基于图像熵的自动曝光设计
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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)
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。
(School of Opto-electronic Engineeting,Changchun University of Science and Technology,Changchun 130022) Abstract:The existing automatic exposure control methods occupy massive CPU time to deal with the image and look up the lorresponding database.These methods are not suitable for the exposure of high-speed CCD. A New algorithm which can quickly determine the degree of fuzzy image by the image entropy. this algo rithm can adjust the exposure time and control the exposure quantity.through the climbing algorithm. Key words:image entropy;automatic exposure;exposure time
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°
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。
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
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
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
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"
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
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
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@sohu.com。
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。
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。
统淘汰了光敏电阻的调光方式,从视频信号中提取 控制信号,把模拟信号进行数字化处理,用单片机 作为控制运算核心,用步进机作为执行元件,来达 到自动调光的目的。
电视电影经纬仪在对空中飞行目标进行电视跟 踪测量的过程中,目标的姿态和背景不断地发生变 化,电视摄像机靶面的照度也随之变化。如果飞行 目标的背景光很强,则会造成视频信号的背景电平 太高,使采集到的电视图像发白,图像对比度很 差,严重时还会因背景光太强而损坏摄像机靶面。 如果背景光较弱时,摄像机靶面的背景较暗,采集 到的电视图像就发黑、模糊不易被识别。因此没有 电视调光系统是不可能保证跟踪测量电视系统正常 工作的,更谈不上电视跟踪测量的精度。电视实时 跟踪运动目标时,为了增加电视跟踪的动态范围, 保证测量精度和跟踪的可靠性,跟踪测量电视系统
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。
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。
(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
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。
关键词:图像熵;自动曝光;曝光时间
中图分类号:TH742
文献标识码:A
文章编号:1672 - 9870(2009)01 - 0028 - 03
Design of Automatic Exposure Based on Image Entropy
XING Zhangying,MAO Yajie,YANG Lihong
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
=
(1)
一般把 表示成
=
/2
(2)
式中 为摄影成像系统的特性系数,表示系统中除相
对孔径以外影响像面照度的因子; 为景物的光亮
度; 为物镜的焦距; 为入射瞳孔直径; / 表示相
对孔径。由于系统在空气中使用,其光学系统物面
在无穷远, 可表示为
= sin2 ≈ max 式中 为光学系统透过率。
/ 2 /4
(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:
, = ,/
,
(7)
=0 =0
最近的研究证明,图像灰度熵大小即表示图像
像素点灰度分布的离散程度的大小,当计算区域内
图像像素点的灰度值变化较大时灰度熵也较大,而
当计算区域内所有图像像素点的灰度值相等时灰度
熵最小。当图像完全模糊时,像素点的灰度值分布
离散度较小,灰度熵较小,而当图像较锋利时,像
素点灰度值分布离散度大,从而灰度熵较大。所以
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ຫໍສະໝຸດ Baidu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
(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:
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