CN106454145A - 一种具有场景自适应的自动曝光方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种具有场景自适应的自动曝光方法，首先采集正确曝光图像，统计并绘制亮度级分布图，设定阈值将所有场景的亮度级划分为五个区域；其次计算目标图像的亮度均值，判断其对应场景区域，根据区域曝光情况对光圈大小调节，实现曝光粗调；然后分离图像目标和背景，计算目标区域的亮度均值与理想亮度值之间的绝对差值ΔB，对曝光时间进行变步长调节，实现曝光精调；最后利用图像亮度与光圈孔径和曝光时间之间满足的线性关系式，对不同场景下的目标区域进行自动曝光调整，输出自动曝光后的图像。

Description

一种具有场景自适应的自动曝光方法

技术领域

本发明属于数字图像处理领域，涉及图像自曝光方法，特指一种具有场景自适应的自动曝光方法。

背景技术

随着摄像头分辨率的提升，以及数字图像处理技术的日新月异，数字图像处理模块被植入到ISP系统中，以实现更加强大的图像处理功能，如自动曝光、自动白平衡、高动态图像增强、去雾和去噪等技术。与此同时，对各功能模块算法进行改善，使系统能够适应恶劣环境中的图像和视频采集，同时能高效、准确地处理获取最优图像，成为ISP系统研究和优化的目标。

自动曝光控制是现代相机和摄像机的重要功能之一，通常自动曝光模式分为光圈优先式自动曝光、快门优先式自动曝光以及程序式自动曝光，在程序式自动曝光方式下光圈系数和快门时间都可能自动改变。前两种优先式自动曝光模式是通过先人为选定光圈系数或快门速度，再由摄像机自动选择快门速度或光圈系数，是一种半自动方法；程序式自动曝光是指光圈系数和快门速度均由摄像机内置程序自动调节。

在这三种自动曝光模式的基础上，许多改进和优化算法相继被提出，如全局亮度均值评价的曝光估计方法，根据不同色彩空间下的亮度定义，计算图像中所有像素的平均亮度，以此作为该图像的曝光估计参数，该方法结构简单、适用范围较广，但易受到镜头非均匀性的影响而产生较大的估计偏差；恒定步长搜索的曝光控制方法，以等曝光时间步长对图像序列进行曝光时间的累加，当某帧图像的估计值与平均灰度值的偏差值落在设定的小邻域内，即认为该帧具有最优曝光量，该搜索方法具有普遍的适用性，但搜索效率较低，曝光调节时间较长；自适应曝光搜索的控制方法，利用上述灰度偏差值作为步长权值，有效地提高了搜索效率，但该方法所确定的曝光时间容易在最优曝光值附近出现往复波动，导致图像产生连续的亮暗变化，当权值设定不理想时，甚至出现自动曝光失败的情况。

传统的自动曝光算法采用整幅图像的平均亮度依据，判断平均亮度和所需达到的目标亮度的差值，并按照固定步长调整光圈大小和曝光时间，使得拍摄时的曝光量达到一个合适的值，从而使图像亮度达到逼近目标亮度。利用该算法，当拍摄场景中目标区域与背景区域对比度较低时，图像能较好的重现。然而，在诸如逆光或者正面强光等的复杂光照情况下，由于主体与背景的对比度比较大，用传统的自动曝光算法往往使感兴趣的主体区域曝光不足或者过度曝光，同时对于不同场景下的自适应性较差。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提出了一种具有场景自适应的自动曝光方法，其创新性在于能够适用于多场景，对不同场景进行判断和曝光时间变步长调节。

本发明采用的技术方案是：

一种具有场景自适应的自动曝光方法，包括以下步骤：

S1利用图像传感器采集不同场景下的图像信息，对不同场景下正确曝光的图像亮度均值进行直方图统计，并绘制出符合人眼视觉感知系统的亮度级分布图，根据亮度级分布图中曲线反映的亮度均值情况，设定四个分割阈值L₁、L₂、L₃、L₄将所有场景的亮度级按照灰度值划分为A、B、C、D、E五个场景区域，A、B、C、D、E五个场景区域分别对应的亮度值区间为[0,L₁]、[L₁,L₂]、[L₂,L₃]、[L₃,L₄]和[L₄,255]；

S2以亮度级分布图为依据，对当前场景进行判断，计算当前场景下采集的图像的亮度均值，通过S1中设定的分割阈值判断其所对应的场景区域，按照各场景区域不同的曝光补偿需求对光圈大小进行调节，使图像曝光量接近目标亮度范围，实现曝光粗调；

S3粗调改善图像整体画面之后，进一步将图像目标区域和背景区域进行分离，设定理想亮度值，计算目标区域的亮度均值与理想亮度值之间的亮度绝对差值ΔB，再根据亮度绝对差值对曝光时间进行变步长调整，实现精确调整；

S4最后利用图像亮度与光圈孔径和曝光时间之间满足的线性关系式，对不同场景下的目标区域进行自动曝光调整，输出自动曝光后的图像。

本发明提出了一种具有场景自适应的自动曝光方法与装置，能够适用于多种场景，对不同场景进行判断和曝光时间变步长调节，首先对采集图像进行统计，绘制不同场景的亮度级分布图，然后对场景区域判断，分别对光圈大小和曝光时间调节，最后利用图像亮度与光圈孔径和曝光时间之间线性关系式进行自动曝光调整，输出曝光最优图像。

附图说明

图1自动曝光方法实现模块示意图；

图2各场景亮度级分布示意图；

图3本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

自动曝光方法通常采用负反馈环路控制成像系统的光通量大小，如图1所示，通过当前图像帧或视频帧的平均亮度值和理想亮度值进行比较，从而对下一帧图像或视频帧的曝光值进行调整，主要包括光圈大小和曝光时间的调整，使得图像的亮度区域逼近理想亮度值。本发明方法通过对不同场景下采集的大量图像进行亮度信息统计，对传统自动曝光方法改进，设计具有场景自适应的自动曝光方法，并通过步长的变动设置对曝光进行精确调整，从而反馈调节获取正确、稳定的图像数据。

具体地，参照图3，图3为本发明的流程图，一种具有场景自适应的自动曝光方法，包括以下步骤：

首先利用图像传感器针对不同的自然场景采集图像，不同的自然场景包括白天、晚上、晴天、阴雨天等不同光照强度场景。然后对获取的不同场景下正确曝光的图像进行亮度均值进行直方图统计，并绘制出符合人眼视觉感知系统的亮度级分布图，如图2所示。将图像的亮度分布特性与亮度均值相结合来区分不同的场景，对采集的图像亮度信息特征量进行定义，对不同场景下采集的正确曝光图像进行统计。本实施例中，采集了三千张不同的自然场景下正确曝光的图像作为统计数据，绘制出反映亮度平均值AL的分布直方图的曲线，根据图例中曲线反映的亮度均值分布情况，以L₁、L₂、L₃、L₄为分割阈值，将所有场景划分为五个区域。如图2中的曲线所示，正确曝光图像各区域的分布结果显示，在区域[L₂,L₃]内图像分布最密集，[L₁,L₂]和[L₃,L₄]区域内图像分布密集程度次之，[0,L₁]和[L₄,255]区域内图像分布最少。根据统计结果图像分布情况分别用A、B、C、D、E表示各区域所对应的场景情况，其中A区表示图像整体场景较暗，需要增加曝光；B区表示图像场景中大部分区域偏暗，需要适当增加曝光；C区表示目标亮度范围，不需要作调整；D区表示图像场景中大部分区域偏亮，需要适当减少曝光；E区表示图像整体场景较亮，需要减少曝光。本实施例中，按照图像在不同亮度均值上分布的密集程度来设定分割阈值，如A区和E区统计图像少于20张的分割阈值，即确定了L1和L4，同理确定L2和L3的值，最终确定的分割阈值L1、L2、L3、L4依次为68、103、147、182。

接着第二步，以亮度级分布图为依据，对当前场景下采集的图像(即目标图像)进行处理，首先利用公式(1)求取当前场景下采集的图像的亮度均值AL₀，其中n_i为每个亮度级的像素点数目，N为图像的像素总数，i表示图像亮度级。

将亮度均值与五个不同场景区域所对应的分隔阈值进行比较，判断当前图像属于哪个拍摄场景区间内，然后通过对光圈大小的调节，实现曝光粗调。具体调节方法为：当AL₀∈[0,L₂]时，表明场景较暗，则将光圈大小增加一个步长，增加曝光量，提高图像整体亮度；当AL₀∈[L₂,L₃]时，表明场景光线适当，无需调整；当AL₀∈[L₃,255]时，表明场景较亮，则将光圈大小较少一个步长，减少曝光量，降低图像整体亮度。通过光圈大小的调节，可以改善图像整体曝光效果，但对于拍摄场景中目标区域与背景区域对比度较大的图像，如逆光或正面强光等复杂光照情况下，仅仅通过固定步长光圈粗调的方法，容易造成目标区域曝光不足或曝光过度，因此，在整体改善的基础上对图像曝光量作了进一步的调整。

在图像进行曝光量初步调整之后，改善了图像整体画面情况，但对目标区域与背景区域对比度较大的图像需要精确调整，本发明进一步提出了曝光时间变步长调整的方法。在曝光时间调整的方法中，关键点在于调整步长的设置，若曝光时间步长设置较短，能起到较好的平滑作用，但当图像目标区域亮度均值与理想亮度值差值过大时，需要较长的调整时间，很难满足自曝光方法的实时性要求；若曝光时间步长设置较长，能迅速地完成调整，但容易造成图像出现亮暗区域抖动现象。为了同时满足曝光调节的实时性和精确度要求，对曝光时间进行变长设置。

根据图像的亮度分布特性与亮度均值相结合对场景划分情况，选取C场景区域图像亮度范围的中值作为理想亮度值，对于暗场景下的图像而言，当图像目标区域的亮度均值分布在[0,L₁]区间时，应将曝光时间步长设置大一些，以加快调整速度；当目标区域亮度均值在[L₁,L₂]区间时，应将曝光时间步长设置小一些，以保证调整精度；对于亮场景下图像而言，曝光时间步长按同样的方法进行设置，当图像目标区域的亮度均值分布在[L₄,255]区间时，应将曝光时间步长设置大一些，以加快调整速度；当目标区域亮度均值在[L₃,L₄]区间时，应将曝光时间步长设置小一些，以保证调整精度。

具体实现方法为首先对图像目标区域和背景区域进行分离，分离方法有很多，如背景差分法、阈值分割法(如最大熵值分割、类间方差、模糊阈值等)、边缘检测法、基于图论的方法等。然后计算目标区域的亮度均值与理想亮度值之间的绝对差值ΔB；根据绝对差值对曝光时间步长进行调整，按照近似二分法取亮度绝对差值为30和60将步长划分为三个区间段取值，当ΔB＞60时曝光时间调整步长取30(行)，当30＜ΔB＜60时曝光时间调整步长取5(行)，当ΔB＜30时曝光时间调整步长取1(行)。以调整目标区域的亮度接近理想亮度为准，设置不同的调整步长，在有效提高调整速度的前提下保证调整精度，能更好地体现图像细节。

最后利用图像亮度与光圈孔径和曝光时间之间满足的线性关系式，对不同场景下的目标区域进行自动曝光调整，输出自动曝光后的图像。

图像曝光量的大小决定了外界光线在感光器件上照度的强弱和感光时间的长短，图像亮度与光圈孔径和曝光时间之间满足线性关系，其中K为系统系数(K为一常量值，反映场景的照明条件，具体取值根据不同相机的参数说明书中查询系统参数表可以得到)，Diaphragm为光圈孔径大小，Time为曝光时间，Brightness为图像亮度，线性关系式可表示为：

Brightness＝K×Diaphragm×Time (2)

由式(2)可以看出，当光圈大小或曝光时间中一项固定时，则可以通过调节另一项使得亮度达到或接近理想亮度值。因此，本发明的自动曝光算法的设计和调整方案框图如图3所示，图像首先经过场景判断，对光圈大小进行初步调整，确定光圈孔径大小，实现粗调；然后计算图像亮度均值与理想亮度值的绝对差值，根据差值的大小判断和选择调整步长的取值，确定曝光时间，实现精确调整；最后根据满足的线性关系式，得到自动曝光调整之后的图像亮度值，使得算法既满足快速调整，同时也能保证曝光调整的精确性。

Claims (8)

1.一种具有场景自适应的自动曝光方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1利用图像传感器采集不同场景下的图像信息，对不同场景下正确曝光的图像亮度均值进行直方图统计，并绘制出符合人眼视觉感知系统的亮度级分布图，根据亮度级分布图中曲线反映的亮度均值情况，设定四个分割阈值L₁、L₂、L₃、L₄将所有场景的亮度级按照灰度值划分为A、B、C、D、E五个场景区域，A、B、C、D、E五个场景区域分别对应的亮度值区间为[0,L₁]、[L₁,L₂]、[L₂,L₃]、[L₃,L₄]和[L₄,255]；

S2以亮度级分布图为依据，对当前场景进行判断，计算当前场景下采集的图像的亮度均值，通过S1中设定的分割阈值判断其所对应的场景区域，按照各场景区域不同的曝光补偿需求对光圈大小进行调节，使图像曝光量接近目标亮度范围，实现曝光粗调；

S3粗调改善图像整体画面之后，将图像目标区域和背景区域进行分离，设定理想亮度值，计算目标区域的亮度均值与理想亮度值之间的亮度绝对差值ΔB，再根据亮度绝对差值对曝光时间进行变步长调整，实现精确调整；

S4最后利用图像亮度与光圈孔径和曝光时间之间满足的线性关系式，对不同场景下的目标区域进行自动曝光调整，输出自动曝光后的图像。

2.根据权利要求1所述的具有场景自适应的自动曝光方法，其特征在于，S1中，A区表示图像整体场景较暗，需要增加曝光；B区表示图像场景中大部分区域偏暗，需要适当增加曝光；C区表示目标亮度范围，不需要作调整；D区表示图像场景中大部分区域偏亮，需要适当减少曝光；E区表示图像整体场景较亮，需要减少曝光。

3.根据权利要求1所述的具有场景自适应的自动曝光方法，其特征在于，S2中，对当前场景下采集的图像进行处理，判断当前场景下采集的图像所对应的场景区域，方法如下：

利用公式(1)求取当前场景下采集到的图像的亮度均值AL₀

${\mathrm{AL}}_0=\underset{i=0}{\overset{255}{\Σ}}i\·n_i/N---\left(1\right)$

其中n_i为每个亮度级的像素点数目，N为当前场景下采集到的图像的像素总数，i表示图像亮度级；

将亮度均值与五个不同场景区域所对应的分隔阈值进行比较，判断当前场景下采集的图像属于哪个场景区域。

4.根据权利要求3所述的具有场景自适应的自动曝光方法，其特征在于，S2中，光圈大小的调节方法为：当AL₀∈[0,L₂]时，表明场景较暗，则将光圈大小增加一个步长，增加曝光量，提高图像整体亮度；当AL₀∈[L₂,L₃]时，表明场景光线适当，无需调整；当AL₀∈[L₃,255]时，表明场景较亮，则将光圈大小较少一个步长，减少曝光量，降低图像整体亮度。

5.根据权利要求4所述的具有场景自适应的自动曝光方法，其特征在于，S3中，设定C场景区域图像亮度范围的中值作为理想亮度值。

6.根据权利要求4所述的具有场景自适应的自动曝光方法，其特征在于，S3中，将图像目标区域和背景区域进行分离，采用的分离方法为背景差分法、阈值分割法、边缘检测法或者基于图论的方法。

7.根据权利要求4所述的具有场景自适应的自动曝光方法，其特征在于，S3中，根据亮度绝对差值对曝光时间步长进行调整，按照近似二分法取亮度绝对差值为30和60将步长划分为三个区间段取值，当ΔB＞60时曝光时间调整步长取30行，当30＜ΔB＜60时曝光时间调整步长取5行，当ΔB＜30时曝光时间调整步长取1行。

8.根据权利要求1所述的具有场景自适应的自动曝光方法，其特征在于，S4中，图像亮度与光圈孔径和曝光时间之间满足线性关系，线性关系式可表示为：

Brightness＝K×Diaphragm×Time (2)

其中K为系统系数，Diaphragm为光圈孔径大小，Time为曝光时间，Brightness为图像亮度；

由式(2)可以看出，当光圈大小或曝光时间中一项固定时，则可以通过调节另一项使得亮度达到或接近理想亮度值。