CN112672024B - 视频支持和切换/无切换动态控制的双孔径变焦摄影机 - Google Patents

视频支持和切换/无切换动态控制的双孔径变焦摄影机 Download PDF

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CN112672024B CN202011575484.4A CN202011575484A CN112672024B CN 112672024 B CN112672024 B CN 112672024B CN 202011575484 A CN202011575484 A CN 202011575484A CN 112672024 B CN112672024 B CN 112672024B
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Abstract

本发明涉及既可以操作在静止模式下也可以操作在视频模式下的双孔径变焦数字摄影机。所述摄影机包括广角和长焦成像部分，所述广角和长焦成像部分具有对应的透镜/传感器组合、图像信号处理器以及分别耦合到广角和长焦成像部分的摄影机控制器。广角和长焦成像部分提供对应的图像数据。所述控制器被配置成在较低变焦因数(ZF)数值与更高ZF数值之间的焦距拉近操作中输出变焦视频输出图像，所述变焦视频输出图像取决于是否满足无切换标准而只包括广角图像数据或只包括长焦图像数据。

Description

视频支持和切换/无切换动态控制的双孔径变焦摄影机
本申请为申请号201680044886.7(PCT申请号为PCT/IB2016/053803)、申请日2016年06月26日、发明名称“具有视频支持和切换/无切换动态控制的双孔径变焦摄影机”的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请要求2015年8月13日提交的美国临时专利申请号62/204,667的优先权，所述申请通过引用的方式被明确地全文合并在本文中。
技术领域
本文中所公开的实施例总体上涉及数字摄影机，并且特别涉及具有视频能力的变焦数字摄影机。
背景技术
数字摄影机模块当前正被合并到多种寄主设备中。这样的寄主设备包括蜂窝电话、个人数字助理(PDA)、计算机等等。针对寄主设备中的数字摄影机模块的消费者需求正在持续增长。
寄主设备制造商希望数字摄影机模块的尺寸较小，从而可以在不增大寄主设备的总体尺寸的情况下将数字摄影机模块合并到其中。此外，对于这样的摄影机具有更高性能特性的需求也在不断增加。许多更高性能摄影机(例如独立式数字静止摄影机)所具有的一项此类特性是改变摄影机的焦距以便增大和减小图像的放大率的能力。这种能力通常是利用变焦透镜实现的，并且被称作光学变焦。“变焦(zoom)”通常被理解成通过改变光学系统的焦距而提供相同场景和/或对象的不同放大率的能力，其中更高的变焦水平与更高的放大率相关联，并且较低的变焦水平与较低的放大率相关联。光学变焦通常是通过将透镜单元相对于彼此机械地移动而实现的。与固定焦距透镜相比，这样的变焦透镜通常更加昂贵、更大并且可靠性更低。用于近似变焦效果的一种替换的方法是利用所谓的数字变焦而实现的。对于数字变焦，取代改变透镜的焦距，摄影机中的处理器对图像进行裁剪并且在所捕获的图像的像素之间进行内插，从而产生经过放大的但是分辨率更低的图像。
使用多孔径成像系统来近似变焦透镜的效果的尝试是已知的。多孔径成像系统(其例如被实施在数字摄影机中)包括多个光学子系统(其也被称作“摄影机”)。每一个摄影机包括一个或多个透镜以及/或者其他光学单元，其定义孔径从而使得所接收到的电磁辐射由所述光学子系统成像，并且将所得到的图像导向二维(2D)像素化图像传感器区段。图像传感器(或者简称作“传感器”)区段被配置成接收图像，并且基于所述图像生成一个图像数据集合。数字摄影机可以被对准以接收与具有包括一个或多个对象的给定集合的场景相关联的电磁辐射。所述图像数据集合可以被表示成数字图像数据，正如本领域内所熟知的那样。在后面的描述中，“图像”、“图像数据”和“数字图像数据”可以被互换使用。此外，“对象”和“场景”可以被互换使用。本文中所使用的术语“对象”是被成像到图像中的点或像素的真实世界中的实体。
例如在美国专利公开号2008/0030592、2010/0277619和2011/0064327中描述了多孔径成像系统和相关联的方法。在US2008/0030592中，两个传感器被同时操作以便捕获通过相关联的透镜所成像的图像。传感器及其相关联的透镜形成透镜/传感器组合。所述两个透镜具有不同的焦距。因此，尽管每一个透镜/传感器组合被对准成朝向相同的方向，但是每一个组合通过两个不同的视场(FOV)捕获相同主体的图像。一个传感器通常被称作“广角(Wide)”，另一个被称作“长焦(Tele)”。每一个传感器提供单独的图像，其分别被称作“广角”(或“W”)和“长焦”(或“T”)图像。与T图像相比，W图像反映出更宽的FOV并且具有较低的分辨率。所述图像随后被缝合(融合)在一起，从而形成复合(“融合”)图像。在复合图像中，中心部分由通过具有更长焦距的透镜/传感器组合取得的相对更高分辨率图像形成，外围部分由通过具有较短焦距的透镜/传感器组合取得的相对较低分辨率图像的外围部分形成。用户选择期望的变焦数量，并且使用复合图像对来自所选择的变焦数量的数值进行内插，以便提供对应的变焦图像。在视频模式下，除了高帧率要求和高功率消耗之外，US2008/0030592所给出的解决方案还要求非常多的处理资源(这是因为全部两个摄影机都处于完全操作状态)。
US2010/0277619教导了一种具有两个透镜/传感器组合的摄影机，所述两个透镜具有不同的焦距，从而使得来自其中一个组合的图像具有近似来自另一个组合的图像的2-3倍大的FOV。随着摄影机的用户请求给定的变焦数量，从具有大于所请求的FOV的下一个FOV的透镜/传感器组合提供经过变焦的图像。因此，如果所请求的FOV小于较小的FOV组合，则从通过该组合捕获的图像产生经过变焦的图像，并且在必要时使用裁剪和内插。类似地，如果所请求的FOV大于较小的FOV组合，则从通过另一个组合捕获的图像产生经过变焦的图像，并且在必要时使用裁剪和内插。当在视频模式下移动到长焦摄影机时，US2010/0277619所给出的解决方案导致视差伪像。
在US2008/0030592和US2010/0277619全部二者中，不同焦距的系统导致使用CMOS传感器在不同的时间暴露出匹配的长焦和广角FOV。这样就降低了总体图像质量。不同的光学F数(“F#”)导致图像强度差异。利用这样的双传感器系统进行工作需要双倍带宽支持，也就是从传感器到后续硬件组件的附加连线。US2008/0030592和US2010/0277619都没有解决配准误差。
US2011/0064327公开了多孔径成像系统和用于图像数据融合的方法，其中包括提供分别对应于所成像的第一和第二场景的第一和第二图像数据集合。所述场景至少部分地在重叠区段中重叠，从而定义作为第一图像数据集合的一部分的重叠图像数据的第一总集，以及作为第二图像数据集合的一部分的重叠图像数据的第二总集。重叠图像数据的第二总集被表示成多个图像数据摄影机，从而使得每一个摄影机是基于第二总集的至少一项特性，并且每一个摄影机跨越所述重叠区段。通过至少基于所选择的其中一个但是少于所有的图像数据摄影机修改重叠图像数据的第一总集，由图像处理器产生图像数据的融合集合。在本申请中所公开的系统和方法仅仅应对融合的静止图像。
已知的现有技术参考文献都没有提供具有固定焦距透镜的纤薄(例如装配在蜂窝电话中)双孔径变焦数字摄影机，所述摄影机被配置成既能操作在静止模式下也能操作在视频模式下以便提供静止和视频图像，其中摄影机配置在视频模式下不使用任何融合来提供连续、平滑的变焦。
因此，所需要的并且有利的将是具有不会遭受通常所遇到的问题和缺点(前面列出了其中的一些)的纤薄数字摄影机，其具有光学变焦并且既能操作在视频模式下也能操作在静止模式下。
发明内容
本文中所公开的实施例教导了双孔径(其也被称作双透镜或两传感器)光学变焦数字摄影机的使用。所述摄影机包括两个摄影机，即广角摄影机和长焦摄影机，每一个摄影机包括固定焦距透镜、图像传感器和图像信号处理器(ISP)。长焦摄影机是更高变焦摄影机，广角摄影机是较低变焦摄影机。在一些实施例中，长焦透镜的厚度/有效焦距(EFL)比值小于大约1。所述图像传感器可以包括两个分开的2D像素化传感器或者被划分成至少两个区域的单个像素化传感器。所述数字摄影机既可以操作在静止模式下也可以操作在视频模式下。在视频模式下，在一些实施例中通过在W和T图像之间进行切换以便缩短计算时间要求，在“没有融合”的情况下实现光学变焦，从而允许高视频速率。为了避免视频模式中的不连续，所述切换包括应用附加的处理块，这在一些实施例中包括图像伸缩和偏移。在一些实施例中，当满足无切换标准时，在无需切换的情况下在视频模式中实现光学变焦。
本文中所使用的术语“视频”指的是通过一系列画面(图像)捕获运动的任何摄影机输出，而不是冻结运动的“静止模式”。蜂窝电话和智能电话中的“视频”的实例包括“视频模式”或“预览模式”。
为了达到光学变焦能力，由每一个摄影机捕获(抓取)相同场景的不同放大率图像，从而导致两个摄影机之间的FOV重叠。在静止模式下，在所述两幅图像上应用处理，以便融合并且输出一幅融合图像。根据用户变焦因数请求对所述融合图像进行处理。作为融合规程的一部分，可以在其中一幅或全部两幅所抓取的图像上应用上采样，以便将其伸缩到由长焦摄影机抓取的图像或者伸缩到由用户定义的尺度。可以仅对传感器的其中一些像素应用融合或上采样。如果输出分辨率小于传感器分辨率，则也可以实施下采样。
本文中所公开的摄影机和相关联的方法解决并且纠正了已知的双孔径光学变焦数字摄影机的许多问题和缺点。所述摄影机和相关联的方法提供了一种涉及所有方面的总体变焦解决方案：光学装置、算法处理以及系统硬件(HW)。
在双孔径摄影机像平面中，正如每一个摄影机(和对应的图像传感器)所看到的那样，给定的对象将发生偏移并且具有不同的透视(形状)。这被称作视点(POV)。系统输出图像可以具有任一幅摄影机图像的形状和位置，或者具有其组合的形状或位置。如果输出图像保留了广角图像形状，则其具有广角透视POV。如果其保留了广角摄影机位置，则其具有广角位置POV。这一点对于长焦图像位置和透视同样适用。在本说明书中所使用的透视POV可以是广角或长焦摄影机的透视POV，而位置POV则可以在广角与长焦摄影机之间连续地偏移。在融合图像中，有可能把长焦图像像素配准到广角图像像素内的匹配像素集合，在这种情况下，输出图像将保留广角POV(“广角融合”)。或者，有可能把广角图像像素配准到长焦图像像素内的匹配像素集合，在这种情况下，输出图像将保留长焦POV(“长焦融合”)。还有可能在任一幅摄影机图像被偏移之后实施所述配准，在这种情况下，输出图像将保留对应的广角或长焦透视POV。
在一个示例性实施例中，提供一种变焦数字摄影机，包括：广角成像部分，其包括具有广角FOV的固定焦距广角透镜和广角传感器，所述广角成像部分适于提供对象或场景的广角图像数据；长焦成像部分，其包括具有比广角FOV更窄的长焦FOV的固定焦距长焦透镜和长焦传感器，所述长焦成像部分适于提供对象或场景的长焦图像数据；以及适于耦合到广角和长焦成像部分的摄影机控制器，所述摄影机控制器被配置成对通过来自广角和长焦图像数据全部二者的输入所确定的无切换标准进行评估，并且如果满足无切换标准则输出变焦视频输出图像，所述变焦视频输出图像在较低变焦因数(ZF)数值与更高ZF数值之间的焦距拉近操作中只包括广角图像数据。
在一个示例性实施例中，提供一种用于使用数字摄影机获得对象或场景的变焦图像的方法，包括以下步骤：在数字摄影机中提供广角成像部分，其包括具有广角FOV的广角透镜和广角传感器，提供长焦成像部分，其包括具有比广角FOV更窄的长焦FOV的长焦透镜和长焦传感器，以及提供适于耦合到广角和长焦成像部分的摄影机控制器，并且对摄影机控制器进行配置，从而对通过来自广角和长焦图像数据全部二者的输入所确定的无切换标准进行评估，并且如果满足无切换标准则输出变焦视频输出图像，所述变焦视频输出图像在较低ZF数值与更高ZF数值之间的焦距拉近操作中只包括广角图像数据。
在一些示例性实施例中，所述无切换标准包括通过全局配准计算的广角与长焦图像之间的偏移，所述偏移大于第一阈值。
在一些示例性实施例中，所述无切换标准包括通过全局配准计算的视差范围，所述视差范围大于第二阈值。
在一些示例性实施例中，所述无切换标准包括长焦图像的有效分辨率低于广角图像的有效分辨率。
在一些示例性实施例中，所述无切换标准包括广角和长焦图像中的若干相应特征小于第三阈值。
在一些示例性实施例中，所述无切换标准包括在广角和长焦图像的重叠区域中成像的大多数对象被计算成比第一阈值距离更靠近摄影机。
在一些示例性实施例中，所述无切换标准包括在广角和长焦图像的重叠区域中成像的一些对象被计算成比第二阈值距离更近，而在广角和长焦图像的重叠区域中成像的其他对象则被计算成比第三距离阈值更远。
在一些示例性实施例中，所述摄影机控制器包括用于接收用户输入的用户控制模块，以及用于基于用户输入配置每一个传感器采集广角和长焦图像数据的传感器控制模块。
在一些示例性实施例中，所述用户输入包括变焦因数、摄影机模式和感兴趣区段。
在一些示例性实施例中，所述长焦透镜包括小于1的轨道总长(TTL)/有效焦距(EFL)的比值。对于TTL和EFL的定义例如参见共同转让的美国公开专利申请号US20150244942。
在一些示例性实施例中，如果不满足无切换标准，则所述摄影机控制器还被配置成在较低ZF数值与更高ZF数值之间进行切换或者进行相反的切换时输出具有平滑过渡的视频输出图像，其中在较低ZF数值下输出图像由广角传感器决定，并且在更高ZF数值下输出图像由长焦传感器决定。
在一些示例性实施例中，所述摄影机控制器还被配置成在静止模式下在预定义的ZF数值范围处组合至少其中一些广角和长焦图像数据，以便从特定视点提供对象或场景的融合输出图像。
附图说明
下面将参照在本段之后列出的附图来描述本文中所公开的实施例的非限制性实例。出现在多于一幅图中的完全相同的结构、单元或部件在其所出现的所有附图中通常由相同的附图标记来标示。附图及其描述意图说明和澄清本文中所公开的实施例，而不应当被视为以任何方式作出限制。
图1A示意性地示出了本文中所公开的示例性双孔径变焦成像系统的方块图；
图1B是图1A的双孔径变焦成像系统的示意性机械图；
图2示出了广角传感器、长焦传感器及其对应的FOV的一个实例；
图3A示出了本文中所公开的用于在视频/预览模式下采集变焦图像的示例性方法的一个实施例；
图3B示出了对象中的示例性特征点；
图3C示意性地示出了已知的矫正处理；
图4示出了有效分辨率变焦因数的曲线图。
具体实施方式
定义：
锐度分数：把图像的梯度(dx,dy)与其经过低通滤波的版本的梯度进行比较(通过减法)。更高的差异表明更锐利的原始图像。将这一比较的结果关于原始图像的平均变异(例如绝对梯度之和)进行归一化，以便获得绝对锐度分数。
边缘分数：对于每一幅图像，(例如使用Canny边缘检测)找到边缘并且计算沿着所述边缘的梯度的平均强度，这例如是通过对于每一个边缘像素计算梯度(dx,dy)的量值，将结果求和，并且除以边缘像素的总数。其结果是边缘分数。
有效分辨率分数：该分数仅在感兴趣区段(ROI)中被计算，并且提供关于图像中的有效分辨率水平的良好指示。本文中所使用的“ROI”是用户定义的图像子区段，其作为示例可以是图像面积的4％或更小。对于每一幅图像可以从锐度分数与边缘分数的组合导出有效分辨率分数，这例如是通过将全部二者归一化到[0,1]之间并且取得其平均值。
图1A示意性地示出了本文中所公开的编号为100的双孔径变焦成像系统(其也被简称作“双摄影机”或“双孔径摄影机”)的一个示例性实施例的方块图。双孔径摄影机100包括广角成像部分(“广角摄影机”)，其包括广角透镜块102、广角图像传感器104和广角图像处理器106。双孔径摄影机100还包括长焦成像部分(“长焦摄影机”)，其包括长焦透镜块108、长焦图像传感器110和长焦图像处理器112。所述图像传感器可以在物理上分开，或者可以是更大的单个图像传感器的一部分。广角传感器像素尺寸可以等于或者不同于长焦传感器像素尺寸。双孔径摄影机100还包括摄影机融合处理核心(其也被称作“控制器”)114，其包括传感器控制模块116、用户控制模块118、视频处理模块126和捕获处理模块128，所述各个模块全部可操作地耦合到传感器控制块110。用户控制模块118包括操作模式功能120、ROI功能122和变焦因数(ZF)功能124。
传感器控制模块116连接到两个(广角和长焦)摄影机并且连接到用户控制模块118，其被用来根据变焦因数选择其中哪一个传感器是可操作的，并且控制曝光机制和传感器读出。模式选择功能120被用于选择捕获/视频模式。ROI功能122被用来选择感兴趣区段。ROI是全部两个摄影机都被聚焦在其上的区段。变焦因数功能124被用来选择变焦因数。视频处理模块126连接到模式选择功能120并且被用于视频处理。视频处理模块126可以被配置成对通过来自广角和长焦图像数据全部二者的输入所确定的无切换标准进行评估，并且关于视频输出作出决定。具体来说，在评估无切换标准时，如果满足无切换标准，则视频处理模块126可以被配置成输出变焦视频输出图像，所述变焦视频输出图像在较低变焦因数(ZF)数值与更高ZF数值之间的焦距拉近操作中只包括广角图像数据。如果不满足无切换标准，则视频处理模块126可以被配置成在静止模式下在预定义的ZF数值范围处组合至少其中一些广角和长焦图像数据，以便从特定视点提供对象或场景的融合输出图像。静止处理模块128连接到模式选择功能120并且被用于高图像质量静止模式图像。当用户希望在视频模式下进行拍摄时，应用视频处理模块。当用户希望拍摄静止画面时，应用捕获处理模块。
图1B是图1A的双孔径变焦成像系统的示意性机械图。示例性的规格如下：广角透镜TTL＝4.2mm并且EFL＝3.5mm；长焦透镜TTL＝6mm并且EFL＝7mm；广角和长焦传感器都是1/3英寸；广角和长焦摄影机的外部规格如下：宽度(w)和长度(l)＝8.5mm并且高度(h)＝6.8mm；摄影机中心之间的距离“d”＝10mm。
下面是使用双孔径摄影机100的不同方法的详细描述和实例。
静止模式操作/功能
在静止摄影机模式下，在所有变焦水平下从通过全部两个摄影机获得的信息融合所获得的图像，参见图2，其中示出了广角传感器202和长焦传感器204及其对应的FOV。如图所示，作为示例，长焦传感器FOV是广角传感器FOV的一半。静止摄影机模式处理包括两个阶段：第一阶段包括设定硬件设定和配置，其中第一个目的是控制传感器从而使得在同一时间扫描全部两幅图像(长焦和广角)中的匹配FOV，第二个目的是根据透镜属性来控制相对曝光，第三个目的是对于ISP最小化来自全部两个传感器的所需带宽。第二阶段包括融合广角和长焦图像以实现光学变焦、改进SNR并且提供较宽动态范围的图像处理。
图3A示出了对应于由CMOS传感器捕获的图像部分的图像线数与时间的关系。通过对每一幅图像的线(行)扫描获得融合图像。为了防止在不同时间扫描全部两个传感器中的匹配FOV，在保持相同帧率的同时由摄影机控制器在全部两个图像传感器上应用特定配置。传感器之间的FOV中的差异决定对应于每一个传感器的卷帘快门时间与垂直消隐时间之间的关系。
视频模式操作/功能
平滑过渡
当双孔径摄影机在摄影机或视点之间切换摄影机输出时，用户通常将看到“跳跃”(不连续的)图像改变。但是对应于相同的摄影机和POV的变焦因数的改变则被视为连续改变。“平滑过渡”(ST)是最小化跳跃效应的摄影机或POV之间的过渡。这可以包括匹配过渡之前和之后的输出图像的位置、尺度、亮度和颜色。但是摄影机输出之间的整个图像位置匹配在许多情况下是不可能的，这是因为视差使得位置偏移与对象距离相关。因此，在本文中所公开的平滑过渡中，仅在ROI区段中实现位置匹配，而尺度、亮度和颜色则对于整个输出图像区域被匹配。
视频模式下的焦距拉近和焦距拉远
在视频模式下，传感器过采样被用来实现连续和平滑的变焦体验。在从一个子摄影机到另一个的交叉期间，应用处理以消除图像中的改变。仅使用广角传感器实施从1到Zswitch的变焦。从Zswitch往后则主要通过长焦传感器来实施。为了防止“跳跃”(图像中的粗糙性)，使用比Zswitch高一点的变焦因数(Zswitch+ΔZoom)来进行到长焦图像的切换。ΔZoom是根据系统的属性来确定的，并且对于应用焦距拉近的情况和应用焦距拉远的情况是不同的(ΔZoomin≠ΔZoomout)。这样做是为了防止残留跳跃伪像在特定变焦因数下可见。对应于增大的变焦和对应于减小的变焦的传感器之间的切换是在不同的变焦因数上进行的。
变焦视频模式操作包括两个阶段：(1)传感器控制和配置，以及(2)图像处理。在从1到Zswitch的范围内，仅有广角传感器是可操作的，因此可以仅向该传感器供应电力。类似的条件对于广角AF机制也是成立的。从Zswitch+ΔZoom到Zmax，仅有长焦传感器是可操作的，因此仅向该传感器供应电力。类似地，对于长焦AF机制，仅有长焦传感器是可操作的，并且仅向该传感器供应电力。另一种选项是长焦传感器是可操作的，并且广角传感器在低帧率下操作。从Zswitch到Zswitch+ΔZoom，全部两个传感器都是可操作的。
焦距拉近：在向上直到略高于ZFT(允许广角与长焦输出之间的切换的变焦因数)的低ZF下，输出图像是经过数字变焦的未发生改变的广角摄影机输出。ZFT被如下定义：
ZFT＝Tan(FOVWide)/Tan(FOVTele)
其中，Tan是指“正切”，FOVWide和FOVTele分别是指广角和长焦透镜视场(以度数计)。本文中所使用的FOV是从传感器的中心轴到角落测量的(也就是正常定义的角度的一半)。切换不可在低于ZFT的情况下发生，并且可以在高于ZFT的情况下发生。
在一些实施例中，对于上转换(up-transfer)ZF，正如在共同发明并且共同所有的美国专利9,185,291中所公开的那样，所述输出是经过变换的长焦摄影机输出，其中通过全局配准(GR)算法实施所述变换以实现平滑过渡。本文中所使用的“全局配准”指的是与之对应的输入是广角和长焦图像的动作。对广角图像进行裁剪，以便显示与长焦图像相同的FOV。将长焦图像通过低通滤波器(LPF)并且调整其尺寸，从而使其外观尽可能接近广角图像(较低的分辨率和相同的像素计数)。GR的输出是图像中的相应的特征点对连同其像差，以及对应于图像之间的差异的参数(也就是偏移和尺度)。本文中所使用的“特征点”指的是例如图3B中的点10a-d之类的点，并且指的是图像中的对象上的感兴趣点(像素)。出于在本说明书中阐述的目的，特征点应当是可再现的，并且对于图像尺度、噪声和照明的改变是不变的。这样的点通常位于对象的角落或其他高对比度区段上。
全局配准的各个阶段
在一些示例性实施例中，可以如下实施全局配准：
1、作为示例，通过利用高斯差分滤波器对其进行滤波而找到每一幅图像中的兴趣点(特征)，并且在所得到的图像上找到局部极值。
2、在“匹配”处理中找到特征对应性(描述空间中的同一点的全部两幅图像中的特征)。这些特征对应性也被称作“特征对”、“对应性对”或“匹配对”。这是通过把来自一幅(长焦或广角)图像(其在后文中被称作“图像1”)的每一个特征点与来自另一幅(分别是广角或长焦)图像(其在后文中被称作“图像2”)的该区段中的所有特征点进行比较而实现的。通过使用贴片(patch)归一化互相关仅在其最小值/最大值的群组内对特征进行比较。本文中所使用的“贴片”指的是围绕起源像素的相邻像素的群组。
3、两个图像贴片t(x,y)和f(x,y)的归一化互相关是
Figure GDA0003584761980000131
其中n是全部两个贴片中的像素数目，
Figure GDA0003584761980000132
是f的平均值，并且σf是f的标准偏差。只有在其相关分数远高于(例如x1.2)来自图像2的次优匹配特征的情况下才确认对于来自图像1的特征点的匹配。
4、通过将其x和y坐标值相减而找到每一对相应的特征(其也被称作“匹配对”)之间的视差。
5、对不良匹配点进行过滤：
a、在匹配处理之后，包括被匹配到来自图像1的多于一个特征的来自图像2的特征点的匹配被丢弃。
b、其视差与其他匹配对不一致的匹配对被丢弃。举例来说，如果存在其视差比其他对低或高20个像素的一个相应对的话。
6、对应于来自图像2的已匹配点的定位精度通过计算来自图像2的相邻像素贴片与来自图像1的当前像素的目标贴片(围绕当前匹配对的当前像素的贴片)的相关而被细化，从而将结果建模成抛物线并且找到其最大值。
7、根据匹配点计算两幅图像之间的旋转和精细尺度差异(例如通过从每一个点集合减去质心，也就是属于广角或长焦图像的匹配点的部分，并且求解最小二乘法问题)。
8、在补偿了这些差异之后，由于图像被矫正，因此Y轴中的视差应当接近0。不满足这一标准的匹配点被丢弃。在图3C中示出了已知的矫正处理。
9、最后，剩下的匹配点被认为是真实的，并且对其计算视差。把视差的加权平均值取作全部两幅图像之间的偏移。把视差数值之间的最大差异取作视差范围。
10、在GR期间的各个阶段，如果剩下的特征/匹配点不足，则停止GR并且返回失败标志。
此外，有可能通过以下步骤找到针对矫正处理的范围校准：shiftI＝对应于无限远处的对象的偏移(shift)，并且定义shiftD＝shift-shiftI以及disparityD＝disparity-shiftI。我们随后计算
Figure GDA0003584761980000141
其中“baseline”是摄影机之间的距离。
现在回到焦距拉近处理，在一些实施例中，对于比上转换ZF更高的ZF，所述输出是经过数字变焦的变换后的长焦摄影机输出。但是在其他实施例中，对于上转换ZF将不会有从广角到长焦摄影机输出的切换，也就是说所述输出将是来自广角摄影机并且经过数字变焦。接下来将描述这一“无切换”处理。
无切换
除非发生基于从两个摄影机的图像获得的输入而确定的某种特殊情况(标准)，则将实施从广角摄影机输出到经过变换的长焦摄影机输出的切换。换句话说，只有在满足以下无切换标准当中的至少一条时，才将不实施切换：
1、如果通过GR计算出的偏移大于第一阈值，例如50个像素。
2、如果通过GR计算出的视差范围大于第二阈值，例如20个像素，因为在这种情况下不存在将对于所有对象距离抑制移动/跳跃的全局偏移校正(不可能对于所有对象都实现平滑过渡)。
3、如果长焦图像的有效分辨率分数低于广角图像的有效分辨率分数。在这种情况下，由于没有获得价值(例如分辨率)，因此实施过渡没有意义。平滑过渡是可能的，但是不合期望。
4、如果GR失败，也就是说如果所找到的匹配对的数目小于第三阈值，例如20个匹配对。
5、例如如果成像到重叠区域上的一些对象被计算出比第一阈值距离(例如30cm)更近，因为这样为了获得ST可能会导致较大的图像偏移。
6、如果成像在重叠区域中的一些对象(例如两个对象)被计算出比第二阈值距离(例如50cm)更近，而其他对象(例如两个对象)则被计算出比第三阈值距离(例如10m)更远。其原因是广角与长焦摄影机中的对象位置之间的偏移是与对象距离相关的，其中对象越近偏移越大，因此包含非常近和非常远的对象的图像无法通过简单的变换(偏移尺度)而被匹配成是类似的并且从而提供摄影机之间的ST。
焦距拉远：在向下直到略低于ZFT的高ZF下，输出图像是经过数字变焦的变换后的长焦摄影机输出。对于下转换(down-transfer)ZF，所述输出是经过偏移的广角摄影机输出，其中通过GR算法实施广角偏移校正以便实现平滑过渡，也就是说在ROI区段中没有跳跃。对于更低(低于下转换)的ZF，所述输出基本上是经过数字变焦但是具有逐渐更小的广角偏移校正的下转换ZF输出，直到对于ZF＝1，所述输出是未发生改变的广角摄影机输出。
应当提到的是，如果不满足无切换标准，则摄影机将在没有融合的情况下输出对象或场景的连续变焦视频模式输出图像，每一幅输出图像具有对应的输出分辨率，在较低ZF数值与较高ZF数值之间进行切换或者进行相反的切换时以平滑的过渡提供视频输出图像，其中在较低ZF数值下输出分辨率由广角传感器决定，并且在更高ZF数值下输出分辨率由长焦传感器决定。
图3A对于3个不同的变焦因数(ZF)范围示出了本文中所公开的用于在视频/预览模式下采集变焦图像的方法的一个实施例：(a)ZF范围＝1:Zswitch；(b)ZF范围＝Zswitch:Zswitch+ΔZoomin；以及(c)变焦因数范围＝Zswitch+ΔZoomin:Zmax。这里的描述是参照有效分辨率与变焦因数的关系的曲线图(图4)。在步骤302中，传感器控制模块116选择(指示)传感器(广角、长焦或全部二者)是可操作的。具体来说，如果ZF范围＝1:Zswitch，则模块116指示广角传感器是可操作的，并且长焦传感器是不可操作的。如果ZF范围是Zswitch:Zswitch+ΔZoomin，则模块116指示全部两个传感器都是可操作的，并且从广角传感器生成变焦图像。如果ZF范围是Zswitch+ΔZoomin:Zmax，则模块116指示广角传感器是不可操作的并且长焦传感器是可操作的。在步骤302中的传感器选择之后，所有后续动作都在视频处理模块126中实施。可选的是，在步骤304中，如果两幅图像由两个传感器提供，则计算色平衡。另外可选的是，在步骤306中，在其中一幅图像中(取决于变焦因数)应用所计算的色平衡。另外可选的是，在步骤308中，在广角与长焦图像之间实施配准，以便输出变换系数。所述变换系数可以被用来在步骤310中设定AF位置。在步骤312中，在其中一幅图像上(取决于变焦因数)应用步骤302-308当中的任一个步骤的输出以用于图像信号处理，所述图像信号处理可以包括去噪声、去马赛克、锐化、伸缩等等。在步骤314中，根据所述变换系数、所请求的ZF(从变焦功能124获得)以及输出视频分辨率(例如1080p)对经过处理的图像进行重采样。为了避免在相同的ZF下执行过渡点，在进行焦距拉近时以及在进行焦距拉远时，ΔZoom可以发生改变。这样将导致传感器切换点中的滞后。
更具体来说，对于ZF范围1:Zswitch，对于ZF<Zswitch，广角图像数据在步骤312中被传输到ISP并且在步骤314中被重采样。对于ZF范围＝Zswitch:Zswitch+ΔZoomin，全部两个传感器都是可操作的，并且从广角传感器生成变焦图像。根据给定的ROI对于全部两幅图像计算色平衡。此外，对于给定的ROI，在广角与长焦图像之间实施配准，以便输出变换系数。所述变换系数被用来设定AF位置。所述变换系数包括两幅图像中的匹配点之间的平移。这一平移可以通过像素数来测量。不同的平移将导致图像中的匹配点中的不同像素数的移动。这一移动可以被转换成深度，并且所述深度可以被转换成AF位置。这样就允许通过仅分析两幅图像(广角和长焦)来设定AF位置。其结果是快速对焦。
色平衡比值和变换系数全部二者都被使用在ISP步骤中。并行地对广角图像进行处理以便提供经过处理的图像，随后进行重采样。对于ZF范围＝Zswitch+ΔZoomin:Zmax并且对于变焦因数>Zswitch+ΔZoomin，先前所计算的色平衡现在被应用在长焦图像上。长焦图像数据在步骤312中被传输到ISP并且在步骤314中被重采样。为了消除交叉伪像并且为了实现平滑过渡到长焦图像，根据所述变换系数、所请求的ZF(从变焦功能124获得)以及输出视频分辨率(例如1080p)对经过处理的长焦图像进行重采样。
图4对于焦距拉近情况并且对于焦距拉远情况示出了作为变焦因数的函数的有效分辨率，其中在焦距拉近时设定ΔZoomup，在焦距拉远时设定ΔZoomdown。把ΔZoomup设定为不同于ΔZoomdown将导致在使用焦距拉近时以及在使用焦距拉远时在不同的变焦因数下(“滞后”)实施传感器之间的过渡。视频模式下的这一滞后现象导致平滑连续的变焦体验。
总而言之，本文中所公开的双孔径光学变焦数字摄影机和相关联的方法减少了处理资源的数量，降低了帧率要求，减少了功率消耗，去除了视差伪像，并且在视频模式下从广角改变到长焦时提供连续的对焦(或者提供失焦)。所述摄影机和方法大大减小了视差范围(disparity range)，并且在捕获模式下避免了错误配准。所述摄影机和方法减小了图像强度差异，并且允许利用单一传感器带宽进行工作，而不是已知的摄影机中的两个传感器带宽。
在本说明书中所提到的所有专利申请都被通过引用的方式被全文合并到本说明书中，就如同明确地并且单独地表明每一项单独的专利申请都通过应用市场被合并在本文中。此外，在本申请中对于任何参考文献的引述或标识不应当被解释成承认这样的参考文献可以作为本公开内容的现有技术。
虽然通过某些实施例和总体上相关联的方法描述了本公开内容，但是本领域技术人员将认识到对于所述实施例和方法的改动和置换。应当理解的是，本公开内容不受限于本文中所描述的具体实施例，而是仅由所附权利要求的范围限制。

Claims (19)

1.一种变焦数字的摄影机，其特征在于：所述摄影机包括：
a) 一广角成像部分，其包括具有广角视场的固定焦距广角透镜和广角传感器，所述广角成像部分适于提供对象或场景的广角图像数据；
b) 一长焦成像部分，其包括具有比广角视场更窄的长焦视场的固定焦距长焦透镜和长焦传感器，所述长焦成像部分适于提供对象或场景的长焦图像数据；以及
c)一摄影机控制器，适于耦合到所述广角成像部分和所述长焦成像部分，所述摄影机控制器被配置为在视频模式或预览模式下对通过来自广角和长焦图像数据全部二者的输入所确定的无切换标准进行评估；
其中如果在变焦因数高于上转换变焦因数时满足无切换标准，则所述摄影机控制器进一步被配置为输出只包括广角图像数据的变焦视频图像；或
如果不满足无切换标准，则所述摄影机控制器进一步被配置为在相同变焦因数高于上转换变焦因数时输出只包括经过变换的数字变焦的长焦图像数据的变焦视频输出图像。
2.如权利要求1所述的摄影机，其特征在于：所述无切换标准包含通过全局配准计算的广角图像和长焦图像之间的偏移，所述偏移大于一第一阈值。
3.如权利要求1所述的摄影机，其特征在于：所述无切换标准包含通过全局配准计算的视差范围，所述视差范围大于一第二阈值。
4.如权利要求1所述的摄影机，其特征在于：所述无切换标准包含长焦图像的有效分辨率，所述长焦图像的有效分辨率低于广角图像的有效分辨率。
5.如权利要求1所述的摄影机，其特征在于：所述无切换标准包含广角图像和长焦图像的匹配对的数目小于一第三阈值。
6.如权利要求1所述的摄影机，其特征在于：所述无切换标准包括在广角图像和长焦图像的重叠区域中成像的多个对象，所述多个对象比一第一阈值距离更靠近所述摄影机。
7.如权利要求1所述的摄影机，其特征在于：所述无切换标准包括在广角图像和长焦图像的重叠区域中成像的多个对象，所述多个对象比一第二阈值距离更靠近所述摄影机，而在广角图像和长焦图像的重叠区域中成像的其他对象则比一第三距离阈值更远离所述摄影机。
8.如权利要求1所述的摄影机，其特征在于：所述摄影机控制器包括一用户控制模块以及一传感器控制模块，所述用户控制模块用于接收多个用户输入，所述传感器控制模块用于基于所述多个用户输入而配置每一个传感器采集广角和长焦图像数据。
9.如权利要求8所述的摄影机，其特征在于：所述用户输入包括变焦因数、摄影机模式和感兴趣区段。
10.如权利要求1所述的摄影机，其特征在于：所述长焦透镜包括小于1的轨道总长(TTL)/有效焦距(EFL)的比值。
11.一种使用数字摄影机获得对象或场景的变焦图像的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
a) 在所述数字摄影机中提供一广角成像部分、一长焦焦成像部分以及一摄影机控制器，所述广角成像部分包含具有广角视场的固定焦距广角透镜和广角传感器，所述长焦焦成像部分包括具有比广角视场更窄的长焦视场的固定焦距长焦透镜和长焦传感器，所述摄影机控制器适于耦合到广角和长焦成像部分；
b) 在视频模式或预览模式下，所述摄影机控制器被配置为通过来自广角和长焦图像数据全部二者的输入来评估是否满足无切换标准；及
c) 如果在变焦因数高于上转换变焦因数时满足无切换标准，则所述摄影机控制器进一步被配置为在相同变焦因数输出只包括数字变焦的广角图像数据的变焦视频图像；或
d)如果在变焦因数高于上转换变焦因数时不满足无切换标准，则配置所述摄影机控制器在相同变焦因数输出只包括经过变换的数字变焦的长焦图像数据的变焦视频输出图像。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于：所述无切换标准包含通过全局配准计算的广角图像和长焦图像之间的偏移，所述偏移大于一第一阈值。
13.如权利要求11所述的方法，其特征在于：所述无切换标准包含通过全局配准计算的视差范围，所述视差范围大于一第二阈值。
14.如权利要求11所述的方法，其特征在于：所述无切换标准包含长焦图像的有效分辨率，所述长焦图像的有效分辨率低于广角图像的有效分辨率。
15.如权利要求11所述的方法，其特征在于：所述无切换标准包含广角图像和长焦图像的匹配对的数目小于一第三阈值。
16.一摄影机控制器，其特征在于：所述摄影机控制器适于耦合到一广角摄影机成像部分以及一长焦摄影机成像部分，所述广角摄影机成像部分提供具有广角图像分辨率的广角图像数据，所述长焦摄影机成像部分提供具有长焦图像分辨率的长焦图像数据；
其中所述摄影机控制器被配置为对通过来自广角和长焦图像数据全部二者的输入所确定的无切换标准进行评估；
其中如果在变焦因数高于上转换变焦因数时满足无切换标准，则所述摄影机控制器进一步被配置为输出只包括广角图像数据的变焦视频图像；或
如果不满足无切换标准，则所述摄影机控制器进一步被配置为在相同变焦因数高于上转换变焦因数时输出只包括经过变换的数字变焦的长焦图像数据的变焦视频输出图像。
17.如权利要求16所述的摄影机控制器，其特征在于：所述摄影机控制器进一步包含一用户控制模块以及一传感器控制模块，所述用户控制模块用于接收多个用户输入，所述传感器控制模块用于基于所述多个用户输入而配置一广角摄影机图像传感器以及一长焦摄影机图像传感器以采集广角和长焦图像数据。
18.如权利要求16所述的摄影机控制器，其特征在于：所述摄影机控制器还被配置成在静止模式下在预定义的变焦因数的数值范围处组合至少其中一些广角和长焦图像数据，以便从特定视点提供对象或场景的融合输出图像。
19.如权利要求17所述的摄影机控制器，其特征在于：所述摄影机控制器还被配置成在静止模式下在预定义的变焦因数的数值范围处组合至少其中一些广角和长焦图像数据，以便从特定视点提供对象或场景的融合输出图像。
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