<Desc/Clms Page number 1>
Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie eine Einrichtung gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 11.
Derartige Verfahren und Einrichtungen sind prinzipiell bekannt ; üblicherweiseerfolgt die Einre- gelung der Blendenöffnung mit Hilfe eines Belichtungsmessers, der die Lichtverhältnisse des aufzunehmenden Objektes misst und die Blendenöffnung einregelt.
Aus der EP 0125536 A2 bzw. der DE 19701484 A1 bzw. der US 2001/0017660 A1 sind Einhei- ten zur Einregelung der Blendenöffnung von Videokameras bekannt, bei denen Histogramme von aufgenommenen Bildern erstellt und ausgewertet werden. Die beschriebenen Auswerteverfahren sind jedoch relativ Zeitaufwendig bzw. bedingen beträchtlichem Gerättechnischen Aufwand.
Ziel der Erfindung ist es, unter Verzicht auf eine Belichtungsmessung bzw. Helligkeitsmessung automatisch Videobildsequenzen von beliebigen Szenen, Gegenständen, Objekten usw. bei unter- schiedlichen und veränderlichen Lichtverhältnissen in bestmöglicher Qualität aufzunehmen.
Als Regelgrössen in Abhängigkeit einer gemessenen Helligkeit stehen prinzipiell drei Parameter des Aufnahmesystems zur Verfügung:
1. Die Belichtungszeit (in diskreten Schritten)
2. Die Verstärkung der resultierenden Spannungen der Bildpunkte am Bildsensor (kontinuier- lich)
3. Die Öffnungsweite der Blende des Objektivs (kontinuierlich)
Die Belichtungszeit ist in der Regel nur sehr eingeschränkt in diskreten Schritten veränderbar.
Proportional zur Höhe der Verstärkung nimmt das Bildrauschen zu. Die Regelgrössen Belichtungs- zeit und Verstärkung weisen eine sehr eingeschränkte Dynamik auf.
Das angestrebte Ziel wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art mit den im Kenn- zeichen des Patentanspruches 1 angeführten Merkmalen erreicht. Eine Einrichtung der eingangs genannten Art ist erfindungsgemäss durch die im Kennzeichen des Anspruches 11 angeführten Merkmale charakterisiert.
Mit der erfindungsgemässen Vorgangsweise werden trotz sich während der Aufnahme verän- dernder Lichtverhältnisse bzw. bei unterschiedlichen Lichtverhältnissen optimal belichtete Aufnah- men erreicht, ohne allzu grossen Aufwand treiben zu müssen.
Die Öffnung der Blende des Objektivs kann kontinuierlich von "geschlossen" bis .ganz offen. eingestellt werden, die Belichtungszeit und Verstärkung wird auf einen fixen bzw. optimalen Wert gestellt, die Dynamik des Aufnahmesystems ist grösstmöglich. Die Parameter Belichtungszeit und/oder Verstärkung werden nicht verändert. Die Öffnungsweite der Blende eines entsprechend gebauten Objektivs kann mit Hilfe einer Steuerspannung innerhalb eines definierten Wertebereichs (z. B. 1,5 V - 5,5 V) eingestellt werden.
Erfindungsgemäss werden zur Bildaufnahme optoelektronische Bildaufnahmegeräte bzw.
Videokameras eingesetzt, die eine entsprechende Regelung der Blendenöffnung zulassen und bei denen die Ausgangssignale des Bildsensors einer Auswerteeinrichtung zugeführt sind, in der die Bildsignale verarbeitet und in Abhängigkeit von diesen Bildsignalen eine Regelung der Blendenöff- nung erfolgt.
Eine vorteilhafte Auswertung der Bildsignale, d. h. der Intensitätswerte der Bildpunktsignale, wird durch die Merkmale des Anspruches 5 vorgegeben. Eine alternative vorteilhafte Ausführungs- form ist mit den Merkmalen des Anspruches 6 gegeben. Die Merkmale der Ansprüche 7,8 und 9 geben an, wie in möglichst raschen Schritten die Blendenöffnung auf den optimalen Wert eingere- gelt werden kann.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, den Patentansprüchen und den Zeichnungen.
Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert.
Fig. 1 zeigt ein Beispiel eines von einer aufgenommenen Szene bzw. von einem Gegenstand erhaltenen Histogramms. Fig. 2 zeigt ein normiertes Histogramm. Fig. 3 bis 5 zeigen normierte Histogramme für unterschiedlich belichtete Szenen. Fig. 6 zeigt ein Diagramm mit einer gleichver- teilten Referenzverteilung. Fig. 7 zeigt ein Diagramm betreffend den Verlauf der Summe der quad- ratischen Abweichungen über die Steuerspannung der Blende. Fig. 8 zeigt ein Diagramm betref- fend den Verlauf der Entropie E über die Steuerspannung der Blende. Fig. 9 zeigt ein Diagramm betreffend sechs Regelbereiche im Verlauf der Summe der quadratischen Abweichungen über die Steuerspannung der Blende. Fig. 10 zeigt ein Diagramm betreffend die sechs Regelbereiche im
<Desc/Clms Page number 2>
Verlauf der Entropie E über die Steuerspannung der Blende.
Fig. 11zeigt schematisch den prinzi- piellen Aufbau einer erfindungsgemässen Einrichtung.
Eine erfindungsgemässe Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens umfasst eine optische bzw. optoelektronische Bildaufnahmeeinheit 1, insbesondere Videokamera mit einem Bildsensor 2, auf dem der aufzunehmende Gegenstand bzw. die Szene 20 mittels eines mit einer gesteuerten Blende versehenen Objektivs 3 abgebildet wird. Der Bildsensor 2 ist an eine Auswerteeinrichtung 4 angeschlossen, welche die Blendenöffnung in Abhängigkeit der einlangen- den Intensitätssignale der einzelnen Bildpunkte steuert.
Ein Bild besteht aus einer Matrix von diskreten Bildpunkten. Jeder Bildpunkt (Pixel) repräsen- tiert einen von der Kamera gemessenen Intensitätswert. Dieser Intensitätswert kann innerhalb definierter Grenzen einen ganzzahlig diskreten Wert annehmen. Zur Beurteilung der Qualität eines Bildes wird vorzugsweise jeder einzelne Bildpunkt des Bildes herangezogen. Des weiteren wird ein Histogramm des Bildes angelegt, so wie es in Fig. 1 dargestellt ist.
Diese Histogramme sind die Darstellung der absoluten Häufigkeiten einer diskreten Intensitäts- Wertemenge und werden meist in Form eines Graphen dargestellt. Auf der Abszisse des Graphen ist in aufsteigender Reihenfolge ein ganzzahlig diskretes Intervall des verfügbaren Wertebereiches der Intensitäts-Wertemenge aufgetragen. Auf der Ordinate des Graphen ist die entsprechende Anzahl der in der Intensitäts-Wertemenge vorkommenden ganzzahlig diskreten Werte aufgetragen.
Histogramme von digitalen Bildern mit q Daten- bzw. Farbkanälen werden erzeugt, indem für jeden Daten- bzw. Farbkanal der Bildpunkte eines aufgenommenen Bildes ein Histogramm erstellt wird, dass jedes dieser Histogramme getrennt ausgewertet wird und die bei Auswertung dieser einzelnen Histogramme sich ergebenden Einzel-Qualitätsmasse, gegebenenfalls nach einer Wich- tung, zu dem Qualitätsmass dieses Bildes verknüpft werden.
Es wird somit für jeden Daten- bzw. Farbkanal jeweils ein Histogramm erstellt, und die Histogramme werden getrennt analysiert. Einzelne oder alle Daten- bzw. Farbkanäle werden nach definierten Regeln miteinander verknüpft, und aus den resultierenden Verknüpfungen werden Histogramme erstellt. So können etwa die drei Farbkanäle (z. B. rot, grün und blau) eines Farbbil- des zu einem Grauwertkanal reduziert werden.
Die Analyse der Bildqualität wird erfindungsgemäss mit zwei unterschiedlichen Methoden unter Verwendung derartiger Histogramme vorgenommen:
1. Berechnung der Summe der quadratischen Abweichungen zwischen der Verteilung f (i) des
Histogrammes und einem Histogrammprototyp bzw. einer Referenzverteilung g (i), wobei als Algorithmus zur Ermittlung des Qualitätsmasses ein Vergleich des vorzugsweise nor- mierten Histogramms oder eines Teilbereiches derselben mit einer vorgegebenen, insbe- sondere gleichverteilten, Referenzverteilung g (i) erfolgt, wobei für den Vergleich vorzugs- weise die Summe der quadratischen Abweichungen zwischen der Verteilung f (i) des
Histogramms und der Referenzverteilung g (i) bzw.
die Summe der quadratischen Abwei- chungen der einzelnen korrespondierenden Häufigkeiten der Intensitätswerte über die jeweils vorgegebenen diskreten Intensitätswertintervalle gebildet und diese Summe als
Qualitätsmass des jeweils aufgenommenen Bildes angesehen wird, wobei als Referenzver- teilung g (i) vorzugsweise eine Verteilung über den Wertebereich des normierten
Histogramms bzw. dessen Teilbereiches eingesetzt wird, deren Summe über dem Werte- bzw. Teilbereich 1 beträgt.
2. Berechnung der Entropie, wobei als Algorithmus zur Ermittlung des Qualitätsmasses mit der
Verteilungsfunktion f (i) eines normierten Histogramms oder eines Teilbereiches desselben der Wert der Entropie E
EMI2.1
ermittelt wird, wobei 0 < i < n und 0 < m < n ist, und die Entropie als Qualitätsmass des jeweils aufgenommenen Bildes angesehen wird.
In Fig. 1 wird ein Histogramm eines gewählten, abzubildenden Objektes beispielsweise dargestellt. Gegeben ist z. B. ein Grauwertbild, repräsentiert durch eine Matrix von 640 x 480 Bildpunkten. Jeder Bildpunkt hat einen verfügbaren ganzzahlig diskreten Wertebereich @ E [0... 255].
<Desc/Clms Page number 3>
Je nach den Intensitätswerten der einzelnen Bildpunkte ergeben sich unterschiedlich gestaltete Histogramme ; bei Bildern, die gering belichtet sind, liegen die Intensitätswerte im unteren, d. h. im linken Bereich, des Histogrammes ; beiüberbelichteten Bildern liegen die Intensitätswerte vorzugs- weise im rechten Bereich des Histogrammes.
Um Rechenarbeit einzusparen bzw. die Auswertbarkeit der Histogramme zu vereinfachen, ist vorgesehen, dass das jeweils ermittelte Histogramm vor Ermittlung des Qualitätsmasses normiert bzw. die relative Häufigkeit der Intensitätswerte ermittelt wird, indem die absoluten Häufigkeiten bzw. die Anzahl der in den einzelnen diskreten Intensitätswertintervallen enthaltenen Intensitäts- werte durch die Anzahl aller in der Intensitätswertsmenge enthaltenen Intensitätswerte bzw. durch die Anzahl der ausgesuchten Bildpunkte dividiert wird.
Bei der Erstellung eines normierten Histogramms f (i) die absoluten Intensitäts- Häufigkeiten durch die Summe aller in der Wertemenge enthaltenen Werte dividiert. Bei einer Matrix mit 640x480 Bildpunkten beträgt die Anzahl aller in der Wertemenge enthaltenen Werte, sofern tatsächlich von allen Bildpunkten die Intensitätswerte ausgewertet werden, 307200. Man erhält dadurch die relativen Häufigkeiten, und das normierte Histogramm repräsentiert die Vertei- lungsfunktion. Die Summe der relativen Häufigkeiten im betrachteten Intervall ist 1 (Gl, 1). Das normierte Histogramm unterscheidet sich vom nicht normierten Histrogramm nur in der Skalierung der Ordinate.
EMI3.1
Dem einen vorgegebenen Grauwertbild entsprechenden Histogramm gemäss Fig. 1 entspricht das korrespondierende normierte Histogramm gemäss Fig. 2.
Ein Ziel ist es, anhand des normierten Histogramms eines aufgenommenen Bildes eine Zahl zu berechnen, welche die Qualität des Bildes bezüglich einer vordefinierten Charakteristik beschreibt.
Dazu kann ein Vergleich mit einer Referenzverteilung erfolgen. Grundlage dafür ist eine vordefi- nierte ganzzahlig diskrete Verteilungsfunktion g (i). dient als Referenz für die gewünschte Verteilung der ganzzahlig diskreten Bildwerte. Für diese Verteilungsfunktion g (i) gilt im ganzzahlig diskreten Intervall des verfügbaren Wertebereiches der Wertemenge (Gl, 2).
EMI3.2
Als Metrik für den Vergleich des normierten Histogramms f(i) mit einer gegebenen Referenzver- teilung g (i) dient die Summe der quadratischen Abweichungen der einzelnen korrespondierenden Häufigkeiten über das Intervall des verfügbaren Wertebereiches der Wertemenge.
Gl. 3 zeigt die Berechnung der Summe der quadratischen Abweichung. Diese Summe ist ein reeller Wert und liegt im Intervall / = [0...1].
EMI3.3
In den Fig. 3 bis 5 sind drei unterschiedlich beleuchtete idente Bilder bzw. Szenen mit den jeweiligen erstellten normierten Histogrammen f (i) Des weiteren wird zum Beispiel eine gleichverteilte Referenzverteilung g (i) gemäss Fig. 6 vor- gegeben.
Anhand der normierten Histogramme und der Referenzverteilung wird mit Gleichung Gl. 3 die Summe der quadratischen Abweichungen berechnet. Für die Bilder gemäss Fig. 3 bis 5 betragen die quadratischen Abweichungen 0. 0061, 0. 0040 und 0. 0536. Die Auswertung für Fig. 4 ergibt die geringste Abweichung und ist somit die Aufnahme mit höchster Qualität.
Aus dem erhaltenen Histogramm wird mit einem vorgegebenen Algorithmus ein Qualitätsmass für das jeweilige aufgenommene Bild ermittelt, wobei der Zusammenhang zwischen einem Quali- tätsmass von mit unterschiedlicher Blendenöffnung aufgenommenen, vorzugsweise gleichen Bil- dern und der Blendenöffnung bzw. der für diese Blendenöffnung erforderlichen Steuerspannung eine Qualitätsmassfunktion bildet, die innerhalb des Regelbereiches für die Blendenöffnung einen der optimalen Belichtung entsprechenden Extremwert besitzt oder diesen an einer Grenze des
<Desc/Clms Page number 4>
Regelbereiches anstrebt bzw. annimmt. Somit wird jeder Blendenöffnung ein Qualitätsmass zuge- ordnet und es kann aufgrund der Kenntnis des Verlaufes dieser Funktion die Blendenöffnung optimiert werden.
Fig. 7 zeigt den Verlauf der SSD einer Bildsequenz einer statischen Szene, wobei die Öff- nungsweite der Blende des Objektivs kontinuierlich von ganz geschlossen, bis .ganz offen, variiert wird. Auf der Ordinate (siehe Fig. 7) ist die SSD, auf der Abszisse ist die Steuerspannung des Objektivs Ust e [1,5V...5,5V] aufgetragen. Die optimale Öffnungsweite der Blende liegt im Minimum des Verlaufes der SSD über der Steuerspannung des Objektivs. Die einzelnen ermittelten Quali- tätsmasse bilden die Qualitätsmassfunktion, welche Funktion über den betrachteten Bereich der Steuerspannung an einer Stelle einen Extremwert aufweist oder nach einer Seite einem Extrem- wert zustrebt.
Dieses Zustreben zu einem Extremwert erfolgt dann, wenn die aufzunehmende Szene entweder derart unterbelichtet oder derart überbelichtet ist, dass die Empfindlichkeitsgrenze des Bildsensors unterschritten oder sein Sättigungsbereich erreicht ist.
Eine Alternative zur Berechnung einer Qualitätsmassfunktion besteht in der Berechnung der Entropie E (Informationsgehalt) (Gl, 4) eines aufgenommenen Bildes durch die Auswertung des normierten Histogramms f (i) das ganzzahlig diskrete Intervall i e [m...n].
EMI4.1
EMI4.2
tischen Szene, wobei die Öffnungsweite der Blende des Objektivs kontinuierlich von ganz geschlossen, bis nganz offen" variiert wird. Auf der Ordinate ist die Entropie E, auf der Abszisse ist die Steuerspannung des Objektivs Ust e [1,5V...5,5V] aufgetragen. Die optimale Öffnungsweite der Blende liegt im Maximum des Verlaufes der Entropie E über der Steuerspannung Ust des Objektivs.
Unter Verwendung der aufgezeigten Vorgangsweisen zur Einregelung der optimalen Öff- nungsweite der Blende, ist es erforderlich, die Qualitätsmassfunktion in einer bestimmten Weise zu beschreiten, um zu deren Extremwerten oder zu deren Sättigungsbereichen zu gelangen. Bei dem ersten aufgenommenen Bild einer Bildsequenz kann über die vorzunehmenden Schritte bzw. die Richtung, in der die Steuerspannung verändert werden soll, keine Aussage getroffen werden, prinzipiell auch dann nicht, wenn man bei der minimalen oder maximalen Öffnungsweite der Blen- de beginnt.
Sofern allerdings bei einer Aufnahmesequenz ein Bildwechsel erfolgt oder eine Verän- derung des Bildes erfolgt, so soll aus der sich ergebenden Veränderung zwischen zwei aufeinan- derfolgenden Bildern bereits eine Information erhalten werden, in welche Richtung die Steuerspan- nung verändert werden soll, um sich der optimalen Öffnungsweite der Blende anzunähern. Damit soll einerseits der Rechenaufwand verringert bzw. die Nachstellung der Blende in kürzerer Zeit möglich werden.
Für die Feststellung, ob die gerade an der Blende anliegende Steuerspannung in einem der beiden Sättigungsbereiche liegt, die sich links und rechts vom Extremwert befinden, ist erfindungs- gemäss vorgesehen, dass die Summe der quadratischen Abweichungen über zwei, insbesondere aneinander anschliessende Teilbereiche, vorzugsweise die Hälften des Histogramms berechnet wird, dass die Summe der quadratischen Abweichungen des Gesamt-Histogramms durch die Differenz der Summe der quadratischen Abweichungen der beiden Teilbereiche dividiert und mit einem vorgegebenen Wert verglichen wird, und dass in Abhängigkeit des Vergleiches entschieden wird, ob sich der aufnehmende Bildsensor bzw. das System in einem der beiden Sättigungsberei- che befindet, wobei gegebenenfalls die für die Änderung der Steuerspannung vorgegebenen Spannungsschritte mit einem Faktor > 1 multipliziert werden.
Sofern man sich in einem Sättigungsbereich befindet, wird zur Bestimmung der Richtung, in der fortgeschritten werden muss, wie in Fig. 9 und 10 dargestellt ist, für Werte der Steuerspan- nung, die in den Bereichen 1 bzw. 6 liegen, aus dem Vergleich des normierten Histogramms f (i) einer gegebenen Referenzverteilung g (i) in einem definierten Teilbereich p e [0...1] (in der Regel wird p = 0,5 angenommen) des ganzzahlig diskreten Intervalls (i # [m...#n. p3 bzw. i # # n.p#+1...n# des verfügbaren Wertebereiches der Wertemenge die SSDhnks (Gl. 5), SSDrechts (Gl. 6), die Summe der Abweichungen links (Sum of Differences links (SDhnks), Gl. 7) und Summe der Abweichungen rechts (Sum of Differences rechts (SDrechts), Gl. 8) berechnet.
<Desc/Clms Page number 5>
EMI5.1
Es wird in diejenige Richtung fortgeschritten bzw. geregelt, in der die Summe der Abweichun- gen negativ ist.
Es ist prinzipiell auch möglich, nicht die jeweiligen Hälften des Histogramms als Teilbereiche zu nehmen, sondern auch Teilbereiche, die einen anderen Anteil an der Gesamtlänge des Histogramms aufweisen. Vorteilhafterweise liegen die Teilbereiche nebeneinander bzw. schliessen aneinander an.
Anhand der in den Fig. 9 und 10 dargestellten Qualitätsmassfunktionen wird die für eine optima- le Bildaufnahme vorgenommene Regelung der Öffnung der Blende des Objektivs erläutert. Die Qualitätsmassfunktion wurde ermittelt, indem für ein Bild bestimmter Helligkeit eine Reihe von Bildern aufgenommen wurde, und zwar jeweils mit unterschiedlicher Blendenöffnung. Aus dem damit bekannten Zusammenhang zwischen den Qualitätsmassen und der Steuerspannung lassen sich nunmehr Rückschlüsse auf die erforderliche Spannungsänderung in Richtung auf das Opti- mum ziehen, wozu allerdings erkannt werden muss, in welchem Bereich der Qualitätsmassfunktion man sich gerade befindet.
Dies könnte anhand des vorliegenden Qualitätsmasses abgeleitet wer- den ; man weiss jedoch nicht, ob man sich links oder rechts des Extremwertes befindet bzw. welche Form die Qualitätsmassfunktion besitzt ; es ist nur bekannt, dass sie einen Extremwert besitzt oder der Sättigung zustrebt.
Der Regelvorgang kann als eine Art Schleife angesehen werden, die direkt nach der Initialisie- rung der notwendigen Parameter betreten wird. Mit jedem neu aufgenommenen Bild werden neue Bilddaten erhalten und ausgehend von den aktuellen Bilddaten und den aktuellen Steuerspan- nungsparametern bzw. der aktuellen Blendenöffnung wird unter Zugrundelegung der neuen Bildda- ten erneut ein Qualitätsmass in Form der Summe der quadratischen Abweichungen oder der Entro- pie berechnet bzw. es wird die Summe der Abweichungen zwischen der Verteilungsfunktion gemäss Gleichung 7 bzw. Gleichung 8 berechnet.
Abgesehen von der Feststellung des Bereiches, in dem man sich befindet, mit der Steuerspan- nung, ist es auch erforderlich, die Richtung festzulegen, in der die Spannung verändert werden soll. Dazu ist es vorteilhaft, wenn zur Bestimmung des Vorzeichens bzw. der Richtung des Wertes der vorzunehmenden Änderung der dem ermittelten Qualitätsmass entsprechenden Steuerspan- nung die Summe der Abweichungen zwischen der Verteilungsfunktion f (i) Histogramms und der Referenzverteilung g (i) über zwei definierte Teilbereiche, vorzugsweise jeweils über die Hälften des Histogramms, ermittelt werden und die Steuerspannung in die Richtung des Teilbereiches hin verändert wird, in der die Summe der Abweichung negativ ist. Dies gilt für den Sättigungsbereich.
Schliesslich ist es von Vorteil, die Grösse der vorzunehmenden Änderung festzulegen. Dazu ist vorgesehen, dass die Änderung des Qualitätsmasses von zwei aufeinanderfolgenden Bildern ermit- telt und durch die Differenz der den beiden Qualitätsmassen zugeordneten Steuerspannungen dividiert wird und dass dieser Wert der absolut vorzunehmenden Änderung entspricht. Diese Änderung wird mit einem vorgegebenen Faktor multipliziert. Zur Feststellung der Richtung bzw. eines Richtungswechsels bzw. des Vorzeichens der Änderung wird die Änderung des Qualitäts- masses aufeinanderfolgender Bilder festgestellt ; bei Feststellung einer Entfernung vom Optimum
<Desc/Clms Page number 6>
wird das Vorzeichen der Änderung umgekehrt. Bei Beginn der Regelung besitzt die Änderung ein positives Vorzeichen.
Der bisherige Wert der Steuerspannung und die Änderung ergeben gemein- sam den neuen Wert der Steuerspannung für die Blendenöffnung. Im Bereich kleiner Änderungen des Qualitätsmasses im Nahbereich des Extremums wird die ermittelte Änderung gegebenenfalls mit einem Faktor < 1 multipliziert.
Um eine optimal konvergierende Vorgangsweise zu gewährleisten, hat sich die Unterteilung des Verlaufes der Qualitätsfunktion bzw. der SSD in sechs Bereiche bewährt (siehe Fig. 9). Diese Bereiche werden im Regelverlauf unterschiedlich behandelt. Aufgrund der berechneten Daten des Qualitätsmasses wird der Systemzustand dem jeweiligen Bereich zugeordnet.
Bereich 1 repräsentiert den linken Sättigungsbereich. Die auftretenden diskreten Bildwerte liegen ausschliesslich im untersten Abschnitt des betrachteten Histogramms. Das Bild ist zu dunkel. Dieser Bereich wird durch Öffnen der Blende (Erhöhung der Steuerspannung) ver- lassen.
Bereiche 2 und 5 umfassen die steil in Richtung Optimum abfallenden Flanken. Kleine
Spannungsänderungen bewirken relativ grosse Änderungen der SSD. Die zur Einstellung des neuen Spannungswertes erforderliche Spannungsänderung wird aus der Steigung der
Tangente (Änderung der SSD dividiert durch die Änderung der Steuerspannung) abgelei- tet.
Bereiche 3 und 4 beinhalten den Flachbereich links und rechts des Optimums. Aufgrund der geringeren Steigung der Tangente (Änderung der SSD dividiert durch die Änderung der
Steuerspannung) erfolgt eine langsamere Annäherung an das Optimum. Wurde dieses durch Wahl einer zu hohen Änderung der Steuerspannung übersprungen, wird das durch ein Ansteigen der SSD erkannt. In diesem Fall kann durch Richtungswechsel und Verklei- nerung der Spannungsschritte eine rasche Konvergenz zum Optimum gewährleistet wer- den.
. Bereich 6 beinhaltet den Sättigungsbereich rechts des Optimums. Die auftretenden diskre- ten Bildwerte liegen überwiegend im obersten Abschnitt des betrachteten Histogramms.
Das Bild ist zu hell. Aufgrund lokaler Minima sind suboptimale Lösungen denkbar. Daher ist eine alleinige Regelung über Tangentensteigung nicht zielführend. Durch Detektion dieses
Sonderfalls und Verminderung der Spannung wird der Bereich gerichtet verlassen.
Sollte sich während der Regelung die beobachtete Szene ändern, kann dies entweder geson- dert detektiert werden oder innerhalb des Algorithmus über eine plötzliche signifikante Änderung der SSD erkannt und speziell behandelt werden.
Ebenso wie bei der Regelung über die SSD ist auch hier eine Einteilung der Span- nung/Entropie-Funktion in mehrere Bereiche sinnvoll - wie in Fig. 10 dargestellt. Die Zuordnung erfolgt analog zu Fig. 9.
Der Unterschied zwischen der Regelung der Blendenspannung über SSD und der über Entro- pie ist einerseits die Zielfunktion, die im Falle der Entropie immer zu maximieren ist und anderer- seits der dem charakteristischen Verlauf der Kurve angepasste Parametersatz. Diese Parameter umfassen vor allem diverse Konstanten für die Spannungsschrittskalierung, Schranken für die Bereichswahl und für minimale Spannungsschnittwerte für die Änderung der Steuerspannung.
Eine in Fig. 11 beispielsweise dargestellte erfindungsgemässe Einrichtung besitzt eine optoe- lektronische Aufnahmeeinheit 1, insbesondere eine Videokamera mit einem Objektiv 3 und einer elektrisch gesteuerten Blende sowie einem Bildsensor 2. An den Bildsensor 2 ist eine Auswerteein- richtung 4 angeschlossen, die als wesentliche Bestandteile einen Histogrammbildner 5 für die aufgenommenen Bilder aufweist. In dem Histogrammbildner können die für die aufgenommenen Bilder ermittelten Histogramme auch normiert werden. Mit 6 ist ein Speicher und mit 16 ein Vergleicher für eine Referenzverteilung g (i) bezeichnet. Mit 7 ist ein Bilddatenspeicher für zumin- dest ein jeweils vorangehend aufgenommenes und für das aktuelle Bild dargestellt.
In einem Speicher 8 sind die Parameter gespeichert, die für den ersten Änderungsschritt der Steuerspan- nung der Blende zum Einsatz kommen sollen, nämlich zumindest ein Spannungswert und das Vorzeichen dieser Spannung. Mit 10 ist ein D/A-Wandler bezeichnet.
Mit 9 ist ein Rechner mit einem Speicher 11für Algorithmen bezeichnet, mit dem das Quali- tätsmass des jeweils aktuellen Bildes errechnet bzw. die Qualitätsmasse von vorangegangenen Bildem bzw. aktuellen Bildern und von Teilbildem sowie die Abweichungen zwischen der
<Desc/Clms Page number 7>
Verteilungsfunktion f (i) und der Referenzverteilung g (i) in den beiden Teilbereichen berechnet werden können.
Die Auswerteeinheit funktioniert unter der Steuerung des Mikroprozessors 9, von dem die ent- sprechenden Programmschritte, Berechnungen und die Blendensteuerung abgewickelt bzw. gesteuert werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Ausgleich sich verändernder Lichtverhältnisse bzw. zur Optimierung der
Belichtung bei der insbesondere automatischen Aufnahme von Videobildsequenzen, wobei die Blendenöffnung mit einer Steuerspannung innerhalb eines definierten Blendenwertbe- reichs eingestellt bzw. nachgeregelt wird, wobei mit den von ausgesuchten, vorzugsweise mit den von allen Bildpunkten des jeweils aufgenommenen Bildes erhaltenen Intensitäts- werten der Bildpunktsignale des Bildsensors ein Histogramm gebildet wird, wobei für das
Histogramm die Anzahl der in dem Bild auftretenden bzw.
auszuwertenden, jeweils in vor- gegebene diskrete Intensitätsintervalle fallenden Intensitätswerte der einzelnen Bildpunkt- signale ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, -dass aus dem erhaltenen Histogramm mit einem vorgegebenen Algorithmus ein Quali- tätsmass für das jeweilige aufgenommene Bild ermittelt wird, wobei der Zusammenhang zwischen einem Qualitätsmass von mit unterschiedlicher Blendenöffnung aufgenommenen, vorzugsweise gleichen Bildern und der Blendenöffnung bzw. der für diese Blendenöffnung erforderlichen Steuerspannung eine Qualitätsmassfunktion bildet, die innerhalb des Regel- bereiches für die Blendenöffnung einen der optimalen Belichtung entsprechenden
Extremwert besitzt oder diesen an einer Grenze des Regelbereiches anstrebt bzw. annimmt und -dass die sich aufgrund einer geänderten Steuerspannung bzw.
Blendenöffnung ergeben- de Änderung des Qualitätsmasses für aufeinanderfolgende Bilder festgestellt wird und abhängig von dieser Änderung unter Zugrundelegung der Qualitätsmassfunktion die Steu- erspannung für die Blendenöffnung zur Belichtung eines bzw. des folgenden Bildes um einen Wert bzw. auf einen Wert geändert wird, der einer Annäherung des Qualitätsmasses an den Extremwert der Qualitätsmassfunktion erwarten lässt.