CN101662589A - 摄像设备及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及摄像设备及其控制方法。获取周期性噪声的周期，其中该周期性噪声的周期是由CMOS传感器的驱动信号的周期和通过驱动除CMOS传感器以外的电路而生成的信号的周期导致的；并且，调节水平消隐期的长度，使得CMOS传感器的驱动信号的一个水平期间变为周期性噪声周期的整数倍。然后，从通过利用驱动信号来驱动CMOS传感器而读出的图像信号中检测列噪声，其中该驱动信号基于该调节后的一个水平期间，并且从该图像信号中减去所检测到的列噪声。

Description

摄像设备及其控制方法
技术领域
本发明涉及摄像设备及其控制方法，并且更具体地，涉及使用诸如CCD或CMOS传感器等的固态图像传感器来拍摄被摄体图像的摄像设备及其控制方法。
背景技术
近年来，已经成功开发并广泛使用了将具有固态存储器元件的存储卡用作为记录介质并且对利用诸如CCD或CMOS传感器等固态图像传感器所拍摄的图像进行记录及回放的诸如数字照相机等的摄像设备。同时，对于这些摄像设备，力求改善与静止图像拍摄和运动图像拍摄两者有关的分辨率和操作速度。因此，用于对构成数字照相机等的固态图像传感器进行驱动的驱动信号的频率，以及模拟信号处理电路、A/D转换器和后级数字信号处理电路等的驱动频率都持续快速地增大。
此外，近来，除了需要改善诸如高图片质量和高清晰度等的图片质量之外，还更需要能够实现各种不同拍摄场景的近乎完美的拍摄的简单使用。因此，为了快速跟踪在诸如运动场景等中的移动被摄体，或者为了防止在低亮度条件下的室内拍摄期间的照相机抖动，快门速度变得更快。此外，为了能够在诸如美术馆和水族馆等禁止使用闪光灯拍摄的场所进行拍摄，甚至还力求改善图像传感器的灵敏度。
除了具有固态图像传感器及其驱动电路之外，这些摄像设备还具有例如CPU的系统控制电路、例如DRAM的存储电路以及例如LCD的显示电路。这些电路均以不同的高频时钟信号工作。在存在这些不同频率的多个时钟信号的摄像设备中，随着设备被制造得更小型化，基板的表面积缩小到了电路之间的时钟干扰不再能被忽略的程度。因此，例如，由干扰时钟频率导致的周期性噪声作为等间距的斜条纹(diagonal stripes)(下文中称为差拍噪声(beat noise))叠加在图像信号上，并且增强的灵敏度使得该周期性噪声被放大，因此进一步劣化了所获得的图像的质量。
作为导致摄像设备的图像质量劣化的因素，除了系统生成的上述差拍噪声之外，还存在由图像传感器的结构所导致的垂直线状的列噪声。例如，已知有由CCD传感器中的垂直传送寄存器的缺陷所导致的垂直条纹以及当极亮的光照射传感器时出现的拖尾(smear)。此外，在诸如以CMOS传感器为代表的X-Y地址型传感器中，通常，对于以行列状布置的光电转换器元件，通过对于各个行来说相同但对于各个列来说不同的垂直信号线从所选择的行读出信号。因此，由于列与列之间的元件特性变化而容易导致列噪声。
在传统技术中，为了提取并消除叠加在图像信号中的列噪声，对由位于固态图像传感器的有效像素区域的垂直方向上的多行构成的光学黑像素的输出进行积分，并且将其作为图像数据的一个水平期间(horizontal period)存储在存储单元中。然后，如在例如日本特开平7-67038中所提出的那样，从有效像素数据中减去所存储的已存储图像数据的一个水平期间，从而去除了所叠加的噪声。
此外，例如，在日本特开2002-152600中提出了用于消除差拍噪声的技术。在日本特开2002-152600中，提供了多路箝位(multi-channel clamp)电路，多路箝位电路的多路的数量等于与由两种类型的时钟所形成的差拍噪声的一个周期相对应的像素的数量，并且多路箝位电路连续地对多路的各路中当前正被读取的光学黑区域中的像素的信号进行积分。然后，从所输入的图像数据中减去每路的积分值，从而去除了差拍噪声。
然而，在日本特开平7-67038中，由于将图像数据的多个水平期间积分为单个水平期间信号，因此仅可提取垂直方向上所生成的列噪声。因此，该方法不能处理斜方向上出现的系统生成的差拍噪声。
此外，在日本特开2002-152600中，由于需要专用检测电路和积分电路的数量等于与差拍噪声的周期相对应的像素的数量，因此电路的结构依赖于差拍噪声的周期的长度。因此，随着差拍噪声的周期加长，电路规模增大并且不能应付。
发明内容
考虑到上述情形作出了本发明，并且本发明在保持小的电路规模的同时减少了差拍噪声和列噪声。
根据本发明，通过提供一种摄像设备来达到前述目的，该摄像设备包括：获取单元，用于获取周期性噪声的周期，其中所述周期性噪声的周期是由图像传感器的驱动信号的周期以及通过驱动除所述图像传感器以外的电路而生成的信号的周期导致的；控制单元，用于调节水平消隐期的长度，使得所述图像传感器的驱动信号的一个水平期间为所述周期性噪声的周期的整数倍；列噪声检测单元，用于从通过利用驱动信号来驱动所述图像传感器而读出的图像信号中检测列噪声，其中该驱动信号基于由所述控制单元调节后的一个水平期间；以及列噪声减少单元，用于从所述图像信号中减去由所述列噪声检测单元检测到的列噪声。
根据本发明，通过提供一种摄像设备的控制方法来达到前述目的，该控制方法包括：获取步骤，用于获取周期性噪声的周期，其中所述周期性噪声的周期是由图像传感器的驱动信号的周期以及通过驱动所述图像传感器以外的电路而生成的信号的周期导致的；第一调节步骤，用于调节水平消隐期的长度，使得所述图像传感器的驱动信号的一个水平期间为所述周期性噪声的周期的整数倍；列噪声检测步骤，用于从通过利用驱动信号来驱动所述图像传感器而读出的图像信号中检测列噪声，其中该驱动信号基于在所述第一调节步骤中调节后的一个水平期间；以及列噪声减少步骤，用于从所述图像信号中减去在所述列噪声检测步骤检测到的列噪声。
根据下面(参考附图)对示例性实施例的说明，本发明的其它特征将变得清楚。
附图说明
图1是示出根据本发明第一实施例的摄像设备的整体结构的框图；
图2是示出根据本发明第一实施例的传感器的像素布置区域的图；
图3是示出根据本发明第一实施例的静止图像拍摄期间的传感器信号读出时刻的图；
图4A和4B是表示根据本发明第一实施例的摄像设备的差拍噪声的示意图；
图5是示出根据本发明第一实施例的拍摄操作步骤的流程图；以及
图6是示出根据本发明第二实施例的运动图像拍摄期间的传感器信号读出时刻的图。
具体实施方式
将根据附图来详细说明本发明的优选实施例。
第一实施例
图1是示出根据本发明第一实施例的摄像设备的整体结构的框图。
在图1中，附图标记101表示镜头，附图标记102表示光圈，以及附图标记103表示将光信号转换为电信号的CMOS传感器。
CMOS传感器103包括如图2中所示的有效像素区域203，其中在有效像素区域203中，光照射作为光电转换器元件的光电二极管。此外，CMOS传感器103还包括：水平光学黑(HOB)区域201，其中通过铝薄膜使数列至数十列的光电二极管被遮光；以及垂直光学黑(VOB)区域202，其中通过铝薄膜使数行至数十行的光电二极管被遮光。CMOS传感器103还包括无效(NULL)区域204，其中不电连接来自光电二极管的电荷信号。
附图标记104表示同步信号生成器(SSG)，用于生成水平同步信号(HD信号)和垂直同步信号(VD信号)；以及附图标记105表示时刻生成器(TG)，用于生成用以与HD信号和VD信号同步地驱动CMOS传感器103的各种类型的控制信号。
附图标记106表示A/D转换器，用于将模拟图像信号转换为数字图像信号。附图标记107表示列噪声检测电路，用于从无效区域的图像数据中提取在从A/D转换器106输出的图像数据中所包括的列噪声分量。附图标记108表示列噪声减少电路，用于从有效像素区域的图像数据中减去在列噪声检测电路107中所检测到的列噪声。
附图标记109表示窗口电路，用于生成用以驱动列噪声检测电路107和列噪声减少电路108的控制信号。附图标记110表示系统控制器，用于控制电路并且确定操作模式和参数；以及附图标记111表示信号处理电路，用于对图像数据进行诸如插值和颜色转换等的图像处理。
附图标记113表示DRAM，用于临时存储已经进行了信号处理的图像数据；附图标记112表示存储器控制电路，用于在DRAM 113与各种电路之间进行总线协调(mediation)；以及附图标记114表示缩放电路，用于缩小或放大图像数据。附图标记116表示LCD，其中LCD是显示图像的显示装置；以及附图标记115表示显示控制电路，用于将图像数据显示在LCD 116上。
附图标记117表示压缩/扩展电路，其使用诸如JPEG压缩等的压缩系统来压缩或扩展图像。附图标记119表示可拆卸的存储卡，用于记录由压缩/扩展电路117压缩后的图像数据；以及附图标记118表示I/F电路，用于提供存储卡119的接口。
然后，说明具有上述结构的摄像设备的操作。
TG 105根据在SSG 104中生成的HD信号和VD信号来生成用于驱动CMOS传感器103的各种控制信号。在由来自TG 105的控制信号所确定的时刻，CMOS传感器103将通过了镜头101和光圈102的光转换为电信号。在A/D转换器106中将从CMOS传感器103读出的电信号(模拟图像信号)从模拟图像信号转换为数字图像数据，并且将其输出至列噪声检测电路107和列噪声减少电路108。
窗口电路109参考HD信号和VD信号并且向列噪声检测电路107提供检测允许信号(VWDET)，检测允许信号用于定义无效区域中的检测期。此外，窗口电路109向列噪声减少电路108提供减少允许信号(VWCOL)，减少允许信号用于定义减少有效像素区域中的列噪声分量的减少期。
列噪声检测电路107根据从窗口电路109提供的检测允许信号(VWDET)来计算列噪声数据。然后，根据从窗口电路109提供的减少允许信号(VWCOL)，列噪声减少电路108从有效像素信号中减去由列噪声检测电路107所计算的并且按每列平均的列噪声数据，并减少列噪声分量。
在信号处理电路111中对从列噪声减少电路108输出的图像数据进行信号处理，并且通过存储器控制电路112将其存储到DRAM 113。
缩放电路114读出DRAM 113中所存储的图像数据，将所读出的图像数据缩放为适合显示在LCD 116上的显示大小，并且通过显示控制电路115在LCD 116上显示缩放后的图像数据。
压缩/扩展电路117对从DRAM 113读出的图像数据进行压缩，并且将压缩后图像数据写入DRAM 113。此外，在I/F电路118中，将从DRAM 113读出的压缩后图像数据写入存储卡119。
图3是示出在上述摄像设备的操作期间的主分量时刻信号和与时刻信号同步输出的传感器输出。
除同步信号HD和VD之外，TG 105还向CMOS传感器103提供HCLK信号，作为用于在每个像素读出来自CMOS传感器103的信号的时钟信号。
HCLK是读出控制信号，用于为了读出CMOS传感器103的HOB区域、VOB区域、有效像素区域和无效区域各自中的像素信号，以一个像素周期为单位对传感器输出进行控制，并且在读出禁止期间停止传感器输出。
TG 105还向CMOS传感器103提供CLPOB，CLPOB是用于分别从无效区域、VOB区域和HOB区域选择和提取像素信号作为传感器输出的黑基准(black reference)的控制信号。
从中心输出中减去根据CLPOB信号从HOB区域和VOB区域所提取的像素信号并且将剩余输出，从而能够在没有黑电平的变动的情况下获得稳定的传感器输出。
PBLK信号的时刻表示一个水平期间中停止对传感器输出的读出的消隐期(blanking interval)(Tblk)，换句话说，表达如下：
1水平期间＝有效像素期+HOB期+Tblk
CMOS传感器103具有与背景技术中所述类似的X-Y地址型读出结构，并且容易产生所谓的列噪声，其中，列噪声是叠加在传感器输出上的偏移(offset)，并且在读出期间，由于列和列之间的元件特性变化而导致列噪声在各个列不同。结果，在具有无效区域、VOB区域、HOB区域和有效像素区域一起共用的相同读出路径的相同列中，列噪声趋于相等地出现。在图3中，无效区域的传感器输出和有效像素区域的传感器输出的波形示意性示出了叠加于其上的列噪声的特性。
此外，如背景技术中所注意到的，除列噪声之外，由来自图像传感器以外的其它电路的不同频率时钟信号之间的干扰所导致的特定像素期的差拍噪声，也容易被叠加在CMOS 103传感器的输出上。
现在，使用如下情况作为例子来说明差拍噪声的形成：例如，LCD 116的27MHz工作时钟与33.75MHz的读出控制信号HCLK相干扰，并且作为结果的差拍噪声叠加在根据33.75MHz的读出控制信号HCLK而读出的传感器输出上。
在这种情况下，在A/D转换器106的采样(post-sampling)后图像数据中，剩余6.75MHz的周期性噪声，6.75MHz为两个频率之间的频率分量差(＝33.75-27MHz)，表示33.75MHz的摄像时钟的五分之一的频率分量，换句话说，这意味着在水平方向上的5像素周期的等间距噪声。
图4A和4B是示出叠加在图像数据上的水平方向上的5像素周期的等间距噪声的示意图，其绘制在二维图像上以清楚地观看其特性。
依赖于水平期间的长度(1H)，噪声图案出现了与除数(divisor)5的剩余系(patterns of the remainder)相对应的五种变化。尽管水平方向上的噪声间距没有改变，但是该变化导致噪声图案的角度在所绘制的二维图像上改变很大。
图4A示出在任意地设置1H的长度并且1H的长度是5N-4(其中N是正整数)的情况下表现为斜线状的。此时的消隐期是Tblk0。
图4B示出在如下情况下表现为(相同列中的)垂直线状的噪声图案：将消隐期从上述的Tblk0调节为延伸了四个像素时钟周期，这使得1H的长度等于5N(其中N是正整数)。
因此，如上所述，在本发明的第一实施例中，根据摄像设备的各种条件来调节摄像设备的消隐期和1H的长度，特意地使所生成的差拍噪声形成(相同列中的)垂直线状噪声图案。通过这样做，可以通过列噪声检测电路107和列噪声减少电路108来检测并减少列噪声以及差拍噪声。
图5是示出用于此目的的使用系统控制器110的拍摄操作步骤的流程图。
根据用户的拍摄开始指示(例如，按下释放按钮，未示出)来开始拍摄操作。
当开始拍摄操作时，系统控制器110首先获取作为CMO S传感器103的摄像条件的各种类型的设置信息，诸如读出大小和速度，并且确定摄像频率(fc)等(步骤S501)。然后，系统控制器110获取系统条件，诸如系统控制器本身的工作频率和LCD的工作频率，并且识别将成为可能的噪声源的系统频率(fn)(步骤S502)。
然后，系统控制器110根据上述摄像频率和系统频率来计算差拍噪声周期(Tb)(步骤S503)。
Tb＝fc/|fc-fn|
然后，系统控制器110调节消隐期(Tblk)，使得水平期间(1H)变为差拍噪声周期(Tb)的整数倍(步骤S504)，并且设置SSG 104HD信号(步骤S505)。
然后，基于在步骤S501中获取到的摄像条件，系统控制器110设置TG 105的用以驱动CMOS传感器103的各种驱动信号(步骤S506)。通过TG 105，使CMOS传感器103曝光并且执行电荷积累(步骤S507)。在经过了预定的曝光时间段后，从CMOS传感器103读出传感器输出，并且将差拍噪声连同列噪声一起被检测和减少，换句话说，在读出传感器输出时，将差拍噪声作为一种列噪声(步骤S508)。
然后，将信号处理后的图像信号显示在LCD 116上并且记录在存储卡119(步骤S509)中，就此结束摄像处理。
因此，如上所述，根据第一实施例，通过调节消隐期并且使水平期间为差拍噪声周期的整数倍，可以使用用于减少列噪声的电路来减少差拍噪声和列噪声。
第二实施例
然后，说明本发明第二实施例。
在以上第一实施例中，主要说明了静止图像拍摄操作。然而，同样地，在运动图像拍摄中，控制水平期间，以使得差拍噪声形成(在相同列中的)垂直线状噪声图案，从而由于差拍噪声成为一种列噪声而能够将差拍噪声连同列噪声一起被检测和减少。因此，在第二实施例中，说明适用于运动图像拍摄的拍摄操作。
在运动图像拍摄中，用于从形成运动图像的每个静止图像中减少差拍噪声的基本操作与在上面第一实施例中所述的相同。此外，设备的结构(图1)和操作的步骤(图5)也与上面第一实施例中所述的相同。在此，将参考图6来说明与第一实施例不同的HD信号、VD信号、PBLK信号的时刻。
图6是示出在摄像设备的操作期间的主分量时刻信号的图。
通过传感器输出水平消隐期THblk和垂直消隐期TVblk来确定PBLK信号的时刻，PBLK信号用于停止对传感器输出的读出。水平期间(1H)由有效像素期(effective pixel interval)、HOB期和THblk构成，并且表述为：
水平期间(1H)＝有效像素期+HOB期+THblk
此外，作为构成运动图像的一帧的单位时间，一个垂直期间(vertical period)(1V)由有效像素期、VOB期和TVblk构成，并且表述为：
垂直期间(1V)＝有效像素期+VOB期+TVblk
此外，垂直消隐期(TVblk)由固定消隐期TVblk0和帧速率调节期(adjustment interval)Tadj构成，其中帧速率调节期Tadj设置在用于调节垂直期间(1V)的长度的最后一行。
在上述第一实施例中，调节消隐期(THblk)，使得水平期间(1H)变为差拍噪声周期(Tb)的整数倍。然而，当执行该调节时，垂直期间(1V)的长度也与水平期间(1H)的长度成比例地改变。当垂直期间(1V)的长度改变时，运动图像帧速率(每秒所拍摄的帧的数量)也改变，使得例如不能适应诸如电视信号等以固定帧速率为格式的运动图像。
因此，在第二实施例中，根据水平期间(1H)的长度的改变来调节垂直期间(1V)的长度，使垂直期间(1V)的长度变为固定值。为此，调节期Tadj设置于垂直期间(1V)的最后一行。
例如，假定除垂直消隐期(TVblk)的最后一行之外的所有行的数量为500。在这种情况下，水平消隐期(THblk)缩短了两个像素时钟，使得每垂直期间(1V)的像素时钟的数量缩小了1000个像素时钟，并且因此调节期Tadj增加了该数量。相反，如果水平消隐期(THblk)增大了两个像素时钟，则调节期Tadj缩短了该数量。
因此，如上所述，根据第二实施例，通过利用垂直消隐期来吸收一个水平期间中的变动，同样可减少运动图像中的差拍噪声，此外，可将运动图像帧速率设置为预定值。
尽管参考示例性实施例说明了本发明，但是应该理解，本发明不局限于所公开的示例性实施例。所附权利要求书的范围符合最宽的解释，以包含所有这样的修改、等同结构和功能。

Claims (4)

1.一种摄像设备，包括：
获取单元，用于获取周期性噪声的周期，其中所述周期性噪声的周期是由图像传感器的驱动信号的周期以及通过驱动除所述图像传感器以外的电路而生成的信号的周期导致的；
控制单元，用于调节水平消隐期的长度，使得所述图像传感器的驱动信号的一个水平期间为所述周期性噪声的周期的整数倍；
列噪声检测单元，用于从通过利用驱动信号来驱动所述图像传感器而读出的图像信号中检测列噪声，其中该驱动信号基于由所述控制单元调节后的一个水平期间；以及
列噪声减少单元，用于从所述图像信号中减去由所述列噪声检测单元检测到的列噪声。
2.根据权利要求1所述的摄像设备，其特征在于，还包括驱动单元，所述驱动单元用于驱动所述图像传感器，从而以预定帧速率从所述图像传感器读出图像信号，
其中，所述控制单元调节垂直消隐期的长度，使得所述图像传感器的驱动信号的一个垂直期间对应于所述预定帧速率。
3.一种摄像设备的控制方法，包括：
获取步骤，用于获取周期性噪声的周期，其中所述周期性噪声的周期是由图像传感器的驱动信号的周期以及通过驱动所述图像传感器以外的电路而生成的信号的周期导致的；
第一调节步骤，用于调节水平消隐期的长度，使得所述图像传感器的驱动信号的一个水平期间为所述周期性噪声的周期的整数倍；
列噪声检测步骤，用于从通过利用驱动信号来驱动所述图像传感器而读出的图像信号中检测列噪声，其中该驱动信号基于在所述第一调节步骤中调节后的一个水平期间；以及
列噪声减少步骤，用于从所述图像信号中减去在所述列噪声检测步骤检测到的列噪声。
4.根据权利要求3所述的摄像设备的控制方法，其特征在于，还包括：
读出步骤，用于以预定帧速率从所述图像传感器读出图像信号；以及
第二调节步骤，用于调节垂直消隐期的长度，使得所述图像传感器的驱动信号的一个垂直期间对应于所述预定帧速率。
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