本發(fā)明涉及光電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種光電經(jīng)緯儀用高速相機(jī)自動(dòng)曝光方法。

背景技術(shù)：

隨著CMOS圖像傳感器(CMOS Image Sensor,CIS)技術(shù)的迅速發(fā)展，CIS系統(tǒng)在軍事和民用領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。高速相機(jī)是CIS系統(tǒng)的一種，其幀率是普通CIS系統(tǒng)(例如：NTSC 30fps或PAL 25fps)的幾倍至幾千倍甚至更高，憑借這一特點(diǎn)，高速相機(jī)被廣泛應(yīng)用于記錄目標(biāo)運(yùn)動(dòng)過程中的特定瞬間狀態(tài)或者全部過程，以獲得精準(zhǔn)的時(shí)間、空間信息，為研究高速現(xiàn)象的運(yùn)動(dòng)規(guī)律提供可靠的依據(jù)。

高速相機(jī)普遍采用高靈敏度的圖像傳感器，對(duì)觀測目標(biāo)亮度以及背景光照要求較高，早期的高速相機(jī)一般應(yīng)用在可以人工提供良好光照的條件下，例如工業(yè)檢測及運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)狀態(tài)觀測等。目前，隨著對(duì)高速目標(biāo)運(yùn)動(dòng)特性分析更廣泛的需求，高速相機(jī)開始應(yīng)用于自然光條件下，如光電經(jīng)緯儀等。但自然界中光照的動(dòng)態(tài)范圍遠(yuǎn)高于CIS的動(dòng)態(tài)范圍，高速相機(jī)拍攝的圖像特別容易飽和，并且導(dǎo)致丟失大量圖像細(xì)節(jié)，無論后續(xù)人眼觀察還是圖像跟蹤器判別圖像特征都將受到很大影響，從而影響光電經(jīng)緯儀等的跟蹤性能。因此，本發(fā)明著重研究了光電經(jīng)緯儀用高速相機(jī)在執(zhí)行任務(wù)時(shí)如何能快速地退出曝光過度或欠曝光狀態(tài)，并找到較為準(zhǔn)確的曝光值，為后續(xù)的調(diào)焦以及目標(biāo)跟蹤提供有良好曝光程度的圖像。

自動(dòng)曝光(Auto Exposure,AE)已經(jīng)成為影響數(shù)字相機(jī)成像質(zhì)量的一個(gè)重要因素。通過自動(dòng)調(diào)整相機(jī)的曝光時(shí)間，自動(dòng)曝光系統(tǒng)可以有效降低相機(jī)的過曝光或欠曝光現(xiàn)象，使獲得圖像的細(xì)節(jié)信息最大化。

目前，國內(nèi)外有很多研究從平均亮度值、圖像亮度直方圖、信息熵、DCT變換、數(shù)學(xué)迭代以及圖像融合等算法對(duì)自動(dòng)曝光進(jìn)行了研究。但其中大多數(shù)僅針對(duì)拍攝靜止圖片的數(shù)碼相機(jī)，或者工作在常規(guī)頻率的攝像機(jī)，鮮有針對(duì)高速相機(jī)在目標(biāo)背景光照不斷變化的情況下進(jìn)行自動(dòng)調(diào)光的研究。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為解決現(xiàn)有技術(shù)的自動(dòng)曝光方法無法實(shí)現(xiàn)對(duì)高速相機(jī)在目標(biāo)背景光照不斷變化的情況下進(jìn)行自動(dòng)調(diào)光的問題，提供一種光電經(jīng)緯儀用高速相機(jī)自動(dòng)曝光方法。

光電經(jīng)緯儀用高速相機(jī)自動(dòng)曝光方法，該方法由以下步驟實(shí)現(xiàn)：

步驟一、采用HF函數(shù)對(duì)輸入的圖像亮度進(jìn)行分析；具體分析過程為：

將HF函數(shù)定義為經(jīng)過歸一化后的圖像直方圖中亮度值高于亮度門限值th的圖像直方圖歸一化函數(shù)之和；

所述HF函數(shù)為：

采用四個(gè)參數(shù)對(duì)高速相機(jī)捕獲的圖像亮度進(jìn)行分析，所述四個(gè)參數(shù)分別為亮度門限值th為平均亮度值時(shí)HF函數(shù)值H_mean，亮度門限值th為平均亮度值一半時(shí)HF函數(shù)值H_half，亮度門限值th為平均亮度值二倍時(shí)HF的函數(shù)值H_twice以及計(jì)算值H_diff，所述計(jì)算值H_diff的值為反應(yīng)獲得圖像中亮區(qū)域與暗區(qū)域的對(duì)比度；

步驟二、曝光粗調(diào)以及曝光精調(diào)，實(shí)現(xiàn)高速相機(jī)自動(dòng)曝光；

在曝光粗調(diào)的過程為：

a、判斷亮度門限值th為平均亮度值二倍時(shí)HF的函數(shù)值H_twice是否大于等于過曝光門限值α，如果是，執(zhí)行步驟b，如果否，執(zhí)行c；

b、減小曝光時(shí)間，返回步驟a；

c、判斷亮度門限值th為平均亮度值一半時(shí)HF函數(shù)值H_half是否大于等于欠曝光門限值β，如果是，增加曝光時(shí)間，返回a，如果否，執(zhí)行步驟d；

d、進(jìn)行曝光精調(diào)；

曝光精調(diào)的過程為：

A、判斷H_R(k)是否大于等于曝光點(diǎn)門限值γ，如果是，采用模糊規(guī)則計(jì)算補(bǔ)償步長C_p，如果否，執(zhí)行步驟B；

B、判斷H_m(k)是否大于0，所述H_m(k)為第k幅圖像的H_half值與k-1幅圖像的H_half值的差，所述H_m(k)＝H_half(k)-H_half(k-1)；

如果是，則執(zhí)行步驟C，如果否，執(zhí)行步驟D；

C、將補(bǔ)償步長C_p值縮小N倍，即：C_p＝C_p/N，同時(shí)以第k-2幅圖像的曝光補(bǔ)償步長作為參考進(jìn)行補(bǔ)償，用公式表示為：E(k)＝E(k-2)×C_P；

判斷C_p是否小于等于θ，如果是，則保持第k-2幅圖像的曝光補(bǔ)償步長不變，即：E(k)＝E(k-2)，如果否，E(k)＝E(k-1)×(1+C_P)；

D、E(k)＝E(k-2)×(1+C_P)；

上述步驟A中，

H_R(k)為第k幅圖像與經(jīng)過模糊規(guī)則補(bǔ)償?shù)氖追鶊D像H_O(0)過曝光像素點(diǎn)的比率；H_R(k)的估計(jì)函數(shù)為：

式中H_O(k)為第k幅圖像的過曝光像素總和；

采用模糊規(guī)則計(jì)算補(bǔ)償步長C_p的具體過程為：

采用三角型隸屬度函數(shù)將亮度門限值th為平均亮度值時(shí)HF函數(shù)值H_mean與計(jì)算值H_diff分別歸納為五種程度的三角型隸屬度函數(shù)；

設(shè)定C(i,j)為曝光時(shí)間的補(bǔ)償值，曝光時(shí)間調(diào)整的方向用正負(fù)號(hào)表示，λ為曝光時(shí)間調(diào)整步長；

定義u(ij)為模糊規(guī)則的三角型隸屬程度，用公式表示為：

定義

式中，U(i)與U(j)分別為計(jì)算值H_diff及亮度門限值th為平均亮度值時(shí)HF函數(shù)值H_mean的隸屬度函數(shù)；

所述補(bǔ)償步長C_p由下式得出：

則第k幅圖像的曝光時(shí)間，用公式表示為：

E(k)＝E(k-1)×C_P。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明采用圖像直方圖特征(Histogram Feature,HF)函數(shù)的自動(dòng)曝光方法，用于在背景光照快速、大范圍變化的情況下對(duì)高速相機(jī)進(jìn)行自動(dòng)曝光控制。

本發(fā)明所述的方法可以在2ms時(shí)間內(nèi)完成一幀圖像的亮度測量并對(duì)曝光時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，相對(duì)于平均亮度值法與數(shù)學(xué)迭代法等直接使用圖像的亮度信息作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的方法，圖像直方圖特征函數(shù)方法可以在短時(shí)間內(nèi)提供更高的信息熵值；與直接使用圖像信息熵作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的方法比較，

本發(fā)明所述的方法可以通過HF函數(shù)判斷出補(bǔ)償方向與步長減少自動(dòng)曝光系統(tǒng)搜索時(shí)間。實(shí)驗(yàn)表明采用圖像直方圖特征函數(shù)的自動(dòng)曝光方法可以有效提高高速相機(jī)自動(dòng)曝光的準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性，為后續(xù)圖像識(shí)別以及圖像跟蹤提供較多的圖像細(xì)節(jié)信息。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述的光電經(jīng)緯儀用高速相機(jī)自動(dòng)曝光方法的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

圖2為本發(fā)明所述的光電經(jīng)緯儀用高速相機(jī)自動(dòng)曝光方法的流程圖。

圖3為本發(fā)明所述的光電經(jīng)緯儀用高速相機(jī)自動(dòng)曝光方法中HF函數(shù)的隸屬度函數(shù)原理圖。

具體實(shí)施方式

具體實(shí)施方式一、結(jié)合圖1至圖3說明本實(shí)施方式，光電經(jīng)緯儀用高速相機(jī)自動(dòng)曝光方法分為兩個(gè)步驟，

第一步是圖像亮度的測量：圖1顯示了高速相機(jī)自動(dòng)曝光系統(tǒng)的整體過程。具體過程為：

高速相機(jī)通過Camera Link將圖像顯示給用戶，當(dāng)相機(jī)執(zhí)行自動(dòng)曝光后，為了降低系統(tǒng)計(jì)算量，當(dāng)前獲得的圖像首通過HF函數(shù)對(duì)獲取圖像的亮度進(jìn)行分析。

灰度直方圖(Histogram)是灰度級(jí)的函數(shù)，它表示圖象中具有每種灰度級(jí)的象素的個(gè)數(shù)，反映圖象中每種灰度出現(xiàn)的頻率。設(shè)定輸入圖像為I(x,y)，有xy個(gè)像素點(diǎn)，灰度級(jí)為L，h(r)為I(x,y)的灰度直方圖：所述灰度直方圖h(r)用公式表示為：

其中，

將灰度直方圖h(r)歸一化，得：

norm(r)＝h(r)/xy且

雖然灰度直方圖可以準(zhǔn)確的表示圖像中所有像素點(diǎn)在每種灰度級(jí)的分布情況，但是它對(duì)于圖像中亮度輕微變化以及噪聲影響過于敏感，在用于機(jī)器評(píng)判圖像亮度時(shí)，往往會(huì)導(dǎo)致評(píng)價(jià)函數(shù)震蕩。為了提高測量目標(biāo)與背景的亮度魯棒性，將HF函數(shù)定義為經(jīng)過歸一化后的圖像直方圖中亮度值高于亮度門限值th的圖像直方圖歸一化函數(shù)之和；

所述HF函數(shù)為：

在本實(shí)施方式中采用四個(gè)參數(shù)對(duì)高速相機(jī)捕獲的圖像進(jìn)行測量，其中三個(gè)通過HF函數(shù)獲得的參數(shù)記為：H_mean、H_half以及H_twice，它們分別為亮度門限值th為平均亮度值時(shí)HF的函數(shù)值、亮度門限值th為平均亮度值一半時(shí)的HF函數(shù)值與亮度門限值th為平均亮度值二倍時(shí)的HF函數(shù)值。第四個(gè)參數(shù)H_diff為計(jì)算值，用公式表示為：

第二步是曝光時(shí)間調(diào)整。圖2顯示了本實(shí)施方式提出的自動(dòng)曝光方法大致分為曝光粗調(diào)以及曝光精調(diào)。

在曝光粗調(diào)階段，首先對(duì)獲得的圖像亮度進(jìn)行提取，并獲得感四個(gè)HF函數(shù)值。隨后，采用下述判斷方式可以觸發(fā)曝光粗調(diào)，曝光粗調(diào)的過程為：

a、判斷亮度門限值th為平均亮度值二倍時(shí)HF的函數(shù)值H_twice是否大于等于過曝光門限值α，如果是，執(zhí)行步驟b，如果否，執(zhí)行c；

b、減小曝光時(shí)間，返回步驟a；

c、判斷亮度門限值th為平均亮度值一半時(shí)HF函數(shù)值H_half是否大于等于欠曝光門限值β，如果是，增加曝光時(shí)間，返回a，如果否，執(zhí)行步驟d；

d、進(jìn)行曝光精調(diào)；所述曝光精調(diào)的過程為：

在曝光精調(diào)階段中，H_R(k)表示第k幅圖像與經(jīng)過模糊規(guī)則補(bǔ)償?shù)氖追鶊D像H_O(0)過曝光像素點(diǎn)的比率。H_R(k)的估計(jì)函數(shù)為：

其中H_O(k)代表第k幅圖像的過曝光像素總和。在本實(shí)施方式中，過曝光的像素點(diǎn)被定義為超過最大亮度值95％的像素點(diǎn)，同時(shí)曝光點(diǎn)門限值γ預(yù)設(shè)為0.2。

當(dāng)獲得的圖像為首張圖像或H_R(k)超過曝光點(diǎn)門限值γ時(shí)，

本實(shí)施方式的自動(dòng)曝光系統(tǒng)通過模糊規(guī)則對(duì)曝光時(shí)間補(bǔ)償?shù)姆较蛞约把a(bǔ)償進(jìn)行判斷，首先使用三角型隸屬度函數(shù)將H_mean與H_diff分別歸納為VS、S、M、B以及VB 5種程度，針對(duì)這些隸屬度函數(shù)，提出了12條模糊規(guī)則對(duì)

曝光值進(jìn)行補(bǔ)償，C(i,j)代表曝光時(shí)間的補(bǔ)償值，正負(fù)號(hào)表示曝光時(shí)間調(diào)整的方向，λ為曝光時(shí)間調(diào)整步長。

定義u(i,j)為模糊規(guī)則的三角型隸屬程度，用下式表示為：

U(i)與U(j)分別為H_diff及H_mean的隸屬度函數(shù)。

補(bǔ)償步長可以由式得出：

則第K幅圖像的曝光時(shí)間由式可得：

E(k)＝E(k-1)×C_P (9)

式中E(k)代表第k幅圖像的曝光時(shí)間。

當(dāng)H_O(k)不超過門限值時(shí)，則繼續(xù)判斷H_m(k)。

H_m(k)表示第k幅圖像的H_half值與k-1幅圖像的H_half最小值的差，其函數(shù)如式所示：

H_m(k)＝H_half(k)-H_half(k-1) (10)

當(dāng)H_m(k)<0時(shí)，第k幅圖像的曝光時(shí)間以第k-1幅圖像的曝光值作為參考進(jìn)行補(bǔ)償，如式(10)所示。

當(dāng)H_m(k)>0時(shí)，則將Cp值縮小N倍，同時(shí)以第k-2幅圖像的曝光值作為參考，如式所示：

E(k)＝E(k-2)×C_P (12)

同時(shí)若Cp小于門限值θ則保持第k-2幅圖像的曝光值不變，如式所示：

E(k)＝E(k-2) (13)

本實(shí)施方式中定義三角型隸屬度函數(shù)的五種程度分別為：非常小VS，小S，中等M，大B以及非常大VB，針對(duì)五種程度的三角型隸屬度函數(shù)，采用下述12條模糊規(guī)則對(duì)曝光時(shí)間是進(jìn)行補(bǔ)償；

規(guī)則1：設(shè)定當(dāng)計(jì)算值H_diff的值為非常小VS并且當(dāng)亮度門限值th為平均亮度值H_mean為非常小VS時(shí)，補(bǔ)償值C(1,1)為-2λ；

規(guī)則2：設(shè)定當(dāng)計(jì)算值H_diff的值為非常小VS并且當(dāng)亮度門限值th為平均亮度值H_mean為小S時(shí)，補(bǔ)償值C(1,2)為+2λ；

規(guī)則3：設(shè)定當(dāng)計(jì)算值H_diff的值為非常小VS并且當(dāng)亮度門限值th為平均亮度值H_mean為M，補(bǔ)償值C(1,3)為+4λ；

規(guī)則4：設(shè)定當(dāng)計(jì)算值H_diff的值為非常小VS并且當(dāng)亮度門限值th為平均亮度值H_mean為大B時(shí)，補(bǔ)償值C(1,4)為+3λ；

規(guī)則5：設(shè)定當(dāng)計(jì)算值H_diff的值為非常小VS并且當(dāng)亮度門限值th為平均亮度值H_mean為非常大VB時(shí)，補(bǔ)償值C(1,5)為+λ；

規(guī)則6：設(shè)定當(dāng)計(jì)算值H_diff的值為小S并且當(dāng)亮度門限值th為平均亮度值H_mean為非常小VS時(shí)，補(bǔ)償值C(2,1)為–λ；

規(guī)則7：設(shè)定當(dāng)計(jì)算值H_diff的值為小S并且當(dāng)亮度門限值th為平均亮度值H_mean為小S時(shí)，補(bǔ)償值C(2,2)為+λ；

規(guī)則8：設(shè)定當(dāng)計(jì)算值H_diff的值為小S并且當(dāng)亮度門限值th為平均亮度值H_mean為中等M時(shí)，補(bǔ)償值C(2,3)為+3λ；

規(guī)則9：設(shè)定當(dāng)計(jì)算值H_diff的值為小S并且當(dāng)亮度門限值th為平均亮度值H_mean為大B時(shí)，補(bǔ)償值C(2,4)為+2λ；

規(guī)則10：設(shè)定當(dāng)計(jì)算值H_diff的值為小S并且當(dāng)亮度門限值th為平均亮度值H_mean為非常大VB時(shí)，補(bǔ)償值C(2,5)為λ；

規(guī)則11：設(shè)定當(dāng)計(jì)算值H_diff的值為小為中等M并且當(dāng)亮度門限值th為平均亮度值H_mean M時(shí)，補(bǔ)償值C(3,3)為λ；

規(guī)則12：其他情況，補(bǔ)償為0。

本實(shí)施方式所述的曝光粗調(diào)中，α、β以及曝光時(shí)間減小與增大的幅度為預(yù)先設(shè)定的固定值。與此同時(shí)，還需要判斷曝光時(shí)間是否已經(jīng)達(dá)到高速相機(jī)的最低或最高曝光時(shí)間。當(dāng)系統(tǒng)檢測到相機(jī)的曝光時(shí)間需要超出最低或最高曝光時(shí)間后，表示針對(duì)目前光照條件，自動(dòng)曝光系統(tǒng)已經(jīng)無法控制相機(jī)良好成像，需要終止自動(dòng)曝光控制。

本實(shí)施方式所述的方法首先通過曝光粗調(diào)對(duì)相機(jī)的曝光時(shí)間進(jìn)行大范圍的調(diào)整，并實(shí)時(shí)監(jiān)測圖像的背景光照度是否出現(xiàn)超過預(yù)設(shè)范圍變化，一旦背景過渡變化，則通過模糊規(guī)則重新對(duì)曝光補(bǔ)償值進(jìn)行測算，反之若背景光照變化較小，則通過變步長的方法對(duì)曝光進(jìn)行精調(diào)，以保證高速相機(jī)調(diào)光的精度。