CN109151455B - 一种用于变焦镜头不同焦段下对比度衰减的补偿方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于变焦镜头不同焦段下对比度衰减的补偿方法和装置，包括（1）获得预览画面，然后参照二十四色卡将预览画面划分成一定数量的像素；（2）使二十四色卡充满镜头画面，记录当前的快门时间和ISO感光度，直到镜头模块中的摄像机调整到目标亮度附近；（3）计算预览画面每一个像素的灰度统计值，然后对所有像素的灰度统计值进行直方图统计；（4）完成所有焦段的灰度数据的统计和直方图的统计；（5）以最小焦段下的直方图统计数据为基准数据，拟合其他焦段下的直方图统计数据，得到一个调整系数；（6）根据所得调整系数和当前焦段，在镜头模块中的镜头实际焦段调整时，结合最小焦段的初始化对比度曲线与当前焦段的调整系数，计算输出对应该焦段下矫正补偿后的对比度曲线（即矫正曲线）。
Description
技术领域
本发明属于视频监控技术领域，具体涉及到一种用于变焦镜头不同焦段下对比度衰减的补偿方法和装置。
背景技术
变焦镜头在不同焦段下使用时，由于MTF（Modulation Transfer Function调制传递函数）曲线的低频率部分会随着焦段的变化而变化，焦段越大调制传递函数曲线衰减越严重，在预览画面上所呈现出来的就是画面对比度低。对于该现象，现有的方案是在光学成像***加工时，采用消色差镀膜技术消除调制传递函数曲线随焦段衰减的问题。但是，由于成本原因，只有在高成本的镜头上才会使用。对于没有使用该种镀膜技术的镜头，就会出现在对着相同场景下，随着焦段变大，画面对比度不够的问题，影响实际使用效果。
因此，有必要提供改进的技术方案以克服现有技术中存在的技术问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种用于变焦镜头不同焦段下对比度衰减的补偿方法，所述补偿方法的技术方案为：
所述补偿方法由环境装置来执行，所述环境装置包括矩阵面光源、镜头模块、标准图像模块、数据交互模块和移动轨道；所述补偿方法包括以下步骤：
（1）在恒定均匀光照环境下，镜头模块中的镜头调整到最小焦段下，对准一个具备滑动装置的标准图像模块得到预览画面，根据二十四色卡将预览画面划分成100px*100px像素块，所述100px*100px像素块的数量为镜头模块中的摄像机的实际分辨率的百分比的20%以上；
（2）在恒定均匀光照环境下，固定所述镜头模块中的镜头的光圈大小到最佳光圈大小，将所述镜头模块中的镜头对准二十四色卡，保证二十四色卡充满整个画面，记录当前的快门时间和ISO感光度，直到所述镜头模块中的摄像机调整到目标亮度50个亮度单位附近，亮度容差不超过5个亮度单位；
（3）根据所述二十四色卡中各个像素点的灰度值数据，通过数学方法计算得到所述标准图像模块中的预览画面的每一个像素块的灰度统计值；获取到所述标准图像模块中的预览画面所有像素块的灰度统计值后，使用直方图进行统计；所述直方图的横坐标为灰度统计值，所述直方图的纵坐标为像素块个数；
（4）调节镜头模块中的镜头到下一个焦段，同时调整镜头模块中的镜头与二十四色卡的物距大小，保证二十四色卡依然充满整个画面，重复（2）~（3）步骤，完成所有焦段的灰度统计值和直方图统计；
（5）以最小焦段下的直方图统计数据为基准数据，拟合其他焦段下的直方图统计数据，得到一个调整系数，该调整系数能够使得其他焦段下的直方图统计数据乘以该调整系数后，使得所述其他焦段下的直方图统计数据分布特征与最小焦段下的直方图统计数据最为接近；所述的调整系数是由多项式分布拟合方法得到；
（6）根据所述的调整系数以及镜头模块中的镜头实际焦段调整时的当前焦段，且结合最小焦段的初始化对比度曲线与当前焦段的调整系数，计算输出对应当前焦段下的矫正曲线；所述最小焦段的初始化对比度曲线是一条线性曲线，具体为y=x，x代表矫正前的该像素的灰度统计值，y代表矫正后的该像素的灰度统计值；对于某一焦段下，上述公式则变为y=k*x，k就是代表步骤（5）所述调整系数;
（7）根据所述调整系数，得到各焦段矫正输出曲线的数组B[N]，写入镜头模块中的镜头；镜头模块中的镜头在实际焦段调整时，根据当前焦段和当前焦段的矫正输出曲线数组，插值得到当前焦段的矫正输出曲线，补偿当前焦段下由于镜头模块中镜头调制传递函数曲线衰减而引起的对比度衰减。
在一个或多个实施方案中，在如前所述补偿方法中，步骤（3）所述数学方法为对所述预览画面统计所述预览画面每一个像素点的R通道、G通道和B通道的值，再通过公式sqrt(R*R+G*G+B*B)得到所述灰度统计值。
在一个或多个实施方案中，在如前所述补偿方法中，步骤（4）中所述镜头模块中的镜头与二十四色卡的物距的大小为ΔL =(H/h+1)*(l2-l1)，H为标准图像模块物理高度，h为所述镜头模块中的摄像机中感光元器件成像高度，l1为焦段1下后焦距离，l2为焦段2下后焦距离；ΔL为镜头从焦段1变化到焦段2下，所述二十四色卡需要调整的距离。
在一个或多个实施方案中，在如前所述补偿方法中，步骤（5）中所述调整系数作为得到各个焦段下对比度调整曲线的内插参数，具体的计算方式如下：
a.基准数据数组a[m]的最小值为a1，最大值为a2，总共有m个数据;所述基准数据数组包括a[16]={2,4,6,8,10,12,14,16,18,20,22,24,26,28,30,32}；
b. 基准输出曲线数组b[n]的最小值为b1，最大值为b2，总共有n个数据; 所述的基准输出曲线数组包括b[16]={12,14,16,18,2,4,6,8,10, 20, 28,30,32,22,24,26}；
c. 某一焦段矫正输入数据数组A[M]的最小值为A1，最大值为A2，总共有M个数据;所述矫正输入数据数组包括A[16]={1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16}；
d. 某一焦段矫正输出曲线数组B[N]的最小值为B1，最大值为B2，总共有N个数据;所述矫正输出曲线数组包括B[16]={1,2,3,4,5,6,7,8, 8,8,8,8,8,8,8,8}；
e. 对基准数据数组a[m]进行归一化运算得到数组Δa[m]，数组Δa[m]单位统一到矫正输入数据数组A[M]的维度，计算方式如下Δa[m]=a[m]*M/m；所述的Δa[m]是指数据数组a[m]在m个数据中找到第M个所对应的值；
f. 基准输出曲线数组b[n]进行归一化运算得到数组Δb[n]，数组Δb[n]单位统一到矫正输出曲线数组B[N]的维度，计算方式如下Δb[n]=b[n]*N/n；所述的Δb[n]是指数据数组b[n]在n个数据中找到第N个所对应的值；
g. 最后使用基于内插法的公式计算方式得到某一焦段矫正输出曲线数组B[N]；所述B[N] =(Δb[n]-b1) *(A[M]-a1)/(Δa[m]-a1)+b1，所述c[t]=(Δb[n]-b1)/(Δa[m]-a1)。
在一个或多个实施方案中，在如前所述补偿方法中，步骤（7）中所述插值的具体步骤如下：
a. 每一个焦段下都有一组矫正输出曲线数组B[N]，所有焦段下的矫正输出曲线数组为B1[P][N]，其中P指有P组焦段值，N指某一焦段值下的矫正输出曲线数组，数组B1[P][N]中的最大值为b；
b. 设有对比度曲线G，所述对比度曲线包括gamma曲线或其他可以影响对比度的曲线，所述对比度曲线上的最大值为g；
c. 如果镜头模块中的镜头最大焦段为zoom-max，按照步骤a所述的P组焦段值均分得到：t=zoom-max/P；
d. 得到t后，获取镜头模块中当前镜头的焦段zoom-cur，得到i=zoom-cur/t；
e. 得到矫正补偿后的对比度曲线G1=G*g*B1[i][N]/b。
本发明还提供一种使用上述补偿方法的环境装置。
在一个或多个实施方案中，在如前所述环境装置中，所述环境装置包括矩阵面光源、镜头模块、标准图像模块、数据交互模块和移动轨道；所述矩阵面光源包括匀光板。
本发明的有益效果：本发明提供了一种用于变焦镜头不同焦段下对比度衰减的补偿方法和装置，节省了光学镀膜成本，实现无镀膜的低成本镜头也能具备高成本光学镀膜镜头一样的对比度成像的效果。
附图说明
参照附图来说明本发明的公开内容。应当了解，这些附图仅仅用于说明的目的，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。
图1. 环境装置组成图；
图2. 计算参数示意图；
图3. 本发明的技术构思流程图。
具体实施方式
如无具体说明，本发明的各种原料均可以通过市售得到；或根据本领域的常规方法制备得到。除非另有定义或说明，本文中所使用的所有专业与科学用语与本领域技术熟练人员所熟悉的意义相同。此外任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。
本发明的其他方面由于本文的公开内容，对本领域的技术人员而言是显而易见的。
实施例1. 一种用于变焦镜头不同焦段下对比度衰减的补偿方法
一种用于变焦镜头不同焦段下对比度衰减的补偿方法，包括如下的步骤：
（1）图1为一种环境装置组成图。该环境装置包括矩阵面光源、镜头模块、标准图像模块、数据交互模块和移动轨道。
在恒定均匀光照环境下，将镜头模块的镜头调整到最小焦段下，对准一个带有滑动装置的标准图像模块，获得预览画面；根据标准图像模块将预览画面划分成一定数量的像素块，比如100px*100px；所述的一定数量的像素块是根据镜头模块中的摄像机的实际分辨率的百分比的20%以上进行设置，如在1920*1080的分辨率条件下，所属的一定数量像素块可以是960*540；如图1所示。其中，恒定均匀光照环境是通过使用加匀光板的矩阵面光源产生的；标准图像模块包括不仅限于灰阶色卡或二十四色卡模块。同时，将镜头模块保持固定，标准图像模块与镜头模块的距离间隔可以通过标准图像模块在移动轨道上的移动来改变。调整的依据是根据镜头模块到达焦段1后，调整标准图像模块与镜头模块的距离，直到标准图像模块能够被镜头模块采集到清晰完整的预览画面，记录此时标准图像模块与镜头模块的距离为S1。同样地，当镜头模块到达焦段2后，再一次调整标准图像模块与镜头模块，直到标准图像模块能够被镜头模块采集到清晰完整的预览画面，记录此时标准图像模块与镜头模块的距离为S2。上述不同焦段下，标准图像模块在移动轨道上做移动，所有的移动调整都由数据交互模块执行，数据交互模块控制标准图像模块的移动方向和移动步长。所述数据数据交互模块移动步长为S2-S1。
（2）在恒定均匀光照环境下，固定镜头模块中的镜头光圈大小到最佳光圈大小，将镜头模块中的镜头对准二十四色卡，保证二十四色卡充满整个画面，记录当前的快门时间和ISO感光度大小，直到镜头模块中的摄像机调整到目标亮度附近，在此处采用的目标亮度为50个亮度单位。将光圈大小(记为F)、快门时间(记为S)和ISO感光度大小(记为G)三个分量转换为统一等效值；在此处，将光圈大小、快门时间和感光度大小三个分量转换为统一等效值，是指将三个分量的乘积为亮度大小值，但是是相同的亮度大小值，具体的操作方式是每次固定三个分量中的任意两个分量，然后记录剩下一个可变分量在每增加一个亮度单位的情况下对应需要调整多少大小的数量值。三个分量都记录完成各自与亮度单位的对应关系后，三个变量数值之间就可以统一到亮度单位。所述的统一等效值即是曝光等效值。包括但不仅限于dB为等效值。根据最小焦段下画面达到目标亮度附近时三个分量等效值的乘积，得到曝光等效值(记为EV)。三者的关系为：F*S*G=EV，在其他焦段下，镜头模块中的镜头调整画面亮度的依据是，保正F不变的前提下，自动调整曝光的S和G值，实现最终乘积EV保持不变。
（3）根据所述像素统计二十四色卡画面中各个像素点的灰度值数据，计算得到标准图像模块的预览画面每一个像素的灰度统计数据，其中所述灰度值统计数据包括但不限于Y分量信息；具体的计算方式为直接对获取到的标准图像模块的预览画面统计每一个像素点的R通道、G通道和B通道的值，再通过使用公式sqrt(R*R+G*G+B*B)得到；获取到当前标准图像模块的预览画面所有像素的灰度统计数据后，再对数据使用直方图统计，横坐标为灰度统计数据，纵坐标为像素个数。
（4）调节镜头模块中的镜头到下一个焦段，同时调整镜头模块中镜头与标准图像模块的物距，保证标准预览画面依然充满整个镜头模块中的镜头的画面；要调整的物距大小(ΔL)，由镜头模块中的镜头变倍后，根据镜头模块中的镜头后焦距离(l)、感光元器件的成像高度(h)、标准图像模块物理高度(H)计算得到；具体的计算方式如图2所示。所述物距大小(ΔL)是指标准图像模块需要移动的距离。
其中，h为镜头模块中的摄像机中感光元器件成像高度，H为标准图像模块物理高度，l1为焦段1下后焦距离，L1为焦段1下物理距离，l2为焦段2下后焦距离，L2为焦段2下物理距离，ΔL为镜头模块中的镜头从焦段1变化到焦段2下，标准图像模块需要调整的距离。所述的“L1为焦段1下物理距离”以及“L2为焦段2下物理距离”，均是指镜头模块中的摄像机与被摄物体的物距。
ΔL = (l2+L2)-(l1+L1)
L2 = (H/h)*l2
L1=(H/h)*l1
经过上述公式推导得到如下公式：
ΔL =(H/h+1)*(l2-l1)
（5）重复（3）到（4）步骤，直至完成从最小焦段到最大焦段的所有数据记录后，以最小焦段下的像素灰度统计数据(标记为数组a[m])作为基准数据，最小焦段下的对比度曲线(标记为数组b[n])为初始化对比度曲线。所述最小焦段的初始化对比度曲线是一条线性曲线，具体为y=x。y代表标准图像模块的预览画面中像素的输出灰度值，x代表标准图像模块的预览画面中像素的输入灰度值。其他焦段下的预览画面像素灰度统计数据(标记为数组A[m])作为矫正输入数据，调整系数(标记为数组c[t])作为得到各个焦段下对比度调整曲线的内插参数。具体的计算方式如下：
a.基准数据数组a[m]的最小值为a1，最大值为a2，总共有m个数据;上述的基准数据数组包括但不仅限于a[16]={2,4,6,8,10,12,14,16,18,20,22,24,26,28,30,32}
b. 基准输出曲线数组b[n]的最小值为b1，最大值为b2，总共有n个数据;上述的基准输出曲线数组包括但不仅限于b[16]={ 12,14,16,18,2,4,6,8,10, 20, 28,30,32,22,24,26}。
c. 某一焦段矫正输入数据数组A[M]的最小值为A1，最大值为A2，总共有M个数据;上述的矫正输入数据数组包括但不仅限于A[16]={1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16}。
d. 某一焦段矫正输出曲线数组B[N]的最小值为B1，最大值为B2，总共有N个数据;上述的矫正输出曲线数组包括但不仅限于B[16]={ 1,2,3,4,5,6,7,8, 8,8,8,8,8,8,8,8}。
e. 对基准数据数组a[m]进行归一化运算得到数组Δa[m]，数组Δa[m]单位统一到矫正输入数据数组A[M]的维度，计算方式如下Δa[m]=a[m]*M/m；所述的Δa[m]是指数据数组a[m]在m个数据中找到第M个所对应的值。
f. 基准输出曲线数组b[n]进行归一化运算得到数组Δb[n]，数组Δb[n]单位统一到矫正输出曲线数组B[N]的维度，计算方式如下Δb[n]=b[n]*N/n；所述的Δb[n]是指数据数组b[n]在n个数据中找到第N个所对应的值。
g. 最后使用基于内插法的公式计算方式得到某一焦段矫正输出曲线数组B[N]，这里举例一个简单的内插方式，但具体方法不仅限于此种;
B[N] =(Δb[n]-b1) *(A[M]-a1)/(Δa[m]-a1)+b1
c[t]=(Δb[n]-b1)/(Δa[m]-a1)
（6）根据所述的调整系数，得到各焦段矫正输出曲线数组B[N]后，写入镜头模块的镜头中。镜头模块中的镜头在实际焦段调整时，根据当前焦段和矫正输出曲线数组，插值得到当前的矫正输出曲线，补偿当前焦段下由于镜头模块中镜头调制传递函数曲线衰减而引起的对比度衰减。其中，插值过程如下：
a. 每一个焦段下都有一组矫正输出曲线数组B[N]，所有焦段下的矫正输出曲线数组为B1[P][N]，其中P指有P组焦段值，N指某一焦段值下的矫正输出曲线数组，数组B1[P][N]中单位上限为b；
b. 设有对比度曲线G，这里的对比度曲线可以是gamma曲线，也可以是任何其他可以影响对比度的曲线，对比度曲线的单位上限为g；
c. 如果镜头模块中镜头最大焦段为zoom-max，按照1)所述的P组焦段值均分得到：t=zoom-max/P；
d. 得到t后，获取当前在镜头的焦段zoom-cur，得到i=zoom-cur/t；所述的i是指当前焦段zoom-cur下所对应的数组B1[P][N]中P维度的下标号。
e. 得到矫正补偿后的对比度曲线G=G*g*B1[i][N]/b；
（7）具体的控制流程如图3所示。
虽然在本公开中已提供数个实施例，但应理解所公开***和方法可在不偏离本公开的精神或范围的情况下以许多其它特定形式体现。这些实例将视为的示例性而非限制性的，并且并不旨在限于本文中给出的细节。例如，各种元件或组件可组合或整合于另一***中，或者某些特征可省略或不实施。
而且，在各种实施例中描述且示出为分立或单独的技术、***、子***和方法可在不偏离本公开的范围的情况下与其它***、模块、技术或方法组合或整合。示出或讨论为彼此直接耦合或通信的其它项可通过某一接口、镜头模块中的摄像机或中间组件以电力方式、以机械方式或 以其它方式间接耦合或通信。改变、替换和修改的其它实例可由所属领域的技术人员确定 并且可在不偏离本文中所公开精神和范围的情况下做出。
Claims (5)
1.一种用于变焦镜头不同焦段下对比度衰减的补偿方法，其特征在于，所述补偿方法由环境装置来执行，所述环境装置包括矩阵面光源、镜头模块、标准图像模块、数据交互模块和移动轨道；所述补偿方法包括以下步骤：
（1）在恒定均匀光照环境下，镜头模块中的镜头调整到最小焦段下，对准一个具备滑动装置的标准图像模块得到预览画面，根据二十四色卡将预览画面划分成100px*100px像素块，所述100px*100px像素块的数量为镜头模块中的摄像机的实际分辨率的百分比的20%以上；
（2）在恒定均匀光照环境下，固定所述镜头模块中的镜头的光圈大小到最佳光圈大小，将所述镜头模块中的镜头对准二十四色卡，保证二十四色卡充满整个画面，记录当前的快门时间和ISO感光度，直到所述镜头模块中的摄像机调整到目标亮度50个亮度单位附近，亮度容差不超过5个亮度单位；
（3）根据所述二十四色卡中各个像素点的灰度值数据，通过数学方法计算得到所述标准图像模块中的预览画面的每一个像素块的灰度统计值；获取到所述标准图像模块中的预览画面所有像素块的灰度统计值后，使用直方图进行统计；所述直方图的横坐标为灰度统计值，所述直方图的纵坐标为像素块个数；
（4）调节镜头模块中的镜头到下一个焦段，同时调整镜头模块中的镜头与二十四色卡的物距大小，保证二十四色卡依然充满整个画面，重复（2）~（3）步骤，完成所有焦段的灰度统计值和直方图统计；
（5）以最小焦段下的直方图统计数据为基准数据，拟合其他焦段下的直方图统计数据，得到一个调整系数，该调整系数能够使得其他焦段下的直方图统计数据乘以该调整系数后，使得所述其他焦段下的直方图统计数据分布特征与最小焦段下的直方图统计数据最为接近；所述的调整系数是由多项式分布拟合方法得到；
（6）根据所述的调整系数以及镜头模块中的镜头实际焦段调整时的当前焦段，且结合最小焦段的初始化对比度曲线与当前焦段的调整系数，计算输出对应当前焦段下的矫正曲线；所述最小焦段的初始化对比度曲线是一条线性曲线，具体为y=x，x代表矫正前的该像素的灰度统计值，y代表矫正后的该像素的灰度统计值；对于某一焦段下，上述公式则变为y=k*x，k就是代表步骤（5）所述调整系数;
（7）根据所述调整系数，得到各焦段矫正输出曲线的数组B[N]，写入镜头模块中的镜头；镜头模块中的镜头在实际焦段调整时，根据当前焦段和当前焦段的矫正输出曲线数组，插值得到当前焦段的矫正输出曲线，补偿当前焦段下由于镜头模块中的镜头调制传递函数曲线衰减而引起的对比度衰减。
2.如权利要求1所述的补偿方法，其特征在于，步骤（3）所述数学方法为对所述预览画面统计所述预览画面每一个像素点的R通道、G通道和B通道的值，再通过公式sqrt(R*R+G*G+B*B)得到所述灰度统计值。
3. 如权利要求1所述的补偿方法，其特征在于，步骤（4）中所述镜头模块中的镜头与二十四色卡的物距的大小为ΔL =(H/h+1)*(l2-l1)，H为标准图像模块物理高度，h为所述镜头模块中的摄像机中感光元器件成像高度，l1为焦段1下的后焦距离，l2为焦段2下的后焦距离；ΔL为镜头模块的镜头从焦段1变化到焦段2下，所述二十四色卡需要调整的距离。
4.如权利要求1所述的补偿方法，其特征在于，步骤（5）中所述调整系数，标记为数组c[t]，作为得到各个焦段下矫正曲线的内插参数，具体的计算方式如下：
a.基准数据数组a[m]的最小值为a1，最大值为a2，总共有m个数据;所述基准数据数组包括a[16]={2,4,6,8,10,12,14,16,18,20,22,24,26,28,30,32}；
b. 基准输出曲线数组b[n]的最小值为b1，最大值为b2，总共有n个数据; 所述的基准输出曲线数组包括b[16]={12,14,16,18,2,4,6,8,10, 20, 28,30,32,22,24,26}；
c. 某一焦段矫正输入数据数组A[M]的最小值为A1，最大值为A2，总共有M个数据; 所述矫正输入数据数组包括A[16]={1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16}；
d. 某一焦段矫正输出曲线数组B[N]的最小值为B1，最大值为B2，总共有N个数据; 所述矫正输出曲线数组包括B[16]={1,2,3,4,5,6,7,8, 8,8,8,8,8,8,8,8}；
e. 对基准数据数组a[m]进行归一化运算得到数组Δa[m]，数组Δa[m]单位统一到矫正输入数据数组A[M]的维度，计算方式如下Δa[m]=a[m]*M/m；所述的Δa[m]是指数据数组a[m]在m个数据中找到第M个所对应的值；
f. 基准输出曲线数组b[n]进行归一化运算得到数组Δb[n]，数组Δb[n]单位统一到矫正输出曲线数组B[N]的维度，计算方式如下Δb[n]=b[n]*N/n；所述的Δb[n]是指数据数组b[n]在n个数据中找到第N个所对应的值；
g. 最后使用基于内插法的公式计算方式得到某一焦段矫正输出曲线数组B[N]；所述B[N] =(Δb[n]-b1) *(A[M]-a1)/(Δa[m]-a1)+b1，所述c[t]=(Δb[n]-b1)/(Δa[m]-a1)。
5.一种使用权利要求1-4任一权利要求所述补偿方法的环境装置，其特征在于，包括矩阵面光源、镜头模块、标准图像模块、数据交互模块和移动轨道；所述矩阵面光源包括匀光板；矩阵面光源提供恒定均匀光照，对准带有滑动装置的标准图像模块；镜头模块保持固定，标准图像模块与镜头模块的距离可通过对标准图像模块在移动轨道上的移动来改变；标准图像模块在移动轨道上的移动，由数据交互模块执行，数据交互模块控制标准图像模块的移动方向和移动步长。
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