匡 艷，張振環(huán)，鄭裕林

(公安部第一研究所，北京 100048)

一種基于圖像多區(qū)域的變步長自動曝光算法

匡 艷，張振環(huán)，鄭裕林

(公安部第一研究所，北京 100048)

針對傳統(tǒng)自動曝光算法不能適應(yīng)背光或正面強光等復雜光照環(huán)境，且在實時性和平滑性不能同時兼顧等方面的缺點，提出一種基于圖像多區(qū)域的變步長自動曝光算法。該算法將主體區(qū)域和背景區(qū)域進行分區(qū)，并對主體區(qū)域賦予更大的調(diào)整權(quán)重值來計算圖像平均亮度，最后根據(jù)平均亮度距離目標亮度的差值等級來調(diào)整曝光時間的變化步長。實驗結(jié)果表明，利用這種曝光方法在復雜光照環(huán)境下圖像主體區(qū)域也能得到很好地體現(xiàn)，且在光照強度不斷地變化時，圖像亮度也能快速平穩(wěn)地接近理想亮度，具有很好的成像效果。

自動曝光；圖像多區(qū)域；變步長；主體區(qū)域；背景區(qū)域

自動曝光是通過控制進入攝像機成像系統(tǒng)曝光量從而使得圖像亮度穩(wěn)定在目標亮度附近，實現(xiàn)圖像亮度最優(yōu)化的過程，它是光學技術(shù)、微電子技術(shù)與數(shù)字信號處理技術(shù)相結(jié)合的技術(shù)[1]。進入成像系統(tǒng)的曝光量由場景光強、光圈大小及曝光時間決定。在自然情況下，場景光強由自然光決定，成像系統(tǒng)無法控制[2]，因此自動曝光算法可通過控制光圈大小及曝光時間來控制進入成像系統(tǒng)的曝光量，從而調(diào)整圖像亮度使其逼近目標亮度。

傳統(tǒng)的自動曝光算法采用整幅圖像的平均亮度為依據(jù)，判斷平均亮度和所需達到的目標亮度的差值，并按照固定步長調(diào)整光圈大小和曝光時間，使得拍攝時的曝光量達到一個合適的值，從而使得圖像亮度逼近目標亮度。利用該算法，當拍攝場景中目標區(qū)域與背景區(qū)域?qū)Ρ榷容^低的時候，圖像能得到比較好的重現(xiàn)，然而，在諸如逆光或者正面強光等復雜的光照情況下，由于主體與背景區(qū)域的對比度比較大，用傳統(tǒng)的自動曝光算法往往使感興趣的主體區(qū)域曝光不足或者過度曝光[3]，即使采用目前正廣泛使用的寬動態(tài)技術(shù)，在背景亮度和主體區(qū)域亮度差值超過動態(tài)范圍時，也不能達到理想的成像效果；另一方面，由于采用固定步長調(diào)整，對步長的設(shè)定存在一定的局限性，當設(shè)定步長較短時，能比較平滑的實現(xiàn)圖像亮度像目標亮度的逼近，但當圖像亮度和目標亮度差值過大時，亮度調(diào)整時間過長[4]，自動曝光算法在實時性上可能不能很好地滿足應(yīng)用需求，當設(shè)定步長較長時，圖像亮度能快速逼近目標亮度，具有較好的實時性，但可能會造成調(diào)整時圖像亮度的抖動，影響視頻觀看效果。

為了解決傳統(tǒng)曝光算法存在的上述兩個不足，本文對傳統(tǒng)曝光算法進行了優(yōu)化，形成了基于圖像多區(qū)域并變步長的算法，根據(jù)成像特點將主體區(qū)域和背景區(qū)域進行分區(qū)，并將主體區(qū)域賦予更大的調(diào)整權(quán)重值，且根據(jù)主體區(qū)域亮度距離目標亮度的差值等級來調(diào)整曝光時間或增益值的變化步長，實現(xiàn)了較好的自動曝光。該算法在背景亮度和主體區(qū)域亮度差值超過寬動態(tài)調(diào)整范圍時仍能使主體區(qū)域得到理想的曝光效果，且較之寬動態(tài)技術(shù)占用更少的系統(tǒng)資源。

1 自動曝光算法原理

1.1 自動曝光算法公式

曝光量是指在快門開啟的時間段內(nèi)感光器件所感受的光通量的多少[5]。曝光量的大小，決定了外界光線在感光器件上照度的強弱和感光時間的長短。曝光量是指照度和時間的乘積。圖像亮度與曝光時間滿足線性關(guān)系，關(guān)系式可表示為

B=K×D×T

(1)

式中：K為系統(tǒng)系數(shù)；D為光圈孔徑大小；T為曝光時間；B為圖像亮度。當發(fā)現(xiàn)圖像亮度沒有達到理想亮度B0時，需要計算圖像亮度達到B0所需的光圈孔徑大小D0及曝光時間T0。此時B0，D0，T0也應(yīng)滿足以下關(guān)系

B0=K×D0×T0

(2)

用關(guān)系式(2)除以關(guān)系式(1)，得到

B0/B=(D0×T0)/(D×T)

(3)

因此在自動曝光調(diào)整中，當光圈大小或曝光時間其中一項固定時，就可通過調(diào)整另一項使得亮度達到理想亮度B0。

1.2 自動曝光控制原理

自動曝光通用算法通常采用負反饋環(huán)路控制進入成像系統(tǒng)的光通量大小。通過當前視頻幀的平均亮度值和理想亮度值進行比較，而從預判出下一幀視頻圖像的光圈大小或曝光時間的調(diào)整值，使得圖像亮度逐步逼近理想亮度。由于光圈大小的調(diào)整對于亮度的影響高于曝光時間的調(diào)整，一般將光圈調(diào)整用于圖像亮度的粗調(diào)，而通過曝光時間的精確調(diào)整使得亮度值達到理想值。

圖1描述了自動曝光的控制過程。

圖1 自動曝光控制

由圖1可以看出，自動曝光算法包括圖像亮度統(tǒng)計和曝光調(diào)整算法兩部分。

通用的曝光算法中，對于圖像的亮度統(tǒng)計方法為對整幅圖像求亮度平均值，這種方法簡單易行，但由于在諸如逆光或者正面強光等的復雜光照情況下，由于圖像感興趣區(qū)域與背景的對比度較大，當背景占據(jù)圖像比例較大時，統(tǒng)計的平均亮度中背景亮度占據(jù)更大權(quán)重，根據(jù)該統(tǒng)計亮度進行的曝光調(diào)整會使背景亮度達到理想亮度，但會使圖像的感興趣主體區(qū)域過曝或曝光不足，影響成像效果；在曝光調(diào)整算法中，通用算法為將統(tǒng)計的圖像亮度均值和理想亮度值進行比較，當圖像平均亮度大于理想亮度時，將光圈大小或曝光時間減小一個步長，反之則將光圈大小或曝光時間增加一個步長，該方法的關(guān)鍵點在對步長的設(shè)置上，當設(shè)定步長較短時，能比較平滑地實現(xiàn)圖像亮度像目標亮度的逼近，但當圖像亮度和目標亮度差值過大時，亮度調(diào)整時間過長，自動曝光算法在實時性上不能很好地滿足應(yīng)用需求，當設(shè)定步長較長時，圖像亮度能快速逼近理想亮度，具有較好的實時性，但可能會造成調(diào)整過程中圖像亮度值在理想值附件上下抖動，造成多幀連續(xù)視頻畫面忽亮忽暗的現(xiàn)象，影響觀看效果。

2 基于圖像多區(qū)域的變步長自動曝光算法

算法分為兩個部分：圖像分區(qū)域亮度統(tǒng)計、變步長曝光調(diào)整。算法流程如圖2所示。

圖2 算法流程

2.1 圖像分區(qū)域亮度統(tǒng)計

1幅視頻圖像分為感興趣的主體區(qū)域及非感興趣的背景區(qū)域[6]，在本算法中，可根據(jù)監(jiān)控區(qū)域的不同環(huán)境手動設(shè)置圖像分區(qū)，將需要監(jiān)控的主體設(shè)置為感興趣區(qū)域，其他區(qū)域設(shè)為背景區(qū)域。圖3為對1幅圖像進行分區(qū)的示例圖。

圖3 圖像分區(qū)示例圖

該圖是在強背景光的光照環(huán)境下拍攝形成，將較暗的中心區(qū)域設(shè)為感興趣區(qū)域，其余為背景區(qū)域。

算法對感興趣區(qū)域和背景區(qū)域賦予不同的權(quán)重值a和b，a和b之和為1。分別求感興趣區(qū)域的平均亮度BV1和背景區(qū)域的平均亮度BV2，然后計算感興趣區(qū)域和背景區(qū)域的平均亮度差值ΔBV，計算公式如下

(4)

根據(jù)平均亮度差值ΔBV來確定權(quán)重系數(shù)a和b的值。對權(quán)重系數(shù)和平均亮度差值之間的換算關(guān)系進行實現(xiàn)，采用如圖4所示圖像主體分配權(quán)重的曲線在優(yōu)化圖像曝光效果的同時可以保證自動曝光控制的穩(wěn)健性，在過曝光和欠曝光的情況下都能自動調(diào)節(jié)曝光時間得到理想的成像效果。

圖4 權(quán)重系數(shù)和平均亮度差值之間的關(guān)系曲線

圖5 曝光調(diào)整算法流程

根據(jù)各個區(qū)域的權(quán)重系數(shù)及平均亮度，即可計算出整幅圖像的平均亮度。整幅圖像的平均亮度計算公式如下

BV=a×BV1+b×BV2

(5)

式中：BV為利用該算法計算出的整幅圖像亮度，因為a和b之和為1，所以式(5)可表示如下

BV=a×BV1+(1-a)×BV2

(6)

2.2 變步長曝光調(diào)整算法

在對圖像平均亮度進行統(tǒng)計后，即可根據(jù)圖像平均亮度對成像系統(tǒng)曝光參數(shù)進行調(diào)整，使圖像亮度逐漸接近理想亮度。在曝光調(diào)整算法中，采用光圈優(yōu)先的調(diào)整算法，即先調(diào)整光圈大小，再調(diào)整曝光時間。由于光圈調(diào)整范圍較小，因此對光圈的調(diào)整步長為固定值，算法主要對曝光時間進行變步長調(diào)整。

本成像系統(tǒng)使用的傳感器曝光時間T的調(diào)整范圍為

0≤T≤1(V)-2(H)

(7)

式中：V表示圖像幀；H表示行。本系統(tǒng)一幀圖像為1 122行，因此最大曝光時間為1 120行，最小曝光時間為0行。算法將曝光時間調(diào)整步長設(shè)為7個等級。經(jīng)過測試調(diào)整，平均亮度和理想亮度差值絕對值ΔB和曝光調(diào)整步長之間的關(guān)系如表1所示。

表1 亮度差值和調(diào)整步長對應(yīng)表

ΔB步長ΔB<801(H)80<ΔB<1505(H)150<ΔB<40010(H)400<ΔB<80030(H)800<ΔB<120050(H)1200<ΔB<160070(H)1600<ΔB100(H)

通過設(shè)置多個調(diào)整步長，當平均亮度和理想亮度差值較大時，可使平均亮度快速接近理想亮度，同時通過小步長的控制，可實現(xiàn)亮度的平滑調(diào)整，避免出現(xiàn)圖像亮度的抖動現(xiàn)象。

算法實現(xiàn)流程如圖5所示。

3 實驗結(jié)果

在明暗對比度強烈的場景下分別獲取采用普通自動曝光算法和基于圖像多區(qū)域的變步長自動曝光算法進行亮度調(diào)整后的圖片，其對比效果如圖6所示。

圖6 普通自動曝光算法和基于圖像多區(qū)域的變步長曝光算法效果對比圖

圖6a為采用普通自動曝光算法在強背景光照下進行亮度調(diào)整后的成像效果圖，由于圖像背景區(qū)域過亮，因此在進行亮度調(diào)整后，會使圖像主體區(qū)域曝光不足，從而使得圖像主體區(qū)域細節(jié)無法體現(xiàn)。

圖6b為采用基于圖像多區(qū)域的變步長曝光算法在同樣光照條件下進行亮度調(diào)整后的效果圖，由于該算法加重了主體區(qū)域的亮度權(quán)重，因此圖像主體區(qū)域的平均亮度基本決定了整幅畫面的平均亮度，因此在進行亮度調(diào)整后，圖像主體區(qū)域亮度接近理想亮度，圖像細節(jié)仍能夠得到很好的體現(xiàn)。

在曝光速度上，傳統(tǒng)自動曝光算法在暗光情況下達到曝光強度范圍所需的平均幀數(shù)為15，而基于圖像多區(qū)域的變步長曝光算法在相同光照環(huán)境下達到曝光強度范圍所需的平均幀數(shù)為4，傳統(tǒng)自動曝光算法在強光情況下達到曝光強度范圍所需的平均幀數(shù)為10，而基于圖像多區(qū)域的變步長曝光算法在強光情況下達到曝光強度范圍所需的平均幀數(shù)為4。

由以上實驗結(jié)果可知，提出的算法能夠在復雜光照環(huán)境下使圖像主體區(qū)域得到很好地體現(xiàn)，且快速地將曝光時間調(diào)整到適當?shù)闹?，而實現(xiàn)圖像快速、正確地曝光，并能夠修正在傳統(tǒng)曝光算法中出現(xiàn)的圖像抖動。對光強變化劇烈的情況下進行實際驗證，圖像曝光效果令人滿意。

4 結(jié)論

本文提出了一種基于多區(qū)域的變步長自動曝光算法，該算法對通用的自動曝光算法進行了優(yōu)化，從而解決了通用曝光算法存在的不足。利用對圖像進行分區(qū)計算平均亮度，降低了背景區(qū)域在加權(quán)均值中的重要性，有效避免了在復雜光照條件下主體區(qū)域曝光不足或過曝的情況，在自動曝光調(diào)整過程中，通過變步長的曝光時間調(diào)整，使得圖像亮度能夠快速平滑地逼近理想亮度。通過實際測試表明，利用該自動曝光算法，即使在復雜光照環(huán)境下，能使圖像亮度快速接近于理想亮度，不會出現(xiàn)調(diào)整過程中常見的亮度震蕩現(xiàn)象，且在逆光或正面強光的復雜環(huán)境中，圖像主體區(qū)域也能得到很好的體現(xiàn)。相比較目前廣泛使用的寬動態(tài)技術(shù)，該算法在背景亮度和主體區(qū)域亮度差值超過寬動態(tài)調(diào)整范圍時，仍能使主體區(qū)域得到理想的曝光效果，且占用更少的系統(tǒng)資源。

[1] 賈志科，崔慧娟，唐昆.彩色數(shù)字照相機的設(shè)計[J].電視技術(shù)， 2000，24(11)：15-17.

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[3] 楊作廷，阮萍，翟波.基于圖像熵的高動態(tài)范圍場景的自動曝光算法[J].光子學報， 2013，42(6)：742-746.

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[5] 戈志偉，姚素英，徐江濤，等.一種基于圖像分區(qū)的自動曝光算法[J].天津大學學報，2010，43(10)：854-859.

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匡 艷，女，工程師，主研領(lǐng)域為智能信息處理、圖像處理與應(yīng)用；

張振環(huán)，女，工程師，主研領(lǐng)域為智能信息處理、圖像處理與應(yīng)用；

鄭裕林，副研究員，主研領(lǐng)域為智能信息處理、圖像處理與應(yīng)用。

責任編輯：時 雯

Auto Exposure Algorithm Using Image Subregion and Variable Step Size

KUANG Yan，ZHANG Zhenhuan，ZHENG Yulin

(FirstResearchInstituteoftheMinistryofPublicSecurityofPRC，Beijing100048，China)

Point at the question of the common algorithm can’t suit for complex light condition such as backlight or front light， and real time and smooth are can’t gave consideration at the same time，an auto exposure algorithm using image subregion and variable step size is given in the paper. The image is partitioned with the subject and background area， and the subject area is gave the more weight， and the step size is also adjusted according to the difference between the average brightness and the real brightness. The actual test results prove that the algorithm can get the perfect image in the complex light condition， as well as close to real brightness speedy and smoothly when the intensity of illumination changed.

auto exposure；image subregion；variable step；subject area；background area

TP391.72

A

10.16280/j.videoe.2015.19.007

2015-03-27

【本文獻信息】匡艷，張振環(huán)，鄭裕林.一種基于圖像多區(qū)域的變步長自動曝光算法[J].電視技術(shù),2015，39(19).