmin，其中Gmin为增益可调范围最小值；当增益已调整为可调范围最大值时，则Gi＝Gmax，其中Gmax为增益可调范围最大值。
6.根据权利要求1所述基于色彩加权的自动曝光方法，其特征在于：
色彩特征值中红色分量均值绿色分量均值蓝色分量均值其中h为一帧图像的行数，h＝1,2,3,……；l为一帧图像的列数，l＝1,2,3,……；N为一帧图像的总像素数。
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