王小釗，宋 寶

(華中科技大學(xué)國家數(shù)控系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，湖北武漢 430072)

自動曝光是指攝像機自動進行光圈、曝光時間、信號增益的調(diào)節(jié)，從而獲取視頻圖像最優(yōu)亮度的過程［1］。攝像機拍攝時，往往要求恰到好處的曝光。曝光過高或者過低會引起視頻圖像偏亮或者偏暗。

自動曝光包括光強測定、調(diào)節(jié)算法部分。光強測定是獲取攝像機所攝景物光照強度的過程［1］，對高清網(wǎng)絡(luò)攝像機而言，主要通過分析圖像數(shù)據(jù)完成環(huán)境光強的測定。調(diào)節(jié)算法部分主要是通過場景亮度與理想亮度計算出曝光時間、信號增益的輸出［1］。常用的有直接設(shè)置法［2］、逐次逼近法［3］、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［4］、基于圖像樣本自學(xué)習(xí)的自動曝光算法［5］。

本文主要是研究基于TMS320DM368的網(wǎng)絡(luò)攝像機的自動曝光控制算法。TMS320DM368是基于達芬奇(Da-Vinci)技術(shù)的系列產(chǎn)品，達芬奇技術(shù)是一種專門針對數(shù)字視頻應(yīng)用(如網(wǎng)絡(luò)攝像機)的解決方案［6］。

1 自動曝光系統(tǒng)

本文設(shè)計的自動曝光系統(tǒng)包含:鏡頭、CMOS圖像傳感器以及TMS320DM368控制器。含有圖像信號的光線經(jīng)鏡頭照射在CMOS感光元件上，經(jīng)過一定時間的曝光，轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)模擬增益器放大，然后A/D轉(zhuǎn)換后輸出到處理器TMS320DM368的H3A硬件模塊中。H3A處理的數(shù)據(jù)經(jīng)過亮度評價函數(shù)獲取場景光強，進而完成光強測定，將評價亮度與理想亮度輸入控制器計算出曝光時間、信號增益。自動曝光系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)攝像機自動曝光系統(tǒng)

因為圖像數(shù)據(jù)量大，計算一般需要借助硬件協(xié)處理器來完成，TMS320DM368中H3A模塊式專門用于自動曝光(AE)、自動白平衡(AWB)、自動聚焦(AF)的硬件協(xié)處理器［7］。對自動曝光而言圖像數(shù)據(jù)在H3A中完成對數(shù)據(jù)的分塊采集、飽和檢查、像素累加工作，對自動曝光來說，在H3A中完成的主要工作為分塊采集和像素的累加。

光強測定時亮度評價函數(shù)設(shè)計與H3A模塊輸出數(shù)據(jù)密切相關(guān)、調(diào)節(jié)算法的設(shè)計與自動曝光的性能密切相關(guān)，亮度評價函數(shù)的設(shè)計與調(diào)節(jié)算法的設(shè)計為自動曝光算法的關(guān)鍵技術(shù)。

2 亮度評價函數(shù)的設(shè)計

H3A中完成對數(shù)據(jù)的分塊采集、像素累加工作，H3A將圖像數(shù)據(jù)分為16×12塊來采集，AE/AWB像素累加器分別對每塊像素的RGB值分別累加得到一個16×12×3的矩陣A16×12×3。其中，矩陣中Aij1為第ij模塊的R(紅色)分量累加值，矩陣中Aij2為第ij模塊的G(綠色)分量累加值，矩陣中Aij3為第ij模塊的B(藍色)分量累加值，矩陣A16×12×3即為 H3A 模塊的輸出。

用戶對不同區(qū)域亮度關(guān)心程度不同，為了更貼近用戶感受，因此對圖像亮度進行加權(quán)平均，按照人們對不同區(qū)域關(guān)心程度設(shè)置權(quán)重矩陣W16×12，W16×12權(quán)重按照圖2設(shè)置。

圖2 亮度計算權(quán)重設(shè)置

估計場景亮度將H3A轉(zhuǎn)換為亮度，在按照權(quán)重加權(quán)平均

式中:Yp為估算場景亮度;矩陣A為H3A輸出數(shù)據(jù);W為權(quán)重矩陣。

3 PID控制系統(tǒng)設(shè)計

調(diào)節(jié)算法是根據(jù)景亮度與理想亮度計算出曝光時間、信號增益的輸出，考慮到TMS320DM368計算能力與穩(wěn)定性要求，選取PID控制算法。

由自動曝光系統(tǒng)可得圖像亮度Yp與鏡頭通光量F、曝光時間T、增益系數(shù)A的函數(shù)關(guān)系為

式中:K為比例系數(shù)，由自動曝光系統(tǒng)可知曝光時間T與增益系數(shù)G均為系統(tǒng)可控量。通光量F與光圈大小以及場景光照有關(guān)系。考慮到成本因素網(wǎng)絡(luò)攝像機一般采用定光圈鏡頭，通光量F僅跟場景光照有關(guān)。

假設(shè)可控量為V，V與曝光時間T與增益系數(shù)G為

將圖像亮度函數(shù)簡化為

為保證系統(tǒng)線性

則控制系統(tǒng)設(shè)計為:ln(Y)為作為輸出，PID控制器的輸出量為U=lnV，將lnF作為系統(tǒng)的干擾構(gòu)建控制系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 自動曝光系統(tǒng)圖

由式(5)可得G(S)=1，系統(tǒng)中輸入量為lnYE，YE為自動曝光系統(tǒng)希望達到的希望亮度，按照中間亮度法故取YE=128。同時為了防止自動曝光系統(tǒng)頻繁調(diào)節(jié)，影響人眼體驗取YL=118，YH=138，當評價亮度YL＜Y＜YH，時曝光系統(tǒng)將不進行曝光調(diào)節(jié)。

因為曝光時間、增益系數(shù)限制較多，函數(shù)關(guān)系較為復(fù)雜，故采用查表法查出曝光時間T與增益系數(shù)G。

本文采用OV9712圖像傳感器，其COMS圖像傳感器，增益系數(shù)調(diào)節(jié)范圍為1～31［8］。根據(jù)COMS圖像傳感器特性，為保證在燈光下沒有條紋與閃爍現(xiàn)象的產(chǎn)生，視頻采樣幀率fv，曝光時間T，與交流電頻率f，需要滿足式(6)、(7)，根據(jù)PID控制器設(shè)計時取輸出U=lnV，并由式(3)可以得出，PID控制器輸出為U時，曝光時間與增益系數(shù)需滿足要求為

式中:m，n為自然數(shù)，f=50 Hz，一般情況下取n=4，即fv=25 Hz，但是當在低照情況(小于10 lx)下，由式(8)得T＜40 ms，所得圖像噪點很多，可取n=8將采樣率降低為12.5 Hz曝光時間加長至80 ms。強光情況(大于2 000 lx，普通燈光照度大約為500 lx)時，此時若曝光時間為10 ms會產(chǎn)生過曝光。強光多為室外情況，因此可以不必滿足式(6)、式(7)將曝光時間設(shè)置為小于10 ms。故可以先確定曝光時間表，計算曝光增益系數(shù)表，如圖4所示。

4 實驗結(jié)果分析

將本文設(shè)計的自動曝光算法在基于TMS320DM368的網(wǎng)絡(luò)攝像機上實現(xiàn)，并對該網(wǎng)絡(luò)攝像機曝光性能測試。

攝像機安裝福光130萬，1/3 in(1 in=2.54 cm)，0409手動光圈，手動變焦高清攝像機鏡頭進行測試。拍攝時光強為9 mm。

圖4 曝光時間—增益系數(shù)表

測試結(jié)果為:圖5照度為1 lx(低照)時攝像機獲得圖像、圖6為照度為10 000 lx(強光)下攝像機獲得圖像、圖7為照度由10 lx變到10 000 lx以及由10 000 lx變到10 lx的兩種情況下的圖像評價亮度變化曲線。

圖5 照度為1 lx下的圖像

圖6 照度為10 000 lx下圖像

圖7 照度變化時亮度變化曲線

由以上實驗結(jié)結(jié)果圖5和圖6可得該曝光算法擁有比較大的適應(yīng)范圍，可以適應(yīng)照度由1 lx變道10 000 lx下的光照情況。由圖7亮度曲線可得該曝光算法擁有比較好的動態(tài)特性，當照度由10 lx變?yōu)?0 000 lx情況下，在第40次采樣(約為1.75 s)圖像亮度即達到要求并保持穩(wěn)定，當10 000 lx到10 lx情況下也是接近40次采樣即可達到穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結(jié)論

本文設(shè)計了用于基于TMS320DM368的網(wǎng)絡(luò)攝像機的自動曝光控制算法，算法充分利用了TMS320DM368提供的硬件模塊，其可以適應(yīng)由1 lx到10 000 lx下的光照狀況，擁有較好的動態(tài)性能，由低照到強光其反應(yīng)時間約為1.75 s，

而且其算法簡單，穩(wěn)定，滿足網(wǎng)絡(luò)攝像機的使用需求。

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［1］鄭德裕.EK200全自動單反相機硬件實現(xiàn)技術(shù)研究［D］.南京:南京理工大學(xué)，2006.

［2］TETSUYA K，HIROAKI S，NARIHIRO M.A new automatic exposure system for digital still cameras［J］.IEEE Trans.Consumer Electronics，1998，44(1):86-87.

［3］CHO M，LEE S，BYUNG D.The fast auto exposure algorithm based on the numerical analysis［C］//Proc.SPIE Conference on Sensors，Cameras，and Applications for Digital Photography.San Jose，California:SPIE Press，1999:403-404.

［4］梁佳毅，洪志良.適用于大動態(tài)范圍場景的自動曝光控制算法［J］.光電工程，2008，35(5):89-91.

［5］KEHTARMAVAZ N，OH H，SHIDATE I，et al.A new approach to auto white balancing and auto exposure for digital still cameras［C］//Proc.SPIE 4669，Sensors and Camera Systems for Scientific，Industrial，and Digital Photography Applications III. ［S.l.］:SPIE Press，2002:389-390.

［6］Texas Instrument.TMS320DM365 digital medio system-on-chip(DMSoC)［EB/OL］.［2013-04-02］.http://focus.ti.com/docs/prod/folder/print/tms320dm368.html.

［7］Texas Instrument.TMS320DM365 digital medio system-on-chip(DMSoC)Video processing frontEnd(VPFE)user’s guide［EB/OL］.［2013-04-02］. http://focus.ti.com/docs/prod/folder/print/tms320dm368.html.

［8］OmniVision.OV9712 datasheet［EB/OL］.［2013-04-02］.http://wenku.baidu.com/view/dea39b6b561252d380eb6e4e.html.