CN106534700A - 基于自动曝光和自动白平衡算法实现软光敏的方法 - Google Patents

Abstract

本发明的基于自动曝光和自动白平衡算法实现软光敏的方法，包括以下步骤：（1）白天模式。（2）图像曝光分析。（3）夜视模式。（4）曝光统计分析。（5）红外强度分析。（6）小场景判断。（7）正常场景模式。（8）小场景模式。本发明的有益效果是，不仅仅分析图像亮度，还结合白平衡实时判断外界环境中红外光线的强弱，并结合IRCUT预切机制实现软光敏技术，克服了以往软光敏中存在的误切或者切换不准确不灵敏的缺点，极大的提高了软光敏的准确度和稳定性。本发明能够实时分析摄像机图像环境下的自然光线强弱，可代替硬光敏电阻实现摄像机日夜模式的自动切换，节省了硬件成本和人工安装成本，极大提高了产品的切换稳定性。

Description

基于自动曝光和自动白平衡算法实现软光敏的方法

技术领域

本发明属于安防监控领域中的红外补光摄像机的应用技术领域，涉及一种基于自动曝光和自动白平衡算法实现软光敏的方法。

背景技术

目前大部分安防类监控摄像机通过硬光敏感知外界自然光线照度的强弱。当外界光线照度很弱时，硬光敏通知摄像机进入夜视模式。夜视模式下，图像变为黑白模式，摄像机打开红外灯，IRCUT处于红外导通状态，由于红外光的补光作用，摄像机图像效果依然比较清晰。当外界光线照度强时，硬光敏通知摄像机进入白天模式。白天模式下，摄像机IRCUT处于红外截止状态，图像变为彩色模式。但是一些特殊场景下，硬光敏不能准确的代表图像环境照度。如背光环境下，画面处于光线照度比较亮，但硬光敏处于较暗光线下，摄像机会过早切换到夜视模式和过晚进入到白天模式。同理，摄像机画面已经比较暗，但硬光敏处于较亮光线处，导致过晚进入到夜视模式和过早进入到白天模式。在星光级摄像机中，极低照度下，一般硬光敏会出现精度不足的现象。另外，硬光敏感受光线变化的统一性和稳定性也不能完全保证。生产时，硬光敏安装时如果存在不规范，会导致不能准确的反应外界光线强弱，出现摄像机日夜模式切换时刻不准确的现象，同时硬光敏电子元器件还占用一定的硬件成本。

软光敏算法基于图像亮度进行分析，故相比硬光敏，软光敏算法大大提高了日夜切换时刻的准确度，如背光环境下。相比硬光敏，软光敏可感知极低照度下的微弱光线的变化。相比硬光敏，软光敏节省了元器件成本和人力成本。相比硬光敏，软光敏稳定性高，不会出现因为元器件老化导致切换失灵的现象。

另外，市面上也有简单的软光敏产品，但是只是单纯的通过图像亮度进行分析判断，有两个主要缺点：1、夜视模式下，若红外灯补光很强烈，虽自然光较强，但图像亮度变化很微弱甚至没有变化，此时会出现不能正常切换到白天模式。2、夜视模式下，若有移动物体靠近摄像机，红外光补光效果变强，图像亮度变强，若仅仅通过图像亮度判断会导致误切到白天模式。

红外摄像机不仅能感受可见光，同时还能感受红外光，若软光敏仅仅通过图像亮度分析外界环境照度，此时如果夜视模式下摄像机红外光线的强度由于使用环境或者障碍物的变化而产生变化，均会对分析结果产生较大影响，导致摄像机出现日夜模式误切或者切换不灵敏的现象。为了便于分析，lum代表通过自动曝光算法实时分析的图像亮度,day_thrd代表进入到白天的亮度阀值，night_thrd代表进入到夜视的亮度阀值。

软光敏实现中，若仅仅通过两个阀值进行判断，由于红外光线的影响必然出现日夜模式的来回切换。例如，当lum <night_thrd时摄像机进入夜视，此时红外灯打开，图像亮度lum会增大，当lum>day_thrd触发切换到白天模式，红外灯关闭导致lum减小，当满足lum<night_thrd时又会进入到夜视，如此进入反复震荡模式。如果通过采用lum的变化量来进行分析判断，可避免出现反复震荡模式，但是在夜视模式下，若摄像机红外场景范围内有障碍物变近或者变远，均会导致lum的变化量变大，进而出现误切到白天模式。还有一种情况，在夜视模式下，摄像机照射范围特别小，导致红外光反射特别强，即使自然光线比较强，图像感受到的lum值变化也很微弱，若仅仅通过亮度分析会导致软光敏失效，摄像机不能正常切换到白天模式。

发明内容

本发明为了弥补现有技术的不足，提供了一种的基于自动曝光和自动白平衡算法实现软光敏的方法，该方法能够代替现有技术中的硬光敏判定外界自然光线照度的强弱，能准确的实现摄像机白天模式和夜视模式的准确自动切换。

本发明是通过如下技术方案实现的：

本发明的基于自动曝光和自动白平衡算法实现软光敏的方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）白天模式：红外摄像机默认状态下处于白天模式状态，该状态下IRCUT处于红外截止状态，红外灯处于关闭状态。

（2）图像曝光分析模块：该模块基于图像自动曝光算法，统计当前的曝光增益和曝光时间，并结合图像亮度实时判断当前的图像环境照度，符合进入到夜视模式的公式如下：

exp >a0且lum<y0

其中exp为实时统计的曝光量，该值随着环境光线的减弱而增大；lum为实时统计的图像亮度值，当光线低至某一强度时，lum便随着光线的减弱而减小；a0代表exp的切换阀值，y0代表lum的切换阀值，需要exp和lum同时满足条件时才触发切换夜视模式。

（3）夜视模式：此时红外摄像机进入夜视模式，该模式下IRCUT处于红外导通状态，红外灯打开，红外摄像机由于感受红外光图像亮度开始变亮，曝光量有所减弱。

（4）曝光统计分析：进入夜视模式时的开始时刻，由于红外光线的感应，导致曝光量开始变化；该模块实时观察曝光量的变化度，并统计出代表夜视初状态下的曝光信息值exp0。

（5）红外强度分析：进入夜视模式时的开始时刻，由于红外光线的感应，导致白平衡状态值GR/GB产生变化，该模块实时观察GR/GB的变化，并统计出代表夜视初状态下的GR/GB值，通过该值分析出当前红外光线的相对强度red0。

（6）小场景判断：曝光量exp0和红外强度red0统计记录完成后，当符合如下条件时便判断为小场景模式：

exp0 <a1 且 red0 >red1

其中a1和red1为固定值，与图像传感器、红外灯均有关系，需要标定，也需要一定的经验值进行修正。

（7）正常场景模式：该模式下红外灯光线不是很强烈，曝光量变化比较明显，通过图像曝光量变化分析摄像机感受的外界环境变化，并结合白平衡分排除红外光线的干扰。

（8）小场景模式：区分该模式是为了针对小场景的特殊光线进行特殊处理，极大提高了软光敏技术的切换灵敏度和准确度，和正常场景模式切换到白天的逻辑实现不一样；因为小场景模式下红外光线反射比较强，导致图像比较亮，曝光量非常小，摄像机感受到的光线变化非常微弱或者不会按照从弱到强的规律进行变化，故小场景下会采用IRCUT预切机制。

本发明的基于自动曝光和自动白平衡算法实现软光敏的方法，其特征在于：步骤（7）还包括以下步骤：

（7.1）曝光变化分析模块1：通过该模块实时分析出当前光线exp和记录值exp0的变化情况，当符合以下关系式时触发进入红外变化分析模块1；

(exp0-exp)/exp0 > B0 且 exp<a1

其中 B0 = exp0/ Ref0 +b0；

a1代表进入到白天模式的曝光量阀值；只有曝光量小于该值时以上关系式才能成立；

B0代表了光线变化阈值，它和exp0成正比，Ref0为固定常数，b0为经验值修正系数，Ref0和图像传感器的感光能力相关； (exp0-exp)/exp0代表光线变强的相对改变强度。

（7.2）红外变化分析模块1：通过该模块实时分析出当前红外光线red相对于red0的变化情况，当满足如下关系式时，代表红外光线变化符合条件，可进入到白天模式；

(red0-red)/red0 >B1

B1 = Ref1/red0 +b1

其中，B1代表了红外变化强度强度阀值，和red0成反比，Ref1为固定常数，b1为经验值修正系数，Ref1和sensor、红外灯有关；

若以上条件不成立时，则重新统计当前曝光量更新exp0；

通过该模块可排除红外光线对曝光量变化的干扰，避免由于红外场景改变导致图像变亮而误切到白天的场景。

本发明的基于自动曝光和自动白平衡算法实现软光敏的方法，其特征在于：步骤（8）还包括以下步骤：

（8.1）曝光变化实时分析模块2：通过该模块实时分析出当前光线exp和exp0的变化情况，当符合以下任何一个关系式时触发进入下一个阶段；

1.(exp0-exp)/exp0 > B2 且 exp<a2

2.(exp-exp0)/exp0 > B2 且 exp<a2

其中 B2= exp0/ Ref2 +b2

a2代表进入到白天模式的曝光量阀值；只有曝光量小于该值时以上两个关系式才能成立；

B2代表了光线变化阈值，它和exp0成正比，Ref2为固定常数，b2为经验值修正系数，Ref2和图像传感器的感光能力相关；1中的(exp0-exp)/exp0代表光线变强的相对改变强度，2中的(exp-exp0)/exp0代表光线变弱的相对改变强度；

在小场景模式下，相对于exp0无论变弱或者变强且同时小于a2时都有可能会触发软光敏进入下一个阶段。

（8.2）红外变化分析模块2：通过该模块实时分析出当前红外光线red相对于red0的变化情况，当满足如下关系式时，代表红外光线变化符合条件，可进入到IRCUT预切阶段

(red0-red)/red0 >B3

B3 = Ref3/red0 +b3

其中，B3代表了红外变化强度强度阀值，和red0成反比，Ref3为固定常数，b3为经验值修正系数，Ref3和sensor、红外灯有关；

若以上条件不成立时，则重新统计当前曝光量更新exp0；

同时，该模块2可直接产生触发信号 使摄像机直接进入IRCUT预切阶段；在小场景下，红外光线有时特别强，若仅仅通过曝光量进行触发会导致软光敏不灵敏，通过该技术可修复此缺陷。

（8.3） IRCUT预切：该模块接收到触发信号后，会直接使IRCUT处于红外截止状态，使摄像机直接感受自然光，排除红外光线的影响。

（8.4）图像曝光分析：由于已屏蔽掉红外灯影响，该模块直接基于图像曝光量和图像亮度进行判断，若符合条件可直接进入白天模式，不符合条件重新进入夜视模式。

本发明的有益效果是，基于图像自动曝光和图像自动白平衡算法，不仅仅分析图像亮度，还结合白平衡实时判断外界环境中红外光线的强弱，并结合IRCUT预切机制实现软光敏技术，克服了以往软光敏中存在的误切或者切换不准确不灵敏的缺点，极大的提高了软光敏的准确度和稳定性。本发明能够实时分析摄像机图像环境下的自然光线强弱，可代替硬光敏电阻实现摄像机日夜模式的自动切换，节省了硬件成本和人工安装成本，相对于硬件光敏电阻，极大提高了产品的切换稳定性。

附图说明

图1为本发明的流程示意图。

具体实施方式

附图为本发明的一种具体实施例。

本发明所述的软光敏技术基于图像自动曝光算法针对环境亮度进行分析，并通过图像白平衡算法，实时分析红外摄像机夜视模式下开启红外灯后红外光线的强弱，从而去除红外光线对图像亮度分析结果的影响，并根据夜视模式下红外光线的强弱判断是否存在小场景模式，若存在小场景模式则采用IRCUT预切机制，极大的提高了软光敏的切换灵敏度和准确度。

本发明在使用时，先准备一台红外网络摄像机，可通过软件实现红外灯和IRCUT的开启和关闭。然后针对该摄像机需实现自动曝光算法和白平衡自动算法，并根据本专利描述实现软光敏算法代码模块，该软光敏代码模块向软件上层提高接口，软件上层调用该接口实现日夜模块的自动切换。

本发明的基于自动曝光和自动白平衡算法实现软光敏的方法，其特征在于：包括以下步骤：

1.白天模式：红外摄像机默认状态下处于白天模式状态，该状态下IRCUT处于红外截止状态，红外灯处于关闭状态。

2.图像曝光分析模块：该模块基于图像自动曝光算法，统计当前的曝光增益和曝光时间，并结合图像亮度实时判断当前的图像环境照度，符合进入到夜视模式的公式如下：

exp >a0且lum<y0

其中exp为实时统计的曝光量，该值随着环境光线的减弱而增大；lum为实时统计的图像亮度值，当光线低至某一强度时，lum便随着光线的减弱而减小；a0代表exp的切换阀值，y0代表lum的切换阀值，需要exp和lum同时满足条件时才触发切换夜视模式。

3.夜视模式：此时红外摄像机进入夜视模式，该模式下IRCUT处于红外导通状态，红外灯打开，红外摄像机由于感受红外光图像亮度开始变亮，曝光量有所减弱。

曝光统计分析：进入夜视模式时的开始时刻，由于红外光线的感应，导致曝光量开始变化。该模块实时观察曝光量的变化度，并统计出代表夜视初状态下的曝光信息值exp0。

红外强度分析：进入夜视模式时的开始时刻，由于红外光线的感应，导致白平衡状态值GR/GB产生变化，该模块实时观察GR/GB的变化，并统计出代表夜视初状态下的GR/GB值，通过该值分析出当前红外光线的相对强度red0。

小场景判断模块：曝光量exp0和红外强度red0统计记录完成后，当符合如下条件时便判断为小场景模式：

exp0 <a1 且 red0 >red1

其中a1和red1为固定值，与图像传感器、红外灯均有关系，需要标定，也需要一定的经验值进行修正。

7.正常场景模式：该模式下红外灯光线不是很强烈，曝光量变化比较明显，通过图像曝光量变化分析摄像机感受的外界环境变化，并结合白平衡分排除红外光线的干扰。

（7.1）曝光变化分析模块1：通过该模块实时分析出当前光线exp和记录值exp0的变化情况，当符合以下关系式时触发进入红外变化分析模块1；

(exp0-exp)/exp0 > B0 且 exp<a1

其中 B0 = exp0/ Ref0 +b0；

a1代表进入到白天模式的曝光量阀值；只有曝光量小于该值时以上关系式才能成立；

B0代表了光线变化阈值，它和exp0成正比，Ref0为固定常数，b0为经验值修正系数，Ref0和图像传感器的感光能力相关； (exp0-exp)/exp0代表光线变强的相对改变强度。

（7.2）红外变化分析模块1：通过该模块实时分析出当前红外光线red相对于red0的变化情况，当满足如下关系式时，代表红外光线变化符合条件，可进入到白天模式；

(red0-red)/red0 >B1

B1 = Ref1/red0 +b1

其中，B1代表了红外变化强度强度阀值，和red0成反比，Ref1为固定常数，b1为经验值修正系数，Ref1和sensor、红外灯有关；

若以上条件不成立时，则重新统计当前曝光量更新exp0；

通过该模块可排除红外光线对曝光量变化的干扰，避免由于红外场景改变导致图像变亮而误切到白天的场景。

8小场景模式：区分该模式是为了针对小场景的特殊光线进行特殊处理，极大提高了软光敏技术的切换灵敏度和准确度，和正常场景模式切换到白天的逻辑实现不一样；因为小场景模式下红外光线反射比较强，导致图像比较亮，曝光量非常小，摄像机感受到的光线变化非常微弱或者不会按照从弱到强的规律进行变化，故小场景下会采用IRCUT预切机制。

（8.1）曝光变化实时分析模块2：通过该模块实时分析出当前光线exp和exp0的变化情况，当符合以下任何一个关系式时触发进入下一个阶段；

1.(exp0-exp)/exp0 > B2 且 exp<a2

2.(exp-exp0)/exp0 > B2 且 exp<a2

其中 B2= exp0/ Ref2 +b2

a2代表进入到白天模式的曝光量阀值；只有曝光量小于该值时以上两个关系式才能成立；

B2代表了光线变化阈值，它和exp0成正比，Ref2为固定常数，b2为经验值修正系数，Ref2和图像传感器的感光能力相关；1中的(exp0-exp)/exp0代表光线变强的相对改变强度，2中的(exp-exp0)/exp0代表光线变弱的相对改变强度；

在小场景模式下，相对于exp0无论变弱或者变强且同时小于a2时都有可能会触发软光敏进入下一个阶段。

（8.2）红外变化分析模块2：通过该模块实时分析出当前红外光线red相对于red0的变化情况，当满足如下关系式时，代表红外光线变化符合条件，可进入到IRCUT预切阶段

(red0-red)/red0 >B3

B3 = Ref3/red0 +b3

其中，B3代表了红外变化强度强度阀值，和red0成反比，Ref3为固定常数，b3为经验值修正系数，Ref3和sensor、红外灯有关；

若以上条件不成立时，则重新统计当前曝光量更新exp0；

同时，该模块2可直接产生触发信号 使摄像机直接进入IRCUT预切阶段；在小场景下，红外光线有时特别强，若仅仅通过曝光量进行触发会导致软光敏不灵敏，通过该技术可修复此缺陷。

（8.3）IRCUT预切：该模块接收到触发信号后，会直接使IRCUT处于红外截止状态，使摄像机直接感受自然光，排除红外光线的影响。

（8.4）图像曝光分析模块：由于已屏蔽掉红外灯影响，该模块直接基于图像曝光量和图像亮度进行判断，若符合条件可直接进入白天模式，不符合条件重新进入夜视模式。

Claims (3)

1.一种基于自动曝光和自动白平衡算法实现软光敏的方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）白天模式：红外摄像机默认状态下处于白天模式状态，该状态下IRCUT处于红外截止状态，红外灯处于关闭状态；

（2）图像曝光分析模块：该模块基于图像自动曝光算法，统计当前的曝光增益和曝光时间，并结合图像亮度实时判断当前的图像环境照度，符合进入到夜视模式的公式如下：

exp >a0且lum<y0

其中exp为实时统计的曝光量，该值随着环境光线的减弱而增大；lum为实时统计的图像亮度值，当光线低至某一强度时，lum便随着光线的减弱而减小；a0代表exp的切换阀值，y0代表lum的切换阀值，需要exp和lum同时满足条件时才触发切换夜视模式；

（3）夜视模式：此时红外摄像机进入夜视模式，该模式下IRCUT处于红外导通状态，红外灯打开，红外摄像机由于感受红外光图像亮度开始变亮，曝光量有所减弱；

（4）曝光统计分析：进入夜视模式时的开始时刻，由于红外光线的感应，导致曝光量开始变化；该模块实时观察曝光量的变化度，并统计出代表夜视初状态下的曝光信息值exp0；

（5）红外强度分析：进入夜视模式时的开始时刻，由于红外光线的感应，导致白平衡状态值GR/GB产生变化，该模块实时观察GR/GB的变化，并统计出代表夜视初状态下的GR/GB值，通过该值分析出当前红外光线的相对强度red0；

（6）小场景判断：曝光量exp0和红外强度red0统计记录完成后，当符合如下条件时便判断为小场景模式：

exp0 <a1 且 red0 >red1

其中a1和red1为固定值，与图像传感器、红外灯均有关系，需要标定，也需要一定的经验值进行修正；

（7）正常场景模式：该模式下红外灯光线不是很强烈，曝光量变化比较明显，通过图像曝光量变化分析摄像机感受的外界环境变化，并结合白平衡分排除红外光线的干扰；

（8）小场景模式：区分该模式是为了针对小场景的特殊光线进行特殊处理，极大提高了软光敏技术的切换灵敏度和准确度，和正常场景模式切换到白天的逻辑实现不一样；因为小场景模式下红外光线反射比较强，导致图像比较亮，曝光量非常小，摄像机感受到的光线变化非常微弱或者不会按照从弱到强的规律进行变化，故小场景下会采用IRCUT预切机制。

2.根据权利要求1所述的基于自动曝光和自动白平衡算法实现软光敏的方法，其特征在于：步骤（7）还包括以下步骤：

（7.1）曝光变化分析模块1：通过该模块实时分析出当前光线exp和记录值exp0的变化情况，当符合以下关系式时触发进入红外变化分析模块1；

(exp0-exp)/exp0 > B0 且 exp<a1

其中 B0 = exp0/ Ref0 +b0；

a1代表进入到白天模式的曝光量阀值；只有曝光量小于该值时以上关系式才能成立；

B0代表了光线变化阈值，它和exp0成正比，Ref0为固定常数，b0为经验值修正系数，Ref0和图像传感器的感光能力相关； (exp0-exp)/exp0代表光线变强的相对改变强度；

（7.2）红外变化分析模块1：通过该模块实时分析出当前红外光线red相对于red0的变化情况，当满足如下关系式时，代表红外光线变化符合条件，可进入到白天模式；

(red0-red)/red0 >B1

B1 = Ref1/red0 +b1

其中，B1代表了红外变化强度强度阀值，和red0成反比，Ref1为固定常数，b1为经验值修正系数，Ref1和sensor、红外灯有关；

若以上条件不成立时，则重新统计当前曝光量更新exp0；

通过该模块可排除红外光线对曝光量变化的干扰，避免由于红外场景改变导致图像变亮而误切到白天的场景。

3.根据权利要求1或2所述的基于自动曝光和自动白平衡算法实现软光敏的方法，其特征在于：步骤（8）还包括以下步骤：

（8.1）曝光变化实时分析模块2：通过该模块实时分析出当前光线exp和exp0的变化情况，当符合以下任何一个关系式时触发进入下一个阶段；

1.(exp0-exp)/exp0 >B2 且 exp<a2

2. (exp-exp0)/exp0 > B2 且 exp<a2

其中 B2= exp0/ Ref2 +b2

a2代表进入到白天模式的曝光量阀值；只有曝光量小于该值时以上两个关系式才能成立；

B2代表了光线变化阈值，它和exp0成正比，Ref2为固定常数，b2为经验值修正系数，Ref2和图像传感器的感光能力相关；1中的(exp0-exp)/exp0代表光线变强的相对改变强度，2中的(exp-exp0)/exp0代表光线变弱的相对改变强度；

在小场景模式下，相对于exp0无论变弱或者变强且同时小于a2时都有可能会触发软光敏进入下一个阶段；

（8.2）红外变化分析模块2：通过该模块实时分析出当前红外光线red相对于red0的变化情况，当满足如下关系式时，代表红外光线变化符合条件，可进入到IRCUT预切阶段

(red0-red)/red0 >B3

B3 = Ref3/red0 +b3

其中，B3代表了红外变化强度强度阀值，和red0成反比，Ref3为固定常数，b3为经验值修正系数，Ref3和sensor、红外灯有关；

若以上条件不成立时，则重新统计当前曝光量更新exp0；

同时，该模块2可直接产生触发信号 使摄像机直接进入IRCUT预切阶段；在小场景下，红外光线有时特别强，若仅仅通过曝光量进行触发会导致软光敏不灵敏，通过该技术可修复此缺陷；

（8.3） IRCUT预切：该模块接收到触发信号后，会直接使IRCUT处于红外截止状态，使摄像机直接感受自然光，排除红外光线的影响；

（8.4）图像曝光分析：由于已屏蔽掉红外灯影响，该模块直接基于图像曝光量和图像亮度进行判断，若符合条件可直接进入白天模式，不符合条件重新进入夜视模式。