CN202190327U - 低照度摄像机成像控制装置及摄像系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种低照度摄像机成像控制装置，包括：保存从成像及数字化部件读取的图像帧数据的缓存器；根据图像帧数据计算图像的灰度分布和统计特征的计算单元；确定电子快门速度的快门速度确定单元；确定电荷自动增益调整级别的增益调整级别确定单元；根据图像帧数据对图像的直方图进行变换和/或平移，并确定图像帧积分时间的积分时间确定单元；确定调整顺序对应的控制模式的控制模式确定单元；根据确定的控制模式执行参数调整的参数调整执行单元。本实用新型还涉及一种摄像系统。本实用新型保证相机能够适应低照度的工作环境变化，改善图像成像质量和对比度，同时又能抑制工作环境中出现的强光。

Description

低照度摄像机成像控制装置及摄像系统

技术领域

本实用新型涉及一种低照度摄像机成像控制装置及摄像系统。

背景技术

夜视摄像机作为一种特殊的夜间成像系统，可以在极低的照度条件下对目标成像，利用它可以大大地扩展人的眼睛在微弱光照照度条件下的观察能力。一般情况下夜视摄像机的图像信噪比很低，尤其当工作在可探测范围的下限时，图像信号可能会被噪声淹没。但是当夜视摄像机工作环境中有强光的情况下，却极其容易导致图像饱和而失真。

根据帧间图像信号的相关性和噪声的不相关性理论，帧积分可以有效地提高夜视相机的信噪比，改善图像的质量。但在特定的场合中可能会遭遇强光，采用单纯的帧积分方法则会导致图像的饱和失真。

因此，需要能够保证低照度下目标图像能够增强，并且能够抑制强光。如果夜视摄像机满足上述两种条件下成像，将会大大扩展夜视相机的应用范围。

目前的夜视摄像机通常都具有电子快门，自动增益和光积分的功能，如果参数设定的较为合适，则可能尽量满足上述两种条件，但实际应用中，这种设置的参数并不能依据图像数据进行自动调节。换句话说，随着场景的变化图像的内容也随时在发生变化，固定的参数设置则可能造成图像质量下降或导致图像饱和失真，如何适时自动调整成像参数实现最佳地成像效果显得尤为重要。

另外，目前抑制强光的技术手段是采用机电装置来实现的，在滤除强光的同时也将弱光也滤除掉了，对成像效果造成不良影响。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种低照度摄像机成像控制装置及摄像系统，保证相机能够适应低照度的工作环境变化，改善图像成像质量和对比度，同时又能抑制工作环境中出现的强光。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种低照度摄像机成像控制装置，包括：

保存从成像及数字化部件读取的图像帧数据的缓存器；

根据所述图像帧数据计算图像的灰度分布和统计特征的计算单元；

根据所述灰度分布和统计特征确定电子快门速度的快门速度确定单元；

根据所述灰度分布和统计特征确定电荷自动增益调整级别的增益调整级别确定单元；

根据所述图像帧数据对图像的直方图进行变换和/或平移，并根据灰度分布范围确定图像帧积分时间的积分时间确定单元；

根据所述灰度分布和统计特征确定图像帧积分时间、电子快门速度和电荷自动增益调整级别的调整顺序对应的控制模式的控制模式确定单元；

根据确定的控制模式执行上述步骤确定的图像帧积分时间、电子快门速度和电荷自动增益调整级别的参数调整的参数调整执行单元。

进一步的，所述计算单元具体包括：

计算所述图像帧数据的高亮部分灰度与黑暗部分灰度个数的第一比值的第一比值计算子单元；

计算所述图像帧数据的高亮部分灰度占整个图像灰度的第二比值的第二比值计算子单元；

根据所述第二比值确定所述第一比值的整体范围，并判断所述第一比值在所述整体范围中的对应等级的等级确定子单元。

为实现上述目的，本实用新型还提供了一种具有前述低照度摄像机成像控制装置的摄像系统，还包括：

镜头，

成像器件，

像素传输及控制单元，具有模数转换模块，用于将成像器件拍摄的图像进行模数转换，并保存到缓存器中。

进一步的，所述成像器件为光电转换器件。

优选的，所述光电转换器件为CCD成像器件或CMOS成像器件。

基于上述技术方案，本实用新型利用帧图像数据的灰度分布统计特性对影响成像的控制参数进行动态调整，自动适应工作环境的照度条件，避免由于摄像机参数固定，导致图像质量不能随着照度变化而导致图像失真；并且利用帧图像数据的灰度分布统计特性确定控制参数的调整顺序，抑制在低照度的环境下出现强光造成的图像饱和而失真的情况，通过权衡强光和低照度，优化图像质量和改善图像对比度。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为本实用新型低照度摄像机成像控制装置的一实施例的结构示意图。

图2为本实用新型低照度摄像机成像控制装置实施例所应用的低照度摄像机成像控制方法的流程图。

图3为本实用新型低照度摄像机成像控制装置实施例所应用的低照度摄像机成像控制方法中自适应帧积分时间确定流程的示意图。

图4为本实用新型低照度摄像机成像控制装置实施例所应用的低照度摄像机成像控制方法中电子快门速度确定流程的示意图。

图5为本实用新型低照度摄像机成像控制装置实施例所应用的低照度摄像机成像控制方法中确定电荷自动增益调整级别流程的示意图。

图6为本实用新型低照度摄像机成像控制装置实施例所应用的低照度摄像机成像控制方法中确定控制模式流程的示意图。

图7为本实用新型摄像系统的一实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

如图1所示，为本实用新型低照度摄像机成像控制装置的一实施例的结构示意图。在本实施例中，低照度摄像机成像控制装置包括：缓存器11、计算单元12、快门速度确定单元13、增益调整级别确定单元14、积分时间确定单元15、控制模式确定单元16和参数调整执行单元17。其中，缓存器11负责保存从成像及数字化部件读取的图像帧数据。计算单元12负责根据所述图像帧数据计算图像的灰度分布和统计特征。快门速度确定单元13负责根据所述灰度分布和统计特征确定电子快门速度。增益调整级别确定单元14负责根据所述灰度分布和统计特征确定电荷自动增益调整级别的。积分时间确定单元15负责根据所述图像帧数据对图像的直方图进行变换和/或平移，并根据灰度分布范围确定图像帧积分时间。

控制模式确定单元16负责根据所述灰度分布和统计特征确定图像帧积分时间、电子快门速度和电荷自动增益调整级别的调整顺序对应的控制模式。参数调整执行单元17负责根据确定的控制模式执行上述步骤确定的图像帧积分时间、电子快门速度和电荷自动增益调整级别的参数调整。

在本实施例装置在摄像系统中应用时，参数调整执行单元17可以由成像器件来具体实现，也可以采用外部的硬件或软件方式实现，计算单元12、快门速度确定单元13、增益调整级别确定单元14、积分时间确定单元15和控制模式确定单元16也是可以设置在成像器件内，或者以独立的装置方式通过媒介与镜头和成像器件交互。

在另一个装置实施例中，计算单元11可以具体包括：第一比值计算子单元、第二比值计算子单元和等级确定子单元。第一比值计算子单元负责计算所述图像帧数据的高亮部分灰度与黑暗部分灰度个数的第一比值。第二比值计算子单元负责计算所述图像帧数据的高亮部分灰度占整个图像灰度的第二比值。等级确定子单元负责根据所述第二比值确定所述第一比值的整体范围，并判断所述第一比值在所述整体范围中的对应等级。

如图2所示，为本实用新型低照度摄像机成像控制装置实施例所应用的低照度摄像机成像控制方法的流程图。在本实施例中，低照度摄像机成像控制方法的流程包括：

步骤101、从成像及数字化部件中读取图像帧数据；

步骤102a、根据所述图像帧数据计算图像的灰度分布和统计特征，根据所述灰度分布和统计特征确定电子快门速度；

步骤102b、根据所述图像帧数据计算图像的灰度分布和统计特征，根据所述灰度分布和统计特征确定电荷自动增益调整级别；

步骤102c、根据所述图像帧数据对图像的直方图进行变换和/或平移，并根据灰度分布范围确定图像帧积分时间；

步骤102d、根据所述灰度分布和统计特征确定图像帧积分时间、电子快门速度和电荷自动增益调整级别的调整顺序对应的控制模式；

步骤103、根据确定的控制模式执行上述步骤确定的图像帧积分时间、电子快门速度和电荷自动增益调整级别的参数调整。

在本实施例中，电子快门速度、电荷自动增益调整级别以及控制模式均可通过图像的灰度分布和统计特征进行确定，而图像的灰度分布和统计特征的计算过程可以分别计算，也可以共用同一数据。

在本实施例的步骤101中，成像及数字化部件(例如CCD成像器件及数字化部件或CMOS成像器件及数字化部件等)中读取图像帧数据的过程可以具体包括从成像及数字化部件读取图像帧数据，并写入缓存器；在计算时，从缓存器依次读取所述缓存器缓存的图像帧数据。在调整过程中，通过依次读取缓存器内存的图像帧数据就可以实现持续的控制参数动态确定和调整过程。

在图1中所给出的执行顺序为102a-102d，但实际上这四个步骤并不需要确定为某种特定的时间顺序，例如可以先执行102d，再执行步骤102b、102a、102c等其他，也允许这四个步骤中的任意两个或更多步骤同时执行，也可以是各个步骤根据共用相同数据的时机在步骤之中进行调整。

在本实施例中主要涉及了四种控制参数，除了三种具体的调整参数之外，还引入了控制模式的参数，对三种参数调整的顺序进行控制，其中自适应图像帧积分是为了增加光照时间，使得在低照度下增加电荷积累的时间，有效的提高夜视相机的信噪比，改善图像的质量。电子快门是改变进光量的大小，通过改变进光量来进而改善图像的质量。电荷自动增益的调节是改变光电效应后积累的电荷放大程度，进而改善图像的质量。控制模式是考虑到不同的控制顺序将导致不同的成像效果，一般情况下，优先使用帧积分来改善信噪比，提高图像的质量，再进行电子快门和电荷自动增益的调整，但在存在强光的情况下，先使用帧积分则会造成强光的饱和，反而造成图像失真。此时则更适合先调整电子快门和电荷自动增益来抑制强光，再进行帧积分来改善图像质量。

本实施例通过对图像帧数据的计算分别确定实际应用场合下的变化了的图像所适合的图像帧积分时间、电子快门速度和电荷自动增益调整级别，以及这三种控制参数的调整顺序，从而能够在复杂的实际应用场合下实现强光和低照度的权衡，优化低照度图像的图像质量、改善图像对比度。

如图3所示，为本实用新型低照度摄像机成像控制装置实施例所应用的低照度摄像机成像控制方法中自适应帧积分时间确定流程的示意图。在本实施例中，自适应帧积分时间确定流程具体包括：

步骤201、从缓存器依次读取所述缓存器缓存的图像帧数据；

步骤202、根据所述图像帧数据建立灰度分布直方图；

步骤203、根据所述灰度分布直方图中的灰度分布进行灰度变换计算，将图像灰度分布向低灰度值的方向平移，然后对所述灰度分布直方图执行均衡化；

步骤204、根据均衡化的灰度分布直方图中的灰度分布占据全动态范围的比例确定可累积的帧数，进而确定图像帧积分时间；

步骤205、判断当前确定的图像帧积分时间与前一次的图像帧积分时间的差值是否超过预设阈值，是则执行步骤206，否则返回步骤201从缓存器中依次读取下一个图像帧数据，并重新确定图像帧积分时间；

步骤206、确定图像帧积分时间为当前确定的图像帧积分时间。

在步骤205中在计算出本次图像帧积分时间后，还要进行与之前采用的图像帧积分时间进行比较，如果变化很小，低于阈值，则无需频繁进行调整。

本实施例中给出了一种图像帧积分时间的确定方法，其他现有的图像帧积分时间确定方法也同样适用于本实用新型，例如，可以采用查找表的方式，事先通过实验建立图像平均灰度值与积分时间之间的对应关系查找表。在实际应用过程中，先用一个固定的积分时间来采集第一帧图像，计算出图像信息，然后根据查找表，系统将直接调节到比较合适的积分时间来采集第二帧图像，作为输出图像。整个过程需要调节一次或几次积分时间就可以得到比较合适的结果。这里就不再详述了。

如图4所示，为本实用新型低照度摄像机成像控制装置实施例所应用的低照度摄像机成像控制方法中电子快门速度确定流程的示意图。在本实施例电子快门速度确定流程包括：

步骤301、从缓存器依次读取所述缓存器缓存的图像帧数据；

步骤302、计算所述图像帧数据的高亮部分灰度与黑暗部分灰度个数的第一比值；

步骤303、计算所述图像帧数据的高亮部分灰度占整个图像灰度的第二比值；

步骤304、根据所述第二比值确定所述第一比值的整体范围，并判断所述第一比值在所述整体范围中的对应的电子快门速度等级；

步骤305、根据确定的第一比值在整体范围中对应的电子快门速度等级选择该等级对应的电子快门速度；

步骤306、判断当前确定的电子快门速度与前一次的电子快门速度的差值是否超过预设阈值，是则执行步骤307，否则返回步骤301从缓存器中依次读取下一个图像帧数据，并重新确定电子快门速度；

步骤307、确定电子快门速度为当前确定的电子快门速度。

在本实施例中，需要确定第一比值的整体范围，这是考虑到在图像不断发生变化时，黑白像素的个数的大致范围是不确定的，为了确定当前图像的第一比值所对应的等级，因此要先确定整个范围，而范围的确定则是具体由第二比值来确定的，举例来说，黑白像素比值(第一比值)统计结果为300∶40，则高亮部分与整个图像的灰度的第二比值为40∶340，再通过将第二比值与一个预设阈值(例如20％等)进行比较，可以确定高亮部分不多，不需要采用高等级的措施来抑制强光，进而可确定整个范围为500∶100；而如果黑白像素比值统计结果为500∶300，则高亮部分与整个图像的灰度的第二比值为300∶800，再通过将第二比值与一个预设阈值(仍以20％等为例)进行比较，则说明高亮部分较多，需要采用高等级的措施来抑制强光，进而可确定整个范围为800∶500。

具体的等级与控制参数的对应关系可以根据历史数据预先确定和保存，以便在每次确定控制参数时通过确定等级来选择出对应的控制参数。这种方式不仅可以根据历史数据中的规律性信息进行参数选择和确定，同时也使得参数选择和确定更为快捷。

同样的，本实施例中给出了一种电子快门时间的确定方法，其他现有的电子快门时间确定方法也同样适用于本实用新型，例如，可以采用计算图像中像素值的变化率来确定采用不同的电子快门等级，每个像素值的变化率表征运动目标的快慢特征。像素值变化率大的表示运动目标比较快，需要较快的电子快门，否则就容易形成拖影。反之就容易导致过度曝光。这里就不再详述了。

如图5所示，为本实用新型低照度摄像机成像控制装置实施例所应用的低照度摄像机成像控制方法中确定电荷自动增益调整级别流程的示意图。该流程包括：

步骤401、从缓存器依次读取所述缓存器缓存的图像帧数据；

步骤402、计算所述图像帧数据的高亮部分灰度与黑暗部分灰度个数的第一比值；

步骤403、计算所述图像帧数据的高亮部分灰度占整个图像灰度的第二比值；

步骤404、根据所述第二比值确定所述第一比值的整体范围，并判断所述第一比值在所述整体范围中的对应的电荷自动增益调整级别；

步骤405、根据确定的第一比值在整体范围中对应的电荷自动增益调整级别选择该级别对应的电荷自动增益调整量；

步骤406、判断当前确定的电荷自动增益调整量与前一次的电荷自动增益调整量的差值是否超过预设阈值，是则执行步骤407，否则执行步骤401继续从缓存器中读取下一个图像帧数据，并重新确定电荷自动增益调整级别；

步骤407、确定电荷自动增益调整量为当前确定的电荷自动增益调整量。

在本实施例中，整体范围的确定可参考电子快门时间确定流程中的过程，这里就不再赘述了。而本实施例中步骤402-405所确定的等级可以直接应用于电子快门时间的确定过程，同样的电子快门时间的确认过程中的步骤302-305所确定的等级也可以直接应用于电荷自动增益调整等级的确定过程，尤其是电子快门和电荷自动增益调整等级具有相同数量的等级时更适合采用。

同样的，本实施例中给出了一种电荷自动增益调整等级的确定方法，其他现有的电荷自动增益调整等级确定方法也同样适用于本实用新型，例如，可以根据图像的信噪比来调整自动增益调整等级。对每帧图像计算其信噪比，比较前后两帧图像的信噪比大小，信噪比的数值越大图像质量越好。如果图像的信噪比逐步增大，可以逐步降低图像的自动增益等级，同样，信噪比逐步降低的话，可以逐步升高图像的自动增益等级。这里就不再详述了。

如图6所示，为本实用新型低照度摄像机成像控制装置实施例所应用的低照度摄像机成像控制方法中确定控制模式流程的示意图。在本实施例中，控制模式确定流程包括：

步骤501、从缓存器依次读取所述缓存器缓存的图像帧数据；

步骤502、计算所述图像帧数据的高亮部分灰度与黑暗部分灰度个数的第一比值；

步骤503、计算所述图像帧数据的高亮部分灰度占整个图像灰度的第二比值；

步骤504、根据所述第二比值确定所述第一比值的整体范围，并判断所述第一比值在所述整体范围中的对应的级别；

步骤505、根据确定的第一比值在整体范围中对应的级别确定图像中是否存在强光源，是则执行步骤506a，否则执行步骤506b；

步骤506a、确定先进行电子快门速度和电荷自动增益调整级别的调整，后进行图像帧积分时间的调整的调整顺序对应的控制模式，然后执行步骤507；

步骤506b、确定先进行图像帧积分时间的调整，后进行电子快门速度和电荷自动增益调整级别的调整的调整顺序对应的控制模式；

步骤507、判断当前确定的控制模式是否与前一次的控制模式不相同，是则执行步骤508，否则返回步骤501从缓存器中依次读取下一个图像帧数据，并重新确定控制模式；

步骤508、确定控制模式为当前确定的控制模式。

控制模式的改变可以改变图像质量的改善的快慢和改善的程度，在本实施例中给出了一种具体的控制模式的确定方法，主要是通过等级的确定来选择该等级对应的控制模式，另外也可以通过第二比值与根据历史数据确定的预设阈值的比较来确定图像帧积分和电子快门速度之间的参数调整顺序。

如图7所示，为本实用新型摄像系统的一实施例的结构示意图。在本实施例中，除了包括前述实施例中的低照度摄像机成像控制装置之外，还包括镜头2、成像器件3和像素传输及控制单元4。其中镜头2可采用各种相机镜头，为成像器件3提供光照。成像器件3可为光电转换器件，包括但不限于CCD成像器件或CMOS成像器件等。像素传输及控制单元4具有模数转换模块，用于将成像器件拍摄的图像进行模数转换，并保存到缓存器11中。

通过上述方法、装置及系统实施例，本实用新型不仅能够使相机能够适应低照度的工作环境，也能抑制工作环境中的强光，同时还避免了采用机电装置抑制强光时也会滤除弱光的问题。

本说明书中各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似的部分相互参见即可。对于装置实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本实用新型技术方案的精神，其均应涵盖在本实用新型请求保护的技术方案范围当中。

Claims (3)

1.一种具有低照度摄像机成像控制装置的摄像系统，其特征在于，还包括：

镜头，

成像器件，

像素传输及控制单元，具有模数转换模块，用于将成像器件拍摄的图像进行模数转换，并保存到缓存器中。

2.根据权利要求1所述的摄像系统，其特征在于，所述成像器件为光电转换器件。

3.根据权利要求2所述的摄像系统，其特征在于，所述光电转换器件为CCD成像器件或CMOS成像器件。 

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