CN105323527B - 用于时移视频的曝光计量的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及用于时移视频的曝光计量的系统和方法。描述了用于获取并且处理时移视频的技术和设备。所述技术在每个获取时间使用包围曝光来提供多个图像。所述多个图像中的图像被选为使得从所选图像编码的时移视频中的闪烁最小化。

Description

用于时移视频的曝光计量的系统和方法
相关申请的交叉引用
本公开涉及申请号为14/292,316、标题为“Systems and Methods for TimeLapse Video Acquisition and Compression”、代理人案号为P23505US1(119-0811US1)的共同转让的美国专利申请的主题，该申请于2014年5月30日提交(“‘316申请”)。
技术领域
本公开总地涉及视频捕捉领域，更具体地讲，涉及获取时移(timelapse)视频时的曝光计量。
背景技术
便携式集成计算设备的出现引起了照相机和视频设备的广泛激增。这些集成计算设备常采取智能电话或平板的形式，通常包括通用计算机、照相机、包括触摸敏感屏幕的复杂用户界面、以及通过WiFi、LTE、HSDPA和其他基于蜂窝的技术或无线技术的无线通信能力。这些集成设备的广泛激增提供了使用该设备执行任务的能力的机会，这些任务否则将需要专用的硬件和软件。例如，如以上所指出的，集成设备，诸如智能电话和平板，通常具有一个或多个嵌入照相机。这些照相机通常相当于可以通过通用计算机使用固件和/或软件(例如，“App”)以及包括触摸屏固定按钮和非触摸式控件(诸如语音控件)的用户界面进行控制的透镜/照相机硬件模块。
照相机集成到通信设备(诸如智能电话和平板)中使得人们能够以以前永不可能的方式分享图像和视频。现在，获取照片并且立即通过经由文本消息、SMS或电子邮件发送照片或者通过将照片上传到基于互联网的网站(诸如社交网站或照片共享网站)来与其他人分享照片是非常流行的。
在一些情况下希望的是，在跨越几分钟直至几天的时间段的非常长的时间段捕捉视频，并且加速这些视频的回放以使得观看者可以看见在短时间跨度(比如说二十至四十秒)发生的所有动作。这常被称为时移视频。因此，需要动态地加速时移视频的回放、同时仍然生成具有令人愉悦的样子的视频的方法。
发明内容
本文中公开了用于获取时移视频的设备和方法。在时移视频中，图像是以低于它们的回放帧率的帧率捕捉的(通常用每秒帧“fps”表达)。以高于被捕捉的帧的捕捉速率的速率回放这些帧导致大多数人熟悉的时移效果。例如，盛开的花的图像可能是在几天或几星期的时间段以每小时一帧的帧率捕捉的。当以30fps的速率回放这些图像时，花将表现为在大约几秒之内盛开。同样地，日落可能是以每分钟几帧的帧率记录，并且以正常帧率回放，以提供整个日落的20秒片段。
当在延长时间段获取图像时，诸如周围光的条件可能改变。例如，在花的例子中，周围光随着一天过去而改变，并且某些天可能比其他天更亮。许多照相机包括自动曝光(AE)特征，AE特征自动地基于光条件设置曝光参数，诸如快门速度、光圈设置、图像传感器灵敏度、白平衡等。照相机的AE特征调整视频图像拍摄期间的曝光参数以将周围条件的变化考虑在内。当以正常帧率，例如，30fps拍摄时，周围条件在随后的图像之间通常不会改变很多，因为随后的图像之间的持续时间太短。因此，在随后的图像之间仅需要对曝光参数进行小增量调整。
当记录时移视频时，图像的获取不太频繁，并且周围条件在随后的图像之间可能改变很多。因此，照相机的AE功能可能在随后的图像之间更大地改变曝光参数。当以高帧率回放具有明显不同的曝光参数的顺序图像时，被称为闪烁的闪光状伪像可能被引入到回放的视频中。
本文中所描述的方法和设备减小或阻止时移视频中的闪烁效果。所述方法涉及对于每个捕捉时间捕捉一个图像集合(bracket)，每个图像具有不同的曝光值。一旦在整个持续时间捕捉到图像，就从每个集合选择单张图像，并且将这些图像编码以形成时移视频。每个集合中的图像被选为最小化图像之间的曝光参数的突然变化，从而最小化时移视频中的闪烁。
附图说明
图1例示视频记录期间的变化的光条件和变化的相对曝光值。
图2例示所计算的时移视频记录期间的相对曝光变化。
图3例示在每个获取时间使用包围曝光(exposure bracket)来选择具有局部类似的曝光值的图像以提供没有闪烁并且曝光变化平滑的时移视频。
图4例示用于捕捉并且处理时移视频的示例性电子设备。
具体实施方式
公开了提供使一个或多个处理单元记录时移视频的指令的系统、方法和程序存储设备。本文中所公开的技术适用于任何数量的具有显示器的电子设备：诸如数字照相机、数字摄像机、移动电话、个人数字助理(PDA)、便携式音乐播放器、监视器、以及当然，台式、膝上型和平板计算机显示器。
在以下描述中，为了说明的目的，阐述了许多特定细节，以便提供本发明构思的透彻理解。作为该描述的一部分，本公开的一些附图以框图形式表示结构和设备，以便避免模糊本发明。为了清晰，并非实际实现的所有特征都在本说明书中描述。而且，本公开中所使用的语言主要是出于可读性和指导的目的而选择的，可能未被选为描写或界定本发明主题，依赖于权利要求是确定这样的发明主题所必要的。本公开中对于“一个实施例”或“实施例”的论述意指，结合该实施例描述的特定的特征、结构或特性被包括在本发明的至少一种实现中，并且对于“一个实施例”或“实施例”的多个论述不应被理解为必定全都指的是同一个实施例。
将意识到在任何实际实现的开发中(如任何开发计划中)，必需做出实现开发者的特定目标(例如，与系统相关约束和业务相关约束的兼容性)的许多决策，并且这些目标在不同实现中可以变化。还将意识到，这样的开发工作可能是复杂的、耗时的，但是尽管如此，却将是本领域的普通技术人员在设计受益于本公开的图像处理系统的实现时承担的日常工作。
时移通过以快于一系列图像的获取速率(在本文中称为“获取帧率”)的帧率(在本文中称为“回放帧率”)回放这些图像来实现。为了下面的讨论，回放帧率将总是被假定为30fps，但是回放可以以任何速率，例如60fps。作为例子，以15fps的获取帧率捕捉源视频40秒得到600个图像。以30fps的回放帧率回放这600个图像得到20秒的时移视频。为了创建跨越更长持续时间的事件的20秒时移视频，需要更慢的获取帧率。例如，以7.5fps的获取帧率捕捉源视频80秒得到600个图像，这600个图像可以以30fps回放以提供20秒的时移视频。从48小时获取的源视频生成20秒的时移视频将要求大约每五分钟获取一帧(再次，假定30fps回放速率)。
如果因为用户不能知道提供构成时移片段的适当数量的图像需要什么获取帧率，所以他们不会提前知道他们将获取多久的源视频，则出现问题。该问题的解决方案是，以足够高的帧率获取源视频，然后，当获取完成时，根据需要丢弃帧以得到适当的“有效帧率”。例如，将源视频的40秒片段缩减为20秒的时移视频的方法将是：(1)以30fps的获取帧率获取源视频40秒，得到1200个图像；(2)丢弃一半图像(例如，每隔一个图像丢弃)，得到总共600个图像；以及(3)以30fps回放剩余的600个图像，得到20秒的时移视频。因为一半图像被丢弃，所以获取帧率“有效地”为15fps，即使视频实际上是以30fps获取的。因此，术语“有效获取帧率”在本文中用于指代剩余的图像的数量除以真实获取时间。当以30fps回放时，视频中的动作将表现为以“逼真”动作两倍的速度移动。为了从较长源视频片段创建20秒的时移视频，将必须丢弃更多图像。例如，以30fps记录的80秒的源视频将得到2400个图像。丢弃这些图像中的1800个图像(即，每四个图像保存一个)将留下600个图像，再次提供用于以30fps回放的20秒的时移视频。随着获取源视频的时间长度增长，为了得到时移视频而将被丢弃的图像的数量也增加。
与本申请同时提交的共有的专利申请No.14/292,316描述了用于获取并且处理时移视频的自适应算法。专利申请No.14/292,316的整个内容通过引用并入本文。简要地说，该算法通过如下的方式工作，即，周期性地丢弃所获取的图像的一部分，并且当图像需要时移回放时，还周期性地降低获取帧率。例如，获取可以以30fps的获取帧率进行40秒，得到1200个图像。此时，丢弃这些图像中的一半，留下留存的600个图像(即，提供15fps的有效获取帧率)。也是在此时，真实获取帧率从30fps降至15fps。图像以15fps获取，并且与最初收集的600个图像一起存储。一旦保存的图像的总数达到1200个，所述处理就重复。再次，丢弃这些图像中的一半，留下600个留存的图像，现在有效获取帧率为7.5fps。真实获取帧率再次降至与有效获取帧率匹配，并且获取继续进行。该自适应算法得到多个图像，每个图像均具有相同的有效获取帧率，并且帧率根据捕捉图像的时间长度自适应地调整。该方法使得即使用户不会提前知道源视频将有多久，用户也可以捕捉用于时移回放的源视频。
上述自适应调整的结果是最终的图像序列一开始是不可预测的。换句话说，即使图像是按顺序获取的，也不能提前知道哪些图像将被丢弃以及哪些将被留存。因此，最终的图像序列以及最终的有效帧率一开始是未知的。例如，考虑被记录为一系列图像1,2,3,4,5,6,7,8,9,…的源视频。在自适应算法多次迭代之后，剩余的图像可以是1,5,9,…。图像1和5在最终的一组图像中将是顺序的事实不能从一开始就被预测到。
因为有效帧率和将构成最终的时移视频的实际图像的身份事先是不知道的，所以在获取时对每个图像选择最佳的曝光值是不可能的。下面将说明困难的原因。本文中所描述的用于调整曝光值的方法理想上适合于与专利申请No.14/292,316中所描述的自适应算法一起使用，其中，有效获取帧率直到获取完成都是未知的。
图1用曲线图例示在虚线101所表示的周围光强度随着时间的过去逐渐降低的情况下在时移视频获取期间变化的周围条件和自动曝光参数。例如，用户可能正在获取日落的时移图像。时间在水平轴上表示。通常，周围光条件不会突然地变化，所以虚线101基本上是平滑的且连续的。
实线104表示通过照相机的AE特征确定的相对曝光。“EV”代表曝光值，并且表示照相机的快门速度、光圈和传感器灵敏度的组合。EV0是通过照相机的AE算法计算的提供最佳图像质量的EV值。当周围光强度降低时，照相机的AE算法计算补偿较低的光强度的较高的曝光值(EV)。照相机的AE算法的细节对于理解所公开的时移方法不是关键的。而且，AE方法在本领域中是已知的。简要地说，照相机的传感器对图像进行采样，照相机的处理器对该图像的部分进行分析，并且基于这些位置计算该图像的平均亮度(AEavg)。AE算法调整照相机的EV值，尝试使AEavg维持在目标值AETarget。然而，调整不是瞬时的。由于美观原因和技术原因两个原因，参数收敛到所计算的EV0值需要时间量，该时间量被称为收敛时间(tc)。当图像是以用于视频回放的高帧率获取的时，tc值限制EV值在帧之间可以变化的量。结果，当照明条件变化时，真实EV值趋向于落后于目标。因为光强度不会时时刻刻显著变化，所以相对曝光值也不会时时刻刻显著变化。在高获取帧率下，所计算的EV0值通常不会在图像之间突然变化。因此，实线104通常也是平滑的且连续的曲线。
然而，当有效帧率较低时，情况可能是不同的。考虑具有有效获取帧率(R)和相关联的图像捕捉时间间隔(图像捕捉之间的时间)T＝1/R(102)的一组图像。图1例示了T＝Tc-Td(分别为103c和103d)。如所示，与变化的光强度和变化的所计算的EV0相比，时间间隔长。如上述自适应算法中那样，当有效获取帧率低和/或在Tc和Td之间的时间捕捉的图像已经被丢弃时，情况可能如此。在这些情况下，所计算的随后的图像捕捉之间的EV0值可能突然变化。如图2中所示，描述这些EV0值的函数201不是连续的，而是阶跃函数，并且随后的帧之间的EV0的变化可能相当大，因为在其上EV0值将逐渐调整的居间图像是不存在的。例如，图2中从EV0c到EV0d的变化是相当突然的。当图像以高速回放时，EV0值的突然变化导致以上提及的闪烁效果。
图3例示了减小由图像之间的EV0值的显著变化引起的闪烁效果的方法。在每个获取时间tn，获取一个图像集合。该集合的每个图像是使用不同的EV获取的，得到具有不同的相对曝光301的一组图像。例如，一个图像可能是使用所计算的EV0值获取的，该集合中的其他图像可能是使用大于和小于所计算的EV0值获取的。与一个集合的五个图像相应的一个集合的五个EV值301在图3中例示。然而，该集合可以包括任何数量的图像，但需要说明的是，图像的数量由所述设备的存储容量限制。
一旦图像获取完成，就对集合中的图像进行分析，并且从每个集合选择图像来构成时移视频片段。图像基于图像质量而选择，诸如平均亮度AEAvg。AEAvg值被选为得到如下的图像序列，即，当这些图像以高帧率回放时，对于这些图像，闪烁效果减小或消除。此外，额外的增益可应用以补偿相邻图像之间的任何残差。如果缩减集合中的图像的数量以降低存储要求，则该技术是必要的。
在图3中，曲线302是与每个EV0值相应的阶跃函数(即，图2中表示为201的相同的曲线)。曲线303是通过从每个集合选择图像以最小化相邻图像之间的所选EV值的变化而绘制的。从与曲线303相应的图像编码的视频的闪烁小于从与曲线302相应的图像编码的视频。
给定具有一定范围EV值的一组多个图像集合，实现用于从每个集合选择图像来呈现时移视频的算法是在本领域的技术人员的能力内。一种简单的算法是，对每个图像的AEAvg进行分析，然后从每个集合选择提供图像之间的AEAvg的最平滑拟合的图像。替代方法可以基于有效收敛时间tc，该时间是基于视频的回放速率计算得到的。有效收敛时间可以被指定为最终的一组图像回放期间的图像之间的最大曝光变化，或者被指定为在场景中的照明条件变化之后在回放中曝光到达其目标的时间量。例如，如果回放速率将是30fps，则回放期间的帧之间的间隔T将是大约30msec。所述算法将试图选择满足所指定的有效收敛时间准则的图像。如果集合中的多个图像可以满足该准则，则具有最接近于所计算的AETarget的AEAvg值的图像可以被选择。
应指出，本文中所描述的方法可以基于除了AE(和EV)值之外的图像参数来实现。例如，这些方法可以用于优化图像参数，诸如颜色值、白平衡、焦点等。
一旦从每个集合选择了适当的图像，就根据视频编码格式(诸如MPEG格式之一)将这些图像编码为电影片段。将意识到，如本领域中已知的，可以使用其他的编码格式，诸如HEVC、Dirac、RealVideo等。
图4是示意性地例示用于执行本文中所描述的方法的装置的实施例的框图。电子设备400可以包括处理器405、显示器410、用户接口415、图形硬件220、设备传感器225(例如，接近传感器/周围光传感器、加速计和/或陀螺仪)、麦克风430、音频编解码器(一个或多个)435、扬声器(一个或多个)440、通信电路445、数字图像捕捉单元450、视频编解码器(一个或多个)455、存储器460、储存器465以及通信总线470。电子设备400可以例如是个人数字助理(PDA)、个人音乐播放器、移动电话、或笔记本、膝上型或平板计算机系统。
处理器405可以执行实施或控制由设备400执行的许多功能的操作所必需的指令。处理器405可以例如驱动显示器410，并且从用户接口415接收用户输入。用户接口415可以采取各种形式，诸如按钮、小键盘、转盘、点击式触控轮、键盘、显示屏幕和/或触摸屏。处理器405可以是片上系统，诸如可见于移动设备中的那些片上系统，并且包括专用的图形处理单元(GPU)。处理器405可以基于精简指令集计算机(RISC)或复杂指令集计算机(CISC)架构、或者任何其他的合适的架构，并且可以包括一个或多个处理核。图形硬件420可以是用于处理图形和/或帮助处理器405处理图形信息的特殊用途的计算硬件。在一个实施例中，图形硬件420可以包括可编程图形处理单元(GPU)。
传感器和照相机电路系统450可以捕捉静态图像和视频图像，这些图像可以根据本公开进行处理来产生图像。照相机电路450的输出可以至少部分由视频编解码器(一个或多个)455和/或处理器405和/或图形硬件420、和/或合并在电路450内的专用的图像处理单元进行处理。如此捕捉的图像可以存储在存储器460和/或储存器465中。存储器460可以包括被处理器405、图形硬件420和图像捕捉电路系统450使用以执行设备功能的一种或多种不同类型的介质。例如，存储器460可以包括存储器高速缓存、只读存储器(ROM)、和/或随机存取存储器(RAM)。储存器465可以存储媒体(例如，音频、图像和视频文件)、计算机程序指令或软件、偏好信息、设备配置文件信息、以及任何其他的合适的数据。储存器465可以包括一个或多个非暂态存储介质，包括，例如，磁盘(固定的、软性的和可移动的)和带、光学介质(诸如CD-ROM和数字视频盘(DVD))、以及半导体存储器件(诸如电可编程只读存储器(EPROM)和电可擦式可编程只读存储器(EEPROM))。存储器460和储存器465可以用于保存组织到一个或多个模块中并且用任何期望的计算机编程语言编写的计算机程序指令或代码。当被例如处理器405执行时，这样的计算机程序代码可以实现本文中所描述的方法中的一种或多种。
再次参照图3，每个图像集合中的每个图像通常根据图像压缩方法(诸如JPEG压缩)被保存。因为在自适应时移图像捕捉方法操作期间的各个时间，哪些图像将是该操作结束时的最终的一组图像不是预定的，所以通常直到拍摄完成并且最终的一组图像被确定之前难以开始编码视频。就这点而论，图像通常在它们被收集时就被写到储存器465。以30fps的帧率提供20秒的视频需要600个图像；40秒的视频需要1200个图像。使用本文中所描述的包围方法，这些图像中的每个图像均选自一个图像集合。如果每个集合均包含五个图像，则必需保存3000个图像，以便构成20秒的时移视频。因此，图像通常在它们被获取时就被保存到储存器465，而不是将这些图像保存在存储器460中。
一旦操作图像捕捉停止，就根据视频编码格式(诸如MPEG格式之一)将存储的图像编码为电影片段。将意识到，如本领域中已知的，可以使用其他的编码格式，诸如HEVC、Dirac、RealVideo等。
要理解，以上描述的意图是例示性的，而非限制性的。该资料是为了使得本领域的技术人员能够做出并且使用要求保护的本发明而提供的，并且是在特定实施例的上下文中提供的，这些实施例的变型对于本领域的技术人员将是容易明白的(例如，所公开的一些实施例可以彼此组合使用)。另外，将理解，本文中认定的操作中的一些可以按不同次序执行。本发明的范围因此应参照所附权利要求书、连同这样的权利要求书有权享有的等同形式的整个范围来确定。在所附权利要求书中，术语“包括”和“在其中”用作相应术语“包含”和“其中”的易懂英语的等同形式。

Claims (20)

1.一种图像处理装置，包括：
第一获得单元，所述第一获得单元被配置为获得第一次获取的第一多个数字图像，所述第一多个数字图像中的每个图像使用获取参数的不同值而被获取；
第一选择单元，所述第一选择单元被配置为从所述第一多个数字图像选择第一图像，所述第一图像具有最接近于第一预定目标图像质量值的图像质量值；
第二获得单元，所述第二获得单元被配置为获得第二次获取的第二多个数字图像，所述第二多个数字图像中的每个图像使用所述获取参数的不同值而被获取；
第二选择单元，所述第二选择单元被配置为从所述第二多个数字图像选择第二图像，所述第二图像具有最接近于第二预定目标图像质量值的图像质量值；和
组合单元，所述组合单元被配置为将所选的第一图像和所选的第二图像组合为时移视频。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述获取参数是曝光值(EV)。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述第一多个数字图像包括：
使用等于EV0的EV获取的图像，其中，EV0是由自动曝光机构计算的；
使用大于EV0的EV获取的至少一个图像；和
使用小于EV0的EV获取的至少一个图像。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述获取参数是白平衡。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，第一预定目标图像质量值和第二预定目标图像质量值被选为最小化相邻图像之间的获取参数值的变化，以便使得所述时移视频中的闪烁最小化。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一多个数字图像和第二多个数字图像均包括至少五个图像。
7.根据权利要求1所述的装置，还包括照相机和调整单元，所述调整单元被配置为引起所述第一多个数字图像和所述第二多个数字图像之间的所述获取参数的调整。
8.一种计算机实现方法，包括：
第一次获取第一多个数字图像，所述第一多个数字图像中的每个图像使用获取参数的不同值而被获取；
第二次获取第二多个数字图像，所述第二多个数字图像中的每个图像使用所述获取参数的不同值而被获取；
计算用于第一次的第一目标图像质量值和用于第二次的第二目标图像质量值；
从所述第一多个数字图像选择具有最接近于所计算的第一目标图像质量值的图像质量值的第一图像，并且从所述第二多个数字图像选择具有最接近于所计算的第二目标图像质量值的图像质量值的第二图像；和
将所选的第一图像和所选的第二图像组合为时移视频。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述获取参数是曝光值(EV)。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述第一多个数字图像包括：
使用等于EV0的EV获取的图像，其中，EV0由自动曝光机构计算；
使用大于EV0的EV获取的至少一个图像；和
使用小于EV0的EV获取的至少一个图像。
11.根据权利要求8所述的方法，其中，第一目标图像质量值和第二目标图像质量值被选为最小化相邻图像之间的获取参数值的变化，以便使得所述时移视频中的闪烁最小化。
12.根据权利要求8所述的方法，其中，所述获取参数是白平衡。
13.根据权利要求8所述的方法，其中，所述第一多个数字图像和第二多个数字图像均包括至少五个图像。
14.一种电子设备，包括：
图像传感器；
存储器，所述存储器操作地耦合到所述图像传感器；和
至少一个处理器，所述处理器操作地耦合到所述存储器和图像传感器，其中，所述至少一个处理器被编程为：
第一次获取第一多个数字图像，所述第一多个数字图像中的每个图像使用获取参数的不同值而被获取；
第二次获取第二多个数字图像，所述第二多个数字图像中的每个图像使用所述获取参数的不同值而被获取；
计算用于第一次的第一目标图像质量值和用于第二次的第二目标图像质量值；
从所述第一多个数字图像选择具有最接近于所计算的第一目标图像质量值的图像质量值的第一图像，并且从所述第二多个数字图像选择具有最接近于所计算的第二目标图像质量值的图像质量值的第二图像；和
将所选的第一图像和所选的第二图像组合为时移视频。
15.根据权利要求14所述的电子设备，其中，所述获取参数是曝光值(EV)。
16.根据权利要求15所述的电子设备，其中，所述第一多个数字图像包括：
使用等于EV0的EV获取的图像，其中，EV0由自动曝光机构计算；
使用大于EV0的EV获取的至少一个图像；和
使用小于EV0的EV获取的至少一个图像。
17.根据权利要求14所述的电子设备，其中，所述第一目标图像质量值和第二目标图像质量值被选为最小化相邻图像之间的获取参数值的变化，以便使得所述时移视频中的闪烁最小化。
18.根据权利要求14所述的电子设备，还包括视频编码器。
19.根据权利要求14所述的电子设备，其中，所述获取参数是白平衡。
20.根据权利要求14所述的电子设备，其中，所述第一多个数字图像和第二多个数字图像均包括至少五个图像。
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