CN107071308A - 一种cmos快速调整成像系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明所述的一种CMOS快速调整成像系统和方法，建立曝光参数模版，根据感光特性对对CMOS的图像亮度输出与数字增益、模拟增益、曝光值的关系进行计量统计。定性分析亮度输出与数字增益、模拟增益、曝光值的数量关系，并以此三个曝光参数的初始量和变量建立参数计算公式。依次迭代转换计算进行N次调整，以快速达到期望的图像亮度。该方法有效地解决了现有技术通过固定步长进行曝光控制(固定曝光增益和曝光值补偿两种)，在面对运动物体快速进行运动或者环境光发生突暗突亮的情况下，光强变化大而无法快速曝光成像获得细节丰富的问题。通过前景亮度、背景亮度、对比度等相关指标对图像质量进行评分，有效保障调整所生成的曝光参数的准确性和实用性。

Description

一种CMOS快速调整成像系统和方法

技术领域

本发明涉及一种COMS曝光参数控制系统和方法，具体地说涉及一种CMOS快速调整成像系统和方法。

背景技术

现有技术中利用CMOS图像传感器进行拍摄时，采用的是逐行曝光控制的方式，在每帧图像的曝光处理中，每行的像素阵列在有效行时间内启动设定的曝光，在经过行等待时间后，再启动下一行的曝光，这样逐行逐行地交互进行而完成整帧的曝光控制。这样的曝光控制方式，决定了目前大多数的曝光控制方法主要采用固定步长(包括曝光增益和曝光补偿两种变量)的方式，来使得CMOS图像传感器适配外部环境光的变化以生成图像。

采用固定步长曝光控制方法，在一些拍摄对象处于运动状态，同时环境出现光照强度变化大(如环境光突然变亮，突然变暗)，或光照强度偏差大(如环境光过亮，过暗)的场景，会有适应性偏差的问题。关键在于步长的设计，如果步长偏小，那么就会增加曝光调整的次数，增加调整时间，从而降低后续的图像处理、加工速度；如果步长偏大，那么，就容易导致生成的图像过曝，甚至是无法保证将图像亮度调整到预定的期望值范围，从而导后续的图像处理、加工失败。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于现有技术中对高速运动的物体在光照环境发生变化时,导致获取的图像曝光出现异常，影响后续的处理、加工。

为解决上述技术问题，本发明的所采用的技术方案：

一种CMOS快速调整成像系统，包含以下模块：

曝光参数模版模块，存储在内部存储器中，根据CMOS的感光特性，建立参数计算公式：T_expN＝(L_exp*DA_N*AA_N*T_N)/(L_avrN*DA₀*AA₀)，其中，L_avrN为CMOS第N次曝光时的亮度值、DA_N为CMOS第N次曝光时的数字增益值、AA_N为CMOS第N次曝光时的模拟增益值、TN为CMOS第N次曝光时的曝光值，L_exp为期望亮度值、DA₀为预设的数字增益的初始值、AA₀为预设的模拟增益的初始值、T_expN为CMOS第N次曝光时的优化曝光值；

曝光参数计算模块，根据CMOS提供的第N次曝光时的亮度值L_avrN、第N次曝光时的曝光值T_N、第N次曝光时的数字增益值DA_N、第N次曝光时的模拟增益值AA_N，调用所述曝光参数模版模块计算期望亮度值L_exp；

曝光参数调整模块，判断所述CMOS第N次曝光时的亮度值L_avrN是否符合需求，若符合需求，则停止调整，并将第N次的曝光的优化曝光值、数字增益值和模拟增益提供给CMOS，作为CMOS的曝光参数，获取图像数据；若不符合需求，则将获取所述曝光参数计算模块计算的CMOS提供的第N+1次曝光时的曝光值T_expN作为T_N+1的值带入，根据上述公式计算第N+1次曝光时的优化曝光值T_expN+1，判断第N次曝光时的亮度值L_avrN+1是否符合需求，直至CMOS曝光时的亮度值符合要求时停止调整，并将当次曝光的优化曝光值、数字增益值和模拟增益提供给CMOS，作为CMOS的曝光参数，获取图像数据。

还包括：

图像评分模块，接收CMOS每次曝光时采集的图像数据，通过图像数据中的亮度直方图计算图像数据中背景亮度和前景亮度，通过加权计算得到图像对比度的值，根据对比度的值的高低判断图像数据的质量，从所述曝光参数调整模块中将图像数据质量最好的那一次的曝光的优化曝光值、数字增益值和模拟增益值提供给外部光源系统，并输出图像数据质量最好的图像数据。

还包括：

光源系统，依据图像评分模块提供的优化曝光值、数字增益值和模拟增益值进行光照强度的调整。

所述CMOS的快门为卷帘式快门。

所述CMOS的快门为全局式快门。

所述对比度的值的范围为0-100。

一种CMOS快速调整成像方法，包含以下步骤：

根据CMOS的感光特性，建立参数计算公式：T_expN＝(L_exp*DA_N*AA_N*T_N)/(L_avrN*DA₀*AA₀)，其中，L_avrN为CMOS第N次曝光时的光照强度值、DA_N为CMOS第N次曝光时的数字增益值、AA_N为CMOS第N次曝光时的模拟增益值、T_N为CMOS第N次曝光时的曝光值，L_exp为期望亮度值、DA₀为预设的数字增益的初始值、AA₀为预设的模拟增益的初始值、T_expN为CMOS第N次曝光时的优化曝光值；

根据CMOS提供的第N次曝光时的亮度值L_avrN、第N次曝光时的曝光值T_N、第N次曝光时的数字增益值DA_N、第N次曝光时的模拟增益值AA_N，调用所述曝光参数模版模块计算期望亮度值L_exp；

判断所述CMOS第N次曝光时的光照强度值L_avrN是否符合需求，若符合需求，则停止调整，并将第N次的曝光的优化曝光值、数字增益值和模拟增益提供给CMOS，作为CMOS的曝光参数，获取图像数据；若不符合需求，则将获取所述曝光参数计算模块计算的CMOS提供的第N次曝光时的曝光值T_expN作为T_N+1的值带入，根据上述公式计算第N+1次曝光时的优化曝光值T_expN+1，判断第N+1次曝光时的光照强度值L_avrN+1是否符合需求，直至CMOS曝光时的光照强度值符合要求时停止调整，并将当次曝光的优化曝光值、数字增益值和模拟增益提供给CMOS，作为CMOS的曝光参数，获取图像数据。

还包含以下步骤：

接收CMOS每次曝光时采集的图像数据，通过图像数据中的亮度直方图计算图像数据中背景亮度和前景亮度，通过加权计算得到图像对比度的值，根据对比度的值的高低判断图像数据的质量，从所述曝光参数调整模块中将图像数据质量最好的那一次的曝光的优化曝光值、数字增益值和模拟增益值提供给外部光源系统，并输出图像数据质量最好的图像数据。

还包含以下步骤：

依据图像评分模块提供的优化曝光值、数字增益值和模拟增益值进行光照强度的调整。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点:

1.本发明所述的一种CMOS快速调整成像系统和方法，建立曝光参数模版，根据CMOS的感光特性对对CMOS的图像亮度输出与数字增益、模拟增益、曝光值的关系进行计量统计，进行实验数据分析。通过数据拟合，定性分析了亮度输出与数字增益、模拟增益、曝光值的数量关系，并以此三个曝光参数的初始量和变量建立参数计算公式。依次以曝光值、模拟增益、数字增益的次序，迭代转换计算进行N次调整，以快速达到期望的图像亮度。该方法有效地解决了现有技术通过固定步长进行曝光控制(固定曝光增益和曝光值补偿两种)，在面对运动物体快速进行运动或者环境光发生突暗突亮的情况下，光强变化大而无法快速曝光成像获得细节丰富的问题。

2.本发明所述的一种CMOS快速调整成像系统和方法，通过前景亮度、背景亮度、对比度等相关指标对图像质量进行评分，该评分标准稳定可靠，有效保障了调整所生成的曝光参数的准确性和实用性。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中，

图1为本发明一种CMOS快速调整成像系统的系统框图；

图2为本发明一种CMOS快速调整成像系统的数字增益--亮度输出的函数关系示意图；

图3为本发明一种CMOS快速调整成像系统的模拟增益--亮度输出的函数关系示意图。

附图标记：1-曝光参数模版模块；2-曝光参数计算模块；3-曝光参数调整

模块；4-图像评分模块；5-光源系统。

具体实施方式

一种CMOS快速调整成像系统，如图1所示，包含以下模块：

曝光参数模版模块1，存储在内部存储器中，根据CMOS的感光特性，CMOS的感光特性主要有三个：数字增益--亮度输出的函数关系；模拟增益--亮度输出的函数关系；曝光值--亮度输出的函数关系。其特性曲线分别依次如图2、图3所示。通过实际的测量，可获得如图2的数字增益—亮度输出的特性曲线。特性曲线是在外界光照强度条件不变的情况下，固定曝光时长和模拟增益，输入不同的数字增益所获得的图像亮度输出。从特性曲线上看，图像亮度和数字增益基本上是呈正比例的线性关系。从图2、图3所示，图像亮度同模拟增益、曝光时长也是基本上呈正比例的线性关系。由此可得光强与各个曝光参数的关系，如公式(1)：

L_inten＝C₁*L_avr/(DA*AA*T)--(1)

其中，,C₁为效用常系数，L_avr为图像均值亮度，DA为数字增益，AA为模拟增益，T为曝光时长，L_inten表示光强。

由公式(1)可进一步推理得，在一定光照条件下，通过计算L_avrN、DA_N、AA_N、T_N，可以获得第N次曝光时环境的光照强度。这样就可以通过预设的L_exp、DA₀、AA₀来计算获得优化的T_expN+1，进而加快曝光速度以获得期望亮度L_exp。由此获得，公式(2)：

建立参数计算公式：T_expN＝(L_exp*DA_N*AA_N*T_N)/(L_avrN/DA₀*AA₀)--(2)，

其中，L_avrN为CMOS第N次曝光时的光照强度值、DA_N为CMOS第N次曝光时的数字增益值、AA_N为CMOS第N次曝光时的模拟增益值、T_N为CMOS第N次曝光时的曝光值，L_exp为期望亮度值、DA₀为预设的数字增益的初始值、AA₀为预设的模拟增益的初始值、T_expN为CMOS第N次曝光时的优化曝光值。

曝光参数计算模块2，根据CMOS提供的第N次曝光时的亮度值L_avrN、第N次曝光时的曝光值T_N、第N次曝光时的数字增益值DA_N、第N次曝光时的模拟增益值AA_N，调用所述曝光参数模版模块计算期望亮度值L_exp。

曝光参数调整模块3，判断所述CMOS第N次曝光时的亮度值L_avrN是否符合需求，若符合需求，则停止调整，并将第N次的曝光的优化曝光值、数字增益值和模拟增益提供给CMOS，作为CMOS的曝光参数，获取图像数据；若不符合需求，则将获取所述曝光参数计算模块计算的CMOS提供的第N+1次曝光时的曝光值T_expN作为T_N+1的值带入，根据上述公式计算第N+1次曝光时的优化曝光值T_expN+1，判断第N次曝光时的亮度值L_avrN+1是否符合需求，直至CMOS曝光时的亮度值符合要求时停止调整，并将当次曝光的优化曝光值、数字增益值和模拟增益提供给CMOS，作为CMOS的曝光参数导入CMOS感光器件，采用单帧Snapshot取图模式，快速获取图像数据。CMOS在每次的曝光调整过程中，依次以曝光值、模拟增益、数字增益的次序，迭代嵌套调整，调整策略如下：在当次的曝光调整过程中，系统计算出当前的亮度和曝光值，进而利用公式(2)计算在当前的模拟增益值AA_N和数字增益值DA_N下，从当前亮度值达到期望亮度值所需的优化曝光值T_expN，进而将T_expN值写入CMOS作为T_N+1值以进行下一的调整，就这样一直迭代调整，直至L_avrN落入设定的值范围，设定值可以是一个范围值，也可以是一个或一个以上离散的固定数值。

还包括：

图像评分模块4，接收CMOS每次曝光时采集的图像数据，通过图像数据中的亮度直方图计算图像数据中背景亮度和前景亮度，通过加权计算得到图像对比度的值，根据对比度的值的高低判断图像数据的质量，从所述曝光参数调整模块中将图像数据质量最好的那一次的曝光的优化曝光值、数字增益值和模拟增益值提供给外部光源系统，并输出图像数据质量最好的图像数据。

还包括：

光源系统5，依据图像评分模块提供的优化曝光值、数字增益值和模拟增益值进行光照强度的调整。

所述CMOS的快门为卷帘式快门。

所述CMOS的快门为全局式快门。

所述对比度的值的范围为0-100。

一种CMOS快速调整成像方法，包含以下步骤：

根据CMOS的感光特性，建立参数计算公式：T_expN＝(L_exp*DA_N*AA_N*T_N)/(L_avrN*DA₀*AA₀)，其中，L_avrN为CMOS第N次曝光时的光照强度值、DA_N为CMOS第N次曝光时的数字增益值、AA_N为CMOS第N次曝光时的模拟增益值、T_N为CMOS第N次曝光时的曝光值，L_exp为期望亮度值、DA₀为预设的数字增益的初始值、AA₀为预设的模拟增益的初始值、T_expN为CMOS第N次曝光时的优化曝光值。

根据CMOS提供的第N次曝光时的亮度值L_avrN、第N次曝光时的曝光值T_N、第N次曝光时的数字增益值DA_N、第N次曝光时的模拟增益值AA_N，调用所述曝光参数模版模块计算期望亮度值L_exp。

判断所述CMOS第N次曝光时的亮度值L_avrN是否符合需求，若符合需求，则停止调整，并将第N次的曝光的优化曝光值、数字增益值和模拟增益提供给CMOS，作为CMOS的曝光参数，获取图像数据；若不符合需求，则将获取所述曝光参数计算模块计算的CMOS提供的第N+1次曝光时的曝光值T_expN作为T_N+1的值带入，根据上述公式计算第N+1次曝光时的优化曝光值T_expN+1，判断第N次曝光时的亮度值L_avrN+1是否符合需求，直至CMOS曝光时的亮度值符合要求时停止调整，并将当次曝光的优化曝光值、数字增益值和模拟增益提供给CMOS，作为CMOS的曝光参数导入CMOS感光器件，采用单帧Snapshot 取图模式，快速获取图像数据。CMOS在每次的曝光调整过程中，依次以曝光值、模拟增益、数字增益的次序，迭代嵌套调整，调整策略如下：在当次的曝光调整过程中，系统计算出当前的亮度和曝光值，进而利用公式(2)计算在当前的模拟增益值AA_N和数字增益值DA_N下，从当前亮度值达到期望亮度值所需的优化曝光值T_expN，进而将T_expN值写入CMOS作为T_N+1值以进行下一的调整，就这样一直迭代调整，直至L_avrN落入设定的值范围，设定值可以是一个范围值，也可以是一个或一个以上离散的固定数值。

还包含以下步骤：

接收CMOS每次曝光时采集的图像数据，通过图像数据中的亮度直方图计算图像数据中背景亮度和前景亮度，通过加权计算得到图像对比度的值，根据对比度的值的高低判断图像数据的质量，从所述曝光参数调整模块中将图像数据质量最好的那一次的曝光的优化曝光值、数字增益值和模拟增益值提供给外部光源系统，并输出图像数据质量最好的图像数据。

还包含以下步骤：

依据图像评分模块提供的优化曝光值、数字增益值和模拟增益值进行光照强度的调整。

所述CMOS的快门为卷帘式快门。

所述CMOS的快门为全局式快门。

所述对比度的值的范围为0-100。60分及格，得分越高表示图像越清晰。

本发明所述的一种CMOS快速调整成像系统和方法，建立曝光参数模版，根据CMOS的感光特性对对CMOS的图像亮度输出与数字增益、模拟增益、曝光值的关系进行计量统计，进行实验数据分析。通过数据拟合，定性分析了亮度输出与数字增益、模拟增益、曝光值的数量关系，并以此三个曝光参数的初始量和变量建立参数计算公式。依次以曝光值、模拟增益、数字增益的次序，迭代转换计算进行N次调整，以快速达到期望的图像亮度。该方法有效地解决了现有技术通过固定步长进行曝光控制(固定曝光增益和曝光值补偿两种)，在面对运动物体快速进行运动或者环境光发生突暗突亮的情况下，光强变化大而无法快速曝光成像获得细节丰富的问题。通过前景亮度、背景亮度、对比度等相关指标对图像质量进行评分，该评分标准稳定可靠，有效保障了调整所生成的曝光参数的准确性和实用性。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种CMOS快速调整成像系统，其特征在于，包含以下模块：

曝光参数模版模块，存储在内部存储器中，根据CMOS的感光特性，建立参数计算公式：T_expN＝(L_exp*DA_N*AA_N*T_N)/(L_avrN*DA₀*AA₀)，其中，L_avrN为CMOS第N次曝光时的亮度值、DA_N为CMOS第N次曝光时的数字增益值、AA_N为CMOS第N次曝光时的模拟增益值、TN为CMOS第N次曝光时的曝光值，L_exp为期望亮度值、DA₀为预设的数字增益的初始值、AA₀为预设的模拟增益的初始值、T_expN为CMOS第N次曝光时的优化曝光值；

曝光参数计算模块，根据CMOS提供的第N次曝光时的亮度值L_avrN、第N次曝光时的曝光值T_N、第N次曝光时的数字增益值DA_N、第N次曝光时的模拟增益值AA_N，调用所述曝光参数模版模块计算期望亮度值L_exp；

曝光参数调整模块，判断所述CMOS第N次曝光时的亮度值L_avrN是否符合需求，若符合需求，则停止调整，并将第N次的曝光的优化曝光值、数字增益值和模拟增益提供给CMOS，作为CMOS的曝光参数，获取图像数据；

若不符合需求，则将获取所述曝光参数计算模块计算的CMOS提供的第N次曝光时的曝光值T_expN作为T_N+1的值带入，根据上述公式计算第N+1次曝光时的优化曝光值T_expN+1，判断第N+1次曝光时的亮度值L_avrN+1是否符合需求，直至CMOS曝光时的亮度值符合要求时停止调整，并将当次曝光的优化曝光值、数字增益值和模拟增益提供给CMOS，作为CMOS的曝光参数，获取图像数据。

2.根据权利要求1所述的一种CMOS快速调整成像系统，其特征在于，还包括：

图像评分模块，接收CMOS每次曝光时采集的图像数据，通过图像数据中的亮度直方图计算图像数据中背景亮度和前景亮度，通过加权计算得到图像对比度的值，根据对比度的值的高低判断图像数据的质量，从所述曝光参数调整模块中将图像数据质量最好的那一次的曝光的优化曝光值、数字增益值和模拟增益值提供给外部光源系统，并输出图像数据质量最好的图像数据。

3.根据权利要求2所述的一种CMOS快速调整成像系统，其特征在于，还包括：

光源系统，依据图像评分模块提供的优化曝光值、数字增益值和模拟增益值进行光照强度的调整。

4.根据权利要求1-3任一所述的一种CMOS快速调整成像系统，其特征在于，所述CMOS的快门为卷帘式快门。

5.根据权利要求1-3任一所述的一种CMOS快速调整成像系统，其特征在于，所述CMOS的快门为全局式快门。

6.根据权利要求2或5所述的一种CMOS快速调整成像系统，其特征在于，所述对比度的值的范围为0-100。

7.一种CMOS快速调整成像方法，其特征在于，包含以下步骤：

根据CMOS的感光特性，建立参数计算公式：T_expN＝(L_exp*DA_N*AA_N*T_N)/(L_avrN*DA₀*AA₀)，其中，L_avrN为CMOS第N次曝光时的光照强度值、DA_N为CMOS第N次曝光时的数字增益值、AA_N为CMOS第N次曝光时的模拟增益值、T_N为CMOS第N次曝光时的曝光值，L_exp为期望亮度值、DA₀为预设的数字增益的初始值、AA₀为预设的模拟增益的初始值、T_expN为CMOS第N次曝光时的优化曝光值；

根据CMOS提供的第N次曝光时的亮度值L_avrN、第N次曝光时的曝光值T_N、第N次曝光时的数字增益值DA_N、第N次曝光时的模拟增益值AA_N，调用所述曝光参数模版模块计算期望亮度值L_exp；

判断所述CMOS第N次曝光时的亮度值L_avrN是否符合需求，若符合需求，

则停止调整，并将第N次的曝光的优化曝光值、数字增益值和模拟增益提供给CMOS，作为CMOS的曝光参数，获取图像数据；若不符合需求，则将获取所述曝光参数计算模块计算的CMOS提供的第N次曝光时的曝光值Ｔ_expN作为T_N+1的值带入，根据上述公式计算第N+1次曝光时的优化曝光值T_expN+1，判断第N+1次曝光时的亮度值L_avrN+1是否符合需求，直至CMOS曝光时的亮度值符合要求时停止调整，并将当次曝光的优化曝光值、数字增益值和模拟增益提供给CMOS，作为CMOS的曝光参数，获取图像。

8.根据权利要求7所述的一种CMOS快速调整成像方法，其特征在于，还包含以下步骤：

接收CMOS每次曝光时采集的图像数据，通过图像数据中的亮度直方图计算图像数据中背景亮度和前景亮度，通过加权计算得到图像对比度的值，根据对比度的值的高低判断图像数据的质量，从所述曝光参数调整模块中将图像数据质量最好的那一次的曝光的优化曝光值、数字增益值和模拟增益值提供给外部光源系统，并输出图像数据质量最好的图像数据。

9.根据权利要求8所述的一种CMOS快速调整成像方法，其特征在于，还包含以下步骤：

依据图像评分模块提供的优化曝光值、数字增益值和模拟增益值进行光照强度的调整。