CN105827995B - 基于直方图的自动曝光方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于直方图的自动曝光方法及系统，包括亮度获取步骤和亮度分析步骤，所述亮度获取步骤包括：将画面分成若干个小格，获取各个小格的亮度值及直方图统计信息；所述亮度分析步骤包括：根据直方图统计信息获取各小格的亮度权重值，并计算画面平均亮度值。通过上述方式，本发明能兼顾到画面中较亮和较暗的地方，给予不同的比重，可以使得画面的曝光接近均衡，尽可能多的保证画面的细节。

Description

基于直方图的自动曝光方法及系统

技术领域

本发明涉及一种基于直方图的自动曝光方法及系统。

背景技术

在安全理念越来越重要的今天，安防监控系统的重要性也日益凸现，特别是一些比较敏感的场所，如银行、监狱、公路等，出于安全和管理的需要，人们需要知道这些场所发生的事件，对这些场所进行监控。出于对这些特殊场所的监控需求，一体化摄像机的越来越多的被需求。在一体化摄像机中，自动曝光技术是摄像机的核心技术之一，能否快速、准确的实现自动曝光直接影响到画面的成像效果，若曝光过度，则会使图像过亮，失去一些图像细节；曝光不足，则会导致图像过暗，也会失去一些图像细节，甚至影响图像处理的色彩复原。

传统的自动曝光系统将整幅图像的亮度均值与预先设定的参考值比较来进行曝光控制。这种方法适用于大部分场景，但是当画面中亮区和暗区分布的不是很均匀的时候，经常容易出现过曝或者欠曝的现象，例如画面中有背光区域时，此时基于传统的自动曝光方式，会导致画面部分区域较暗或者过曝的情况存在。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供基于直方图的自动曝光方案，解决画面亮度不均的情况下的过曝或者欠曝问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：提供一种基于直方图的自动曝光方法，包括亮度获取步骤和亮度分析步骤，

所述亮度获取步骤包括：将画面分成若干个小格，获取各个小格的亮度值及直方图统计信息；

所述亮度分析步骤包括：根据直方图统计信息获取各小格的亮度权重值，并计算画面平均亮度值。

为解决上述问题，本发明还提供一种基于直方图的自动曝光系统，包括：

亮度获取模块，用于将画面分成若干个小格，获取各个小格的亮度值及直方图统计信息；

亮度分析模块，用于根据直方图统计信息获取各小格的亮度权重值，并计算画面平均亮度值。

本发明的有益效果在于：区别于现有技术，本发明通过将画面分成若干个小格，获取各个小格的亮度值及直方图统计信息；并根据直方图统计信息获取各小格的亮度权重值，并计算画面平均亮度值。通过上述方式，本发明能兼顾到画面中较亮和较暗的地方，给予不同的比重，可以使得画面的曝光接近均衡，尽可能多的保证画面的细节。

附图说明

图1为本发明具体实施例中自动曝光控制流程示意图；

图2为本发明具体实施例中Bayer格式示意图；

图3为本发明具体实施例中直方图示意图；

图4为本发明具体实施例中亮度分区图；

图5为本发明具体实施例中场景分析流程图；

图6为本发明具体实施例中曝光调节流程图。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。

本发明最关键的构思在于:基于直方图得到画面的平均亮度及统计信息，再重新计算画面中各个模块的加权值，而后再将此值与目标亮度值进行比较来控制光圈、快门以及增益等。

本发明的主要目的是解决画面中有太亮或者太暗画面时存在过曝或者是欠曝的问题。因此基于自动曝光的工作方式，自动曝光技术有三个十分重要的核心问题：光强测量、场景分析和曝光调节。本发明将在此基于后面两个核心问题提出一种自动曝光方法。

自动曝光是通过控制进入摄像机成像系统的曝光量从而使图像亮度稳定在目标亮度附近，实现图像亮度最优化的过程。

如图1所示，自动曝光系统是一个测光和控制系统，其控制流程如图1所示。光照经镜头聚焦后照射在CMOS图像传感器上，CMOS传感器经过一定时间的曝光后将光信号转换成模拟电信号，而后通过模拟增益将信号放大，最后经内部的AD转换后转换成数字信号，将数字信号输出到视频处理系统，而视频采集系统接收到数字视频信号后，经过一系列的预处理，由内部的自动曝光算法得出此时的控制量，即如何控制快门、增益及光圈。由此，自动曝光流程一般经过三个步骤：亮度获取、亮度分析和曝光调节。

本发明实施例一提供一种基于直方图的自动曝光方法，包括亮度获取步骤和亮度分析步骤，

所述亮度获取步骤包括：将画面分成若干个小格，获取各个小格的亮度值及直方图统计信息；

所述亮度分析步骤包括：根据直方图统计信息获取各小格的亮度权重值，并计算画面平均亮度值。

其中还包括曝光调节步骤，所述曝光调节步骤包括：比较画面平均亮度值与目标亮度值，适应性调节曝光。

所述亮度分析步骤具体为：

根据各个小格亮度值与对应的权重值，计算出画面初始亮度值；

根据各个小格的直方图信息，调整小格的权重值；

根据调整后的小格权重值，获取画面平均亮度值。

优选地，当暗区处于画面角落区域时，调整权重值为原来的a倍；当暗区处于画面中间区域时，调整权重值为原来的b倍；当暗区处于其他区域时，调整权重值为原来的c倍，其中1<a<c<b；当亮区处于画面角落区域时，调整权重值为原来的d；当亮区处于画面中间区域时，调整权重值为原来的e；当亮区处于其他区域时，调整权重值为原来的f，其中1>e>f>d。

所述曝光调节步骤具体为：

判断画面平均亮度值是否介于目标亮度区间内；

若是，则无需调节曝光；

反之，若画面平均亮度值小于目标亮度区间，则适应性增加曝光量；

若画面平均亮度值大于目标亮度区间，则适应性减小曝光量。

具体地，可将亮度区间分为一至五区，从一区到五区亮度逐渐升高；

其中，若画面平均亮度值小于目标亮度区间，则适应性增加曝光量的步骤具体为：

若画面平均亮度值落入亮度一区，则增加曝光量；

若画面平均亮度值落入亮度二区，则判断小格直方图中的像素点亮度大于高亮值的个数是否超过第一阈值；

若是，则无需调节曝光量；

反之，则增加曝光量；

若画面平均亮度值大于目标亮度区间，则适应性减小曝光量的步骤具体为：

若画面平均亮度值落入亮度五区，则减小曝光量；

若画面平均亮度值落入亮度四区，则判断小格直方图中的像素点亮度小于高暗值的个数是否超过第二阈值；

若是，则无需调节曝光量；

反之，则减小曝光量

对应地，本发明实施例二提供一种基于直方图的自动曝光系统，包括：

亮度获取模块，用于将画面分成若干个小格，获取各个小格的亮度值及直方图统计信息；

亮度分析模块，用于根据直方图统计信息获取各小格的亮度权重值，并计算画面平均亮度值。

其中，还包括曝光调节模块，用于比较画面平均亮度值与目标亮度值，适应性调节曝光。

具体地，所述亮度分析模块具体用于：

根据各个小格亮度值与对应的权重值，计算出画面初始亮度值；

根据各个小格的直方图信息，调整小格的权重值；

根据调整后的小格权重值，获取画面平均亮度值。

所述曝光调节模块具体用于：

判断画面平均亮度值是否介于目标亮度区间内；

若是，则无需调节曝光；

反之，若画面平均亮度值小于目标亮度区间，则适应性增加曝光量；

若画面平均亮度值大于目标亮度区间，则适应性减小曝光量；具体地：

将亮度区间分为一至五区，从一区到五区亮度逐渐升高；

若画面平均亮度值落入亮度一区，则增加曝光量；

若画面平均亮度值落入亮度二区，则判断小格直方图中的像素点亮度大于高亮值的个数是否超过第一阈值；

若是，则无需调节曝光量；

反之，则增加曝光量；

若画面平均亮度值大于目标亮度区间，则适应性减小曝光量的步骤具体为：

若画面平均亮度值落入亮度五区，则减小曝光量；

若画面平均亮度值落入亮度四区，则判断小格直方图中的像素点亮度小于高暗值的个数是否超过第二阈值；

若是，则无需调节曝光量；

反之，则减小曝光量。

为方便理解，以下通过一个具体实施例进行描述。

请一并参阅图1～图6，本发明的基本思想是得到画面的平均亮度，再依据直方图的统计信息，再重新计算画面中各个模块的加权值，而后再将此值与目标亮度值进行比较来控制光圈、快门以及增益等。可较好的解决现画面亮度不均的情况下的过曝或者欠曝问题。

由于本发明的目的是解决画面中有太亮或者太暗画面时存在过曝或者是欠曝的问题。因此基于自动曝光的工作方式，自动曝光技术有三个十分重要的核心问题：光强测量、场景分析和曝光调节。

亮度获取时，在摄像机系统中，环境光照经过镜头聚焦，照射在CMOS图像传感器表面，经过CMOS转化为电信号，以Bayer格式(如图2所示)输出至视频处理系统进行处理。视频处理系统主要完成对CMOS数据的采集以及对信号的处理，并将原始的Bayer格式数据经过一系列处理之后转换成RGB格式。

摄像机系统执行自动曝光之初，需要获得整副图像的亮度，因而，需要将图像的RGB数据转换为YUV信号(Y：亮度信号，U：R-Y色差信号；V：B-Y色差信号)，转换格式如下面公式1所示：

转换成YUV格式后，就对自动曝光所需要的数据进行统计，并统计图像的直方图(并不是每个视频处理系统都会统计此信息)完成亮度数据的获取。在此阶段中，都是ISP(图像信号处理)处理过程中的标准流程。

亮度分析中，目前常用的测光方法如下：

得到亮度之后，需要对其像素按所在区域进行统计从而得到图像不同区域的亮度信息。在曝光信号处理中，没有必要运算所有像素，只要对视场范围内的部分像素取样分析即可。目前，取样方法常见有平均测光、中央测光、局部测光、点测光和区域测光等。

平均测光：是测量整个画面的平均光亮度，这种方法适合光强适中，画面光强差别不大的情况；

中央测光：以中间拍摄的内容为主要测光对象。测光的感光元件重点对中间部分进行测量，并对整体的测光值进行分析，中央部分的测光数据占数据分析中的绝大比例。

局部测光：也称中央部分测光，是只对画面的一块区域进行测光，周围的背景是明是暗都不会对局部的光亮产生影响，测光区域为3％～12％。

点测光：测量画面中央很小范围内景物的亮度值，测光区域为1％～3％。

其中，全局平均测光为了照顾整个画面，但是在画面中央有灯管的场景下，全局测光的情况下会导致画面中央的灯管部分就已经过曝，不能看轻细节，也不能满足监控的需求，中央测光的方式，会以中间部分作为测试重点，结果就是灯管部分细节有了，但是周边已经欠曝，也看不到细节了；而局部测光是画面中间一部分进行测光，也是与中央测光导致的情况相同；而点测光如果在选取点时选取的不合适，或者选取了画面中央较暗的部分或者较亮的一点都会出现不同的情况。

针对以上各种测光方式出现的情况，为了解决此问题，本发明采取了将画面分成m*n个小格，以17*15个小格为例，每个小格分别计算出亮度后再乘以每个小格的权重值，得出整副画面的亮度值。在计算亮度值时，画面中每个小格的权重值并不是静态不变的，而是根据画面的亮度信息有所变动。本发明在获取了每个小格的亮度信息后，再根据画面中每个小方格的直方图统计信息，判断出哪个小格处于高亮区域，哪个小格处于暗部区域，哪个小格处于中间亮度区域，根据这些信息调整测光表的权重值，在曝光时能同时兼顾到画面。

应当理解的是，本发明将画面划分成17*15个小格，而在实际操作中，可根据需要，划分成如8*8个小格。这样划分的目的是为了分区块计算，分的小格越小，即数量越多的情况下，考虑的细节越多，计算量也越大；分的小格越大，即数量越少的情况下，考虑的细节越多，计算量减少，但细节可以疏漏掉很多。因此，本领域技术人员可根据实际需要，划分合适的小格。

曝光控制中，常用的曝光控制方法如下：

完成亮度分析之后，将根据当前图像的亮度与目标亮度之间的差距，通过一定的算法对曝光参数做出相应的调整，使得下一帧图像的亮度趋向并最终达到目标亮度。曝光调节的参数就是指光圈大小、曝光时间(快门)及增益。常用的自动曝光算法有数值计算法、查找表法、计算法等。

查表法，就是在系统内部存储一张曝光参数调整的步长与图像亮度关系之间的函数关系的查找表，在统计好平均亮度后，根据这个值在表中找出与之对应的调整量，反馈给系统；

迭代法，就是通过逐步迭代使曝光参数逐次逼近目标值。

数值计算法，就是根据数学公式推导出一个公式，计算出亮度后带入公式中，根据公式求出新的参数值。

本发明采用的曝光方法是属于查表法与迭代法相结合的方式，在得到当前图像的亮度和目标亮度之间的差距时，调用系统内部早已存储好的与当前亮度相近的快门、增益以及光圈的数值，先达到目标亮度值附近，完成曝光的粗调，而后再通过逐步调试快门、增益以及光圈的方式来慢慢的接近曝光目标值，使图像接近目标亮度，完成曝光。

实际操作中，Cmos传感器获取图像数据后，输出为Bayer格式的原始数据，经图像处理系统后，通过去马赛克等方式将Bayer格式的原始数据转换为RGB格式的数据，而后将此RGB转换成YUV色彩空间，获取当前图像的亮度值。在此处，本发明将画面划分成了17*15的小格，此时得到的亮度值是每个小格的平均亮度值Ex(0＝0,1,2......254)，在以上图像处理的过程中并同时统计到了每个图像直方图的信息，根据直方图信息判断更改权重值，获得当前图像的整体亮度，而后再控制快门、增益以及光圈实现自动曝光，下面将针对亮度分析和曝光调节详细的叙述本发明采取的方案。

1、亮度&场景分析

首先获取整幅图像的亮度，此亮度是整幅图像的所有像素亮度的加权平均值，

其中i＝1,2,3.....m*n，m表示画面中分割的小格的横向个数，n表示纵向个数，是第i个小格的平均亮度值，是第i个小方格亮度的权重。

测光表权重数值示意如下：表中的值在初始化时会赋给一组默认的值。

与此同时，获取画面中每个小格的直方图统计信息，直方图分段如下图3：直方图以纵坐标为标准分为5段，其中图中的0至Th1的区域表示最暗的一段，在亮度上面低于Th1的像素都统计在此段中，Th1至Th2的段为低于中间亮度的一段，在Th2至Th3的一段为中间亮度的一段，落于此段的亮度为曝光合适的亮度，Th3至Th4的一段为高于中间亮度的一段，Th4至255一段，表示高亮区域，高于Th4的亮度都认为是高亮。查看直方图中每段所占的比例，一般情况下，是查看0-Th1和Th4-255这两段，如果暗区(0-Th1)所占的比例大于L1(此为实验获取的经验值，在本例中，选择为0.4)时，认为此时小格的画面处于暗区，同理，如果在亮区所占的比例大于L2(此为实验获取的经验值，在本例中，选择为0.45)时，认为此时小格的画面处于高亮区。判断得出以上结论后，如果此暗区位于上面表中四个角的位置(紫色背景)，则原权重只是变为原来的1.5倍，而位于画面的中间位置(绿色背景)时，其权重变为原来的3倍，其他位置则是原来的2倍；同理，亮区如果位于四角位置时，其权重变为原来的1/4，如果位于中间位置，则权重变为原来的1/2，其他位置则为原来的权重的1/3。如果画面中小格并没有判断为高亮区或者暗区，则其权重还是默认的权重，不会更改。由此动态的改变画面中每个小格的权重的大小，完成亮度计算，得到画面的亮度的加权平均值。本实施例中，四角位置为四个角上的12个小格，中间位置为最中间的51个小格，一般来说，四角位置可以是每个角上占整个画面4-6％的区间，中间位置可以是中心位置占整个画面15-25％的区间。

接下来，判断目前所得到的亮度是处于何种模式，是正常的亮度范围还是小于正常亮度，还是大于正常亮度。此时设以上所得到的平均亮度为AL，目标亮度则为TL。在调整曝光时需要判断整个画面AL位于何种位置。此时将亮度区域分成5段，分别定义为以下几段：

I：是表示亮度在0-L1之间的亮度的一段，此段表示画面的亮度处于很暗的情况；

II：亮度略高于I段，表示亮度值在L1与L2之间。

III：目标亮度范围内，中间的TL是设置的目标亮度，L2和L3之间段是设置好认为是目标亮度范围内。

IV：亮度略高于目标亮度，表示亮度值在L3与L4之间

V：高亮区，表示亮度值在L4与255之间

判断AL是处于哪个区域，如果位于I区，说明此时画面的亮度太暗，此时需要增加曝光量；如果位于V区，说明此时画面太亮，已经过曝了，需要减小曝光量；如果位于III区内，则说明目前曝光合适，不需要调整。另外有两个区域比较复杂，需要借助直方图的统计信息来进行判断，就是II和IV区。下面说明一下II和IV区的情况。

如果位于II区，此时需要查看整个画面的直方图信息。在统计时，我们除了会统计画面中每个小格的直方图信息，也统计了整幅图的直方图信息(如图3所示)。如果AL位于II区，则需要判断直方图中大于Th4的像素所占的比例，如果大于α(例如0.095，此值为经验值)，则认为画面中亮点很多，可以无需调整；如果小于此值，则增加曝光量，达到TL水平；如果AL位于IV区，则需要判断直方图中小于Th1的像素所占的比例，如果大于β(例如0.4，此值为经验值)，说明画面中有较多的暗区，则不需调整，如果小于此值，则需要减小曝光量，达到TL水平。

2、曝光调节

得到画面的亮度后，并根据以上的分析，得出此时是需要增加曝光量或者减小曝光量。首先，先根据目前得到的平均亮度AL，得到与TL之间的差距ΔL＝TL-AL。然后，先根据事先测试好的亮度与快门、光圈之间的关系，先将快门和光圈放置到一个较合适的位置，先完成粗调的效果。

而后，再次计算亮度差，如果ΔL>0，则说明需要增加曝光量；如果ΔL<0,说明此时需要减小曝光量。

增加曝光量时，然后再次计算亮度差ΔL，如果需要增加曝光量，则查看此时快门和光圈是否到达极限位置，如果是，则需要增加增益来逐步达到TL，减小ΔL，直至为0，如果光圈和快门没有达到极限值，首先增大光圈，计算是否满足ΔL＝0，直至光圈到极限位置还不能满足条件，则需要调整快门来达到条件。

减小曝光量时，步骤与增加时相同，只是在细调时需要首先查看此时是否开启增益，需要先将增益下降来满足减小曝光量，如果减小增益能达到目的，则此时完成曝光，如果不能，则快速的调整光圈来减小通光量。

本发明在实际应用到曝光时，可以达到较好的效果，可以有效的解决很多动态范围较大的场景的曝光,可以很好的提高摄像机的效果。

本发明在分析图像的整体亮度时，将图像分成多个小格，在计算图像的整体亮度时，通过每个小格图像的亮度乘以权重得到正副图像的平均亮度，这样在测试画面的亮度时，能兼顾到画面中较亮和较暗的地方，给予不同的比重，可以使得画面的曝光接近均衡，尽可能多的保证画面的细节。

此外，本发明在调节自动曝光相应的参数的时候，并不是本着一种方式，而是采用了粗调和细调相结合的方式，在粗调时快速的将画面亮度调整至目标亮度附近，而后再通过逐步迭代方式来细细调节曝光，使画面完成合适的曝光。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于直方图的自动曝光方法，其特征在于，包括亮度获取步骤和亮度分析步骤；

所述亮度获取步骤包括：将画面分成若干个小格，获取各个小格的亮度值及直方图统计信息；

所述亮度分析步骤包括：根据直方图统计信息获取各小格的亮度权重值，并计算画面平均亮度值；

所述亮度分析步骤具体为：

根据各个小格亮度值与对应的权重值，计算出画面初始亮度值；

根据各个小格的直方图信息，调整小格的权重值；

根据调整后的小格权重值，获取画面平均亮度值；

当暗区处于画面角落区域时，调整权重值为原来的a倍；当暗区处于画面中间区域时，调整权重值为原来的b倍；当暗区处于其他区域时，调整权重值为原来的c倍，其中1<a<c<b；当亮区处于画面角落区域时，调整权重值为原来的d；当亮区处于画面中间区域时，调整权重值为原来的e；当亮区处于其他区域时，调整权重值为原来的f，其中1>e>f>d。

2.根据权利要求1所述基于直方图的自动曝光方法，其特征在于，还包括曝光调节步骤，所述曝光调节步骤包括：比较画面平均亮度值与目标亮度值，适应性调节曝光。

3.根据权利要求2所述基于直方图的自动曝光方法，其特征在于，所述曝光调节步骤具体为：

判断画面平均亮度值是否介于目标亮度区间内；

若是，则无需调节曝光；

反之，若画面平均亮度值小于目标亮度区间，则增加曝光量；

若画面平均亮度值大于目标亮度区间，则减小曝光量。

4.根据权利要求3所述基于直方图的自动曝光方法，其特征在于，将亮度区间分为一至五区，从一区到五区亮度逐渐升高；

若画面平均亮度值小于目标亮度区间，则增加曝光量的步骤具体为：

若画面平均亮度值落入亮度一区，则增加曝光量；

若画面平均亮度值落入亮度二区，则判断小格直方图中的像素点亮度大于高亮值的个数是否超过第一阈值；

若是，则无需调节曝光量；

反之，则增加曝光量；

若画面平均亮度值大于目标亮度区间，则减小曝光量的步骤具体为：

若画面平均亮度值落入亮度五区，则减小曝光量；

若画面平均亮度值落入亮度四区，则判断小格直方图中的像素点亮度小于高暗值的个数是否超过第二阈值；

若是，则无需调节曝光量；

反之，则减小曝光量。

5.一种基于直方图的自动曝光系统，其特征在于，包括：

亮度获取模块，用于将画面分成若干个小格，获取各个小格的亮度值及直方图统计信息；

亮度分析模块，用于根据直方图统计信息获取各小格的亮度权重值，并计算画面平均亮度值；

所述亮度分析模块具体用于：

根据各个小格亮度值与对应的权重值，计算出画面初始亮度值；

根据各个小格的直方图信息，调整小格的权重值；

根据调整后的小格权重值，获取画面平均亮度值；

当暗区处于画面角落区域时，调整权重值为原来的a倍；当暗区处于画面中间区域时，调整权重值为原来的b倍；当暗区处于其他区域时，调整权重值为原来的c倍，其中1<a<c<b；当亮区处于画面角落区域时，调整权重值为原来的d；当亮区处于画面中间区域时，调整权重值为原来的e；当亮区处于其他区域时，调整权重值为原来的f，其中1>e>f>d。

6.根据权利要求5所述基于直方图的自动曝光系统，其特征在于，还包括曝光调节模块，用于比较画面平均亮度值与目标亮度值，适应性调节曝光。

7.根据权利要求6所述基于直方图的自动曝光系统，其特征在于，所述曝光调节模块具体用于：

判断画面平均亮度值是否介于目标亮度区间内；

若是，则无需调节曝光；

反之，若画面平均亮度值小于目标亮度区间，则适应性增加曝光量；

若画面平均亮度值大于目标亮度区间，则适应性减小曝光量；具体地：

将亮度区间分为一至五区，从一区到五区亮度逐渐升高；

若画面平均亮度值落入亮度一区，则增加曝光量；

若画面平均亮度值落入亮度二区，则判断小格直方图中的像素点亮度大于高亮值的个数是否超过第一阈值；

若是，则无需调节曝光量；

反之，则增加曝光量；

若画面平均亮度值大于目标亮度区间，则适应性减小曝光量的步骤具体为：

若画面平均亮度值落入亮度五区，则减小曝光量；

若画面平均亮度值落入亮度四区，则判断小格直方图中的像素点亮度小于高暗值的个数是否超过第二阈值；

若是，则无需调节曝光量；

反之，则减小曝光量。