一种基于环境亮度和图像信息熵的相机自动曝光方法与流程

本发明创造属于智能安防行业视频监控领域，尤其是涉及一种基于环境亮度和图像信息熵的相机自动曝光方法。

背景技术：

对于相机的自动曝光(auto-exposure,ae)方法，传统实现方式是基于图像的平均亮度或感兴趣区域(regionofinterest,roi)加权的平均亮度方式作为图像的测光基准，或依据动态调节图像信息熵求取最大值的方式作为自动曝光的目标。然而，智能安防视行业频监控领域的相机广泛应用于室内外各个亮度、对比度以及动态范围场景，以上几种方式在场景适应性上均存在较为明显的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明创造旨在克服上述现有技术中存在的缺陷，提出一种基于环境亮度和图像信息熵的相机自动曝光方法。

为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：

一种基于环境亮度和图像信息熵的相机自动曝光方法，包括：

s1、计算图形的平均亮度和图像的信息熵；根据图形的亮度直方图，计算图像的平均亮度和图像信息熵；

s2、利用图像信息熵，通过加权计算得出自动曝光目标亮度；根据步骤s1中所得的图像信息熵，计算出目标亮度加权，与输入的外设亮度经过计算共同得出加权后的自动曝光目标亮度；

s3、计算当前的环境等效亮度；根据输入的当前曝光时间和增益值，求得环境亮度因素，计算出当前图像的最终亮度值；

s4、计算自动曝光调节量：根据加权后的自动曝光目标亮度和图像最终亮度值，求出当前帧应当调节的曝光值大小和方向；

s5、对自动曝光时间增益进行分配；根据s4得出的曝光值大小和方向，分配曝光时间和增益的调节量。

进一步的，所述步骤s1的具体方法包括：

s11、根据相机帧信息的曝光值，制作图像亮度直方图hist，求得第i阶直方图hist(i)的概率p(i)为：

p(i)＝hist(i)/(h*w)

其中，i为图像亮度直方图hist的灰阶数量，在8位数字图像系统中，i的取值范围为0到255，h和w分别为图像的高和宽；

s12、根据信息熵计算公式求得该帧图像的信息熵h：

s13、求得图像的平均亮度lavg为：

进一步的，所述步骤s2的具体方法包括：根据外部输入的系统目标亮度lin、图像信息熵阈值hth，求得图像自动曝光目标亮度ltar：

ltar＝lin-lunit*max(0，floor(h-hth)/huint)

其中，lunit为目标亮度补偿的权重，huint为图像信息熵计算单位，floor为向下取整。

进一步的，所述步骤s3的具体方法包括：

s31、根据当前系统的曝光时间s和增益g，利用系统的最大曝光时间smax和最大增益值gmax，计算当前帧的外部环境亮度比例值ft:

ft＝s*g/(smax*gmax)

由于曝光时间s不可能为0，由公式可知，ft取值范围为(0,1]，ft越大，证明当前场景亮度越小。

s32、根据s31得到的外部环境亮度系数ft，求出当前场景下环境亮度fenv:

针对环境亮度偏暗和偏亮的场景，分别有直方图亮度权重函数wd和wb，根据环境亮度fenv，可以根据公式：

wf＝wd*fenv+wb*(1-fenv)

求出拟合后的直方图亮度权重函数wf，以此作为求取当前图像亮度的权重映射依据，再根据公式：

得出当前图像最终亮度值lf。

进一步的，所述步骤s4的具体方法包括：比较自动曝光目标亮度ltar和图像亮度lf，按如下公式求得曝光量偏差e，作为下一帧调节的目标：

进一步的，所述步骤s5的具体方法包括：根据s4求得的曝光量偏差e，按照曝光量调整公式动态分配相机系统的曝光时间s、数字增益gd、以及模拟增益ga的增量，曝光量增加依照优先级s>ga>gd的原则、曝光量减少依照优先级gd>ga>s的原则来进行。

相对于现有技术，本发明创造具有以下优势：

本发明提供的一种基于环境亮度和图像信息上的相机自动曝光方法，已经在3559a处理器+imx305图像传感器方案中实现，经测试，这种相机自动曝光方法有效解决了传统ae方法中出现的场景适应性问题，无论是处理宽动态、高对比度还是细节丰富的场景，均能得到较好的结果，充分满足了当前智能安防行业视频监控领域的需要。

本发明相对于传统的基于图像亮度统计信息的自动曝光算法，引入了环境亮度信息、图像的直方图、以及信息熵作为自动曝光系统的参考,首先通过亮度直方图求出图像的平均亮度和信息熵,再在原有目标亮度的基础上根据信息熵计算新的目标亮度,同时根据相机的当前曝光和增益,得出环境亮度系数,对于图像平均亮度进行加权映射,求出当前帧的最终亮度,再通过自动曝光控制逻辑,求出曝光增益的调节范围和方向,从而达到高速、实时地控制相机自动曝光的目的，本发明适用于各种场景的摄像机应用，在保证实时性的基础上，有效提升了相机对于场景的适应性和曝光效果。

附图说明

构成本发明创造的一部分的附图用来提供对本发明创造的进一步理解，本发明创造的示意性实施例及其说明用于解释本发明创造，并不构成对本发明创造的不当限定。在附图中：

图1为本发明创造实施例所述基于环境亮度和图像信息上的相机自动曝光方法的工作流程图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明创造中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明创造的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明创造的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明创造。

一种基于环境亮度和图像信息熵的相机自动曝光方法，如图1所示，包括：

s1、计算图形的平均亮度和图像的信息熵；根据图形的亮度直方图，计算图像的平均亮度和图像信息熵；

s2、利用图像信息熵，通过加权计算得出自动曝光目标亮度；根据步骤s1中所得的图像信息熵，计算出目标亮度加权，与输入的外设亮度经过计算共同得出加权后的自动曝光目标亮度；

s3、计算当前的环境等效亮度；根据输入的当前曝光时间和增益值，求得环境亮度因素，计算出当前图像的最终亮度值；

s4、计算自动曝光调节量：根据加权后的自动曝光目标亮度和图像最终亮度值，求出当前帧应当调节的曝光值大小和方向；

s5、对自动曝光时间增益进行分配；根据s4得出的曝光值大小和方向，分配曝光时间和增益的调节量。

基于相机帧信息的连续性，第n帧的信息可以作为第n+1帧的曝光值计算依据，所述步骤s1的具体方法包括：

s11、根据相机帧信息的曝光值，制作图像亮度直方图hist，求得第i阶直方图hist(i)的概率p(i)为：

p(i)＝hist(i)/(h*w)

其中，i为图像亮度直方图hist的灰阶数量，在8位数字图像系统中，i的取值范围为0到255，h和w分别为图像的高和宽；

s12、根据信息熵计算公式求得该帧图像的信息熵h：

s13、求得图像的平均亮度lavg为：

所述步骤s2的具体方法包括：根据外部输入的系统目标亮度lin、图像信息熵阈值hth，求得图像自动曝光目标亮度ltar：

ltar＝lin-lunit*max(0，floor(h-hth)/huint)

其中，lunit为目标亮度补偿的权重，一般取lunit＝2，huint为图像信息熵计算单位，这里取huint为5000，floor为向下取整。

所述步骤s3的具体方法包括：

s31、根据当前系统的曝光时间s和增益g，利用系统的最大曝光时间smax和最大增益值gmax，计算当前帧的外部环境亮度比例值ft:

ft＝s*g/(smax*gmax)

由于曝光时间s不可能为0，由公式可知，ft取值范围为(0,1]，ft越大，证明当前场景亮度越小。

s32、根据s31得到的外部环境亮度系数ft，求出当前场景下环境亮度fenv:

针对环境亮度偏暗和偏亮的场景，分别有直方图亮度权重函数wd和wb，根据环境亮度fenv，可以根据公式：

wf＝wd*fenv+wb*(1-fenv)

求出拟合后的直方图亮度权重函数wf，以此作为求取当前图像亮度的权重映射依据，再根据公式：

得出当前图像最终亮度值lf。

所述步骤s4的具体方法包括：比较自动曝光目标亮度ltar和图像亮度lf，按如下公式求得曝光量偏差e，作为下一帧调节的目标：

所述步骤s5的具体方法包括：根据s4求得的曝光量偏差e，按照曝光量调整公式动态分配相机系统的曝光时间s、数字增益gd、以及模拟增益ga的增量，曝光量增加依照优先级s>ga>gd的原则、曝光量减少依照优先级gd>ga>s的原则来进行。

本发明提供的一种基于环境亮度和图像信息上的相机自动曝光方法，已经在3559a处理器+imx305图像传感器方案中实现，经测试，这种相机自动曝光方法有效解决了传统ae方法中出现的场景适应性问题，无论是处理宽动态、高对比度还是细节丰富的场景，均能得到较好的结果，充分满足了当前智能安防行业视频监控领域的需要。

本发明相对于传统的基于图像亮度统计信息的自动曝光算法，引入了环境亮度信息、图像的直方图、以及信息熵作为自动曝光系统的参考,首先通过亮度直方图求出图像的平均亮度和信息熵,再在原有目标亮度的基础上根据信息熵计算新的目标亮度,同时根据相机的当前曝光和增益,得出环境亮度系数,对于图像平均亮度进行加权映射,求出当前帧的最终亮度,再通过自动曝光控制逻辑,求出曝光增益的调节范围和方向,从而达到高速、实时地控制相机自动曝光的目的，本发明适用于各种场景的摄像机应用，在保证实时性的基础上，有效提升了相机对于场景的适应性和曝光效果。

以上所述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、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。