郭 麗

(江蘇金陵機械制造總廠，江蘇 南京 211100)

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一種基于DSP的寬范圍自動曝光控制系統(tǒng)的設計

郭 麗

(江蘇金陵機械制造總廠，江蘇 南京 211100)

為能拍攝出清晰的地面目標圖像，航空相機需要自動曝光系統(tǒng)。提出了一種光圈和快門曝光時間均可調整的寬范圍自動曝光控制原理，給出了基于DSP的自動曝光控制系統(tǒng)的硬件原理電路和軟件設計。經(jīng)測試和使用證明，系統(tǒng)適應曝光范圍大，測量精確，工作穩(wěn)定可靠。

航空相機;自動曝光系統(tǒng);DSP;快門曝光時間;光圈

航空相機自動曝光系統(tǒng)的功能是根據(jù)景物的亮度變化自動控制光圈大小和快門曝光時間，使感光材料上的光學密度最好地復現(xiàn)被攝影景物的細節(jié)，獲得優(yōu)質的照片[1,2]。一般采用固定光圈(或快門曝光時間)值，快門曝光時間(或光圈)參數(shù)隨外界景物的變化而改變的自動曝光模式[3,4]。由于曝光范圍的大小是由光圈和快門曝光時間共同決定的，所以只變化一種參數(shù)(光圈或快門曝光時間)值的自動模式，其曝光控制范圍窄，不能滿足地面景物亮度變化時航空攝影的需要[5]。因此，本文提出了一種光圈和快門曝光時間都可以變化的寬范圍控制方式，同時采用了目前控制領域最高性能的DSP處理器，曝光范圍大，工作穩(wěn)定可靠，能夠滿足部隊偵察測量的要求。

1 設計原理

首先建立曝光量參數(shù)方程。要得到一張優(yōu)質的照片，一定要使照相機控制的像面平均曝光量HF等于感光材料要求的合適曝光量HF，即：

HF=Hg

(1)

像面的曝光量HF可以寫成：

(2)

其中：

式中：

HF—— 像面的曝光量，lx·s；

E—— 像面照度，lx；

t—— 快門有效曝光時間，s；

Eβ—— 視場角為β的像面照度；

τ—— 物鏡透過率；

c—— 雜光系數(shù)；

B—— 景物的綜合亮度，cd/m2；

Kv—— 漸暈系數(shù)；

β—— 視場角，°；

D/f′ —— 物鏡的相對孔徑，相對孔徑的倒數(shù)即光圈孔徑F。

膠片的合適曝光量可以用下式來表示：

(3)

式中：

Hg——膠片的合適曝光量，lx·s；

S——以ISO表示的感光度；

P——膠片合適曝光系數(shù)，黑白膠片通常為8。

將式(2)、式(3)代入式(1)并整理可得：

(4)

式(4)即為曝光參數(shù)方程。由于加上濾光鏡，相當于降低了景物的平均亮度，在上式中加入濾色鏡倍率Kt得：

(5)

將各已知參數(shù)帶入公式(5)即得：

(6)

根據(jù)公式(6)，建立不同綜合亮度下，光圈和快門曝光時間的對照表，如表1所示。

為適應寬曝光范圍，自動曝光系統(tǒng)采用快門曝光時間和光圈大小都可以進行調節(jié)的控制方式?？扉T曝光時間調節(jié)范圍為1/100s～1/800s，光圈孔徑F值調節(jié)范圍為5.6～32，但它們不同時進行調節(jié)，快門調節(jié)優(yōu)先，調節(jié)根據(jù)表1進行。例如：如果當前快門曝光時間為1/400s，光圈孔徑F值為10，當綜合亮度為7800cd/m2，查表快門曝光時間為1/400s，光圈孔徑F值為14(13.82取近似值)，在快門曝光時間不改變的情況下，調整光圈孔徑即可得到合適的曝光量。

表1 不同綜合亮度下，光圈和快門曝光時間的對照表

自動曝光控制系統(tǒng)由DSP處理器、測量景物亮度的測光電路、光圈調整位置反饋電路、由電機驅動的光圈調整機構和快門曝光時間調節(jié)機構組成。原理圖如圖1所示。

圖1 自動曝光系統(tǒng)控制原理框圖

系統(tǒng)工作原理：測光電路使用光到數(shù)字傳感器直接將采集到的光信號以數(shù)字信號輸出，并通過I2C接口按照I2C通訊協(xié)議將數(shù)字信號傳輸給DSP，DSP根據(jù)計算公式計算出當前的光線值，并參照自動曝光表1選取合適的光圈孔徑F值和快門曝光時間值，然后通過光圈調整機構和快門曝光時間調整機構來實現(xiàn)自動曝光。

2 硬件設計

處理器選取TMS320F2806DSP作為整個系統(tǒng)的控制中樞，與以往同類產(chǎn)品設計中采用的單片機相比，在執(zhí)行速度上和PWM輸出精度上有了很大的提高[6]。

測光元件采用美國Intersil公司的光到數(shù)字傳感器ISL29013，數(shù)字輸出精度高，為了獲得精確的光線值，裝有ISL29013傳感器的測光電路板安裝在鏡頭內部，并且與鏡頭保持相同的視場角，以確保通過鏡頭的光線與通過ISL29013傳感器的光線一致。

快門電機調速采用了雙閉環(huán)反饋調速電路，包括硬件電壓反饋和軟件轉速反饋，通過修正PWM值，使電機在給定的狀態(tài)下能夠保持穩(wěn)定轉速，確?？扉T曝光時間要求。當快門曝光時間變化時，通過輸入端子改變PWM輸入來調整輸出電壓，進而改變電機的轉速，調整快門速度。

光圈電機采用東芝公司TA8429芯片來控制，通過軟件控制光圈電機正反轉和停機。

光圈孔徑位置反饋電路采用WD15-5kΩ角位移傳感器。經(jīng)過安裝測試，角位移傳感器輸出電壓與光圈孔徑F值的關系見表2。

表2 角位移傳感器輸出電壓與光圈孔徑F值的關系

3 軟件設計

程序設計包括自檢子程序、初始化程序、中斷服務程序、快門電機控制子程序、光圈電機控制子程序、測景物亮度子程序等程序。

系統(tǒng)接通電源后，自檢子程序測試系統(tǒng)各部分工作是否正常。

初始化程序控制快門和光圈處于零位(快門曝光時間中間值1/400s和光圈孔徑F值中間值11這兩個位置分別作為快門和光圈的起始零位)。

捕捉中斷服務程序用于捕捉快門電機光柵編碼盤的每一個齒，10ms定時中斷服務程序主要用于獲取10ms時間內快門電機捕捉的光柵編碼盤的齒數(shù)，I2C中斷服務程序主要用來實現(xiàn)與ISL29013的I2C通訊，讀取當前ISL29013測得的光線值。

測亮度子程序主要用來將接收到的ISL29013的測量值根據(jù)計算公式轉化成實測光線值，查曝光表1，判斷快門曝光時間零位值不變的情況下是否可通過調整光圈孔徑值達到合適曝光量，若可以，則記下光圈需要調整到的孔徑值，若不可以，則根據(jù)光線強弱，相應的將快門曝光時間加快/減慢1檔(快門速度1/100s～1/800s分為8檔，1/100s、1/200s、1/300s、1/400s、1/500s、1/600s、1/700s、1/800s)，再查曝光表1，直到光圈孔徑值滿足要求。

快門電機控制子程序主要是在快門曝光時間發(fā)生變化時，根據(jù)曝光時間確定光柵編碼盤在10ms內應輸出的齒數(shù)，通過與定時捕捉的齒數(shù)比較，控制發(fā)生的PWM脈寬寬度來控制電機轉速。

光圈控制子程序一方面通過角位移傳感器讀取當前光圈所在的位置值，另一方面，根據(jù)測亮度子程序求得的光圈孔徑值轉換成需要的位置值，判斷這兩個值的大小來確定光圈電機是正轉還是反轉，循環(huán)調整，直到兩者相等停光圈電機。

系統(tǒng)程序流程圖如圖2所示。

圖2 程序流程圖

4 曝光測試分析

通過外景拍攝測試以驗證設計的自動曝光控制系統(tǒng)是否合適。外景拍攝測試分地面和機載條件下的測試。在地面選取景物亮度大(晴天)和景物亮度小(陰天)的氣象條件，目的是使曝光分別在光圈變化或快門變化兩個區(qū)間內完成。在高處對遠處目標進行拍攝，經(jīng)標準沖洗條件，對相機底片進行分析；航空相機裝機后，在2000m-8000m不同高度進行機載條件下的飛行測試，對所拍攝的景物底片進行曝光準確性分析。經(jīng)對各種條件下拍攝的底片鑒定結論為曝光準確，影像清晰，滿足分辨率要求。圖3為8000m高度拍攝的一張影像圖片。

圖3 程序流程圖

5 結論

文中設計的基于DSP的航空相機寬范圍自動曝光控制系統(tǒng)能夠滿足光線從800cd/m2-10300cd/m2的寬范圍內的照相要求，即晴天和陰天環(huán)境下的照相要求，解決了地面景物亮度變化大時的準確曝光問題，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，滿足部隊需求。

[1] 徐之海,李奇. 現(xiàn)代成像系統(tǒng)[M]. 北京：國防工業(yè)出版社,2001.

[2] 向世明. 現(xiàn)代光電子成像技術概述[M]. 北京：北京理工大學出版社,2013.

[3] 許兆林,趙育良,蘇媛媛.一種寬范圍自動曝光控制系統(tǒng)的設計[J].電光與控制,2008,(2).

[4] 戈志偉,姚素英,徐江濤,等. 一種應用于CMOS圖像傳感器的快速自動曝光控制方法[J].天津大學學報,2010,(10).

[5] 許兆林,賈曉笑,趙育良,等.長焦距航空相機系統(tǒng)[M].北京：海潮出版社,2005.

[6] 蘇奎峰,呂強,常天慶,等.TMS320X281XDSP原理及C程序開發(fā)(第2版)[M]. 北京：北京航空航天大學出版社,2011.

[編校：張芙蓉]

Design of an Auto-exposure Control System Based on DSP for Wide Exposure Range

GUO Li

JinlingMachineFactoryofJiangsuProvince，NanjingJiangsu211100)

For capturing high-resolution images of the ground target, automatic exposure control system is required for aerial cameras. A wide-range auto-exposure control principle is presented for controlling the diaphragm and shutter speed. The hardware electric circuits and the software design of the auto-exposure control system based on DSP are described. Tests and applications prove that the system has wide exposure range, accurate control, high reliability and works steadily.

aerial camera; auto-exposure control; DSP; shutter speed; diaphragm

2015-07-15

郭麗(1980- )，女，江蘇鎮(zhèn)江人，工程師，工學碩士，研究方向為航空相機研制。

TB

A

1671-96541(2015)03-060-04