CN112312037A - 一种自动曝光调节方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自动曝光方法及***，以初始曝光时间为基础，通过相机模块采集一张图像，输入采集图像到亮度计算模块，亮度计算模块根据输入的图像计算直方图，从高亮度灰阶开始取一定数量的点，计算所取高亮度灰阶的权重，再由权重计算出亮度值，然后对所计算出的亮度值进行评估，如果计算出的亮度值在合理亮度区间范围内，则认为曝光成功，如果计算出的亮度值不在合理亮度区间范围内，则将计算出的亮度值输入到曝光调整模块，曝光调整模块根据公式以及输入的亮度值计算出所需调整的曝光值。本发明通过基于直方图统计图像亮度值以及自动曝光调节算法来实现精准、高效的自动曝光。

Description

一种自动曝光调节方法及***

技术领域

本发明涉及发光体和发光屏幕的视觉检测技术，面向相机的自动曝光控制领域，更具体地涉及一种自动曝光调节方法及***。

背景技术

在规则及非规则面阵型发光体(例如用于照明)或显示屏幕的亮度、发光均匀性、以及显示画面缺陷检测领域，自动控制曝光参数对于提高***调试效率，快速获得更好适应图像处理算法，以及提高测试效率和准确性都是非常重要的关键步骤。

自动曝光的主要功能是通过调节相机的曝光时间来控制拍摄出来的图像的亮度，自动曝光对成像的质量影响非常大，自动曝光的目标是保证图像中有用数据的亮度数据不过低，也不过高。过低容易导致被噪音所干扰，过高会导致数据失真。多数传统的自动曝光方法根据所拍摄的图像被加权平均亮度值来计算曝光时间。这种方法的缺点在于将图像信息过度简化，许多数据被平均，由于发光体的特性，采集的图像上会存在大量黑色图像以及大量噪音，在这基础上若使用传统的自动曝光算法在准确性上会大大降低。

自动曝光的调整范围会影响调整到最佳曝光时间的速度，调整范围过大会导致调整的曝光时间并非最佳，在最佳曝光时间左右起伏不定的现象，调整范围过小则调整次数过多，整体自动曝光设置时间过长，影响测试效率。

发明内容

本发明针对上述问题，提出了一种自动曝光调节方法及***，本发明在传统曝光算法的基础上，对传统的曝光算法进行了重新设计，提出了在目标物体图像上具有大量噪声时，依旧可以进行高效精准的自动曝光方法及***。

本发明提出的一种自动曝光调节方法具体步骤包括：

S1、初始值设置：设置相机当前曝光时间；

S2、图像采集：利用相机采集一张目标物体图像；；

S3、亮度计算：对所述目标物体图像进行直方图计算，从所述直方图中从高亮度开始取像素点，并根据所述直方图计算每个亮度的像素点权重，再由权重计算出所述目标物体图像的亮度值；

S4、亮度评估：对步骤S3亮度计算得出的亮度值进行评估：

如果所述亮度值在预先设定的亮度区间范围内，则根据所述直方图计算目标物体图像中的亮度最大值，如果最大亮度值不在预先设定的最大亮度区间范围内则曝光调节失败，如果亮度最大值在预先设定的最大亮度区间范围内，则曝光成功退出自动曝光调节；

如果所述亮度值不在预先设定的亮度区间范围内，则进入曝光调节阶段；

S5、曝光调节：根据进入曝光调节阶段的亮度值以及当前曝光时间计算出需要调节的曝光时间，如果计算出的曝光时间超过预先设定的曝光时间阈值则认为此次曝光调整失败，否则返回步骤S2进行下一轮自动曝光调节，直至曝光调节成功或者曝光调节失败。

本发明的进一步技术方案是：步骤S3中所述像素点权重Wi的计算具体为：Wi＝(Ni)/∑_i＝GtNii∈[Gt，255]，其中，Gt为所述直方图中，从高亮度开始统计每个亮度的数量和Num，当数量和Num达到预先设定的数值时的亮度值，Ni为亮度值i的像素数量，Wi为亮度值i的像素点权重。

本发明的进一步技术方案是：所述目标物体图像的亮度值Lcalc计算具体为：Lcalc＝∑_i＝GtWi*ii∈[Gt，255]。

本发明的进一步技术方案是：所述需要调节的曝光时间Enew计算公式为：Enew＝Eold((Ltarget-Lcalc)/Lcalc)*Eold*0.618，其中，Eold为当前的曝光时间，Ltarget为预先设定需要调节的目标亮度值。

本发明的进一步技术方案是：所述预先设定的亮度区间范围为(Ltarget-3,Ltarget+3)。

本发明的进一步技术方案是：所述预先设定的最大亮度区间范围为(80，220)。

本发明还提供了一种自动曝光调节***，所述***包括：初始值设置模块、图像采集模块、亮度计算模块、亮度评估模块、曝光调节模块，所述初始值设置模块用于设置相机当前曝光时间；所述图像采集模块用于利用相机采集一张目标物体图像；；所述亮度计算模块用于对所述目标物体图像进行直方图计算，从所述直方图中从高亮度开始取像素点，并根据所述直方图计算每个亮度的像素点权重，再由权重计算出所述目标物体图像的亮度值；所述亮度评估模块用于对亮度计算模块得出的亮度值进行评估：如果所述亮度值在预先设定的亮度区间范围内，则根据所述直方图计算目标物体图像中的亮度最大值，如果最大亮度值不在预先设定的最大亮度区间范围内则曝光调节失败，如果亮度最大值在预先设定的最大亮度区间范围内，则曝光成功退出自动曝光调节；如果所述亮度值不在预先设定的亮度区间范围内，则进入曝光调节阶段；所述曝光调节模块根据进入曝光调节阶段的亮度值以及当前曝光时间计算出需要调节的曝光时间，如果计算出的曝光时间超过预先设定的曝光时间阈值则认为此次曝光调整失败，否则返回图像采集模块进行下一轮自动曝光调节，直至曝光调节成功或者曝光调节失败。

本发明的进一步技术方案是，所述亮度计算模块中权重Wi的计算具体为：Wi＝(Ni)/∑_i＝GtNii∈[Gt，255]，其中，Gt为所述直方图中，从高亮度开始统计每个亮度的数量和Num，当数量和Num达到预先设定的数值时的亮度值，Ni为亮度值i的像素数量，Wi为亮度值i的像素点权重。

本发明的进一步技术方案是，所述目标物体图像的亮度值Lcalc计算具体为：Lcalc＝∑_i＝GtWi*ii∈[Gt，255]。

本发明的进一步技术方案是，所述需要调节的曝光时间Enew计算公式为：Enew＝Eold((Ltarget-Lcalc)/Lcalc)*Eold*0.618，其中，Eold为当前的曝光时间，Ltarget为预先设定需要调节的目标亮度值。

本发明构建一种自动曝光调节方法及***的有益效果是：本发明的自动曝光调节方法首先会对采集的原始图像中噪声进行抑制，根据直方图统计亮度值，在进行亮度统计时加入过曝和欠曝处理机制，最后根据统计的亮度值与目标亮度值的差异大小进行自适应幅度的曝光调整。本发明的自动曝光调节算法可以支持发光体存在某些物理像素发光异常的情况下进行准确曝光，对过曝以及欠曝具有很大的抑制效果，对发光体是否存在异常具有强大的兼容性。即使图像上存在大量噪音干扰图像亮度的评判，本算法也可以达精准的自动曝光。本曝光调节算法还可以支持在原先曝光时间的基础上动态调整，亮度差异越大调整的幅度也就越大，亮度差异越小调整的幅度也就越小，从而达到精准、高效的曝光。

附图说明

图1为本发明实施例提供的自动曝光调节方法流程示意图；

图2为本发明模块结构示意图；

图3为本发明实施例中调节的详细数据；

图4为本发明实施例中调节的幅度变化图；

图5为本发明实施例中直方图趋势图；

图6(a)是本发明实施例中曝光时间为16.7ms的采集到的图像的截图；

图6(b)是本发明实施例中曝光时间为84.0602ms的采集到的图像的截图；

图6(c)是本发明实施例中曝光时间为57.8284ms的采集到的图像的截图；

图6(d)是本发明实施例中曝光时间为47.6176ms的采集到的图像的截图；

图6(e)是本发明实施例中曝光时间为43.7792ms的采集到的图像的截图；

具体实施方式

为进一步对本发明的技术方案作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的步骤。

如图1为本发明实施例提供的自动曝光调节方法流程示意图，具体实现步骤如下：

第一步初始值设置：设置相机当前曝光时间。

第二步图像采集：利用相机采集一张目标物体图像，即控制相机拍摄一张图像。

第三步亮度计算：对所述目标物体图像进行直方图计算，从所述直方图中从高亮度开始取像素点，并根据所述直方图计算每个亮度的像素点权重，再由权重计算出所述目标物体图像的亮度值。

具体实施过程如下：先对目标物体图像进行高斯滤波，去除一些低频的噪声，然后对去除噪声后的图像进行直方图计算，从高亮度开始取像素点，绘制出所有像素点的亮度分布图，如图5所示，将亮度分布特性与目标物体发光特性结合起来区分目标物体发光区域的亮度分布大致位置，在本实施例中，先采集了正确曝光的图像作为统计数据，绘制出反映亮度分布趋势直方图的曲线图，根据曲线图中曲线反映的亮度分布趋势情况，以Gt为分割阈值，将所有像素点分为两个区域。如图5中的曲线显示，正确曝光图像各区域分布结果显示，在A区域中有两个高峰,在区域B中会出现小高峰，区域A中存在的绝大部分的亮度值，尤其越低的亮度值，越是干扰亮度，其亮度主要是由物理像素点发光后，光散射导致图像上所呈现的物理像素点附近原本亮度为0的区域亮度不为0，其亮度值小于物理像素点所呈现在图像上的亮度值，区域B中则主要是由物理像素点所呈现在图像上的亮度分布，由于目标物体的发光特性，所以导致物理像素点数量所呈现的在图像上的像素点数量远小于图像大小，故而区域B会出现小高峰，此小高峰附近的亮度值，才是真实物理像素点的发光亮度值。

本发明的优选实施方式是：分割阈值Gt为直方图中，从高亮度开始统计，每个亮度的数量和Num，这个数量和Num达到预先设置数值时的亮度值，优选实施例中，数量和Num达到物理像素点数量的1/16即可，取1/16是因为取所有物理像素点的亮度值做计算会导致局部区域过曝或者欠曝，取1/16可以保证大部分区域不过曝也不欠曝，这个数值可根据不同场景做相应调整。

像素点权重Wi的计算具体为：Wi＝(Ni)/∑_i＝GtNii∈[Gt，255]，优选实施例中，Gt为上所述的分割阈值，具体为所述直方图中，从高亮度开始统计每个亮度的数量和Num，当数量和Num达到预先设定的数值时的亮度值，Ni为亮度值i的像素数量，Wi为亮度值i的像素点权重。

根据像素点权重Wi以及亮度值i计算目标物体图像的亮度值Lcalc，具体为：Lcalc＝∑_i＝GtWi*ii∈[Gt，255]。

第四步亮度评估：对第三步亮度计算得出的亮度值Lcalc进行评估：

如果所述亮度值Lcalc在预先设定的亮度区间范围内，则根据所述直方图从高到低计算目标物体图像中的亮度数量是否大于0，如果大于零则该亮度则为最大值Lmax，如果最大亮度值Lmax不在预先设定的最大亮度区间范围内则曝光调节失败，如果亮度最大值Lmax在预先设定的最大亮度区间范围内，则曝光成功退出自动曝光调节；

如果所述亮度值Lcalc不在预先设定的亮度区间范围内，则进入曝光调节阶段；

本发明的优选实施方式是：所述预先设定的亮度区间范围为(Ltarget-3,Ltarget+3)，Ltarget为预先设定需要调节的目标亮度值，本实施例中的Ltarget为100，所述预先设定的最大亮度区间范围为(80，220)。

第五步曝光调节：根据进入曝光调节阶段的亮度值Lcalc以及当前曝光时间Eold计算出需要调节的曝光时间Enew，如果计算出的曝光时间Enew超过预先设定的曝光时间阈值则认为此次曝光调整失败，否则返回第二步进行下一轮自动曝光调节，直至曝光调节成功或者曝光调节失败。

本发明的优选实施方式是：需要调节的曝光时间Enew计算公式为：Enew＝Eold+((Ltarget-Lcalc)/Lcalc)*Eold*0.618，其中，Eold为当前的曝光时间，Ltarget为预先设定需要调节的目标亮度值，实施例中的曝光时间阈值区间为(0，7000),此区间可根据不同相机的特性做相应的修改。

如图2所示，本发明的具体实施方式是：构建一个自动曝光调节***，包括初始值设置模块1、图像采集模块2、亮度计算模块3、亮度评估模块4、曝光调节模块5，所述初始值设置模块1用于设置相机当前曝光时间；所述图像采集模块2用于采集一张目标物体图像；所述亮度计算模块3用于对所述目标物体图像进行直方图计算，从所述直方图中从高亮度开始取像素点，并根据所述直方图计算每个亮度的像素点权重，再由权重计算出所述目标物体图像的亮度值；所述亮度评估模块4用于对亮度计算模块得出的亮度值进行评估：如果所述亮度值在预先设定的亮度区间范围内，则根据所述直方图计算目标物体图像中的亮度最大值，如果最大亮度值不在预先设定的最大亮度区间范围内则曝光调节失败，如果亮度最大值在预先设定的最大亮度区间范围内，则曝光成功退出自动曝光调节；如果所述亮度值不在预先设定的亮度区间范围内，则进入曝光调节阶段；所述曝光调节模块5根据进入曝光调节阶段的亮度值以及当前曝光时间计算出需要调节的曝光时间，如果计算出的曝光时间超过预先设定的曝光时间阈值则认为此次曝光调整失败，否则返回图像采集模块2进行下一轮自动曝光调节，直至曝光调节成功或者曝光调节失败。

本发明的优选实施方式是：所述亮度计算模块3中权重Wi的计算具体为：Wi＝(Ni)/∑_i＝GtNii∈[Gt，255]，其中，Gt为所述直方图中，从高亮度开始统计每个亮度的数量和Num，当数量和Num达到预先设定的数值时的亮度值，Ni为亮度值i的像素数量，Wi为亮度值i的像素点权重。

本发明的优选实施方式是：所述目标物体图像的亮度值Lcalc计算具体为：Lcalc＝∑_i＝GtWi*ii∈[Gt，255]。

本发明的优选实施方式是：所述需要调节的曝光时间Enew计算公式为：Enew＝Eold+((Ltarget-Lcalc)/Lcalc)*Eold*0.618，其中，Eold为当前的曝光时间，Ltarget为预先设定需要调节的目标亮度值。

图3为本实施例的调整详细数据，由图4清晰可见，随着调整次数的增加在前一个曝光时间调整的调整幅度呈现指数式变化，比传统的线性变化更为快速高效。从图6(e)上观察到的整体亮度相比于图6(a),图6(b),图6(c),图6(d)不会存在局部过亮的点，也不会整体过暗，整体相对趋于平均。

图3，图4，图6(a),图6(b),图6(c),图6(d),图6(e)是本实例的实验数据和部分截图。其中曝光时间的调整的步长会根据亮度与目标区间的差值大小，而调整的幅度有所不同，差值越大调整幅度就越大，差值越小调整幅度也就越小，从而减少调整次数。

在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的步骤、方法、装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种步骤、方法、装置所固有的要素。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种自动曝光调节方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、初始值设置：设置相机当前曝光时间；

S2、图像采集：利用相机采集一张目标物体图像；

S3、亮度计算：对所述目标物体图像进行直方图计算，从所述直方图中从高亮度开始取像素点，并根据所述直方图计算每个亮度的像素点权重，再由权重计算出所述目标物体图像的亮度值；

S4、亮度评估：对步骤S3亮度计算得出的亮度值进行评估：

如果所述亮度值在预先设定的亮度区间范围内，则根据所述直方图计算目标物体图像中的亮度最大值，如果最大亮度值不在预先设定的最大亮度区间范围内则曝光调节失败，如果亮度最大值在预先设定的最大亮度区间范围内，则曝光成功并退出自动曝光调节；

如果所述亮度值不在预先设定的亮度区间范围内，则进入曝光调节阶段S5；

S5、曝光调节：根据进入曝光调节阶段的亮度值以及当前曝光时间计算出需要调节的曝光时间，如果计算出的曝光时间超过预先设定的曝光时间阈值则认为此次曝光调节失败，否则返回步骤S2进行下一轮自动曝光调节，直至曝光调节成功或者曝光调节失败。

2.根据权利要求1所述的自动曝光调节方法，其特征在于，步骤S3中所述像素点权重Wi的计算具体为：Wi＝(Ni)/∑_i＝GtNi i∈[Gt，255]，其中，Gt为所述直方图中，从高亮度开始统计每个亮度的数量和Num，当数量和Num达到预先设定的数值时的亮度值，Ni为亮度值i的像素数量，Wi为亮度值i的像素点权重。

3.根据权利要求2所述的自动曝光调节方法，其特征在于，所述目标物体图像的亮度值Lcalc计算具体为：Lcalc＝∑_i＝GtWi*ii∈[Gt，255]。

4.根据权利要求3所述的自动曝光调节方法，其特征在于，所述需要调节的曝光时间Enew计算公式为：Enew＝Eold+((Ltarget-Lcalc)/Lcalc)*Eold*0.618，其中，Eold为当前的曝光时间，Ltarget为预先设定需要调节的目标亮度值。

5.根据权利要求4所述的自动曝光调节方法，其特征在于，所述预先设定的亮度区间范围为(Ltarget-3，Ltarget+3)。

6.根据权利要求1所述的自动曝光调节方法，其特征在于，所述预先设定的最大亮度区间范围为(80，220)。

7.一种自动曝光调节***，其特征在于，包括有：

初始值设置模块，用于设置相机当前曝光时间；

图像采集模块，用于利用相机采集一张目标物体图像；；

亮度计算模块，用于对所述目标物体图像进行直方图计算，从所述直方图中从高亮度开始取像素点，并根据所述直方图计算每个亮度的像素点权重，再由权重计算出所述目标物体图像的亮度值；

亮度评估模块，用于对亮度计算模块得出的亮度值进行评估：

如果所述亮度值在预先设定的亮度区间范围内，则根据所述直方图计算目标物体图像中的亮度最大值，如果最大亮度值不在预先设定的最大亮度区间范围内则曝光调节失败，如果亮度最大值在预先设定的最大亮度区间范围内，则曝光成功退出自动曝光调节；

如果所述亮度值不在预先设定的亮度区间范围内，则进入曝光调节阶段；

曝光调节模块，根据进入曝光调节阶段的亮度值以及当前曝光时间计算出需要调节的曝光时间，如果计算出的曝光时间超过预先设定的曝光时间阈值则认为此次曝光调整失败，否则返回图像采集模块进行下一轮自动曝光调节，直至曝光调节成功或者曝光调节失败。

8.根据权利要求7所述的自动曝光调节***，其特征在于，所述亮度计算模块中权重Wi的计算具体为：Wi＝(Ni)/∑_i＝GtNi i∈[Gt，255]，其中，Gt为所述直方图中，从高亮度开始统计每个亮度的数量和Num，当数量和Num达到预先设定的数值时的亮度值，Ni为亮度值i的像素数量，Wi为亮度值i的像素点权重。

9.根据权利要求8所述的自动曝光调节***，其特征在于，所述目标物体图像的亮度值Lcalc计算具体为：Lcalc＝∑_i＝GtWi*ii∈[Gt，255]。

10.根据权利要求9所述的自动曝光调节***，其特征在于，所述需要调节的曝光时间Enew计算公式为：Enew＝Eold+((Ltarget-Lcalc)/Lcalc)*Eold*0.618，其中，Eold为当前的曝光时间，Ltarget为预先设定需要调节的目标亮度值。

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