一种光学成像参数的自动调整方法

摘  要：高质量成像是快速读取图像中条码信息的重要保障。影响成像质量的参数有信号增益和曝光时间，两者取值范围广，组合后的相似参数对多。为快速找到可稳定解码的参数对，将参数调整过程分为条码搜索、参数优化和参数确认三个阶段，各阶段的侧重点不同，共同完成参数调整过程。测试证明，所述方法具有速度快、参数稳、解码可靠的特点。

关键词：信号增益;曝光时间;条码搜索;参数调整

中图分类号：TP391.4     文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2021）12-0113-03

Abstract： High quality imaging is an important guarantee for fast reading of barcode information in images. The parameters that affect the imaging quality include signal gain and exposure time， which have a wide range of values， and there are many similar parameters pairs after combination. In order to quickly find the parameter pairs that can be decoded stably， the parameter adjustment process is divided into three stages： barcode search， parameter optimization and parameter confirmation. The focus of each stage is different to jointly complete the parameter adjustment process. The test shows that the method has the characteristics of fast speed， stable parameters and reliable decoding.

Keywords： signal gain; exposure time; barcode search; parameters adjustment

0  引  言

自动曝光是数字成像系统必不可少的组成部分，是获取亮度适中、细节表现清晰图像的重要保障。对于常用的成像系统，鉴于成本、便利性、可控性等考虑，自動曝光通常主要对曝光时间和信号增益进行自动控制。

对于以读取一维码或二维码信息为目标的条码图像，现有的自动曝光技术主要针对人像、风景等来调整相关参数，存在的不足之处主要有：（1）整体图像较清晰，条码所在的局部图像不够清晰;（2）使用整幅图像进行计算，运算量大，用时多;（3）全部参数组合的覆盖率低，调整后的参数通常易受到噪声干扰。

在本文设计的方法中，曝光时间和信号增益自动调整方法以找到可稳定解码的参数组合为目标，分为条码搜索、参数优化和参数确认三个阶段，具有调整速度快、所选参数稳、解码可靠的特点。

1  参数空间

用于自动调整的光学参数包括曝光时间和信号增益，两者的取值均为正整数。设曝光时间的取值范围[Emin，Emax]，信号增益的取值范围为[Gmin，Gmax]，两者的全部组合，构成成像光学参数的搜索空间即参数空间。

2  光学参数自动调整方法组成

光学参数自动调整的组成模块如图1所示，包含相机成像、解码引擎、亮度评估、参数调整、阶段控制等。

2.1  解码引擎

解码引擎是一个图像分析处理程序，当解码成功时，能够输出图像中条码的数量、条码的内容、条码在图像中的像素坐标等内容。当场景中存在条码，只有成像光学参数合适，所拍图像亮度适中、条码在所拍照片中清晰可见，解码引擎才能够解码成功，然后输出条码的数量、内容及条码在图像中的位置坐标，此时称图像中有条码。当光学参数不合适时，即使场景中存在条码，只要所拍照片亮度欠佳、条码无法清晰分辨，解码引擎就会解码失败，输出的条码数量将会为0，此时称图像中无条码。因此，只有光学参数合适，所拍图像亮度适中、条码清晰可见时，才能获得条码的内容、位置等信息。

由于解码引擎运行一次需要的时间相对较多，为提高成像光学参数调整的效率，减少参数调整所用时间。因此，先对待解码图像的清晰度或亮度值进行评估，只有亮度评估值在可接受范围内的待解码图像才传输给解码引擎。当待解码图像的亮度评估值偏高或偏低以至于不可能解码成功时，则直接对曝光时间或信号增益进行调整而不运行解码引擎，从而节约解码引擎运行时间，减少光学参数调整所用的总时间。

2.2  亮度评估

亮度评估模块以采样方式选取当前图像中心区域内一定间隔的像素，进行灰度直方图统计分析，计算出一个表示当前图像亮度或清晰度水平的正整数，即图像亮度评估值。当图像亮度评估值大于100时，表示当前图像偏亮;反之当图像亮度评估值小于100时，表示当前图像偏暗;当图像亮度评估值等于100时，表示当前图像的亮度很合适。

当图像亮度评估值小于特定数值Lmin时，表示图像中各像素的灰度值均较小且集中靠近低亮度区域，图像偏暗、目标模糊，此时称图像过暗;反之当图像亮度评估值大于特定数值Lmax时，表示图像中各像素的灰度值均较大且集中靠近高亮度区域，图像偏亮、目标模糊，此时称图像过亮;当图像亮度评估值位于Lmin和Lmax之间时，称图像可接受。根据图像亮度评估值的计算过程，可知Lmin和Lmax的关系为：

0

当图像亮度评估值位于100附近的一个区间时，图像中各像素的灰度值基本上在整个灰度范围的高、中、低区域均有分布，图像层次分明、亮暗适中、目标清晰，此时称图像适中。设图像适中时图像亮度评估值所在区间为[Llow，Lhigh]，则Lmin、Lmax、Llow和Lhigh的关系为：

0

在条码搜索和参数优化阶段均要对待解码图像进行亮度评估，但前者的待解码图像为整幅图像，后者的待解码图像为条码所在区域的子图像。在参数优化阶段的待解码图像只包含条码所在区域的图像，因此，亮度评估值能够直接反映条码成像质量的清晰度。

2.3  参数调整

参数调整实现信号增益、曝光时间的具体控制方法，前者只有单向增大调整，后者以减少调整为主，辅助以重置调整。

2.3.1  信号增益调整方法

为避免多次重复使用相似的参数组合，减少计算量及计算用时，信号增益在调整过程中只增大不减少，而且信号增益增大的步长固定不变。信号增益初始值设置为Gmin，当需要调整信号增益时，信号增益的调整计算公式为：

Gnxt=Gcur+Gstp

其中Gnxt表示调整后的信号增益，Gcur表示当前的信号增益，Gstp表示信号增益的调整步长，为固定的正整数。当调整后的信号增益Gnxt大于允许的最大值Gmax时，则光学参数调整结束。

2.3.2  曝光时间调整方法

为实现图像亮暗两个方向的参数调整，结合信号增益的调整方法，曝光时间的调整以减少为主、重置为辅，初始值设置为Emax。

2.3.2.1  曝光时间减少调整

当信号增益固定不变时，曝光时间采用减少调整方式，计算公式如下。

Enxt=Ecur–Estp

其中Enxt表示调整后的曝光时间，Ecur表示当前的曝光时间，Estp表示曝光时间的减少调整步长。当调整后的曝光时间Enxt小于Emin时，则对信号增益进行调整。

曝光时间的减少调整步长计算方法为：

其中运算符[·]表示向下取整，Ek为正整数。Ek的大小用于控制曝光时间调整的幅度，例如当前曝光时间Ecur为49、Ek为5时，曝光时间的减少调整步长Estp为9。因此，减少调整后的曝光时间Enxt为40，即Enxt=49-9=40。

2.3.2.2  曝光时间重置调整

当信号增益需要进行增大调整时，曝光时间需同时进行重置调整，曝光时间重置调整的计算公式为：

其中Enxt表示调整后的曝光时间，Ecur表示当前的曝光时间，Egn是运行过解码引擎后，特定信号增益下允许的最大曝光时间，计算公式为：

其中运算符[·]表示向下取整。

2.3.3  信号增益的调整条件

信号增益的调整方法是不断增大，直到允许的最大值Gmax。由于增大信号增益可以调亮图像，因此待解码图像过暗时，需要调整信号增益以增大待解码图像的亮度评估值。

此外，当曝光时间为最小值Emin时，曝光时间无法继续减少，为实现对整个参数空间的搜索遍历，此时需增大信号增益并重置曝光时间。

2.4  阶段控制

2.4.1  条码搜索

条码搜索阶段以找到条码位置为目标，将整幅图像作为待解码图像进行亮度评估，亮度评估值在可接受范围内的传输给解码引擎，解码成功则跳转到参数优化阶段，反之则根据待解码图像的亮度评估值，进行信号增益、曝光时间的调整。

2.4.2  参数优化

参数优化阶段以找到亮度适中的最佳参数组合为目标，将条码所在区域的子图像作为待解码图像进行亮度评估，根据亮度评估值，进行信号增益、曝光时间的调整，但不运行解码引擎。

2.4.3  参数确认

参数确认阶段以统计分析成功解码概率为目标，将条码所在区域的子图像作为待解码图像，不进行亮度评估，不进行信号增益和曝光时间的调整，直接运行解码引擎。统计分析多次运行解码引擎输出结果，计算出输出成功解码概率、输出选取的参数组合、结束光学参数调整过程。

2.4.4  阶段转换

条码搜索阶段转换到参数优化的条件是找到一个能够成功解码的参数组合;参数优化阶段转换到参数确认阶段的条件为找到一个使待解码图像亮度适中的参数组合或搜索遍历了整个参数空间。在参数优化阶段，若搜索遍历了整个参数空间也没有找到一个使待解码图像亮度适中的参数組合，则参数确认阶段使用记录的最佳参数进行成功解码概率的统计分析。各阶段的转换过程如图2所示。

2.5  解码统计及结果输出

解码统计模块对多次解码的结果进行统计，计算出成功解码的概率，公式为PS=。其中PS表示成功解码的概率，NS表示成功解码的次数，Nt表示解码的总次数。

结果输出模块根据光学参数自动调整过程，输出相应的结果，主要有：（1）参数调整成功，输出选择的最佳参数及成功解码概率;（2）参数调整失败，输出提示信息。

3  测试效果

采用工业相机，使用表1所示的变量数值，对提出的成像光学参数自动调整方法进行测试，得到参数调整过程中的数值如表2所示，关键节点所拍图像如图3和图4所示。

参数调整后所拍图像如图5所示。可以看出，即使在逆光、复杂背景下，提出的算法依然能够找到稳定解码的参数。

4  结  论

文中提出的光学参数自动调整方法，以找到稳定解码的光学参数为目标，划分成条码搜索、参数优化和参数确认三个阶段。每个阶段有区别的使用整幅图像或区域子图像，实现对可解码参数的快速高效调整。实际测试验证了相关方法的有效性。相关方法既可以用于调整信号增益和曝光时间，也可以扩展用于调整其他参数。这也是文中所提方法可进一步优化的地方。

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作者简介：王海丰（1985.01—），男，汉族，河南安阳人，工程师，硕士研究生，研究方向：数字图像处理及识别。