CN103581565A - 摄像设备、摄像设备的控制方法和电子装置 - Google Patents

摄像设备、摄像设备的控制方法和电子装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种摄像设备、摄像设备的控制方法和电子装置，其能够基于拍摄的图像，在短持续时间内准确地确定要在高动态范围合成中使用的多个图像的曝光条件。基于从使用根据在高动态范围拍摄中要优先的亮度域的标准曝光拍摄的图像获得的亮度信息，以及从使用相对于标准曝光的过曝光或者不足曝光拍摄的图像获得的亮度信息，计算场景动态范围。根据计算的动态范围，确定用于创建高动态范围图像的多个图像的曝光范围。

Description

摄像设备、摄像设备的控制方法和电子装置
技术领域
本发明涉及一种摄像设备、摄像设备的控制方法和电子装置。本发明尤其涉及能够拍摄用于创建高动态范围图像的图像(高动态范围拍摄)的摄像设备和该摄像设备的控制方法以及包括或连接到该摄像设备的电子装置。
背景技术
已知将以不同曝光量(典型地，标准曝光、不足曝光和过曝光)拍摄的多个图像合成以扩展图像的动态范围的高动态范围(HDR)合成。通过合成图像中的标准曝光部分，可以抑制高光溢出(白とび)和暗部缺失(黑つぶれ)，并且可以获得从暗部到亮部具有良好灰度级的图像。
通过HDR合成可以实现的动态范围取决于多个图像的曝光条件。例如，对于包括晴天的蓝天以及建筑的阴影等的具有宽动态范围的场景，除非在不足曝光的曝光量和过曝光的曝光量之间的差增大的情况下拍摄图像，否则无法获得该场景的动态范围得到充分再现的图像。另一方面，在外部阴天的场景的情况下，不需要显著增大不足曝光的曝光量和过曝光的曝光量之间的差。相反地，当将曝光量设置得太高时，例如，存在由于使用未溢出(相当暗)的不足曝光图像信号对在标准曝光中仅稍微溢出的区域进行了比所需更多的补偿、因而发生诸如S/N劣化等的图片质量劣化的情况。
因此，希望根据场景动态范围来确定不足曝光的曝光量和过曝光的曝光量之间的差(曝光范围)。传统上，存在用户在用于HDR合成的拍摄期间从±1EV、±2EV和±3EV中手动选择曝光量的差的方法，并且还存在由照相机自动判断并设置该曝光量的差的方法。对于后一种方法，通常使用基于使用具有宽测光范围的AE传感器所获取的场景动态范围信息来判断曝光量的差的方法。
然而，在诸如所谓的紧凑型照相机和内置到便携式装置中的照相机等的轻且紧凑的照相机系统中，由于不一定是将AE传感器内置到这些照相机系统中的情况，因此需要使用另一种方法获取场景动态范围信息。
日本特开2010-183461号公报公开了基于以标准曝光拍摄的图像中的高光溢出的量来确定动态范围扩展量，以使得减小高光溢出的量。
另外，在日本特许第4554094号公报中，基于以标准曝光拍摄的图像的亮度直方图，对暗部中的暗部缺失的程度和亮部中的高光溢出的程度进行分析。此外，公开了通过在改变曝光条件的同时重复进行拍摄操作直到暗部缺失和高光溢出达到容许水平为止、来确定与场景动态范围相对应的曝光条件的方法。
在日本特开2010-183461号公报公开的方法中，图片中的高光溢出的量是估计值，因此与进行实测的方法相比，精度降低。此外，虽然由于在日本特许第4554094号公报公开的方法中基于实际拍摄的图像来确定曝光条件，因此该方法是准确的，但是由于为了确定曝光条件需要进行多次拍摄和图像分析，因此存在直到实际拍摄为止的释放时滞长的问题。
发明内容
鉴于传统技术中的这些问题实现了本发明，本发明提供一种能够基于拍摄的图像在短时间段内准确地确定要在高动态范围合成中使用的多个图像的曝光条件的摄像设备及其控制方法。
根据本发明的一个方面，提供一种摄像设备，其能够进行拍摄用于创建高动态范围图像的多个图像的高动态范围拍摄，所述摄像设备包括：摄像部件；标准曝光计算部件，用于通过将基于由所述摄像部件获得的图像的被摄体亮度的标准曝光，朝向过曝光或者不足曝光进行校正，来计算HDR标准曝光，所述HDR标准曝光是高动态范围拍摄使用的标准曝光；动态范围计算部件，用于基于从使用所述HDR标准曝光拍摄的图像获得的亮度信息，并且基于从使用如下的曝光拍摄的图像获得的亮度信息，计算场景动态范围，其中，在该曝光和所述高动态范围标准曝光之间存在所述标准曝光；以及确定部件，用于基于由所述动态范围计算部件计算的所述场景动态范围，确定用于创建高动态范围图像的多个图像的曝光范围。
根据本发明的另一方面，提供一种摄像设备，其进行用于创建合成图像的多个图像的拍摄，所述摄像设备包括：摄像部件；曝光计算部件，用于计算通过对基准曝光进行校正而获得的第一曝光，所述基准曝光基于由所述摄像部件获得的图像的被摄体亮度；亮度分布信息计算部件，用于基于从使用所述第一曝光拍摄的图像获得的亮度信息，并且基于从使用与所述第一曝光不同的曝光拍摄的图像获得的亮度信息，来计算场景亮度分布信息；以及确定部件，用于基于所述场景亮度分布信息，确定用于创建合成图像的多个图像的曝光范围。
根据本发明的又一方面，提供一种电子装置，其包括或者连接到根据本发明的摄像设备。
根据本发明的再一方面，提供一种摄像设备的控制方法，所述摄像设备具有图像传感器，并且能够进行拍摄用于创建高动态范围图像的多个图像的高动态范围拍摄，所述控制方法包括：通过将基于由所述图像传感器获得的图像的被摄体亮度的标准曝光，朝向过曝光或者不足曝光进行校正，来计算HDR标准曝光的步骤，所述HDR标准曝光是高动态范围拍摄使用的标准曝光；基于从使用所述HDR标准曝光拍摄的图像获得的亮度信息，并且基于从使用如下曝光拍摄的图像获得的亮度信息，计算场景动态范围的步骤，其中，在该曝光和所述高动态范围标准曝光之间存在所述标准曝光；以及基于所述场景动态范围，确定用于创建高动态范围图像的多个图像的曝光范围的步骤。
根据本发明的再一方面，提供一种摄像设备的控制方法，所述摄像设备具有图像传感器，并且能够拍摄用于创建合成图像的多个图像，所述控制方法包括：计算通过对基准曝光进行校正而获得的第一曝光的步骤，所述基准曝光基于由所述图像传感器获得的图像的被摄体亮度；基于从使用所述第一曝光拍摄的图像获得的亮度信息，并且基于从使用与所述第一曝光不同的曝光拍摄的图像获得的亮度信息，来计算场景亮度分布信息的步骤；以及基于所述场景亮度分布信息，确定用于创建合成图像的多个图像的曝光范围的步骤。
从以下参考附图对示例性实施例的描述，本发明的其它特征将变得明显。
附图说明
图1是作为根据本发明的实施例的摄像设备的示例的数字单镜头反光照相机的截面图。
图2A和2B是示出测光期间的区域分割的示例的图。
图3是示出图1中的照相机的照相机体1和可更换镜头2的电路的配置的示例的框图。
图4是用于描述根据本发明的第一实施例的照相机的操作的流程图。
图5是用于描述在图4中的步骤S35中进行的标准曝光计算处理的流程图。
图6是示出测光区域的加权系数的示例的图。
图7A是示出根据本发明的实施例的用于正常拍摄的标准曝光和用于HDR拍摄的标准曝光的示例的图。
图7B是示意性地示出根据本发明的实施例的场景动态范围计算的原理的图。
图8A和8B是示出传统技术和本发明的实施例之间的释放时滞的差的图。
图9是用于描述确定用于HDR拍摄的曝光范围的方法的图。
图10是用于描述在图4中的步骤S43中进行的实际拍摄处理的流程图。
图11是用于描述在图4中的S44中进行的显像和HDR合成处理的流程图。
图12A和12B是用于描述根据本发明的第二实施例的照相机的操作的流程图。
图13是用于描述在图12A中的步骤S51中进行的场景分析处理的流程图。
图14是用于描述本发明的第二实施例中的基于亮度直方图判断要优先的亮度域的方法的示例的图。
图15是示意性地示出本发明的第二实施例中的根据要优先的亮度域对用于HDR拍摄的标准曝光进行校正的处理的图。
具体实施方式
现在，根据附图详细描述本发明的示例性实施例。
第一实施例
在下面的实施例中，将描述数字照相机作为根据本发明的摄像设备的示例。注意，本发明不仅适用于诸如数字照相机等的主要期望用于摄像的装置，还适用于内置或者在外部连接摄像设备的任意装置，例如蜂窝电话、个人计算机(膝上型、桌面型、平板型等)和游戏机。因而，本说明书中的术语“摄像设备”意图涵盖包括摄像功能的任意电子装置。
图1是示出根据本发明的实施例的照相机的主要光学构件和传感器等的布置的截面图。本实施例中的照相机是具有可更换镜头的所谓的数字单镜头反光照相机，其具有照相机体1和可更换镜头2。
在照相机体1中，图像传感器10例如是CMOS图像传感器或者CCD图像传感器，在其上布置了多个像素(累积型光电转换元件)。设置在图像传感器10的前面附近的机械快门11控制图像传感器10的曝光定时和曝光持续时间。半透射主镜3和布置在主镜3后面的第一反射镜7在进行拍摄时移动到上部。由第二反射镜8进一步反射由第一反射镜7反射的光通量，以使其进入焦点检测传感器9。焦点检测传感器9例如可以是像素的数量比图像传感器10少的图像传感器。第一反射镜7、第二反射镜8和焦点检测传感器9是用于在摄像画面上的任意位置利用相位差检测系统进行焦点检测的结构。
测光传感器(AE传感器)6接收由五棱镜4和第三反射镜5所反射的摄像画面的图像。与焦点检测传感器9类似，AE传感器6也可以是像素的数量小于图像传感器10的图像传感器。如图2A所示，将AE传感器6的光接收单元分割为多个区域，并且可以针对每个区域输出被摄体的亮度信息。注意，图2A中的示例示出了分割为垂直9×水平7的63个区域的情况，但是对分割区域的数量没有限制。注意，除了布置在光接收单元中的像素之外，还在图像传感器中形成针对像素信号的放大器电路和用于进行信号处理的外围电路等。
由五棱镜4配置成取景器光学系统。虽然在图1中未示出，但是可通过目镜查看由五棱镜4反射的被摄体图像。在由主镜3反射并且由聚焦板12扩散的光束中，光轴外的一部分入射到AE传感器6。可更换镜头2按照需要通过设置在照相机体1中的镜头安装件上的触点，与照相机体1进行信息通信。
图3是示出图1中的照相机的照相机体1和可更换镜头2的电路的配置的示例的框图。在照相机体1中，控制单元21是例如内置了ALU(算术和逻辑单元)、ROM、RAM、A/D转换器、计时器、串行通信端口(SPI)等的单芯片微型计算机。控制单元21例如通过执行存储在ROM中的程序，来控制照相机体1和可更换镜头2的操作。稍后将描述控制单元21的具体操作。
来自焦点检测传感器9和AE传感器6的输出信号连接到控制单元21的A/D转换器输入端子。信号处理电路25根据来自控制单元21的指令对图像传感器10进行控制，对图像传感器10输出的信号应用A/D转换和信号处理，并且获得图像信号。此外，当要记录获得的图像信号时，信号处理电路25进行诸如压缩和合成等的需要的图像处理。存储器28是DRAM等，其用作在信号处理电路25进行各种类型的信号处理时使用的工作存储器，并且用作在要在显示器27(下面描述)上显示图像时使用的VRAM。显示器27由液晶显示面板等构成，其显示诸如照相机设置值、消息、菜单画面等的信息以及拍摄的图像。显示器27受来自控制单元21的指令控制。存储单元26是诸如闪存等的非易失性存储器，并且从信号处理电路25输入拍摄的图像的信号。
马达22在控制单元21的控制下，上下移动主镜3和第一反射镜7，并且对机械快门11充电。操作单元23是用户用来操作照相机的诸如开关等的输入装置组。用于输入开始进行摄像准备的指令和开始进行摄像的指令的释放开关、用于选择拍摄模式的拍摄模式选择开关、方向键、确定键等包含在操作单元23中。触点单元29是用于与可更换镜头2进行通信的触点，控制单元21中的串行通信端口的输入/输出信号连接到触点单元29。快门驱动单元24连接到控制单元21的输出端子，并且对机械快门11进行驱动。
在可更换镜头2中设置与触点单元29成对的触点单元50。作为与控制单元21类似的单芯片微型计算机的镜头控制单元51连接到触点单元50，并且可以与控制单元21进行通信。镜头控制单元51例如执行存储在ROM中的程序，并且基于来自控制单元21的指令对可更换镜头2的操作进行控制。此外，镜头控制单元51向控制单元21通知诸如可更换镜头2的状态等的信息。调焦透镜驱动单元52连接到镜头控制单元51的输出端子，并且对调焦透镜进行驱动。变焦驱动单元53在镜头控制单元51的控制下，改变可更换镜头的视角。光圈驱动单元54在镜头控制单元51的控制下，调节光圈的开口的量。
当将可更换镜头2安装到照相机体1时，镜头控制单元51和照相机主体中的控制单元21可以经由触点单元29和50进行数据通信。此外，通过触点单元29和50供给用于驱动可更换镜头2内部的马达和致动器的电力。通过数据通信将以下信息从镜头输出到照相机主体中的控制单元21：照相机体中的控制单元21进行焦点检测和曝光计算所需的镜头固有的光学信息和基于距离编码器的与被摄体距离相关的信息等。此外，将作为照相机体中的控制单元21进行焦点检测和曝光计算的结果而获得的焦点调节信息、以及光圈信息通过数据通信从照相机主体中的控制单元21输出到镜头，并且镜头根据焦点调节信息来控制光圈。
注意，在本实施例中，使用图像传感器10而不是AE传感器6来进行曝光计算。因而，图1和图3中的AE传感器6并非必需。在使用图像传感器10(的输出信号)进行曝光计算的情况下，将通过信号处理电路25对从图像传感器10输出的信号应用预定信号处理而获得的图像信号作为测光结果输入到控制单元21，并且在控制单元21中进行曝光计算。
图4是用于描述本实施例中的照相机体1中的控制单元21的基本操作的流程图。例如，当由于包含在操作单元23中的电源开关切换为接通等因而控制单元21变得可工作时，执行图4所示的处理。
首先，控制单元21与可更换镜头2中的镜头控制单元51进行通信，并且获得进行焦点检测和测光所需的各种类型的镜头信息(步骤S31)。
接下来，控制单元21例如根据拍摄模式判断要优先的亮度域(步骤S32)。具体地，如果拍摄模式是“逆光场景模式”，则判断为低亮度域是要优先的亮度域以抑制暗部中的暗部缺失，并且如果拍摄模式是“聚光灯模式”，则判断为高亮度域是要优先的亮度域以抑制亮部中的高光溢出。可选地，可以将该处理改述为是抑制暗部中的暗部缺失、还是抑制亮部中的高光溢出之间的判断。注意，虽然可以通过预先将设置的拍摄模式和要优先的亮度域相关联，容易地进行对要优先的亮度域的判断，但是也可以使用其它方法来进行该判断。例如，如将在第二实施例中描述的，可以对拍摄的图像使用场景判断技术，来检测对应于逆光场景或聚光灯场景的场景。此外，可以针对可能出现暗部缺失或高光溢出的场景进行这种类型的检测，而不局限于逆光场景和聚光灯场景。
在步骤S33中，控制单元21开始拍摄通常称为实时取景图像(或者直通镜头图像)的运动图像，为了使显示器27用作电子取景器而进行该拍摄。可以通过抬升主镜3和第一反射镜7，释放机械快门11，并且在对图像传感器10进行曝光的状态下使用所谓的电子快门连续执行拍摄，来实现该拍摄。注意，由于在这种状态下，镜是抬起的，因此AE传感器6无法进行测光。
在步骤S33中开始拍摄实时取景图像之后，控制单元21周期性地在步骤S34中执行通过图像传感器10的用于测光的信号的获取。实际上，获取实时取景图像的一帧作为用于测光的图像信号就足够了。控制单元21从图像传感器10中读出获取的图像信号，进行A/D转换，并且将获得的信号存储在RAM中。
接下来，控制单元21计算有时称为HDR标准曝光的用于高动态范围拍摄的标准曝光(步骤S35)。下面将根据图5中的流程图，来描述该HDR标准曝光的计算操作的具体示例。如图2A所示，将图像传感器10用来获取用于测光的信号的像素区域分割为9×7个块，并且控制单元21针对每个块基于通过包含在块中的像素获得的信号来获取亮度信息(步骤S411)。例如，可以通过对块中的所有像素的亮度求平均来获得块的亮度信息。注意，可以通过转换为APEX(照相曝光相加系统)的Bv值来进行亮度的计算。
这里，设将块11至79的亮度信息表示为ED11至ED79，控制单元21基于ED11至ED79计算行方向(Y1至Y7)上和列方向(X1至X9)上的投影数据。通常，将从具有m行×n列的二维阵列中的数据到通过在列和行方向上进行相加或算术平均而获得的一维阵列中的数据进行转换的方法，称为从二维到一维的投影。另外，将作为在行方向和列方向上进行相加(或求平均)的结果而获得的一维阵列的数据，称为投影图像或投影数据。在本实施例中，根据亮度信息ED11至ED79，如下作为算术平均来计算投影数据Y1至Y7和X1至X9(步骤S412)。
X1=Σ(EDx1)÷7 注意x=1至7
X2=Σ(EDx2)÷7 注意x=1至7
X3=Σ(EDx3)÷7 注意x=1至7
X4=Σ(EDx4)÷7 注意x=1至7
X5=Σ(EDx5)÷7 注意x=1至7
X6=Σ(EDx6)÷7 注意x=1至7
X7=Σ(EDx7)÷7 注意x=1至7
X8=Σ(EDx8)÷7 注意x=1至7
X9=Σ(EDx9)÷7 注意x=1至7
Y1=Σ(ED1y)÷9 注意y=1至9
Y2=Σ(ED2y)÷9 注意y=1至9
Y3=Σ(ED3y)÷9 注意y=1至9
Y4=Σ(ED4y)÷9 注意y=1至9
Y5=Σ(ED5y)÷9 注意y=1至9
Y6=Σ(ED6y)÷9 注意y=1至9
Y7=Σ(ED7y)÷9 注意y=1至9
接下来，在步骤S32中，如果判断为要优先低亮度域，则控制单元21使处理变换到步骤S413，或者如果判断为要优先高亮度域，则使处理变换到步骤S423。
在步骤S413中，控制单元21检测投影数据Y1至Y7和X1至X9的最大值Emax。
接下来，在步骤S414中，控制单元21对块的亮度信息ED11至ED79应用预定加权计算，并且计算被摄体亮度值Ea。在图6中，示出了与块相对应的预定加权值wxy的示例。这里，x=1至7，y=1至9。
Ea=Σ{wxy×EDxy}÷Σwxy
注意，图6所示的区域的预定加权值wxy是用于画面的中间部分具有高值、而外围部分具有低值的中央加权平均测光用的权重的示例，但是可以使用其它权重。
在步骤S415中，控制单元21检测在步骤S412中计算的投影数据Y1至Y7和X1至X9的最小值Emin。然后，在步骤S416中，控制单元21基于投影数据最小值Emin和被摄体亮度值Ea，例如根据下面的等式，计算用于低亮度域优先的曝光校正值α。
α=(Emin–Ea)×0.5
该曝光校正值α用于根据如下经验法则进行曝光校正：在诸如“逆光场景模式”等的要优先低亮度域的场景中，被摄体存在于画面中的低亮度部分的可能性高。系数0.5仅是示例，并且根据逆光期间的低亮度被摄体要以多亮出现来确定最适合的值就足够了。
在步骤S417中，控制单元21根据下面的等式，计算适合低亮度域优先的最终的被摄体亮度值Ee。
Ee=Ea+α
这里，α是负值。
例如，如果假设Ea=7.625[Bv]并且Emin=5.25[Bv]，则：
Ee=Ea+α
=7.625+(5.25–7.625)*0.5
=6.4375
换句话说，通过将被摄体亮度从7.625降低到6.4375(Ea→Ee)并且减小与标准曝光相对应的Bv值，来以比正常更亮的水平拍摄图像(将标准曝光朝向过曝光进行校正)。
在步骤S418中，控制单元21基于计算出的被摄体亮度值Ee，确定与HDR标准曝光相对应的快门速度、光圈值和拍摄感光度。
另一方面，如果在步骤S32中判断为要优先高亮度域，则在步骤S423中，控制单元21检测投影数据最小值Emin。然后，在步骤S424中，与步骤S414类似，控制单元21计算被摄体亮度值Ea。控制单元21在步骤S425中检测投影数据最大值Emax，并且在步骤S426中根据下面的等式计算曝光校正值α。
α=(Emax–Ea)×0.5
该曝光校正值α用于根据如下经验法则进行曝光校正：在诸如“聚光灯模式”等的要优先高亮度域的场景中，主被摄体存在于画面中的高亮度部分中的可能性高。系数0.5仅仅是示例，并且根据低亮度被摄体要以多暗出现来确定最适合的值就足够了。
在步骤S427中，控制单元21使用下面的等式计算最终被摄体亮度值Ee。
Ee=Ea+α
这里，α是正值。
例如，如果假设Ea=7.625[Bv]并且Emax=9[Bv]，则：
Ee=Ea+α
=7.625+(9–7.625)*0.5
=8.3125
由此，由于被摄体亮度从7.625提高到8.3125(Ea→Ee)，并且与标准曝光相对应的Bv值增大，因而以比正常更暗的水平拍摄图像(将标准曝光朝向不足曝光进行校正)。
返回图4，在步骤S36中，控制单元21使用图像传感器10累积用于焦点检测的信号。注意，由于为了进行实时取景显示，正在镜抬起的情况下进行连续拍摄，因此不使用焦点检测传感器9进行焦点检测。因而，基于由图像传感器10获得的图像信号，进行使用对比度检测系统的焦点检测。当累积结束时，读出累积的信号，对其进行A/D转换，然后将其作为用于焦点检测的图像信号存储在RAM中。
在步骤S37中，控制单元21基于在步骤S31中获得的镜头信息和用于焦点检测的图像信号来计算摄像画面中的区域的焦点状态，并且确定要聚焦的焦点检测区域。注意，可以使用其它方法来进行焦点检测区域的位置的确定，例如，可以确定用户预先通过操作单元23所指定的焦点检测区域，或者可以使用诸如脸部检测等的图像识别技术将焦点检测区域设置为人脸。控制单元21根据所确定的焦点检测区域中的焦点状态和镜头信息来计算聚焦于焦点检测区域用的镜头移动量，通过镜头控制单元51控制调焦透镜驱动单元52，并且将调焦透镜移动到聚焦位置。由此，可更换镜头2相对于焦点检测区域中的被摄体处于聚焦状态。当驱动调焦透镜时，来自距离编码器的信息改变，因此控制单元21更新可更换镜头2中的各种类型的镜头信息。
在步骤S38中，为了计算HDR拍摄(稍后要描述)期间的多次拍摄要使用的曝光条件，控制单元21在比正常标准曝光中更优先低亮度的HDR标准曝光的状态下进行测光。使用与在步骤S34中类似的方法进行该测光。
根据上述控制，照相机处于用于能够在标准曝光下拍摄被摄体的图像的准备完成的状态。当按下快门按钮并且给出开始拍摄的指令时，控制单元21开始实际拍摄(步骤S39)。在HDR拍摄中，进行标准曝光拍摄，然后进行不足曝光拍摄和过曝光拍摄。当根据用户的意图进行曝光校正时，不一定是中间曝光为标准曝光的情况，但是这里，为了方便起见，假设中间曝光是标准曝光。此外，拍摄顺序不需要按照标准曝光、然后不足曝光、然后过曝光的顺序，并且可以任意地设置顺序。
为了精确地确定用于不足曝光拍摄和用于过曝光拍摄的曝光，需要通过相对于标准曝光使用不足曝光和过曝光进行测光，来测量场景的动态范围。然而，当进行不足曝光测光和过曝光测光时，从输入拍摄开始指令时起直到开始实际拍摄时为止，存在长释放时滞。
鉴于此，在本实施例中，由于根据要优先的亮度域，在给出拍摄指令之后仅进行不足曝光或者过曝光测光处理(步骤S40)，因此缩短了释放时滞。下面，说明本实施例的原理。
在图7A中，示出了具有宽动态范围(宽亮度分布范围)的场景的亮度直方图的示例。EV是亮度的单位。如果使用通过正常测光计算出的标准曝光来拍摄图像，则在图像传感器的动态范围外部的低亮度域a将包含暗部缺失，并且灰度级将丢失。然而，如果使用图5所示的基于低亮度域优先用的曝光计算处理的标准曝光来进行测光，则低亮度域中的灰度级不丢失。
控制单元21基于HDR标准曝光中的测光结果(HDRBv)和不足曝光中的测光结果，计算作为场景亮度分布信息的动态范围(步骤S41)。例如，在图7A所示的场景中，如图7B所示，基于HDR标准曝光中的测光结果HDRBv和通过在不足曝光下进行测光而获取的最大亮度值MaxBv，使用下面的等式计算场景动态范围Ds。
Ds=MaxBv–HDRBv
由此，在本实施例中，标准曝光下的测光不像图8A所示那样例如在按下快门按钮之后伴随有不足曝光和过曝光下的测光。在本实施例中，如图8B所示，总共进行两次测光，即除了HDR标准曝光下的测光之外，还进行不足曝光或者过曝光下的测光。因此，可以缩短从按下快门按钮时起、直到拍摄实际开始为止的释放时滞。由此，通过接受针对灰度级，不管不优先高亮度域和低亮度域中的哪一个，都存在灰度级减少的可能性的事实，减少了进行测光的次数，并且缩短了释放时滞。
在步骤S42中，控制单元21基于场景动态范围Ds，确定用于HDR拍摄的最适合场景的曝光范围。这里，如果假设标准曝光是±0EV，则使用在+方向和–方向两者上具有相同范围的曝光范围进行拍摄。然后，从作为针对曝光范围的选项的±1EV、±2EV和±3EV中自动进行选择。此外，假设图像传感器的动态范围是6EV(即高亮度侧和低亮度侧的动态范围各自相对于标准曝光是3EV)。
在这种情况下，相对于基于HDRBv的HDR标准曝光，直到能够进行不足曝光拍摄(没有高光溢出)的最大亮度值为止的动态范围Dh如图9所示：
Dh=4EV(相对于标准曝光，不足曝光是-1EV时)
Dh=5EV(相对于标准曝光，不足曝光是-2EV时)
Dh=6EV(相对于标准曝光，不足曝光是-3EV时)
然后，控制单元21将场景的用于HDR拍摄的最适合的曝光范围确定为与Dh大于或等于Ds、也就是说Dh≥Ds的最低Dh相对应的曝光范围。换句话说，进行以下确定：
3EV<Ds≤4EV→±1EV
4EV<Ds≤5EV→±2EV
5EV<Ds≤6EV→±3EV
6EV<Ds→±3EV
在诸如图9中的场景1的情况下，由于Ds大于6EV，因此用±3EV进行拍摄是理想的。在诸如场景2的情况下，由于5EV<Ds≤6EV，因此用±3EV进行拍摄是理想的。在诸如场景3的情况下，由于3EV<Ds≤4EV，因此用±1EV进行拍摄是理想的。
注意，在Ds≤3EV的情况下，场景动态范围窄，因此不需要进行HDR拍摄。
另一方面，即使要优先高亮度域，与要优先低亮度域的情况相同地确定曝光范围也基本上足够了。如果要优先高亮度域，则通过使用HDR标准曝光进行测光，来应对场景的高亮度域，因此在步骤S40中，为了针对低亮度域进行测光，而以过曝光进行测光。然后，在步骤S41中，控制单元21基于使用HDR标准曝光的测光结果HDRBv和使用以过曝光进行测光而获取的最小亮度值MinBv，根据下面的等式计算场景动态范围Ds。
Ds=MinBv–HDRBv
基于场景的动态范围Ds确定曝光范围的方法可以与在优先低亮度域的情况下相同。
通过响应于拍摄开始指令(快门按钮按下)进行从步骤S40至步骤S42的处理，确定在HDR拍摄中进行的多次拍摄的拍摄曝光。从步骤S40至步骤S42的处理所需的时间是释放时滞。
在步骤S43中，控制单元21基于在步骤S35中确定的拍摄曝光和在步骤S42中确定的曝光范围，进行实际拍摄(以标准曝光、不足曝光和过曝光进行拍摄)。
使用图10中的流程图来说明步骤S43中的实际拍摄处理的细节。首先，控制单元21使用在步骤S35中确定的对应于标准曝光的快门速度、光圈值和拍摄感光度进行拍摄(步骤S511)。然后，控制单元21读出累积在图像传感器10中的信号，对其进行A/D转换，然后将其作为标准曝光图像信号存储在RAM中(步骤S512)。此外，控制单元21根据在步骤S42中确定的曝光范围将快门速度设置为高速，以在下一次使用不足曝光的拍摄中实现该曝光范围。
在步骤S513中，控制单元21使用不足曝光进行拍摄。这里，光圈值和拍摄感光度是在步骤S35中确定的值，并且控制单元21根据在步骤S42中确定的曝光范围将快门速度设置为高速，并进行拍摄。
然后，控制单元21读出累积在图像传感器10中的信号，对其进行A/D转换，然后将其作为不足曝光图像信号存储在RAM中(步骤S514)。此外，控制单元21根据在步骤S42中确定的曝光范围将在步骤S35中所确定的快门速度的设置设置为低速，以在下一次使用过曝光的拍摄中实现该曝光范围。
在步骤S515中，控制单元21使用过曝光进行拍摄。这里，光圈值和拍摄感光度是在步骤S35中确定的值，并且控制单元21根据在步骤S42中确定的曝光范围将快门速度设置为低速，并进行拍摄。
然后，控制单元21读出累积在图像传感器10中的信号，对其进行A/D转换，然后将其作为过曝光图像信号存储在RAM中(步骤S516)。注意，控制单元21可以使快门速度设置返回到在步骤S35中设置的值。
注意，在本实施例中，给出了为了实现曝光范围使快门速度从标准曝光条件下的快门速度改变的情况的示例，但是其还可以通过改变摄像感光度来实现。注意，由于在拍摄之后的合成处理中进行用数字增益使图像的曝光均衡的处理，因此由于增益的应用而对使用不足曝光以高速拍摄的图像的噪声进行了放大，所以通过在使用不足曝光的拍摄中降低拍摄感光度，可以在增益应用之前减小图像噪声。注意，虽然也可以改变光圈，但是仅在可以以被摄体景深不改变的程度进行改变的情况下改变光圈。
返回图4，在步骤S44中，控制单元21对在实际拍摄中使用的曝光是标准曝光、不足曝光和过曝光的三个图像显像，并且使用信号处理电路25进行高动态范围合成(步骤S44)。作为进行HDR合成的方法，可以想到如下方法：通过使用不同的伽马进行伽马转换来显像标准曝光、不足曝光和过曝光图像，以使得显像之后的标准曝光、不足曝光和过曝光图像各自的曝光匹配，然后使用不足曝光图像的高亮度部分、标准曝光图像的中间调部分和过曝光图像的低亮度部分进行合成。可选地，还可以想到如下方法：通过在拜尔步骤中进行合成来创建具有宽动态范围的图像，进行色调映射，并且通过压缩到希望的输出动态范围来显像图像，但是，可以使用任一方法。将使用图11所示的流程图简要地描述步骤S44中的处理的细节。
使用图像传感器10将由可更换镜头2形成的被摄体图像转换为电信号。在本实施例中，图像传感器10是包括一般的原色滤色器的单板彩色图像传感器。原色滤色器由分别具有在650nm、550nm和450nm附近的主透过波长的三种类型的滤色器构成，并且从由滤色器透过的光通量中获取与带R(红色)、G(绿色)和B(蓝色)相对应的颜色平面图像。以指定布置将三种滤色器布置在单板彩色图像传感器中，并且每个像素仅可以获取单个颜色平面的亮度。因此，从图像传感器输出彩色马赛克图像。
在步骤S521中，信号处理电路25进行白平衡处理。具体地，其计算白平衡增益以使得图像的白色区域中的R、G和B具有相同值，并且将其应用于图像。在步骤S522中，信号处理电路25通过对彩色马赛克图像进行插值，来创建所有像素具有R、G和B的颜色信息的彩色图像。此外，信号处理电路25对创建的彩色图像应用矩阵变换(步骤S523)和伽马转换(步骤S524)处理。随后，信号处理电路25对彩色图像应用改善图像的外观的处理(颜色调整处理)。颜色调整处理的示例是诸如饱和度增强、色相(hue)校正和边缘增强等的图像校正。
当要通过合成用不同的曝光拍摄的图像来创建一个高动态范围图像(HDR图像)时，为了使用接近图像的标准曝光的信号来获取高质量的HDR图像，需要对图像应用增益，以使亮度水平在图像之间均衡。需要将增益设置成不出现高光溢出和暗部缺失。
注意，设备被设计为当应用根据曝光量比计算出的增益时，在步骤S524中进行的伽马转换中使用的伽马曲线(输入/输出特性)的输入和输出特性相同。在对标准曝光图像应用的增益是1倍时、曝光范围是±3EV的情况下，对不足曝光图像施加8倍的增益，并且对过曝光图像施加1/8倍的增益。设备被设计为使应用增益之后的伽马曲线尽可能均衡。通过这样做，当随后根据亮度域切换合成要使用的图像时，可以使得边界更平滑。
控制单元21对齐图像的位置，以合成应用了上述图像形成处理的图像(步骤S526)。虽然对对齐方法没有限制，但是例如可以使用下面描述的方法。获得移动量和移动方向，使得用作位置基准的图像(例如第一次拍摄的图像)的像素值(亮度)和其它图像的像素值(亮度)之间的差的绝对值的总和(SAD：绝对差的总和)最小。然后，对其它图像应用与该移动量和移动方向相对应的仿射变换。在用作位置基准的图像是不足曝光图像的情况下，控制单元21使用位置对齐的标准曝光图像和过曝光图像，进行亮度特定合成处理，并创建HDR图像(步骤S527)。在本实施例中，对通过合成用不同的曝光取得的图像来创建一个HDR图像的方法没有特别限制，由于可以利用任意公知的方法，因此将省略对其细节的描述。控制单元21按照需要通过信号处理电路25对创建的HDR图像使用JPEG系统等进行压缩(步骤S528)，并且将获得的图像记录在存储单元26(步骤S529)中。
如上所述，在本实施例中，当进行高动态范围(HDR)拍摄时，确定要优先高亮度域的灰度级、还是低亮度域的灰度级。然后，计算用于HDR拍摄的标准曝光，如果要优先高亮度域，则与在正常标准曝光下相比，将用于HDR拍摄的标准曝光校正为更朝向不足曝光侧，或者如果要优先低亮度域，则与在正常标准曝光下相比，将用于HDR拍摄的标准曝光校正为更朝向过曝光侧。此外，除了使用用于HDR拍摄的标准曝光之外，如果要优先高亮度域，则还以过曝光进行用于确定实际拍摄中的曝光范围的测光(用于场景动态范围测量的测光)，或者如果要优先低亮度域，则还以不足曝光进行测光。因此，与传统技术相比，可以将进行测光的次数减少一次，并且可以缩短释放时滞。此外，由于使用实际测光结果来确定曝光范围，因此可以准确地确定用于确保要优先的亮度域中的灰度级的曝光范围。
第二实施例
接下来，描述本发明的第二实施例。在第一实施例中，根据设置的拍摄模式来确定要优先的亮度域。此外，要优先的亮度域是在低亮度域和高亮度域之间的选择。相对于此，下面将描述的第二实施例与第一实施例的不同之处在于，通过进行场景分析来判断逆光状态和聚光灯状态，并且存在四个可以优先的亮度域，即低亮度、中低亮度、中高亮度和高亮度。
图12A和12B是用于描述作为根据本实施例的图像处理设备的示例的可更换镜头数字照相机的操作的流程图。注意，假设本实施例的照相机具有与在第一实施例中描述的照相机相同的配置。此外，在图12A和12B中，用与在第一实施例中相同的附图标记表示与在第一实施例中描述的处理相同的处理，并且省略其冗余描述。
步骤S31、S33和S34中的处理与在第一实施例中所描述的相同。在步骤S50中，控制单元21对不设置要优先的亮度域的正常标准曝光进行计算。为了进行标准曝光计算，使用下面的等式(先前在第一实施例中进行了描述)获得被摄体亮度值Ee。
Ee=Σ{wxy×EDxy}÷Σwxy
然后，控制单元21基于被摄体亮度值Ee来确定对应于HDR标准曝光的快门速度、光圈值和拍摄感光度，并且对曝光进行控制。步骤S36和S37的处理与在第一实施例中所描述的相同。
接下来，在步骤S51中，控制单元21对在步骤S34中读出的用于测光的摄像信号应用场景分析。将使用图13中的流程图描述该场景分析处理。这里，使用场景分析来识别场景的中央部分和外围部分之间存在大的亮度差的诸如逆光场景或者聚光灯场景等的场景。
为了识别该场景，控制单元21将在步骤S34中读出的用于测光的摄像信号分割为两个区域，即如在图2B中的视角(拍摄视野)中的中央区域(在图中由灰色块构成的区域)和外围区域(在图中由白色块构成的区域)。然后，控制单元21计算中央区域和外围区域的亮度直方图(步骤S541、S542)。
在图14中示出了中央区域和外围区域的亮度直方图的示例。实线是中央区域的亮度直方图，虚线是外围区域的亮度直方图。此外，控制单元21基于计算出的亮度直方图，计算中央区域的平均亮度AveY_Center和外围区域的平均亮度AveY_Around(步骤S543、S544)。然后，控制单元21使用上述低亮度、中低亮度、中高亮度和高亮度区域的阈值(Th1至Th4)以及中央区域平均亮度AveY_Center和外围区域平均亮度AveY_Around之间的大小关系，确定要优先的亮度域。
注意，可以预先通过统计来确定用于定义亮度范围中的要优先的亮度域的阈值Th1至Th4。在图14中，示出了阈值Th1至Th4、中央区域平均亮度AveY_Center和外围区域平均亮度AveY_Around的示例及其大小关系的示例。
在本实施例中，控制单元21如下所述确定要优先的亮度域。
AveY_Center<Th1并且Th4<AveY_Around→优先低亮度域
Th1<AveY_Center<Th2并且Th3<AveY_Around<Th4→优先中低亮度域
Th1<AveY_Around<Th2并且Th3<AveY_Center<Th4→优先中高亮度域
AveY_Around<Th1并且Th4<AveY_Center→优先高亮度域
因此，用于识别诸如逆光场景或者聚光灯场景等的在画面的中央部分和外围部分之间具有大亮度差的场景的场景分析是对场景对比度状态的分析。以逆光场景或者聚光灯场景为代表的具有宽动态范围的场景，是在明和暗之间具有大的差的高对比度场景。在图14所示的四种情况中，情况1和情况4对应于对比度相当高的场景，一般的逆光场景和聚光灯场景对应于情况1和情况4。情况2和情况3是具有相对高的对比度的场景，虽然不像情况1或者情况4一样高。
作为步骤S51中的场景分析处理的结果，如果确定要优先低亮度域或中低亮度域，则控制单元21使处理变换到步骤S52，而如果确定要优先高亮度域或中高亮度域，则使处理变换到步骤S62。
在步骤S52中，与图4中的步骤S411至S418类似，控制单元21确定低亮度域优先的情况下的HDR标准曝光。此外，在步骤S62中，与使用图4中的步骤S411、S412、S423至S427和S418的过程的第一实施例类似，控制单元21确定高亮度域优先的情况下的HDR标准曝光。
排除不足曝光和过曝光固定的事实，后续步骤S53至S57和步骤S63和S67的处理与图4中的步骤S38至S42相同。
然后，在步骤S58和S68中，控制单元21根据要优先的亮度域对处理进行分支。具体地，如果要优先低亮度域或者高亮度域，则控制单元21使处理立即变换到作为与第一实施例类似的处理的步骤S43，随后与第一实施例类似地进行处理。此外，如果要优先中低亮度域，则处理变换到步骤S59，而如果要优先中高亮度域，则处理变换到步骤S69。
在步骤S59中，控制单元21将低亮度域优先情况下的HDR标准曝光朝向中低亮度域用的HDR标准曝光进行校正。例如，如图15所示，仅需要进行该校正以使得基于低亮度域优先情况下的HDRBv的HDR标准曝光朝向高亮度移位预定量。可以根据低亮度域和中低亮度域的范围，预先设置移位量。
由此，通过依据低亮度域和中低亮度域来校正并使用基于低亮度域优先情况下的HDRBv的HDR标准曝光，可以实现优先中低亮度域的灰度级的HDR拍摄以及HDR图像创建。此外，由于与在低亮度域优先用的标准曝光下相比，在显像步骤中导致伽马处理中的S/N劣化的数字增益的量的增大小，因此存在图像质量劣化小的优点。
在步骤S69中，控制单元21将高亮度域优先情况下的用于HDR拍摄的标准曝光条件朝向中高亮度域的用于HDR拍摄的标准曝光条件进行校正。校正方法仅需要与步骤S59中的校正方法类似，仅需要将基于高亮度域优先情况下的HDRBv的HDR标准曝光朝向低亮度侧移位预定量。
在步骤S59和S69中，当确定了中低亮度域优先情况下和中高亮度域优先情况下的用于HDR拍摄的标准曝光时，控制单元21使处理变换到步骤S43，随后与第一实施例类似地进行处理。
如上所述，在本实施例中，除了第一实施例的效果之外，还能够通过使用场景分析确定要优先的亮度域，根据场景自动且最佳地设置用于高动态范围拍摄的曝光条件。此外，由于与在第一实施例中相比，具有更大数量的可以优先的亮度域，因此可以将用于高动态范围拍摄的曝光条件设置为在场景中更适合的值。注意，虽然在本实施例中使用四个亮度域，但是对亮度域的数量没有限制，可以使用五个以上或者三个。
其它实施例
本发明的各方面还能够通过读出并执行记录在存储设备上的用于执行上述实施例的功能的程序的系统或装置的计算机(或诸如CPU或MPU的设备)、以及由系统或装置的计算机例如读出并执行记录在存储设备上的用于执行上述实施例的功能的程序来执行步骤的方法来实现。鉴于此，例如经由网络或者从用作存储设备的各种类型的记录介质(例如计算机可读介质)向计算机提供程序。
虽然参考示例性实施例对本发明进行了说明，但是应当理解，本发明不限于所公开的示例性实施例。所附权利要求的范围符合最宽的解释，以使其涵盖所有这种变形、等同结构及功能。

Claims (17)

1.一种摄像设备，其能够进行拍摄用于创建高动态范围图像的多个图像的高动态范围拍摄，所述摄像设备包括：
摄像部件；
标准曝光计算部件，用于通过将基于由所述摄像部件所获得的图像的被摄体亮度的标准曝光朝向过曝光或者不足曝光进行校正，来计算高动态范围标准曝光，所述高动态范围标准曝光是高动态范围拍摄使用的标准曝光；
动态范围计算部件，用于基于从使用所述高动态范围标准曝光所拍摄的图像获得的亮度信息并且基于从使用如下的曝光所拍摄的图像获得的亮度信息，计算场景动态范围，其中，在该曝光和所述高动态范围标准曝光之间存在所述标准曝光；以及
确定部件，用于基于由所述动态范围计算部件计算出的所述场景动态范围，确定用于创建高动态范围图像的多个图像的曝光范围。
2.根据权利要求1所述的摄像设备，其中，所述动态范围计算部件响应于拍摄开始指令，进行所述场景动态范围的计算。
3.根据权利要求1或2所述的摄像设备，还包括：
判断部件，用于判断在所述高动态范围拍摄中要优先的亮度域，
其中，如果所述要优先的亮度域是低亮度域，则所述标准曝光计算部件通过将所述标准曝光朝向过曝光进行校正来计算所述高动态范围标准曝光，并且如果所述要优先的亮度域是高亮度域，则所述标准曝光计算部件通过将所述标准曝光朝向不足曝光进行校正来计算所述高动态范围标准曝光，以及
如果所述要优先的亮度域是所述低亮度域，则所述动态范围计算部件基于从使用所述高动态范围标准曝光所拍摄的图像获得的亮度信息，并且基于从相对于所述高动态范围标准曝光使用不足曝光所拍摄的图像获得的亮度信息，来计算所述场景动态范围，并且如果所述要优先的亮度域是所述高亮度域，则所述动态范围计算部件基于从使用所述高动态范围标准曝光所拍摄的图像获得的亮度信息，并且基于从相对于所述高动态范围标准曝光使用过曝光所拍摄的图像获得的亮度信息，来计算所述场景动态范围。
4.根据权利要求3所述的摄像设备，其中，所述判断部件根据在所述摄像设备中设置的场景模式的类型来判断所述要优先的亮度域。
5.根据权利要求3所述的摄像设备，其中，所述判断部件使用基于通过拍摄所获得的图像的亮度信息的场景分析来判断所述要优先的亮度域。
6.根据权利要求5所述的摄像设备，其中，所述判断部件基于所述图像的中央区域和外围区域之间的亮度差来进行所述场景分析。
7.一种电子装置，其包括或者连接到根据权利要求1所述的摄像设备。
8.一种摄像设备，其进行用于创建合成图像的多个图像的拍摄，所述摄像设备包括：
摄像部件；
曝光计算部件，用于计算通过对基准曝光进行校正而获得的第一曝光，所述基准曝光基于由所述摄像部件所获得的图像的被摄体亮度；
亮度分布信息计算部件，用于基于从使用所述第一曝光拍摄的图像所获得的亮度信息，并且基于从使用与所述第一曝光不同的曝光拍摄的图像所获得的亮度信息，来计算场景亮度分布信息；以及
确定部件，用于基于所述场景亮度分布信息，确定用于创建合成图像的多个图像的曝光范围。
9.根据权利要求8所述的摄像设备，其中，所述亮度分布信息计算部件基于从使用所述第一曝光拍摄的图像获得的亮度信息，并且基于从使用与所述第一曝光和所述基准曝光不同的曝光所拍摄的图像获得的亮度信息，来计算所述场景亮度分布信息。
10.根据权利要求8所述的摄像设备，其中，所述亮度分布信息计算部件基于从使用所述第一曝光拍摄的图像获得的亮度信息，并且基于从使用与所述第一曝光和所述基准曝光不同的曝光所拍摄的图像获得的亮度信息，来计算所述场景亮度分布信息，其中，所述基准曝光包含在所述第一曝光和所述不同的曝光之间。
11.根据权利要求8至10中的任一项所述的摄像设备，还包括：
判断部件，用于判断在用于创建合成图像的多个图像的拍摄中要优先的亮度域，
其中，所述曝光计算部件根据所述要优先的亮度域来计算所述第一曝光。
12.根据权利要求11所述的摄像设备，其中，所述判断部件基于在所述摄像设备中设置的场景模式的类型来判断所述要优先的亮度域。
13.根据权利要求11所述的摄像设备，其中，所述判断部件使用基于通过拍摄所获得的图像的亮度信息的场景分析来判断所述要优先的亮度域。
14.根据权利要求13所述的摄像设备，其中，所述判断部件基于所述图像的中央区域和外围区域之间的亮度差来进行所述场景分析。
15.一种电子装置，其包括或者连接到根据权利要求8所述的摄像设备。
16.一种摄像设备的控制方法，所述摄像设备具有图像传感器，并且能够进行拍摄用于创建高动态范围图像的多个图像的高动态范围拍摄，所述控制方法包括：
通过将基于由所述图像传感器所获得的图像的被摄体亮度的标准曝光朝向过曝光或者不足曝光进行校正、来计算高动态范围标准曝光的步骤，所述高动态范围标准曝光是高动态范围拍摄使用的标准曝光；
基于从使用所述高动态范围标准曝光拍摄的图像所获得的亮度信息、并且基于从使用如下曝光拍摄的图像所获得的亮度信息来计算场景动态范围的步骤，其中，在该曝光和所述高动态范围标准曝光之间存在所述标准曝光；以及
基于所述场景动态范围，确定用于创建高动态范围图像的多个图像的曝光范围的步骤。
17.一种摄像设备的控制方法，所述摄像设备具有图像传感器，并且能够进行用于创建合成图像的多个图像的拍摄，所述控制方法包括：
计算通过对基准曝光进行校正而获得的第一曝光的步骤，所述基准曝光基于由所述图像传感器所获得的图像的被摄体亮度；
基于从使用所述第一曝光拍摄的图像所获得的亮度信息，并且基于从使用与所述第一曝光不同的曝光拍摄的图像所获得的亮度信息，来计算场景亮度分布信息的步骤；以及
基于所述场景亮度分布信息，确定用于创建合成图像的多个图像的曝光范围的步骤。
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