CN115174820B - 一种相机自动曝光的快速调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种相机自动曝光的快速调节方法，涉及相机自动控制技术领域，利用图像传感器的成像光电模型，并根据当前帧的曝光参数以及当前帧图像平均灰度值，计算当前帧所拍摄场景的光线照射到图像传感器上的辐照度，在该辐照度下，利用图像传感器的成像光电模型，计算当前帧图像平均灰度值假定达到目标灰度值应设置的曝光时间和增益系数；将计算出的应设置的曝光时间和增益系数作为下一帧的曝光时间和增益系数，获取下一帧图像。本发明能够有效解决相机的快速自动曝光响应问题，且无需额外的光传感器，在成本和可维护性方面都具有较大优势，也能够满足需要曝光快速响应以及精确控制的红外成像设备的使用。

Description

一种相机自动曝光的快速调节方法

技术领域

本发明涉及相机自动控制技术领域，尤其是一种相机自动曝光的快速调节方法。

背景技术

近年来，随着芯片技术、光电技术的飞速发展，相机、模组等图像成像设备，在日常生活生产中发挥着重要作用。其中，自动曝光技术，作为成像技术中的关键技术，已有大量成熟的方案及算法，常见的ISP（image signal processing）芯片均有该类技术的相关应用。在一般的应用中，由ISP芯片提供自动曝光功能，使得该技术得以通用化。

自动曝光技术一般是根据图像（或图像中某块区域）的目标成像灰度值以及当前成像灰度值，使用快速调节算法，从而实现相对快速的自动曝光。经检索中国专利公开号为CN109618109A的一种摄像机成像的曝光调节方法及调节系统，该专利采用PID算法调节自动曝光，结合场景判断和人脸追踪曝光，并使用PID算法增加系统收敛速度和稳定性，能够使人脸在摄像机景深范围内一直维持良好的亮度，避免了人脸过曝或者过暗的情况。经检索中国专利公开号为CN104917976A的一种相机自动曝光和自动增益调节方法，该专利基于图像的平均亮度值与目标亮度值的差值计算需要进行的曝光调节或增益调节，其具体调节过程为多次迭代流程，即尝试设置曝光参数、查看下一帧图像反馈再设置曝光参数，直到达到目标亮度值。

或者是使用一个环境光传感器（如光敏电阻），事先标定完成多组环境光强度及曝光设置数据，实际使用中，成像设备感知环境光亮度后，再使用查表映射法确认曝光设置，完成自动曝光，经检索中国专利公开号为CN109361866B的一种自动曝光控制方法及系统，该专利即为基于曝光参数在图像传感器采集图像时进行自动曝光。

上述方法可满足大部分的场景需求，且通常场景是可见光场景。但是对于需要曝光快速响应精确控制的部分红外成像应用，如监控、安防、车载、执法记录仪等场景，上述方法无法支撑。主要原因如下：

首先，使用快速自动曝光调节算法，在初始曝光参数距离最终目标曝光参数相差较大的情况下，通常往往需要至少5～10帧去调节至合适曝光，在调节过程中，图像将无法获取有效的场景信息。对于执法记录仪，安防，监控场景，在记录违法活动时，可能存在打斗，奔跑等导致的成像设备的剧烈抖动，成像设备的场景通常也有明暗剧烈变换，5～10帧的调节时间可能意味着关键证据的缺失；在基于监控图像的火焰检测等应用中，爆炸、火焰抖动所导致的图像明暗剧烈变化，压缩自动曝光调节帧率能够实现更快速、更稳定的火情预警；对于高速行驶中的车载相机来说，在经过桥梁、隧道等明暗剧烈变换场景中，相机致盲5～10帧是不可接受的，尤其是自动驾驶相关的车辆环境感知和决策的相关应用；

其次，由于红外光的可隐蔽性强，夜晚不产生光污染，有利于全天候使用，通常与某一波段的红外补光灯配合，在监控、安防场景中大量使用。但目前市面上，针对红外光亮度的测量传感器价格较高，很难普及到消费电子如家庭监控等安防需求上；该类型的亮度传感器，往往只能感受到设备附近某个点的环境光亮度，经常与实际相机所拍摄场景的环境光亮度相差过大；使用该方案，往往也只能确定光强的大概范围，无法建立光强与相机曝光的强相关计算模型，无法做到精确控制；且此类基于光传感器的自动曝光技术方案，在实际部署后长年累月的灰尘积累，光传感器的失效，都会对成像设备的自动曝光造成较大的影响。

发明内容

为了克服上述现有技术中的缺陷，本发明提供一种相机自动曝光的快速调节方法，有效解决相机的快速自动曝光响应问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案，包括：

一种相机自动曝光的快速调节方法，包括以下步骤：

S11，利用图像传感器的成像光电模型，并根据当前帧的曝光参数以及当前帧图像平均灰度值Uy，计算当前帧所拍摄场景的光线照射到图像传感器上的辐照度Ecur；

所述曝光参数包括：曝光时间和增益系数；

S12，在该辐照度Ecur下，利用图像传感器的成像光电模型，计算当前帧图像平均灰度值Uy假定达到目标灰度值Udst应设置的曝光时间tdst和增益系数Gdst；

S13，将步骤S12计算出的应设置的曝光时间tdst和增益系数Gdst作为下一帧的曝光时间和增益系数，获取下一帧图像。

优选的，步骤S11中，辐照度Ecur的计算方式如下所示：

Ecur=h×c(Uy/Gcur-Udark)/(n×K×tcur×r×A)；

其中，h为普朗克常数；c为光速常数；Uy为当前帧图像平均灰度值；Gcur为当前帧的增益系数；Udark为零辐照下的图像平均灰度值；n为入射波段的量子效率；K为全局系统增益；tcur为当前帧的曝光时间；r为入射波段波长，单位为nm；A为像元面积。

优选的，图像传感器的相关参数即Udark、n、K、r、A为固定值，通过对图像传感器进行标定得到Udark、n、K、r、A的值。

优选的，步骤S12中，在该辐照度Ecur下，当前帧图像平均灰度值Uy假定达到目标灰度值Udst时，图像传感器的成像光电模型如下所示：

Ecur=h×c(Udst/Gdst-Udark)/(n×K×tdst×r×A)；

得到应设置的曝光时间tdst和增益系数Gdst为：

tdst=h×c(Udst/Gdst-Udark)/(n×K×Ecur×r×A)；

Gdst=Udst/[Udark+n×K×Ecur×tdst×r×A/(h×c)]。

优选的，步骤S12中，还设计了曝光时间tdst和增益系数Gdst之间的约束关系，该约束关系的表达式为Gdst=F(tdst)；

在该辐照度Ecur下，联立图像传感器的成像光电模型和该约束关系，计算当前帧图像平均灰度值Uy假定达到目标灰度值Udst应设置的曝光时间tdst和增益系数Gdst，联立公式如下所示：

Ecur=h×c(Udst/Gdst-Udark)/(n×K×tdst×r×A)；

Gdst=F(tdst)。

优选的，曝光时间tdst和增益系数Gdst之间的约束关系具体如下所示：

若tdst<tmax，

则Gdst=1，tdst=h×c(Udst-Udark)/(n×K×Ecur×r×A)；

若Gdst>1，

则tdst=tmax，Gdst=Udst/[Udark+n×K×Ecur×tdst×r×A/(h×c)]；

其中，tmax为设定的最大曝光时间。

优选的，曝光时间tdst和增益系数Gdst的具体计算过程如下所示：

令Gdst=1时，若此时计算出的tdst<tmax，

则Gdst=1，tdst=h×c(Udst-Udark)/(n×K×Ecur×r×A)；

令Gdst=1时，若此时计算出的tdst≥tmax，

则tdst=tmax；Gdst=Udst/[Udark+n×K×Ecur×tdst×r×A/(h×c)]。

优选的，图像传感器的成像光电模型如下所示：

U=G×[Udark+n×K×E×t×r×A/(h×c)]；

其中，U为图像的像素灰度值；G为增益系数；Udark为零辐照下的图像平均灰度值；n为入射波段的量子效率；K为全局系统增益；t为曝光时间；r为入射波段波长，单位为nm；A为像元面积；h为普朗克常数；c为光速常数。

优选的，相机自动曝光的过程如下所示：

S21，设定图像的目标灰度值为Udst，以及设定目标灰度值的允许范围为[Udst-b，Udst+b]，b为目标灰度值的允许误差；

S22，获取当前帧图像，计算当前帧图像平均灰度值Uy；判断当前帧图像平均灰度值Uy是否在目标灰度值的允许范围内：若当前帧图像平均灰度值Uy在目标灰度值的允许范围内，则不进行曝光调节，将当前帧的曝光参数作为下一帧的曝光参数，获取下一帧图像；否则，跳转步骤S23，进行曝光调节；

S23，利用图像传感器的成像光电模型，并根据当前帧的曝光参数以及当前帧图像平均灰度值Uy，计算当前帧所拍摄场景的光线照射到图像传感器上的辐照度Ecur；

S24，在该辐照度Ecur下，利用图像传感器的成像光电模型，计算当前帧图像平均灰度值Uy假定达到目标灰度值Udst应设置的曝光时间tdst和增益系数Gdst；

S25，将步骤S24计算出的应设置的曝光时间tdst和增益系数Gdst作为下一帧的曝光时间和增益系数，获取下一帧图像。

本发明的优点在于：

（1）本发明提供一种相机自动曝光的快速调节方法，在大部分情况下，可将自动曝光调节帧数压缩到1帧，极端情况下不超过3帧，可有效解决相机的快速自动曝光响应问题。

（2）本发明方法能够满足需要曝光快速响应以及精确控制的红外成像设备的使用，无需额外的光传感器，在成本和可维护性方面都具有较大优势。

（3）本发明使用图像传感器的成像光电模型，直接计算当前帧所拍摄场景的光线照射到图像传感器上的辐照度Ecur，再根据该辐照度Ecur，直接计算当前帧图像平均灰度值Uy假定达到目标灰度值Udst应设置的曝光时间tdst和增益系数Gdst。使用该方法设置曝光参数可直接一步到位，避免了目前常用的自动曝光调节算法中的多次迭代流程，即尝试设置曝光参数、查看下一帧图像反馈再设置曝光参数，直到达到目标的多次循环曝光调节方案，本发明大大缩减了曝光调节至稳定所需的时间，实现了自动曝光的快速调节。

（4）在通常场景下，本发明方法只需一帧即可完成曝光参数的调节；在一些极端的过暗场景下，由于当前帧信噪比过低，可能导致基于当前帧的辐照度辐照度Ecur的计算误差过大，进而导致调节后第一帧图像平均灰度值仍然无法达到目标灰度值的允许范围，但调节后第一帧图像的信噪比相比当前帧通常得到了大幅提升，因此根据调节后第一帧的结果可以计算出较为准确的辐照度Ecur，从而使得调节后第二帧图像平均灰度值能够达到目标灰度值的允许范围。另外，在极端的过曝场景下，第一帧可先使用一个非常短的曝光时间，使得第一帧变化为过暗场景，如此仅三帧即可调节完成。

（5）本发明所设置的曝光时间和增益系数之间的约束关系，也可包含面对极端场景的设置，如过曝时先设置非常短的曝光时间，约束关系在实际应用中可灵活应对。

附图说明

图1为本发明的一种相机自动曝光的快速调节方法流程图。

图2为本发明方法实施的整体流程图。

图3为当前帧图像即自动曝光调节前的图像。

图4为下一帧图像即自动曝光调节后的图像。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明中的图像传感器的成像光电模型为现有技术，故做简单说明，详细内容可以在ez1288相关标准官方网站进行查阅：

https://www.emva.org/standards-technology/emva-1288/emva-standard-1288-downloads-2/。

本发明在图像传感器的成像光电模型中，引入自动曝光调节中常见的增益参数，在图像传感器即sensor的成像光电模型中，某个像素的灰度值U可由一下公式计算得到：

U=G×[Udark+n×K×E×t×r×A/(h×c)]；

其中，G为曝光调节中的增益系数。Udark为零辐照下的平均暗信号，即传感器的暗电流所导致的图像平均灰度值，通常测量方法为在暗场下测得图像的平均灰度均值。n为某一波段的量子效率，单位%，即被sensor吸收转换成电荷的光子数与入射总光子数的比值。K为全局系统增益，单位为DN/e^-，K为sensor将该像素上累计的电荷，转换成电压并放大，最后经过模数转换器转换成数字信号即灰度值的工作过程中，由光子数量到灰度值的线性计算系数。E为传感器上该光子的辐照度，单位为W/m²。t为曝光时间，单位为s。r为入射波段波长，单位为nm。A为图像传感器的像元面积，单位为m²。h为普朗克常数。c为光速常数。其中，G是数字增益，是可调的，用于直接放大灰度值。K描述了光子从电荷转化为电压，最终转化为灰度值的过程，是不可调的，是sensor属性。

上述图像传感器的成像光电模型中，针对某一款固定的图像传感器即sensor而言，Udark、n、K、r、A都是固定的参数，h、c为物理常数，故自动曝光问题可简化为：在某一辐照度E下，选择合适的曝光时间t和增益G，使得图像平均灰度值或图像中目标区域灰度值达到目标灰度值Udst的允许范围[Udst-b，Udst+b]内。

由图1所示，一种相机自动曝光的快速调节方法，具体如下所示：

S11，利用图像传感器的成像光电模型，并根据当前帧的曝光参数以及当前帧图像平均灰度值Uy，计算当前帧所拍摄场景的光线照射到图像传感器上的辐照度Ecur；

所述曝光参数包括：曝光时间和增益系数；

辐照度Ecur的计算方式如下所示：

Ecur=h×c(Uy/Gcur-Udark)/(n×K×tcur×r×A)；

其中，h为普朗克常数；c为光速常数；Uy为当前帧图像平均灰度值；Gcur为当前帧的增益系数；Udark为零辐照下的图像平均灰度值；n为入射波段的量子效率；K为全局系统增益；tcur为当前帧的曝光时间；r为入射波段波长，单位为nm；A为像元面积。

其中，图像传感器的相关参数即Udark、n、K、r、A为固定值，通过对图像传感器进行标定得到Udark、n、K、r、A的值。

S12，在该辐照度Ecur下，利用图像传感器的成像光电模型，计算当前帧图像平均灰度值Uy假定达到目标灰度值Udst应设置的曝光时间tdst和增益系数Gdst；

S13，将步骤S12计算出的应设置的曝光时间tdst和增益系数Gdst作为下一帧的曝光时间和增益系数，获取下一帧图像。

步骤S12中，在该辐照度Ecur下，当前帧图像平均灰度值Uy假定达到目标灰度值Udst时，图像传感器的成像光电模型如下所示：

Ecur=h×c(Udst/Gdst-Udark)/(n×K×tdst×r×A)；

得到应设置的曝光时间tdst和增益系数Gdst为：

tdst=h×c(Udst/Gdst-Udark)/(n×K×Ecur×r×A)；

Gdst=Udst/[Udark+n×K×Ecur×tdst×r×A/(h×c)]。

步骤S12中，还设计了曝光时间tdst和增益系数Gdst之间的约束关系，该约束关系的表达式为Gdst=F(tdst)；

在该辐照度Ecur下，联立图像传感器的成像光电模型和该约束关系，计算当前帧图像平均灰度值Uy假定达到目标灰度值Udst应设置的曝光时间tdst和增益系数Gdst，联立公式如下所示：

Ecur=h×c(Udst/Gdst-Udark)/(n×K×tdst×r×A)；

Gdst=F(tdst)。

本发明中，曝光时间tdst和增益系数Gdst之间的约束关系具体如下所示：

若tdst<tmax，

则Gdst=1，tdst=h×c(Udst-Udark)/(n×K×Ecur×r×A)；

若Gdst>1，

则tdst=tmax，Gdst=Udst/[Udark+n×K×Ecur×tdst×r×A/(h×c)]；

其中，tmax为设定的最大曝光时间。

本发明中，曝光时间tdst和增益系数Gdst的具体计算过程如下所示：

令Gdst=1时，若此时计算出的tdst<tmax，

则Gdst=1，tdst=h×c(Udst-Udark)/(n×K×Ecur×r×A)；

令Gdst=1时，若此时计算出的tdst≥tmax，

则tdst=tmax；Gdst=Udst/[Udark+n×K×Ecur×tdst×r×A/(h×c)]。

由图2所示，本发明方法实施的整体过程如下所示：

S1，对图像传感器进行标定，获取图像传感器的相关参数，包括：零辐照下的图像平均灰度值Udark、入射波段的量子效率n、全局系统增益K、入射波段波长r、像元面积A。

针对成像设备所选择的图像传感器以及成像波段，使用ez1288标准，对图像传感器进行标定，获取零辐照下的图像平均灰度值Udark、入射波段的量子效率n、全局系统增益K；并确认场景应用所选用的成像波段波长为r；图像传感器像元面积为A，由图像传感器的设计决定。

由于图像传感器的一致性通常在厂商的生产环节就能够得到较好的控制，故针对某一型号的图像传感器，只需标定一次，该标定可由图像传感器生产厂商或专业图像传感器测试服务商提供，利用现有技术的ez1288标准作为参考。该标定过程也为现有技术。

S2，成像过程中相机的自动曝光调节：

S21，设定图像的目标灰度值为Udst，以及设定目标灰度值的允许范围为[Udst-b，Udst+b]，b为目标灰度值的允许误差；

S22，获取当前帧图像，计算当前帧图像平均灰度值Uy；判断当前帧图像平均灰度值Uy是否在目标灰度值的允许范围内；

若当前帧图像平均灰度值Uy在目标灰度值的允许范围内，则不进行曝光调节，将当前帧的曝光参数作为下一帧的曝光参数，获取下一帧图像，并循环步骤S22～S25；否则，跳转步骤S23，进行曝光调节；

S23，利用图像传感器的成像光电模型，并根据当前帧的曝光参数以及当前帧图像平均灰度值Uy，计算当前帧所拍摄场景的光线照射到图像传感器上的辐照度Ecur：

Ecur=h×c(Uy/Gcur-Udark)/(n×K×tcur×r×A)；

其中，h为普朗克常数；c为光速常数；Uy为当前帧图像平均灰度值；Gcur为当前帧增益系数；Udark为零辐照下的图像平均灰度值；n为入射波段的量子效率；K为全局系统增益；tcur为当前帧的曝光时间；r为入射波段波长，单位为nm；A为像元面积。

图像传感器的相关参数即Udark、n、K、r、A为固定值，通过对图像传感器进行标定得到Udark、n、K、r、A的值。

S24，在该辐照度Ecur下，利用图像传感器的成像光电模型，计算当前帧图像平均灰度值Uy假定达到目标灰度值Udst应设置的曝光时间tdst和增益系数Gdst；

由于有两个参数即tdst和Gdst，通常先根据应用需求，设置一定原则确定曝光时间tdst和增益系数Gdst之间的约束关系，该约束关系的表达式为Gdst=F(tdst)，并联立步骤S23中的公式，使得步骤S23中的当前灰度值Uy为目标灰度值Udst，即可求解该辐照度Ecur下，当前帧图像平均灰度值Uy假定达到目标灰度值Udst应设置的曝光时间tdst和增益系数Gdst；

联立公式如下所示：

Ecur=h×c(Udst/Gdst-Udark)/(n×K×tdst×r×A)；

Gdst=F(tdst)。

在一般应用中，通常设置有最大曝光时间tmax。

假设在较亮场景下，曝光时间tdst未达到最大曝光时间tmax时，当前灰度值Uy即可调节至目标灰度值的允许范围[Udst-b，Udst+b]内，则增益Gdst通常设置为1，以减少暗电流所导致的噪声影响。

假设在较暗场景下，由于帧率等原因限制，曝光时间tdst已经达到最大曝光时间tmax时，当前灰度值Uy仍小于目标灰度值Udst，则增大增益Gdst使得画面亮度达到既定目标，即使得当前灰度值Uy达到目标灰度值允许范围[Udst-b，Udst+b]内。

根据上述分析得到曝光时间tdst和增益系数Gdst之间的约束关系具体如下所示：

若tdst<tmax，则Gdst=1；

若Gdst>1，则tdst=tmax；

其中，tmax为设定的最大曝光时间。

从而得到曝光时间tdst和增益系数Gdst的计算方式如下所示：

令Gdst=1时，若此时计算出的tdst<tmax，

则Gdst=1，tdst=h×c(Udst-Udark)/(n×K×Ecur×r×A)；

令Gdst=1时，若此时计算出的tdst≥tmax，

则tdst=tmax；Gdst=Udst/[Udark+n×K×Ecur×tdst×r×A/(h×c)]。

S25，将步骤S24计算出的应设置的曝光时间tdst和增益系数Gdst作为下一帧的曝光时间和增益系数，获取下一帧图像，并循环步骤S22～S25。

在通常场景下，本发明方法只需一帧即可完成曝光参数的调节；在一些极端的过暗场景下，由于当前帧信噪比过低，可能导致基于当前帧的辐照度辐照度Ecur的计算误差过大，进而导致调节后第一帧图像平均灰度值仍然无法达到目标灰度值的允许范围，但调节后第一帧图像的信噪比相比当前帧通常得到了大幅提升，因此根据调节后第一帧的结果可以计算出较为准确的辐照度Ecur，从而使得调节后第二帧图像平均灰度值能够达到目标灰度值的允许范围。另外，在极端的过曝场景下，第一帧可先使用一个非常短的曝光时间，使得第一帧变化为过暗场景，如此第三帧即可调节完成。

本发明所设置的曝光时间和增益系数之间的约束关系，也可包含面对上述极端场景的设置，如过曝时先设置非常短的曝光时间，约束关系在实际应用中可灵活应对。

本发明使用图像传感器的成像光电模型，直接计算当前帧所拍摄场景的光线照射到图像传感器上的辐照度Ecur，再根据该辐照度Ecur，直接计算当前帧图像平均灰度值Uy假定达到目标灰度值Udst应设置的曝光时间tdst和增益系数Gdst。使用该方法设置曝光参数可直接一步到位，避免了目前常用的自动曝光调节算法中的多次迭代流程，即尝试设置曝光参数、查看下一帧图像反馈再设置曝光参数，直到达到目标的多次循环曝光调节方案，本发明大大缩减了曝光调节至稳定所需的时间，实现了自动曝光的快速调节。

实施例1

本实例采用背照式的红外增强型图像传感器，帧率为30fps，该图像传感器的相关参数的标定如下：

Udark=8.627；K=0.09985DN/e^-；n=18%；r=940nm；A=7.29×10^-12m²；h=6.6260693(11)×10^-34J·s；c=299792458m/s；tmax=33ms；

由图3所示，图3为当前帧图像，场景为即将出隧道时，由于进光量剧增，导致相机过曝，无法看清隧道外的路况。当前帧当前帧增益系数Gcur=1，当前帧的曝光时间tcur=16.67ms，图像平均灰度值为Uy=201.5。

根据上述参数，并按照本发明中的计算方式，可计算当前帧所拍摄场景的光线照射到图像传感器上的辐照度Ecur为：

Ecur=h×c(Uy/Gcur-Udark)/(n×K×tcur×r×A)=1.86×10^-3 W/m²；

本实施例中，设定图像的目标灰度值Udst为130，目标灰度值的允许范围为[130-20，130+20]，按照本发明中的计算方式，可计算在该辐照度Ecur下，当前帧图像平均灰度值Uy假定达到目标灰度值Udst应设置的曝光时间tdst和增益系数Gdst为：

Gdst=1，tdst=10.5ms。

利用应设置的曝光时间tdst和增益系数Gdst作为下一帧的曝光时间和增益系数，得到下一帧图像，如图4所示，图4中物体清晰可见，基本符合预期，并且验证得到该下一帧图像的灰度值Uy为137.64，虽然与目标灰度值Udst=130略有误差，但仍处于目标灰度值的允许范围内，该误差可能由光线变化、拍摄场景、标定误差等导致。

以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种相机自动曝光的快速调节方法，其特征在于，包括以下步骤：

S11，利用图像传感器的成像光电模型，并根据当前帧的曝光参数以及当前帧图像平均灰度值Uy，计算当前帧所拍摄场景的光线照射到图像传感器上的辐照度Ecur；

所述曝光参数包括：曝光时间和增益系数；

S12，在该辐照度Ecur下，利用图像传感器的成像光电模型，计算当前帧图像平均灰度值Uy假定达到目标灰度值Udst应设置的曝光时间tdst和增益系数Gdst；

S13，将步骤S12计算出的应设置的曝光时间tdst和增益系数Gdst作为下一帧的曝光时间和增益系数，获取下一帧图像；

步骤S11中，辐照度Ecur的计算方式如下所示：

Ecur=h×c(Uy/Gcur-Udark)/(n×K×tcur×r×A)；

其中，h为普朗克常数；c为光速常数；Uy为当前帧图像平均灰度值；Gcur为当前帧的增益系数；Udark为零辐照下的图像平均灰度值；n为入射波段的量子效率；K为全局系统增益；tcur为当前帧的曝光时间；r为入射波段波长，单位为nm；A为像元面积；

步骤S12中，在该辐照度Ecur下，当前帧图像平均灰度值Uy假定达到目标灰度值Udst时，图像传感器的成像光电模型如下所示：

Ecur=h×c(Udst/Gdst-Udark)/(n×K×tdst×r×A)；

其中，h为普朗克常数；c为光速常数；Udst为目标灰度值；Udark为零辐照下的图像平均灰度值；n为入射波段的量子效率；K为全局系统增益；r为入射波段波长，单位为nm；A为像元面积；tdst为当前帧图像平均灰度值假定达到目标灰度值Udst应设置的曝光时间；Gdst为当前帧图像平均灰度值假定达到目标灰度值Udst应设置的增益系数；

得到应设置的曝光时间tdst和增益系数Gdst为：

tdst=h×c(Udst/Gdst-Udark)/(n×K×Ecur×r×A)；

Gdst=Udst/[Udark+n×K×Ecur×tdst×r×A/(h×c)]。

2.根据权利要求1所述一种相机自动曝光的快速调节方法，其特征在于，图像传感器的相关参数即Udark、n、K、r、A为固定值，通过对图像传感器进行标定得到Udark、n、K、r、A的值。

3.根据权利要求1所述一种相机自动曝光的快速调节方法，其特征在于，步骤S12中，还设计了曝光时间tdst和增益系数Gdst之间的约束关系，该约束关系的表达式为Gdst=F(tdst)；

在该辐照度Ecur下，联立图像传感器的成像光电模型和该约束关系，计算当前帧图像平均灰度值Uy假定达到目标灰度值Udst应设置的曝光时间tdst和增益系数Gdst，联立公式如下所示：

Ecur=h×c(Udst/Gdst-Udark)/(n×K×tdst×r×A)；

Gdst=F(tdst)。

4.根据权利要求3所述一种相机自动曝光的快速调节方法，其特征在于，曝光时间tdst和增益系数Gdst之间的约束关系具体如下所示：

若tdst<tmax，

则Gdst=1，tdst=h×c(Udst-Udark)/(n×K×Ecur×r×A)；

若Gdst>1，

则tdst=tmax，Gdst=Udst/[Udark+n×K×Ecur×tdst×r×A/(h×c)]；

其中，tmax为设定的最大曝光时间。

5.根据权利要求4所述一种相机自动曝光的快速调节方法，其特征在于，曝光时间tdst和增益系数Gdst的具体计算过程如下所示：

令Gdst=1时，若此时计算出的tdst<tmax，

则Gdst=1，tdst=h×c(Udst-Udark)/(n×K×Ecur×r×A)；

令Gdst=1时，若此时计算出的tdst≥tmax，

则tdst=tmax；Gdst=Udst/[Udark+n×K×Ecur×tdst×r×A/(h×c)]。

6.根据权利要求1所述一种相机自动曝光的快速调节方法，其特征在于，图像传感器的成像光电模型如下所示：

U=G×[Udark+n×K×E×t×r×A/(h×c)]；

其中，U为图像的像素灰度值；G为增益系数；Udark为零辐照下的图像平均灰度值；n为入射波段的量子效率；K为全局系统增益；t为曝光时间；r为入射波段波长，单位为nm；A为像元面积；h为普朗克常数；c为光速常数；E为光线照射到图像传感器上的辐照度。

7.根据权利要求1～5任意一项所述一种相机自动曝光的快速调节方法，其特征在于，相机自动曝光的过程如下所示：

S21，设定图像的目标灰度值为Udst，以及设定目标灰度值的允许范围为[Udst-b，Udst+b]，b为目标灰度值的允许误差；

S22，获取当前帧图像，计算当前帧图像平均灰度值Uy；判断当前帧图像平均灰度值Uy是否在目标灰度值的允许范围内：若当前帧图像平均灰度值Uy在目标灰度值的允许范围内，则不进行曝光调节，将当前帧的曝光参数作为下一帧的曝光参数，获取下一帧图像；否则，跳转步骤S23，进行曝光调节；

S23，利用图像传感器的成像光电模型，并根据当前帧的曝光参数以及当前帧图像平均灰度值Uy，计算当前帧所拍摄场景的光线照射到图像传感器上的辐照度Ecur；

S24，在该辐照度Ecur下，利用图像传感器的成像光电模型，计算当前帧图像平均灰度值Uy假定达到目标灰度值Udst应设置的曝光时间tdst和增益系数Gdst；

S25，将步骤S24计算出的应设置的曝光时间tdst和增益系数Gdst作为下一帧的曝光时间和增益系数，获取下一帧图像。

Images