CN105144694B - 用于曲面光学传感器的防抖纠正系统 - Google Patents

用于曲面光学传感器的防抖纠正系统 Download PDF

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Abstract

本主题公开涉及曲面图像传感器，该曲面图像传感器沿一个或多个旋转方向旋转以补偿相机移动，例如相机抖动。在一个方面，诸如陀螺仪之类的传感器输出相机移动数据，控制器使用该相机移动数据来绕该曲面图像传感器的曲率中心旋转该曲面(例如半球面)图像传感器，例如经由电和/或磁移动机构。控制器可使用图像处理来旋转图像传感器。

Description

用于曲面光学传感器的防抖纠正系统
背景
相机因为在移动中使用(例如，处于车辆中)而抖动，并且还因为人不能完全稳定地握持相机而抖动。一般来说，抖动导致用较长曝光时间来捕捉的图像中的模糊，以及其它不想要的效果。
为了补偿抖动，许多相机具有内建的防抖(通常被称为图像稳定)系统。这类系统在诸如想要纠正因不稳的手导致的相机抖动、或者在移动的车或船中捕捉视频之类的场景中是特别有用，其中相机的较高频率的震动和其它相对移动不能以其它方式来处理。一般来说，这类能够防抖动的相机具有平直的成像表面，该成像表面根据需要水平地和/或垂直地移动以补偿相机的不稳定移动。
然而，光学透镜系统一般都不在平直的成像表面上得到其最佳聚焦。例如，球面透镜系统倾向于在大致半球形表面(称为Petzval表面)上具有最佳聚焦。透镜设计的复杂性中的许多都在于强迫透镜系统在离Petzval表面相去甚远的平直成像表面上得到最佳聚焦。
传感器技术的发展已一定程度地得到了提供改善的图像质量的低分辨率曲面传感器(具有在未来可能增加的分辨率)。然而，采用这样的曲面传感器，现有的防抖动系统不能够正确作用；事实上，这类纠正系统相反使得捕捉的图像变得更糟(例如，失焦)。
概述
提供本概述以便以简化形式介绍将在以下的详细描述中进一步描述的一些代表性概念的选集。本概述不旨在标识出所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在以限制所要求保护的主题的范围的任何方式来使用。
简单来说，此处所描述的主题的各个方面涉及一种技术，其中相机包括曲面传感器，该曲面传感器被配置成绕(或基本上绕)该曲面传感器的曲率中心沿至少一个方向旋转。防抖动纠正控制器接收对应于相机移动的输入数据，导致曲面传感器沿至少一个旋转方向移动以纠正相机移动中的至少一些。
在一个方面，在接收到与移动有关的数据之后，基于该与移动有关的数据计算旋转量和旋转方向。基于旋转量和旋转方向来旋转曲面传感器。与移动有关的数据可被接收作为传感器组所感测的数据和/或通过处理图像数据获得的反馈数据以确定相机移动。
在一个方面，相机包括被配置成相对于透镜旋转的曲面传感器，其中该透镜具有在传感器的任意一个定位处比曲面传感器的图像捕捉区域更大的视场。控制器接收对应于相机移动的与移动有关的数据，并且调整所述曲面传感器的定位，调整包括沿至少一个旋转方向旋转传感器以补偿相机移动。
结合附图阅读以下具体实施方式，本发明的其他优点会变得显而易见。
附图说明
作为示例而非限制，在附图中示出了本发明，附图中相同的附图标记指示相同或相似的元素，附图中：
图1是根据一个或多个示例实施例的示出被配置为用于基于感测到的相机移动数据旋转曲面传感器的示例组件的框图。
图2是根据一个或多个示例实施例的示出被配置为用于至少部分基于图像处理反馈来旋转曲面传感器的示例组件的框图。
图3是根据一个或多个示例实施例的相对于透镜(沿一个旋转方向)旋转曲面传感器的表示。
图4A和4B是根据一个或多个示例实施例的随时间相对于透镜(沿一个旋转方向)旋转曲面传感器以调整相机移动的表示。
图5是根据一个或多个示例实施例的演示旋转能力的示例曲面传感器的三维表示。
图6A-6C是根据一个示例实施例的曲面传感器可如何被耦合到载体材料形成一个组件的表示，其中该组件由电机来移动。
图7A-7C是根据一个示例实施例的曲面传感器可如何被耦合到载体材料形成一个组件的表示，其中该组件由电磁力来移动。
图8是根据一个或多个示例实施例的表示可被执行以基于与移动相关的数据来旋转曲面传感器的示例步骤的流程图。
图9是表示可并入本文中所描述的主题的各方面的示例环境的框图。
详细描述
在此所述的技术的各方面大体上涉及一种包括被移动以用于相机抖动纠正的曲面(例如硅)传感器的相机，即包含防抖动系统的相机。这导致更稳定的图像捕捉，同时还受益于因具有曲面(非平面)传感器而得到的成像域上(例如，在焦距处)的明显改善的锐度。
曲面传感器系统的优点之一在于相对容易设计锐利且在宽的视场上具有均匀亮度的透镜。传统相机透镜在图像的角落处容易在锐度和相对亮度两方面都具有明显的下降。如果传感器不移动，这不会成为问题，因为透镜的最低分辨率区域处于图像的角落处，在那里它们不太会引起注意。然而，当传感器移动以纠正抖动时，那些较低分辨率区域被平移为更靠近图像的中心，并且透镜的最锐利的焦点不再位于图像的中心。对于亮度而言也出现同样的现象，其中较暗的角落被平移为更靠近图像域的中心。
为了用传统透镜来纠正大角度抖动，如果图像传感器横向地偏移到其极限，则至少相对亮度将可能被纠正。由于设计宽角度曲面传感器透镜较为容易，因此旋转防抖动系统可能能够补偿大得多的角度偏移，这对应于粗糙得多的以及更极限的震动情况。
因此，在一个方面，传感器被移动以补偿抖动，其中半球面传感器被在最多三个维度上(例如，θ、φ和/或ψ角度方向)绕着传感器的曲率中心旋转。如果需要，传感器还可在Z方向上被平移。
移动可通过感测相机移动和驱动一个或多个各种用于补偿的移动机构来实现。还提供了对于移动(例如，图像中随时间移动的对象)的效果的动态测量，并且调整传感器的定位(例如，旋转角)以维持该物体的大致位置。
应当理解，本文中的任何示例均是非限制的。因此，本发明不限制于在此描述的任何具体的实施例、方面、概念、结构、功能或示例。相反，此处所描述的实施例、方面、概念、结构、功能或示例中的任一个都是非限制性的，并且本发明一般能够以在计算和光学传感中提供益处和优点的各种方式来使用。
如图1中大体表示的，示例化的相机102包括曲面传感器104。在一些实施例中，曲面传感器104被设计成为半球面(并且如果不是完美的半球面，则可以是相对于可接受的捕捉图像来说是基本上半球面)，但无论如何都是非平面的。防抖动纠正控制器106基于相机移动数据108来动态地控制曲面传感器104的旋转角，诸如经由适当的驱动信号来可控地驱动移动机构110，包括通过诸如放大器、数模转换器、和/或诸如此类的任何中介机构。例如，包括一个或多个传感器(诸如陀螺仪(以及可能的其它传感器，诸如加速度计))的传感器组109可提供高度灵敏的移动数据。在这一实施例中，经感测的移动数据108被用作为输入以驱动机构110来抵消相机的移动。
如图2中所表示的(其中与图1中的那些组件类似的组件被标记为2xx而不是1xx)，对防抖动纠正控制器206的输入不需要是(至少不仅仅是)对实际的相机移动数据208的测量，而是可包括移动对于图像中的一个或多个对象的位置的影响。例如，图像222中相对于彼此没有快速移动的对象可被移动处理224检测到。这可作为反馈226被提供给防抖动纠正控制器206。注意到，曲面传感器104可被用于提供图像，该图像被使用一些(例如预测)处理技术来针对移动进行处理，然而，非常高的帧率的传感器H可捕捉评估图像，该评估图像被处理以用于移动检测，使得曲面传感器可在相对慢的帧率的图像捕捉期间被调整多次。注意到，经感测的相机移动数据208可连同移动处理224/反馈226一起使用。
图3是示出当透镜333(固定到相机)因相机抖动而相对于曲面传感器移动时，曲面传感器304可如何沿一个方向被旋转到一个不同角度的二维视图。透镜333可被设计成覆盖视场的额外的五到十度(相对于在传感器的任意一个定位处的曲面传感器的图像捕捉区域)，由此系统能够补偿相对非常大的抖动量。
如图3中可见，旋转是绕着曲面传感器304的曲率中心336。注意到，这一曲率中心336是与沿其它旋转方向旋转的半球面传感器的曲率中心相同的点，然而对于不是半球面的曲面传感器，可能存在不同的曲率中心。此外，一定量的平移移动可被用来为不是完全半球面的传感器进行调整。
图4A和4B示出例如当相机(以及耦合的透镜444)相对于对象446移动时，曲面传感器404的旋转可如何及时发生(沿一个示例方向)的大体概念。如可见到的，从图4A到图4B，对象446已相对于透镜444的轴448移动。传感器404已相对于透镜444旋转以补偿这一相机/透镜移动。注意到，此处的附图仅仅是用于阐述，并且此处所示的附图都不旨在必要地传达任何比例和/或准确的相对定位、准确的相对角度等(并且实际上可能被一定程度的夸张)。
虽然图3、4A和4B表示沿一个旋转方向的移动，如可以理解的(并且在图5中大体表示的)，曲面传感器504的移动可以是最多三个方向上的。如图5中所表示的，在一些实施例中，传感器504可在相对于透镜的Z方向上被平移例如以补偿向前和向后相机移动，这一般仅对于非常接近的对象的成像有用。如果需要，可使用其它的平移移动(X和Y)，诸如为了纠正如上所述的透镜不一致性。
图6A是可经由传感器604附连到的曲面承载材料660实现旋转的一种方式的示例。这样的曲面承载材料660一般被用于将原本平面的传感器变形成想要的弯曲形状。图6A中解说的承载材料660位于传感器604前方，但也可如图6B中一样在传感器后方。传感器可以被例如万向安装以便旋转，或者可以各种其他方式移动，包括经由电和/或磁力。如果需要，运动可以沿着弯曲的背板(或前面板)或诸如此类，例如以非常低的摩擦特性。需要注意，曲面传感器和承载组件可以是极其轻的(例如，零点几克的数量级)并因此可以具有较高的频率响应(例如，在10Hz到100Hz的范围中)，并因此具有相对于较重的光学元件的更快的移动，这足以纠正甚至是严重的相机震动。
图6B示出位于曲面传感器604之后的承载材料661，曲面传感器604由小型压电电机P驱动作旋转移动。需要注意，压电技术已经被与例如平面传感器一起使用。
如图6C中所示，可使用不止一个这样的电机。在图6C中，四个电机a、b、c和d被放置在承载662上，并且被适当地通电以获得想要的旋转。例如，电机a和d可用组合的差分运动来使用以沿θ方向移动承载材料662，a和b在ψ方向上配对，诸如此类。
图7A-7C示出基于电磁的替代移动机构。在图7A中，南磁铁S和北磁铁N创建一个磁场。当由电、机械和/或磁力驱动时，承载材料770沿球轴承(例如示出的772和773)或其他低摩擦路径移动。
如图7B中，电流可通过电路迹线(例如，示出的776和777)，迹线包括传感器704自身上的迹线(当传感器已被通电)或者承载材料上的迹线。通过控制流过一个或多个这样的迹线的电流的量和方向，由此生成的磁场移动传感器/传感器组件。反馈可被用来将传感器/传感器组件平衡在相对精准的位置。
图7C示出另一替代实施例，其中永磁铁M被嵌入在承载780中。如可容易理解的，这一实施例通过对将电磁设备(例如线圈)激励为S和N来运作，并且尽管永磁铁的重量被加到可移动组件，但是组件上不需要额外的电流/迹线。
图8是示出可被执行以通过例如防抖动控制器来控制传感器的旋转的示例步骤的流程图，流程图开始于步骤802，此时开始图像捕捉。在图8的示例中，旋转基于与移动有关的数据，诸如实际测得的数据(例如经由陀螺仪)、来自图像处理的反馈、或两者的组合。步骤804表示接收这一移动数据。
步骤806计算抵消移动所需的(一个或多个)旋转量和方向。通常这将是在所有的三个旋转角上的移动的量。步骤808在每个方向将曲面传感器旋转适当的量。
步骤810表示例如基于曝光时间来评估捕捉图像是否完成。如果未完成，则过程返回至步骤804以继续进行防抖动调整。如果已完成，则过程结束，直到下一图像捕捉开始，例如如果捕捉视频则是下一帧。需要注意，帧之间的移动也可以类似的方式来补偿，例如在开始实际曝光之前，将步骤802处的“开始捕捉”视为相对于前一帧的防抖动操作的触发。
示例计算设备
如上所述，有利地，本文所描述的技术可应用于任何设备。因此，应当理解，构想了结合各实施例使用的包含独立相机在内的所有种类的手持式、便携式和其它计算设备和计算对象。因此，以下在图9中所述的通用远程计算机只是计算设备的一个示例。
各实施例可部分地经由操作系统来实现，以供设备或对象的服务开发者使用和/或被包括在用于执行本文中所述的各实施例的一个或多个功能方面的应用软件内。软件可以在由诸如客户机工作站、服务器或其他设备等一个或多个计算机执行的诸如程序模块等计算机可执行指令的通用上下文中描述。本领域的技术人员将理解，计算机系统具有可用于传递数据的各种配置和协议，并且由此没有特定配置或协议应当被认为是限制性的。
图9由此示出了其中可实现本文所述的各实施例的一个或多个方面(诸如防抖动纠正控制器)的计算环境900的一个示例，尽管如上所述，计算环境900仅为合适的计算环境的一个示例，并非旨在对使用范围或功能提出任何限制。另外，计算环境900也不旨在被解释为对在示例计算环境900中所例示的组件中的任何一个或其组合有任何依赖。
参照图9，用于实现一个或多个实施例的示例远程设备包括处理单元920、系统存储器930，以及将包括系统存储器的各种系统组件耦合到处理单元920的系统总线922。
环境可包括例如在集成电路芯片和/或计算机可读介质中的各种逻辑，计算机可读介质可以是能够被访问的任何可用的介质。系统存储器930可包括诸如只读存储器(ROM)和/或随机存取存储器(RAM)之类的易失性和/或非易失性存储器形式的计算机存储介质。作为示例而非限制，系统存储器930还可包括操作系统、应用程序、其他程序模块、以及程序数据。
用户可通过输入设备940来输入命令和信息。监视器或其他类型的显示设备也可经由诸如输出接口950之类的接口连接到系统总线922。除监视器之外，可通过输出接口950连接其他外围输出设备，诸如扬声器。
系统可被耦合到一个或多个远程计算机，诸如远程计算机970。远程计算机970可以是个人计算机、服务器、路由器、网络PC、对等设备或其他常见网络节点、或者任何其他远程媒体消费或传输设备，并且可包括以上所述的任何或全部元件。图9中描绘的逻辑连接包括诸如基于USB的连接之类的总线，或者无线网络连接。而且，存在实现相同或相似功能性的多种方法，例如适当的API、工具箱、驱动程序代码、操作系统、控件、独立或可下载软件对象等，它们使得应用和服务能够利用本文中提供的技术。由此，本文中的各实施例从API(或其他软件对象)的观点以及从实现如本文中描述的一个或多个实施例的软件或硬件对象构想。由此，本文中所述的各实施例可具有完全采用硬件、部分采用硬件并且部分采用软件、以及采用软件的方面。
本文中所使用的词语“示例”意味着用作示例、实例或说明。为避免疑惑，本文所公开的主题不限于这些示例。另外，在此所述的被描述为“示例”的任意方面或设计并不一定要被解释为相比其它方面或设计更优选或有利。此外，在使用术语“包括”、“具有”、“包含”和其他类似词语的程度上，为避免疑惑，这些术语旨在当用于权利要求中时以类似于术语“包括”作为开放的过渡词的方式是包含性的而不排除任何附加或其他元素。
如所述的，本文中所述的各种技术可结合硬件或软件或，在适当时，以两者的组合来实现。如本文中所使用的，术语“组件”、“模块”、“系统”等同样旨在指计算机相关实体，或者是硬件、硬件和软件的组合、软件或者是执行中的软件。例如，组件可以是但不限于在处理器上运行的进程、处理器、对象、可执行件、执行的线程、程序、和/或计算机。作为说明，在计算机上运行的应用和计算机都可以是组件。一个或多个组件可驻留在进程和/或执行的线程内，并且组件可位于一个计算机上和/或分布在两个或更多的计算机之间。
如前所述的系统已经参考若干组件之间的交互来描述。可以理解，这些系统和组件可包括组件或指定的子组件、某些指定的组件或子组件和/或附加的组件，并且根据上述内容的各种置换和组合。子组件还可作为通信地耦合到其他组件的组件来实现，而不是被包括在父组件内(层次性)。另外，应注意到一个或多个组件可被组合成提供聚集功能性的单个组件，或被分成若干单独的子组件，且诸如管理层等任何一个或多个中间层可被设置成通信耦合到这样的子组件以便提供集成功能性。本文中所述的任何组件也可与一个或多个本文中未专门描述的但本领域技术人员一般已知的其他组件进行交互。
鉴于本文所述的示例系统，可根据参考各附图的流程图还可理解根据所述的主题来实现方法。尽管为了说明简洁起见，作为一系列框示出和描述的方法，但是应当理解，各实施例不仅仅限于框的次序，因为一些框可以与本文中所描绘和描述的框不同的次序发生和/或与其他框并发地发生。尽管经由流程图示出了非顺序或分支的流程，但可以理解，可实现达到相同或类似结果的各种其他分支、流程路径和框的次序。此外，一些所示的框在实现下面所述的方法时是任选的。
结语
尽管本发明易于作出各种修改和替换构造，但其某些说明性实施例在附图中示出并在上面被详细地描述。然而应当了解，这不旨在将本发明限于所公开的具体形式，而是相反地，旨在覆盖落入本发明的精神和范围之内的所有修改、替换构造和等效方案。
除本文中所述的各实施例以外，应当理解，可使用其他类似实施例，或者可对所述实施例作出修改和添加以便执行对应实施例的相同或等效功能而不背离这些实施例。此外，多个处理芯片或多个设备可共享本文中所述的一个或多个功能的性能，并且类似地，存储可跨多个设备实现。因此，本发明不限于任何单个实施例，而是要根据所附权利要求书的广度、精神和范围来解释。

Claims (10)

1.一种用于曲面光学传感器的防抖纠正系统，包括：包括曲面传感器的相机，所述曲面传感器被配置成绕或基本上绕所述曲面传感器的曲率中心沿至少一个方向旋转，以及防抖动纠正控制器，所述防抖动纠正控制器被配置成接收对应于相机移动的输入数据，并且导致所述曲面传感器沿至少一个旋转方向的移动以纠正所述相机移动中的至少一些。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述对应于相机移动的输入数据从传感器组接收，所述传感器组包括以下的至少一者：陀螺仪或者从图像处理接收的反馈。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，进一步包括高帧率图像捕捉组件，所述高帧率图像捕捉组件提供用于所述图像处理的评估图像。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器被配置成通过向一个或多个电控电机输出驱动信号或者输出生成磁场的驱动信号或两者来沿至少一个旋转方向移动所述曲面传感器。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述曲面传感器是半球形的或基本上半球形的，并且其中所述控制器导致所述曲面传感器沿至少一个方向绕所述半球形曲面传感器的曲率中心或者基本上绕所述半球形曲面传感器的曲率中心旋转。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器被进一步配置成导致所述曲面传感器的平移移动。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述相机包括提供在所述曲面传感器的任意一个定位处的相对于所述曲面传感器的图像捕捉区域的额外的视场的透镜。
8.一种用于曲面光学传感器的防抖纠正的方法，包括，接收与移动有关的数据，基于所述与移动有关的数据来计算旋转量和旋转方向，以及基于所述旋转量和旋转方向绕曲面传感器的曲率中心旋转所述曲面传感器。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，接收所述与移动有关的数据包括接收传感器组所感测的数据，或者接收反馈数据，或者既接收传感器组所感测的数据又接收反馈数据。
10.一种用于曲面光学传感器的防抖纠正的相机，包括，被配置成相对于透镜旋转的曲面传感器，所述透镜具有在所述曲面传感器的任意一个定位处比所述曲面传感器的图像捕捉区域更大的视场，以及控制器，所述控制器被配置成接收对应于相机移动的与移动有关的数据以及调整所述曲面传感器的定位，调整包括绕所述曲面传感器的曲率中心沿至少一个旋转方向旋转所述曲面传感器以补偿所述相机移动。
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