一种新型的实时自动调光方法以及成像设备

1.本发明涉及成像技术领域，特别是涉及一种新型的实时自动调光方法以及成像设备。


背景技术：

2.太阳的辐射量会随着纬度、季节、天气的变化而变化，而在海天的特殊的光照环境下，由于太阳的仰角、波长、海水表面的起伏(波浪)和接近海面的空气泡等因素，海水表面对太阳辐射有着大约6％的平均反射率。可见光高速相机成像受环境光照度的影响，装备可见光高速相机的光电经纬仪，在靶场任务中通常采用手动调光或者静态自动调光策略(即针对背景光照不变的情况下进行调光，当调整到合适的曝光位置时自动停止)。在光电经纬仪跟踪目标的过程中，由于海天环境背景光照度的剧烈变化，导致可见光高速相机的成像受到严重的影响。随着对光学测控的精度要求不断提高，要保证在准确捕获目标、实时跟踪目标的同时更高效地获取瞬息变化的细节，必须克服目标与背景光照剧烈变化的问题，因此亟需针对经纬仪的实时自动调光算法的研究。
3.目前的基于图像处理的调光策略都是：(1)光强测量，(2)测光评价，(3)指导调光，(4)完成补偿，形成了一个从测量到调整的闭环操作。现有的测光方式通常有两种：硬件测光和图像评价。硬件测光方式需要光度计对主镜中的实时进光量进行测量，通过对进光量的评价，去指导图像传感器的曝光时间完成系统调光。由于可见光高速相机在连续拍摄的方式下，帧速可以达到100f/s，因此前后帧图像的差别一般很小。图像评价的方式是对上一帧图像进行平均测光，通过评价值对当前帧图像进行曝光调整。目前基于图像评价的自动调光主要分为4种：基于平均亮度均值的自动调光算法；基于图像信息熵的调光算法；基于图像直方图的自动调光算法；基于图像内容的自动调光算法。
4.基于平均亮度均值的自动调光算法在计算测光评价值来指导调光系统时，受限于目标和背景差异的影响，对环境的适应性较差，不太适用于作为测光评价值的计算。基于图像信息熵的调光算法可以衡量图像的复杂程度，根据信息熵的范围来确定曝光参数，此方法很容易受到图像本身内容的影响，若图像信号非常平坦且值很小，基于图像信息熵的测光方法导致调光系统向导致图像过曝的方向调整。传统基于图像直方图的评价方法对灰度级数陡峭峰值很敏感，可以通过峰值区域来确定像素灰度权重值，但容易受到噪声的干扰而判断失误，对环境适应性较差。很多根据现有的测光评价函数提出的改进方法，往往由于实时性的问题不适用于靶场高速相机的拍摄需求。
5.专利cn201310384693.4是一种全调光范围快速自动调光方法，包括以下步骤：首先，根据积分时间所处的积分时间区间改变光阑大小，调整积分时间所处的工作区间，扩展调光范围，以保证积分时间在整个调光范围内都可以快速调整由于场景变化所造成的输出图像亮度的变化；然后，通过改变积分时间来调整图像亮度。该方法实现简单，但存在一些问题，如∶(1)复杂的海天背景时，跟踪快速移动目标，图像将会快速的过曝，导致跟踪失败；(2)从光阑最大位置时首先判断积分时间会导致调整时间过长，无法满足经纬仪在运动过
程中的实时调光，效率较低。
6.专利cn201410198357.5是一种基于b-p神经网络判断照明场景的自动曝光方法，包括以下步骤，s1通过视频采集系统获得原始图像；s2将原始图像划分为多个区域；s3求每个区域的图像亮度平均值，获得亮度矢量；s4设计b-p神经网络，将亮度矢量作为神经网络的输入，对照明场景进行判断；s5根据神经网络的判断结果，计算图像的理想亮度；s6将原始图像的实际亮度与理想亮度的偏差作为pid算法的初始输入，利用pid算法获取理想亮度对应的理想可控量；s7依据理想可控量，获得曝光时间t和模拟增益系数g，将t和g传输到视频采集系统的传感器中即可实现自动曝光。该方法对照明场景的判断准确，算法简单，但同样存在图像会快速的过曝而导致跟踪失败以及无法满足经纬仪在运动过程中的实时调光，效率较低的问题，而且该发明的图像亮度判断方法耗时太多，无法满足实时性需求。


技术实现要素：

7.为了解决复杂的环境对测光评价函数的影响，本发明根据图像对比度来判断调光系统是否位于最佳的曝光位置，并通过图像的平均灰度值判断调光系统的调整方向，解决了系统调整方向的判断失误导致的调光失败和无法调整到最佳的曝光位置等问题，同时本发明算法实时性较高，可以满足靶场高速可见光相机的拍摄需求。
8.为实现上述目的，本发明采取如下的技术方案：
9.一种新型的实时自动调光方法，所述方法包括以下步骤：
10.步骤一：获取图像传感器实时采集的当前场景的图像；
11.步骤二：基于八近邻的计算方法计算所述图像的对比度；
12.步骤三：判断所述图像的对比度是否满足图像良好曝光的评价标准，若是，则返回步骤一，重新获取所述图像传感器实时采集的图像，否则执行步骤四；
13.步骤四：计算所述图像的平均灰度值，并根据所述平均灰度值判断光阑的调光方向；
14.步骤五：根据所述调光方向驱动所述光阑进行调整，调整后返回步骤一，重新获取所述图像传感器实时采集的图像。
15.同时，本发明还提出一种成像设备，所述成像设备包括图像传感器、光阑和处理计算机，所述图像传感器与所述光阑封闭于带有通光孔的壳体中，所述光阑包括光阑座、安装在所述光阑座上的光阑片和用于驱动所述光阑片转动的驱动电机，并且所述驱动电机与所述处理计算机连接；
16.所述成像设备拍摄的当前场景的光线经过所述通光孔被所述光阑片线性斩切后入射至所述图像传感器上，所述图像传感器将采集的当前场景的图像传输至所述处理计算机，所述处理计算机执行以下实时自动调光步骤：
17.步骤一：获取所述图像传感器实时采集的当前场景的图像；
18.步骤二：基于八近邻的计算方法计算所述图像的对比度；
19.步骤三：判断所述图像的对比度是否满足图像良好曝光的评价标准，若是，则返回步骤一，重新获取所述图像传感器实时采集的图像，否则执行步骤四；
20.步骤四：计算所述图像的平均灰度值，并根据所述平均灰度值判断光阑的调光方向；
21.步骤五：根据所述调光方向输出电机控制命令至所述驱动电机，使所述驱动电机驱动所述光阑片进行转动，调整所述光阑片的通光量，调整后返回步骤一，重新获取所述图像传感器实时采集的图像。
22.本发明所提出的新型的自动调光方法属于一种基于图像处理的实时自动调光策略，可应用在海天背景等复杂光照条件下的目标测量中。传统的方法有基于价格昂贵的光感元器件实现的自动调光，不仅受限于成本，且感光传感器与图像传感器协同工作导致系统复杂，而本发明基于图像传感器采集的实时图像进行测光评价，系统简单易于实现。
23.本发明的实时自动调光方法可以让调光系统一直处于调光状态，当光电经纬仪在快速跟踪目标时，由于背景光照条件的快速变化导致了图像过曝或欠曝时，可以在第一时间做出响应，指导调光系统运行，保证图像处于最佳曝光状态。本发明具有以下有益效果：
24.(1)本发明的实时自动调光方法的特点是让调光系统一直处于调光状态，通过采用图像的灰度均值与图像对比度相结合的测光策略，实时对图像传感器采集到的图像进行测光评价，具体的评价内容包括：1)利用图像对比度的单峰特性判断当前图像是否处于最佳的曝光状态；2)利用图像的灰度均值的单调特性判断调光系统的调整方向；当背景光照快速变化时，调光系统可以快速相响，保证图像处于最佳曝光状态，达到实时自动调光的目的；
25.(2)本发明的实时自动调光方法可以对可见光高速传感器和短波红外传感器等相机采集的图像进行评价，适用范围广，并且成像设备中的调光系统所设计的调光元件是光阑，成本低，操作方便。
附图说明
26.图1为本发明一种新型的实时自动调光方法的流程图；
27.图2为本发明一种新型的实时自动调光方法的另一个流程图；
28.图3为从欠曝光到过曝光图像对比度示意图；
29.图4为像素八近邻示意图；
30.图5为从欠曝光到过曝光图像的平均灰度值示意图；
31.图6为本发明成像设备的结构示意图；
32.图7为本发明成像设备中光阑的结构示意图。
具体实施方式
33.下面将结合附图及较佳实施例对本发明的技术方案进行详细描述。
34.在其中一个实施例中，本发明新型的实时自动调光方法的调光流程如图1所示，具体包括以下步骤：
35.步骤一：首先由图像传感器对当前场景进行实时图像采集，获取图像传感器实时采集的图像；
36.步骤二：基于八近邻的计算方法计算图像的对比度；
37.对比度表达了图像最高和最低灰度级之间的灰度差，通俗的讲就是亮暗的拉伸对比程度，表现了画质的清晰程度。在同一场景下，图像从欠曝光到过曝光其对比度呈现一种单峰性的对称分布，如图3所示。当对比度最大时，图像处于最佳的曝光状态。常见的对比度
计算均基于四近邻的计算方法，即指计算上下左右四个相近邻像素间的灰度差，而本算法为了实用性更广、鲁棒性更强，采用了基于八近邻的计算方法来计算图像的对比度，如图4所示，具体的图像的对比度计算公式如下：
38.c＝∑
δ
δ(i,j)2p
δ
(i,j)(1)
39.其中：δ(i,j)＝|i-j|表示相邻像素间的灰度差；
40.p
δ
(i,j)表示相邻像素间的灰度差为δ的像素分布概率。
41.步骤三：判断图像的对比度是否满足图像良好曝光的评价标准，若是，则返回步骤一，重新获取图像传感器实时采集的图像，否则执行步骤四；
42.在本发明中，基于图像从欠曝光到过曝光其对比度呈现一种单峰性的对称分布这种特性，以图像的对比度作为评价值，并设定图像良好曝光的评价标准，判断图像的对比度是否满足图像良好曝光的评价标准，如果满足，说明当前正处于良好的曝光状态，然后返回步骤一，重新获取图像传感器实时采集的图像并进行测光评价；如果不满足，说明正处于过曝或者欠曝的状态，因此需要对系统进行调光方向的判断，即执行步骤四。
43.本步骤中图像良好曝光的评价标准为图像的对比度大于对比度阈值，即对比度阈值与最大图像对比度c
max
之间的区域是图像良好曝光的评价标准，其中对比度阈值可以通过两种方式确定，一种是根据经验人工确定对比度阈值的大小，另一种是由算法自动设置，即以评价标准对比度最大值的90％作为对比度阈值，而评价标准对比度最大值是指预设时间段内图像传感器采集的图像的对比度最大值的平均值。本发明采用第二种方式确定对比度阈值，更加符合调光的实际情况。
44.步骤四：计算图像的平均灰度值，并根据平均灰度值判断光阑的调光方向；
45.图像的对比度代表图像的清晰程度，图像亮度可以理解为图像的明暗程度，图像亮度上的变化并不会影响图像的对比度。但是亮度的过度变化，导致了最大灰度值与最小灰度值接近且一致时会影响图像的对比度。在同一场景下，图像从欠曝光到过曝光其平均灰度值呈现一种单调分布，如图5所示。一幅尺寸为m
×
n的图像，其平均灰度值m的计算公式如下：
[0046][0047]
其中：l代表图像的大小，其取值是m
×
n；zk代表图像中所有可能的灰度级，k的取值范围是0～l-1；p(zk)表示图像中灰度级zk出现的概率。
[0048]
仍参见图5，当图像处于欠曝光时，图像的平均灰度值最小值为m
min
，当图像处于过曝光时，图像的平均灰度值最大值为m
max
。取平均灰度值最小值与平均灰度值最大值的平均值作为灰度阈值，计算公式如下：
[0049]mmean
＝(m
max
+m
min
)/2(3)
[0050]
以灰度阈值作为标准，以此来判断调光元件的调整方向。
[0051]
具体地，根据图像的平均灰度值判断光阑的调光方向的过程包括以下步骤：
[0052]
判断平均灰度值是否小于灰度阈值，若是，则判定光阑的调光方向为增加通光量方向，否则判定光阑的调光方向为减少通光量方向。
[0053]
步骤五：根据调光方向驱动光阑进行调整，调整后返回步骤一，重新获取图像传感器实时采集的图像。
[0054]
在本步骤中，根据步骤四所判断的调光方向驱动光阑进行调整，使驱动光阑的步进电机向所判断的调光方向进行移动，并且在光阑调整后返回步骤一，重新获取图像传感器实时采集的图像，重复执行上述步骤，重新开始图像评价。
[0055]
本发明的实时自动调光方法可以让调光系统一直处于修正状态，当出现由于背景光照变化而导致的图像曝光变化时，可以实时对光阑的进光量进行动态调整，以保证图像处于良好的曝光状态。
[0056]
进一步地，如图2所示，在开始自动调光后，步骤一至步骤四与图1所示的步骤一致，区别在于：在根据调光方向驱动光阑进行调整之后，紧接着判断是否接收到结束自动调光的指令，若是，则自动调光结束，否则返回步骤一，重新获取图像传感器实时采集的图像，重复执行上述步骤，重新开始图像评价。其中，结束自动调光的指令可以是操作人员输入的指令，也可以是算法满足结束条件时生成的指令，在实际应用中，可根据实际需要选择结束自动调光状态的方式。
[0057]
本发明结合图像的灰度均值与图像对比度这两种评价指标进行测光评价，可以达到实时检测、实时调整的目的，保证了当前图像处于最佳曝光状态。调整时间短，响应效率快，完全适应各种背景光照快速变化的情景。同时，采用本发明实时自动调光方法的成像设备，其将一直处于动态调整的状态，一旦由于背景光照的变化导致图像曝光不佳，成像设备的调光系统将通过实时自动调光方法判断调整方向并进行快速调整，使得成像设备所成的实时图像一直保持着良好的曝光。
[0058]
本发明所提出的新型的实时自动调光方法具有以下有益效果：
[0059]
(1)采用图像的灰度均值与图像对比度相结合的测光策略进行测光评价，可以达到快速调整系统，满足实时调整的条件；
[0060]
(2)本发明可以自动的判断调光系统的调整方向，相较于其他的先将系统调整到一端，然后再向另一端搜索最佳位置的调光方法，响应速度更快，效率更高；
[0061]
(3)基于八近邻计算的图像对比度的测光评价方法可以应对各种环境，对当前图像的评价更精确，效率更高。
[0062]
在另一个实施例中，本发明还提供一种成像设备，该成像设备的结构图如图6所示，在硬件上，该成像设备主要包含前端用于收集图像信息的图像传感器、作为调光元件的光阑和接收图像传感器采集的图像信息以及控制光阑的通光量的处理计算机，其中图像传感器与光阑封闭于带有通光孔的壳体中，封闭的目的是避免环境光的干扰，图像传感器拍摄所需要的光从主光路中折射进入封闭区，经由通光孔入射至图像传感器上，光阑片的作用就是控制这部分光的通光量的。
[0063]
图像传感器：对当前场景的实时图像进行采集并传输到处理计算机上；
[0064]
光阑：主要包括光阑片、光阑座和驱动电机，如图7所示，光阑片安装在光阑座上，光阑片线性斩切由通光孔入射至图像传感器上的光线，从而实现线性改变通光孔的通光量。驱动电机用于驱动光阑片的转动，驱动电机由处理计算机上的驱动电机控制板卡控制运动。优选地，驱动电机采用步进电机，可通过db9标准接口进行供电和通讯，方便联机。
[0065]
处理计算机不仅获取图像传感器采集的图像信息，而且还利用前述实施例所述的实时自动调光方法来动态调整光阑的通光量，从而保证图像传感器采集的图像处于良好的曝光状态。具体地，处理计算机执行以下实时自动调光步骤：
[0066]
步骤一：获取图像传感器实时采集的当前场景的图像；
[0067]
步骤二：基于八近邻的计算方法计算图像的对比度；
[0068]
步骤三：判断图像的对比度是否满足图像良好曝光的评价标准，若是，则返回步骤一，重新获取图像传感器实时采集的图像，否则执行步骤四；
[0069]
步骤四：计算图像的平均灰度值，并根据平均灰度值判断光阑的调光方向；
[0070]
步骤五：根据调光方向输出电机控制命令至驱动电机，使驱动电机驱动光阑片进行转动，调整光阑的通光量，调整后返回步骤一，重新获取图像传感器实时采集的图像。在本步骤中，处理计算机根据步骤四所判断的调光方向输出电机控制命令至驱动电机，使驱动电机驱动光阑片向所判断的调光方向进行转动，调整光阑片的通光量，并且在光阑调整后返回步骤一，重新获取图像传感器实时采集的图像，重复执行上述步骤，重新开始图像评价。
[0071]
需要说明的是，本实施例中处理计算机所执行的实时自动调光步骤与前述实施例所述的实时自动调光方法的步骤相同，故此处不再赘述。
[0072]
本发明成像设备的调光系统一直处于修正状态，当出现由于背景光照变化而导致的图像曝光变化时，可以实时对光阑的进光量进行动态调整，以保证图像处于良好的曝光状态。
[0073]
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0074]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。