基于TMS320DM368的自动曝光算法

王小钊，宋 宝

(华中科技大学国家数控系统工程技术研究中心，湖北武汉 430072)

自动曝光是指摄像机自动进行光圈、曝光时间、信号增益的调节，从而获取视频图像最优亮度的过程［1］。摄像机拍摄时，往往要求恰到好处的曝光。曝光过高或者过低会引起视频图像偏亮或者偏暗。

自动曝光包括光强测定、调节算法部分。光强测定是获取摄像机所摄景物光照强度的过程［1］，对高清网络摄像机而言，主要通过分析图像数据完成环境光强的测定。调节算法部分主要是通过场景亮度与理想亮度计算出曝光时间、信号增益的输出［1］。常用的有直接设置法［2］、逐次逼近法［3］、神经网络［4］、基于图像样本自学习的自动曝光算法［5］。

本文主要是研究基于TMS320DM368的网络摄像机的自动曝光控制算法。TMS320DM368是基于达芬奇(Da-Vinci)技术的系列产品，达芬奇技术是一种专门针对数字视频应用(如网络摄像机)的解决方案［6］。

1 自动曝光系统

本文设计的自动曝光系统包含:镜头、CMOS图像传感器以及TMS320DM368控制器。含有图像信号的光线经镜头照射在CMOS感光元件上，经过一定时间的曝光，转换成电信号，经模拟增益器放大，然后A/D转换后输出到处理器TMS320DM368的H3A硬件模块中。H3A处理的数据经过亮度评价函数获取场景光强，进而完成光强测定，将评价亮度与理想亮度输入控制器计算出曝光时间、信号增益。自动曝光系统如图1所示。

图1 网络摄像机自动曝光系统

因为图像数据量大，计算一般需要借助硬件协处理器来完成，TMS320DM368中H3A模块式专门用于自动曝光(AE)、自动白平衡(AWB)、自动聚焦(AF)的硬件协处理器［7］。对自动曝光而言图像数据在H3A中完成对数据的分块采集、饱和检查、像素累加工作，对自动曝光来说，在H3A中完成的主要工作为分块采集和像素的累加。

光强测定时亮度评价函数设计与H3A模块输出数据密切相关、调节算法的设计与自动曝光的性能密切相关，亮度评价函数的设计与调节算法的设计为自动曝光算法的关键技术。

2 亮度评价函数的设计

H3A中完成对数据的分块采集、像素累加工作，H3A将图像数据分为16×12块来采集，AE/AWB像素累加器分别对每块像素的RGB值分别累加得到一个16×12×3的矩阵A16×12×3。其中，矩阵中Aij1为第ij模块的R(红色)分量累加值，矩阵中Aij2为第ij模块的G(绿色)分量累加值，矩阵中Aij3为第ij模块的B(蓝色)分量累加值，矩阵A16×12×3即为 H3A 模块的输出。

用户对不同区域亮度关心程度不同，为了更贴近用户感受，因此对图像亮度进行加权平均，按照人们对不同区域关心程度设置权重矩阵W16×12，W16×12权重按照图2设置。

图2 亮度计算权重设置

估计场景亮度将H3A转换为亮度，在按照权重加权平均

式中:Yp为估算场景亮度;矩阵A为H3A输出数据;W为权重矩阵。

3 PID控制系统设计

调节算法是根据景亮度与理想亮度计算出曝光时间、信号增益的输出，考虑到TMS320DM368计算能力与稳定性要求，选取PID控制算法。

由自动曝光系统可得图像亮度Yp与镜头通光量F、曝光时间T、增益系数A的函数关系为

式中:K为比例系数，由自动曝光系统可知曝光时间T与增益系数G均为系统可控量。通光量F与光圈大小以及场景光照有关系。考虑到成本因素网络摄像机一般采用定光圈镜头，通光量F仅跟场景光照有关。

假设可控量为V，V与曝光时间T与增益系数G为

将图像亮度函数简化为

为保证系统线性

则控制系统设计为:ln(Y)为作为输出，PID控制器的输出量为U=lnV，将lnF作为系统的干扰构建控制系统如图3所示。

图3 自动曝光系统图

由式(5)可得G(S)=1，系统中输入量为lnYE，YE为自动曝光系统希望达到的希望亮度，按照中间亮度法故取YE=128。同时为了防止自动曝光系统频繁调节，影响人眼体验取YL=118，YH=138，当评价亮度YL＜Y＜YH，时曝光系统将不进行曝光调节。

因为曝光时间、增益系数限制较多，函数关系较为复杂，故采用查表法查出曝光时间T与增益系数G。

本文采用OV9712图像传感器，其COMS图像传感器，增益系数调节范围为1～31［8］。根据COMS图像传感器特性，为保证在灯光下没有条纹与闪烁现象的产生，视频采样帧率fv，曝光时间T，与交流电频率f，需要满足式(6)、(7)，根据PID控制器设计时取输出U=lnV，并由式(3)可以得出，PID控制器输出为U时，曝光时间与增益系数需满足要求为

式中:m，n为自然数，f=50 Hz，一般情况下取n=4，即fv=25 Hz，但是当在低照情况(小于10 lx)下，由式(8)得T＜40 ms，所得图像噪点很多，可取n=8将采样率降低为12.5 Hz曝光时间加长至80 ms。强光情况(大于2 000 lx，普通灯光照度大约为500 lx)时，此时若曝光时间为10 ms会产生过曝光。强光多为室外情况，因此可以不必满足式(6)、式(7)将曝光时间设置为小于10 ms。故可以先确定曝光时间表，计算曝光增益系数表，如图4所示。

4 实验结果分析

将本文设计的自动曝光算法在基于TMS320DM368的网络摄像机上实现，并对该网络摄像机曝光性能测试。

摄像机安装福光130万，1/3 in(1 in=2.54 cm)，0409手动光圈，手动变焦高清摄像机镜头进行测试。拍摄时光强为9 mm。

图4 曝光时间—增益系数表

测试结果为:图5照度为1 lx(低照)时摄像机获得图像、图6为照度为10 000 lx(强光)下摄像机获得图像、图7为照度由10 lx变到10 000 lx以及由10 000 lx变到10 lx的两种情况下的图像评价亮度变化曲线。

图5 照度为1 lx下的图像

图6 照度为10 000 lx下图像

图7 照度变化时亮度变化曲线

由以上实验结结果图5和图6可得该曝光算法拥有比较大的适应范围，可以适应照度由1 lx变道10 000 lx下的光照情况。由图7亮度曲线可得该曝光算法拥有比较好的动态特性，当照度由10 lx变为10 000 lx情况下，在第40次采样(约为1.75 s)图像亮度即达到要求并保持稳定，当10 000 lx到10 lx情况下也是接近40次采样即可达到稳定状态。

5 结论

本文设计了用于基于TMS320DM368的网络摄像机的自动曝光控制算法，算法充分利用了TMS320DM368提供的硬件模块，其可以适应由1 lx到10 000 lx下的光照状况，拥有较好的动态性能，由低照到强光其反应时间约为1.75 s，

而且其算法简单，稳定，满足网络摄像机的使用需求。

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［1］郑德裕.EK200全自动单反相机硬件实现技术研究［D］.南京:南京理工大学，2006.

［2］TETSUYA K，HIROAKI S，NARIHIRO M.A new automatic exposure system for digital still cameras［J］.IEEE Trans.Consumer Electronics，1998，44(1):86-87.

［3］CHO M，LEE S，BYUNG D.The fast auto exposure algorithm based on the numerical analysis［C］//Proc.SPIE Conference on Sensors，Cameras，and Applications for Digital Photography.San Jose，California:SPIE Press，1999:403-404.

［4］梁佳毅，洪志良.适用于大动态范围场景的自动曝光控制算法［J］.光电工程，2008，35(5):89-91.

［5］KEHTARMAVAZ N，OH H，SHIDATE I，et al.A new approach to auto white balancing and auto exposure for digital still cameras［C］//Proc.SPIE 4669，Sensors and Camera Systems for Scientific，Industrial，and Digital Photography Applications III. ［S.l.］:SPIE Press，2002:389-390.

［6］Texas Instrument.TMS320DM365 digital medio system-on-chip(DMSoC)［EB/OL］.［2013-04-02］.http://focus.ti.com/docs/prod/folder/print/tms320dm368.html.

［7］Texas Instrument.TMS320DM365 digital medio system-on-chip(DMSoC)Video processing frontEnd(VPFE)user’s guide［EB/OL］.［2013-04-02］. http://focus.ti.com/docs/prod/folder/print/tms320dm368.html.

［8］OmniVision.OV9712 datasheet［EB/OL］.［2013-04-02］.http://wenku.baidu.com/view/dea39b6b561252d380eb6e4e.html.