CN101904166A - 使用预览图像选择曝光的摄像装置 - Google Patents

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CN101904166A CN2008801210029A CN200880121002A CN101904166A CN 101904166 A CN101904166 A CN 101904166A CN 2008801210029 A CN2008801210029 A CN 2008801210029A CN 200880121002 A CN200880121002 A CN 200880121002A CN 101904166 A CN101904166 A CN 101904166A
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digital camera
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韦恩·E·普伦蒂斯
小罗伯特·约翰·帕拉达
上园哲司
中岛贤一
威廉·韦尔农·芬特尔
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    • H04N23/00Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
    • H04N23/70Circuitry for compensating brightness variation in the scene
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    • H04N23/76Circuitry for compensating brightness variation in the scene by influencing the image signals

Abstract

一种数字摄像装置,包括:图像传感器,用于提供初始传感器图像数据和最终传感器图像数据;透镜,用于把场景的图像曝光到图像传感器上;曝光控制系统,用于响应于场景类型调整图像传感器上最终图像的曝光度;以及处理器,用于对初始传感器图像数据进行处理以选择多个场景类型中的一个场景类型,并且响应于场景类型对最终传感器图像数据进行处理。

Description

使用预览图像选择曝光的摄像装置
技术领域
本发明涉及捕捉数字图像的数字摄像装置,更具体而言,涉及识别要捕捉的场景的类型以调整曝光的数字摄像装置。
背景技术
数字摄像装置被越来越多的消费者和专业摄像师所使用。这些摄像装置使用一个或更多个CCD或CMOS图像传感器来捕捉图像,并以数字方式处理这些捕捉到的图像以生成数字图像文件,该数字图像文件存储于摄像装置的数字存储器中。
现有技术的Kodak(柯达)数字摄像装置使用“智能场景”模式来自动识别场景类型(例如,体育运动、肖像)并然后为识别出的场景类型自动选择适当的曝光程序。曝光程序通常设置拍摄图像时使用的f数、曝光时间、以及ISO速度。
已知数字摄像装置中使用的图像处理可以根据输入图像的动态范围而适应性调整信号值。例如,转让给Apical有限公司的WO2006018658“Image Processing Method and Computer Software for ImageProcessing”教导了图像校正处理,其包括根据动态范围压缩图像转换来改变图像的区域图像强度值。虽然该专利教导了此图像处理可以用于数字摄像装置中,但并未给出基于捕捉场景的类型设置摄像装置中图像传感器的曝光度的建议。
已知数字摄像装置可以提供图像处理,以改进由于光照情况不好或闪光不足而呈现出曝光不足的图像。例如,近来Nikon(尼康)CoolPix摄像装置包括“D-Lighting”功能以解决伴随过度逆光和曝光不足的图像出现的问题。用户在回放模式期间选择的D-Lighting自动对图像进行修改,以补偿闪光不足或逆光过度。摄像装置把原始图像和校正后的副本保存到摄像装置的内部或可拆除存储器中。
已知数字摄像装置可以使用减小的曝光度(例如,高ISO设置)捕捉图像以保留更多的图像高光。例如,一些Canon(佳能)DSLR摄像装置包括“高光色调优先”(HTP)设置,其允许摄像装置在以提高的ISO设置进行拍摄时利用传感器像素中可用的更大上动态余量(headroom),以恢复如若不然将会丢失的高光细节。
已知可以对数字图像(包括数字摄像装置捕捉的数字图像)进行数字处理以调整中性浓度平衡和色彩平衡。具体地,可以执行适应性中性浓度平衡调整处理,如共同转让给Spaulding、Gindele和Niederbaumer的题为“Method for Automatic Scene Balance of Digital Images”的美国专利第6,243,133号中描述的,其公开内容经引用并入本文。可以执行自动色彩平衡,如共同转让给Adams、Hamilton、Gindele和Pillman的题为“Method for Automatic White Balance of Digital Images”的美国专利第6,573,932号中描述的,其公开内容经引用并入本文。这些实例是非限制性的,并且可使用许多其它的中性浓度和色彩平衡调整处理方案。
已知可以对数字图像(包括数字摄像装置捕捉的数字图像)进行数字处理以补偿眩光的出现。具体地,可以执行眩光补偿处理,如共同转让给Gindele的题为“Method of Compensating a Digital Image for the Effectsof Flare Light”的美国专利第6,912,321号中描述的,其公开内容经引用并入本文。此实例是非限制性的,并且可使用许多其它的眩光补偿处理方案。
已知可以对数字图像(包括数字摄像装置捕捉的数字图像)进行数字处理以补偿场景的动态范围。具体地,可以执行适应性色调标度调整处理,如以下专利中描述的:共同转让给Gindele和Gallagher的题为“Methodof Enhancing the Tone Scale of a Digital Image to Extend the LinearResponse Range Without Amplifying Noise”的美国专利第6,937,775号;共同转让给Gindele的题为“Enhancing the Tonal Characteristics ofDigital Images”的美国专利第7,113,649号;共同转让给Gindele和Gallagher的题为“Enhancing the Tonal and Color Characteristics ofDigital Images Using Expansive and Compressive Tone Scale Functions”的美国专利第7,130,485号;共同转让给Gindele和Gallagher的题为“Enhancing the Tonal,Spatial,and Color Characteristics of DigitalImages Using Expansive and Compressive Tone Scale Functions”的美国专利第7,058,234号;以及共同转让给Gindele和Gallagher的题为“Enhancing the Tonal Characteristics of Digital Images Using Expansiveand Compressive Tone Scale Functions”的美国专利第7,043,090号;以及共同转让给Gallagher和Gindele的2002年11月14日提交的题为“Methodof Spatially Filtering a Digital Image Using Chrominance Information”的美国专利公开第US20040096103号;以及共同转让给Gindele的2002年9月19日提交的题为“Enhancing the Tonal Characteristics of DigitalImages Using Inflection Points in a Tone Scale Function”的美国专利公开第US20040057632号,其公开内容经引用并入本文。
已知可以使用灰度校正来校正在如下这种照明条件下捕捉的图像的亮度和对比度:在该照明条件下,在亮光源旁边对对象进行摄像。伽玛校正和直方图校正是可以用来校正这种图像的灰度校正的典型实例。对于伽玛校正和直方图校正,然而,因为使用固定系数执行图像校正,所以在由于曝光过度而把图像剪裁成白色的情况下或者在曝光不足而剪裁成黑色或被噪声模糊的情形中会出现问题。
已知可以使用适应性灰度校正(适应性增强)来校正图像,其中,使用要校正像素的相邻像素的灰度值确定校正系数。采用此方式,可以实现适应于图像内容的校正。如下文件中公开了适应性灰度校正的实例:Nosato等人的“Comparison of Retinex Models for HardwareImplementation”,IEICE technical report,SIS,2005-16,第19-24页(2005年6月)。此适应性灰度校正基于Retinex理论,其假设输入图像以照明光和反射率的乘积表示。从输入图像中分离出照明光从而获得反射率图像作为校正图像。假定输入图像I等于照明光L乘以反射率R(校正图像),则可以实现关系R(x,y)=exp{log(I(x,y))-log(L(x,y))}。偏差的计算用来估算照明光,并且产生分辨率为原始图像的1/2k的多个层k。从分辨率较低的层开始,重复用于更新照明光的计算。此处,使用表达式L(x,y)=L(x,y)-μNSD×G(x,y)执行用于更新照明光的计算,其中G(x,y)是代价函数的梯度,并且μNSD是学习系数(learning coefficient)。具体地,重复如下这种处理:其中,首先计算G(x,y),然后计算μNSD(x,y),并基于这些计算结果,计算L(x,y)。
此外,JP2007-27967A公开了当摄像师选择肖像摄像模式时,在把曝光值设置为小于AE(自动曝光)检测器正常算出的曝光值的值的情况下捕捉图像,并且通过使用伽玛转换表对来自图像传感器的图像数据应用灰度校正,从而校正图像中位于对象中心附近的亮度不足部分的亮度值,其中该伽玛转换表用于增加接受了灰度转换处理的图像数据的动态范围。注意,肖像摄像模式必须由摄像师手动选择,而不是由摄像装置通过分析预览图像数据自动确定。
发明内容
本发明的目的是提供如下这种数字摄像装置:其使用预览图像数据基于场景类型调整传感器曝光,以改进最终图像的图像质量。
此目的通过提供一种数字摄像装置来实现,该数字摄像装置包括:图像传感器,用于提供初始传感器图像数据和最终传感器图像数据;透镜,用于把场景的图像曝光到图像传感器上;曝光控制系统,用于响应于场景类型调整图像传感器上最终图像的曝光度;以及处理器,用于对初始传感器图像数据进行处理以选择多个场景类型中的一个场景类型,在捕捉最终传感器图像数据之前把选择的场景类型提供给曝光控制系统,以使得曝光控制系统调整图像传感器上最终图像的曝光度,其中曝光控制系统为不同场景类型设置不同的最终图像曝光度,以及响应于场景类型对最终传感器图像数据进行处理,以补偿图像传感器上最终图像的曝光度。
优点
本发明的优点是提供了如下这种数字摄像装置:其可以针对不同场景类型范围生成高质量图像。
本发明另外的优点是提供了如下这种数字摄像装置:其可以自动确定场景类型,并响应于场景类型调整图像传感器上最终图像的曝光度。
本发明进一步的优点是提供了如下这种数字摄像装置:其可以响应于场景类型,自动确定并向来自图像传感器的最终图像数据应用数字处理,以补偿图像传感器上最终图像的曝光度。
附图说明
图1描绘了包括数字摄像装置300的数字摄像系统的方框图;
图2描绘了数字摄像装置300的处理器320采用的图像处理图;
图3描绘了示出了本发明实施例的流程图;
图4描绘了用于图2中的适应性色调标度处理块453的图像处理图的实例;
图5是示出了如下场景类型的代表性列表的表:有利于使用本发明把捕捉的场景自动分类成这些场景类型;
图6是示出了针对不同场景类型的相对曝光度设置的表,其中既针对确定为含有面部的场景也针对确定为不含任何面部的场景;
图7是示出了本发明替选实施例中信号流的流程图;
图8是示出了场景类型分类过程的实例的流程图;以及
图9是示出了根据本发明实施例的亮度直方图与曝光校正量之间的关系的图表。
具体实施方式
本发明提供了一种包括如下这种算法的数字摄像装置:该算法在对图像传感器进行曝光以最终捕捉之前,处理初始传感器图像数据并选择要捕捉场景的类型。初始传感器图像数据也用于提供预览图像,以构成要捕捉的最终图像。基于由算法确定的场景类型自动设置到传感器上的场景曝光。针对这些不同场景类型使用不同的传感器曝光偏移量。结果,传感器输出信号等级基于场景类型而改变。数字适应性色调标度处理然后补偿此曝光偏移量。这使得数字摄像装置能够捕捉针对不同场景类型范围的较高质量图像。
本发明把静止图像处理流水线和曝光程序的行为相关联,以最佳地渲染(render)每个场景类型的整个动态范围。例如:使具有平均光照条件的场景略微曝光不足以避免高光信息丢失(剪裁);亮的场景(包括逆光场景)使用低于正常的传感器曝光度以保留高光信息;以及文本/文件场景使用高于正常的传感器曝光度以考虑文件中发现的高于平均的反射率。数字图像处理算法然后对色调再现进行调整,以提供比没有此相关联的行为可能有的情况更满意的处理后最终图像。
图5中列出的实例场景类型包括:
一般--用于“平均”场景,也作为默认类型。
高对比度场景--使场景曝光不足以捕捉高光细节,并且使用适应性色调标度调节(tone scaling)以最佳地渲染场景的大动态范围。
低对比度场景--增大对比度以最佳地渲染场景的相对低动态范围。
(蓝色)天空场景--对于蓝色天空的敏感使得饱和色彩(包括天空色)得以保留。
夜间场景--强制保留‘黑色’区域(包括晚间内容)的保真度。
色彩饱和场景--维持对比度以保留饱和色彩。
文本场景--使用高于正常的传感器曝光度,以考虑文件中发现的高于平均的反射率。
这些实例是非限制性的,并且会发现如下这些其它的场景类型对于使用本发明进行检测和处理是有用的:这些其它场景类型具有特定的曝光和色调标度特性,诸如对象位于闪光使用距离之外的场景。
图1描绘了包括数字摄像装置300的数字摄像系统的方框图。优选地,数字摄像装置300是便携式电池操作的设备,足够小到在捕捉和浏览图像时用户容易手持。数字摄像装置300生成使用图像存储器330存储的数字图像。数字摄像装置300包括具有可调整孔径和可调整快门306的变焦距透镜304。变焦距透镜304由变焦距和对焦电机驱动器308控制。变焦距透镜304把来自场景(未示出)的光对焦在图像传感器314(例如,单片彩色CCD或CMOS图像传感器)上。图像传感器的输出由模拟信号处理器(ASP)和A/D转换器316转换为数字形式,并暂时存储于DRAM缓冲存储器318中。随后由处理器320使用固件存储器328中存储的固件程序对DRAM缓冲存储器318中存储的数据进行处理。可替选地,处理器320可以通过定制电路(例如,通过一个或更多个被设计成特定用于数字摄像装置的定制集成电路(IC))、或者通过可编程处理器和定制电路的组合来提供。然后使用图像存储器330存储处理后的图像。可以理解,图像存储器330可以是可拆除闪存卡、内部闪存芯片、磁存储器、或者光存储器。在替选实施例中,数字摄像装置300还可以捕捉运动视频图像。在替选实施例中,数字摄像装置300可以包括其它功能,包括如下这些功能:数字音乐播放器(例如,MP3播放器)、移动电话、或者可编程数字助理(PDA)。
图像传感器314由定时生成器312控制。图像传感器314可以有例如10.2兆像素(3680像素乘2760像素)。为了提供彩色图像,图像传感器覆盖有颜色滤波阵列,其提供了具有包括不同有色像素的像素阵列的图像传感器。不同彩色像素可以按许多不同模式来布置。作为一个实例,可以使用公知的Bayer颜色滤波阵列布置不同彩色像素,如共同转让给Bayer的“Color Imaging Array”的美国专利第3,971,065号中描述的,其公开内容经引用并入本文。作为第二实例,可以把不同彩色像素布置如下:如共同转让给Compton和Hamilton的2007年7月28日提交的题为“ImageSensor with Improved Light Sensitivity”的美国公开第US2005191729号中描述的,其公开内容经引用并入本文。这些实例是非限制性的,并且可使用许多其它的色彩模式。
图像传感器314在由定时生成器312在第一模式中激励时起作用以用于提供初始传感器图像数据,其也用于预览将在第二模式中捕捉的最终图像。此预览模式传感器图像数据被提供作为低分辨率输出,其可以有例如460像素乘345像素,这是比正常用于从10.2兆像素的传感器中读取出最终图像的情况少8行8列像素的因子。可以通过如下方式提供预览模式传感器图像数据:通过组合具有相同色彩的相邻像素的值,或者通过去除像素值中的一些像素值,或者通过组合一些彩色像素值同时去除其它彩色像素值。可以对预览模式图像数据如下进行处理:如共同转让的美国专利6,292,218“Electronic camera for initiating capture of still images whilepreviewing motion images”中描述的,其经引用并入本文。在替选实施例中,数字摄像装置300使用光学取景器,并且初始传感器图像数据仅用来确定最终图像的曝光度,而并不用来提供预览图像。
图像传感器314在由定时生成器312在第二模式中激励时也起作用以用于提供最终传感器图像数据。此最终模式传感器图像数据被提供作为高分辨率输出图像数据,其对于照明度高的场景包括图像传感器的所有像素,并且可以是例如有3680像素乘2760像素的10.2兆像素的最终图像数据。在较低照明度,可以通过“合并(bin)”图像传感器上的一些颜色相似的像素来提供最终传感器图像数据,以增加信号等级并从而增加传感器的“ISO速度”。
变焦距和对焦电机308和定时生成器312由处理器320提供的控制信号控制。曝光控制块310通过控制可调整孔径和可调整快门306的f数和曝光时间、以及ASP和A/D转换器316的增益(即,ISO速度)设置,控制图像传感器314的曝光度。曝光控制块310还控制可以对场景进行照明的闪光302。虽然被示为单独块310,但是可以理解,曝光控制块310的功能中的一些功能或所有功能可以可替选地由处理器320执行。
处理器320还生成可以在彩色LCD图像显示器332上浏览的较低分辨率图像。彩色LCD图像显示器332上显示的图形用户界面由用户控制装置334控制。用户控制装置334用来选择各种摄像装置模式,诸如,将在后面参照图3进行描述的“预览图像分析”模式,以及更传统的模式,诸如,体育运动模式、夜间模式、风景模式、以及特写模式。用户控制装置334还用来开启摄像装置、控制变焦距透镜、以及启动图片拍摄过程。
当用户把数字摄像装置300设置在“预览图像分析”模式中并开始拍摄图片时,处理器320自动对预览传感器图像数据进行处理以选择将在后面参照图5进行描述的多个场景类型中的一个场景类型。处理器320然后在启动最终传感器图像数据的图像捕捉之前把选择的场景类型传送给曝光控制块310。曝光控制块310然后通过设置适当的f数、曝光时间、以及ASP增益值,对图像传感器上最终图像的曝光度进行调整,以使得为不同场景类型设置不同的最终图像曝光度。在图像传感器314提供了最终传感器图像数据之后,处理器320响应于场景类型对此最终传感器图像数据进行处理,以补偿图像传感器上最终图像的曝光度。
处理器320在预览模式期间还提供额外的计算,诸如,用来使透镜304对焦的对焦计算。处理器320还使用图2中描绘的“标准图像流水线”,提供最终传感器图像数据的额外处理,以生成存储在图像存储器330中的“完成”图像文件(诸如公知的Exif-JPEG图像文件)内的渲染的RGB图像数据。
数字摄像装置300可以通过底座(dock)接口362连接到与家庭计算机340相连的底座/充电器364。底座接口362可以符合例如公知的USB 2.0接口规范。可替选地,数字摄像装置300与家庭计算机340之间的接口可以是无线接口,诸如公知的蓝牙无线接口或公知的802.11无线接口。家庭计算机340可以通过因特网370把图像上载到照片服务提供者372,诸如Kodak EasyShare Gallery。
处理器320耦合到无线调制解调器350,其使得数字摄像装置300(其还可以包括移动电话功能,如前面所描述的)能够通过RF信道352发送和接收信息。无线调制解调器350在射频(例如,无线)链路上与移动电话网络358(诸如3GSM网络)通信。移动电话网络358与可以存储从数字摄像装置300上载的数字图像的照片服务提供者372通信。这些图像可以由其它设备(包括家庭计算机340)通过因特网370访问。
图2描绘了数字摄像装置300的处理器320采用的用以实现本发明的图像处理图。预览传感器图像400(在用户构成要捕捉的图像时,其还用来在彩色显示器332上提供电子取景器)向预览图像分析410图像处理功能的组分提供输入。在优选实施例中,此处理功能包括一套有区别的图像分析能力,包括:面部检测411、运动分析412、自动对焦413、自动白平衡414、以及自动曝光415。现在这些有区别的图像分析能力在许多商用数字摄像装置系统中是标准的,并且本领域技术人员将会熟知它们的性能和它们提供的分析结果。这些分析结果用来执行场景类型分类416,从而得出对于给定场景的场景类型417的确定。场景类型分类416还提供取决于场景类型的相对曝光度419,如将在后面参照图6进行描述的。
进一步描述预览图像分析410的动机是有用的,以强调本设计的新颖性。曝光控制310设置到图像传感器314上的场景的曝光,以把场景中的信息最好地映射到图像传感器314的动态范围。动态范围是场景中最亮的可检测物体除以最暗的可检测物体的比率。图像传感器314剪裁在动态范围的亮端任何超出传感器饱和度的信号,意味着在剪裁点之外,添加更多光不增加传感器输出信号等级。更适度地限制了动态范围的暗端。它逐渐变成被噪声包围。预览图像分析410的目标是检测场景类型417并选择在图像中暗区域的噪声掩盖和场景高光的剪裁之间进行平衡的曝光设置。此方法是在现有技术的数字摄像装置中采用的自动曝光系统上的创新,其中,选择曝光设置使得输出图像具有正确的整体亮度,而与场景的动态范围无关。考虑因剪裁或噪声而丢失了什么图像数据作为场景动态范围的函数并非这些现有技术摄像装置自动曝光系统的一部分。如将进一步参照图3和图4详细描述的,适应性色调标度处理453必须与场景曝光值418和相对曝光度419相一致地进行工作,以生成具有高图像质量的完成图像文件数据460。
除了场景类型417的确定之外,预览图像分析功能410的输出也控制数字摄像装置300的其它子系统,包括变焦距和对焦电机驱动器308和曝光控制310。这些子系统的改变使得彩色显示器332上显示的取景器图像改变。如图2中所示,曝光程序420使用传统场景曝光值418和与场景类型相关的相对曝光度419确定在最终传感器图像数据的捕捉期间使用的适当的曝光设置425,包括可调整孔径和可调整快门306的f数和曝光时间、以及ASP和A/D转换器316的增益(即,ISO速度)设置。对应于曝光设置425的曝光值等于传统场景曝光值418偏移如下量的值:该量等于场景类型分类功能416确定的特定场景类型417的相对曝光度419。
渲染参数程序430使用场景曝光设置425和场景类型417确定静止图像处理流水线450使用的一套渲染参数,以自动确定以及向最终传感器图像数据440应用数字处理,从而补偿图像传感器上最终图像的曝光度。渲染参数435还可以为其它处理动能(诸如,噪声消减和边缘增强)提供场景类型特定处理参数。
本领域技术人员将会非常熟知数字摄像装置300中静止图像处理流水线450的基本处理块。标准图像流水线452包括本领域中公知的操作,包括去马赛克(也称为彩色像素插值)、噪声消减、白平衡、边缘增强、以及红眼消减。然后与作为静止图像处理流水线450一部分的标准图像流水线452相一致地把适应性色调标度处理453应用于最终传感器图像数据440。适应性色调标度处理453将在后面参照图4进行详细描述。继这些操作之后,在块454中,使用标准压缩算法(例如,JPEG压缩)对所得到的处理后图像数据进行压缩,并将其格式化以符合标准图像格式(诸如公知的Exif-JPEG格式),从而生成完成图像文件数据460。
图3描绘了示出了本发明第一实施例的流程图。在块500中,用户使用用户控制装置334设置摄像装置模式,以使用预览图像分析功能410,从而使得数字摄像装置300将会在后面确定场景类型417以及适合于该场景类型417的相关联的曝光设置425以及渲染参数435。在块510中,处理器320确定要用来捕捉初始预览传感器图像数据的大致曝光。在块520中,捕捉并使用预览图像来为彩色显示器332上的电子取景器提供图像。在块524中,预览图像分析处理功能410使用这些预览传感器图像400确定场景类型。
场景类型可以如下确定:如共同转让的题为“Image CapturingApparatus”的美国公开第US20070096024号(要求JP2007-121654A的优先权)中描述的,其公开内容经引用并入本文。
在用户在块530中按压快门按钮(用户控制装置334中的一个)之后,在块526中,使用场景类型417设置传感器相对曝光度419。换言之,由于相对曝光度419取决于检测到的场景类型,所以曝光控制系统为图6中所示的不同场景类型设置不同的最终图像曝光度。在块540中,使用作为相对曝光度419的函数的曝光设置425设置用来捕捉最终传感器图像数据440的曝光条件。
继在块540中对最终曝光条件的设置之后,在块550中,捕捉最终传感器图像数据440。在对此捕捉的准备中,在块528中,对于低光场景选择像素合并模式。在块528中选择的合并模式响应于场景类型,并且在捕捉最终传感器图像数据440时在块550中被使用。在高光等级,合并模式是“不合并”,并且输出图像传感器314的所有像素作为最终传感器图像数据。随着光等级减小到“3bin”阈值,在从图像传感器314读取出信号时组合来自同样颜色的3个像素的信号,以增加信号等级,同时减小传感器分辨率。随着光等级进一步减小到“9bin”阈值,在从图像传感器314读取出信号时组合来自同样颜色的9个像素的信号,以进一步增加信号等级,同时减小传感器分辨率。在本发明中,对于图6中列出的不同场景类型(有以及没有检测到面部),设置不同的这些“3bin”和“9bin”阈值。
在块529中,渲染参数程序430执行渲染算法分析,以确定在数字补偿(例如,标准图像流水线452中的噪声消减和边缘增强处理以及适应性色调标度处理453)期间要使用的适当渲染参数435。
在块560中,标准图像处理流水线452对最终传感器图像数据440进行处理。这包括执行在前面参照图2描述的标准图像流水线452功能(例如,执行噪声消减、去马赛克、白平衡、边缘增强和红眼消减)。
在块570中,使用适应性色调标度处理功能453对已经由标准图像处理流水线452处理过的最终传感器图像数据进行处理,以调整对比度以及校正图像传感器上最终图像的曝光度,如将在后面参照图4进行描述的。
在块580中,压缩处理后的最终图像数据并将其作为完成图像文件数据460存储在图像存储器330中。
图4描绘了图2中适应性色调标度处理453的图像处理图的实例。在块715中,作为图2中标准图像处理流水线452的输出的输入分析图像数据710接受到场景空间编码(例如,ISO/TS 22028-3:2006标准中规定的ERIMM RGB)的转换。在块720中,取回根据选择的场景类型417确定的渲染参数435,并将其提供给组分分析操作,其包括:场景平衡分析块725、眩光校正分析块730、以及色调标度分析块735。在块740中,使用场景平衡分析块725和眩光校正分析块730的结果执行场景空间转换后的输入分析图像数据710的色彩校正处理(例如,中性平衡、色彩平衡、以及眩光校正),如例如共同转让给Gindele的题为“Method ofCompensating a Digital Image for the Effects of Flare Light”的美国专利第6,912,321号中描述的,其公开内容经引用并入本文。在块760中,使用色调标度分析块735的结果执行基座(pedestal)图像色调标度应用(例如,对比度调整),如例如共同转让给Gindele的题为“Enhancing the TonalCharacteristics of Digital Images”的美国专利第7,113,649号中描述的,其公开内容经引用并入本文。
通过如下方式产生基座图像:在块745中对色彩校正后的图像数据执行亮度色度(LCC)转换,并随后在亮度基座分割块750中把数据的亮度部分分割成基座图像753和纹理图像755。在基座图像色调标度应用块760中调整基座图像753的色调标度。在亮度基座重组块765中重组增强的基座图像与亮度纹理图像755,以生成增强的亮度图像。RGB转换775模块把增强的亮度图像和色度图像770共同色彩转换为三色(例如,RGB)数据。在块780中,把图像数据转换到适合于完成图像文件数据460的输出色彩空间,诸如sRGB输出空间。
图6是示出了针对七种具体场景类型的相对曝光度419的表,其中既针对确定为含有面部的场景也针对确定为不含任何面部的场景。以曝光值(EV)为单位(即,摄像停止点(photographic stop))给出相对曝光度值。
对于高对比度场景,当在场景中检测到面部时传感器曝光不足(相对于摄像正常曝光而言)一个摄像停止点(即,-1EV个单位),而当未检测到面部时相对曝光度为-4/3EV。
对于低对比度场景,当在场景中检测到面部时传感器曝光过度+1/3EV个单位,而当未检测到面部时相对曝光度为+2/3EV。
对于包括蓝色天空的显著片(patch)的场景,当在场景中检测到面部时相对曝光度为-2/3EV,而当在场景中未检测到面部时相对曝光度为-1EV。
对于夜间场景,当在场景中检测到面部时相对曝光度为+2/3EV,而当在场景中未检测到面部时相对曝光度为+1EV。
对于包含高色彩饱和的显著区域的场景,当检测到面部时相对曝光度为-2/3EV,而当在场景中未检测到面部时相对曝光度为-1EV。
对于文件和其他类型的文本场景,相对曝光度为+1EV。如果在场景中检测到面部,则绝不把它分类成文本类型场景。对于所有其它场景,使用“一般”类别,并且当检测到面部时相对曝光度为-1/3EV,而当在场景中未检测到面部时相对曝光度为-2/3EV。
如之前所讨论的,把曝光控制系统耦合到适应性色调标度处理453是本发明的重要方面。图4中所示的实例是非限制性的,并且可使用许多其它类型的适应性色调标度处理。另外,额外类型的适应性处理操作可用于耦合到作为选择的场景类型417的函数的曝光控制设置,包括例如色彩饱和、锐度调整、以及噪声消减。
图7是示出了本发明替选实施例中使用的信号流的流程图。区域划分和平均部件12把图像传感器314(见图1)提供的预览图像数据20划分成多个区域或块,并计算和输出每个区域的平均像素值。例如,区域划分和平均部件12可以把整个图像数据划分成n×m个矩形区域(例如12×8个区域)并计算每个区域的R、G和B像素值的简单平均。
曝光评估(EA)部件14基于预览图像数据20执行预览模式的曝光评估,以生成适当的曝光值。可以通过在图像的中心部分集中地对光进行测量、或者使用多点光测量方法来实现预览曝光评估。另外,EA部件14使用预览图像20生成亮度直方图,并把亮度直方图提供给曝光校正量计算部件16。
更具体地,预览曝光评估部件22计算用于控制预览图像曝光的评估值。把如此计算出的评估值提供给预览曝光控制部件32,以使得把预览图像20设置为适当的曝光值。摄像曝光预测直方图生成部件28使用从预览曝光评估部件22提供的数据生成亮度直方图。此直方图是将从采用当前曝光值捕捉的静止图像的图像数据中获得的。更具体地,摄像曝光预测直方图生成部件28把每个块的R、G和B色彩值的平均值(来自区域划分和平均部件12)转换成亮度Y,并然后把亮度Y转换成等于log2的EV(曝光值)单位(亮度Y/适当曝光值)。在计算出每个块的EV值之后,生成直方图。直方图的水平轴是相对于所谓“正常”摄像曝光的偏离量(以EV为单位),而竖直轴是具有此偏离量的块数量。把曝光预测直方图生成部件28计算出的直方图提供给曝光校正量计算部件16。
曝光校正量计算部件16通过确定亮度直方图是否满足具体条件来计算相对于适当曝光的曝光校正量,并把曝光校正量提供给EA部件14和灰度校正部件18。曝光校正量计算部件16基于捕捉图像的图像数据要受到灰度校正部件18的灰度校正的假设来计算曝光校正量。
灰度校正部件18基于从曝光校正量计算部件16获得的曝光校正量以及适当的曝光值(曝光的参考值),对以曝光校正捕捉到的静止图像的图像数据应用适应性灰度校正。灰度校正部件18可以使用例如在前面结合图4描述的适应性色调标度处理。
在替选实施例中,可使用灰度校正方法通过使用适应性伽玛函数以及还通过对色差数据进行校正来向亮度数据应用色调标度校正转换,从而执行灰度校正。灰度校正部件18执行灰度校正,以使得对在曝光不足的情况下捕捉到的静止图像数据的曝光进行补偿,从而在校正后的数字静止图像中实现适当的曝光。当曝光校正量小时灰度校正的校正量减少,而当曝光校正量大时灰度校正的校正量增加。在后者的情形中,由于灰度校正而引起的变形在一些类型的图像中是明显的。
图8是示出了根据本发明一些实施例的场景类型分类过程的实例的流程图。在此实例中,相对于“正常”曝光的适当曝光值,把曝光校正量设置为六个等级中的一个等级。更具体地,把曝光校正量ΔEV设置为0EV、-Δ1EV、-Δ2EV、-Δ3EV、-Δ4EV、以及+Δ5EV中的一个。此处,曝光校正量前面的正号表示相对于“正常”曝光值而言曝光过度,而曝光校正量前面的负号表示相对于“正常”曝光值而言曝光不足。另外,满足关系Δ1<Δ2<Δ3<Δ4
首先,在图8的块101中,数字摄像装置300(见图1)的处理器320确定预览图像(如果存在的话)的亮度等级是否低于需要开启闪光灯(闪光)的等级。由于在需要点亮闪光灯的情况下要摄像的场景暗,所以进行此确定以防止极其曝光不足的情况。相应地,如果亮度等级低于闪光开启等级,则把相对于适当曝光值的曝光校正量ΔEV设置为0EV。具体地,在此情形中,维持适当的“正常”曝光值(块114)。
如果预览图像的亮度等级等于或高于应当开启闪光的等级,则另一方面,然后确定预览图像数据是否不存在(102)。紧挨在接通数字摄像装置300的电源之后、或者紧挨在数字摄像装置300从图像浏览模式切换到图像捕捉(例如,摄像)模式之后,预览图像数据不存在。当用户在摄像装置处于浏览模式中时完全采用单按压来按压快门按钮时,由于预览图像数据不存在而无法执行曝光校正。相应地,当预览图像数据不存在时,把较高的优先级给予摄像而非曝光校正,并且曝光校正量计算部件16把曝光校正量设置为默认曝光不足值(块115)。具体地,曝光校正量计算部件16把曝光值设置为比适当“正常”曝光值小如下曝光校正量:该曝光校正量等于Δ1EV。
如果存在预览图像,则然后确定要摄像的场景中是否存在逆光情况(块103)。如果确定逆光情况,则点亮闪光以提供“补助闪光(fill flash)”。在此情形中,曝光校正量计算部件16把曝光校正量设置为默认曝光不足值Δ1EV。
如果场景没有逆光,则在块104中,确定场景是否是海滩场景或文本(文件)。进行此确定是因为:由于这些场景中沙子或纸张的高反射率,所以优选地使用大于“正常”曝光值的曝光度来捕捉这些类型的场景。对于这些类型的场景,曝光校正量计算部件16把曝光校正量ΔEV设置为大于“正常”曝光值的+Δ5EV(块119)。具体地,曝光校正量计算部件16把曝光值设置为比适当曝光值超出曝光校正量。关于场景是否是海滩场景或文本(文件)摄像场景的确定可以通过使用公知方法来执行,诸如共同转让的美国专利申请US20070096024“Image Capturing Apparatus”,其公开内容经引用并入本文,其描述了用于基于温度、移动、色相、色度、亮度、以及其它图像特性的组合确定场景类型的方法。
在图8的块105中,如果摄像场景并非具体场景类型,则然后确定ISO曝光指数(由图像传感器314和ASP/A/D 316提供)是否等于或大于阈值。当要摄像的场景暗时,固定快门速度以防止摄像装置抖动并且增加ISO以增加灵敏度。然而,此高ISO设置增加了图像噪声。因此,当ISO等于或大于阈值时,曝光校正量计算部件16把曝光校正量ΔEV设置为等于0EV,从而维持“正常”曝光度。
ISO曝光指数可能会因为如下这种情形而高:情形(1)场景暗;或者情形(2)场景不暗,但使用高速快门(即,短曝光时间)以定格(freeze)移动对象的运动,所以增加了ASP和A/D转换器316的增益。在块106中,检查场景亮度等级以查看它是否低于移动对象亮度。“是”对应于情形(1),并且如上所述,把曝光校正量ΔEV设置为等于0EV(块114),以防止噪声进一步增加。“否”对应于情形(2),其中在块107中,通过使用在前面参照图7描述的直方图确定亮度差。然后,在块108-113中,检查各种条件以确定要用来捕捉最终静止图像的ΔEV值。
具体地,在块108中,确定场景是否包括人的面部。用于检测人的面部的方法是公知的,并且可以包括:例如,提取图像数据中包括肤色的区域,以及确定这些区域与面部模板匹配得有多好。如果在块108中确定场景包括人的面部,则在块109中,检查亮度直方图以确定它是否满足与曝光校正量ΔEV=-Δ3EV对应的条件。用于设置ΔEV=-Δ3EV的条件可以是例如直方图是否包括:大于或等于20%的区域中有大于或等于x4EV的值(偏离量)、区域的任何区域中没有大于或等于x5EV的值、小于或等于10%的区域中有小于或等于x2EV的值、以及具有大于或等于y2EV且小于或等于y3EV的面部区。
如果在块109中不满足-Δ3EV的此条件,则然后在块110中,确定亮度直方图是否满足与曝光校正量ΔEV=-Δ2EV对应的条件,其可以是例如直方图是否包括:大于或等于60%的区域中有大于或等于x3EV的值、以及具有大于或等于y1EV的面部区。
如果亮度直方图既不满足-Δ3EV条件也不满足-Δ2EV条件,则曝光校正量计算部件16把曝光校正量ΔEV设置为默认值-Δ1EV(块115)。如果亮度直方图满足-Δ2EV的条件,则曝光校正量计算部件16把曝光校正量ΔEV设置为值-Δ2EV(块116)。这意味着将在把曝光值设置为低于默认曝光不足值的值的情况下捕捉静止图像。如果亮度直方图满足-Δ3EV的条件,则曝光校正量计算部件16把曝光校正量ΔEV设置为值-Δ3EV(块117)。这意味着将在把曝光值设置为甚至低于-Δ3EV曝光不足值的值的情况下捕捉静止图像。
如果场景不包括人的面部,则在块111中,确定亮度直方图是否满足与-Δ4EV对应的条件,并且如果不满足,则在块112中确定亮度直方图是否满足与-Δ3EV对应的条件,如果不满足,则在块113中确定亮度直方图是否满足与-Δ2EV对应的条件。用于设置以上曝光校正量的条件可以是例如:
4EV的条件(没有面部)是直方图包括:至少20%的区域中有至少x4EV的值、至少一个区域中有大于或等于x5EV的值、以及不大于10%的区域中有小于或等于x1的值、或者大于或等于20%的区域中有小于或等于x0EV的值。
3EV的条件(没有面部)是直方图包括:至少25%的区域中有大于或等于x4EV的值、任何区域中均没有大于或等于x5EV的值、以及不大于10%的区域中有小于或等于x2EV的值。
2EV的条件(没有面部)是直方图包括:至少50%的区域中有大于或等于x3EV的值。
图9中示出了上述所有条件。如图9中的列所示,确定准则根据场景中是否存在人的面部而变化,以使得灰度校正的校正量在包括人的面部时比不包括人的面部时相对较小,从而使包括面部的图像中的噪声最小化。
使用在曝光校正量计算部件16中计算的曝光校正量ΔEV设置捕捉静止图像时的最终曝光条件。还把曝光校正量ΔEV提供给灰度校正部件18,其提供适应性色调标度处理,以补偿用来捕捉静止图像的特定曝光校正量。换言之,曝光校正量ΔEV用来调整最终静止图像的图像传感器曝光度以及对捕捉的静止图像数据执行数字适应性色调校正。此外,如图9中所示,把摄像场景中包括人的面部时的曝光校正量ΔEV设置得小于不包括人的面部时。
特别参照本发明某些优选实施例对本发明进行了详细描述,但将会理解,在本发明的精神和范围内可以做出变化和修改。
组件列表
12区域划分和平均部件
14曝光评估部件
16曝光校正量计算部件
18灰度校正部件
20预览图像
22预览曝光评估部件
26静止图像摄像曝光确定部件
28摄像曝光预测直方图生成部件
30曝光校正量确定部件
32预览控制部件
101块
102块
103块
104块
105块
106块
107块
108块
109块
110块
111块
112块
113块
114块
115块
116块
117块
118块
119块
300数字摄像装置
302闪光
304变焦距透镜
306可调整孔径和可调整快门
308变焦距和对焦电机驱动器
310曝光控制块
312定时生成器
314图像传感器
316ASP和A/D转换器
318DRAM缓冲存储器
320处理器
328固件存储器
330图像存储器
332彩色LCD图像显示器
334用户控制装置
340家庭计算机
350无线调制解调器
352RF信道
358移动电话网络
362底座接口
364底座/充电器
370因特网
372照片服务提供者
400取景器图像
410预览图像分析
411面部检测
412运动分析
413自动对焦
414自动白平衡
415自动曝光
416场景类型分类
417场景类型
418场景曝光值
419相对曝光度
420曝光程序
425曝光设置
430渲染参数程序
435渲染参数
440最终传感器图像数据
450静止图像处理流水线
452标准图像流水线
453适应性色调标度处理
454文件完成和压缩
460完成图像文件数据
500块
510块
520块
524块
526块
528块
529块
530块
540块
550块
560块
570块
580块
710输入分析图像数据
715转换到场景空间
720取回场景类型参数
725场景平衡分析
730眩光校正分析
735色调标度分析
740色彩校正处理
745LCC转换
750亮度基座分割器
753基座图像
755纹理图像
760基座图像色调标度应用
765亮度基座重组器
770色度图像
775RGB转换
780转换到输出色彩空间

Claims (15)

1.一种数字摄像装置,包括:
图像传感器,用于提供初始传感器图像数据和最终传感器图像数据;
透镜,用于把场景的图像曝光到所述图像传感器上;
曝光控制系统,用于响应于场景类型调整所述图像传感器上最终图像的曝光度;以及
处理器,用于:
(a)对所述初始传感器图像数据进行处理,以选择多个场景类型中的一个场景类型,
(b)在捕捉所述最终传感器图像数据之前,把选择的场景类型提供给所述曝光控制系统,以使得所述曝光控制系统调整所述图像传感器上最终图像的曝光度,其中所述曝光控制系统为不同场景类型设置不同的最终图像曝光度,以及
(c)响应于场景类型对所述最终传感器图像数据进行处理,以补偿所述图像传感器上最终图像的曝光度。
2.如权利要求1所述的数字摄像装置,其中,步骤(c)包括:响应于选择的场景类型补偿场景光照。
3.如权利要求1所述的数字摄像装置,其中,步骤(c)包括:使用根据选择的场景类型从以下参数类型组中选择的处理参数:中性平衡、色彩平衡、眩光校正、对比度调整、色彩饱和、锐度调整、噪声消减及其组合。
4.如权利要求1所述的数字摄像装置,其中,步骤(c)包括:根据选择的场景类型使用适应性色调标度处理。
5.如权利要求3所述的数字摄像装置,其中,步骤(c)包括:根据选择的场景类型使用适应性色调标度处理。
6.如权利要求1所述的数字摄像装置,其中,所述场景类型包括:高对比度场景、低对比度场景、(蓝色)天空场景、夜间场景、色彩饱和场景、以及文本场景。
7.如权利要求1所述的数字摄像装置,其中,所述处理器使用初始图像数据来检测面部,以及其中,所述多个场景类型包括:包括面部的第一子集以及不包括面部的第二子集。
8.如权利要求1所述的数字摄像装置,其中,所述处理器使用所述初始图像数据计算多个nxm区域的平均值,使用所述平均值形成直方图,并且使用所述直方图选择场景类型。
9.如权利要求1所述的数字摄像装置,其中,所述处理器使用所述初始图像数据来提供用于在所述数字摄像装置的取景器显示器上显示的预览图像。
10.一种数字摄像装置,包括:
图像传感器,具有以下这种像素阵列:所述像素阵列包括不同的有色像素,并且在第一模式中被激励时起作用以用于提供预览传感器图像数据时、以及在第二模式中被激励时起作用以用于提供最终传感器图像数据时;
透镜,用于把场景的图像曝光到所述图像传感器上;
曝光控制系统,用于响应于场景类型调整所述图像传感器上最终图像的曝光度;以及
处理器,用于自动地:
(a)对预览图像数据进行处理以选择多个场景类型中的一个场景类型,
(b)在所述最终传感器图像数据的图像捕捉之前,把选择的场景类型传送给所述曝光控制系统,以使得所述曝光控制系统调整所述图像传感器上最终图像的曝光度,其中所述曝光控制系统为不同场景类型设置不同的最终图像曝光度,
(c)通过组合具有同样色彩的多个像素,响应于场景类型合并所述最终传感器图像数据,以及
(d)响应于场景类型对合并的最终传感器图像数据进行处理,以补偿最终图像的曝光度。
11.如权利要求10所述的数字摄像装置,其中,步骤(c)包括:响应于选择的场景类型补偿场景光照。
12.如权利要求10所述的数字摄像装置,其中,步骤(c)包括:使用根据选择的场景类型从以下参数类型组中选择的处理参数:中性平衡、色彩平衡、眩光校正、对比度调整、色彩饱和、锐度调整、噪声消减及其组合。
13.如权利要求10所述的数字摄像装置,其中,步骤(c)包括:根据选择的场景类型使用适应性色调标度处理。
14.如权利要求10所述的数字摄像装置,其中,步骤(c)包括:根据选择的场景类型使用适应性色调标度处理。
15.如权利要求10所述的数字摄像装置,其中,所述场景类型包括:高对比度场景、低对比度场景、(蓝色)天空场景、夜间场景、色彩饱和场景、以及文本场景。
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