一種適用于空間探測成像的基于自適應(yīng)預(yù)期圖像平均亮度的自動曝光控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種適用于空間探測成像的基于自適應(yīng)預(yù)期圖像平均亮度的自動曝光控制方法，首先對當(dāng)前幀拍攝圖像采用自適應(yīng)閾值分割，識別出當(dāng)前幀拍攝主體圖像，由當(dāng)前幀拍攝主體圖像平均亮度得到當(dāng)前幀拍攝圖像平均亮度，然后將識別出的當(dāng)前幀拍攝主體圖像進(jìn)行直方圖均衡化處理，得到直方圖均衡化后的預(yù)期圖像平均亮度，再根據(jù)當(dāng)前幀拍攝圖像平均亮度與預(yù)期圖像平均亮度的差值的正負(fù)和大小來選取曝光時間，采用連續(xù)幀不斷循環(huán)迭代使當(dāng)前幀拍攝圖像平均亮度達(dá)到直方圖均衡化后的自適應(yīng)預(yù)期圖像平均亮度。本發(fā)明對空間探測中的暗背景亮目標(biāo)、目標(biāo)大小不確定等各種情況取得很好的曝光效果，增加了空間探測環(huán)境成像時的自適應(yīng)能力。
【專利說明】一種適用于空間探測成像的基于自適應(yīng)預(yù)期圖像平均亮度的自動曝光控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及深空探測技術(shù)中的自動曝光控制領(lǐng)域，特別是一種適用于空間探測成像的基于自適應(yīng)預(yù)期圖像平均亮度的自動曝光控制方法。

【背景技術(shù)】
[0002]成像裝置的自動曝光控制對輸出圖像質(zhì)量的影響非常大。自動曝光控制的目標(biāo)是使拍攝主體的圖像暗部細(xì)節(jié)不丟失，亮部不過曝，同時平均亮度適合人眼觀看。
[0003]應(yīng)用于空間探測的成像裝置在軌工作時，曝光時間是否合適非常重要，曝光時間過短會導(dǎo)致景物很暗，而過長又會導(dǎo)致景物亮度飽和，因此進(jìn)行自動曝光控制是必需的，但自動曝光控制非常復(fù)雜，曝光控制不好可能會陷入曝光時間紊亂，出現(xiàn)時亮?xí)r暗的情況。因此自動曝光控制是否合適，對成像裝置是至關(guān)重要的，關(guān)系到任務(wù)的成敗。
[0004]目前民用相機(jī)在自動曝光控制技術(shù)上比較成熟，可以根據(jù)夜景、白天、人像等設(shè)定所需要的不同曝光控制模式，效果很好，也可以根據(jù)不同的拍攝主體采用光圈先決式、快門先決式和程序式自動曝光控制來獲得準(zhǔn)確曝光。民用相機(jī)的自動曝光控制技術(shù)如果應(yīng)用于空間探測等航天領(lǐng)域，就存在有局限性。
[0005]首先從自動曝光控制方法來說，①應(yīng)用于空間探測的成像裝置，對拍攝主體進(jìn)行成像時，由于無法預(yù)知拍攝主體的光照條件、位置、所占圖像區(qū)域大小等情況，無法根據(jù)現(xiàn)場情景設(shè)定自動曝光控制模式。②應(yīng)用于空間探測的成像裝置如果采用現(xiàn)有的圖像整體亮度來控制曝光，如果拍攝主體與背景之間的亮度差太大，會使得拍攝主體出現(xiàn)曝光不足或者曝光過度的現(xiàn)象。③應(yīng)用于空間探測的成像裝置如果采用民用相機(jī)的參照亮度值控制方法，將圖像分塊，每一塊子圖像的亮度被用于設(shè)置參照亮度值，該參照亮度值可以通過調(diào)整光圈大小獲得，當(dāng)然同樣也可以通過設(shè)置快門速度獲得該參照亮度值，則應(yīng)用于空間探測成像裝置是無人操作，無法設(shè)定光圈或快門。④民用相機(jī)有的通過研究不同光照條件下的亮度與曝光值之間的關(guān)系來進(jìn)行曝光控制，應(yīng)用空間探測的成像裝置無法預(yù)先進(jìn)行亮度與曝光值之間的標(biāo)定，所以不能采用這樣曝光控制方法。⑤民用的自動曝光控制方法均是基于整幅圖像進(jìn)行自動曝光控制的，當(dāng)拍攝主體相對背景很小時，會造成拍攝主體曝光過度。當(dāng)拍攝主體很亮、背景較暗時，此時應(yīng)該減小曝光時間；但由于是對整幅圖像進(jìn)行計算的，亮度高的像素數(shù)目遠(yuǎn)小于亮度低的像素數(shù)目，因此整幅圖像較暗，為了提高整幅圖像的亮度，繼續(xù)增加曝光時間，最終導(dǎo)致拍攝主體曝光過度。因此需要在現(xiàn)有的自動曝光算法中分割出拍攝主體圖像，對拍攝主體圖像進(jìn)行有效的自動曝光控制。⑥現(xiàn)有的對拍攝主體圖像的自動曝光算法，為了分割出拍攝主體圖像，經(jīng)常采用固定亮度閾值進(jìn)行分割，但由于應(yīng)用于空間探測成像裝置的溫度影響，固定亮度閾值分割不能適應(yīng)各種情況，因此需要將自適應(yīng)閾值分割的方法引入自動曝光控制方法中來。
[0006]其次從自動曝光步長選取來說，自動曝光搜索的步長會影響搜索速度和搜索穩(wěn)定性之間的權(quán)衡關(guān)系。曝光時間調(diào)整步長過小會增加搜索次數(shù)，導(dǎo)致降低搜索速度；而如果曝光時間調(diào)整步長過長可能造成搜索無法收斂，在最佳曝光點左右搖擺不穩(wěn)定的現(xiàn)象?，F(xiàn)有的自動曝光方法多數(shù)不能根據(jù)不同場景的亮度情況動態(tài)的調(diào)整搜索步長。
[0007]目前，空間光學(xué)遙感相機(jī)調(diào)節(jié)曝光的方法并不多，大型對地遙感相機(jī)因為其地面目標(biāo)的確定性，可以使用輻亮度分析軟件、相機(jī)光學(xué)和傳感器芯片特性得出精確的曝光時間，只需根據(jù)地面景物的不同設(shè)定幾檔曝光時間進(jìn)行切換。
[0008]國內(nèi)目前應(yīng)用于空間探測成像裝置自動曝光控制方法由于成像裝置無法對拍攝主體進(jìn)行識別，當(dāng)視場內(nèi)景物相對復(fù)雜時，無法進(jìn)行有效曝光控制，受噪聲和非拍攝主體干擾大，使得圖像中拍攝主體亮度很難在一個合適的范圍內(nèi)，增大了自動曝光控制的難度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種適用于空間探測成像的基于自適應(yīng)預(yù)期圖像平均亮度的自動曝光控制方法。
[0010]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的:
[0011]一種適用于空間探測成像的基于自適應(yīng)預(yù)期圖像平均亮度的自動曝光控制方法，其特征在于:首先對當(dāng)前幀圖像采用自適應(yīng)閾值分割，識別出當(dāng)前幀主體圖像，由當(dāng)前幀主體圖像平均亮度得到當(dāng)前幀拍攝圖像平均亮度，然后將識別出的當(dāng)前幀主體圖像進(jìn)行直方圖均衡化處理，得到直方圖均衡化后的預(yù)期圖像平均亮度，再根據(jù)拍攝圖像平均亮度與預(yù)期圖像平均亮度的差值的正負(fù)和大小來選取曝光時間，采用連續(xù)幀不斷循環(huán)迭代使拍攝圖像平均亮度達(dá)到直方圖均衡化后的自適應(yīng)預(yù)期圖像平均亮度，其中，自動曝光控制步驟為:
[0012]步驟(11):圖像傳感器輸出一幀圖像，圖像傳感器根據(jù)曝光時間得到一幀拍攝主體圖像；
[0013]步驟(12):識別出當(dāng)前幀主體圖像，以當(dāng)前幀圖像的所有像素的均值的三分之一作為閾值，將大于等于閾值的像素分割為當(dāng)前幀主體圖像；
[0014]步驟(13):計算當(dāng)前幀圖像平均亮度，將識別出的當(dāng)前幀主體圖像平均亮度進(jìn)行累加求平均得到當(dāng)前幀的拍攝圖像平均亮度；
[0015]步驟(14):識別出的當(dāng)前幀主體圖像直方圖均衡化，將識別出的當(dāng)前幀主體圖像進(jìn)行直方圖均衡化處理，得到直方圖均衡化后的當(dāng)前幀主體圖像；
[0016]步驟(15):計算直方圖均衡化后的預(yù)期圖像平均亮度，將直方圖均衡化后的當(dāng)前幀主體圖像亮度進(jìn)行累加求平均得到直方圖均衡化后的預(yù)期圖像平均亮度；
[0017]步驟(16):拍攝圖像平均亮度和預(yù)期圖像平均亮度比較，如果拍攝圖像平均亮度與預(yù)期圖像平均亮度的差值的絕對值小于等于設(shè)定圖像平均亮度差值，就認(rèn)為自動曝光控制已經(jīng)控制到位，停止曝光時間的調(diào)整，以當(dāng)前幀的曝光時間作為下一幀的曝光時間，如果當(dāng)前幀的拍攝圖像平均亮度與預(yù)期圖像平均亮度的差值的絕對值大于設(shè)定圖像平均亮度差值，則進(jìn)入曝光時間調(diào)整；
[0018]步驟(17):確定下一幀圖像曝光時間，在當(dāng)前幀的曝光時間的基礎(chǔ)上，根據(jù)當(dāng)前幀的拍攝圖像平均亮度與預(yù)期圖像平均亮度的差值的正負(fù)和大小來進(jìn)行曝光時間選擇，包括以下步驟:
[0019]步驟(171):如果當(dāng)前幀的拍攝圖像平均亮度與預(yù)期圖像平均亮度的差值為正，下一巾貞圖像曝光時間就需要在前一巾貞圖像曝光時間的基礎(chǔ)上減小曝光時間；
[0020]步驟(172):如果當(dāng)前幀的拍攝圖像平均亮度與預(yù)期圖像平均亮度的差值為負(fù)，下一巾貞圖像曝光時間就需要在前一巾貞圖像曝光時間的基礎(chǔ)上增加曝光時間；
[0021]步驟(173):當(dāng)前幀的拍攝圖像平均亮度與預(yù)期圖像平均亮度的差值大小來自適應(yīng)確定增加、減小的曝光時間值，增加、減小的曝光時間值為曝光時間步長數(shù)值XX亮度差值YX曝光時間當(dāng)量值Z ;
[0022]步驟(174):如果前一幀的曝光時間與曝光時間范圍的下限差值大于確定的減小的曝光時間值，則下一幀的曝光時間為前一幀的曝光時間減去確定的減小曝光時間值；否則直接將曝光時間范圍的下限值作為下一幀的曝光時間；
[0023]步驟(175):如果前一幀的曝光時間與曝光時間范圍的上限差值大于確定的增加的曝光時間值，則下一幀的曝光時間為前一幀的曝光時間加上確定的增加曝光時間值；否則直接將曝光時間范圍的上限值作為下一幀的曝光時間。
[0024]本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)相比所具有的優(yōu)點:
[0025]1、本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)在各種光照條件、溫度情況下，對拍攝主體圖像的自適應(yīng)分割，對分割出的拍攝主體圖像進(jìn)行有效的曝光控制。
[0026]2、本發(fā)明中自動曝光時間的調(diào)整由拍攝圖像平均亮度與預(yù)期圖像平均亮度的差值大小決定，圖像亮度差值越小，調(diào)整的曝光時間越小，圖像亮度差值越大，調(diào)整的曝光時間越大。這樣的機(jī)制保證了曝光時間調(diào)整隨曝光程度改變，達(dá)到搜索速度和搜索穩(wěn)定性之間的平衡。
[0027]3、本發(fā)明可以快速、準(zhǔn)確的調(diào)整曝光值，調(diào)節(jié)曝光值比較穩(wěn)定，可以有效避免由于不收斂造成的曝光閃爍現(xiàn)象。
[0028]4、本發(fā)明采用自動曝光控制方法，對空間探測中的暗背景亮目標(biāo)、目標(biāo)大小不確定等各種情況取得很好的曝光效果，收斂性很好。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1是本發(fā)明的自動曝光控制步驟圖；
[0030]圖2是本發(fā)明的曝光時間選擇步驟圖；
[0031]圖3是本發(fā)明的月面應(yīng)用的技術(shù)效果示意圖一；
[0032]圖4是本發(fā)明的月面應(yīng)用的技術(shù)效果示意圖二。

【具體實施方式】
[0033]下面結(jié)合附圖及具體實施例對本發(fā)明再作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0034]一種適用于空間探測成像的基于自適應(yīng)預(yù)期圖像平均亮度的自動曝光控制方法，首先對當(dāng)前幀圖像采用自適應(yīng)閾值分割，識別出當(dāng)前幀主體圖像，由當(dāng)前幀主體圖像平均亮度得到當(dāng)前幀拍攝圖像平均亮度，然后將識別出的當(dāng)前幀主體圖像進(jìn)行直方圖均衡化處理，得到直方圖均衡化后的預(yù)期圖像平均亮度，再根據(jù)拍攝圖像平均亮度與預(yù)期圖像平均亮度的差值的正負(fù)和大小來選取曝光時間，采用連續(xù)幀不斷循環(huán)迭代使拍攝圖像平均亮度達(dá)到直方圖均衡化后的自適應(yīng)預(yù)期圖像平均亮度，其中，如圖1所示，自動曝光控制步驟為:
[0035]步驟(11):圖像傳感器輸出一幀圖像，圖像傳感器根據(jù)曝光時間得到一幀拍攝主體圖像；
[0036]步驟(12):識別出當(dāng)前幀主體圖像，以當(dāng)前幀圖像的所有像素的均值的三分之一作為閾值，將大于等于閾值的像素分割為當(dāng)前幀主體圖像；
[0037]步驟(13):計算當(dāng)前幀拍攝圖像平均亮度，將識別出的當(dāng)前幀主體圖像亮度進(jìn)行累加求平均得到當(dāng)前幀的拍攝圖像平均亮度；
[0038]步驟(14):識別出的當(dāng)前幀主體圖像直方圖均衡化，將識別出的當(dāng)前幀主體圖像進(jìn)行直方圖均衡化處理，得到直方圖均衡化后的當(dāng)前幀主體圖像；
[0039]步驟(15):計算直方圖均衡化后的預(yù)期圖像平均亮度，將直方圖均衡化后的當(dāng)前幀主體圖像亮度進(jìn)行累加求平均得到直方圖均衡化后的預(yù)期圖像平均亮度；
[0040]步驟(16):拍攝圖像平均亮度和預(yù)期圖像平均亮度比較，如果拍攝圖像平均亮度與預(yù)期圖像平均亮度的差值的絕對值小于等于設(shè)定圖像亮度差值，就認(rèn)為自動曝光控制已經(jīng)控制到位，停止曝光時間的調(diào)整，以當(dāng)前幀的曝光時間作為下一幀的曝光時間，如果當(dāng)前幀的拍攝圖像平均亮度與預(yù)期圖像平均亮度的差值的絕對值大于設(shè)定圖像亮度差值，則進(jìn)入曝光時間調(diào)整；
[0041]步驟(17):確定下一幀圖像曝光時間，在當(dāng)前幀的曝光時間的基礎(chǔ)上，根據(jù)當(dāng)前幀的拍攝圖像平均亮度與預(yù)期圖像平均亮度的差值的正負(fù)和大小來進(jìn)行曝光時間選擇，如圖2所示，包括以下步驟:
[0042]步驟(171):如果當(dāng)前幀的拍攝圖像平均亮度與預(yù)期圖像平均亮度的差值為正，下一巾貞圖像曝光時間就需要在前一巾貞圖像曝光時間的基礎(chǔ)上減小曝光時間；
[0043]步驟(172):如果當(dāng)前幀的拍攝圖像平均亮度與預(yù)期圖像平均亮度的差值為負(fù)，下一巾貞圖像曝光時間就需要在前一巾貞圖像曝光時間的基礎(chǔ)上增加曝光時間；
[0044]步驟(173):當(dāng)前幀的拍攝圖像平均亮度與預(yù)期圖像平均亮度的差值大小來自適應(yīng)確定增加、減小的曝光時間值，增加、減小的曝光時間值為曝光時間步長數(shù)值X X亮度差值YX曝光時間當(dāng)量值Z ;
[0045]步驟(174):如果前一幀的曝光時間與曝光時間范圍的下限差值大于確定的減小的曝光時間值，則下一幀的曝光時間為前一幀的曝光時間減去確定的減小曝光時間值；否則直接將曝光時間范圍的下限值作為下一幀的曝光時間；
[0046]步驟(175):如果前一幀的曝光時間與曝光時間范圍的上限差值大于確定的增加的曝光時間值，則下一幀的曝光時間為前一幀的曝光時間加上確定的增加曝光時間值；否則直接將曝光時間范圍的上限值作為下一幀的曝光時間。其中本發(fā)明的自動曝光控制參數(shù)選擇如表I。
[0047]表I是本發(fā)明的自動曝光控制參數(shù)表
[0048]

【權(quán)利要求】
1.一種適用于空間探測成像的基于自適應(yīng)預(yù)期圖像平均亮度的自動曝光控制方法，其特征在于:首先對當(dāng)前幀圖像采用自適應(yīng)閾值分割，識別出當(dāng)前幀主體圖像，由當(dāng)前幀主體圖像平均亮度得到當(dāng)前幀圖像平均亮度，然后將識別出的當(dāng)前幀主體圖像進(jìn)行直方圖均衡化處理，得到直方圖均衡化后的預(yù)期圖像平均亮度，再根據(jù)當(dāng)前幀圖像平均亮度與預(yù)期圖像平均亮度的差值的正負(fù)和大小來選取曝光時間，采用連續(xù)幀不斷循環(huán)迭代使當(dāng)前幀圖像平均亮度達(dá)到直方圖均衡化后的自適應(yīng)預(yù)期圖像平均亮度，其中，自動曝光控制步驟為:步驟(11):圖像傳感器輸出一幀圖像，圖像傳感器根據(jù)曝光時間得到一幀當(dāng)前幀主體圖像； 步驟(12):識別出當(dāng)前幀主體圖像，以當(dāng)前幀圖像的所有像素的均值的三分之一作為閾值，將大于等于閾值的像素分割為當(dāng)前幀主體圖像； 步驟(13):計算當(dāng)前幀圖像平均亮度，將識別出的當(dāng)前幀主體圖像亮度進(jìn)行累加求平均得到當(dāng)前幀的拍攝圖像平均亮度； 步驟(14):識別出的當(dāng)前幀主體圖像直方圖均衡化，將識別出的當(dāng)前幀主體圖像進(jìn)行直方圖均衡化處理，得到直方圖均衡化后的當(dāng)前幀主體圖像； 步驟(15):計算直方圖均衡化后的預(yù)期圖像平均亮度，將直方圖均衡化后的當(dāng)前幀主體圖像亮度進(jìn)行累加求平均得到直方圖均衡化后的預(yù)期圖像平均亮度； 步驟(16):當(dāng)前幀拍攝圖像平均亮度和預(yù)期圖像平均亮度比較，如果當(dāng)前幀拍攝圖像平均亮度與預(yù)期圖像平均亮度的差值的絕對值小于等于設(shè)定圖像平均亮度差值，就認(rèn)為自動曝光控制已經(jīng)控制到位，停止曝光時間的調(diào)整，以當(dāng)前幀的曝光時間作為下一幀的曝光時間，如果當(dāng)前幀的拍攝圖像平均亮度與預(yù)期圖像平均亮度的差值的絕對值大于設(shè)定圖像平均亮度差值，則進(jìn)入曝光時間調(diào)整； 步驟(17):確定下一幀圖像曝光時間，在當(dāng)前幀的曝光時間的基礎(chǔ)上，根據(jù)當(dāng)前幀的拍攝圖像平均亮度與預(yù)期圖像平均亮度的差值的正負(fù)和大小來進(jìn)行曝光時間選擇，包括以下步驟: 步驟(171):如果當(dāng)前幀的拍攝圖像平均亮度與預(yù)期圖像平均亮度的差值為正，下一中貞圖像曝光時間就需要在前一巾貞曝光時間的基礎(chǔ)上減小曝光時間； 步驟(172):如果當(dāng)前幀的拍攝圖像平均亮度與預(yù)期圖像平均亮度的差值為負(fù)，下一中貞圖像曝光時間就需要在前一巾貞曝光時間的基礎(chǔ)上增加曝光時間； 步驟(173):當(dāng)前幀的拍攝圖像平均亮度與預(yù)期圖像平均亮度的差值大小來自適應(yīng)確定增加、減小的曝光時間值，增加、減小的曝光時間值為曝光時間步長數(shù)值XX亮度差值YX曝光時間當(dāng)量值Z ; 步驟(174):如果前一幀的曝光時間與曝光時間范圍的下限差值大于確定的減小的曝光時間值，則下一幀的曝光時間為前一幀的曝光時間減去確定的減小曝光時間值；否則直接將曝光時間范圍的下限值作為下一幀的曝光時間； 步驟(175):確定下一巾貞圖像曝光時間的增加值,如果前一巾貞的曝光時間與曝光時間范圍的上限差值大于確定的增加的曝光時間值，則下一幀的曝光時間為前一幀的曝光時間加上確定的增加曝光時間值；否則直接將曝光時間范圍的上限值作為下一幀的曝光時間。
【文檔編號】H04N5/235GK104184957SQ201410476250
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年9月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月17日
【發(fā)明者】余國彬, 劉恩海, 周武林, 周向東, 鐘杰, 趙汝進(jìn), 王進(jìn) 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所