专利名称：一种摄像机光圈自适应调节装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种摄像机光圈自适应调节装置及方法。
技术背景获得一幅清晰的图像是后续的图像处理、图像分析的基础。在许多应用中，往往对 摄像机捕获图像的质量尤其是被摄主体的图像质量要求很高。合适的光圈大小是摄像机 拍摄中获得清晰图像的关键因素之一。摄像机的光圈分"自动"和"手动"两种控制方 式。使用自动光圈，能够保持合适的进光量，得到规定的输出信号强度。但在实际操作 中，用全自动光圈是有一定难度的。传统的自动曝光系统将整幅图像的亮度均值与预先设定的参考值比较来进行曝光 控制。当图像中被摄主体与背景的亮度差异较小时，拍摄出的图像能够具有较好的效果。 然而当被摄主体与背景的亮度差异较大时，由于目前大多数摄像机产品中CCD/CM0S动 态范围较窄，图像中高亮度区域会曝光过度，低亮度区域曝光不足，从而导致图像中被 摄主体的曝光过度或曝光不足。比如，在逆光拍摄和正面强光和拍摄时，图像的平均亮 度由背景亮度决定，基于图像亮度均值的曝光控制将导致图像被摄主体的非正常曝光。为了在逆光拍摄和正面强光和拍摄时进行有效的曝光控制，必须对基于图像亮度均 值的传统自动曝光控制算法进行改进。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)提出的改进措施将屏幕分割为 六个区域，通过赋予屏幕各区域亮度不同的权值并累加带权亮度值，最终结果是将曝光 重点放在了屏幕中央。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)提出了一种方法，将每幅图像计算出三个亮度阈值，按照整幅图像中亮度值 大于不同的亮度阈值的像素比率来区分逆光、正面强光等特殊场景并进行相应的曝光补 偿。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)提出的自动曝光控制方法则是在对图像被摄主体进行曝光补偿的同时使用图像的色彩信息协调被 摄主体和背景的亮度。以上改进的自动曝光控制方法使摄像机的自动曝光性能有了很大程度的提高，但是 仍然无法对任意场景进行有效的曝光控制。例如，Haruki和Kikiuchi提出的对图像划 分区域的方法受到屏幕中被摄主体位置的影响，当被摄主体不在屏幕中央时很难对被摄 主体进行合适的曝光。由于不采用任何形式的区域分割，Shimizu提出的算法虽然与图 像中被摄主体的位置无关，能够检测逆光或正面光的强度并进行相应的曝光补偿，但是 该算法只能给出图像的亮度对比度强弱，而不能确定高的亮度对比度是由背景光线还是 被摄主体自身造成的，所以在很多情况下也无法进行有效的曝光控制。因此，在被摄主 体与背景的亮度差异较大时，使用自动光圈容易导致被摄主体曝光不正常，拍出的图像 不理想。 发明内容本发明的技术解决问题是克服现有技术在采集图像时不能自动摄像机光圈大小的 不足，提供一种根据被摄主体的亮度自适应调节摄像机光圈的装置和方法，满足拍摄图 像时对被摄主体合适曝光的要求，增强图像中被摄主体的清晰度。本发明的技术解决方案 一种摄像机光圈自适应调节装置， 一种摄像机光圈自适应 调节装置包括镜头控制器、带有光圈可变镜头的摄像机、主机；带有光圈可变镜头的 摄像机拍摄的图像发送到主机中；主机对图像进行处理，判断图像的曝光程度，并根据 判断结果向镜头控制器发送光圈调节信号；镜头控制器将主机传送过来的光圈调节信号 转换为光圈可变镜头的控制信号，驱动光圈调节电机，实现摄像机的光圈大小自动的调 节，从而使得被摄主体得到合适的曝光量。所述的摄像机采用固定方向和固定焦距的拍摄方式。一种摄像机光圈自适应调节装置进行光圈调节的方法，包括以下步骤-(1) 在被摄主体进入场景前采集背景图像A;(2) 被摄主体进入场景后采集一幅图像B;(3) 将步骤(1)采集到的背景图像A和歩骤(2)采集到的图像B分 别转换为灰度图像；(4) 根据步骤(3)转换得到的两幅灰度图像提取被摄主体的灰度图像；(5) 计算被摄主体灰度图像的灰度均值；(6) 判断灰度均值是否在预定义的理想曝光灰度阈值范围内，如果在阈值范围内， 则不需进行光圈调节，转步骤(7)并开始图像采集过程；否则进行光圈调节，然后转步骤(2); (7)光圈调节过程结束。本发明与现有技术相比的有益效果本发明能够在被摄主体与背景反差较大时，从 拍摄的图像中提取出被摄主体，将被摄主体图像转化为灰度图像，根据灰度图像中被摄 主体的灰度均值确定光圈大小，对摄像机的光圈进行自适应调节，实现对被摄主体的合 适曝光，增强图像中被摄主体的清晰度。本发明特别适用于被摄主体与背景之间存在明 显光线差异并且要求对被摄主体合适曝光的拍摄场合，无论被摄主体处于场景内的什么 位置上，都能以被摄主体为中心进行正确的曝光调节。
图1为本发明的摄像机光圈自适应调节装置结构图； 图2为本发明的摄像机光圈自适应调节方法流程图。
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明的具体的状态作说明，但是本发明不限于图示例。 如图1所示，带有光圈可变镜头的摄像机拍摄的图像发送到一台电脑主机；主机对图像 进行处理，分析图像的曝光程度，并根据分析结果向镜头控制器发送光圈调节信号；镜头控 制器将主机传送过来的光圈调节信号转换为镜头可以理解的控制信号，驱动光圈调节电机实 现光圈的调节。如图2所示，本发明的摄像机光圈自适应调节方法的歩骤为摄像机采用固定方向、固 定焦距拍摄，在被摄主体进入拍摄场景前先采集一幅背景图像A，在被摄主体进入拍摄场景 后再采集一幅图像B，将图像A和B发送到主机。主机将图像A和B按如下步骤分别转换为 灰度图像A'和B':(1) 计算gray=rX0. 3 + gX0. 59 + bX0. 11;(2) 对gray的值取整；(3) 令r、 g、 b的值都等于gray。其中r、 g、 b分别是彩色图像A和B中每个像素的R、 G、 B值。简便起见，记图像A' 的像素值A' Oc，y)-gray，图像B'的像素值B' (x， y) 二gray,其中x=l， 2，…，M, y=l，2,…，N， M和N是图像高度和宽度。根据A'和B'在B'中提取被摄主体:设被摄主体的像素值组成的集合为H^cic是B' 中被摄主体的像素值}，则求F包括如下两个步骤(a) 令H为空集；(b) 对图像A，和B，，逐个像素计算h-lB' (x，y)-A' (x， y) |的值，若h>7，则将B' (x, y)根据H计算被摄主体的灰度均值为》g = ^ ,其中|//|表示集合H中元素的数目。 问设光圈大小用F表示，将F用单调函数f(g)表示为F-f(g)。单调函数f(g)用一个灰度 阈值范围近似表示若被摄主体的灰度均值g大于理想曝光灰度阈值范围，则主机根据g与 灰度阈值范围的差异大小A向镜头控制器输出减小光圈控制信号，光圈的减少量由A的大小 决定；若被摄主体的灰度均值g小于理想曝光灰度阈值范围，则主机根据g与灰度阈值范围 的差异大小A向镜头控制器输出增大光圈控制信号，光圈的增大量由差异大小A的大小决 定。对于以直流电机驱动的镜头而言，主机输出的光圈调节控制信号是数字信号，不能用来 作为驱动电机运动的电信号，镜头控制器负责将主机输出的数字信号转换为电流信号，给直 流电机加上一定的电压，电机就开始运动，如果加上反向电压，电机就反向运行。例如，在 镜头控制器的控制下，每次给直流电机加上土12V持续100ms的电压，电机便向前/向后走一 步，光圈调节的大小由电压的极性和持续时间决定。对于以歩进电机驱动的镜头而言，镜头 控制器负责将主机输出的数字信号转换为电脉冲信号，光圈调节的大小由脉冲信号的个数决 定。最后所应说明的是，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域 的普通技术人员来说，在不脱离本发明摄像机光圈自适应调节装置及方法原理的前提下，还 可以做出若干改进或等同替换，这些改进和等同替换也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1、一种摄像机光圈自适应调节装置，其特征在于包括镜头控制器、带有光圈可变镜头的摄像机、主机；带有光圈可变镜头的摄像机拍摄的图像发送到主机中；主机对图像进行处理，判断图像的曝光程度，并根据判断结果向镜头控制器发送光圈调节信号；镜头控制器将主机输出的数字信号转换为电流信号，驱动光圈调节电机，实现摄像机的光圈大小自动的调节，从而使得被摄主体得到合适的曝光量。
2、 根据权利要求1所述的一种摄像机光圈自适应调节装置，其特征在于所述的 摄像机采用固定方向、固定焦距的拍摄方式。
3、 一种摄像机光圈自适应调节装置进行光圈调节的方法，其特征在于包括以下步骤(1) 在被摄主体进入场景前采集背景图像A;(2) 被摄主体进入场景后采集一幅图像B;(3) 将步骤(1)采集到的背景图像A和歩骤(2)采集到的图像B分别转换为灰度 图像；(4) 根据步骤(3)转换得到的两幅灰度图像提取被摄主体的灰度图像；(5) 计算被摄主体灰度图像的灰度均值(6) 判断灰度均值是否在预定义的理想曝光灰度阈值范围内，如果在阈值范围内， 则不需进行光圈调节，转歩骤(7)并开始图像采集过程；否则进行光圈调节，然后转 步骤(2);(7) 光圈调节过程结束。
4、 根据权利要求4所述的一种摄像机光圈自适应调节装置进行光圈调节的方法， 其特征在于所述步骤(3)中将步骤(1)采集到的背景图像A和步骤(2)采集到的 图像B分别转换为灰度图像A'和B'的方法为(1) 计算gray=rX0. 3 + gX0. 59 + bXO. 11;(2) 对gray的值取整并令r、 g、 b的值都等于gray;其中r、 g、 b分别是彩色图像A和B中每个像素的R、 G、 B值，记图像A'的像素值 A' (x,y)=gray，图像B'的像素值B' (x，y)=gray。
5、 根据权利要求4所述的一种摄像机光圈自适应调节装置进行光圈调节的方法，其特 征在于所述的步骤(4)转换得到的两幅灰度图像提取被摄主体的灰度图像的方法如下(1) 设被摄主体的像素值组成的集合为H-'化lc是B'中被摄主体的像素值}， H的初值 定义为空集；(2) 对图像A'和B'，逐个像素计算h=iB' (x，y)- A， (x,y)l的值，若h〉7，则将 B， (x,y)并入集合H。
6、 根据权利要求4所述的一种摄像机光圈自适应调节装置进行光圈调节的方法，其特征在于所述歩骤(5)的被摄主体的灰度均值为<formula>formula see original document page 3</formula>其中l/Zl表示集合H中元素的数目。
7、 根据权利要求4所述的一种摄像机光圈自适应调节装置进行光圈调节的方法，其特征在于所述步骤(6)的光圈调节方法为若被摄主体的灰度均值g大于理想曝光灰度阈值范围，则主机根据g与灰度阈值范围的差异大小A向镜头控制器输出减小光圈控制信号，光圈的减少量由A的大小决定；若被摄主体的灰度均值g小于理想曝光灰度阈值范围，则主机根据g与灰度阈值范围的差异大小A向镜头控制器输出增大光圈控制信号，光圈的增大量 由差异大小A的大小决定。
全文摘要
一种摄像机光圈自适应调节装置及方法，该装置包括光圈可变镜头及其控制器、摄像机、控制摄像机的主机；该方法通过数字图像处理，根据被摄主体的光线亮度自适应的调节摄像机的光圈大小，从而使得被摄主体得到合适的曝光量，增强图像中被摄主体的清晰度。本发明特别适用于被摄主体与背景之间存在明显光线差异并且要求对被摄主体合适曝光的拍摄场合，无论被摄主体处于场景内的什么位置上，都能以被摄主体为中心进行正确的曝光调节。
文档编号H04N5/235GK101232583SQ20081005729
公开日2008年7月30日 申请日期2008年1月31日 优先权日2008年1月31日
发明者威 吴, 忠 周, 张淑军, 赵沁平, 海 黄 申请人:北京航空航天大学