一种基于DSP的宽范围自动曝光控制系统的设计

郭 丽

(江苏金陵机械制造总厂，江苏 南京 211100)



一种基于DSP的宽范围自动曝光控制系统的设计

郭 丽

(江苏金陵机械制造总厂，江苏 南京 211100)

为能拍摄出清晰的地面目标图像，航空相机需要自动曝光系统。提出了一种光圈和快门曝光时间均可调整的宽范围自动曝光控制原理，给出了基于DSP的自动曝光控制系统的硬件原理电路和软件设计。经测试和使用证明，系统适应曝光范围大，测量精确，工作稳定可靠。

航空相机;自动曝光系统;DSP;快门曝光时间;光圈

航空相机自动曝光系统的功能是根据景物的亮度变化自动控制光圈大小和快门曝光时间，使感光材料上的光学密度最好地复现被摄影景物的细节，获得优质的照片[1,2]。一般采用固定光圈(或快门曝光时间)值，快门曝光时间(或光圈)参数随外界景物的变化而改变的自动曝光模式[3,4]。由于曝光范围的大小是由光圈和快门曝光时间共同决定的，所以只变化一种参数(光圈或快门曝光时间)值的自动模式，其曝光控制范围窄，不能满足地面景物亮度变化时航空摄影的需要[5]。因此，本文提出了一种光圈和快门曝光时间都可以变化的宽范围控制方式，同时采用了目前控制领域最高性能的DSP处理器，曝光范围大，工作稳定可靠，能够满足部队侦察测量的要求。

1 设计原理

首先建立曝光量参数方程。要得到一张优质的照片，一定要使照相机控制的像面平均曝光量HF等于感光材料要求的合适曝光量HF，即：

HF=Hg

(1)

像面的曝光量HF可以写成：

(2)

其中：

式中：

HF—— 像面的曝光量，lx·s；

E—— 像面照度，lx；

t—— 快门有效曝光时间，s；

Eβ—— 视场角为β的像面照度；

τ—— 物镜透过率；

c—— 杂光系数；

B—— 景物的综合亮度，cd/m2；

Kv—— 渐晕系数；

β—— 视场角，°；

D/f′ —— 物镜的相对孔径，相对孔径的倒数即光圈孔径F。

胶片的合适曝光量可以用下式来表示：

(3)

式中：

Hg——胶片的合适曝光量，lx·s；

S——以ISO表示的感光度；

P——胶片合适曝光系数，黑白胶片通常为8。

将式(2)、式(3)代入式(1)并整理可得：

(4)

式(4)即为曝光参数方程。由于加上滤光镜，相当于降低了景物的平均亮度，在上式中加入滤色镜倍率Kt得：

(5)

将各已知参数带入公式(5)即得：

(6)

根据公式(6)，建立不同综合亮度下，光圈和快门曝光时间的对照表，如表1所示。

为适应宽曝光范围，自动曝光系统采用快门曝光时间和光圈大小都可以进行调节的控制方式。快门曝光时间调节范围为1/100s～1/800s，光圈孔径F值调节范围为5.6～32，但它们不同时进行调节，快门调节优先，调节根据表1进行。例如：如果当前快门曝光时间为1/400s，光圈孔径F值为10，当综合亮度为7800cd/m2，查表快门曝光时间为1/400s，光圈孔径F值为14(13.82取近似值)，在快门曝光时间不改变的情况下，调整光圈孔径即可得到合适的曝光量。

表1 不同综合亮度下，光圈和快门曝光时间的对照表

自动曝光控制系统由DSP处理器、测量景物亮度的测光电路、光圈调整位置反馈电路、由电机驱动的光圈调整机构和快门曝光时间调节机构组成。原理图如图1所示。

图1 自动曝光系统控制原理框图

系统工作原理：测光电路使用光到数字传感器直接将采集到的光信号以数字信号输出，并通过I2C接口按照I2C通讯协议将数字信号传输给DSP，DSP根据计算公式计算出当前的光线值，并参照自动曝光表1选取合适的光圈孔径F值和快门曝光时间值，然后通过光圈调整机构和快门曝光时间调整机构来实现自动曝光。

2 硬件设计

处理器选取TMS320F2806DSP作为整个系统的控制中枢，与以往同类产品设计中采用的单片机相比，在执行速度上和PWM输出精度上有了很大的提高[6]。

测光元件采用美国Intersil公司的光到数字传感器ISL29013，数字输出精度高，为了获得精确的光线值，装有ISL29013传感器的测光电路板安装在镜头内部，并且与镜头保持相同的视场角，以确保通过镜头的光线与通过ISL29013传感器的光线一致。

快门电机调速采用了双闭环反馈调速电路，包括硬件电压反馈和软件转速反馈，通过修正PWM值，使电机在给定的状态下能够保持稳定转速，确保快门曝光时间要求。当快门曝光时间变化时，通过输入端子改变PWM输入来调整输出电压，进而改变电机的转速，调整快门速度。

光圈电机采用东芝公司TA8429芯片来控制，通过软件控制光圈电机正反转和停机。

光圈孔径位置反馈电路采用WD15-5kΩ角位移传感器。经过安装测试，角位移传感器输出电压与光圈孔径F值的关系见表2。

表2 角位移传感器输出电压与光圈孔径F值的关系

3 软件设计

程序设计包括自检子程序、初始化程序、中断服务程序、快门电机控制子程序、光圈电机控制子程序、测景物亮度子程序等程序。

系统接通电源后，自检子程序测试系统各部分工作是否正常。

初始化程序控制快门和光圈处于零位(快门曝光时间中间值1/400s和光圈孔径F值中间值11这两个位置分别作为快门和光圈的起始零位)。

捕捉中断服务程序用于捕捉快门电机光栅编码盘的每一个齿，10ms定时中断服务程序主要用于获取10ms时间内快门电机捕捉的光栅编码盘的齿数，I2C中断服务程序主要用来实现与ISL29013的I2C通讯，读取当前ISL29013测得的光线值。

测亮度子程序主要用来将接收到的ISL29013的测量值根据计算公式转化成实测光线值，查曝光表1，判断快门曝光时间零位值不变的情况下是否可通过调整光圈孔径值达到合适曝光量，若可以，则记下光圈需要调整到的孔径值，若不可以，则根据光线强弱，相应的将快门曝光时间加快/减慢1档(快门速度1/100s～1/800s分为8档，1/100s、1/200s、1/300s、1/400s、1/500s、1/600s、1/700s、1/800s)，再查曝光表1，直到光圈孔径值满足要求。

快门电机控制子程序主要是在快门曝光时间发生变化时，根据曝光时间确定光栅编码盘在10ms内应输出的齿数，通过与定时捕捉的齿数比较，控制发生的PWM脉宽宽度来控制电机转速。

光圈控制子程序一方面通过角位移传感器读取当前光圈所在的位置值，另一方面，根据测亮度子程序求得的光圈孔径值转换成需要的位置值，判断这两个值的大小来确定光圈电机是正转还是反转，循环调整，直到两者相等停光圈电机。

系统程序流程图如图2所示。

图2 程序流程图

4 曝光测试分析

通过外景拍摄测试以验证设计的自动曝光控制系统是否合适。外景拍摄测试分地面和机载条件下的测试。在地面选取景物亮度大(晴天)和景物亮度小(阴天)的气象条件，目的是使曝光分别在光圈变化或快门变化两个区间内完成。在高处对远处目标进行拍摄，经标准冲洗条件，对相机底片进行分析；航空相机装机后，在2000m-8000m不同高度进行机载条件下的飞行测试，对所拍摄的景物底片进行曝光准确性分析。经对各种条件下拍摄的底片鉴定结论为曝光准确，影像清晰，满足分辨率要求。图3为8000m高度拍摄的一张影像图片。

图3 程序流程图

5 结论

文中设计的基于DSP的航空相机宽范围自动曝光控制系统能够满足光线从800cd/m2-10300cd/m2的宽范围内的照相要求，即晴天和阴天环境下的照相要求，解决了地面景物亮度变化大时的准确曝光问题，系统工作稳定，满足部队需求。

[1] 徐之海,李奇. 现代成像系统[M]. 北京：国防工业出版社,2001.

[2] 向世明. 现代光电子成像技术概述[M]. 北京：北京理工大学出版社,2013.

[3] 许兆林,赵育良,苏媛媛.一种宽范围自动曝光控制系统的设计[J].电光与控制,2008,(2).

[4] 戈志伟,姚素英,徐江涛,等. 一种应用于CMOS图像传感器的快速自动曝光控制方法[J].天津大学学报,2010,(10).

[5] 许兆林,贾晓笑,赵育良,等.长焦距航空相机系统[M].北京：海潮出版社,2005.

[6] 苏奎峰,吕强,常天庆,等.TMS320X281XDSP原理及C程序开发(第2版)[M]. 北京：北京航空航天大学出版社,2011.

[编校：张芙蓉]

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

郭丽(1980- )，女，江苏镇江人，工程师，工学硕士，研究方向为航空相机研制。

TB

A

1671-96541(2015)03-060-04