光电经纬仪用高速相机自动曝光方法与流程

本发明涉及光电技术领域，具体涉及一种光电经纬仪用高速相机自动曝光方法。

背景技术：

随着CMOS图像传感器(CMOS Image Sensor,CIS)技术的迅速发展，CIS系统在军事和民用领域都得到了广泛的应用。高速相机是CIS系统的一种，其帧率是普通CIS系统(例如：NTSC 30fps或PAL 25fps)的几倍至几千倍甚至更高，凭借这一特点，高速相机被广泛应用于记录目标运动过程中的特定瞬间状态或者全部过程，以获得精准的时间、空间信息，为研究高速现象的运动规律提供可靠的依据。

高速相机普遍采用高灵敏度的图像传感器，对观测目标亮度以及背景光照要求较高，早期的高速相机一般应用在可以人工提供良好光照的条件下，例如工业检测及运动员运动状态观测等。目前，随着对高速目标运动特性分析更广泛的需求，高速相机开始应用于自然光条件下，如光电经纬仪等。但自然界中光照的动态范围远高于CIS的动态范围，高速相机拍摄的图像特别容易饱和，并且导致丢失大量图像细节，无论后续人眼观察还是图像跟踪器判别图像特征都将受到很大影响，从而影响光电经纬仪等的跟踪性能。因此，本发明着重研究了光电经纬仪用高速相机在执行任务时如何能快速地退出曝光过度或欠曝光状态，并找到较为准确的曝光值，为后续的调焦以及目标跟踪提供有良好曝光程度的图像。

自动曝光(Auto Exposure,AE)已经成为影响数字相机成像质量的一个重要因素。通过自动调整相机的曝光时间，自动曝光系统可以有效降低相机的过曝光或欠曝光现象，使获得图像的细节信息最大化。

目前，国内外有很多研究从平均亮度值、图像亮度直方图、信息熵、DCT变换、数学迭代以及图像融合等算法对自动曝光进行了研究。但其中大多数仅针对拍摄静止图片的数码相机，或者工作在常规频率的摄像机，鲜有针对高速相机在目标背景光照不断变化的情况下进行自动调光的研究。

技术实现要素：

本发明为解决现有技术的自动曝光方法无法实现对高速相机在目标背景光照不断变化的情况下进行自动调光的问题，提供一种光电经纬仪用高速相机自动曝光方法。

光电经纬仪用高速相机自动曝光方法，该方法由以下步骤实现：

步骤一、采用HF函数对输入的图像亮度进行分析；具体分析过程为：

将HF函数定义为经过归一化后的图像直方图中亮度值高于亮度门限值th的图像直方图归一化函数之和；

所述HF函数为：

采用四个参数对高速相机捕获的图像亮度进行分析，所述四个参数分别为亮度门限值th为平均亮度值时HF函数值H_mean，亮度门限值th为平均亮度值一半时HF函数值H_half，亮度门限值th为平均亮度值二倍时HF的函数值H_twice以及计算值H_diff，所述计算值H_diff的值为反应获得图像中亮区域与暗区域的对比度；

步骤二、曝光粗调以及曝光精调，实现高速相机自动曝光；

在曝光粗调的过程为：

a、判断亮度门限值th为平均亮度值二倍时HF的函数值H_twice是否大于等于过曝光门限值α，如果是，执行步骤b，如果否，执行c；

b、减小曝光时间，返回步骤a；

c、判断亮度门限值th为平均亮度值一半时HF函数值H_half是否大于等于欠曝光门限值β，如果是，增加曝光时间，返回a，如果否，执行步骤d；

d、进行曝光精调；

曝光精调的过程为：

A、判断H_R(k)是否大于等于曝光点门限值γ，如果是，采用模糊规则计算补偿步长C_p，如果否，执行步骤B；

B、判断H_m(k)是否大于0，所述H_m(k)为第k幅图像的H_half值与k-1幅图像的H_half值的差，所述H_m(k)＝H_half(k)-H_half(k-1)；

如果是，则执行步骤C，如果否，执行步骤D；

C、将补偿步长C_p值缩小N倍，即：C_p＝C_p/N，同时以第k-2幅图像的曝光补偿步长作为参考进行补偿，用公式表示为：E(k)＝E(k-2)×C_P；

判断C_p是否小于等于θ，如果是，则保持第k-2幅图像的曝光补偿步长不变，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)；

上述步骤A中，

H_R(k)为第k幅图像与经过模糊规则补偿的首幅图像H_O(0)过曝光像素点的比率；H_R(k)的估计函数为：

式中H_O(k)为第k幅图像的过曝光像素总和；

采用模糊规则计算补偿步长C_p的具体过程为：

采用三角型隶属度函数将亮度门限值th为平均亮度值时HF函数值H_mean与计算值H_diff分别归纳为五种程度的三角型隶属度函数；

设定C(i,j)为曝光时间的补偿值，曝光时间调整的方向用正负号表示，λ为曝光时间调整步长；

定义u(ij)为模糊规则的三角型隶属程度，用公式表示为：

定义

式中，U(i)与U(j)分别为计算值H_diff及亮度门限值th为平均亮度值时HF函数值H_mean的隶属度函数；

所述补偿步长C_p由下式得出：

则第k幅图像的曝光时间，用公式表示为：

E(k)＝E(k-1)×C_P。

本发明的有益效果：本发明采用图像直方图特征(Histogram Feature,HF)函数的自动曝光方法，用于在背景光照快速、大范围变化的情况下对高速相机进行自动曝光控制。

本发明所述的方法可以在2ms时间内完成一帧图像的亮度测量并对曝光时间进行调整，相对于平均亮度值法与数学迭代法等直接使用图像的亮度信息作为评价标准的方法，图像直方图特征函数方法可以在短时间内提供更高的信息熵值；与直接使用图像信息熵作为评价标准的方法比较，

本发明所述的方法可以通过HF函数判断出补偿方向与步长减少自动曝光系统搜索时间。实验表明采用图像直方图特征函数的自动曝光方法可以有效提高高速相机自动曝光的准确性及稳定性，为后续图像识别以及图像跟踪提供较多的图像细节信息。

附图说明

图1为本发明所述的光电经纬仪用高速相机自动曝光方法的系统结构图；

图2为本发明所述的光电经纬仪用高速相机自动曝光方法的流程图。

图3为本发明所述的光电经纬仪用高速相机自动曝光方法中HF函数的隶属度函数原理图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1至图3说明本实施方式，光电经纬仪用高速相机自动曝光方法分为两个步骤，

第一步是图像亮度的测量：图1显示了高速相机自动曝光系统的整体过程。具体过程为：

高速相机通过Camera Link将图像显示给用户，当相机执行自动曝光后，为了降低系统计算量，当前获得的图像首通过HF函数对获取图像的亮度进行分析。

灰度直方图(Histogram)是灰度级的函数，它表示图象中具有每种灰度级的象素的个数，反映图象中每种灰度出现的频率。设定输入图像为I(x,y)，有xy个像素点，灰度级为L，h(r)为I(x,y)的灰度直方图：所述灰度直方图h(r)用公式表示为：

其中，

将灰度直方图h(r)归一化，得：

norm(r)＝h(r)/xy且

虽然灰度直方图可以准确的表示图像中所有像素点在每种灰度级的分布情况，但是它对于图像中亮度轻微变化以及噪声影响过于敏感，在用于机器评判图像亮度时，往往会导致评价函数震荡。为了提高测量目标与背景的亮度鲁棒性，将HF函数定义为经过归一化后的图像直方图中亮度值高于亮度门限值th的图像直方图归一化函数之和；

所述HF函数为：

在本实施方式中采用四个参数对高速相机捕获的图像进行测量，其中三个通过HF函数获得的参数记为：H_mean、H_half以及H_twice，它们分别为亮度门限值th为平均亮度值时HF的函数值、亮度门限值th为平均亮度值一半时的HF函数值与亮度门限值th为平均亮度值二倍时的HF函数值。第四个参数H_diff为计算值，用公式表示为：

第二步是曝光时间调整。图2显示了本实施方式提出的自动曝光方法大致分为曝光粗调以及曝光精调。

在曝光粗调阶段，首先对获得的图像亮度进行提取，并获得感四个HF函数值。随后，采用下述判断方式可以触发曝光粗调，曝光粗调的过程为：

a、判断亮度门限值th为平均亮度值二倍时HF的函数值H_twice是否大于等于过曝光门限值α，如果是，执行步骤b，如果否，执行c；

b、减小曝光时间，返回步骤a；

c、判断亮度门限值th为平均亮度值一半时HF函数值H_half是否大于等于欠曝光门限值β，如果是，增加曝光时间，返回a，如果否，执行步骤d；

d、进行曝光精调；所述曝光精调的过程为：

在曝光精调阶段中，H_R(k)表示第k幅图像与经过模糊规则补偿的首幅图像H_O(0)过曝光像素点的比率。H_R(k)的估计函数为：

其中H_O(k)代表第k幅图像的过曝光像素总和。在本实施方式中，过曝光的像素点被定义为超过最大亮度值95％的像素点，同时曝光点门限值γ预设为0.2。

当获得的图像为首张图像或H_R(k)超过曝光点门限值γ时，

本实施方式的自动曝光系统通过模糊规则对曝光时间补偿的方向以及补偿进行判断，首先使用三角型隶属度函数将H_mean与H_diff分别归纳为VS、S、M、B以及VB 5种程度，针对这些隶属度函数，提出了12条模糊规则对

曝光值进行补偿，C(i,j)代表曝光时间的补偿值，正负号表示曝光时间调整的方向，λ为曝光时间调整步长。

定义u(i,j)为模糊规则的三角型隶属程度，用下式表示为：

U(i)与U(j)分别为H_diff及H_mean的隶属度函数。

补偿步长可以由式得出：

则第K幅图像的曝光时间由式可得：

E(k)＝E(k-1)×C_P (9)

式中E(k)代表第k幅图像的曝光时间。

当H_O(k)不超过门限值时，则继续判断H_m(k)。

H_m(k)表示第k幅图像的H_half值与k-1幅图像的H_half最小值的差，其函数如式所示：

H_m(k)＝H_half(k)-H_half(k-1) (10)

当H_m(k)<0时，第k幅图像的曝光时间以第k-1幅图像的曝光值作为参考进行补偿，如式(10)所示。

当H_m(k)>0时，则将Cp值缩小N倍，同时以第k-2幅图像的曝光值作为参考，如式所示：

E(k)＝E(k-2)×C_P (12)

同时若Cp小于门限值θ则保持第k-2幅图像的曝光值不变，如式所示：

E(k)＝E(k-2) (13)

本实施方式中定义三角型隶属度函数的五种程度分别为：非常小VS，小S，中等M，大B以及非常大VB，针对五种程度的三角型隶属度函数，采用下述12条模糊规则对曝光时间是进行补偿；

规则1：设定当计算值H_diff的值为非常小VS并且当亮度门限值th为平均亮度值H_mean为非常小VS时，补偿值C(1,1)为-2λ；

规则2：设定当计算值H_diff的值为非常小VS并且当亮度门限值th为平均亮度值H_mean为小S时，补偿值C(1,2)为+2λ；

规则3：设定当计算值H_diff的值为非常小VS并且当亮度门限值th为平均亮度值H_mean为M，补偿值C(1,3)为+4λ；

规则4：设定当计算值H_diff的值为非常小VS并且当亮度门限值th为平均亮度值H_mean为大B时，补偿值C(1,4)为+3λ；

规则5：设定当计算值H_diff的值为非常小VS并且当亮度门限值th为平均亮度值H_mean为非常大VB时，补偿值C(1,5)为+λ；

规则6：设定当计算值H_diff的值为小S并且当亮度门限值th为平均亮度值H_mean为非常小VS时，补偿值C(2,1)为–λ；

规则7：设定当计算值H_diff的值为小S并且当亮度门限值th为平均亮度值H_mean为小S时，补偿值C(2,2)为+λ；

规则8：设定当计算值H_diff的值为小S并且当亮度门限值th为平均亮度值H_mean为中等M时，补偿值C(2,3)为+3λ；

规则9：设定当计算值H_diff的值为小S并且当亮度门限值th为平均亮度值H_mean为大B时，补偿值C(2,4)为+2λ；

规则10：设定当计算值H_diff的值为小S并且当亮度门限值th为平均亮度值H_mean为非常大VB时，补偿值C(2,5)为λ；

规则11：设定当计算值H_diff的值为小为中等M并且当亮度门限值th为平均亮度值H_mean M时，补偿值C(3,3)为λ；

规则12：其他情况，补偿为0。

本实施方式所述的曝光粗调中，α、β以及曝光时间减小与增大的幅度为预先设定的固定值。与此同时，还需要判断曝光时间是否已经达到高速相机的最低或最高曝光时间。当系统检测到相机的曝光时间需要超出最低或最高曝光时间后，表示针对目前光照条件，自动曝光系统已经无法控制相机良好成像，需要终止自动曝光控制。

本实施方式所述的方法首先通过曝光粗调对相机的曝光时间进行大范围的调整，并实时监测图像的背景光照度是否出现超过预设范围变化，一旦背景过渡变化，则通过模糊规则重新对曝光补偿值进行测算，反之若背景光照变化较小，则通过变步长的方法对曝光进行精调，以保证高速相机调光的精度。