CN1147132C - 基于图象传感器的晕逝校正 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于构造其电路硬件具有晕逝校正功能的低成本摄象机的方法和装置，硬件可以通过使用寄存器存储对应于摄象机中使用的特定镜头的晕逝量的一个常数值进行编程。这个寄存器值被送到硬件校正电路，该电路实现对取决于象素位置的象素晕逝量进行校正的算法。

Description

基于图象传感器的晕逝校正
技术领域
本发明是关于数字摄象机、尤其是关于晕逝效应校正的。
背景技术
晕逝效应是当屏幕边缘的亮度小于屏幕中心的亮度时，产生的晕影效果。职业摄影师有时故意使用合适的镜头或滤光器生成这样的效果，在照片的边缘产生一种柔和的图象。然而，当这种效果非特意地出现在数字照片上时，是非常恼人的。已经开发出一些技术用于测量和解决晕逝效应。
专利No.4,884,140给出了用于对使用产生晕逝效应的变焦镜头的视频摄象机进行晕逝补偿的一个模拟电路。
专利No.5,434,904给出了利用恒定亮度的图象，对一种X光检查装置的晕逝效应的测量。
专利No.5,576,797给出了带有聚焦检测装置的摄象机的晕逝效应的检测。
专利No.5,381,174给出了通过使用场频锯齿信号对变焦镜头操作带来的晕逝效应的校正。
专利No.4,816,663给出了摄象镜头和聚焦检测光学系统之间的晕逝的检测。
与个人电脑一起用于电子会议的数字摄象机已经变得越来越便宜。这迫使摄象机制造商使用更便宜的而晕逝效应更严重的镜头。另外，价格压力迫使制造商使用更少的半导体芯片，因而使得利用半导体存储器存储晕逝校正可望而不可及。因此，对制造商来说成本不贵，又可以校正低价格镜头晕逝效应的数字摄象机是市场所需求的。
发明内容
本发明提供了一种用于构造其电路硬件具有晕逝校正功能的低成本摄象机的方法和装置。硬件可以通过使用寄存器存储对应于摄象机中使用的特定镜头的晕逝量的一个常数值进行编程。这个寄存器值被送到硬件校正电路，该电路实现对取决于象素位置的象素晕逝量进行校正的算法。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于制造连接到计算机的摄象机的方法，包括：确定镜头的晕逝效应；在镜头的机壳内安装上述镜头；把一个光传感器阵列安装在机壳内上述镜头后面；把一个模拟处理电路耦合到上述光传感器阵列；把一个模数变换器耦合到上述模拟处理电路；把一个数字处理电路耦合到上述模数变换器的输出端，所述数字处理电路包括：一个用于存储对应于上述镜头晕逝率的常数的寄存器，一个耦合到上述寄存器的校正电路，它根据使用上述常数值的一个公式校正选定象素的值，来校正上述镜头的晕逝效应；为了连接到总线以便把数据传输到上述计算机，把一个总线接口电路耦合到上述数字处理电路的输出；把常数值存储在上述摄象机机壳内的寄存器，所述常数值对应于上述镜头的晕逝效应。
根据本发明的第二方面，提供了一个连接到计算机的摄象机，包括：镜头；安装在镜头后面的光传感器阵列；耦合到上述光传感器阵列的模拟处理电路；耦合到上述模拟处理电路的模数变换器；耦合到上述模数变换器的输出的数字处理电路，所述数字处理电路包括：用于存储对应于上述镜头晕逝率的常数的寄存器，耦合到上述寄存器的校正电路，它根据使用上述常数值的一个公式校正选定象素的值，来校正上述镜头的晕逝效应；耦合到上述数字处理电路的输出的总线接口电路，用于连接到总线以便把数据传输到上述计算机。
因此，本发明在制造时，通过简单地把不同的计算值编程到寄存器内，在摄象机里允许使用不同供应商的镜头或不同的镜头类型。传感器的原始数据被变换为数字形式后，对它进行校正。因而，数据在可选的收集传感器数据的统计信息和为通过总线传输数据到主机而进行的数据压缩之前得到校正。本发明的晕逝校正保持了图象分辨率并允许实时处理。它也使得统计信息的收集更精确，因而使得主机的自动增益控制(AGC)和自动白平衡(AWB)更精确。
为了进一步了解本发明的本质和优点，应参考如下带有附图的描述。
附图说明
图1是演示晕逝效应的象素阵列和亮度曲线图。
图2是根据本发明的一个实施例的具有晕逝校正功能的摄象机和计算机系统的方框图。
图3是根据本发明的硬件晕逝校正电路的一个实施例的方框图。
具体实施方式
图1给出了一个象素阵列11和Y轴上对应的亮度曲线13。坐标为(x0，y0)的中心象素14对应于镜头的最大亮度点。第二个象素样点15接近最小亮度，它给出了在曲线13和最大亮度值16之间晕逝效应的不同。本发明在X和Y两个轴上进行晕逝效应校正。
在一个实施例中，给出了用rT表示的一个门限，在门限内时，曲线13接近最大值16，则不需要进行晕逝校正。可替代地，可以对所有的象素进行校正而不考虑避免在rT点的过渡效应。
图2给出了实现本发明晕逝校正功能的一个摄象机和计算机系统。给出的是摄象机17和主机18。视频摄象机包含一个镜头10和一个诸如CMOS或CCD的光敏传感器阵列12，并被连接到USB(通用串行总线)20上。
来自CMOS芯片的信号被送到模拟前端40，它包含一个差分放大器或相关双倍采样器(CDS)42，它产生模拟信号送到自动增益控制(AGC)电路44。然后数据被送到模数变换器(ADC)46。在一个实施例中，传感器和模拟前端被集成在一个单一芯片内。
数字化信号，不是象从前那样被存储在帧缓存器内，而是被直接送到数字处理电路48。信号首先被送到视频数字信号处理器50，它完成压缩、限幅、定标、数字滤波和其他数据处理功能。
从视频DSP 50输出的数据送到总线接口54，它包含总线控制器缓存器56和总线控制器58。优先考虑地，总线控制器缓存器56有能力以最大可能速率存储两个USB帧，或2K字节。取决于帧速率、压缩率等等，它一般最大可以变化到10行，或者如果进行了抽样甚至可达15-20行。
总线控制器58在线60上产生一个控制信号到定时发生器62。定时发生器62上产生一个时钟信号64到CMOS芯片12。时钟信号64包括水平和垂直传输脉冲。在一个实施例中，模拟前端40和定时发生器62作为CMOS阵列12被集成在同一块半导体基片41上。
DSP单元50包含一个根据本发明的晕逝校正电路70。这个电路利用存储在常数寄存器72的一个常数值完成晕逝校正。取决于选定的镜头10，其特定的晕逝量可被用于提供常数72。因而，通过简单地把不同的常数值编程到寄存器72，在制造摄象机时可以使用不同的镜头。这允许采用多家货源的镜头，并允许针对各种纷繁复杂的镜头的质量变化进行补偿。
正如所见，在统计单元74收集要传输到主机处理器18的统计信息之前进行晕逝校正，另外，它也在总线接口54完成的任何压缩之前进行校正。
在总线20的主机一侧，主机18包含一个彩色处理单元76，它基于提供给它的统计信息完成AGC和AWB(自动白平衡)校正。因为晕逝校正是在统计之前进行的，所以这种处理更为精确。另外，在压缩和通过总线传输之前进行晕逝校正的应用也改善了信号的精确度。如图所示，在彩色处理之后，信号被送到显示器78。
一个用于实现执行晕逝校正的硬件的方程的实施例在下面给出。一个低质镜头的晕逝效应的模型可被认为是，在镜头的中心直接通过，而在镜头边缘附近是一条抛物线。变换功能是各向同性的。令pi和po分别为晕逝校正前和校正后的象素值，x0和y0是镜头中心的坐标(如果镜头被正确安装，也应是图象的中心)。那么，
po＝Pi*(a*r2+1)
  ＝pi*(a*((x-x0)2+(y-y0)2)+1)
‘a’一个小的正的常数。考虑到可靠性，最大50％的晕逝可以得到校正，即：
1.0＝0.5*(a*(176*176+144*144)+1)
a＝1.9338*10-5
被226归一化后，a＝1298。通过在0～1023范围内对a加以限制，并执行逆运算，最大可校正晕逝是56％。
注意，在上面给出的公式中，没有考虑象素的比例。对于正方形象素，方程是准确的，对于12/11的象素纵横比，结果略有偏差。如果传感器格式是非定标QCIF(通过丢弃水平和垂直方向的每一个其他象素，从CIF中二次采样获得的QCIF)，a也要被1/4定标。
如果yi是10比特，(x-X0)2和(y-y0)2是16比特(用于CIF格式)，且yo是10比特，那么可以确定a需要是10比特(0到1023)。
图3是一个用于实现上述方程的硬件系统的实施例的方框图。具体地说，一个可选的选通电路80被加到复用(MUX)器82的选通输入端。在象素的位置小于门限r2时，线84上的输入象素pi直接通过而成为线86上的输出象素po。如果大于门限，则通过用图3所示硬件实现上述公式来进行晕逝校正。
具体的说，象素的当前x值xi被送到算术电路88，在这里减去中心象素的坐标x0，然后作为两个数值通过复用器90送到乘法器92，对它进行平方运算，所得结果在加法/累加器94内被累加。同样地，y值yi被送到电路96，在这里得到与中心象素的坐标y0的差值。它同样地作为两个数值通过复用器90送到乘法器92，在这里它被平方并被送到加法/累加器94，在累加器它与x轴差值的平方相加。复用器的使用只是为了通过时分复用，允许使用同一个乘法器92进行两次计算。显然，一个替代方案就是提供两个单独的乘法单元。
然后累加器94的输出被送到第二个乘法器96，在这里它与来自寄存器72的常数值相乘，然后在单元98中减去值1，所得值在乘法器100与pi相乘，在线102上产生的输出通过复用器82送到输出线86。显然，可以提供不同的电路，诸如使用同一个乘法电路代替乘法器92、96和100，乘法器在不同的时隙用作不同的用途。
可选电路80提供了一个比较器104，它把加法/累加器94的输出(径向范围值x2+y2)与寄存器106内的径向值门限比较。
优选地，常数a有与象素值pi一样多的比特数。因此，如果pi是10比特，而x和y值是16比特，则a应该是10比特。如果传感器格式是非定标的QCIF(剪辑过的)，则a也可以用1/4定标。因而，在晕逝校正之前图象被剪辑时，就进行了校正。
另外，对于TV要用的有纵横比的象素，可以通过把y值乘以11/12进行校正。
在一个实施例中，只在一个预定直径范围外进行校正。它假定在镜头中心附近的效果是令人满意的，这经常是一个合理的假定。通过这样做，可以得出一个更为精确的校正模型。令rT是在它内部的晕逝效应可以忽略的直径，那么，
如果r＜＝rT，
          po＝pi，
如果r＞＝rT，
          po＝pi*(a*(r2-rT 2)+1)
            ＝pi*(a*(((x-x0)2+(y-y0)2)-((xT-x0)2+(yT-y0)2)+1)
本发明允许镜头的多样化，同时允许采用更便宜的镜头。它在主机处改进了AGC和AWB。另外，它允许更好地进行目标运动跟踪。目标运动是通过假定当目标运动到传感器边缘时亮度值相同来判断的，因此可以通过寻找相同的亮度值进行跟踪。显然，晕逝效应可以威胁到目标定位的努力。这可以通过在传感器附近进行晕逝校正来克服。本发明也提供了改进的视频质量。
同样，通过诸如通用串行总线(USB)等总线来传输图象，需要进行图象压缩，让主机做晕逝校正会导致降低精度。本发明在总线的传感器一侧提供晕逝校正的方案实现了在为通过总线传输而进行的压缩之前进行校正。
正如本技术领域内的人可以理解的，本发明可以以不脱离其必要特征的其他特定形式体现，因此，前面的描述被认为是示意性的和非严格限定的，本发明的范围通过附加的权利要求来指明。

Claims (10)

1、一种用于制造连接到计算机的摄象机的方法，包括：
确定镜头的晕逝效应；
在镜头的机壳内安装上述镜头；
把一个光传感器阵列安装在机壳内上述镜头后面；
把一个模拟处理电路耦合到上述光传感器阵列；
把一个模数变换器耦合到上述模拟处理电路；
把一个数字处理电路耦合到上述模数变换器的输出端，所述数字处理电路包括：
一个用于存储对应于镜头晕逝率的常数值的寄存器，
一个耦合到上述寄存器的校正电路，它根据使用上述常数值的一个公式校正选定象素的值，来校正上述镜头的晕逝效应；
为了连接到总线以便把数据传输到上述计算机，把一个总线接口电路耦合到上述数字处理电路的输出；
把常数值存储在上述摄象机机壳内的寄存器，所述常数值对应于上述镜头的晕逝效应。
2、权利要求1的方法，其中上述校正电路不校正距上述镜头中心一定距离内的象素值。
3、权利要求1的方法，其中上述校正电路也校正有纵横比的象素。
4、权利要求1的方法，其中上述常数值的比特数等于代表上述选定象素亮度的比特数。
5、权利要求1的方法，其中上述校正电路进一步包括一个用于对上述常数值定标的定标输入。
6、一个连接到计算机的摄象机，包括：
镜头；
安装在镜头后面的光传感器阵列；
耦合到上述光传感器阵列的模拟处理电路；
耦合到上述模拟处理电路的模数变换器；
耦合到上述模数变换器的输出的数字处理电路，所述数字处理电路包括：
用于存储对应于镜头晕逝率的常数值的寄存器，
耦合到上述寄存器的校正电路，它根据使用上述常数值的一个公式校正选定象素的值，来校正上述镜头的晕逝效应；
耦合到上述数字处理电路的输出的总线接口电路，用于连接到总线以便把数据传输到上述计算机。
7、权利要求6的摄象机，其中上述校正电路不校正距上述镜头中心一定距离内的象素值。
8、权利要求6的摄象机，其中上述校正电路也校正有纵横比的象素。
9、权利要求6的摄象机，其中上述常数值的比特数等于代表上述选定象素亮度的比特数。
10、权利要求6的摄象机，进一步包括一个用于对上述常数值定标的上述校正电路的定标输入。
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