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技术领域

本发明涉及智能交通技术领域，提供一种车载相机的自动曝光方法及系统。

背景技术

随着生活水平的提高和人们生活节奏的加快，车辆越来越普及，交通运输的压力也因此空前增大，汽车的主动安全的问题逐渐成为人们关注的焦点。

无人车的提出就是基于这一需求而来的，无人车集自动控制、体系结构、人工智能、视觉计算等众多技术于一体，是计算机科学、模式识别和智能控制技术高度发展的产物，也是衡量一个国家科研实力和工业水平的一个重要标志，在国防和国民经济领域具有广阔的应用前景。

无人驾驶汽车是通过车载传感系统感知道路环境，自动规划行车路线并控制车辆到达预定目标的智能汽车。车载数字相机作为车辆道路环境感知系统的主要传感设备，受到了广泛的重视。

而自动曝光技术是车载数字相机中的一个重点技术，不同于传统的自动曝光方法是以人眼视觉作为评判标准，车载环境下的自动曝光是使机器能够自动识别目标物，如识别交通标志、红绿灯、车道线等目标物才是自动曝光的目的。

数字相机的自动曝光方法一般有硬件实现和软件实现两种办法。在数字相机出现的早期多采用硬件控制的方法，它具有控制速度快、效果佳等优点，但存在硬件设备成本高昂的缺点。随着生产技术的革新以及软件曝光算法的成熟，采用软件控制的方法能得到同样的控制效果，并且成本低廉有效地控制曝光主要有3种方法：1调整光圈，2控制电子快门，3调整放大增益。在无人驾驶车的环境感知中，后两种方法应用更为广泛。

目前，数字相机的自动曝光控制的软件方法主要有三种：

1基于图像亮度均值的自动曝光方法。

2基于图像亮度直方图的自动曝光方法。

3基于图像内容的自动爆光方法。

这3种方法各有其优缺点，但是由于车载环境的特殊环境，外界环境易变的高动态环境下，如存在逆光，道路环境复杂，路面积水等情况都不能很好满足程序要求。基于这些原因，车载平台的自动曝光方法要求有很高的适应性，高效性，强实时性和稳定性。

发明内容

不同于照相机和其他监控摄像头的曝光方法，本发明的目的是从基于车载这一平台出发，主要考虑汽车所处的环境，车况复杂多变，在不同的地段都要求准确的识别目标物，使获取的图片数据都能够较好的识别目标物如车道线、交通标志、红绿灯等；而整个系统的复杂性，分配的内存和处理时间不能过大；在高速行驶过程中，怎么快速的识别目标物，曝光程序又是整个图像识别的基石，怎样保证全程的稳定性是重中之重。

本发明技术方案提供一种车载相机的自动曝光方法，包括以下步骤：

步骤1，初始化，包括配置初始曝光时间、曝光时间调节范围、标准灰度阈值范围Gt、符合PID调节的跳变范围Gp和灰度跳变防抖动范围Gc；

步骤2，设置感兴趣区域，对每帧图像都将只针对感兴趣区域进行处理；

步骤3，启动相机，第一帧的曝光时间采用步骤1配置的初始曝光时间，在拍摄第一帧后针对感兴趣区域获取第一帧图像灰度均值，根据设定的标准灰度阈值范围Gt，进行以灰度阈值为标准的快速调节，根据调节结果设置第二帧的曝光时间，进入步骤9；

步骤4，将当前帧的图像灰度均值与前一帧的图像灰度均值进行比较，若两帧灰度均值差值ΔG变化没有超过步骤1设定的灰度抖动跳变范围Gc则保留采用当前帧的时间曝光值作为下一帧的时间曝光预估值，进入步骤9，否则进入步骤5；

步骤5，如果从当前帧图像检测到交通标志则进行基于图像熵的曝光调节，获取下一帧的时间曝光预估值，进入步骤9，否则进入步骤6；

步骤6，如果当前帧的图像灰度均值在步骤1预设标准灰度阈值范围Gt内，则直接采用当前帧的时间曝光值作为下一帧的时间曝光预估值，进入步骤9，否则进入步骤7；

步骤7，根据步骤4所得当前帧的图像灰度均值与前一帧的图像灰度均值的差值ΔG进一步判断，如果在步骤1预设的跳变范围Gp内，则进行根据灰度和曝光值比例的PID调节，获取下一帧的时间曝光预估值，进入步骤9，否则进行步骤8；

步骤8，进行利用CMOS传感器特性进行快速查表的曝光方法，获取下一帧的时间曝光预估值，进入步骤9；

步骤9，对当前所得下一帧的时间曝光预估值根据步骤1中的曝光时间调节范围进行控制，如果下一帧的时间曝光预估值大于曝光时间调节范围的最大值，则取最大值为最终确定的下一帧的时间曝光值，如果小于曝光时间调节范围的最小值，则取最小值为最终确定的下一帧的时间曝光值，如果在曝光时间调节范围内则直接设置下一帧的时间曝光预估值为最终的确定的下一帧的时间曝光值；根据最终确定的时间曝光值控制相机拍摄得到下一帧后，返回步骤4，将下一帧作为新的当前帧进行循环。

而且，步骤2中设置感兴趣区域时，去除相机镜头内下方无用的汽车机箱盖区域，顶部天空区域以及两侧边缘。

本发明提供一种车载相机的自动曝光系统，其特征在于，包括以下模块：

初始化模块，用于配置初始曝光时间、曝光时间调节范围、标准灰度阈值范围Gt、符合PID调节的跳变范围Gp和灰度跳变防抖动范围Gc；

区域划分模块，用于设置感兴趣区域，对每帧图像都将只针对感兴趣区域进行处理；

初始启动模块，用于启动相机，第一帧的曝光时间采用初始化模块配置的初始曝光时间，在拍摄第一帧后针对感兴趣区域获取第一帧图像灰度均值，根据设定的标准灰度阈值范围Gt，进行以灰度阈值为标准的快速调节，根据调节结果设置第二帧的曝光时间，命令控制模块工作；

防抖动调节模块，用于将当前帧的图像灰度均值与前一帧的图像灰度均值进行比较，若两帧灰度均值差值ΔG变化没有超过初始化模块设定的灰度抖动跳变范围Gc则保留采用当前帧的时间曝光值作为下一帧的时间曝光预估值，命令控制模块工作，否则命令图像熵调节模块工作；

图像熵调节模块，用于如果从当前帧图像检测到交通标志则进行基于图像熵的曝光调节，获取下一帧的时间曝光预估值，命令控制模块工作，否则命令标准判断模块工作；

标准判断模块，用于如果当前帧的图像灰度均值在初始化模块预设标准灰度阈值范围Gt内，则直接采用当前帧的时间曝光值作为下一帧的时间曝光预估值，命令控制模块工作，否则命令PID控制调节模块工作；

PID控制调节模块，用于根据防抖动调节模块所得当前帧的图像灰度均值与前一帧的图像灰度均值的差值ΔG进一步判断，如果在初始化模块预设的跳变范围Gp内，则进行根据灰度和曝光值比例的PID调节，获取下一帧的时间曝光预估值，命令控制模块工作，否则命令CMOS传感器调节模块工作；

CMOS传感器调节模块，用于进行利用CMOS传感器特性进行快速查表的曝光方法，获取下一帧的时间曝光预估值，命令控制模块工作；

控制模块，用于对当前所得下一帧的时间曝光预估值根据初始化模块中的曝光时间调节范围进行控制，如果下一帧的时间曝光预估值大于曝光时间调节范围的最大值，则取最大值为最终确定的下一帧的时间曝光值，如果小于曝光时间调节范围的最小值，则取最小值为最终确定的下一帧的时间曝光值，如果在曝光时间调节范围内则直接设置下一帧的时间曝光预估值为最终的确定的下一帧的时间曝光值；根据最终确定的时间曝光值控制相机拍摄得到下一帧后，返回命令防抖动调节模块工作，将下一帧作为新的当前帧进行循环。

而且，区域划分模块中设置感兴趣区域时，去除相机镜头内下方无用的汽车机箱盖区域，顶部天空区域以及两侧边缘。

本发明综合需要考虑的各种情况，为了解决全图扫描耗时过慢，部分区域可以通过划分区域去掉从而节省扫描时间，采用划分区域结合交通标志检测模块进行分区域曝光，快速性是车载平台要求之一，所以在初始调节的时候采用结合CMOS传感器的感光特性来进行快速调节，同时采取一个灰度阈值范围来进行辅助调节，并加上了灰度变化范围，防止大范围的跳变带来的图像抖动。

并且，基于灰度阈值来进行调节的曝光方法，调节速度快，但是准确性不高，在某些特殊情况下曝光数值不是很理想，但是由于车载平台的快速性要求，所以采用此种方法进行大范围的调节，特殊情况中采用图像熵模块调节。对于逆光或者顺光的情况一直是车载自动曝光的难点所在，引入图像熵的评价调节对逆光的条件下对目标物进行更加准确的曝光调节。

因此，本发明具有以下有益效果：

1、曝光具有很强的实时性，性能能够达到20帧/秒。

2、车载相机在顺逆光的转换情况下能够很快地识别并进行快速地反应曝光值。

3、在一些特殊的情况中，如通过桥洞前后，路面积水严重等的场景中也表现出来很强的适应性。

4、在识别交通标志牌的时候由于加入了图像熵的元素，从而使识别率上升。

5、整个流程在时间复杂性和空间复杂性上都很精简，减少了占用总系统的内存和消耗的时间。

附图说明

图1是本发明实施例的流程图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

参见图1，本发明实施例的车载相机的自动曝光方法工作流程如下：

步骤1，初始化：具体实施时，可以输入配置文件，包括初始曝光时间，曝光时间调节范围，标准灰度阈值范围Gt，符合PID调节的跳变范围Gp，灰度跳变防抖动范围Gc。所述PID是比例积分微分调节。本领域技术人员可以自行预设初始曝光时间和曝光时间调节范围、范围Gt/Gp/Gc的上下限取值。具体实施时，本领域的技术人员还可以自行进行其他方面的初始设定，例如增益的初始设定，以及相机的各个参数设置，一般包括巨帧的关闭，IP的配置，帧数的设置，白平衡调制，硬件设置为固定光圈数。

步骤2，划分区域：设置ROI(感兴趣区域)。

车载相机的具体功能并不是全部采景，车载相机只需要识别既定的目标就可以，而这些目标一般都分布在图像的各个区域，所以可采用区域曝光的策略，不仅减少的耗时，也保证了曝光调节的准确性和高效性。进行感兴趣区域的选取时，本领域技术人员可自行预设选取原则，建议去除相机镜头内下方无用汽车机箱盖区域，顶部天空区域以及两侧边缘，最后行成一个倒梯形区域。为预估曝光值，后续获取的帧图像都是只针对此感兴趣区域进行处理。具体实施时，可以预先设置区域遍历函数，供流程调用提取感兴趣区域；或者由用户自行手动选取感兴趣区域。

步骤3，启动相机，第一帧的曝光时间是采用步骤1配置的初始曝光时间，在拍摄第一帧后获取第一帧图像灰度均值(只针对感兴趣区域提取灰度均值，后续其他帧同样)，根据设定的标准灰度阈值范围Gt，进行以灰度阈值为标准的快速调节，根据调节结果设置得到第二帧的曝光时间，进入步骤9。

具体实施时，以灰度阈值为标准的快速调节具体实现可参见：赵芳，栾晓明，孙越等。基于灰度图像的曝光量估计方法[J]。应用科技,2009。此步骤实现也属于初始准备工作，图1省略了相关内容。

步骤4，防抖动调节：将当前帧的图像灰度均值与前一帧保留的图像灰度均值进行比较，两帧灰度均值差值ΔG变化没有超过步骤1设定的灰度抖动跳变范围Gc则保留采用当前帧的时间曝光值作为下一帧的时间曝光预估值，跳至步骤9。否则进入步骤5，开始进行分块调节。

由于第一帧的曝光时间是配置直接设定的初始曝光时间，第二帧是根据步骤3快速调节和步骤9控制所得结果，所以从第三帧开始，当前帧的图像灰度均值与前一帧保留的图像灰度均值进行比较，例如，第一次执行步骤4时，当前拍摄所得帧为第二帧，要确定曝光时间的下一帧为第三帧，目标为估计第三帧的曝光时间值，则将当前第二帧的图像灰度均值与第一帧保留的图像灰度均值进行比较。后续返回执行步骤4的方式相同。

不同于平时家用摄像头的摄像，在车载平台中，由于道路环境多变，外部情况复杂，所以曝光调节的数值并不是一个固定值，反而会在一个区域内不断的变化，而这种变化有时又会因为一个极短时间的跳变，如摄像头镜头被树荫遮挡而产生跳变，图像可能会产生忽明忽暗的变化，为了防止这种情况的发生，加入了防止抖动的调节限制，从而保证图像采集的稳定性。

步骤5，图像熵调节：如果从当前帧图像检测到交通标志则进行基于图像熵的曝光调节，获取下一帧的时间曝光预估值，跳至步骤9。如果没有检测到则进入步骤6。

具体实施时车道线、交通标志、红绿灯等检测可采用相关现有技术，本发明只涉及曝光控制实现。基于图像熵的曝光调节可参见：杨作延，阮萍，翟波等。基于图像熵的高动态范围场景的自动曝光算法[J]。光子学报，2013。

步骤6，如果当前帧的图像灰度均值在步骤1预设标准灰度阈值范围Gt内(即)则直接保留采用当前帧的时间曝光值作为下一帧的时间曝光预估值，跳至步骤9。如果超出则进入步骤7。

步骤7，PID控制调节：根据步骤4所得当前帧的图像灰度均值与前一帧的图像灰度均值差值ΔG进一步判断，如果差值较小符合预设的跳变范围Gp(即)，即还在可以精确调控的范围内，则进行根据灰度和曝光值比例的PID调节方法，获取下一帧的时间曝光预估值，跳至步骤9。如若超过精确调节范围过大，则进行步骤8。

具体实施时，根据灰度和曝光值比例的PID调节具体实现可参见：陈善伟,侯德鑫,叶树亮等.打火机火焰图像分析中的快速自动曝光方法[J].计算机工程,2011,37(23):200-202。

步骤8，基于CMOS传感器调节：因为当前帧与前一帧对比跳变过大，则利用CMOS传感器特性进行快速查表的曝光方法，达到快速锁定曝光范围的效果，获取下一帧的时间曝光预估值，进入步骤9。

具体实施时，利用CMOS传感器特性进行快速查表的曝光方法具体实现可参见：VuongQK,YunSH,KimS.AnewautoexposuresystemtodetecthighdynamicrangeconditionsusingCMOStechnology[C].2008ThirdInternationalConferenceonConvergenceandHybridInformationTechnology,Busan2008:577-580.

步骤9，曝光阈值范围控制：对当前所得下一帧的时间曝光预估值根据步骤1中的曝光时间调节范围进行控制，如果下一帧的时间曝光预估值大于曝光时间调节范围的最大值，则取最大值为最终确定的下一帧的时间曝光值，如果小于曝光时间调节范围的最小值，则取最小值为最终确定的下一帧的时间曝光值，如果在曝光时间调节范围内则直接设置下一帧的时间曝光预估值为最终的确定的下一帧的时间曝光值，据此控制相机拍摄得到下一帧后，返回步骤4开始将下一帧作为新的当前帧进行循环，可自动进行直到用户要求停止。

为证明本发明效果，可对各方法进行测试，依据耗时及帧率来判断效果，测试表格如下：

各方法测试依据耗时及帧率来判断效果，测试表格如下：

可见本发明所提供方法提高识别率的效果显著，并且耗时不会延长。

具体实施时，本发明所提供方法可以采用软件技术实现自动运行，也可以采用模块化方式提供相应系统。本发明实施例还提供一种车载相机的自动曝光系统，包括以下模块：

初始化模块，用于配置初始曝光时间、曝光时间调节范围、标准灰度阈值范围Gt、符合PID调节的跳变范围Gp和灰度跳变防抖动范围Gc；

区域划分模块，用于设置感兴趣区域，对每帧图像都将只针对感兴趣区域进行处理；

初始启动模块，用于启动相机，第一帧的曝光时间采用初始化模块配置的初始曝光时间，在拍摄第一帧后针对感兴趣区域获取第一帧图像灰度均值，根据设定的标准灰度阈值范围Gt，进行以灰度阈值为标准的快速调节，根据调节结果设置第二帧的曝光时间，命令控制模块工作；

防抖动调节模块，用于将当前帧的图像灰度均值与前一帧的图像灰度均值进行比较，若两帧灰度均值差值ΔG变化没有超过初始化模块设定的灰度抖动跳变范围Gc则保留采用当前帧的时间曝光值作为下一帧的时间曝光预估值，命令控制模块工作，否则命令图像熵调节模块工作；

图像熵调节模块，用于如果从当前帧图像检测到交通标志则进行基于图像熵的曝光调节，获取下一帧的时间曝光预估值，命令控制模块工作，否则命令标准判断模块工作；

标准判断模块，用于如果当前帧的图像灰度均值在初始化模块预设标准灰度阈值范围Gt内，则直接采用当前帧的时间曝光值作为下一帧的时间曝光预估值，命令控制模块工作，否则命令PID控制调节模块工作；

PID控制调节模块，用于根据防抖动调节模块所得当前帧的图像灰度均值与前一帧的图像灰度均值的差值ΔG进一步判断，如果在初始化模块预设的跳变范围Gp内，则进行根据灰度和曝光值比例的PID调节，获取下一帧的时间曝光预估值，命令控制模块工作，否则命令CMOS传感器调节模块工作；

CMOS传感器调节模块，用于进行利用CMOS传感器特性进行快速查表的曝光方法，获取下一帧的时间曝光预估值，命令控制模块工作；

控制模块，用于对当前所得下一帧的时间曝光预估值根据初始化模块中的曝光时间调节范围进行控制，如果下一帧的时间曝光预估值大于曝光时间调节范围的最大值，则取最大值为最终确定的下一帧的时间曝光值，如果小于曝光时间调节范围的最小值，则取最小值为最终确定的下一帧的时间曝光值，如果在曝光时间调节范围内则直接设置下一帧的时间曝光预估值为最终的确定的下一帧的时间曝光值；根据最终确定的时间曝光值控制相机拍摄得到下一帧后，返回命令防抖动调节模块工作，将下一帧作为新的当前帧进行循环。

进一步地，区域划分模块中设置感兴趣区域时，去除相机镜头内下方无用的汽车机箱盖区域，顶部天空区域以及两侧边缘。

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案，都落入本发明的保护范围。