CN102822738A - 具有水下拍摄模式的数字相机 - Google Patents

Abstract

一种用于在拍摄水下数字图像时使用的数字图像拍摄装置，包括：防水外壳；图像传感器，用于拍摄数字图像；光学系统，用于将场景成像到该图像传感器上；用于设定该数字图像拍摄装置在水下摄影模式或正常摄影模式下操作的装置；以及处理器。该处理器执行以下步骤：使用该图像传感器来拍摄场景的数字图像；响应于该数字图像拍摄装置是在水下摄影模式还是在正常摄影模式中操作来控制该拍摄的数字图像的色彩再现；以及将该拍摄的数字图像存储于处理器可访问的存储器中。

Description

具有水下拍摄模式的数字相机

技术领域

本发明涉及用水下相机拍摄数字图像的领域，更具体来说涉及一种水下相机，其中响应于在水下摄影模式下拍摄的数字图像的物距来控制色彩再现。

背景技术

许多应用中会用到水下摄影。举例来说，水肺潜水员可能想在探索珊瑚礁或沉船时拍摄照片，孩子们可能在游泳池玩耍时喜欢拍摄朋友在水下的照片。要拍摄水下照片，相机必须封闭在一个防水外壳当中，以防相机的内部组件被水损害。

在水下拍摄的照片有一个特性，就是水可能会影响图像的各种属性，例如色彩再现，眩光，图像锐度和空间噪声（即，颗粒度）。这些图像属性受影响的程度取决于许多因素，包含被摄体距离，水深，水体透明度，还有是否使用了电子闪光灯来照亮场景。这可能会让水下照片每张图像的图像质量千差万别。

在打印用传统胶片相机拍摄的水下照片时，通常会使用所谓的场景平衡算法对照片进行分析，估计出适合校正在图像拍摄过程中在拍摄出来的图像当中造成的任何偏色的色彩平衡校正量。这些场景平衡算法通常经过优化，以校正在各种发光体（例如，日光，钨，或荧光）下在空气中拍摄图像时造成的偏色。当对水下照片应用这些算法时，这些算法通常会去除掉水下条件造成的一部分偏色，但是它们产生的结果通常不是最优的。往往还需要借助于对图像进行“手动平衡”才能产生最佳的再现图像。传统上对胶片进行光学打印时，不可能补偿与水下摄影有关的其他失真，例如眩光，锐度损失和较高程度的图像噪声。

颁发给佛莱伦德（Fredlund）的标题为“打印数字图像的方法和设备（Methodand apparatus for printing digital images）”的美国专利6,263,792当中披露了一种打印胶卷的方法，其中至少一个图像是在水下拍摄的。通过分析图像，或者通过读取从客户那里收到的信息，可以识别出在水下拍摄的照片。然后，用预先确定的方式来修改水下照片。所披露的修改中包含调节色彩平衡，增强对比度，还有抑制图像噪声。这种方法有个缺点，就是使用客户提供的信息来识别水下照片可能很麻烦，而用于通过分析图像来自动识别水下图像的处理又容易出现错误识别的错误。

颁发给克兰（Keelan）等人的标题为“适合用于水下摄影的色彩反转摄影元件（Color reversal photographic elements adapted for underwater photography）”的美国专利5,382,499当中披露了一种针对水下摄影设计的摄影胶片。该专利中披露，水下摄影之所以出现色彩平衡问题，是因为通过水传输的较长可见波长红光发生了显著衰减。在水中每3米的光传输距离内，大概一半的红光都被吸收掉了。这导致水下场景中出现显著的青色偏色，这表明红光不足。该发明中的色彩反转摄影胶片具有改良的水下成像能力，方法是增加红色记录层单元的速度相对于绿色记录层单元的速度。这种胶片能够准确地校正水下拍照条件引发的偏色，但是只对特定一种场景物距有效。

颁发给特拉米（Teremy）等人的标题为“电响应相机特征的压力传感器控制（Pressure sensor control for electrically responsive camera feature）”的美国专利5,710,947当中披露了一种摄影胶片相机，该相机中包含压力传感器。该专利中说明这种压力传感器有许多不同的用途，包含相机唤醒开关，定向开关，胶片输送计数器，水深传感器，还有相机泄漏检测器。将这个压力传感器用作水深传感器时，提供图形显示器来指示深度。

在几乎所有的摄影领域，数字相机都已经变得非常普遍，并且在很大程度上取代了传统胶片相机，这其中包含水下摄影。用数字相机进行水下摄影，会遇到传统胶片相机遇到的大多数相同的问题，例如色彩再现的变化。有些数字相机，例如佳能PowerShot SD500数字ELPH相机，包含用户可选的水下模式，可以用来手动指示相机正在水下使用。这种数字相机随后可以调节色彩再现特性，从而考虑到通常进行水下摄影的环境。但是，请记住，手动选择水下模式可能很麻烦，而且没有考虑到每张图像的水下摄影条件可能千差万别。

发明内容

本发明代表一种用于在拍摄水下数字图像时使用的数字图像拍摄装置，包括：

防水外壳；

图像传感器，用于拍摄数字图像；

光学系统，用于将场景成像到图像传感器上；

用于确定数字图像拍摄装置与场景中的主要被摄体之间的物距的装置；以及

处理器，用于在数字图像拍摄装置处在水下拍摄模式时执行以下步骤：

确定特定水下场景的物距；

使用图像传感器来拍摄特定水下场景的数字图像；以及

响应于所确定的物距来控制所拍摄的数字图像的色彩再现。

本发明的优点是，可以响应于所确定的物距来自动调节在水下摄影模式下拍摄的数字图像的色彩再现，从而考虑到水下摄影条件随物距的变化。也可以响应于其他因素，包含物深和用户可选的水下模式设定来调节色彩再现。

本发明还有一个优点是，当数字相机在水下摄影模式下运行时，也可以相对于正常摄影模式来自动调节其他图像处理操作的性能，包含锐化和降噪，从而考虑到水下摄影环境的特性。

附图说明

图1是示出数字相机系统的组件的高级图；

图2是描绘数字相机中用于处理数字图像的通常图像处理操作的流程图；

图3图解说明根据本发明的水下摄影方案；

图4是图解说明根据本发明的数字相机的一个实施例的图；

图5是示出根据本发明用于使用水下摄影模式来处理数字图像的步骤的流程图；

图6是示出用于当数字相机在过度深度下操作时提供用户警告的方法的流程图；以及

图7示出了图解说明根据本发明的可用于调节水下色彩再现的增益因数函数的图。

应了解，附图的用途是图解说明本发明的概念，并且可能不是按比例绘制的。

具体实施方式

在下文的说明中，将说明本发明的优选实施例，这些实施例一般会实施成软件程序。本领域的技术人员容易认识到，也可以用硬件来构造这些软件的等效物。因为图像处理算法和系统是众所周知的，所以本发明将特别针对形成根据本发明的系统和方法的一部分或者与之更加直接协作的算法和系统。可以从本领域已知的这些系统、算法、组件和元件中选出这些算法和系统的其他方面，以及用于产生和以其他方式处理其中涉及的图像信号的硬件或软件，这些内容在本文中并未特定示出或说明。鉴于下文材料中根据本发明所述的系统，本文中未特别示出、提议或说明的对实施本发明有用的软件是本领域常见的，而且是本领域的常见技术。

此外，用于执行本发明的方法的本文中使用的计算机程序可以存储在计算机可读存储媒体中，这些媒体可以包含，例如：磁性存储媒体，例如磁盘（例如硬盘或软盘）或磁带；光学存储媒体，例如光盘、光带或机器可读条形码；固态电子存储装置，例如随机存取存储器（RAM），或只读存储器（ROM）；或者任何其他用于存储具有用于控制一个或多个计算机以实践根据本发明的方法的指令的计算机程序的物理装置或媒体。

因为采用成像装置和用于信号捕捉和处理以及显示的相关电路的数字相机是众所周知的，所以本说明书将特别针对形成根据本发明的方法和设备的一部分或者更加直接地与之协作的元件。本文中未特别示出或说明的元件是选自本领域中已知的元件。要说明的实施例的某些方面是用软件的形式提供。鉴于下文材料中根据本发明所示出和说明的系统，本文中未特别示出、说明或提议的对实施本发明有用的软件是本领域常见的，而且是本领域的常见技术。

本发明包含本文中所述的实施例的组合。提到“特定实施例”等术语是指本发明的至少一个实施例中存在的特征。分别提到“一个实施例”或“特定实施例”等术语不一定是指相同的实施例；但是，这些实施例互不排斥，除非指出了它们互相排斥，或者本领域的技术人员容易明白它们互相排斥。在提到“方法”等术语时使用单数或复数并不具有限制性。应当注意，除非上下文另有明确指出或要求，否则本披露中是在非排斥性意义上使用词语“或”。

下文对数字相机的说明对于本领域的技术人员来说将是熟悉的。显而易见，本实施例中可以有许多变化，选择作出这些变化可以降低相机成本，增加相机特征，或者改善相机性能。

图1描绘了数字摄影系统的框图，该系统包含数字相机10。优选该数字相机10是便携式电池供电的装置，它非常小，用户在拍摄和查看图像时容易手持。数字相机10产生数字图像，这些数字图像使用图像存储器30存储为数字图像文件。本文中使用的短语“数字图像”或“数字图像文件”是指任何数字图像文件，例如数字静态图像，或者数字视频文件。

在一些实施例中，数字相机10既拍摄运动视频图像，又拍摄静态图像。数字相机10还可以包含其他功能，包含但不限于数字音乐播放器（例如，MP3播放器）、移动电话、GPS接收器或可编程数字助理（PDA）的功能。

数字相机10包含镜头4，该镜头具有可调光圈和可调快门6。在优选实施例中，镜头4是变焦镜头，并且通过变焦与聚焦电动机驱动器8加以控制。镜头4将来自场景（未示出）的光聚焦到图像传感器14上，例如，单芯片彩色CCD或CMOS图像传感器。镜头4是一种用于在图像传感器14上形成场景图像的光学系统。在其他实施例中，光学系统可以使用具有可变焦点或固定焦点的固定焦长的镜头。

图像传感器14的输出通过模拟信号处理器（ASP）与模/数（A/D）转换器16转换成数字形式，并且临时存储在缓冲存储器18中。存储在缓冲存储器18中的图像数据随后通过处理器20使用存储在固件存储器28中的嵌入式软件程序（例如，固件）加以处理。在一些实施例中，使用只读存储器（ROM）将软件程序永久地存储在固件存储器28中。在其他实施例中，可通过使用例如快闪EPROM存储器来修改固件存储器28。在这些实施例中，外部装置可以使用有线接口38或无线调制解调器50来更新存储在固件存储器28中的软件程序。在这些实施例中，还可使用固件存储器28来存储图像传感器校准数据、用户设定选择和其他在相机关闭时必须保存的数据。在一些实施例中，处理器20包含程序存储器（未示出），并且存储在固件存储器28中的软件程序在被处理器20执行之前被复制到程序存储器中。

将了解，可以使用单个可编程处理器或通过使用多个可编程处理器，包含一个或多个数字信号处理器（DSP）装置，来提供处理器20的功能。或者，可以通过定制电路（例如，通过针对在数字相机中使用而特别设计的一个或多个定制集成电路（IC）），或者通过可编程处理器与定制电路的组合，来提供处理器20。将了解，处理器20与图1所示的各种组件中的一些或所有组件之间的连接器可以使用共用数据总线来实现。举例来说，在一些实施例中，处理器20、缓冲存储器18、图像存储器30和固件存储器28之间的连接可以使用共用数据总线来进行。

接着，使用图像处理器30来存储处理后的图像。应了解，图像存储器30可以采用本领域的技术人员已知的任何存储器形式，包含但不限于可装卸快闪存储卡，内部快闪存储器芯片，磁性存储器，或者光学存储器。在一些实施例中，图像存储器30可以包含内部快闪存储器芯片还有用于可装卸快闪存储卡（例如，安全数字（SD）卡）的标准接口。或者，可以使用另外一种存储卡格式，例如微型SD卡，紧凑式闪存（CF）卡，多媒体卡（MMC），xD卡，或记忆棒。

图像传感器14通过时序发生器12加以控制，时序发生器12产生各种时钟信号来选择行和像素，并且使ASP与A/D转换器16的操作同步。图像传感器14可以具有例如1240万像素（4088×3040像素），以便提供大概4000×3000像素的静态图像文件。为了提供彩色图像，一般用彩色滤光片阵列来覆盖图像传感器，这提供了具有包含不同颜色的像素的像素阵列的图像传感器。不同彩色像素可用许多不同图案排列。举一个例子，不同彩色像素可以使用众所周知的拜耳（Bayer）彩色滤光片阵列来排列，如颁发给拜耳（Bayer）的共同转让的美国专利3,971,065“彩色成像阵列（Color imaging array）”中所述，该专利的披露以引用的方式并入本文中。再举一个例子，可以按照2007年2月1日提出申请的颁发给康普顿（Compton）和汉密尔顿（Hamilton）的标题为“具有改善的感光性能的图像传感器（Image sensor with improved light sensitivity）”的共同转让的美国专利申请公开案2007/0024931中所述来排列不同的彩色像素，该公开案的披露以引用的方式并入本文中。这些实例不是限制性的，而且可以使用许多其他的彩色图案。

将了解，图像传感器14、时序发生器12和ASP与A/D转换器16可以是分开制造的集成电路，或者这些元件可以制造成一个集成电路，这是CMOS图像传感器中的常见做法。在一些实施例中，这一个集成电路可以执行图1所示的一些其他功能，包含处理器20提供的一些功能。

图像传感器14当被时序发生器12（用于提供较低分辨率的传感器图像数据的运动序列）在第一模式中激励时有效，在拍摄视频图像还有在预览要拍摄的静态图像时使用该图像数据以便构成图像。这个预览模式传感器图像数据可以提供为HD分辨率图像数据，例如具有1280×720像素，或者提供为VGA分辨率图像数据，例如具有640×480像素，或者使用与图像传感器的分辨率相比具有显著更少的数据列和行的其他分辨率。

提供预览模式传感器图像数据的方法可以是，将具有相同色彩的邻近像素的值组合，或者消除一些像素值，或者组合一些色彩像素值，同时消除其他色彩像素值。可以按照颁发给帕鲁斯基（Parulski）等人的标题为“用于在预览动作图像时开始拍摄静态图像的电子相机（Electronic camera for initiating capture of stillimages while previewing motion images）”的共同转让的美国专利6,292,218中的说明来处理预览模式图像数据，该专利以引用的方式并入本文中。

图像传感器14也在被时序发生器12在第二模式中激励时有效，用于提供高分辨率的静态图像数据。这个最终模式的传感器图像数据被提供为高分辨率的输出图像数据，此数据对于具有高照明水平的场景来说包含图像传感器的所有像素，并且可以是例如具有4000×3000像素的1200万像素的最终图像数据。在较低的照明水平下，可以通过在图像传感器上混合（binning）某个数目的相似颜色的像素来提供最终传感器图像数据，以便增加信号水平，并且因此提高传感器的“ISO速度”。

通过处理器20供应的控制信号，控制变焦与聚焦电动机驱动器8，以便提供适当的焦长设定，并且将场景聚焦到图像传感器14上。可以控制图像传感器14的曝光水平，方法是通过时序发生器12和ASP与A/D转换器16的增益（即，ISO速度）设定来控制可调光圈和可调快门6的f数和曝光时间、图像传感器14的曝光周期。处理器20还控制闪光灯2，闪光灯2可以照亮场景。在本发明的一些实施例中，闪光灯2具有可调相关色温。举例来说，颁发给米勒（Miller）等人的标题为“具有可调色彩的灯（Lamp with adjustable color）”的美国专利申请公开案2008/0297027中披露的闪光灯可以用来在数字相机10是在水下操作时产生具有较高比例的红光的照明，下文将对此加以说明。

数字相机10的镜头4可以通过使用“通过镜头”自动聚焦在第一模式下聚焦，如颁发给帕鲁斯基（Parulski）等人的标题为“具有在逐行扫描图像传感器上的图像的快速自动聚焦的电子相机（Electronic Camera with Rapid Automatic Focus of anImage upon a Progressive Scan Image Sensor）”的共同转让的美国专利5,668,597中所述，该专利以引用的方式并入本文中。这是通过使用变焦与聚焦电动机驱动器8来实现，以便将镜头4的聚焦位置调节为在近焦位置与无限远焦位置之间变化的多个位置，同时处理器20确定最近焦位置，该位置能提供用于图像传感器14拍摄的图像的中心部分的峰值锐度值。接着，可将对应于最近焦位置的焦距用于几种用途，例如自动设定适当的场景模式，并且可将焦距作为元数据与其他镜头和相机设定一起存储在图像文件中。

可包含任选的倾斜传感器42，用于感测数字相机10的定向。倾斜传感器在本领域中是众所周知的，并且已经并入到例如电子游戏系统和手机等许多常见的产品当中。一般来说，倾斜传感器使用加速计来感测装置的定向的变化。在本发明的一个实施例中，倾斜传感器42提供指示相对于水平方向的倾角的信号。可以使用正倾角来指示相机相对于水平定向向上倾斜，并且可以使用负倾角来指示相机相对于水平定向向下倾斜。

处理器20产生菜单和低分辨率彩色图像，这些内容临时存储在显示器存储器36中，并且在图像显示器32上显示。图像显示器32通常是有源矩阵彩色液晶显示器（LCD），但是也可以使用其他类型的显示器，例如有机发光二极管（OLED）显示器。视频接口44将来自数字相机10的视频输出信号提供给视频显示器46，例如平板HDTV显示器。在预览模式下，或在视频模式下，来自缓冲存储器18的数字图像数据经过处理器20处理，形成一系列运动预览图像，这些图像通常在图像显示器32上显示为彩色图像。在查看模式下，使用来自存储在图像存储器30中的数字图像文件的图像数据，产生在图像显示器32上显示的图像。

响应于用户控件34提供的用户输入，控制在图像显示器32上显示的图形用户接口。用户控件34用于选择各种相机模式，例如视频拍摄模式，静态拍摄模式，和查看模式，并且用于开始对静态图像的拍摄和对动作图像的记录。在一些实施例中，当用户部分地按下快门按钮（例如，图4所示的图像拍摄按钮290）（这是一个用户控件34）时，开始上述第一模式（即，静态预览模式），并且在用户完全按下快门按钮时开始第二模式（即，静态图像拍摄模式）。用户控件34还用于打开相机，控制镜头4，和开始图像拍摄过程。用户控件34通常包含按钮、摇臂开关、操纵杆或旋转选盘的某种组合。在一些实施例中，一些用户控件34是通过使用图像显示器32上的触摸屏覆盖物来提供。在其他实施例中，可以使用另外的状态显示器或图像显示器。

可以使用用户控件34选择的相机模式包含“水下摄影”模式（下文将参照图5加以说明），还有“定时器”模式。当选择“定时器”模式时，在用户完全按下快门按钮之后发生短暂的延迟（例如，10秒），然后处理器20才开始对静态图像的拍摄。

数字相机10上的压力传感器25可以用于提供深度信息，这个信息可以用来实施本发明，下文将参照图5加以说明。在本发明的优选实施例中，压力传感器25是一种能感测数字相机10的外部上的压力的压力传感器。在替代实施例中，可以使用湿度传感器取代压力传感器25，或者补充压力传感器25，以便确定数字相机10是不是正在水下使用。

连接到处理器20的音频编解码器22从麦克风24接收音频信号，并且将音频信号提供给扬声器26。这些组件可以用来记录和重放音轨，还有视频序列或静态图像。如果数字相机10是多功能装置，例如是组合式相机与移动电话，则麦克风24和扬声器26可以用于进行通话。在一些实施例中，麦克风24能够在空气中记录声音，并且根据本发明的方法，能够在数字相机10用于记录水下图像时在水下环境中记录声音。在其他实施例中，数字相机10包含常规空气麦克风以及能够记录水下的声音的水下麦克风（水听器）。

在一些实施例中，扬声器26可以用作用户接口的一部分，例如用于提供各种可听信号，这些可听信号指示用户控件已经被按下，或者特定的模式已经被选择。在一些实施例中，麦克风24、音频编解码器22和处理器20可以用于提供声音识别，使得用户可以通过使用语音命令而不是用户控件34，将用户输入提供给处理器20。扬声器26还可以用于通知用户有传入的电话呼叫。可以使用存储在固件存储器28中的标准铃音，或者通过使用从无线网络58下载并且存储在图像存储器30中的定制铃音，来进行这个操作。此外，振动装置（未示出）可以用于提供对传入电话呼叫的静音（例如，不可听）通知。

处理器20还提供对来自图像传感器14的图像数据的额外处理，以便产生重现的sRGB图像数据，这些数据经过压缩并且被存储在图像存储器30中的“完成”的图像文件内，例如众所周知的Exif-JPEG图像文件。

数字相机10可以经由有线接口38连接到接口/再充电器48，接口/再充电器48连接到计算机40，计算机40可以是处在家庭或办公室中的台式计算机或便携式计算机。有线接口38可以符合例如众所周知的USB 2.0接口规范。接口/再充电器48可以经由有线接口38向数字相机10中的一组可再充电电池（未示出）提供电力。

数字相机10可以包含无线调制解调器50，该无线调制解调器50在无线电频带52上与无线网络58连接。无线调制解调器50可以使用各种无线接口协议，例如众所周知的蓝牙无线接口或众所周知的802.11无线接口。

计算机40可以经由因特网70将图像上载到照片服务提供商72，例如柯达易享画廊（Kodak EasyShare Gallery）。其他装置（未示出）可以访问照片服务提供商72存储的图像。

在替代实施例中，无线调制解调器50经由无线电频率（例如无线）链路与移动电话网络（未示出）通信，这个移动电话网络例如是3GSM网络，其与因特网70连接，以便上载来自数字相机10的数字图像文件。这些数字图像文件可以提供给计算机40或照片服务提供商72。

根据本发明，数字相机10是水下数字相机，能够用于拍摄水下数字图像。举例来说，探索珊瑚礁的水肺潜水员或在游泳池里玩耍的孩子可以使用数字相机10。为了防止对各种相机组件造成损害，数字相机10包含防水外壳280（图4）。

图2是一个流程图，描绘了可以由数字相机10（图1）中的处理器20执行以便处理来自图像传感器14的由ASP与A/D转换器16输出的色彩传感器数据100的图像处理操作。在一些实施例中，处理器20用来处理特定数字图像的色彩传感器数据100的处理参数是由各种用户设定175来确定，这些设定可以响应于在图像显示器32上显示的菜单经由用户控件34来选择。

已经由ASP与A/D转换器16数字转换的色彩传感器数据100通过白平衡步骤95加以处理。在一些实施例中，可以使用颁发给米克（Miki）的标题为“白平衡调节装置和色彩识别装置（White balance adjustment device and color identificationdevice）”的共同转让的美国专利7,542,077中说明的方法来执行此处理，该专利的披露以引用的方式并入本文中。可以响应于白平衡设定90来调节白平衡，这个白平衡设定90可以由用户手动设定，或者可以在相机处在水下模式时自动设定，下文将参照图5加以说明。

接着，通过降噪步骤105来处理彩色图像数据，以便减少来自图像传感器14的噪声。在有些实施例中，可以使用颁发给金德勒（Gindele）等人的标题为“使用可变噪声清除内核来清除噪声和内插稀疏分布的彩色数字图像（Noise cleaningand interpolating sparsely populated color digital image using a variable noise cleaningkernel）”的共同转让的美国专利6,934,056中说明的方法来执行此处理，该专利的披露以引用的方式并入本文中。可以响应于ISO设定110来调节降噪水平，以便在更高的ISO曝光指数设定下执行更多的过滤。还可在相机处在水下模式时调节降噪水平，下文将参照图5加以说明。

接着，通过去马赛克步骤115来处理彩色图像数据，以便在每个像素位置提供红色、绿色和蓝色（RGB）图像数据值。用于执行去马赛克步骤115的算法通常称为彩色滤光片阵列（CFA）内插算法或者“反拜耳”（deBayering）算法。在本发明的一个实施例中，去马赛克步骤115可以使用在颁发给亚当斯（Adams）等人的标题为“单个传感器彩色电子相机中的自适应彩色平面内插（Adaptive colorplane interpolation in single sensor color electronic camera）”的共同转让的美国专利5,652,621中说明的亮度CFA内插方法，该专利的披露以引用的方式并入本文中。去马赛克步骤115还可以使用颁发给库克（Cok）的标题为“用于在取样彩色图像信号中产生内插色度值的信号处理方法和设备（Signal processing method andapparatus for producing interpolated chrominance values in a sampled color imagesignal）”的共同转让的美国专利4,642,678中说明的色度CFA内插方法，该专利的披露以引用的方式并入本文中。

在一些实施例中，用户可以在不同的像素分辨率模式之间进行选择，使得数字相机可以产生较小尺寸的图像文件。可以按照颁发给帕鲁斯基（Parulski）等人的标题为“具有用户可选图像记录尺寸的单传感器彩色相机（Single sensor colorcamera with user selectable image record size）”的共同转让的美国专利5,493,335中的说明提供多种像素分辨率，该专利的披露以引用的方式并入本文中。在一些实施例中，用户可以将分辨率模式设定120选择为全尺寸（例如，3,000×2,000像素）、中等尺寸（例如，1,500×1000像素），或小尺寸（750×500像素）。

彩色图像数据在色彩校正步骤125中经过色彩校正。在一些实施例中，可以按照颁发给帕鲁斯基（Parulski）等人的标题为“用于改善来自电子相机的硬拷贝图像的色彩重现的方法和设备（Method and apparatus for improving the colorrendition of hardcopy images from electronic cameras）”的共同转让的美国专利5,189,511中的说明使用3×3线性空间色彩校正矩阵来提供色彩校正，该专利的披露以引用的方式并入本文中。在一些实施例中，可以通过将不同色彩矩阵系数存储在数字相机10的固件存储器28中来提供不同的用户可选色彩模式。举例来说，可以提供四种不同的色彩模式，使得色彩模式设定130用于选择以下色彩校正矩阵中的一个：

设定1（正常色彩再现）

$\left[\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{out}}\\ G_{\mathrm{out}}\\ B_{\mathrm{out}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}1.50& -0.30& -0.20\\ -0.40& 1.80& -0.40\\ -0.20& -0.20& 1.40\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{in}}\\ G_{\mathrm{in}}\\ B_{\mathrm{in}}\end{array}\right]---\left(1\right)$

设定2（饱和色彩再现）

$\left[\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{out}}\\ G_{\mathrm{out}}\\ B_{\mathrm{out}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}2.00& -0.60& -0.40\\ -0.80& 2.60& -0.80\\ -0.40& -0.40& 1.80\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{in}}\\ G_{\mathrm{in}}\\ B_{\mathrm{in}}\end{array}\right]---\left(2\right)$

设定3（减饱和色彩再现）

$\left[\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{out}}\\ G_{\mathrm{out}}\\ B_{\mathrm{out}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}1.25& -0.15& -0.10\\ -0.20& 1.40& -0.20\\ -0.10& -0.10& 1.20\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{in}}\\ G_{\mathrm{in}}\\ B_{\mathrm{in}}\end{array}\right]---\left(3\right)$

设定4（单色）

$\left[\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{out}}\\ G_{\mathrm{out}}\\ B_{\mathrm{out}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}0.30& 0.60& 0.10\\ 0.30& 0.60& 0.10\\ 0.30& 0.60& 0.10\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{in}}\\ G_{\mathrm{in}}\\ B_{\mathrm{in}}\end{array}\right]---\left(4\right)$

设定5（标称水下色彩再现）

$\left[\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{out}}\\ G_{\mathrm{out}}\\ B_{\mathrm{out}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}3.00& -0.30& -0.20\\ -0.80& 1.80& -0.40\\ -0.40& -0.20& 1.40\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{in}}\\ G_{\mathrm{in}}\\ B_{\mathrm{in}}\end{array}\right]---\left(5\right)$

下文将参照图7更详细论述，水下图像往往在红色通道中具有降低的信号水平。等式（5）中的色彩再现矩阵表示等式（1）的正常色彩再现矩阵的组合，其中将增益因数2×应用于红色输入色彩信号R_in。这提供了对于标称水下环境的改善的色彩再现，其中拍摄的图像中的红光量减少了50％的因数。

在其他实施例中，可以使用三维查找表来执行色彩校正步骤125。在一些实施例中，当相机处在水下模式时，使用不同的3×3矩阵系数或不同的三维查找表，来提供色彩校正，下文将参照图5加以说明。

还通过色阶（tone scale）校正步骤135来处理彩色图像数据。在一些实施例中，可以使用上文引用的美国专利5,189,511号中说明的一维查找表来执行色阶校正步骤135。在一些实施例中，将多个色阶校正查找表存储在数字相机10中的固件存储器28中。这些查找表可以包含能提供“正常”色阶校正曲线、“高对比度”色阶校正曲线和“低对比度”色阶校正曲线的查找表。处理器20使用用户选择的对比度设定140来确定在执行色阶校正步骤135时使用哪个色阶校正查找表。在一些实施例中，当相机处在水下模式时使用高对比度色阶校正曲线，下文将加以说明。

还通过图像锐化步骤145来处理彩色图像数据。在一些实施例中，可以使用颁发给汉密尔顿（Hamilton）等人的标题为“边缘增强彩色数字图像（Edge enhancingcolored digital images）”的共同转让的美国专利6,192,162中描述的方法来提供此操作，该专利的披露以引用的方式并入本文中。在一些实施例中，用户可以在各种锐化设定之间进行选择，包含“正常锐度”设定、“高锐度”设定和“低锐度”设定。在这个实例中，处理器20响应于数字相机10的用户选择的锐化设定150，使用三种不同的边缘增强乘数值中的一个，例如对于“高锐度”水平为2.0，对于“正常锐度”水平为1.0，且对于“低锐度”水平为0.5。在一些实施例中，当相机处在水下模式时使用特殊图像锐化算法，下文将加以说明。

还通过图像压缩步骤155来处理彩色图像数据。在一些实施例中，可以使用颁发给戴利（Daly）等人的标题为“自适应块变换图像编码方法和设备（Adaptiveblock transform image coding method and apparatus）”的共同转让的美国专利4,774,574中说明的方法来提供图像压缩步骤155，该专利的披露以引用的方式并入本文中。在一些实施例中，用户可以在各种压缩设定之间进行选择。这可以通过在数字相机10的固件存储器28中存储多个量化表来实施，例如三个不同的表。这些表提供要存储在数字相机10的图像存储器30中的压缩的数字图像文件180的不同质量等级和平均文件大小。处理器20使用用户选择的压缩模式设定160来选择要用于特定图像的图像压缩步骤155的特定量化表。

使用文件格式化步骤165将压缩后的彩色图像数据存储在数字图像文件180中。图像文件可以包含各种元数据170。元数据170是任何类型的与数字图像有关的信息，例如拍摄图像的相机的型号，图像的尺寸，拍摄图像的日期和时间，以及各种相机设定，例如镜头焦长，镜头的曝光时间和f数，以及相机闪光灯是否点亮。在优选实施例中，所有这些元数据170都使用标准化标签用众所周知的Exif-JPEG静态图像文件格式加以存储。在本发明的优选实施例中，元数据170包含与相机设定185有关的信息，包含关于数字图像是不是使用水下摄影模式拍摄的信息。

现在，将参照图3说明本发明。摄影者210使用数字相机10在水下环境中拍摄物体，这个数字相机10具有防水外壳280（图4）和压力传感器25。举例来说，摄影者210可以在相机深度260下使用数字相机10来拍摄物距250和物深255下另一个人220的数字图像。摄影者210可以任选地使用数字相机10来拍摄例如鱼和沉船等其他物体的图像。水下环境可以是摄影者210可能想要拍摄照片的任何水下位置，例如池塘、河流、湖泊或者大海。举例来说，摄影者210可能是拍摄珊瑚礁上的海洋生命的水肺潜水员，或者，摄影者210可能是在院子里的游泳池里面玩耍时拍摄他或她的朋友的水下照片的孩子。

数字相机10包含压力传感器25。压力传感器25传回指示防水外壳280外部的压力的信号。压力P作为流体中的深度的函数，如下表示：

P=P₀+ρgd_C    (6)

其中P₀是流体上表面处的气压，ρ是流体密度（~1000kg/m³），g是因重力引起的加速度（~9.8m/s²），d_C是相机深度260。

优选对压力传感器25进行校准，返回“表压”P_G，这是相对于气压的压力差：

P_G=P-P₀    (7)

当数字相机10在空气235中操作时，表压P_G将大约等于零。当数字相机10在水230中操作时，表压P_G将大于零。因此，可以通过执行以下测试，使用压力传感器25提供的检测到的压力来确定数字相机10是在水230中操作还是在空气235中操作：

如果P_G<ε，则

相机是在空气中，

否则             （8）

相机是在水下

其中ε是一个小常数，选择这个常数是为了顾及到大气压力的正常变化。

还可以用检测到的压力使用以下关系来确定相机深度260：

d_C=P_G/ρg    (9)

这个深度可以使用等式（5）和（6）来推导。

在一些实施例中，数字相机10包含倾斜传感器42（图3未示出），这个传感器可以检测倾角θ_T，倾角θ_T是数字相机10相对于水平方向所在的角度。在许多水下摄影环境当中，主要的照明将由太阳270提供，太阳用太阳角θ_S照亮场景。太阳角θs将取决于地理位置和一天中的时间。光必须穿过水的路径长度将随倾角θ_T和太阳角θs而变，因此，拍摄出来的图像的特性一般将是这些参数的函数。

下文将参照图5及6说明，可以使用压力传感器25检测到的压力来控制应用于数字相机10拍摄的数字图像的色彩校正，并且控制数字相机10的操作的其他方面。在一些实施例中，还可以响应于倾角θ_T和物距250来控制色彩校正。

图4是示出数字相机10的额外细节的图。数字相机10包含防水外壳280，用于使数字相机10能够在水下环境中操作。防水外壳280一般与下至某一最大深度的防水性能有关。在这个深度以下，水压可能过大，防水外壳280就会开始漏水。数字相机10还包含镜头4、压力传感器25和图像拍摄按钮290，这个按钮是图1中的一个用户控件34。数字相机10可以任选地包含其他元件，例如闪光灯2，其他用户控件34（图4未示出），还有图像显示器32（图4未示出）。在本发明的一个实施例中，数字相机10是数字照像机。在其他实施例中，数字相机10是数字摄像机，或者是也带有视频拍摄模式（即，“影片模式”）的数字照像机，上文参照图1对此做了说明。

现在，将参照图5说明一种根据本发明的优选实施例的具有水下图像拍摄能力的数字图像拍摄装置的操作的控制方法。图4的数字相机10包含压力传感器25，用于感测防水外壳280的外表面上的压力。使用检测压力步骤300来检测压力305。检测到的压力305优选是表压P_G，表示防水外壳280外部的压力与气压P₀之间的差。水下测试310响应于压力305确定数字相机10是不是在水下操作。在本发明的优选实施例中，水下测试310应用等式（8）中提供的测试来确定数字相机10是不是在水下操作。

如果水下测试310确定数字相机10是在水下操作，则使用设定水下模式步骤315来设定数字相机10在水下模式320下操作。当数字相机10在水下模式320下操作时，可以相应地调节数字相机10的各种组件的操作。举例来说，可以将各种用户控件34（例如，按钮和菜单）的运转状态设定成对于水下模式320运转状态不同。此外，当在水下模式320下操作时，数字相机10可以被配置使用水下麦克风来记录水下声音，而不是使用常规的麦克风24。在一些实施例中，还可以根据数字相机10是不是在水下模式320中操作，来调节音频编解码器22的频率响应。此外，可以关闭例如无线调制解调器50等在数字相机10在水下操作时无法使用的组件，这样可以在水下模式320中节省电力。

当数字相机10在水下模式320中操作时，使用选择水下色彩变换步骤345来选择色彩变换340。使用当数字相机10在水下模式320中操作时选择的色彩变换340，来调节所拍摄的数字图像的色彩再现，以便能顾及到水下摄影环境的特性。举例来说，如果应用正常的色彩变换，那么在水下拍摄的数字图像在再现后往往会带有青色偏色。可以设计出在数字相机10在水下模式320中操作时选择的水下色彩变换，以去除青色偏色。

所选的色彩变换340，可以包含在色彩校正步骤125（图2）和色阶校正步骤135（图2）中使用的变换。或者，这个色彩变换可以包含这些步骤当中仅仅一个步骤中使用的变换，或者它可以提供复合色彩变换，既可以实施色彩校正功能，又可以实施色阶校正功能。

在本发明的一个实施例中，选择水下色彩变换步骤345选择一种水下色彩变换，替代正常色彩变换来使用。本领域中已知有许多不同形式的色彩变换340，可以用来调节数字图像的色彩再现特性。通常，所选的色彩变换340包括一个或多个色彩变换元素的序列，例如色彩校正矩阵，一维查找表，和三维查找表，上文已参照图2有说明。在优选实施例中，对色彩变换元素进行调节，以控制拍摄的图像的色彩平衡和色彩再现，方法是调节白平衡步骤95（图2中）或色彩校正步骤125（图2中）或这两个步骤应用的色彩变换元素。还可以调节色彩变换元素，以提供其他色彩再现调节，例如眩光校正，对比度调节，饱和度调节，或者色阶调节。可以通过经验来确定在水下模式中提供的调节程度，方法是拍摄代表性图像，并且进行手动调节，以确定能提供最优色彩再现特性的色彩变换元素的参数。或者，可以在各种水下环境中拍摄测试目标，并且可以自动确定色彩变换元素的参数，以便补偿水下环境的特性。

在一个替代实施例中，不是用另外一种色彩变换元素来替代正常色彩变换，而是可以将这另外一种色彩变换元素与正常色彩变换组合，在正常色彩变换之前或之后加以应用。举例来说，可以使用一组一维查找表来调节白平衡，以便去除与水下场景相关联的青色偏色，从而提供平衡后的数字图像数据。然后可以应用正常色彩变换来处理平衡后的数字图像数据。

在另一个实施例中，可以调节与图像传感器相关联的一个或多个色彩控制，用这种方式可以控制色彩再现。举例来说，可以针对图像传感器14的一个或多个色彩通道来调节时序发生器12（见图1）所提供的积分时间，从而提供一个调节后的色彩平衡设定。同样，可以针对图像传感器14的一个或多个色彩通道，来调节ASP与A/D转换器16所提供的模拟或数字放大因数。

在一些实施例中，可以设计出针对水下模式320选择的水下色彩变换，以便只部分地校正水下条件引起的红光衰减。这种操作可以对记录的图像造成名义上的在美观方面让人喜爱的青色偏色，许多摄影者会偏爱这样的偏色，因为它能唤起出水下条件的视觉印象。这就好比有许多摄影者喜欢给在钨照明下拍摄出来的图像保留一点红-黄偏色。在一些实施例中，可以提供用户控件34，让用户可以根据个人偏好在完全校正水下模式与部分校正水下模式之间作出选择。

下文将论述的是，在本发明的优选实施例中，选择水下色彩变换步骤345可以响应于感测到的压力305来选择色彩变换340。选择水下色彩变换步骤345还可以任选地响应于离所拍摄的物体的物距250还有使用倾斜传感器42确定的倾角350来确定色彩变换340。还可以使用水下模式设定352来控制选择水下色彩变换步骤345。举例来说，数字相机10上可以设有用户控件34（图1），让用户可以在对应于不同水体类别的不同水下模式之间进行选择（例如，淡水模式，咸水模式，或者游泳池模式）。

在本发明的替代实施例中，提供单一水下色彩变换，用于配合水下模式320使用，与压力305，物距250，倾角350和水下模式设定352都无关。这个实施例中提供的单一水下色彩变换可以经过优化，以补偿典型深度（例如，1米）和典型距离（例如，2米）。

如果水下测试310确定数字相机10不是在水下操作，则使用设定正常模式步骤325来设定相机在正常模式330下操作。在这种情况下，使用选择正常色彩变换步骤335来选择色彩变换340。在一些实施例中，提供单一正常色彩变换，只要数字相机10不是在水下操作，都使用这种色彩变换。在替代实施例中，可以提供许多种色彩变换，根据检测出来的摄影条件或者用户控件34，可以自动选择色彩变换。举例来说，可以响应于检测出来的照明色温，或者根据所选的摄影模式（例如，风景模式，人像模式，或者日落模式），选择不同的正常色彩变换。

数字相机10具有图像拍摄按钮290（图4），让摄影者210（图3）可以开始拍摄数字图像。在一些实施例中，可以提供替代的用于开始图像拍摄的装置，例如定时机构或者遥控器。当摄影者210开始图像拍摄时，使用拍摄数字图像数据步骤355，用图像传感器14拍摄数字图像数据360。使用应用色彩变换步骤365，向数字图像数据360应用色彩变换340，从而形成校正后的数字图像370。如果数字图像数据360对应于视频序列，则应用色彩变换步骤365可以向视频序列中的每个帧应用色彩变换340。

存储数字图像步骤385在数字图像文件中存储校正后的数字图像370，从而产生上文参照图2说明的数字图像文件180。在本发明的一个实施例中，数字相机10是数字照像机，并且使用标准数字图像文件格式，例如众所周知的EXIF文件格式，来存储数字图像文件180。在数字相机10提供视频序列的数字图像数据360的实施例中，可以使用标准数字视频文件格式，例如众所周知的H.264(MPEG-4)视频文件格式，来存储数字图像文件180。

标准的数字图像文件格式和数字视频文件格式一般支持将各条元数据170（图2）与数字图像文件一起存储。举例来说，可以存储元数据170，它指示多条信息，例如图像拍摄时间，镜头焦长，镜头光圈设定，快门速度，还有各种用户设定。在本发明的优选实施例中，当数字相机10在水下模式320中操作时，使用提供水下元数据步骤375，来提供与所存储的数字图像相关联的水下元数据380。水下元数据380优选作为元数据标签存储在数字图像文件180中。或者，可以在与数字图像文件180相关联的单独一个文件中存储水下元数据380。

在一个实施例中，水下元数据380是简单的布尔值，它指示数字图像是使用水下模式320还是正常模式330拍摄的。在其他实施例中，水下元数据380可以包含另外的信息，例如压力305，或根据压力305确定的相机深度260（图3）。其他相关的元数据可以包含物距250，倾角350，水下模式设定352，还有所选的色彩变换340。

水下元数据380可以用于许多种用途。举例来说，数字图像文件180的集合当中可能包含一些在水下拍摄的数字图像，还有其他在空气中拍摄的数字图像。用户可能想要搜索数字图像文件180的集合，以便快速找到在水下拍摄的数字图像。水下元数据380提供了一种方便的手段，可以用来识别出在水下拍摄的数字图像。水下元数据380的另一个用途的例子，是控制后来在主机计算机系统上应用的图像处理算法的运转状态。本领域的技术人员将认识到，可以将水下元数据380用于许多种其他用途。

在本发明的优选实施例中，使用数字相机10中的处理器20（图1）来应用该应用色彩变换步骤365。在其他实施例中，可以使用外部计算装置（例如个人计算机）中的处理器来应用该应用色彩变换步骤365。举例来说，数字相机10可以向摄影者210（图3）提供一个用原始格式存储数字图像数据360供以后处理的选项。在这种情况下，使用数字相机10中的处理器20来应用参照图2所述的图像处理操作的仅仅一个子集，并且使用在外部计算装置上提供的软件来应用其余操作。在一个实施例中，外部计算装置上的软件可以响应于与存储的数字图像180相关联的水下元数据380来选择适当的色彩变换340。

数字相机10的防水外壳280（图5）通常只能有效防水至特定的水压。当数字相机10在很大的深度下操作时，水可能会开始泄漏到防水外壳中，从而发生数字相机10的内部组件可能被水损害的危险。电子组件特别容易被水损害。图6图解说明了根据本发明的一个实施例的流程图，其中当数字相机10正在危险的深度下操作时使用感测到的压力305来警告摄影者210（图3）。

水下测试310按照上文参照图5的论述响应于压力305来确定数字相机10是否正在水下操作。当水下测试310确定数字相机10正在水下操作时，使用设定水下模式步骤315将数字相机10设定成在水下模式320中操作。当数字相机10在水下模式320中操作时，使用监测深度过程400来监测数字相机10的深度并且相应地控制数字相机10的运转状态。使用警告压力测试405将确定的压力305与预定的警告压力P_W比较。如果压力305小于警告压力P_W，则调用无用户警告步骤410，并且监测深度过程400继续监测压力305。在本发明的优选实施例中，无用户警告步骤410是一个空操作，不执行任何动作。在替代实施例中，可以向摄影者210提供一个指示，即数字相机10是在安全的深度下操作。举例来说，可以在图像显示器32（图1）上显示消息或图标，或者可以激活绿色的信号灯。

如果警告压力测试405确定压力305大于或等于警告压力P_W，那么使用临界压力测试415将确定的压力305与预定临界压力P_C比较。如果压力305小于临界压力P_C，则使用提供用户警告步骤425向摄影者210提供警告，警告他正在接近危险的深度。可以使用本领域已知的任何方式来提供这个警告。在一个实施例中，在例如图像显示器32（图1）等显示屏上显示消息或图标，借此向摄影者210提供警告。举例来说，可以显示一个字母数字消息，告诉摄影者要移动到较浅的深度。或者，可以激活一个红色的信号灯，闪光灯2（图1）可以反复闪烁，或者可以提供其他某种警告信号。

如果临界压力测试415确定压力305大于或等于临界压力P_C，则使用关闭相机步骤420来关闭相机，以减少在水泄漏到防水外壳280（图4）中的情况下电子相机组件受到损害的可能性。

在替代实施例中，可以使用警告压力测试405和临界压力测试415来评估相机深度260（图3）而不是压力305。在这种情况下，可以使用等式（9）根据感测到的压力305来计算相机深度260，并且可以使用警告压力测试405和临界压力测试415分别将相机深度260与警告深度D_W（对应于警告压力P_W）和临界深度D_C（对应于临界压力Pc）比较。

适于产生让人满意的图像的水下色彩校正量大体上取决于光在到达数字相机10之前必须穿过水的总路径长度。对于顶置光源，总水路径长度表示如下：

D_T=D_O+d_O    (9)

其中D_T是总的水路径长度，D_O是物距250，并且d_O是物深255。

在本发明的优选实施例中，数字相机10包含自动聚焦系统，该系统自动估计物距250，并且相应地设定镜头4的焦距，如上文参照图1所述。然后，可以使用用自动聚焦系统确定的物距250来确定总的水路径长度D_T。应注意，自动聚焦系统所确定的物距大体上将假设数字相机10是在空气中操作。由于水中的物体看起来比实际上更近，所以自动聚焦系统将确定一个物距，该物距对应于表观物距而不是实际物距。要在数字相机10在水下操作时确定实际物距，必须考虑到水的折射率：

D_O=D_A·n_W    (10)

其中D_A是表观物距，它确定的前提是假设处在空气环境，并且n_W是水的折射率（通常n_w≈1.33）。

在替代实施例中，可以提供用于手动地确定物距250的装置。举例来说，可以提供手动聚焦系统，让摄影者210可以选择聚焦位置。然后，可以根据所选的聚焦位置来确定物距250。在另一个实施例中，可以通过摄影者是否已经选择了微距摄影模式来确定对物距250的粗略估计。在又一个实施例中，可以向用户提供用户接口，这个接口让用户可以预览使用不同的物距可以得出的色彩再现特性，并且选择能产生最让人满意的色彩再现特性的物距250。

一般来说，无法直接得知物深255。但是，在许多情况下，一种合理的近似方法是假设物深255等效于相机深度260，而相机深度260可以使用压力传感器25来确定。在数字相机10水平定向的时候这个假设是有效的。在这种情况下，总的水路径长度D_T可以近似为：

D_T≈D_O+d_C    (11)

其中d_C是相机深度260。如果数字相机10包含能确定倾角θ_T（图3）的倾斜传感器42（图1），则可以确定对总的水路径长度D_T的更好的估计。在这种情况下，总的水路径长度D_T可以近似为：

D_T=D_O(1-sinθ_T)+d_C    (12)

以上对于总的水路径长度D_T的计算是假设了光源是在正上方，这样光在照到物体之前穿过水的距离表示为物深255。对于照明是由直射日光提供的情况，如果考虑到太阳角θ_S（图3）可以获得更准确的估计。在本发明的替代实施例中，可以根据对图像拍摄时间和数字相机10的地理位置的知晓来确定太阳角θ_S。可以使用大多数数字相机10中提供的内部时钟来确定拍摄时间。可以使用全球定位系统（GPS）传感器或使用例如自动感测来自附近手机塔的信号的其他方式来确定地理位置。数字相机10还可以包含用户控件34，让摄影者210可以手动地指定地理位置。对于可以确定出太阳角的情况，可以如下近似总的水路径长度D_T：

D_T=D_O(1-sinθ_T/cosθ_S)+d_C/cosθ_S    (13)

请注意，对于天空中有云彩遮盖的情况，照明将会散射，并且将不会以特定的太阳角θ_S入射到被摄体上。因为这个原因，可能并不总是需要包含太阳角因素，即使有方法可以确定太阳角的值也是如此。在一些实施例中，可以提供用户控件34，用来指示照明是直射的太阳光还是散射照明。

在一些实施例中，数字相机10包含闪光灯2，可以用来在拍摄图像期间对场景进行照明。在使用闪光灯2照明水下场景并且闪光灯2是主要的光源的情况下，确定总的水路径长度D_T的方法可以是使物距250翻倍，因为光将从数字相机10行进到物体，并且再返回：

D_T=2D_O    (14)

在本发明的一些实施例中，当数字相机10在水下模式320下操作时选择的水下色彩变换是取决于总的水路径长度D_T。水对拍摄出来的数字图像的主要影响是使较长可见波长的光(例如红光)的衰减程度比较短可见波长的光(例如绿光和蓝光)的衰减程度大。对于这种衰减的影响的一种补偿方式是对数字图像数据360的每个色彩通道应用不同的增益因数。

在数字相机10的成像链中有几个不同的地方，可以在这些地方应用具有这种增益因数的水下色彩变换，来提供所需要的水下色彩再现。举例来说，可以控制与图像传感器14相关联的色彩控制(例如与图像传感器14的每个色彩通道相关联的积分时间)，以便应用适当的增益因数。或者，可以向从图像传感器14获得的线性信号直接应用模拟或数字增益因数。在其他实施例中，可以将这些增益因数并入到图2的图像处理路径中的白平衡步骤95或色彩校正步骤125。举例来说，可以对白平衡步骤95中应用的白平衡查找表进行调节，从而并入增益因数，或者可以使用增益因数来调整在色彩校正步骤125中应用的色彩校正矩阵的矩阵系数，使水下校正与默认色彩校正矩阵提供的标称色彩校正组合。等式(5)中示出了并入有2×的红色通道增益因数的色彩校正矩阵的例子。

图7示出了根据本发明的一个实施例可以随总的水路径长度D_T的变化来调节不同色彩通道的增益因数的方式的曲线图。在这个例子中，红色通道的增益因数每3米的总水路径长度翻倍一次。绿色通道的增益因数每3米只增加20％，并且蓝色通道的增益因数保持不变，这反映了一个事实，即水使较短波长的光发生衰减的程度较低。增益因数函数可以用如下的等式形式表示：

$G_R={G_{R3}}^{(D_T/3.0)}={2.0}^{(D_T/3.0)}---\left(15\right)$

$G_G={G_{G3}}^{(D_T/3.0)}={1.2}^{(D_T/3.0)}---\left(16\right)$

$G_B={G_{B3}}^{(D_T/3.0)}={1.0}^{(D_T/3.0)}---\left(17\right)$

其中D_T是总的水路径长度，单位是米，G_R、G_G和G_B分别是红色、绿色和蓝色通道的增益因数，并且G_R3＝2.0、G_G3＝1.2和G_B3＝1.0分别是在3米的总的水路径长度下合适的红色、绿色和蓝色通道的增益因数。

图7中示出的增益因数曲线是表示将适合于典型的图像传感器14和典型的水/光照条件的增益因数曲线。增益因数曲线的确切形式将大体上为图像传感器14的光谱灵敏度还有水的光谱透射率和照明的光谱功率分布的函数。在许多情况下，可以通过确定G_R3、G_G3和G_B3的新的值来形成适合于不同的图像传感器和水/光照条件的增益因数函数。可以针对不同的配置根据经验来确定这些值。在其他情况下，对增益因数函数使用不同的函数形式可能是合适的。增益因数函数的适当形式的确定方法可以是，拍摄在对应于不同的总的水路径长度的各个距离处的灰度级测试目标，以便确定增益值，然后使用本领域的普通技术人员众所周知的标准曲线拟合方法来确定函数形式。

在一些实施例中，可以使用用户控件34在对应于不同的水体类型的不同水下模式（例如，淡水模式，咸水模式或游泳池模式）之间作出选择。在这种情况下，可以使不同的增益因数曲线与每种不同的水下模式相关联。或者，可以提供单一水下模式，这种模式使用与标称水下摄影条件相关联的增益因数曲线。在这种情况下，水体特性的差异将体现为所得的色彩再现的差异。

对于数字相机10包含诸如GPS传感器等地理位置感测装置的情况，当相机在水下模式下操作时可以确定感测到的地理位置，并且可以将感测到的地理位置与地理数据库比较，以确定操作数字相机10时的水体。然后，可以相应地选择特定的水下模式。举例来说，如果感测到的地理位置对应于远离佛罗里达海岸的大西洋中的位置，则可以选择咸水模式，或者如果感测到的地理位置对应于安大略湖中的位置，则可以选择淡水模式。如果感测到的地理位置并不对应于地理数据库中的已知水体，则可以大体上假设相机正在游泳池中使用，并且可以选择游泳池模式。

在其他实施例中，更加复杂的色彩变换修改可以与水下模式320相关联。举例来说，可以针对不同的水体条件确定定制的色彩校正矩阵，以便相应地优化色彩再现。定制的色彩校正矩阵的确定方式可以是，拍摄具有一系列不同色块的测试目标，并且使用数学回归方法来确定将提供与指定目标匹配的色彩再现的定制色彩校正矩阵的矩阵系数。在其他实施例中，可以使用三维查找表来实施水下色彩变换，这些查找表提供了定制色彩再现的额外的自由度。用于使用三维查找表来形成色彩变换的方法是本领域的普通技术人员众所周知的。

在一些实施例中，还可以针对在水下模式320下的图像拍摄来调节色阶校正步骤135。水下照片往往会出现与水或者水中悬浮的特定物质对光的散射相关联的较高眩光水平。这可能会导致水下图像中出现可以看到变亮的阴影区域。要补偿这种现象，可以在色阶校正步骤135中应用的色阶函数中建立眩光校正。在一些实施例中，眩光校正的实施方法是，从每个色彩通道的线性信号值中减去一个代表眩光水平的常数眩光值。总地来说，因为水的散射特性可能随着波长而变，所以针对每个色彩通道使用不同的眩光值将是合适的。还可以提供其他类型的色阶调节与水下模式320配合使用。举例来说，可以使用较高对比度的色阶校正曲线来提供具有较高视觉冲击力的图像。

在一些实施例中，还可以针对在水下模式320下拍摄的图像来调节色彩再现的其他方面。举例来说，还可以在水下模式下提供饱和度调节。这种饱和度调节的一种实施方法是按等式（2）示出的方式修改色彩校正矩阵的系数。使用并入有饱和度提升的色彩校正矩阵可能适合增强物体（例如，在水下图像中通常会见到的热带鱼）的色彩。

在一些实施例中，数字相机10具有闪光灯2，如同上文参照图1所述，这个闪光灯2具有可调节的相关色温。在这种情况下，可以通过在数字相机10在水下模式320下操作时调节闪光灯照明的相关色温来控制色彩再现。举例来说，当相机在水下模式320中操作时，可以使用具有较高比例的红光的较低的相关色温。这样可以至少部分地补偿水吸收掉较高比例的红光的事实。在一些实施例中，可以响应于物距250或相机深度260来连续地调节闪光灯2的相关色温，使用随着物距250或者相机深度260的增加而使用越来越低的相关色温，从而提供越来越高的比例的红光。有益的是，还可以响应于数字相机10是否在水下模式320下操作而调节闪光灯2的总照度级，从而考虑到水的吸收作用。还可以响应于物距250来调节闪光灯2的照度级，从而考虑到对于较长物距250将吸收更多光的事实。

除了根据数字相机10是否在水下模式320中操作来调节数字图像数据360（图5）的色彩再现特性以外，对应用于数字图像数据360的其他图像处理操作的一些方面进行调节也是有用的。（在一些实施例中，可以不调节色彩再现特性，而调节其他图像处理操作。）

举例来说，水下照片的锐度往往比空气中拍摄的照片要低一些，这是因为水有散射光的特性。因此，有利的是响应于数字相机是在水下模式320（图5）下还是在正常模式330（图5）下操作，来调节在图像锐化步骤145（图2）期间应用的锐化程度。这个效果的实现方法可以是，具有响应于确定的摄影模式来选择的不同的锐化设定150（图2）。水下照片中的模糊度通常与物距250（图3）有关。在一个实施例中，响应于物距来调节相机处在水下模式时应用的锐化程度，以便对较大的物距应用更大程度的锐化，从而考虑到更大的模糊度。有益的是，还可以响应于诸如水下模式设定352等其他因素来调节锐化程度。举例来说，在游泳池中拍摄的图像的模糊特性通常与在咸水环境中拍摄的图像不同。

通常，调节针对水下模式320选择的水下色彩变换将涉及放大所拍摄的数字图像的红色通道，从而考虑到水往往会过滤掉红光的事实，这一点已参照图7论述。因此，水下色彩变换往往会放大红色通道中的图像噪声。噪声红色通道的锐化可能会导致图像噪声被进一步放大。在本发明的一些实施例中，当数字相机10是在水下模式320中操作时，减少被应用于拍摄到的数字图像的红色通道的锐化程度。在限制性情况下，不对红色通道应用锐化。

水下照片中的空间噪声量往往比正常模式下拍摄的照片大，这是因为水中存在颗粒，还有红色通道的放大程度更大。因此，可能最好响应于数字相机是在水下模式320（图5）下还是在正常模式330（图5）下操作，来调节在降噪步骤105中应用的降噪程度。这种操作的实现方式是修改在降噪步骤105中应用的降噪算法的一个或多个参数，从而考虑到图像的噪声特性的差异。举例来说，可以调节参数，在数字相机10处在水下模式320中时提供更大程度的降噪。在一些实施例中，可能只需要对所拍摄的数字图像的红色通道应用更大程度的降噪，因为这个通道中通常会发现最大的噪声水平。或者，在数字相机10处在水下模式320时应用的降噪算法可以与相机处在正常模式330中时应用的降噪算法不同。至于锐化校正，有益的是，可以响应于物距250、水下模式设定352或其他因素来调节降噪程度。

在本发明的替代实施例中，数字相机10不包含压力传感器25（图1）。因此，无法响应于感测到的压力305来选择水下模式320（图5）。在这种情况下，可以使用作为数字相机的用户接口的一部分提供的用户控件34（图1）来选择水下模式320或正常模式330。举例来说，可以从显示于图像显示器32（图1）上的设定菜单中呈现的选项中选择水下模式320。或者，可以在数字相机10上提供按钮或开关，让摄影者可以手动选择水下模式320。

在一些实施例中，摄影者210使用本发明的数字相机10来拍摄数字静态图像。在其他实施例中，本发明的数字相机10是数字摄像机，或者是另外并入有视频拍摄模式（即，“影片模式”）的数字照像机。当在拍摄数字视频图像的过程中使用本发明时，可能需要在拍摄视频片段的过程中修改摄影模式。举例来说，摄影者可能在水上时开始录像，但是可能在潜入到水里时继续录像。在这种情况下，数字相机10可以在感测到相机处在水下时自动改变成水下摄影模式。同样，如果摄影者摇动相机以便在不同物距下拍摄对象的图像，或者移动到不同的深度，可以按照上文参照图5的说明来调节水下色彩变换。

元件符号列表

2  闪光灯

4  镜头

6  可调节光圈和可调节快门

8  变焦与聚焦电动机驱动器

10 数字相机

12 时序发生器

14 图像传感器

16 ASP与A/D转换器

18 缓冲存储器

20 处理器

22 音频编解码器

24 麦克风

25 压力传感器

26 扬声器

28 固件存储器

30 图像存储器

32 图像显示器

34 用户控件

36 显示器存储器

38 有线接口

40 计算机

42 倾斜传感器

44 视频接口

46 视频显示器

48 接口/再充电器

50 无线调制解调器

52 射频频带

58 无线网络

70 因特网

72 照片服务提供商

90 白平衡设定

95 白平衡步骤

100 色彩传感器数据

105 降噪步骤

110ISO 设定

115 去马赛克步骤

120 分辨率模式设定

125 色彩校正步骤

130 色彩模式设定

135 色阶校正步骤

140 对比度设定

145 图像锐化步骤

150 锐化设定

155 图像压缩步骤

160 压缩模式设定

165 文件格式化步骤

170 元数据

175 用户设定

180 数字图像文件

185 相机设定

210 摄影者

220 另一个人

230 水

235 空气

250 物距

255 物深

260 相机深度

270 太阳

280 防水外壳

290 图像拍摄按钮

300 检测压力步骤

305 压力

310 水下测试

315 设定水下模式步骤

320 水下模式

325 设定正常模式步骤

330 正常模式

335 选择正常色彩变换步骤

340 色彩变换

345 选择水下色彩变换步骤

350 倾角

352 水下模式设定

355 拍摄数字图像数据

360 数字图像数据

365 应用色彩变换步骤

370 校正后的数字图像

375 提供水下元数据步骤

380 水下元数据

385 存储数字图像步骤

400 监测深度过程

405 警告压力测试

410 无用户警告步骤

415 临界压力测试

420 关闭相机步骤

425 提供用户警告步骤

500 红色增益函数

510 绿色增益函数

520 蓝色增益函数。

Claims (26)

1.一种用于在拍摄水下数字图像时使用的数字图像拍摄装置，包括：

防水外壳；

图像传感器，用于拍摄数字图像；

光学系统，用于将场景成像到该图像传感器上；

用于确定该数字图像拍摄装置与该场景中的主要被摄体之间的物距的装置；以及

处理器，用于在该数字图像拍摄装置处在水下拍摄模式时执行以下步骤：

确定特定水下场景的该物距；

使用该图像传感器来拍摄该特定水下场景的数字图像；以及

响应于所确定的物距来控制所拍摄的数字图像的色彩再现。

2.根据权利要求1所述的数字图像拍摄装置，其中该色彩再现的控制方式是，向该拍摄的数字图像应用色彩平衡调节，其中色彩平衡调节量是响应于该确定的物距。

3.根据权利要求1所述的数字图像拍摄装置，其中该色彩再现的控制方式是，调节与该图像传感器相关联的一个或多个色彩控制。

4.根据权利要求3所述的数字图像拍摄装置，其中该图像传感器具有多个色彩通道，并且其中所述色彩控制是用于控制一个或多个色彩通道的积分时间。

5.根据权利要求3所述的数字图像拍摄装置，其中该图像传感器具有多个色彩通道，并且其中所述色彩控制是用于控制应用于一个或多个色彩通道的增益因数。

6.根据权利要求1所述的数字图像拍摄装置，其中该色彩再现的控制方式是，应用物距相关色彩变换，该物距相关色彩变换应用色彩平衡调节、眩光校正、对比度调节、饱和度调节或色阶调节当中的一个或多个。

7.根据权利要求1所述的数字图像拍摄装置，其中该用于确定该物距的装置是自动聚焦系统，该自动聚焦系统确定离该场景中的个物体的焦距。

8.根据权利要求1所述的数字图像拍摄装置，其中拍摄模式元数据与该拍摄的数字图像相关联，指示该图像是不是在该水下模式下拍摄。

9.根据权利要求8所述的数字图像拍摄装置，其中响应于该拍摄模式元数据在主机计算机上调节该色彩再现。

10.根据权利要求1所述的数字图像拍摄装置，进一步包含用于感测该数字图像拍摄装置是不是在水下的装置，并且其中在感测到该数字图像拍摄装置处在水下时自动选择该水下拍摄模式，并且在感测到该数字图像拍摄装置不在水下时自动选择正常图片拍摄模式。

11.根据权利要求10所述的数字图像拍摄装置，其中该用于感测该数字图像拍摄装置是不是在水下的装置是压力传感器。

12.根据权利要求10所述的数字图像拍摄装置，其中该用于感测该数字图像拍摄装置是不是在水下的装置是湿度传感器。

13.根据权利要求1所述的数字图像拍摄装置，进一步包含用于感测该数字图像拍摄装置与水的表面之间的深度的装置。

14.根据权利要求13所述的数字图像拍摄装置，其中还响应于感测到的深度来控制该色彩再现。

15.根据权利要求13所述的数字图像拍摄装置，其中通过压力传感器来感测该深度。

16.根据权利要求15所述的数字图像拍摄装置，其中响应于该压力传感器感测的压力来激活该水下模式。

17.根据权利要求1所述的数字图像拍摄装置，进一步包含倾斜传感器，该倾斜传感器用于感测该数字图像拍摄装置的定向，并且其中还响应于感测到的定向来控制该色彩再现。

18.根据权利要求1所述的数字图像拍摄装置，其中针对多个不同的水体类别提供不同的水下模式。

19.根据权利要求18所述的数字图像拍摄装置，其中所述不同的水下模式包含淡水模式、咸水模式或游泳池模式。

20.根据权利要求1所述的数字图像拍摄装置，进一步包含地理位置感测装置，并且其中还响应于感测到的地理位置来控制该色彩再现。

21.根据权利要求20所述的数字图像拍摄装置，其中将该感测到的地理位置与地理数据库比较，从而识别出水体，并且其中响应于该识别出的水体来选择水下模式。

22.根据权利要求1所述的数字图像拍摄装置，其中该数字图像拍摄装置是数字照像机。

23.根据权利要求1所述的数字图像拍摄装置，其中该数字图像拍摄装置是数字摄像机。

24.根据权利要求1所述的数字图像拍摄装置，其中该处理器进一步应用数字图像锐化算法，并且其中响应于该数字图像拍摄装置是不是处在水下拍摄模式来调节该数字图像锐化算法应用于该拍摄的数字图像的锐化程度。

25.根据权利要求24所述的数字图像拍摄装置，其中针对该水下拍摄模式降低应用于该拍摄的数字图像的红色通道的该锐化程度。

26.根据权利要求1所述的数字图像拍摄装置，其中该处理器进一步应用降噪算法，并且其中响应于该数字图像拍摄装置是不是处在水下拍摄模式来调节该降噪算法应用于该拍摄的数字图像的降噪程度。

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