CN1225110C - 在图象采集中用以优化曝光时间的方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种在曝光期间优化图象传感器阵列中象素区域的曝光时间的方法，是通过应用由生成数字图象信号的象素构成的图象传感器阵列的时间间隔采样来完成的。从每一数字图象信号萃取发光值，并对其进行分析以判定象素是否已经达到最佳曝光。如果象素已经达到最佳曝光时，将不再记录来自该象素的后继数字图象信号。这样就保持正好在象素已达到其最佳曝光时，由象素所生成的最佳的数字图象信号的记录。上述有选择地根据象素的最佳曝光而终止数字图象信号记录的处理过程，能够按各个别象素加以实现或按象素区域加以实现。

Description

在图象采集中用以优化曝光时间的方法和设备

本发明涉及用以将光学图象转换成电信号的图象传感器，确切地说涉及在图象采集中用以优化曝光时间的方法和设备。

图象传感器被用来将聚焦在传感器上的光学图象转换成电信号。图象传感器一般包括一组光检测器阵列，当图象被聚焦在所述阵列上时，每个光检测器产生一个与撞击到该光检测器上的光强相应的信号。于是就可以应用这些信号，例如，在一监控器上显示相应的图象，或换句话说用以提供有关上述光学图象的信息。

一种非常通用的图象传感器的类型是电荷耦合器件(CCD)。集成电路芯片包含有CCD图象传感器时由于需要特殊的处理工艺，而只有相对低的成品率并且是很昂贵的。所述CCDs还消耗相对较大的功率。存在其他众所周知的种种缺点。

一种便宜得多的图象传感器的型式是应用互补金属-氧化物-半导体晶体管(CMOS)工艺所构成的集成电路。在这种CMoS型图象传感器中，将光电二极管或光敏晶体管(或其他适合的器件)用作光检测元件，在这种场合上述元件的电导率相应于撞击到元件上的光强。由光检测元件如此生成的可变信号是一种模拟信号，其大小大致上与撞击在元件上的光量(在某一范围之内)成正比。

已知将这些光检测元件构成借助行和列的可寻址的两维核心阵列。一旦某一行元件被寻址，来自该行中每个光检测元件的模拟信号就被耦合到阵列中相应的各列。接着可应用模数(A/D)转换器将各列上的模拟信号转换成数字信号，以便在图象传感器芯片的输出端仅提供数字信号。

现有技术仅论述到图象传感器阵列的速度和缩减尺寸。授予Fowler等人的美国专利第5,461,425号公开了象素级A/D转换器的应用，以加速光学图象到数字数据流的转换。授予Fowler等人的美国专利第5,801,657号公开了一种用于同时完成位串行模数转换的方法，它也加速光学图象到数字数据流的转换。然而，现有技术中都未曾论述到在图象传感器阵列的某些区域中的一些光检测器，在图象传感器阵列中的其余光检测器达到饱和之前已达到饱和的问题。这导致图象传感器阵列有过量或不足曝光的种种问题。

于是，就有必要提供一种方法和设备，以便在曝光期间优化图象传感器阵列中象素区域的曝光时间。

本发明的主要目的是提供一种在曝光期间优化图象传感器阵列中象素区域的曝光时间的方法。该方法和现有技术大不相同，它要求二度曝光以便最佳地捕获一图象。首次曝光是确定最佳曝光参数，而第二次曝光则是应用最佳设定进行实际图象的捕获。

鉴于上述目的，本发明的方法是利用时间间隔的采样以优化图象采集系统的曝光。通过一彩色分选器传送图象传感器阵列中由象素生成的数字信号，以便为每一象素萃取发光值。并将这些发光值加以统计分析，以便判定每一象素的饱和度。在本发明中的一个象素包含一光检测器和一模数转换电路。因为数字信号本来就与模拟信号相对的是由象素生成的，所以来自图象传感器阵列的数字信号的读出能够完成得非常迅速。这就使本发明的方法在一个曝光周期内能够多次间隔采样。

在一个曝光周期内，对图象传感器阵列按多次时间间隔进行采样，以便判定每一象素的饱和度。一旦判定一象素已达到最佳饱和的上限，来自该象素的后继数字图象信号就不再进行记录。这样就保持最佳的数字图象信号，是由象素正好在象素已达到饱和上限时所生成的。

上述有选择地根据象素的饱和度终止数字图象信号记录的处理过程，能够按各个别象素加以实现或按象素区域加以实现。

本发明的上述以及其他目的，特征和优点通过下面对本发明最佳实施例的详细介绍，连同参考附图将会一清二楚，附图中相同标号指的是相同部件，其中：

图1是说明本发明一实施例的方框图；

图2是说明本发明另一实施例的方框图；

图3是说明本发明第三实施例的方框图；

图4示出在本发明中A/D转换器输入和输出关系的图形；

图5a是说明本发明用峰值统计方法的图形；

图5b是说明本发明用平均值统计方法的图形；

图5c是说明本发明用直方图方法的图形；

图6是说明本发明的时间间隔曝光的图形；

图7是说明本发明方法的程序方框图；

虽然为了举例说明起见，以下详细说明包含有众多细节，但是任何一个熟悉本技术领域的人士将很清楚，对以下细节作出的种种变型和变化都是在本发明的范围之内的。因此，陈述本发明的下列最佳实施例，对申请专利的本发明没有任何普遍性的损失同时也没有强加于其上的限制性。

图1显示本发明的一个实施例。图象传感器阵列100包含数千个象素134，这些象素能够被排列成行和列的两维阵列的形式。

每一象素包含一个光检测器和一个模数转换器(ADC)。光检测器可以是具有与撞击在其上的光强成正比的电导率的任何器件。上述器件的实例是电荷耦合器件(CCD)和CMOS光敏晶体管。流经光敏晶体管或光栅的模拟电流与撞击在其基极上的光强成正比。

根据在授予Fowler等人的美国专利第5,461,425号和第5,801,657号中所公开的CMOS结构，将完成模数转换的电路连接到每个光检测器的输出上，以便将代表撞击在光检测器上的光强的模拟信号转换成等值的数字信号，后者可通过一数字信号处理器(DSP)加以处理或将其存储在存储器内供稍后计算。

与CCD图象传感器相对的，与CMOS图象传感器有关的问题之一是它们的较低的动态范围，也就是，基于CMOS的光检测器趋向于非常快地形成饱和，导致在图象传感器的某些区域中的过量曝光。如果是为了上述过量曝光而调整缩短曝光时间，则某些较弱光强的区域又可能会曝光不足。借助本发明解决了这一问题，假如当光检测器首先达到某一预置的饱和上限时，就将来自光检测器或光检测器某一区域的信号存储进存储器，而其余尚未达到预置的饱和上限的光检测器则仍继续进行曝光，并将它们的信号在稍后时间读进存储器内。因为较早地在光检测器达到饱和之前存储信号，这将确保高光强区域不会受到过量曝光，同时确保弱光强区域在将信号存储进存储器之前被曝光一较长的周期时间直到光检测器有充分的饱和度。

将图象传感器阵列100连接到监控单元112。监控单元的目的是借助于信号110周期性地读取光检测器的数字图象信号读数，并借助信号114将所述读数发送到彩色分选器116。彩色分选器应用滤色方案，例如RGB或LUV提供给光检测器数字读数，从而为每个光检测器萃取一发光值，后者表明光检测器的饱和度。

接着借助信号118将上述发光值发送到曝光控制器120。上述数字图象信号也可以借助信号126被发送到存储控制器128，以存储进存储器单元132内。曝光控制器120通过发光值完成两项解析。第一，它判定光检测器是否已达到某一预先设定的饱和上限。应用上述预先设定的饱和上限来表明该光检测器已接近饱和。例如，在一典型的8-比特发光值刻度上，假设特定光检测器的饱和值是250，而预先设定的饱和上限被设定在245发光值。当所述光检测器已达到该预先设定的饱和上限时，则控制器120将借助信号124对存储控制器128指示，停止把来自上述光检测器的后继数字图象信号写入存储器单元132内。该光检测器将继续进行曝光，直到曝光周期结束为止。该光检测器将被曝光超过其饱和点，但这将不会影响到由图象传感器阵列生成的最终的图象。由该光检测器生成的数字图象信号超过预先设定的饱和上限范围将不被写入存储器单元132内，以便保存先前所存储的信号。

第二项解析是曝光控制器120通过发光值来判定每个光检测器接近预先设定的饱和上限的程度。举例来说，假设再次将预先设定的饱和上限设定在245(就8-比特精度而言)，并进一步，假设由光检测器的监控单元采样之间预设周期为100ms。如果光检测器在最后一次采样时有一发光值为240，在按100ms出现的下一次采样时，它可能完全通过上述245发光值预先设定的饱和上限，甚至可能达到最高度的饱和。因此，对于接近预先设定的饱和上限的光检测器来说，就有必要缩短下一采样周期的时间。在以上实例中，可能需要与当前采样相隔10ms时来完成下一次采样。曝光控制器120借助信号122控制监控单元112，使得接近预先设定的饱和上限的那些光检测器按缩短的采样时间间隔进行采样。

上述处理过程持续进行，直到全部光检测器都已达到预先设定的饱和上限为止，或直到预定曝光时间周期已结束为止。在存储器132中的数据于是就能够加以清除，或将其转送到永久性数据存储介质供进一步处理用。图象传感器阵列接着就准备用于下一次的曝光。

图2说明本发明的第二个实施例。在图1示出的实施例中，对每个独立的象素(光检测器)在每个采样周期就其饱和度加以分析，以判定是否已达到预先设定的饱和上限。具有高分辩率的图象传感器阵列一般包含2000×2000或更高的象素阵列。逐一地分析数千个象素对曝光控制器来说可能是非常繁重的。因而需要更大功率和更昂贵的曝光控制器。

另一方面，可将图象传感器阵列210分成像200，202，204，206这样一类的多个区域。这些区域并不需要相同尺寸或形状。光检测器仍借助信号110通过监控单元112并借助信号114通过彩色分选器116分别逐一地进行采样和彩色分选。然而，曝光控制器120采用一种统计分析来判定光检测器的一个区域是否已达到预先设定的饱和上限。如果曝光控制器120判定一个区域已经达到预先设定的饱和上限，它将指令存储控制器128停止把来自该区域任何一个光检测器的后继数字图象信号写入存储器单元132内。

图5a至5c说明能够用在控制器上的三种统计方法，以判定一个区域是否已达到预先设定的饱和上限。图5a说明峰值方法。此处，曝光控制器120正寻找至少一个具有等于或高于预先设定的饱和上限500饱和度的象素502。当上述情况发生时，曝光控制器120将指令存储控制器128停止把来自该光检测器区域的后继数字图象信号写入存储器单元132内。

图5b说明平均值方法。曝光控制器120计算出在一个区域中全部光检测器的平均发光值为510。如果该平均发光值高于平均值512，曝光控制器120将指令存储控制器128停止把来自该光检测器区域的后继数字图象信号写入存储器单元132内。在运算中，所述平均值可能是饱和值的一半。按8-比特精度形式，上述饱和值为256。举例来说，平均值可以是按8-比特精度形式为128或按10精度形式为512。换句话说，可以从直方图方法来获得所述平均值。

图5c说明直方图方法。由曝光控制器120生成直方图以判定如何将象素值分布遍及整个图象。根据直方图，按照熟悉本技术领域的人士所周知的统计计算，能够动态地获得一平均值或饱和上限。除直方图方法之外，也可以应用其他的统计方法来判定平均值和上限值。

可注意到如果单独应用这些统计方法中的每个方法，可能不会产生最佳的统计结果并从而不会产生最佳的图象曝光。例如，在应用峰值方法的情况下，在一区域中一个非常聚焦的亮点可能很迅速地强制少许象素达到预先设定的饱和上限，而在该区域中的其余象素却曝光不足或根本没有被曝光。然而，如果还对该区域计算过平均发光值的话，就会很显然意识到有亮点存在，并在曝光时间方面作出补偿调整。熟悉本技术领域的人士都能够确定统计方法的最佳组合，从而获得最可靠的统计方法。

图6说明在本发明中时间间隔采样的概念。图6是一示范性光检测器曝光状态的图形说明。从曝光周期开始，可把监控单元112预先设定成每隔100ms对光检测器采样。用602说明从曝光周期开始时间过去100ms以后的发光值，并用604说明时间过去200ms以后的发光值。正如用612所说明的，在400ms时，光检测器接近于饱和上限606。如果监控单元112在预先设定的500ms时完成下一次采样的话，光检测器的饱和度可能已经大大地超过上述饱和上限606。因此，由曝光控制器120指令监控单元112，例如在450ms或离最后采样50ms时进行下一次采样。光检测器的饱和度在时间450ms时处于或略微超过饱和上限606，同时曝光控制器将终止来自该光检测器的数字图象信号的进一步记录，并保持在时间450ms时记录的最佳数字图象信号。

图7概述在本发明中用以优化图象曝光的方法。程序步702和714各自表示一特定象素或一象素区域曝光的启动和停止。程序步704表示来自图象传感器阵列中每个独立光检测器的数字图象信号的读出。该程序步还完成从每个数字图象信号中萃取一代表每个光检测器饱和度的发光值。在程序步706中，通过从每个光检测器中所萃取的发光值完成一种统计分析。做上述统计分析以便判定光检测器或光检测器区域是否已达到预先设定的饱和上限。在程序步708中生成控制参数，从而为一特定光检测器或光检测器区域控制曝光时间。上述控制参数值取决于所述光检测器或光检测器区域是否已达到饱和上限。在程序步710，可能对光检测器或光检测器区域再进行曝光，在该种情况下，将跟随路径712并继续进行读出和分析。如果光检测器已经达到饱和上限，来自该光检测器或光检测器区域的图象信号将不再加以记录同时处理过程将在程序步714终止。控制参数708正如以下所述能够被用作其他用途，例如控制模数转换电路。

图3显示本发明的曝光控制器信号122的另一种应用。象素300包含光检测器302和8-比特模数转换器306。正如在先前两个实施例中一样，将象素的数字输出110送往监控单元112，然后通过彩色分选器116并最终送往曝光控制器120。曝光控制器120分析光检测器的发光值并借助于信号310控制ADC控制器312以影响模数转换器306的状态。

图4显示模数转换器306的模拟输入信号与数字输出信号的关系曲线。在正常情况下，模拟输入信号和数字输出信号有一与曲线410特点的关系。假定增益402是处于45度角，模拟输入信号404的一个单元将产生数字输出信号408的一个单元。然而，ADC控制器能够控制偏移量400引起一看来像曲线412的曲线。通过像412那样偏移曲线，就相同的模拟输入信号404，能够得到较低的数字输出信号406。通过控制ADC控制器312从而控制偏移量400，曝光控制器能够有效地阻止象素输出饱和的数字图象信号。

很清楚在不脱离本发明范围的前提下，熟悉本技术领域的人士是可以对以上实施例进行多种修改的。因此，本发明的范围应当由以下的权利要求书和它们的法定等效权利加以限定。

Claims (23)

1.一种在图象采集装置中曝光期间用以优化图象传感器曝光时间的方法，它包含以下步骤：

a)从所述图象传感器的相应数量的象素中获得许多数字图象信号；

b)通过从所述许多数字图象信号导出的发光值完成统计分析；

c)从所述统计分析导出一或多个控制参数：

d)应用所述控制参数为所述图象传感器中的每个象素或其一部分改变曝光时间。

2.根据权利要求1所述的方法，其中曝光时间包含许多预定的时间间隔，而且其中所述获得许多数字信号是在上述预定时间间隔之一的末端，通过重复采样许多数字信号来完成的。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述应用所述控制参数改变曝光时间包含使最后一个预定时间间隔加以缩短，从而避免某些数字信号饱和。

4.根据权利要求1所述的方法，其中每个所述象素包括一光检测器和一电路，所述光检测器当被暴露给目标时产生一模拟信号，而所述电路则将所述模拟信号转换成所述数字图象信号之一。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述的在每个所述象素中的光检测器是互补金属-氧化物—半导体晶体管(CMOS)所构成的。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述统计分析是由数字信号处理器完成的。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述一或多个控制参数指出一象素是否已达到饱和上限。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述统计分析是一种峰值统计分析。

9.根据权利要求1所述的方法，其中所述统计分析是一种平均值统计分析。

10.根据权利要求1所述的方法，其中所述统计分析是一种直方图分布统计分析。

11.根据权利要求1所述的方法，其中曝光时间是根据从所述统计分析导出的所述一或多个控制参数，通过有选择地终止来自每个所述许多象素或来自一象素区域的所述数字信号记录而加以改变的。

12.一种具有优化曝光时间的图象传感器系统，该图象传感器包含：

一个象素元件的阵列，每个所述象素元件有一饱和上限，而且当正被暴露给目标时产生一数字信号；

一个在每一预先设定的时间间隔用以采样所述数字信号的监控单元，其中曝光时间包括许多所述预先设定的时间间隔；以及

一个与所述监控单元通信的控制电路，它响应从所述象素元件采样的数字信号中导出的一或多个控制参数，从而判定每一所述象素饱和度是否已达到各自所述相应象素的饱和上限，用以终止来自所述象素元件的数字信号的记录，其中每一所述象素元件包括一光检测器和一电路，所述光检测器当被暴露给目标时生成一模拟信号，所述电路则将所述模拟信号转换成所述数字信号。

13.根据权利要求12所述的系统，其中所述光检测器是以互补金属-氧化物-半导体晶体管(CMOS)为基准的。

14.根据权利要求13所述的系统，其中所述数字信号被写入一存储器单元内。

15.根据权利要求12所述的系统，其中所述控制电路按照所述一或多个控制参数使最后一个所述时间间隔加以缩短从而避免某些所述光检测器会饱和。

16.根据权利要求12所述的系统，其中把所述象素元件组合成区域，每一区域有一区域饱和度和一区域饱和上限。

17.根据权利要求16所述的系统，其中每个所述区域生成所述一或多个控制参数。

18.根据权利要求16所述的系统，其中所述象素元件在所述曝光时间内按每一所述预先设定的时间间隔被采样，以判定每个所述光检测器的饱和度。

19.根据权利要求16所述的系统，其中所述控制器根据一种统计分析生成所述一或多个控制参数，从而判定每一所述区域饱和度是否已达到各自所述相应区域的饱和上限。

20.根据权利要求19所述的系统，其中所述统计分析是判定在每一所述区域范围内的峰值。

21.根据权利要求19所述的系统，其中所述统计分析是判定在每一所述区域范围内的平均值。

22.根据权利要求19所述的系统，其中所述统计分析是完成一项直方图分布统计分析。

23.根据权利要求12所述的系统，其中所述终止记录所述数字图象信号能够在每个所述光检测器上或对于每一所述光检测器区域内完成。

Images