基于图像直方图分析的线阵相机自动曝光调整方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种基于图像直方图分析的线阵相机自动曝光调整方法及系统，包括计算当前图像的灰度直方图，对灰度直方图进行归一化，获取当前图像的直方图的左边界、右边界和峰值；根据图像灰度直方图的期望峰值，计算相机曝光调整值；如果相机曝光调整值的绝对值大于等于调整阈值计算得到新的当前曝光值，绝对值小于调整阈值则不进行调整保持当前曝光值，根据当前曝光值进行拍照，当获取新的图像作为当前图像后，继续调整。本发明通过对获取的图像数据进行直方图分析，利用期望的影像质量和其直方图分布特征对相机曝光时间调整，达到相机自动调整曝光时间的效果。
【专利说明】
基于图像直方图分析的线阵相机自动曝光调整方法及系统
技术领域
[0001] 本发明设及数字图像处理领域，尤其设及一种基于图像直方图分析的线阵相机自 动曝光调整方法及系统。
【背景技术】
[0002] 对野外运动目标(如火车)成像，考虑到运动和拼接因素，多采用线阵相机拍照。相 对于野外图像数据采集的环境来说，有源光源的补光是拍照的必要条件，但外部环境的变 化，如夜晚、晴天、阴雨天、阳光直射、运动等现象的干扰，如何有效的消除，获得更好的图像 效果，是必须解决的问题。图像的直方图分析通常用于图像的统计分析，可用于均衡化(如 "一种红外图像的直方图均衡化方法"（CN 104252700A)，但是鲜有用于反向指导调节相机 曝光参数的方法。
[0003] 通过测光设备、光强测量等手段，对外部环境光的变化进行测量，需要考虑阴影区 域、外接光源干扰、物体运动等因素，并对成像物体自身反光等现象，当前还没有比较好的 解决办法。因此，有必要提供一种新的相机曝光方法来自动调整，W方便获取明暗适宜、成 像效果清晰的动态场景图片。
【发明内容】
[0004] 为了解决上述问题，本发明提出一种基于图像直方图分析的线阵相机自动曝光调 整方法及系统，从成像质量分析上，把外部干扰因素体现在成像结果上，通过图像直方图分 析获取适合当前环境和当前时刻的曝光时间，从而获取高质量图像。
[0005] 本发明的技术方案提供一种基于图像直方图分析的线阵相机自动曝光调整方法， 其特征在于，包括W下步骤：
[0006] 步骤1、获取当前图像，计算当前图像的灰度直方图，对灰度直方图进行归一化，获 取当前图像的直方图的左边界Left_Pos、右边界Rigt_Pos和峰值；
[0007] 步骤2、根据图像灰度直方图的期望峰值Exp_Bri曲t，计算相机曝光调整值CE邱如 下，
[00081
[0009] 其中，Ew_Bri曲t为图像直方图的期望峰值，Left_Sec_Pos和Rigt_Sec_Pos为剔 除边界峰值后的二次边界值，修正系数kl、k2为图像直方图线性变换系数；
[0010] 步骤3、比较相机曝光调整值CExp的绝对值和预设的调整阔值，如果相机曝光调整 值CExp的绝对值大于等于调整阔值，将相机曝光调整值和当前曝光值相加，得到新的当前 曝光值，进入步骤4;如果相机曝光调整值CExp的绝对值小于调整阔值，则不进行调整，保持 当前曝光值，进入步骤4;
[0011] 步骤4、根据当前曝光值进行拍照，当获取新的图像作为当前图像后，重新返回步 骤1，继续调整。
[0012] 而且，根据预设的过滤阔值，对直方图进行截取，更新当前图像的直方图的左边界 Lef t_Pos、右边界Rigt_Pos和峰值。
[0013] 而且，当前图像的行数采用预设的数值m。
[0014] 而且，m=1000。
[0015] 而且，根据预设的数值n，n〉l，步骤4中根据当前曝光值进行拍照时，是等待拍摄 (n-1) Xm行后才提取最新的m行图像作为新的当前图像，然后重新返回步骤1，继续调整。
[0016] 本发明还相应提供一种基于图像直方图分析的线阵相机自动曝光调整系统，包括 W下模块：
[0017] 第一模块，用于获取当前图像，计算当前图像的灰度直方图，对灰度直方图进行归 一化，获取当前图像的直方图的左边界Left_Pos、右边界Rigt_Pos和峰值；
[0018] 第二模块，用于根据图像灰度直方图的期望峰值6邱_化ight，计算相机曝光调整 值CExp如下，
[0019]
[0020] 其中，Ew_Bri曲t为图像直方图的期望峰值，Left_Sec_Pos和Rigt_Sec_Pos为剔 除边界峰值后的二次边界值，修正系数kl、k2为图像直方图线性变换系数；
[0021] 第S模块，用于比较相机曝光调整值CExp的绝对值和预设的调整阔值，如果相机 曝光调整值CExp的绝对值大于等于调整阔值，将相机曝光调整值和当前曝光值相加，得到 新的当前曝光值，命令第四模块工作;如果相机曝光调整值CExp的绝对值小于调整阔值，贝U 不进行调整，保持当前曝光值，命令第四模块工作；
[0022] 第四模块，用于根据当前曝光值进行拍照，当获取新的图像作为当前图像后，命令 第一模块工作，继续调整。
[0023] 而且，根据预设的过滤阔值，对直方图进行截取，更新当前图像的直方图的左边界 Lef t_Pos、右边界Rigt_Pos和峰值。
[0024] 而且，当前图像的行数采用预设的数值m。
[0025] 而且，m=1000。
[0026] 而且，根据预设的数值n，n〉l，第四模块中根据当前曝光值进行拍照时，是等待拍 摄(n-1) Xm行后才提取最新的m行图像作为新的当前图像，然后命令第一模块工作，继续调 整。
[0027] 本发明通过对获取的图像数据进行直方图分析，利用峰值位置变化和直方图波形 特征的改变，构建曝光时间跟峰值变化的对应关系，从而利用期望的影像质量和其直方图 分布特征对相机曝光时间调整，使获得的图像数据的直方图特征与期望值相匹配，从而达 到相机自动调整曝光时间的效果。
【附图说明】
[0028] 图1为本发明实施例的应用系统体系结构图；
[0029] 图2为本发明实施例调节前获取的图像直方图。
[0030] 图3为本发明实施例的调节后获取的对应图像直方图。
[0031 ]具体实施方法
[0032] 为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及【具体实施方式】 对本发明作进一步的详细描述。
[0033] 本发明实施例所提供一种基于图像直方图分析的线阵相机自动曝光调整方法，包 括W下步骤：
[0034] 步骤1、获取当前图像，计算当前图像的灰度直方图，对灰度直方图进行归一化，获 取当前图像的直方图的左边界、右边界和峰值；
[0035] 实施例在步骤1中，对当前图像的灰度直方图进行归一化处理，为削弱噪声干扰， 实施例中设置直方图的过滤阔值k = 0.3,对直方图进行截取，从而获得当前图像的直方图 新的左边界Left_Pos、右边界化gt_Pos和峰值。具体实施时，本领域技术人员可自行预设过 滤阔值，采用经验值可W削弱噪声的影响。
[0036] 步骤2、根据图像灰度直方图的期望峰值，计算相机曝光调整值；
[0037] 在步骤2中，如果左边界Left_Pos = 0或者右边界Rigt_Pos = 255,则对图像在新的 左右峰值之间求图像的累积分布，从而实现直方图均衡化，获取到均新的直方图的左边界 Left_Sec_Pos、右边界 Rigt_Sec_Pos。
[003引实施例中，输入理想图像直方图的期望峰值参数6邱_化ight，根据公式计算相机 曝光调整值CExp:
[0039]
[0040] 其中，Ew_Bri曲t为图像直方图的期望峰值，Left_Sec_Pos和Rigt_Sec_Pos为剔 除边界峰值后的二次边界值。其中修正系数kl、k2为图像直方图线性变换系数，具体实施例 时本领域技术人员可自行预设取值，例如可W通过在固定环境中改变相机的曝光时间得到 标准图像灰度均值统计来得到，实施例取kl = 5，k2 = 6。
[0041] 步骤3、为保证系统调整的效率，具体实施时，本领域技术人员可自行预设调整阔 值，取值越大效率越高，调整精确度越低，取值越小调整效率越低，调整精度越高。实施例设 置调整阔值为10,即相机曝光调整值绝对值大于等于10,则说明效果尚不理想，将相机曝光 调整值和当前曝光值相加，得到新的当前曝光值，按新的当前曝光值进入步骤4,进行拍照， 当获取新的图像作为当前图像后，将返回步骤1，重复执行步骤1、步骤2和步骤3继续调整； 如果曝光调整值绝对值小于10,则当前无需调整，令相机调整值等于零，保持使用当前曝光 值，进入步骤4;
[0042] 步骤4、根据当前曝光值，相机正常拍照，获取图像。
[0043] 在步骤4中，根据当前相机曝光值进行拍照，继续在取新的图像作为当前图像后， 重新返回步骤1，继续调整，W达到持续获取清晰图像的目的。直到停止系统工作。
[0044] 应用本发明技术方案的系统架构举例如图1所示，从初始相机抓取图像后，执行W 上流程的计算机可W监测图像，调整相机参数，并存储到服务器，服务器输出相应命令到工 控机，控制调整线阵相机的曝光值。例如，可用于室外动态运行的火车监测，获取清晰图像， W便于后续的车辆监测、识别。那么，主要使用环境为户外环境，使用条件应当适应多种天 气变化。具体实施时，可采用1组倒"L"型支架;在倒"L"型支架的横杆上安装一台垂直向下 拍照的工业相机拍摄顶部图像、竖杆上安装一台垂直于火车运行方向的工业相机，并增加 若干补光设备，例如光源LED。硬件环境部署到位后就可W进行图像的采集工作，采用本发 明技术方案获取第一幅图像后，调节根据外部环境，自动调节曝光时间，获取理想图像。
[0045] 根据线阵相机的特性，具体实施时，本领域技术人员可自行预设图像计算单元，即 当前图像的行数采用预设的数值m。本实施例取初始的1000行图像作为一个图像计算单元， 获取其直方图信息(如图2)，结合之前的曝光时间，得到曝光时间调整值(如图3)，然后对相 机的曝光值进行调整，同样是获取调整后的1000行数据。即当前图像总是取m=1000行图像 数据。
[0046] 由于调整过程中，相机正常采集图像，为了避免过于频繁的调整曝光值，因此本发 明进一步提出，不论按新的当前曝光值还是保留原有的当前曝光值进行拍照，可W不是马 上获取新的图像作为当前图像，而是等待拍摄(n-1) Xm行后才提取最新的m行图像作为新 的当前图像。实施例中，在图像表现上接近于为每nX 1000行调整一次曝光时间，其中可根 据需要的调整效率设定n值，n〉l，具体实施时，本领域技术人员可自行预设n的取值。实施例 中n = 2,直到调整工作结束。
[0047] 具体实施时，本发明所提供方法可基于软件技术实现自动运行流程，也可采用模 块化方式实现相应系统。
[0048] 本发明实施例还相应提供一种基于图像直方图分析的线阵相机自动曝光调整系 统，包括W下模块：
[0049] 第一模块，用于获取当前图像，计算当前图像的灰度直方图，对灰度直方图进行归 一化，获取当前图像的直方图的左边界Left_Pos、右边界Rigt_Pos和峰值；
[0050] 第二模块，用于根据图像灰度直方图的期望峰值6邱_化ight，计算相机曝光调整 值CExp如下，
[0化1 ]
[0化2] 其中，Ew_E5;right为图像直方图的期望峰值，Lef t_Sec_Pos和Rigt_Sec_Pos为剔 除边界峰值后的二次边界值，修正系数kl、k2为图像直方图线性变换系数；
[0053] 第S模块，用于比较相机曝光调整值CExp的绝对值和预设的调整阔值，如果相机 曝光调整值CExp的绝对值大于等于调整阔值，将相机曝光调整值和当前曝光值相加，得到 新的当前曝光值，命令第四模块工作;如果相机曝光调整值CExp的绝对值小于调整阔值，贝U 不进行调整，保持当前曝光值，命令第四模块工作；
[0054] 第四模块，用于根据当前曝光值进行拍照，当获取新的图像作为当前图像后，命令 第一模块工作，继续调整。
[0055] 各模块具体实现可参见相应步骤，本发明不予寶述。
[0056] W上所述仅是用W说明本发明的具体实施案例而已，并非用W限定本发明的可实 施范围，举凡本领域熟练技术人员在未脱离本发明所指示的精神与原理下所完成的一切等 效改变或修饰，仍应由本发明权利要求的范围所覆盖。
【主权项】
1. 一种基于图像直方图分析的线阵相机自动曝光调整方法，其特征在于，包括W下步 骤： 步骤1、获取当前图像，计算当前图像的灰度直方图，对灰度直方图进行归一化，获取当 前图像的直方图的左边界Lef t_Pos、右边界Rigt_Pos和峰值； 步骤2、根据图像灰度直方图的期望峰值Ew_B;ri曲t，计算相机曝光调整值CExp如下，其中，Exp_B;ri曲t为图像直方图的期望峰值，Left_Sec_Pos和Rigt_Sec_Pos为剔除边 界峰值后的二次边界值，修正系数kl、k2为图像直方图线性变换系数； 步骤3、比较相机曝光调整值CExp的绝对值和预设的调整阔值，如果相机曝光调整值 CExp的绝对值大于等于调整阔值，将相机曝光调整值和当前曝光值相加，得到新的当前曝 光值，进入步骤4;如果相机曝光调整值CExp的绝对值小于调整阔值，则不进行调整，保持当 前曝光值，进入步骤4; 步骤4、根据当前曝光值进行拍照，当获取新的图像作为当前图像后，重新返回步骤1， 继续调整。2. 根据权利要求1所述基于图像直方图分析的线阵相机自动曝光调整方法，其特征在 于:根据预设的过滤阔值，对直方图进行截取，更新当前图像的直方图的左边界Left_Pos、 右边界Rigt_Pos和峰值。3. 根据权利要求1或2所述基于图像直方图分析的线阵相机自动曝光调整方法，其特征 在于:当前图像的行数采用预设的数值m。4. 根据权利要求3所述基于图像直方图分析的线阵相机自动曝光调整方法，其特征在 于：m= 1000。5. 根据权利要求3所述基于图像直方图分析的线阵相机自动曝光调整方法，其特征在 于:根据预设的数值n，n〉l，步骤4中根据当前曝光值进行拍照时，是等待拍摄(n-l)Xm行后 才提取最新的m行图像作为新的当前图像，然后重新返回步骤1，继续调整。6. -种基于图像直方图分析的线阵相机自动曝光调整系统，其特征在于，包括W下模 块： 第一模块，用于获取当前图像，计算当前图像的灰度直方图，对灰度直方图进行归一 化，获取当前图像的直方图的左边界Left_Pos、右边界Rigt_Pos和峰值； 第二模块，用于根据图像灰度直方图的期望峰值Expjright，计算相机曝光调整值 (Exp如下，其中，Exp_B;ri曲t为图像直方图的期望峰值，Left_Sec_Pos和Rigt_Sec_Pos为剔除边 界峰值后的二次边界值，修正系数kl、k2为图像直方图线性变换系数； 第Ξ模块，用于比较相机曝光调整值CExp的绝对值和预设的调整阔值，如果相机曝光 调整值CExp的绝对值大于等于调整阔值，将相机曝光调整值和当前曝光值相加，得到新的 当前曝光值，命令第四模块工作;如果相机曝光调整值CExp的绝对值小于调整阔值，则不进 行调整，保持当前曝光值，命令第四模块工作； 第四模块，用于根据当前曝光值进行拍照，当获取新的图像作为当前图像后，命令第一 模块工作，继续调整。7. 根据权利要求6所述基于图像直方图分析的线阵相机自动曝光调整系统，其特征在 于:根据预设的过滤阔值，对直方图进行截取，更新当前图像的直方图的左边界Left_Pos、 右边界Rigt_Pos和峰值。8. 根据权利要求6或7所述基于图像直方图分析的线阵相机自动曝光调整系统，其特征 在于:当前图像的行数采用预设的数值m。9. 根据权利要求8所述基于图像直方图分析的线阵相机自动曝光调整系统，其特征在 于：m= 1000。10. 根据权利要求8所述基于图像直方图分析的线阵相机自动曝光调整系统，其特征在 于:根据预设的数值n，n〉l，第四模块中根据当前曝光值进行拍照时，是等待拍摄(n-l)Xm 行后才提取最新的m行图像作为新的当前图像，然后命令第一模块工作，继续调整。
【文档编号】H04N5/235GK105847708SQ201610355163
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年5月26日
【发明人】应申, 陈高亮, 杨必胜
【申请人】武汉大学