一种光学镜头光圈智能调节方法与流程

本发明涉及光学成像，尤其涉及一种光学镜头光圈智能调节方法。

背景技术：

1、随着成像设备在工业检测与日常拍摄中的广泛应用，成像场景中背景亮度远高于目标或目标自身高亮的情形成为影响成像质量的关键问题。在工业场景中，工业相机监测熔融材料加工、大型金属铸造时，目标自身处于高亮状态；在日常拍摄场景中，逆光、夜景以及海景、水景等水面反光场景，均存在背景亮度远高于目标或目标自身高亮的情况。当目标自身高亮时，按全画面平均测光，目标对象要么欠曝、要么高光溢出全白，无法辨识；当背景亮度高且环境光弱时，快门和增益先后到达调整极限，光圈被迫全开，导致景深骤浅，远距离目标超出景深覆盖范围而虚焦，影响拍摄效果。现有成像设备通常采用自动光圈控制，其主流方案包括：亮度闭环，即测量全画面平均亮度，与目标亮度比较后驱动光圈，直至画面亮度达标；精确光圈，即将光圈固定在镜头出厂标定的高性能位置，照明变化由增益与曝光时间补偿，电子补偿不足时再移动光圈；以及按变焦倍率或显著拍摄主体深度映射光圈档位的方案。上述方案均以全画面亮度或单一维度为控制目标，未将目标自身成像质量作为光圈调节的最终目标，在目标自身高亮或背景亮度远高于目标的场景下，目标区域的可辨识度无法保证。因此，亟需一种以目标对象成像质量为最终控制目标的光圈智能调节方法。

2、中国专利公开号：cn105338235a，公开了一种自动光圈调整方法及装置，方法包括：根据自动光圈镜头采集的图像的平均亮度与目标亮度的差值确定第一亮度调整量；根据第一亮度调整量调整自动光圈镜头的孔径，和/或调整图像传感器的曝光时间和增益。由此可见，所述自动光圈调整方法及装置存在由于以全画面平均亮度为唯一控制目标，通过亮度差闭环调整光圈孔径，在目标自身高亮或背景亮度远高于目标的场景下，按全画面平均测光会使目标区域欠曝或高光溢出，导致无法保证目标区域的可辨识度的问题。

技术实现思路

1、为此，本发明提供一种光学镜头光圈智能调节方法，用以克服现有技术中由于以全画面亮度或单一维度为光圈控制目标，导致目标自身高亮或背景亮度远高于目标的场景下目标区域欠曝或高光溢出、远距离目标虚焦、目标可辨识度无法保证的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供一种光学镜头光圈智能调节方法，包括：

3、获取成像设备当前帧图像及当前曝光参数，并对所述当前帧图像进行目标识别，确定目标状态信息，其中，

4、所述当前曝光参数包括当前光圈档位、当前曝光时间以及当前增益，所述目标状态信息包括目标区域、目标像面速度以及目标距离范围；

5、根据所述目标区域与背景区域的亮度关系以及全画面亮度水平，判定光照状态；

6、其中，光照状态包括逆光状态、强光状态、弱光状态以及正常状态；

7、根据所述目标状态信息与所述光照状态，确定光圈调节约束，若当前曝光参数不能满足所述约束中的至少一项时，根据未满足的约束确定调节方向，基于镜头光学标定数据确定光圈目标档位；

8、其中，光圈调节约束包括进光量调节方向、运动成像约束以及景深约束；

9、根据所述光圈目标档位相对当前光圈档位的进光量变化确定曝光时间与增益的调整量；

10、驱动镜头光圈至所述光圈目标档位，并通过位置反馈确认到位；

11、当存在目标时，对所述目标区域进行成像质量评估，确定可辨识度以及质量偏差类型；

12、当所述可辨识度未达预期时，根据质量偏差类型与偏差程度回调光圈档位并重新对所述当前帧图像进行目标识别。

13、进一步地，对所述当前帧图像进行目标识别，确定目标状态信息，包括：

14、对所述当前帧图像进行目标检测，得到目标区域；

15、根据相邻帧图像中同一目标的区域位移，确定所述目标像面速度；

16、根据所述目标区域在所述当前帧图像中的成像尺寸与镜头焦距，确定所述目标距离范围。

17、进一步地，根据所述目标区域与背景区域的亮度关系以及全画面亮度水平，判定光照状态，包括：

18、当所述目标区域的平均亮度小于背景区域的平均亮度，且所述目标区域与所述背景区域的平均亮度差大于所述背景区域亮度分布的离散程度时，判定为逆光状态；

19、当所述目标区域存在连续饱和像素区域，且所述连续饱和像素区域在相邻帧中保持扩展或持续存在时，判定为强光状态；

20、当增加曝光时间或增益后，全画面亮度未随曝光量增加产生对应变化时，判定为弱光状态；

21、当所述逆光状态、所述强光状态和所述弱光状态均不成立时，判定为正常状态。

22、进一步地，当所述光照状态为逆光状态或强光状态时，所述进光量调节方向为减小进光量；

23、当所述光照状态为弱光状态时，所述进光量调节方向为增大进光量；

24、当所述光照状态为正常状态时，所述进光量调节方向为维持当前进光量；

25、当所述曝光时间达到帧周期上限且所述增益达到上限时，所述增大进光量的方向由光圈承担，开大光圈以补充进光量。

26、进一步地，所述运动成像约束为所述目标像面速度与当前曝光时间的乘积不超过可冻结量；

27、当所述乘积超过所述可冻结量时，将当前曝光时间压缩至所述乘积不超过所述可冻结量的时长，并根据进光差额调整光圈，剩余亮度差额由增益补偿。

28、进一步地，所述景深约束为所述目标距离范围位于当前光圈档位的景深覆盖范围内，所述景深覆盖范围与光圈档位的对应关系由所述镜头光学标定数据提供；

29、当所述目标距离范围超出所述景深覆盖范围时，收缩光圈直至所述景深覆盖范围覆盖所述目标距离范围或光圈到达光学标定曲线的边界档位。

30、进一步地，当所述进光量调节方向、所述运动成像约束与所述景深约束中存在至少一项未满足时，依序按照所述进光量调节方向、所述运动成像约束、所述景深约束的顺序确定所述镜头光圈的调节方向。

31、进一步地，基于镜头光学标定数据确定光圈目标档位，包括：

32、根据镜头光学标定数据确定镜头光学标定曲线；

33、根据所述镜头光学标定曲线对若干光圈候选档位进行校验，当光圈候选档位落入所述镜头光学标定曲线的劣化区时，选取所述劣化区的边界档位作为所述光圈目标档位；

34、基于所述光圈目标档位相对当前光圈档位的进光量变化，确定曝光时间与增益的调整量。

35、进一步地，确定所述目标区域的可辨识度以及质量偏差类型，包括：

36、对所述目标区域执行目标检测，并计算所述目标区域的平均亮度；

37、当所述目标检测检出所述目标时，判定所述目标区域可辨识；

38、当所述目标检测未检出所述目标时，判定所述目标区域不可辨识，并确定质量偏差类型：

39、当所述目标区域的平均亮度小于所述背景区域的平均亮度或所述目标区域存在连续饱和像素区域时，所述质量偏差类型为曝光偏差；

40、当所述目标像面速度超过可冻结量时，所述质量偏差类型为运动模糊偏差；

41、当所述目标距离范围超出景深覆盖范围时，所述质量偏差类型为景深覆盖偏差。

42、进一步地，根据所述质量偏差类型与偏差程度回调所述光圈，包括：

43、当所述质量偏差类型为曝光偏差时，若所述目标区域存在连续饱和像素区域，收缩光圈直至所述连续饱和像素区域消失；

44、若所述目标区域的平均亮度小于所述背景区域的平均亮度，以所述目标区域为曝光基准收缩光圈，并由曝光时间与增益补偿所述目标区域的亮度差额；

45、当所述质量偏差类型为运动模糊偏差时，压缩曝光时间并联动调整所述光圈与所述增益；

46、当所述质量偏差类型为景深覆盖偏差时，收缩光圈直至所述景深覆盖范围覆盖所述目标距离范围或光圈到达光学标定曲线的边界档位；

47、当回调后所述目标区域的平均亮度与所述背景区域的平均亮度的关系反向变化时，将所述光圈收敛于中间档位并冻结，直至光照状态或目标状态信息发生变化。

48、与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明所述方法通过针对成像场景中目标与背景的差异进行自适应光圈控制，避免传统光圈调节仅依据整体曝光状态而造成目标区域曝光适宜但实际成像效果不佳的问题，从而提高光圈调节对复杂光照环境及不同目标状态的适应能力；通过建立光圈变化与成像系统其他曝光参数之间的协同关系，使光圈调节过程中能够降低进光量变化对图像曝光稳定性的影响，减少反复调节、曝光突变及图像亮度波动，提高成像过程的连续性和稳定性；同时，通过对目标区域实际成像效果进行进一步验证，使光圈调节结果能够以目标的实际可辨识程度作为反馈依据，避免仅根据理论曝光状态判断调节结果，使系统能够及时发现目标细节不足、局部成像异常等问题并进行针对性修正，从而提高目标区域的细节保持能力和识别可靠性；此外，通过对光圈调节结果进行反馈校正，可使光圈控制由单次、开环式调整转变为面向目标成像结果的闭环优化过程，在不同目标状态和环境条件发生变化时能够持续修正调节结果，降低固定调节策略对设备参数和使用场景的依赖，提高了光圈智能调节的稳定性。

49、进一步地，本发明所述方法通过获取目标区域、目标像面速度及目标距离范围，能够从目标的空间位置和运动状态等方面形成更加完整的目标状态信息，为后续光圈调节提供针对性的控制依据；同时，通过结合目标区域与背景区域的亮度关系、背景亮度分布以及连续饱和区域的跨帧变化，对逆光、强光、弱光及正常光照状态进行区分，降低仅依据全画面亮度进行判断造成的误判，提高复杂光照环境下的光照状态识别准确性；进一步将目标状态与光照状态用于后续光圈控制，可使光圈调节能够适应不同目标距离、运动状态及光照条件，减少不必要的光圈反复调整和曝光波动，进一步提高了光圈智能调节的稳定性。

50、进一步地，本发明所述方法通过光照状态直接确定进光量调节方向，并在曝光时间与增益均达到上限时由光圈承担增大进光量，由于进光量方向与光照状态的对应关系明确且光圈仅在曝光资源耗尽时才承担进光调节，实现逆光、强光与弱光状态下光圈调节方向的无歧义确定以及弱光工况下目标区域的亮度保证，通过目标像面速度与当前曝光时间的乘积作为运动成像约束，并在超量时压缩曝光时间、由光圈与增益补偿进光差额，由于运动成像约束的计算链闭合，实现运动目标的无拖影成像，以目标距离范围与景深覆盖范围的包含关系作为景深约束，且景深覆盖范围与光圈档位的对应关系由镜头光学标定数据提供，由于光圈孔径与景深覆盖范围的固有光学关系被标定固化，实现不同距离目标的清晰成像，本发明所述方法在多项约束未满足时依序确定光圈调节方向，由于各约束的处理顺序明确，避免多约束竞争时光圈调节方向冲突，进一步提高了光圈智能调节的稳定性。

51、进一步地，本发明所述方法通过光学标定曲线校验候选档位并以曝光量守恒联动计算曝光时间与增益的调整量，由于光圈调节全程受镜头固有光学特性约束且亮度变化被联动补偿，避免光圈落入衍射或像差劣化区，同时防止光圈调节引起亮度跳变，以目标检测检出事件判定可辨识度，并复用可观测条件诊断偏差来源，由于评估基准为目标识别结果且偏差来源可定位，实现光圈调节效果的任务级验证，按质量偏差类型目标导向调节光圈直至条件满足、在振荡时收敛冻结，由于调节量由偏差程度自然决定且无需固定步长，实现光圈调节的快速收敛与稳定，进一步提高了光圈智能调节的稳定性。