本發明涉及一種應用于CMOS圖像傳感器的底電平自適應調節方法，該方法能夠有效彌補曝光時間范圍有限帶來的不足，除常規光照環境外，還可應用于光照強度變化范圍較大的太空環境，屬于航天光學遙感器技術領域。

背景技術：

CMOS圖像傳感器具有高集成度、低成本和低功耗等優點，有利于實現輕小型高幀頻低功耗的相機系統。目前，采用CMOS圖像傳感器的相機正廣泛應用于航空航天、國防軍事等領域。

在CMOS圖像傳感器成像過程中，曝光對圖像質量的影響很大。CMOS傳感器的像素輸出電壓由光照強度和曝光時間決定，在曝光時間固定的情況下，若光強較低，曝光時間結束時輸出信號仍然小于噪聲，造成曝光不足，會導致圖像過暗；若光強較高時，曝光時間尚未結束信號已經飽和，造成曝光過度，則會導致圖像過亮。這兩種情況都會失去圖像細節，即使在后續圖像處理過程中都難以在色彩上恢復，降低了圖像的視覺質量。自動曝光技術能夠自動調節曝光時間，使其適應入射光強的變化，以達到合適的成像效果。然而，航天遙感圖像場景具有其特殊性，圖像或者具有大面積的深空背景，或者處于強光直射情況下，場景明暗變化大，未知性強。為了獲得盡可能多的信息，高幀頻CMOS相機的應用日趨廣泛，而高幀頻則意味著傳感器曝光時間的最大值受到了相應的限制。同時，傳感器的曝光時間最小值是由控制時鐘決定的。由于曝光時間受到幀頻和時鐘的制約，即使采用了自動曝光技術，仍然會出現曝光時間范圍不能滿足環境光強變化的情況。

因此，研究一種在光照條件較為極端(過強或過弱)的場景下也能夠獲得較好成像效果的方法對于航天遙感CMOS相機具有重要的意義。

技術實現要素：

本發明的技術解決問題是：彌補曝光時間范圍有限的不足，從傳感器自身特性出發，提供了一種自適應底電平調節方法，本發明根據場景的不同，自動調節CMOS傳感器的底電平以適應入射光強的變化，對環境光照條件較為極端的場景也具有良好的成像效果，對硬件要求較低，易于移植。

本發明的技術解決方案是：

一種基于圖像特征的CMOS傳感器底電平自適應調節方法，步驟如下：

(1)劃分圖像灰度分布區間：灰度值小于等于P1的像素屬于暗區域Z0，灰度值大于等于P2的像素屬于亮區域Z1，灰度值在[P3,P4]區間的像素屬于感興趣區域Z2；

(2)分別計算Z0～Z2區域的像素個數占像素總數的比值K0～K2；

(3)根據步驟(2)得到的各區域像素個數比值，獲得底電平調整系數；

(4)由當前底電平數值乘以調整系數得出下次底電平數值；

(5)結束。

所述步驟(3)中獲得底電平調整系數的具體方法如下：

(3a)若K2大于KM，則不調整底電平，將底電平調整系數設置為C1，直接進入步驟(4)，否則進入步驟(3b)；

(3b)若K0大于K1，則進入步驟(3c)，否則進入步驟(3d)；

(3c)根據K0的值查表得到底電平調整系數，并進入步驟(4)；

(3d)根據K1的值查表得到底電平調整系數，并進入步驟(4)。

所述步驟(3c)和(3d)中所述查找表的形式均為折線,不同的像素比值對應不同的底電平調整系數，折線的橫軸表示像素比值K0或K1，縱軸表示底電平調整系數，根據不同的需求，折線的具體形式不一樣。

當所述像素比值K0大于等于A1時，對應的調整系數為2；當像素比值K1大于等于A2時，對應的調整系數為0.6；A1、A2分別用于判斷落在暗區域和亮區域的像素數目是否滿足調整要求，是根據不同需求的統計分析得到的，根據實際應用進行調整，其中0.40≤A1≤0.48，0.45≤A2≤0.52

所述閾值P1，P2，P3，P4用于界定不同灰度值的像素分別屬于不同區域，KM用于判斷落在感興趣區域的像素數目是否滿足要求，這些數值是根據不同需求的統計分析得到的，可根據實際應用進行調整，其中10≤P1≤15，228≤P2≤235，90≤P3≤98，130≤P4≤138；0.70≤KM≤0.78。

所述步驟(3a)中所述底電平調整系數C1＝1。

本發明與現有技術相比的有益效果是：

(1)本發明能夠根據場景的亮度分布特征，自適應的調節傳感器的底電平，在曝光時間范圍有限的情況下，對光照變化劇烈的場景能取得較好的曝光效果。

(2)本發明易于實現，對硬件設備要求不高，易于移植，通用性較強。

(3)本發明中的閾值、調整系數等參數均為可調參數，可根據對類似場景的統計分析得到，對不同的目標場景可采用不同的參數，提高了系統的靈活性。

附圖說明

圖1為本發明CMOS傳感器底電平自適應調節方法的流程示意圖；

圖2為本發明查找表中底電平調整系數與像素比值關系示意圖，其中a為底電平調整系數與K0關系示意圖，b為底電平調整系數與K1關系示意圖；

圖3為單一底電平設置拍攝效果圖和應用本發明的拍攝效果圖對比，其中a為單一底電平設置拍攝效果圖，b為應用本發明的拍攝效果圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的具體實施方式進行進一步的詳細描述：

如圖1所示，一種基于圖像特征的CMOS傳感器底電平自適應調節方法，包括步驟如下：

(1)劃分圖像灰度分布區間：灰度值小于等于P1的像素屬于暗區域Z0，灰度值大于等于P2的像素屬于亮區域Z1，灰度值在[P3,P4]區間的像素屬于感興趣區域Z2；

(2)分別計算Z0～Z2區域的像素個數占像素總數的比值K0～K2；

(3)根據步驟(2)得到的各區域像素個數比值，獲得底電平調整系數；

獲得底電平調整系數的具體方法如下：

(3a)若K2大于KM，則不調整底電平，將底電平調整系數設置為C1，直接進入步驟(4)，否則進入步驟(3b)；

(3b)若K0大于K1，則進入步驟(3c)，否則進入步驟(3d)；

(3c)根據K0的值查表得到底電平調整系數，并進入步驟(4)；

(3d)根據K1的值查表得到底電平調整系數，并進入步驟(4)。

通過設定一系列的閾值范圍(如P1，P2，P3，P4；KM等)，將圖像劃分為相應的區域，再統計各個區域的像素分布，合理判斷圖像的灰度層次分布，從而獲得合適的底電平調整系數，提高圖像的可辨識性。

本實施例中P1＝15，P2＝235，P3＝98，P4＝138；KM＝0.75；C1＝1。

步驟(3c)和(3d)中所述查找表的形式均為折線,不同的像素比值對應不同的底電平調整系數，折線的橫軸表示像素比值K0或K1，縱軸表示底電平調整系數，根據不同的需求，折線的具體形式不一樣，取決于想要獲得的調整效果。如圖2所示，其中，a為步驟(3c)中所述的查找表形式，折線的橫軸表示像素比值K0，縱軸表示底電平調整系數，當像素比值K0小于A1時，每個像素比值對應不同的調整系數，像素比值越大，調整系數越大，當K0大于等于A1時，對應的調整系數恒為2；圖2中的b為步驟(3d)中所述的查找表形式，折線的橫軸表示像素比值K1，縱軸表示底電平調整系數，當像素比值K1小于A2時，每個像素比值對應不同的調整系數，像素比值越大，調整系數越小，當像素比值K1大于等于A2時，對應的調整系數恒為0.6。

本實施例中A1＝0.4，A2＝0.45。

(4)由當前底電平數值乘以調整系數得出下次底電平數值。

(5)結束。

拍攝結果對比如圖3所示，對同一場景進行拍攝成像，其中圖3中的a為單一底電平設置的相機所拍攝的圖像，由于室外光照強烈，出現過曝現象，窗口部分完全飽和，圖像過于明亮，窗外的細節丟失；而圖3中的b為應用本發明算法拍攝的圖像，即使室外光照強烈也不會導致曝光過度，窗外的建筑物可見，可辨識性提高。

本發明說明書中未作詳細描述的內容屬本領域技術人員的公知技術。