一種光學成像參數的自動調整方法

摘 ?要：高質量成像是快速讀取圖像中條碼信息的重要保障。影響成像質量的參數有信號增益和曝光時間，兩者取值范圍廣，組合后的相似參數對多。為快速找到可穩定解碼的參數對，將參數調整過程分為條碼搜索、參數優化和參數確認三個階段，各階段的側重點不同，共同完成參數調整過程。測試證明，所述方法具有速度快、參數穩、解碼可靠的特點。

關鍵詞：信號增益;曝光時間;條碼搜索;參數調整

中圖分類號：TP391.4 ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）12-0113-03

Abstract： High quality imaging is an important guarantee for fast reading of barcode information in images. The parameters that affect the imaging quality include signal gain and exposure time， which have a wide range of values， and there are many similar parameters pairs after combination. In order to quickly find the parameter pairs that can be decoded stably， the parameter adjustment process is divided into three stages： barcode search， parameter optimization and parameter confirmation. The focus of each stage is different to jointly complete the parameter adjustment process. The test shows that the method has the characteristics of fast speed， stable parameters and reliable decoding.

Keywords： signal gain; exposure time; barcode search; parameters adjustment

0 ?引 ?言

自動曝光是數字成像系統必不可少的組成部分，是獲取亮度適中、細節表現清晰圖像的重要保障。對于常用的成像系統，鑒于成本、便利性、可控性等考慮，自動曝光通常主要對曝光時間和信號增益進行自動控制。

對于以讀取一維碼或二維碼信息為目標的條碼圖像，現有的自動曝光技術主要針對人像、風景等來調整相關參數，存在的不足之處主要有：（1）整體圖像較清晰，條碼所在的局部圖像不夠清晰;（2）使用整幅圖像進行計算，運算量大，用時多;（3）全部參數組合的覆蓋率低，調整后的參數通常易受到噪聲干擾。

在本文設計的方法中，曝光時間和信號增益自動調整方法以找到可穩定解碼的參數組合為目標，分為條碼搜索、參數優化和參數確認三個階段，具有調整速度快、所選參數穩、解碼可靠的特點。

1 ?參數空間

用于自動調整的光學參數包括曝光時間和信號增益，兩者的取值均為正整數。設曝光時間的取值范圍[Emin，Emax]，信號增益的取值范圍為[Gmin，Gmax]，兩者的全部組合，構成成像光學參數的搜索空間即參數空間。

2 ?光學參數自動調整方法組成

光學參數自動調整的組成模塊如圖1所示，包含相機成像、解碼引擎、亮度評估、參數調整、階段控制等。

2.1 ?解碼引擎

解碼引擎是一個圖像分析處理程序，當解碼成功時，能夠輸出圖像中條碼的數量、條碼的內容、條碼在圖像中的像素坐標等內容。當場景中存在條碼，只有成像光學參數合適，所拍圖像亮度適中、條碼在所拍照片中清晰可見，解碼引擎才能夠解碼成功，然后輸出條碼的數量、內容及條碼在圖像中的位置坐標，此時稱圖像中有條碼。當光學參數不合適時，即使場景中存在條碼，只要所拍照片亮度欠佳、條碼無法清晰分辨，解碼引擎就會解碼失敗，輸出的條碼數量將會為0，此時稱圖像中無條碼。因此，只有光學參數合適，所拍圖像亮度適中、條碼清晰可見時，才能獲得條碼的內容、位置等信息。

由于解碼引擎運行一次需要的時間相對較多，為提高成像光學參數調整的效率，減少參數調整所用時間。因此，先對待解碼圖像的清晰度或亮度值進行評估，只有亮度評估值在可接受范圍內的待解碼圖像才傳輸給解碼引擎。當待解碼圖像的亮度評估值偏高或偏低以至于不可能解碼成功時，則直接對曝光時間或信號增益進行調整而不運行解碼引擎，從而節約解碼引擎運行時間，減少光學參數調整所用的總時間。

2.2 ?亮度評估

亮度評估模塊以采樣方式選取當前圖像中心區域內一定間隔的像素，進行灰度直方圖統計分析，計算出一個表示當前圖像亮度或清晰度水平的正整數，即圖像亮度評估值。當圖像亮度評估值大于100時，表示當前圖像偏亮;反之當圖像亮度評估值小于100時，表示當前圖像偏暗;當圖像亮度評估值等于100時，表示當前圖像的亮度很合適。

當圖像亮度評估值小于特定數值Lmin時，表示圖像中各像素的灰度值均較小且集中靠近低亮度區域，圖像偏暗、目標模糊，此時稱圖像過暗;反之當圖像亮度評估值大于特定數值Lmax時，表示圖像中各像素的灰度值均較大且集中靠近高亮度區域，圖像偏亮、目標模糊，此時稱圖像過亮;當圖像亮度評估值位于Lmin和Lmax之間時，稱圖像可接受。根據圖像亮度評估值的計算過程，可知Lmin和Lmax的關系為：

0

當圖像亮度評估值位于100附近的一個區間時，圖像中各像素的灰度值基本上在整個灰度范圍的高、中、低區域均有分布，圖像層次分明、亮暗適中、目標清晰，此時稱圖像適中。設圖像適中時圖像亮度評估值所在區間為[Llow，Lhigh]，則Lmin、Lmax、Llow和Lhigh的關系為：

0

在條碼搜索和參數優化階段均要對待解碼圖像進行亮度評估，但前者的待解碼圖像為整幅圖像，后者的待解碼圖像為條碼所在區域的子圖像。在參數優化階段的待解碼圖像只包含條碼所在區域的圖像，因此，亮度評估值能夠直接反映條碼成像質量的清晰度。

2.3 ?參數調整

參數調整實現信號增益、曝光時間的具體控制方法，前者只有單向增大調整，后者以減少調整為主，輔助以重置調整。

2.3.1 ?信號增益調整方法

為避免多次重復使用相似的參數組合，減少計算量及計算用時，信號增益在調整過程中只增大不減少，而且信號增益增大的步長固定不變。信號增益初始值設置為Gmin，當需要調整信號增益時，信號增益的調整計算公式為：

Gnxt=Gcur+Gstp

其中Gnxt表示調整后的信號增益，Gcur表示當前的信號增益，Gstp表示信號增益的調整步長，為固定的正整數。當調整后的信號增益Gnxt大于允許的最大值Gmax時，則光學參數調整結束。

2.3.2 ?曝光時間調整方法

為實現圖像亮暗兩個方向的參數調整，結合信號增益的調整方法，曝光時間的調整以減少為主、重置為輔，初始值設置為Emax。

2.3.2.1 ?曝光時間減少調整

當信號增益固定不變時，曝光時間采用減少調整方式，計算公式如下。

Enxt=Ecur–Estp

其中Enxt表示調整后的曝光時間，Ecur表示當前的曝光時間，Estp表示曝光時間的減少調整步長。當調整后的曝光時間Enxt小于Emin時，則對信號增益進行調整。

曝光時間的減少調整步長計算方法為：

其中運算符[·]表示向下取整，Ek為正整數。Ek的大小用于控制曝光時間調整的幅度，例如當前曝光時間Ecur為49、Ek為5時，曝光時間的減少調整步長Estp為9。因此，減少調整后的曝光時間Enxt為40，即Enxt=49-9=40。

2.3.2.2  曝光時間重置調整

當信號增益需要進行增大調整時，曝光時間需同時進行重置調整，曝光時間重置調整的計算公式為：

其中Enxt表示調整后的曝光時間，Ecur表示當前的曝光時間，Egn是運行過解碼引擎后，特定信號增益下允許的最大曝光時間，計算公式為：

其中運算符[·]表示向下取整。

2.3.3 ?信號增益的調整條件

信號增益的調整方法是不斷增大，直到允許的最大值Gmax。由于增大信號增益可以調亮圖像，因此待解碼圖像過暗時，需要調整信號增益以增大待解碼圖像的亮度評估值。

此外，當曝光時間為最小值Emin時，曝光時間無法繼續減少，為實現對整個參數空間的搜索遍歷，此時需增大信號增益并重置曝光時間。

2.4 ?階段控制

2.4.1 ?條碼搜索

條碼搜索階段以找到條碼位置為目標，將整幅圖像作為待解碼圖像進行亮度評估，亮度評估值在可接受范圍內的傳輸給解碼引擎，解碼成功則跳轉到參數優化階段，反之則根據待解碼圖像的亮度評估值，進行信號增益、曝光時間的調整。

2.4.2 ?參數優化

參數優化階段以找到亮度適中的最佳參數組合為目標，將條碼所在區域的子圖像作為待解碼圖像進行亮度評估，根據亮度評估值，進行信號增益、曝光時間的調整，但不運行解碼引擎。

2.4.3 ?參數確認

參數確認階段以統計分析成功解碼概率為目標，將條碼所在區域的子圖像作為待解碼圖像，不進行亮度評估，不進行信號增益和曝光時間的調整，直接運行解碼引擎。統計分析多次運行解碼引擎輸出結果，計算出輸出成功解碼概率、輸出選取的參數組合、結束光學參數調整過程。

2.4.4 ?階段轉換

條碼搜索階段轉換到參數優化的條件是找到一個能夠成功解碼的參數組合;參數優化階段轉換到參數確認階段的條件為找到一個使待解碼圖像亮度適中的參數組合或搜索遍歷了整個參數空間。在參數優化階段，若搜索遍歷了整個參數空間也沒有找到一個使待解碼圖像亮度適中的參數組合，則參數確認階段使用記錄的最佳參數進行成功解碼概率的統計分析。各階段的轉換過程如圖2所示。

2.5 ?解碼統計及結果輸出

解碼統計模塊對多次解碼的結果進行統計，計算出成功解碼的概率，公式為PS=。其中PS表示成功解碼的概率，NS表示成功解碼的次數，Nt表示解碼的總次數。

結果輸出模塊根據光學參數自動調整過程，輸出相應的結果，主要有：（1）參數調整成功，輸出選擇的最佳參數及成功解碼概率;（2）參數調整失敗，輸出提示信息。

3 ?測試效果

采用工業相機，使用表1所示的變量數值，對提出的成像光學參數自動調整方法進行測試，得到參數調整過程中的數值如表2所示，關鍵節點所拍圖像如圖3和圖4所示。

參數調整后所拍圖像如圖5所示?？梢钥闯?，即使在逆光、復雜背景下，提出的算法依然能夠找到穩定解碼的參數。

4 ?結 ?論

文中提出的光學參數自動調整方法，以找到穩定解碼的光學參數為目標，劃分成條碼搜索、參數優化和參數確認三個階段。每個階段有區別的使用整幅圖像或區域子圖像，實現對可解碼參數的快速高效調整。實際測試驗證了相關方法的有效性。相關方法既可以用于調整信號增益和曝光時間，也可以擴展用于調整其他參數。這也是文中所提方法可進一步優化的地方。

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作者簡介：王海豐（1985.01—），男，漢族，河南安陽人，工程師，碩士研究生，研究方向：數字圖像處理及識別。