一种基于图像特征的CMOS传感器底电平自适应调节方法与流程

本发明涉及一种应用于CMOS图像传感器的底电平自适应调节方法，该方法能够有效弥补曝光时间范围有限带来的不足，除常规光照环境外，还可应用于光照强度变化范围较大的太空环境，属于航天光学遥感器技术领域。

背景技术：

CMOS图像传感器具有高集成度、低成本和低功耗等优点，有利于实现轻小型高帧频低功耗的相机系统。目前，采用CMOS图像传感器的相机正广泛应用于航空航天、国防军事等领域。

在CMOS图像传感器成像过程中，曝光对图像质量的影响很大。CMOS传感器的像素输出电压由光照强度和曝光时间决定，在曝光时间固定的情况下，若光强较低，曝光时间结束时输出信号仍然小于噪声，造成曝光不足，会导致图像过暗；若光强较高时，曝光时间尚未结束信号已经饱和，造成曝光过度，则会导致图像过亮。这两种情况都会失去图像细节，即使在后续图像处理过程中都难以在色彩上恢复，降低了图像的视觉质量。自动曝光技术能够自动调节曝光时间，使其适应入射光强的变化，以达到合适的成像效果。然而，航天遥感图像场景具有其特殊性，图像或者具有大面积的深空背景，或者处于强光直射情况下，场景明暗变化大，未知性强。为了获得尽可能多的信息，高帧频CMOS相机的应用日趋广泛，而高帧频则意味着传感器曝光时间的最大值受到了相应的限制。同时，传感器的曝光时间最小值是由控制时钟决定的。由于曝光时间受到帧频和时钟的制约，即使采用了自动曝光技术，仍然会出现曝光时间范围不能满足环境光强变化的情况。

因此，研究一种在光照条件较为极端(过强或过弱)的场景下也能够获得较好成像效果的方法对于航天遥感CMOS相机具有重要的意义。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题是：弥补曝光时间范围有限的不足，从传感器自身特性出发，提供了一种自适应底电平调节方法，本发明根据场景的不同，自动调节CMOS传感器的底电平以适应入射光强的变化，对环境光照条件较为极端的场景也具有良好的成像效果，对硬件要求较低，易于移植。

本发明的技术解决方案是：

一种基于图像特征的CMOS传感器底电平自适应调节方法，步骤如下：

(1)划分图像灰度分布区间：灰度值小于等于P1的像素属于暗区域Z0，灰度值大于等于P2的像素属于亮区域Z1，灰度值在[P3,P4]区间的像素属于感兴趣区域Z2；

(2)分别计算Z0～Z2区域的像素个数占像素总数的比值K0～K2；

(3)根据步骤(2)得到的各区域像素个数比值，获得底电平调整系数；

(4)由当前底电平数值乘以调整系数得出下次底电平数值；

(5)结束。

所述步骤(3)中获得底电平调整系数的具体方法如下：

(3a)若K2大于KM，则不调整底电平，将底电平调整系数设置为C1，直接进入步骤(4)，否则进入步骤(3b)；

(3b)若K0大于K1，则进入步骤(3c)，否则进入步骤(3d)；

(3c)根据K0的值查表得到底电平调整系数，并进入步骤(4)；

(3d)根据K1的值查表得到底电平调整系数，并进入步骤(4)。

所述步骤(3c)和(3d)中所述查找表的形式均为折线,不同的像素比值对应不同的底电平调整系数，折线的横轴表示像素比值K0或K1，纵轴表示底电平调整系数，根据不同的需求，折线的具体形式不一样。

当所述像素比值K0大于等于A1时，对应的调整系数为2；当像素比值K1大于等于A2时，对应的调整系数为0.6；A1、A2分别用于判断落在暗区域和亮区域的像素数目是否满足调整要求，是根据不同需求的统计分析得到的，根据实际应用进行调整，其中0.40≤A1≤0.48，0.45≤A2≤0.52

所述阈值P1，P2，P3，P4用于界定不同灰度值的像素分别属于不同区域，KM用于判断落在感兴趣区域的像素数目是否满足要求，这些数值是根据不同需求的统计分析得到的，可根据实际应用进行调整，其中10≤P1≤15，228≤P2≤235，90≤P3≤98，130≤P4≤138；0.70≤KM≤0.78。

所述步骤(3a)中所述底电平调整系数C1＝1。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明能够根据场景的亮度分布特征，自适应的调节传感器的底电平，在曝光时间范围有限的情况下，对光照变化剧烈的场景能取得较好的曝光效果。

(2)本发明易于实现，对硬件设备要求不高，易于移植，通用性较强。

(3)本发明中的阈值、调整系数等参数均为可调参数，可根据对类似场景的统计分析得到，对不同的目标场景可采用不同的参数，提高了系统的灵活性。

附图说明

图1为本发明CMOS传感器底电平自适应调节方法的流程示意图；

图2为本发明查找表中底电平调整系数与像素比值关系示意图，其中a为底电平调整系数与K0关系示意图，b为底电平调整系数与K1关系示意图；

图3为单一底电平设置拍摄效果图和应用本发明的拍摄效果图对比，其中a为单一底电平设置拍摄效果图，b为应用本发明的拍摄效果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述：

如图1所示，一种基于图像特征的CMOS传感器底电平自适应调节方法，包括步骤如下：

(1)划分图像灰度分布区间：灰度值小于等于P1的像素属于暗区域Z0，灰度值大于等于P2的像素属于亮区域Z1，灰度值在[P3,P4]区间的像素属于感兴趣区域Z2；

(2)分别计算Z0～Z2区域的像素个数占像素总数的比值K0～K2；

(3)根据步骤(2)得到的各区域像素个数比值，获得底电平调整系数；

获得底电平调整系数的具体方法如下：

(3a)若K2大于KM，则不调整底电平，将底电平调整系数设置为C1，直接进入步骤(4)，否则进入步骤(3b)；

(3b)若K0大于K1，则进入步骤(3c)，否则进入步骤(3d)；

(3c)根据K0的值查表得到底电平调整系数，并进入步骤(4)；

(3d)根据K1的值查表得到底电平调整系数，并进入步骤(4)。

通过设定一系列的阈值范围(如P1，P2，P3，P4；KM等)，将图像划分为相应的区域，再统计各个区域的像素分布，合理判断图像的灰度层次分布，从而获得合适的底电平调整系数，提高图像的可辨识性。

本实施例中P1＝15，P2＝235，P3＝98，P4＝138；KM＝0.75；C1＝1。

步骤(3c)和(3d)中所述查找表的形式均为折线,不同的像素比值对应不同的底电平调整系数，折线的横轴表示像素比值K0或K1，纵轴表示底电平调整系数，根据不同的需求，折线的具体形式不一样，取决于想要获得的调整效果。如图2所示，其中，a为步骤(3c)中所述的查找表形式，折线的横轴表示像素比值K0，纵轴表示底电平调整系数，当像素比值K0小于A1时，每个像素比值对应不同的调整系数，像素比值越大，调整系数越大，当K0大于等于A1时，对应的调整系数恒为2；图2中的b为步骤(3d)中所述的查找表形式，折线的横轴表示像素比值K1，纵轴表示底电平调整系数，当像素比值K1小于A2时，每个像素比值对应不同的调整系数，像素比值越大，调整系数越小，当像素比值K1大于等于A2时，对应的调整系数恒为0.6。

本实施例中A1＝0.4，A2＝0.45。

(4)由当前底电平数值乘以调整系数得出下次底电平数值。

(5)结束。

拍摄结果对比如图3所示，对同一场景进行拍摄成像，其中图3中的a为单一底电平设置的相机所拍摄的图像，由于室外光照强烈，出现过曝现象，窗口部分完全饱和，图像过于明亮，窗外的细节丢失；而图3中的b为应用本发明算法拍摄的图像，即使室外光照强烈也不会导致曝光过度，窗外的建筑物可见，可辨识性提高。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。