專利名稱：一種用于自動曝光調(diào)節(jié)的方法及控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于自動曝光調(diào)節(jié)的方法及控制系統(tǒng)，特別涉及應用于膠卷或者數(shù)碼感光部件(CCD，CMOS等)的自動曝光調(diào)節(jié)的方法與控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
曝光是膠卷或者數(shù)碼感光部件(CCD，CMOS等)接收從鏡頭進光來形成影像的過程。曝光時間即是感光部件接收光的時間。在同樣環(huán)境下(光照強度等條件不發(fā)生改變)，曝光時間越長，圖像越亮；反之，曝光時間越短，圖像越暗。如果圖像中景物過亮，而且亮的部分沒有層次或細節(jié)，這就是曝光過度；如果照片較黑暗，無法真實反映景物的色澤，就是曝光不足。所以，當環(huán)境發(fā)生變化時，也要相應的調(diào)整曝光時間以使輸出的圖像亮度在合適的范圍內(nèi)，即在環(huán)境較暗時適當?shù)脑黾悠毓鈺r間，在比較亮的環(huán)境減少曝光時間。但是，在不同光源下曝光時間的設(shè)置有所不同。
以下參照圖1和圖2描述光源的特點。理想光源可分為兩種一種是光源的強度不隨時間發(fā)生變化，如圖1所示；另一種是光源的強度隨著時間發(fā)生周期性變化，如圖2所示。在日常生活中，相關(guān)的光主要有太陽光和室內(nèi)照明所用的光。其中，由于太陽光具有持續(xù)、穩(wěn)定的特點，為了方便研究，認為太陽光為理想光源A。目前，室內(nèi)照明用光一般與當?shù)毓╇婎l率相關(guān)，其光強一般都隨著時間發(fā)生變化。當然現(xiàn)在也有許多照明用光基本沒有頻率特性或有些是采用直流供電方式，但這畢竟較少，這里不做討論。當前世界上的交流電頻率基本都是50Hz或60Hz，根據(jù)電源電壓與功率的關(guān)系，可以得到室內(nèi)光源的頻率為100Hz或120Hz。簡單推導如下
U(t)＝U0sin(ωt)(1)P(t)＝U(t)2/R R為燈泡電阻，為常數(shù) (2)P(t)＝kU(t)2＝kU02sin2(ωt)＝kU02(1-cos(2ωt))/2(3)當w＝50Hz時，P(t)的頻率為100Hz，Y與P(t)為線性關(guān)系，所以室內(nèi)光源的頻率為100Hz或120Hz。
因此就具備如下所描述的曝光特性。根據(jù)環(huán)境的不同來改變圖像數(shù)據(jù)輸入模塊(Sensor)的曝光時間，以使其傳入的圖像亮度適宜。圖像數(shù)據(jù)輸入模塊的曝光程度和曝光時間的關(guān)系如圖3所示，圖3示出了感光特性與曝光時間的關(guān)系曲線圖。
從圖3中可以看出，隨著曝光時間的增加，圖像的曝光程度也在增加。但是曝光時間越大，其對曝光程度的貢獻越小，即相同的曝光時間的增加量，在曝光時間的值較小時對亮度的影響要大于曝光時間值較大時。
以下是在室內(nèi)照明情況下對不同入射光強進行測試的測試數(shù)據(jù)，每次數(shù)據(jù)都測量2組，兩次的差別都在±1之間，因此都取第一組數(shù)據(jù)。
其中曝光時間的單位是10ms曝光數(shù)值的單位是電子量化值，最大值為255，最小值為0表格1

在實際應用中，室內(nèi)環(huán)境下如果曝光時間設(shè)置的不是室內(nèi)光源周期的整數(shù)倍時(國內(nèi)交流電頻率50HZ下周期為10毫秒)，不同幀的圖象會出現(xiàn)明暗條紋，而當曝光時間是光源周期的整數(shù)倍時則不會出現(xiàn)，這種現(xiàn)象稱為Flicker現(xiàn)象。
通常采用的圖像數(shù)據(jù)輸入模塊有CMOS和CCD兩種，其生產(chǎn)技術(shù)有一些區(qū)別，因此曝光的方式也有所不同。CMOS圖像數(shù)據(jù)輸入模塊采用行曝光技術(shù)，即每次曝光一行，行與行之間間隔一定時間(具體間隔時間值不同廠商有不同規(guī)定)，因此，每一行的曝光起始點都不相同，如果曝光時間不是周期的整數(shù)倍，則各行所接受的光強有可能不同，雖然各行的曝光時間是一樣的，但是也會造成明暗不同的變化，即我們所說的Flicker現(xiàn)象。CCD圖像數(shù)據(jù)輸入模塊采用的是面曝光技術(shù)，一次曝光一整幅圖像，如果我們設(shè)置的曝光時間不正確，雖然不會出現(xiàn)行與行之間的明暗變化，但是會造成連續(xù)圖像間的明暗不同，給人一種圖像閃爍的視覺感受，這也是Flicker現(xiàn)象的一種。
出現(xiàn)Flicker現(xiàn)象的原因如下由前面關(guān)于曝光理論的描述，可以知道對于一幅圖像其亮度由光強和曝光時間決定，在光強一定的情況下，曝光時間越長圖像越亮；反之，如果曝光時間一定，光強越強圖像也越亮。因此，在相同曝光時間的條件下，光強的變化也會造成圖像的明暗不均。
已經(jīng)知道室內(nèi)光源的電壓是隨周期變化的，其變化如(1)所示，光強的變化如(3)所示，那么在一段時間內(nèi)的光強計算公式如下∫12P(t)dt=∫12kU(t)2dt=12kU02∫12(1-cos(2ωt))dt=12kU02[(t2-t1)-12ωsin2ω(t2-t1)]---(4)]]>令Δt＝t2-t1，則上式變?yōu)?amp;Integral;12P(t)dt=12kU02[Δt-12ωsin2ωΔt]---(5)]]>可見，如果Δt等于周期T，上式為常數(shù) 否則為變值。這說明當曝光時間為一個周期的整數(shù)倍時，不論起始曝光點從哪開始，光強的作用為一個常數(shù)，即曝光效果相同。反之，則會造成光強作用不均。
當光源的強度隨周期發(fā)生變化時(如室內(nèi)情況)，設(shè)置的曝光時間必須是其變化周期的整數(shù)倍。當光源強度恒定時，不受此限制。
由前所述，在室內(nèi)情況下，曝光時間的設(shè)定必須為室內(nèi)光源變化周期T的整數(shù)倍以避免flicker現(xiàn)象的產(chǎn)生，這就造成了另一個問題曝光時間設(shè)定的不連續(xù)性。如果需要設(shè)置的曝光時間恰好不是T的整數(shù)倍(實際上大多數(shù)情況都是這樣)，那就不能得到需要的圖像亮度。
自動曝光是所有涉及數(shù)字圖像處理的產(chǎn)品(如數(shù)碼相機等)都要解決的問題，它也是使用者最直接感受到的效果。
過去由于沒有找到曝光程度和曝光時間的數(shù)學關(guān)系，只能采用逼近擬合的方法，即一點點地增加或減少曝光時間和亮度增益來逼近理論值，這種方法的效率顯然是很低的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種自動曝光調(diào)節(jié)的方法及控制系統(tǒng)，本發(fā)明的自動曝光調(diào)節(jié)的方法，包含以下步驟(1)設(shè)定曝光控制基本參數(shù)，確定目標亮度值范圍；(2)在曝光并提取處理圖像后，判斷當前亮度值Y1是否在目標亮度值范圍內(nèi)，若是，繼續(xù)按原有參數(shù)曝光并處理圖像，若否，則進行以下自動曝光調(diào)節(jié)步驟；(3)計算所需亮度增益值G2，判斷是否利用亮度增益值調(diào)整可以將亮度值調(diào)整到目標亮度值范圍內(nèi)；若是，則將亮度增益值G1調(diào)整為G2的值，再按新的亮度增益值處理圖像，若否，進行下一步驟；(4)計算最優(yōu)曝光時間T2，用最優(yōu)曝光時間T2調(diào)整曝光時間T1。
在步驟(1)中設(shè)定的曝光控制基本參數(shù)包括目標亮度標準值Ytarget、亮度閾值Ythd，所述確定的目標亮度值范圍為[Ytarget-Ythd，Ytarget+Ythd]。
為避免調(diào)整亮度增益值時使亮度值變化不連續(xù)而造成閃爍，先根據(jù)初始設(shè)置的亮度增益閾值Gthd，設(shè)定不同時間下保證亮度變化連續(xù)的亮度增益閥值利用公式Gthdn+1＝(Gtarget-n×Gthd.n)÷(n+1)+offset計算不同曝光時間時允許的亮度增益閾值Gthdn，并將計算結(jié)果保存于亮度增益閾值對照表中，其中n為曝光時間對光照強度變化周期時間T的倍數(shù)，offset為任意整數(shù)，Gthd.1＝Gthd，在步驟(3)中，所述的判斷是否利用亮度增益值調(diào)整可以將亮度值調(diào)整到目標亮度值范圍內(nèi)的具體方法是(3.1)利用公式G2ln(M-Ytarget)ln(M)ln(M-Y1)-ln(M)×G1]]>計算所需亮度增益值G2，公式中M為亮度范圍最大值；(3.2)判斷是否Gtarget-Gthd.n≤G2≤Gtarget+Gthd.n；在步驟(4)中，所述計算最優(yōu)曝光時間T2是利用公式f(Y1)=ln(M-Y1)-ln(M)ln(M-Ytarget)-ln(M)]]>計算f(Y1)；然后利用公式Ttarget=G1T1f(Y1)Gtarget]]>計算目標曝光時間Ttarget，取Ttarget為最優(yōu)曝光時間T2。
計算目標曝光時間的優(yōu)選方法是先將不同曝光強度及其對數(shù)值存于對照表，最大曝光強度設(shè)定為常數(shù)M，當系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)為8位整數(shù)時，常數(shù)M＝256；然后按以下步驟計算(4.1)讀取Y1、M-Y1、M-Ytarget及M在對歸照表中的對數(shù)值；(4.2)利用公式f(Y1)=ln(M-Y1)-ln(M)ln(M-Ytarget)-ln(M)]]>計算f(Y1)；(4.3)利用公式Ttarget=G1T1f(Y1)Gtarget]]>計算Ttarget。
為避免flicker現(xiàn)象，在步驟(1)中還設(shè)置光照強度變化周期時間T；在步驟(4)中利用公式計算出目標曝光時間Ttarget后還進行以下處理若計算的目標曝光時間Ttarget為光照強度變化周期時間T整數(shù)倍，則取時間Ttarget為T2，若計算的目標曝光時間Ttarget不是光照強度變化周期時間T的整數(shù)倍，則取時間最接近Ttarget的T的整數(shù)倍數(shù)為T2。
由于選擇的最優(yōu)曝光時間不是目標曝光時間(目標亮度要求的曝光時間)，所以在計算最優(yōu)曝光時間T2后還可以執(zhí)行以下步驟調(diào)整亮度增益值來進行曝光補償使用公式G2=G1T1f(Y1)T2]]>計算最優(yōu)亮度增益值G2，并用計算結(jié)果調(diào)整圖像處理模塊中的亮度增益值G1。
在計算出G2后，根據(jù)曝光時間T2讀取亮度增益閾值對照表中相應的亮度增益值閾值Gthdn，先判斷是否G2在Gtarget允許的范圍內(nèi)若G2＞Gtarget+Gthdn，則取G2＝Gtarget+Gthd.n；若G2＜Gtarget-Gthd.n，則取G2＝Gtarget-Gthd.n；若Gtarget-Gthd.n≤G2≤Gtarget+Gthd.n，則不修正G2；然后再用G2調(diào)整亮度增益值G1。
本發(fā)明的還提供一種自動曝光調(diào)節(jié)的控制系統(tǒng)，包括圖像數(shù)據(jù)輸入模塊(sensor)、控制裝置、圖像數(shù)據(jù)輸出模塊(LCD)，圖像數(shù)據(jù)輸入模塊將曝光獲得的圖像數(shù)據(jù)傳送給控制裝置，控制裝置處理圖像數(shù)據(jù)后從圖像數(shù)據(jù)輸出模塊輸出圖像，控制裝置中配有可以修改圖像數(shù)據(jù)輸入模塊曝光時間和/或圖像處理亮度增益值的寄存器，并設(shè)置有目標亮度值和自動曝光產(chǎn)生中斷的亮度變化閾值的寄存器，以及實現(xiàn)計算曝光時間的公式f(Y1)=ln(M-Y1)-ln(M)ln(M-Ytarget)-ln(M)]]>及T2=G1T1f(Y1)Gtarget]]>算法的裝置。
在控制裝置中包含有圖像數(shù)據(jù)輸入模塊控制接口模塊(SIF)、圖像處理模塊(ISP)和處理器(HOST)，實現(xiàn)曝光時間計算公式算法的裝置可由在處理器(HOST)中安裝有可實現(xiàn)所述計算公式算法的軟件來實現(xiàn)，控制接口模塊(SIF)從圖像數(shù)據(jù)輸入模塊中讀取圖像數(shù)據(jù)傳送給圖像處理模塊(ISP)，并讀取控制參數(shù)如當前曝光時間T1傳送給處理器，處理器通過控制接口模塊調(diào)整圖像數(shù)據(jù)輸入模塊的控制參數(shù)。
控制裝置中配置有存儲亮度增益閾值對照表的寄存器、存儲亮度對數(shù)值的對照表的寄存器，圖像處理模塊統(tǒng)計圖像處理參數(shù)如當前亮度值Y1及亮度增益值G1等，并將其傳送給控制裝置中的處理器，處理器將計算調(diào)整后的圖像處理參數(shù)送回圖像處理模塊，調(diào)整圖像處理參數(shù)設(shè)置。
本發(fā)明的自動曝光調(diào)節(jié)方法及控制系統(tǒng)利用曝光算法公式使得自動曝光的過程變得非常簡單，而且可以相對較快地調(diào)節(jié)到目標值。同時，所需要設(shè)置的參數(shù)非常少，簡化了用戶的使用。


圖1示出了光源強度不隨時間發(fā)生變化的情況；圖2示出了光源強度隨時間發(fā)生周期性變化的情況；圖3示出了感光特性與曝光時間的關(guān)系曲線圖；圖4示出了入射光與曝光度的關(guān)系圖；圖5示出了自動曝光系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)；圖6示出了自動曝光調(diào)節(jié)方法的處理流程。
具體實施例方式
以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。
1、數(shù)學模型為了更好的研究曝光變化的規(guī)律，找出計算曝光時間的方法，構(gòu)造如下的概率模型模型建立有兩個相同數(shù)量的乒乓球盒A和B，盒里各自放了M個乒乓球，兩個盒子里的球都有自己的序號且序號唯一，在初始狀態(tài)下B里的乒乓球都是白色的。我們從A里拿乒乓球，并根據(jù)拿出的乒乓球號，將B里相應的球上換成黃色，然后將拿出的乒乓球放回A。
問如果每次從A中拿出K個球，重復拿N次，最后B里共有多少個球會變成黃色？解答如下因為A中的乒乓球沒有區(qū)別，因此每次拿球時拿中任何一個球的概率相同，都是(K/M)；設(shè)n次后，B里共有Sn個黃球，則有當n＝0時，S0＝0；n＝1時，S1＝K；n＝2時，S2＝(M-S1)(K/M)+S1；n＝m時，Sm＝(M-Sm-1)(K/M)+Sm-1；由以上的推導，我們可知(1)當K＝0時，SN＝0；(2)當K＝M時，S1＝S2＝……＝SN＝M(3)Sm＞＝Sm-1；(4)Sm-Sm-1＜Sm-1(5)當N→∞時，SN無限趨近于M依據(jù)上面的數(shù)學模型建立，圖像數(shù)據(jù)輸入模塊入射光與曝光度的關(guān)系，如圖4所示。圖4中，點陣A用于模擬對電壓U的響應，點陣B用于模擬曝光度S，拿球數(shù)量用于模擬電壓U，拿球次數(shù)用于模擬曝光時間，則如果每次的拿球數(shù)量一致，則模擬的是U恒定即恒定光源照射情況；如果每次的拿球數(shù)量不要求一致，則模擬的是U變化即變化光源情況。
使用數(shù)學模型的公式對實驗結(jié)果進行計算得表格2


可以看到模型非常好的逼近測試結(jié)果，因此可以認為這個曝光模型是可以說明CMOS圖像數(shù)據(jù)輸入模塊的曝光度問題的。
由數(shù)學模型有Sm＝(M-Sm-1)(K/M)+Sm-1(6)映射在連續(xù)空間有f(x+Δx)=(M-f(x))f(0+Δx)M+f(x)---(7)]]>即f′(x)=M-f(x)Mf′(0)---(8)]]>令K＝f′(0)，有f′(x)+KMf(x)=K---(9)]]>解這個微分方程得到f(x)=M(1-e-KMx)---(10)]]>其中f(0)＝0；f′(0)＝K2、曝光補償在室內(nèi)情況下，曝光時間的設(shè)定必須為室內(nèi)光源變化周期T的整數(shù)倍以避免flicker現(xiàn)象的產(chǎn)生，這就造成了另一個問題曝光時間設(shè)定的不連續(xù)性。如果需要設(shè)置的曝光時間恰好不是T的整數(shù)倍(實際上大多數(shù)情況都是這樣)，那就不能得到我們需要的圖像亮度。為此，引入了另一個參數(shù)亮度增益值G(Gain)。
亮度增益值G是作用在圖像亮度曲線的值，通過調(diào)節(jié)圖像的亮度分量的幅度，可以改變圖像的明暗效果。但是亮度增益調(diào)節(jié)不能夠增加圖像所攜帶的信息量，因此如果過分的調(diào)節(jié)亮度增益值，會造成圖像質(zhì)量下降。
本發(fā)明采用同時調(diào)節(jié)曝光時間和亮度增益值的方法來進行曝光補償，通過亮度增益值來保證亮度調(diào)節(jié)的連續(xù)性。
由數(shù)學模型推導出的公式，本發(fā)明可以得到計算曝光時間和亮度增益的方法如下假設(shè)亮度最大值為M，該最大值由圖像處理模塊的數(shù)據(jù)處理位數(shù)決定，這里使M＝256為常數(shù)；當前的曝光時間為T1，亮度增益為G1，亮度為Y1；如果將亮度增益改為G2(目標亮度增益)，希望獲取圖像的亮度度為Y2，則曝光時間T2計算過程為Y1=M(1-e-KG1T1M)---(11)]]>ln(M-Y1)-ln(M)=-KG1T1M---(12)]]>同理有l(wèi)n(M-Y2)-ln(M)=-KG2T2M---(13)]]>ln(M-Y1)-ln(M)ln(M-Y2)-ln(M)=G1T1G2G2---(14)]]>在實際應用中，一般會有一個期望的曝光程度值(圖象亮度適宜)和亮度增益值(一般為1，即亮度增益值不發(fā)生作用)，因此會確定一個目標曝光強度Ytarget和目標亮度增益值Gtarget，對(14)進行修正得到ln(M-Y1)-ln(M)ln(M-Ytarget)-ln(M)=G1T1GtargetT2---(15)]]>可見，公式中只有一個未知數(shù)T2，因此可以解出T2值令f(Y1)=ln(M-Y1)-ln(M)ln(M-Ytarget)-ln(M)---(16)]]>
可以得到f(Y1)=G1T1GtargetT2→T2=G1T1f(Y1)Gtarget---(17)]]>由此得到了本發(fā)明計算曝光時間的數(shù)學方法。
3、方法實現(xiàn)自動曝光控制系統(tǒng)實現(xiàn)自動曝光控制的方案利用寄存器讀取圖像處理模塊統(tǒng)計的圖像的亮度值，在圖像處理模塊統(tǒng)計出的亮度值超出設(shè)置的亮度區(qū)間時處理器產(chǎn)生中斷，系統(tǒng)進行自動曝光調(diào)節(jié)；設(shè)置目標曝光強度、目標亮度增益值、亮度增益變化范圍，獲取當前亮度增益值、曝光強度值(亮度統(tǒng)計值)和曝光時間等參數(shù)，并利用計算曝光時間的公式計算出新的曝光時間；通過IIC總線或者Serials Bus通信方式將計算出的曝光時間寫入圖像數(shù)據(jù)輸入模塊的寄存器。
本發(fā)明的一種具體實施例提供一種利用安裝的軟件來實現(xiàn)自動曝光(AE)算法的系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)包括圖像數(shù)據(jù)輸入模塊、可以修改圖像數(shù)據(jù)輸入模塊曝光時間T1和圖像處理模塊亮度增益值G1的寄存器，設(shè)置有目標亮度度值Ytarget和自動曝光產(chǎn)生中斷的亮度閾值Ythd的寄存器，以及自動曝光算法的軟件；自動曝光控制系統(tǒng)的工作流程如圖6所示。曝光產(chǎn)生后，系統(tǒng)比較當前亮度值Y1與可接受亮度區(qū)間[Ytarget-Ythd，Ytarget+Ythd]，在當前亮度值超出亮度區(qū)間時產(chǎn)生中斷，自動曝光系統(tǒng)進行自動曝光調(diào)節(jié)；獲得圖像的亮度取決于曝光強度和亮度增益調(diào)整，曝光強度則由曝光時間決定，因此，圖像亮度由曝光時間和亮度增益值決定。先判斷亮度增益補償能否將亮度調(diào)整到可接受亮度區(qū)間[Ytarget-Ythd，Ytarget+Ythd]，利用公式G2=ln(M-Ytarget)-ln(M)ln(M-Y1)-ln(M)×G1]]>
計算所需亮度增益值，公式中M為亮度最大值，判斷是否Gtarget-Gthd.n≤G2≤Gtarget+Gthd.n，若是，則將亮度增益值G1調(diào)整為G2的值，并繼續(xù)以后的曝光，若不是，則進行曝光時間調(diào)整利用計算曝光時間的公式Ttarget=G1T1f(Y1)Gtarget]]>及f(Y1)=ln(M-Y1)-ln(M)ln(M-Ytarget)-ln(M)]]>計算出目標曝光時間，式中Ttarget是在目標曝光時間，G1是當前的亮度增益，T1是當前的曝光時間，Y1是當前的亮度。用計算出的目標曝光時間Ttarget調(diào)整曝光時間T1設(shè)置。
當光源為室內(nèi)燈光時，因光照強度會以T為周期變化，為避免flicker現(xiàn)象，若計算的目標曝光時間Ttarget為光照強度變化周期時間T整數(shù)倍，則用時間Ttarget做為最優(yōu)曝光時間T2來調(diào)整曝光時間T1設(shè)置，若計算的目標曝光時間Ttarget不是光照強度變化周期時間T的整數(shù)倍，則用最接近Ttarget的T的整數(shù)倍時間做為最優(yōu)曝光時間T2調(diào)整曝光時間T1設(shè)置。
由于上面選擇的最優(yōu)曝光時間不是目標曝光時間Ttarget(目標亮度要求的曝光時間)，所以在計算最優(yōu)曝光時間T2后再執(zhí)行以下步驟調(diào)整亮度增益值來進行曝光補償使用公式G2=G1T1f(Y1)T2]]>計算最優(yōu)亮度增益值G2，并用計算結(jié)果調(diào)整圖像處理模塊中的亮度增益值G1。
為避免調(diào)整亮度增益值時使亮度值變化不連續(xù)而造成閃爍，先根據(jù)初始設(shè)置的亮度增益閾值Gthd，利用公式Gthdn+1＝(Gtarget-n×Gthd.n)÷(n+1)計算不同曝光時間時允許的亮度增益閾值Gthdn，并將計算結(jié)果保存于亮度增益閾值對照表中，其中n曝光時間對光照強度變化周期時間T的倍數(shù)，Gthd1＝Gthd，在計算出G2后，根據(jù)曝光時間T2讀取亮度增益閾值對照表中相應的亮度增益值閾值Gthd，先判斷是否G2在Gtarget允許的范圍內(nèi)若G2＞Gtarget+Gthd.n，則取G2＝Gtarget+Gthd.n；若G2＜Gtarget-Gthdn，則取G2＝Gtarget-Gthd.n；若Gtarget-Gthd.n≤G2≤Gtarget+Gthdn，則不修正G2；然后再用G2調(diào)整圖像處理模塊中的亮度增益值G1。
由于算法要求以及用戶使用時的靈活性考慮，需要由用戶根據(jù)實際情況在系統(tǒng)中配置如下參數(shù) Ytarget目標亮度； Ythd允許的亮度變化閾值，即為上面所說的中斷產(chǎn)生區(qū)間； G初始亮度增益值，可設(shè)置為目標亮度增益值Gtarget； Gthd可以接受的亮度增益值變化閾值； GdelaySensor在修改了曝光時間后有可能在幾幀后生效，而且不同的Sensor這個值也有所不同，G1的設(shè)置需要與曝光時間同時生效，此處配置G1生效的位置，如sensor配置的曝光時間在隔一幀生效，則此處Gdelay值設(shè)為1 Maxet可以設(shè)置的最大曝光時間，由于曝光時間增加到一定值會導致幀率變慢，所以應限制設(shè)置的最大值。
Minet設(shè)置最小曝光時間。
Maxgain當曝光時間已經(jīng)達到最大值仍不能滿足要求時，G1值的設(shè)定可以超出(Gtarget-Gthd，Gtarget+Gthd)的范圍，最大值可以設(shè)為Maxgain.
Mingain當計算得出的曝光時間小于一個T時，首先將曝光時間減小到一個T，然后減小G1值可以到Mingain設(shè)置的范圍，如果仍然不能滿足，再減小曝光時間到小于一個T。
Speed可以設(shè)置4個值(0，1，2，3)。在需要調(diào)整曝光時間時，有可能計算得出的新值與原來的設(shè)定有很大的變化，如果直接將曝光時間調(diào)整到計算出的值，有可能圖像會產(chǎn)生比較明顯的明暗變化的階越，所以在此處可以設(shè)定用戶希望調(diào)整的速度，速度0＜1＜2＜3。
當環(huán)境發(fā)生比較大的變化時(比如由比較暗的環(huán)境突然切換到比較亮的環(huán)境)，由于本發(fā)明的算法能夠很快的得到目標的曝光時間值，如果將計算值直接設(shè)置，會使圖像有一個比較大的明暗變化，也就是所謂的階越效果。這可能會使用戶不適應，因此，本發(fā)明在實際應用中通過設(shè)置參數(shù)speed值能夠避免這種情況。根據(jù)用戶的實際需求，可以改變此值以獲得不同的效果。例如，當前曝光時間為n，計算所得新的曝光時間為m，當環(huán)境亮度變化劇烈時，|m-n|會是一個較大的值(超過4倍T)，如果我們直接設(shè)置m，就會產(chǎn)生階越效果。在我們的實現(xiàn)方案里設(shè)置了4級調(diào)節(jié)速度。速度0＜1＜2＜3。當設(shè)置為不同的調(diào)節(jié)速度時，以|m-n|/s的變化幅度改變曝光時間。即設(shè)置曝光時間為n±|m-n|/s。調(diào)節(jié)速度越快，s的值越小。無論速度設(shè)定為何值，若曝光時間調(diào)整幅度為不足4倍T時，調(diào)整曝光時間的方式為每次調(diào)整一個T。
由于曝光時間在室內(nèi)必須設(shè)置為50HZ/60HZ的整數(shù)倍，而在室外則沒有此限制，當使用環(huán)境在室內(nèi)和室外切換時會出現(xiàn)問題。例如室內(nèi)燈光比較強時，所計算出的曝光時間有可能小于一個T，由于很難確定當前的環(huán)境(環(huán)境隨時可變)，所以很難決定是將曝光時間設(shè)置為計算值，或是設(shè)置為1個T值，因此，可以增加一些模式選擇，由使用者決定當前的環(huán)境和曝光的效果。模式的選擇完全可以通過配置或修改上面列出的參數(shù)值來完成。
以下為各模式說明，以及推薦的設(shè)置值 Auto各參數(shù)設(shè)置值為Minet＝0，Maxet＝0xe0，Ytop＝0xe0當計算出的曝光時間小于一個T時，如果此時Y1值小于ytop值，則不調(diào)整曝光時間設(shè)置，否則調(diào)整曝光時間設(shè)置。此模式下當室內(nèi)環(huán)境比較亮時有可能出現(xiàn)flicker。
Outdoor
各參數(shù)設(shè)置值為Minet＝0，Maxet＝0xe0，Ytop＝Y(jié)target+Ythd當計算出的曝光時間小于1T時，設(shè)置為計算值。此模式下如果處于室內(nèi)會出現(xiàn)flicker。
Indoor各參數(shù)設(shè)置值為Minet＝1，Maxet＝0xe0，Ytop＝0xe0此模式下不論室內(nèi)環(huán)境如何都不會出現(xiàn)flicker，但是當室內(nèi)燈光比較亮時，Y值可能達不到最好效果。
Dark各參數(shù)設(shè)置值為Minet＝5，Maxet＝255此模式下最小曝光時間為5T，當處于比較亮的環(huán)境時可能會造成圖像發(fā)亮。
4、自動曝光系統(tǒng)的基本硬件體系結(jié)構(gòu)圖5為一個自動曝光系統(tǒng)應用的基本硬件體系結(jié)構(gòu)，主要包括4個部分圖像數(shù)據(jù)輸入模塊(Sensor)，圖像數(shù)據(jù)輸出模塊(LCD)，圖像處理芯片(Chip)，處理器(Host)，圖像處理芯片(Chip)和處理器(Host)組成系統(tǒng)中的控制裝置。這也是一個最基本的圖像處理系統(tǒng)。圖像數(shù)據(jù)輸入模塊(sensor)接受外界圖像信號，經(jīng)過模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換過的數(shù)字數(shù)據(jù)傳入圖像處理芯片經(jīng)過處理后顯示到LCD顯示屏上。在這個系統(tǒng)中，圖像處理芯片是最重要的部分，他的處理能力決定整個圖像處理系統(tǒng)的優(yōu)劣。
本實施例的自動曝光系統(tǒng)可以應用于一顆專用的圖像處理芯片VC0568中，他可以完成對輸入圖像的處理，顯示和存儲。上圖的結(jié)構(gòu)中只是描述了其中和自動曝光系統(tǒng)相關(guān)的硬件模塊。
從圖5中可以看出，芯片包括兩個接口模塊，分別完成與圖像數(shù)據(jù)輸入模塊和輸出設(shè)備的交互。本發(fā)明主要關(guān)心與圖像數(shù)據(jù)輸入模塊(Sensor)的接口模塊SIF，所有對圖像數(shù)據(jù)輸入模塊的操作都是通過接口模塊SIF完成的。圖像數(shù)據(jù)輸入模塊與接口模塊的通信協(xié)議主要采用IIC或Serial bus，可以將要寫入圖像數(shù)據(jù)輸入模塊的寄存器的值寫入接口模塊的特定寄存器，然后由接口模塊負責將這些數(shù)據(jù)寫入Sensor。ISP模塊是圖像處理模塊，提供對圖像的分析和處理，可以提供給我們圖像的基本信息。處理器一般為一顆微處理器(本發(fā)明采用三星公司的Arm7TDMI)。本發(fā)明的軟件(包括自動曝光算法)都是在處理器上運行的。以下是自動曝光系統(tǒng)的處理過程首先，圖像處理芯片獲取數(shù)據(jù)，對每一幅圖像的數(shù)據(jù)進行處理和統(tǒng)計，在ISP模塊中配置了兩個寄存器，當ISP模塊對當前圖像的亮度(Y)值統(tǒng)計的出的Y1值超出配置的范圍時，芯片發(fā)出自動曝光中斷，處理器調(diào)用本發(fā)明在初始化時對自動曝光中斷注冊的中斷處理程序(ISR AUTOEXPOSE)。
其次，在中斷處理程序中，我們通過讀取ISP的相關(guān)寄存器獲取進行自動曝光計算所需要的參數(shù)(如Y1，G1，Gtarget等)，通過公式計算出新的曝光時間T2和G2值。
最后，處理器Host通過配置接口模塊SIF的寄存器，將要配置的新的曝光時間通過接口模塊SIF寫入圖像數(shù)據(jù)輸入模塊Sensor，新的亮度增益值G2直接寫入ISP模塊的G1值寄存器。
雖然與本發(fā)明的優(yōu)選示范實施例一起公開了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應該理解在不脫離本發(fā)明范圍下，能夠?qū)ζ溥^程和細節(jié)進行多種其它變化、省略和改變。
權(quán)利要求
1.一種自動曝光調(diào)節(jié)的方法，其特征在于，包含以下步驟(1)設(shè)定曝光控制基本參數(shù)，確定目標亮度值范圍；(2)在曝光并提取處理圖像后，判斷當前亮度值Y1是否在目標亮度值范圍內(nèi)，若是，繼續(xù)按原有參數(shù)曝光并處理圖像，若否，則進行以下自動曝光調(diào)節(jié)步驟；(3)計算所需亮度增益值G2，判斷是否利用亮度增益值調(diào)整可以將亮度值調(diào)整到目標亮度值范圍內(nèi)；若是，則將亮度增益值G1調(diào)整為G2的值，再按新的亮度增益值處理圖像，若否，進行下一步驟；(4)計算最優(yōu)曝光時間T2，用最優(yōu)曝光時間T2調(diào)整曝光時間T1。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟(1)中設(shè)定的曝光控制基本參數(shù)包括目標亮度增益值Gtarget、亮度增益閾值Gthd，并根據(jù)初始設(shè)置的亮度增益閾值Gthd，利用公式Gthd.n+1＝(Gtarget-n×Gthd.n)÷(n+1)+offset計算不同曝光時間時允許的亮度增益閾值Gthd.n，并將計算結(jié)果保存于亮度增益閾值對照表中，其中n為曝光時間對光照強度變化周期時間T的倍數(shù)，offset為任意整數(shù)，Gthd.1＝Gthd。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于在步驟(1)中設(shè)定的曝光控制基本參數(shù)包括目標亮度標準值Ytarget、亮度閾值Ythd，所述確定的目標亮度值范圍為[Ytarget-Ythd，Ytarget+Ythd]。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，在步驟(3)中，所述的判斷是否利用亮度增益值調(diào)整可以將亮度值調(diào)整到目標亮度值范圍內(nèi)的具體方法是(3.1)利用公式G2=ln(M-Ytarget)-ln(M)ln(M-Y1)-ln(M)×G1]]>計算所需亮度增益值G2，公式中M為亮度范圍最大值；(3.2)判斷是否Gtarget-Gthd.n≤G2≤Gtarget+Gthd.n；
5.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，在步驟(4)中，所述計算最優(yōu)曝光時間T2是利用公式f(Y1)=ln(M-Y1)-ln(M)ln(M-Ytarget)-ln(M)]]>計算f(Y1)；然后利用公式Ttarget=G1T1f(Y1)Gtarget]]>計算目標曝光時間Ttarget，取Ttarget為最優(yōu)曝光時間T2。
6.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，在步驟(1)中還將不同亮度及其對數(shù)值存于對照表，亮度范圍最大值M定為常數(shù)；在步驟(4)中所述計算目標曝光時間Ttarget包括以下步驟(4.1)讀取Y1、M-Y1、M-Ytarget及M在對照表中的對數(shù)值；(4.2)利用公式f(Y1)=ln(M-Y1)-ln(M)ln(M-Ytarget)-ln(M)]]>計算f(Y1)；(4.3)利用公式Ttarget=G1T1f(Y1)Gtarget]]>計算Ttarget。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，在步驟(1)中還設(shè)置有光照強度變化周期時間T；在步驟(4)中利用公式計算出目標曝光時間Ttarget后還進行以下處理若計算的目標曝光時間Ttarget為光照強度變化周期時間T整數(shù)倍，則取時間Ttarget為T2，若計算的目標曝光時間Ttarget不是光照強度變化周期時間T的整數(shù)倍，則取時間最接近Ttarget的T的整數(shù)倍數(shù)為T2。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，在計算最優(yōu)曝光時間T2后還執(zhí)行以下步驟(5)使用公式G2=G1T1f(Y1)T2]]>計算最優(yōu)亮度增益值G2，并用計算結(jié)果調(diào)整亮度增益值G1。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，在步驟(5)中計算出最優(yōu)亮度增益值G2后，根據(jù)曝光時間T2讀取亮度增益閾值對照表中相應的亮度增益值閾值Gthd.n，先判斷是否G2在Gtarget允許的范圍內(nèi)若G2＞Gtarget+Gthd.n，則取G2＝Gtarget+Gthd.n；若G2＜Gtarget-Gthd.n，則取G2＝Gtarget-Gthd.n；若Gtarget-Gthd.n≤G2≤Gtarget+Gthd.n，則不修正G2；然后再用G2調(diào)整亮度增益值G1。
10.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，步驟(1)中還設(shè)定有針對不同型號圖像感應器確定的亮度增益值調(diào)整生效遲延時間Gdelay。
11.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，設(shè)置以下參數(shù)最大曝光時間Maxet，用于防止曝光時間T2增加到一定值會導致幀率變慢，；最小曝光時間Minet；最大亮度增益值Maxgain，用于在曝光時間已經(jīng)達到最大值Maxet仍不能滿足要求時，增益值的設(shè)定可以超出亮度增益閾值的范圍，最大值可以設(shè)為最大亮度增益值Maxgain；最小亮度增益值Mingain，用于當計算得出的曝光時間小于一個T時，首先將曝光時間減小到一個T，然后減小亮度增益值到最小增益值Mingain設(shè)置的范圍，如果仍然不能滿足，再減小曝光時間到小于一個T。
12.權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，在步驟(1)中還設(shè)置一個速度控制參數(shù)speed，當需要調(diào)整的曝光時間與當前曝光時間差距大于4倍光照強度變化周期時間T時，分段逐步調(diào)整曝光時間。
13.權(quán)利要求11中的自動曝光調(diào)節(jié)的方法增加模式選擇，由用戶決定當前的環(huán)境和曝光的效果，并通過配置或修改上面列出的參數(shù)值來完成模式選，模式選擇由自動模式、戶外模式、室內(nèi)模式或夜間模式以及這幾種模式的任意搭配組合；所述的自動模式，其參數(shù)設(shè)置值為Minet＝0，Maxet＝0xe0，Ytop＝0xe0；當計算出的曝光時間小于一個T時，如果此時y1值小于ytop值，則不調(diào)整曝光時間設(shè)置，否則調(diào)整曝光時間設(shè)置；所述的戶外模式，其參數(shù)設(shè)置值為Minet＝0，Maxet＝0xe0，Ytop＝y(tǒng)target+ythd，當計算出的曝光時間T2小于T時，設(shè)置為計算值T2。所述的室內(nèi)模式，其參數(shù)設(shè)置值為Minet＝1，Maxet＝0xe0，ytop＝0xe0，避免在室內(nèi)環(huán)境下出現(xiàn)flicker現(xiàn)象；所述的夜間模式，其參數(shù)設(shè)置值為Minet＝5，Maxet＝255，此模式下最小曝光時間為5T。
14.一種使用上述自動曝光控制方法的自動曝光控制系統(tǒng)，包括圖像數(shù)據(jù)輸入模塊(sensor)、控制裝置、圖像數(shù)據(jù)輸出模塊(LCD)，其特征在于，控制裝置中配有可以修改圖像數(shù)據(jù)輸入模塊曝光時間和/或圖像處理亮度增益值的寄存器，并設(shè)置有目標亮度值和自動曝光產(chǎn)生中斷的亮度變化閾值的寄存器，以及實現(xiàn)計算曝光時間的公式f(Y1)=ln(M-Y1)-ln(M)ln(M-Ytarget)-ln(M)]]>及T2=G1T1f(Y1)Gtarget]]>算法的裝置，其中M為最大亮度值，Y1為當前亮度值，Ytarget為目標亮度標準值，T2為最優(yōu)曝光時間，T1為當前曝光時間，G1為亮度增益值，Gtarget為目標亮度增益值。
15.權(quán)利要求14所述的自動曝光控制系統(tǒng)，其特征在于，控制裝置中包含有圖像數(shù)據(jù)輸入模塊控制接口模塊(SIF)、圖像處理模塊(ISP)和處理器(HOST)，處理器(HOST)中安裝有可實現(xiàn)所述計算公式算法的裝置，控制接口模塊(SIF)從圖像數(shù)據(jù)輸入模塊中讀取圖像數(shù)據(jù)傳送給圖像處理模塊(ISP)，并讀取控制參數(shù)傳送給處理器，處理器通過控制接口模塊調(diào)整圖像數(shù)據(jù)輸入模塊的控制參數(shù)。
16.權(quán)利要求14或15所述的自動控制曝光控制系統(tǒng)，其特征在于，控制裝置中配置有存儲亮度增益閾值對照表的寄存器、存儲亮度對數(shù)值的對照表的寄存器，圖像處理模塊統(tǒng)計圖像處理參數(shù)并將其傳送給控制裝置中的處理器，處理器將計算調(diào)整后的圖像處理參數(shù)送回圖像處理模塊，調(diào)整圖像處理參數(shù)設(shè)置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種自動曝光調(diào)節(jié)的方法，主要步驟為設(shè)定曝光控制基本參數(shù)，包括目標亮度標準值Y
文檔編號G03B7/091GK1719328SQ20051008032
公開日2006年1月11日 申請日期2005年7月1日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月1日
發(fā)明者黃鑫, 游明琦, 劉勇 申請人:北京中星微電子有限公司