DE60004595T2 - Filterung defekter Bildelemente bei digitalen Bildgebern - Google Patents

Filterung defekter Bildelemente bei digitalen Bildgebern Download PDF

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Description

  • Diese Erfindung betrifft allgemein digitale Bilderzeugungsvorrichtungen und insbesondere Techniken und Schaltungen zum Filtern von fehlerhaften Bildelementen. Der Ausdruck Pixel wird nachfolgend verwendet, um Bildelemente zu bezeichnen.
  • Digitale Bilderzeugungsvorrichtungen werden in einer Vielzahl von Anwendungen, die digitale Kameras, die Fingerabdruckerkennung, digitale Scanner und Kopierer und dergleichen enthalten, immer bekannter. Typische digitale Bilderzeugungsvorrichtungen des Standes der Technik basieren auf der Technologie der ladungsgekoppelten Vorrichtung (Charge Coupled Device, CCD). CCD-Vorrichtungen besitzen eine Matrix aus CCD-Zellen, wobei jede Zelle ein Pixel umfaßt. Jedes CCD-Pixel gibt ein Spannungssignal aus, das der Intensität des auf der Zelle auftreffenden Lichts proportional ist. Dieses analoge Spannungssignal kann zur weiteren Verarbeitung, zur digitalen Filterung, zur Speicherung und dergleichen in ein digitales Signal umgesetzt werden. Es ist in der Technik wolilbekannt, daß ein zweidimensionales digitales Bild aus den Spannungssignalen aufgebaut werden kann, die aus einer zweidimensionalen Matrix aus CCD-Zellen ausgegeben werden, die gewöhnlich als eine Sensormatrix bezeichnet wird.
  • CCD-Matrizen besitzen einen Nachteil dahingehend, daß die CCD-Herstellung einen speziellen Prozeß erfordert, der mit Standard-CMOS-Prozessen nicht kompatibel ist. Daher kann die CCD-Matrix nicht in einfacher Weise mit anderen logischen Schaltungen, wie etwa eine CCD-Steuerlogik, Analog/Digital-Umsetzer und dergleichen, integriert werden. Außerdem erfordert eine CCD-Matrix im Betrieb mehrere Hochspannungsversorgungen von 5 V bis 12 V und CCD-Matrizen neigen dazu, während des Betriebs eine große Leistung zu verbrauchen.
  • Eine Alternative zu CCD-Matrizen besteht in der Verwendung einer Matrix, die aus CMOS-Zellen gebildet ist. Eine CMOS-Sensormatrix kann unter Verwendung der Standard-CMOS-Verarbeitung hergestellt werden und kann daher auf einem einzelnen Chip mit anderen Schaltungen, wie etwa eine Matrix-Steuerlogik, Analog/Digital-Umsetzer (A/D), Kerne der digitalen Signalverarbeitung (DSP-Kerne) und dergleichen, integriert werden. CMOS-Matrizen besitzen den zusätzlichen Vorteil, daß sie bei einer einzigen geringen Versorgungsspannung arbeiten, wie etwa 3,3 V oder 5 V, und weniger Leistung verbrauchen als eine vergleichbare CCD-Matrix. Schließlich kann eine CMOS-Matrix bei geringeren Kosten als eine ähnliche CCD-Matrix hergestellt werden.
  • Ein gemeinsames Problem sowohl bei CCD-Bilderzeugungsvorrichtungen als auch bei CMOS-Bilderzeugungsvorrichtungen ist das Problem von Punktdefekten, die "Punktstörungen" auf dem Bild bewirken, wie etwa weiße Punkte auf einem dunklen Abschnitt des Bildes oder einen dunklen Punkt auf einem weißen Abschnitt des Bildes. In CMOS-Bilderzeugungsvorrichtungen ergeben sich weiße Punkte infolge von Pixeln (d. h. CMOS-Zellen) mit einem übermäßigen Verluststrom. Dunkle Punkte ergeben sich entweder infolge von Partikeln, die das Pixel bedecken, oder aus einem Defekt der Pixelelektronik, der bewirkt, daß das Pixel nicht eingeschaltet wird. Punktstörungen begrenzen die Ausbeute von CMOS-Bilderzeugungsvorrichtungen ernsthaft, was erhöhte Kosten zur Folge hat.
  • Ein Verfahren zur elektronischen Beseitigung von Punktstörungen wurde von Younse u. a. im US-Patent 4.805.023 vorgeschlagen. Die Implementierung von Younse u. a. erfordert einen teuren EPROM-Speicher und beinhaltet ein kompliziertes Hardwaresystem, wodurch sich die Kosten der Bilderzeugunsvorrichtung weiter erhöhen. Ferner kann die von Younse u. a. vorgeschlagene Lösung temperaturabhängige Punktstörungen nicht beseitigen, wie etwa weiße Punkte, die lediglich bei hohen Temperaturen auftreten.
  • Die europäische Patentanmeldung Nr. 0 496 573 offenbart eine Schaltung zur Beseitigung von Bildelementdefekten, die ein Bildelement und seine benachbarten Bildelemente in einem M × N-Block auswählt, wobei der minimale Wert von M und N 2 beträgt, von den benachbarten Bildelementen die maximalen und minimalen Werte bestimmt und aus den maximalen und minimalen Werten, zwei willkürlichen Schwellenwerten und dem Wert des ausgewählten Bildelements festlegt, ob bei dem Wert des ausgewählten Bildelements eine Änderung erforderlich ist. Die Schaltung zur Beseitigung von Bildelementdefekten führt mehrere Vergleichs- und Auswahloperationen aus, um einen Wert zur Verwendung als das ausgewählte Bildelement zu bestimmen, und ist dementsprechend komplex.
  • Es besteht deswegen ein Bedarf an einem verhältnismäßig kostengünstigen Filter, das die Wirkungen von fehlerhaften Pixeln, die Punktstörungen enthalten, aus einem Bildsignal schnell und zuverlässig ausfiltern kann.
  • Die Erfindung ist in den Ansprüchen 1 oder 24 definiert. Sie schafft ein Filter zum Filtern eines Bildes, das mehrere Bildelemente enthält, wovon jedes durch einen Luminanz- oder einen Chrominanzwert repräsentiert wird, mit:
    Mitteln, die ein Dreibildelement-Fenster enthalten, die ein Bildelement und seine zwei benachbarten Bildelemente in einem Bildelement-Datenstrom auswählen,
    Mitteln, die bestimmen, ob das ausgewählte Bildelement seinem Wert nach zwischen den zwei benachbarten Bildelementen liegt,
    Mitteln, die bestimmen, ob sich das ausgewählte Bildelement seinem Wert nach von den beiden benachbarten Bildelementen um mehr als einen bestimmten Betrag unterscheidet,
    Mitteln, die das ausgewählte Bildelement seinem Wert nach durch einen Wert ersetzen, der von den zwei benachbarten Bildelementen abhängt, wenn das ausgewählte Bildelement seinem Wert nach nicht zwischen den zwei benachbarten Bildelementen liegt und sich von den beiden benachbarten Bildelementen um mehr als den bestimmten Betrag unterscheidet, und
    Mitteln, die die Prozedur für das neu ausgewählte Bildelement wiederholen.
  • Eine Ausführungsform der Erfindung ist eine digitale Bilderzeugungsvorrichtung mit einem Substrat, einer Sensormatrix, die auf dem Substrat ausgebildet ist und ein elektrisches Signal erzeugt, das der auf die Matrix auftreffenden Licht menge entspricht, und einer Bilderzeugungslogik, die auf dem Substrat ausgebildet ist, mit der Sensormatrix gekoppelt ist und das elektrische Signal empfängt. Die Bilderzeugungslogik enthält einen Analog/Digital-Umsetzer, der das elektrische Signal empfängt und digitale Pixelwerte ausgibt, und ein Fehlerpixelfilter, das die digitalen Pixelwerte empfängt und fehlerhafte Pixel anhand von Veränderungen zwischen einem ausgewählten Pixelwert und seinen benachbarten Pixelwerten erfaßt.
  • Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist eine digitale Abbildungsvorrichtung mit einem Linsenmechanismus, einer Sensormatrix, die in. einer Brennebene des Linsenmechanismus positioniert ist, und einem analogen Puffer und einem Verstärker, die mit einem Ausgang der Sensormatrix gekoppet sind, sowie einer Abbildungslogik, die mit dem Verstärker gekoppelt ist. Die Abbildungslogik enthält ein Fehlerpixelfilter mit Mitteln, die erfassen, ob ein erstes Pixel außerhalb eines annehmbaren Bereichs liegt, der durch den Luminanzwert des ersten benachbarten Pixels und des zweiten benachbarten Pixels definiert ist, Mitteln, die bestimmen, ob das erste Pixel vom ersten benachbarten Pixel um mehr als einen Schwellenwert abweicht und Mitteln, die bestimmen, ob das erste Pixel von dem zweiten benachbarten Pixel um mehr als einen Schwellenwert abweicht, Mitteln, die einen korrigierten Pixelwert berechnen, und Mitteln, die den korrigierten Pixelwert für das erste Pixel einsetzen, falls das erste Pixel außerhalb des annehmbaren Bereichs liegt und das erste Pixel von dem ersten benachbarten Pixel um mehr als einen Schwellenwert abweicht und das erste Pixel von dem zweiten benachbarten Pixel um mehr als einen Schwellenwert abweicht.
  • Die Erfindung schafft außerdem ein Verfahren zum Filtern eines Bildes, das mehrere Bildelemente umfaßt, wovon jedes durch einen Luminanz- oder einen Chrominanzwert repräsentiert wird, mit den folgenden Schritten:
    Auswählen eines Bildelements und seiner zwei benachbarten Bildelemente aus einem Pixel-Datenstrom durch ein Dreibildelement-Fenstermittel,
    Bestimmen, ob das ausgewählte Bildelement seinem Wert nach zwischen den zwei benachbarten Bildelementen liegt,
    Bestimmen, ob sich das ausgewählte Bildelement seinem Wert nach von beiden benachbarten Bildelementen um mehr als einen bestimmten Betrag unterscheidet, und
    wenn das ausgewählte Bildelement seinem Wert nach nicht zwischen den zwei benachbarten Bildelementen liegt und sich von den beiden benachbarten Bildelementen um mehr als den bestimmten Betrag unterscheidet, und
    Wiederholen der Prozedur für das neu ausgewählte Bildelement.
  • Es wird ein Verfahren geschaffen zum Erfassen eines fehlerhaften Pixels anhand der Luminanzwerte, die durch das Pixel und seine beiden nächsten Nachbarn erzeugt werden. Das Verfahren enthält das Bestimmen eines ersten Differenzwertes zwischen dem Luminanzwert des Pixels und dem Luminanzwert eines ersten benachbarten Pixels und das Vergleichen des ersten Diferenzwertes mit einem im voraus bestimmten Schwellenwert. Das Verfahren enthält außerdem das Bestimmen eines zweiten Differenzwertes zwischen dem Luminanzwert des Pixels und dem Luminanzwert eines zweiten benachbarten Pixels und das Vergleichen des zweiten Differenzwertes mit dem im voraus festgelegten Schwellenwert. Das Verfahren enthält schließlich das Erfassen, ob der Luminanzwert für das Pixel in einem annehmbaren Bereich fällt, der durch den Luminanzwert für das erste benachbarte Pixel und den Luminanzwert für das zweite benachbarte Pixel definiert ist, und das Bestimmen des Pixels als fehlerhaft, wenn der Lurninanzwert für das Pixel nicht in den annehmbaren Bereich fällt und weder der erste Differenzwert noch der zweite Differenzwert kleiner oder gleich dem Schwellenwert ist.
  • Die obigen Merkmale der vorliegenden Erfindung werden deutlicher verstanden aus der Betrachtung der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung, in der:
  • 1 eine digitale Bilderzeugungsvorrichtung darstellt, bei der bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden können;
  • 2 ein Blockschaltplan einer bevorzugten Ausführungsform einer Einzelchip-CMOS-Bilderzeugungsvorrichtung ist;
  • die 3a bis 3j verschiedene annehmbare und nicht annehmbare Änderungen zwischen benachbarten Pixeln darstellen; und
  • die 4a bis 4c das Filter für fehlerhafte Pixel der bevorzugten Ausführungsform darstellen, das als ein bewegliches Analysefenster arbeitet;
  • 5 eine Schaltung einer ersten bevorzugten Ausführungsform zum Ausfiltern von fehlerhaften Pixeln schematisch darstellt; und
  • 6 einen Abschnitt einer Farbsensormatrix darstellt.
  • Die Herstellung und die Verwendung der verschiedenen Ausführungsformen werden nachfolgend genau erläutert. Es sollte jedoch erkannt werden, daß die vorliegende Erfindung viele anwendungsfähige erfinderische Konzepte schafft, die in einer großen Vielzahl spezifischer Zusammenhänge ausgeführt werden können. Die erläuterten speziellen Ausführungsformen veranschaulichen lediglich spezifische Arten der Herstellung und Verwendung der Erfindung und schränken den Umfang der Erfindung nicht ein.
  • 1 stellt eine digitale Bilderzeugungsvorrichtung 2 dar, die bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet. Die digitale Bilderzeugungsvorrichtung 2 enthält einen Linsenmechanismus 4, der Licht empfängt, das von einem darzustellenden Objekt ausgeht oder reflektiert wird, und fokussiert das ankommende Licht auf einen Matrixsensor 6. Der Matrixsensor 6 ist vorzugsweise eine CMOS-Sensormatrix des Typs, der in der gleichzeitig anhängigen Patentanmeldung 09/223.166 mit dem Titel "Fast Frame Readout Architecture for Array Sensors with Integrated Correlated Double Sampling System" vollständig beschrieben ist. Wie es einem Fachmann bekannt sein wird, enthält die Sensor matrix 6 eine zweidimensionale Matrix aus CMOS-Sensoren, von denen jeder Sensor einem Pixel des resultierenden Bildes entspricht. Jeder Sensor gibt ein analoges Spannungssignal aus, wobei das Signal der Intensität des auf dem jeweiligen Sensor auftreffenden Lichts proportional ist. Das Spannungssignal von jedem Sensor kann in einem Rasterformat abgetastet werden, wie in der Technik wohlbekannt ist, um ein analoges Bildsignal zu erzeugen. Dieses analoge Bildsignal wird zur Bilderzeugungslogik 8 geleitet, wo das analoge Signal gepuffert und verstärkt wird, bevor es in ein digitales Signal umgesetzt wird. Das dligitale Signal kann gefiltert oder weiterverarbeitet werden, bevor es in der Form von Pixelintensitätsdaten zu einem Eingabe/Ausgabe-Anschluß 10 (I/O-Anschluß) geleitet wird. Bei einer zusätzlichen Signalverarbeitung kann das digitale Signal alternativ in der Form einer Rastergraphik (Bitmap) oder in einem anderen wohlbekannten digitalen Bildformat ausgegeben werden.
  • Das digitale Signal kann alternativ zur Speicherung zu einem Speicher 12 geleitet werden. Der Speicher 12 ist vorzugsweise ein dynamischer RAM oder ein statischer RAM. Der Speicher 12 könnte alternativ eine magnetische oder optische Speichervorrichtung sein, wie etwa eine magnetische Diskettenspeichervorrichtung, ein CD-ROM oder eine andere Speichervorrichtung. In jedem Fall würden in dem Speicher 12 eine geeignete Steuereinrichtung und eine Schnittstelle der Vorrichtung (nicht gezeigt) enthalten sein. Die Bilde rzeugungslogik 8, der Speicher 12 und der I/O-Anschluß 10 werden vorzugsweise von einem Mikroprozessor 14 gesteuert, der vorzugsweise ein digitaler Universal-Mikroprozessor ist, der gemäß den Befehlen arbeitet, die im Speicher 12 oder in einem ROM 16 gespeichert sind. Die gespeicherten Befehle könnten außerdem über den I/O-Anschluß 10 direkt für den Mikroprozessor 14 bereitgestellt werden oder im Speicher 12 oder im ROM 16 gespeichert sein.
  • In der bevorzugten Ausführungsform ist die Sensormatrix 6 aus einer Matrix aus CMOS-Sensorzellen gebildet, wodurch möglich ist, daß die Bilderzeugungs- logik 8 gemeinsam mit der Sensormatrix 6 unter Verwendung von CMOS-Prozessen auf einer einzelnen integrierten Schaltung gebildet wird. 2 stellt eine ein zelne integrierte Schaltung (IC) 20 dar, auf der sowohl die Sensormatrix 6 als auch die Bilderzeugungslogik 8 gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung realisiert sind. Weitere Merkmale und Schaltungen, die iriterne Steuerregister, die Mikroprozessor-Schnittstellenlogik, die Speicher-Schnittstellenlogik und dergleichen enthalten, können in der IC 20 enthalten sein. Diese Merkmale sind nicht dargestellt, da sie für ein Verständnis der vorliegenden Erfindung nicht erforderlich sind.
  • Weitere Einzelheiten der Bilderzeugungslogik 8 werden nun unter Bezugnahme auf 2 beschrieben. Der Hauptpfad für Bilderzeugungssignale ist durch dicke Pfeile angegeben. Das analoge Signal von der Sensormatrix 6 wird zum Puffer 22 geleitet, wo das Signal zur Verstärkung des Signals gepuffert wird und Störungen mit feststehendem Muster entfernt werden. Vom Puffer 22 wird das gepufferte analoge Signal zu einem ersten Eingang eines Differenzverstärkers 24 mit programmierbarer Verstärkung gesendet. Der zweite Eingang des Verstärkers 24 empfängt eine Referenzspannung VREF, die unter der Steuerung einer Digitalsignal-Steuereinheit 28 von einem Referenzsteuerblock 26 geliefert wird. Der Verstärker 24 empfängt außerdem ein Verstärkungssteuersignal vom Verstärkungssteuerblock 30, der unter der Steuerung einer Digitalsignal-Steuereinheit 28 arbeitet.
  • Der Verstärker 24 ordnet die beiden Eingänge vollständig differentiellen Ausgängen 25 und 27 zu. Mit anderen Worten entsprechen die Ausgänge 25 und 27 der Differenz zwischen dem Wert der beiden Eingangssignale (d. h. das analoge Bildsignal und die Referenzspannung VREF), die mit dem Verstärkungswert multipliziert ist und um einen Gleichtakt-Spannungspegel mittig angeordnet ist. Diese vollständig differentiellen Ausgänge 25 und 27 werden dann zu den Eingängen eines differentiellen Analog/Digital-Umsetzers 32 geführt, wo der Differenzwert (d. h. die Differenz zwischen den Signalen 25 und 27) in einen digitalen Wert umgesetzt wird. Das resultierende digitale Bildsignal wird dann zu einem Fehlerpixelfilter 34 geleitet, wo Bildfehler erfaßt und korrigiert werden, wie später genau beschrieben wird.
  • Das korrigierte digitale Bildsignal wird dann zu einer digitalen Mikroschnittstelle 36 geleitet, die eine Schnittstelle zwischen der IC 20 und weiteren Komponenten der digitalen Abbildungsvorrichtung 2, wie etwa der Speicher, der Mikroprozessor 14 oder der I/O-Anschluß 10, darstellt.
  • Außerdem ist in 2 ein digitaler Taktgenerator 42 gezeigt, der Taktsignale für den Betrieb eines sequentiell korrelierten Doppelabtastblocks 44 liefert, um Störungen mit feststehendem Muster des CMOS-Sensors zu unterdrücken. Ein Zeilen/Spalten-Informationsregister 46 liefert Informationen an die Digitalsignal-Steuereinheit 28 und an einen digitalen Mittelwertrechner 38 in Abhängigkeit davon, wo das Signal, das gegenwärtig verarbeitet wird, in der Sensormatrix erzeugt wird (d. h. es liefert Zeilen- und Spalten-Informationen für jedes Pixel). Die Bilderzeugungslogik 8 enthält außerdem eine Digitalsignal-Rückkopplungsschleife, die den digitalen Mittelwertrechner 38, die Digitalsignal-Steuereinheit 28, den Referenzsteuerblock 26, den Verstärkungssteuerblock 30 und die Belichtungszeitsteuerung 40 enthält. Diese Rückkopplungsschleife wird verwendet, um die optische Schwarzkalibrierung zu schaffen und zur Auflösungsverbesserung durch Einstellen der Referenzspannung und der Verstärkung für den Verstärker 24.
  • Weitere Einzelheiten in bezug auf den Aufbau und die Funktionsweise des Fehlerpixelfilters 34 werden nun erläutert. In den 3a bis 3j stellt zunächst jede Zeichnung eine Gruppe aus drei benachbarten Pixeln in dem Bildsignal dar. Die Pixel sind als Balken dargestellt, wobei die Balken dem Luminanzwert des Pixels entsprechen. In 3a besitzt z. B. das Pixel B 52 einen Luminanzwert, der größer ist als der des Pixels A 50 und das Pixel C 54 besitzt einen Luminanzwert, der größer ist als der des Pixels B. Die Pixel A, B und C entsprechen drei benachbarten Pixeln in der CMOS-Matrix 6. Unter normalen Umständen würde man keine abrupten Unstetigkeiten bei der Veränderung der Luminanzwerte erwarten. Wenn sich das Bild von dunkel nach hell verändert, würde man z. B. das in 3a gezeigte Muster erwarten, wobei die Pixel ansteigende Werte besitzen. In 3b ist das Pixel B 52 gleichfalls dunkler als das Pixel A 50 und das Pixel C 54 ist dunkler als das Pixel B 52, wodurch ein normaler Übergang von hell nach dunkel an gezeigt wird. Es wird angemerkt, daß in beiden 3a und 3b die Luminanz für das mittlere Pixel B 52 in den Bereich von Werten fällt, der durch die Luminanz für seine benachbarten Pixel A 50 und C 54 definiert ist. Dagegen besitzt in 3c das mittlere Pixel B 52 eine Luminanz, die größer als die Luminanz seiner beiden Nachbarn 50 und 54 ist, wodurch eine Unstetigkeit im Luminanztrend für das Bild angegeben wird. Es wird jedoch angemerkt, daß das Pixel B 52 von 3c von seinem nächsten Nachbarpixel C 54 um einen Betrag t abweicht. Der Wert t gibt eine Schwellenwertabweichung zwischen benachbarten Pixeln an, die toleriert werden kann, bevor das mittlere Pixel als fehlerhaft betrachtet wird. In den 3d bis 3f ist die Abweichung vom nächsten Pixelwert ebenfalls gleich oder kleiner als t, obwohl die Luminanz des mittleren Pixels B 52 nicht zwischen die Luminanz seiner benachbarten Pixel A 50 und C 54 fällt. Dagegen fallt in den 3g bis 3j der Luminanzwert für das mittlere Pixel B 52 nicht in. den Bereich von Werten zwischen den benachbarten Pixeln A 50 und C 54 und weicht außerdem von dem Wert des nächsten Pixels um mehr als den Schwelleinwertbetrag t ab. Unter den in den 3g bis 3j dargestellten Umständen wird das Pixel B 52 als fehlerhaft betrachtet werden.
  • In der Praxis wird eine Zeile aus Pixeln, die das Bild erzeugt, mit einem beweglichen Dreipixel-Fenster abgetastet, wie in den 4a und 4b gezeigt ist. Ein Pixeldatenstrom enthält vorzugsweise 10 Bit-Luminanzwerte für jedes Pixel der CMOS-Matrix 6, wobei der Strom zum Fehlerpixelfilter 34 geleitet wird. Das Fehlerpixelfilter 34 legt ein bewegliches Fenster 60 über den Pixeldatenstrom, wenn dieser durch das Filter läuft. In 4a werden die ersten drei Pixel 50, 52, 54 des Stroms analysiert, wobei das Pixel 52 das mittlere untersuchte Pixel B ist (in der Darstellung bewegen sich die Pixeldaten von rechts nach links). In 4b wurde das bewegliche Fenster 60 um ein Pixel verschoben oder genauer wurden die Pixel, die sich durch das Fehlerpixelfilter 34 bewegen, um ein Pixel verschoben, und die Pixel 52, 54 und 56 werden nun analysiert, wobei das Pixel 54 das mittlere untersuchte Pixel B ist. Schließlich wurde in 4c das bewegliche Fenster wieder um ein Pixel verschoben und die Pixel 54, 56 und 58 werden analysiert, wobei das Pixel 56 das mittlere untersuchte Pixel B ist.
  • Wenn festgestellt wird, daß das untersuchte Pixel B aus dem Bereich von Luminanzwerten seiner benachbarten Pixel A und C herausfällt und von seinem nächsten benachbarten Pixel um mehr als den Schwellenwert t abweicht, wird dieses Pixel als fehlerhaft markiert. In den bevorzugten Ausführungsformen wird der Luminanzwert für das fehlerhafte Pixel durch einen interpolierten Luminanzwert anhand der Werte der benachbarten Pixel A und C ersetzt.
  • Weitere Einzelheiten in bezug auf das Fehlerpixelfilter 34 werden unter Bezugnahme auf 5 dargestellt. Die ankommenden Pixeldaten werden zu einem Silo-Register (FIFO-Register) geleitet, das die Registerzellen 70, 72, 74, 76 und 78 enthält. Während die bevorzugte Ausführungsform das vorteilhafte Merkmal besitzt, daß fehlerhafte Pixel in Echtzeit gekennzeichnet und korrigiert werden, ohne daß große Speichervorrichtungen benötigt werden, könnten andere Ausführungsformen einen DRAM, SRAM oder einen anderen Speichertyp benötigen, zu dem die ankommenden Pixeldaten geführt und darin gespeichert werden. Es wird angemerkt, daß in die FIFO-Register fünf Pixel geladen werden, obwohl lediglich drei Pixel gleichzeitig analysiert werden. Das ist der Fall, da das Fehlerpixelfilter 34 sowohl für monochrome Bilder als auch für Farbbilder konfiguriert sein kann. Wie in der Technik bekannt ist, verschachteln Farbbildsensoren die Pixelsensoren in jeder Zeile nach einem Bayer-Muster, wie in 6 dargestellt ist, die einen Abschnitt eines Farbbildsensor darstellt. In der ersten Zeile 100 der Matrix sind Rot-Sensoren 102, 104, 106 mit Grün-Sensoren 103, 105, 107 verschachtelt. In der zweiten Zeile 101 sind Grün-Sensoren 108, 110, 112 mit Blau-Sensoren 109, 111 und 113 verschachtelt. Es ist jedoch erwünscht, benachbarte Pixel desselben Typs zu vergleichen (d. h. Rot-Pixel mit Rot-Pixeln zu vergleichen). Aus diesem Grund sollte für die Analyse jedes zweite Pixel ausgewählt werden, z. B. die Pixel 102, 104 und 106 werden analysiert, um zu bestimmen, ob das Pixel 104 fehlerhaft ist. Anschließend würde das Pixel 105 mit gleichen Pixeln 103 und 107 verglichen werden. Wenn andernfalls der Wert für das Pixel 103 (Grün-Wert) mit den Werten der Pixel 102 und 104 (Rot-Werte) verglichen werden würde, wäre es sehr wahrscheinlich, daß abrupte Unstetigkeiten auftreten, obwohl das Pixel 103 normal funktioniert. Für einen Abschnitt des Bildes, in dem das Bild hauptsäch lich rot ist, wäre z. B. zu erwarten, daß die Pixel 102 und 104 hohe Luminanzwerte besitzen und das Pixel 103 sehr geringe Luminanzwerte besitzt.
  • Deswegen wird im Monochrommodus das Pixel A vom Register 72 ausgewählt, das Pixel B wird vom Register 74 ausgewählt und das Pixel C wird vom Register 76 ausgewählt. Im Farbmodus wird das Pixel A vom Register 70 ausgewählt, das Pixel B wird vom Register 74 ausgewählt und das Pixel C wird vom Register 78 ausgewählt,.um sicherzustellen, daß gleiche Pixel verglichen werden.
  • Ein Multiplexer 80 wählt das Pixel A entweder vom Register 72 oder vom Register 70 in Abhängigkeit davon, ob die Vorrichtung im Monochrom- oder Farbmodus ist, und leitet den Pixelwert zu einem Komparator 82. Im Komparator 82 wird der Wert des Pixels A mit dem Wert des Pixels B vom Register 74 verglichen. Wenn der Vergleich angibt, daß das Pixel A einen größeren Wert als das Pixel B besitzt, wird ein gültiges logisches Signal (logischer Hochpegel) auf einer Signalleitung 86 eingeschaltet, die mit einem Eingang eines UND-Gatters 88 mit zwei Eingängen verbunden ist. Der andere Eingang des UND-Gatters 88 wird vom Komparator 96 gespeist, indem der Wert für das Pixel B mit dem Wert für das Pixel C verglichen wird. Das Pixel C wird durch einen Multiplexer 98 entweder vom Register 78 oder vom Register 76 ausgewählt in Abhängigkeit davon, ob die Vorrichtung im Monochrom- oder Farbmodus ist. Wenn das Pixel B seinem Wert nach größer ist als das Pixel C, wird der Komparator 96 ein gültiges Signal auf einer Signalleitung 120 einschalten, die zum zweiten Eingang des UND-Gatters 88 geführt wird. Wenn beide Eingänge des UND-Gatters 88 auf Hochpegel sind (wodurch angegeben wird, daß A größer als B ist und B größer als C ist), wird das UND-Gatter 88 ein gültiges Signal (logischer Hochpegel) zu einem ODER-Gatter 122 mit vier Eingängen einschalten. Dieser Zustand entspricht der Situation, die in 3b graphisch dargestellt ist, die eine akzeptable Situation ist, wobei angegeben wird, daß das Pixel B gültig ist. Das logische ODER-Gatter 122 wird ein gültiges Signal (logischer Hochpegel) an einen Multiplexer 124 einschalten, der wiederum ermöglicht, daß der Wert für das Pixel B vom Register 74 vom Fehlerpixelfilter 34 zur weiteren Verarbeitung ausgegeben wird. Es wird angemerkt, daß ein logisches Hochpegelsignal zur Einfachheit als Anzeige eines gültigen Signals behandelt wird, obwohl in anderen Ausführungsfonmen ein logisches Tiefpegelsignal als gültiges logisches Signal verwendet werden könnte.
  • Gleichzeitig wird in einem Block 90 die Differenz der Werte des Pixels A und des Pixels B berechnet und die Differenz wird in einem Komparator 92 mit dem Schwellenwert t verglichen. Es wird angemerkt, daß der Wert für den Schwellenwert t von einem Anwender ausgewählt und in einem Register 94 gespeichert werden kann. Alternativ oder dann, wenn durch den Anwender kein Wert für t ausgewählt wird, kann ein Vorzugswert für t im Register 94 gespeichert werden. In einigen Ausführungsformen kann der Schwellenwert auf Grundlage eines iterativen Prozesses automatisch erzeugt werden, bei dem ein Rückkoluplungssignal, das eine Angabe der Bildqualität ist, mit einem veränderlichen Wert t verglichen wird, bis ein Schwellenwert erreicht wird, der fehlerhafte Pixel wirkungsvoll auslöscht, ohne gewünschte Luminanzveränderungen auszulöschen, die in dem Bild natürlich vorkommen.
  • Wenn die Differenz zwischen den Pixeln A und B kleiner oder gleich dem Schwellenwert ist, zeigt das ebenfalls an, daß das Pixel B gültig ist in Übereinstimmung mit dem Zustand in den 3d oder 3f. Es wird angemerkt, daß es gleichgültig ist, ob das Pixel B größer oder kleiner als das Pixel A ist, solange die Differenz kleiner oder gleich dem Schwellenwert ist. Wenn dies der Fall ist, gibt der Komparator 92 einen logischen Hochpegel an das ODER-Gatter 122 aus, der außerdem bewirkt, daß der Multiplexer 124 ermöglicht, daß das Pixel B durchgelassen wird.
  • Wenn die Differenz zwischen den Pixeln B und C kleiner oder gleich dem Schwellenwert ist, was den 3c oder 3e entspricht, ist das Pixel B gleichfalls gültig (unabhängig vom Wert der Differenz zwischen den Pixeln A und B). Dieser Zustand wird durch einen Block 126 und einen Komparator 128 bestimmt, und wenn die Differenz zwischen den Pixeln B und C kleiner als t ist, wird ein logischer Hochpegel zu einem ODER-Gatter 122 eingeschaltet und der Wert für das Pixel B wird vom Register 74 über einen Multiplexer 124 zum Ausgang geleitet.
  • Der vierte Eingang des ODER-Gatters 122 wird von einem UND-Gatter 130 gespeist. Der erste Eingang des UND-Gatters 130 ist der umgekehrte Ausgang des Komparators 82 (über einen Inverter 132), und der zweite Eingang ist der umgekehrte Ausgang des Komparators 96 (über einen Inverter 134). Das UND-Gatter 130 gibt ein gültiges Signals (logischer Hochpegel) an das ODER-Gatter 122 aus, wenn das Pixel C seinem Wert nach größer als das Pixel B ist und das Pixel B seinem Wert nach größer als das Pixel A ist. Dies entspricht der 3a.
  • Wenn keine der obigen Bedingungen erfüllt ist, sind die Eingänge: des ODER-Gatters 122 logische Tiefpegel und somit ist der Steuereingang des Multiplexers 124 ein logischer Tiefpegel. Das zeigt an, daß das Pixel B fehlerhaft ist (in Übereinstimmung mit einem der Zustände der 3g bis 3j). Unter diesen Umständen leitet der Multiplexer 124 einen korrigierten Wert des Pixels B zum Ausgang. Dieser korrigierte Pixelwert wird in einem Block 136 berechnet. In der bevorzugten Ausführungsform wird der korrigiere Wert des Pixels B aus dem Durchschnittswert seiner benachbarten Pixel A und B berechnet, mit anderen Worten gilt Bkorrigiert = (A + C)/2. Der Vorteil der Verwendung einer einfachen Interpolation zwischen den Pixeln A und C besteht darin, daß diese Werte bereits im FIFO-Register gespeichert sind. Es könnten komplexere Interpolationen verwendet werden, um den Wert für Bkorrigiert zu erzeugen, wie etwa die Verwendung der Werte der nächsten zwei oder drei Nachbarn auf jeder Seite von B, derartige Interpolationen würden jedoch zusätzliche Speicherelemente erfordern, in denen die Werte benachbarter Pixel gespeichert werden, und würden außerdem eine zusätzliche kombinatorische Logik erfordern (mit ihren zugehörigen kosten und ihrem Platzbedarf).
  • In den bevorzugten Ausführungsformen ist die Schaltung von 5 in einer kombinatorischen Logik auf einem Halbleiterchip unter Verwendung von CMOS-Herstellungsprozessen realisiert. Das Filter der bevorzugten Ausführungsform ist vorteilhaft auf demselben Chip wie die Sensormatrix hergestellt, wenn diese mit einer CMOS-Sensormatrix vorgesehen ist. Während außerdem andere Typen von Matrizen, wie etwa eine CCD-Matrix, verwendet werden könnten, könnten sie aus den Gründen der Verarbeitungsunterschiede nicht sehr erwünscht sein. In anderen Ausführungsformen könnte die Funktion durch einen Mikroprozessor erreicht werden, der eine Folge von Programmbefehlen abarbeitet. Alternativ könnte die Schaltungsanordnung in einer programmierbaren Gate-Array-Logik oder in einer anderen programmierbaren Logik realisiert werden.
  • Aus der obigen Beschreibung ist klar, daß die bevorzugten Ausführungsformen mehrere vorteilhafte Merkmale besitzen, einschließlich die Fähigkeit, temperatur- und zeitabhängige Pixelfehler zu eliminieren, sowie die Fähigkeit, sowohl weiße Pixel als auch dunkle Pixel mit einstellbaren Schwellenwerten zu filtern. Das Merkmal des einstellbaren Schwellenwerts ermöglicht die Kompensation der Bildraumfrequenz und des Grads der Matrixpixelfehler. Außerdem arbeiten die bevorzugten Ausführungsformen bei hoher Geschwindigkeit in Echtzeit und erfordern keinen Rahmen- oder Zeilenspeicher für die Speicherung eines gesamten Rahmens oder einer Zeile von Daten. Sowohl die Logik als auch die Sensormatrix können auf einem einzelnen Chip gebildet werden und sind mit CMOS-Operationen kompatibel. Das Verfahren kann als ein Teil einer Wafer-Prüfoperation verwendet werden, um die Wafer-Ausbeute zu bestimmen, und kann sowohl im Farbbild- als auch Monochrommodus betrieben werden. Die beschriebenen Ausführungsformen halten hochfrequente Randkomponenten aufrecht, wie etwa einen schnellen Übergang von einem dunklen zu einem sehr hellen Objekt oder von einem hellen zu einem dunklen Objekt.
  • Obwohl diese Erfindung unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben wurde, soll diese Beschreibung nicht einschränkend ausgelegt werden. Verschiedene Modifikationen und Kombinationen der beispielhaften Ausführungsformen sowie weitere Ausführungsformen der Erfindiung werden einem Fachmann bei Bezugnahme auf die Beschreibung erscheinen. Es ist deswegen beabsichtigt, daß die beigefügten Ansprüche alle derartigen Modifikationen oder Ausführungsformen umfassen.

Claims (30)

  1. Filter zum Filtern eines Bildes, das mehrere Bildelemente enthält, wovon jedes durch einen Luminanz- oder einen Chrominanzwert repräsentiert wird, mit: Mitteln (70, 72, 74, 76, 78, 80, 98), die in einem Bildelement-Datenstrom ein Fenster auswählen, das aus nur drei Bildelementen besteht, die ein Bildelement und seine zwei benachbarten Bildelemente enthalten, Mitteln (82, 96), die bestimmen, ob das ausgewählte Bildelement seinem Wert nach zwischen den zwei benachbarten Bildelementen liegt, Mitteln (90, 92, 94, 126, 128), die bestimmen, ob sich das ausgewählte Bildelement seinem Wert nach von den beiden benachbarten Bildelementen um mehr als einen bestimmten Betrag unterscheidet, Mitteln (88, 122, 124, 130, 136), die das ausgewählte Bildelement seinem Wert nach durch einen Wert ersetzen, der von den zwei benachbarten Bildelementen abhängt, wenn das ausgewählte Bildelement seinem Wert nach nicht zwischen den zwei benachbarten Bildelementen liegt und sich von den beiden benachbarten Bildelementen um mehr als den bestimmten Betrag unterscheidet, und Mitteln, die die Prozedur für weitere Bildelemente, die als das ausgewählte Bildelement dienen, wiederholen.
  2. Filter nach Anspruch 1, das Mittel (70, 72, 74, 76, 78, 122, 124, 136) enthält, die das ausgewählte Bildelement seinem Wert nach durch einen Mittelwert der Werte der zwei benachbarten Bildelemente ersetzen.
  3. Filter nach Anspruch 1, das Mittel enthält, die das ausgewählte Bildelement seinem Wert nach durch einen interpolierten Wert ersetzen, der von den Werten der zwei benachbarten Bildelemente abhängt.
  4. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit: einer ersten Komparatorschaltung (80), die als Eingang einen ersten Bildelementwert und einen zweiten Bildelementwert empfängt und ein gültiges logisches Signal an einen ersten Eingang einer UND-Schaltung (88) und an einen ersten Inverter (132) ausgibt, wenn der erste Bildelementwert größer als der zweite Bildelementwert ist, einem ersten Differenzrechner (90), der als Eingang den ersten Bildelementwert und den zweiten Bildelementwert empfängt und an einen ersten Eingang einer zweiten Komparatorschaltung (92) einen ersten Differenzwert ausgibt, der der Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Bildelementwert entspricht; wobei die zweite Komparatorschaltung (92) außerdem als Eingang einen Schwellenwert empfängt und ein gültiges logisches Signal an einen ersten Eingang einer ODER-Schaltung (122) ausgibt, wenn der erste Differenzwert kleiner oder gleich dem bestimmten Betrag ist; einer dritten Komparatorschaltung (96), die als Eingang den zweiten Bildelementwert und einen dritten Bildelementwert empfängt und. ein gültiges logisches Signal an einen zweiten Eingang der ersten UND-Schaltung (88) und an einen zweiten Inverter (134) ausgibt, wenn der zweite Bildelementwert größer als der dritte Bildelementwert ist, und einem zweiten Differenzrechner (126), der als Eingang den zweiten Bildelementwert und den dritten Bildelementwert empfängt und einen zweiten Differenzwert, der der Differenz zwischen dem zweiten und dem dritten Bildelementwert entspricht, an einen ersten Eingang einer vierten Komparatorschaltung (128) ausgibt, wobei die vierte Komparatorschaltung (128) außerdem als Eingang den Schwellenwert empfängt und ein gültiges logisches Signal an einen dritten Eingang der ODER-Schaltung (122) ausgibt, wenn der zweite Differenzwert kleiner oder gleich dem bestimmten Betrag ist, und einer zweiten UND-Schaltung (130), die mit dem ersten und dem zweiten Inverter (132, 134) gekoppelt ist und einen mit einem vierten Eingang der ODER-Schaltung (122) gekoppelten Ausgang besitzt.
  5. Filter nach Anspruch 4, ferner mit: einem Berechnungsblock (136) für korrigierte Bildelemente, der als Eingang den ersten und den dritten Bildelementwert empfängt und einen korrigierten Bildelementwert ausgibt, einem Multiplexer (124), der mit einem ersten Eingang mit dem Ausgang des Berechnungsblocks (136) für korrigierte Bildelemente gekoppelt ist und als einen zweiten Eingang den Bildelementwert empfängt und mit einem Steuereingang mit einem Ausgang der ODER-Schaltung (122) gekoppelt ist.
  6. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, das ferner Register (70, 72, 74, 76, 78) zum Speichern von Bildelementwerten umfaßt.
  7. Filter nach einem der Ansprüche 4 bis 6, das sowohl in einem Monochrom- als auch in einem Farbmodus arbeiten kann und ferner umfaßt: wenigstens einen Multiplexer (80, 98), der als Eingang die in wenigstens zwei Registern (70, 72, 74) gespeicherten Bildelementwerte empfängt und in Reaktion auf eine Angabe eines Monochrom- oder Farbmodus-Betriebs einen der Bildelementwerte ausgibt.
  8. Filter nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bei dem der erste, der zweite und der dritte Bildelementwert jeweils digitale Werte aus zehn Bits sind.
  9. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, das ferner ein Schwellenwertregister (94) zum Speichern des Schwellenwertes umfaßt.
  10. Filter nach Anspruch 9, mit Mitteln, die einem Anwender ermöglichen, den Schwellenwert in das Schwellenwertregister einzugeben.
  11. Filter nach Anspruch 9, mit Mitteln, die den Schwellenwert aus einem die Bildqualität angebenden Rückkopplungssignal bereitstellen.
  12. Filter nach einem der Ansprüche 4 bis 8, bei dem die Komparatorschaltungen (82, 92, 96, 128), die Differenzrechner (90, 126) und die Register (70, 72, 74, 76, 78) in CMOS-Prozessen gefertigt sind.
  13. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 12, das einen Universal-Mikroprozessor (14) umfaßt.
  14. Digitale Bilderzeugungsvorrichtung, die ein Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 13 enthält, mit: einem Substrat, einer Sensormatrix (6), die auf dem Substrat ausgebildet ist und ein elektrisches Signal erzeugt, das der auf die Sensormatrix (6) auftreffenden Lichtmenge entspricht, und einer Bilderzeugungslogik, die auf dem Substrat ausgebildet ist, mit der Sensormatrix (6) gekoppelt ist und das elektrische Signal empfängt, wobei die Bilderzeugungslogik einen Analog/Digital-Umsetzer (32) enthält, der das elektrische Signal empfängt und digitale Bildelementwerte ausgibt.
  15. Digitale Bilderzeugungsvorrichtung nach Anspruch 14, die ferner einen Pufferspeicher (22) umfaßt, in dem die Bildelementwerte gespeichert sind.
  16. Digitale Bilderzeugungsvorrichtung nach Anspruch 14 oder Anspruch 15, bei der das Filter in Echtzeit arbeitet.
  17. Digitale Bilderzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, bei der die Sensormatrix (6) CMOS-Zellen umfaßt.
  18. Digitale Abbildungsvorrichtung, die ein Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 13 enthält, mit: einem Linsenmechanismus (4), einer Sensormatrix (6), die in einer Brennebene des Linsenmechanismus (4) positioniert ist, einem analogen Puffer (22) und einem Verstärker (24), die mit einem Ausgang der Sensormatrix (6) gekoppelt sind, und einer Abbildungslogik, die mit dem Verstärker (24) gekoppelt ist, wobei das Filter in der Abbildungslogik enthalten ist.
  19. Digitale Abbildungsvorrichtung nach Anspruch 18, bei der die Sensormatrix (6) und die Abbildungslogik auf einer einzigen integrierten Schaltung gefertigt sind.
  20. Digitale Abbildungsvorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, bei der die Sensormatrix (6) CMOS-Zellen umfaßt.
  21. Digitale Abbildungsvorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, bei der die Sensormatrix (6) CCD-Zellen umfaßt.
  22. Digitale Abbildungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 21, bei der die Abbildungslogik eine kombinatorische Logik umfaßt.
  23. Digitale Abbildungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 22, bei der die die Abbildungslogik einen Mikroprozessor (14) umfaßt.
  24. Verfahren zum Filtern eines Bildes, das mehrere Bildelemente umfaßt, wovon jedes durch einen Luminanz- oder einen Chrominanzwert repräsentiert wird, mit den folgenden Schritten: Auswählen eines Fensters, das aus nur drei Bildelementen besteht, die ein Bildelement und dessen zwei benachbarte Bildelemente enthalten, aus einem Bildelementdatenstrom durch ein Dreibildelement-Fenstermittel, Bestimmen, ob das ausgewählte Bildelement seinem Wert nach zwischen den zwei benachbarten Bildelementen liegt, Bestimmen, ob das sich ausgewählte Bildelement seinem Wert nach von beiden benachbarten Bildelementen um mehr als einen bestimmten Betag unterscheidet, und wenn das ausgewählte Bildelement seinem Wert nach nicht zwischen den zwei benachbarten Bildelementen liegt und sich von den beiden benachbarten Bildelementen um mehr als den bestimmten Betrag unterscheidet, und Wiederholen der Prozedur für das neu ausgewählte Bildelement.
  25. Verfahren nach Anspruch 24, das umfaßt: Bestimmen eines ersten Differenzwerts zwischen dem Luminanzwert des ausgewählten Bildelements und dem Luminanzwert des ersten benachbarten Bildelements, Vergleichen des ersten Differenzwerts mit dem bestimmten Betrag, Bestimmen eines zweiten Differenzwerts zwischen dem Luminanzwert des ausgewählten Bildelements und dem Luminanzwert eines zweiten benachbarten Bildelements, Vergleichen des zweiten Differenzwerts mit dem bestimmten Betrag, Feststellen, ob der Luminanzwert für das ausgewählte Bildelement in einen annehmbaren Bereich fällt, der durch den Luminanzwert für das erste benachbarte Bildelement und durch den Luminanzwert für das zweite benachbarte Bildelement definiert ist, und Bestimmen des ausgewählten Bildelements als fehlerhaft, falls der Luminanzwert für das ausgewählte Bildelement nicht in den annehmbaren Bereich fällt und weder der erste Differenzwert noch der zweite Differenzwert kleiner oder gleich dem bestimmten Betrag ist.
  26. Verfahren nach Anspruch 24 oder Anspruch 25, bei dem das ausgewählte Bildelement seinem Wert nach durch den Durchschnitt aus dem Luminanzwert des ersten benachbarten Bildelements und aus dem Luminanzwert des zweiten benachbarten Bildelements ersetzt wird.
  27. Verfahren nach Anspruch 24 oder Anspruch 25, bei dem ein interpolierter Wert, der zwei oder mehr benachbarte Bildelemente auf jeder Seite des ausgewählten Bildelements berücksichtigt, das ausgewählte Bildelement seinem Wert nach ersetzt.
  28. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 27, bei dem der bestimmte Betrag von einem Anwender in ein Register eingegeben wird.
  29. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 27, bei dem der bestimmte Betrag aus einem die Bildqualität angebenden Rückkopplungssignal bestimmt wird.
  30. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 29, das in Echtzeit ausgeführt wird.
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