DE10143518A1

DE10143518A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Korrektur von netzspannungsabhängigen Helligkeitsschwankungen bei der Bildaufzeichnung

Info

Publication number: DE10143518A1
Application number: DE10143518A
Authority: DE
Inventors: Hannes Wagner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2001-09-05
Filing date: 2001-09-05
Publication date: 2003-03-27
Also published as: WO2003024096A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Korrektur von Bildstörungen, die aufgrund einer netzfrequenzbedingten Helligkeitsvariation von künstlichen Lichtquellen auftreten. Die Variationsfrequenz dieser Helligkeitsschwankungen wird gemessen und als Eingangsgröße für einen Algorithmus verwendet, mittels dem Daten generiert werden, die für diese Korrektur erforderlich sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbesserung bei der Bildaufzeichnung mit Kameras, insbesondere mit Kameras in mobilen Kommunikationsgeräten.

Betreibt man eine Kamera, beispielsweise eine digitale Videokamera, in einer Umgebung, welche mit einer nicht mit Konstantstrom betriebenen Lampe beleuchtet wird, beispielsweise mit Leuchtstoffröhren, so kann es zu Interferenzen im Bild kommen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Gasentladung in der Leuchtstoffröhre mit der Netzfrequenz, die in Deutschland beispielsweise 50 Hz beträgt, erfolgt, wodurch die von ihr ausgestrahlte Helligkeit variiert. Allgemein variiert die Helligkeit von Lichtquellen, wenn diese mit Wechselstrom betrieben werden. Bei Glühlampen ist dieser Effekt jedoch aufgrund des Nachglühens des Glühdrahtes weniger deutlich als beispielsweise bei Halogenlampen oder Leuchtstoffröhren. Um diese netzbedingten Helligkeitsschwankungen von künstlichen Lichtquellen bei der Bildaufzeichnung zu kompensieren, werden sogenannte "Flickerkompensationsalgorithmen" verwendet. Auf den Vorgang, Daten zu generieren, welche zur Korrektur der Bildstörungen aufgrund der netzbedingten Helligkeitsschwankungen herangezogen werden können, wird mit dem Begriff "Flickerkompensation" Bezug genommen.

Heutige Kameras sind auf die im jeweiligen Land vorherrschenden Netzfrequenz optimiert, d. h. ihr Flickerkompensationsalgorithmus arbeitet mit dieser Netzfrequenz fest eingestellt.

Es werden jedoch in verschiedenen Ländern unterschiedliche Netzfrequenzen verwendet. Die Flickerkompensation einer in Deutschland verkauften Kamera, welche für 50 Hz optimiert ist, liefert keine befriedigenden Ergebnisse bei Aufnahmen in den USA, wo die Netzfrequenz 60 Hz beträgt. Der Grund hierfür ist, dass die im Flickerkompensationsalgorithmus fest vorgegebene Frequenz nun nicht mehr mit der Netzfrequenz übereinstimmt. Bei hochwertigen Produkten kann daher die landestypische Netzfrequenz über eine Menüeinstellung angepasst werden. Dies erfordert allerdings ein gewisses technisches Verständnis des Benutzers. Zudem ist diese Anpassung nicht praktikabel bei mobilen Geräten, wie beispielsweise Mobiltelefonen mit einer Kamera, da ja bei Reisen laufend zwischen den Netzfrequenzen umgestellt werden müsste. Unter Umständen ist diese Umstellung zudem gar nicht möglich, da die momentan verwendete Netzfrequenz nicht bekannt ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine einfache und sichere Kompensation von bei künstlichen Lichtquellen auftretenden Helligkeitsschwankungen bei einer Bildaufzeichnung anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung weist ein lichtempfindliches Sensorelement auf, mittels dem eine variierende Helligkeit in ein elektrisches Signal, beispielsweise eine zeitlich variierende Spannung, umgewandelt wird. Die Änderungsrate oder Frequenz dieses zeitlich variierenden Signals wird mittels einer dafür geeigneten Einheit, beispielsweise einer Schaltungsanordnung oder/und einem Prozessor, ermittelt. Unter Verwendung dieser Frequenz werden in einer nachfolgenden Prozessoreinheit Daten erzeugt, mit denen Bilddaten korrigierbar sind, die mit einer Kamera bei künstlichem Licht aufgezeichnet wurden.

Vorteil dieser Lösung ist es, dass die vorherrschende Netzfrequenz automatisch einstellbar ist, da sie mit Hilfe der Diode sowie der nachgeordneten Einheit erfasst und einer Verarbeitung in der nachfolgenden Prozessoreinheit zugeführt wird.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist diese Vorrichtung in ein Kommunikationsgerät integriert oder mit diesem zusammen benutzbar. Das Kommunikationsgerät selbst ist wiederum zusammen mit einer Kamera zu verwenden.

Die Störungen, die die netzbedingten Helligkeitsschwankungen bei der Bildaufzeichnung hervorrufen, können dann einfach und sicher korrigiert werden, auch bei Betrieb des Kommunikationsgeräts in unterschiedlichen Ländern.

In einer Weiterbildung weist das Kommunikationsgerät eine Anzeigeeinheit auf. Als lichtempfindliches Sensorelement wird eine Diode verwendet, die zusätzlich als Beleuchtungselement für die Anzeigeeinheit verwendbar ist.

Durch die Mehrfachfunktionalität der Diode werden Kosten und auch Platz auf den immer kleiner werdenden Kommunikationsgeräten eingespart, insbesondere auch wegen der für die Diode verwendeten Schaltungen.

In einer anderen Ausgestaltung weist das Kommunikationsgerät ebenfalls eine Anzeigeeinheit auf und das lichtempfindliche Sensorelement wird auch als Helligkeitsmesser zum Messen einer mittleren Helligkeit verwendet. Derartige Helligkeitsmesser dienen beispielsweise bei beleuchteter Anzeigeeinheit dazu, die Beleuchtung der Anzeigeeinheit an die Umgebungshelligkeit anzupassen und so Energie einzusparen, um möglichst lange Stand-by-Zeiten des betreffenden Geräts zu ermöglichen. In einer anderen Ausgestaltung wird das lichtempfindliche Sensorelement auch als Beleuchtungsmesser an der Kamera verwendet.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung liegt das von der Diode stammende elektrische Signal als Spannungssignal vor. Dieses wird mittels eines Analog-Digital-Wandlers digitalisiert und zur weiteren Bearbeitung einer Signalverarbeitung zugeführt.

In einer anderen Weiterbildung wird das lichtempfindliche Sensorelement mit zumindest einem weiteren Sensorelement in Serie geschaltet.

Die Spannung, welche an einem derartigen Sensorelement, beispielsweise an einer Diode abfällt, bei der sie im Wesentlichen proportional zur einfallenden Strahlung ist, ist meist gering. Durch eine Serienschaltung wird diese Spannung verstärkt, wodurch eine einfachere und sicherere Messung möglich ist.

In einer Ausführungsvariante bildet eine Auswahl an Bauteilen, die zumindest die Einheit zur Frequenzermittlung enthält, ein eigenständiges Modul, welches mit dem Kommunikationsgerät verbindbar ist und direkt oder über das Kommunikationsgerät mit der Kamera kommuniziert.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Lösung der Aufgabe angegeben, in welchem zumindest die Frequenz der Helligkeitsschwankungen ermittelt wird, welche dann als Größe zur Berechnung von Korrekturdaten dient.

Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung werden im übrigen aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen anhand der Figuren deutlich. Es zeigen
Fig. 1 den schematischen Zusammenhang zwischen einzelnen Bestandteilen einer Ausgestaltung der Vorrichtung zur Kompensation netzbedingter Helligkeitsschwankungen bei einer Bildaufzeichnung und
Fig. 2 ein modular aufgebautes Set aus Kommunikationsgerät, Kameramodul und Frequenzermittlungsmodul.
In Fig. 1 ist eine Lampe, beispielsweise eine Leuchtstoffröhre 10, dargestellt, die bei der landesüblichen Netzfrequenz betrieben wird. Die Netzfrequenz beträgt derzeit entweder 50 oder 60 Hz. Da die Gasentladung in der Leuchtstoffröhre 10 in Abhängigkeit von der Netzfrequenz erfolgt, variiert die Helligkeit des von ihr ausgestrahlten Lichts 12.
Eine Variation der Helligkeit kann wie bereits eingangs erwähnt, auch bei allen Lichtquellen auftreten, welche mit Wechselstrom betrieben werden. Insbesondere kann eine Variation der Helligkeit auch auftreten, wenn Lampen "gedimmt" werden, das heißt wenn Ihre Leistungsaufnahme zeitlich beschränkt wird, wodurch im Mittel eine geringere Leistungssaufnahme erfolgt. Diese Helligkeitsvariationen können beispielsweise den Helligkeitsvariationen aufgrund der Netzfrequenz überlagert sein.
In diesem Licht 12 erfolgt mittels der Kamera 14 die Bildaufzeichnung, bei der zugehörige Bilddaten 16 generiert werden. Diese Bilddaten 16 können mit Störungen behaftet sein. Bildstörungen können entstehen, wenn die Netzfrequenz und damit die Frequenz der Helligkeitsschwankungen nicht mit der Frequenz übereinstimmt, bei der einzelne Bilder aufgenommen werden. Dies führt zu einer Schwebung, d. h. in diesem Fall zu einer Variation der Helligkeit der einzelnen aufgezeichneten Bilder mit einer Schwebefrequenz. Diese ist beispielsweise durch den Unterschied von Netzfrequenz und Frequenz der Bildaufzeichnung festgelegt. Bildstörungen können weiterhin auftreten, wenn ein Einzelbild nicht als Gesamtbild aufgenommen wird, sondern beispielsweise zeilenweise erfasst wird.
Licht 12 der Leuchtstoffröhre 10 wird auch von einem lichtempfindlichen Sensorelement, beispielsweise einer Diode 18 aufgenommen. Diese Diode 18 wird im Sperrbereich betrieben, d. h. es wird eine Spannung angelegt, bei der kein Strom fließt. In dem pn-Übergang der Diode bildet sich in Folge von Ladungsträgerdiffusion eine Raumladungszone. Werden durch einfallendes Licht im Bereich der Raumladungszone Ladungsträger freigesetzt, so bewirkt das elektrische Feld die Trennung der Elektronen von den Löchern. Die Elektronen wandern zur n- Zone und die Löcher zur p-Zone. Dies führt zu einer Spannungsänderung. Die von der Diode abgegebene elektrische Spannung variiert natürlich mit der Intensität des einfallenden Lichtes, d. h. es liegt bei Helligkeitsvariationen ein Wechselspannungssignal vor, welches die Netzfrequenz aufweist, mit der die Leuchtstoffröhre 10 betrieben wird. Dieses Wechselstromsignal 20 wird mittels eines Analog/Digital-Wandlers digitalisiert und einer Signalprozessoreinheit 24 zur Frequenzermittlung zugeführt. Eine Prozessoreinheit 26 generiert mit Hilfe der ermittelten Frequenz und der über eine Schnittstelle 28 ausgetauschten Bilddaten 16 Korrekturdaten, mit derer Hilfe die Bildstörungen kompensiert werden.
Ein Modul bestehend aus der Diode 18, dem Analog/Digital- Wandler 22, der Signalprozessoreinheit 24 sowie der Prozessoreinheit 26 kann als eigenständiges Modul gefertigt sein, welches mit Hilfe einer Schnittstelle 28 Daten mit der Kamera 14 austauscht.
Ebenso können alle Bestandteile in einem Kommunikationsgerät, beispielsweise einem Mobilfunkendgerät oder einem PDA (Personal Digital Assistant) integriert sein. In derartigen Ausgestaltungen wird die Diode 18 mehrfach benutzt:

a) Die Diode kann auch zur Beleuchtung der Anzeigeeinheit dienen. Leuchtdioden (LEDs) weisen eine sehr enge spektrale Abstrahlung auf, welche ca. 10 bis 20 nm beträgt. Die Peak-Wellenlänge, das ist die Wellenlänge, bei der das Licht die maximale Intensität hat, wird durch die Bandlücke im Halbleiter bestimmt. Je nach Datierung und Verunreinigungen ist die Halbwertsseite der Strahlung breiter oder schmäler. Wird die LED invers betrieben, wie beispielsweise zur Frequenzmessung, so wird die maximale Wellenlänge, für die die LED sensitiv ist, durch die Bandlücke bestimmt. Verwendet man beispielsweise LEDs, die im roten Spektralbereich abstrahlen, so erreicht man eine Empfindlichkeit vom blauen bis zur minimalen Wellenlänge.
b) Die Diode wird gleichzeitig als Helligkeitsmesser verwendet, welcher die Helligkeit der Beleuchtung der Anzeigeeinheit steuert. In heutigen Kommunikationsgeräten wird versucht, den Energieverbrauch so gering wie möglich zu halten, um eine möglichst lange Stand-by-Zeit zu ermöglichen. Insofern bietet es sich an, die Helligkeit der Beleuchtung der Anzeigeeinheit an die Umgebungsverhältnisse anzupassen. Dazu wird mit Hilfe eines Helligkeitsmessers, beispielsweise der Diode 18, die Umgebungshelligkeit gemessen. Da hier keine schnellen Schwankungen erfasst werden sollen, wird die Umgebungshelligkeit über eine gewisse Zeit gemittelt bestimmt.

Sind in einer anderen Ausgestaltung die Bestandteile in eine Kamera integriert, so kann die Diode auch als Beleuchtungsmesser für die Kamera dienen, der das Verhältnis von Belichtungszeit und Blende bestimmt.
In Fig. 2 ist ein modular aufgebautes Set aus Kommunikationsgerät, einem Kameramodul sowie einem Frequenzermittlungsmodul zu sehen.
Das Kameramodul 30 ist über eine geeignete Schnittstelle 32 mit dem Kommunikationsgerät 34 verbindbar. Das Kommunikationsgerät 34 kann eine Anzeigeeinheit oder Display 36 aufweisen. Über eine weitere geeignete Schnittstelle 38 lässt sich das Kommunikationsgerät 34 mit der Frequenzermittlungseinheit 40 verbinden.
Natürlich können auch Kameramodul 30 und Kommunikationsgerät 34 zu einem Modul zusammengefasst sein, ebenso wie beispielsweise Kameramodul 30 mit dem Frequenzermittlungsmodul 40 oder auch Kommunikationsgerät 34 mit dem Frequenzermittlungsmodul 40.
Die Aufteilung der einzelnen Bauteile beziehungsweise Baugruppen, das heißt Diode 18, beziehungsweise Frequenzermittlungseinheit, welche beispielsweise aus einem Analog/Digital- Wandler 22 und einer Signalprozessoreinheit 24 besteht, sowie Prozessoreinheit 26, kann den jeweiligen Anforderungen gemäß erfolgen.
In Tabelle 1 sind nun mögliche Aufteilungen der Bauteile beziehungsweise Baugruppen auf die einzelnen Module zu sehen. Tabelle 1
Die Kamera weist zumindest den Sensor zur Bildaufzeichnung auf. Das Kameramodul enthält zumindest die Kamera. Oft befindet sich im Kameramodul auch eine Prozessoreinheit zur Bildbearbeitung, welche natürlich auch zur Bildkorrektur bei Helligkeitsschwankungen herangezogen werden kann. Das Kommunikationsgerät verfügt über die übliche Funktionalität und das Frequenzermittlungsmodul enthält zumindest eine Frequenzermittlungseinheit.
In der Variante a) befindet sich des weiteren die Diode und die Prozessoreinheit zur Generierung der Daten für Kompensation der Bildstörungen im Kameramodul. Diese Aufteilung ist von Vorteil, wenn man bereits über eine hochwertige Kamera verfügt, an die dann das Frequenzermittlungsmodul zur automatischen Frequenzermittlung angeschlossen werden kann. Für diese Variante ist beispielsweise das Kommunikationsgerät nicht erforderlich.
In der Variante b) befindet sich am Kameramodul zusätzlich die Diode. Außerdem wird auf eine externe Prozessoreinheit zurückgegriffen, welche sich bereits im Kommunikationsgerät befindet. Diese Variante hat den Vorteil, dass eine bereits im Kommunikationsgerät vorhandene, hochwertige Prozessoreinheit auch zur Generierung der Daten zur Korrektur der Bildstörungen aufgrund der Helligkeitsschwankungen herangezogen werden kann. Des weiteren befinden sich hier die Diode und die Kamera räumlich eng beieinander, so dass sich die Diode beispielsweise auch als Beleuchtungsmesser für die Kamera verwenden lässt.
In der Ausführungsform c) sind sowohl Diode als auch Prozessoreinheit im Kommunikationsgerät integriert. Somit kann zum einen die Prozessoreinheit des Kommunikationsgeräts verwendet werden, zum anderen kann die Diode als Beleuchtungselement oder Element zur Steuerung der Beleuchtung der Anzeigeneinheit 36 herangezogen werden.
In der Variante d) befinden sich Diode und Prozessoreinheit im Frequenzermittlungsmodul. So lassen sich eine herkömmliche Kamera sowie ein einfaches Kommunikationsgerät ohne hochwertige Prozessoreinheit mit diesem Frequenzermittlungsmodul zu einer Kamera mit Flickerkompensation erweitern.
Als weitere Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass das lichtempfindliche Sensorelement ein Bestandteil des Kamerasensors ist.
Im Rahmen der Erfindung liegen auch eine Vielzahl weiterer Ausgestaltungen, die hier nicht beschrieben sind. Insbesondere fällt hierunter die Verwendung anderer lichtempfindlicher Sensorelemente anstelle der Diode, beispielsweise die Verwendung von Phototransistoren. Weitere Ausgestaltungen können vom Fachmann aber anhand der beschriebenen Ausführungsbeispiele leicht und einfach in die Praxis umgesetzt werden können. Bezugszeichenliste 10 Leuchtstoffröhre
12 Licht der Leuchtstoffröhre
14 Kamera
16 Bilddaten
18 Diode
20 Wechselspannungssignal
22 Analog/Digital-Wandler
24 Signalprozessoreinheit
26 Prozessoreinheit
28 Schnittstelle
30 Kameramodul
32 Schnittstelle Kameramodul/Kommunikationsgerät
34 Kommunikationsgerät
36 Anzeigeeinheit, Display
38 Schnittstelle Kommunikationsgerät/Frequenzermittlungsmodul
40 Frequenzermittlungsmodul

Claims

1. Vorrichtung zur Korrektur von bei künstlichen Lichtquellen auftretenden netzspannungsabhängigen Helligkeitsschwankungen bei der Bildaufzeichnung mit Hilfe einer Kamera
mit einem lichtempfindlichen Sensorelement zum Umsetzen einer zeitlich variierenden Helligkeit in ein zeitlich variierendes elektrisches Signal,
mit einer Einheit zum Ermitteln der Frequenz dieses zeitlich variierenden elektrischen Signals,
mit einer Prozessoreinheit zur Generierung von Daten zur Korrektur der von der Kamera aufgenommenen Bilddaten in Abhängigkeit von der durch die Einheit ermittelten Frequenz.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Bestandteil eines Kommunikationsgerätes ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei dem das Kommunikationsgerät eine Anzeigeeinheit aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei dem das in der Vorrichtung vorgesehene Sensorelement eine Diode ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei dem die Diode auch zur Beleuchtung einer Anzeigeeinheit am Kommunikationsgerät dient.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei dem das in der Vorrichtung vorgesehene lichtempfindliche Sensorelement auch als Helligkeitsmesser dient.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei welcher die Intensität der Anzeigenbeleuchtung auf Basis der durch die Diode ermittelten Helligkeit gesteuert wird.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das elektrische Signal als Spannungssignal vorliegt und die Einheit zum Ermitteln der Frequenz des elektrischen Signals durch einen Analog-Digital-Wandler mit anschließender Signalverarbeitungseinheit gebildet wird.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der dem lichtempfindlichen Sensorelement wenigstens ein weiteres lichtempfindliches Sensorelement in Serie geschaltet ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Baugruppe, die Einheit zur Ermittlung der Frequenz aufweist, ein eigenständiges Modul bildet, das mit der Kamera oder/und dem lichtempfindlichen Sensorelement über eine Schnittstelle verbindbar ist.

11. Verfahren zur Korrektur von bei künstlichen Lichtquellen auftretenden netzspannungsabhängigen Helligkeitsschwankungen bei der Bildaufzeichnung mit Hilfe einer Kamera,
bei dem eine zeitlich variierende Helligkeit in ein zeitlich variierendes elektrisches Signal umgesetzt wird,
die Frequenz dieses zeitlich variierenden Signals ermittelt wird,
diese Frequenz bei der Generierung von Daten zur Korrektur der von der Kamera aufgenommenen Bilddaten benutzt wird.