一種基于DSP的寬范圍自動曝光控制系統(tǒng)的設(shè)計

郭 麗

(江蘇金陵機械制造總廠，江蘇 南京 211100)

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一種基于DSP的寬范圍自動曝光控制系統(tǒng)的設(shè)計

郭 麗

(江蘇金陵機械制造總廠，江蘇 南京 211100)

為能拍攝出清晰的地面目標(biāo)圖像，航空相機需要自動曝光系統(tǒng)。提出了一種光圈和快門曝光時間均可調(diào)整的寬范圍自動曝光控制原理，給出了基于DSP的自動曝光控制系統(tǒng)的硬件原理電路和軟件設(shè)計。經(jīng)測試和使用證明，系統(tǒng)適應(yīng)曝光范圍大，測量精確，工作穩(wěn)定可靠。

航空相機;自動曝光系統(tǒng);DSP;快門曝光時間;光圈

航空相機自動曝光系統(tǒng)的功能是根據(jù)景物的亮度變化自動控制光圈大小和快門曝光時間，使感光材料上的光學(xué)密度最好地復(fù)現(xiàn)被攝影景物的細節(jié)，獲得優(yōu)質(zhì)的照片[1,2]。一般采用固定光圈(或快門曝光時間)值，快門曝光時間(或光圈)參數(shù)隨外界景物的變化而改變的自動曝光模式[3,4]。由于曝光范圍的大小是由光圈和快門曝光時間共同決定的，所以只變化一種參數(shù)(光圈或快門曝光時間)值的自動模式，其曝光控制范圍窄，不能滿足地面景物亮度變化時航空攝影的需要[5]。因此，本文提出了一種光圈和快門曝光時間都可以變化的寬范圍控制方式，同時采用了目前控制領(lǐng)域最高性能的DSP處理器，曝光范圍大，工作穩(wěn)定可靠，能夠滿足部隊偵察測量的要求。

1 設(shè)計原理

首先建立曝光量參數(shù)方程。要得到一張優(yōu)質(zhì)的照片，一定要使照相機控制的像面平均曝光量HF等于感光材料要求的合適曝光量HF，即：

HF=Hg

(1)

像面的曝光量HF可以寫成：

(2)

其中：

式中：

HF—— 像面的曝光量，lx·s；

E—— 像面照度，lx；

t—— 快門有效曝光時間，s；

Eβ—— 視場角為β的像面照度；

τ—— 物鏡透過率；

c—— 雜光系數(shù)；

B—— 景物的綜合亮度，cd/m2；

Kv—— 漸暈系數(shù)；

β—— 視場角，°；

D/f′ —— 物鏡的相對孔徑，相對孔徑的倒數(shù)即光圈孔徑F。

膠片的合適曝光量可以用下式來表示：

(3)

式中：

Hg——膠片的合適曝光量，lx·s；

S——以ISO表示的感光度；

P——膠片合適曝光系數(shù)，黑白膠片通常為8。

將式(2)、式(3)代入式(1)并整理可得：

(4)

式(4)即為曝光參數(shù)方程。由于加上濾光鏡，相當(dāng)于降低了景物的平均亮度，在上式中加入濾色鏡倍率Kt得：

(5)

將各已知參數(shù)帶入公式(5)即得：

(6)

根據(jù)公式(6)，建立不同綜合亮度下，光圈和快門曝光時間的對照表，如表1所示。

為適應(yīng)寬曝光范圍，自動曝光系統(tǒng)采用快門曝光時間和光圈大小都可以進行調(diào)節(jié)的控制方式?？扉T曝光時間調(diào)節(jié)范圍為1/100s～1/800s，光圈孔徑F值調(diào)節(jié)范圍為5.6～32，但它們不同時進行調(diào)節(jié)，快門調(diào)節(jié)優(yōu)先，調(diào)節(jié)根據(jù)表1進行。例如：如果當(dāng)前快門曝光時間為1/400s，光圈孔徑F值為10，當(dāng)綜合亮度為7800cd/m2，查表快門曝光時間為1/400s，光圈孔徑F值為14(13.82取近似值)，在快門曝光時間不改變的情況下，調(diào)整光圈孔徑即可得到合適的曝光量。

表1 不同綜合亮度下，光圈和快門曝光時間的對照表

自動曝光控制系統(tǒng)由DSP處理器、測量景物亮度的測光電路、光圈調(diào)整位置反饋電路、由電機驅(qū)動的光圈調(diào)整機構(gòu)和快門曝光時間調(diào)節(jié)機構(gòu)組成。原理圖如圖1所示。

圖1 自動曝光系統(tǒng)控制原理框圖

系統(tǒng)工作原理：測光電路使用光到數(shù)字傳感器直接將采集到的光信號以數(shù)字信號輸出，并通過I2C接口按照I2C通訊協(xié)議將數(shù)字信號傳輸給DSP，DSP根據(jù)計算公式計算出當(dāng)前的光線值，并參照自動曝光表1選取合適的光圈孔徑F值和快門曝光時間值，然后通過光圈調(diào)整機構(gòu)和快門曝光時間調(diào)整機構(gòu)來實現(xiàn)自動曝光。

2 硬件設(shè)計

處理器選取TMS320F2806DSP作為整個系統(tǒng)的控制中樞，與以往同類產(chǎn)品設(shè)計中采用的單片機相比，在執(zhí)行速度上和PWM輸出精度上有了很大的提高[6]。

測光元件采用美國Intersil公司的光到數(shù)字傳感器ISL29013，數(shù)字輸出精度高，為了獲得精確的光線值，裝有ISL29013傳感器的測光電路板安裝在鏡頭內(nèi)部，并且與鏡頭保持相同的視場角，以確保通過鏡頭的光線與通過ISL29013傳感器的光線一致。

快門電機調(diào)速采用了雙閉環(huán)反饋調(diào)速電路，包括硬件電壓反饋和軟件轉(zhuǎn)速反饋，通過修正PWM值，使電機在給定的狀態(tài)下能夠保持穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，確保快門曝光時間要求。當(dāng)快門曝光時間變化時，通過輸入端子改變PWM輸入來調(diào)整輸出電壓，進而改變電機的轉(zhuǎn)速，調(diào)整快門速度。

光圈電機采用東芝公司TA8429芯片來控制，通過軟件控制光圈電機正反轉(zhuǎn)和停機。

光圈孔徑位置反饋電路采用WD15-5kΩ角位移傳感器。經(jīng)過安裝測試，角位移傳感器輸出電壓與光圈孔徑F值的關(guān)系見表2。

表2 角位移傳感器輸出電壓與光圈孔徑F值的關(guān)系

3 軟件設(shè)計

程序設(shè)計包括自檢子程序、初始化程序、中斷服務(wù)程序、快門電機控制子程序、光圈電機控制子程序、測景物亮度子程序等程序。

系統(tǒng)接通電源后，自檢子程序測試系統(tǒng)各部分工作是否正常。

初始化程序控制快門和光圈處于零位(快門曝光時間中間值1/400s和光圈孔徑F值中間值11這兩個位置分別作為快門和光圈的起始零位)。

捕捉中斷服務(wù)程序用于捕捉快門電機光柵編碼盤的每一個齒，10ms定時中斷服務(wù)程序主要用于獲取10ms時間內(nèi)快門電機捕捉的光柵編碼盤的齒數(shù)，I2C中斷服務(wù)程序主要用來實現(xiàn)與ISL29013的I2C通訊，讀取當(dāng)前ISL29013測得的光線值。

測亮度子程序主要用來將接收到的ISL29013的測量值根據(jù)計算公式轉(zhuǎn)化成實測光線值，查曝光表1，判斷快門曝光時間零位值不變的情況下是否可通過調(diào)整光圈孔徑值達到合適曝光量，若可以，則記下光圈需要調(diào)整到的孔徑值，若不可以，則根據(jù)光線強弱，相應(yīng)的將快門曝光時間加快/減慢1檔(快門速度1/100s～1/800s分為8檔，1/100s、1/200s、1/300s、1/400s、1/500s、1/600s、1/700s、1/800s)，再查曝光表1，直到光圈孔徑值滿足要求。

快門電機控制子程序主要是在快門曝光時間發(fā)生變化時，根據(jù)曝光時間確定光柵編碼盤在10ms內(nèi)應(yīng)輸出的齒數(shù)，通過與定時捕捉的齒數(shù)比較，控制發(fā)生的PWM脈寬寬度來控制電機轉(zhuǎn)速。

光圈控制子程序一方面通過角位移傳感器讀取當(dāng)前光圈所在的位置值，另一方面，根據(jù)測亮度子程序求得的光圈孔徑值轉(zhuǎn)換成需要的位置值，判斷這兩個值的大小來確定光圈電機是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，循環(huán)調(diào)整，直到兩者相等停光圈電機。

系統(tǒng)程序流程圖如圖2所示。

圖2 程序流程圖

4 曝光測試分析

通過外景拍攝測試以驗證設(shè)計的自動曝光控制系統(tǒng)是否合適。外景拍攝測試分地面和機載條件下的測試。在地面選取景物亮度大(晴天)和景物亮度小(陰天)的氣象條件，目的是使曝光分別在光圈變化或快門變化兩個區(qū)間內(nèi)完成。在高處對遠處目標(biāo)進行拍攝，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)沖洗條件，對相機底片進行分析；航空相機裝機后，在2000m-8000m不同高度進行機載條件下的飛行測試，對所拍攝的景物底片進行曝光準(zhǔn)確性分析。經(jīng)對各種條件下拍攝的底片鑒定結(jié)論為曝光準(zhǔn)確，影像清晰，滿足分辨率要求。圖3為8000m高度拍攝的一張影像圖片。

圖3 程序流程圖

5 結(jié)論

文中設(shè)計的基于DSP的航空相機寬范圍自動曝光控制系統(tǒng)能夠滿足光線從800cd/m2-10300cd/m2的寬范圍內(nèi)的照相要求，即晴天和陰天環(huán)境下的照相要求，解決了地面景物亮度變化大時的準(zhǔn)確曝光問題，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，滿足部隊需求。

[1] 徐之海,李奇. 現(xiàn)代成像系統(tǒng)[M]. 北京：國防工業(yè)出版社,2001.

[2] 向世明. 現(xiàn)代光電子成像技術(shù)概述[M]. 北京：北京理工大學(xué)出版社,2013.

[3] 許兆林,趙育良,蘇媛媛.一種寬范圍自動曝光控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].電光與控制,2008,(2).

[4] 戈志偉,姚素英,徐江濤,等. 一種應(yīng)用于CMOS圖像傳感器的快速自動曝光控制方法[J].天津大學(xué)學(xué)報,2010,(10).

[5] 許兆林,賈曉笑,趙育良,等.長焦距航空相機系統(tǒng)[M].北京：海潮出版社,2005.

[6] 蘇奎峰,呂強,常天慶,等.TMS320X281XDSP原理及C程序開發(fā)(第2版)[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2011.

[編校：張芙蓉]

Design of an Auto-exposure Control System Based on DSP for Wide Exposure Range

GUO Li

JinlingMachineFactoryofJiangsuProvince，NanjingJiangsu211100)

For capturing high-resolution images of the ground target, automatic exposure control system is required for aerial cameras. A wide-range auto-exposure control principle is presented for controlling the diaphragm and shutter speed. The hardware electric circuits and the software design of the auto-exposure control system based on DSP are described. Tests and applications prove that the system has wide exposure range, accurate control, high reliability and works steadily.

aerial camera; auto-exposure control; DSP; shutter speed; diaphragm

2015-07-15

郭麗(1980- )，女，江蘇鎮(zhèn)江人，工程師，工學(xué)碩士，研究方向為航空相機研制。

TB

A

1671-96541(2015)03-060-04