CN105791792A - 一种基于模拟退火算法的相机自动白平衡方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种基于模拟退火算法的相机自动白平衡方法，采用模拟退火算法的基本思想是利用随机优化问题求解过程与统计力学中热平衡问题的相似性，采用基于模拟退火算法实现自动白平衡，完成相机相机曝光和增益调节，实现工业相机自动白平衡操作。使得在线检测系统的采集图像稳定可靠，利于检测。同时系统采用基于模拟退火的自动白平衡算法，简化非专业人员对相机白平衡的操作的复杂程度，实现傻瓜式操作，完成工业相机自动白平衡的功能，降低系统维护量。

Description

一种基于模拟退火算法的相机自动白平衡方法

技术领域

本发明涉及一种基于模拟退火算法的相机自动白平衡方法。

背景技术

随着科技的发展，新技术的不断引入，模拟相机已经不能适应工业现代化的发展需求。而对于数字工业相机来说，视频信号在到达输出设备时跟离开相机时几乎一样，可以提供更高的分辨率，更快的帧速，更小的噪声和更多的特点。因此数字工业相机在不久的将来终将会取代模拟相机，成为相机产业发展的必然趋势。

工业相机又俗称摄像机，是机器视觉系统中的一个关键组件，其最本质的功能就是将光信号转变成小型高清工业相机为有序的电信号。选择合适的工业相机是机器视觉系统设计中的重要环节，相机不仅直接决定所采集到的图像分辨率及图像质量，而且也与整个系统的运行模式直接相关。

相比于传统的民用相机(摄像机)而言，工业相机具有高的图像稳定性、高传输能力和高抗干扰能力等，市面上工业相机大多是基于CCD(ChargeCoupledDevice)或CMOS(ComplementaryMetalOxideSemiconductor)芯片的相机。

CCD是目前机器视觉最为常用的图像传感器。它集光电转换及电荷存贮、电荷转移、信号读取于一体，是典型的固体成像器件。CCD的突出特点是以电荷作为信号，而不同于其它器件是以电流或者电压为信号。这类成像器件通过光电转换形成电荷包，而后在驱动脉冲的作用下转移、放大输出图像信号。典型的CCD相机由光学镜头、时序及同步信号发生器、垂直驱动器、模拟/数字信号处理电路组成。CCD作为一种功能器件，与真空管相比，具有无灼伤、无滞后、低电压工作、低功耗等优点。

CMOS图像传感器的开发最早出现在20世纪70年代初，90年代初期，随着超大规模集成电路(VLSI)制造工艺技术的发展，CMOS图像传感器得到迅速发展。CMOS图像传感器将光敏元阵列、图像信号放大器、信号读取电路、模数转换电路、图像信号处理器及控制器集成在一块芯片上，还具有局部像素的编程随机访问的优点。CMOS图像传感器以其良好的集成性、低功耗、高速传输和宽动态范围等特点在高分辨率和高速场合得到了广泛的应用。

工业相机是机器视觉系统中的一个关键组件，其最本质的功能就是将光信号转变成有序的电信号。选择合适的相机也是机器视觉系统设计中的重要环节，相机的选择不仅直接决定所采集到的图像分辨率、图像质量等，同时也与整个系统的运行模式直接相关。

而自动白平衡通常为数码相机的默认设置，相机中有一结构复杂的矩形图，它可决定画面中的白平衡基准点，以此来达到白平衡调校。这种自动白平衡的准确率是非常高的，但是在光线不足条件下下拍摄时，效果较差，例如多云天气下，许多自动白平衡系统的效果极差，它可能会导致偏蓝。

自动白平衡调整功能是现在摄像机都有的功能。摄像机存贮有针对某些通用光源的最佳化设置方案。摄像机可以根据通过其镜头和白平衡感测器的光线情况，自动探测出被摄物体的色温值，以此判断摄像条件。并选择最接近的色调设置，由色温校正电路加以校正，白平衡自动控制电路自动将白平衡调到合适的位置。这一功能被称作为自动白平衡调节。

多数光线条件下白色平衡功能都可以设定为自动，当摄像机对着被摄体时，随着照明光的色温不同，摄像机的白平衡被自动调整，而不必手动控制。然而，跟自动聚焦、自动曝光一样，自动白平衡调节是有一定局限性的。一般的摄像机都能在大约2500K～7000K的色温条件下正常进行自动白平衡调节。当拍摄时的光线超出所设定的范围时，自动白平衡功能就不能正常工作。还有，在以下情况下，自动白平衡功能也会不能正常工作：

1、在很蓝很蓝的天空下的被摄物，这时的色温可以达到9000K～10000K，这时拍出的景物会带蓝色。

2、被两个或两个以上不同、并且色温反差较大的光源照射的被摄物；

3、当被摄物体的光线色调与进入摄像机镜头的光线色调不一致时；

4、摄像机和被摄物体一个在明亮处、一个在阴暗处时；

5、使用照度过强的光源时，如水银蒸气灯、钠灯或某些种类荧光灯；

6、当光线照度过低时，如烛光；

7、拍摄黑暗表面的目标物时；

8、某些光源超出探测器的感应范围时，如雪地等极强的光线或阴天很暗的光线；

9、当画面出现强烈的红光照明时，如日出日落；

10、在移动拍摄中将摄像机从明亮处移到光线相对暗处时的一段时间内，如从室外移到室内。

因此人们在使用数码摄像机拍摄的时候都会遇到，在日光灯的房间里拍摄的影像会显得发绿，在室内钨丝灯光下拍摄出来的景物就会偏黄，而在日光阴影处拍摄到的照片则莫名其妙地偏蓝的问题其原因就在于“白平衡”的设置上。

发明内容

由于人们在使用数码摄像机拍摄的时候都会遇到在日光灯的房间里拍摄的影像会显得发绿，在室内钨丝灯光下拍摄出来的景物就会偏黄，而在日光阴影处拍摄到的照片则莫名其妙地偏蓝的问题其原因就在于“白平衡”的设置上。现有的白平衡调节在线检测系统的采集图像不稳定且不利于检测。

而非专业人员对相机白平衡的操作有些复杂，不能实现傻瓜式操作，不能降低系统维护量。

为了解决以上问题，本发明提供如一种基于模拟退火算法的相机自动白平衡方法。

本发明所采用的技术方案是：

一种基于模拟退火算法的相机自动白平衡方法，其特征是包括如下步骤：

①设置初始曝光E0和增益值G0，保证初始白平衡亮度值T0高于期望亮度值T，亮度为T时对应的相机曝光值为E增益值为G；

②设定恒温状态下的迭代次数K＝·150，设定循环中止接受条件N＝0.5(灰度级)，步进长度S，步进系数λ∈(0,1)选择将增益设置为外循环，曝光时间设置为内循环；

③降温过程(外循环)：

相机增益按步进S×λ递减，并且增益值G′>G。，进入恒温过程；

④恒温过程(内循环)：

对n＝1，……，K，循环做第4.1-4.4步：

4.1相机曝光值以步进值递减，获得当前的亮度值T′，并记录上一次增量Δt，

4.2计算增量Δt′＝abs(T′–T)，其中abs(.)为绝对值函数，

4.3若Δt′-Δt<0则接受T′作为新的当前解，否则以随机概率exp(Δt′/T)接受T′作为新的当前解，

4.4判断是否满足内循环中止条件。若满足中止条件跳出内循环转⑤，否则转④继续内循环，内循环终止条件选择为连续10个新解都没有被接受时终止或者循环次数大于预设值中止；

⑤如果满足终止条件Δt′<N则转⑥输出最优解，否则转③继续降温过程；

⑥输出当前解对应的曝光E和增益值G作为最优解，调用相机PRNU和FPN命令进行白平衡；

⑦最后,结束白平衡过程，将白平衡参数写入相机；

⑧对于彩色相机，相机的主增益为G通道，所以需要先对G通道的曝光和增益进行调节，再分别调节R(红色通道)、B(蓝色通道)通道，而对于黑白相机则只需要调节灰度通道。

本发明的有益效果是：

采用基于模拟退火算法实现自动白平衡，完成相机相机曝光和增益调节，实现工业相机自动白平衡操作。使得在线检测系统的采集图像稳定可靠，利于检测。

同时系统采用基于模拟退火的自动白平衡算法，简化非专业人员对相机白平衡的操作的复杂程度，实现傻瓜式操作，完成工业相机自动白平衡的功能，降低系统维护量。

以下将结合附图对本发明进行详细的说明。

附图说明

图1是模拟退火算法框图。

具体实施方式

由于人们在使用数码摄像机拍摄的时候都会遇到在日光灯的房间里拍摄的影像会显得发绿，在室内钨丝灯光下拍摄出来的景物就会偏黄，而在日光阴影处拍摄到的照片则莫名其妙地偏蓝的问题其原因就在于“白平衡”的设置上。现有的白平衡调节在线检测系统的采集图像不稳定且不利于检测。

而非专业人员对相机白平衡的操作有些复杂，不能实现傻瓜式操作，不能降低系统维护量。

为了解决以上问题，本发明提供如图1所示的一种基于模拟退火算法的相机自动白平衡方法。

模拟退火算法来源于固体退火原理，将固体加温至充分高，再让其徐徐冷却，加温时，固体内部粒子随温升变为无序状，内能增大，而徐徐冷却时粒子渐趋有序，在每个温度都达到平衡态，最后在常温时达到基态，内能减为最小。

模拟退火算法来源于固体退火原理，将固体加温至充分高，再让其徐徐冷却，加温时，固体内部粒子随温升变为无序状，内能增大，而徐徐冷却时粒子渐趋有序，在每个温度都达到平衡态，最后在常温时达到基态，内能减为最小。根据Metropolis准则，粒子在温度T时趋于平衡的概率为e(-ΔE/(kT))，其中E为温度T时的内能，ΔE为其改变量，k为Boltzmann常数。用固体退火模拟组合优化问题，将内能E模拟为目标函数值f，温度T演化成控制参数t，即得到解组合优化问题的模拟退火算法：由初始解i和控制参数初值t开始，对当前解重复“产生新解→计算目标函数差→接受或舍弃”的迭代，并逐步衰减t值，算法终止时的当前解即为所得近似最优解，这是基于蒙特卡罗迭代求解法的一种启发式随机搜索过程。退火过程由冷却进度表(CoolingSchedule)控制，包括控制参数的初值t及其衰减因子Δt、每个t值时的迭代次数L和停止条件S。

本实施例所提供的一种基于模拟退火算法的相机自动白平衡方法，算法步骤如下：

①设置初始曝光E0和增益值G0，保证初始白平衡亮度值T0高于期望亮度值T，亮度为T时对应的相机曝光值为E增益值为G；本实施例设定初始温度0.6，终止温度0.01，循环次数L＝k选择为150次。

②设定恒温状态下的迭代次数K＝·150，设定循环中止接受条件N＝0.5(灰度级)，步进长度S，步进系数λ∈(0,1)选择将增益设置为外循环，曝光时间设置为内循环；

③降温过程(外循环)：

相机增益按步进S×λ递减，并且增益值G′>G。，进入恒温过程；

④恒温过程(内循环)：

对n＝1，……，K，循环做第4.1-4.4步：

4.1相机曝光值以步进值递减，获得当前的亮度值T′，并记录上一次增量Δt，

4.2计算增量Δt′＝abs(T′–T)，其中abs(.)为绝对值函数，

4.3若Δt′-Δt<0则接受T′作为新的当前解，否则以随机概率exp(Δt′/T)接受T′作为新的当前解，

4.4判断是否满足内循环中止条件。若满足中止条件跳出内循环转⑤，否则转④继续内循环，内循环终止条件选择为连续10个新解都没有被接受时终止或者循环次数大于预设值中止；

⑤如果满足终止条件Δt′<N则转⑥输出最优解，否则转③继续降温过程；

⑥输出当前解对应的曝光E和增益值G作为最优解，调用相机PRNU和FPN命令进行白平衡；

⑦最后,结束白平衡过程，将白平衡参数写入相机；

⑧对于彩色相机，相机的主增益为G通道，所以需要先对G通道的曝光和增益进行调节，再分别调节R(红色通道)、B(蓝色通道)通道，而对于黑白相机则只需要调节灰度通道。

模拟退火算法是通过赋予搜索过程一种时变且最终趋于零的概率突跳性，从而可有效避免陷入局部极小并最终趋于全局最优的串行结构的优化算法。

模拟退火算法与初始值无关，算法求得的解与初始解状态S(是算法迭代的起点)无关；模拟退火算法具有渐近收敛性，已在理论上被证明是一种以概率l收敛于全局最优解的全局优化算法；模拟退火算法具有并行性。

采用基于模拟退火算法实现自动白平衡，完成相机相机曝光和增益调节，实现工业相机自动白平衡操作。使得在线检测系统的采集图像稳定可靠，利于检测。

同时系统采用基于模拟退火的自动白平衡算法，简化非专业人员对相机白平衡的操作的复杂程度，实现傻瓜式操作，完成工业相机自动白平衡的功能，降低系统维护量。

以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于模拟退火算法的相机自动白平衡方法，其特征在于：包括以下步骤：

①设置初始曝光E0和增益值G0，保证初始白平衡亮度值T0高于期望亮度值T，亮度为T时对应的相机曝光值为E增益值为G；

②设定恒温状态下的迭代次数K＝·150，设定循环中止接受条件N＝0.5(灰度级)，步进长度S，步进系数λ∈(0,1)选择将增益设置为外循环，曝光时间设置为内循环；

③降温过程(外循环)：

相机增益按步进S×λ递减，并且增益值G′>G。，进入恒温过程；

④恒温过程(内循环)：

对n＝1，……，K，循环做第4.1-4.4步：

4.1相机曝光值以步进值递减，获得当前的亮度值T′，并记录上一次增量Δt，

4.2计算增量Δt′＝abs(T′–T)，其中abs(.)为绝对值函数，

4.3若Δt′-Δt<0则接受T′作为新的当前解，否则以随机概率exp(Δt′/T)接受T′作为新的当前解，

4.4判断是否满足内循环中止条件。若满足中止条件跳出内循环转⑤，否则转④继续内循环，内循环终止条件选择为连续10个新解都没有被接受时终止或者循环次数大于预设值中止；

⑤如果满足终止条件Δt′<N则转⑥输出最优解，否则转③继续降温过程；

⑥输出当前解对应的曝光E和增益值G作为最优解，调用相机PRNU和FPN命令进行白平衡；

⑦最后,结束白平衡过程，将白平衡参数写入相机；

⑧对于彩色相机，相机的主增益为G通道，所以需要先对G通道的曝光和增益进行调节，再分别调节R(红色通道)、B(蓝色通道)通道，而对于黑白相机则只需要调节灰度通道。