高清车辆抓拍系统的光通量控制方法

1.一种高清车辆抓拍系统的光通量控制方法，其特征在于，包括：
步骤一，初始化摄像机的参数，设定初始测光范围和测光亮度基准值表，该表存储了对于指定时间最理想的图片亮度值作为基准值、针对道路上容易出现的顺光和逆光情况分别设置顺光时间和逆光时间的测光亮度基准值；
步骤二，根据初始化后的参数采集图像，获得摄像机当前快门值、增益值、测光亮度基准值表中的测光亮度基准值和当前测光时间间隔以供光通量控制参数计算时参考；
步骤三，对于采集后的图像确定测光范围；
步骤四，对测光范围中的指定区域进行测光，计算测光亮度值；
步骤五，根据得到的测光亮度值，计算光通量控制参数；
步骤六，根据所述光通量控制参数将快门/增益值发送到采集设备，使采集设备按更新的快门和增益值进行图像采集，将开启或关闭指令发送到补光设备，并等待指定测光时间间隔后转到步骤一开始下一轮调整过程，所述采集设备为摄像机。
2.根据权利要求1的所述的方法，所述步骤三中，确定测光范围采用区域划分方法将整幅图像分割成若干个特征区域，选择任意一个或多个区域进行合并测光；并根据需要选取若干区域固化为特定的测光模式来确定特征区域。
3.根据权利要求1的所述的方法，所述步骤三中，确定测光范围采用感兴趣区域提取算法对特定的感兴趣区域进行测光。
4.根据权利要求1的所述的方法，所述步骤四中，对测光范围指定的区域进行测光为取各指定区域的亮度平均值或加权平均值。
5.根据权利要求1的所述的方法，所述步骤五中，计算光通量控制参数为将当前测光亮度值与测光亮度基准值进行比对，判断是否对外围设备进行调节；如判断不需要调节，则等待指定测光时间间隔后执行步骤一，否则计算光通量控制参数，进入步骤六，其中外围设备包括采集设备和补光设备。
6.根据权利要求5的所述的方法，所述步骤五中，比较当前测光亮度值与测光亮度基准值，如果该两者相差绝对值小于既定范围，则根据差值正负判断当前调节方向并对测光计数器进行计数；如果测光计数器的绝对值大于指定阈值，或当前测光亮度值与测光亮度基准值相差的绝对值大于既定范围，则立刻调节快门和增益，并计算新的调光时间间隔；否则等待指定测光时间间隔后执行步骤一。
7.根据权利要求6的所述的方法，所述步骤五中调节快门或增益包括：
读取采集设备的参数，判断优先调节快门或增益；
根据当前测光亮度值与测光亮度基准值相差的绝对值、快门或增益的单位调节步长计算快门或增益所需调节的幅度，得到新的快门或增益值；
对新的快门或增益值进行校验，使其不超过设置的最慢快门门限值和最大增益门限值；
当快门或增益已调节至门限值，则更换快门或增益调节的优先次序。
8.根据权利要求1的所述的方法，所述步骤六的采集设备用于采集车辆图像，补光设备为闪光灯或LED灯，用于在采集车辆图像时进行补光。

高清车辆抓拍系统的光通量控制方法\n技术领域 \n[0001] 本发明属于图像处理领域，特别地，涉及智能交通领域高清车辆抓拍系统，适用于高速公路、城市卡口等多种复杂环境下的车辆抓拍。\n背景技术\n[0002] 随着智能交通技术的不断发展，车辆抓拍系统的应用也越来越广泛。对于当前主流的车辆抓拍系统通常存在以下几个问题：(1)需要全景图和特征图两张图像才能完整表达车辆信息，并且无法清晰拍摄车内情况。(2)特征图仅考虑车牌亮度，导致夜间或光线不足时无法看清车身外形和颜色，而增强补光后，车牌又可能因曝光过度导致无法识别。(3)系统不能很好适应公路或高速路等复杂路况，得到的图像偏亮、偏暗，多云天气甚至出现忽亮忽暗的情况。(4)光通量控制的方法较差导致图像质量差，如增益过大导致图像噪点多；\n快门过慢导致无法清晰捕捉高速车辆等。(5)强逆光时，背景很亮但车牌和车身很暗，导致车牌无法识别。\n[0003] 申请号为200710050920.4的专利仅针对车牌的亮度和对比度，不适用于大场景车辆的拍摄；申请为200710053014.X的专利仅针对固定的预设场景提供了一种测光调光的方法，有一定局限性；申请号为200710119506.4的专利给出了一种补光设备的控制方法，但并不能够针对实际场景进行光通量估测、调节采集设备参数等。\n[0004] 另外，随着各种高清图像采集系统的陆续问世，更多的高清抓拍设备应用于实际道路拍摄。现有技术通常都是将车牌和人脸分成两张图像来抓拍，分别进行不同程度的曝光，存在三个问题：(1)需要大量的存储空间或更高的传输带宽。(2)需要主机有很高的处理速度。(3)运算复杂，无法在应用于嵌入式系统，光控过程需要PC机参与，多台设备联合控制复杂。\n发明内容\n[0005] 本发明提供了一种高清车辆抓拍系统的光通量控制方法，根据对特定区域进行测光的结果自动调节采集设备的快门、增益和补光设备，使任何时刻拍摄得到的图片都具有合适的曝光亮度。\n[0006] 高清车辆抓拍系统的光通量控制方法，包括如下步骤：\n[0007] 步骤1，初始化摄像机的参数，设定初始测光范围和测光亮度基准值表。\n[0008] 步骤2，根据初始化后的参数采集图像，获得摄像机当前快门值、增益值、测光亮度基准值表中的测光亮度基准值和当前测光时间间隔以供光通量控制参数计算时参考。\n[0009] 步骤3，对于采集后的图像确定测光范围。\n[0010] 步骤4，对测光范围中的指定区域进行测光，计算测光亮度值。\n[0011] 步骤5，根据得到的测光亮度值，计算光通量控制参数。\n[0012] 步骤6，根据所述光通量控制参数将快门/增益值发送到采集设备，使采集设备按更新的快门和增益值进行图像采集，将开启或关闭指令发送到补光设备，并等待指定测光时间间隔后转到步骤1开始下一轮调整过程，所述采集设备为摄像机。\n[0013] 所述步骤1中的参数初始化包括设定一套测光亮度基准值表，该表存储了对于指定时间最理想的图片亮度值作为基准值；并针对道路上容易出现的顺光和逆光情况分别设置顺光时间和逆光时间的测光亮度基准值。\n[0014] 所述步骤3中，确定测光范围采用区域划分方法将整幅图像分割成若干个特征区域，选择任意一个或多个区域进行合并测光；并根据需要选取若干区域固化为特定的测光模式来确定特征区域。\n[0015] 所述步骤3中，确定测光范围采用感兴趣区域提取算法对特定的感兴趣区域进行测光。\n[0016] 所述步骤4中，对测光范围指定的区域进行测光为取各指定区域的亮度平均值或加权平均值。\n[0017] 所述步骤5中的计算光通量控制参数为将当前测光亮度值与测光亮度基准值进行比对，判断是否对外围设备进行调节；如判断不需要调节，则等待指定测光时间间隔后执行步骤1，否则计算光通量控制参数，进入步骤6，其中外围设备包括采集设备和补光设备。\n[0018] 所述步骤5中比较当前测光亮度值与测光亮度基准值，如果该两者相差绝对值小于既定范围，则根据差值正负判断当前调节方向并对测光计数器进行计数；如果测光计数器的绝对值大于指定阈值，或当前测光亮度值与测光亮度基准值相差的绝对值大于既定范围，则立刻调节快门和增益，并计算新的调光时间间隔；否则等待指定测光时间间隔后执行步骤1。\n[0019] 所述步骤5中调节快门或增益包括：\n[0020] 读取采集设备的参数，判断优先调节快门或增益；\n[0021] 根据当前测光亮度值与测光亮度基准值相差的绝对值、快门或增益的单位调节步长计算快门或增益所需调节的幅度，得到新的快门或增益值；\n[0022] 对新的快门或增益值进行校验，使其不超过设置的最慢快门门限值和最大增益门限值。\n[0023] 当快门或增益已调节至门限值，更换快门或增益调节的优先次序。\n[0024] 所述步骤6的外围设备包括采集设备和补光设备，采集设备用于采集车辆图像，补光设备为闪光灯或LED灯，用于在采集车辆图像时进行补光。\n[0025] 所述步骤6的向外围设备发送控制命令，包括将快门/增益值发送到采集设备，使采集设备按更新的快门和增益值进行图像采集，并将开启或关闭指令发送到补光设备。\n[0026] 本发明高清车辆抓拍系统的光通量控制方法，与现有技术相比，优点在于：\n[0027] (1)本方法能够将车辆、车内人员和车牌信息进行一致性的亮度控制，在一张图像中完整显现了所有信息。不仅车牌亮度合适、能够正确识别，车身颜色、外型清楚，就连车内后座的人像也能清晰可见，降低了系统对高清图像存储和传输的要求。\n[0028] (2)本方法在光圈固定的情况下，能够灵活的设定特定区域(包括车身、路面、车内人像或其他感兴趣区域)进行测光，然后根据测光亮度对相机的快门、增益和补光设备进行自动控制，使得光通量调节工作更有针对性。\n[0029] (3)本方法利用测光计数器控制法，当图像亮度与基准值相差大于一定阈值时，立刻进行调光，确保了调光算法的及时性；而当图像亮度在小于阈值的范围内浮动时，对图像进行多次测光才进行判断，增强了调光算法的稳定性，大大降低了图像出现忽亮、忽暗的机率，也能够保证夜间测光不会受到闪光灯照明的干扰。\n[0030] (4)本方法采用优化的计算方法，降低了计算复杂度、提供了计算效率，使算法适用于嵌入式设备。这样不仅降低了对控制服务器的要求，也使得控制服务器可以轻松实现多台设备对多条车道的监控。\n[0031] (5)本方法配合图像处理算法，能够有效克服背光影响，使画面质量稳定。\n附图说明\n[0032] 图1是本发明高清车辆抓拍系统的光通量控制方法的方法流程图；\n[0033] 图2是本发明高清车辆抓拍系统的光通量控制方法中采取区域划分方法测定测光范围的示意图；\n[0034] 图3是本发明高清车辆抓拍系统的光通量控制方法中采用模式选择方法和感兴趣区域提取算法测定测光范围的示意图；\n[0035] 图4为本发明高清车辆抓拍系统的光通量控制方法中快门或增益的调节过程的流程图；\n[0036] 图5是本发明高清车辆抓拍系统的光通量控制方法中多台嵌入式设备分别独立设置补光设备的示意图；\n[0037] 图6是本发明高清车辆抓拍系统的光通量控制方法中多台嵌入式设备共用补充设备的情况的示意图。\n具体实施方式\n[0038] 下面通过实施例，并结合流程图和方框图对本发明进一步具体的说明。\n[0039] 本实施例中，采用嵌入式平台DM642芯片，采集设备采用200万像素的高分辨率CCD，补光设备采用闪光灯或LED灯。在实际道路车辆行进方向的正上方安装有高清抓拍系统和补光设备，角度对准抓拍时车辆可能行驶的区域。如用一部摄像机同时抓拍两条车道时，摄像机对准两条道路的中间。\n[0040] 本方法实施流程图如附图1所示。\n[0041] 步骤一：参数初始化。图像采集前，对测光基准值进行合理的设置。针对天气、气候和道路情况合理设置基准值，这些值保存在如表1所示的测光亮度基准值表里，以供光通量控制系统参考。默认的初始测光范围也被初始化。\n[0042] 表1测光亮度基准值表\n[0043] \n 亮度基准值 起始时间 结束时间\n 120(顺光) 8:00 9:00\n 140(一般情况) 9:30 16:00\n 170(逆光) 16:00 17:30\n[0044] 本实施例中，对于一条东西向的道路，车辆自西向东行驶。测光范围为全景测光，即包括对车身和路面的测光。当早上太阳逐渐升起时，阳光直射车身正面，车窗和车牌的亮度较高，路面亮度较低，为保证车身亮度合适应设置较低的亮度基准值值为120。随着太阳逐渐上升，车身和路面的亮度均匀，亮度基准值可设为140。当太阳慢慢西沉，阳光从车身后向车前直射，车窗和车牌亮度不足，路面亮度较高，应设置较高的亮度基准值为170。对未设置的时间区域，系统采用默认亮度基准值120。\n[0045] 步骤二：采集高清图像。本实施例中，高清图像的采集工作采用200万像素的高分辨率CCD作为采集设备完成。图像采集时，系统将获得CCD的快门值、增益值、参考基准值和当前测光时间间隔以供光通量控制参数计算时参考。\n[0046] 本实施例中，快门值初值为1/600、增益值初值为2dB，参考基准值查阅当前时间在测光亮度基准值表中对应的值，测光时间间隔初值为3s。图像由高分辨率CCD采集后送入嵌入式处理器进行处理。\n[0047] 步骤三：确定测光范围。可采用区域划分方法，将整幅图像被分割成若干个特征区域，可选择任意一个区域或多个区域进行合并测光。本实施例中，将分辨率为1600×1200的图像均匀的分为12个400×400的区域，如附图2所示。区域测光范围可以是区域1至区域12中的任意一个区域或多个区域。\n[0048] 确定测光范围也可采用模式选择方法，即根据需要将范围的选择固化为几种常用的测光模式如道路测光模式、天空测光模式、路面左右两侧测光模式或车辆测光模式。例如，选择道路测光模式时，如附图3中的点划线所示，道路在图像中所处位置将被确定，其中，道路中间位置区域和道路与周围环境相邻边界区域将被选定。\n[0049] 确定测光范围也可采用感兴趣区域选择方法，即使用感兴趣区域提取算法对指定感兴趣区域进行测光。当对车辆亮度感兴趣时，选择车辆轮廓提取算法，如附图3中的白色方框所示，对车辆轮廓区域进行标定和平均亮度计算。当选用感兴趣区域为测光范围选择方法，不论是顺光或者逆光情况，只需固定感兴趣区域的测光亮度基准值，即可保持车身亮度的基本恒定。\n[0050] 步骤四：计算指定区域的亮度值。计算指定区域的测光亮度可以是求取指定区域的亮度平均值，也可是指定区域中子区域与其加权系数之积的加权平均数。本实施例中，采用加权平均值确定测光亮度值，道路的权值为0.2，道路与两侧树木相邻处的权值为0.05。\n[0051] 采用区域划分法，重点区域为图像中下部分，即区域6、区域7、区域10和区域11。\n测光亮度值可为四个区域亮度的平均值，或者四个区域分别乘以相应的加权系数后相加的加权。\n[0052] 根据需要选取若干区域固化为几种测光模式来确定特征区域，采用道路测光时，当道路主要为区域6、区域7、区域10、区域11，道路与两侧树木相邻处为区域5、区域8、区域9和区域12。道路测光的结果为：\n[0053] 测光亮度值＝(区域6亮度+区域7亮度+区域10亮度+区域11亮度)×0.2+(区域5亮度+区域8亮度+区域9亮度+区域12亮度)×0.05。\n[0054] 本实施例中，测光亮度值为120dB。\n[0055] 步骤五：根据测光结果，判断是否需要进行调光，如调光，则计算光通量控制参数。\n具体是将测光亮度与基准值进行比较，判断是否对采集设备或补光设备进行调节。如判断不需要调节，则等待指定测光时间间隔后重新进行测光操作，否则继续执行计算光通量参数步骤，对光通量控制参数进行调整。\n[0056] 具体过程包括以下5个环节：\n[0057] (1)从步骤1中的测光亮度基准值表中读取当前时间的测光亮度基准值，以供调光参考。\n[0058] (2)更新调光计数器，并进行调光判断。为了保证调节的稳定性，使用测光计数器。\n在本实施例中，比较步骤四得到的当前测光亮度值与测光亮度基准值，当两者差值的绝对值大于本实示例中规定的既定范围30时，立刻进行调光，调节采集设备的快门和增益，进行步骤(3)；\n[0059] 当前测光亮度值与测光亮度基准值的差值绝对值小于既定范围30时，根据差值正负判断当前应该正向调节或是反向调节，对测光计数器进行加1或减1操作：当前测光亮度值与亮度基准值的差值为正时，正向调节，将测光计数器不断加1；当前测光亮度值与亮度基准值的差值为负时，反向调节，将测光计数器不断减1。且当测光计数器的绝对值大于本实施例中设定的指定阈值5时进行调光，调节采集设备的快门和增益，进行步骤(3)；否则，表明不需要进行调光，等待指定测光时间间隔后执行步骤一，进行下一轮的调整过程。\n[0060] (3)计算合适的测光时间间隔。根据当前测光值与基准值的差值判断适当的增加或减少测光操作的时间间隔。本实施例中，测光时间间隔初值为3s，测光值和基准值相差大于30时，测光时间间隔将缩短为0.5s；当测光值和基准值相差范围小于30后，测光时间将恢复为3s。\n[0061] (4)光通量控制参数调节。本实施例中，测光计数器绝对值大于指定阈值5时，计数器将被清零，并开始调节快门或增益。如附图4所示，快门或增益的调节过程又包括3个环节：\n[0062] 读取当前采集设备的参数，判断优先调节快门或增益。通常默认优先调节快门。\n[0063] 计算新的快门或增益值。根据当前测光亮度与基准值相差绝对值、快门和增益的单位调节步长，计算采集设备的快门和增益所需调节的幅度，快门和增益的调节幅度分别由其调节步长和测光亮度差值共同决定。调节步长越大，调节的幅值越大；测光亮度差值越大，调节的幅度越大。反之，调节步长越小，调节的幅值越小；测光亮度差值越小，调节的幅度越小。\n[0064] 校验新的快门和增益值。必须保证采集设备的快门和增益值的合法性，并且符合实际应用的需要。采集设备的快门和增益的最大及最小值应符合设备说明手册中的相应规定。同时为了保证图像瞬时抓拍的清晰度，必须设置最慢快门门限值；为了防止增益增大导致图像质量恶化的影响，需要设置最大增益门限值。新的快门和增益值不能超过最慢快门门限值和最大增益门限值。\n[0065] 当快门已调至门限值，则下一次优先调节增益。同理，当判断增益已调节至门限值，则下一次优先调节快门。\n[0066] 本实施例中，黄昏到黑夜时，太阳光逐渐变弱至消失，采集设备优先调节快门。慢快门能够使图像的曝光时间增长，提高图像的亮度。但随着快门逐渐变慢到一定的程度，采集设备对瞬间快速运动物体的敏感度将降低，容易出现图像运动模糊的现象。因此，设置最慢快门门限值为1/100s，当快门逐渐减慢到1/100s时，采集设备改为优先调节增益，通过逐渐提高增益来提高图像的亮度。由于增益会增强噪声干扰，对增益的范围也有最大值的限制，通常为14dB左右。\n[0067] (5)开启或关闭补充光源。对补充光源调节同样采用了计数机机制，确保不会产生频繁的开关补充光源操作。本实施例中，只有当计数器大于设定的指定阈值5时，系统才会判断需要调节补光光源。当测光亮度低于90，并且补充光源使能，将开启补光光源；当测光亮度高于120，并且补充光源使能，将关闭补光光源。补光设备可以是闪光灯或LED灯，用于在采集车辆图像时进行补光。\n[0068] 步骤六：调节外部设备。将新的快门和增益值通过控制指令发送到采集设备，并对外部补光设备发送开启或关闭指令。并等待新的测光时间间隔后转到步骤一开始下一轮调整过程。\n[0069] 如附图5所示，给出了对于多条车道的同时监控的系统架构设计。由同一台服务器控制的多台嵌入式设备独立工作。控制服务器仅负责通信控制、图像存储等工作。嵌入式设备独立控制相应的采集设备和补光设备。嵌入式设备从采集设备获得快门、增益等参数和当前图像，通过测光算法和调光算法计算后，得到新的快门值或增益值发送给采集设设备，当判断需要开启或关闭补光光源时，向补光设备发送开启或关闭指令。\n[0070] 如附图6所示，为多台嵌入式设备共用补充设备的情况。当道路车流量不大时，多台嵌入式设备可共用一台补光设备。各嵌入式设备中有独立指令保存补光状态，当需要抓拍时即向共用补光设备发送开启或关闭指令。\n[0071] 本发明解决了传统图像无法对车牌和车内人像取得一致性曝光效果的问题。仅需要一张高清图像即可表达过去特征图和全景图所表达的内容。调节后拍摄的图像不仅车牌亮度合适能够识别、车身颜色外型清晰、车内人像也清晰可见。\n[0072] 本发明解决了常用设备中图像区域选择不灵活的问题，能有效消除背光影响。在光圈固定的情况下，能够灵活的设定特定区域(包括车身、路面、车内人像或其他感兴趣区域)进行测光，然后根据测光亮度对相机的快门、增益和补光设备进行自动控制。\n[0073] 本发明还解决了复杂路况下容易出现的图像偏亮、偏暗、忽亮忽暗等问题，整个调节过程迅速，同时不失稳定性。\n[0074] 本发明还解决了光控系统需要PC机参与、控制复杂等问题，本发明能够在嵌入式系统中实现，能够与嵌入式图像抓拍、处理算法等多种算法配合，使设备能够完全独立于PC进行各项处理，使多台设备的联合控制变得简单。