CN115118887B

CN115118887B - 一种应用于国产抗辐射摄像机的自动曝光方法

Info

Publication number: CN115118887B
Application number: CN202210162415.3A
Authority: CN
Inventors: 高冉冉; 陆振林; 陈雷; 崔靳; 王建永; 范少波; 李璟; 李想; 薛钰
Original assignee: Beijing Microelectronic Technology Institute; Mxtronics Corp
Current assignee: Beijing Microelectronic Technology Institute; Mxtronics Corp
Priority date: 2022-02-22
Filing date: 2022-02-22
Publication date: 2024-05-28
Anticipated expiration: 2042-02-22
Also published as: CN115118887A

Abstract

本发明一种应用于国产抗辐射摄像机的自动曝光方法，步骤如下：构建图像的特征点坐标矩阵；在不同光照条件下采集图像数据，根据构建的特征点坐标矩阵，在一帧图像中选取特征点，对特征点进行中央重点加权平均，计算加权平均值WA；将WA与最佳阈值范围[TH_min,TH_max]进行比较，若WA>TH_max，表示当前图像为过曝图像，减少曝光时间，若WA<TH_min，表示当前图像为欠曝图像，增加曝光时间。本发明可使摄像机根据光线变化调整曝光时间参数，自动调整图像明暗，使图像具备一定的自适应能力，提高了图像质量。

Description

一种应用于国产抗辐射摄像机的自动曝光方法

技术领域

本发明涉及一种应用于国产抗辐射摄像机的自动曝光方法，特别是采用FPGA技术处理摄像机的实时视频帧，调整摄像机的曝光参数，达到自动曝光的目的。

背景技术

在核电站等核环境下，需要对设备进行监控，保证仪器设备的正常运转。而核环境下具有较高的核辐射，传统的摄像机无法承受高剂量的核辐射。因此，需要在核环境下配备专用的抗辐射摄像机。国外的抗辐射摄像机价格昂贵，不利于核电站等环境的大批量应用。鉴于此需求，国产抗辐射摄像机应运而生。中科院光电技术研究所、北京微电子技术研究所等单位对抗辐射摄像机的国产化开展了研究。然而受到技术条件的限制，国产抗辐射器件在存储能力、计算速度上与非抗辐射器件有较大差距，无法进行较复杂的计算。

当光照条件发生变化时，为了能清晰地看到图像，需要对摄像机进行曝光。如果曝光过度，图像整体偏亮，有可能会损失掉一些高亮度的信息；如果曝光不足，图像整体偏暗，容易看不到物体的细节信息。在核环境下，无法实现手动调节曝光，而不需要人工干预的自动曝光技术，则可以满足摄像机曝光的需求。

传统的自动曝光方法，大多数是采用灰度平均值法，对整幅图像计算灰度平均值，利用灰度平均值作为阈值，调整摄像机的曝光参数。然而灰度平均值法只反映图像的整体均值，当图像的目标与背景差异较大时，无法正确曝光。还有一些算法，如利用直方图、信息熵计算图像的阈值，或者基于人工智能的方法，这些算法较为复杂，对硬件的要求较高、处理速度较慢，难以在资源有限的平台上应用。

核电站区域位置相对固定，图像类型单一，设计自动曝光算法时，不需要采集不同场景、不同类型的图像，只需要采集核电站环境下不同亮度的图像即可。根据人眼的观察习惯，本方法将图像的中央区域设定为重点区域，自动曝光算法给中央区域施加较高的权值，将图像的四周区域设定为非重点区域，自动曝光算法给四周区域施加较低的权值。

为保证自动曝光算法只对光线变化敏感，对突然闪过的物体不敏感，如突然走过的人，设备起堆停堆时产生的高能光束，或者灯光接触不良出现亮灭交替的情况等，若对这些情况进行曝光的话，会造成图像一直闪烁，无法正确显示图像。为了正确显示图像，本方法采用延时曝光的策略，即设定一个固定的时间间隔t，每隔t时间采集一帧图像，取得三帧图像后，若三帧图像中至少有两帧为超出阈值的图像，则进入自动曝光流程，否则，不进入自动曝光流程。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种应用于国产抗辐射摄像机的自动曝光方法，该方法基于中央重点加权平均算法，所设计的算法可在FPGA上实现，解决了现有自动曝光方法对硬件资源的使用率高，时间成本大，在资源有限的平台上难以实时应用的问题。

本发明的技术方案是：一种应用于国产抗辐射摄像机的自动曝光方法，包括下列步骤：

(1)摄像机开启自动曝光功能；

(2)选取一帧图像中具有代表性的M*N个点代替整幅图像，选用这M*N个点所在的坐标构建图像特征点坐标矩阵I(M,N)；

(3)对于任意时刻T₁，计算T₁时刻、T₁+t时刻、T₁+2t时刻输入图像特征点坐标矩阵I(M,N)对应的像素点的中央重点加权平均值WA₁、WA₂、WA₃；t表示指定时间间隔；

(4)判断WA₁、WA₂、WA₃是否在最佳阈值范围[TH_min,TH_max]内，若三个中有两个以上超出最佳阈值范围，说明当前图像不是曝光正常的图像，则进入步骤(5)，执行自动曝光流程；否则，说明当前图像是曝光正常的图像，不作任何处理，返回步骤(3)；

(5)计算当前时刻输入图像的中央重点加权平均值WA，并获取摄像机当前设置的曝光时间ET_i；

(6)根据WA₁、WA₂、WA₃以及曝光时间ET_i，控制摄像机进行增大曝光时间或减小曝光时间，实现自动曝光。

所述步骤(6)中，进行增大曝光时间的具体判定过程为：若WA<TH_min，且ET_i<ET_max，说明摄像机曝光不足，则增大曝光时间，令下一时刻的曝光时间ET_i+1＝ET_i+L，其中ET_max为摄像机支持的曝光时间的最大值，L为曝光时间改变的步长，执行完成后，返回步骤(5)；否则，进入步骤(7)。

所述步骤(6)中，进行减小曝光时间的具体判定过程为：(7)若WA>TH_max，且ET_i>ET_min，说明摄像机曝光过度，则减小曝光时间，令下一时刻的曝光时间ET_i+1＝ET_i-L，其中ET_min为摄像机支持的曝光时间的最小值，L为曝光时间改变的步长，执行完成后，返回步骤(5)；否则，返回步骤(3)。

所述步长其中g为曝光时间可调节的档数。

所述步骤(1)中的摄像机，采用抗辐射摄像机，并通过上位机软件及FPGA软件控制曝光时间。

所述步骤(1)中的摄像机，通过软件控制，在上电初始化后默认开启自动曝光功能。

所述步骤(1)中的摄像机，通过上位机软件控制自动曝光功能的开启与关闭，自动曝光功能关闭时，通过上位机软件执行手动曝光，自动曝光功能开启时，上位机软件的手动曝光功能不起作用。

步骤(3)中的中央重点加权平均算法，是指对输入的一帧图像求加权平均时，对人眼所关心的中央区域施加较多的权值，对人眼不太关注的四周区域施加较少的权值。

所述步骤(3)的具体过程为：将图像分为中央区域A₁与四周区域A₂，基于所设计的中央重点加权平均算法，根据公式WA＝λ₁*A₁+λ₂*A₂，分别计算T₁时刻、T₁+t时刻、T₁+2t时刻输入图像特征点坐标矩阵I(M,N)对应的像素点的中央重点加权平均值WA₁、WA₂、WA₃；其中，λ₁、λ₂为加权系数。

所述加权系数λ₁大于λ₂，且λ₁+λ₂＝1。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)由于人在观察图像时，人眼总是对图像的中央区域更感兴趣。因此，本方法在计算图像阈值时，对图像的中央区域施加较高的权值，对图像的四周区域施加较低的权值，对图像进行加权平均，比直接对图像求平均，有更好的曝光效果；

(2)本方法选取图像中具有代表性的特征点代替整幅图像，用这些特征点参与自动曝光算法的计算，而不必存储整幅图像，大大节省了硬件资源，使得该算法可以在资源有限的FPGA平台上实现。

(3)本方法采用延时曝光的策略，进行自动曝光算法的计算时，采用“三取二”操作，即选取具有固定时间间隔的三张图像，分别计算这三张图像的加权平均值，若有二个以上的图像超出最佳阈值范围，才去执行自动曝光，这种延时曝光策略，与实时曝光方法相比，可以防止突然闪过的物体造成图像一直闪烁的情况，保证了图像的稳定显示。

附图说明

图1是本发明自动曝光模式与手动曝光模式切换示意图。

图2是本发明自动曝光模式流程图。

具体实施方式

本发明一种应用于国产抗辐射摄像机的自动曝光方法，包括下列步骤：

(1)摄像机开启自动曝光功能；

(6)根据WA₁、WA₂、WA₃以及曝光时间ET_i，控制摄像机进行增大曝光时间或减小曝光时间，实现自动曝光。进行增大曝光时间的具体判定过程为：若WA<TH_min，且ET_i<ET_max，说明摄像机曝光不足，则增大曝光时间，令下一时刻的曝光时间ET_i+1＝ET_i+L，其中ET_max为摄像机支持的曝光时间的最大值，L为曝光时间改变的步长，执行完成后，返回步骤(5)；否则，进入步骤(7)。进行减小曝光时间的具体判定过程为：(7)若WA>TH_max，且ET_i>ET_min，说明摄像机曝光过度，则减小曝光时间，令下一时刻的曝光时间ET_i+1＝ET_i-L，其中ET_min为摄像机支持的曝光时间的最小值，L为曝光时间改变的步长，执行完成后，返回步骤(5)；否则，返回步骤(3)。所述步长其中g为曝光时间可调节的档数。

所述摄像机采用抗辐射摄像机，并通过上位机软件及FPGA软件控制曝光时间。摄像机通过软件控制，在上电初始化后默认开启自动曝光功能，通过上位机软件控制自动曝光功能的开启与关闭，自动曝光功能关闭时，通过上位机软件执行手动曝光，自动曝光功能开启时，上位机软件的手动曝光功能不起作用。

中央重点加权平均算法，是指对输入的一帧图像求加权平均时，对人眼所关心的中央区域施加较多的权值，对人眼不太关注的四周区域施加较少的权值，具体过程为：将图像分为中央区域A₁与四周区域A₂，基于所设计的中央重点加权平均算法，根据公式WA＝λ₁*A₁+λ₂*A₂，分别计算T₁时刻、T₁+t时刻、T₁+2t时刻输入图像特征点坐标矩阵I(M,N)对应的像素点的中央重点加权平均值WA₁、WA₂、WA₃；其中，λ₁、λ₂为加权系数。加权系数λ₁大于λ₂，且λ₁+λ₂＝1。

应用于国产抗辐射摄像机的自动曝光方法，具体实施流程如图1及图2所示。

(1)摄像机初次上电后自动开启自动曝光功能，或在上位机软件上选择开启自动曝光功能。

(2)为了提高处理速度，使设计的自动曝光算法能在FPGA上运行，构建图像特征点坐标矩阵I(M,N)。令M＝16，令N＝16，则M*N＝256，即选取一帧图像中的256个像素点作为特征点代替整幅图像。由于PAL制式的图像有720*576个像素点，若要让选择的特征点具有代表性，能代替整幅图像，需令特征点均匀分布于整幅图像，故选择的特征点坐标矩阵I(M,N)对应的特征点坐标为(s*c,s*d)，其中

(3)在选取的256个特征点中，选取其中39％的点，且位于中央位置的100个特征点作为重点区域,计算其平均值其中n₁＝100；选取其中61％的点，且位于四周的156个特征点作为非重点区域，计算其平均值/>其中n₂＝156。根据公式WA＝λ₁*A₁+λ₂*A₂，取λ₁＝0.66，取λ₂＝0.34，计算输入图像的中央重点加权平均值。取T₁＝0，t＝400ms，即计算0时刻、400ms时刻、800ms时刻时，输入图像的中央重点加权平均值WA₁、WA₂、WA₃。

(4)判断WA₁、WA₂、WA₃是否在最佳阈值范围内，若有2个以上超出阈值范围，则进入步骤(5)，执行自动曝光流程，否则，返回步骤(3)。

(5)计算当前时刻输入的一帧图像的中央重点加权平均值WA，并获取摄像机当前设置的曝光时间ET_i。

(6)已知抗辐射摄像机支持的曝光时间范围为[ET_min,ET_max]，根据公式计算自动曝光的步长L，其中g为曝光时间可调节的档数，如设置g＝15，即曝光时间可以调节15档，则计算得到自动曝光的步长/> 若WA<TH_min，且ET_i<ET_max，说明摄像机曝光不足，则增大曝光时间，令下一时刻的曝光时间ET_i+1＝ET_i+L，执行完成后返回步骤(5)；否则，进入步骤(7)。

(7)若WA>TH_max，且ET_i>ET_min，说明摄像机曝光过度，则减小曝光时间，令下一时刻的曝光时间ET_i+1＝ET_i-L，执行完成后，返回步骤(5)；否则，返回步骤(3)。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims

1.一种应用于国产抗辐射摄像机的自动曝光方法，其特征在于包括下列步骤：

（1）摄像机开启自动曝光功能；

（2）选取一帧图像中具有代表性的M*N个点代替整幅图像，选用这M*N个点所在的坐标构建图像特征点坐标矩阵I(M,N)；

（3）计算T ₁时刻、T ₁ +t时刻、T ₁ +2t时刻输入图像特征点坐标矩阵I(M,N)对应的像素点的中央重点加权平均值WA ₁、WA ₂、WA ₃；T ₁表示任意时刻，t表示指定时间间隔；

步骤(3)中的中央重点加权平均算法，指对输入的一帧图像求加权平均时，对人眼所关心的中央区域施加较多的权值，对人眼不太关注的四周区域施加较少的权值；

所述步骤（3）的具体过程为：将图像分为中央区域A ₁与四周区域A ₂，基于所设计的中央重点加权平均算法，根据公式，分别计算T ₁时刻、T ₁ +t时刻、T ₁ +2t时刻输入图像特征点坐标矩阵I(M,N)对应的像素点的中央重点加权平均值WA ₁、WA ₂、WA ₃；其中，为加权系数/>

所述加权系数；

（4）判断WA ₁、WA ₂、WA ₃是否在最佳阈值范围[TH _min ,TH _max]内，若三个中有两个以上超出最佳阈值范围，说明当前图像不是曝光正常的图像，则进入步骤(5)，执行自动曝光流程；否则，说明当前图像是曝光正常的图像，不作任何处理，返回步骤(3)；

（5）计算当前时刻输入图像的中央重点加权平均值WA，并获取摄像机当前设置的曝光时间ET _i；

（6）根据WA ₁、WA ₂、WA ₃以及曝光时间ET _i，控制摄像机进行增大曝光时间或减小曝光时间，实现自动曝光；

所述步骤（6）中，进行增大曝光时间的具体判定过程为：若WA < TH _min，且ET _i< ET _max，说明摄像机曝光不足，则增大曝光时间，令下一时刻的曝光时间ET _i+1 = ET _i + L，其中ET _max 为摄像机支持的曝光时间的最大值，L为曝光时间改变的步长，执行完成后，返回步骤(5)；否则，进入步骤(7)；

所述步骤（6）中，进行减小曝光时间的具体判定过程为：（7）若WA > TH _max，且ET _i> ET _min，说明摄像机曝光过度，则减小曝光时间，令下一时刻的曝光时间ET _i+1 = ET _i - L，其中ET _min为摄像机支持的曝光时间的最小值，L为曝光时间改变的步长，执行完成后，返回步骤(5)；否则，返回步骤(3)。

2.根据权利要求1所述的应用于国产抗辐射摄像机的自动曝光方法，其特征在于：所述，其中g为曝光时间可调节的档数。

3.根据权利要求1所述的应用于国产抗辐射摄像机的自动曝光方法，其特征在于：所述步骤(1)中的摄像机，采用抗辐射摄像机。

4.根据权利要求1所述的应用于国产抗辐射摄像机的自动曝光方法，其特征在于：所述步骤(1)中的摄像机，通过软件控制，在上电初始化后默认开启自动曝光功能。

5.根据权利要求4所述的应用于国产抗辐射摄像机的自动曝光方法，其特征在于：所述步骤(1)中的摄像机，通过上位机软件控制自动曝光功能的开启与关闭，自动曝光功能关闭时，通过上位机软件执行手动曝光，自动曝光功能开启时，上位机软件的手动曝光功能不起作用。