DE102009001521B4 - Method for generating an HDR video image sequence - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Erzeugung einer Videobildfolge mit hohem Dynamikbereich, das umfasst: Erzeugen von mehreren Bildsequenzen, die jeweils mindestens ein Bild aufweisen; und Erzeugen jeweils wenigstens eines Bildes aus den einzelnen Bildern einer Bildsequenz; wobei vor Erzeugen der Bilder einer ersten Bildsequenz Bewegung in wenigstens einer zeitlich vorangehenden zweiten Bildsequenz ausgewertet und ein Bewegungswert ermittelt wird, und wobei die Belichtungen der einzelnen Bilder der ersten Bildsequenz abhängig von dem Bewegungswert derart eingestellt werden, dass abhängig von dem Bewegungswert eine Streuung der Belichtung für die einzelnen Bilder der ersten Bildsequenz variiert wird und/oder die Anzahl der für die Bilder der ersten Bildfolge verwendeten unterschiedlichen Belichtungen von dem Bewegungswert abhängig ist, und/oder die Anzahl der Bilder der ersten Bildsequenz abhängig von dem Bewegungswert eingestellt wird.A method of generating a high dynamic range video image sequence comprising: generating a plurality of image sequences each having at least one image; and generating in each case at least one image from the individual images of an image sequence; wherein before generating the images of a first image sequence, movement in at least one temporally preceding second image sequence is evaluated and a movement value is determined, and the exposures of the individual images of the first image sequence are set depending on the movement value such that a scatter of the exposure is dependent on the movement value is varied for the individual images of the first image sequence and / or the number of different exposures used for the images of the first image sequence is dependent on the movement value, and / or the number of images of the first image sequence is set depending on the movement value.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer HDR-Videobildfolge.The present invention relates to a method for generating an HDR video image sequence.
HDR-Videobildfolgen sind Videobildfolgen, bei denen die einzelnen Bilder im Vergleich zu herkömmlichen Videobildern einen hohen Dynamikbereich (High Dynamic Range, HDR) besitzen. Solche HDR-Bilder können dadurch erzeugt werden, dass aus einer gegebenen Kameraposition mehrere Bilder mit unterschiedlichen Belichtungszeiten aufgenommen werden, deren Bildinformationen anschließend überlagert werden. In einem Bild mit langer Belichtungszeit werden beispielsweise dunkle Details der fotografierten Umgebung kontrastreich dargestellt, während beispielsweise in Bildern mit niedriger Belichtungszeit helle Details der abgebildeten Umgebung kontrastreich erscheinen. Durch Kombination der einzelnen mit unterschiedlichen Belichtungszeiten erzeugten Bilder entsteht ein Bild, in dem sowohl helle als auch dunkle Details der fotografierten Umgebung kontrastreich dargestellt sind.HDR video image sequences are video image sequences in which the individual images have a high dynamic range (HDR) compared to conventional video images. Such HDR images can be generated by taking a plurality of images with different exposure times from a given camera position, the image information of which is subsequently superimposed. In a picture with a long exposure time, for example, dark details of the photographed environment are displayed in high contrast, while in pictures with low exposure time, for example, bright details of the imaged surroundings appear rich in contrast. By combining the individual images created with different exposure times creates a picture in which both bright and dark details of the photographed environment are shown in high contrast.
Ein Verfahren zur Erzeugung einer HDR-Videobildfolge ist beispielsweise in der
Dokument
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zur Erzeugung einer HDR-Videosignalfolge und eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Vorrichtung zur Verfügung zu stellen.The object of the present invention is to provide an improved method for generating an HDR video signal sequence and a device suitable for carrying out this method.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst.This object is achieved by a method according to
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung einer Videobildfolge mit hohem Dynamikbereich umfasst: Erzeugen von mehreren Bildsequenzen, die jeweils mehrere Bilder mit unterschiedlichen Belichtungen aufweisen; und Erzeugen jeweils eines Bildes aus den einzelnen Bilder einer Bildsequenz. Bei diesem Verfahren wird vor Erzeugen der Bilder einer ersten Bildsequenz Bewegung in wenigstens einer zeitlich vorangehenden zweiten Bildsequenz ausgewertet und ein Bewegungswert wird ermittelt. Die Belichtungen der einzelnen Bilder der ersten Bildsequenz werden hierbei abhängig von dem Bewegungswert eingestellt.The method according to the invention for generating a video image sequence with a high dynamic range comprises: generating a plurality of image sequences each having a plurality of images with different exposures; and generating a respective one of the individual images of a sequence of images. In this method, before generating the images of a first image sequence, motion is evaluated in at least one temporally preceding second image sequence, and a motion value is determined. The exposures of the individual images of the first image sequence are adjusted depending on the movement value.
Die Belichtung eines Bildes wird sowohl durch die Belichtungszeit, für die bei Aufnahme des Bildes belichtet wird, als auch durch die Größe der Blendenoffnung beeinflusst. Eine unterschiedliche Belichtung der einzelnen Bilder kann also durch eine Variation der Belichtungszeit und/oder durch eine Variation der Blendenöffnung erreicht werden. Eine ”hohere Belichtung” eines Bildes im Vergleich zu einem anderen Bild liegt dann vor, wenn für die Aufnahme des einen Bildes eine höhere Belichtungszeit und/oder eine größere Blendenöffnung als fur die Aufnahme des anderen Bildes verwendet wurde.The exposure of an image is affected by both the exposure time that is exposed when the image is taken and the size of the aperture. A different exposure of the individual images can thus be achieved by a variation of the exposure time and / or by a variation of the aperture. A "higher exposure" of one image compared to another image is present if a higher exposure time and / or a larger aperture were used to capture one image than for the other image.
Grundsätzlich führt eine Vergrößerung der Blendenöffnung zu einer Verringerung der Tiefenschärfe, und eine Erhohung der Belichtungszeit führt zu einer Bewegungsunschärfe (Motion Blur). Indem die Belichtung über beide Parameter variierbar ist, besteht bei Anpassung bzw. Änderung der Belichtung eine Optimierungsmöglichkeit hinsichtlich einer möglichst geringen Bewegungsunschärfe oder einer moglichst großen Tiefenscharfe.Basically, enlarging the aperture results in a reduction in depth of field, and increasing the exposure time results in motion blur. By the exposure can be varied over both parameters, there is an optimization possibility with adjustment or change of the exposure with regard to a minimum of motion blur or a possible great depth of field.
Ausfuhrungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von Figuren erläutert. Die Figuren dienen zur Veranschaulichung des Grundprinzips der Erfindung. In den Figuren sind daher nur die zum Verständnis dieses Grundprinzips notwendigen Merkmale dargestellt. In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale mit gleicher Bedeutung.Exemplary embodiments of the present invention are explained below with reference to figures. The figures serve to illustrate the basic principle of the invention. In the figures, therefore, only the features necessary for understanding this basic principle are shown. In the figures, unless otherwise indicated, like reference numerals designate like features having the same meaning.
Die Belichtung kann durch einen oder mehrere der nachfolgend genannten Parameter variiert werden: Belichtungszeit, Blendenoffnung und Zusatzbeleuchtung. Die Belichtung vergroßert sich dabei, wenn bei gleicher Blendenoffnung und gleicher Zusatzbeleuchtung die Belichtungszeit vergroßert wird, wenn bei gleicher Belichtungszeit und gleicher Zusatzbeleuchtung die Blendenöffnung vergroßert wird, oder wenn bei gleicher Belichtungszeit und gleicher Blendenoffnung die Lichtstärke der Zusatzbeleuchtung verstärkt wird. Die Zusatzbeleuchtung kann beispielsweise durch eine Leuchte mit zwei oder mehr Helligkeitsstufen realisiert sein. Um von Bild zu Bild die Helligkeit variieren zu können, sollte die Leuchte geringe Verzogerungszeiten bzw. Nachleuchtzeiten besitzen. Dies kann beispielsweise durch eine Leuchte auf Basis von Leuchtdioden (LEDs) erreicht werden. Eine solche Leuchte umfasst beispielsweise eine oder mehrere LEDs, die je nach gewunschter Helligkeit der Zusatzbeleuchtung eingeschaltet oder abgeschaltet werden.Exposure can be varied by one or more of the following parameters: exposure time, aperture and auxiliary lighting. Exposure increases when, with the same aperture and the same additional illumination, the exposure time is increased, if the aperture is increased at the same exposure time and the same additional illumination, or if the light intensity of the additional illumination is increased at the same exposure time and the same Blendenoffnung. The additional lighting can be realized for example by a lamp with two or more brightness levels. In order to be able to vary the brightness from image to image, the luminaire should have low delays or persistence times. This can be achieved for example by a luminaire based on light emitting diodes (LEDs). Such a lamp includes, for example, one or more LEDs, which are turned on or off depending on the desired brightness of the additional lighting.
Mit B ist nachfolgend die Belichtung bezeichnet. Diese Belichtung B ist eine Funktion der erläuterten Belichtungszeit TB, der Blendenöffnung A und der Helligkeit Z einer Zusatzbeleuchtung, so dass allgemein gilt:
Eine Variation einer Belichtung B0 hin zu einem anderen Belichtungswert B0' kann dabei durch Variation eines beliebigen der drei Parameter erreicht werden. Die in
Die Bilder einer Bildsequenz mit gleichem Aufnahmezeitpunkt, die unterschiedliche Belichtungszeiten besitzen, können in hinlänglich bekannter Weise zu einem HDR-Bild überlagert werden. Führt man ein solches Überlagerungsverfahren für alle Bildsequenzen mit gleichem Aufnahmezeitpunkt durch, so erhält man eine HDR-Videobildfolge. Ein solches Vorgehen ist schematisch in
Mit
Bildsequenzen mit gleichem Aufnahmezeitpunkt können dadurch erzeugt werden, dass mehrere Aufnahmevorrichtungen, wie z. B. Kameras, bereitgestellt werden, die aus derselben Kameraposition Bilder mit unterschiedlichen Belichtungszeiten zu gleichen Aufnahmezeitpunkten erzeugen. Ein solches Vorgehen ist allerdings insofern aufwendig, da mehrere Kameras benotigt werden.Image sequences with the same recording time can be generated by several recording devices, such. As cameras are provided, which generate images from the same camera position with different exposure times at the same recording times. However, such a procedure is complicated insofar as several cameras are needed.
Bildsequenzen mit gleichem Aufnahmezeitpunkt konnen auch dadurch erzeugt werden, dass die einzelnen Bilder einer Sequenz aus einer Kameraposition zeitlich aufeinanderfolgend aufgenommen werden und dass anschließend eine bewegungskompensierte Interpolation durchgefuhrt wird, durch welche aus den zeitlich aufeinanderfolgenden Bildern mit unterschiedlicher Belichtungszeit Bilder mit gleicher Bewegungsphase erzeugt werden.Image sequences with the same recording time can also be generated by the fact that the individual images of a sequence from a camera position are recorded in temporal succession and then carried out a motion-compensated interpolation, through which from the temporally successive images with different exposure time images are generated with the same motion phase.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist vorgesehen, die Belichtungen der Bilder der Bildsequenz, die zu einem HDR-Bild überlagert werden, abhängig von einem Bewegungswert einzustellen. Der Bewegungswert zu einem gegebenen Zeitpunkt, zu dem ein Bild erzeugt bzw. aufgenommen wird, ist dabei abhängig von Bewegung, die in Bildern der Bildfolge vorhanden ist, die vor diesem Zeitpunkt aufgenommen wurden. Ein solches Verfahren wird nachfolgend anhand von
Für die folgende Erläuterung sei angenommen, dass t0 in den
In einem ersten Verfahrensschritt
Es konnen auch zeitlich aufeinanderfolgende Bilder aus unterschiedlichen der in
Um Bewegung in einer Bildfolge gemaß
Darüberhinaus besteht auch die Moglichkeit, unmittelbar Bilder der Bildfolge S' miteinander zu vergleichen, und zwar insbesondere solche zeitlich aufeinanderfolgenden Bilder der Bildfolge S', die dieselbe Bewegungsphase bezogen auf die Bilder der späteren HDR-Videobildfolge besitzen. Bilder mit gleicher Bewegungsphase sind bezogen auf das Beispiel gemaß
Die einzelnen Bilder aller zuvor erläuterten Videobildfolgen weisen jeweils eine Anzahl von matrixartig angeordneten Bildpunkten (Pixel) auf, denen jeweils wenigstens ein Bildinformationswert zugeordnet ist. Bei einer RGB-Darstellung sind jedem Bildpunkt drei Bildpunktewerte zugeordnet: ein erster Bildpunktwert fur die Farbe Rot (R); ein zweiter Bildpunktwert für die Farbe Grün (G); und ein dritter Bildpunktwert fur die Farbe Blau (B). Bei einer YUV-Darstellung sind jedem Bildpunktwert ebenfalls drei Bildpunktwerte zugeordnet: ein Luminanzwert (Y); und zwei Chrominanzwerte (U, V).The individual images of all previously explained video image sequences each have a number of pixels arranged in the form of a matrix (pixels), to each of which at least one image information value is assigned. In an RGB representation, each pixel is assigned three pixel values: a first pixel value for the color red (R); a second pixel value for the color green (G); and a third pixel value for the color blue (B). In a YUV representation, each pixel value is also associated with three pixel values: a luminance value (Y); and two chrominance values (U, V).
Ein Vergleich zweier zeitlich aufeinanderfolgender Bilder zur Ermittlung des Bewegungswertes umfasst beispielsweise die Ermittlung eines Abstandsmaßes. Dieses Abstandsmaß ist ein Maß fur die Differenz der den einzelnen Bildpunkten der zu vergleichenden Bilder zugeordneten Bildpunktwerte. Die Ermittlung des Abstandsmaßes umfasst beispielsweise die Ermittlung der Differenz zwischen den Bildpunktwerten solcher Bildpunkte, die sich in den beiden Bildern an den gleichen Positionen befinden, die Betragsbildung dieser Differenz und das Aufsummieren dieser Differenzen. Das so erhaltene Ergebnis wird auch als Summe der Absolutwerte der Differenzen (SAD, Sum of Absolute Differences) bezeichnet. Das Abstandsmaß ist in diesem Fall umso hoher, je starker sich die Bildinhalte der beiden zu vergleichenden Bilder unterscheiden, je mehr bewegte Inhalte in den beiden zu vergleichenden Bildern also vorhanden sind. Anstelle der Betrage der Differenzen konnen selbstverständlich beliebige andere Abstandsmaße verwendet werden, wie z. B. geradzahlige Potenzen der Bildpunktdifferenzen.A comparison of two temporally successive images for determining the movement value includes, for example, the determination of a distance measure. This distance measure is a measure of the difference in the pixel values associated with the individual pixels of the images to be compared. The determination of the distance measure comprises, for example, the determination of the difference between the pixel values of those pixels which are located in the same positions in the two images, the magnitude of this difference and the summation of these differences. The result obtained is also called the sum of the absolute values of the differences (SAD, Sum of Absolute Differences). In this case, the distance measure is the higher the more the image contents of the two images to be compared differ, the more moving contents are thus present in the two images to be compared. Of course, instead of the amounts of the differences, any other distance measures can be used, such. B. even powers of the pixel differences.
Der Vergleich zweier zeitlich aufeinanderfolgender Bilder kann die Auswertung nur jeweils eines der einem Bildpunkt zugeordneten Bildpunktwerte umfassen, wie z. B. nur des Rot-Wert, des Grün-Werts oder des Blau-Werts bzw. des Y-Werts, des U-Werts oder des V-Werts. Selbstverständlich besteht auch die Moglichkeit, alle einem Bildpunkt zugeordnete Bildpunktwerte auszuwerten und die so erhaltenen Abstandsmaße zu addieren, um ein Gesamt-Abstandsmaß zu erhalten.The comparison of two temporally successive images, the evaluation may include only one of each pixel associated with a pixel values, such. For example, only the red value, the green value or the blue value or the y value, the u value or the v value. Of course, it is also possible to evaluate all pixel values associated with a pixel and to add the distance measurements thus obtained in order to obtain an overall distance measure.
Bei dem erfindungsgemaßen Verfahren ist insbesondere vorgesehen, einen Unterschied zwischen den Belichtungen der einzelnen Bilder einer Bildsequenz derart abhängig von dem Bewegungswert einzustellen, dass diese Unterschiede umso geringer ist, je mehr bewegte Inhalte die zuvor erzeugten Bilder enthalten. Dem liegt die Überlegung zugrunde, dass bei bewegten Inhalten eine hohe Tiefenschärfe bzw. eine hohe Dynamik der dargestellten Bilder vom Betrachter ohnehin kaum wahrgenommen werden. Bei Erzeugung der zu überlagernden Bilder aus einer Bildfolge, die nur durch eine einzige Aufnahmevorrichtung erzeugt wurde, wie z. B. die Bildfolge S' gemäß
Allgemein besteht die Moglichkeit, die Streuung der Belichtungen, die auf die Bilder einer Bildsequenz angewendet werden, abhängig von der detektierten Bewegung zu variieren. Die Streuung ist bestimmt durch den Unterschied zwischen der höchsten und der geringsten Belichtung, also beispielsweise einer längsten und einer kürzesten Belichtungszeit oder einer größten und kleinsten Blendenöffnung. Sind beispielsweise B1, B2, ..., Bn, B1 < B2 < ... < Bn, die Belichtungen, mit denen die Bilder einer Bildsequenz aufgenommen werden und ist D = B1–Bn der Variationsbereich der Belichtung, so gilt, dass D mit zunehmender Bewegung kleiner wird.Generally, it is possible to vary the dispersion of the exposures applied to the images of an image sequence depending on the detected motion. The scattering is determined by the difference between the highest and the lowest exposure, for example a longest and a shortest exposure time or a largest and smallest aperture. For example, if B 1 , B 2 ,..., B n , B 1 <B 2 <... B n , the exposures with which the images of an image sequence are taken and D = B 1 -B n is the range of variation Exposure, so that D becomes smaller with increasing movement.
Bei einem weiteren Beispiel ist vorgesehen, die Anzahl der verwendeten unterschiedlichen Belichtungen mit zunehmender Bewegung zu reduzieren. Im Extremfalls, wenn ein hohes Maß an Bewegung in den zuvor aufgenommenen Bildern vorhanden ist, kann hierbei für alle Bilder der Bildsequenz dieselbe Belichtung verwendet werden.In another example, it is intended to reduce the number of different exposures used with increasing movement. In extreme cases, if a high degree of motion is present in the previously recorded images, the same exposure can be used for all images of the image sequence.
Alternativ oder zusätzlich zu einer Variation der Belichtung abhängig von der detektierten Bewegung ist bei einem weiteren Beispiel vorgesehen, die Anzahl der Bilder einer Bildsequenz abhangig von der detektierten Bewegung zu variieren. So ist beispielsweise vorgesehen, die Anzahl der Bilder einer Bildsequenz zu vergrößern, wenn ein hohes Maß an Bewegung vorliegt. Die Belichtungen dieser einzelnen Bilder können sich unterscheiden, wobei die Variation der Belichtung durch Variation eines der zuvor genannten Parameter erreicht werden kann. Werden die einzelne Bilder einer Sequenz zeitlich aufeinanderfolgend aufgenommen und wird die Belichtung durch Variation der Belichtungszeiten für die einzelnen Bilder variiert, so reduziert sich mit zunehmender Anzahl von Bildern pro Bildsequenz die maximal zulässige Belichtungszeit pro Bild, wenn fur die Aufnahme der Bilder einer Sequenz eine vorgegebene Zeit zur Verfügung steht. Um auch bei zunehmender Anzahl von Bildern dennoch eine hohe Streuung der Belichtung einstellen zu können, ist bei einem Beispiel vorgesehen, die Belichtung über die Blendenöffnung einzustellen.As an alternative or in addition to a variation of the exposure as a function of the detected movement, it is provided in another example to vary the number of images of an image sequence depending on the detected movement. For example, it is intended to increase the number of images of an image sequence when there is a high degree of movement. The exposures of these individual images may differ, and the variation of the exposure may be achieved by varying one of the aforementioned parameters. If the individual images of a sequence are recorded in chronological succession and the exposure by varying the exposure times for the individual images, the maximum allowable exposure time per image is reduced with increasing number of images per image sequence, if a given time is available for taking the images of a sequence. In order to be able to set a high scattering of the exposure even with an increasing number of images, it is provided in one example to set the exposure over the aperture.
Bei einem weiteren Beispiel ist in diesem Fall vorgesehen, wahrend einer Zeiteinheit nur ein einziges Bild zu erzeugen und nicht mehrere zu überlagernde Bilder mit gleicher Belichtungszeit.In a further example, it is provided in this case to generate only a single image during a time unit and not several images to be overlaid with the same exposure time.
Ein Beispiel einer Vorrichtung zur Erzeugung mehrerer Videobildfolgen mit gleicher Bewegungsphase und bewegungsabhängiger Belichtungszeit ist in
Wenigstens eine der durch die Aufnahmevorrichtungen
Die Belichtungseinstelleinheit
Bei einem weiteren Beispiel ist vorgesehen, die Belichtungswerte E1, E2, E3 so einzustellen, dass diese sich mit zunehmendem Bewegungswert S41 aneinander annähern. Ein solches Vorgehen ist in
Die einzelnen Belichtungswerte E1, E2, E3 sind von dem Bewegungswert S44 abhängig. Die Abhängigkeit der Belichtungswerte E1, E2, E3 von dem Bewegungswert S44 entspricht beispielsweise der zuvor anhand der
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