CN107659777B - 一种自动曝光的方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种自动曝光的方法及装置，该方法包括步骤：获取目标图像的平均亮度值；获取预设的目标亮度值，根据该平均亮度值和该目标亮度值确定目标曝光幅度；按照预设的调节幅度逐次调节曝光幅度，直至调节的该曝光幅度的总和与该目标曝光幅度匹配。基于列权重参数与行权重参数确定该目标图像的每个像素点的权重、通过目标亮度值和平均亮度值确定曝光幅度，可有效提高图像自动曝光的实时处理速度，从而实现实时录制和视频监控。

Description

一种自动曝光的方法及装置

技术领域

本发明属于图像处理领域，更具体地说，本发明涉及一种自动曝光的方法及装置。

背景技术

自动曝光的目的是在不同的照明条件和场景中实现亮度级别的识别，并实时调节曝光参数，从而捕获的视频或图像既不太暗也不太亮。为了达到这个目的，要调整镜头孔径，传感器曝光时间，传感器模拟增益和传感器数字增益；在镜头孔径确定之后，需要调整传感器曝光时间，传感器模拟增益和传感器数字增益，这个过程称为自动曝光。

现有的自动曝光技术算法较为复杂，相应的硬件成本较高；此外，自动曝光装置所需硬件设施要求也较高，无法同时满足成本控制和实时处理速度方面的需求。

发明内容

为了解决上述技术问题，提供了一种自动曝光的方法，所述方法包括步骤：

获取目标图像的平均亮度值；

获取预设的目标亮度值，根据所述平均亮度值和所述目标亮度值确定目标曝光幅度；

按照预设的调节幅度逐次调节曝光幅度，直至调节的所述曝光幅度的总和与所述目标曝光幅度匹配。

在另一实施例中，所述获取目标图像的平均亮度值包括：

确定所述目标图像的每个像素点的亮度值；

确定所述目标图像的每个像素点的权重；

根据所述每个像素点的亮度值及该像素点的权重，计算所述目标图像的平均亮度值。

在另一实施例中，所述确定所述目标图像的每个像素点的权重包括：

获取所述目标图像的每一列像素点的列权重参数；

获取所述目标图像的每一行像素点的行权重参数；

根据所述列权重参数和所述行权重参数，确定所述目标图像的每个像素点的权重，其中，所述每个像素点的权重为该像素点所在列的列权重参数与该像素点所在行的行权重参数的乘积。

在另一实施例中，所述获取所述目标图像的每一列像素点的列权重参数包括：按照预设的高斯函数计算所述目标图像的每一列像素点的列权重参数，其中所述列权重参数在所述目标图像的各列呈高斯分布；所述获取所述目标图像的每一行像素点的行权重参数包括：按照预设的高斯函数计算所述目标图像的每一行像素点的行权重参数，其中所述行权重参数在所述目标图像的各行呈高斯分布。

在另一实施例中，所述按照预设的高斯函数计算所述目标图像的每一列像素点的列权重参数包括：

通过公式

计算所述目标图像的每一列像素点的列权重参数，其中，w_-x(i)表示所述目标图像的第i列的列权重参数；W表示所述目标图像的总列数；其中1≦i≦W；

所述按照预设的高斯函数计算所述目标图像的每一行像素点的行权重参数包括：

通过公式

计算所述目标图像的每一行像素点的行权重参数，其中，w_-y(j)表示所述目标图像的第j行的行权重参数；H表示所述目标图像的总行数；其中1≦j≦H。

在另一实施例中，所述根据所述平均亮度值和所述目标亮度值确定目标曝光幅度包括：

计算所述目标亮度值与所述平均亮度值的差值，计算所述差值与所述目标亮度值的比值作为所述目标曝光幅度。

本申请还公开了一种基于FPGA实现的装置，其特征在于，所述装置可以实现上述自动曝光的方法。

本申请还公开了一种自动曝光的装置，所述装置包括：

平均亮度值获取模块，用于获取目标图像的平均亮度值；

目标曝光幅度获取模块，用于获取预设的目标亮度值，根据所述平均亮度值和所述目标亮度值，确定目标曝光幅度；

调节模块，用于按照预设的调节幅度逐次调节曝光幅度，直至所述曝光幅度的总和与所述目标曝光幅度匹配。

在一具体实施例中，所述平均亮度值获取模块还用于，

确定所述目标图像的每个像素点的亮度值；

获取所述目标图像的每一列像素点的列权重参数；其中所述列权重参数在所述目标图像的各列呈高斯分布；

获取所述目标图像的每一行像素点的行权重参数；其中所述行权重参数在所述目标图像的各行呈高斯分布；

所述每个像素点的权重为该像素点所在列的列权重参数与该像素点所在行的行权重参数的乘积；

根据所述每个像素点的亮度值及与该像素点的权重，计算所述目标图像的平均亮度值。

在一具体实施例中，所述平均亮度值获取模块还用于通过公式

计算所述目标图像的每一列像素点的列权重参数，其中，w_-x(i)表示所述目标图像的第i列的列权重参数；W表示所述目标图像的总列数；其中1≦i≦W；

通过公式：

计算所述目标图像的每一行像素点的行权重参数，其中，w_-y(j)表示所述目标图像的第j行的行权重参数；H表示所述目标图像的总行数；其中1≦j≦H。

本发明的有益效果在于，基于列权重参数与行权重参数确定该目标图像的每个像素点的权重、通过目标亮度值和平均亮度值确定曝光幅度，可有效提高图像自动曝光的实时处理速度，从而实现实时录制和视频监控。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式，对本发明进列详细说明，其中：

图1为根据本申请一实施例提供的一种自动曝光的方法流程图；

图2为根据本申请一实施例提供的一种自动曝光的方法的步骤S12的流程图；

图3为根据本申请一实施例提供的一种自动曝光的方法的步骤S122的流程图；

图4为根据本申请一实施例提供的用于确定目标图像的平均亮度值的电路图；

图5为根据本申请一实施例提供的用于确定调节幅度的电路图；

图6为根据本申请一实施例提供的用于调节曝光幅度的电路图；

图7为根据本申请一实施例提供的一种自动曝光的装置的结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及其技术效果更加清晰，以下结合附图和具体实施方式，对本发明进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的具体实施方式仅仅是为了解释本发明，并非为了限定本发明。

如图1所示，本申请一方面提供了一种自动曝光的方法10，该方法10可基于一具有自动曝光功能的摄像头实现。

具体地，该方法10包括如下步骤：

S12,获取目标图像的平均亮度值，该平均亮度值反映了该目标图像的平均亮度，由mb(mean brightness)表示。

S14,获取预设的目标亮度值(该目标亮度值可由target表示)，根据该平均亮度值和该目标亮度值确定目标曝光幅度(目标曝光幅度可由ev(exposure value)表示)。该目标亮度值反映了在理想状态下，经曝光处理后可实现的亮度。

在一非限制性实施例，该目标曝光幅度ev＝(target-mb)/target。

S16，按照预设的调节幅度逐次调节曝光幅度，直至调节的该曝光幅度的总和与该目标曝光幅度匹配，该调节幅度可由ev`表示。

在一非限制性实例中，ev`＝ev/N，其中N为大于或等于1的整数。优选地，N为10，在这种情况下，分10次调节曝光幅度，直至曝光幅度的总和等于该目标曝光幅度的值。

在自动曝光过程中，每次调节的调节幅度过大，会容易引起呼吸效应；每次调节的调节幅度过小，会导致曝光调节时间过长。因此，可调整“逐次调整”的次数，从而可以在避免产生“呼吸效应”的前提下，尽量缩短调节时间。根据实践，分10次调整曝光幅度即可以有效地避免“呼吸效应”，同时曝光调节时间在可接受范围内。

如图2所示，在一具体实施例中，步骤S12还包括如下步骤：

S120，确定该目标图像的每个像素点的亮度值。这里需要说明的是，在一非限制性实例中，该亮度值被确定为0～255范围内的整数值。

S122，确定该目标图像的每个像素点的权重。在一非限制性的实例中，该目标图像的每个像素点的权重相等。

S124，根据该每个像素点的亮度值及该像素点的权重，计算该目标图像的平均亮度值。

具体地，假设该目标图像的像素坐标为(i，j)，1≦i≦W，1≦j≦H。W和H分别为该目标图像的像素总列数和像素总行数(本申请中的所述的所有“行数”和“列数”均表示图像的像素行数和像素列数；所述的“总行数”即为图像的行分辨率；所述的“总列数”即为图像的列分辨率)。w(i,j)表示该目标图像内像素坐标为(i，j)的像素点的权重；b(i,j)表示该目标图像内像素坐标为(i，j)的像素点的亮度。

则，

其中mb表示该目标图像的平均亮度值。

实例1：如果该目标图像的每个像素点的权重相等，即该目标图像中的每个像素点对整体亮度的影响为均等的，则该目标图像的平均亮度值为该图像的每个像素点的亮度值的平均值。需要说明的是，上述仅为一示例性实施方式，可采用本领域任何现有技术或以后要能采用的任何技术手段，基于该权重和该亮度确定该目标图像的平均亮度值。

实例2：在实例2中，对步骤S124做出如下非限制性的说明。首先，统计目标图像权重w(i,j)的直方图w_his(n)，其中n表示像素点的亮度范围，也就是b(i,j)所有可能的亮度值，如果亮度值被确定为0～255范围内的整数值，则0≦n≦255，最终w_his(n)是一个有256个值的表。

为简化说明目的，下面以一个5*5(1≦i≦5，1≦j≦5)，亮度值b(i,j)被确定为0～3范围内的整数值的图像为例，说明得到直方图w_his(n)的具体过程，在本实例中，0≦n≦3，w_his(n)有4个值，分别是w_his(0)、w_his(1)、w_his(2)和w_his(3)。

表1所示为该图像的每个像素的亮度值b(i,j)：

表1：图像像素点亮度值表

表2所示为该图像的每个像素的权重w(i,j)：

表2：图像像素点权重表

结合上述表1和表2，确定直方图

w_his(0)＝w(1,1)+w(3,3)＝1*1+3*3＝10；

w_his(1)＝w(3,1)+w(5,1)+w(1,2)+w(2,3)+w(5,3)+w(1,5)+w(3,5)+w(4,5)＝3*1+1*1+1*2+2*3+1*3+1*1+3*1+2*1＝21；

w_his(2)＝w(4,1)+w(2,2)+w(3,2)+w(5,2)+w(1,4)+w(3,4)+w(4,4)+w(5,4)+w(2,5)＝2*1+2*2+3*2+1*2+1*2+3*2+2*2+1*2+2*1＝30；

w_his(3)＝w(2,1)+w(4,2)+w(1,3)+w(4,3)+w(2,4)+w(5,5)＝2*1+2*2+1*3+2*3+2*2+1*1＝20；

其中，w_his(0)、w_his(1)、w_his(2)和w_his(3)分别表示图像中亮度分别为0、1、2和3的像素点的数量。

因此，最终得到的平均亮度为

如图3所示，在一具体实施例中，步骤S122还包括如下步骤：

S1220，获取该目标图像的每一列像素点的列权重参数。

S1222，获取该目标图像的每一行像素点的行权重参数。

S1224，根据该列权重参数和该行权重参数，确定该目标图像的每个像素点的权重，其中，该每个像素点的权重为该像素点所在列的列权重参数与该像素点所在行的行权重参数的乘积。

优选地，步骤S1220还包括：按照预设的高斯函数计算该目标图像的每一列像素点的列权重参数，其中该列权重参数在该目标图像的各列呈高斯分布。

优选地，步骤S1222还包括：按照预设的高斯函数计算该目标图像的每一行像素点的行权重参数，其中该行权重参数在该目标图像的各行呈高斯分布。

根据高斯函数的函数分布情况，可以确定，在上述实施例中，该目标图像中心位置的列权重参数和行权重权数较大；边缘位置的列权重参数和行权重参数较小。换言之，离目标图像中心位置越近的列，其列权重参数越大；离目标图像中心位置越近的行，其行权重参数越大。

具体地，步骤S1220还包括：

通过公式

计算该目标图像的每一列像素点的列权重参数，其中，w_-x(i)表示该目标图像的第i列的列权重参数；W表示该目标图像的总列数；其中1≦i≦W。从式中可以看出，当i＝0.5*W时，列权重参数为1，为最大列权重参数，说明该目标图像的中间列的列权重参数最大，离中间列越远的列的列权重参数越小。

步骤S1222还包括：

通过公式

计算该目标图像的每一行像素点的行权重参数，其中，w_-y(j)表示该目标图像的第j行的行权重参数；H表示该目标图像的总行数；其中1≦j≦H。从式中可以看出，当j＝0.5*H时，行权重参数为1，为最大行权重参数，说明该目标图像的中间行的行权重参数最大，离中间行越远的行的行权重参数越小。

通过上述自动曝光的方法，可以有效提高图像自动曝光的实时处理速度，从而实现实时录制和视频监控；此外，上述方法涉及算法运算量小，在具体硬件实现过程中，可有效降低成本。

本申请另一方面公开了一种FPGA实现的装置，该装置可以实现上述自动曝光的方法。

具体地，图4所示用于确定目标图像的平均亮度值的电路图400，该电路包括两个查找表，分别为列权重参数查找表402和行权重查找表404，分别存储着目标图像每一列的列权重参数和每一行的行权重参数。该列权重参数查找表402的数据量为该图像的像素列总数；该行权重参数查找表404的数据量为该图像的像素行总数。在一非限制性实施例中，该列权重参数查找表402和行权重查找表404内数据的取值范围均为0～255，对应颜色通道的8比特位宽。

对应于第i列第j行的像素点在列权重参数查找表402和行权重查找表404分别查找到对应的列权重参数和行权重参数，经乘法器相乘，将最终的权值w(i,j)存储于像素点权重表406中。当遍历整个图像后，该像素点权重表存储该目标图像内每个像素点的权重。

该像素点权重表406内的每个像素点的权重值经过累加器，同时，每个像素点的权重值以及像素点亮度值查找表408内存储的每个像素点的亮度值经过乘法器和累加器，进列相乘相加，并结合上述两个结果的商，最终得出该目标图像的平均亮度值410。

在一优选实施例中，该像素点权重表406为一像素点权重直方图表，该直方图表存储该图像所有可能的亮度值，以及对应于每个亮度值的像素点的个数。

在一实施例中，用公式表示，列权重参数查找表402存储有w_-x(i)，如上所述，w_-x(i)表示第i列像素点的列权重参数；列权重参数查找表404存储有w_-y(j)，如上所述，w_-y(j)表示第j行像素点的行权重参数；像素点权重表406存在有w(i,j)，如上所述，w(i,j)表示该目标图像内坐标为(i，j)的像素点的权重；像素点亮度值查找表408存储b(i,j)，如上所述b(i,j)表示该目标图像内坐标为(i，j)的像素点的亮度。其中，b(i,j)的取值范围为0～255。

则输出结果为

其中mb表示该目标图像的平均亮度值410。

在其中一个实施例中，配置两个像素点权重表406。在处理视频图像过程中，将偶数帧的图像像素点权重信息存储于其中一个像素点权重表406；将奇数帧的图像像素点权重信息存储于另一个像素点权重表406，从而实现偶数帧与奇数帧的乒乓操作。

图5所示为该装置实现上述确定调节幅度的电路图500。电路包括平均亮度值单元502、目标亮度值单元504、减法器506、目标曝光幅度单元508以及除法器，用于实现ev`＝(target-mb)/(target*N)。

图6所示为该装置实现上述按照预设的调节幅度逐次调节曝光幅度，直至调节的该曝光幅度的总和与该目标曝光幅度匹配的电路图600，电路包括当前曝光度单元602、调节幅度单元604、加法器606和更新曝光度单元608。其中，该当前曝光度单元602存储当前的曝光幅度；该更新曝光度单元608存储的值对应于当前曝光度单元602和调节幅度单元604的和；并且当该曝光幅度被更新后，更新后的曝光度会被存储到当前曝光度单元602，从而为下次曝光幅度调节做准备。

经实践确定，用该FPGA实现的装置，只需要可编程门阵行就可以实现上述自动曝光方法，无需其他硬件设备，可以实时处理60帧/秒的分辨率为1920*1080的视频图像。有效降低了硬件成本，同时提高了实时处理的能力。

如图7所示，本申请另一方面提供了一种自动曝光的装置70，该装置70包括：

平均亮度值获取模块72，用于获取目标图像的平均亮度值；

目标曝光幅度获取模块74，用于获取预设的目标亮度值，根据该平均亮度值和该目标亮度值，确定目标曝光幅度；

调节模块76，用于按照预设的调节幅度逐次调节曝光幅度，直至该曝光幅度的总和与该目标曝光幅度匹配。

在一实施例中，该平均亮度值获取模块72还用于，

确定该目标图像的每个像素点的亮度值；

获取该目标图像的每一列像素点的列权重参数；其中该列权重参数在该目标图像的各列呈高斯分布；

获取该目标图像的每一行像素点的行权重参数；其中该行权重参数在该目标图像的各行呈高斯分布；

该每个像素点的权重为该像素点所在列的列权重参数与该像素点所在行的行权重参数的乘积；

根据该每个像素点的亮度值及与该像素点的权重，计算该目标图像的平均亮度值。

在一实施例中，该平均亮度值获取模块72还用于通过公式

计算该目标图像的每一列像素点的列权重参数，其中，w_-x(i)表示该目标图像的第i列的列权重参数；W表示该目标图像的总列数；其中1≦i≦W；

通过公式：

计算该目标图像的每一行像素点的行权重参数，其中，w_-y(j)表示该目标图像的第j行的行权重参数；H表示该目标图像的总行数；其中1≦j≦H。

在一实施例中，目标曝光幅度获取模块74，可实现如下算法：

ev＝(target-mb)/target

其中，ev表示目标曝光幅度；target表示目标亮度值；mb表示平均亮度值。

在一实施例中，调节模块76预设的调节幅度用ev`表示，其中ev`＝ev/N，其中N为大于或等于1的整数。优选地，N为10，在这种情况下，分10次调节曝光幅度，直至曝光幅度的总和等于该目标曝光幅度的值。

需要说明的是，上述各个模块并不一定是独立的模块，其中多个模块可以集成为一个模块；或者上述各个模块又可以根据功能细分为多个模块，这些都落入本申请的保护范围之内。

本领域普通技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，该的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执列时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，该的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random AccessMemory，RAM)等。

上面结合附图对本发明的实施例进列了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (7)

1.一种自动曝光的方法，其特征在于，所述方法包括步骤：

获取目标图像的平均亮度值，包括：确定所述目标图像的每个像素点的亮度值，获取所述目标图像的每一列像素点的列权重参数；获取所述目标图像的每一行像素点的行权重参数；根据所述列权重参数和所述行权重参数，确定所述目标图像的每个像素点的权重，其中，所述每个像素点的权重为该像素点所在列的列权重参数与该像素点所在行的行权重参数的乘积；根据所述每个像素点的亮度值及该像素点的权重，计算所述目标图像的平均亮度值；

获取预设的目标亮度值，根据所述平均亮度值和所述目标亮度值确定目标曝光幅度，所述目标曝光幅度＝(目标亮度值-平均亮度值)/目标亮度值；

按照预设的调节幅度逐次调节曝光幅度，直至调节的所述曝光幅度的总和与所述目标曝光幅度匹配。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取所述目标图像的每一列像素点的列权重参数包括：按照预设的高斯函数计算所述目标图像的每一列像素点的列权重参数，其中所述列权重参数在所述目标图像的各列呈高斯分布；所述获取所述目标图像的每一行像素点的行权重参数包括：按照预设的高斯函数计算所述目标图像的每一行像素点的行权重参数，其中所述行权重参数在所述目标图像的各行呈高斯分布。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述按照预设的高斯函数计算所述目标图像的每一列像素点的列权重参数包括：

通过公式

计算所述目标图像的每一列像素点的列权重参数，其中，w_-x(i)表示所述目标图像的第i列的列权重参数；W表示所述目标图像的总列数；其中1≦i≦W；

所述按照预设的高斯函数计算所述目标图像的每一行像素点的行权重参数包括：

通过公式

计算所述目标图像的每一行像素点的行权重参数，其中，w_-y(j)表示所述目标图像的第j行的行权重参数；H表示所述目标图像的总行数；其中1≦j≦H。

4.一种基于FPGA实现的装置，其特征在于，所述装置可以实现如权利要求1-3中任一项所述的方法。

5.一种自动曝光的装置，其特征在于，所述装置包括：

平均亮度值获取模块，用于获取目标图像的平均亮度值，包括：确定所述目标图像的每个像素点的亮度值；获取所述目标图像的每一列像素点的列权重参数；获取所述目标图像的每一行像素点的行权重参数；所述每个像素点的权重为该像素点所在列的列权重参数与该像素点所在行的行权重参数的乘积；根据所述每个像素点的亮度值及与该像素点的权重，计算所述目标图像的平均亮度值；

目标曝光幅度获取模块，用于获取预设的目标亮度值，根据所述平均亮度值和所述目标亮度值，确定目标曝光幅度，所述目标曝光幅度＝(目标亮度值-平均亮度值)/目标亮度值；

调节模块，用于按照预设的调节幅度逐次调节曝光幅度，直至所述曝光幅度的总和与所述目标曝光幅度匹配。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述列权重参数在所述目标图像的各列呈高斯分布；

所述行权重参数在所述目标图像的各行呈高斯分布。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述平均亮度值获取模块还用于通过公式

计算所述目标图像的每一列像素点的列权重参数，其中，w_-x(i)表示所述目标图像的第i列的列权重参数；W表示所述目标图像的总列数；其中1≦i≦W；

通过公式：

计算所述目标图像的每一行像素点的行权重参数，其中，w_-y(j)表示所述目标图像的第j行的行权重参数；H表示所述目标图像的总行数；其中1≦j≦H。

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