基于图像熵的自动曝光设计

到最佳的观察效果，如图 4 中的三种情况。
在图 4 的（a）和（b）两种情况下，背景占据
了整个 CCD 靶面的绝大部分，几乎淹没了目标，
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长春理工大学学报（自然科学版）
2009年
图 3 目标背面 Fig.3 Goal back
(a)
(b)
(c)
图 4 目标和背景之间的关系
Fig.4 The relationship between goals and background
测量值 1
0" 50" 70" 0" 50" 75" 0" 55" 65" 0" 55" 65" 0"
测量值 2
0" 60" 75" 0" 55" 70" 0" 55" 70" 0" 60" 70" 0"
测量值 3
0" 50 70" 0" 50" 75" 0" 55" 65" 0" 55" 65" 0"
4 结论
本设计基于后一级码盘与前一级码盘之间通过
齿轮系连接起来，同时后一级编码器与前一级编码 器通过校正码道衔接在一起，消除了齿轮系带来的 传动误差，提高测量精度，采用两级码盘记录圈数 可以放宽齿轮系加工要求，缩小编码器尺寸，降低 制造成本。通过增加齿轮系和编码器的数量可以测 量更多的圈数，因此该绝对式多轴联动测角测圈编 码器有很好的应用前景。
2009年
由表可知该编码器的精度为 75"（峰-峰值），达到 了设计要求。
表 1 绝对式三轴联动多圈编码器精度测量值 Tab.1 Measuring value of absolute three axes linka-
ge multiloop encoder
转动角度
0° 30° 60° 90° 120° 150° 180° 210° 240° 270° 300° 330° 360°
（1）假设各像素和各灰度是统计独立的，而 且不考虑像素的几何位置，Shannon 熵为信息熵：
=
log
（6）
=0
（2）把图像的 MN 个像素位置每个看作为一
个陷阱，光子以不同概率独立地投人陷阱中，因而
每个像素表现出不同灰度，即亮度。设灰度与落入
该陷阱的光子数成正比，又设投射到整幅图像的光 子数为 ，则在 ， 位置陷阱的光子数概率为：
虽然图像熵可以反映图像明暗的程度，但在随 后的实验中发现，经纬仪采集到的图像不完全是静 止的，它的目标是在不断运动，不断改变方向的。 当用自动调光的方法来处理时会产生如下结果：
图 1 目标正面
图 2 目标侧面
Fig.1 Goals positive
Fig.2 Target side
在图像 1 和图像 2 中可以清楚的发现目标。图
第32卷第1期 2009年3月
长春理工大学学报（自然科学版）
Journal of Changchun University of Science and Technology（Natural Science Edition）
Vol.32 No.1 Mar. 2009
基于图像熵的自动曝光设计
行长印，毛亚杰，杨立宏
图 7 软件示意图 Fig.7 Sketch of software
图 8 是在经纬仪上采集到在不同曝光时间下的 同一物体图像信息，经过计算发现：
四幅图像熵计算分别 1=5.6315， 2=4.1713， 3=4.7919， 4=5.2190。
（下转第 10 页）
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长春理工大学学报（自然科学版）
针对背景调光提出以下自动调光的方案：在视
图 6 爬坡算法示意图 Fig.6 Sketch of climbing algorithm
利用 VC6.0 变成实现其中图像信息熵由公式 （6）计算，图像灰度熵由公式（7）得来。经过大 量的实验，验证，只有最大信息熵才能最好的反应 图像的清晰度，本系统可以达到快速调整曝光时间 的效果。
灰度熵在一定程度上可以表征图像的锋利程度。
对于一幅 NXN 大小的图像，其总能量可表示
为=
， ，同时
=0 =0
=
， ln ，
（8）
°0 °0
由于 的结构类似于信息论中熵的表示法，所以称它
为图像的熵，根据山农信息论原理，熵最大时信息量
最多，将此用于调光过程中，当 一定时， 最大，二
维图像最清晰。
2 设计方案
收稿日期：2008 10 11 基金项目：海军基地装备研制项目 作者简介：行长印（1981 ），男，硕士研究生。主要从事智能结构系统与测量自动化的研究，E-mail： xingjunfeng@。
第1期
行长印，等：基于图像熵的自动曝光设计
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必须要有一个精密的自动调光系统来保证摄像机靶 面的照度恒定，不受目标姿态和背景变化的影响。 从而提高电视图像的清晰度和对比度。也就提高了 有效的作用距离。
是否是最大的熵值，直至图像最清晰，调光结束。
图 5 自动调节曝光时间方案框图 Fig.5 Frame of automatic adjustment exposure time
图 5 中字母标识了搜索过程中的移动顺序，a~ b 为测试爬山方向，经测试后参考方向取反；b~e 为 搜索极点区域，确定的极点区域为［e，g］，此时 评价函数最大值“脚印”为 d 点；e~j 为极点区域 内收敛过程，第一次收敛到 f 点，F（f）<F（d）， 确定的极点区域为［f，g］，之后分别从 f，g 两侧 搜索极点。缩小极点区域直至收敛到极点 j。
而会降低欲观察目标的成像效果．因此，图像熵的 提取成为能否获得最佳的成像照度的关键环节。
所以首先应该把目标和背景进行分离，当背景 没有变化时，就不应该改变曝光时间，当背景发生 改变时，来调整曝光时间，那么就需要从视频信号 中把被跟踪目标的信号提取出来用背景的熵进行调 光。该信号能不随着目标的姿态、位置变化而变 化，可以达到自动调光的精度要求。
1 工作原理
1.1 调光与曝光时间的关系
曝光量是用来计算从景物到达 CCD/CMOS 光
通量大小的物理量。拍摄时，只有使感光芯片 CCD/
CMOS 获得正确的曝光，才能获得高质量的照片。
曝光过度，照片看起来就太亮；曝光不足，照片看
起来就太暗。曝光量代表光敏面所接收到的总辐射
量 ，它是光敏面所受光照度 和曝光时间 的乘积
（长春理工大学 光电工程学院，长春 130022）
摘 要：现有的自动爆光控制方法需要 CPU 占用大量的时间来处理图像和查找相应的数据库。不适合应用于高速
ห้องสมุดไป่ตู้
CCD 的爆光控制。本文提出了一种利用图像熵来快速判断图像模糊程度的新算法，根据熵值所在的不同范围，通
过爬坡算法来调整爆光时间，从而达到控制爆光量。
像 3 中，飞机转头，把尾部对向镜头的时候整个图
像采集下来的只有两个信号灯，目标丢失。
产生这样问题的原因，是由于对全视场取熵的
结果，在图像 1 和图像 2 中整个图像的图像灰度分
布均匀，没有特别亮的点，但在图像 3 中信号灯非 常的亮，把整个图像的熵给拉了起来。无法能使观
察的目标在 CCD 摄像机上照度值适中，因而达不
无论是亮背景还是暗背景，显然取图像熵结果，都
将以背景为主，目标不会达到最佳的成像照度．在
（c）情况下虽然目标面积上很大，但由于局部区
域的照度很高其对应的视频输出的信号幅值也很
高，取图像熵结果仍将受到很大的影响，当然影响
到目标的成像质量．可见，在这些特殊情况下，传
统的自动调光方法，不仅没能起到应有的作用，反
自 60 年代以来，我国研制的各种型号的靶场 电影经纬仪，均有自动调光系统。但当时采用的自 动调光方法是把光敏电阻放在光学系统的光路中。 把光敏电阻接收到的光信号转换成电信号，与标准 电压进行比较，用得到的差值信号去控制电机带动 密度盘转动。使摄影机得到较为合适的通光量。从 70 年代中期开始，靶场光测仪器开始装备跟踪测量 电视系统。实现了自动跟踪和实时测量。电视系统 对自动调光的要求比摄影系统更高了，用原来的光 敏电阻方法很难将图像调到最佳。因为光敏电阻的 光电转换精度有限，动态性能差，并且这种方式是 开环的局部的背景调光，不能把电视摄像机输出的 视频信号调到最佳，这就要影响电视跟踪系统的作 用距离。另外，过去的调光都是采用分立元件，模 拟信号经过放大驱动直流电机转动，很难保证电视 调光的精度要求。现在的跟踪测量电视自动调光系
3 试验结果
频采集的过程中，同时记录采集到的图像熵值，当 发现图像模糊时，点击自动调光（属于人机交互过 程），判断图像熵所在的范围，快速查找曝光时间 表，来调整曝光时间（粗调整）， 同时再采集下一 幅图像判别，利用爬坡算法精确定位（细调整），
软件界面如下所示：在灰度直方图中，明显有 两个波峰，整个图像的熵 1=5.6051967 进行阈值分 割后，仅采样背景的熵 2=3.99196。基本符合图像 最大熵的要求，不需要调光。
（3）
入射瞳孔直径 与可变光阑孔径 之间关系为
=
（4）
式中 为可变光阑通过它前边的光学透镜组成像时
的垂轴放大率，所以有
=2
（5）
式中 是与物镜焦距、透过率及入瞳和光阑的垂轴放
大率有关的常数。由此可见调节曝光时间是一种有
效的调光的手段。
1.2 图像熵
图像作为一个二维信源，处于不同位置的像素 取不同的灰度和颜色，图像灰度级 =2 ，像素灰度 用 表示，若 为各灰度级出现的概率，则熵的两 种定义形式分别为：