CN105450940A - 微光相机的调光控制装置及调光方法 - Google Patents

Abstract

微光相机的调光控制装置及调光方法，涉及微光相机技术领域，解决现有调光装置存在调节响应时间长，可靠性差以及调光效果无法满足人眼对图像观察的需要等问题，该装置包括CMOS器件；CMOS配置模块、CMOS曝光增益控制模块、CMOS图像计算模块；CMOS器件输出的数字信号进入CMOS图像计算模块；图像处理模块计算每帧图像灰度均值，并将其与参考值进行比较，再根据比较结果给出反馈信号；CMOS曝光增益控制模块根据反馈信号改变CMOS相机曝光时间和增益后将曝光时间和增益的参数输入到CMOS配置模块达到改变CMOS相机工作状态的目的。本发明满足实时快速调光的要求，响应时间实时，同时满足微光相机超大的动态范围。

Description

微光相机的调光控制装置及调光方法

技术领域

本发明涉及一种微光相机技术领域，具体涉及一种微光相机的调光控制装置。

背景技术

弱光相机进行侦察和测量时，由于季节、天气、太阳高角和景物特征的不同，入射光强度变化很大，为了得到清晰图像必须进行调光。因而需要实时调整曝光时间，使其能够输出清晰的图像。一般的控制方法是通过捕获图像特性参数和参考值的比较，将映射的调整值送至调光控制系统以弥补二者差异。深入研究后发现，采用这种控制方法由于各种因素的影响，调整后CMOS接收的照度时常欠饱和或过饱和，因此映射需要具有很好的收敛性以使图像灰度快速收敛至一个固定的灰度期望值。

目前所用的调光控制装置包括控制组件、视频放大器、直流电平恢复单元、射级跟随器电路、图像处理模块、真有效值转化芯片和单片机。在工作时，被监视景物的入射光经光学系统成像在CMOS像面上。CMOS输出的视频信号作为被检测和被控制的信号，经过视频放大，直流电平恢复，由两个射级跟随器电路输出，一路进入图像处理模块，一路送入真有效值转化芯片。送入真有效值转化芯片后，信号被转化成与CMOS像面照度成比例的直流电平，单片机根据该直流电平与参考值之间的比较结果，向控制组件发送控制信号，从而通过改变入射光量来达到调光目的。

上述调光控制装置的控制程序包括系统自检子程序，串口初始化子程序，点击工作方式子程序，发送限位信号子程序。上电后系统首先进行自检，然后初始化程序将提供参考值及其他工作状态初始化值。对CCD接受到的信号进行光强的判断，如果不合适，改变控制组件(如变密度盘，衰减片)的条件；继续判断光强，如果合适则保持电机位置不变，否则继续调整直到合适。

该装置主要存在的问题归纳为以下几个方面：

一、电机控制相关控制组件对入射光进行调节存在响应时间长，可靠性差的问题。

二、真值转化芯片的方法提取特征量并不能完全代表图像灰度特征量，因此调光效果不一定满足人眼对图像观察的需要。

发明内容

本发明为解决现有调光装置存在调节响应时间长，可靠性差以及调光效果无法满足人眼对图像观察的需要等问题，提供一种微光相机的调光控制装置。

微光相机的调光控制装置，所述调光控制装置包括CMOS配置模块、CMOS图像计算模块和CMOS曝光与增益控制模块；目标图像经光学镜头成像在CMOS像面上，CMOS输出数字图像由CMOS图像计算模块计算图像灰度值，并将所述图像灰度值与参考值进行比较，实时向CMOS曝光与增益控制模块输出反馈信号，所述CMOS曝光与增益控制模块根据接的反馈信号对曝光时间和增益进行调整后传送至CMOS配置模块，所述CMOS配置模块将曝光时间和增益输入到CMOS中，实现对目标图像亮度的改变。

微光相机的调光方法，该方法由以下步骤实现：

步骤一、调光控制装置上电后，系统进行初始化，FPGA对CMOS进行配置；CMOS进行图像采集；

步骤二、CMOS输出数字图像由CMOS图像计算模块计算图像灰度值，并将所述图像灰度值与参考值进行比较，实时向CMOS曝光与增益控制模块输出反馈信号；

步骤三、所述CMOS曝光与增益控制模块设定的初始状态增益为第1档，曝光时间为第500档，当图像数码值小于参考值则需要增加曝光时间或增益，若图像数码值大于参考值则需要减少曝光时间或增益，若图像数码值在参考值范围内，则维持当前曝光时间和增益状态不变；

所述CMOS曝光与增益控制模块的控制方式为：上电后默认初始状态；CMOS图像计算模块开始计算图像数码值并与参考值比较，若此时图像数码值小于参考值，则首先调整曝光时间档位按不同步长增加曝光时间，在调整过程中同时实时计算图像数码值并与参考值比较，若调整曝光时间档位过程中图像数码值在参考值范围内，则停止调整，保持当前曝光时间与增益状态。

若调整曝光时间至1档时图像数码值仍小于参考值，则曝光时间设定为最大后，进入增益调整环节，逐步调整增益档位从1档最大可至243档；当调整到243档后，相机达到最大曝光时间，最大增益。

若CMOS图像计算模块计算的图像数码值大于参考值范围，则需要减少曝光时间或增益；如果这个情况发生在进入增益调整环节内，则首先逐步降低增益，最低增益为1档；若增益最低情况下图像数码值仍大于参考值范围，则进入曝光调整环节，逐步减少曝光时间，最大至600档，此时增益恒定为1档；当增益为1档，曝光时间为600档时，相机达到最小曝光时间，最小增益。

本发明的有益效果：针对微光相机所处的特殊环境，图像计算模块根据每帧图像灰度均值与参考值的比较结果给出反馈信号，控制曝光与增益,使灰度均值满足参考范围。通本发明满足了实时快速调光的要求，响应时间实时，同时满足微光相机超大的动态范围，并且拍摄的图像能够满足人眼观察的需要，同时也避免了利用光圈调节或变密度盘调节方式带来的空间、重量和可靠性方面的限制。

附图说明

图1为本发明所述的微光相机的调光控制装置的结构框图；

图2为本发明所述的微光相机的调光控制装置中CMOS曝光与增益控制模块内部程序流程图；

图3为本发明所述的微光相机的调光控制装置中每帧图像区域的划分示意图；

图4为采用本发明所述的微光相机的调光方法实现的定标结果示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1、图3和图4说明本实施方式，微光相机的调光控制装置，包括CMOS配置模块1、CMOS图像计算模块3和CMOS曝光与增益控制模块2；

目标图像经光学镜头成像在CMOS像面上，CMOS输出数字图像由CMOS图像计算模块3计算图像灰度值，并将所述图像灰度值与参考值进行比较，实时向CMOS曝光与增益控制模块2输出反馈信号，所述CMOS曝光与增益控制模块2根据接的反馈信号对曝光时间和增益进行调整后传送至CMOS配置模块1，所述CMOS配置模块1将曝光时间和增益输入到CMOS中，实现对目标图像亮度的改变。

本实施方式中所述的CMOS配置模块1均由FPGA编程实现。在CMOS图像计算模块3内计算每帧图像灰度均值，将图像灰度均值跟参考值比较后，给出反馈信号。反馈信号送入CMOS曝光与增益控制模块2调整增益，改变电子快门数量。

本实施方式中所述的参考值u_A范围在400～700之间。

CMOS输出每一帧的图像数据，实际上也就是一个灰度矩阵。调光通常采用取平均灰度的办法，设取平均灰度结果为u₀，当u₀与参考值u_A相等时，表明当前的CCD摄像机接收的光照度合适，否则将调整电子快门使u₀趋近u_A。

由于u_A是一个固定值，当背景占据了整个CMOS靶面的绝大部分，几乎淹没了目标时，无论是亮背景还是暗背景，显然取平均灰度结果u₀，都将以背景为主，目标不会达到最佳的成像照度。可见，在这种特殊情况下，传统的平均灰度提取方法，不仅没能起到应有的作用，反而会降低欲观察目标的成像效果。

成像系统中由于各种因素的影响，图像时常欠饱和或过饱和，因此映射需要具有很好的收敛性以使图像灰度快速收敛至一个固定的灰度期望值。本实施方式所述的微光相机由于像元灵敏度高，动态范围很大，因此在同一靶面会出现较为复杂的景物响应，因此本实施方式提出了多区域灰度加权的均值提取方法。

多区域是将整个视场划分为几个部分。对于跟踪过程而言一般分为两个阶段：目标捕获和目标跟踪。在目标捕获阶段，需要整个视场的图像灰度值满足一定的范围，使观察者能够清晰的在整个视场中搜索目标的大概位置。在目标跟踪阶段，目标已经锁定在跟踪波门区域内，一般的跟踪波门都处于中心视场位置，即图像的中心区域，因此选取跟踪波门内的图像灰度值作为判断依据能够比较准确的为跟踪系统提供良好的跟踪图像。在目标捕获阶段，主测光区域的权值系数t_l为0.4，四个测光区域的权值系数t_r为0.12；在目标跟踪阶段，主测光区的权值系数t_l为0.8，四个背景区的权值系数t_r为0.05。

本实施方式中将整个视场分为5个测光区域大部分，分别为主测光区、和其他四个背景区；主测光区为视场中心区，四个背景区对称分布在视场中心区的周围。其中视场中心是跟踪的主观察区。主测光区像元个数为其他4个背景区像元个数的两倍。

如图3所示，三个部分的图像灰度均值可表示为：

$r_A=\frac{\underset{j=0}{\overset{k}{\Σ}}{n}_j\×r_j}{\underset{j=0}{\overset{k}{\Σ}}{n}_j}(k=0,1,\mathrm{2...1024})---\left(1\right)$

其中r_j代表图像第j级灰度，n_j是r_j的个数。

实际的整个灰度均值应该按多区域期望均值来计算。

其中主区域权值系数t_l、其他背景区域权值系数t_r根据捕获阶段和跟踪阶段人为设定，经过外场试验后，总结的数值详见表1。

表1

	tl	tr
			捕获模式	0.4	0.12
跟踪模式	0.8	0.05

具体实施方式二、结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式为具体实施方式一所述的微光相机的调光控制装置的调光方法，该方法由以下步骤实现：

步骤一、调光控制装置上电后，系统进行初始化，FPGA对CMOS进行配置；CMOS进行图像采集；

步骤二、CMOS输出数字图像由CMOS图像计算模块3计算图像灰度值，并将所述图像灰度值与参考值进行比较，实时向CMOS曝光与增益控制模块2输出反馈信号；

步骤三、所述CMOS曝光与增益控制模块2设定的初始状态增益为第1档，曝光时间为第500档，当图像数码值小于参考值则需要增加曝光时间或增益，若图像数码值大于参考值则需要减少曝光时间或增益，若图像数码值在参考值范围内，则维持当前曝光时间和增益状态不变。

本实施方式中所述CMOS曝光与增益控制模块2的控制方式为：上电后默认初始状态；CMOS图像计算模块3开始计算图像数码值并与参考值比较，若此时图像数码值小于参考值，则首先调整曝光时间档位按不同步长增加曝光时间，在调整过程中同时实时计算图像数码值并与参考值比较，若调整曝光时间档位过程中图像数码值在参考值范围内，则停止调整，保持当前曝光时间与增益状态。

若调整曝光时间至1档时图像数码值仍小于参考值，则曝光时间设定为最大后，进入增益调整环节，逐步调整增益档位从1档最大可至243档；当调整到243档后，相机达到最大曝光时间，最大增益。

若CMOS图像计算模块3计算的图像数码值大于参考值范围，则需要减少曝光时间或增益；如果这个情况发生在进入增益调整环节内，则首先逐步降低增益，最低增益为1档；若增益最低情况下图像数码值仍大于参考值范围，则进入曝光调整环节，逐步减少曝光时间，最大至600档，此时增益恒定为1档；当增益为1档，曝光时间为600档时，相机达到最小曝光时间，最小增益。这种方式可以加快图像均值逼近目标值得速度，提高相机反应时间。

本实施方式中所述的CMOS曝光与增益控制模块2采用状态机循环模式以及分档逼近模式一次改变曝光时间与增益。

本实施方式中为了保证调光算法的准确性，需要人为地对电子快门的控制增加一些附加约束：

一、参考值范围r_t

在调光过程中，参考值u_A设定为一固定值很容易引起超调震荡，因此在系统设计时采用设定参考值范围r_t来避免震荡，参考值u_A在(u_A-r_t,u_A+r_t)区间内。r_t的选择不应太大或大小，范围太大对外界图像变化感应不敏感，太小则容易引起超调震荡，通过实验得出：按十位数据量化时，最佳参考值u_A的范围为(400，700)。

二、调光判定保持时间T_h

对高帧频的CCD进行调光时要考虑到人眼和调光时间的适应关系，如果每帧均判定一次的话，在系统照射明暗变化较大的景物时，图像很难达到稳定。因此需要一个调整判定时间，在系统中一般采用2帧到5帧时间调整一次，既保证图像稳定，又可以很快地参照外部景物对CCD电子快门进行调整。即所述图像处理模块每2帧到5帧时间输出一次反馈信号。

结合图4说明本实施方式，当相机不包括自动调光装置时，辐亮度在80到130wm-2sr-1区间内，图像灰度值在(500，700)区间内。当相机采用自动调光装置时，辐亮度在26.697到260.548wm-2sr-1区间内，图像灰度值均在(500，700)区间内。

本发明不限于上述实施方式。因而，凡是包含了本发明权利要求全部技术特征的技术方案，均在本发明意图保护范围之内。

Claims (10)

1.一种微光相机的调光控制装置，其特征是，所述调光控制装置包括CMOS配置模块(1)、CMOS图像计算模块(3)和CMOS曝光与增益控制模块(2)；

目标图像经光学镜头成像在CMOS像面上，CMOS输出数字图像由CMOS图像计算模块(3)计算图像灰度值，并将所述图像灰度值与参考值进行比较，实时向CMOS曝光与增益控制模块(2)输出反馈信号，所述CMOS曝光与增益控制模块(2)根据接的反馈信号对曝光时间和增益进行调整后传送至CMOS配置模块(1)，所述CMOS配置模块(1)将曝光时间和增益输入到CMOS中，实现对目标图像亮度的改变。

2.根据权利要求1所述的微光相机的调光控制装置，其特征在于，所述CMOS图像计算模块(3)计算图像灰度值的方法为：将每帧图像划分为多个区域，并采用加权平均的方法计算图像灰度均值。

3.根据权利要求2所述的微光相机的调光控制装置，其特征在于，CMOS图像计算模块(3)将每帧图像划分为五个测光区，所述五个测光区包括一个主测光区和四个背景区，五个测光区所占的图像像元个数为：主测光区像元个数为四个背景区像元个数的两倍。

4.根据权利要求3所述的微光相机的调光控制装置，其特征在于，主测光区为视场中心区，四个背景区对称分布在视场中心区的周围。

5.根据权利要求3或4所述的微光相机的调光控制装置，其特征在于，在目标捕获阶段，主测光区域的权值系数t_l为0.4，四个测光区域的权值系数t_r为0.12；在目标跟踪阶段，主测光区的权值系数t_l为0.8，四个背景区的权值系数t_r为0.05。

6.根据权利要求1所述的微光相机的调光控制控置，其特征在于，所述的参考值的范围在400～700之间。

7.根据权利要求1所述的微光相机的调光控制装置，其特征在于，所述CMOS曝光与增益控制模块(2)采用状态机循环模式以及分档逼近模式一次改变曝光时间与增益。

8.根据权利要求1所述的微光相机的调光控制装置的调光方法，其特征是，该调光方法由以下步骤实现：

步骤一、调光控制装置上电后，系统进行初始化，FPGA对CMOS进行配置；CMOS进行图像采集；

步骤二、CMOS输出数字图像由CMOS图像计算模块(3)计算图像灰度值，并将所述图像灰度值与参考值进行比较，实时向CMOS曝光与增益控制模块(2)输出反馈信号；

步骤三、所述CMOS曝光与增益控制模块(2)设定的初始状态增益为第1档，曝光时间为第500档，当图像数码值小于参考值则需要增加曝光时间或增益，若图像数码值大于参考值则需要减少曝光时间或增益，若图像数码值在参考值范围内，则维持当前曝光时间和增益状态不变；

所述CMOS曝光与增益控制模块(2)的控制方式为：上电后默认初始状态；CMOS图像计算模块(3)开始计算图像数码值并与参考值比较，若此时图像数码值小于参考值，则首先调整曝光时间档位按不同步长增加曝光时间，在调整过程中同时实时计算图像数码值并与参考值比较，若调整曝光时间档位过程中图像数码值在参考值范围内，则停止调整，保持当前曝光时间与增益状态。

若调整曝光时间至1档时图像数码值仍小于参考值，则曝光时间设定为最大后，进入增益调整环节，逐步调整增益档位从1档最大可至243档；当调整到243档后，相机达到最大曝光时间，最大增益。

若CMOS图像计算模块(3)计算的图像数码值大于参考值范围，则需要减少曝光时间或增益；如果这个情况发生在进入增益调整环节内，则首先逐步降低增益，最低增益为1档；若增益最低情况下图像数码值仍大于参考值范围，则进入曝光调整环节，逐步减少曝光时间，最大至600档，此时增益恒定为1档；当增益为1档，曝光时间为600档时，相机达到最小曝光时间，最小增益。

9.根据权利要求8所述的微光相机的调光方法，其特征在于，CMOS图像计算模块(3)将每帧图像划分为五个测光区域，所述五个测光区域包括一个主测光区域和四个测光区域，5个测光区所占的图像像元个数为：主测光区像元个数为四个背景区像元个数的两倍。

10.根据权利要求9所述的微光相机的调光方法，其特征在于，主测光区为视场中心区，四个背景区对称分布在视场中心区的周围。