CN106454044B - 一种爆闪补光装置及方法 - Google Patents

一种爆闪补光装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种爆闪补光装置及方法，该装置包括CMOS图像传感器和爆闪灯，所述爆闪补光装置还包括标定模块、CMOS控制模块和爆闪灯控制模块，其中标定模块标定出CMOS图像传感器的感光参数，CMOS控制模块根据图像亮度设定曝光时间，并根据目标位置确定ROI区域所对应的感光单元条数信息，下发曝光时间、ROI区域所对应的感光单元条数信息到爆闪灯控制模块，下发曝光时间到CMOS图像传感器；爆闪灯控制模块根据标定模块计算出的CMOS图像传感器的感光参数，和CMOS控制模块下发的曝光时间和ROI区域所对应的感光单元条数信息，计算出爆闪参数，并控制爆闪灯进行补光。本发明爆闪灯根据控制来进行曝光，光污染小，功耗也较小。

Description

一种爆闪补光装置及方法
技术领域
本发明属于相机补光技术领域，尤其涉及一种爆闪补光装置及方法。
背景技术
CMOS和CCD是常用的感光元件，CMOS具有集成度高、制造工艺简单、低成本、低功耗，易于大规模生产等特点，因而被大批量的使用。CMOS根据曝光方式分为卷帘快门(Rolling Shutter)和全局快门(Global Shutter)两种。其中卷帘快门CMOS的曝光方式为逐行曝光，卷帘快门CMOS内部每一行感光单元的起始曝光时间点和结束曝光时间点不相同。全局快门CMOS则为全局曝光，其内部所有感光单元都是同一时刻开始感光的，同一时刻结束感光。
卷帘快门CMOS和全局快门CMOS的成像效果差异主要体现在拍摄高速运动物体上。由于卷帘快门CMOS每行的曝光时间有一个偏差Δt，而高速运动物体在Δt的时间内可能发生位移，从而使拍摄的图像产生斜坡现象；而全局快门CMOS就没有这个问题。卷帘快门CMOS和全局快门CMOS的成像效果差异还与外部的光照条件相关，短时间的光照可能只对卷帘快门CMOS的部分行感光单元进行补光；全局快门CMOS同样没有这个问题。但由于全局快门CMOS所有的感光单元同时进行感光，感光单元结构较为复杂，生产成本高，且图像分辨率无法做到很高。
目前卷帘快门CMOS仍然广泛的应用在视频监控系统中作为抓拍相机，抓拍相机需要较高的图像质量，从而达到高的抓拍目标识别率。在低光照环境下，抓拍图像质量较差，所以需要外部补光装置对CMOS补光，提升CMOS的成像质量。卷帘快门CMOS对外界光照要求比较严格，市场上常用常亮灯对卷帘快门CMOS相机进行补光。但利用卷帘快门CMOS配合常亮灯使用，常亮灯亮度无法做到很高，灯亮的持续时间较长，容易对检测目标产生干扰，产生光污染；同时常亮灯还有功耗大等弊端。
发明内容
本发明的目的是提供一种爆闪补光装置及方法，利用爆闪灯对感兴趣区域ROI进行补光，以避免目前采用常亮灯对卷帘快门CMOS相机进行补光所具有的光污染大、功耗大等问题。
为了实现上述目的，本发明技术方案如下：
一种爆闪补光装置，包括CMOS图像传感器和爆闪灯，所述爆闪补光装置还包括标定模块、CMOS控制模块和爆闪灯控制模块，其中：
所述标定模块，用于标定出CMOS图像传感器的感光参数；
所述CMOS控制模块，用于根据图像亮度设定曝光时间，并根据目标位置确定ROI区域所对应的感光单元条数信息，下发曝光时间、ROI区域所对应的感光单元条数信息到爆闪灯控制模块，下发曝光时间到CMOS图像传感器；
所述爆闪灯控制模块，用于根据标定模块计算出的CMOS图像传感器的感光参数，和CMOS控制模块下发的曝光时间和ROI区域所对应的感光单元条数信息，计算出爆闪参数，并控制爆闪灯进行补光。
本发明的一种实现方式，所述CMOS控制模块还用于检测识别CMOS图像传感器输出的视频图像中的目标位置，并根据目标位置确定ROI区域所对应的感光单元条数信息。
本发明的另一种实现方式，所述爆闪补光装置还包括目标位置检测模块，用于检测识别CMOS图像传感器输出的视频图像中的目标位置，并下发到CMOS控制模块。
进一步地，所述爆闪参数包括爆闪起始时刻和爆闪时间，所述爆闪灯控制模块控制爆闪灯进行补光，执行如下操作：
捕获参考点，并启动内部的计时器1；
在计时器1计时到起始爆闪时刻时，输出爆闪灯有效控制信号，控制爆闪灯开始补光，同时启动计时器2；
在计时器2计时达到爆闪时间，结束输出爆闪灯有效控制信号，控制爆闪灯结束补光。
或，所述爆闪参数包括爆闪起始时刻和爆闪结束时刻，所述爆闪灯控制模块控制爆闪灯进行补光，执行如下操作：
捕获参考点，并启动内部的计时器；
在计时器计时到起始爆闪时刻时，输出爆闪灯有效控制信号，控制爆闪灯开始补光；
在计时器计时到爆闪结束时刻，结束输出爆闪灯有效控制信号，控制爆闪灯结束补光。
本发明还提出了一种爆闪补光方法，应用于包括CMOS图像传感器和爆闪灯的爆闪补光装置，所述爆闪补光方法包括：
根据图像亮度设定曝光时间，并根据目标位置确定ROI区域所对应的感光单元条数信息，下发曝光时间到CMOS图像传感器；
根据标定出的CMOS图像传感器的感光参数，以及所述曝光时间和ROI区域所对应的感光单元条数信息，计算出爆闪参数，并控制爆闪灯进行补光。
进一步地，所述根据目标位置确定ROI区域所对应的感光单元条数信息，包括：
检测识别CMOS图像传感器输出的视频图像中的目标位置，并根据目标位置确定ROI区域所对应的感光单元条数信息。
进一步地，所述爆闪参数包括爆闪起始时刻和爆闪时间，或爆闪起始时刻和爆闪结束时刻。
所述爆闪参数包括爆闪起始时刻和爆闪时间，所述控制爆闪灯进行补光，包括：
捕获参考点，并启动内部的计时器1；
在计时器1计时到起始爆闪时刻时，输出爆闪灯有效控制信号，控制爆闪灯开始补光，同时启动计时器2；
在计时器2计时达到爆闪时间，结束输出爆闪灯有效控制信号，控制爆闪灯结束补光。
或，所述爆闪参数包括爆闪起始时刻和爆闪结束时刻，所述控制爆闪灯进行补光，包括：
捕获参考点，并启动内部的计时器；
在计时器计时到起始爆闪时刻时，输出爆闪灯有效控制信号，控制爆闪灯开始补光；
在计时器计时到爆闪结束时刻，结束输出爆闪灯有效控制信号，控制爆闪灯结束补光。
本发明提出的一种爆闪补光装置及方法，通过根据CMOS图像传感器的感光参数、ROI区域信息，来计算得到爆闪参数，并根据爆闪参数如爆闪起始时刻以及爆闪时间控制爆闪灯进行补光。本发明的爆闪补光装置及方法，爆闪灯根据控制来进行曝光，光污染小，功耗也较小。同时采用本发明的装置，不需要采用昂贵的全局快门CMOS，成本也较小，降低了相机的成本。
附图说明
图1为本发明爆闪补光装置结构示意图；
图2为本发明实施例CMOS图像传感器的感光参数示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明技术方案做进一步详细说明，以下实施例不构成对本发明的限定。
如图1所示，本实施例一种爆闪补光装置，该爆闪补光装置包括标定模块、CMOS图像传感器(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)、爆闪灯、爆闪灯控制模块和CMOS控制模块。
在该装置中，标定模块，用于进行初始化标定，标定出CMOS图像传感器的感光参数；CMOS控制模块，用于根据图像亮度设定曝光时间，并根据目标位置确定ROI(region ofinterest感兴趣区域)区域所对应的感光单元条数信息，下发曝光时间、ROI区域所对应的感光单元条数信息到爆闪灯控制模块，下发曝光时间到CMOS图像传感器；爆闪灯控制模块，用于根据标定模块计算出的CMOS图像传感器的感光参数，和CMOS控制模块下发的曝光时间和ROI区域所对应的感光单元条数信息，计算出爆闪参数，并控制爆闪灯进行补光。爆闪灯用于对CMOS图像传感器进行补光；CMOS图像传感器用于根据曝光时间进行感光，输出视频图像。
容易理解的是，本技术方案的爆闪补光装置应用于相机中，特别是用于抓拍的卡口相机，该爆闪补光装置必然包括一个目标初定位模块，用于初步判断目标所在位置，触发CMOS控制模块控制CMOS图像传感器成像，进行抓拍动作。例如在有车辆进入监控区域时，目标初定位模块发现车辆进入，则触发CMOS控制模块控制CMOS图像传感器成像。
本实施例CMOS图像传感器为卷帘快门CMOS图像传感器，在一帧的时间内，感光单元的某爆光时刻相对于参考点(场同步信号VD)是固定的，这样固定的曝光时刻是通过爆光时间或者其他信号确定的某一爆光时间点，例如常见的有起始爆光时间点固定或者结束爆光时间点固定。通过爆光固定点以及行感光单元之间的曝光时间间隔，就可以计算出每行感光单元的起始爆光时刻。需要说明的是，起始爆光时间点固定或者结束爆光时间点固定都是相对于参考信点(场同步信号VD)来计算的。
以卷帘快门CMOS第一行的曝光结束点固定为例，如图2所示，第一行感光单元曝光结束点距离参考点(场同步信号VD)的时间为Tfix，假设当前设置的曝光时间为Texposure，每行感光单元的起始爆光时刻差为Δt。那么第m行感光单元的起始爆光时刻与参考点的时间差为：
Tmstart＝Tfix-Texposure+m×Δt (式1)
第m行感光单元的结束感光时刻与参考点的时间差为：
Tmend＝Tfix+m×Δt (式2)
容易理解的是，CMOS图像传感器的感兴趣区域ROI(region of interest)的宽度就是CMOS图像传感器输出的图像宽度，ROI的高度可以用爆闪灯亮时正在感光的感光单元行数表示，其由爆闪灯的爆闪时间Tpulse和曝光时间Texposure决定。
假设补到光的区域的上下临界感光行是l和m，那么有以下公式：
Tlstart-Tmend＝Tpulse (式3)
代入式1和式2可知：
Tfix-Texposure+l×Δt-(Tfix+m×Δt)＝Tpulse (式4)
最后可得到补到光的行数在l与m的区间内：
Figure GDA0002239778250000061
若l与m，其中有一行是曝到光的，另一行是未爆到光的，则ROI区域所对应的感光单元条数为l-m；若l与m，其中都是未曝到光的行，则ROI区域所对应的感光单元条数为l-m-1。由式1和式5可知，ROI区域所对应的感光单元条数由爆闪灯的爆闪时间Tpulse、CMOS的曝光时间Texposure以及CMOS的行曝光时间差Δt决定。需要说明的是，本实施例ROI区域所对应的感光单元条数，即成像后视频图像中ROI区域在CMOS图像传感器中对应的感光单元的条数。在CMOS图像传感器水平设置时，为感光单元行数；在CMOS图像传感器垂直设置时，为感光单元列数；在以其他角度放置时，为感光单元在视频图像中ROI区域在高度上的条数。而ROI区域的宽度默认为视频图像的宽度，根据设定的分辨率自动获得。
ROI区域的起始位置由爆闪灯的起始爆闪时刻决定。
需要说明的是，如果以卷帘快门CMOS其他相对于参考点固定的曝光时刻为例，例如第一行的曝光起始点固定，也可以得到类似的计算公式，这里不再赘述。
以下以卷帘快门CMOS第一行的曝光结束点固定为例，详细描述本装置的工作过程如下：
标定模块，用于进行初始化标定，标定出CMOS图像传感器的感光参数。本实施例利用两次爆闪获取CMOS图像传感器的感光参数：
具体地，第一次爆闪测试，夜间在T1时刻(相对于VD)启动爆闪，根据图像亮度信息获取爆闪起始行位置L1。(夜间在没有补光的情况下整幅画面较暗，有补光的情况下在图像中会出现一条白带。统计每行的像素均值即可获得起始行位置)
第二次爆闪测试，CMOS曝光时间不变，在T2时刻(相对于VD)启动爆闪，获取爆闪起始行位置L2。
由两次曝光测试可计算出式1中感光单元行的起始爆光时刻差Δt(带符号，可表示CMOS正装或者翻转)，以及第一行感光单元曝光结束点距离参考点(场同步信号VD)的时间为Tfix。
CMOS控制模块，用于根据图像亮度设定曝光时间，并根据目标位置确定ROI区域所对应的感光单元条数信息，下发曝光时间、ROI区域所对应的感光单元条数信息到爆闪灯控制模块，下发曝光时间到CMOS图像传感器。
其中，根据图像亮度，相机根据自动曝光来自动调整相机的曝光参数，即通过自动调整相机的曝光参数可以得到曝光时间Texposure。关于曝光时间的计算，属于相机曝光参数调整中常用的方法，这里不再赘述。
而确定ROI区域所对应的感光单元条数信息，可以根据目标位置(例如车牌位置)在图像中的具体位置来手工设定，或通过抓拍的视频图像，进行目标识别，计算出目标位于图像中的位置，根据检测出的目标位置来获得。在一种具体的实施例中，例如抓拍车辆识别车牌号码，ROI区域即对应车牌位置。所确定的ROI区域所对应的感光单元条数信息是指ROI区域的高度，用爆闪灯亮时正在感光的感光单元行数表示。而ROI区域的宽度默认为视频图像的宽度，根据设定的分辨率自动获得。
本技术方案通过抓拍的视频图像，进行目标识别，计算出目标位于图像中的位置，可以在CMOS控制模块中来执行。在另一个实施例中，设置有专门的目标位置检测模块，用于检测识别CMOS图像传感器输出的视频图像中的目标位置，并下发到CMOS控制模块，由CMOS控制模块根据视频图像中的目标位置来确定ROI区域信息。
爆闪灯控制模块，用于根据标定模块计算出的CMOS图像传感器的感光参数，和CMOS控制模块下发的曝光时间和ROI区域所对应的感光单元条数信息，计算出爆闪参数，这里的爆闪参数可以是爆闪起始时刻以及爆闪时间。容易理解的是，根据爆闪起始时刻以及爆闪时间可以计算得到爆闪结束时刻，因此知道爆闪起始时刻、爆闪结束时刻和爆闪时间中的任意两个，就可以控制爆闪灯进行补光。
在另一个实施例中，根据标定模块计算出的CMOS图像传感器的感光参数，和CMOS控制模块下发的曝光时间和ROI区域所对应的感光单元条数信息，计算出爆闪起始时刻以及爆闪时间，也可以由CMOS控制模块来执行，在计算出爆闪参数后下发给爆闪灯控制模块控制爆闪灯进行补光。
爆闪灯控制模块或CMOS控制模块计算爆闪起始时刻以及爆闪时间的公式可以根据式1～式5推导得到，假设根据ROI区域所对应的感光单元条数信息，得到起始行为第m行，则爆闪起始时刻Tmstart为：
Tmstart＝Tfix-Texposure+m×Δt 式6
其中，Tfix为相对于参考点固定的曝光时刻，例如第一行感光单元曝光结束点距离参考点(场同步信号VD)的时间，Δt为每行感光单元的起始爆光时刻差。Tfix和Δt在标定模块进行初始化标定时得到。
而爆闪时间Tpulse根据式5可得，优选地ROI区域的上下临界感光行一行是补到光的，一行是未补到光的，假设ROI区域所对应的感光单元条数信息中，条数为h，则爆闪时间Tpulse计算公式如下：
Tpulse＝h*Δt-Texposure 式7
而爆闪结束时刻＝爆闪起始时刻+爆闪时间。
该计算模块还可以是单独的计算模块，用于根据标定模块计算出的CMOS图像传感器的感光参数，和CMOS控制模块下发的曝光时间和ROI区域所对应的感光单元条数信息，计算出参数，这里不再赘述。
具体地，如果爆闪参数是爆闪起始时刻和爆闪时间，爆闪灯控制模块控制爆闪灯进行补光，执行如下操作：
先捕获参考点(这里是检测VD信号的上升沿)，捕获参考点，并启动内部的计时器1；
在计时器1计时到爆闪起始时刻时，输出爆闪灯有效控制信号，控制爆闪灯开始补光，同时启动计时器2；
在计时器2计时达到爆闪时间，结束输出爆闪灯有效控制信号，控制爆闪灯结束补光。
本发明的另一实施例，如果爆闪参数是爆闪起始时刻和爆闪结束时刻，则爆闪灯控制模块控制爆闪灯进行补光，执行如下操作：
先捕获参考点(这里是检测VD信号的上升沿)，捕获参考点，并启动内部的计时器1；
在计时器1计时到爆闪起始时刻时，输出爆闪灯有效控制信号，控制爆闪灯开始补光；
在计时器1计时到爆闪结束时刻时，结束输出爆闪灯有效控制信号，控制爆闪灯结束补光。
本实施例CMOS图像传感器在CMOS控制模块的控制下，进行视频图像感光，输出爆闪灯补光后的图像，爆闪灯控制模块标记该视频图像为特殊的抓拍帧(补光)。
本实施例，爆闪灯控制模块还用于根据CMOS控制模块下发的ROI区域信息，更新爆闪起始时刻以及爆闪时间。即可以周期性地，根据CMOS控制模块反馈的目标位置信息，动态的调整爆闪灯起始爆闪时刻以及爆闪时间。该周期可以为一帧，也可以为多帧。
与上述装置对应地，本实施例一种爆闪补光方法，应用于包括CMOS图像传感器和爆闪灯的爆闪补光装置，包括：
根据图像亮度设定曝光时间，并根据目标位置确定ROI区域所对应的感光单元条数信息，下发曝光时间到CMOS图像传感器；
根据标定出的CMOS图像传感器的感光参数，以及所述曝光时间和ROI区域所对应的感光单元条数信息，计算出爆闪参数，并控制爆闪灯进行补光。
其中，本实施例根据目标位置确定ROI区域所对应的感光单元条数信息，包括：
检测识别CMOS图像传感器输出的视频图像中的目标位置，并根据目标位置确定ROI区域所对应的感光单元条数信息。
本实施例爆闪参数包括爆闪起始时刻和爆闪时间，或爆闪起始时刻和爆闪结束时刻。
如果爆闪参数包括爆闪起始时刻和爆闪时间，所述控制爆闪灯进行补光，包括：
捕获参考点，并启动内部的计时器1；
在计时器1计时到起始爆闪时刻时，输出爆闪灯有效控制信号，控制爆闪灯开始补光，同时启动计时器2；
在计时器2计时达到爆闪时间，结束输出爆闪灯有效控制信号，控制爆闪灯结束补光。
或，如果爆闪参数包括爆闪起始时刻和爆闪结束时刻，所述控制爆闪灯进行补光，包括：
捕获参考点，并启动内部的计时器；
在计时器计时到起始爆闪时刻时，输出爆闪灯有效控制信号，控制爆闪灯开始补光；
在计时器计时到爆闪结束时刻，结束输出爆闪灯有效控制信号，控制爆闪灯结束补光。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种爆闪补光装置，包括卷帘快门CMOS图像传感器和爆闪灯，其特征在于，所述爆闪补光装置还包括标定模块、CMOS控制模块和爆闪灯控制模块，其中：
所述标定模块，用于标定出卷帘快门CMOS图像传感器的感光参数；
所述CMOS控制模块，用于根据图像亮度设定曝光时间，并根据目标位置确定ROI区域所对应的感光单元条数信息，下发曝光时间、ROI区域所对应的感光单元条数信息到爆闪灯控制模块，下发曝光时间到卷帘快门CMOS图像传感器；
所述爆闪灯控制模块，用于根据标定模爆闪参数块计算出的卷帘快门CMOS图像传感器的感光参数，和CMOS控制模块下发的曝光时间和ROI区域所对应的感光单元条数信息，计算出爆闪参数，所述爆闪参数包括爆闪起始时刻、爆闪结束时刻和爆闪时间中任意两个，并控制爆闪灯进行补光，在ROI区域所对应的感光单元条数感光时，所述爆闪灯亮；
所述ROI区域所对应的感光单元条数，即成像后视频图像中ROI区域在卷帘快门CMOS图像传感器中对应的感光单元的条数。
2.根据权利要求1所述的爆闪补光装置，其特征在于，所述CMOS控制模块还用于检测识别卷帘快门CMOS图像传感器输出的视频图像中的目标位置，并根据目标位置确定ROI区域所对应的感光单元条数信息。
3.根据权利要求1所述的爆闪补光装置，其特征在于，所述爆闪补光装置还包括目标位置检测模块，用于检测识别卷帘快门CMOS图像传感器输出的视频图像中的目标位置，并下发到CMOS控制模块。
4.根据权利要求1所述的爆闪补光装置，其特征在于，所述爆闪参数包括爆闪起始时刻和爆闪时间，所述爆闪灯控制模块控制爆闪灯进行补光，执行如下操作：
捕获参考点，并启动内部的计时器1；
在计时器1计时到起始爆闪时刻时，输出爆闪灯有效控制信号，控制爆闪灯开始补光，同时启动计时器2；
在计时器2计时达到爆闪时间，结束输出爆闪灯有效控制信号，控制爆闪灯结束补光。
5.根据权利要求1所述的爆闪补光装置，其特征在于，所述爆闪参数包括爆闪起始时刻和爆闪结束时刻，所述爆闪灯控制模块控制爆闪灯进行补光，执行如下操作：
捕获参考点，并启动内部的计时器；
在计时器计时到起始爆闪时刻时，输出爆闪灯有效控制信号，控制爆闪灯开始补光；
在计时器计时到爆闪结束时刻，结束输出爆闪灯有效控制信号，控制爆闪灯结束补光。
6.一种爆闪补光方法，应用于包括卷帘快门CMOS图像传感器和爆闪灯的爆闪补光装置，其特征在于，所述爆闪补光方法包括：
根据图像亮度设定曝光时间，并根据目标位置确定ROI区域所对应的感光单元条数信息，下发曝光时间到卷帘快门CMOS图像传感器；
根据标定出的卷帘快门CMOS图像传感器的感光参数，以及所述曝光时间和ROI区域所对应的感光单元条数信息，计算出爆闪参数，所述爆闪参数包括爆闪起始时刻、爆闪结束时刻和爆闪时间中任意两个，并控制爆闪灯进行补光，在ROI区域所对应的感光单元条数感光时，所述爆闪灯亮；
所述ROI区域所对应的感光单元条数，即成像后视频图像中ROI区域在卷帘快门CMOS图像传感器中对应的感光单元的条数。
7.根据权利要求6所述的爆闪补光方法，其特征在于，所述根据目标位置确定ROI区域所对应的感光单元条数信息，包括：
检测识别卷帘快门CMOS图像传感器输出的视频图像中的目标位置，并根据目标位置确定ROI区域所对应的感光单元条数信息。
8.根据权利要求6所述的爆闪补光方法，其特征在于，所述爆闪参数包括爆闪起始时刻和爆闪时间，或爆闪起始时刻和爆闪结束时刻。
9.根据权利要求8所述的爆闪补光方法，其特征在于，所述爆闪参数包括爆闪起始时刻和爆闪时间，所述控制爆闪灯进行补光，包括：
捕获参考点，并启动内部的计时器1；
在计时器1计时到起始爆闪时刻时，输出爆闪灯有效控制信号，控制爆闪灯开始补光，同时启动计时器2；
在计时器2计时达到爆闪时间，结束输出爆闪灯有效控制信号，控制爆闪灯结束补光。
10.根据权利要求8所述的爆闪补光方法，其特征在于，所述爆闪参数包括爆闪起始时刻和爆闪结束时刻，所述控制爆闪灯进行补光，包括：
捕获参考点，并启动内部的计时器；
在计时器计时到起始爆闪时刻时，输出爆闪灯有效控制信号，控制爆闪灯开始补光；
在计时器计时到爆闪结束时刻，结束输出爆闪灯有效控制信号，控制爆闪灯结束补光。
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