一种基于图像特征的CMOS传感器底电平自适应调节方法技术

本发明专利技术公开了一种基于图像特征的CMOS传感器底电平自适应调节方法，步骤如下：划分图像灰度分布区间；计算各区间的像素个数占像素总数的比值；将上述比值与阈值进行比较，判断是否需要调整底电平；采用查找表法获得底电平调整系数。本发明专利技术能够根据场景的亮度分布特征，自适应的调节传感器的底电平，在曝光时间范围有限的情况下，对光照变化剧烈的场景能取得较好的曝光效果。

A method for adaptive adjustment of bottom level of CMOS sensor based on image features

The invention discloses a level adaptive adjustment method based on the CMOS sensor image features the bottom steps are as follows: divide the image gray distribution interval; the ratio of the total number of pixels to calculate the pixel interval; the ratio is compared with a threshold to determine whether to adjust the bottom level; using the look-up table method to obtain the bottom level adjustment coefficient. The invention can adaptively adjust the bottom level of the sensor according to the brightness distribution characteristic of the scene, and can obtain better exposure effect to the scene with severe illumination change when the exposure time range is limited.

【技术实现步骤摘要】
一种基于图像特征的CMOS传感器底电平自适应调节方法
本专利技术涉及一种应用于CMOS图像传感器的底电平自适应调节方法，该方法能够有效弥补曝光时间范围有限带来的不足，除常规光照环境外，还可应用于光照强度变化范围较大的太空环境，属于航天光学遥感器

技术介绍
CMOS图像传感器具有高集成度、低成本和低功耗等优点，有利于实现轻小型高帧频低功耗的相机系统。目前，采用CMOS图像传感器的相机正广泛应用于航空航天、国防军事等领域。在CMOS图像传感器成像过程中，曝光对图像质量的影响很大。CMOS传感器的像素输出电压由光照强度和曝光时间决定，在曝光时间固定的情况下，若光强较低，曝光时间结束时输出信号仍然小于噪声，造成曝光不足，会导致图像过暗；若光强较高时，曝光时间尚未结束信号已经饱和，造成曝光过度，则会导致图像过亮。这两种情况都会失去图像细节，即使在后续图像处理过程中都难以在色彩上恢复，降低了图像的视觉质量。自动曝光技术能够自动调节曝光时间，使其适应入射光强的变化，以达到合适的成像效果。然而，航天遥感图像场景具有其特殊性，图像或者具有大面积的深空背景，或者处于强光直射情况下，场景明暗变化大，未知性强。为了获得尽可能多的信息，高帧频CMOS相机的应用日趋广泛，而高帧频则意味着传感器曝光时间的最大值受到了相应的限制。同时，传感器的曝光时间最小值是由控制时钟决定的。由于曝光时间受到帧频和时钟的制约，即使采用了自动曝光技术，仍然会出现曝光时间范围不能满足环境光强变化的情况。因此，研究一种在光照条件较为极端(过强或过弱)的场景下也能够获得较好成像效果的方法对于航天遥感CMOS相机具有重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：弥补曝光时间范围有限的不足，从传感器自身特性出发，提供了一种自适应底电平调节方法，本专利技术根据场景的不同，自动调节CMOS传感器的底电平以适应入射光强的变化，对环境光照条件较为极端的场景也具有良好的成像效果，对硬件要求较低，易于移植。本专利技术的技术解决方案是：一种基于图像特征的CMOS传感器底电平自适应调节方法，步骤如下：(1)划分图像灰度分布区间：灰度值小于等于P1的像素属于暗区域Z0，灰度值大于等于P2的像素属于亮区域Z1，灰度值在[P3,P4]区间的像素属于感兴趣区域Z2；(2)分别计算Z0～Z2区域的像素个数占像素总数的比值K0～K2；(3)根据步骤(2)得到的各区域像素个数比值，获得底电平调整系数；(4)由当前底电平数值乘以调整系数得出下次底电平数值；(5)结束。所述步骤(3)中获得底电平调整系数的具体方法如下：(3a)若K2大于KM，则不调整底电平，将底电平调整系数设置为C1，直接进入步骤(4)，否则进入步骤(3b)；(3b)若K0大于K1，则进入步骤(3c)，否则进入步骤(3d)；(3c)根据K0的值查表得到底电平调整系数，并进入步骤(4)；(3d)根据K1的值查表得到底电平调整系数，并进入步骤(4)。所述步骤(3c)和(3d)中所述查找表的形式均为折线,不同的像素比值对应不同的底电平调整系数，折线的横轴表示像素比值K0或K1，纵轴表示底电平调整系数，根据不同的需求，折线的具体形式不一样。当所述像素比值K0大于等于A1时，对应的调整系数为2；当像素比值K1大于等于A2时，对应的调整系数为0.6；A1、A2分别用于判断落在暗区域和亮区域的像素数目是否满足调整要求，是根据不同需求的统计分析得到的，根据实际应用进行调整，其中0.40≤A1≤0.48，0.45≤A2≤0.52所述阈值P1，P2，P3，P4用于界定不同灰度值的像素分别属于不同区域，KM用于判断落在感兴趣区域的像素数目是否满足要求，这些数值是根据不同需求的统计分析得到的，可根据实际应用进行调整，其中10≤P1≤15，228≤P2≤235，90≤P3≤98，130≤P4≤138；0.70≤KM≤0.78。所述步骤(3a)中所述底电平调整系数C1＝1。本专利技术与现有技术相比的有益效果是：(1)本专利技术能够根据场景的亮度分布特征，自适应的调节传感器的底电平，在曝光时间范围有限的情况下，对光照变化剧烈的场景能取得较好的曝光效果。(2)本专利技术易于实现，对硬件设备要求不高，易于移植，通用性较强。(3)本专利技术中的阈值、调整系数等参数均为可调参数，可根据对类似场景的统计分析得到，对不同的目标场景可采用不同的参数，提高了系统的灵活性。附图说明图1为本专利技术CMOS传感器底电平自适应调节方法的流程示意图；图2为本专利技术查找表中底电平调整系数与像素比值关系示意图，其中a为底电平调整系数与K0关系示意图，b为底电平调整系数与K1关系示意图；图3为单一底电平设置拍摄效果图和应用本专利技术的拍摄效果图对比，其中a为单一底电平设置拍摄效果图，b为应用本专利技术的拍摄效果图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方式进行进一步的详细描述：如图1所示，一种基于图像特征的CMOS传感器底电平自适应调节方法，包括步骤如下：(1)划分图像灰度分布区间：灰度值小于等于P1的像素属于暗区域Z0，灰度值大于等于P2的像素属于亮区域Z1，灰度值在[P3,P4]区间的像素属于感兴趣区域Z2；(2)分别计算Z0～Z2区域的像素个数占像素总数的比值K0～K2；(3)根据步骤(2)得到的各区域像素个数比值，获得底电平调整系数；获得底电平调整系数的具体方法如下：(3a)若K2大于KM，则不调整底电平，将底电平调整系数设置为C1，直接进入步骤(4)，否则进入步骤(3b)；(3b)若K0大于K1，则进入步骤(3c)，否则进入步骤(3d)；(3c)根据K0的值查表得到底电平调整系数，并进入步骤(4)；(3d)根据K1的值查表得到底电平调整系数，并进入步骤(4)。通过设定一系列的阈值范围(如P1，P2，P3，P4；KM等)，将图像划分为相应的区域，再统计各个区域的像素分布，合理判断图像的灰度层次分布，从而获得合适的底电平调整系数，提高图像的可辨识性。本实施例中P1＝15，P2＝235，P3＝98，P4＝138；KM＝0.75；C1＝1。步骤(3c)和(3d)中所述查找表的形式均为折线,不同的像素比值对应不同的底电平调整系数，折线的横轴表示像素比值K0或K1，纵轴表示底电平调整系数，根据不同的需求，折线的具体形式不一样，取决于想要获得的调整效果。如图2所示，其中，a为步骤(3c)中所述的查找表形式，折线的横轴表示像素比值K0，纵轴表示底电平调整系数，当像素比值K0小于A1时，每个像素比值对应不同的调整系数，像素比值越大，调整系数越大，当K0大于等于A1时，对应的调整系数恒为2；图2中的b为步骤(3d)中所述的查找表形式，折线的横轴表示像素比值K1，纵轴表示底电平调整系数，当像素比值K1小于A2时，每个像素比值对应不同的调整系数，像素比值越大，调整系数越小，当像素比值K1大于等于A2时，对应的调整系数恒为0.6。本实施例中A1＝0.4，A2＝0.45。(4)由当前底电平数值乘以调整系数得出下次底电平数值。(5)结束。拍摄结果对比如图3所示，对同一场景进行拍摄成像，其中图3中的a为单一底电平设置的相机所拍摄的图像，由于室外光照强烈，出现过曝现象，窗口部分完全饱和，图像过于明亮，窗外的细节丢失；而图本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于图像特征的CMOS传感器底电平自适应调节方法，其特征在于步骤如下：(1)划分图像灰度分布区间：灰度值小于等于P1的像素属于暗区域Z0，灰度值大于等于P2的像素属于亮区域Z1，灰度值在[P3,P4]区间的像素属于感兴趣区域Z2；(2)分别计算Z0～Z2区域的像素个数占像素总数的比值K0～K2；(3)根据步骤(2)得到的各区域像素个数比值，获得底电平调整系数；(4)由当前底电平数值乘以调整系数得出下次底电平数值；(5)结束。

【技术特征摘要】
1.一种基于图像特征的CMOS传感器底电平自适应调节方法，其特征在于步骤如下：(1)划分图像灰度分布区间：灰度值小于等于P1的像素属于暗区域Z0，灰度值大于等于P2的像素属于亮区域Z1，灰度值在[P3,P4]区间的像素属于感兴趣区域Z2；(2)分别计算Z0～Z2区域的像素个数占像素总数的比值K0～K2；(3)根据步骤(2)得到的各区域像素个数比值，获得底电平调整系数；(4)由当前底电平数值乘以调整系数得出下次底电平数值；(5)结束。2.根据权利要求1所述的一种基于图像特征的CMOS传感器底电平自适应调节方法，其特征在于：所述步骤(3)中获得底电平调整系数的具体方法如下：(3a)若K2大于KM，则不调整底电平，将底电平调整系数设置为C1，直接进入步骤(4)，否则进入步骤(3b)；(3b)若K0大于K1，则进入步骤(3c)，否则进入步骤(3d)；(3c)根据K0的值查表得到底电平调整系数，并进入步骤(4)；(3d)根据K1的值查表得到底电平调整系数，并进入步骤(4)。3.根据权利要求2所述的一种基于图像特征的CMOS传感器底电平自适应调节方法，其特征在于：所述步骤(3c)和(3d)中，查找表的形式均为折线,不同...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐琦，解静，董国伟，胡永富，黄长宁，张宏伟，牟研娜，陈彦，潘铮，陈超，王震，侯作勋，
申请(专利权)人：北京空间机电研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11