一种适用于大温差工作场景的自动曝光方法技术

一种适用于大温差工作场景的自动曝光方法，通过FPGA高速控制时序实现一个纳秒级曝光成像，该幅图像的灰度均值作为背景灰度，通过该步骤实现了实时背景灰度的采集，从而避免了在环境温度变化情况下背景灰度对图像线性段的影响。同时，该方法通过设置一个线性区判定阈值，判断当前曝光时间的图像是否处于曝光的线性段，从而采取不同的曝光计算公式，计算得到目标曝光时间。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于大温差工作场景的自动曝光方法
本专利技术涉及一种适用于大温差工作场景的自动曝光方法，尤其涉及在深空探测及地球极端温度环境科学探测中大温差工作场景的自动曝光方法，属于自动曝光

技术介绍
相机作为一个直观有效的数据采集来源，在各种宇航深空探测以及地球极端环境的科学探测中具有广泛应用。为了实现及时有效的获取图像信息，相机需要具备自动曝光能力。在深空探测以及地球极端环境应用场景中，相机所处环境温度在探测任务期间内变化范围较大。由于在深空探测及地球极端温度环境科学探测中受相机尺寸及功耗等限制，无法采用热控的技术手段保证相机工作温度范围，而相机选用的成像探测器背景灰度受环境温度影响较大，对相机成像特性具有很大影响。因此，对于深空探测以及地球极端环境场景中，相机自动曝光成像时需满足大温差环境的应用。而目前已有的相机用的自动曝光算法不能适应由于温度变化导致背景灰度差异较大的情况。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种适用于大温差工作场景的自动曝光方法，解决了传统自动曝光方法不能适应大温差工作场景的问题。本专利技术的技术解决方案是：一种适用于大温差工作场景的自动曝光方法，包括如下步骤：S1，相机采用纳秒级曝光时间拍摄一幅图像，将该幅图像灰度均值作为背景灰度Gd；S2，相机按照当前曝光时间Ti0拍摄图像，计算图像灰度均值为Gm；所述当前曝光时间Ti0的初始值为设定的默认曝光时间；S3，计算Gm-Gd，若G0<Gm-Gd<G1，则目标曝光时间Tit为当前拍摄图像的曝光时间，相机按照目标曝光时间Tit进行拍照；否则，进入S4；所述G0、G1分别为设定的图像灰度均值过暗阈值和图像灰度均值过亮阈值；S4，若Ga≤Gm-Gd，更新目标曝光时间Tit为Tit＝(Gt-Gd)/(Gm-Gd)*Ti0；若Ga>Gm-Gd，更新目标曝光时间Tit为Tit＝2*Ti0；所述Ga为设定的图像线性区判定阈值；其中，Gt为图像上ROI区域的灰度均值；S5，按照更新的目标曝光时间Tit拍摄图像，更新图像灰度均值Gm，返回S3。优选地，所述G0<Gt<G1。优选地，所述的纳秒级曝光时间为5～25ns。优选地，所述的纳秒级曝光时间由FPGA控制实现。进一步地，所述的FPGA为A3PE3000L-1FG484M。优选地，所述目标曝光时间Tit为0.01ms～655.36ms。本专利技术与现有技术相比的优点在于：(1)提出了实时获得相机背景灰度的方法，消除了在环境温度变化情况下背景灰度对自动曝光计算的影响。满足深空探测以及地球极端环境等应用中环境温度变化范围大导致的图像背景灰度差异对自动曝光计算的影响。(2)通过设置曝光线性区判定阈值，将自动曝光计算分为线性区及非线性区，从而采取不同计算方法计算得到目标曝光时间，自动曝光计算更为准确，减少自动曝光计算的迭代次数，减少自动曝光所需时间。附图说明图1所示为本专利技术的自动曝光方法步骤图；图2所示为本专利技术的自动曝光方法控制流程图。具体实施方式如图1所示，本专利技术的技术解决方案是：通过FPGA高速控制时序实现一个纳秒级曝光成像，该幅图像的灰度均值作为背景灰度，通过该步骤实现了实时背景灰度的采集，从而避免了在环境温度变化情况下背景灰度对图像线性段的影响。同时，该方法通过设置一个线性区判定阈值，判断当前曝光时间的图像是否处于曝光的线性段，从而采取不同的曝光计算公式，计算得到目标曝光时间。该方法包含步骤如下：(1)通过FPGA高速控制时序实现一个纳秒级曝光成像，该幅图像的灰度均值作为相机背景灰度；(2)按照相机当前设置的曝光时间拍摄一副图像，计算该幅图像的平均灰度，该图像灰度记为当前帧平均灰度；将当前帧平均灰度减去相机背景灰度，灰度差值与预期灰度值范围进行比较，差值在预期范围内，则自动曝光成功，当前设置的曝光时间即为所需的自动曝光时间；差值在预期范围外，则需要利用线性区判定阈值，判断当前曝光时间的图像是否处于曝光的线性段，从而采取不同的曝光计算公式，计算得到目标曝光时间。下面结合附图来说明本专利技术的具体实施步骤：首先有如下定义：1)0曝光时间：采用FPGA高速控制实现的纳秒级曝光时间，由于该时间远远小于曝光时间控制当量，因此将该曝光时间记为0曝光时间；2)当前曝光时间Ti0：Ti0为FPGA内部寄存器实时更新的当前曝光寄存器，相机重新上电及复位后，Ti0为地面设定的默认曝光时间，自动曝光开始计算时，Ti0为相机最后一次正常工作时设定的曝光时间，自动曝光计算过程中，Ti0为自动曝光计算时上一幅图像计算得到的目标曝光时间Tit。3)图像目标均值Gt：为ROI区域的灰度均值；4)图像均值过亮阈值G1：自动曝光时的均值上限，应大于Gt；5)图像均值过亮阈值G0：自动曝光时的均值下限，应小于Gt；6)图像线性区判定阈值Ga；7)图像暗背景为Gd；8)目标曝光时间为Tit。如图2所示，本专利技术自动曝光方法步骤如下：1)按照0曝光时间拍摄图像一幅，该幅图像均值即为背景灰度Gd；2)按照当前曝光时间Ti0拍摄图像一幅，计算图像均值为Gm；3)计算Gm-Gd的差值，当Gm-Gd>G1时，判定图像过亮，应减小曝光时间，当Gm-Gd<G0，判定图像过暗，应增加曝光时间。4)计算Gm-Gd，与Ga的作对比，当Ga≤Gm-Gd，相机工作在线性段，则目标曝光时间计算为：Tit＝(Gt-Gd)/(Gm-Gd)*Ti0当Gm-Gd<Ga，相机工作在非线性段，则目标曝光时间计算为：Tit＝2*Ti0，5)重复步骤4)，当Gm-Gd满足G0<Gm-Gd<G1时，自动曝光成功。所述的自动曝光方法采用FPGA实现，其中，曝光控制FPGA为Flash型低功耗FPGA，其型号为Microsemi公司的A3PE3000L-1FG484M。所述的FPGA内部采用16位计数器实现自动曝光时间计数，自动曝光时间当量为0.01ms，因此所述的自动曝光时间范围为0.01ms～655.36ms。所述FPGA实现的0曝光时间为25ns，远小于相机正常成像曝光时间范围。本专利技术说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于大温差工作场景的自动曝光方法，其特征在于：包括如下步骤：S1，相机采用纳秒级曝光时间拍摄一幅图像，将该幅图像灰度均值作为背景灰度Gd；S2，相机按照当前曝光时间Ti0拍摄图像，计算图像灰度均值为Gm；所述当前曝光时间Ti0的初始值为设定的默认曝光时间；S3，计算Gm‑Gd，若G0

【技术特征摘要】
1.一种适用于大温差工作场景的自动曝光方法，其特征在于：包括如下步骤：S1，相机采用纳秒级曝光时间拍摄一幅图像，将该幅图像灰度均值作为背景灰度Gd；S2，相机按照当前曝光时间Ti0拍摄图像，计算图像灰度均值为Gm；所述当前曝光时间Ti0的初始值为设定的默认曝光时间；S3，计算Gm-Gd，若G0<Gm-Gd<G1，则目标曝光时间Tit为当前拍摄图像的曝光时间，相机按照目标曝光时间Tit进行拍照；否则，进入S4；所述G0、G1分别为设定的图像灰度均值过暗阈值和图像灰度均值过亮阈值；S4，若Ga≤Gm-Gd，更新目标曝光时间Tit为Tit＝(Gt-Gd)/(Gm-Gd)*Ti0；若Ga>Gm-Gd，更新目标曝光时间T...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹中祥，王立，梁潇，李圣龙，宋玉志，吕伟振，李全良，
申请(专利权)人：北京控制工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11