控制摄像机曝光的方法和控制单元的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及曝光控制领域，尤其涉及一种用于摄像机的曝光控制的方法、控制单元和系统。
【背景技术】
[0002]摄像机通常用作监控工具或者在不同的情况下辅助人类的工具。例如，摄像机可以用于交通监控或者交通辅助之目的。摄像机例如可以安装在汽车或火车上以辅助驾驶者或者向自动驾驶仪或安全系统提供输入。
[0003]在夜间，如果有强光源进入到场景中，则在摄像机拍摄的图像中的像素饱和的问题会出现。摄像机传感器中像素的有限动态使得不可能拍摄到全部范围的光强，这样的事实引起了饱和。结果是，例如在夜间看到诸如交通灯和铁路信号等信号的颜色会有困难。由于通过车牌照(license plate)反射的光会导致图像中的饱和，所以区分车牌照上的数字也会有困难。
[0004]对于以上举例示出的监控目的，在夜间不使图像的任何部分饱和因而是非常重要的。同时，在白天，阳光经常会导致图像中的饱和，因此场景中的最亮部分通常是天空，这从监控的视角来看并不特别重要，所以如果部分图像在白天饱和则影响不大。
[0005]公开号为US7，474，847B2的专利公开了一种摄像机的曝光控制，是基于来自图像帧的强度直方图(intensity histogram)。更具体地，从直方图中提取诸如平均值、下限和上限等特征值。然后调整摄像机的曝光参数，直到直方图的特征值达到某些预定的目标水平。目标水平可以根据周围的光线水平而变化，使得当黑暗时目标水平减小。结果是，当黑暗时拍摄的图像的直方图会朝着强度范围的更黑暗端变化，由此很可能会减少图像中饱和像素的数量。这种变化使图像呈现出曝光不足(underexposed)。然而，这种方法的缺点是不管图像中是否有饱和，当黑暗时图像总是会曝光不足。例如，在夜间在场景中甚至没有交通灯的情况下，图像仍会曝光不足。因此存在改进空间。
【发明内容】
[0006]根据以上所述，因此本发明的目的是提供一种用于摄像机的曝光控制的改进方法，该方法减少黑暗照明条件中图像的饱和，同时在明亮照明条件中或者不存在饱和的黑暗照明条件中产生正确曝光图像。
[0007]根据本发明的第一方案，上述目的通过用于一种控制摄像机的曝光的方法实现，该方法包括步骤:
[0008]当拍摄视频序列(video sequence)中的第一图像时确定所述摄像机使用的曝光时间和增益；
[0009]将至少所述曝光时间和增益的乘积计算为与所述第一图像有关的黑暗水平；
[0010]将所述第一图像中饱和像素的数量与全黑像素数量之间的比值计算为与所述第一图像有关的饱和水平；
[0011]如果所述饱和水平超过第一极限，减小由摄像机拍摄的图像中像素的平均强度值的目标值，减小的量是所述黑暗水平的递增函数(increasing funct1n)，以及
[0012]对于在视频序列中继所述第一图像之后的图像控制摄像机的曝光，使得所述后继图像中像素的平均强度值接近减小的目标值。
[0013]根据上述方法，减小由摄像机拍摄的图像中像素的平均强度值的目标值以减少饱和的问题。更具体地，减小在摄像机的控制中使用的平均强度值的目标值导致后继图像的强度值直方图在强度量级方面向下变化。结果是，饱和像素的数量减小。
[0014]平均强度的目标值按照黑暗水平的递增函数而减小。例如，黑暗值的递增函数可以将与当前目标值有关的百分比作为目标值的减少的量。也就是说，越黑暗，目标值减少的越多。这意味着，与减少饱和像素的数量并不是很重要的较不黑暗或者甚至明亮照明条件相比，在从以上示例的监控的观点来看减小饱和像素的数量是重要的黑暗照明条件下，饱和像素的减少更大。利用这种布置，黑暗时饱和的问题会减小，同时在明亮照明条件中产生正确曝光的图像。
[0015]此外，重要的是注意仅在当前图像中存在饱和问题，也就是如果饱和水平超过第一极限时才减小目标值，而不管当前的黑暗水平。以这种方式，在不存在饱和的黑暗照明条件中产生正确曝光的图像。
[0016]考虑到安装摄像机以查看汽车前方的示例。在夜间(当黑暗时)情况如下:只要场景中没有诸如交通灯或者反光车牌照等的明亮光线，摄像机的图像将会被正确地曝光(也就是目标值不减小)。这是指，平均强度的目标值被设定成使得在大部分场景中实现高能见度，也就是使得图像中明亮部分与黑暗部分之间的平衡可以实现。当明亮的光线进入到场景中时，例如当汽车接近交通灯时，会出现图像中的饱和问题。然而，在目标值将被减小的情况下，饱和问题由此会减小。结果是，可以看到交通灯的颜色或者读出图像中交通牌上的文字。在白天(当明亮时)，情况如下:不管在图像中是否有明亮光线，图像将会被正确地曝光(也就是目标值不减小)。对于介于“黑暗”与“明亮”之间的照明条件，例如在黄昏时，会发生上述两种情况之间的混合。更精确地，如果在当前图像中有饱和，调整目标值的量取决于黑暗水平。
[0017]如果像素的强度值超过可能强度值范围的上端处的预定值，第一图像中的像素被视为饱和像素。
[0018]类似地，如果像素的强度值低于可能强度值范围下端处的预定值，第一图像中的像素被视为全黑像素。
[0019]可以进一步参考第一图像的强度值的直方图解释术语“饱和像素”和“全黑像素”。在直方图中，强度值被分成与一系列可能强度值对应的很多组(bin)。例如，在直方图中可以有256个组与在O到255之间的一系列可能强度值对应。在本文中，饱和像素可以被定义为具有一强度值的像素，该强度值落入到与最高可能强度值中的一个对应的组中。在一些情况下，仅与最高强度值(在示例中值255)对应的组用于定义饱和像素。在其他情况下，使用数个组，例如与两个或三个最高强度值对应的组。类似地，全黑像素可以被定义为具有一强度值的像素，该强度值落入到与最低可能强度值之一对应的组中。
[0020]现在考虑例如由于在其上安装摄像机的汽车接近信号灯，目标水平已经被降低以减小夜间饱和的情况。由于汽车经过信号灯，明亮的光线从场景中消失，并且为此原因，不再有任何可能的饱和问题。但是，由于目标水平减小，所以由摄像机拍摄的图像将仍然呈现出曝光不足。为了适应这种情况，该方法还包括步骤:
[0021]如果所述饱和水平在比第一极限低或者等于第一极限的第二极限之下，增大由摄像机拍摄的图像中像素的平均强度值的目标值；以及
[0022]对于在视频序列中继第一图像之后的图像控制摄像机的曝光，使得所述后继图像中像素的平均强度值接近增大的目标值。
[0023]换言之，如果发现不再有饱和问题(饱和水平在第二极限之下)，可以再次增大目标值。以这种方式，该方法可以在明亮光线进入到场景时首先降低目标值，并且之后当明亮光线离开场景时再次增大目标值。因此该方法可以适应与照明和饱和有关的当前条件。
[0024]例如，平均强度值的目标值可以以随黑暗水平减小的量来增大。也就是，越黑暗，目标值增大的量越小。这是有利的，因为当明亮时可以大幅度增大目标值(当碰到新饱和问题的风险不重要时)，并且当黑暗时可以小幅度增大目标值(当碰到新饱和问题的风险重要时)。
[0025]随黑暗水平的降低并不需要是严格的降低。换言之，也包括以固定幅度增大目标水平而不管黑暗水平的情况。
[0026]如以上讨论，平均强度值的目标值以是黑暗水平的递增函数的量减小。对于低于第一阈值的黑暗水平，所述黑暗水平的递增函数取零值，使得对于低于所述第一阈值的黑暗水平，所述目标值不减小。
[0027]换言之，可以具有区分明亮照明条件(不执行目标值的减小)和黑暗照明条件(在饱和情况下目标值减小)的第一阈值。因此，如果发现当前是明亮照明条件，尽管存在饱和，但是不减小目标值。这是有利的，因为在明亮照明条件时，至少对于这里提及的应用，从监控的观点来看存在饱和是不重要的。
[0028]还可以有与定义黑暗照明条件的黑暗水平有关的第二阈值。更精确地，对于低于第一阈值的黑暗水平，所述黑暗水平的递增函数取第一值，对于高于比第一阈值大的第二阈值的黑暗水平，所述黑暗水平的递增函数取第二值，其中对于所述第一阈值与所述第二阈值之间的黑暗水平，所述函数平滑地从所述第一值增大到所述第二值。
[0029]换言之，对于低于第一阈值(也就是当是明亮照明条件时)的黑暗水平，目标值减小与最小步幅对应的第一值。对于黑暗水平高于第二阈值(也就是当是黑暗照明条件时)，目标值减小与最大