CN112822423A

CN112822423A - 一种适用于自然光环境的ccd积分时间调整方法

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Publication number: CN112822423A
Application number: CN201911126157.8A
Authority: CN
Inventors: 饶志涛; 于云翔; 李战行; 孙长燕; 张艳辉
Original assignee: Beijing Huahang Radio Measurement Research Institute
Current assignee: Beijing Huahang Radio Measurement Research Institute
Priority date: 2019-11-18
Filing date: 2019-11-18
Publication date: 2021-05-18

Abstract

本发明公开了一种适用于自然光环境的CCD积分时间调整方法，CCD成像系统在自然环境光下采用自动曝光模式；当采集到图像的平均灰度发生瞬时剧烈变化时，CCD成像系统由自动曝光模式切换到手动曝光模式，手动模式下的积分时间为当前帧积分时间估计值；当CCD成像系统回到自然环境光下再次切换到自动曝光模式。本发明能自适应计算环境光下图像的积分时间，保证CCD系统在成像过程中不受平均灰度瞬时剧烈变化影响，具有设计灵活、自由度高、成本低、精度高和实时性强等特点。

Description

一种适用于自然光环境的CCD积分时间调整方法

技术领域

本发明涉及一种自适应调整CCD相机积分时间的方法，属于图像处理技术领域。

背景技术

在CCD成像系统中，由于季节、天气、太阳角度和景物特征的不同，会造成成像环境光线变化或者场景目标亮度差异较大，在积分时间参数不理想时，整幅图像很容易出现过曝光或曝光欠佳的区域。为了保证采集图像的平均灰度在合理的范围之内，CCD成像系统的进光量相应的也要调整。通常使用3种方法用来对CCD相机进行调光：光圈机械控制或变密度盘，电子快门设置和增益调节。根据相机的工作机理，可以称前两种方式为自动曝光控制(AEC)，后一种方式为自动增益控制(AGC)。曝光控制主要集中于图像亮度和光学系统通光量、CCD曝光和积分时间关系的调节；增益控制则是辅助曝光控制，确保图像有一定灰度级的对比度。其中自动调整积分时间算法主要分为均值调整曝光时间和峰值调整曝光时间两大类，前者针对暗背景时局部亮点饱和的场合，后者针对局部亮时背景图像不清的情形。长春光机所的科研人员提出利用电子快门和可变光阑有机结合，在单片机控制下实现全自动调光。其中，在入射光强度变化较大时，单纯的改变可变光阑孔径无法满足调光范围要求，必须改变电子快门积分时间。这种方法复杂度较高，并且该算法中电子快门只有三种档位，并不能精确的实现自动调光。随后长春光机所还提出了一种变参数CCD相机自动曝光调节方法。该算法首先计算成像系统获取图像的平均灰度值和伪中值,并将它们的距离作为调光方程的参数,在此基础上,通过动态调整数学模型中的关键参数提高算法的效率和稳定性。然而，该算法的调整时间过长，在光照剧烈变化时，该算法不能及时的调整到位，因此该算法并不适用于对实时性高的硬件系统中。2015年长春理工大学的学者提出一种基于图像熵的一种新的自动曝光算法。该算法首先将图像分成3*3个子区域，比较各个子区域熵值大小把这些区域分为两类，一类为感兴趣区域，另一类为非感兴趣区域，同时，对这些区域根据熵值大小对照权重曲线进行分配权重，进而对数字相机准确曝光。虽然该算法针对不同区域有不同权重，但这样做可能将同一个感兴趣区域分割成多个区域，导致最终的调光不准确。综上所述，实现自动调整积分时间的算法虽然很多，但是都存在着各种各样的不足，主要存在精度不够和复杂性高等问题。

发明内容

本发明需解决的技术问题是提供一种精度高、简单的自适应调整CCD相机积分时间的方法。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种适用于自然光环境下的CCD积分时间调整方法，采取技术方案如下：

CCD成像系统在自然环境光下采用自动曝光模式；当采集的图像平均灰度发生瞬时剧烈变化时，CCD成像系统由自动曝光模式切换到手动曝光模式，手动模式下的积分时间为当前帧积分时间估计值；当CCD成像系统回到自然环境光下再次切换到自动曝光模式。

进一步地，所述手动模式下的当前帧积分时间估计值计算方法为：

定义当前第K帧的前T秒之内采集图像的积分时间平均值作为当前第K帧的CCD成像系统的积分时间估计值，因此，第K帧图像的积分时间估计值可以表示为：

其中，t_i表示第i帧图像的积分时间；P为CCD成像系统的帧频；T表示时长。

进一步地，由FPGA计算并存储CCD成像系统的每一帧积分时间估计值。

进一步地，当图像平均灰度发生瞬时剧烈变化时，FPGA向CCD成像系统发送控制信号，控制CCD成像系统由自动曝光模式切换到手动曝光模式，FPGA将当前帧积分时间估计值写入CCD成像系统；当成像系统回到自然光环境下时，FPGA向CCD成像系统再次发送控制信号，CCD成像系统曝光模式由手动模式切换到自动模式。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明能自适应计算环境光下图像的积分时间，保证CCD系统在成像过程中不受图像平均灰度瞬时剧烈变化影响，具有设计灵活、自由度高、成本低、精度高和实时性强等特点，本发明可应用于工业中的智能监控和识别等系统中。

附图说明

图1为本发明实施例的CCD成像系统采集图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明具体实施方式进一步说明。

本发明实施例提供了一种适用于自然光环境下的CCD积分时间调整方法，包括如下步骤：

步骤1、CCD成像系统在自然环境光下采用自动曝光模式。

步骤2、FPGA计算并存储CCD成像系统的每一帧积分时间估计值。

步骤3、当图像平均灰度发生瞬时剧烈变化时，FPGA向CCD成像系统发送控制信号，控制CCD成像系统由自动曝光模式切换到手动曝光模式，FPGA将当前帧积分时间估计值写入CCD成像系统。

所述当前帧积分时间估计值计算方法为：

步骤4、当成像系统回到自然光环境下时，FPGA向CCD成像系统再次发送控制信号，CCD成像系统曝光模式由手动模式切换到自动模式。

下面为本发明应用到车内人员数量检测系统中的实施例。由于在车辆驶入检测车道时，CCD成像系统的积分时间受到进入车道卡口的车辆颜色深浅的影响。为了保证CCD成像系统能在自然光环境下获取清晰的目标图像，不受图像灰度发生瞬时剧烈变化的影响，实施例通过自适应调整CCD成像系统的积分时间，来保证系统在成像过程中不受车辆颜色影响。

实施例具体包括如下步骤：

步骤1：车道卡口无车辆驶入时，CCD成像系统在自然环境光下采集图像，保存CCD成像系统每一帧的积分时间，此时CCD成像系统采用自动曝光模式；

步骤2：FPGA计算并存储CCD成像系统的每一帧积分时间估计值。定义当前第K帧的前T秒之内采集图像的积分时间平均值作为当前第K帧的CCD成像系统的积分时间估计值，因此，第K帧图像的积分时间估计值可以表示为：

步骤3：车辆驶入卡口时，FPGA接收到车辆撞线信号，向CCD成像系统发送外触发信号，控制CCD成像系统由自动曝光模式切换到手动曝光模式，手动模式下的积分时间为当前帧积分时间估计值，当前帧积分时间估计值由步骤2计算得出，FPGA将此积分时间写入CCD成像系统；

步骤4：车辆驶出卡口时，FPGA向CCD成像系统再次发送触发信号，CCD成像系统曝光模式由手动模式切换到自动模式；

步骤5：回到步骤1。

将本发明应用到车内人员数量检测系统中，CCD成像系统能自适应计算环境光下图像的积分时间，同时积分时间不会因为驶入卡口的车辆颜色的深浅导致图像平均灰度发生瞬时剧烈变化而改变，保证系统在成像过程中不受车辆颜色影响。成像效果如图1所示。

Claims

1.一种适用于自然光环境的CCD积分时间调整方法，其特征在于：CCD成像系统在自然环境光下采用自动曝光模式；当采集的图像平均灰度发生瞬时剧烈变化时，CCD成像系统由自动曝光模式切换到手动曝光模式，手动模式下的积分时间为当前帧积分时间估计值；当CCD成像系统回到自然环境光下再次切换到自动曝光模式。

2.如权利要求1所述的一种适用于自然光环境的CCD积分时间调整方法，其特征在于：所述当前帧积分时间估计值计算方法为：

3.如权利要求2所述的一种适用于自然光环境的CCD积分时间调整方法，其特征在于：由FPGA计算并存储CCD成像系统的每一帧积分时间估计值。

4.如权利要求3所述的一种适用于自然光环境的CCD积分时间调整方法，其特征在于：当图像平均灰度发生瞬时剧烈变化时，FPGA向CCD成像系统发送控制信号，控制CCD成像系统由自动曝光模式切换到手动曝光模式，FPGA将当前帧积分时间估计值写入CCD成像系统；当CCD成像系统回到自然环境光下时，FPGA向CCD成像系统再次发送触发信号，CCD成像系统曝光模式由手动模式切换到自动模式。