[发明专利]一种基于类直方图的自动曝光方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于类直方图的自动曝光方法，尤其涉及图像传感器(CCD、CMOS)的自动曝光调节方法，除常规目标环境外，还可广泛应用于暗背景亮目标、目标大小和位置不确定的探测对象(如深空探测等)。

背景技术

曝光量是用来计算从被拍摄物到达相机光通量大小的物理量。而到达CCD/CMOS传感器的光通量大小主要由两方面因素决定：曝光时间的长短以及光圈值的大小。在光圈一定的情况下，合适的图像亮度可以通过改变曝光时间的长短或改变图像传感器增益来实现，但是增益的变化相应的会给图像引入噪声，使得后续处理工作复杂化。曝光时间可以通过测量被拍摄物体亮度来进行计算得到。在深空探测中，被拍摄对象和相机最近距离时上百公里，而且太空环境为暗背景，因此根据测光来进行曝光时间的计算就会有较大误差。为此需要通过图像处理的方法来进行曝光量计算，目前普通相机的自动曝光算法对目标位于视场中心或非均匀目标能实现有效的自动曝光，但对于深空探测中的暗背景亮目标、目标大小和位置不确定时曝光效果不是很理想。一种用于自动曝光调节的方法及控制系统(中国，200510080327.5)提出将图像曝光强度值调整到目标曝光强度值区间内，由于相同照度下目标大小、形状不同其亮度亦不相同，因此该方法应用有一定的局限性；MOS图像传感器中快速自动曝光或者增益控制的方法(中国，02150634.5)提出对于CMOS图像传感器自动曝光时统计每个像素点的强度，根据某强度区域像素点个数来调整相应的曝光时间，但是像素强度属于电学概念，在统计时相对比较复杂。

发明内容

本发明提出一种基于类直方图的自动曝光调节和方法，通过统计目标区域每个像素的灰度值，从而将目标区域平均灰度调整到一个合适区域内(误差允许范围)。该方法对深空探测中的暗背景亮目标、目标大小不确定等各种情况取得很好的曝光效果。

对于暗背景中位置随机的亮目标和小目标，图像直方图统计的方法不适用，因为目标的有效像素数可能比噪声点还要少。针对暗背景亮目标最简单的方法是采用设置一个阈值，将灰度大于该阈值的所有像素计算平均灰度，调整该平均灰度达到一个期望值，通过试验证明该方法对暗背景亮目标能够较好的实现自动曝光，但是对于不均匀的充满整个视场的目标，相当于整幅图像求均值，曝光效果不理想。

本专利在图像统计中，设置了两个阈值T_H和T_L(定义后述)，且T_H＞T_L，将整个(10～255)灰度级划分为L、M和H三个区间，从图像的左上角一直向右下角扫描，对每个像元的灰度值判断，分别对L区间、M区间和H区间进行统计灰度并求三个区间的平均灰度；对这三个区间分别取不同加权系数，将三个区间的平均灰度加权求均值，调整曝光时间使得该加权均值达灰度期望值。

综合考虑，本发明的技术方案如下：

基于类直方图的自动曝光方法，包括以下步骤：

1)将整个理论灰度域按照灰度级划分为若干个灰度区间，确定灰度期望值；

2)接收图像传感器输出的图像数据，判断图像数据中各个像元的灰度值及其所属灰度区间，分别计算各灰度区间内的灰度平均值，然后对若干个灰度区间的灰度平均值进行加权平均计算，得到灰度加权均值；

3)将灰度加权均值与灰度期望值进行比较，若满足要求，则默认当前曝光量为最佳值；若不满足要求，则进行步骤4)；

4)根据灰度加权均值与灰度期望值对积分时间进行控制，即根据灰度加权均值与灰度期望值的差计算出新的曝光时间，图像传感器按照新的曝光时间采集图像信息，执行步骤2)。

上述曝光时间的控制可采用定步长调节、变步长的步长迭代法、比例调节、PID调节、二次方调节、模糊控制等。

上述灰度期望值的确定是根据类似场景的统计分析的得到的，加权平均计算过程中加权系数的匹配是通过查找表实现的，该表相当于选值规则表，一般通过对类似场景的试验得出。所谓“类似场景”，即一切具有暗背景、亮目标特点的目标场景。

上述若干个灰度区间是根据类似场景的统计分析确定两个阀值T_H和T_L，将10～255灰度级划分得到的L、M和H三个区间，其中T_H＞T_L。

上述灰度加权均值的计算方法为