CN102082911A - 图像拍摄装置和图像拍摄方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了图像拍摄装置和图像拍摄方法。图像拍摄设备包括：压缩单元，用于对从成像元件输出的视频信号进行无损压缩；存储单元，用于累积被压缩了的视频信号；解压缩单元，用于对在存储单元中累积的被压缩了的视频信号进行解压缩；以及组合单元，用于把基于解压缩后的视频信号的多个帧图像组合成一个帧图像。

Description

图像拍摄装置和图像拍摄方法
技术领域
本发明涉及图像拍摄装置和图像拍摄方法。
背景技术
在使用诸如数字静止相机和视频相机之类的图像拍摄设备的图像拍摄中，通常根据环境光来控制和调节曝光，以使得所拍摄的图像容易被用户观看。然而，如果在图像中存在比其他区域部分更暗或更亮的区域，则容易形成过曝区域或欠曝区域。因此，在使用诸如CCD图像传感器或CMOS图像传感器之类的成像元件的图像拍摄设备中，为了加宽动态范围，存在这样一种技术，即利用多个不同的曝光时间来拍摄多个帧图像并且组合这些图像。在日本专利申请早期公开No.2007-151069、2007-214832、2008-099158、2008-227697、2008-271280和2008-294698也公开了用于加宽动态范围的技术。
发明内容
动态范围被加宽的视频图像(以下也称为“宽动态范围视频图像”)是通过拍摄多个图像来获得的，从而用于拍摄一个宽动态范围视频图像的数据量大于用于拍摄正常图像的数据量。帧存储器被用于组合多个图像，从而电路负担增大。另外，当宽频率范围图像被写入到存储器或被从存储器中读取时，或者被输出到外界时，使用宽频带。
另一方面，在图像拍摄设备中希望实时传送宽动态范围图像。上述问题随着图像质量提高和图像分辨率提高而变得更明显。
考虑到上述情况，希望提供一种能够迅速传送从多个图像组合和生成的宽动态范围视频图像并且减小频带以减小电路负担的新颖且改进的图像拍摄装置和图像拍摄方法。
根据本发明的一实施例，提供了一种图像拍摄设备，包括：压缩单元，用于对从成像元件输出的视频信号进行无损压缩；存储单元，用于累积被压缩了的视频信号；解压缩单元，用于对在存储单元中累积的被压缩了的视频信号进行解压缩；以及组合单元，用于把基于解压缩后的视频信号的多个帧图像组合成一个帧图像。
压缩单元可对从成像元件输出的、尚未被有损压缩过的视频信号进行无损压缩。
压缩单元可基于视频信号中的关注像素的像素值与另一像素的像素值之间的差异信息以及表示差异信息的比特的数目来对视频信号进行无损压缩。
解压缩单元的数目可与被组合单元组合的多个帧图像的数目相同。
根据本发明的另一实施例，提供了一种图像拍摄设备，包括：压缩单元，用于对从成像元件输出的视频信号进行无损压缩，在该视频信号中多个帧图像被组合成一个帧图像；存储单元，用于累积被压缩了的视频信号；以及解压缩单元，用于对在存储单元中累积的被压缩了的视频信号进行解压缩并且将解压缩后的视频信号输出到用于对当前视频信号进行图像处理的图像处理单元。
压缩单元可对从成像元件输出的、尚未被有损压缩过的视频信号进行无损压缩。
被压缩单元压缩的视频信号可以是浮点格式的。
压缩单元可将浮点格式视频信号划分成指数部分(exponent part)和尾数部分(mantissa part)，并分别压缩指数部分和尾数部分。
压缩单元可基于视频信号中的关注像素的像素值的指数部分与另一像素的像素值的指数部分之间的比较信息以及表示关注像素的像素值的指数部分的比特的数目来对视频信号进行无损压缩。
压缩单元可基于视频信号中的关注像素的像素值的尾数部分与另一像素的像素值的尾数部分之间的差异信息以及表示差异信息的比特的数目来对视频信号进行无损压缩。
根据本发明的另一实施例，提供了一种图像拍摄方法，包括以下步骤：通过使用压缩单元对从成像元件输出的视频信号进行无损压缩；通过使用存储单元累积被压缩了的视频信号；通过使用解压缩单元对在存储单元中累积的被压缩了的视频信号进行解压缩；以及通过使用组合单元把基于解压缩后的视频信号的多个帧图像组合成一个帧图像。
根据本发明的另一实施例，提供了一种图像拍摄方法，包括以下步骤：通过使用压缩单元对从成像元件输出的视频信号进行无损压缩，在该视频信号中多个帧图像被组合成一个帧图像；通过使用存储单元累积被压缩了的视频信号；以及通过使用解压缩单元对在存储单元中累积的被压缩了的视频信号进行解压缩并且将解压缩后的视频信号输出到用于对当前视频信号进行图像处理的图像处理单元。
如上所述，根据本发明的实施例，可以迅速地传送从多个图像组合和生成的宽动态范围视频图像并且减小频带以减小电路负担。
附图说明
图1是示出根据本发明实施例的图像拍摄设备100的框图；
图2是示出根据该实施例的宽动态范围视频图像组合单元110的框图；
图3是示出根据该实施例的宽动态范围视频图像处理单元120的框图；
图4是示出根据该实施例的宽动态范围组合之前的视频信号的压缩处理的流程图；
图5是示出根据该实施例的宽动态范围组合之前的视频信号的解压缩处理的流程图；
图6是根据该实施例的与宽动态范围组合之前的视频信号的压缩系数计算处理有关的框图；
图7是示出根据该实施例的宽动态范围浮点格式视频信号指数部分的压缩处理的流程图；
图8是示出根据该实施例的宽动态范围浮点格式视频信号尾数部分的压缩处理的流程图；
图9是示出根据该实施例的宽动态范围浮点格式视频信号指数部分的解压缩处理的流程图；
图10是示出根据该实施例的宽动态范围浮点格式视频信号尾数部分的解压缩处理的流程图；
图11是示出宽动态范围组合之前的视频信号的压缩示例的示图；
图12是示出宽动态范围组合之前的视频信号的压缩示例的示图；
图13是示出宽动态范围组合之前的视频信号的压缩示例的示图；
图14是示出宽动态范围组合之前的视频信号的压缩示例的示图；
图15是示出宽动态范围组合之前的视频信号的压缩示例的示图；并且
图16是示出宽动态范围组合之前的视频信号的压缩示例的示图。
具体实施方式
下面，将参考附图详细描述本发明的优选实施例。注意，在本说明书和附图中，用相同的标号来表示具有基本相同的功能和结构的结构要素，并且省略对这些结构要素的重复说明。
将按以下顺序来进行描述。
1.实施例的配置
2.实施例的操作
<1.实施例的配置>
[图像拍摄设备100]
首先，将描述根据本发明实施例的图像拍摄设备100。图1是示出根据该实施例的图像拍摄设备100的框图。图像拍摄设备100例如是数字静止相机或视频相机。尤其，在此实施例中，图像拍摄设备100具有能够进行具有加宽的动态范围的图像拍摄的宽动态范围图像拍摄功能。
图像拍摄设备100例如包括光学系统102、宽动态范围图像传感器104、宽动态范围视频图像组合单元110、存储器118、宽动态范围视频图像处理单元120、存储器128、CPU 132、压缩电路134、显示单元136、操作单元138、帧存储器142、存储单元144，等等。
光学系统102令来自对象的光通过，并且将该光照射到宽动态范围图像传感器上。
宽动态范围图像传感器104例如是CMOS成像元件或CCD成像元件。宽动态范围图像传感器104顺序地输出视频信号。当执行宽动态范围图像拍摄时，宽动态范围图像传感器104在多个不同的曝光条件中拍摄多个帧图像。然后，这多个帧图像在较后级的宽动态范围视频图像组合单元110中被组合，从而获得动态范围被加宽的图像。宽动态范围图像传感器104例如以120fps输出帧图像。
宽动态范围视频图像组合单元110接收从宽动态范围图像传感器104输出的视频信号，并且组合多个帧图像。此时，在宽动态范围视频图像组合单元110压缩视频信号并且将压缩后的视频信号写入到存储器118的同时，宽动态范围视频图像组合单元110从存储器118读取先前写入的视频信号，执行解压缩处理，然后组合解压缩后的视频信号。当宽动态范围视频图像组合单元110将四个帧图像组合成一个时，宽动态范围视频图像组合单元110组合以120fps传送的帧图像并且以30fps输出组合后的帧图像。
宽动态范围视频图像处理单元120接收从宽动态范围视频图像组合单元110输出的组合后的视频信号，并且对该视频信号执行各种图像处理，例如噪声降低。宽动态范围视频图像处理单元120接收的宽动态范围视频信号是浮点格式的，以便在维持宽动态范围的特性的同时减少比特数目。在宽动态范围视频图像处理单元120对具有浮点格式的宽动态范围视频信号进行无损压缩并将压缩后的视频信号写入到存储器128中的同时，宽动态范围视频图像处理单元120从存储器128中读取先前写入的视频信号，并且对所读取的视频信号以及当前的视频信号执行图像处理。
宽动态范围视频图像组合单元110和宽动态范围视频图像处理单元120例如是FPGA或ASIC。存储器118和存储器128例如是DDR-SD-RAM。
CPU 132是控制设备或运算设备，并且例如控制图像拍摄设备100中的每个功能块。CPU 132读取在存储单元144中记录的程序并且执行该程序。
压缩电路134把从宽动态范围视频图像处理单元120输出的经组合和图像处理的视频信号压缩成诸如JPEG格式或MPEG格式之类的压缩文件格式。一般地，该压缩是有损压缩。
显示单元136是设置在图像拍摄设备100的外壳中的液晶显示器、有机EL显示器等等。显示单元136在拍摄图像时显示对象图像并且在图像拍摄后显示视频图像。另外，显示单元136显示图像拍摄设备100的设定菜单等等。
操作单元138例如是设置在图像拍摄设备100的外壳上的按钮、设置在显示单元136上的触摸面板、遥控器，等等。操作单元138在接收到用户的操作时生成操作信号。操作单元138将所生成的操作信号发送到CPU132等等。
帧存储器142累积从宽动态范围视频图像处理单元120输出的经组合和图像处理的视频信号。帧存储器142中累积的视频信号用于压缩电路134中的压缩处理等等。
存储单元144以压缩文件的形式累积经压缩处理的视频信号。另外，存储单元144存储由CPU 132执行的程序。
[宽动态范围视频图像组合单元]
接下来，将参考图2描述根据该实施例的宽动态范围视频图像组合单元110。图2是示出根据该实施例的宽动态范围视频图像组合单元110的框图。
宽动态范围视频图像组合单元110例如包括压缩电路111、存储器写入电路112、宽动态范围视频图像组合控制电路113、多个存储器读取电路114、多个解压缩电路115、宽动态范围视频图像组合电路116，等等。
压缩电路111利用以下所述的压缩算法对视频信号进行无损压缩。当以120fps接收到帧图像时，压缩电路111以120fps输出压缩后的视频信号。
存储器写入电路112将压缩后的视频信号写入到存储器118中。当以120fps接收到帧图像时，存储器写入电路112以120fps输出压缩后的视频信号。
宽动态范围视频图像组合控制电路113从存储器写入电路接收帧的定时。另外，宽动态范围视频图像组合控制电路113基于该帧的定时来控制由存储器读取电路114执行的视频信号的读取，并且控制由宽动态范围视频图像组合电路116执行的组合处理。
设置了存储器读取电路114，其数目与解压缩电路115的数目相同，并且每个存储器读取电路114读取被写入到存储器118中的压缩后的视频信号。当帧图像以120fps从宽动态范围图像传感器104输出并且存在四个解压缩电路115时，存储器读取电路114以30fps读取压缩后的视频信号。
设置了解压缩电路115，其数目与宽动态范围视频图像组合电路116组合的多个帧的数目相同。当四个帧图像被组合成一个组合帧时，设置四个解压缩电路115。解压缩电路115对从存储器118读取的压缩后的视频信号进行解压缩。当帧图像以120fps从宽动态范围图像传感器104输出并且存在四个解压缩电路115时，解压缩电路115以30fps输出解压缩后的视频信号。
宽动态范围视频图像组合电路116把基于解压缩后的视频信号的多个帧图像组合成一个帧图像。组合后的帧图像是宽动态范围图像。宽动态范围视频图像组合电路116将组合后的宽动态范围视频信号输出到宽动态范围视频图像处理单元120。组合后的宽动态范围视频信号的每个像素的比特数目大于从宽动态范围图像传感器104输出的每个像素的比特数目。因此，宽动态范围视频信号是浮点格式的。
[宽动态范围视频图像处理单元120]
接下来，将参考图3描述根据该实施例的宽动态范围视频图像处理单元120。图3是示出根据该实施例的宽动态范围视频图像处理单元120的框图。
宽动态范围视频图像处理单元120例如包括压缩电路121、存储器写入电路122、存储器读取电路124、解压缩电路125、图像处理电路126，等等。
压缩电路121利用以下所述的压缩算法对具有浮点格式的宽动态范围视频信号进行无损压缩。压缩电路121将具有浮点格式的宽动态范围视频信号划分成指数部分和尾数部分，并且分别对指数部分和尾数部分进行压缩。
存储器写入电路122将压缩后的视频信号写入到存储器128中。存储器读取电路124读取被写入到存储器128的压缩后视频信号。解压缩电路125对从存储器128中读取的压缩后视频信号进行解压缩。
图像处理电路126接收经解压缩的先前视频信号并且对当前视频信号进行图像处理。图像处理电路126执行诸如三维噪声降低处理之类的图像处理。图像处理电路126处理具有浮点格式的宽动态范围视频信号。
<2.实施例的操作>
[宽动态范围组合之前的视频信号的压缩处理]
接下来，将参考图4描述压缩电路111中的宽动态范围组合之前的视频信号的压缩处理。图4是示出根据该实施例的宽动态范围组合之前的视频信号的压缩处理的流程图。
首先，获得关注像素p[i]与先前像素p[i-1]之间的像素值差异信息D(步骤S101至S105)。步骤S101中的“A”是关注像素p[i]与先前像素p[i-1]之间的像素值差异。当A小于0时(步骤S102)，B被确定为经比特取反的A(“～A”表示经比特取反的A)，并且C被确定为1(步骤S103)。当A大于或等于0时(步骤S102)，B被确定为A，并且C被确定为0(步骤S104)。然后，通过将B左移1比特并且将C添加到最右位置来形成差异信息D。当差异信息D可由x比特或更少比特来表示时(步骤S106)，通过将标志信息添加到差异信息D而获得的值E被输出(步骤S107和S109)。另一方面，当差异信息D不能由x比特或更少比特来表示时，通过将标志信息添加到像素p[i]而获得的值E被输出(步骤S108和S109)。
这里，像素值p[]取决于输入视频信号而表示不同事物。例如，当输入视频信号是静止拜耳布置(still Bayer arrangement)时，准备两个压缩电路111并且每个系统作为p[]被分别处理。当输入视频信号是RGB时，准备三个压缩电路并且R、G和B中的每一个作为p[]被分别处理。
如图6中所示，在先前帧中表现出最佳压缩率的值被用作压缩系数x，因为一般视频帧之间在时间方向上有较高的相关度。图6是根据该实施例的与宽动态范围组合之前的视频信号的压缩系数计算处理有关的框图。
压缩系数x输出比特数目计算单元1 52是针对每个压缩系数x设置的，并且计算压缩后的输出比特的数目。最优压缩系数选择单元154输出在先前帧中表现出最佳压缩率的压缩后输出比特的数目，并且该压缩系数x被用于下一帧。
图5是示出根据该实施例的宽动态范围组合之前的视频信号的解压缩处理的流程图。图5示出了用于对通过图4的压缩处理压缩的视频信号进行解压缩的处理。在图5中，q[j:j]表示压缩后数据的第j比特这一个比特，并且q[j+1:j+3]表示压缩后数据的第j+1比特到第j+3比特这三个比特。“～B”表示经比特取反的B。
在此实施例中，压缩电路111较简单，因此即使当简单地布置具有不同压缩系数x的多个压缩电路时，电路的规模也不会增大。如果希望减小电路的规模，则固定的恒定值可被用于压缩系数x。虽然在图4的流程图中没有记载，但压缩系数x是在帧的第一部分中输出的。
作为此压缩算法的修改形式，图4中的计算A＝p[i-1]-p[1]中的p[i-1]可被前一行中的所有像素的平均值所替换来执行计算。或者，p[i-1]可被若干个先前像素的平均值或相邻像素的平均值所替换来执行计算。
[宽动态范围浮点格式视频信号指数部分的压缩处理]
接下来，将参考图7来描述压缩电路121中的宽动态范围浮点格式视频信号指数部分的压缩处理。图7是示出根据该实施例的宽动态范围浮点格式视频信号指数部分的压缩处理的流程图。
关注像素的像素值指数部分p[i].e和先前像素的像素值指数部分p[i-1].e被比较，并且当p[i-1].e与p[i].e相同时(步骤S121)(“！＝”表示左侧值和右侧值不相同)，标志1被输出(步骤S122和S124)。当p[i-1].e与p[i].e不相同时(步骤S121)，通过将标志信息添加到p[i].e获得的值A被输出(步骤S123和S124)。
作为此压缩算法的修改形式，图7的p[i-1].e！＝p[i].e的判定中的p[i-1].e可被前一行中的所有像素的平均值所替换来执行计算。或者，p[i-1].e可被若干个先前像素的平均值或相邻像素的平均值所替换来执行计算。
图9是示出根据该实施例的宽动态范围浮点格式视频信号指数部分的解压缩处理的流程图。图9示出了用于对通过图7的压缩处理压缩的视频信号进行解压缩的处理。在图9中，q[j:j]表示压缩后数据的第j比特这一个比特，并且q[j+1:j+3]表示压缩后数据的第j+1比特到第j+3比特这三个比特。
[宽动态范围浮点格式视频信号尾数部分的压缩处理]
图8是示出根据该实施例的宽动态范围浮点格式视频信号尾数部分的压缩处理的流程图。宽动态范围浮点格式视频信号尾数部分的压缩处理与图4中所示的宽动态范围组合之前的视频信号的压缩处理的算法相同。压缩算法的修改形式与宽动态范围组合之前的视频信号的情况下的相同。
图10是示出根据该实施例的宽动态范围浮点格式视频信号尾数部分的解压缩处理的流程图。图10示出了用于对通过图8的压缩处理压缩的视频信号进行解压缩的处理。在图10中，q[j:j]表示压缩后数据的第j比特这一个比特，并且q[j+1:j+3]表示压缩后数据的第j+1比特到第j+3比特这三个比特。“～B”表示经比特取反的B。
<3.宽动态范围组合之前的视频信号的压缩示例>
图11至16是示出宽动态范围组合之前的视频信号的压缩示例的示图。图11至16是通过对五种场景进行图像拍摄而获得的图像数据的压缩示例，这五种场景是入口、太阳直视、夜间车辆的强光、房间以及房间中的书本。
这些是对于一视频信号(像素比特数目n＝10)，针对压缩系数x＝0至x＝10计算的压缩率的计算结果。图11示出了每个场景的帧平均值。图12示出了入口的场景的每个压缩系数的压缩率，图13示出了太阳直视的场景的每个压缩系数的压缩率，图14示出了夜间车辆强光的场景的每个压缩系数的压缩率，图15示出了房间中的书本的场景的每个压缩系数的压缩率，图16示出了室外的书本的场景的每个压缩系数的压缩率。在图11至16中，针对每种曝光条件(长累积、短累积(长)、短累积(中)、短累积(短))示出了压缩率。
虽然压缩率依据图像拍摄的场景和压缩系数而变化，但是在此实施例中实现了大约38％至65％的压缩率，尽管此实施例只是简单的算法。
如果通过此实施例的算法对宽动态范围视频图像进行压缩和解压缩，则当视频图像被存储在存储器中时，可以减少存储器宽带的使用量。除了视频图像被存储在存储器中的情况以外，当视频图像被输出到外部总线以将视频图像传送到另外的信号处理IC时，也可以减小总线带宽的使用量。
另外，当CPU等等读取被存储在设备的存储器中的组合之前的宽动态范围视频图像时，如果该视频图像是在其仍被压缩的同时被读取的，则可以减短读取时间。此实施例的压缩处理是无损压缩，从而视频信号不会劣化。另外，在此实施例中采用了简单的算法，从而如果用硬件来实现该算法则可以实时地执行压缩和解压缩，并且因此可以实现几乎无延迟的接近实时的传送。此外，在以软件使用此实施例的算法时，负担也是较小的。该算法可以用小规模LSI和FPGA来实现。虽然该算法是对普通图像几乎没有影响的简单算法，但对于宽动态范围视频图像可以实现有效的压缩率，因为该算法利用了宽动态范围视频图像数据的特性。
另外，该算法的某种程度的可缩放实现是可能的，换言之，可以通过使用例如根据所使用的电路的规模的固定值压缩系数来在各种规模的电路中实现该算法。
本领域的技术人员应当理解，取决于设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和变更，只要它们处于所附权利要求或其等同物的范围之内即可。
本申请包含与2009年12月1日向日本专利局提交的日本优先权专利申请JP 2009-273819中公开的主题相关的主题，这里通过引用将该申请的全部内容并入。

Claims (12)

1.一种图像拍摄设备，包括：
压缩单元，用于对从成像元件输出的视频信号进行无损压缩；
存储单元，用于累积被压缩了的视频信号；
解压缩单元，用于对在所述存储单元中累积的被压缩了的视频信号进行解压缩；以及
组合单元，用于把基于解压缩后的视频信号的多个帧图像组合成一个帧图像。
2.根据权利要求1所述的图像拍摄设备，
其中，所述压缩单元对从所述成像元件输出的、尚未被有损压缩过的视频信号进行无损压缩。
3.根据权利要求1所述的图像拍摄设备，
其中，所述压缩单元基于所述视频信号中的关注像素的像素值与另一像素的像素值之间的差异信息以及表示所述差异信息的比特的数目来对视频信号进行无损压缩。
4.根据权利要求1所述的图像拍摄设备，
其中，所述解压缩单元的数目与被所述组合单元组合的多个帧图像的数目相同。
5.一种图像拍摄设备，包括：
压缩单元，用于对从成像元件输出的视频信号进行无损压缩，在该视频信号中多个帧图像被组合成一个帧图像；
存储单元，用于累积被压缩了的视频信号；以及
解压缩单元，用于对在所述存储单元中累积的被压缩了的视频信号进行解压缩并且将解压缩后的视频信号输出到用于对当前视频信号进行图像处理的图像处理单元。
6.根据权利要求5所述的图像拍摄设备，
其中，所述压缩单元对从所述成像元件输出的、尚未被有损压缩过的视频信号进行无损压缩。
7.根据权利要求5所述的图像拍摄设备，
其中，被所述压缩单元压缩的视频信号是浮点格式的。
8.根据权利要求7所述的图像拍摄设备，
其中，所述压缩单元将浮点格式视频信号划分成指数部分和尾数部分，并分别压缩所述指数部分和所述尾数部分。
9.根据权利要求8所述的图像拍摄设备，
其中，所述压缩单元基于所述视频信号中的关注像素的像素值的指数部分与另一像素的像素值的指数部分之间的比较信息以及表示所述关注像素的像素值的指数部分的比特的数目来对视频信号进行无损压缩。
10.根据权利要求8所述的图像拍摄设备，
其中，所述压缩单元基于所述视频信号中的关注像素的像素值的尾数部分与另一像素的像素值的尾数部分之间的差异信息以及表示所述差异信息的比特的数目来对视频信号进行无损压缩。
11.一种图像拍摄方法，包括以下步骤：
通过使用压缩单元对从成像元件输出的视频信号进行无损压缩；
通过使用存储单元累积被压缩了的视频信号；
通过使用解压缩单元对在所述存储单元中累积的被压缩了的视频信号进行解压缩；以及
通过使用组合单元把基于解压缩后的视频信号的多个帧图像组合成一个帧图像。
12.一种图像拍摄方法，包括以下步骤：
通过使用压缩单元对从成像元件输出的视频信号进行无损压缩，在该视频信号中多个帧图像被组合成一个帧图像；
通过使用存储单元累积被压缩了的视频信号；以及
通过使用解压缩单元对在所述存储单元中累积的被压缩了的视频信号进行解压缩并且将解压缩后的视频信号输出到用于对当前视频信号进行图像处理的图像处理单元。
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