CN108668090A - 光学设备及其自动曝光方法 - Google Patents

Abstract

一种光学设备及其自动曝光方法，属于数字图像处理技术领域，旨在解决现有自动曝光算法中存在的过曝问题。该方法包括计算图像过曝率、计算自动曝光目标函数、高频图像去噪和调整自动曝光参数四个步骤。通过以上步骤，能够有效抑制图像过曝，提高自动曝光速度。

Description

光学设备及其自动曝光方法

技术领域

本发明属于数字图像处理技术领域，具体地涉及一种光学设备及其自动曝光方法。

背景技术

医用内窥镜在外科手术中的应用非常广泛，它可以有效减少手术中的伤口面积以及手术后的康复时间。自动曝光控制是医用内窥镜ISP模块中的重要组成部分，它对图像质量的好坏有直接影响。传统的自动曝光算法一般只考虑图像的亮度信息，例如采用整幅图像的平均亮度为目标函数，以当前亮度和目标亮度的差值为依据调整摄像头的曝光时间和增益，使得图像的亮度尽量逼近目标亮度。由于医用内窥镜前端的光源较强，而且比较集中，用传统的自动曝光算法往往使图像出现曝光过度。这不仅不利于医生手术治疗中对患者病情的精准判断，还会使得医生产生视觉疲劳。

发明内容

针对传统自动曝光技术在医用内窥镜中容易出现过曝的问题，本发明提出了一种光学设备及其自动曝光方法，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提出了一种光学设备的自动曝光方法，包括以下步骤：

步骤1，使用所述光学设备采集图像，计算采集到的图像的图像过曝率，所述图像过曝率p即图像过曝区域像素占整幅采集到图像的总像素的比例；

步骤2、基于步骤1得到的图像过曝率p计算自动曝光目标函数；

步骤3，基于步骤2得到的自动曝光目标函数调整所述光学设备的自动曝光参数。

作为本发明的另一个方面，还提出了一种光学设备，包括：

图像采集单元，用于采集图像；

数据处理单元，用于通过执行如上所述的光学设备的自动曝光方法来调整所述光学设备的自动曝光参数，改善图像采集单元采集图像的过曝率。

通过上述技术方案可知，本发明具有如下有益效果：

(1)可以对图像过曝现象进行有效抑制，并且根据图像过曝比例自适应对曝光时间和增益进行调整；

(2)能够有效抑制图像过度曝光的出现，提高自动曝光速度；

(3)用于内窥镜时，针对微创手术过程中经常出现的强正面光或者明暗不均的特殊拍摄环境，该算法可检测其图像的过曝程度，自适应地调整曝光参数，有效抑制了光学设备的曝光不足和曝光过度。

附图说明

图1是本发明的光学设备的自动曝光方法的流程图；

图2是应用传统图像全局亮度自动曝光方法得到的图像；

图3是应用本发明一实施例的自动曝光方法得到的图像。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明公开了一种光学设备的自动曝光方法，包括以下步骤：

步骤1，使用所述光学设备采集图像，计算采集到的图像的图像过曝率，所述图像过曝率p即图像过曝区域像素占整幅采集到图像的总像素的比例；

步骤2、基于步骤1得到的图像过曝率p计算自动曝光目标函数；

步骤3，基于步骤2得到的自动曝光目标函数调整所述光学设备的自动曝光参数。

其中，步骤1中计算采集到的图像的图像过曝率p的公式为：

其中，A_OE为灰度值大于预设灰度阈值T_OE的图像过曝区域的像素个数，A_UE为图像未过曝区域的像素个数；

作为优选，240≤T_OE≤250。

其中，步骤2中计算自动曝光目标函数E的公式如下：

其中，mean(A_OE)和mean(A_UE)分别为图像过曝区域和图像未过曝区域的亮度均值；T为预设的过曝阈值，α为加权系数控制参数；

作为优选，0≤T≤0.1，1＜α≤5。

其中，目标函数E包含了稳定图像亮度和防止过曝两个功能；

其中，通过调整控制参数α，能够有效地缓解图像过曝或曝光不足，使光学设备适应更多的拍摄场景。

其中，步骤3中所述的调整所述光学设备的自动曝光参数的步骤具体包括：

设置一收敛速度r，令r＝E_target/E；

r＝r^β；

当自动曝光目标函数小于灰度均值区间的下限时，即E＜E_target*(1-p_E)时，先提高曝光时间AE_time，再提高增益AE_gain；

当自动曝光目标函数大于灰度均值区间的上限时，即E＞E_target*(1+p_E)时，先降低增益AE_gain，再降低曝光时间AE_time；

其中，β为收敛控制参数，用于控制收敛的速度；

p_E为预设阈值，用于控制目标亮度的上限和下限；

作为优选，0≤β≤1，0.1≤p_E≤0.3。

其中，当自动曝光目标函数E＜E_target*(1-p_E)时，先提高曝光时间AE_time，再提高增益AE_gain的步骤具体包括：

通过AE_time＝AE_time*r来提高AE_time；

当AE_time达到上限时，再通过AE_gain＝AE_gain*r来提高AE_gain。

其中，当自动曝光目标函数E＞E_target*(1+p_E)时，先降低增益AE_gain，再降低曝光时间AE_time的步骤具体包括：

令r＝r₀+(r-r₀)*(1+p_E)；

通过AE_gain＝AE_gain*r来降低AE_gain；

当AE_gain达到下限时，再通过AE_time＝AE_time*r来降低AE_time；

其中，r₀为收敛速度初始值；

作为优选，0.5＜r₀＜2。

本发明还公开了一种光学设备，包括：

图像采集单元，用于采集图像；

数据处理单元，用于通过执行如上所述的光学设备的自动曝光方法来调整所述光学设备的自动曝光参数，改善图像采集单元采集图像的过曝率。

其中，该光学设备为医用内窥镜。

下面结合附图和具体实施例对本发明的医用内窥镜自动曝光方法进行更进一步的介绍。

如图1所示，本发明的医用内窥镜自动曝光方法，其步骤如下：

步骤一、计算图像过曝率；

统计图像过曝区域(灰度值大于阈值T_OE)的像素个数A_OE和未过曝区域(灰度值小于阈值T_OE)的像素个数，并采用如下公式计算图像的过曝率p：

对于给定图像，A_OE+A_UE为图像像素总个数。

步骤二、计算自动曝光目标函数；

基于步骤一中得到的过曝区域像素个数A_OE、未曝区域像素个数A_UE和过曝率p，通过以下公式计算图像的自动曝光目标函数：

mean(A_OE)和mean(A_UE)分别为过曝区域和未过曝区域的亮度均值。T为过曝阈值，α参数控制加权系数。从以上公式可以看出，当图像的过曝率小于给定的阈值T时，该目标函数近似为图像全局亮度；当图像的过曝率大于给定的阈值T时，该目标函数为图像过曝区域和未过曝区域亮度均值的加权值。其中图像过曝区域亮度均值的加权值为p^α，过曝率越大，该加权值越大。通过自适应增加过曝区域亮度均值的加权值，可以有效抑制图像过曝。

步骤三、调整自动曝光参数；

由于医用内窥镜光圈大小固定，只需要对曝光时间AE_time和增益AE_gain进行调整。对于每一帧图像，基于步骤二中求出的E和给定目标亮度值E_target，对AE_time和AE_gain进行如下调整：

r＝E_target/E

r＝r^β

if E＜E_target*(1-p_E)

先提高AE_time：AE_time＝AE_time*r

当AE_time到上限的时候，再提高增益：AE_gain＝AE_gain*r；

else if E＞E_target*(1+p_E)

r＝r₀+(r-r₀)*(1+p)

先降低AE_gain：AE_gain＝AE_gain*r

当AE_gain到达下限的时候，再降低曝光行：AE_time＝AE_time*r

β为收敛控制参数，p_E控制目标亮度的上限和下限，r₀为收敛速度初始值。当E＞E_target*(1+p_E)时候，基于过曝率p自适应控制AE_time和AE_gain下降速率。这样在图像过曝的时候，可以快速降低曝光时间和增益，提高自动曝光的收敛速度。

为验证本发明提出算法的有效性、合理性、可行性及科学性，将本发明的医用内窥镜自动曝光方法和传统全局亮度自动曝光方法进行对比。如图2、3所示，图2是应用传统图像全局亮度自动曝光方法得到的图像，图3是应用本发明的自动曝光方法得到的图像。试验中图3方法的曝光参数设置为：T_OE＝250，T＝0.05，α＝250，β＝0.4，p_E＝0.2，r₀＝1.05。

由试验结果可以看出，传统全局亮度自动曝光算法得到的图像过曝比较严重，而本发明的自动曝光算法可以有效抑制图像过曝，进而保留图像更多的细节。另一方面，通过自适应调节参数调整步长，可以有效提高自动曝光速度。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种光学设备的自动曝光方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，使用所述光学设备采集图像，计算采集到的图像的图像过曝率，所述图像过曝率p即图像过曝区域像素占整幅采集到图像的总像素的比例；

步骤2、基于步骤1得到的图像过曝率p计算自动曝光目标函数；

步骤3，基于步骤2得到的自动曝光目标函数调整所述光学设备的自动曝光参数。

2.如权利要求1所述的自动曝光方法，其特征在于，步骤1中计算采集到的图像的图像过曝率p的公式为：

其中，A_OE为灰度值大于预设灰度阈值T_OE的图像过曝区域的像素个数，A_UE为图像未过曝区域的像素个数；

作为优选，240≤T_OE≤250。

3.如权利要求1所述的自动曝光方法，其特征在于，步骤2中计算自动曝光目标函数E的公式如下：

其中，mean(A_OE)和mean(A_UE)分别为图像过曝区域和图像未过曝区域的亮度均值；T为预设的过曝阈值，α为加权系数控制参数；

作为优选，0≤T≤0.1，1＜α≤5。

4.如权利要求3所述的自动曝光方法，其特征在于，目标函数E包含了稳定图像亮度和防止过曝两个功能；

其中，通过调整控制参数α，能够有效地缓解图像过曝或曝光不足，使光学设备适应更多的拍摄场景。

5.如权利要求1所述的自动曝光方法，其特征在于，步骤3中所述的调整所述光学设备的自动曝光参数的步骤具体包括：

设置一收敛速度r，令r＝E_target/E；

r＝r^β；

当自动曝光目标函数小于灰度均值区间的下限时，即E＜E_target*(1-p_E)时，先提高曝光时间AE_time，再提高增益AE_gain；

当自动曝光目标函数大于灰度均值区间的上限时，即E＞E_target*(1+p_E)时，先降低增益AE_gain，再降低曝光时间AE_time；

其中，β为收敛控制参数，用于控制收敛的速度；

p_E为预设阈值，用于控制目标亮度的上限和下限；

作为优选，0≤β≤1，0.1≤p_E≤0.3。

6.如权利要求5所述的自动曝光方法，其特征在于，当自动曝光目标函数E＜E_target*(1-p_E)时，先提高曝光时间AE_time，再提高增益AE_gain的步骤具体包括：

通过AE_time＝AE_time*r来提高AE_time；

当AE_time达到上限时，再通过AE_gain＝AE_gain*r来提高AE_gain。

7.如权利要求5所述的自动曝光方法，其特征在于，当自动曝光目标函数E＞E_target*(1+p_E)时，先降低增益AE_gain，再降低曝光时间AE_time的步骤具体包括：

令r＝r₀+(r-r₀)*(1+p_E)；

通过AE_gain＝AE_gain*r来降低AE_gain；

当AE_gain达到下限时，再通过AE_time＝AE_time*r来降低AE_time；

其中，r₀为收敛速度初始值；

作为优选，0.5＜r₀＜2。

8.一种光学设备，其特征在于，所述光学设备包括：

图像采集单元，用于采集图像；

数据处理单元，用于通过执行如权利要求1～7任一项所述的光学设备的自动曝光方法来调整所述光学设备的自动曝光参数，改善图像采集单元采集图像的过曝率。

9.如权利要求8所述的光学设备，其特征在于，所述光学设备为医用内窥镜。