CN114666511B - 一种可调谐光谱相机上自动获取最优曝光值的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可调谐光谱相机上自动获取最优曝光值的方法及装置，其中方法包括以下步骤：步骤1，定义一个ROI来包含目标区域；步骤2，遍历所有谱段，给定一个初始的曝光值，确保所有谱段的平均亮度值适中；步骤3，找到平均亮度值最大的谱段，并切换到该谱段；步骤4，计算当前谱段ROI内达到最大亮度值的像素占比，定义该占比为n；步骤5，预先设定一个n的取值范围区间为[N0,N1],判断n的值是否落入此范围内并不断调整；步骤6，根据步骤5中最终曝光值，更新光谱相机的曝光值。本发明可以确保光谱相机所拍摄出的不同谱段上的光谱图像既不会出现过渡曝光也不会出现曝光不足的问题，使曝光值达到一个最适合进行光谱图像分析的最优值。

Description

一种可调谐光谱相机上自动获取最优曝光值的方法及装置

技术领域

本发明属于可调谐光谱相机技术领域，尤其涉及一种可调谐光谱相机上自动获取最优曝光值的方法及装置。

背景技术

使用光谱相机拍摄光谱图像时，周围环境光光强越大，或者曝光时间变长，拍摄出来的光谱图像会变亮，反之，光谱图像会变暗。若曝光时间过长，那么整张光谱图像都会变得过亮，其背后所反应的是图像传感器上的大多数像素的亮度值已经超过图像传感器亮度范围的极限；若曝光时间不足，那么整张光谱图像都会变得过暗，其背后所反应的是图像传感器上的大多数像素的亮度值都非常低。

以一个亮度输出范围是10-bit的CMOS Sensor为例，若拍摄光谱图像的过程中过渡曝光，那么光谱图像上的大多数像素的亮度值均会达到1024；若曝光不足，那么光谱图像上的大多数像素的亮度值会比较接近0；而以上两种情况所拍摄出来的光谱图像，均不适合后期进一步做光谱图像分析，从而也就失去了拍摄光谱图像的意义。

可调谐光谱相机指的是在近红外谱段，可通过软件可调的方式，能够支持拍摄多个谱段的光谱图像。相比只能拍摄单谱段的光谱相机来说，可调谐光谱相机所面临的选取最优曝光值问题更具挑战，因为可调谐光谱相机需要确保所拍摄的每个谱段的光谱图像均不能产生过渡曝光或者曝光不足的问题。然后受到周围环境光在不同谱段的光强不同和图像传感器对不同谱段的感光敏感度不同的影响和曝光时间的不同，可调谐光谱相机在拍摄多个谱段的光谱图像时，每个谱段的光谱图像的亮度值又是不一样的(如图1所示)；若曝光时间过短，那么各个谱段的光谱图像会明显偏暗，产生曝光不足的现象(如图2所示)；若曝光时间过长，那么各个谱段的光谱图像会明显偏亮，产生过渡曝光的现象(如图3所示)。现有的自动曝光技术方案主要用在数码相机装置上，用来自动调节数码相机在拍摄单张图像时的曝光值。目前市面上并没有发现能够适用于可以拍摄多个谱段光谱图像的可调谐光谱相机的自动曝光技术方案。

发明内容

针对上述问题，本发明一方面提供了一种可调谐光谱相机上自动获取最优曝光值的方法，包括以下步骤：

步骤1，定义一个ROI来包含目标区域；

步骤2，遍历所有谱段，给定一个初始的曝光值，确保所有谱段的平均亮度值适中；

步骤3，遍历所有谱段，找到平均亮度值最大的谱段，并切换到该谱段；

步骤4，计算当前谱段ROI内达到最大亮度值的像素占比，定义该占比为n；

步骤5，预先设定一个n的取值范围区间为[N0,N1],判断当前谱段ROI内达到最大亮度值的像素占比n是否处于区间[N0,N1]内，若n<N0，调大曝光值，若n>N1，调小曝光值，直到n的值落入范围区间[N0,N1]内；

步骤6，根据步骤5中不断调整得到的最终曝光值，更新光谱相机的曝光值。

优选的，所述步骤1中定义一个ROI的方法为，在图像中间按照一定的图像长宽比例选定一个大小固定的ROI。

优选的，所述步骤5中n的取值范围区间[N0,N1]，其中N0＝0，N1＝2％。

优选的，所述步骤2中，所述谱段的平均亮度值的范围为[100，900]。

本发明另一方面还提供了一种可调谐光谱相机上自动获取最优曝光值的装置，包括：

ROI定义模块，用于定义一个ROI来包含目标区域；

初始曝光值设定模块，用于遍历所有谱段，给定一个初始的曝光值，确保所有谱段的平均亮度值适中；

谱段选定模块，用于遍历所有谱段，找到平均亮度值最大的谱段，并切换到该谱段；

计算模块，用于计算当前谱段ROI内达到最大亮度值的像素占比，定义该占比为n；

判断调整模块，用于不断判断并调整曝光值，具体为，预先设定一个n的取值范围区间为[N0,N1],判断当前谱段ROI内达到最大亮度值的像素占比n是否处于区间[N0,N1]内，若n<N0，调大曝光值，若n>N1，调小曝光值，直到n的值落入范围区间[N0,N1]内；

更新模块，用于根据判断调整模块中得到的最终曝光值，更新光谱相机的曝光值。

与现有技术相比，本发明中提出的可调谐光谱相机上自动获取最优曝光值的方法及装置，可以确保光谱相机所拍摄出的不同谱段上的光谱图像既不会出现过渡曝光也不会出现曝光不足的问题，并且能够确保在不过度曝光的前提下，使所有谱段的光谱图像的亮度值达到一个最适合进行光谱图像分析的最优值。

附图说明

图1为可调谐光谱相机多个谱段的光谱图像。

图2为曝光不足时各个谱段的光谱图像。

图3为过度曝光时各个谱段的光谱图像。

图4为本发明中自动获取最优曝光值方法的算法流程图。

图5为本发明中自动获取最优曝光值装置的结构框图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对发明进行进一步说明。

如图4所示，.一种可调谐光谱相机上自动获取最优曝光值的方法，包括以下步骤：

步骤1，定义一个ROI来包含目标区域；

步骤2，遍历所有谱段，给定一个初始的曝光值，确保所有谱段的平均亮度值适中；

步骤3，遍历所有谱段，找到平均亮度值最大的谱段，并切换到该谱段；

步骤4，计算当前谱段ROI内达到最大亮度值的像素占比，定义该占比为n；

步骤5，预先设定一个n的取值范围区间为[N0,N1],判断当前谱段ROI内达到最大亮度值的像素占比n是否处于区间[N0,N1]内，若n<N0，调大曝光值，若n>N1，调小曝光值，直到n的值落入范围区间[N0,N1]内；

步骤6，根据步骤5中不断调整得到的最终曝光值，更新光谱相机的曝光值。

关于各步骤的详细说明：

大多数时候，我们要分析的目标物只占据了整个光谱图像的一部分，目标物以外的区域过渡曝光或者曝光不足不会对目标物进行光谱分析产生影响，我们只需要确保目标物ROI(region of interest，感兴趣区域)区域内的曝光值达到最优即可，因此我们需要定义一个ROI来包含目标物。定义ROI的方法可以是在图像中间选定一个大小固定的ROI，如整幅图像长宽的30％；也可以使用目前比较流行的深度学习目标检测等算法来自动检测目标物的区域确定ROI，由于ROI的定义不是本发明专利的重点，因此不再展开讨论。所有步骤的计算均只限定在ROI内的像素。

然后，快速遍历所有谱段，给定一个初始的曝光值，确保所有谱段的平均亮度值适中，该平均亮度值的选定范围可以适当的放宽一些，以10-bit的CMOS Sensor为例，可以设定[100，900]为平均亮度值的范围，只要确保各个谱段没有出现严重的过渡曝光和曝光不足的现象即可。

下一步，遍历所有谱段，找到平均亮度值最大的谱段，并切换到该谱段。

下一步，计算当前谱段ROI内达到最大亮度值的像素占比，定义该占比为n。

下一步，判断当前谱段ROI内是否有达到最大亮度值的像素，且达到最大亮度值的像素个数不能过多，我们可以设定一个n的取值范围区间[N0,N1],例如：N0＝0，N1＝2％。这一步是确保当前谱段的光谱图像的亮度值达到最大值的上限，并且不会产生过渡曝光的现象。在这种情况下拍摄的光谱图像所包含的信息量最大，最适合后期用作光谱图像分析。若n的取值范围没有落在预设的范围区间内。如果n<N0，说明ROI内没有达到最大亮度值的像素，光谱图像的亮度值没有达到最大，此时应适当调大曝光；如果n过大，例如n>N1，说明ROI内达到最大亮度值的像素个数过多，光谱图像出现了过渡曝光的情况，此时应适当的调小曝光。重复步骤4和步骤5，直到当前谱段ROI内有极少数的像素达到了最大亮度值，记录下该曝光值。最后用步骤5中最后计算的曝光值，更新光谱相机的曝光值。

特别说明：

1.不能给每个谱段单独设置曝光值来单独调节每个谱段上光谱图像的亮度，这样做会破坏物质本身的光谱信息，这样拍出来的光谱图像也失去了光谱图像分析的意义。

2.通过调节曝光值，让每个谱段都尽最大可能到达最大亮度值，这样所拍出的光谱图像包含信息量最大，便于后续用作进一步的光谱图像分析的原始数据。

3.该算法只用选取最亮的波段，确保其达到最高亮度值但又不会过渡曝光。其背后的原因是，在周围环境光不变的前提下，不同谱段的光谱图像的亮度值排序始终是固定的，因此将最亮的谱段的达到最亮值的极限，也能确保其他谱段的光谱图像达到亮度值的最大值。若此时再继续调大曝光，则一定会有至少1个谱段的光谱图像出现过渡曝光的情况。

如图5所示，本发明另一方面还提供了一种可调谐光谱相机上自动获取最优曝光值的装置，包括：

ROI定义模块，用于定义一个ROI来包含目标区域；

初始曝光值设定模块，用于遍历所有谱段，给定一个初始的曝光值，确保所有谱段的平均亮度值适中；

谱段选定模块，用于遍历所有谱段，找到平均亮度值最大的谱段，并切换到该谱段；

计算模块，用于计算当前谱段ROI内达到最大亮度值的像素占比，定义该占比为n；

判断调整模块，用于不断判断并调整曝光值，具体为，预先设定一个n的取值范围区间为[N0,N1],判断当前谱段ROI内达到最大亮度值的像素占比n是否处于区间[N0,N1]内，若n<N0，调大曝光值，若n>N1，调小曝光值，直到n的值落入范围区间[N0,N1]内；

更新模块，用于根据判断调整模块中得到的最终曝光值，更新光谱相机的曝光值。

本发明所述一种可调谐光谱相机上自动获取最优曝光值的装置的其他实施例或具体实现方式可参照上述各方法实施例，此处不再赘述。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (5)

1.一种可调谐光谱相机上自动获取最优曝光值的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，定义一个ROI来包含目标区域；

步骤2，遍历所有谱段，给定一个初始的曝光值，确保所有谱段的平均亮度值适中；

步骤3，遍历所有谱段，找到平均亮度值最大的谱段，并切换到该谱段；

步骤4，计算当前谱段ROI内达到最大亮度值的像素占比，定义该占比为n；

步骤5，预先设定一个n的取值范围区间为[N0,N1],判断当前谱段ROI内达到最大亮度值的像素占比n是否处于区间[N0,N1]内，若n<N0，调大曝光值，若n>N1，调小曝光值，直到n的值落入范围区间[N0,N1]内；

步骤6，根据步骤5中不断调整得到的最终曝光值，更新光谱相机的曝光值。

2.如权利要求1所述的一种可调谐光谱相机上自动获取最优曝光值的方法，其特征在于：所述步骤1中定义一个ROI的方法为，在图像中间按照一定的图像长宽比例选定一个大小固定的ROI。

3.如权利要求1所述的一种可调谐光谱相机上自动获取最优曝光值的方法，其特征在于：所述步骤5中n的取值范围区间[N0,N1]，其中N0＝0，N1＝2％。

4.如权利要求1所述的一种可调谐光谱相机上自动获取最优曝光值的方法，其特征在于：所述步骤2中，所述谱段的平均亮度值的范围为[100，900]。

5.一种可调谐光谱相机上自动获取最优曝光值的装置，其特征在于，包括：

ROI定义模块，用于定义一个ROI来包含目标区域；

初始曝光值设定模块，用于遍历所有谱段，给定一个初始的曝光值，确保所有谱段的平均亮度值适中；

谱段选定模块，用于遍历所有谱段，找到平均亮度值最大的谱段，并切换到该谱段；

计算模块，用于计算当前谱段ROI内达到最大亮度值的像素占比，定义该占比为n；

判断调整模块，用于不断判断并调整曝光值，具体为，预先设定一个n的取值范围区间为[N0,N1],判断当前谱段ROI内达到最大亮度值的像素占比n是否处于区间[N0,N1]内，若n<N0，调大曝光值，若n>N1，调小曝光值，直到n的值落入范围区间[N0,N1]内；

更新模块，用于根据判断调整模块中得到的最终曝光值，更新光谱相机的曝光值。