CN114666512B - 一种快速自动曝光的调节方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速自动曝光的调节方法，包括步骤设置初始化参数；计算各像素点的亮度值；判断整体图像的过曝情况，若图像过曝则需要调整曝光时间；根据各像素点的亮度值计算整体图像的亮度均值，计算亮度响应系数K；根据亮度响应系数K对亮度目标值进行调整；基于所述图像亮度均值和所述图像亮度目标值，选择不同调整模式，使曝光时间快速收敛到预期范围内。本发明快速自动曝光的调节方法和系统，能够实现较优曝光参数的调整，满足更多拍摄场景的应用需求。

Description

一种快速自动曝光的调节方法及系统

技术领域

本发明涉及图像处理技术领域，具体涉及一种快速自动曝光的调节方法及系统。

背景技术

自动曝光是图像传感器根据场景的变化自动调整曝光参数，进而调节拍摄图像的亮度。由于亮度对画质至关重要，因此自动曝光对CMOS图像传感器系统来说是最重要的功能之一，恰当的曝光设置可以有效避免过曝或欠曝情况的发生。

目前常见的自动曝光调节方法主要有基于图像均值亮度、中值亮度、关注区亮度、亮度直方图、图像熵和区域亮度权重等的算法。这些算法存在一定的缺陷，如基于均值和中值的算法无法全面反映画面亮度，当局部小面积过亮或过暗时，计算出的亮度值不是最优值，结果导致无法获得最优曝光参数；基于关注区亮度的方法，其通用性较差且仅适用于特定场景，在强光或弱光照下，非关注区存在过曝或欠曝的情况；基于图像熵的算法计算过于复杂。因此，有必要对算法进行改进，以快速调节获得较优曝光参数。

需要说明的是，以上内容仅作为一般的背景介绍，并不一定构成现有技术。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：解决现有自动曝光调节方法的算法复杂、调整速度慢、对拍摄场景适应性不好导致画质不佳等问题。本发明的目的在于，提供一种能够在短时间内获得较优曝光参数的自动曝光方法。

本发明通过下述技术方案实现：

本发明的第一方面在于，提供一种实现快速自动曝光的方法，具体包括以下步骤：

S0、设置初始化参数，包括曝光时间E0、亮度响应系数K0、图像亮度目标值Ytarget0；

S1、基于各像素点的RGB分量，计算各像素点的亮度值；

S2、判断整体图像的过曝情况，若图像过曝则需要调整曝光时间；

S3、根据各像素点的亮度值计算整体图像的亮度均值，然后计算亮度响应系数

其中，Ycur表示当前帧图像的亮度均值，Ypre表示上一帧图像的亮度均值，Ecur表示当前帧图像的曝光时间，Epre表示上一帧图像的曝光时间；

S4、根据亮度响应系数K对亮度目标值进行调整；

S5、基于所述图像亮度均值和所述图像亮度目标值，选择不同调整模式，使曝光时间快速收敛到预期范围内；

所述步骤S0～S5完成第一次循环以后，接下来的循环则跳过S0，从步骤S1开始。

本发明的第二方面在于，提供一种自动曝光调节系统包括：像素点亮度值及图像亮度均值计算模块、过曝情况判断及曝光时间调整模块、亮度响应系数计算模块、图像亮度目标值调整模块、曝光时间调整模块。

本发明的自动曝光的方法及自动曝光调节系统，基于图像亮度均值和图像亮度目标值来实现较优曝光参数的调整，能够满足更多拍摄场景的应用需求。此外，运用低速或高速两种不同调整模式，达到可以根据具体场景变化快速收敛，不引起画面剧烈变化的效果。通过亮度响应系数快速调整曝光时间，理想条件下3至5帧可完成高速收敛。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明一实施例的实现快速自动曝光方法的流程示意图；

图2为本发明一实施例的自动曝光调节系统的结构框图。

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，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

本发明自动曝光系统的自动曝光调节功能，能够实现快速调节以达到较优曝光参数。在一个实施例中结合了图像亮度均值和图像亮度目标值来共同实现较优曝光参数的调整，兼具高速和低速两种调整模式，实现快速收敛获得合适的曝光参数。具体地，先设置曝光参数初始值，根据场景过曝情况对曝光时间进行实时调整，根据亮度响应系数对图像亮度目标值进行实时调整，通过高速和低速两种调整模式结合，最终实现快速收敛。

本发明的一实施例提供一种实现快速自动曝光的方法，如图1所示，包括以下步骤：

S0、初始化参数设置；

设置图像传感器的初始化参数，参数的初始值包括：曝光时间E0、亮度响应系数K0、图像亮度目标值Ytarget0；

优选地，曝光时间E₀设置为最大值，亮度响应系数K₀设置为20，图像亮度目标值Y_target设置为中值(即最大亮度目标值的1/2)。

S1、各像素点的亮度值计算；

具体地，计算亮度统计区域内各像素点的亮度值Yunit，Yunit＝0.25R+0.5G+0.25B，其中R、G、B分别为RGB模式下某像素点的红色(R)、绿色(G)、蓝色(B)的分量值；例如，某像素点为绿色，其RGB模式下R、G、B的分量分别为0、255、0；

所述亮度统计区域可以根据需求进行调整，可以是整体画面，也可以是局部画面，通过水平开始位置x_hstart,水平结束位置x_hend,垂直开始位置y_vstart，垂直结束位置y_vend来设置；

优选地，画面中心80％的区域为亮度统计区域。

S2、过曝情况判断；

具体地，设置过曝量判断阈值TH1、TH2，且TH2＞TH1，统计像素点的像素值超过TH1、TH2的像素点的个数占总像素点个数的比例，分别计为P1、P2；

设置阈值PTH，判断过曝点占比与阈值PTH的关系：

Case2-1：当P1<阈值PTH时，判断画面未过曝，直接进入步骤S3；

Case2-2：当P2≥阈值PTH或P1≥阈值PTH时，判断画面过曝，需调整曝光时间后再进入步骤S3。

进一步地，画面过曝时曝光时间的调整方法是：

当P2≥阈值PTH时，调整曝光时间Enext＝1/4×E0(下一帧曝光时间参数Enext调整为当前曝光设定值的1/4)，直到P2<阈值PTH时停止调整，并返回步骤S1计算此时各像素点的亮度值；

当P1≥阈值PTH时，调整曝光时间Enext＝1/2×E0(下一帧曝光时间参数Enext调整为当前曝光设定值的1/2)，直到P1<阈值PTH时停止调整，并返回步骤S1计算此时各像素点的亮度值。

所述阈值TH1、TH2用来表征像素点过曝的程度；所述阈值PTH用来表征整体图像的过曝情况。

优选地，TH1为亮度全值的7/8；TH2为亮度全值的15/16；阈值PTH为20％。

S3、亮度响应系数的计算；

先根据步骤S1获得的各像素点的亮度值计算当前帧整体图像的亮度平均值，再计算亮度响应系数；

具体地，

S3-1、根据步骤S1获得的各像素点的亮度值Yunit计算当前帧图像的亮度均值Ycur，

其中n表示像素点的总个数；

S3-2、计算亮度响应系数K，

其中，Ycur表示当前帧图像的亮度均值，Ypre表示上一帧图像的亮度均值，Ecur表示当前帧图像的曝光时间，Epre表示上一帧图像的曝光时间；

具体地，当第一次计算K值时，Ecur＝1/2×E0，Epre＝E0。

计算中，如果曝光时间Ecur-Epre的差值或者亮度均值Ycur-Ypre的差值过小，可能导致计算结果误差很大，此种情况，K值保持，Ypre、Epre值保持(保持即选用上一帧的数据)。

进一步地，

如果曝光时间Ecur-Epre的差值小于阈值KETH或者亮度均值Ycur-Ypre的差值小于阈值KYTH1时，导致计算结果误差可能较大，K值保持，Ypre、Epre值保持。所述阈值KETH用来表征Ecur-Epre的差值的幅度；所述阈值KYTH1用来表征Ycur-Ypre的差值的幅度。优选地，阈值KETH为4，阈值KYTH1为1/128。

进一步地，关于亮度响应系数K的处理分以下几种情形：

Case3-1：如果亮度响应系数K＜0，表明环境光亮度变化较大，则需要判断Ycur-Ypre的差值的绝对值与阈值KYTH2的关系：

(1)当|Ycur-Ypre|≥阈值KYTH2时，说明变化量大，直接返回步骤S0，各参数初始化后再重新开始调整；

(2)当|Ycur-Ypre|<阈值KYTH2时，说明变化量较小，K值保持(即选用上一帧的K值，使K值为正数)；

所述阈值KYTH2用于表征当前帧亮度相对于上一帧亮度的变化幅度，优选地，所述阈值KYTH2推荐为1/8。

Case3-2：如果亮度响应系数K＞0，直接进入步骤S4。

S4、图像亮度目标值Ytarget的调整；

将K值进行分档，根据不同档位对亮度目标值Ytarget进行调节，

具体地，设置阈值LTH1、LTH2、LTH3，用来表征图像传感器的感光灵敏度，其中LTH1＞LTH2＞LTH3；

Case4-1：当K>LTH1时，说明场景较亮，亮度目标值调整为Ytarget＝Ytarget0+1/8×Ytarget_max；

Case4-2：当LTH3≤K<LTH2时，说明场景较暗，亮度目标值调整为Ytarget＝Ytarget0-1/8×Ytarget_max；

Case4-3：当K<LTH3时，说明场景较暗，亮度目标值调整为Ytarget＝Ytarget0-1/4×Ytarget_max；

Case4-4：当LTH1≥K≥LTH2时，说明场景亮度适中，Ytarget＝1/2×Ytarget_max；

所述Ytarget_max表示亮度目标值的全值。

优选地，LTH1为5，LTH2为0.5，LTH3为0.1。

S5、曝光时间收敛控制；

根据步骤S3-1获得的图像亮度均值和步骤S4获得的图像亮度目标值Ytarget，选择不同的调整模式，使曝光时间快速收敛到预期范围内。

具体地，

不同模式下，曝光时间的调整包括如下几种情形：

Case5-1：当│Ycur-Ytarget│≥高速阈值FTH时，进入高速调整模式，下一帧图像的曝光时间Enext＝Ecur-Eadj，其中，调整量Eadj＝(Ycur-Ytarget)/K×Conv，所述Conv为收敛系数，用于吸收K值计算误差；优选地，Conv为75％。

调整量Eadj可以是正数，也可以是负数。

Case5-2：当低速阈值STH≤│Ycur-Ytarget│＜高速阈值FTH，进入低速调整模式，分两种处理情况：

(1)当Ycur-Ytarget为正数时，说明当前帧图像的曝光时间偏大，下一帧图像的曝光时间Enext＝Ecur-Estep；

(2)当Ycur-Ytarget为负数时，说明当前帧图像的曝光时间偏小，下一帧图像的曝光时间Enext＝Ecur+Estep。

进一步地，低速调整单位分为三档：

(Ⅰ)当Ytarget＜1/2×Ytarget_max(即亮度目标值的中值)时，调整单位Estep＝Estep1；

(Ⅱ)当Ytarget＝1/2×Ytarget_max时，调整单位Estep＝Estep2；

(Ⅲ)当Ytarget＞1/2×Ytarget_max时，调整单位Estep＝Estep3。

优选地，Estep1为20，Estep2为5，Estep3为1。

Case5-3：当│Ycur-Ytarget│＜低速阈值STH时，不调整，保持当前帧的曝光时间参数。

优选地，高速阈值FTH为最大值的1/32。低速阈值STH为最大值的1/128。

本发明自动曝光的实现过程如图1所示，包括经过第一次参数初始化后，经步骤S1-S5不断地循环进行曝光时间和亮度目标值的实时动态调整。

经过第一次循环，由步骤S5跳转进入下一次循环时，不需要再次设置初始化参数，即省略步骤S0，此时关于步骤S2判断过曝的情形包括：

Case2-1’：当P1<阈值PTH时，判断画面未过曝，直接进入步骤S3；

Case2-2’：当P1≥阈值PTH时，判断画面过曝，需调整图像亮度目标值后再进入步骤S3；

具体地，所述亮度目标值的调整包括以下几种情形：

(1)当Ycur-Ytarget0≥低速阈值STH时，图像亮度目标值Ytarget保持Ytarget＝Ytarget0；

(2)当Ycur-Ytarget0＜低速阈值STH时，图像亮度目标值Ytarget＝Ytarget0-STH；

(3)当Ytarget-Ycur≥低速阈值STH时，图像亮度目标值Ytarget＝Ytarget0-(Ytarget0-Ycur+STH)；

(4)Ytarget-Ycur<低速阈值STH时，图像亮度目标值Ytarget＝Ytarget0-2×STH。

需要说明的是，当遇到上述Case2-2’的情形时(即P1≥阈值PTH)，K值保持，Ypre、Epre值保持(即不需要计算直接采用上一帧的数据)。

本发明一实施例中提供一种自动曝光的调节系统，如图2所示，该系统包括：像素点亮度值及图像亮度均值计算模块、过曝情况判断及曝光时间调整模块、亮度响应系数计算模块、图像亮度目标值调整模块、曝光时间调整模块。

所述像素点亮度值及图像亮度均值计算模块是基于亮度值统计区域计算整体图像的亮度均值；

所述过曝情况判断及曝光时间调整模块是基于过曝情况判断条件对曝光时间进行调整；

所述亮度响应系数计算模式是基于图像的亮度均值和曝光时间来确定亮度响应系数；

所述图像亮度目标值调整模块是基于亮度响应系数对亮度目标值进行调整；

所述曝光时间调整模块是采用高速调整模式或低速调整模式来对曝光时间进行调整。

在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。

以上所述实施例的各个技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述的具体实施方式，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，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，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 (14)

1.一种快速自动曝光的调节方法，其特征在于，该方法包括步骤：

S0、设置初始化参数；

S1、计算各像素点的亮度值；

S2、判断整体图像的过曝情况，若图像过曝则需要调整曝光时间；

S3、根据各像素点的亮度值计算整体图像的亮度均值，然后计算亮度响应系数

其中，Ycur表示当前帧图像的亮度均值，Ypre表示上一帧图像的亮度均值，Ecur表示当前帧图像的曝光时间，Epre表示上一帧图像的曝光时间；

S4、根据亮度响应系数K对图像的亮度目标值Ytarget进行调整；

S5、基于所述图像的亮度均值和所述图像的亮度目标值，选择不同调整模式，使曝光时间快速收敛到预期范围内；

所述步骤S0初始化参数包括曝光时间E0、亮度响应系数K0、图像亮度目标值Ytarget0；

所述步骤S0～S5完成第一次循环以后，接下来的循环则跳过S0，从步骤S1开始；

所述步骤S5不同调整模式下，曝光时间的调整包括：

当│Ycur-Ytarget│≥高速阈值FTH时，进入高速调整模式，下一帧图像的曝光时间Enext＝Ecur-Eadj，其中，调整量Eadj＝(Ycur-Ytarget)/K×Conv，所述Conv为收敛系数，用于吸收K值计算误差；

当低速阈值STH≤│Ycur-Ytarget│＜高速阈值FTH，进入低速调整模式，分两种处理情况：

当Ycur-Ytarget为正数时，下一帧图像的曝光时间Enext＝Ecur-Estep；

当Ycur-Ytarget为负数时，下一帧图像的曝光时间Enext＝Ecur+Estep；

所述Estep为调整单位；

当│Ycur-Ytarget│＜低速阈值STH时，不调整，保持当前帧的曝光时间参数。

2.根据权利要求1所述的调节方法，其特征在于，所述步骤S1中各像素点的亮度值的算法为Yunit＝0.25R+0.5G+0.25B，其中R、G、B分别为RGB模式下像素点的红色、绿色、蓝色的分量值。

3.根据权利要求2所述的调节方法，其特征在于，所述各像素点的亮度值的统计区域是通过水平方向起点x_hstart，水平方向终点x_hend，垂直方向起点y_vstart，垂直方向终点y_vend来设置。

4.根据权利要求3所述的调节方法，其特征在于，所述各像素点的亮度值的统计区域是画面中心80％的区域。

5.根据权利要求1所述的调节方法，其特征在于，所述步骤S2图像过曝情况的判断方法包括：

设置过曝量判断阈值TH1、TH2，且TH2＞TH1，统计像素点的像素值超过TH1、TH2的像素点的个数占总像素点个数的比例，分别计为P1、P2；

设置阈值PTH，判断过曝点占比与阈值PTH的关系：

当P1<阈值PTH时，判断画面未过曝，直接进入步骤S3；

当P2≥阈值PTH或P1≥阈值PTH时，判断画面过曝，需调整曝光时间后再进入步骤S3。

6.根据权利要求5所述的调节方法，其特征在于，所述画面过曝时曝光时间的调整方法包括：

当P2≥阈值PTH时，调整曝光时间Enext＝1/4×E0，直到P2<阈值PTH时停止调整，并返回步骤S1计算此时各像素点的亮度值；

当P1≥阈值PTH时，调整曝光时间Enext＝1/2×E0，直到P1<阈值PTH时停止调整，并返回步骤S1计算此时各像素点的亮度值。

7.根据权利要求1所述的调节方法，其特征在于，所述步骤S3中图像亮度均值的算法为

其中n表示像素点的总个数。

8.根据权利要求1所述的调节方法，其特征在于，所述步骤S3中当第一次计算K值时，Ecur＝1/2×E0，Epre＝E0。

9.根据权利要求1所述的调节方法，其特征在于，所述步骤S3中当曝光时间Ecur-Epre的差值小于阈值KETH或者亮度均值Ycur-Ypre的差值小于阈值KYTH1时，K值保持，Ypre、Epre值保持。

10.根据权利要求1所述的调节方法，其特征在于，所述步骤S3中亮度响应系数K的处理包括：

如果亮度响应系数K＜0，表明环境光亮度变化较大，则需要判断Ycur-Ypre的差值的绝对值与阈值KYTH2的关系：

当|Ycur-Ypre|≥阈值KYTH2时，说明变化量大，直接返回步骤S0，各参数初始化后再重新开始调整；

当|Ycur-Ypre|<阈值KYTH2时，说明变化量较小，K值保持；

如果亮度响应系数K＞0，直接进入步骤S4。

11.根据权利要求1所述的调节方法，其特征在于，所述步骤S4是将步骤S3所得亮度响应系数K值进行分档，再根据不同档位对亮度目标值Ytarget进行调节。

12.根据权利要求1所述的调节方法，其特征在于，所述步骤S4是设置阈值LTH1、LTH2、LTH3，其中LTH1＞LTH2＞LTH3；

当K>LTH1时，亮度目标值调整为Ytarget＝Ytarget0+1/8×Ytarget_max；

当LTH3≤K<LTH2时，亮度目标值调整为Ytarget＝Ytarget0-1/8×Ytarget_max；

当K<LTH3时，亮度目标值调整为Ytarget＝Ytarget0-1/4×Ytarget_max；

当LTH1≥K≥LTH2时，Ytarget＝1/2×Ytarget_max；

所述Ytarget_max为亮度目标值的全值。

13.根据权利要求1所述的调节方法，其特征在于，所述调整单位Estep分为三档：

当Ytarget＜1/2×Ytarget_max时，Estep＝Estep1；

当Ytarget＝1/2×Ytarget_max时，Estep＝Estep2；

当Ytarget＞1/2×Ytarget_max时，Estep＝Estep3；

其中，Estep1＞Estep2＞Estep3。

14.一种用于执行如权利要求1所述的快速自动曝光调节方法的调节系统，其特征在于，该系统包括：像素点的亮度值及图像的亮度均值计算模块、过曝情况判断及调整模块、亮度响应系数计算模块、图像的亮度目标值调整模块、曝光时间调整模块；

所述像素点的亮度值及图像的亮度均值计算模块是基于亮度值统计区域计算整体图像的亮度均值；

所述过曝情况判断及调整模块是基于过曝情况判断条件对画面过曝时的曝光时间进行调整；

所述亮度响应系数计算模块是基于图像的亮度均值和曝光时间来确定亮度响应系数；

所述图像的亮度目标值调整模块是基于亮度响应系数对亮度目标值进行调整；

所述曝光时间调整模块是采用高速调整模式或低速调整模式来对曝光时间进行调整。

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