一种适合照相手机的快速自动曝光算法

    随着高分辨率的照相手机的迅速普及(两百万象素或更高),用户对成像质量的要求也越来越高。精确地控制照相手机的曝光量也成为提高最终成像质量的关键参数之一。虽然近年来照相手机中与成像有关的硬件和软件资源已经有了很大的提高,基于成本和空间的考量,高档数码相机中一些比较成熟的自动曝光算法还是无法移植到主流照相手机中。当前主流照相手机中应用最广的自动曝光算法主要还是根据中性灰或者18%的反光率来获得一个合适的曝光值。如果景物中存在大面积的高反光率的表面(如白雪或沙滩)或大面积的低反光率的表面(黑色背景),根据中性灰或者18%的反光率所得到的曝光值也是当前照相成像质量的主要缺点。如何找到一种能在有效提高对困难景物的成像质量的同时并没有增加太多的计算量的自动曝光新算法对于进一步普及高象素照相手机是至关重要的。 

    1 照相手机中自动曝光控制

    与数码相机不同,绝大多数的照相手机并没有机械快门。所以照相手机主要是通过改变曝光时间的长短和模拟/数字增益值而不是光圈值来控制曝光量的大小。自动曝光算法首先计算出当前的图像的亮度指标(注:亮度指标并不一定等同于亮度值)并将他与理想的亮度指标比较。如果当前的亮度指标高于理想的亮度指标,自动曝光算法将指示控制电路缩短曝光时间或者减小模拟/数字增益值。反之则延长曝光时间或者增大模拟/数字增益值。这样直到当前的亮度指标和理想的亮度指标的差异小于设定的阈值或者曝光时间和模拟/数字增益值已达到极限值。自动曝光算法的核心部分是如何定义和计算图像的亮度指标和理想的亮度指标。当前照相手机中应用最广的自动曝光算法假定景物中的全部反光面的平均反光率是18%[1-3]。基于这个假定,图像的亮度指标就等同于整幅或部分图像的平均亮度值(Y),理想的亮度指标则被定义为最大亮度值的18%。这类算法的最大优势是他的简单性,不足之处是对景物中存在大面积的高反光率表面所得到的曝光值就会过暗(如图1(a)和图2(a)所示)。针对这个缺陷,当前数码相机中采用的比较复杂的自动曝光算法大多通过研究不同光照条件下的图像的理想平均亮度值(Y)与曝光参数之间的关系来进行曝光控制。这类曝光方法都需要大量搜集在不同光照条件下的图像数据并应用类似神经网络的学习算法得到寻找不同光照条件下的图像的理想平均亮度值(Y)与曝光参数之间的关系[ 2-9 ]。由于这类算法对于软硬件的要求都比较高,限制了他们在当前主流照相手机中的应用。

    2 一种新的快速自动曝光算法