一种基于亮度直方图的自动曝光控制方法.pdf

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5期 杨海涛等:一种基于亮度直方图的自动曝光控制方法 843 域内容复杂度较低即含有较少的边缘与线条。从量P。表示。按照(1)式P被定义为峰值区域內像 频域的角度看,这样的图像区域的低频分量较为丰素数与图像像素总数之比 富。相反的是,直方图中较为平坦的部分是包含丰 富灰度级的高复杂度图像区域,它们拥有丰富的边 Ps(X)=e h(i), 缘和线条对应于图像的高频分量以及直方图中具所选取的单位门序列的宽度即为峰值区域的宽度, 有较大熵的区域。人类视觉系统(HVS)的特性是该参量可预先设定,用符号Pw表示。这样图2(b) 注意图像空间域中的高复杂度区域,总是力图最所示卷积和结果中的每个上凸极点就对应于直方图 大化地从图像中获取信息。因此高复杂度区域成为的一个峰值区域,例如Peak2对应于图2(a)中的阴 人眼的视觉焦点(FOA)。基于人类视觉系统的这影部分标出的峰值区域。找到的峰值区域可以用其 种视觉注意机制,定义感兴趣区域(Reε gions of起始点的横坐标,也就是图2(b)中上凸极点的横坐 Interests,Ro为图像中包含丰富灰度级的高复杂标ⅹ与峰值区域亮度Pw来标记。从图2(a)中可以 度区域,不感兴趣区域( Regions of no inter ests,直观的看出,当Pw一定时,陡峭的峰值区域的P RONI)为包含较少灰度级的低复杂度区域。图像较大。为了较为准确地寻找图像中的不感兴趣区 中的不感兴趣区域显然对应于直方图中窄而高的峰域,参量Pw必须合适。Pw过大就无法准确找出不 值区域。 感兴趣区域,Pw过小则会降低该自动曝光系统性 如图2(a)所示,可以简单地通过单位门序列与能。大量实验数据表明,在256级灰度的条件下, 归一化的直方图进行卷积和运算来寻找直方图的峰P为16时能够使该自动曝光系统拍摄的图像获得 值区域。图中x为像素点亮度信号强度,h(x表示令人满意的曝光效果。 强度为ⅹ的像素点的频率。峰值区域的大小由参 图2寻找直方图峰值区域。(a)卷积和过程,(b)卷积和结果 Fig 2 Find peak reg ions in histogram. (a) Convolving process, (b) convolving results 如果只对直方图最大的一个峰值区域加权,当2.2加权曲线 直方图中最大的两个峰值区域的顺序发生交替变化 通过大量场景测试,研究采用如图3所示的 时,所计算的加权均值可能产生忽大忽小的变化,从 B=0 for p 而导致曝光控制时图像序列亮度的闪烁现象。为了 dB=l for Pbk 消除该现象,需要对最大的两个峰值区域都做相应 B=0.1 for P B=0. 9 for Pbk 的加权处理。 B=l for P 位于直方图左侧的峰对应于图像中亮度较低的 B =0 for Pb 区域,记为P;同样,位于直方图右侧的峰对应于图 像中亮度较高的区域,记为P。下一小节将研究如 何为直方图中最大的两个峰值区域,也就是Ps和Ps 00250.50c075 P 选择加权值,而其基本原则就是为直方图中的不感兴 趣区域峰值区域分配相对较小的权值,使感兴趣区域 图3加权曲线组 主导图像亮度均值从而获得正确曝光 Fig.3 A set of weighting curves fhalElectronicPublishingHouseAllrightsreservedhttp://www.cnki.net 844 光 学学报 27卷 组二次型加权曲线对直方图中的峰值区域作加权处有满足算法调节权值的操作所要求的最简化形式。 理。其原理是图像中较大的感兴趣区域会严重影响如上所述,根据直方图中峰值区域的大小以及拍摄 感兴趣区域的正常曝光,因此需要加权曲线随不感环境背景亮度选择直方图中最大的两个峰值区域的 兴趣区域增大而减小其权值,从而瑊弱它对曝光控权值,就可以在各种场景中实现有效的曝光控制。 制的影响。当不感兴趣区域过大(参量接近1)时, 按照上面的方法确定直方图中最大的两个峰值 则需要逐步増大加权值。这是由于此时不感兴趣区区域的权值后使用(4)式计算图像的加权亮度均值 域几乎占据整幅图像,如果为其分配较小的权值将M。峰值区域内所有像素采用同一权值。式中的 会导致整幅图像的非正常曝光。从图3可以看出,权值范围是[0,。当所有权值为1时图像的加权 采用二次曲线作为加权曲线能够满足上述要求,即亮度均值即为未加权的亮度均值而当所有权值为 在优化图像曝光效果的同时可以保证自动曝光控制0时,图像的加权亮度均值即为除去亮度直方图中 的稳健性,也就是在过曝和欠曝的情况下都能够使峰值区域内的像素后得到的图像的普通亮度均值: 图像序列的亮度值收敛至正常曝光范围之内。图3 中,W是由峰值区域大小P丶按照(2)式确定的 Pac-EPaci(1 -Wi) Mw 权值: N1-EP(1-W) w=ait bi(Ps-c) (2)式中的c可以预先设定,其取值应在(0.51)之其中W为直方图中每个最大峰值区域的权值,Pa 内,使P较小时对应的峰值区域的权值为1。这是为图像中所有像素点的亮度累加值Pu为直方图 因为当峰值区域的P较小时,它所对应的图像中中每个最大峰值区域内所有像素点的亮度累加值 的区域一般不属于不感兴趣区域;即使它对应于图P为直方图中每个最大峰值区域的大小,N为图像 像中的不感兴趣区域由于它的P较小,也只是应的大小,用总像素数表示 于图像中较小的不感兴趣区域,为其赋予权值1对 Pa和Pu分别由(5)式和(6)式计算得到: 最终曝光效果的影响不大。(2)式中的a、b由拍摄 环境的背景亮度确定,而拍摄环境的场景亮度可 P aci(xi) 以按照(3)式计算,归一化后取值范围为[0,1]: 255 B,=k+E(* S), Ej* h(j) 其中B为拍摄场景亮度k为归一化因子,E为未 式中x表示直方图中峰值区域的起始位置。 加权的图像亮度均值,G为图像信号通道增益,S为 2.3自动曝光系统结构 图4为所提出的自动曝光系统框图。该系统基 CCD/ CMOS传感器快门时间。 于每帧图像的加权亮度均值进行反馈式曝光控制。 在照明环境不变的情况下连续图像序列中的亮 度改变主要是由图像中前景对象的运动所引起的。 直方图统计模块( H istogram calculator)统计图像 信号的亮度直方图并计算它的最大的两个峰值区域 从视觉的感知上讲,相邻的前帧图像的场景亮度则 可以被认为是当前帧图像的背景亮度。因此可以将的大小。背景亮度计算模块( Brightness calculator (3)式中的B作为第i帧图像的背景亮度,并依依据(3)式计算出当前帧图像的背景亮度。模糊逻 MOS Gai AdD 据它确定(2)式中的a、b。在明亮的拍摄环境中, controler converter pocEssor 因为Pb对应于图像中较高亮度区域,可认为属于 Lens 图像中背景区域,所以如图3所示,在Ps相同的条 Gaim value Brides 件下,算法在B较大(背景明亮)时为Pbr选择较小 shnuliter◆ d calculator Icalculator Mean weighted 的a,也就是选择较小的权值从而加重图像的主要 拍摄对象在自动曝光中的作用;同样的道理,当B moller controLer 中pw 较小(背景黑暗)时要为Ps选择较小的权值。由于 signal Reference AD: analogue-digital 需要保持图3中加权曲线开口大小不变,也就是说 当W为1时对应的P。取值不变,因此b可由a;按 图4自动曝光系统框图 照(2)式求解显然(2)式所表示的二次型曲线具 Fig, 4 Block diagram of automatic exposure system ublishingHouseAllrightsreservedhttp:/www.cnki.net 5期 杨海涛等:一种基于亮度直方图的自动曝光控制方法 845 辑控制模块( Fuzzy controller根据输入的直方图的 (1) U(2) (3 最大峰值区域的大小以及背景亮度计算当前帧图像 1 的加权均值( Mean weighted luminance)。加权均 值与预先设定的亮度参考值( Reference s ignal)进行 025 050 比较,产生的输出信号( Output signal)将被用于曝 光控制。 3) Y(2 W3) 2.4应用模糊逻辑优化 B 为了使自动曝光具有连续、自然的效果,采用模 糊逻辑代替图3中的加权曲线确定最大峰值区域的 0.25 0507 10D B 加权值。考虑权值W与最大峰值区域大小P。和背 景亮度B1的关系,对应于图3中的二次型加权曲 图5P与B的隶属函数 线,为P产生二次型分布的隶属函数U(1),U(2) Fig 5 Membership functions for P, and Br 和U(3),同时为Br产生三角形分布的隶属函数并且定义一组模糊逻辑规则 V(1),W2)和V3),如图5所示。 Rule( 1, 1): if Ps is S and br is s then w is w(1, 1) Rule(1, 2): if Ps is M and Br is S then W is W(1, 2 ), Rule(3, 3): if Ps is B and Br is b then W is w(3, 3) 其中W代表选取的权值图6分别为P和Pt列出了对应于所有规则产生的权值,这些权值均由实验测定 符号/*0的数目代表了权值大小,*****0表示最大权值。 B we,1)W(3,2) B W(3,1)w3,2 W(B,3〕 中本事斗 中审事 MW2)we22)W(2,a) a|w(2,1)|W(2,2)Fw(2,3 W1,1)W1,2)W13 w(, 1 W(12)W(1,3) M B () 图6(a)Pk的权值选取,(b)Psr的权值选取 F W eight ing v or Pbk(a) and Pbr( b) 在模糊推理过程中,从有效规则中得到的结论的隶属度可按照(10式采用模糊最小值操作确定,其中U (i)与Ⅴ(i)分别是图5中所示出的Ps与B的隶属函数 u(i,j)=minPs aU(i), Br av(j], 1[1,j[ 3 最后使用质心法进行逆模糊化 W=EElu(i,j)*W(i,jE Eu(i,j).I[i,j[3 11) 系统通过上面的模糊推理为Pk与P如产生连B得到权值的方法实质上是一致的 续且自然的权值。由于采用了模糊逻辑,该自动曝 光系统的权值选取方法得到简化。而使用图5中的3实验结果 隶属函数以及图6中的权值分配表进行模糊推理得 将本文所设计的自动曝光系统应用于视频采集 到权值的方法与使用图3中的曲线根据参量R和设备井使用该设备进行场景测试图7给出了几种 846 光 学学报 27卷 典型拍摄场景的自动曝光控制效果比较。图7(a)为角。由于该图像灰度级分布均匀没有明显的不感兴 日光斜照下的广场,是典型的背光场景,图7(b为自趣区域,也可以说该图像拍摄主体与背景亮度衬比度 动曝光控制结果。与使用未加权图像亮度均值的自较小,所以从自动曝光角度看,属于普通拍摄场景 动曝光系统所釆集的图7(a比较,图π(b)中的建筑将算法应用于这种普通场景,得到的加权亮度均值与 及人物都得到正常曝光图像视觉质量得到显著提未加权亮度均值基本相等,所以图7(中自动曝光控 高。图π(c)为夜间超级市场,是正面强光场景的特制后所得到图像的曝光程度与图7(c)基本相同。通 例,图飞ω为对此场景应用本文提出算法所得到的过图7典型场景的测试结果可以看出,算法能够对各 曝光控制效果图。与图(∞)比较,图7(d中超级市种场景进行有效的自动曝光控制。 场内的货架及商品得到正常曝光。图7(c)为花园 图7实验结果。(的背光场景,(b)场景(a)的自动曝光控制效果,(c)正面强光场景,(d场景(c)的自动曝光控制效 果,(e)普通场景,(f场景(e)的自动曝光控制效果 Fig 7 Experimental results. a) Backlighted scene,( b)AEC resuIt for (a),(c) frontlighted scene, (d) AEC result for(c),(e)ordinary scene, (f) AEC result for(e) 4结论 明该算法对各种拍摄场景均能进行有效的自动曝光 本文提出了一种新的用于摄像机的自动曝光控控制。此外,该算法还具有无需数据库支撑复杂度 制算法。该算法采用图像亮度的加权均值自动控制低易于实现的特点。该算法已被应用于多媒体通 曝光。确定了加权亮度均值的计算原则降低不感信终端产品。 兴趣区域在加权均值中的重要性,将曝光重点放在 感兴趣区域。提出了一种发现不感兴趣区域的方 参考文献 法,即亮度直方图中的最大峰值区域对应于图像不 I T. Haruki, K. Kikuchi. Video camera syst em using fuzzy logic [J. IEEE Tr ansactions on Consumer E lectr onics. 1992, 38(3) 感兴趣区域。在此基础上给出了具有降低不感兴趣 624634 区域重要性作用的加权系数计算方法,它与亮度直 2 S. Shimizu, T. Kondo, T. Kohashi et al.. A new algorit hm for 方图最大峰值区域的大小近似为二次曲线关系,而 expos ure control b as ed on fuzzy logic for video cameras[ J]. IEEE Transactions onn Cosumer Electronics. 1992. 583): 617-623 拍摄场景的背景亮度则是该曲线组的参变量。为了3M. Murak aml, N. Honda. An exposu re control system of video 进一步简化和优化算法,具体确定它们之间的关系 cameras basell on fuzzy logic us ing wlur inlutII alum[ C Fif th IEEE Internat ional Conf er ence an Fuzzy Sy stem, 1996, 时采用了模糊逻辑的方法 3:2181-2187 算法基于图像亮度直方图,因此具有曝光效果 4N. Sampat, s. Vencat araman, T. Ych d al.. System implicat ions of implement ing aut (exposur e on consumer digit al 不受图像中对象位置影响的精点,实际场景测试表 ishi cameras.eE r. SPIE Confer ence on Sensors, Camer as. and http://www.cnki.r 5期 杨海涛等:一种基于亮度直方图的自动曝光控制方法 847 App lications for Dig ital Photog raphy, 1999, 3650: 100-107 8 L. Neu mann, K. Matkovic, w. Purgathofer. Aut omat ic 5 Xu Peifeng, Li Zhengming, Sun Jun. Study on aut (exposure expos ure in can puter graph ics bas ed on the minimu m information algorithm b as ed on image analysis[ J]. Optical I nstru ments loss principle[C]. Pro. Camp uter Gr aphics Interna ti cmal 2005,27(2:59~61( in Chines e) 1998.666~677 徐培凤,李正明,孙俊.基于图像的自动曝光算法研究[J光9K. Matkovd,L. Neumann. In teract ive cal ibrat ion of the m g 学仪器,2005,27(2):59~6 of global illu mination values to dis play devices[C]. Proc 6J. A. Stark. Adapt ive image contrast cn han oem ent using Twelfth Spring Cof erence on Comp uter Gr aph ics, Comenius generalizations of his togram equ aliz at ion[ J].IEEE T University, Bratslavia, Slowakia, 1996. 1 on Image Prcessing, 2000, 9(5):889-896 10T, Kadir, M, Brady, Saliency, scale and image descript ion[ JI 7 MuL Chun Su, Jia2 Hau Guo Daw2Tung Lin et al,, New Inter ati onal Journal of Computer Vision, 2001, 4512):83-105 com pens at ion algorithm for cdor backlight images [C]. Proc 11T. Kuno, H. Sugiura, N. Matoba. A new automatic ex posure 2002 Inter national j aint Confer ence n neural networks. 2002 system for digit al still cameras [ J]. IEEE Transactions on 2:1396-1400 Consu mer Electronics, 1998, 44(1): 192-199 LASER2007 Harb in 第十八届全国激光学术会议第一轮通知 中国光学学会与中国电子学会联合主办的系列会议))第十八届全国激光学术会议,定于2007年8月在黑龙江哈尔滨 举行。本次会议将为我国激光与光电子新老学者提供探讨新思想、新概念、新技术的交流平台,促进学术领域的科技创新和 科技成果转化。多名院士和菩名专家到会作大会报告,各分会设立高水平的邀请报告。欢迎积极投稿,踊跃参加。同时欢迎 各公司、企事业单位刊登广告、到会展示科技成果产品和发布信息 会议时间:2007年8月,会期4天 议地点:中国#黑龙江#哈尔滨 主办单位:中国光学学会、中国电子学会 承办单位:哈尔滨工业大学可调谐激光技术国家级重点实验室 名誉主席:周炳琨院士 会议主席:范滇元院士、周寿桓院士 会议副主席:姚建铨、彭堃墀、朱健强、王骐、王树国 秘书长:陈德应 会议主题/征稿范围:1)激光物理(激光器动力学、激光等离子体物理、ⅹ光激光、激光光谱等);2)非线性光学与量子光 学3〕全固态瀲光器及新型激光器;4)激光信息及处理技术;5)激光生物与激光医学;6)工业瀲光及其应用;7)激光材料、薄 膜及元器件;8)光束传输、控制及光束特性 征文要求:将500~800字摘要〔用于审稿)和300字提要(用于出版)各一份,以电子邮件附件的形式发送至: Laser2007 hit.edu.cn,摘要应能准确反映研究成果的创新点,包括研究目的、方法结果、结论等內容。不引用参考文献、数学公式和化学 式。不接受已在国内外正式出版刊物上发表过的论文,提交截稿日期为2007年5月31日。 来稿需注明论文题目、作者姓名、单位、通讯地址(包括邮编、电话、Bmai等)、关键词3-6个。题目用小三号黑体,摘要 用宋体小四号字按word格式编排,努必在左上角标明所属征稿范围的第几类。一般不接受书面邮寄件。经审稿录用的论 文,将由5中国激妝以增刊形式出版。 会议秘书组联系人及联系电话: 陈德应0451286402837,何伟明045卫86412710214 程元丽0451286402920,王春晖04586402910,王瑞环04586413164 传真:045286413164,Emai:Laser2007@hit.edu.cn,网页:www.Laser2007.ht.edu.cn 地址:黑龙江哈尔滨南岗区一匡街2号哈工大科学园3031信箱(王瑞环收),邮编:150001 中国光学学会激光专业委员会 中国电子学会量子电子学与光电子学分会 哈尔滨工业大学 可调谐激光技术国家级重点实验室 哈尔滨工业大学光电子技术研究所 2007年1月22日 C1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouseAllrightsreservedhttp:/www.cnki.net

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herich8 还可以,帮助我研究光线的变化算法
2013-11-19
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