CN101304482A - 减少图像传感器的闪烁的方法和装置 - Google Patents

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CN101304482A CNA2007101679170A CN200710167917A CN101304482A CN 101304482 A CN101304482 A CN 101304482A CN A2007101679170 A CNA2007101679170 A CN A2007101679170A CN 200710167917 A CN200710167917 A CN 200710167917A CN 101304482 A CN101304482 A CN 101304482A
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Abstract

提供了一种用于减少图像传感器的闪烁的方法和装置，其能够减少由于互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器导致的行闪烁。该方法包括：基于关于连续输入的图像帧的信息估计每一行的光源的分布曲线；以预定的带宽对所估计的光源的分布曲线的信息进行滤波；将滤波后的所估计的光源的分布曲线的信息正规化，并且提取每一行的校正增益；以及选择以预定帧为单位重复的每一行的校正增益，并且将该校正增益施加到输入图像信号上。

Description

减少图像传感器的闪烁的方法和装置
相关专利申请的交叉引用
本申请要求2007年5月7日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2007-0044230号的优先权，其公开内容通过引用而被全部合并于此。
技术领域
按照本发明的方法和装置涉及减少图像传感器的闪烁，并且更具体地涉及减少由于互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器导致的行闪烁。
背景技术
通常，摄影机电记录关于物体的二维(2D)信息。摄影机将物体的光学图像转换为电信号，将该电信号存储在存储器中，当需要时读取存储在存储器中的图像，并且打印该图像或者将该图像传送给计算机。
摄影机使用图像传感器以便将光学图像转换为电信号。图像传感器传统上使用电荷耦合器件(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)。
CMOS图像传感器使用的光源主要分类为日光和人造光。人造光通常是从荧光灯和白炽灯产生的。用于荧光灯的交流(AC)电源的频率根据国家而不同，大多数国家使用50Hz和60Hz。
CMOS图像传感器包括用于捕捉图像的像素单元以及用于处理由像素单元产生的图像信息的信号处理器。像素单元通过使用数十到数百万个像素来形成图像。当这些像素被暴露到光中以便捕捉图像时，由于泄漏电流的影响，不是同时将所有像素曝光。因此，CMOS图像传感器依序将每行的像素曝光。这里，在具有800×600个像素的图像传感器中，排列800个单元像素的一排成为一行。
图1A示出了在CMOS传感器中出现的滚动快门(rolling shutter)时序图。
一帧包括多个行，即行1至行N。一帧的时间是1/60秒。
CMOS传感器将通过以一行为单位的积分而累加的光强度施加到实际图像上。每行间隔时间为2.3微秒。
CMOS传感器的每一行的积分时间为16.7微秒，其与最大帧时间相同。使用行102来控制该积分时间。
这里，当图像传感器的每一行的曝光时间不是用于荧光灯的电源的频率周期的整数倍时，在输出图像中出现闪烁噪声。例如，当在由50Hz的电源频率驱动的荧光灯的照明下以60Hz捕捉图像时，物体的每一行的光强度彼此不同。
图1B是示出在CMOS传感器的输出图像中出现的每一行的闪烁现象的时序图。
参照图1B，荧光灯的电源频率是50Hz(由104表示)，并且用来捕捉图像信号的频率是60Hz(由103表示)。荧光灯利用交变反相正负电压发射光。因此，从物体反射的实际光源具有100Hz(由105表示)的光强度变化频率。数字107示出了当累加荧光灯的光强度时变化的每一行的光强度。这里，对于每一行，重复以三帧为单位的相同光强度。
因此，在相关技术中，为了消除闪烁噪声，必须将曝光时间设置为光源频率的周期的整数倍。然而，如上所述，由于频率周期根据荧光灯而不同，因此存在由用户根据光源而将频率设置到特定AC电源的不便。
发明内容
本发明提供了一种用于减少摄影机系统中的图像传感器的闪烁的方法和装置，其能够通过使用关于光源的信息对图像信号进行逆(inverse)校准来有效地减小行闪烁噪声。
本发明还提供了一种应用所述用于减少图像传感器的闪烁的方法和装置的摄影机系统。
根据本发明的一个方面，提供了一种减少图像传感器的闪烁的方法，包括：基于连续输入的关于帧的图像信息估计每一行的光源的分布曲线(profile)；以预定的带宽对所估计的关于光源的分布曲线信息进行滤波；将滤波后的关于光源的分布曲线信息正规化，并且提取每一行的校正增益；以及选择以预定帧为单位重复的每一行的校正增益，并且将该校正增益施加到输入的图像信号上。
根据本发明的另一方面，提供了一种摄影机系统，包括：图像捕捉设备，其捕捉在入射面上形成的物体的图像，以便输出对应的模拟红/绿/蓝(RGB)信号；模拟信号处理器，其通过AGC(自动增益控制)对从图像捕捉设备输出的模拟RGB信号进行自动增益控制；模拟-数字转换器，其将从模拟信号处理器输出的RGB模拟信号转换为RGB数字信号；以及数字信号处理器，其基于从模拟-数字转换器输出的多个帧的RGB信号来估计每一行的光源的分布曲线，通过使用所估计的关于光源的分布曲线信息来提取每一行的校正增益，并且将该校正增益施加到所述RGB信号上。
附图说明
通过参照附图来详细描述本发明的示例实施例，本发明的上述和其它方面将变得更加清楚，在附图中：
图1A示出了在互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器中出现的滚动快门定时效果；
图1B是示出在CMOS传感器的输出图像中出现的每一行的闪烁现象的时序图；
图2是示出根据本发明示例实施例的、采用用于减少闪烁的装置的摄影机系统的框图；
图3是示出根据本发明示例实施例的、用于在图2所示的数字信号处理器中进行的减少闪烁的装置的详细框图；
图4A是用于解释根据本发明示例实施例的、在图3所示的光源分布曲线计算器中执行的产生光源分布曲线的示例实施例的曲线图；
图4B是示出根据本发明示例实施例的、从实验图像获得的每一行的差值的曲线图；
图5A示出了根据本发明示例实施例的、当光源频率和图像捕捉频率彼此不同时由于CMOS传感器的滚动快门效应导致的光闪烁图像；
图5B示出了根据本发明示例实施例的、累加由光源分布曲线计算器和低通滤波器(LPF)获得的行数据的光源的波形；
图6A是根据本发明示例实施例的、用于使用图3所示的正规化单元获得每一行的校正增益的曲线图；
图6B示出了根据本发明示例实施例的、已经被施加了每一行的校正增益的图像；
图7是示出根据本发明示例实施例的减少闪烁的方法的概念图；以及
图8是示出根据本发明示例实施例的减少图像传感器的闪烁的方法的流程图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图来详细描述本发明的示例实施例。
图2是示出根据本发明示例实施例的、采用用于减少闪烁的装置的摄影机系统的框图。
图2的摄影机系统包括拍摄镜头210、互补金属氧化物半导体(CMOS)图像捕捉设备220、模拟信号处理器230、模拟-数字转换器(ADC)240、数字信号处理器250、帧存储器254、显示器258、控制器260、定时信号产生器270、和驱动信号产生器280。
拍摄镜头210在CMOS图像捕捉设备220的入射面上形成要拍摄的物体的图像。
CMOS图像捕捉设备220捕捉在入射面上形成的物体的图像，以便输出对应的模拟RGB信号。
模拟信号处理器230对由CMOS图像捕捉设备220产生的模拟RGB信号进行相关双采样，并且通过自动增益控制(AGC)来自动控制RGB模拟信号的增益。例如，当物体较亮并且信号电平为高时，模拟信号处理器230减小AGC增益，而当物体较暗且信号电平为低时，模拟信号处理器230增大AGC增益。
ADC 240将从模拟信号处理器230输出的RGB模拟信号转换为RGB数字信号。
数字信号处理器250通过使用具有清晰度校正、色彩校正、伽玛校正、闪烁减少等功能的噪声减少算法来减少从ADC 240输出的RGB数字信号中的噪声，将该RGB数字信号转换为YCbCr信号以便显示，并且产生水平和垂直同步信号。
具体地说，数字信号处理器250基于关于连续输入的图像帧的信息估计每一行的光源的分布曲线，通过使用所估计的关于光源的分布曲线信息来提取每一行的校正增益，并且将该校正增益施加到输入图像信号上。数字信号处理器250感测输入图像信号的周期性，仅对第一周期的图像信号计算校正增益，并且通过根据所述周期性使用对应的校正增益来校正下一周期的图像信号。
帧存储器254存储由数字信号处理器250处理的帧的RGB信号。
显示器258可以使用液晶显示器(LCD)来构成，并且显示从数字信号处理器250输出的YCbCr信号。
控制器260将由数字信号处理器250产生的水平和垂直同步信号传递给定时信号产生器270，根据用户的操作指令控制每个功能操作，并且在显示器258上显示照相机的设置状态或控制状态。
定时信号产生器270根据从控制器260输出的水平和垂直同步信号产生定时信号。
驱动信号产生器280根据由定时信号产生器270产生的定时信号而产生用于驱动CMOS图像捕捉设备220的图像捕捉操作的驱动信号。
图3是示出用于在图2所示的数字信号处理器中执行的减少闪烁的装置的详细框图。
所述用于减少闪烁的装置包括第一延迟单元302和第二延迟单元303、光源分布曲线计算器310、低通滤波器(LPF)320、正规化单元330、增益选择器340、以及乘法器350。
以三个帧为单位重复光源频率和帧捕捉频率。因此，根据本发明的当前示例实施例的用于减少闪烁的装置仅对三个帧进行信号处理。
首先，输入以一帧为单位的RGB图像信号或YCbCr信号。第一延迟单元302将所述帧的输入图像信号延迟预定时间。第二延迟单元303将从第一延迟单元302输出的帧的图像信号延迟预定时间。
光源分布曲线计算器310基于关于帧的信息而估计每一行的光源的分布曲线，并且估计每一行的光强度的变化率。
光源分布曲线计算器310包括第一、第二和第三光源分布曲线计算器311、312和312，以便处理所述三个帧的图像信号。
第一光源分布曲线计算器311从第一帧的图像信号估计每一行的光源分布曲线。第二光源分布曲线计算器312从自第一延迟单元302输出的第二帧的图像信号估计每一行的光源分布曲线。第三光源分布曲线计算器313从自第二延迟单元303输出的第三帧的图像信号估计每一行的光源分布曲线。
根据一示例实施例，光源分布曲线计算器310将对应帧中的行之间的像素的差值除以所述行之间的像素的平均值，将相除后的差值乘以比例因子以计算直方图(histogram)，并且估计当直方图中的频率达到最大值时的比例值作为对应行的光强度的变化率。
这里，每一行的光强度的变化率是从图像信号进行的估计的结果。因此，必须通过低通滤波来消除物体的显著变化或冲激噪声。
LPF 320对由光源分布曲线计算器310估计的光源的分布曲线的最大值进行低通滤波，以便提高图像的可靠性。这里，LPF 320包括第一、第二和第三LPF 321、322和323，以便分别处理这三个帧的图像信号。
第一LPF 321对从第一光源分布曲线计算器311输出的光源分布曲线信息进行低通滤波。第二LPF 322对从第二光源分布曲线计算器312输出的光源分布曲线信息进行低通滤波。第三LPF 323对从第三光源分布曲线计算器313输出的光源分布曲线信息进行低通滤波。
根据另一示例实施例，作为LPF 320的替代，考虑到光强度变化的特性，执行依赖于光强度的以下低通滤波方法。这里，可以通过具有直方图中的最大频率的数据的类型来获知光强度变化的特性。
If(Line_gain_F[i]！＝Line_gain[i-1]||Line_gain[i+1])
Line_gain_F[i]＝(Line_gain[i-1]+Line_gain[i+1])/2
else
Line_gain_F[i]＝Line_gain[i]，
其中，Line_gain_F[i]是当前行的增益值，Line_gain[i-1]是前一行的增益值，Line_gain[i+1]是下一行的增益值。
正规化单元330将所述分布曲线的最小值加到光源的滤波后的分布曲线值上或者从光源的滤波后的分布曲线值中减去所述分布曲线的最小值，以便去除负数，并且对所获得的值取倒数(invert)。
这里，正规化单元330包括第一、第二和第三正规化单元331、332和333，以便处理这三个帧的图像。
因此，正规化单元330通过使用所述分布曲线的最小值来将光源的滤波后的分布曲线值正规化，并且获得要施加到实际图像信号上的校正行增益。
增益选择器340选择以三帧为单位从正规化单元330重复输出的行的增益。
乘法器350通过将由增益选择器340选择的行增益值乘以输入图像信号来产生校正的图像信号。
图4A是用于解释在图3所示的光源分布曲线计算器310中执行的产生光源分布曲线的示例实施例的曲线图。
图4A示出了光源分布曲线的曲线图。这里，y坐标是频率，x坐标是行之间的像素的差值除以行之间的像素的平均值。这里，通过将所述差值乘以比例因子来提取对应行的光强度的变化率。此外，当所述差值的频率变为最大时，提取比例值，作为对应行的光强度的变化率。
图4B是示出从实验图像获得的每一行的差值的曲线图。这里，x坐标是行号，y坐标是所述差值。
图5A示出了当光源频率和图像捕捉频率彼此不同时由于CMOS传感器的滚动快门效应导致的光闪烁图像。示出了图像的一部分中的亮度变化。
图5B示出了累加由光源分布曲线计算器310和LPF 320获得的行数据的光源的波形。通过使用光源分布曲线计算器310和LPF 320，估计由于100Hz的照明产生的闪烁图像作为光源的分布曲线。将图5A和图5B相互比较，可以看出：所述图像的每一行的亮度变化和所估计的分布曲线值相同。
图6A是用于使用图3所示的正规化单元330获得每一行的校正增益的曲线图。
参照图6A，为了获得要施加到实际图像信号上的校正增益，将50Hz的光源的分布曲线的最小值加到分布曲线值上或者从分布曲线值中减去50Hz的光源的分布曲线的最小值，并且对所获得的值取倒数。从正规化的光源分布曲线中提取每一行的校正增益。例如，对于图像的较暗部分，将大的校正增益施加到对应的行，而对于图像的明亮部分，将小的校正增益施加到对应的行。
图6B示出了已经施加了每一行的校正增益的图像。当将图5A所示的闪烁图像和图6B所示的校正的图像相互比较时，可以看出：减少了闪烁噪声。因此，通过使用光源的分布曲线而以行为单位控制图像信号的增益，使得稳定地保持行的光强度。
图7是示出根据本发明示例实施例的减少闪烁的方法的概念图。
第一乘法器711将具有100Hz光源的荧光灯710的光信号m乘以具有60Hz的图像捕捉频率的图像信号(被称为输入)。这里，由于对于每一行光强度变化，因此对于每一行图像信号具有不同的增益值。
闪烁减少单元720从在荧光灯的照明下捕捉的图像信号估计光源分布曲线，并且提取与该分布曲线的倒数相对应的校正增益。
第二乘法器721将从闪烁减少单元720输出的每一行的校正增益值乘以所述图像信号以便输出校正的图像信号。
图8是示出根据本发明示例实施例的减少图像传感器的闪烁的方法的流程图。
首先，连续地输入以帧信号为单位的RGB图像信号或YCbCr图像(操作810)。
接下来，基于关于连续输入的图像帧的信息，估计每一行的光源的分布曲线(操作820)。具体地说，通过使用示出行之间的像素差值的频率的直方图来估计光源的分布曲线。这里，光源的分布曲线表示光强度的变化率。
接下来，对所估计的光源的分布曲线的最大值进行低通滤波(操作830)。
接下来，对滤波后的关于光源的分布曲线信息进行正规化，以便提取每一行的校正增益(操作840)。
接下来，对于以三帧为单位重复的每一行选择校正增益，并且将所选择的校正增益乘以输入图像信号(操作860)。
如上所述，当具有CMOS传感器的摄像放像机的图像捕捉频率和荧光灯的光源频率彼此不同时，可以减少由于每一行的快门的积分变化而出现的行闪烁。例如，可以消除当在具有50Hz的光源频率的荧光灯的照明下摄制具有60Hz频率的视频信号时可能出现的闪烁噪声。因此，可以减小由于CMOS传感器导致的行闪烁噪声，而不管外部光源的频率如何，因此可以提高图像质量。
本发明还可被实施为计算机可读记录介质上的计算机可读代码。该计算机可读记录介质是能够存储随后可由计算机系统读取的数据的任何数据存储设备。所述计算机可读记录介质的示例包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、CD-ROM、磁带、软盘、和光学数据存储设备。也可以通过网络耦接的计算机系统来分布所述计算机可读记录介质，使得以分布式方式来存储和执行所述计算机可读代码。
尽管参照本发明的示例实施例具体示出和描述了本发明，但是本领域技术人员将理解：可以在其中进行各种形式和细节上的变化，而不背离由所附权利要求书限定的本发明的精神和范围。

Claims (13)

1.一种减少图像传感器的闪烁的方法，包括：
基于关于连续输入的图像帧的信息估计每一行的光源的分布曲线；
以预定的带宽对所估计的光源的分布曲线的信息进行滤波；
将滤波后的所估计的光源的分布曲线的信息正规化，并且提取每一行的校正增益；以及
选择所述每一行的校正增益，并且将所述校正增益施加到输入图像信号上，
其中，以预定帧为单位重复所述每一行的校正增益。
2.如权利要求1所述的方法，其中，估计所述光源的分布曲线包括：基于关于所述图像帧的像素信息计算每一行的光强度的变化率。
3.如权利要求2所述的方法，其中，计算每一行的光强度的变化率包括：
将图像帧中的行之间的像素的差值除以所述行之间的像素的平均值；
通过将相除后的差值乘以比例因子来计算直方图；以及
估计当所述直方图中的频率达到最大值时的比例值，作为对应行的光强度的变化率。
4.如权利要求3所述的方法，其中，所述滤波包括对所述直方图中的最大值进行低通滤波。
5.如权利要求3所述的方法，其中，所述滤波包括根据具有所述直方图的最大频率的数据类型来执行相关的低通滤波。
6.如权利要求5所述的方法，其中，当执行所述相关的低通滤波时，在当前行的增益与前一行的增益或下一行的增益不同时，将所述当前行的增益设置为所述前一行的增益和所述下一行的增益的平均值，而在所述当前行的增益与所述前一行的增益或所述下一行的增益相同时，不改变所述当前行的增益。
7.如权利要求1所述的方法，其中，所述正规化包括：
将所述光源的分布曲线的最小值加到所述分布曲线的值上或者从所述分布曲线的值中减去所述光源的分布曲线的最小值，以便去除负数；以及
对通过所述相加或相减获得的值取倒数。
8.如权利要求1所述的方法，还包括确定所述输入图像信号的周期性，
其中，所述输入信号是第一周期的输入信号，以及
其中，如果确定了所述周期性，则仅对所述第一周期的输入图像信号计算所述校正增益，并且使用对应于所述周期性的校正增益来校正下一周期的输入图像信号。
9.一种减少图像传感器的闪烁的装置，包括：
光源分布曲线计算器，其基于关于连续输入的图像帧的信息估计每一行的光源的分布曲线；
滤波器，其以预定的带宽对所估计的光源的分布曲线的信息进行滤波；
正规化单元，其将滤波后的所估计的光源的分布曲线的信息正规化，并且提取每一行的校正增益；以及
增益选择器，其选择所述每一行的校正增益，并且将所述校正增益施加到输入图像信号上，
其中，以预定帧为单位重复所述每一行的校正增益。
10.如权利要求9所述的装置，其中，所述光源分布曲线计算器将图像帧中的行之间的像素的差值除以所述行之间的像素的平均值，通过将相除后的差值乘以比例因子来计算直方图，并且估计当所述直方图中的频率达到最大值时的比例值，作为对应行的光强度的变化率。
11.如权利要求1所述的装置，其中，所述滤波器是低通滤波器。
12.一种摄影机系统，包括：
图像捕捉设备，其捕捉在入射面上形成的物体的图像，以便输出对应的模拟红/绿/蓝(RGB)信号；
模拟信号处理器，其对所述模拟RGB信号执行自动增益控制；
模拟-数字转换器，其将从所述模拟信号处理器输出的RGB模拟信号转换为RGB数字信号；以及
数字信号处理器，其基于从所述模拟-数字转换器输出的多个帧的RGB信号而估计每一行的光源的分布曲线，通过使用所估计的关于所述光源的分布曲线来提取每一行的校正增益，并且将该校正增益施加到所述RGB信号上。
13.如权利要求12所述的系统，其中，所述数字信号处理器包括：
光源分布曲线计算器，其基于关于连续输入的图像帧的信息估计每一行的所述光源的分布曲线；
滤波器，其对所估计的光源的分布曲线的信息进行低通滤波；
正规化单元，其将进行了低通滤波的所估计的光源的分布曲线的信息正规化，以便检测每一行的校正增益；
增益选择器，其选择以预定帧为单位重复的所述每一行的校正增益；以及
乘法器，其将所选择的每一行的校正增益施加到输入图像信号上。
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