高性能数码相机自动曝光算法研究与实现

论文摘要

论文详细分析和讨论了数码相机自动曝光算法的原理,对现有的算法进行了评估分析,进而提出了两种新颖的算法,并且对其进行了系统实现和测试。论文首先阐述了数码相机自动曝光成像的理论基础,包括:图像获取过程中对光信号和电信号进行处理的理论推导,自动曝光算法的基本标准和影响曝光结果的三个主要参数(曝光时间、光圈大小和增益)的作用原理,以及自动曝光算法的典型执行流程。在对现有的自动曝光算法进行广泛调研的基础之上,论文对这些算法进行了归类总结,并针对现有算法存在的缺陷,提出了两种新的自动曝光算法:一种是直接设置的基本自动曝光算法,它运用了一个经推导得到的调节方程,根据当前图像的亮度信息和曝光参数直接计算出在当前照度下能够产生目标亮度的曝光参数,提高了在普通光照条件下自动曝光算法的执行速度。另一种是对图像进行动态分区的自动曝光算法,用以在特殊光照条件下(背光或强正面光),对图像的主体进行曝光补偿。现有的基于直方图的算法不能同时补偿以上两种光照条件,而基于固定分区的算法又不能够准确反映图像的实际信息。论文提出的二维搜索策略利用场景中存在的连续亮度区域,对图像进行动态分区得到主体和背景的准确信息,并且根据两者之间的对比度对曝光的目标亮度进行补偿。该算法能够同时处理以上两种特殊光照条件,并且不受主体所处的位置的影响。以上两种算法都是在本研究所建立的算法评估平台上进行开发仿真的。论文随后介绍了以上两种算法的系统实现。算法的实现基于软件和硬件协同工作的机制。硬件部分负责实时图像数据统计,采用Verilog HDL语言描述,综合后下载至FPGA实现;软件部分则对算法流程进行控制,采用C语言进行编程,编译后在ARM微控制器上实现。硬件和软件之间采用APB总线作为接口。充分考虑电路的重复利用,采用了多种合理的设计策略,成功设计了一个能够同时服务于自动曝光和自动白平衡的数据统计引擎,节省了运算单元和状态控制模块的硬件消耗。论文搭建了一个由多种仪器设备组成的测试平台,在变换光源和拍摄场景的情况下对算法进行了测试验证,获得了大量有价值的测试数据。结果显示算法能够达到预期的性能。最后,论文对如何进一步提高算法的性能进行了展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 数码相机自动控制的基本原理
• 1.1.1 自动曝光
• 1.1.2 自动白平衡
• 1.1.3 自动聚焦
• 1.1.4 面部识别
• 1.2 论文的主要工作
• 1.3 主要创新点
• 1.4 论文的组织结构
• 第二章 自动曝光算法原理及现有算法评估
• 2.1 曝光成像系统原理
• 2.1.1 光信号流水线
• 2.1.2 电信号流水线
• 2.2 自动曝光原理
• 2.2.1 自动曝光的标准
• 2.2.2 影响曝光的参数
• 2.2.3 自动曝光的流程
• 2.3 现有的自动曝光算法
• 2.3.1 基本的自动曝光算法
• 2.3.2 先进的自动曝光算法
• 2.3.3 其它的自动曝光算法
• 2.4 自动曝光评估平台
• 2.4.1 自动曝光的评估方法
• 2.4.2 自动曝光评估平台
• 2.4.3 对图像数据的分析
• 2.4.4 算法评估结果举例
• 第三章 自动曝光算法研究开发
• 3.1 一种直接设置的自动曝光算法
• 3.1.1 算法开发
• 3.1.2 算法仿真
• 3.2 一种动态分区的自动曝光算法
• 3.2.1 算法开发
• 3.2.2 算法仿真
• 第四章 算法实现与系统测试
• 4.1 设计实现概述
• 4.2 系统软/硬件划分
• 4.3 软/硬件设计
• 4.3.1 硬件结构设计与实现
• 4.3.2 控制软件设计与实现
• 4.4 系统测试
• 4.4.1 测试环境介绍
• 4.4.2 测试结果及分析
• 第五章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢