基于彈載相機(jī)的快速自動(dòng)曝光算法設(shè)計(jì)

田宗浩，劉 楨，張曉龍

(陸軍炮兵防空兵學(xué)院，合肥 230031)

0 引言

圖像制導(dǎo)彈[1]是目前國(guó)內(nèi)制導(dǎo)類彈藥的一個(gè)重要類別，通過接受目標(biāo)反射或輻射的可見光信息形成圖像，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)檢測(cè)、定位和跟蹤。彈載相機(jī)成像初期目標(biāo)像素點(diǎn)較少、場(chǎng)景動(dòng)態(tài)范圍大，光照變化情況較復(fù)雜，在高速飛行時(shí)伴有劇烈抖動(dòng)，在復(fù)雜的地理環(huán)境和惡劣的光照條件下，目標(biāo)成像容易出現(xiàn)過曝、欠曝等現(xiàn)象，損失大量的圖像信息；另外，彈載相機(jī)空中完全自主控制，并高速運(yùn)動(dòng)，成像場(chǎng)景稍縱即逝，空間成像任務(wù)不可逆轉(zhuǎn)，快速、準(zhǔn)確的調(diào)整相機(jī)的曝光參數(shù)對(duì)于成像效果極其重要。

結(jié)合彈載相機(jī)的成像環(huán)境和任務(wù)特點(diǎn)，為后端目標(biāo)識(shí)別、跟蹤提供高質(zhì)量、豐富的圖像信息，需要對(duì)彈載相機(jī)進(jìn)行快速的自動(dòng)曝光控制，更好捕獲目標(biāo)的紋理特征。

1 系統(tǒng)研究關(guān)鍵技術(shù)概述

圖像采集是將物體反射的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)[2]，光信號(hào)的強(qiáng)弱對(duì)成像的質(zhì)量至關(guān)重要。戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，作戰(zhàn)任務(wù)多樣，彈載相機(jī)經(jīng)常在順光或者逆光的情景下工作，亮度動(dòng)態(tài)范圍大，只有對(duì)彈載相機(jī)進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的曝光控制，才能得到高質(zhì)量的彈載圖像。

1.1 自動(dòng)曝光算法分析

自動(dòng)曝光算法的核心問題在于當(dāng)前圖像亮度與理想亮度的關(guān)系，并通過負(fù)反饋方式不斷調(diào)節(jié)曝光參數(shù)。目前，自動(dòng)曝光算法研究主要集中在平均亮度法[3-5]、分區(qū)權(quán)重均值法[6-8]、亮度直方圖法[9-10]、圖像信息熵算法[11-14]以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法[15]等，關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)在于亮度指標(biāo)的確定和曝光參數(shù)的控制方式。

平均亮度法以圖像的全局平均亮度和“中灰”進(jìn)行曝光控制，在目標(biāo)和背景對(duì)比度較低時(shí)效果良好，而逆光和正面強(qiáng)光時(shí)效果一般。分區(qū)權(quán)重均值法是將圖像劃分為若干區(qū)域，按照各區(qū)域?qū)ζ骄炼鹊闹匾潭荣x予權(quán)重參數(shù)，文獻(xiàn)[8]提出基于目標(biāo)主體搜索分區(qū)方法，保證目標(biāo)區(qū)域曝光正常，但目標(biāo)搜索過程復(fù)雜，當(dāng)目標(biāo)不唯一或者沒有目標(biāo)時(shí)，曝光控制結(jié)果往往差強(qiáng)人意。文獻(xiàn)[12]利用圖像熵的性質(zhì)搜索圖像的感興趣區(qū)域，并依據(jù)熵值大小劃分區(qū)域、設(shè)定權(quán)重，但是熵本身靈敏度不高，且容易出現(xiàn)曝光震蕩現(xiàn)象。文獻(xiàn)[14]需要統(tǒng)計(jì)大量圖像亮度與曝光參數(shù)的數(shù)據(jù)樣本，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)圖像亮度與曝光參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

自動(dòng)曝光算法的另一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容是曝光參數(shù)控制，合適的調(diào)整方式能快速、準(zhǔn)確計(jì)算出曝光參數(shù)，解決曝光調(diào)整緩慢和曝光震蕩等問題。目前，自動(dòng)曝光參數(shù)控制過程可以總結(jié)為直接設(shè)置法和迭代逼近法[16]兩種方式。其中，直接設(shè)置法需通過大量的實(shí)驗(yàn)確定圖像亮度信息和曝光參數(shù)之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，建立曝光參數(shù)和圖像亮度之間的函數(shù)關(guān)系或者查找表，通過當(dāng)前圖像的亮度值，確定唯一的曝光參數(shù)。該方法需要大量的統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)，算法執(zhí)行速度快，但是圖像亮度和曝光時(shí)間、增益之間的復(fù)合關(guān)系復(fù)雜，統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)耗時(shí)耗力，并且函數(shù)關(guān)系與圖像傳感器有關(guān)，算法泛化性低。迭代逼近法依據(jù)圖像亮度與理想亮度指標(biāo)之間的差值不斷調(diào)整曝光參數(shù)，其實(shí)質(zhì)為一個(gè)負(fù)反饋控制過程，通過設(shè)定步長(zhǎng)ΔT修正曝光參數(shù)，不斷逼近圖像的理想亮度，步長(zhǎng)過小，曝光調(diào)節(jié)緩慢，步長(zhǎng)過大，在后期曝光調(diào)整中容易出現(xiàn)曝光震蕩，影響視覺效果，例如固定步長(zhǎng)法、動(dòng)態(tài)步長(zhǎng)法[8]、二分法[15]等，如圖1所示。

圖1 迭代逼近法求曝光時(shí)間

1.2 彈載相機(jī)自動(dòng)曝光算法需求分析

圖像制導(dǎo)彈的命中精度和彈載相機(jī)的成像質(zhì)量密不可分，當(dāng)外界環(huán)境亮度的動(dòng)態(tài)范圍遠(yuǎn)大于彈載相機(jī)成像亮度的動(dòng)態(tài)范圍，拍照過程中容易產(chǎn)生過曝或欠曝現(xiàn)象，導(dǎo)致圖像信息丟失。其中，曝光過度對(duì)成像質(zhì)量造成的影響是不可逆轉(zhuǎn)的，很難通過后期算法處理對(duì)過曝像素進(jìn)行恢復(fù)，而曝光不足帶來的信息丟失可以通過后期圖像增強(qiáng)算法進(jìn)行部分恢復(fù)。為此，針對(duì)彈載相機(jī)復(fù)雜的工作環(huán)境以及空間拍攝任務(wù)不可逆特點(diǎn)，采集到圖像要盡量避免過曝，或?qū)⑦^曝比例限制在一個(gè)合理的范圍區(qū)間，減少過曝導(dǎo)致的圖像信息永久性缺失。

圖像制導(dǎo)彈藥體積小、過載大，為此彈載相機(jī)采用定焦、定光圈鏡頭，影響圖像亮度的參數(shù)主要為曝光時(shí)間和增益，圖2和圖3分別為不同曝光時(shí)間和增益時(shí)相機(jī)的成像情況。

圖2 不同曝光時(shí)間圖像對(duì)比

圖2為同一場(chǎng)景、不同曝光時(shí)間的圖像，從圖中看出，降低曝光時(shí)間會(huì)使圖像的亮度整體下降如綠色方框所示，部分過曝像素淹沒的細(xì)節(jié)特征被重現(xiàn)如紅色方框所示。

圖3為最大曝光時(shí)間仍不能達(dá)到理想亮度情況下，設(shè)定不同增益的圖像，從中可以看出，增益增大的同時(shí)，圖像亮度整體增加，同時(shí)圖像中的噪聲信號(hào)也被放大。

圖3 不同增益圖像對(duì)比

通過對(duì)圖2和圖3的分析，為使圖像獲得理想亮度，需要協(xié)調(diào)控制相機(jī)的曝光時(shí)間與增益。傳統(tǒng)的自動(dòng)曝光算法很難適應(yīng)彈載相機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)景。為此，通過分析圖像亮度均值與曝光時(shí)間和增益的對(duì)應(yīng)關(guān)系，優(yōu)化固定分區(qū)自動(dòng)曝光算法，并依據(jù)彈載相機(jī)工作光照條件，細(xì)化過曝狀態(tài)調(diào)參過程，合理控制曝光時(shí)間和增益調(diào)整步長(zhǎng)，使彈載相機(jī)快速獲得最佳的曝光成像效果。

2 彈載相機(jī)自動(dòng)曝光算法設(shè)計(jì)

與傳統(tǒng)自動(dòng)曝光控制算法類似，彈載相機(jī)自動(dòng)曝光算法也由亮度統(tǒng)計(jì)模塊和曝光控制模塊構(gòu)成，通過調(diào)參達(dá)到理想亮度，如圖4所示。亮度統(tǒng)計(jì)模塊用來統(tǒng)計(jì)當(dāng)前圖像的亮度信息，與預(yù)設(shè)的參考亮度信息Yref進(jìn)行比較，按照一定的曝光參數(shù)調(diào)整規(guī)則計(jì)算出下一幀圖像的曝光時(shí)間和增益值。

圖4 彈載相機(jī)自動(dòng)曝光控制系統(tǒng)

2.1 優(yōu)化加權(quán)固定分區(qū)的亮度統(tǒng)計(jì)模塊設(shè)計(jì)

圖像亮度是曝光控制的重要參數(shù)，受彈丸高速運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)影響，目標(biāo)在視場(chǎng)中的位置、尺度以及光照劇烈變化，在計(jì)算圖像整體亮度時(shí)應(yīng)充分考慮像素的位置影響因素，使圖像亮度均值更具針對(duì)性，提高自動(dòng)曝光算法在特殊光照下的適應(yīng)性。

將整幅圖像劃分為M×N塊，M和N代表對(duì)成像場(chǎng)景的細(xì)分程度。通過分析每塊區(qū)域的亮度均值，確定當(dāng)前圖像的曝光狀態(tài)，有效降低離散亮度或暗點(diǎn)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，特別是離散噪點(diǎn)的波動(dòng)影響，突出區(qū)域集中的亮度值，提高計(jì)算結(jié)果的平穩(wěn)度，如圖5所示。

圖5 圖像固定分區(qū)示意圖

圖像分塊處理后，對(duì)每塊區(qū)域賦予不同的權(quán)重，將圖像亮度信息與像素位置進(jìn)行關(guān)聯(lián)。對(duì)于圖像制導(dǎo)彈而言，目標(biāo)在視場(chǎng)中心出現(xiàn)的概率遠(yuǎn)大于邊緣，結(jié)合人眼視覺感知機(jī)制以及高斯分布在自然科學(xué)與行為科學(xué)中處理量化隨機(jī)問題的優(yōu)勢(shì)，用二維高斯函數(shù)作為分區(qū)后圖像各個(gè)子塊的權(quán)重，根據(jù)各個(gè)子塊的亮度均值Yi,j及相應(yīng)權(quán)重計(jì)算圖像整體亮度均值Ycurr。

(1)

(2)

式中:(i,j)代表分區(qū)后子塊的位置;(μ1,μ2)為中心子塊位置;σ為高斯分布標(biāo)準(zhǔn)差。

基于上述固定分區(qū)圖像亮度統(tǒng)計(jì)模塊設(shè)計(jì)，得到圖像各子塊亮度值，并通過分析獲得后續(xù)曝光控制需要的亮度均值、最大亮度值以及圖像過曝/欠曝比例，其算法流程如圖6所示。

圖6 固定分區(qū)的亮度統(tǒng)計(jì)模塊算法流程圖

2.2 曝光參數(shù)控制模塊設(shè)計(jì)

結(jié)合圖像傳感器本身的電氣特性，彈載相機(jī)在不同曝光狀態(tài)下各曝光參數(shù)與圖像亮度存在的關(guān)系，將圖像亮度統(tǒng)計(jì)模塊傳入?yún)?shù)按照一定的控制準(zhǔn)則調(diào)整曝光參數(shù)。

2.2.1 曝光參數(shù)與亮度均值之間的關(guān)系

曝光時(shí)間和增益是影響彈載相機(jī)圖像亮度的主要參數(shù)，不過曝情況下，圖像亮度和曝光時(shí)間存在線性關(guān)系[10-13]，如式(3)所示。

(3)

式中:Ycurr和Tcurr為當(dāng)前圖像亮度和曝光時(shí)間;Ytarg和Ttarg為目標(biāo)圖像亮度和曝光時(shí)間。

當(dāng)最大曝光時(shí)間仍不能滿足圖像理想亮度的要求時(shí)，改變?cè)鲆鏁?huì)整體提升圖像的亮度。在圖像領(lǐng)域，增益λ用來表示兩個(gè)亮度之間相對(duì)大小的關(guān)系，其在圖像領(lǐng)域的表達(dá)式可以簡(jiǎn)化為:

(4)

式中，Y1和Y2為前后兩幀圖像亮度值。

根據(jù)增益信號(hào)放大器的工作機(jī)理及所選用的圖像傳感器數(shù)據(jù)，增益和寄存器數(shù)值之間存在圖7所示的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖7 寄存器值和相機(jī)增益之間對(duì)應(yīng)關(guān)系圖

圖7可以分析出，寄存器的值和增益之間存在線性關(guān)系，如式(5)所示。

λ=0.3×x

(5)

式中x為寄存器的值。利用式(4)和式(5)可以確定改變寄存器值后圖像達(dá)到的理論亮度值為：

(6)

式中:x1和x2為前后兩幀圖像的寄存器值;Y1和Y2為前后兩幀圖像的亮度值。

由此，依據(jù)當(dāng)前相機(jī)的增益參數(shù)AGCcurr和圖像亮度Ycurr，利用式(4)～式(6)推導(dǎo)出達(dá)到理想亮度Ytarg時(shí)相機(jī)增益的設(shè)置值A(chǔ)GCtarg：

(7)

2.2.2 過曝狀態(tài)統(tǒng)計(jì)分析

依據(jù)過曝像素比例ξ將過曝狀態(tài)分為5個(gè)等級(jí)，即輕微過曝、一般過曝、強(qiáng)過曝、較強(qiáng)過曝和嚴(yán)重過曝,如圖8所示，根據(jù)過曝狀態(tài)決定曝光參數(shù)調(diào)整的步長(zhǎng)。

圖8 過曝等級(jí)劃分

當(dāng)ξ<0.05時(shí)，為輕微過曝狀態(tài)，即整幅圖像可允許的過曝上限；當(dāng)ξ≥0.05時(shí)，圖像過曝，此時(shí)圖像亮度值與曝光參數(shù)之間關(guān)系不確定，不能定量調(diào)整曝光參數(shù)至圖像不過曝狀態(tài)。為此，利用燈箱對(duì)各過曝狀態(tài)與曝光參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，先將圖像亮度調(diào)整至所允許的過曝狀態(tài)，再利用曝光參數(shù)與圖像亮度之間的定量關(guān)系進(jìn)行準(zhǔn)確調(diào)節(jié)，確定曝光參數(shù)調(diào)整趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)曝光參數(shù)的精細(xì)化控制。

表1 過曝比例與增益變化率調(diào)整表

圖9 不同過曝狀態(tài)增益調(diào)整變化量

當(dāng)AGC=0時(shí)，通過調(diào)整曝光時(shí)間控制圖像亮度，統(tǒng)計(jì)分析了同一個(gè)過曝狀態(tài)下，不同像素過曝比例ξ與曝光時(shí)間調(diào)整系數(shù)ηT的關(guān)系如表2所示。

表2 過曝比例與曝光時(shí)間調(diào)整系數(shù)表

利用表2擬合得到ηT與ξ之間關(guān)系，如式(8)和圖10所示。

ηT=-0.588×ξ+0.97

(8)

圖10 過曝比例與曝光時(shí)間調(diào)整圖

由此根據(jù)當(dāng)前圖像過曝像素的比例ξ決定下一幀圖像的曝光時(shí)間T為：

T=ηT×Tcurr

(9)

另外，不同光照條件下，圖像過曝成像特點(diǎn)不同，利用光源模擬了順光、逆光條件下相機(jī)的成像情況。通過統(tǒng)計(jì)分析多張圖像的直方圖信息可以發(fā)現(xiàn)，順光條件下，圖像過曝會(huì)導(dǎo)致圖像亮度整體偏亮，如圖11所示；逆光條件下，圖像明暗差異較大，在直方圖統(tǒng)計(jì)中出現(xiàn)亮暗兩個(gè)峰值區(qū)域，如圖12所示。

圖11 順光條件下亮度直方圖

圖12 逆光條件下亮度直方圖

通過對(duì)順光、逆光曝光過度圖像的直方圖信息統(tǒng)計(jì)分析得出，降低曝光參數(shù)會(huì)使圖像整體變暗，因曝光過度而淹沒的圖像信息被重現(xiàn)。但在逆光條件下，圖像亮暗區(qū)域兩極分化，降低曝光參數(shù)會(huì)使亮區(qū)域變暗，暗區(qū)域更暗，過多降低曝光并不能實(shí)現(xiàn)圖像包含信息最大化。

結(jié)合順光和逆光條件下圖像亮度直方圖的特點(diǎn)，充分分析圖像各子塊亮度均值分布情況：

1)順光條件下，圖像的整體亮度均值偏大，即：

Ycurr>Ytarg

(10)

2)逆光條件下，由于亮暗區(qū)域兩級(jí)分化，圖像亮度均值附近δ鄰域內(nèi)的像素比例很低，出現(xiàn)波谷，即：

F″(U(Yavg,δ))=0

(11)

其中，F(xiàn)″(x)為亮度直方圖擬合函數(shù)二階導(dǎo)數(shù),U(Yavg,δ)為圖像亮度均值Yavg的δ領(lǐng)域。為此，順光條件下，用圖像的整體亮度均值評(píng)估圖像曝光；而逆光條件下，由于亮暗兩級(jí)分化，為防止曝光參數(shù)調(diào)整損失更多的暗區(qū)域紋理細(xì)節(jié)，以暗區(qū)域亮度均值為標(biāo)準(zhǔn)，將暗區(qū)域曝光調(diào)整至合適范圍。

2.2.3 曝光參數(shù)控制準(zhǔn)則

圖像亮度與曝光時(shí)間、增益之間的關(guān)系明確后，需結(jié)合彈載相機(jī)的工作環(huán)境特點(diǎn)進(jìn)行曝光控制算法設(shè)計(jì)，即控制算法要快速、準(zhǔn)確定位到理想圖像亮度，減少曝光震蕩現(xiàn)象。

結(jié)合彈載相機(jī)成像的特殊要求，曝光控制算法采用“先曝光時(shí)間、后增益調(diào)整”的控制策略。即在最大曝光時(shí)間內(nèi)能達(dá)到圖像理想亮度的情況下，優(yōu)先調(diào)整曝光時(shí)間；當(dāng)最大曝光時(shí)間仍不能達(dá)到圖像理想亮度的情況下，調(diào)整增益值提升圖像亮度。

為此，依據(jù)對(duì)當(dāng)前相機(jī)曝光狀態(tài)的分析，將曝光參數(shù)調(diào)整分為過曝調(diào)整和未過曝調(diào)整，利用當(dāng)前圖像的亮度信息和理想亮度值進(jìn)行比較，進(jìn)行曝光時(shí)間和增益控制，其整個(gè)曝光參數(shù)調(diào)整的算法流程如圖13所示。

圖13 曝光參數(shù)調(diào)整算法流程圖

圖13給出了曝光參數(shù)控制的基本流程，圖像過曝比例確定當(dāng)前相機(jī)的成像效果，當(dāng)ξ>0.05時(shí)，判定當(dāng)前成像處于過曝狀態(tài)，相反則處于未過曝狀態(tài)。

過曝狀態(tài)下，依據(jù)各子塊亮度均值的分布情況確定當(dāng)前光照條件，利用當(dāng)前圖像的過曝比例對(duì)曝光參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使下一幀圖像快速調(diào)整至未過曝狀態(tài)，減少曝光參數(shù)一次性調(diào)整過度造成圖像亮度急劇下降現(xiàn)象。

通過對(duì)過曝情況統(tǒng)計(jì)分析，當(dāng)曝光時(shí)間未達(dá)到曝光時(shí)間最大值時(shí)，即Tcurr≤Tmax，利用當(dāng)前圖像亮度均值以及其δ鄰域內(nèi)像素比例確定當(dāng)前的光照條件：

當(dāng)Ycurr>Ytarg時(shí)，順光，圖像整體過亮，利用式(8)和式(9)確定下一幀圖像的曝光時(shí)間。

當(dāng)U(Yavg,δ)<0.1時(shí)，逆光，圖像亮暗區(qū)域兩極分化，利用暗區(qū)域的亮度均值Ycurr_black與整幅圖像的亮度均值Ycurr確定曝光時(shí)間T：

(12)

同理，當(dāng)增益值A(chǔ)GCcurr>0時(shí)，判斷當(dāng)前圖像的光照條件：

當(dāng)Ycurr>Ytarg時(shí)，順光，圖像整體過亮，依據(jù)當(dāng)前圖像過曝比例確定過曝狀態(tài)，并以此確定增益調(diào)整步長(zhǎng)：

(13)

當(dāng)U(Yavg,δ)<0.1時(shí)，逆光，圖像亮暗區(qū)域兩極分化，利用暗區(qū)域的亮度均值Ycurr_black與整幅圖像的亮度均值Ycurr確定增益值A(chǔ)GC。

(14)

圖像處于未過曝狀態(tài)時(shí)，圖像包含的亮度信息都是有效的，為增加曝光參數(shù)的適應(yīng)范圍，減少曝光震蕩現(xiàn)象，該算法設(shè)定多個(gè)亮度閾值控制曝光參數(shù)，并將圖像分為過暗、過亮以及正常3種狀態(tài)，有針對(duì)性調(diào)整相機(jī)的曝光參數(shù)，使圖像達(dá)到理想亮度范圍。

以理想亮度Ytarg為中心，設(shè)定δ鄰域，當(dāng)YcurrYtarg+δ時(shí)，圖像過亮，需減小曝光時(shí)間和增益；當(dāng)Ycurr在Ytarg的δ鄰域內(nèi)，則需要依據(jù)當(dāng)前圖像的亮度最大值調(diào)整曝光參數(shù)。另外，曝光參數(shù)調(diào)整過程中，為防止亮度最大值過曝，設(shè)定理想亮度最大值Ymax以及其上限Ymax_H，使得圖像曝光參數(shù)調(diào)整過程中圖像亮度始終保持不過曝。

當(dāng)Ycurr

(15)

利用當(dāng)前圖像的亮度均值Ycurr和最大亮度值Ycurr_max計(jì)算出對(duì)應(yīng)的增益調(diào)整參數(shù)AGCtarg和AGCmax，將其中的最小值作為最終的增益調(diào)整參數(shù)，防止增益調(diào)整過大導(dǎo)致圖像過曝。

若Tcurr≤Tmax，優(yōu)先調(diào)整曝光時(shí)間增加圖像亮度，并且控制曝光時(shí)間為亮度均值和亮度最大值求得曝光時(shí)間的最小值，控制整體曝光不過曝，其調(diào)整過程滿足式(16)：

(16)

當(dāng)曝光時(shí)間達(dá)到Tmax后仍不能滿足圖像亮度要求情況下，適當(dāng)增加增益值提高圖像亮度，依據(jù)式(3)求得曝光時(shí)間為Tmax時(shí)的圖像亮度均值Ycalc_avg和最大值Ycalc_max，在此基礎(chǔ)上，可以利用式(15)求得增益調(diào)整值。

當(dāng)Ycurr>Ytarg-δ時(shí)，圖像過亮，同理按照?qǐng)D像過暗的曝光參數(shù)調(diào)節(jié)過程對(duì)其曝光時(shí)間和增益進(jìn)行調(diào)節(jié)，具體過程見圖13，這里不再贅述。

當(dāng)Ycurr∈[Ytarg-δ,Ytarg+δ]時(shí)，利用當(dāng)前圖像的亮度最大值Ycurr_max與理想亮度最大值Ymax_H調(diào)整曝光參數(shù)。若Ycurr_max≤Ymax_H，不需要調(diào)整當(dāng)前的曝光參數(shù)；若Ymax_H≤Ycurr_max≤Ymax，由于當(dāng)前圖像并未過曝，則需要按照曝光時(shí)間或者增益模式下的調(diào)節(jié)方式對(duì)當(dāng)前的曝光參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，調(diào)節(jié)過程見圖13。

3 彈載相機(jī)自動(dòng)曝光控制效果評(píng)估

為驗(yàn)證該系統(tǒng)自動(dòng)曝光算法的效果，在不同光照環(huán)境進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)，并且利用無人機(jī)搭載相機(jī)模擬彈丸空中飛行進(jìn)行動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，以此評(píng)估曝光參數(shù)是否調(diào)整到適當(dāng)范圍。

3.1 靜態(tài)測(cè)試

為驗(yàn)證本算法對(duì)于不同光照環(huán)境的適應(yīng)性，利用簡(jiǎn)易燈箱和光源模擬外界光照環(huán)境，如圖14所示。調(diào)整光源亮度至不同亮度等級(jí)，仿真外界強(qiáng)光、弱光以及正常光照等成像條件，統(tǒng)計(jì)不同亮度下的圖像亮度均值，其結(jié)果如圖15所示。

圖14 靜態(tài)測(cè)試場(chǎng)景

圖15 不同光照亮度均值變化結(jié)果

圖15為光源從暗到亮調(diào)整過程中圖像亮度均值的變化情況，從中可以分析出，在自動(dòng)曝光算法調(diào)控下，圖像的亮度均值始終在理想亮度的上下限范圍內(nèi)，驗(yàn)證了該算法對(duì)不同光照環(huán)境的適應(yīng)性。

為驗(yàn)證算法對(duì)不同光照環(huán)境變化的響應(yīng)速度，模擬最惡劣的光照情況，即相機(jī)從最暗(或最亮)光照調(diào)整到不同亮度情況下需要調(diào)整的幀數(shù)，以此衡量算法的相應(yīng)速度。為此，將光源亮度劃分為10個(gè)等級(jí)，從1到10亮度依次增大，統(tǒng)計(jì)相機(jī)調(diào)整到理想亮度需要調(diào)節(jié)的幀數(shù)，其結(jié)果如表3所示。

表3 相機(jī)自動(dòng)曝光控制響應(yīng)速度表

表3可以看出，極端情況下相機(jī)曝光參數(shù)調(diào)整范圍在2至5幀時(shí)間內(nèi)，滿足彈載相機(jī)自動(dòng)曝光算法對(duì)不同光照環(huán)境適應(yīng)性和實(shí)時(shí)性要求。

3.2 無人機(jī)掛載測(cè)試

為進(jìn)一步驗(yàn)證自動(dòng)曝光算法在真實(shí)環(huán)境下的適應(yīng)性，利用無人機(jī)搭載相機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，利用文獻(xiàn)[6]和文中算法對(duì)相機(jī)在復(fù)雜光照條件下進(jìn)行自動(dòng)曝光控制，結(jié)果如圖16。

圖16 不同光照條件下兩種算法曝光控制效果對(duì)比圖

可以看出，文中提出的基于高斯權(quán)重的固定分區(qū)亮度統(tǒng)計(jì)可以保證圖像中心區(qū)域亮度最大，并且圖像整體亮度均值處于理想范圍。另外，文中算法在順光和逆光條件下適應(yīng)性較好，特別對(duì)于逆光過曝場(chǎng)景，圖像以暗區(qū)域亮度信息為基準(zhǔn)，保證圖像暗區(qū)域達(dá)到合適曝光，展現(xiàn)更多的紋理細(xì)節(jié)，再次驗(yàn)證了算法控制過程的有效性。

4 結(jié)論

為實(shí)現(xiàn)彈載相機(jī)在寬動(dòng)態(tài)條件下清晰成像，建立了基于高斯權(quán)重的固定分區(qū)自動(dòng)曝光控制算法，總結(jié)出彈載相機(jī)在不同曝光狀態(tài)下的曝光參數(shù)調(diào)整規(guī)則，實(shí)現(xiàn)曝光參數(shù)的快速、準(zhǔn)確計(jì)算。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，文中算法對(duì)于不同光照環(huán)境的適應(yīng)性較強(qiáng)，在順光和逆光等極端惡劣光照條件下可在5幀內(nèi)達(dá)到合適曝光，減少曝光震蕩，使彈載圖像展現(xiàn)更豐富的紋理特征。