CN101185322B - 一种用于数字成像的方法、设备和控制器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及其中执行变焦的摄影过程。在一种方法中，通过成像光学器件将图像形成在光敏图像传感器上，并且该设备能够进行光学和数字变焦，所述方法包括用于确定可用照明的量的步骤，其中，根据所述数量确定光学变焦和数字变焦之间的比率，根据该比率执行光学和数字变焦。本发明还涉及一种设备、控制器、一种计算机可执行程序和介质。

Description

一种用于数字成像的方法、设备和控制器

技术领域

本发明一般涉及摄影过程并且尤其涉及这样一种过程，其中在图像捕获过程期间执行变焦。 

背景技术

在摄影术中，光具有重要的角色。在光敏传感器上生成图像需要照明。经由成像光学器件传播的光通常穿过可调整的光圈。可以将光圈调得较小，其中减少进入照相机设备的光量。当光圈调的较大时，增加进入照相机设备的光量。成像光学器件收集来自于成像目标的反射光并且将光投射到传感器上。如果自然光照对于摄影来说不够高，则可以通过附加的灯、闪光灯来增加光量。 

光学变焦是一种调整成像光学器件的光学放大倍率的方法，由此，在摄影区域内的目标将根据变焦的方向而在图像传感器上的最终图像中较大或较小地形成。因此，摄影者可以通过对希望在图像中强调的目标进行对焦来选择该目标。当以此方式光学放大了该目标时，在照相机传感器中由单独像素看到的光量变的较小，从而图像变得较暗。其中当增大光学放大倍率时，使用用于光学变焦的照相机光学系统来减少落在图像传感器上的光量的现象在摄影领域内是公知的。 

对于典型的成像光学器件，可以通过下列等式估计光量： 

f_act＝f_n×(M+1) 

其中f_act相应于实际光圈值，f_n相应于成像光学器件中设置的光圈并且M相应于变焦率。变焦率越大(即更靠近图像)，则可用光越少。例如，如果变焦率小于1∶10，则光基本上不减少。然而，具有1∶1变焦率以及16的光圈值的摄影给出了32的光圈实际值，其大于设置的光圈两倍，从而光损失是两个光圈值。 

提供一些解决方案以克服光学变焦中光减少的问题。一个可能性是增大模拟信号增益，从而将放大模拟信号域中的光，但是由于因此将放大噪声，所以信噪比通常将减小。另一个可能性是增加图像曝光时间，从而可以收集到更多光子并且因此可以提供更明亮的图像。然而由于此解决方案，如果曝光时间太长则图像可能模糊。 

某些照相机具有光学和数字变焦功能两者。数字变焦在光学传感器已经捕获了该图像后，通过使用数字图像处理技术来放大数字图像中的指定区域从而实现变焦。因为图像源(未变焦的图像)在那个区域具有的信息比最终缩放的区域所需要的更少，所以图像质量可能稍微受损。因此，数字变焦通常仅在光学变焦达到其最大值之后使用。然而，因为数字变焦应用于光学变焦的图像，所以在此情况中，不能防止由于光学变焦而在图像中引起的光减少。 

因此，当使用光学变焦时，相关领域似乎缺乏可以更好的保持图像亮度的解决方案。 

发明内容

本发明考虑当使用光学变焦时图像的可能暗化，并且因此提供一种甚至在低度光照成像情况期间产生具有更好图像质量的变焦图像的解决方案。为了完成此目的，提供一种方法、设备、控制器、计算机可执行程序和介质。 

在用于数字成像的方法中，在成像设备中将图像通过成像光学器件形成在光敏图像传感器上，所述成像设备能够进行光学和数字变焦，所述方法包括用于确定可用照明的量的步骤，其中根据所述量，确定所述光学变焦和所述数字变焦之间的比率，根据该比率执行所述光学变焦和所述数字变焦。 

用于数字成像的设备包括：成像光学器件和通过所述成像光学器件统对其形成图像的图像传感器，能够进行光学变焦和数字变焦两者的所述设备进一步包括：用于确定可用照明的量的装置，以及， 根据所述量，所述设备能够确定所述光学变焦和所述数字变焦之间的比率，根据该比率所述设备能够执行所述光学变焦和所述数字变焦。 

用于数字成像设备的控制器包括：用于光学变焦和数字变焦两者的控制装置，所述控制器包括用于确定可用照明的量的装置，并且，根据所述量，所述控制器能够确定所述光学变焦和所述数字变焦之间的比率，根据该比率所述控制器能够控制用于所述设备的所述光学变焦和所述数字变焦。 

用于数字成像的计算机可执行程序，其中在成像设备中将图像通过成像光学器件形成在光敏图像传感器上，所述成像设备能够进行光学变焦和数字变焦，所述程序包括当在计算机上运行时，适合执行确定可用照明的量的步骤的代码装置，并且，根据所述量，确定所述光学变焦和所述数字变焦之间的比率，根据该比率执行所述光学变焦和所述数字变焦。 

根据本发明的介质能够承载或存储上述计算机可执行程序。 

本发明提供用于自动地选择数字和光学变焦比率的方案。该选择是基于光照条件的，并且因此用户不需要太严格地使用光学系统来工作，而是可以根据将为图像提供足够的光的假设。以此方式，该解决方案简化了用户的摄影动作，从而甚至非职业摄影者可以在变化的光照条件下拍摄出清晰的图片。 

根据本发明，即使可以也不必针对单一像素使用模拟增益以补偿光的减少，因此更好地保持信噪比。 

附图说明

结合以下附图考虑可以更好地理解本发明，其中 

图1示出了执行本发明的方法步骤的一个示例； 

图2示出了照相机设备的一个示例；以及 

图3示出了成像系统的一个示例。 

具体实施方式

本发明提出了利用周围的照明以选择使用的变焦的解决方案。图1中简化流程图中示出了方法步骤的示例。使用照明意味着确定了可用光水平，其后定义数字和光学变焦比率。定义的比率控制执行多少光学变焦和数字变焦。 

可以根据图1中呈现的示例执行确定数字和光学变焦比率的示例。图1示出了仅用于理解目的的简化的示例。应该清楚，可以根据成像情况来广泛地修改图1的示例。在摄影过程100期间，为将特定目标剪裁得更好，经常需要变焦，例如在图像中更中心地呈现。在此发明中，当需要变焦时，确定110当前的光照水平。可以通过曝光时间、模拟增益和使用所述参数实现的图像像素值水平来确定光照条件。应该理解，可以通过诸如在例如照相机设备中发现的曝光计(light meter)等任何其他装置来确定光照条件。根据光照条件定义变焦比率。通过比较确定的光照条件与照明范围来确定该比率，该照明范围定义了用于例如低度照明、明亮照明和中度照明目标值的区域。应该理解可以根据光照条件将照明范围分成比上述那些更多或更少的照明区域。区域的数量和区域的值可以根据情况改变，其例如受到成像设备的功能和成像应用的影响。 

当光照条件是明亮120时，可以使用光学变焦例如直到它的最大值160。在达到最大光学变焦并且根据是否进一步需要170进一步变焦之后，可以执行数字180后续变焦。换句话说，在明亮光照条件下，可以忍受光学变焦降低到达光学图像传感器的光的水平。使用变焦的其他益处(诸如使用所有像素)克服了数字变焦的劣势，即，在最终的图像质量中不使用所有像素。 

在中度光照条件130下，首先可以使用光学变焦，其后，如果进一步需要变焦，则进行数字变焦180。照相机设备间的光学变焦的量可以改变，但是作为示例，可以使用光学变焦直到达到其最大值150的大约一半或某些其他预定比例。如所述，比例是预定的量，其取决于成像设备的功能。比例可以是最大变焦的一半，但是自然它 可以是某些其他比例。换句话说，在中度光照条件下，可以使用光学变焦的某些量，但是为了避免损失太多的光，一部分变焦被数字化地完成。 

当光照条件是低度140时，从开始180就使用数字变焦。这向最终图像提供了比使用光学变焦更好的照明。然而，更希望的是，仅使用数字变焦直到用于保持尽可能好的质量的合理变焦水平。但是，如果在合理的水平上需要变焦，则进一步使用光学变焦。换句话说，在低度光照条件下，将避免光学变焦，因为由于光学放大引起的光水平降低比使用数字变焦引起的光水平降低具有更大的不利。 

在数字变焦过程中，可以监视变焦的合理水平。当数字变焦超过合理水平时，利用光学变焦或通过交替光学变焦和数字变焦来继续进行变焦，直到达到最大变焦。作为示例，当光学和数字变焦最大都是12倍时，交替变焦的最大变焦是144倍。在此示例中，中度光照条件下，可以交替变焦如下： 

1x-3x    光学变焦 

3x-9x    数字变焦 

9x-18x   光学变焦 

18x-36x  数字变焦 

36x-72x  光学变焦 

72x-144x数字变焦 

在相同示例中，低度光照条件下，可以交替变焦如下： 

1x-3x    数字变焦 

3x-9x    光学变焦 

9x-18x   数字变焦 

18x-36x  光学变焦 

36x-72x  数字变焦 

72x-144x 光学变焦 

进一步在相同示例中，明亮光照条件下，可以交替变焦如下： 

1x-12x  光学变焦 

12x-144x数字变焦 

本领域技术人员应该理解，用于照明区域的光的极限值可以改变。极限值是预定的，并且作为示例，1-100lux可以定义低度光水平，即，昏暗条件，100-1000lux可以定义中度条件并且＞1000lux可以定义明亮照明。技术人员应该理解，选择的照明水平用于示例目的。然而，该水平不需要非常严格，而是，它可以在水平之间改变或浮动。如何设定光学和数字变焦比率的合适的选择规则也可以根据照相机设备的功能，换句话说，根据图像传感器的敏感度和成像/变焦光学器件的光收集能力。 

类似地，光学变焦的最大值可以根据照相机设备改变。某些设备可以提供十倍变焦，但是另一设备仅提供三倍变焦。例如，具有200倍变焦功能的设备不需要实际进行100倍光学变焦的范围直到使用数字变焦。因此，应该理解，做出专用于设备的变焦比率选择取决于成像光学器件。 

其中使用闪光灯的短距离的摄影情况下，可以根据明亮光照水平下使用的解决方案来确定变焦比率。当使用闪光灯对风景或其他远目标进行摄影时，可以如上描述来确定变焦比率。然而，可能需要根据目标的距离调整变焦。 

对于本发明，可以利用放大倍率/变焦比率的平滑改变连续操作光学变焦，也可以以“步进的”方式进行操作，其中仅可以以量化的步骤改变变焦比率。某些成像设备可以仅具有几个光学变焦位置，其中在已经使用了所有光学变焦位置之后需要使用数字变焦。 

在图2中示出了照相机设备的一个示例。照相机设备可以是成像电话，然而，包括任何数字成像照相机模块的系统可以使用此描述的方案。这样的设备包括，例如web照相机、可携式摄像机、观测照相机和其他数字静止或视频图像捕获设备。设备200包括光学器件210或其他可以与该光学器件进行通信以捕获成像数据的装置。设备200还可以包括具有发射器221和接收器222或者连接到上述 装置的通信装置220。还可以存在具有发射器281和接收器282的其他通信装置280。第一通信装置220可以适用于电信，并且其他通信装置280可以是一种适于局部使用并且与另一个设备通信的短距通信装置。根据图2的设备200还包括用于显示可视信息和捕获的成像数据的显示器240。另外，设备200可以包括交互装置，例如用于输入数据等的小键盘250。另外或者代替小键盘250，如果显示器是触摸屏显示器，设备可以包括指示笔。设备200还可以包括音频装置260，例如耳机261和麦克风262以及可选的用于编码(并且解码，如果需要)音频信息的编解码器。设备200还包括用于控制功能并且在设备200中运行应用的控制单元230。控制单元230可以包括一个或多个处理器(CPU、DSP)，其中一个例如是用于图像。设备进一步包括用于存储例如数据、应用和计算机成像代码的存储器270。 

图3中，示出了成像系统的示例。该成像系统可以属于数字照相机，从而应该理解，本发明可应用于各种成像设备。该成像系统包括镜头系统305，其收集反射自目标的光束301。镜头系统305可以包括可变数量的镜头。在执行镜头系统动作的系统中也可能没有传统的镜头。用于镜头系统的变焦可以具有直光轴或者例如由棱镜或反射镜折叠的轴。镜头系统还可以包括其他功能，例如自动聚焦。在此示例中，光束301通过镜头系统305传播到光传感器310，例如将光转换为电子的CCD或CMOS传感器。信号处理器320滤波、放大并且数字化来自于光传感器310的模拟信号。数字图像处理器330针对例如快门装置380提供处理电源和控制。对于光学变焦，该系统包括用于移动镜头系统305的控制335以及致动器337。存储器340存储各种功能需要的程序代码以及图像数据。存储器340可以包括不同的、可移除或固定的存储装置。诸如USB连接的数据连接350向诸如计算机的外围设备提供连接。可以将成像数据传输到显示器360用于向用户呈现。然而，在某些照相机设备(例如，web照相机)中，显示器不是设备必需的部分，但是如果需要，可以通过线缆或无线连接到达。 

如上所述，根据本发明，尽管使用光学变焦，在摄影过程期间仍然提供具有充足光线的图像。在该方法中，具有期望的变焦的图像中照明的最终量是本发明的关键目标。上述示例提供了了用于达到此目标的几种方式，但是应该理解，也可以使用那些示例的组合或修改。在此方案中的问题是，光学和数字变焦的比率如何：如果使用的话，使用了多少数字变焦，以及如果使用的话，使用了多少光学变焦。变焦的顺序可以改变。在某些情况中，光学变焦可以开始变焦过程，然而有时可以首先使用数字变焦。有时可以交替变焦方法完成变焦，并且有时在使用光学变焦的同时使用数字变焦。因为数字变焦快，所以可以首先使用它，通过数字变焦可以测量光量。在此之后，决定实际变焦比率。可以看到，此发明中最重要的问题是，在捕获图像时根据光照条件的数字和光学变焦的比率。 

方法本身可以广泛应用于不同的照相机设备或成像系统。也可能对本发明应用远程控制，从而照相机设备提供光照水平信息而在别的地方决定变焦，从而数据传输连接可以用于承载控制信息。当捕获的图像的目标是附着在MMS消息(多媒体消息传递服务)上并且倾向于较低的分辨率显示时(其中图像传感器通常具有比结果图像的分辨率更高的分辨率)，本方案是非常有用的。这意味着，代替较多地使用光学变焦，使用数字变焦来保留更好的光能。本领域技术人员应该理解，只要方法步骤用于提供针对照明的光学和数字变焦，则本发明的实施可以改变。通过理解上述内容，应该清楚，在不脱离如权利要求书中陈述的本发明的保护范围的情况下，可以对示例进行变形和修改。 

Claims (25)

1.一种用于数字成像的方法，其中在成像设备中将图像通过成像光学器件形成在光敏图像传感器上，所述成像设备能够进行光学变焦和数字变焦，所述方法包括：

确定可用照明的量，

基于所述可用照明的量来确定所述光学变焦和所述数字变焦之间的比率；

根据所述比率来执行所述光学变焦和数字变焦；

其中所述可用照明的量被分类为低度、明亮和中度其中之一，并且，执行光学变焦和数字变焦，从而：

在低度照明下，所述数字变焦的执行优先于所述光学变焦；

在中度照明下，结合所述数字变焦来执行光学变焦，从而首先执行小于最大光学变焦的特定量的光学变焦，并且在执行所述特定量的光学变焦之后，如果进一步需要进行变焦，则执行数字变焦；以及

在明亮照明下，所述光学变焦的执行优先于所述数字变焦。

2.根据权利要求1所述的方法，其中通过比较所确定的可用照明的量与预定的照明目标值来确定所述比率。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述预定的照明目标值定义了低度、明亮和中度照明条件。

4.根据权利要求1所述的方法，其中在低度照明下，代替光学变焦而执行所述数字变焦。

5.根据权利要求1所述的方法，其中在明亮照明下，执行所述光学变焦直到达到最大光学变焦，其后继续进行所述数字变焦。

6.根据权利要求1所述的方法，其中在中度照明下，在执行了所述特定量的数字变焦之后，通过交替地进行光学变焦和数字变焦来继续进行变焦。

7.根据权利要求1所述的方法，其中交替地执行光学变焦和数字变焦。

8.一种用于数字成像的设备，包括成像光学器件和通过所述成像光学器件对其形成图像的图像传感器，所述设备能够进行光学变焦和数字变焦两者，并且进一步包括：

用于确定可用照明的量的装置，

所述设备被配置用于，基于所述可用照明的量来确定所述光学变焦和所述数字变焦之间的比率，并且根据所述比率来执行所述光学变焦和所述数字变焦，

其中所述设备配置用于将所述可用照明的量分类为低度、明亮和中度其中之一，并且，执行光学变焦和数字变焦，从而：

在低度照明下，所述数字变焦的执行优先于所述光学变焦；

在中度照明下，结合所述数字变焦来执行光学变焦，从而首先执行小于最大光学变焦的特定量的光学变焦，并且在执行所述特定量的光学变焦之后，如果进一步需要进行变焦，则执行数字变焦；以及

在明亮照明下，所述光学变焦的执行优先于所述数字变焦。

9.根据权利要求8所述的设备，配置为通过比较所述确定的可用照明的量与预定的照明目标值来确定所述比率。

10.根据权利要求9所述的设备，其中所述预定的照明目标值定义了低度、明亮和中度光照条件。

11.根据权利要求8所述的设备，其中在低度照明下，配置为代替所述光学变焦而执行数字变焦。

12.根据权利要求8所述的设备，其中在明亮照明下，配置为执行所述光学变焦直到达到最大光学变焦，其后所述设备能够继续进行所述数字变焦。

13.根据权利要求8所述的设备，其中在中度照明下，配置为在执行了所述特定量的数字变焦之后，交替地执行光学变焦和数字变焦。

14.根据权利要求8所述的设备，配置为交替地执行光学变焦和数字变焦。

15.根据权利要求8所述的设备，进一步包括数据传输连接功能。

16.一种用于数字成像设备的控制器，包括用于光学变焦和数字变焦两者的控制装置，所述控制器包括用于确定可用照明的量的装置，并且，所述控制器配置为基于所述可用照明的量来确定所述光学变焦和所述数字变焦之间的比率，根据所述比率所述控制器配置为控制用于所述设备的所述光学变焦和所述数字变焦，

其中所述控制器配置用于将所述可用照明的量分类为低度、明亮和中度其中之一，并且控制所述光学变焦和数字变焦，从而：

在低度照明下，所述数字变焦的执行优先于所述光学变焦；

在中度照明下，结合所述数字变焦来执行光学变焦，从而首先执行小于最大光学变焦的特定量的光学变焦，并且在执行所述特定量的光学变焦之后，如果进一步需要进行变焦，则执行数字变焦；以及

在明亮照明下，所述光学变焦的执行优先于所述数字变焦。

17.根据权利要求16所述的控制器，配置为通过比较所述确定的可用照明的量与预定的照明目标值来确定所述比率。

18.根据权利要求17所述的控制器，其中所述预定的照明目标值定义了低度、明亮和中度光照条件。

19.根据权利要求16所述的控制器，其中在低度照明下，配置为代替所述光学变焦而执行所述数字变焦。

20.根据权利要求16所述的控制器，其中在明亮照明下，配置为控制所述光学变焦直到达到最大光学变焦，其后所述控制器配置为继续进行数字变焦。

21.根据权利要求16所述的控制器，其中在中度照明下，配置为控制所述光学变焦和数字变焦，从而在执行了所述特定量的数字变焦之后，交替地进行光学变焦和数字变焦。

22.根据权利要求16所述的控制器，其中所述特定量的光学变焦是所述最大光学变焦的一半。

23.根据权利要求16所述的控制器，配置为交替地执行光学变焦和数字变焦。

24.根据权利要求16所述的控制器，安排到成像设备中。

25.根据权利要求16所述的控制器，是一种远程控制器。

Images