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1、精品论文数码照相系统中 3A 技术的分析与应用把正 北京邮电大学信息与通信工程学院，北京（100876） E-mail: sd8009467摘要：本文给出了现代数码照相中广泛应用的 3A 技术的分析与应用。3A 技术指的是自动对焦（AF）、自动曝光（AE）及自动白平衡（AWB）。传统相机，采取一种类似目测测 距的方式实现自动对焦，相机发射一种红外线（或其它射线），根据被摄体的反射确定被摄体的距离，然后根据测得的结果调 整镜头组合，实现自动对焦。很多数码相机都有多点对焦功能，或者区域对焦功能。当对焦中心不设置在图片中心的时候，可以使用多点对焦，或 者多重对焦。除了设置对焦点的位置，还可以设定对焦
2、范围自动对焦算法通过既得图像对比度移动镜头使图像对比度达到最大，自动曝光算法将根据可用的光源条件自动设置曝光值， 自动白平衡算法根据光源条件调整图片颜色的保真程度。关键词：自动曝光；自动对焦；自动白平衡 中图分类号：TP1.引 言众所周知，数字信号处理技术已经广泛应用于各种数码产品，例如数码照相机和摄像机。 数字化的今天带来了各种各样的新型数码功能，如图像稳定器和电子变焦，这些新型功能在 过去看来都是无法同模拟技术实现的1。此外，改良过的自动对焦、自动曝光和自动白平衡 技术已经成为影响性能的重要技术。自动对焦技术通过调整聚焦镜头的位置获得最高的图像频率成分。总的来说，已对焦图 片比为对焦图片包
3、含更高的频率成分，也就是相应的图片具有更高的对比度。获得最佳对焦 点是一个不断积累的过程，它通过比较每一帧图像的对比度从而获得镜头移动范围内最大的 对比度点，从而确定对焦距离。现在流行的自动对焦系统采用的是爬山算法（hill-climbing）。 然而该算法也有一定的局限性，它只适用于图像本身色差较大的情况。数码照相机中的曝光是由整幅图像的总体亮度来决定的。然而，当主体拍摄物和背景的 亮度相差很大时，一般会造成主体拍摄物的过曝光或曝光不足。为了克服这个问题，一些特 定的 AE 算法着重考虑了主题拍摄物的亮度情况，在进行亮度调整时给予这部分更多的比 重。当白色物体被色温较低的光线照射时，物体的颜
4、色将偏红；而适用色温较高的光线时， 物体的颜色会呈现青紫色2。因此，有必要对不同光线造成的色差给予补偿，使得白色的物 体看起来是白色的。对于 AWB，一幅图像的整体色差信号被用作色温数据，然而，当这幅 图像的大部分区域被一个统一的颜色覆盖时，这种色彩补偿就可能损失一部分完整的色彩。 为了弥补这个缺陷，一些特定的 AWB 算法被提出来以适应不同的色温情况。本文先根据不同的情况分别阐述 3A 算法。AF 技术通过整合的亮度值防止可能出现的 对焦不准的情况。AE 技术通过背景光的检测技术补偿主体拍摄物曝光值不准确的情况。 AWB 技术通过对不同光源的检测补偿色差。本论文是这样安排的：第二节中将对 3
5、A 技术进行简要介绍并提出算法改进方法，第三 节将介绍一些试验结果和结论。- 7 -2.摄像系统介绍摄像系统框图如图1所示。一幅图像通过彩色CCD传感装置传导到光学镜头上，然后该 传感装置的输出信号通过自动增益控制（AGC）/相关双采样器（CDS）调整，以保持输出 电平的稳定。该系统采用了SONY数字信号处理芯片以模拟图像数字化的过程。数字处理芯 片输出相关的对焦信号、亮度值及RGB色彩分量为接下来的AF、AE和AWB子系统服务。微 控制器传送马达控制信号给马达驱动程序，从而调整镜头的位置使之朝着图像对比度增大的 方向移动。最终，聚焦镜头定位在图像对比度最大的点上。图1：摄像系统的功能框图2.
6、1 AF 算法传统相机，采取一种类似目测测距的方式实现自动对焦，相机发射一种红外线（或其它 射线），根据被摄体的反射确定被摄体的距离，然后根据测得的结果调 整镜头组合，实现 自动对焦。这种自动对焦方式直接、速度快、容易实现、成本低，但有时候会出错（相 机和被摄体之间有其它东西如玻璃时就无法实现自动对 焦，或者在光线不足的情况下）， 精度也差，如今高档的相机一般已经不使用此种方式。因为是相机主动发射射线，故称主动 式，又因它实际只是测距，并不通过镜 头的实际成像判断是否正确结焦，所以又称为非 TTL 式。这种对焦方式相对于主动式自动对焦，后来发展了被动式自动对焦，也就是根据镜头的 实际成像判断是
7、否正确结焦，判断的依据一般是反差检测式，具体 原理相当复杂。因为这 种方式是通过镜头成像实现的，故称为 TTL 自动对焦。也正是由于这种自动对焦方式基于 镜头成像实现，因此对焦精度高，出现差错的比率 低，但技术复杂，速度较慢（采用超声 波马达的高级自动对焦镜头除外），成本也较高。手动对焦，它是通过手工转动对焦环来调节相机镜头从而使拍摄出来的照片清晰的一种对焦方式，这种方式很大程度上面依赖人眼对对焦屏上的影像的判别以及拍摄 者的熟练程度甚至拍摄者的视力。早期的单镜反光相机与旁轴相机基本都是使用手动对焦来完成调焦操 作的。现在的准专业及专业数码相机，还有单反数码相机都设 有手动对焦的功能，以配合
8、不同的拍摄需要。很多数码相机都有多点对焦功能，或者区域对焦功能。当对焦中心不设置在图片中心的 时候，可以使用多点对焦，或者多重对焦。除了设置对焦点的位置，还可以设定对焦范围， 这样，用户可拍摄不同效果的图片。常见的多点对焦为 5 点，7 点和 9 点对焦。聚焦信号产生如图 2 所示的两个窗口。窗口 2 几乎涵盖了整个一帧图像而窗口 1 是窗口2 的一半大小。图 2：对焦窗口在爬山算法中，如果该对比度的物体存在于对焦窗口中就有可能发生对焦不准确的情 况。图 3 展示了在不同光源情况下对焦成功及失败的情况。采用传统爬山算法时，聚焦镜头 朝着下坡的相反方向移动，所以造成了对焦峰值的不准确。图 3：对
9、焦滤波器及曲线图为了解决这一问题，提出了改良型的 AF 算法。该算法结合图像的整体亮度来更准确的移动聚焦镜头。整合了亮度的对焦曲线如图 4 所示。它是一个单调下降的曲线，因此局部的 最小值也就等同于全局的最小值。该方法不会产生错误对比度峰值。该算法也被命名为深谷 递减（valley-desecending）算法。图 4：整合亮度对焦曲线如图 5 所示，自动对焦算法包含两部分：1）搜索模式和 2）观察模式。自动对焦算法 开始于搜索模式来决定镜头最初的运动方向，该模式将判断是否在对焦窗口内存在一个高亮 度的物体。如果的确存在高亮度物体，那么深谷递减算法将会被采纳用来控制镜头移动。反 之，传统的爬山
10、算法将会被采用。当镜头达到最佳对焦点时将进入观察模式。图 5：AF 算法流程框图2.2 AE 算法在程序自动曝光方式中，照相机能根据测光系统所测得的被摄画面的曝光值，按照厂家 生产时所设定的快门及光圈曝光组合，自动地设定快门速度和光圈值。就相机 操作性而言， 在这种方式下等同于所谓的傻瓜照相机，操作者根本不用调节快门速度和光圈值，所要做 的只是对好焦点，按下快门释放钮就行了。在傻瓜照 相机中常见的电子程序快门，就属 于这种曝光方式。其实，只有程序自动曝光方式才是真正的全自动曝光方式。在逆光条件下，曝光控制基于整幅图像的平均亮度值，导致了中心被摄物体的曝光不足。 只是因为被摄物体和背景的亮度差异
11、，而整幅图像的亮度值有取决于中心物体的亮度3。因 此，有必要按照亮度的主体对象对 AE 算法进行调整。如图 6 所示，给出的 AE 算法将一帧图像分为 5 块。在大多数情况下，背景处于图像的上半部分，主体被摄物处于中下位置。根据亮度不同对背景及主体物附加不同比重的加权值，这样它们之间的亮度差就得到了补偿。 给出亮度差 Db 的计算公式：Db = R0 + max(R2,R3) (R1 + R4)图6：AE检测窗口Ri代表区域1的平均亮度值而max(R2,R3)被用来决定采纳左边还是右边的背景光。使用 如图7所示的曲线将亮度差Db归一化。对于主体被摄物的亮度，采纳区域1和4，使用更大的 比重加权
12、这部分亮度值。图7：归一化曲线2.3 AWB 算法白平衡英文名称为 White Balance。物体颜色会因投射光线颜色产生改变，在不同光线 的场合下拍摄出的照片会有不同的色温。例如以钨丝灯(电灯泡)照明的环境拍出的照片可能 偏 黄，一般来说，CCD 没有办法像人眼一样会自动修正光线的改变。下面一些图片，就显示了在不同颜色光线下的不同图象。平衡就是无论环境光线如何，让数码相机默认“白色”，就是让他能认出白色，而平衡其 他颜色在有色光线下的色调。颜色实质上就是对光线的解释，在正常光线下 看起来是白颜 色的东西在较暗的光线下看起来可能就不是白色，还有荧光灯下的白也是非白。对于这 一切如果能调整白平
13、衡，则在所得到的照片中就能正确 地以白为基色来还原其他颜色。 现在大多数的商用级数码相机均提供白平衡调节功能。正如前面提到的白平衡与周围光线密 切相关，因而，启动白平衡功能时闪 光灯的使用就要受到限制，否则环境光的变化会使得 白平衡失效或干扰正常的白平衡。一般白平衡有多种模式，适应不同的场景拍摄，如：自动 白平衡、钨光白平 衡、荧光白平衡、室内白平衡、手动调节。对于 AWB 算法控制，综合整幅图像的色差值进行 RGB 色度调整。色彩中的 R 和 G 分 量将被加权以满足加权后的色彩接近“白色”4。然而，如果图像的很大一部分区域都被一个 统一的颜色占据的话，加权后的色彩会产生一定的失真。为了弥补
14、这一缺陷，我们使用一个 预定义好的阴影区域，如图 8 所示。该预定义区域可用如下公式表示：-a B G a,-b R G b,-c (R G) + (B G) c参数 abc 是从系统启动时从 EEPROM 读出的参数。R 和 G 的加权值将转化使之被阴影区域 所覆盖。如果数码照相机切换到望远镜模式，那么一幅图像将几乎被单一物体所占据。如果该物 体色彩较单一，尽管外界光源没有变化，转换后的颜色也将产生失真。在这种情况下，AWB 算法将转换 R 和 B 的值使之正好落在一个狭长的阴影区域内。3.仿真试验结果图 8：预定义的 AWB 区域如图 9 所示给出了包含光源条件下的 AF 算法。该算法使用
15、整合的亮度值曲线以决定聚焦镜头的运动方向。该实验结果向我们展示了：当物体亮度很大时，AF 算法也能 找到合理准确的对焦点。我们建议数码照相系统可以在传统爬山算法和其它改进型算法 之间动态切换。4.结论图 9：AF 算法效果曲线本文给出了现代数码照相中广泛应用的 3A 技术的分析与应用，在文章最后还给出了AF 算法的仿真曲线。3A 技术在现代数码照相中用途非常广泛，无论是摄影爱好者还是算法 研究人员都有学习的必要。该技术可以加深对数码照相系统的认识并在一定程度上提高摄像 技术。3A 技术指的是自动对焦（AF）、自动曝光（AE）及自动白平衡（AWB）。自动对 焦算法通过既得图像对比度移动镜头使图像
16、对比度达到最大，自动曝光算法将根据可用的光 源条件自动设置曝光值，自动白平衡算法根据光源条件调整图片颜色的保真程度。参考文献1 W. H. Chan and C. T. Youe, “Video CCD based Portable Digital Still Camera,” IEEE Trans. on ConsumerElectronics, vol. 41, no. 3, pp. 455459, Aug. 1995.2 K. Ooi, K. Izumi, M. Nozaki, and I. Takeda, “An Advanced Autofocus System for Video
17、Camera using QuasiCondition Reasoning,” IEEE Trans. on Consumer Electronics, vol. 36, pp. 526529, Aug. 1990.3 T. Imaide, Y. Takagi, and A. Nishizawa, ”A Compact CCD Color Camera System with Digital AWB Control,” IEEE Trans. Consumer Electronics, vol. 36, no. 4, pp. 885891, Nov. 1990.4 S. Shimizu et
18、al., ”A New Algorithm for Exposure Control Based on Fuzzy Logic for Video Cameras,” IEEETrans. Consumer Electronics, vol. 38, no. 3, pp. 617623, Aug. 1992.The Analysis and Application of 3A Technique in DigitalCamera SystemBa ZhengXi Zhi Men Rd, Xi Cheng District (100876)AbstractIn this paper, the a
19、nalysis and application of 3A technique in digital camera system is given. 3A refersto auto focus(AF), auto exposure(AE) and auto white balance(AWB). Traditional camera system use a simliar manner with human eye system to achieve auto focus. The camera lauches or radiates infra-red signal to measure
20、 the distance between the object shot and the camera. In addition to setting the focus on the spot, the shapness value of image can be achieved by moving lens toward a certain direction. Auto exposure algorithm is achieved by setting the correct exposure value according to object luminance. Auto white balance is achieved by adjust the color of image to reach the true color. Keywords: auto focus; auto exposure; auto white balance
