CN1543226A - 图像处理设备、图像处理方法及图像捕获设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于为对通过捕获镜头的光进行电转换所得到的图像信号，校正由捕获镜头导致的像差的图像处理设备。该图像处理设备包括：校正向量计算单元，用于在至少关于由捕获镜头导致的色差和畸变像差的数据的基础上，根据包含在图像信号中的每个颜色分量的每个像素的坐标来计算校正向量；转换比率计算单元，用于接收至少图像信号、捕获条件和校正向量，并根据像素的坐标来计算用于缩放颜色分量的转换比率；以及分辨率转换单元，用于在转换比率的基础上根据像素的坐标缩放颜色分量。
Description
技术领域
本发明涉及校正在用捕获镜头捕获的图像中，由捕获镜头导致的像差的图像处理设备、图像处理方法和图像捕获设备。本发明特别涉及一种图像处理设备、图像处理方法和图像捕获设备，其能够同步校正由捕获镜头导致的色差(chromatic aberration)和畸变像差(distortion aberration)。
背景技术
摄像机或数字静态照相机已经在最近今年迅速地小型化，并且它们的捕获镜头也已经小型化。捕获镜头的小型化增加了由镜头导致的像差，并因此很难充分地抑制住捕获图像的质量的降低。特别地，如图6所示，由于通过镜头时每个波长的红色、绿色、蓝色分量具有不同的折射率，就会发生相对于绿色分量的图像元素，红色分量的图像元素形成在外侧，而蓝色分量的图像元素形成在内侧的现象。这一现象导致沿着对象的图像边缘的颜色模糊(色移)，即使是黑白物体也是如此。日本未审专利申请出版号No.2000-299874公开了一种用于通过信号处理校正由捕获镜头导致的像差的技术。
而且，由于如在图7A和7B中所示的畸变像差，直线对象(见图7A)的图像的直线被不适宜地弯曲了。畸变像差分类为两种：桶形畸变和枕形畸变。图7B说明了典型的桶形畸变。
传统的上述色差或畸变像差的电子校正(electrical correction)只能适用它们中的一个。为了校正全部两种像差，如在图8中所示，这些像差可以通过两个校正处理81和82连续地校正。然而，这种校正需要大量的从图像存储器的再现和对图像存储器的记录，并因此整个处理用很长的时间，包括访问图像存储器所需的时间。结果，很难实现高速的校正处理。
特别是当在水平方向上的校正和在垂直方向上的校正不能同时执行的时候，处理时间进一步增加，并因此更难实现高速的处理。这导致产品性能的降低，诸如数字照相机在连续图像捕获之间的很长的时间。
而且，很长的处理时间导致了在总体能量消耗上的增加，包括访问图像存储器的处理。这也导致了产品性能的降低，诸如很短的电池寿命。
发明内容
本发明是用来达到解决上述问题的。根据第一方面，本发明提供一种用于为对通过捕获镜头的光进行电转换所得到的图像信号，校正由捕获镜头导致的像差的图像处理设备。该图像处理设备包括：校正向量计算单元，用于在至少关于由捕获镜头导致的色差和畸变像差的数据的基础上，根据包含在图像信号中的每个颜色分量的每个像素的坐标来计算校正向量；转换比率计算单元，用于接收至少图像信号、捕获镜头的捕获条件、和计算的校正向量，并根据像素的坐标来计算用于缩放(scaling)颜色分量的转换比率；以及分辨率转换单元，用于在计算的转换比率的基础上根据像素的坐标缩放颜色分量。
根据第二方面，本发明提供一种用于为对通过捕获镜头的光进行电转换所得到的图像信号，校正由捕获镜头导致的像差的图像处理方法。该图像处理方法包括以下步骤：在至少关于由捕获镜头导致的色差和畸变像差的数据的基础上，根据包含在图像信号中的每个像素的坐标来计算校正向量；接收至少图像信号、捕获镜头的捕获条件、和计算的校正向量，并计算用于缩放图像信号的转换比率；和根据计算的转换比率缩放图像信号。
根据第三方面，本发明提供一种图像捕获设备，包括：图像捕获元件，用于将通过捕获镜头的光转换为电图像信号；校正向量计算单元，用于在至少关于由捕获镜头导致的色差和畸变像差的数据的基础上，根据包含在图像信号中的每个颜色分量的每个像素的坐标来计算校正向量；转换比率计算单元，用于接收至少图像信号、捕获镜头的捕获条件、和计算的校正向量，并根据像素的坐标来计算用于缩放颜色分量的转换比率；以及分辨率转换单元，用于在计算的转换比率的基础上根据像素的坐标缩放颜色分量。
在本发明中，术语镜头(lens)和捕获镜头(capture lens)代表包括一个或多个捕获镜头元件的镜头组。
本发明提供以下优越效果。由镜头导致的畸变像差和色差都由同一个硬件来同时校正。输出图像和记录的图像是降低了畸变像差与颜色模糊的高质量图像。同一时间校正畸变像差和色差实现高速处理。这就实现了在诸如连续拍照的拍照之间的很短的时间间隔内进行操作，以及实现在数字静态照相机中的电能消耗的降低。
除了由相机部份捕获的图像数据，本发明还可以有利地应用到从记录介质再现的图像数据。如果这样的图像数据在记录期间表现出具有畸变像差和色差，则该图像数据在其校正之后再进行再现。图像数据的图像质量因此得到了改善。对于具有相机振动校正装置的摄像机和数字照相机，通过根据用于校正相机振动的向量控制光轴的坐标，精确地校正畸变像差和色差。
附图说明
图1是根据本发明的实施例的图像记录和再现装置的方框图；
图2是矩阵计算的方框图；
图3是通过分辨率转换进行色差校正的概念示意图；
图4A到4C是根据相机振动校正装置的实施例的示意图；
图5A和5B是根据相机振动传感器的实施例的示意图；
图6是由镜头导致的色移的示意图；
图7A和7B是用于解释由镜头导致的畸变像差的示意图；
图8是传统像差校正的方框图。
具体实施方式
本发明的实施例将参考附图进行描述。在实施例中，本发明的图像处理设备被应用到图像记录和再现装置。图1是根据本发明的实施例的图像记录和再现装置的方框图。
例如，该图像记录和再现装置是数字照相机。图像记录和再现装置具有：成像器1(CCD、CMOS传感器等)，用于将通过捕获镜头L的光转换为电图像信号；相机信号处理单元2，用于处理图像信号；矩阵计算单元3，用于将从相机信号处理单元2输出的信号转换或反向转换为包括至少三原色的分量的信号；分辨率转换单元4，用于缩放在图像的图像信号中的原色的每个颜色分量；相机振动传感器5，用于检测相机振动的校正量；镜头畸变数据存储器6，用于保存关于由镜头导致的畸变的数据；校正向量计算单元7，用于根据来自镜头畸变数据存储器6的关于由镜头导致的畸变的数据和在图像中的像素的坐标，来计算校正向量；和控制部分10，用于根据包括捕获镜头L的变焦(zoom)和焦点(focus)位置的驱动状态、光圈值、来自相机振动传感器5的相机振动的校正量、由镜头定义的图像高度、来自校正向量计算单元7的校正向量和像素的坐标，来控制在分辨率转换单元4中用于缩放的转换比率和光轴的坐标。
图像记录和再现装置的主要功能如下：“相机模式”，用于捕获图像；“再现模式”，用于再现图像；“矩阵计算”，用于转换图像信号的颜色空间；“分辨率转换”，用于实现校正由捕获镜头导致的像差；和“相机振动校正控制”，用于校正在图像捕获期间出现的相机振动。现在将在下面描述每个功能的处理。
“相机模式”
来自对象的光信号通过捕获镜头L被提供到成像器1，并由成像器1转换为电信号，该捕获镜头L包括几个单独的镜头元件。该电信号被提供到A/D转换单元21并由该A/D转换单元21转换为由数字信号组成的图像数据。该图像数据被提供到相机信号处理单元2，并由相机信号处理单元2进行处理。例如，当从A/D转换单元21输出的图像数据包括R、G和B分量时，该图像数据被相机信号处理单元2转换为由Y、Cb和Cr分量组成的图像数据。由相机信号处理单元2转换的图像数据经由用于在相机模式和再现模式之间进行切换的切换电路SW，被提供到矩阵计算单元3。
“再现模式”
根据实施例的图像记录和再现装置能够处理来自相机部分的输入信号和再现的信号。具体地讲，从诸如软盘(FD)或存储棒(memory stickTM，MS)的记录介质再现的压缩的图像数据，通过解压单元31被解压，并且解压的图像数据经由用于在相机模式和再现模式之间进行切换的切换电路SW，被提供到矩阵计算单元3。
“矩阵计算”
当图像数据由R、G和B分量组成时，优选地执行像差的校正。因此，如果输入信号由Y、Cb和Cr分量组成，则该输入信号首先需要有矩阵计算单元3进行转换。
在图1中，由Y、Cb和Cr分量组成的图像信号由矩阵计算单元3转换为R、G和B分量，并且转换的图像数据被记录在图像存储器M中。相对照的，从图像存储器M再现的由R、G和B分量组成的图像数据，由矩阵计算单元3反向转换为Y、Cb和Cr分量，并经历记录或再现处理。
图2表示当由Y、Cb和Cr分量组成图像信号被记录在图像存储器M中。在这种情况下，在分辨率转换单元4进行处理之前和之后，需要由矩阵计算单元3进行处理。在矩阵计算单元3，执行在Y、Cb和Cr分量和R、G和B分量之间的转换。
“分辨率转换(缩放)”
在图1中，记录在图像存储器M中的R、G和B分量的各个图像数据元素由分辨率转换单元4进行转换。例如，R和B信号相对于G信号进行转换，即，根据捕获镜头L的性质，R信号按比例降低(scale down)，而B信号按比例升高(scale up)。当出现不同于放大倍数的色差的复合像差时，所述按比例提高/降低可能变化。由镜头导致的像差分量由分辨率转换单元4进行校正，然后校正的图像数据被再次记录在图像存储器M中。
关于色差的校正的由分辨率转换单元4缩放的转换比率是基于下面四个值由控制部分控制的：(1)变焦焦距；(2)焦点位置；(3)光圈值(f的数字)；以及(4)在经历分辨率转换处理的图像信号坐标和光轴坐标之间的距离，该距离对应于图像高度，并由存储器控制器8提供。(1)到(3)项从在相机模式中的镜头系统提供。
第(4)项的另一种选择可以是一种配置，其中从用于相机信号处理的视频信号执行用于自动聚焦的检测处理，以及计算作为整个图像的代表点用于相对于在图像中的聚焦坐标(焦点对准对象的坐标)进行缩放的转换比率。
这些捕获条件可以在图像数据的捕获时间被检测，并当图像数据被记录时存储在图像存储器M中。可以在图像数据被再现时，检索(retrieve)存储的捕获条件。
关于在相机模式中畸变像差的校正，在从镜头畸变数据存储器6提供的图像中的几个代表点上，从镜头畸变数据计算在原始图像中像素的坐标，而经历分辨率转换处理的像素的坐标(在输出图像中的坐标)是从存储器控制器8提供的。其结果被提供到转换比率计算单元11。
在这个单元中，确定分辨率转换所需的原始图像的几个像素的坐标和转换比率。基于用于畸变像差校正的这个作为结果的转换比率，以及上述计算的用于色差的转换比率，为R、G和B分量的每个像素计算了最终分辨率转换比率，以便分辨率转换单元4同时校正畸变像差和色差。这是实施例的特性特征。
在再现模式中，用户能够在观看输出图像的同时最小化色差和/或畸变像差。在这种情况下，转换比率是由用户界面控制的。
图3表示由分辨率转换校正色差的概念。具有色差的图像，一般地，红色分量移向外围而蓝色分量移向内侧，即使是黑白对象。这个图像功能数据被分为R、G和B分量的图像数据元素，并且相对于G信号，R信号被按比例降低而B信号被按比例提高。从这些信号重新组合的图像数据具有校正了的像差和降低了的颜色模糊，因此实现了高分辨率图像质量。
在该实施例中，基于从镜头畸变数据存储器6提供的几个代表点上的镜头畸变数据，和从存储器控制器8提供的经历分辨率转换处理的像素的坐标(在输出图像中的坐标)，计算在原始图像中的像素的坐标。该结果被提供到转换比率计算单元11，并且确定用于校正畸变像差的转换比率。通过将这个用于校正畸变像差的作为结果的转换比率，乘以上述确定的用于色差的转换比率，为R、G和B分量的每个像素计算了最终分辨率转换比率。这个最终分辨率转换比率允许分辨率转换单元4同时校正畸变像差和色差。
“相机振动校正”
如果在捕获镜头L之后提供用于校正在捕获时发生的相机振动的相机振动校正装置，则基于从相机振动感测器5提供的相机振动量，由控制部分10的相机振动校正向量计算单元12等计算相机振动校正向量，并将计算的相机振动校正向量提供到校正向量计算单元7。当这个相机振动校正向量的正和负号是二维反向的，则相机振动校正向量对应于在图像数据中的镜头的光轴坐标的移动向量。因此，将镜头的光轴的坐标从控制部分10提供到分辨率转换单元4，以便相关于镜头的光轴的坐标确定缩放因数(scaling factor)。
镜头的光轴的坐标被提供到计算坐标的部分，以校正畸变像差。在输入图像中的坐标被该向量移动，所以在每种场合都实现了相对于光轴的最佳畸变像差的校正。
在这个例子中的相机振动校正装置被限制为在镜头之后提供。包括下面的例子：在镜头组中提供用于移动光轴的装置的情况(见图4A)；移动用于再现图像的地址的情况(见图4B)；以及移动在图像存储器中的地址的情况(将图4C)。
作为对照，如果用于校正的装置，如棱镜，被提供在镜头之前，则不需要对光轴的坐标进行动态地控制。这时因为在图像数据中的光轴的坐标是固定的。
相机振动感测器的例子包括陀螺传感器(例如角速度传感器，如在图5A中所示)，和从图像检索移动向量的检测系统(见图5B)。由相机振动感测器检测到的值可以和图像数据一起被存储到图像存储器M中，这样就可以再现图像数据的同时被检索。
这样，根据捕获条件，基于由捕获镜头L导致的像差的数据，计算根据每个颜色分量的转换比率。颜色分量的图像数据元素根据由分辨率转换单元4的作为结果的转换比率来按比例提高或降低，以便通过分辨率转换单元4实现校正由捕获镜头L和相机振动两者导致的所有像差。结果，实现了高速校正图像数据和校正的图像质量。
虽然参考起图像记录和再现装置作用的数字照相机，已经描述了实施例，但是本发明并不局限于公开的实施例。例如，也可以使用能够处理移动图像的装置，诸如包括使用个人计算机、照相手机(camera phone)、或个人数字助理(PDA)的电视电话(video-phone)装置。特别地，由于本发明的图像处理设备和图像处理方法能够在很短的时间内校正由镜头导致的像差，所以对于能够处理移动图像的装置的应用是有效的。
根据本发明的图像处理方法能够作为在个人计算机中运行的程序的处理来实现。在这种情况下，对于提前捕获的图像数据，由捕获镜头导致的关于捕获条件、色差和畸变像差的数据，是由该程序捕获的，然后执行上述分辨率转换。因此，捕获的图像数据在捕获时由于镜头导致的像差是可以校正的。捕获条件和由捕获镜头导致的像差的数据可以与图像数据分开被捕获，也可以被包括在图像数据中。
虽然在实施例中分辨率转换处理由R、G和B分量组成的三原色，但是其它颜色(例如，除了RGB以外还包括青色(C)和紫色(M)的五种颜色)也可以适用。增加颜色的数量实现了图像质量的高精度校正。
由镜头导致的像差的数据可以提前被存储在镜头畸变数据存储器中，可以是外部捕获的，或者可以是可重写的，以便处理镜头的变化。
本申请包括与在2003年3月30日在日本专利局提交的日本专利申请No.JP 2003-124930有关的主题，其全部内容引用于此作为参考。
Claims (16)
1.一种用于为对通过捕获镜头的光进行电转换所得到的图像信号，校正由捕获镜头导致的像差的图像处理设备，该图像处理设备包括：
校正向量计算装置，用于在至少关于由捕获镜头导致的色差和畸变像差的数据的基础上，根据包含在图像信号中的每个颜色分量的每个像素的坐标来计算校正向量；
转换比率计算装置，用于接收至少图像信号、捕获镜头的捕获条件、和计算的校正向量，并根据像素的坐标来计算用于缩放颜色分量的转换比率；以及
分辨率转换装置，用于在计算的转换比率的基础上根据像素的坐标缩放颜色分量。
2.如权利要求1所述的图像处理设备，其中由转换比率计算装置接收的捕获条件包括驱动状态，所述驱动状态包括捕获镜头的变焦和焦点位置、光圈值和相机振动的校正量。
3.如权利要求1所述的图像处理设备，还包括：
信号转换装置，用于在从分辨率转换装置输出的图像信号，和将要输出到外部或将要被记录的转换了的图像信号之间，执行转换；
用于输出转换了的图像信号，或用于将外部图像信号传输到信号转换装置的装置；和
用于在记录介质上记录转换了的图像信号，或用于再现记录在记录介质上的记录的图像信号的装置。
4.如权利要求3所述的图像处理设备，其中用于记录或再现图像信号的装置还将关于捕获镜头的驱动状态的信息、光圈值、相机振动的校正量、和由捕获镜头定义的图像高度，或从捕获信息计算的关于镜头校正的校正信息，与图像信号的记录一起记录在记录介质上。
5.如权利要求1所述的图像处理设备，还包括用户接口装置，用于自由地设置将在分辨率转换装置中使用的转换比率和光轴的坐标。
6.如权利要求4所述的图像处理设备，其中根据由用于记录或再现图像信号的装置再现的捕获信息或校正信息，来控制将在分辨率转换装置中使用的转换比率和光轴的坐标。
7.一种用于为对通过捕获镜头的光进行电转换所得到的图像信号，校正由捕获镜头导致的像差的图像处理方法，该图像处理方法包括以下步骤：
在至少关于由捕获镜头导致的色差和畸变像差的数据的基础上，根据包含在图像信号中的每个像素的坐标来计算校正向量；
接收至少图像信号、捕获镜头的捕获条件、和计算的校正向量，并计算用于缩放图像信号的转换比率；和
根据计算的转换比率缩放图像信号。
8.如权利要求7所述的图像处理方法，其中捕获镜头的捕获条件包括驱动状态，所述驱动状态包括：捕获镜头的变焦和焦点位置、光圈值、相机振动的校正量。
9.如权利要求7所述的图像处理方法，还包括步骤用于：
将根据转换比率缩放的输出图像信号转换为将要输出到外部或将要被记录的转换了的图像信号。
10.如权利要求7所述的图像处理方法，还包括步骤用于：
在记录介质上记录图像信号和关于捕获镜头的驱动状态的捕获信息、光圈值、和相机振动的校正量、和由捕获镜头定义的图像高度、或从捕获信息计算的关于镜头校正的校正信息。
11.如权利要求7所述的图像处理方法，还包括步骤：
当计算了用于缩放图像信号的转换比率时，通过来自用户指示校正转换比率。
12.一种图像捕获设备，包括：
图像捕获元件，用于将通过捕获镜头的光转换为电图像信号；
校正向量计算装置，用于在至少关于由捕获镜头导致的色差和畸变像差的数据的基础上，根据包含在图像信号中的每个颜色分量的每个像素的坐标来计算校正向量；
转换比率计算装置，用于接收至少图像信号、捕获镜头的捕获条件、和计算的校正向量，并根据像素的坐标来计算用于缩放颜色分量的转换比率；和
分辨率转换装置，用于在计算的转换比率的基础上根据像素的坐标缩放颜色分量。
13.如权利要求12所述的图像捕获设备，其中由转换比率计算装置接收的捕获条件包括驱动状态，所述驱动状态包括：捕获镜头的变焦和焦点位置、光圈值、相机振动的校正量。
14.如权利要求12所述的图像处理设备，还包括用户接口装置，用于自由地设置将在分辨率转换装置中使用的转换比率和光轴的坐标。
15.一种用于为对通过捕获镜头的光进行电转换所得到的图像信号，校正由捕获镜头导致的像差的图像处理设备，该图像处理设备包括：
校正向量计算块，被配置来在至少关于由捕获镜头导致的色差和畸变像差的数据的基础上，根据包含在图像信号中的每个颜色分量的每个像素的坐标来计算校正向量；
转换比率计算块，被配置来接收至少图像信号、捕获镜头的捕获条件、和计算的校正向量，并根据像素的坐标来计算用于缩放颜色分量的转换比率；以及
分辨率转换块，被配置来在计算的转换比率的基础上根据像素的坐标缩放颜色分量。
16.一种图像捕获设备，包括：
图像捕获元件，配置来将通过捕获镜头的光转换为电图像信号；
校正向量计算块，配置来在至少关于由捕获镜头导致的色差和畸变像差的数据的基础上，根据包含在图像信号中的每个颜色分量的每个像素的坐标来计算校正向量；
转换比率计算块，配置来接收至少图像信号、捕获镜头的捕获条件、和计算的校正向量，并根据像素的坐标来计算用于缩放颜色分量的转换比率；和
分辨率转换块，配置来在计算的转换比率的基础上根据像素的坐标缩放颜色分量。
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