CN114785964B - 具有两种曝光模式的摄像系统 - Google Patents
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Abstract
一种包含摄像机及主控制器的摄像系统。摄像机用于在低耗能模式下判断环境亮度及进行激活事件检测。当摄像机在低耗能模式下检测到激活事件时，唤醒主控制器。摄像机还根据亮度参数决定曝光模式并将其通知主控制器，以使主控制器被唤醒后的运作模式相对应摄像机的曝光模式。
Description
本申请是申请号为202010734127.1、申请日为2020年7月27日、名称为“具有两种曝光模式的摄像机及使用该摄像机的摄像系统”的中国发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明有关一种摄像系统，更特别有关一种在低耗能模式下根据环境亮度决定曝光模式的摄像机及使用该摄像机的摄像系统。
背景技术
光学测距系统可采用三角测量方法计算物体的距离。例如，光学测距器系统可包含光源以及照相机。所述光源朝向待测物投射光线，所述照相机接收来自所述待测物的反射光以形成图像帧。当所述光源与所述照相机的空间关系为已知时，根据所述图像帧中的物体图像位置即能够根据三角测量计算出所述待测物的距离。
然而，当空间中同时存在不同距离的多个待测物时，近距离的待测物可能会有过曝(over exposure)的情形，而远距离的待测物可能会有曝光不足(under exposure)的情形，光学测距系统的计算精确度可能会因此而降低。尤其，当远距离待测物的曝光不足时，会出现无法计算远距离待测物的物体距离的问题。
因此在摄像系统中，希望在获取图像中的亮区域及暗区域均能够同时得到高信噪比，以增加后续判断及控制的精确度。因此，一种能够在不同环境亮度均能够获取高信噪比图像的摄像系统实为所需。
发明内容
本发明还提供一种根据环境亮度决定录像时的曝光模式的摄像机及使用该摄像机的摄像系统，其在主控装置被唤醒后即能够在从摄像机接收第一张图像帧时正确对应所述摄像机选择的曝光模式。
本发明还提供一种包含摄像机及主控装置的摄像系统。所述摄像机用于在低耗能模式下，当激活信号产生时进行自动曝光以决定曝光时间及增益值并据以计算并输出亮度参数，当所述亮度参数小于参数阈值时输出不同曝光图像，及当所述亮度参数大于所述参数阈值时输出增益组合图像。所述主控装置用于当接收到所述激活信号时结束所述低耗能模式，及判断所述摄像机传送图像的数据格式，其中所述激活信号与所述亮度参数相差预定时间间隔被所述主控装置接收，且所述自动曝光是在所述预定时间间隔内完成。
为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显，下文将配合所附图示，详细说明如下。此外，于本发明的说明中，相同的构件以相同的符号表示，在此提前说明。
附图说明
图1为本发明一实施例的光学测距系统的方块示意图；
图2为本发明一实施例的光学测距系统的示意图；
图3为本发明第一实施例的光学测距系统的测距方法的流程图；
图4A为本发明第一实施例的光学测距系统的图像获取的时序图；
图4B为本发明第一实施例的光学测距系统的运作示意图；
图5为本发明第二实施例的光学测距系统的测距方法的流程图；
图6A为本发明第二实施例的光学测距系统的图像获取的时序图；
图6B为本发明第二实施例的光学测距系统的运作示意图；
图7为本发明实施例的摄像系统的方框图；
图8为本发明实施例的摄像系统运作于低耗能模式下的方框示意图；
图9为本发明实施例的摄像系统运作于双增益模式下的方框示意图；
图10为本发明实施例的摄像系统运作于多重曝光模式下的方框示意图；
图11A为本发明实施例的摄像系统的环境亮度与亮度阈值的示意图；
图11B为本发明实施例的摄像系统的亮度参数与参数阈值的示意图；及
图12为本发明实施例的摄像系统的运作方法的流程图。
附图标记说明
700 摄像系统
71 摄像机
711 图像感测器
713 内部处理单元
73 主控装置
731 外部处理器
733 图像记录器
79 外部装置
St1、St2 激活信号
Im 图像
Sgain_c 增益控制信号
Sexp_c 曝光控制信号
具体实施方式
请参照图1所示，其为本发明一实施例的光学测距系统的方块示意图。光学测距系统1包含图像感测器以11以及处理单元13。所述图像感测器11较佳为主动式图像感测器，例如互补式金属氧化物半导体(CMOS)图像感测器，其可改变获取图像F时的曝光时间(exposure time)或者以多个曝光时间分别获取所述图像F的不同图像区域(举例详述于后)。
所述处理单元13例如可为数字信号处理器(DSP)、微控制单元(MCU)、中央处理器(CPU)等，用以接收所述图像感测器11所输出的图像F以进行后处理，并控制所述图像感测器11的图像获取。一实施例中，所述处理单元13可包含曝光控制单元131、多工模组133以及距离计算单元135；其中，所述曝光控制单元131、多工模组133及距离计算单元135为所述处理单元13内的数据处理单元，其可以软体或硬体的方式实现，并无特定限制。可以了解的是，虽然图1中将所述处理单元13分割为不同工作模组以便于说明，所述处理单元13内的工作模组所执行的所有功能，均可以说是由所述处理单元13所执行的。
所述曝光控制单元131用以控制所述图像感测器11以不同曝光时间获取不同图像F的所有图像区域(即一张图像对应一个曝光时间)，或者以多个曝光时间获取同一张图像F的不同图像区域(即一张图像对应多个曝光时间)。所述多工模组133利用时间多工或空间多工处理所述处理单元13所接收的图像F并产生待计算图像Fm(例如本说明后述的组合图像及目前图像)。所述距离计算单元135则利用预设演算法根据所述待计算图像Fm计算至少一个物体距离，例如利用三角测量方法计算所述物体距离。
请参照图2所示，其为本发明一实施例的光学测距系统的示意图。光学测距系统1可还包含光源15用以投射二维光区域(例如具有预设宽度的光线条)至待测物9；其中，所述光源15例如可为同调光源、部分同调光源或非同调光源，并无特定限制，用以发出可见光或不可见光。所述图像感测器11接收所述待测物9的反射光后，产生包含反射光图像I9的图像F被传送至所述处理单元13。所述处理单元13首先利用本发明的多工机制(举例详述于后)根据所述图像F产生所述待计算图像Fm，并根据所述待计算图像Fm计算至少一物体距离D；其中，所述待计算图像Fm同样包含反射光图像I9。更详言之，所述待计算图像Fm的不同图像区域所对应的多个曝光时间的至少一部分可彼此不同(举例详述于后)，以使每一个图像区域中的反射光图像I9的亮度适于计算所述物体距离D。此外，某些实施例中，所述处理单元13可有线或无线地输出所述待计算图像Fm以供外部装置进行后处理，例如至外部主机(host)。必须说明的是，虽然图2中所述光源15所投射的二维光区域显示为非连续，然其仅用以说明，并非用以限定本发明。
一实施例中，所述处理单元13可包含存储单元(未绘示)，用以储存对照表，其包含反射光图像I9位置与物体距离D的关系。藉此，当所述处理单元13求得所述待计算图像Fm中反射光图像I9的位置后，即可直接根据所述对照表求得至少一物体距离D；其中，所述对照表根据所述光源15与所述图像感测器11的空间关系(例如距离L)以及所述光源15的照明角度所计算，并事先储存于所述储存单元中。另一实施例中，所述处理单元13的存储单元可储存有距离演算法，当求得所述待计算图像Fm中反射光图像I9的位置后，即可利用所述距离演算法计算出至少一物体距离D。
本发明实施例中，由于所述光源15用以投射二维光区域，因此所述图像感测器11所输出的图像F中包含线性反射光图像I9，所述处理单元13可同时计算多个物体距离(不同待测物对应不同的反射光图像的区段且位于不同位置)，故具有较佳的适用性。最后，所述处理单元13将所计算的物体距离D输出以进行相对应控制，例如输出至主机或电脑系统；其中，所述物体距离D的控制功能则根据不同应用而定。
请参照图3所示，其为本发明第一实施例的光学测距系统的测距方法的流程图，包含下列步骤：以第一曝光时间获取第一图像(步骤S31)；以第二曝光时间获取第二图像(步骤S32)；分割所述第一图像为多个第一图像区域并计算每一所述第一图像区域的第一信号特征(步骤S33)；分割所述第二图像为多个第二图像区域并计算每一所述第二图像区域的第二信号特征(步骤S34)；比较所述第一信号特征与所述第二信号特征(步骤S35)；以及将所述第一信号特征大于所述第二信号特征的所述第一图像区域与所述第二信号特征大于所述第一信号特征的所述第二图像区域组合成组合图像(步骤S36)。
请同时参照图1-3以及图4A-4B所示，接着说明本发明第一实施例的详细实施方式。所述处理单元13控制所述光源15于所述图像感测器11获取图像F时点亮，以使所述图像感测器11所获取的图像F中包含来自所述待测物9的反射光图像I9，藉以计算所述待测物9的物体距离D。
步骤S31：所述图像感测器11受控于所述处理单元13的所述曝光控制单元131，以第一曝光时间ETS获取第一图像FS。
步骤S32：接着，所述图像感测器11受控于所述处理单元13，以第二曝光时间ETL获取第二图像FL；其中，所述第一图像FS与所述第二图像FL可为所述图像感测器11所连续或者相隔至少一张图像所获取的两张图像F，且所述第一曝光时间ETS不同于所述第二曝光时间ETL。必须说明的是，虽然图4A中显示所述第一曝光时间ETS小于所述第二曝光时间ETL，但本发明并不以此为限。某些实施例中，所述第一曝光时间ETS大于所述第二曝光时间ETL。一实施例中，所述处理单元13的曝光控制单元131控制所述图像感测器11交替地以所述第一曝光时间ETS及所述第二曝光时间ETL进行图像获取。
步骤S33：所述处理单元13接收所述第一图像FS后，所述多工模组133以预设方式分割所述第一图像FS为多个第一图像区域，例如A1-A4(图4B)，并计算每一所述第一图像区域A1-A4的第一信号特征C1-C4(图4B)；其中，每一所述第一图像区域A1-A4可为所述第一图像FS的一列像素区域、多个列像素区域、一行像素区域、多个行像素区域或矩形像素区域，并不限于图4B所示。一实施例中，所述信号特征C1-C4分别为所述第一图像区域A1-A4的信噪比(SNR)；例如，所述多工模组133根据每一所述第一图像区域A1-A4中的动态阈值区分信号数据(signal data)及噪声数据(noise data)，并计算每一所述第一图像区域A1-A4中所有信号数据的能量值总和与所有噪声数据的能量值总和的比值(ratio)，以作为所述信噪比。一实施例中，所述动态阈值例如选择为一个第一图像区域中的最大能量值与平均能量值总和的平均值，但本发明并不以此为限，因此每一所述第一图像区域A1-A4均可求得阈值。由于每一所述第一图像区域A1-A4的阈值是根据所获取的图像数据所计算，因此彼此可能不同，故本说明中称的为动态阈值。
步骤S34：同理，所述处理单元13接收所述第二图像FL后，所述多工模组133以所述预设方式(与步骤S33相同)分割所述第二图像FL为多个第二图像区域，例如A1'-A4'(图4B)，并计算每一所述第二图像区域A1'-A4'的第二信号特征C1'-C4'(图4B)；其中，每一所述第二图像区域A1'-A4'可为所述第二图像FL的一列像素区域、多个列像素区域、一行像素区域、多个行像素区域或矩形像素区域，并不限于图4B所示。同理，所述信号特征C1'-C4'可分别为所述第二图像区域A1'-A4'的信噪比(SNR)；例如，所述多工模组133根据每一所述第二图像区域A1'-A4'中的动态阈值区分信号数据及噪声数据，并计算所有信号数据的能量值总和与所有噪声数据的能量值总和的比值，以作为所述信噪比。所述动态阈值的决定方式如步骤S33所述，故于此不再赘述。
步骤S35：接着，所述多工模组133比较相对应的所述第一图像区域A1-A4与所述第二图像区域A1'-A4'的信号特征，例如比较所述第一图像区域A1的第一信号特征C1与所述第二图像区域A1'的第二信号特征C1'；比较所述第一图像区域A2的第一信号特征C2与所述第二图像区域A2'的第二信号特征C2'；比较所述第一图像区域A3的第一信号特征C3与所述第二图像区域A3'的第二信号特征C3'；以及比较所述第一图像区域A4的第一信号特征C4与所述第二图像区域A4'的第二信号特征C4'。
步骤S36：接着，所述多工模组133利用时间多工机制(time multiplexingmechanism)将所述第一图像FS的一部分图像区域与所述第二图像FL的一部分图像区域进行重组以产生组合图像Fm。一实施例中，所述多工模组133将信号特征较大的所述第一图像区域与信号特征较大的所述第二图像区域结合为组合图像Fm。例如，此处假设所述第一信号特征C1及C4分别大于所述第二信号特征C1'及C4'，表示所述第一图像区域A1及A4相较于所述第二图像区域A1'及A4'较适用于计算正确的物体距离；并假设所述第一信号特征C2及C3分别小于所述第二信号特征C2'及C3'，表示所述第二图像区域A2'及A3'相较于所述第一图像区域A2及A3较适用于计算正确的物体距离。所述多工模组133则重组组合图像Fm，其包含图像区域A1、A2'、A3'及A4，如图4B所示。
可以了解的是，虽然图4B显示组合图像Fm分别包含了所述第一图像FS的部分图像区域(例如A1、A4)并包含了所述第二图像FL的部分图像区域(例如A2'、A3')，但本发明并不以此为限。根据所述图像感测器11实际获取的图像F，所述组合图像Fm可能与所述第一图像FS或所述第二图像FL相同。
最后，所述处理单元13的距离计算单元135则根据所述组合图像Fm计算至少一个物体距离D。必须说明的是，本实施例中的至少一个物体距离的个数例如可根据图像F的像素列的数目决定，例如每一像素列均求得相对应的物体距离或每多个像素列(例如2-5列)均求得相对应的物体距离，端视其判断解析度而定。所述距离计算单元135并可根据所求出的多个物体距离判断待测物个数并将相关于相同待测物的物体距离合并为同一物体距离，因此所述距离计算单元135最后仅输出与待测物数目相对应数目的物体距离D。
此外，虽然图4A及图4B中显示所述处理单元13比较两张图像F的不同图像区域的信号特征并产生组合图像Fm，但本发明并不以此为限。某些实施例中，所述处理单元13可比较两张以上的图像F的不同图像区域的信号特征并产生组合图像，其实施方式只需于步骤S36中选择所述两张以上的图像中，相对应图像区域中信号特征最大者以产生组合图像Fm即可，其他步骤S31-S35则与上述第一实施例相类似，故于此不再赘述。换句话说，本实施例的多工模组133将所述图像感测器11所获取的每张图像F区分为相同的(例如相同位置及相同尺寸)图像区域，以使组合图像Fm与图像F具有相同尺寸。
总而言之，上述实施例中，所述处理单元13可根据部分图像区域的图像品质，将不同图像帧中的不同部分图像区域重新组合为组合图像，以根据所述组合图像计算至少一个物体距离，其中，所述部分图像区域的形状与尺寸并无特定限制。例如，处理单元13可根据图像品质(例如信号特征)，将所述第一图像Fs中的部分图像区域，例如A1-A4的一部分，与所述第二图像FL中的部分图像区域，例如A1'-A4'的一部分，重新组合为组合图像Fm。
请参照图5所示，其为本发明第二实施例的光学测距系统的测距方法的流程图，包含下列步骤：以参考曝光时间获取参考图像(步骤S51)；分割所述参考图像为多个图像区域并计算每一所述图像区域的平均亮度(步骤S52)；以及根据所述平均亮度以多个曝光时间分别获取目前图像的不同图像区域(步骤S53)。
请同时参照图1-2、图5以及图6A-6B所示，接着说明本发明第二实施例的详细实施方式。同理，所述处理单元13同样控制所述光源15于所述图像感测器11获取图像F时点亮。
步骤S51：所述图像感测器11受到所述处理单元13的曝光控制单元131的控制，以参考曝光时间ETr获取参考图像FT。本实施例中，所述参考图像FT用以判定获取目前图像(例如FT+1)时的多个曝光时间ET，并不用以计算所述物体距离D。
步骤S52：所述处理单元13接收所述参考图像FT后，所述多工模组133利用空间多工机制(spatial multiplexing mechanism)计算所述参考图像FT中的多个图像区域的平均亮度，以决定获取待计算图像Fm时的多个曝光时间。例如，所述多工模组133分割所述参考图像FT为多个图像区域A1-A4(图6B)，并分别计算所述图像区域A1-A4的平均亮度AV1-AV4(图6B)；其中，每一所述不同图像区域A1-A4可为所述目前图像FT+1的一列像素区域、多个列像素区域、一行像素区域、多个行像素区域或矩形像素区域，并不限于图6B所示。
步骤S53：最后，所述处理单元13的曝光控制单元131根据所述平均亮度AV1-AV4控制所述图像感测器11获取目前图像FT+1的不同图像区域A1-A4相关的多个曝光时间ET1-ET4(图6A-6B)。一实施例中，所述处理单元13的多工模组133根据所述参考图像FT的所述图像区域A1-A4的平均亮度AV1-AV4与至少一个阈值的比较结果决定所述多个曝光时间ET1-ET4；例如，所述多工模组133当判断所述平均亮度AV1介于多个阈值的其中两个阈值之间时(或多个亮度区间其中之一)，则根据所述两个阈值所对应的曝光时间(预先设定并储存)直接决定获取所述目前图像FT+1的所述图像区域A1的曝光时间为ET1，其他图像区域A2-A4的曝光时间ET2-ET4的决定方式也相同。本实施例中，所述目前图像FT+1则作为待计算图像Fm。
最后，所述处理单元的距离计算单元135则根据所述目前图像FT+1计算至少一个物体距离D。
另一实施例中，所述多工模组133一次可仅调整一个曝光时间步阶(step)，因此有可能并非仅根据一张参考图像FT即能将所述目前图像FT+1的所有图像区域A1-A4的曝光时间ET1-ET4调整到目标值。此时，当所述目前图像FT+1的不同图像区域A1-A4其中之一的平均亮度未介于预设亮度范围时，所述处理单元13的曝光控制单元131可根据所述目前图像FT+1的不同图像区域A1-A4的平均亮度控制所述图像感测器11获取下一张图像FT+2的不同图像区域A1'-A4'的多个曝光时间(图6A)。当所述处理单元13的多工模组133判定所述下一张图像FT+2的所有图像区域A1'-A4'的平均亮度均介于预设亮度范围而适于计算物体距离时，所述处理单元13的距离计算单元135则根据所述下一张图像FT+2计算至少一个物体距离D。可以了解的是，相对所述一张图像FT+2的不同图像区域A1'-A4'的多个曝光时间与相对所述目前图像FT+1的不同图像区域A1-A4的多个曝光时间可部分相等或全部不等，端视所述目前图像FT+1的不同图像区域A1-A4的平均亮度而定。当所述下一张图像FT+2的不同图像区域A1-A4其中的平均亮度仍未介于预设亮度范围时，可持续进行调整直到所有图像区域A1-A4的平均亮度均介于预设亮度范围为止。
必须说明的是，虽然上述步骤S51中所述图像感测器11是以一个参考曝光时间ETr为例进行说明，然而相对不同图像区域，所述图像感测器11可以是以相同的多个相同的参考曝光时间ETr获取所述参考图像FT的不同图像区域，例如图6B所示的图像区域A1-A4。
必须说明的是，虽然上述第二实施例中所述参考图像FT不用以计算所述物体距离D，然而当所述参考图像FT的所有图像区域A1-A4的平均亮度AV1-AV4均介于预设亮度范围，所述距离计算单元135可直接根据所述参考图像FT计算所述物体距离D，而无须通过所述多工模组133通知所述曝光控制单元131控制所述图像感测器11以不同曝光时间ET获取所述目前图像FT+1；其中，所述预设亮度范围可事前设定并储存于储存单元中。
同理，本实施例中的至少一个物体距离D的个数例如可根据图像F的像素列的数目及待测物9的个数决定，并无特定限制。
必须说明的是，虽然图6A中显示每一图像区域A1-A4相对应不同的曝光时间ET1-ET4，但是其仅用以说明而并非用以限定本发明。根据实际获取的图像内容，获取所述目前图像FT+1的不同图像区域A1-A4的多个曝光时间ET1-ET4仅至少一部分彼此不同。
此外，为了进一步消除环境光的影响，所述处理单元13还可用以控制所述光源15相对所述图像感测器11的图像获取而点亮及熄灭，例如相对所述光源15点亮时获取一张亮图像并相对所述光源15熄灭时获取一张暗图像。所述处理单元13还可计算所述亮图像及所述暗图像的差分图像以作为上述第一实施的所述第一图像FS及所述第二图像FL，或上述第二实施例的所述参考图像FT、所述目前图像FT+1及所述下一张图像FT+2。
上述实施例中，所述处理单元13的多工模组133用以分割图像F以计算不同图像区域的信号特征，例如信噪比或平均亮度，以决定是否输出待计算图像Fm供所述距离计算单元135计算至少一个物体距离D。第一实施例中，所述曝光控制单元131以预设的曝光时间控制所述图像感测器11获取不同图像(例如FS及FL)，因此所述曝光控制单元131控制所述图像感测器11获取不同图像F的曝光时间为预设的固定值(例如图4A的ETS、ETL)。第二实施例中，所述多工模组133根据不同图像区域的平均亮度决定相对所述不同图像区域的曝光时间并通知所述曝光控制单元131，因此所述曝光控制单元131控制所述图像感测器11获取所述不同图像区域的曝光时间可能并非预设的固定值，而是根据实际计算结果(例如平均亮度)而决定。
本发明还提供一种使用上述获得组合图像(例如图4B的Fm)的方法的摄像系统，同时搭配双增益检测技术，以在亮环境下获取的图像帧的暗区域以及在暗环境下获取的图像帧的亮区域具有较佳信噪比。
上述实施例的组合图像是使用所谓的多重曝光(digital-overlap,DOL)检测技术来进行。使用多重曝光检测技术，可使得亮环境光下获取的组合图像(synthesis image)的暗区域具有较佳的信噪比。除了上述实施例中获得组合图像的方式，本发明还适用其他的DOL检测技术，例如参照，但不限于，美国专利公开号US2016/0119575及US2017/0339325，其全部内容在此并入参考。
使用双增益(dual conversion gain,DCG)检测技术，可使得暗环境光下获取的组合图像的亮区域具有较佳的信噪比。本发明适用任何适当的DCG检测技术，例如参照，但不限于，美国专利公开号US2004/0251394及US 2007/0013797，其全部内容在此并入参考。
请参照图7，其为本发明实施例的摄像系统700的方框图。摄像系统700包含摄像机71以及主控装置73彼此有线或无线地连接。摄像系统700进入低耗能模式后，主控装置73则停止从摄像机71接收或记录图像，以降低系统耗能，故此状态在本发明中称为低耗能模式。进入低耗能模式的方式为已知且并非为本发明的主要目的，故于此不再赘述。
本发明在于当摄像系统700在低耗能模式下在被激活事件(可由摄像机71或外部装置79所检测)唤醒时，主控装置73能够在接收摄像机71传来的第一张图像帧时即能够正确对应摄像机71的运作模式。本发明中，所述运作模式包含多重(DOL)曝光模式或双增益(DCG)曝光模式。
摄像机71包含图像感测器711及处理单元713，其中，为了表示处理单元713是位于摄像机71内部，故图7显示为内部处理单元。本发明中，图像感测器711及处理单元713所执行的功能，都可考虑为摄像机71所执行。
图像感测器711例如为CCD图像传感器或CMOS图像传感器，用于检测其视野内的光线并产生图像Im至处理单元713。
处理单元713例如为特定应用集成电路(ASIC)或数字处理器(DSP)。在低耗能模式下，处理单元713用于判断环境亮度及进行激活事件检测。当所述激活事件检测为真且所述环境亮度大于第一亮度阈值时，处理单元713控制图像感测器711以多重曝光模式输出第一曝光图像及第二曝光图像，其中多重曝光模式的运作例如可参照图10，例如根据摄像参数AGain1、Texp1获取图像1并根据摄像参数AGain2、Texp2获取图像2。当所述激活事件检测为真且所述环境亮度小于第二亮度阈值时，处理单元713控制图像感测器711以双增益模式运作并输出组合图像，其中双增益模式的运作例如可参照图9，例如根据曝光时间Texp获取图像并以AGainL、AGainS分别产生亮暗图像以供摄像机71进行图像合成。
一种实施方式中，所述第一亮度阈值相同于所述第二亮度阈值，例如图11A的Thd。另一实施方式中，所述第一亮度阈值不同于所述第二亮度阈值，例如图11A的TH1、TH2。当环境亮度介于所述第一亮度阈值与所述第二亮度阈值之间时，摄像机71在唤醒后可采用多重曝光模式或双增益模式任一者，由于此时两种运作模式所得到的图像亮暗区域的信噪比的差异不大。例如，摄像系统700(包括摄像机71及主控装置73)可采用前一次进入低耗能模式之前的模式运作，但并不限于此。
另一实施方式中，当环境亮度介于所述第一亮度阈值与所述第二亮度阈值之间时，摄像机71预设为在唤醒后使用多重曝光模式或双增益模式其中一者(即多重曝光模式及双增益模式其中一者为预设模式)。另一实施方式中，摄像机71在开机后预设成使用多重曝光模式或双增益模式其中之一。
摄像机71(说更严格说是处理单元713)可根据其本身的检测结果或根据外部装置79的检测结果判断激活事件检测是否为真，其中，外部装置79例如包含热传感器(thermalsensor或PIR sensor)、门铃、触摸板或其他可检测移动物体或活体的检测器。本发明中，所述激活事件检测为真，是指摄像机71的视野中人员出现或任何需要进行录像或监视的状况发生。
一种实施方式中，摄像机71的处理单元713根据图像感测器711产生的图像Im进行所述激活事件检测。例如，当图像感测器711获取到人员或移动物体的图像时，处理单元713则产生激活信号St1并将其发送至主控装置73以将其唤醒，并开始进行录像及相关控制。
另一种实施方式中，摄像机71的处理单元713根据摄像机71外部的热传感器产生的检测信号进行所述激活事件检测。例如，热传感器获取到人员的热图像，则产生激活信号St2。一种实施方式中，激活信号St2传送至摄像机71以及主控装置73以唤醒摄像机71及主控装置73。另一种实施方式中，激活信号St2先传送至摄像机71以唤醒摄像机71，接着该摄像机71再传送激活信号St1至主控装置73以唤醒主控装置73。亦即，当处理单元713根据所述外部热传感器的激活信号St2确认激活事件发生时，处理单元713产生激活信号St1至主控装置73以将其唤醒。
另一种实施方式中，摄像机71的处理单元713根据摄像机71外部的门铃或触摸板(touch panel)产生的按压信号进行所述激活事件检测。此实施方式利如适用于人员来访时通过按压门铃或触摸板以产生激活信号St2。同理，激活信号St2可同时传送至摄像机71及主控装置73，或先传送至摄像机71，根据不同应用而定。例如，当处理单元713根据所述外部门铃或触摸板确认激活事件发生时，处理单元713产生激活信号St1至主控装置73以将其唤醒。
所谓唤醒摄像机71，可以是指摄像机71以较高的图框率获取图像，并根据环境亮度判断运作模式。所谓唤醒主控装置73，可以是指主控装置73开始接收并记录摄像机71传来的不同曝光图像或组合图像(举例说明于后)，并进行相对应控制，例如根据所接收的图像开启门锁、开启光源、通知相关人员等。
摄像机71(说更严格说是处理单元713)可根据其本身的检测、运作或根据外部装置79的检测、运作来判断所述环境亮度，其中外部装置79此时包含光源及环境光传感器(ambient light sensor)至少其中一者。
一种实施方式中，摄像机71的处理单元713根据自动曝光程序所获得的增益值和/或曝光时间判断所述环境亮度。如前所述，本发明主要适用于唤醒摄像系统700，因此所述自动曝光优选是快速自动曝光。例如，当处理单元713产生激活信号St1或接收到激活信号St2时即开始执行所述快速自动曝光。此处所谓快速自动曝光，是指比摄像机71于正常模式下的图框率更高且使用更短的时间完成，例如摄像机71于正常模式下的图框率是30帧/秒，快速自动曝光例如使用至少240帧/秒。摄像机71并于激活信号产生后至发出自动曝光参数或亮度参数至主控装置73的预定时间(例如，但不限于，50毫秒)内完成自动曝光程序。处理单元713可根据自动曝光程序完成时得到的增益值、曝光时间或增益值×曝光时间来决定所述环境亮度，或者利用增益值与曝光时间相关的函数(例如LGEP＝64log2(增益值×曝光时间)+512)来作为亮度参数，举例说明于后。
另一种实施方式中，摄像机71的处理单元713根据在低耗能模式下图像感测器711产生(例如在自动曝光程序完成后)的图像Im的强度总和或强度平均判断所述环境亮度。
另一种实施方式中，摄像机71的处理单元713根据在低耗能模式下光源的驱动强度或作动频率判断所述环境亮度，其中所述光源可设置于摄像机71上或分开设置，以在摄像时提供照明。例如，当环境亮度低(例如晚上时段)时，所述光源的驱动功率或作动频率较高；当环境亮度高(例如白天时段)时，所述光源的驱动功率或作动频率较低。
另一种实施方式中，摄像机71的处理单元713根据图像感测器711在低耗能模式下的作动频率判断所述环境亮度，其中摄像机71在低耗能模式下以相较于正常模式还低的图框率获取图像。例如，当环境亮度低(例如晚上时段)时，图像感测器711的作动频率较高；当环境亮度高(例如白天时段)时，则图像感测器711的作动频率较低。
另一种实施方式中，摄像机71的处理单元713根据在低耗能模式下摄像机71外部的环境光传感器的检测信号判断所述环境亮度，其中环境光传感器的运作为已知，故于此不再赘述。另一实施方式中，环境光传感器内建于摄像机71。
请再参照图7所示，主控装置73包含外部处理器731及图像记录器733。其中，为了表示外部处理器731是位于摄像机71外部，故图7显示为外部处理器。外部处理器731例如是主控装置73的中央处理器(CPU)或微处理器(MCU)。图像记录器733包含存储，例如挥发性和/或非挥发性存储，其用于记录摄像机71所传来的图像，该图像可传送至显示器(未绘示)进行拨放。
一种实施方式中，主控装置73接收来自摄像机71的唤醒曝光模式相关的模式信号，以得知被唤醒时所接收的图像(例如从第一张图像开始)的数据格式。换句话说，当摄像机71判断激活事件检测为真(即激活信号产生)且环境亮度大于第一亮度阈值时，除了输出第一曝光图像及第二曝光图像，还另外输出多重曝光模式信号，其例如以至少一个数字值1或0表示，至主控装置73；当摄像机71判断激活事件检测为真且环境亮度小于第二亮度阈值时，除了输出组合图像(为了表示其特性本发明中有时称为增益组合图像)，还另外输出双增益模式信号，其例如以至少一个数字值0或1表示，至主控装置73。
主控装置73当接收到激活信号St1或St2时，则开始唤醒程序，其中主控装置73的唤醒程序包含开始从摄像机71接收并记录图像。此外，当主控装置73(更详言之为其外部处理器731)接收到所述多重曝光模式信号时，则根据所述第一曝光图像及所述第二曝光图像产生曝光组合图像。
一种实施方式中，所述第一曝光图像、所述第二曝光图像及所述曝光组合图像分别为上述实施例的第一图像FS、第二图像FL及组合图像Fm，参照图4B。亦即，摄像机71以第一曝光时间获取第一曝光图像并以第二曝光时间获取第二曝光图像，所述第一曝光时间不同于所述第二曝光时间。主控装置73分割所述第一曝光图像为多个第一图像区域、分割所述第二曝光图像为多个第二图像区域、比较相对应的所述第一图像区域与所述第二图像区域的信号特征、并将所述信号特征较大的所述第一图像区域与所述信号特征较大的所述第二图像区域组合为所述曝光组合图像，以使该曝光组合图像包含第一曝光图像以及第二曝光图像的部分图像区域。亦即，本发明中，不同曝光图像是摄像机71所获取而图像合成是主控装置73所进行，因此图10显示摄像机71中图像合成的功能方块打叉。
当主控装置73(更详言之为其外部处理器731)接收到所述双增益模式信号时，直接记录所述增益组合图像至图像记录器733。本发明中，所述增益组合图像包含以不同增益值(例如图9的AGainL及AGainS)放大摄像机71获取的相同图像的不同图像区域，例如所述增益组合图像的暗区域是利用较大的增益值AGainL放大所述相同图像的相对应区域后而得且所述增益组合图像的亮区域是利用较小的增益值AGainS放大所述相同图像的相对应区域后而得，以使得增益组合图像中的亮区域具有较佳的信噪比，其中，所述亮暗区域例如是将像素灰阶值与至少一个亮度阈值相比较来决定。
在摄像机71与主控装置73是分别由不同制造商制作的实施方式中，主控装置73在出厂前即已经在其软件和/或固件中内建有各种阈值，例如所述第一亮度阈值及所述第二亮度阈值。当摄像机71与主控装置73第一次连接(例如在进行系统安装时)时，主控装置还73则将所述第一亮度阈值、所述第二亮度阈值及其他运作算法存入摄像机71的存储中。藉此，摄像机71与主控装置73具有相同的亮度判断机制。
本发明中，当摄像机71判断激活事件检测为真时，其处理单元713还输出自动曝光参数(例如包含快速自动曝光所得到的增益值和曝光时间)及激活信号St1至主控装置73。自动曝光参数用于告知主控装置73被唤醒后对于摄像机71的摄像控制。如上所述，当激活信号(例如St2)是外部装置79所检测并直接传送至主控装置73时，处理单元713可不输出激活信号St1至主控装置73。另一种实施方式中，当激活信号(例如St2)被外部装置79检测且传送至摄像机71但没传送至主控装置73时，摄像机71仍基于激活信号St2输出激活信号St1至主控装置73。
另一种实施方式中，摄像机71传送亮度参数(例如图11B所示的LGEP)至主控装置73。当环境亮度越高时，LGEP值越小；而当环境亮度越低时，LGEP值越大。换句话说，前述实施方式中，环境亮度大于亮度阈值Thd值(如图11A所示)，则亮度参数LGEP的数值小于参数阈值Thd'(如图11B所示)；反之，环境亮度小于亮度阈值Thd，则亮度参数LGEP的数值大于参数阈值Thd'。本发明中，环境亮度及亮度参数是用于表示环境亮度的参数的范例。
一种实施方式中，在低耗能模式下，摄像机71用于当激活信号(St1或St2)产生时，即进行自动曝光(即上述的快速自动曝光)以决定曝光时间及增益值，并据以计算并输出亮度参数LGEP。请参照图11B，当亮度参数LGEP小于参数阈值(例如Thd')时，输出不同曝光图像；而当亮度参数LGEP大于参数阈值(例如Thd')时，输出增益组合图像，其中，不同曝光图像及增益组合图像已说明于前，故于此不再赘述。
当主控装置73接收到所述激活信号(St1或St2)时，开始结束低耗能模式。当主控装置73接收到所述亮度参数LGEP，则据以判断摄像机71传送图像的数据格式，例如判断摄像机71是传送不同曝光图像还是增益组合图像。如前所述，当主控装置73判断(例如通过比较LGEP与参数阈值)摄像机71于唤醒后将运作于多重曝光模式，则将不同曝光图像重新组合成一张曝光组合图像，例如图4B的Fm，后再行录像；而当主控装置73判断摄像机71于唤醒后将运作于双增益模式，则直接接收并记录增益组合图像。
本实施方式中，主控装置73是从摄像机71接收亮度参数LGEP并自行与其内部的参数阈值进行比较，而并非直接从摄像机71直接接收模式信号。如前所述，摄像机71内的各阈值是从主控装置73而来，故彼此相同。主控装置73经比较亮度参数LGEP与参数阈值，即可得知摄像机71的运作模式。
激活信号(St1或St2)与所述亮度参数相差预定时间间隔被主控装置73接收，且摄像机71的自动曝光优选是在所述预定时间间隔内完成。换句话说，摄像机71优选在主控装置73完全醒来前完成快速曝光程序，以在主控装置73完全唤醒前判断环境亮度。
另一种实施方式中，摄像机71仅传送快速自动曝光所得到的增益值和曝光时间至主控装置73。主控装置73则自行计算亮度参数(例如LGEP)来确定唤醒后的曝光模式。
其他实施方式中，摄像机71是传送环境亮度(如前所述可以是摄像机71或外部装置79所获得)至主控装置73。主控装置73则自行与相关的亮度阈值相比较来确定唤醒后的曝光模式。
一般而言，在正常模式下，摄像机71是根据主控装置73传来的增益控制信号Sgain_c和曝光控制信号Sexp_c来获取图像，参照图7。但在低耗能模式下，由于主控装置73不会传来控制信号Sgain_c、Sexp_c，摄像机71的存储(未绘示)优选记录不同的环境亮度下，用于获取所述第一曝光图像的多个第一曝光时间(例如图11B的Texp01～Texp31)和多个第一增益值(例如图11B的Gain01～Gain31)以及用于获取所述第二曝光图像的多个第二曝光时间(例如图11B的Texp02～Texp32)和多个第二增益值(例如图11B的Gain02～Gain32)。
请参照图12，其为本发明实施例的摄像系统700的运作方法的流程图，包含下列步骤：判断激活事件(步骤S1211)；自动曝光(步骤S1213)；判断环境亮度(步骤S1215)；当所述环境亮度小于亮度阈值时，进行双增益曝光(步骤S1217)；以及当所述环境亮度大于所述亮度阈值时，进行多重曝光(步骤S1219)。如前所述，在不同应用中亮度阈值可使用两个不同的数值，例如TH1、TH2。
请同时参照图7-图12，接着说明本实施方式。图8至图10中，功能方块上有打叉表示该功能方块被关闭或该功能方块不执行。
步骤S1211：本运作方法是当摄像系统700在低耗能模式下所执行。例如，摄像系统700是以图8的方框图判断是否发生激活事件。图8的摄像机71中，图像感测器711以外的部分即为处理单元713通过软件、硬件和/或固件所执行的功能。如前所述，一种实施方式中，处理单元713根据图像感测器711输出的图像进行激活事件检测。当激活事件检测为真时，产生激活信号St1至主控装置73。可以了解的是，所述图像还经过其它处理程序，例如以彩色增益放大器放大，图像处理并不限于图8所示。
另一种实施方式中，激活信号St2是外部装置79所产生。当激活信号St1或St2产生后，则表示摄像系统700需要被唤醒，接者进入步骤S1213。
步骤S1213：接着，摄像机71执行快速自动曝光以判断目前环境下的曝光时间和增益值。在快速自动曝光期间，处理单元713产生彩色增益、增益控制信号Sgain_c及曝光控制信号Sexp_c执行自动曝光，由于此时主控装置73尚未被唤醒。自动曝光为已知，只是此步骤的自动曝光为上述的快速自动曝光。
步骤S1215：接着，摄像机71的处理单元713判断环境亮度。如前所述，处理单元713可根据摄像机71产生的图像判断环境亮度，或根据外部装置79的检测结果判断环境亮度。接着，根据环境亮度来决定摄像系统700唤醒后的曝光模式，其中，环境亮度与亮度阈值的比较，可由摄像机71来进行，或由主控装置73来进行，因其细节已说明于上，故于此不再赘述。如上所述，处理单元713还可根据亮度参数决定所述曝光模式。
步骤S1217：如图11A所示，当环境亮度小于亮度阈值Thd(或图11B的亮度参数大于参数阈值Thd')时，则进行双增益模式。如图9所示，当摄像系统700于唤醒后(即正常模式)运作于双增益模式时，摄像机71以高模拟增益AGainL及低模拟增益AGainS对图像感测器711获取的相同张图像放大而得到亮图像及暗图像。处理单元713接着进行图像合成以产生增益组合图像Isyn至主控装置73。
步骤S1219：如图11A所示，当环境亮度大于亮度阈值Thd(或图11B的亮度参数小于参数阈值Thd')，则进行多重曝光模式。如图10所示，若摄像系统700于唤醒后(即正常模式)运作于多重曝光模式，摄像机71以第一组摄像参数AGain1、Texp1及第二组摄像参数AGain2、Texp2依序获取第一曝光图像Iexp1(或图像1)及第二曝光图像Iexp2(或图像2)。处理单元713接着将第一曝光图像Iexp1及第二曝光图像Iexp2传送至主控装置73。主控装置73接着合成第一曝光图像Iexp1及第二曝光图像Iexp2以产生曝光组合图像，例如图4B的Fm，后再进行录像。
在唤醒摄像系统700后，摄像机71与主控装置73需要具有相同的运作模式，主控装置73才能正确的接收摄像机71传来的增益组合图像或第一曝光图像Iexp1及第二曝光图像Iexp2，以进行后续动作。如前所述，主控装置73可从摄像机71接收模式信号，或根据接收的亮度信息(包含曝光时间及增益值或亮度参数)自行判断运作模式，根据不同应用而定。
本发明中，低耗能模式是在摄像机71输出增益组合图像或第一及第二曝光图像至主控装置73之前。
综上所述，在亮环境和暗环境下，不同曝光模式可得到不同的曝光效果，以使得组合图像中亮暗区域同时具有较佳的信噪比。因此，本发明还提供一种摄像机和使用该摄像机的摄像系统(图7至图10)，其通过判断唤醒时刻环境光强弱，以使摄像系统操作于适当的曝光模式。藉此，可增加被记录的图像帧中的亮暗区域的信噪比，以提高使用这些图像判断及控制的精确度。
虽然本发明已通过前述实例披露，但是其并非用以限定本发明，任何本发明所属技术领域中具有通常知识的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与修改。因此本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定的范围为准。
Claims (9)
1.一种摄像系统，该摄像系统包含：
摄像机，该摄像机用于在低耗能模式下，
当激活信号产生时进行自动曝光以决定曝光时间及增益值，并据以计算并输出亮度参数，
当所述亮度参数小于参数阈值时，输出不同曝光图像，及
当所述亮度参数大于所述参数阈值时，输出增益组合图像；以及主控装置，该主控装置用于，
当接收到所述激活信号时结束所述低耗能模式，其中所述激活信号用于唤醒所述主控装置，及
判断所述摄像机传送图像的数据格式，其中所述激活信号与所述亮度参数相差预定时间间隔被所述主控装置接收，且所述自动曝光是在所述预定时间间隔内完成，其中所述数据格式包含所述不同曝光图像及所述增益组合图像。
2.根据权利要求1所述的摄像系统，其中，所述增益组合图像包含以不同增益值放大所述摄像机获取的相同图像的不同图像区域。
3.根据权利要求1所述的摄像系统，其中，所述摄像机用于在所述低耗能模式下，
根据其所获取的图像产生所述激活信号，
从外部的热传感器接收所述激活信号，或
从外部的门铃或触摸板接收所述激活信号。
4.根据权利要求1所述的摄像系统，其中，所述激活信号传送至所述摄像机以及所述主控装置。
5.根据权利要求1所述的摄像系统，其中，所述不同曝光图像包含第一曝光图像及第二曝光图像，所述主控装置还用于当判断所述摄像机是输出所述不同曝光图像时，合成所述第一曝光图像及所述第二曝光图像以产生曝光组合图像。
6.根据权利要求5所述的摄像系统，其中，所述摄像机还记录
用于获取所述第一曝光图像的多个第一曝光时间和多个第一增益值，及
用于获取所述第二曝光图像的多个第二曝光时间和多个第二增益值。
7.根据权利要求5所述的摄像系统，其中，
所述摄像机以第一曝光时间获取所述第一曝光图像并以第二曝光时间获取所述第二曝光图像，所述第一曝光时间不同于所述第二曝光时间，及
所述主控装置用于分割所述第一曝光图像为多个第一图像区域、分割所述第二曝光图像为多个第二图像区域、比较相对应的所述第一图像区域与所述第二图像区域的信号特征、并将所述信号特征较大的所述第一图像区域与所述信号特征较大的所述第二图像区域组合为所述曝光组合图像。
8.根据权利要求1所述的摄像系统，其中，所述主控装置还包含图像记录器，且当判断所述摄像机是输出所述增益组合图像时，直接记录所述增益组合图像至所述图像记录器。
9.根据权利要求1所述的摄像系统，其中，所述亮度参数是与所述增益值与所述曝光时间相关的函数。
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