CCD相机实时自动调光系统

    1 引 言

    现代高速电视普遍采用高灵敏度的CCD摄像系统,在目标亮度和背景变化比较大的环境下使用时,图像特别容易饱和。另外跟踪测量电视的调光系统,不仅要求调光范围宽,而且要求调光速度快,适应性强[1]。通常使用3种方法用来对CCD相机进行调光:光圈机械控制或变密度盘[2],电子快门设置[3]和增益调节[4]。根据相机的工作机理,可以称前两种方式为自动曝光控制(AEC),后一种方式为自动增益控制(AGC)。曝光控制主要集中于图像亮度和光学系统通光量、CCD曝光和积分时间关系的调节[5];增益控制则是辅助曝光控制,确保图像有一定灰度级的对比度。文献[6-10]中有很多好的调光方法值得借鉴。

    一般的控制方法是通过捕获图像特性参数和参考值的比较,将映射的调整值送至调光控制系统以弥补二者差异。就实时处理而言,控制需要与计算出的参数同步,从而可以对下一帧图像及时调整。因此,快门时间和增益控制优于光圈机械控制。深入研究后,发现由于各种因素的影响,调整后CCD接收的照度时常欠饱和或过饱和,因此映射需要具有很好的收敛性以使图像灰度快速收敛至一个固定的灰度期望值。另外,尽管快门时间和增益调整有不同的机理(前者基于曝光积分时间后者基于增益放大电路),但是他们的目的都是将图像调整至期望灰度值。因此,为了实现有效控制,有必要建立起快门时间值和增益的关系。

    本文主要研究利用DSP实现自动调光算法,解决CCD数字相机在不同环境和影响下能够自动调整采集高质量图像的问题。为了实时调整高帧频CCD相机的图像亮度,本文提出了一种复合算法,该算法主要由3部分构成:二次均值灰度的权值累加,基于分段二次函数的自动曝光控制和基于数据分析的自动增益控制。平台采用了一种共享的乒乓缓存使用策略,从而保证算法在自行设计的硬件平台得到有效验证并连续显示。实验结果显示出了良好的图像质量,在各种条件下捕获的视频图像均具有快速的收敛性和适应性。

    2 调光方法

    常用调光算法有两种:均值调光和峰值调光,前者针对暗背景时局部亮点饱和的场合,后者针对局部亮时背景图像不清的情形。本文充分考虑到了两种算法的特点提出一种基于自动快门控制和自动增益控制的复合方法,该方法很好地解决了由于局部亮而导致背景不清和暗背景而导致局部亮点饱和的问题,主要分为四步。首先通过二次平均,求出期望的权值灰度和,很好地避免了局部亮点干扰;其次可调动态分段二次函数将此期望权值灰度映射为合适的快门时间值;再次由实验数据建立快门时间值和增益值关系表,参照此表中的每档快门时间值调整相对应的增益;最后引入3个规则以适时将图像快速收敛到固定的灰度级。