CN101502098A - 从场景到成像传感器的动态范围压缩的可调中灰过滤系统 - Google Patents

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CN101502098A CNA2007800134343A CN200780013434A CN101502098A CN 101502098 A CN101502098 A CN 101502098A CN A2007800134343 A CNA2007800134343 A CN A2007800134343A CN 200780013434 A CN200780013434 A CN 200780013434A CN 101502098 A CN101502098 A CN 101502098A
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Abstract

描述了一种通过实现相机内的可调中灰密度过滤器来扩展渐变中灰密度过滤器步骤的设备和方法。可调中灰密度过滤器通过透射式LCD来实现。透射式LCD被控制以形成掩模图像。该掩模图像可以使用已获取的信号来计算，其中，该已获取的信号随后被反转和模糊化。在一个实施例中，采用分离器和附加的传感器来获取分离信号然后修改分离信号以用作掩模图像。另一个分离信号通过掩模图像和透射式LCD来过滤。最后，具有高动态范围压缩的图像被捕捉。

Description

从场景到成像传感器的动态范围压缩的可调中灰过滤系统
技术领域
本发明涉及成像领域。更具体地，本发明涉及高动态范围成像。
背景技术
摄影涉及用相机捕捉场景。观察被捕捉图像通常在监视器或打印机上完成。动态范围被定义为介质、装置或格式能够支持、且不损失细节的最亮值与最暗值的对比度。
通常，场景的动态范围超出了输出装置(例如，打印机或监视器)的动态范围能力。传统打印机的正常动态范围大约为7比特或128:1的对比度，并且传统监视器的正常动态范围大约为8比特的数据或256:1的对比度。高动态范围成像涉及捕捉更大的动态范围，且动态范围压缩涉及该较高动态范围到通常是8比特或256:1的对比度的较低动态范围的转换。
成像装置还捕捉有限的灰度范围(intensity range)，而真实世界的场景常常超出该范围。所以，实际上，动态范围压缩的问题可以被分为两个主要部分，捕捉时的动态范围压缩和处理时的动态范围压缩。图1示出了动态范围压缩的各个阶段。原始场景100具有最高的动态范围，其中，大地的暗度与太阳的亮度被高度区分开。相机内的在捕捉阶段具有动态范围压缩的被捕捉场景102显示该动态范围仍相对较高，所以大地仍很暗，而太阳仍是亮的。最后，输出阶段的输出场景104具有最低的动态范围，其中，大地和太阳的反差被降低。
大多数用于动态范围压缩的方法关注处理时的动态范围压缩，即，如何压缩成像传感器的动态范围以匹配通常为7或8比特数据的输出装置的动态范围。
传统上，摄像者已意识到成像装置的有限动态范围和对捕捉阶段的动态范围压缩的需要。在传统的摄影中，这个问题通过渐变中灰密度过滤器来减轻。该过滤器对各种对比度级别起作用并且被设计成主要用于户外场景或者场景中高对比度区域的分布模式可被预测的地方。渐变中灰密度过滤器是圆的或方的，并被安装在相机的前部元件的顶部。渐变中灰密度过滤器的主要限制在于这样的事实：它们只模拟场景中的预定分布的高对比度区域。
Nayar等人所著的第6,864,916号美国专利公开了用于使用低动态范围图像传感器来获取高动态范围图像的设备和方法。场景的图像由使用空间变化的曝光功能(exposure function)的图像传感器来捕捉。空间变化的曝光功能被以多种方式实现，如通过将固定的空间衰减图案用作光学掩模，或者通过使用具有空间变化的感光性的感光元件的阵列来实现。然后，关于空间变化的曝光功能，对被捕获图像进行归一化。然后，经过归一化的图像数据被内插，以解决被饱和或变黑的像素进而增强图像传感器的动态范围。
Collins等人所著的第6,683,645号美国专利公开了包含图像检测单元和过滤器单元的成像系统。像素图像信号被并列地从图像检测单元传递到过滤器单元。每个像素内的电路元件利用与该像素处的图像灰度的对数成比例的幅度来生成像素图像信号。过滤器单元执行空间过滤操作并输出结果。
发明内容
描述了一种通过实现相机内的可调中灰密度过滤器(neutral densityfilter)来扩展渐变中灰密度过滤器步骤的设备和方法。可调中灰密度过滤器通过透射式LCD来实现。透射式LCD被控制以形成掩模图像(maskimage)。该掩模图像可以使用已获取的信号来计算，其中，该已获取的信号随后被反转和模糊化。在一个实施例中，利用分离器和附加的传感器来获取分离信号然后修改分离信号以用作掩模图像。另一个分离信号通过掩模图像和透射式LCD来过滤。最后，具有高动态范围压缩的图像被捕捉。
一方面，用于获取场景的一个或多个图像信号的设备包括：成像传感器，用于捕捉一个或多个图像信号；以及内部过滤装置，被耦合以从成像传感器接收掩模图像，其中，掩模图像是从一个或多个图像信号形成的。内部过滤装置包括透射式液晶显示器。所述设备是从包括相机、摄像机、摄像放像机、数码相机、蜂窝电话和PDA的组中选择的。成像传感器是从包括电荷耦合器件和互补金属氧化物半导体的组中选择的。掩模图像是通过对一个或多个信号进行反转和模糊化形成的。
另一方面，用于获取场景的信号的设备包括：分离器，用于将信号分离成第一分离信号和第二分离信号；第一成像传感器，用于捕捉第一分离信号；第二成像传感器，用于接收第二分离信号并生成掩模图像；以及内部过滤装置，用于接收掩模图像并对第一分离信号进行过滤。内部过滤装置包括透射式液晶显示器。所述设备是从包括相机、摄像机、摄像放像机、数码相机、蜂窝电话和PDA的组中选择的。第一成像传感器和第二成像传感器是从包括电荷耦合器件和互补金属氧化物半导体的组中选择的。掩模图像是通过对第二分离信号进行反转和模糊化形成的。信号被连续获取。
又一方面，方法包括：从第一信号生成掩模图像；在内部过滤装置上形成掩模图像；以及通过使第二信号通过显示掩模图像的内部过滤装置来使用掩模图像过滤第二信号。内部过滤装置包括透射式液晶显示器。生成和过滤发生在成像装置内。成像装置是从包括相机、摄像机、摄像放像机、数码相机、蜂窝电话和PDA的组中选择的。所述方法还包括从场景获取第一信号。所述方法还包括在成像传感器上接收第一信号。所述方法还包括从场景获取第二信号。所述方法还包括在成像传感器上捕捉已过滤的第二信号。所述方法还包括生成掩模图像，其中，生成掩模图像的过程包括对第一信号进行反转和模糊化。第一信号和第二信号在不同时刻被获取。第一信号和第二信号被连续获取。
再一方面，方法包括：从场景获取第一信号；在成像传感器上接收第一信号；将第一信号修改成掩模图像；在内部过滤装置上形成掩模图像；从场景获取第二信号；过滤第二信号；以及在成像传感器上捕捉已过滤的第二信号。内部过滤装置包括透射式液晶显示器。所述方法发生在成像装置内。成像装置是从包括相机、摄像机、摄像放像机、数码相机、蜂窝电话和PDA的组中选择的。修改第一信号的过程包括反转和模糊化。成像传感器是从包括电荷耦合器件或互补金属氧化物半导体的组中选择的。第一信号和第二信号在不同时刻被获取。第一信号和第二信号被连续获取。过滤发生在第二信号通过具有掩模图像的内部过滤装置时。
又另一方面，方法包括：从场景获取信号；将信号分离成第一分离信号和第二分离信号；在第二成像传感器处接收第二分离信号；将第二分离信号修改成掩模图像；在内部过滤装置上形成掩模图像；过滤第一分离信号；以及在第一成像传感器上捕捉已过滤的第一分离信号。内部过滤装置包括透射式液晶显示器。所述方法发生在成像装置内。成像装置是从包括相机、摄像机、摄像放像机、数码相机、蜂窝电话和PDA的组中选择的。修改信号的过程包括反转和模糊化。第一成像传感器和第二成像传感器是从包括电荷耦合器件或互补金属氧化物半导体的组中选择的。所述信号被连续获取。过滤发生在第一分离信号通过具有掩模图像的内部过滤装置时。
附图说明
图1示出了来自捕捉处理的图像的各个阶段的动态范围。
图2示出了实现相机内的可调中灰密度过滤器的系统的实施例。
图3示出了实现相机内的可调中灰密度过滤器的实施例的流程图。
图4示出了实现相机内的可调中灰密度过滤器的系统的实施例。
图5示出了实现相机内的可调中灰密度过滤器的实施例的流程图。
具体实施方式
描述了一种通过实现相机内的可调中灰密度过滤器来扩展渐变中灰密度过滤器步骤的设备和方法。可调中灰密度过滤器通过透射式液晶显示器(LCD)来实现。透射式LCD被控制以形成图像的亮度掩模(luminancemask)、或逆向亮度变化(inverse luminance variation)分布。该亮度掩模可以使用各种方式来计算，所述方式类似于用于处理阶段的动态压缩的方法中的计算亮度掩模的方式。
通过此处公开的方法，由成像传感器捕捉的结果图像是场景和掩模图像之间的比值：
传感器-图像＝场景-图像/掩模-图像
掩模图像“掩模-图像”实现了可调中灰密度过滤器。它是通过对高斯模糊的结果进行反转，从估计出的“场景-图像”计算出来的。标准高斯模糊的替代方案是使用诸如中值过滤器或双边过滤器之类的边缘保留模糊。另外，可以采用其他用于计算掩模图像的方法。
图2示出了实现相机内的可调中灰密度过滤器的系统的实施例。场景100由诸如相机或摄像放像机之类的成像装置200捕捉。场景100的第一信号202进入相机200并通过透射式LCD 204。最初，透射式LCD 204是透明的，所以第一信号202不受影响地通过。第一信号202由诸如电荷耦合装置(CCD)、互补金属氧化物半导体(CMOS)或其他成像传感器装置之类的成像传感器206捕捉。然后，第一信号202被处理从而使得其被修改成反信号(inverted signal)212，也就意味着图像的暗区域变亮，亮区域变暗。反信号212还被轻微地模糊化。反信号212是被发送到透射式LCD 204的掩模图像208。在快门(未示出)被释放前，通过被形成在成像传感器206上的连续更新的图像，掩模图像208被形成在透射式LCD204上。在快门(未示出)被释放后，透射式LCD 204反射掩模图像208。然后，场景100再次被相机捕捉，从而使得第二信号210通过具有掩模图像208的透射式LCD 204。第二信号210在通过透射式LCD 204上的掩模图像208而被过滤后成为已过滤的信号210’。然后，成像传感器206捕捉已过滤的信号210’。
图3示出了实现相机内的可调中灰密度过滤器的实施例的流程图。在步骤300中，第一信号被从场景获取。在步骤302中，第一信号通过透射式LCD并在成像传感器上被接收。在步骤304中，第一信号被修改成掩模图像。其中，所述修改包括反转、模糊化和其他必要改变(如果有的话)。然后，在步骤306中，掩模图像被形成在透射式LCD上。在步骤308中，第二信号被从场景获取。在步骤310中，第二信号被过滤。其中，当第二信号通过透射式LCD和掩模图像时，所述过滤被执行。在步骤312中，已过滤的第二信号被在成像传感器上捕捉。必要时重复获取第一信号的步骤以确定最佳掩模图像，以便捕捉具有最佳的整体对比度和动态范围压缩的图像。
图4示出了实现相机内的可调中灰密度过滤器的系统的实施例。场景100由诸如相机或摄像放像机之类的成像装置400捕捉。场景100的信号410进入相机400并被分离器402分离。信号410被连续获取。分离器402将信号410分离成两个分离信号410’和410”。第一分离信号410’指向透射式LCD 404。最初，透射式LCD 404是干净的，因为其上没有掩模图像形成。在非常短的时间段后，掩模图像408在透射式LCD 404上形成。当第一分离信号410’通过具有掩模图像408的透射式LCD 404时，它被过滤然后去往诸如CCD、CMOS或其他成像传感器之类的第一成像传感器406。第二分离信号410”指向第二成像传感器416，其中，第二分离信号410”被修改，从而使得它被反转和模糊化为反信号412。反信号412作为掩模图像408被形成在透射式LCD 404上。由第二成像传感器416产生的掩模图像408是第一分离信号410’在其去往第一成像传感器406的路上通过的掩模图像408。在第一分离信号410’通过具有掩模图像408的透射式LCD404后，第一分离信号410’被过滤成作为被捕捉图像的已过滤的信号414。通过第二成像传感器416估计出的掩模图像408的强度可以被实时调节，从而使得在第一成像传感器406上形成的结果图像具有最佳的整体对比度和动态范围压缩。
图5示出了实现相机内的可调中灰密度过滤器的实施例的流程图。在步骤500中，信号被从场景获取。该信号被连续获取。然后，在步骤502中，信号被分离成两个分离信号，第一分离信号和第二分离信号。在步骤504中，第二分离信号被在第二成像传感器处接收。在步骤506中，第二分离信号被修改成掩模图像。在步骤508中，掩模图像被形成在透射式LCD上。然后，第一分离信号被使用具有掩模图像的透射式LCD过滤。在步骤510中，已过滤的第一分离信号被在第一成像传感器上捕捉。被捕捉的第一分离信号是具有希望的对比度和动态范围压缩的图像。
为了利用相机内的可调中灰密度过滤器，用户通常使用实现该过滤器的成像装置，同时他可能使用任何其他成像装置。在一个实施例中，第一图像被获取以用作掩模，且第二图像随后被使用掩模过滤。第一图像信号通过透射式LCD而不经历任何过滤，因为尚不存在掩模。第一图像信号被成像传感器接收并随后被处理成掩模图像。掩模图像是通过对第一图像信号进行反转并对该图像进行轻微的模糊化形成的，其中，所述反转通过将第一图像信号的暗区域修改成亮区域，将第一图像信号的亮区域修改成暗区域来完成。多个信号可以被获取并被用作掩模，以确定最佳掩模配置。然后，掩模图像被形成在透射式LCD上，从而当第二图像信号被获取时，它通过具有掩模的透射式LCD。这使得被捕捉图像具有高动态范围压缩。
在一个实施例中，成像装置利用了两个成像传感器。然而，只有一个信号需要被获取。当快门被打开时，信号被连续接收。信号被分离成两个分离信号，第一分离信号和第二分离信号。第二分离信号被第二传感器接收并通过反转和模糊化被修改。修改后的信号被用作掩模图像并被形成在透射式LCD上。然后，第一分离信号通过具有由第二分离信号形成的掩模图像的透射式LCD并且被过滤。然后，已过滤的第一分离信号在第一传感器上被捕捉。已过滤的第一分离信号是具有压缩的动态范围的图像。
在操作时，实现相机内的可调中灰密度过滤器的成像装置与不实现该过滤器的成像装置看起来相同或十分相似。然而，具有某种形式的中灰密度过滤器的多数相机需要另外的外部附件，如手动连接的额外镜头。具有内部中灰密度过滤器的现有相机利用了多个在被选择时在装置内移动的镜头。不同于现有装置，此处描述的系统不需要多个物理过滤器，因为只有一个具有掩模图像的内部透射式LCD被使用。另外，现有装置不包括从已获取的图像中获取掩模图像然后将它用作过滤器的一部分的方法，而此处描述的本发明包括这样的方法。不同于所描述的发明，现有装置也没有实现其中掩模图像被从单一图像生成以用来过滤另一个分离信号的分离器和多个传感器。另外，过去的过滤器具有预定的掩模，而此处描述的过滤器不限于预定的掩模。
上述成像装置可以是相机、摄像机、摄像放像机、数码相机、蜂窝电话和PDA、以及任何其他将从上述方法中受益的装置。
该系统可以大大改善高动态范围(高对比度)场景中的被捕捉图像的质量，并且在一般的视频/静态相机和其他成像装置中也有应用。监视摄像机在背景光照明(高对比度场景)的环境下或者当被置于其他类型的高动态范围的场景中时可以从所述系统中受益。
已结合细节通过具体实施例描述了本发明，以帮助理解本发明的构造和操作的原理。此处对具体实施例及其细节的这种引用不用于将所附权利要求的范围限制在这里。本领域技术人员容易理解，可以对所选的用于说明的实施例做出其他各种修改，只要它们不脱离所附权利要求限定的本发明的精神和范围。

Claims (39)

1.一种用于获取场景的一个或多个图像信号的设备，包括：
a.成像传感器，用于捕捉所述一个或多个图像信号；以及
b.内部过滤装置，被耦合以从所述成像传感器接收掩模图像，其中，所述掩模图像是从所述一个或多个图像信号形成的。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述内部过滤装置包括透射式液晶显示器。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述设备是从包括相机、摄像机、摄像放像机、数码相机、蜂窝电话和PDA的组中选择的。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述成像传感器是从包括电荷耦合器件和互补金属氧化物半导体的组中选择的。
5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述掩模图像是通过对所述一个或多个信号进行反转和模糊化形成的。
6.一种用于获取场景的信号的设备，包括：
a.分离器，用于将信号分离成第一分离信号和第二分离信号；
b.第一成像传感器，用于捕捉所述第一分离信号；
c.第二成像传感器，用于接收所述第二分离信号并生成掩模图像；以及
d.内部过滤装置，用于接收所述掩模图像并对所述第一分离信号进行过滤。
7.根据权利要求6所述的设备，其中，所述内部过滤装置包括透射式液晶显示器。
8.根据权利要求6所述的设备，其中，所述设备是从包括相机、摄像机、摄像放像机、数码相机、蜂窝电话和PDA的组中选择的。
9.根据权利要求6所述的设备，其中，所述第一成像传感器和所述第二成像传感器是从包括电荷耦合器件和互补金属氧化物半导体的组中选择的。
10.根据权利要求6所述的设备，其中，所述掩模图像是通过对所述第二分离信号进行反转和模糊化形成的。
11.根据权利要求6所述的设备，其中，所述信号被连续获取。
12.一种方法，包括：
a.从第一信号生成掩模图像；
b.在内部过滤装置上形成所述掩模图像；以及
c.通过使第二信号通过显示所述掩模图像的所述内部过滤装置来使用所述掩模图像对所述第二信号进行过滤。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述内部过滤装置包括透射式液晶显示器。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，所述生成和过滤发生在成像装置内。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述成像装置是从包括相机、摄像机、摄像放像机、数码相机、蜂窝电话和PDA的组中选择的。
16.根据权利要求12所述的方法，还包括：从场景获取所述第一信号。
17.根据权利要求12所述的方法，还包括：在成像传感器上接收所述第一信号。
18.根据权利要求12所述的方法，还包括：从场景获取所述第二信号。
19.根据权利要求12所述的方法，还包括：在成像传感器上捕捉已过滤的第二信号。
20.根据权利要求12所述的方法，其中，生成所述掩模图像的步骤包括对所述第一信号进行反转和模糊化。
21.根据权利要求12所述的方法，其中，所述第一信号和所述第二信号在不同时刻被获取。
22.根据权利要求12所述的方法，其中，所述第一信号和所述第二信号被连续获取。
23.一种方法，包括：
a.从场景获取第一信号；
b.在成像传感器上接收所述第一信号；
c.将所述第一信号修改成掩模图像；
d.在内部过滤装置上形成所述掩模图像；
e.从所述场景获取第二信号；
f.过滤所述第二信号；以及
g.在所述成像传感器上捕捉已过滤的第二信号。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，所述内部过滤装置包括透射式液晶显示器。
25.根据权利要求23所述的方法，其中，所述方法发生在成像装置内。
26.根据权利要求25所述的方法，其中，所述成像装置是从包括相机、摄像机、摄像放像机、数码相机、蜂窝电话和PDA的组中选择的。
27.根据权利要求23所述的方法，其中，所述修改包括反转和模糊化。
28.根据权利要求23所述的方法，其中，所述成像传感器是从包括电荷耦合器件或互补金属氧化物半导体的组中选择的。
29.根据权利要求23所述的方法，其中，所述第一信号和所述第二信号在不同时刻被获取。
30.根据权利要求23所述的方法，其中，所述第一信号和所述第二信号被连续获取。
31.根据权利要求23所述的方法，其中，所述过滤发生在所述第二信号通过具有所述掩模图像的所述内部过滤装置时。
32.一种方法，包括：
a.从场景获取信号；
b.将所述信号分离成第一分离信号和第二分离信号；
c.在第二成像传感器处接收所述第二分离信号；
d.将所述第二分离信号修改成掩模图像；
e.在内部过滤装置上形成所述掩模图像；
f.过滤所述第一分离信号；以及
g.在第一成像传感器上捕捉已过滤的第一分离信号。
33.根据权利要求32所述的方法，其中，所述内部过滤装置包括透射式液晶显示器。
34.根据权利要求32所述的方法，其中，所述方法发生在成像装置内。
35.根据权利要求34所述的方法，其中，所述成像装置是从包括相机、摄像机、摄像放像机、数码相机、蜂窝电话和PDA的组中选择的。
36.根据权利要求32所述的方法，其中，所述修改包括反转和模糊化。
37.根据权利要求32所述的方法，其中，所述第一成像传感器和所述第二成像传感器是从包括电荷耦合器件或互补金属氧化物半导体的组中选择的。
38.根据权利要求32所述的方法，其中，所述信号被连续获取。
39.根据权利要求32所述的方法，其中，所述过滤发生在所述第一分离信号通过具有所述掩模图像的所述内部过滤装置时。
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