CN1941844A - 视频信号处理装置和数码相机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种视频信号处理装置，用于通过捕获固态成像元件的输出来产生规定格式的视频信号，所述固态成像元件依照水平扫描和垂直扫描的各自定时来驱动。在该视频信号处理装置中，第一信号处理电路通过对模拟视频信号执行第一信号处理来产生第一视频信号，其中所述模拟视频信号以水平行作为单位从所述固态成像元件连续输出。A/D转换电路通过将第一视频信号转换成数字信息来产生第一视频数据。存储电路至少以一个水平行作为单位来存储第一视频数据，并且经过规定延迟时期的延迟后读出第一视频数据。第二信号处理电路通过对从存储电路读出的第一视频数据执行第二信号处理来产生第二视频数据。

Description

视频信号处理装置和数码相机

技术领域

本发明涉及视频信号处理装置，其将从固态成像元件得到的视频信号转换成数字数据并执行各种信号处理。此外，本发明涉及由这种视频信号处理装置和固态成像元件组成的数码相机。

背景技术

由于数字信号处理技术和互补型金属氧化物半导体(CMOS)微粉化工艺的飞速发展，单芯片MOS相机已经于最近得以实现。在单芯片MOS相机中的单块硅衬底上集成有能够执行高级信号处理的视频信号处理装置和成像元件，该成像元件通过将光信号转换成电信号而获取辐射至成像面的光信号。

虽然提供单芯片相机已经成为可能，但是人们已经发现，独立地形成有成像芯片和视频信号处理芯片的双芯片结构在性能和成本方面更具有优势。

视频信号处理芯片高速地处理巨大量数字图像信息。因此，信号处理功能在视频信号处理芯片的功能中所占比例越来越大。而且，为了通过将来预期会迅猛发展的手提式电话传送静止图像，需要对图像信息执行大幅的压缩。JPEG(联合图像专家组)是一种公知的用于压缩图像数据的方法。这种数据压缩方法有必要高速地执行大量的运算。为了使信号处理芯片易于执行这种处理，必需具备最新的CMOS微粉化工艺和CMOS设计技术。此外，为了处理动态图像，有必要设置超高速处理电路。因此，为了制造视频信号处理芯片，要求具有最新发展水平的数字CMOS微粉化技术。

同时，成像芯片处理模拟信号，并且该芯片在这方面不同于视频信号处理芯片。此外，由于光敏面(例如相机中的透镜)的限制，成像芯片难于执行彻底的微粉化。

由于上述不同点，对于成像芯片和视频信号处理芯片来说，它们所要求的制造工艺是不同的。因此，如果这两种芯片被强制安排进单一芯片中，则可能产生噪声并降低成像性能。换句话说，如果这两种芯片强制形成于单一芯片中，则会导致价格变高而性能变差。鉴于这些方面，最近经试验研究做了如下设计，即，在将视频信号处理芯片和图像芯片形成在单一芯片中的情况下，对成像芯片和视频信号处理芯片进行单独设计。

举例来说，在美国专利2004/0201732中公开的相关技术包括一种芯片装置，该装置组合了由CMOS构成的视频信号处理芯片和成像芯片，其中该成像芯片由一种低漏电流结构的晶体管构成，这种结构只采用nMOS类型和pMOS类型形成，其中定时脉冲发生电路、增益控制放大器和A/D转换电路设置于视频信号处理芯片上以实现低成本。此外，单独设计的成像芯片的所有电路仅用nMOS类型或pMOS类型形成。因此，在制程扩散(processdiffusion)步骤中，仅仅有必要形成一系列单一类型的阱结构(well structure)，从而使工艺步骤和掩模的数量能够大幅减少。另外，没有必要与视频信号处理装置一致地采用微粉化工艺，并且通过将成像芯片的重点放在模拟性能上而使成像芯片可以和视频信号处理装置分开设计。因此，没有必要强制执行可实现高性能的微粉化工艺。

然而，在上述相关技术中，模拟信号处理电路设置于视频信号处理芯片上。因此，模拟信号处理系统和数字信号处理系统混合在单一视频信号处理芯片中。在这种情况下，数字信号处理部分和由模拟信号处理电路、AD转换电路等构成的模拟信号处理部分紧密地布置于视频信号处理芯片中，而不管电路布图以及电源和接地电路的分隔如何设计。因此，不可能阻止在执行数字信号处理之时产生的数字噪声混入模拟信号。

下文中将描述根据上文所述的相关技术的视频信号处理装置的驱动定时。图6是用于表示视频信号处理装置的结构框图的一个实例，而图7用于表示根据相关技术的信号处理的每个工作定时(action timing)的实例。

首先，包括定时发生电路的相机控制微型计算机16(camera-controlmicrocomputer)向固态成像元件11提供驱动控制信号S11，驱动控制信号S11包含：来自定时供给线路的水平同步信号，用于控制水平方向的驱动；垂直同步信号，用于控制垂直方向的驱动；以及用于驱动成像元件的脉冲。同步输入视频信号S12以模拟信号形式从固态成像元件11输入到视频信号处理装置20。输入视频信号S12以单一水平行作为单位被连续输出，并且在水平行中的每个信号中设有作为有效视频像素区域(包含光黑部分)的视频时期和作为水平扫描的逆程消隐时期的水平消隐时期。输入到视频信号处理装置20的输入视频信号S12首先被捕获到模拟信号处理电路12，在该电路中对其进行模拟信号处理，接着，它作为视频信号S13被捕获到A/D转换电路13。视频信号S13通过A/D转换电路13被转换成数字视频数据S14，并写入行存储器14。写入行存储器14的视频数据S14作为视频数据S15以同样定时被输出至数字信号处理电路15。视频数据S15在数字信号处理电路15中受到数字信号处理，然后作为输出视频数据S16从视频信号处理装置20输出。

如图7所示，在上述相关技术的视频信号处理装置20中，存在模拟信号处理时期和数字信号处理时期互相重叠的重叠时期。因此，存在执行数字信号处理之时产生的数字噪声可能在重叠的信号处理时期中混入模拟信号的风险。

发明内容

因此，本发明的主要目的是有效地防止在视频信号处理装置中数字噪声混入模拟信号，所述视频信号处理装置包括以混合方式设置的数字信号处理电路和模拟信号处理电路(例如模拟信号处理电路和A/D转换电路)。

为了克服上文所述的缺点，本发明的视频信号处理装置是这样一种视频信号处理装置，其通过捕获固态成像元件的输出来产生规定格式的视频信号，所述固态成像元件依照水平扫描和垂直扫描的各自定时而被驱动。所述处理装置包括：第一信号处理电路，用于通过对模拟视频信号执行第一信号处理产生第一视频信号，其中所述模拟视频信号以水平行(horizontal-line)作为单位从固态成像元件连续输出；A/D转换电路，用于通过将第一视频信号转换成数字信息而产生第一视频数据；存储电路，其至少以一个水平行作为单位存储第一视频数据，并且经过规定延迟时期的延迟后读出第一视频数据；以及第二信号处理电路，用于通过对从存储电路读出的第一视频数据执行第二信号处理来产生第二视频数据。

在这种结构中，第一视频数据产生于第一信号处理电路和A/D转换电路中，并被存储于存储电路中。所存储的第一视频数据被输出到第二信号处理电路以由存储于存储电路中的第一视频数据产生第二视频数据。存储电路具有如下功能，即，将所存储的第一视频数据输出至第二信号处理电路的时期相对于产生和存储第一视频数据的时期移位(延迟)一段时期。换句话说，存储电路将数据信号处理时期相对于模拟信号处理时期移位(延迟)，其中在数据信号处理时期中第一视频数据从存储电路读出且第二视频数据在第二信号处理电路中产生，而模拟信号处理时期中第一视频数据产生于第一信号处理电路和A/D转换电路并存储到存储电路。简而言之，模拟信号处理时期从数字信号处理时期移位。即使在从第二信号处理电路中在从第一视频数据产生第二视频信号的过程中产生数字噪声，作为模拟信号处理的第一信号处理已经在那段时期完成。即使两个时期之间部分互相重叠，所重叠的部分基本上是不重要的。结果，即使存在数字噪声，也可以将数字噪声混入第一模拟信号处理的风险尽可能地消除。因此，图形质量的下降可以得到抑制。

在上述结构中，优选的是，存储电路将延迟时期设置为，使得对模拟视频信号执行第一信号处理的处理时期与对第一视频数据执行第二信号处理的处理时期不重叠。因此，第一信号处理时期与第二信号处理时期根本不重叠，这样第二信号处理中产生的数字噪声混入第一信号处理的风险就完全不存在了。因此，抑制图形质量下降的效果可以得到进一步提高。

在上述结构中，优选的是，第二信号处理电路调节第二信号处理的处理时期中的时钟脉冲的频率，这样第二信号处理可以在两批相邻的第一信号处理之间的间隔时期内完成。这是所采用的其中一种方法，通过这种方法可使第一信号处理的时期与第二信号处理的时期不重叠。将第二信号处理的起始定时设置于第一信号处理的时期的结束点之后，是用于防止重叠的条件之一。然而，如果第二信号处理的结束定时晚于下一周期中第一信号处理时期的起始点，那么产生于第二信号处理时期的后一半中的数字噪声可能混入第一信号处理时期的前一半。因此，通过在第二信号处理电路执行第二信号处理时增大时钟脉冲的频率，来执行高速处理，使得第二信号处理在第一信号处理时期开始之前完成。因此，第一信号处理时期与第二信号处理时期根本不重叠。结果，无疑可以防止数字噪声的混入。

在上述结构中，优选的是，第二信号处理电路将第二信号处理的处理时期的起始定时设置于第一信号处理的处理时期的结束定时之后，并且将处于工作状态的水平同步信号的周期设置成一定的时间长度，该时间长度长于第一信号处理的处理时期和第二信号处理的处理时期之和。这是所采用的其中另一种方法，通过这种方法可使第一信号处理的时期与第二信号处理的时期也不重叠。在这种情况下，第一信号处理时期与第二信号处理时期也根本不重叠。结果，无疑可以防止数字噪声的混入。

此外，在上述结构中，为了执行多种方法(增大时钟脉冲的速度，调节水平同步信号的周期长度，等等)从而使第一信号处理时期与第二信号处理时期不重叠，可以安装用于执行上述两种处理的两种电路都，以使每种功能能够选择性地或者结合应用。因此，可以依照摄影环境执行最佳的处理方法。结果，抑制质量下降的效果可以得到进一步提高。

此外，根据本发明的数码相机由以下部件组成：上文所述的任意视频信号处理装置；以及由驱动控制信号驱动和进行定时控制的固态成像元件，该驱动控制信号从视频信号处理装置输出，该固态成像元件产生对象(subject)的模拟视频信号并将其作为输入视频信号发出至该视频信号处理装置。因此，可以通过抑制数字噪声的混入而获得高质量的图像。

本发明通过在执行第二信号处理时期中不执行第一信号处理而避免数字噪声的混入，因而能够抑制图形质量的下降。

根据本发明的视频信号处理装置作为数码相机等是有效的，其中不存在混入的数字噪声，而且可抑制图形质量的下降。

附图说明

根据下文所述的优选实施例和所附权利要求书，本发明的其他目的将变得清晰。本领域技术人员可以理解的是，通过将本发明具体化，就会发现本发明还具有许多其他可能的优点。

图1是用于显示数码相机的结构的框图，其中该相机包括根据本发明实施例的视频信号处理装置；

图2是用于显示根据本发明实施例的视频信号处理装置的工作的时序图；

图3是用于描述本发明实施例中的数字噪声的混入的时序图；

图4是用于显示本发明实施例中的时钟脉冲的速度变化的时序图；

图5是用于显示根据本发明实施例的水平同步信号的周期变化的时序图；

图6是用于显示数码相机的结构的框图，其中该相机包括根据相关技术的视频信号处理装置；以及

图7是用于显示根据相关技术的视频信号处理装置的工作的时序图。

具体实施方式

下文中将参照附图详细描述包括本发明的视频信号处理装置的数码相机的实施例。图1是用于显示数码相机的结构的框图，其中数码相机包括根据本发明的实施例的视频信号处理装置。在图1中，视频信号处理装置10捕获从固态成像元件1输出的模拟信号S12，并通过执行模拟信号处理、A/D转换以及数字信号处理，产生第二视频数据S6。

视频信号处理装置10包括用于执行模拟信号处理的第一信号处理电路2、A/D转换电路3、作为存储电路的行存储器(line memory)4、用于执行数字信号处理的第二信号电路5、以及相机控制微型计算机6。

第一信号处理电路2通过捕获从固态成像元件1输出的模拟视频信号S2来执行模拟信号处理，以产生规定格式的第一视频信号S3。模拟信号处理包括相关双采样(CDS)处理和自动增益控制(AGC)处理。相关双采样(CDS)处理可消除固态元件1中电荷转移之时产生的复位噪声和1/f噪声，并产生不带有黑色电平波动和横向噪声(lateral noise)的视频信号。自动增益控制(AGC)处理可调节CDS电路的输出视频信号的增益。上述模拟信号处理在下文中被称为第一信号处理。

A/D转换电路3捕获和转换第一视频信号S3，以产生第一视频数据S4，第一视频数据S4所具有的每一个数据对应于固态成像元件的每一个受光像素的视频信息。行存储器4以水平行作为单位来存储产生于A/D转换器3中的第一视频数据S4，并经过预定的时间后，根据来自相机控制微型计算机6的指令，读出和输出存储其中的第一视频数据S5。读出定时将在以后详细描述。

第二信号处理电路5通过捕获从行存储器4输出的第一视频数据S5来执行数字信号处理，以产生规定格式的第二视频数据(Y/C视频数据)S6。上述数字信号处理在下文中称为第二信号处理。

将用于从行存储器4读出第一视频数据S5的定时设置为，在该种定时处，在一个水平行中的所有第一视频数据S4已经被写入行存储器。而且，将时钟脉冲的速度设置为在第二信号处理电路5中执行信号处理的时候增大速度，这样数字信号处理系统(第二信号处理系统)的处理时间，即，从第一视频数据S5从行存储器4输出开始，直到第一视频数据S5从第二信号处理电路5输出这段时间，完全处于水平消隐时期之中。

也就是说，做以下如此的设置，使得模拟信号处理系统(第一信号处理系统)的视频信号处理时间，即，从模拟视频信号S2从固态成像元件1输出开始，直到第一视频数据S4写进行存储器4这段时间，与数字信号处理系统(第二信号处理系统)的视频信号处理时间不重叠。因此，模拟信号处理系统(第一信号处理系统)的信号处理时期和数字信号处理系统(第二信号处理系统)的信号处理时期互相不重叠。这可防止产生于数字信号处理系统(第二信号处理系统)中的数字噪声混入第一视频信号S3和第一视频数据S4。

图2是用于显示根据本实施例的视频信号处理的每个工作定时的实例的时序图。首先，包括定时发生电路的相机控制微型计算机6向固态成像元件1提供驱动控制信号S11，该驱动控制信号S11包含：来自定时供给线路的用于控制水平方向驱动的水平同步信号、用于控制垂直方向驱动的垂直同步信号、以及用于驱动成像元件的脉冲。同步模拟输入视频信号S2从固态成像元件1输入到视频信号处理装置10。输入视频信号S2首先被捕获进入模拟信号处理电路2，并在其中受到第一信号处理(模拟信号处理)，该信号接着作为第一视频信号S3被捕获进入A/D转换电路3。第一视频信号S3通过A/D转换电路3转换成第一数字视频数据S4，并被输入行存储器4。行存储器4积存第一视频数据S4，直到一个水平行中的所有第一视频数据S4被完全写入。在完成所有第一视频数据S4的写入的定时处，开始进行以下处理，即，将积存的第一视频数据S4读出，并送到第二信号处理电路5。第一视频数据S5在第二信号处理电路5中受到第二信号处理(数字信号处理)，该信号接着作为输出视频数据S6从视频信号处理装置10输出。

如图3所示，在第一信号处理(模拟信号处理)不工作的时期，即彼此相邻的两个第一信号处理时期之间的间隔时期Ta，等于或者长于在一个水平行的视频时期中执行第二信号处理(数字信号处理)的时期Tb(Ta≥Tb)的情况下，时期Tb在行存储器4中的定时可以简单地移位。因此，延迟的时期Tb与下一个被输入的输入视频信号的所述一个水平行的视频时期不重叠。然而，在这种情况下，有必要将时期Tb的延迟时间设置成长于以下事件的时间长度，即，时期Tb和下一个被输入的输入视频信号的所述一个水平行的视频时期彼此重叠的时间长度(例如，与间隔时期Ta相等的时间长度)。

然而，当间隔时期Ta短于时期Tb(Ta＜Tb)的时候，不可能通过简单地在行存储器4中将时期Tb的定时移位，来避免延迟的时期Tb与下一个被输入的输入视频信号的所述一个水平行的视频时期重叠。

为了克服这种不便，如图4所示，作为第一处理方式，本实施例在从行存储器4读出第一视频数据S5到第二信号处理电路5的定时处，增大视频信号处理装置10的时钟脉冲的速度。换句话说，时钟脉冲的频率比起正常状态增大了。在这种情况下，视频信号处理装置10的时钟脉冲的频率被增大到一定程度，使得在第一信号处理(模拟信号处理)不处于工作状态的时期中，能够完成一个水平行的视频时期的第二信号处理(数字信号处理)。相机控制微型计算机6控制时钟脉冲的频率。因此，执行第二信号处理(数字信号处理)的时期可以缩短。这样，从一个水平行的视频时期的第一信号处理(模拟信号处理)的结束点开始，直到下一个水平行的视频时期的第一信号处理(模拟信号处理)开始，在这之间的间隔时期Tb中，能够完成所述一个水平行的视频时期的第二信号处理(数字信号处理)。

如图5所示，作为第二处理方式，本实施例在开始从行存储器4读出第一视频数据S5到第二信号处理电路5的定时处，扩展固态成像元件1的水平同步信号的信号宽度(周期)。将水平同步信号的信号宽度(周期)设置为其时间长度长于如下两个时期之和，即，执行第一信号处理系统(模拟信号处理系统)的信号处理的时期，以及执行第二信号处理系统(数字信号处理系统)的信号处理的时期。具体而言，将处于工作状态的水平同步信号的周期设置为长于第一信号处理的处理时期和第二信号处理的处理时期之和。相机控制微型计算机6执行水平同步信号周期的控制。因此，如同上文所采用的第一方法，执行第二信号处理(数字信号处理)的时期可以缩短。这样，从一个水平行视频时期的第一信号处理(模拟信号处理)的结束点开始，直到下一个水平行视频时期的第一信号处理(模拟信号处理)开始，在这之间的间隔时期Ta中，所述一个水平行的视频时期的第二信号处理(数字信号处理)能够完成。

不用说的是，如果通过仅执行第一或者第二处理(调节时钟频率的处理或者调节水平同步信号周期的处理)不能完成一个水平行的视频时期的第二信号处理(数字信号处理)，则这两种处理可以组合执行。举例来说，存在以下情况，即，由于动态图形的帧速率，不可能扩展水平同步信号的信号宽度(周期)。类似地，存在以下情况，即，由于执行数字信号处理，不可能增大频率来增大时钟脉冲的速度。在这些情况中，可以设置以上所述的用于执行第一和第一处理的两种电路，并且可选地执行其中任一种处理。因此，可以根据摄影环境来执行最佳的控制信号校正处理。因此，可以进一步提高抑制质量下降的效果。

通过采用以上所述的任一种方法，本实施例利用处理定时来分开第一信号处理(模拟信号处理)和第二信号处理(数字信号处理)。因此，可以有效地防止数字噪声混入模拟视频信号。

通过参照最优选的实施例，已经对本发明进行了详细描述。然而，在不偏离附带的权利要求书的精神和范围的前提下，可以进行各组成部分的各种组合和改造。

Claims (6)

1.一种视频信号处理装置，其通过捕获固态成像元件的输出来产生规定格式的视频信号，所述固态成像元件依照水平扫描和垂直扫描的各自定时来驱动，所述处理装置包括：

第一信号处理电路，用于通过对模拟视频信号执行第一信号处理来产生第一视频信号，其中所述模拟视频信号以水平行作为单位从所述固态成像元件连续输出；

A/D转换电路，用于通过将所述第一视频信号转换成数字信息来产生第一视频数据；

存储电路，其至少以一个水平行作为单位来存储所述第一视频数据，并且经过规定的延迟时期的延迟后读出所述第一视频数据；以及

第二信号处理电路，用于通过对从所述存储电路读出的所述第一视频数据执行第二信号处理来产生第二视频数据。

2.根据权利要求1所述的视频信号处理装置，其中所述存储电路将所述延迟时期设置成，使得对所述模拟视频信号执行所述第一信号处理的处理时期与对所述第一视频数据执行所述第二信号处理的处理时期不重叠。

3.根据权利要求2所述的视频信号处理装置，其中所述第二信号处理电路调节在所述第二信号处理的所述处理时期中的时钟脉冲的频率，使得在两批相邻的所述第一信号处理之间的间隔时期中可以完成所述第二信号处理。

4.根据权利要求2所述的视频信号处理装置，其中所述第二信号处理电路将所述第二信号处理的所述处理时期的起始定时设置在所述第一信号处理的所述处理时期的结束定时之后，并且将处于工作状态的水平同步信号的周期设置成一定的时间长度，该时间长度长于所述第一信号处理的所述处理时期和所述第二信号处理的所述处理时期之和。

5.根据权利要求2所述的视频信号处理装置，其中所述第二信号处理电路可选地或组合地执行第一处理和第二处理，其中：

所述第一处理调节时钟脉冲的频率，使得在两批相邻的所述第一信号处理之间的间隔时期中可以完成所述第二信号处理；并且

所述第二处理将所述第二信号处理的所述处理时期的起始定时设置在所述第一信号处理的所述处理时期的结束定时之后，并且将处于工作状态的水平同步信号的周期设置成一定的时间长度，该时间长度长于所述第一信号处理的所述处理时期和所述第二信号处理的所述处理时期之和。

6.一种数码相机，包括：

根据权利要求1所述的视频信号处理装置；以及

固态成像元件，其由从所述视频信号处理装置输出的驱动控制信号驱动和进行定时控制，所述固态成像元件产生对象的模拟视频信号并将其作为输入视频信号发出至所述视频信号处理装置。

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