專利名稱：自動曝光控制參數(shù)的獲得方法及控制方法和成像裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及數(shù)碼影像技術領域，具體涉及一種自動曝光控制參數(shù)的獲得方法及控制方法和成像裝置。
背景技術：
在影像的拍攝過程中，對拍攝主體進行適當?shù)钠毓馐谦@得良好圖像質數(shù)的一個重要條件，現(xiàn)有的影像器材一般采用手動曝光和自動曝光兩種控制方式。手動曝光是通過手動調整光圈和快門速度來獲得合適的曝光量，該方法能夠根據(jù)攝影師的審美意圖進行曝光調整，所以在專業(yè)攝影和攝像中被廣泛采用。而普通的非專業(yè)民用產(chǎn)品，例如家用數(shù)碼相機、攝像機等一般采用自動曝光控制的方法。
采用自動曝光控制的攝錄器材一般根據(jù)“灰色世界假設”設計曝光控制，采用當前畫面的平均亮度(AY)作為曝光控制參數(shù)，通過調整快門速度、光圈大小、放大器增益等使AY接近設置的畫面平均亮度參考值(AYref)。對于符合“灰色世界假設”的場景，采用AY作為曝光控制參數(shù)，的確可以獲得比較理想的效果；但是對于有大面積暗區(qū)或大面積亮區(qū)的“特殊場景”，不再是“灰色世界”，采用AY進行自動曝光控制時，會出現(xiàn)拍攝主體曝光不足或曝光過度等現(xiàn)象。例如場景一，穿黃色衣服的人在雪地里拍照，由于背景和服裝都是大面積的高亮區(qū)域，導致AY偏高，因此自動曝光控制會進行大幅度減小光通量的調整(縮短快門時間、減小光圈、降低放大器增益等)，導致人物面部曝光嚴重不足；場景二，穿黑色衣服的人在棕色幕布前拍照，這是與場景一完全相反的情形，采用AY作為曝光控制參數(shù)的結果是導致人物面部曝光嚴重過度。
Toshinobu Haruki等人在“應用模糊控制技術的攝錄機”(Toshinobu Haruki，Kenichi kikuchi，AV Development Center，Sanyo Electric Co.，Ltd.“Video camerasystem using fuzzy logic”，IEEE Transactions on Consumer Electronics，Vol.38，No.3，AUGUST 1992)一文中提供了一種減輕“特殊場景”下拍攝主體曝光不足或曝光過度的程度的方法。該方法的主要思想是根據(jù)擬制的拍攝主體在圖像中的位置，應用一定的模糊控制策略減小非主體區(qū)域在AY計算中的權重，從而減少非主體影像對曝光控制的影響。其提供的技術方案所考慮的典型應用場景是人物頭肩像的拍攝，并進一步假設拍攝對象一般都位于圖像中間或者偏下方的位置，從而給與這些地方較大的權值。這樣計算得到的亮度加權平均值(AYw)就會傾向于這些感興趣的區(qū)域，從而以AYw作為曝光控制參數(shù)就能使位于圖像中部的物體比較容易得到正常曝光。該方法的關鍵在于控制規(guī)則的設計，使得在一般場景中，計算得到的AYw與AY相近；而在特殊場景中則使AYw主要依賴于感興趣區(qū)域。該方法的缺點在于1、需要針對主要應用場景和典型應用環(huán)境的先驗知識來制定相應模糊邏輯控制規(guī)則，并且需要在照相機或攝像機內部建立場景模式數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)過程復雜；2、產(chǎn)生的曝光效果與圖像畫面分區(qū)方式、拍攝主體在圖像中的位置緊密相關，假設性過強，通用性較差。
Shuji Shimizu在“一種用于攝錄機的基于模糊控制技術的曝光控制方法”(Sony Intelligent System Research Lab，Sony Corporation.“A new algorithm forexposure control based on fuzzy logic for video cameras”，IEEE Transactions onConsumer Electronics，Vol.38，No.3，AUGUST 1992)一文中提供了另一種減輕“特殊場景”下拍攝主體曝光不足或曝光過度的程度的方法。該方法的主要思想是通過對畫面的亮度分布統(tǒng)計獲得兩個曝光控制參數(shù)H_mean和H_diff，這兩個參數(shù)分別反映圖像中“明區(qū)”與“暗區(qū)”的面積比率以及“明區(qū)”與“暗區(qū)”的對比強度；由這兩個參數(shù)再根據(jù)設定的一套曝光補償規(guī)則進行曝光控制。在該方法中，H_mean定義為亮度大于AY的像素占整幅圖像像素數(shù)的比例；H_half是亮度大于AY的1/2的像素占整幅圖像像素數(shù)的比例；H_twice是亮度大于AY的2倍的像素占整幅圖像像素數(shù)的比例；H_diff取(H_twice-H_mean)與(H_mean-H_half)中的較小者。曝光補償規(guī)則的設計主要對后者敏感。該方法的缺點在于1、只是針對自動曝光中背光或正面強光的“特殊場景”給出曝光補償?shù)姆椒?，適用范圍比較小；2、曝光效果依賴于H_mean和H_diff這兩個參數(shù)的可信度，即，這兩個參數(shù)是否能夠準確地反映出圖像中存在背光情況以及背光的程度。對這兩個參數(shù)的可信度實驗表明H_mean參數(shù)可信度較高，但是該參數(shù)不是補償控制的主導因素；補償量主要由H_diff決定，但是該參數(shù)很敏感，受多種條件影響，例如復雜而又有層次的背景對此參數(shù)影響很大，因此，該方法對于簡單場景效果較好，對于復雜場景效果較差。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種對各種場景具有普遍適應能力，并且曝光控制效果不受大面積的亮區(qū)/暗區(qū)在場景中的位置及切塊分布影響的，自動曝光控制參數(shù)的獲得方法及控制方法和成像裝置。
為達到本發(fā)明的目的，所采取的技術方案是，一種自動曝光控制中控制參數(shù)的獲得方法，包括1)統(tǒng)計曝光圖像的亮度分布；2)根據(jù)亮度分布劃分不同的亮度區(qū)域；3)為不同的亮度區(qū)域分配相應的加權系數(shù)；4)統(tǒng)計曝光圖像的亮度加權平均值作為所述控制參數(shù)。
對圖像亮度分布的統(tǒng)計可采用亮度直方圖的形式，可包括1a)將亮度等級分為若干柜；1b)分別統(tǒng)計曝光圖像的像素在各柜中的分布。相應的亮度區(qū)域的劃分步驟可采用2a)以具有峰值的柜為中心將一定寬度的區(qū)域劃為該峰值的亮度區(qū)域，在整個亮度分布中至少劃出最高峰區(qū)和次高峰區(qū)。
對圖像亮度分布的統(tǒng)計還可采用滑動平均或滑動累積直方圖的形式，即，在獲得亮度直方圖后，還采用一定寬度的滑動窗口對像素在各柜中的分布進行滑動平均或滑動累積統(tǒng)計；此時亮度區(qū)域的劃分步驟包括2a)根據(jù)滑動統(tǒng)計的峰值所對應的亮度區(qū)域劃分像素在各柜中分布的各峰值區(qū)域，在整個亮度分布中至少劃出最高峰區(qū)和次高峰區(qū)。
優(yōu)選的是，在亮度區(qū)域的劃分步驟中還包括2b)判斷所述最高峰區(qū)與次高峰區(qū)是否重疊，若重疊，則將第三高峰區(qū)作為次高峰區(qū)，依次類推，直至所述最高峰區(qū)與次高峰區(qū)不重疊。
對不同亮度區(qū)域的加權策略可采用，為峰值區(qū)域的像素分配小于其他區(qū)域的加權系數(shù)。
上述加權策略優(yōu)選為峰值區(qū)域分配的加權系數(shù)隨峰值區(qū)域中像素分布的增加而減小，并且在減小到最小加權系數(shù)后保持穩(wěn)定或增大或在一定區(qū)域內保持穩(wěn)定后增大。
進一步優(yōu)選的是，所述最高峰區(qū)與次高峰區(qū)中亮度高的峰值區(qū)域所對應的最小加權系數(shù)隨當前相對光電增益的增大而增大，亮度低的峰值區(qū)域所對應的最小加權系數(shù)隨當前相對光電增益的增大而減小。
本發(fā)明還提供一種自動曝光控制方法，包括1)采用上述控制參數(shù)的獲得方法，獲取當前曝光圖像的亮度加權平均值；2)將所述亮度加權平均值與亮度參考值進行比較；3)根據(jù)比較結果進行相對光電增益調整，使調整后曝光圖像的亮度加權平均值趨向亮度參考值。
優(yōu)選的是，所述亮度參考值采用動態(tài)調整的方式，隨當前亮度加權平均值與相對光電增益的比值的增大而增大。
優(yōu)選的是，以所述亮度參考值為中心以依次擴大的范圍設置適宜門限、緩沖門限和迅變門限；當所述亮度加權平均值，落入適宜門限，或由適宜門限進入緩沖門限并在緩沖門限內變動時，不進行相對光電增益調整；超出緩沖門限但仍落入迅變門限時，以小步長進行相對光電增益調整，使所述亮度加權平均值返回適宜門限內；超出迅變門限時，以大步長進行相對光電增益調整，使所述亮度加權平均值返回迅變門限內。
優(yōu)選的是，在進行相對光電增益調整時，采用如下策略優(yōu)先調整快門時間，若達不到調整要求繼續(xù)調整光圈，最后調整放大器增益；或者，優(yōu)先調整光圈，快門時間次之，放大器增益最后；或者，固定一種或兩種參數(shù)，僅調整另外的參數(shù)。
本發(fā)明還提供一種成像裝置，包括感光器件、光圈、快門、放大器、相對光電增益調整模塊、圖像處理模塊、亮度分布統(tǒng)計模塊、加權計算模塊和補償控制模塊；所述感光器件將經(jīng)過光圈、快門控制后的光轉換為模擬電流信號；所述放大器對感光器件的輸出進行放大；所述圖像處理模塊將所述放大器的輸出轉換為數(shù)字圖像信號；所述亮度分布統(tǒng)計模塊統(tǒng)計所述數(shù)字圖像信號的亮度分布；所述加權計算模塊根據(jù)所述亮度分布統(tǒng)計模塊的統(tǒng)計結果為不同的亮度區(qū)域分配相應的加權系數(shù)，計算出所述數(shù)字圖像信號的亮度加權平均值；所述補償控制模塊根據(jù)所述亮度加權平均值與亮度參考值的差別確定相對光電增益的調整目標；所述相對光電增益調整模塊根據(jù)所述補償控制模塊確定的相對光電增益調整目標，對光圈大小和/或快門時間和/或放大器增益進行相應調整。
采用上述技術方案，本發(fā)明有益的技術效果在于1)本發(fā)明采用將圖像按亮度分布的加權統(tǒng)計獲得的AYw作為曝光控制參數(shù)的方法，能夠根據(jù)圖像的像素在不同亮度區(qū)域的集中情況調整其權重，從而控制像素集中的亮度區(qū)域，例如大面積亮區(qū)或大面積暗區(qū)對亮度平均值的影響。由于采用亮度分布作為加權計算的依據(jù)，因此本發(fā)明控制方法不受場景假設的影響，對各種場景具有普遍適應能力，并且曝光控制效果不受具體的亮區(qū)/暗區(qū)在場景中的位置及切塊分布的影響。
2)本發(fā)明還提供了經(jīng)過大量統(tǒng)計和實驗獲得的各種優(yōu)選的加權策略和曝光控制策略，使得本發(fā)明控制方法以及采用本發(fā)明控制方法的成像裝置能夠獲得良好的自動曝光控制效果。


下面通過具體實施方式
并結合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
圖1是實施例一中控制參數(shù)獲得方法流程示意圖；圖2是實施例一中根據(jù)H(n)統(tǒng)計圖進行峰值區(qū)域劃分的例一示意圖；圖3是實施例一中根據(jù)H(n)統(tǒng)計圖進行峰值區(qū)域劃分的例二示意圖；圖4是實施例一中確定加權系數(shù)的沉降曲線示意圖；圖5是實施例二中控制參數(shù)獲得方法流程示意圖；圖6是實施例二中根據(jù)AH(j)統(tǒng)計圖進行峰值區(qū)域劃分的例一示意圖；圖7是實施例二中根據(jù)AH(j)統(tǒng)計圖進行峰值區(qū)域劃分的例二示意圖；圖8是實施例三中確定加權系數(shù)的倒梯型曲線示意圖；圖9是一種確定加權系數(shù)的V型曲線示意圖；圖10是實施例四中Wm的動態(tài)調整策略示意圖；圖11是實施例五中自動曝光控制方法流程示意圖；圖12是實施例七中Gr調整策略示意圖；圖13是實施例九中成像裝置模塊結構示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明提供了一種自動曝光控制中控制參數(shù)的獲得方法及相應的自動曝光控制方法和應用該控制方法的成像裝置。本發(fā)明的核心思想在于采用將圖像按亮度分布的加權統(tǒng)計獲得的AYw作為曝光控制參數(shù)，通過調整不同亮度區(qū)域內像素的加權系數(shù)控制像素集中的亮度區(qū)域對亮度平均值的影響。對圖像亮度分布的統(tǒng)計可采用亮度直方圖、滑動平均直方圖或滑動累積直方圖等形式。本發(fā)明中還提供亮度區(qū)域的優(yōu)選劃分方式以及各種優(yōu)選的加權策略、最小加權系數(shù)控制策略、亮度參考值調整策略以及相對光電增益調整策略等。下面，分別對本發(fā)明自動曝光控制參數(shù)的獲得方法、自動曝光控制方法和成像裝置進行詳細說明。
實施例一、一種自動曝光控制中控制參數(shù)的獲得方法，流程如圖1所示，包括1)統(tǒng)計曝光圖像的亮度分布；在本例中，采用亮度直方圖來統(tǒng)計曝光圖像的亮度分布，包括1a)將亮度等級分為若干柜(Bin)；為了便于進行數(shù)字化處理，圖像上每個像素的亮度會先被進行量化，量化的精細程度取決于亮度等級的級數(shù)。例如，采用8位(bit)量化后，圖像可以有0～255共256個亮度等級；采用4bit量化后，圖像可以有0～15共16個亮度等級，通常用亮度等級越高表示亮度越大。對亮度進行量化后，一個或連續(xù)的幾個亮度等級被定義為柜，各柜用柜號n來標識。通常每個柜中所包含的亮度等級數(shù)目是一致的，即，均勻的把所有亮度等級分配給若干個柜。例如，8bit量化采用256柜時，n＝0～255，即每個柜包含一個亮度等級，柜號即為相應亮度等級的編號。又如，8bit量化采用64柜時，n＝0～63，每個柜包含4個亮度等級，第n柜對應編號為4n～4n+3的亮度等級。當然，也可以根據(jù)需要為各個柜定義不同個數(shù)的亮度等級，本例中采用亮度等級均勻分配的形式。
1b)分別統(tǒng)計曝光圖像的像素在各柜中的分布，即，統(tǒng)計圖像的亮度直方圖H(n)。H(n)可以采用第n柜所包含亮度等級對應的像素數(shù)，也可以采用所對應像素數(shù)占整個畫面總像素數(shù)的比率，兩種表示方式不存在實質性差別，本例中采用前者。
2)根據(jù)H(n)表示的圖像亮度分布情況劃分不同的亮度區(qū)域；包括2a)分別以具有最高峰值H(n1)和次高峰值H(n2)的柜為中心將寬度為k的區(qū)域劃為該峰值的亮度區(qū)域，得到最高峰區(qū)H(n1-k)～H(n1+k)和次高峰區(qū)H(n2-k)～H(n2+k)。
2b)判斷最高峰區(qū)與次高峰區(qū)是否重疊，即，是否滿足|n2-n1|＞2k，若不滿足，說明最高峰區(qū)與次高峰區(qū)重疊，則將第三高峰區(qū)作為次高峰區(qū)，依次類推，直至獲得的次高峰區(qū)與最高峰區(qū)不重疊。進行重疊判斷的目的是為了避免在進行加權系數(shù)分配時，重疊區(qū)域無法進行準確的判斷；同時也避免對亮度接近區(qū)域進行重復加權控制，影響控制效果。
下面，以兩個具體的例子來說明根據(jù)H(n)進行的最高峰區(qū)與次高峰區(qū)劃分。例一如圖2所示。圖2是4bit量化采用16柜的H(n)統(tǒng)計圖，n＝0～15，被統(tǒng)計圖像大小為16×16，共有256個像素點，各柜對應的像素數(shù)標于直方圖中。根據(jù)統(tǒng)計結果獲知H(n)的最高峰為H(3)，次高峰為H(12)，取寬度k＝1，得到最高峰區(qū)為H(2)～H(4)，次高峰區(qū)為H(11)～H(13)，顯然兩峰區(qū)并不重疊，劃分完畢。
例二如圖3所示。圖3各基本項定義與圖2相同。根據(jù)統(tǒng)計結果獲知H(n)的最高峰為H(3)，次高峰為H(5)，取寬度k＝1，由于n2-n1＝2k，說明兩峰值區(qū)有一個柜重疊，如圖3中虛線括號所示，因此將第三高峰H(12)作為次高峰，再次判斷次高峰區(qū)與最高峰區(qū)并不重疊，得到最高峰區(qū)為H(2)～H(4)，次高峰區(qū)為H(11)～H(13)，劃分完畢。
在進行峰值區(qū)域劃分的過程中，對于一些特殊的情況可以根據(jù)應用實際進行相應的規(guī)定，例如，峰值所在柜位于統(tǒng)計圖邊緣，其左側或右側的柜數(shù)不足設定的寬度，可定義該峰值區(qū)域的范圍為靠近該邊緣的連續(xù)2k+1個柜(此時峰值柜號不再為該區(qū)域的中心柜號)；又如，兩個相鄰的柜具有相同的峰值，可定義與另一峰值區(qū)的中心距離大者為該峰值區(qū)的中心柜；再如，兩個峰值區(qū)具有相同的中心峰值，可定義隨機選取其中之一標記為最高峰區(qū)，另一標記為次高峰區(qū)。
3)為不同的亮度區(qū)域分配相應的加權系數(shù)；為了減少圖像中大面積亮區(qū)/暗區(qū)等產(chǎn)生像素亮度分布集中的區(qū)域對亮度平均值計算的影響，加權策略總的而言可以采用為峰值區(qū)域的像素分配小于其他區(qū)域的加權系數(shù)的辦法，在本實施例中，采用如圖4所示的沉降曲線來進行峰值區(qū)域加權系數(shù)的分配，其他區(qū)域的加權系數(shù)為1。圖4中W為加權系數(shù)，SH為峰值區(qū)域的累積像素數(shù)目，SHm為啟用加權控制的最小累積像素數(shù)，SH1為進入最小權重控制區(qū)的累積像素數(shù)，SH(n1)為最高峰區(qū)的累積像素數(shù)，SH(n2)為次高峰區(qū)的累積像素數(shù)(圖4中SH1、SH2的位置為示意，并不表示SH1大于SH2)，Wm為最小加權系數(shù)，W1和W2分別為最高峰區(qū)和次高峰區(qū)對應的加權系數(shù)。通過圖4可以看出沉降曲線的加權策略是為具有不同累積像素數(shù)的峰值區(qū)域分配不同的加權系數(shù)，當峰值區(qū)域的累積像素數(shù)大于SHm后其加權系數(shù)隨峰值區(qū)域中像素分布的增加而減小，當峰值區(qū)域的累積像素數(shù)大于SH1后其加權系數(shù)保持為最小加權系數(shù)Wm。當然，W1和W2也可以用相應峰值區(qū)域的平均累積像素數(shù)目AH來確定，AH＝SH/(2k+1)，實質相同。
4)統(tǒng)計曝光圖像的亮度加權平均值AYw作為自動曝光控制的控制參數(shù)。進行加權統(tǒng)計的方法就是將各像素的亮度值按其加權系數(shù)進行累加和平均，如下式所示AYw＝[∑n*H(n)*W(n)]/[∑H(n)*W(n)]在本例中，采用了一種簡單而典型的分區(qū)策略，將H(n)分為三個區(qū)域最高峰區(qū)、次高峰區(qū)和其他區(qū)域?；诒纠兴枋龅姆謪^(qū)思想和方法，還可以根據(jù)具體應用需要對圖像進一步進行更加細致的區(qū)域劃分，同時也可以只對圖像的部分亮度分布區(qū)域進行劃分，具體區(qū)域劃分的塊數(shù)以及對圖像亮度分布覆蓋的完整程度不構成對本發(fā)明的限制。
實施例二、一種自動曝光控制中控制參數(shù)的獲得方法，流程如圖5所示，本實施例方法與實施例一基本相同，區(qū)別之處在于，在步驟1)中采用滑動平均直方圖AH(j)來統(tǒng)計曝光圖像的亮度分布。因此，本實施例中，在獲得圖像的亮度直方圖H(n)后，還增加1c)采用寬度為2m+1的滑動窗口對像素在各柜中的分布進行滑動平均統(tǒng)計，獲得圖象的滑動平均直方圖AH(j)；AH(j)=[Σn=j-mn=j+mH(n)]/(2m+1)]]>由上式可以看出，一個AH(j)對應一個H(n)區(qū)間H(j-m)～H(j+m)。
因此相應的，在步驟2a)中不再根據(jù)H(n)的峰值確定峰值區(qū)間，而是根據(jù)AH(j)的峰值所對應的亮度區(qū)域劃分H(n)的各峰值區(qū)域，在本實施例中同樣采用最高峰區(qū)、次高峰區(qū)和其他區(qū)域的劃分方式。顯然，AH(j)的峰值所對應的j編號就是相應H(n)峰值區(qū)間的中心柜號，因此同樣可以采用實施例一中的方式判斷峰值區(qū)間是否重疊，只是最高峰區(qū)和次高峰區(qū)的中心柜號n1、n2分別可以用AH(j)的最高和次高峰值編號j1、j2來代替。
下面，仍以兩個具體的例子來說明根據(jù)AH(j)進行的最高峰區(qū)與次高峰區(qū)劃分。例一基于實施例一中的圖2。取m＝1的滑動窗口對圖2中的H(n)統(tǒng)計圖進行滑動平均統(tǒng)計，獲得AH(j)統(tǒng)計圖，j＝1～14，如圖6所示，AH(j)值標于圖中。根據(jù)統(tǒng)計結果獲知AH(j)的最高峰為AH(3)，次高峰為AH(12)(與AH(12)相鄰的AH(11)具有相同的次高峰值，可規(guī)定選擇與另一峰值距離大者為次高峰)，因此相應的H(n)最高峰區(qū)為H(2)～H(4)，次高峰區(qū)為H(11)～H(13)。j2-j1＞2m，兩峰區(qū)并不重疊，劃分完畢。
例二基于實施例一中的圖3。取m＝1的滑動窗口對圖3中的H(n)統(tǒng)計圖進行滑動平均統(tǒng)計，獲得AH(j)統(tǒng)計圖，j＝1～14，如圖7所示，AH(j)值標于圖中。根據(jù)統(tǒng)計結果獲知AH(j)的最高峰為AH(4)，次高峰為AH(12)，因此相應的H(n)最高峰區(qū)為H(3)～H(5)，次高峰區(qū)為H(11)～H(13)。j2-j1＞2m，兩峰區(qū)并不重疊，劃分完畢。
比較實施例一與本實施例中例一、例二的劃分過程和結果可以看出采用兩種統(tǒng)計方式得到的最終最/次高峰區(qū)的劃分基本是接近的；本例中統(tǒng)計方式相比有更好的效果，在同樣的亮度等級跨度下，本實施例中例二的最高峰區(qū)H(3)～H(5)比實施例一中例二的最高峰區(qū)H(2)～H(4)包含了更多的像素點，更能反映在該亮度區(qū)域像素集中分布的特性；基于AH(j)統(tǒng)計的結果進行峰區(qū)劃分，出現(xiàn)峰區(qū)重疊的可能性明顯減小。因此，對圖象的亮度分布采用AH(j)統(tǒng)計是更為優(yōu)選的。當然，也可以使用滑動累積直方圖SH(j)來代替AH(j)，SH(j)＝AH(j)*(2m+1)，兩種方式實質上相同，只存在絕對數(shù)值上的差異。
實施例三、一種自動曝光控制中控制參數(shù)的獲得方法，流程與實施例二相同，區(qū)別之處在于，在步驟3)中為不同的亮度區(qū)域分配相應的加權系數(shù)時，峰值區(qū)域的加權策略采用如圖8所示的倒梯型曲線，其他區(qū)域的加權系數(shù)仍為1。圖8中W、SH、SHm、SH1、SH(n1)、SH(n2)、Wm、W1、W2的含義均與圖4中相同，增加的SH2為進入權重回升區(qū)的最小累積像素數(shù)。通過圖8可以看出倒梯型曲線的加權策略在SH＜SH2的區(qū)域中與沉降曲線相同，當峰值區(qū)域的累積像素數(shù)大于SH2后其加權系數(shù)開始逐漸從最小加權系數(shù)Wm回升(最大不超過1)。
倒梯型曲線實際上是對沉降曲線的補充和完善，是在峰區(qū)覆蓋像素增大到一定值的情況下為沉降曲線增加一段權重回升的區(qū)域。這樣做的好處在于能夠避免在某些實際情況下沉降曲線可能出現(xiàn)的AYw不收斂的情況。因為若峰區(qū)集中了相當數(shù)量的像素分布，始終保持低權重的控制方式會導致AYw不能正確反映圖象的曝光情況，導致自動控制調整后的AYw不收斂。
類似的，也可以選擇如圖9所示的V型曲線加權策略，圖9中各參數(shù)含義與圖8中相同，只是倒梯型曲線中SH1與SH2之間穩(wěn)定為最小加權系數(shù)Wm的一段被縮成了一點。簡明起見，本文中均以線性關系來表示加權系數(shù)與累積像素的相對變化趨勢，不同的加權曲線線型可根據(jù)實際需要進行選擇，不構成對本發(fā)明的限制。
實施例四、一種自動曝光控制中控制參數(shù)的獲得方法，本實施例方法與實施例三基本相同，區(qū)別之處在于，加權策略曲線中的最小加權系數(shù)Wm是根據(jù)當前相對光電增益Gr動態(tài)調整的，并且不同亮度的峰值區(qū)域采用不同的調整策略亮度高的峰值區(qū)域(即n1、n2中數(shù)值較大者對應的峰值區(qū)域，以下簡稱亮峰)所對應的最小加權系數(shù)Wmh隨當前相對光電增益的增大而增大，亮度低的峰值區(qū)域(即n1、n2中數(shù)值較小者對應的峰值區(qū)域，以下簡稱暗峰)所對應的最小加權系數(shù)Wmd隨當前相對光電增益的增大而減小。Gr＝(1/Fn)(Ts/Tf)Ga，其中Fn為光圈數(shù)，Ts為快門時間，Tf為參考快門時間，Ga為放大器增益。
下面，以Wm與Gr為簡單線性關系為例，說明上述Wm調整策略，如圖10所示。圖10中，亮、暗峰的最小加權系數(shù)Wmh、Wmd在最小值Wm1與最大值Wm2之間變化，Gr1與Gr2分別是進入與越出Wm調整區(qū)的Gr門限值。若當前Gr＜Gr1，則亮峰最小加權系數(shù)Wmh保持為最小值Wm1，暗峰最小加權系數(shù)Wmd保持為最大值Wm2；若當前Gr1＜Gr＜Gr2，即位于Wm調整區(qū)，則Wmh隨Gr的增加從Wm1增加到Wm2，Wmd隨Gr的增加從Wm2降低到Wm1；若當前Gr＞Gr2，則Wmh保持為最大值Wm2，Wmd保持為最小值Wm1。
根據(jù)Gr的變化動態(tài)調整Wm的好處在于，能夠在Gr較小時(即曝光程度相對較弱時)適當提高暗峰對應的權重比例并相應降低亮峰對應的權重比例，而在Gr較大時(即曝光程度相對較強時)適當提高亮峰對應的權重比例并相應降低暗峰對應的權重比例，使得加權系數(shù)的分配與實際曝光情況在總體趨勢上保持一致，達到更好的控制效果。
實施例五、一種自動曝光控制方法，流程如圖11所示，包括1)采用實施例四所描述的控制參數(shù)的獲得方法，獲取當前曝光圖像的亮度加權平均值AYw；2)將當前AYw與亮度參考值AYref進行比較；3)根據(jù)比較結果進行相對光電增益調整，包括3a)當AYw在AYref附近的一個區(qū)間中變化時，假定為±a(以下稱為適宜門限)，認為當前曝光程度是適當?shù)?，不進行調整；3b)若AYw超過AYref+a，則認為曝光過度，需要進行降低Gr的調整，例如縮小光圈、縮短快門時間、降低放大器增益等；3c)若AYw低于AYref-a，則認為曝光不足，需要進行增大Gr的調整，例如加大光圈、延長快門時間、提高放大器增益等。
為了使AYw位于適宜的狀態(tài)，上述控制過程可能需要重復多次，并且當前曝光場景可能是不斷變化的，因此上述過程需要循環(huán)執(zhí)行，根據(jù)當前曝光情況不斷對Gr進行調整。
此外，在進行Gr調整時，由于可調參數(shù)比較豐富，包括光圈數(shù)Fn，快門時間Ts，放大器增益Ga等，因此可以根據(jù)實際設備情況(對該設備而言哪種參數(shù)的調節(jié)更容易、更準確，動態(tài)范圍更大等)采用側重不同的調整策略，例如可以優(yōu)先調整Ts，若僅調整Ts還是達不到Gr的調整要求則繼續(xù)調整Fn，將Ga作為微調項放在最后；或者，也可以優(yōu)先調整Fn，Ts次之，Ga最后；或者，還可以固定一種或兩種參數(shù)，僅調整另外的參數(shù)，例如Fn不變，僅調整Ts和Ga。
實施例六、一種自動曝光控制方法，流程與實施例五相同，區(qū)別之處在于，本例中使用的亮度參考值AYref不是一個固定不變的值，而是根據(jù)當前AYw/Gr的值進行動態(tài)調整的。其調整策略為AYref隨AYw/Gr的增大而增大，即，在明亮場景中適用較大的AYref，在昏暗場景中適用較小的AYref。采用動態(tài)AYref的好處在于，曝光控制的標準能夠根據(jù)實際場景的情況自動進行適應性調整，可獲得更加自然和真實的曝光效果。
實施例七、一種自動曝光控制方法，與實施例五基本相同，區(qū)別之處在于，除了包含實施例五中設置的適宜門限±a外，本實施例中還設置了更為細致的曝光調整范圍，并在不同的范圍中運用不同的Gr調整策略。本實施例中增設的曝光調整范圍包括緩沖門限±b和迅變門限±c，相應的Gr調整策略為AYw落入AYref±a，或由AYref±a進入AYref±b并在AYref±b內變動時，不進行Gr調整；AYw超出AYref±b但仍落入AYref±c時，以小步長進行Gr調整，使AYw逐漸返回AYref±a內；AYw超出AYref±c時，以大步長進行Gr調整，使AYw迅速返回AYref±c內。
圖12給出一個采用上述調整策略在一段時間內進行Gr調整的例子。以下分段對圖12進行說明。段1AYw落入AYref±a，不調；段2AYw突變(可能由于開、關燈，場景突變的情況引起)，跳出AYref+c，以大步長對Gr進行快調；段3AYw突變，跳入AYref±c，以小步長將Gr慢調至AYref±a；段4AYw從AYref+a變動到AYref-b，不調；段5AYw超出AYref-b但仍落入AYref±c，以小步長將Gr慢調至AYref±a；段6AYw由AYref±a進入AYref±b并在AYref±b內變動，不調；段7AYw突變，跳出AYref-c，以大步長對Gr進行快調；段8AYw突變，跳入AYref±c，以小步長將Gr慢調至AYref±a；段9AYw落入AYref±a，不調。
采用本實施例調整策略的好處在于，根據(jù)AYw的偏差情況選擇適宜的方式進行調整，既保證突變時的迅速反應也保證了調整控制的精確程度，同時在AYw從適宜門限中偏離時，給予一定的緩沖范圍，避免小抖動造成的頻繁調節(jié)。
實施例九、一種成像裝置，模塊結構如圖13所示，包括感光器件1、光圈2、快門3、放大器Ga4、相對光電增益調整模塊5、圖像處理模塊6、亮度分布統(tǒng)計模塊7、加權計算模塊8和補償控制模塊9；感光器件1將經(jīng)過光圈2、快門3控制后的光轉換為模擬電流信號；放大器Ga4對感光器件1的輸出進行放大；
圖像處理模塊6將放大器Ga4的輸出轉換為數(shù)字圖像信號；亮度分布統(tǒng)計模塊7統(tǒng)計所述數(shù)字圖像信號的亮度分布；加權計算模塊8根據(jù)亮度分布統(tǒng)計模塊7的統(tǒng)計結果為不同的亮度區(qū)域分配相應的加權系數(shù)，計算出所述數(shù)字圖像信號的亮度加權平均值AYw；補償控制模塊9根據(jù)亮度加權平均值AYw與亮度參考值AYref的差別確定相對光電增益Gr的調整目標；相對光電增益調整模塊5包括三個子模塊自動光圈控制AI51、自動快門時間控制AST52、自動增益控制AGC53；這三個子模塊分別控制光圈2、快門3、放大器Ga4，根據(jù)補償控制模塊9確定的Gr的調整目標對所控制設備模塊進行相應的參數(shù)調整。
上述成像裝置可應用上述實施例五到八中所描述的自動曝光控制方法進行自動曝光控制。
以上對本發(fā)明所提供的一種自動曝光控制中控制參數(shù)的獲得方法及相應的自動曝光控制方法和應用該控制方法的成像裝置進行了詳細介紹，本文中應用了具體個例對本發(fā)明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時，對于本領域的一般技術人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在具體實施方式
及應用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發(fā)明的限制。
權利要求
1.一種自動曝光控制中控制參數(shù)的獲得方法，其特征在于，包括1)統(tǒng)計曝光圖像的亮度分布；2)根據(jù)亮度分布劃分不同的亮度區(qū)域；3)為不同的亮度區(qū)域分配相應的加權系數(shù)；4)統(tǒng)計曝光圖像的亮度加權平均值作為所述控制參數(shù)。
2.根據(jù)權利要求1所述的自動曝光控制中控制參數(shù)的獲得方法，其特征在于，所述步驟1)包括1a)將亮度等級分為若干柜；1b)分別統(tǒng)計曝光圖像的像素在各柜中的分布。
3.根據(jù)權利要求2所述的自動曝光控制中控制參數(shù)的獲得方法，其特征在于，所述步驟2)包括2a)以具有峰值的柜為中心將一定寬度的區(qū)域劃為該峰值的亮度區(qū)域，在整個亮度分布中至少劃出最高峰區(qū)和次高峰區(qū)。
4.根據(jù)權利要求2所述的自動曝光控制中控制參數(shù)的獲得方法，其特征在于，所述步驟1)還包括1c)采用一定寬度的滑動窗口對像素在各柜中的分布進行滑動平均或滑動累積統(tǒng)計；所述步驟2)包括2a)根據(jù)滑動統(tǒng)計的峰值所對應的亮度區(qū)域劃分像素在各柜中分布的各峰值區(qū)域，在整個亮度分布中至少劃出最高峰區(qū)和次高峰區(qū)。
5.根據(jù)權利要求2～4任意一項所述的自動曝光控制中控制參數(shù)的獲得方法，其特征在于，所述步驟2)還包括2b)判斷所述最高峰區(qū)與次高峰區(qū)是否重疊，若重疊，則將第三高峰區(qū)作為次高峰區(qū)，依次類推，直至所述最高峰區(qū)與次高峰區(qū)不重疊。
6.根據(jù)權利要求3～5任意一項所述的自動曝光控制中控制參數(shù)的獲得方法，其特征在于為峰值區(qū)域的像素分配小于其他區(qū)域的加權系數(shù)。
7.根據(jù)權利要求6所述的自動曝光控制中控制參數(shù)的獲得方法，其特征在于為峰值區(qū)域分配的加權系數(shù)隨峰值區(qū)域中像素分布的增加而減小，并且在減小到最小加權系數(shù)后保持穩(wěn)定或增大或在一定區(qū)域內保持穩(wěn)定后增大。
8.根據(jù)權利要求7所述的自動曝光控制中控制參數(shù)的獲得方法，其特征在于所述最高峰區(qū)與次高峰區(qū)中亮度高的峰值區(qū)域所對應的最小加權系數(shù)隨當前相對光電增益的增大而增大，亮度低的峰值區(qū)域所對應的最小加權系數(shù)隨當前相對光電增益的增大而減小。
9.一種自動曝光控制方法，其特征在于，包括1)采用權利要求1～8任意一項所述的控制參數(shù)的獲得方法，獲取當前曝光圖像的亮度加權平均值；2)將所述亮度加權平均值與亮度參考值進行比較；3)根據(jù)比較結果進行相對光電增益調整，使調整后曝光圖像的亮度加權平均值趨向亮度參考值。
10.根據(jù)權利要求9所述的自動曝光控制方法，其特征在于所述亮度參考值隨當前亮度加權平均值與相對光電增益的比值的增大而增大。
11.根據(jù)權利要求9所述的自動曝光控制方法，其特征在于以所述亮度參考值為中心以依次擴大的范圍設置適宜門限、緩沖門限和迅變門限；當所述亮度加權平均值，落入適宜門限，或由適宜門限進入緩沖門限并在緩沖門限內變動時，不進行相對光電增益調整；超出緩沖門限但仍落入迅變門限時，以小步長進行相對光電增益調整，使所述亮度加權平均值返回適宜門限內；超出迅變門限時，以大步長進行相對光電增益調整，使所述亮度加權平均值返回迅變門限內。
12.根據(jù)權利要求9～11任意一項所述的自動曝光控制方法，其特征在于，在進行相對光電增益調整時，采用如下策略優(yōu)先調整快門時間，若達不到調整要求繼續(xù)調整光圈，最后調整放大器增益；或者，優(yōu)先調整光圈，快門時間次之，放大器增益最后；或者，固定一種或兩種參數(shù)，僅調整另外的參數(shù)。
13.一種成像裝置，包括感光器件、光圈、快門、放大器、相對光電增益調整模塊和圖像處理模塊，其特征在于還包括亮度分布統(tǒng)計模塊、加權計算模塊和補償控制模塊；所述感光器件將經(jīng)過光圈、快門控制后的光轉換為模擬電流信號；所述放大器對感光器件的輸出進行放大；所述圖像處理模塊將所述放大器的輸出轉換為數(shù)字圖像信號；所述亮度分布統(tǒng)計模塊統(tǒng)計所述數(shù)字圖像信號的亮度分布；所述加權計算模塊根據(jù)所述亮度分布統(tǒng)計模塊的統(tǒng)計結果為不同的亮度區(qū)域分配相應的加權系數(shù)，計算出所述數(shù)字圖像信號的亮度加權平均值；所述補償控制模塊根據(jù)所述亮度加權平均值與亮度參考值的差別確定相對光電增益的調整目標；所述相對光電增益調整模塊根據(jù)所述補償控制模塊確定的相對光電增益調整目標，對光圈大小和/或快門時間和/或放大器增益進行相應調整。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種自動曝光控制中控制參數(shù)的獲得方法及相應的自動曝光控制方法和應用該控制方法的成像裝置，其核心思想在于采用將圖像按亮度分布的加權統(tǒng)計獲得的亮度加權平均值作為曝光控制參數(shù)，通過調整不同亮度區(qū)域內像素的加權系數(shù)控制像素集中的亮度區(qū)域對亮度平均值的影響。由于采用亮度分布作為加權計算的依據(jù)，因此本發(fā)明控制方法不受場景假設的影響，對各種場景具有普遍適應能力，并且曝光控制效果不受具體的亮區(qū)/暗區(qū)在場景中的位置及切塊分布的影響。
文檔編號H04N5/225GK101064783SQ20061007964
公開日2007年10月31日 申請日期2006年4月30日 優(yōu)先權日2006年4月30日
發(fā)明者趙光耀, 魏小霞, 王靜, 楊海濤, 常義林 申請人:華為技術有限公司