專利名稱：一種攝像機(jī)光圈自適應(yīng)調(diào)節(jié)裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種攝像機(jī)光圈自適應(yīng)調(diào)節(jié)裝置及方法。
技術(shù)背景獲得一幅清晰的圖像是后續(xù)的圖像處理、圖像分析的基礎(chǔ)。在許多應(yīng)用中，往往對(duì) 攝像機(jī)捕獲圖像的質(zhì)量尤其是被攝主體的圖像質(zhì)量要求很高。合適的光圈大小是攝像機(jī) 拍攝中獲得清晰圖像的關(guān)鍵因素之一。攝像機(jī)的光圈分"自動(dòng)"和"手動(dòng)"兩種控制方 式。使用自動(dòng)光圈，能夠保持合適的進(jìn)光量，得到規(guī)定的輸出信號(hào)強(qiáng)度。但在實(shí)際操作 中，用全自動(dòng)光圈是有一定難度的。傳統(tǒng)的自動(dòng)曝光系統(tǒng)將整幅圖像的亮度均值與預(yù)先設(shè)定的參考值比較來(lái)進(jìn)行曝光 控制。當(dāng)圖像中被攝主體與背景的亮度差異較小時(shí)，拍攝出的圖像能夠具有較好的效果。 然而當(dāng)被攝主體與背景的亮度差異較大時(shí)，由于目前大多數(shù)攝像機(jī)產(chǎn)品中CCD/CM0S動(dòng) 態(tài)范圍較窄，圖像中高亮度區(qū)域會(huì)曝光過度，低亮度區(qū)域曝光不足，從而導(dǎo)致圖像中被 攝主體的曝光過度或曝光不足。比如，在逆光拍攝和正面強(qiáng)光和拍攝時(shí)，圖像的平均亮 度由背景亮度決定，基于圖像亮度均值的曝光控制將導(dǎo)致圖像被攝主體的非正常曝光。為了在逆光拍攝和正面強(qiáng)光和拍攝時(shí)進(jìn)行有效的曝光控制，必須對(duì)基于圖像亮度均 值的傳統(tǒng)自動(dòng)曝光控制算法進(jìn)行改進(jìn)。Haruki和Kikiuchi (T. Haruki and K. Kikuchi, "Video camera system using fuzzy logic", IEEE Transactions on Consumer Electronics, Vol.38, No. 3, pp. 624-634， Aug. 1992)提出的改進(jìn)措施將屏幕分割為 六個(gè)區(qū)域，通過賦予屏幕各區(qū)域亮度不同的權(quán)值并累加帶權(quán)亮度值，最終結(jié)果是將曝光 重點(diǎn)放在了屏幕中央。Shimizu(S. Shimizu， T. Kondo, T. Kohashi， M. Tsurata， T. Korauro， "A new algorithm for exposure control based on fuzzy logic for video cameras", IEEE Transactions on Consumer Electronics, Vol-38, No.3, pp. 617-623, Aug. 1992)提出了一種方法，將每幅圖像計(jì)算出三個(gè)亮度閾值，按照整幅圖像中亮度值 大于不同的亮度閾值的像素比率來(lái)區(qū)分逆光、正面強(qiáng)光等特殊場(chǎng)景并進(jìn)行相應(yīng)的曝光補(bǔ) 償。Murakami禾口 Honda (M. Murakami and N. Honda, "An exposure control system of video cameras based on fuzzy logic using color information", Proceedings of the Fifth IEEE International Conference on Fuzzy Systems, Vol.3, 1996)提出的自動(dòng)曝光控制方法則是在對(duì)圖像被攝主體進(jìn)行曝光補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)使用圖像的色彩信息協(xié)調(diào)被 攝主體和背景的亮度。以上改進(jìn)的自動(dòng)曝光控制方法使攝像機(jī)的自動(dòng)曝光性能有了很大程度的提高，但是 仍然無(wú)法對(duì)任意場(chǎng)景進(jìn)行有效的曝光控制。例如，Haruki和Kikiuchi提出的對(duì)圖像劃 分區(qū)域的方法受到屏幕中被攝主體位置的影響，當(dāng)被攝主體不在屏幕中央時(shí)很難對(duì)被攝 主體進(jìn)行合適的曝光。由于不采用任何形式的區(qū)域分割，Shimizu提出的算法雖然與圖 像中被攝主體的位置無(wú)關(guān)，能夠檢測(cè)逆光或正面光的強(qiáng)度并進(jìn)行相應(yīng)的曝光補(bǔ)償，但是 該算法只能給出圖像的亮度對(duì)比度強(qiáng)弱，而不能確定高的亮度對(duì)比度是由背景光線還是 被攝主體自身造成的，所以在很多情況下也無(wú)法進(jìn)行有效的曝光控制。因此，在被攝主 體與背景的亮度差異較大時(shí)，使用自動(dòng)光圈容易導(dǎo)致被攝主體曝光不正常，拍出的圖像 不理想。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)在采集圖像時(shí)不能自動(dòng)攝像機(jī)光圈大小的 不足，提供一種根據(jù)被攝主體的亮度自適應(yīng)調(diào)節(jié)攝像機(jī)光圈的裝置和方法，滿足拍攝圖 像時(shí)對(duì)被攝主體合適曝光的要求，增強(qiáng)圖像中被攝主體的清晰度。本發(fā)明的技術(shù)解決方案 一種攝像機(jī)光圈自適應(yīng)調(diào)節(jié)裝置， 一種攝像機(jī)光圈自適應(yīng) 調(diào)節(jié)裝置包括鏡頭控制器、帶有光圈可變鏡頭的攝像機(jī)、主機(jī)；帶有光圈可變鏡頭的 攝像機(jī)拍攝的圖像發(fā)送到主機(jī)中；主機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行處理，判斷圖像的曝光程度，并根據(jù) 判斷結(jié)果向鏡頭控制器發(fā)送光圈調(diào)節(jié)信號(hào)；鏡頭控制器將主機(jī)傳送過來(lái)的光圈調(diào)節(jié)信號(hào) 轉(zhuǎn)換為光圈可變鏡頭的控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)光圈調(diào)節(jié)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)的光圈大小自動(dòng)的調(diào) 節(jié)，從而使得被攝主體得到合適的曝光量。所述的攝像機(jī)采用固定方向和固定焦距的拍攝方式。一種攝像機(jī)光圈自適應(yīng)調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行光圈調(diào)節(jié)的方法，包括以下步驟-(1) 在被攝主體進(jìn)入場(chǎng)景前采集背景圖像A;(2) 被攝主體進(jìn)入場(chǎng)景后采集一幅圖像B;(3) 將步驟(1)采集到的背景圖像A和歩驟(2)采集到的圖像B分 別轉(zhuǎn)換為灰度圖像；(4) 根據(jù)步驟(3)轉(zhuǎn)換得到的兩幅灰度圖像提取被攝主體的灰度圖像；(5) 計(jì)算被攝主體灰度圖像的灰度均值；(6) 判斷灰度均值是否在預(yù)定義的理想曝光灰度閾值范圍內(nèi)，如果在閾值范圍內(nèi)， 則不需進(jìn)行光圈調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)步驟(7)并開始圖像采集過程；否則進(jìn)行光圈調(diào)節(jié)，然后轉(zhuǎn)步驟(2); (7)光圈調(diào)節(jié)過程結(jié)束。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果本發(fā)明能夠在被攝主體與背景反差較大時(shí)，從 拍攝的圖像中提取出被攝主體，將被攝主體圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像，根據(jù)灰度圖像中被攝 主體的灰度均值確定光圈大小，對(duì)攝像機(jī)的光圈進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)被攝主體的合 適曝光，增強(qiáng)圖像中被攝主體的清晰度。本發(fā)明特別適用于被攝主體與背景之間存在明 顯光線差異并且要求對(duì)被攝主體合適曝光的拍攝場(chǎng)合，無(wú)論被攝主體處于場(chǎng)景內(nèi)的什么 位置上，都能以被攝主體為中心進(jìn)行正確的曝光調(diào)節(jié)。


圖1為本發(fā)明的攝像機(jī)光圈自適應(yīng)調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)圖； 圖2為本發(fā)明的攝像機(jī)光圈自適應(yīng)調(diào)節(jié)方法流程圖。
具體實(shí)施方式
以下，參照附圖，對(duì)本發(fā)明的具體的狀態(tài)作說(shuō)明，但是本發(fā)明不限于圖示例。 如圖1所示，帶有光圈可變鏡頭的攝像機(jī)拍攝的圖像發(fā)送到一臺(tái)電腦主機(jī)；主機(jī)對(duì)圖像 進(jìn)行處理，分析圖像的曝光程度，并根據(jù)分析結(jié)果向鏡頭控制器發(fā)送光圈調(diào)節(jié)信號(hào)；鏡頭控 制器將主機(jī)傳送過來(lái)的光圈調(diào)節(jié)信號(hào)轉(zhuǎn)換為鏡頭可以理解的控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)光圈調(diào)節(jié)電機(jī)實(shí) 現(xiàn)光圈的調(diào)節(jié)。如圖2所示，本發(fā)明的攝像機(jī)光圈自適應(yīng)調(diào)節(jié)方法的歩驟為攝像機(jī)采用固定方向、固 定焦距拍攝，在被攝主體進(jìn)入拍攝場(chǎng)景前先采集一幅背景圖像A，在被攝主體進(jìn)入拍攝場(chǎng)景 后再采集一幅圖像B，將圖像A和B發(fā)送到主機(jī)。主機(jī)將圖像A和B按如下步驟分別轉(zhuǎn)換為 灰度圖像A'和B':(1) 計(jì)算gray=rX0. 3 + gX0. 59 + bX0. 11;(2) 對(duì)gray的值取整；(3) 令r、 g、 b的值都等于gray。其中r、 g、 b分別是彩色圖像A和B中每個(gè)像素的R、 G、 B值。簡(jiǎn)便起見，記圖像A' 的像素值A(chǔ)' Oc，y)-gray，圖像B'的像素值B' (x， y) 二gray,其中x=l， 2，…，M, y=l，2,…，N， M和N是圖像高度和寬度。根據(jù)A'和B'在B'中提取被攝主體:設(shè)被攝主體的像素值組成的集合為H^cic是B' 中被攝主體的像素值}，則求F包括如下兩個(gè)步驟(a) 令H為空集；(b) 對(duì)圖像A，和B，，逐個(gè)像素計(jì)算h-lB' (x，y)-A' (x， y) |的值，若h>7，則將B' (x, y)根據(jù)H計(jì)算被攝主體的灰度均值為》g = ^ ,其中|//|表示集合H中元素的數(shù)目。 問設(shè)光圈大小用F表示，將F用單調(diào)函數(shù)f(g)表示為F-f(g)。單調(diào)函數(shù)f(g)用一個(gè)灰度 閾值范圍近似表示若被攝主體的灰度均值g大于理想曝光灰度閾值范圍，則主機(jī)根據(jù)g與 灰度閾值范圍的差異大小A向鏡頭控制器輸出減小光圈控制信號(hào)，光圈的減少量由A的大小 決定；若被攝主體的灰度均值g小于理想曝光灰度閾值范圍，則主機(jī)根據(jù)g與灰度閾值范圍 的差異大小A向鏡頭控制器輸出增大光圈控制信號(hào)，光圈的增大量由差異大小A的大小決 定。對(duì)于以直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的鏡頭而言，主機(jī)輸出的光圈調(diào)節(jié)控制信號(hào)是數(shù)字信號(hào)，不能用來(lái) 作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)的電信號(hào)，鏡頭控制器負(fù)責(zé)將主機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，給直 流電機(jī)加上一定的電壓，電機(jī)就開始運(yùn)動(dòng)，如果加上反向電壓，電機(jī)就反向運(yùn)行。例如，在 鏡頭控制器的控制下，每次給直流電機(jī)加上土12V持續(xù)100ms的電壓，電機(jī)便向前/向后走一 步，光圈調(diào)節(jié)的大小由電壓的極性和持續(xù)時(shí)間決定。對(duì)于以歩進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的鏡頭而言，鏡頭 控制器負(fù)責(zé)將主機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)，光圈調(diào)節(jié)的大小由脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)決 定。最后所應(yīng)說(shuō)明的是，以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域 的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明攝像機(jī)光圈自適應(yīng)調(diào)節(jié)裝置及方法原理的前提下，還 可以做出若干改進(jìn)或等同替換，這些改進(jìn)和等同替換也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1、一種攝像機(jī)光圈自適應(yīng)調(diào)節(jié)裝置，其特征在于包括鏡頭控制器、帶有光圈可變鏡頭的攝像機(jī)、主機(jī)；帶有光圈可變鏡頭的攝像機(jī)拍攝的圖像發(fā)送到主機(jī)中；主機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行處理，判斷圖像的曝光程度，并根據(jù)判斷結(jié)果向鏡頭控制器發(fā)送光圈調(diào)節(jié)信號(hào)；鏡頭控制器將主機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，驅(qū)動(dòng)光圈調(diào)節(jié)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)的光圈大小自動(dòng)的調(diào)節(jié)，從而使得被攝主體得到合適的曝光量。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種攝像機(jī)光圈自適應(yīng)調(diào)節(jié)裝置，其特征在于所述的 攝像機(jī)采用固定方向、固定焦距的拍攝方式。
3、 一種攝像機(jī)光圈自適應(yīng)調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行光圈調(diào)節(jié)的方法，其特征在于包括以下步驟(1) 在被攝主體進(jìn)入場(chǎng)景前采集背景圖像A;(2) 被攝主體進(jìn)入場(chǎng)景后采集一幅圖像B;(3) 將步驟(1)采集到的背景圖像A和歩驟(2)采集到的圖像B分別轉(zhuǎn)換為灰度 圖像；(4) 根據(jù)步驟(3)轉(zhuǎn)換得到的兩幅灰度圖像提取被攝主體的灰度圖像；(5) 計(jì)算被攝主體灰度圖像的灰度均值(6) 判斷灰度均值是否在預(yù)定義的理想曝光灰度閾值范圍內(nèi)，如果在閾值范圍內(nèi)， 則不需進(jìn)行光圈調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)歩驟(7)并開始圖像采集過程；否則進(jìn)行光圈調(diào)節(jié)，然后轉(zhuǎn) 步驟(2);(7) 光圈調(diào)節(jié)過程結(jié)束。
4、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種攝像機(jī)光圈自適應(yīng)調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行光圈調(diào)節(jié)的方法， 其特征在于所述步驟(3)中將步驟(1)采集到的背景圖像A和步驟(2)采集到的 圖像B分別轉(zhuǎn)換為灰度圖像A'和B'的方法為(1) 計(jì)算gray=rX0. 3 + gX0. 59 + bXO. 11;(2) 對(duì)gray的值取整并令r、 g、 b的值都等于gray;其中r、 g、 b分別是彩色圖像A和B中每個(gè)像素的R、 G、 B值，記圖像A'的像素值 A' (x,y)=gray，圖像B'的像素值B' (x，y)=gray。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種攝像機(jī)光圈自適應(yīng)調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行光圈調(diào)節(jié)的方法，其特 征在于所述的步驟(4)轉(zhuǎn)換得到的兩幅灰度圖像提取被攝主體的灰度圖像的方法如下(1) 設(shè)被攝主體的像素值組成的集合為H-'化lc是B'中被攝主體的像素值}， H的初值 定義為空集；(2) 對(duì)圖像A'和B'，逐個(gè)像素計(jì)算h=iB' (x，y)- A， (x,y)l的值，若h〉7，則將 B， (x,y)并入集合H。
6、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種攝像機(jī)光圈自適應(yīng)調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行光圈調(diào)節(jié)的方法，其特征在于所述歩驟(5)的被攝主體的灰度均值為<formula>formula see original document page 3</formula>其中l(wèi)/Zl表示集合H中元素的數(shù)目。
7、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種攝像機(jī)光圈自適應(yīng)調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行光圈調(diào)節(jié)的方法，其特征在于所述步驟(6)的光圈調(diào)節(jié)方法為若被攝主體的灰度均值g大于理想曝光灰度閾值范圍，則主機(jī)根據(jù)g與灰度閾值范圍的差異大小A向鏡頭控制器輸出減小光圈控制信號(hào)，光圈的減少量由A的大小決定；若被攝主體的灰度均值g小于理想曝光灰度閾值范圍，則主機(jī)根據(jù)g與灰度閾值范圍的差異大小A向鏡頭控制器輸出增大光圈控制信號(hào)，光圈的增大量 由差異大小A的大小決定。
全文摘要
一種攝像機(jī)光圈自適應(yīng)調(diào)節(jié)裝置及方法，該裝置包括光圈可變鏡頭及其控制器、攝像機(jī)、控制攝像機(jī)的主機(jī)；該方法通過數(shù)字圖像處理，根據(jù)被攝主體的光線亮度自適應(yīng)的調(diào)節(jié)攝像機(jī)的光圈大小，從而使得被攝主體得到合適的曝光量，增強(qiáng)圖像中被攝主體的清晰度。本發(fā)明特別適用于被攝主體與背景之間存在明顯光線差異并且要求對(duì)被攝主體合適曝光的拍攝場(chǎng)合，無(wú)論被攝主體處于場(chǎng)景內(nèi)的什么位置上，都能以被攝主體為中心進(jìn)行正確的曝光調(diào)節(jié)。
文檔編號(hào)H04N5/235GK101232583SQ20081005729
公開日2008年7月30日 申請(qǐng)日期2008年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月31日
發(fā)明者威 吳, 忠 周, 張淑軍, 趙沁平, 海 黃 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)