CN111355896A - 获取全天相机的自动曝光参数的方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供一种获取全天相机的自动曝光参数的方法，包括：步骤A：根据当前的昼夜情况选取合适的目标分值；步骤B：根据太阳或月亮的位置生成对应的模板；步骤C：设置CCD增益和曝光时间的初始值；步骤D：根据设置的CCD增益和曝光时间拍摄样张，并计算该样张减去模板后的分值；步骤E：判断步骤D得到的分值是否达到目标分值：若达到目标分值，输出该样张；若没有达到目标分值，设置新的CCD增益和曝光时间，返回步骤D。本公开提供的获取全天相机的自动曝光参数的方法通过循环拍摄样张，计算样张亮度并通过比例积分控制器调节曝光参数，不需要使用测光仪测得天空亮度，省去了使用测光仪这一易损耗部件，提高了全天相机系统的可靠性。

Description

获取全天相机的自动曝光参数的方法
技术领域
本公开涉及全天相机成像技术领域，尤其涉及一种获取全天相机的自动曝光参数的方法。
背景技术
全天相机(All-Sky Camera)是指能够对全天空范围进行光学观测的设备，其核心是由电荷耦合元件(Charge Coupled Device，CCD)和鱼眼镜头组成，它能够获取张角-180°～180°，环视360°的景象，并通过高性能CCD捕捉弱光及特定波段的光学数据，广泛适用于大视场的图像数据获取。在应用方面，全天相机可以获得全天空范围的地基云图，主要用于全天云量信息监测。获取高质量的全天云量图像的关键是实现对天空的正确曝光拍摄。由于全天相机需要全天候持续拍摄，所以其成像受到太阳位置、天气情况、月相的影响较大，容易出现过曝或者曝光不足的情况。
实现全天相机正确的曝光需要设置合适的曝光参数，包括：曝光时间、镜头光圈值和CCD增益这三个部分。其中曝光时间是指CCD感光的时长，以毫秒为单位；镜头光圈值是指镜头通光量的大小，用f值表示，常用的有f1.4、f4.0、f11、f16等，f值越小表示光圈越大，相应的通光面积越大；CCD增益是指CCD的光敏感程度，增益值越高，对光越敏感，但是随之而来是噪点的增加，应尽量将其设置为一个较低的值。针对不同的光环境，调整这三个参数，以实现对全天相机的正确曝光。为此需要采用某种方法计算出合适的曝光参数。
现有技术中应用于全天相机的曝光参数计算方法主要有两种：第一种计算方法为采用测光计测出天光亮值，根据天光亮度值来计算曝光参数。如中国科学院国家天文台光学天文重点实验室研发的全天相机采用了Unihedron生产的夜天光监测仪SQM-LE测算天光亮度，根据该亮度计算出由一个由三个曝光参数组合得到的曝光值，用以代表能够给出同样曝光的所有光圈和快门的组合，以简化在等价拍摄参数之间进行选择的过程。(文献田健峰，邓李才，闫正洲，等.中国SONG项目节点全天云量监测方案[J].天文学报，2016，57(3)：366-375.)第二种计算方法为根据太阳高度、月亮高度及月相计算曝光参数。中国科学院国家天文台兴隆站研发的全天相机采用了该方法。通过将曝光参数组合数值与太阳高度、月亮高度及月相一一对应，构建了一个曝光参数值查找表。在全天相机的实际拍摄过程中，根据拍摄时候的太阳高度或月亮高度及月相，查找对应的曝光参数组合进行拍摄。
然而，在实现本公开的过程中，本申请发明人发现，对于采用测光计测出天光亮值的全天相机曝光参数计算方法，需要添加额外的测光用硬件，该硬件属于精密光学部件，在使用中较易损坏，一旦该部件不能正常工作，则无法进行曝光参数计算，降低了系统的可靠性。对于根据太阳高度、月亮高度及月相计算曝光参数的全天相机曝光参数计算方法，无法将拍摄时实际的天气状况考虑进去，如出现阴天或雨雪天气，不可避免的出现欠曝或过曝的问题。
公开内容
(一)要解决的技术问题
基于上述技术问题，本公开提供一种获取全天相机的自动曝光参数的方法，以缓解现有技术中的全天相机曝光参数计算方法需要添加额外的测光用硬件，降低了系统的可靠性，或无法考虑拍摄时实际的天气状况，导致欠曝或过曝的技术问题。
(二)技术方案
本公开提供一种获取全天相机的自动曝光参数的方法，计算经过模板处理后的图像直方图的均方差，将其图像亮度分布的分值作为曝光程度的标准，包括：步骤A：根据当前的昼夜情况选取合适的目标分值；步骤B：根据太阳或月亮的位置生成对应的模板；步骤C：设置CCD增益和曝光时间的初始值；步骤D：根据设置的CCD增益和曝光时间拍摄样张，并计算该样张减去模板后的分值；步骤E：判断步骤D得到的分值是否达到目标分值：若达到目标分值，输出该样张；若没有达到目标分值，设置新的CCD增益和曝光时间，返回步骤D。
在本公开的一些实施例中，通过下式计算经过模板处理后的图像亮度分布的分值：
Figure BDA0001913305590000031
其中，μ为经过模板处理后的图像亮度分布的分值，i的取值范围为0-4，表示将图像直方图划分为5个区域，xi是区域i中的像素值的和。
在本公开的一些实施例中，所述步骤A中：白天成像，合适的目标分值为2.5；夜间成像，合适的目标分值为0.5。
在本公开的一些实施例中，所述步骤A中，获取当前UTC时间和全天相机的经纬度，根据所述UTC时间和所述经纬度确定当前是白天或黑夜。
在本公开的一些实施例中，所述步骤B包括：步骤B1：根据UTC时间和全天相机的经纬度确定当前太阳或月亮在天空中的位置，记为非感兴趣区域；步骤B2：确定鱼眼镜头的成像区域产生的非感兴趣区域；步骤B3：确定视野内的遮挡物产生的非感兴趣区域。
在本公开的一些实施例中，所述步骤C中，CCD增益的初始值为1，曝光时间的初始值为2ms。
在本公开的一些实施例中，所述步骤E中，若没有达到目标分值，将该分值输入比例积分控制器得到新的CCD增益和曝光时间。
在本公开的一些实施例中，通过下式计算新的CCD增益和曝光时间：
e(t)＝SP-PV
Figure BDA0001913305590000032
其中，SP是合适的目标分值，PV为图像分值的测量值，e(t)即为两者的误差，Kc为控制增益；τI为积分时间常量，u(t)为反馈值，即新的CCD增益和曝光时间。
在本公开的一些实施例中，通过下式分别计算CCD增益和曝光时间对应的Kc值：
Kc(Exposure)＝25·c+20
Kc(Gain)＝10·c+15
其中，c是减去模板后的图像占总图像的像素比例。
在本公开的一些实施例中，所述步骤C中，设置光圈值为f11。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开提供的获取全天相机的自动曝光参数的方法具有以下有益效果的其中之一或其中一部分：
(1)通过循环拍摄样张，计算样张亮度并通过比例积分控制器调节曝光参数，不需要使用测光仪测得天空亮度，省去了使用测光仪这一易损耗部件，提高了全天相机系统的可靠性；
(2)通过循环拍摄样张，根据样张减去模板的残差图像的直方图确定图像亮度，模板中考虑了太阳与月亮的位置，且样张的亮度也反映了当前的天气和天光状况，避免了已有方法中无法兼顾天气状况的缺陷。
附图说明
图1为本公开实施例提供的获取全天相机的自动曝光参数的方法的逻辑结构图。
图2为本公开实施例提供的获取全天相机的自动曝光参数的方法中模板的示意图。
具体实施方式
本公开提供的获取全天相机的自动曝光参数的方法通过循环拍摄样张，计算样张亮度并通过比例积分控制器调节曝光参数，不需要使用测光仪测得天空亮度，省去了使用测光仪这一易损耗部件，提高了全天相机系统的可靠性。
为使本公开的目的、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，对本公开进一步详细说明。
本公开提供一种获取全天相机的自动曝光参数的方法，计算经过模板处理后的图像直方图的均方差，将其图像亮度分布的分值作为曝光程度的标准，如图1所示，包括：
步骤A：根据当前的昼夜情况选取合适的目标分值；
步骤B：根据太阳或月亮的位置生成对应的模板；
步骤C：设置CCD增益和曝光时间的初始值；
步骤D：根据设置的CCD增益和曝光时间拍摄样张，并计算该样张减去模板后的分值；
步骤E：判断步骤D得到的分值是否达到目标分值：
若达到目标分值，输出该样张；
若没有达到目标分值，设置新的CCD增益和曝光时间，返回步骤D。
在本公开的一些实施例中，通过循环拍摄样张，计算样张亮度并通过比例积分控制器调节曝光参数，不需要使用测光仪测得天空亮度，省去了使用测光仪这一易损耗部件，提高了全天相机系统的可靠性；并且根据样张减去模板的残差图像的直方图确定图像亮度，模板中考虑了太阳与月亮的位置，且样张的亮度也反映了当前的天气和天光状况，避免了已有方法中无法兼顾天气状况的缺陷。
在本公开的一些实施例中，采用图像亮度直方图来进行测光图像的曝光度判断。把图像的亮度分为0到255共256个数值，数值越大，代表的亮度越高。其中0代表纯黑色的最暗区域，255表示最亮的纯白色，而中间的数字代表不同亮度的灰色。采用亮度直方图可以很好的表现一张图像的曝光程度，将直方图的亮度值划分为5档，分别表示CCD对不同光照强度的反应。一张过曝的图片其直方图将会向右倾斜，而曝光不足的图片其直方图将向左倾斜。所以，理想影像的直方图应主要分布在中间部分。将直方图数值化，可以使其更适于作为曝光程度的标准。本公开实施例采用的做法是通过下式计算经过模板处理后的图像直方图的均方差(mean square error，MSV)，将其图像亮度分布的分值作为曝光程度的标准。
Figure BDA0001913305590000051
其中，μ为经过模板处理后的图像亮度分布的分值，i的取值范围为0-4，表示将图像直方图划分为5个区域，xi是区域i中的像素值的和。
在本公开的一些实施例中，步骤A中，基于不同时间的成像样片的分析可以得出：白天成像，合适的目标分值为2.5；夜间成像，合适的目标分值为0.5。
在本公开的一些实施例中，步骤A中，获取当前UTC时间和全天相机的经纬度，根据UTC时间和经纬度确定当前是白天或黑夜。
在本公开的一些实施例中，采用模板残差法进行测光修正，模板残差法是将测光图像中不适合进行测光计算的部分用模板减掉，比如鱼眼镜头产生的黑色区域(鱼眼镜头在CCD上的成像是一个圆形的区域，其外为黑色无数据区域)，设备视野范围内的遮挡物(例如：建筑物等)，以及太阳、月亮在天空中的位置。鱼眼镜头产生的黑色区域和视野内的遮挡物是已知的，太阳或月亮的位置可以通过时间和纬度计算出来，通过动态生成模板，即可在测光时剔除无关区域的亮度影响，使得我们感兴趣的区域(天空)得到最佳的曝光度，如图2所示(图2中黑色部分为保留像素，白色为模板像素，即非感兴趣区域，在计算中用拍摄的图像减去该模板，剩下的像素为有效像素，图中白色小圆示例太阳或月亮位置，梯形缺口示例图像中的遮挡物或其他非感兴趣的内容。)，步骤B包括：步骤B1：根据UTC时间和全天相机的经纬度确定当前太阳或月亮在天空中的位置，记为非感兴趣区域；步骤B2：确定鱼眼镜头的成像区域产生的非感兴趣区域；步骤B3：确定视野内的遮挡物产生的非感兴趣区域。
在本公开的一些实施例中，步骤C中，CCD增益的初始值为1，曝光时间的初始值为2ms。
在本公开的一些实施例中，步骤E中，若没有达到目标分值，将该分值输入比例积分控制器得到新的CCD增益和曝光时间，本公开实施例采用比例-积分控制器(PIController)来分别控制这两个参数，在一定时间内不断进行调整得到合适的增益和曝光参数，使得到图像的μ值达到相应的预设值。PI Controller是一个反馈回路控制方法，它将控制反馈得到的值和参考值进行比较，并将其差值用于计算新的输入值，通过不断迭代，使得反馈值达到和参考值一致的目标。它主要适用于基本上线性，且动态特性不随时间变化的系统，很适合用于曝光参数的控制。PI Controller的比例误差单元(P)、积分误差单元(I)分别对应目前误差、过去累计误差，从而使得系统的调整，即达到预期的μ值的过程，可以用控制器对误差的反应快慢、控制器过冲的程度来表示。
在本公开的一些实施例中，通过下式计算新的CCD增益和曝光时间：
e(t)＝SP-PV
Figure BDA0001913305590000071
其中，SP是合适的目标分值，PV为图像分值的测量值，e(t)即为两者的误差，Kc为控制增益(controller gain)；τI为积分时间常量，u(t)为反馈值，即新的CCD增益和曝光时间。Kc作为乘数作用于控制器的比例误差单元和积分误差单元，其大小控制各误差单元的增幅。
在本公开的一些实施例中，通过下式分别计算CCD增益和曝光时间对应的Kc值：
Kc(Exposure)＝25·c+20
Kc(Gain)＝10·c+15
其中，c是减去模板后的图像占总图像的像素比例。
在本公开的一些实施例中，步骤C中，对于全天相机的观测，合适的光圈值为f11。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开实施例提供的获取全天相机的自动曝光参数的方法有了清楚的认识。
综上所述，本公开提供的获取全天相机的自动曝光参数的方法通过循环拍摄样张，计算样张亮度并通过比例积分控制器调节曝光参数，不需要使用测光仪测得天空亮度，省去了使用测光仪这一易损耗部件，提高了全天相机系统的可靠性。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如前面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种获取全天相机的自动曝光参数的方法，计算经过模板处理后的图像直方图的均方差，将其图像亮度分布的分值作为曝光程度的标准，包括：
步骤A：根据当前的昼夜情况选取合适的目标分值；
步骤B：根据太阳或月亮的位置生成对应的模板；
步骤C：设置CCD增益和曝光时间的初始值；
步骤D：根据设置的CCD增益和曝光时间拍摄样张，并计算该样张减去模板后的分值；
步骤E：判断步骤D得到的分值是否达到目标分值：
若达到目标分值，输出该样张；
若没有达到目标分值，设置新的CCD增益和曝光时间，返回步骤D。
2.根据权利要求1所述的获取全天相机的自动曝光参数的方法，通过下式计算经过模板处理后的图像亮度分布的分值：
Figure FDA0001913305580000011
其中，μ为经过模板处理后的图像亮度分布的分值，i的取值范围为0-4，表示将图像直方图划分为5个区域，xi是区域i中的像素值的和。
3.根据权利要求2所述的获取全天相机的自动曝光参数的方法，所述步骤A中：
白天成像，合适的目标分值为2.5；
夜间成像，合适的目标分值为0.5。
4.根据权利要求1所述的获取全天相机的自动曝光参数的方法，所述步骤A中，获取当前UTC时间和全天相机的经纬度，根据所述UTC时间和所述经纬度确定当前是白天或黑夜。
5.根据权利要求1所述的获取全天相机的自动曝光参数的方法，所述步骤B包括：
步骤B1：根据UTC时间和全天相机的经纬度确定当前太阳或月亮在天空中的位置，记为非感兴趣区域；
步骤B2：确定鱼眼镜头的成像区域产生的非感兴趣区域；
步骤B3：确定视野内的遮挡物产生的非感兴趣区域。
6.根据权利要求1所述的获取全天相机的自动曝光参数的方法，所述步骤C中，CCD增益的初始值为1，曝光时间的初始值为2ms。
7.根据权利要求1所述的获取全天相机的自动曝光参数的方法，所述步骤E中，若没有达到目标分值，将该分值输入比例积分控制器得到新的CCD增益和曝光时间。
8.根据权利要求7所述的获取全天相机的自动曝光参数的方法，通过下式计算新的CCD增益和曝光时间：
e(t)＝SP-PV
Figure FDA0001913305580000021
其中，SP是合适的目标分值，PV为图像分值的测量值，e(t)即为两者的误差，Kc为控制增益；τI为积分时间常量，u(t)为反馈值，即新的CCD增益和曝光时间。
9.根据权利要求8所述的获取全天相机的自动曝光参数的方法，通过下式分别计算CCD增益和曝光时间对应的Kc值：
Kc(Exposure)＝25·c+20
Kc(Gain)＝10·c+15
其中，c是减去模板后的图像占总图像的像素比例。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的获取全天相机的自动曝光参数的方法，所述步骤C中，设置光圈值为f11。
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