CN108282619B - 一种具有红灯颜色校正功能的图像采集系统 - Google Patents

一种具有红灯颜色校正功能的图像采集系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了具有红灯颜色校正功能的图像采集系统，所述图像采集系统包括图像传感器、模拟增益模块、模数转换装置、颜色校正模块和数字增益模块，所述图像传感器拍摄具有交通信号灯的图像，所述模拟增益模块以预定增益系数对所拍摄的图像进行模拟放大，所述模数转换装置将经放大后的模拟图像数据进行模数转换，以转换成数字图像数据，所述颜色校正模块用于对所述数字图像中的交通信号灯进行颜色校正，所述数字增益模块用于对所述数字图像数字放大。本发明在图像数字增益拉大时保持过曝像素的颜色分量比例不变，在不影响图像整体亮度的同时，解决了红灯过亮导致的红灯偏黄、泛白问题。

Description

一种具有红灯颜色校正功能的图像采集系统
技术领域
本发明涉及图像处理领域，具体涉及一种具有红灯颜色校正功能的图像采集系统。
背景技术
电子警察是一种利用高清摄像机自动记录机动车闯红灯、逆向行驶、超速行驶等交通违法行为的现代化交通执法系统，GA/T 496-2009《闯红灯自动记录系统通用技术条件》中对电子警察系统的记录图片提出了要求：“图片清晰度应能满足人工对车辆号牌号码认定的要求，且不应出现因红灯信号泛白、光晕等颜色失真而影响人工对红灯信号的判断。”
交通信号灯按照光源的不同一般可分为白炽灯、卤素灯和发光二极管LED，LED交通信号灯由于其功耗低、亮度高、直流无闪烁等优点近年被广泛的应用。工业摄像机作为电子警察记录系统的核心部件，由于受到信号灯亮度、外界光线、拍摄角度以及自身动态范围的限制等原因，在夜间拍摄过程中，在不影响周边场景亮度的前提下容易造成红色信号灯泛黄、泛白乃至完全溢出，而且由于LED信号灯亮度不随时间发生变化，无法采用摄像机与其同步的方式改变拍摄瞬间信号灯的亮度。
目前，传统的信号灯图像采集系统中，红灯校正方法大多采用降低摄像机的曝光时间、改变环境光的亮度或者替换红灯区域的图像处理算法。其中通过降低摄像机的曝光时间或者通过添加光学结构改变环境光亮度的方法虽然抑制了红灯的变色，但是使得环境的亮度同时下降，难以满足要求。而通过识别红灯区域然后再对区域进行着色处理的方法，使得红灯区域的处理显得生硬，缺乏真实感，如1所示为采用这种处理方式获得的图片，从图中可以看出，信号灯已经被处理得变形，这样的图像由于采用了后期的处理，很难处理的比较自然，有明显造假的痕迹，原则上也不允许用于处罚证据。
发明内容
针对现有信号灯校正方法的问题，申请人进行了深入的研究。申请人发现，现有技术中对交通信号灯颜色校正的方法不能解决信号灯变色的原因，实际上是现有技术中的解决方案都没有找到红色信号灯变色的根源症结所在。现有技术中的处理方式都是基于整幅图像的处理，而本发明提出了一种新的图像采集系统，其基于图像中像素动态范围进行校正，从微观上解决了红色信号灯泛黄的问题。
本发明图像采集系统，通过降低采集系统的曝光时间，增加数模转换精度，最大限度的保证图像的原始颜色比例信息。在采用系统数字增益增大图像整体亮度的同时，保证红色过曝像素点的颜色比例，从而解决红色信号灯过亮导致的偏黄泛白问题。
具体而言，本发明提供了一种具有红灯颜色校正功能的图像采集系统，其特征在于，所述图像采集系统包括图像传感器、模拟增益模块、模数转换装置、颜色校正模块和数字增益模块，所述图像传感器拍摄具有交通信号灯的图像，所述模拟增益模块以预定增益系数对所拍摄的图像进行模拟放大，所述模数转换装置将经放大后的模拟图像数据进行模数转换，以转换成数字图像数据，所述颜色校正模块用于对所述数字图像中的交通信号灯进行颜色校正，所述数字增益模块用于对所述数字图像数字放大。
优选地，所述颜色校正模块分别获取图像数据中每个像素的R、G、B通道像素值，判断R通道像素值是否存在放大溢出，基于溢出情况计算不同情况下的截断系数，并且将将每个像素点的R、G、B通道像素值乘以不同的截断系数进行区分放大。
优选地，所述图像传感器的曝光时间设置为短于正常拍摄的曝光时间。
优选地，所述模拟增益模块的模拟增益系数设置为低于正常拍摄的模拟增益系数。
优选地，所述图像采集系统用于对交通信号灯和道路车辆同时进行图像采集。
优选地，所述图像采集系统所采集的图像包含目标车辆的车牌，所述交通信号灯中至少包含红色信号灯。
优选地，颜色校正的过程包括对目标图像数据中各个像素计算截断系数，并通过截断系数对每个像素各通道的数据进行调整，以使得各通道数据在数字放大增益后不超出增益后的动态范围，所述颜色校正模块通过下述方式进行截断系数计算：
对于存在放大溢出的情况P_Gain＝2N/Pr；
对于不存在放大溢出的情况：P_Gain<＝Gain，其中P_Gain表示当前像素的数字增益值。
优选地，所述模拟增益模块、模数转换装置、颜色校正模块、数字增益模块在FPGA中实现。
技术效果
本发明通过降低曝光时间、模拟增益来采集原始图像，并记录每个像素的颜色分量比例，并在图像数字增益放大时保持过曝像素的颜色分量比例不变，在不影响图像整体亮度的同时，解决了红灯过亮导致的红灯偏黄、泛白问题。
相比传统的信号灯图像采集系统中所采用的红色信号灯校正方式，本发明的图像采集系统从动态范围衰减导致颜色比例失衡这一根源入手，通过保留原始的图像颜色比例信息，在不损失图像整体亮度的前提下，不但解决了环境亮度与红灯偏色不可兼得的问题，而且使得红灯信息更加真实，有效解决了纯粹后期着色处理的图片无法作为执法证据的问题。本发明能够显著提升电子警察在违章拍照过程中的执法准确性。
附图说明
图1为：现有技术中采用区域替换处理方式进行处理后的图像处理结果；图2为本发明的具有红灯颜色校正功能的图像采集系统结构框图；
图3为：图像采集和显示过程的动态范围链；
图4为：像素的颜色通道比例；
图5为：动态范围衰减之后的颜色通道比例；
图6为：摄像机红灯矫正的环节设置；
图7为：动态范围衰减之后经过校正的颜色通道比例；
图8为：普通的图像传感器采集的图像(未经校正)；
图9为：采用本发明具有红灯颜色校正功能的图像采集系统采集的图像。
具体实施方式
以下结合附图及其实施例对本发明进行详细说明，但并不因此将本发明的保护范围限制在实施例描述的范围之中。
下面对本发明的系统中的图像采集过程以及交通信号灯颜色校正的原理以及校正的具体过程进行详细描述。
如图2所示为本发明的图像采集系统的结构示意图。
1.动态范围衰减
申请人在研发过程中注意到，景物从被摄像机采集到显示的整个过程中，出现了逐级的动态范围衰减现象，整个系统的动态范围则由动态范围最低的一个环节决定，如图3所示。对于工业相机，传感器中每个像素值的动态范围由传感器自身特性来决定，模数转换装置ADC转换后像素的动态范围取决于采样宽度(如采用的是14位AD)和模拟增益，图像处理部分像素的动态范围取决于数字增益造成的数据截取，而显示部分像素的动态范围则取决于显示器的响应特性。
2.像素动态范围衰减造成的红灯偏色
如图4所示，图中为P1、P2、P3三个像素点没有经过任何动态范围衰减的颜色通道值比例，假如，经过一系列动态范围衰减过后，从虚线的位置进行截断，则三个像素点颜色通道值比例如图5所示，可以看出，P1和P2两个像素点出现了严重的颜色通道比例失衡，表现在图像上就出现了变色。
因此造成红色信号灯偏色的原因在于：由于工业相机中像素动态范围的衰减，使得在衰减过程中红色通道出现了溢出截止，从而造成了颜色通道比例的失衡，进而出现了红灯偏色的现象。
3.曝光时间、模拟增益以及数字增益的调节
针对图3的动态范围链，为了使经过AD之后不致出现动态范围衰减进而造成颜色通道比例失调，使得这一级每个通道都能落在图4虚线之下，申请人提出了一种新的从图像采集、模数转换到增益放大的系统性校正方法。
具体而言，首先申请人调整图像传感器采集图像的曝光时间，即，缩短图像传感器的曝光时间以降低图像传感器(sensor)中像素的动态范围衰减；比如，将曝光时间调节至1ms或者500us
然后，在进行模数转换时，申请人调整模数转换模块的模拟增益数值，即，降低模数转换的模拟增益数值来降低数模转换(AD)环节像素动态范围的衰减；比如，将模拟增益值设置为0DB(放大倍数为1倍)
AD输出的数字图像数据进入红灯校正模块，由于降低了传感器和模数转换模块的曝光时间和模拟增益值，因此，为了保证图像清晰度，申请人调整数字增益来进行补偿，即，增大数字增益以保证图像的整体亮度，但这会使得数字放大这一级的像素动态范围将会有较大的衰减，因此，申请人在这一级设计了一种新的过曝像素处理方式进行过曝处理，如图5所示。
4.校正处理过程
(1)对于每个像素判断红通道是否存在放大溢出，例如对于12位数字图像来说放大后的像素灰度是否超过4095
溢出情况：Pr>2N/Gain-1
无溢出情况：Pr<＝2N/Gain-1
其中：Pr-像素点红通道分量灰度值；N：数模转换精度；Gain-数字增益放大倍数。(注：Gain是放大倍数，N是数字图像的数模转换精度，例如12位图像，N为12)
(2)计算截断系数
溢出情况：P_Gain＝2N/Pr
无溢出情况：P_Gain<＝Gain(正常设定的增益)
其中：P_Gain表示当前像素的数字增益值
(3)数字放大处理
Pr’＝Pr*Gain
Pg’＝Pg*Gain
Pb’＝Pb*Gain
其中：Pr’，Pg’，Pb’-处理后该像素的RGB分量灰度值
以12位原始图像举例，需要将12位图像放大4倍后8位输出(即取2-9位图像数据)，处理的方法是首先判断每个像素点的12红通道数值是否大于1023，如果大于1023，则将计算截断系数：
P_Gain＝4096/Pr，其中Pr是像素点的红通道数值。
如果小于或者等于1023，则计算截断系数：
P_Gain＝4；
然后将对同一像素点的绿蓝通道数值乘以该像素点的截断系数进行区分放大，这样既提高了图像的整体亮度，又使得红灯区域的颜色通道比例保持不变，保持了原来的颜色，如图7所示。
1.TS智能工业相机
由于本发明的校正方法的计算量小，校正效果好，在ITS智能工业相机中，可以使用FPGA完成本发明的校正方法，校正前后的图像对比如图8和图9所示。两幅图的图像整体亮度相当，但图9中，红灯的颜色信息被很好的保留下来。虽然考虑到专利中对附图的要求将彩色图片转换成灰度图像，但是即便从灰度图像中，也可以看出图9中红灯区域的显示效果明显优于图8。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡在本发明的精神和原则之内，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的保护范围之内。
虽然上面结合本发明的优选实施例对本发明的原理进行了详细的描述，本领域技术人员应该理解，上述实施例仅仅是对本发明的示意性实现方式的解释，并非对本发明包含范围的限定。实施例中的细节并不构成对本发明范围的限制，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均落在本发明保护范围之内。

Claims (4)

1.一种具有红灯颜色校正功能的图像采集系统，其特征在于，所述图像采集系统包括图像传感器、模拟增益模块、模数转换装置、颜色校正模块和数字增益模块，所述图像传感器拍摄具有交通信号灯的图像，所述模拟增益模块以预定增益系数对所拍摄的图像进行模拟放大，所述模拟增益模块的模拟增益系数设置为低于正常拍摄的模拟增益系数，所述模数转换装置将经放大后的模拟图像数据进行模数转换，以转换成数字图像数据，所述颜色校正模块用于对所述数字图像中的交通信号灯进行颜色校正，所述数字增益模块用于对所述数字图像数字放大，所述颜色校正模块分别获取图像数据中每个像素的R、G、B通道像素值，判断R通道像素值是否存在放大溢出，基于溢出情况计算不同情况下的截断系数，颜色校正的过程包括对目标图像数据中各个像素计算截断系数，并通过截断系数对每个像素各通道的数据进行调整，将每个像素点的R、G、B通道像素值乘以该像素点对应的截断系数对各个像素点进行区分放大，所述图像传感器的曝光时间设置为短于正常拍摄的曝光时间，所述颜色校正模块通过下述方式进行截断系数计算：
对于存在放大溢出的情况P_Gain＝2N/Pr；
对于不存在放大溢出的情况：P_Gain<＝Gain，其中P_Gain表示当前像素的数字增益值。
2.根据权利要求1所述的具有红灯颜色校正功能的图像采集系统，其特征在于，所述图像采集系统用于对交通信号灯和道路车辆同时进行图像采集。
3.根据权利要求1所述的具有红灯颜色校正功能的图像采集系统，其特征在于，所述图像采集系统所采集的图像包含目标车辆的车牌，所述交通信号灯中至少包含红色信号灯。
4.根据权利要求1所述的具有红灯颜色校正功能的图像采集系统，其特征在于，所述模拟增益模块、模数转换装置、颜色校正模块、数字增益模块在FPGA中实现。
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