一种图像亮度曝光补偿装置及其偿装方法

1.本发明属于图像处理技术领域，具体是一种图像亮度曝光补偿装置及其偿装方法。


背景技术：

2.在很多实际场景中，对于亮度对比强烈且光源不停变化的动态高反差场景，通常的曝光控制很难兼顾高亮和暗部的细节。本曝光主动补偿系统可应用于军事侦察、光学控制、城市监控、民用相机等方面，以消除强光带来的干扰。例如，导弹导引系统很容易因为火光等高光而无法正常区分目标，造成打击位置错误判断；交通或安防监控系统在逆光场景无法获得清晰人像特征，阻碍对嫌犯的追踪，目前，对于高反差场景的曝光补偿可视为光选通操作，一般有两种：一是对独立的感光元素进行曝光时间控制，二是在图像采集时加入场景的照度信息。前者主要是基于元件级的实现技术、加工工艺、成本等要求较高，必须采用造价高昂的高动态敏感元件；而后者是基于设备级的技术，对摄像机的硬件配置要求也非常高。因此，这两种技术在实际中应用很少，大多数情形下仍然采取被动折衷的方法，即对整个场景进行综合测光评定来选择一帧图像的曝光时间。。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种图像亮度曝光补偿装置及其偿装方法，用于解决亮度对比强烈且光源不停变化的动态高反差场景，通常的曝光控制很难兼顾高亮和暗部细节的问题。
4.本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
5.一种图像亮度曝光补偿装置，包括用于拍摄场景实时监测的摄像头、用于曝光补偿的液晶屏以及用于控制液晶屏的驱动板；
6.其中，摄像头包括镜头和ccd芯片，液晶屏平行间隔设置在镜头和ccd芯片之间，形成汉堡包结构，且液晶屏与驱动板通信连接；
7.还包括用于补偿计算的上位机，其中，上位机与摄像头和驱动板通信连接。
8.进一步的，所述上位机包括计算机、平板电脑和智能手机中任一种，且上位机通过usb接口与摄像头和驱动板通信连接。
9.如上所述的一种图像亮度曝光补偿装置的补偿方法，包括如下步骤：
10.步骤1：ccd芯片通过镜头和液晶屏采集物体的色彩信息，并形成图像；
11.步骤2：ccd芯片通过usb接口将图像发送至上位机，上位机对图像进行处理得出每一个像素对应的像素值，当任意像素对应的像素值大于阈值时，获取该像素的位置，并标记为调节像素点；
12.步骤3：改变调节像素点对应液晶屏内液晶的透光量；
13.步骤4：重复步骤1至3，直至每一个像素对应的像素值均小于阈值，得到曝光补偿后的图像。
14.进一步的，所述上位机对图像进行处理得出每一个像素对应的像素值包括：
15.将图像灰度化后并进行图像增强，采集图像增强后每个像素的像素值。
16.进一步的，所述当任意的像素对应像素值大于阈值时，获取该像素的位置，并标记为调节像素点具体为，
17.获取每个像素的像素值，并与阈值进行比较，并将比较结果进行二值化处理，其中，获取大于阈值的像素的位置，并将该位置的像素值转换为二值化的0，反之，则转化为1。
18.进一步的，所述改变调节像素点对应液晶屏内液晶的透光量具体为：
19.将二值化处理后的图像映射在液晶屏上，获取图像像素值为0的液晶，调节图像像素值为0的液晶的透光量。
20.进一步的，所述图像灰度化包括：
21.获取图像，构建图片的颜色向量矩阵，将每个像素的颜色颜色向量矩阵按照灰度公式进行计算得出，得出灰度化后的颜色向量矩阵，将灰度化后的颜色向量矩阵映射在图像上获得灰度化后的图像；
22.其中，灰度公式包括：
23.灰度化后的r＝处理前的r*0.3 处理前的g*0.59 处理前的b*0.11；
24.灰度化后的g＝处理前的r*0.3 处理前的g*0.59 处理前的b*0.11；
25.灰度化后的b＝处理前的r*0.3 处理前的g*0.59 处理前的b*0.11。
26.进一步的，所述改变调节像素点对应液晶屏内液晶的透光量包括：
27.对液晶屏内液晶进行唯一编码，其中，每个唯一编码均只对应唯一一个液晶；
28.将图像映射在液晶屏上，获取调节像素点对应的唯一编码；
29.调节唯一编码对应唯一一个液晶的透光量。
30.进一步的，所述调节唯一编码对应唯一一个液晶的透光量包括：
31.在液晶外侧产生一个外加电场，使得液晶配合外加电场产生翻转，进而改变液晶的透光量；
32.其中，所述外加电场通过驱动板产生。
33.进一步的，所述透光量与与所述外加电场的电流信号的值或电压信号的值呈正相关或逆相关。
34.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
35.通过摄像头收集到强光照射物体的图像，经后台程序分析提取rgb三色信息、亮度值、灰度值后，找出图像中亮度值较高的区域或个别点，反馈到成像光通道中的液晶屏。其后，通过软件的程序驱动控制液晶屏改变单个液晶分子的灰度值，从而实现不同区域差别透光，减小了强光处的进光量，实现曝光补偿的功能。
附图说明
36.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
37.图1为本发明结构示意图；
38.图2为本发明原理框图；
39.图3为本发明程序示意图；
40.图4为本发明实施例未进行曝光补偿拍摄图；
41.图5为本发明实施例进行曝光补偿拍摄图。
具体实施方式
42.为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
43.因此，在下述附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。
44.传统的，在实际应用中普遍采用两种技术手段：一是采用hdr技术，仅使用于静态图片且须在图像收集之后通过算法处理，例如现有导弹系统，当使用导弹头内部摄像头定位目标时收集图像，若不在摄像头前补偿则导致图像光饱和，无法通过后期算法补偿还原实际图像；二是无差别减弱光线的镜片，例如护目镜等镜片。即通过将全视野亮度照度降低的方式削弱强光干扰，然而这种情况极易将弱光区域转化为视野盲区。
45.基于上述描述，本发明实施例提出一种如图1-5所示的一种图像亮度曝光补偿装置，包括用于拍摄场景实时监测的摄像头、用于曝光补偿的液晶屏以及用于控制液晶屏的驱动板；
46.其中，摄像头包括镜头和ccd芯片，液晶屏平行间隔设置在镜头和ccd芯片之间，形成汉堡包结构，且液晶屏与驱动板通信连接；还包括用于补偿计算的上位机，其中，上位机与摄像头和驱动板通信连接，上位机包括计算机、平板电脑和智能手机中任一种，且上位机通过usb接口与摄像头和驱动板通信连接。
47.具体的，本技术的硬件方面包括摄像头、液晶成像装置和后台处理程序镜头；更具体的说，在收集到强光照射物体的图像，经后台程序分析提取rgb三色信息、亮度值、灰度值后，找出图像中亮度值较高的区域或个别点，反馈到成像光通道中的液晶屏。其后，通过labview软件的程序驱动控制液晶屏改变单个液晶分子的灰度值，从而实现不同区域差别透光。因此，摄像头位于液晶屏后侧获得到经过液晶屏透光处理后的图像，减小了强光处的进光量，实现曝光补偿的功能
48.基于上述内容本技术还提供了一种图像亮度曝光补偿装置的补偿方法，包括如下步骤：
49.步骤1：镜头采集物体的色彩信息，通过液晶屏传输到ccd芯片上，形成图像；
50.步骤2：ccd芯片通过usb接口将图像发送至上位机，上位机对图像进行处理得出每一个像素对应的像素值，当任意的像素对应像素值大于阈值时，获取该像素的位置，并标记为调节像素点；
51.步骤3：改变调节像素点对应液晶屏内液晶的透光量；
52.步骤4：重复步骤1至3，直至每一个像素对应的像素值均小于阈值，得到曝光补偿
后的图像。
53.下面结合附图对本发明进行详细阐述；
54.请参阅图1，如图1所示，本技术的整体硬件分为：摄像头、液晶屏和驱动板。液晶屏放置在摄像头的镜头和ccd芯片之间，液晶屏驱动板通过usb接口连接电脑，摄像头驱动板放置位置没有固定要求，通过将液晶屏放置在摄像头的镜头和ccd芯片之间可以通过控制液晶屏的灰度值控制进光量，就能从光线进入视野(摄像头)的源头处减少进光量，实现有差别、区域化的强光补偿，解决差别减弱光线的镜片，例如护目镜等镜片，即通过将全视野亮度照度降低的方式削弱强光干扰，然而这种情况极易将弱光区域转化为视野盲区的问题；
55.请参阅图2-3，如图2-3所示，对采集的到初始图像进行图像预处理，找出亮度过大的像素位置，若该像素值大于阈值，该位置像素值转换为二值化的0，小于阈值的像素值则转化为1，将处理后的图像反馈至液晶，改变每个像素位置的透光量，反复迭代，直到采集到的图像中各像素值均小于处理阈值，运行终止，得到曝光补偿后的图像。
56.下面通过实施例进行详细阐述；
57.实施例
58.采集第一张图片时，液晶不工作(完全透光)，接受强光照射的物体的色彩信息通过镜头，透过液晶，到达摄像头的ccd芯片，形成图像。
59.摄像头和pc端通过usb接口进行串口通信，采集到的图像信息经后台程序进行灰度化、图像增强、像素值阈值比较、二值化，找出图像中亮度值较高的区域或个别点，反馈到成像光通道中的液晶屏。
60.其中，进行灰度化包括，构建图片的颜色向量矩阵，将每个像素的颜色颜色向量矩阵按照如下计算，得出灰度化后的颜色向量矩阵；
61.灰度化后的r＝处理前的r*0.3 处理前的g*0.59 处理前的b*0.11；
62.灰度化后的g＝处理前的r*0.3 处理前的g*0.59 处理前的b*0.11；
63.灰度化后的b＝处理前的r*0.3 处理前的g*0.59 处理前的b*0.11；
64.其中，进行图像增强包括，
65.计算灰度化后的图像中每种灰度值的像素点个数，灰度值最小为0，灰度值最大为255；计算所有像素点的总灰度平均值mean0；将图像中的所有像素点按照灰度值大小进行分类，灰度值小于总灰度平均值mean0的像素点归为第一像素点集合，灰度值大于或等于总灰度平均值mean0的像素点归为第二像素点集合；计算第一像素点集合中所有像素点的第一灰度平均值mean1；计算第二像素点集合中所有像素点的第二灰度平均值mean2；将第一像素点集合中的所有像素点按照灰度值大小进行分类，灰度值小于第一灰度平均值mean1的像素点归为第三像素点集合，灰度值大于或等于第一灰度平均值mean1的像素点归为第四像素点集合；将第二像素点集合中的所有像素点按照灰度值大小进行分类，灰度值小于第二灰度平均值mean2的像素点归为第五像素点集合，灰度值大于或等于第二灰度平均值mean2的像素点归为第六像素点集合；计算第三像素点集合中所有像素点的第三灰度平均值mean3；计算第四像素点集合中所有像素点的第四灰度平均值mean4；计算第五像素点集合中所有像素点的第三灰度平均值mean5；计算第六像素点集合中所有像素点的第四灰度平均值mean6；将第三像素点集合中的所有像素点的灰度值进行拉伸，即将所有灰度值小于
第三灰度平均值mean3的像素点的灰度值一一映射到0至31之间，将所有灰度值大于或等于第三像素平均值mean3的像素点的灰度值一一映射到32至63之间；将第四像素点集合中的所有像素点的灰度值进行拉伸，即将所有灰度值小于第四灰度平均值mean4的像素点的灰度值一一映射到64至95之间，将所有灰度值大于或等于第四像素平均值mean4的像素点的灰度值一一映射到96至127之间；将第五像素点集合中的所有像素点的灰度值进行拉伸，即将所有灰度值小于第五灰度平均值mean5的像素点的灰度值一一映射到128至159之间，将所有灰度值大于或等于第五像素平均值mean5的像素点的灰度值一一映射到160至191之间；将第六像素点集合中的所有像素点的灰度值进行拉伸，即将所有灰度值小于第六灰度平均值mean6的像素点的灰度值一一映射到192至223之间，将所有灰度值大于或等于第六像素平均值mean6的像素点的灰度值一一映射到224至255之间；根据上述步骤得到的各像素点的灰度值生成增强以后的图像。
66.其中，像素值阈值比较包括：
67.获取图像增强后的图片，并提取图片内每一个像素的像素值，像素值最小为0，灰度值最大为255；
68.将像素值与预设像素值进行比较，并将比较结果进行二值化处理，其中，获取大于阈值的像素的位置，并将该位置的像素值转换为二值化的0，反之，则转化为1。
69.将图片灰度化处理后，对液晶屏内液晶进行唯一编码，其中，每个唯一编码均只对应唯一一个液晶，将图像映射在液晶屏上，获取调节像素点对应的唯一编码。
70.(2)其后，通过labview软件或c 、python等，驱动板控制液晶屏改变每一个液晶分子的灰度值：亮度过高的像素点位置，在液晶中对应显示出像素值较低的暗点，从而改变单个点透光量，具体的，将二值化处理后的图像映射在液晶屏上，获取图像像素值为0的液晶，调节图像像素值为0的液晶的透光量，通过labview软件或c 、python改变驱动板加载在液晶外侧外加电场的电压或电流，进而通过外加电场使得液晶配合翻转，改变液晶的透光量，实现灰度值调节，并且在本实施例中，透光量与与所述外加电场的电流信号的值或电压信号的值呈正相关或逆相关。
71.(3)对于放置在液晶屏后的摄像头，得到液晶屏处理后的图像已减小强光处的进光量且不改变其他区域的进光量，以实现曝光补偿的效果。
72.请继续参阅图4-5，如图4-5所示，通过本技术补偿前后图像的亮度变化，可以清晰地看出，盒子上的强光区域的光线能够被补偿，补偿后可以看请原强光部分的字体。
73.综上，相比于以往对强光的补偿方法如软件上对采集到图像的图像处理算法、或者是硬件上的无差别全视野消弱进光量的镜片，本技术将软硬件结合，通过控制液晶屏的灰度值控制进光量，就能从光线进入视野(摄像头)的源头处减少进光量，实现有差别、区域化的强光补偿。
74.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
75.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性
或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
76.对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义；以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。