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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen den Bereich der Bilderfassung
und insbesondere ein Verfahren zur Komprimierung eines Bildes von
einer Bildsensorvorrichtung mit erweitertem Dynamikumfang.
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Bildsensoren,
wie beispielsweise CCD-Bildwandler (CCD = Charged Coupled Device/ladungsgekoppelter
Baustein), sind in Produkten wie Digitalkameras, Scannern und Videokameras
allgemein üblich.
Im Vergleich zu herkömmlichen
fotografischen Filmprodukten weisen diese Bildsensoren einen begrenzten
Dynamikumfang auf. Ein typischer elektronischer Sensor hat einen
Dynamikumfang von ca. 7 Blenden. Das bedeutet, dass die Belichtung
einer typischen Szene mit einem relativ hohen Maß an Genauigkeit bestimmt werden muss,
um eine Begrenzung des resultierenden Signals zu vermeiden. Im Unterschied
dazu weisen natürliche Szenen
oft einen Dynamikumfang von 9 Blenden oder mehr auf. Das ist hauptsächlich eine
Folge mehrerer Lichtquellen mit stark unterschiedlicher Intensität, die die
Szenenobjekte beleuchten. Auch Spitzlichter tragen zum Dynamikumfang
natürlicher
Szenen bei.
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Elektronische
Sensoren zur Abtastung von fotografischem Film müssen zudem einen großen Dynamikbereich
von Signalstärken
abdecken. In US-A-5,221,848 vom 22.06.1993 beschreibt Milch ein
Verfahren und eine Vorrichtung, die zur Erweiterung des Dynamikbereichs
eines elektronischen Bildsensors vorgesehen sind. Das hauptsächlich zum
Abtasten fotografischen Films vorgesehene Verfahren verwendet einen
Filmabtaster mit einem Durchgang sowie einen CCD-Scanner mit einer
darauf angeordneten Vielzahl von linearen Arrays. Einer der Arrays
spricht auf starke Lichtintensität,
der andere auf schwache Lichtintensität an. Die Informationen aus
den beiden Arrays werden dann zur Erzeugung eines Digitalbildes
mit erweitertem Dynamikbereich kombiniert und digitalisiert. Das
in US-A-5,221,848 beschriebene Verfahren und die beschriebene Vorrichtung
ist ein elektronischer Bildwandler mit Sensorelementen, die die
gleiche Spektralempfindlichkeit, jedoch unterschiedliche inhärente Ansprechverhalten
auf Lichtintensitäten
aufweisen, die Digitalbilder mit sehr hohem Dynamikbereich zu erzeugen
vermögen.
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Digitale
elektronische Kameras verwenden einen einzelnen Bildsensor mit einem
Farbfilterarray (CFA) zum Erzeugen eines so genannten spärlich abgetasteten
(sparsely sampled) Digitalbildes (sechs Abtastungen pro Achse).
Ein typisches Farbfiltermuster, das rote, grüne und blaue Sensorelemente
zur Erzeugung roter, grüner
und blauer Pixelwerte verwendet, wird in US-A-3,971,065, am 20.
Juli 1976 an Bayer erteilt, beschrieben. Interpolationsalgorithmen
werden benutzt, um ein voll aufgelöstes Farbbild aus dem "spärlich abgetasteten" (sparsely sampled)
Digitalbild zu erzeugen. Digitalkameras müssen zudem Szenen mit hohem
Dynamikbereich aufnehmen können.
Eine Möglichkeit
zur Erzielung eines Bildes mit hohem Dynamikbereich aus einer Digitalkamera
besteht darin, in der Kamera einen Analog-/Digitalwandler mit hoher
Bittiefe zu verwenden. Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung
eines Bildsensors mit vermischten Sensorelementen mit hoher und niedriger
Empfindlichkeit, wie in der Parallelanmeldung mit der US-Seriennummer
09/615,398, eingereicht am 13. Juli 2000, von Gallagher et al. beschrieben
wird, die durch Nennung als hierin aufgenommen betrachtet wird.
Ein wichtiges Merkmal von Digitalkameras ist die Notwendigkeit,
Digitalbilder mit handhabbarer Größe zu erzeugen. Dies ist vor
allem wegen des begrenzten internen Speichers der Digitalkamera
und wegen der Begrenzung der Bandbreite zur Übertragung der Digitalbilder
auf andere Vorrichtungen notwendig.
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In
ihrem Beitrag "Multispectral
data compression using staggered detector arrays," Proc. SPIE, Band 432,
San Diego, USA, August 1983, quantifizieren Robert Gray und Bobby
Hunt einen Vorteil, der aufgrund der Durchführung einer separaten Bildkomprimierung
für rote,
grüne und
blaue Pixelwerte auf ein Bild erzielbar ist, das mit einem Bildsensor
mit CFA ausgestattet ist. Das Verfahren von Gray und Hunt berücksichtigt
jedoch keine Bildsensoren, deren Werte schnell ansprechender Pixel
von Sensorelementen mit hoher Empfindlichkeit mit einem vorbestimmtem
Ansprechen auf eine Lichtbelichtung abgeleitet sind, und deren Werte
langsam ansprechender Pixel von Sensorelementen mit niedriger Empfindlichkeit
mit einem langsameren Ansprechen auf dieselbe Lichtbelichtung abgeleitet
sind.
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Die
Parallelanmeldungen US-A-5,065,229 vom 12. November 1991 und 5,053,861
vom 1. Oktober 1991, beide erteilt an Tsai et al., beschreiben ein
Verfahren zur Komprimierung digitaler Bilder vor der Farbinterpolation.
Ihr Verfahren berücksichtigt
ebenfalls keine Bildsensoren, deren Werte schnell ansprechender
Pixel von Sensorelementen mit hoher Empfindlichkeit mit einem vorbestimmtem
Ansprechen auf eine Lichtbelichtung abgeleitet sind, und deren Werte
langsam ansprechender Pixel von Sensorelementen mit niedriger Empfindlichkeit
mit einem langsameren Ansprechen auf dieselbe Lichtbelichtung abgeleitet
sind.
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Es
besteht daher Bedarf zur effizienten und effektiven Komprimierung
eines Digitalbildes, das aus einem elektronischen Bildsensor stammt,
dessen Werte der schnell ansprechenden Pixel von Sensorelementen mit
hoher Empfindlichkeit und einem vorbestimmten Ansprechen auf eine
Lichtbelichtung abgeleitet sind, und dessen Werte der langsam ansprechenden
Pixel von Sensorelementen mit niedriger Empfindlichkeit und einem
langsameren Ansprechen auf dieselbe Lichtbelichtung abgeleitet sind.
Es besteht zudem Bedarf danach, Bilder effizient zu komprimieren,
die mit einem elektronischen Bildwandler erzeugt wurden, der Sensorelemente
aufweist, die die gleiche Spektralempfindlichkeit, jedoch ein unterschiedliches
inhärentes
Ansprechverhalten auf Lichtintensitäten aufweisen, und welcher
Digitalbilder mit einem sehr hohen Dynamikbereich zu erzeugen vermag.
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Die
Aufgaben werden mit der vorliegenden Erfindung gelöst, die
ein Verfahren zur Erzeugung eines komprimierten Bildes aus einem
spärlich
abgetasteten Bild mit voller Auflösung und erweitertem Dynamikumfang
bereitstellt, das durch eine spärlich
abgetastete Bildsensoreinrichtung mit erweitertem Dynamikumfang erzeugbar
ist, welche Sensorelemente mit hoher Empfindlichkeit und einem vorbestimmten
Ansprechen auf Lichtbelichtung zur Erzeugung von Werten schnell
ansprechender Pixel umfasst, und Sensorelemente mit niedriger Empfindlichkeit,
die langsamer auf die gleiche Lichtbelichtung zur Erzeugung von
Werten langsam ansprechender Pixel ansprechen, mit folgenden Schritten:
Bereitstellen eines Bildsensors mit spärlicher Abtastung und erweitertem
Dynamikumfang, Trennen des spärlich
abgetasteten Bildes mit voller Auflösung in ein Bild hoher Empfindlichkeit,
das ausschließlich
schnell ansprechende Pixel umfasst, und in ein Bild niedriger Empfindlichkeit,
das ausschließlich
langsam ansprechende Pixel umfasst, und getrenntes Komprimieren
des Bildes hoher Empfindlichkeit und des Bildes niedriger Empfindlichkeit.
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Die
vorliegende Erfindung hat den Vorteil, dass die hierin beschriebene
Komprimierungstechnik die eindeutige Anordnung von Sensorelementen
auf einem Bildsensor nutzt, der mit Sensorelementen mit hoher Empfindlichkeit
und vorbestimmtem Ansprechen auf eine Lichtbelichtung ausgestattet
ist, und dessen Werte der langsam ansprechenden Pixel von Sensorelementen
mit niedriger Empfindlichkeit abgeleitet sind, die ein langsameres
Ansprechen auf dieselbe Lichtbelichtung aufweisen, um ein digitales
Bild von einem derartigen Sensor effizienter komprimieren zu können.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand in der Zeichnung dargestellter
Ausführungsbeispiele
näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 ein
Blockdiagramm eines Digitalbildsystems, das eine Bildwandlervorrichtung
mit erweitertem Dynamikbereich und einen erfindungsgemäßen Digitalbildprozessor
verwendet;
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2 eine
Schnittansicht eines Interline-Bildwandlers, der eine Anordnung
von Linsenelementen (Lenslets) verwendet, um das Ansprechen ausgewählter Sensorelemente
zu modifizieren;
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3 eine
Schnittansicht eines Full-Frame-Bildwandlers, der eine Metallmaske
verwendet, um das Ansprechen ausgewählter Sensorelemente zu modifizieren;
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4 eine
Kurve zur Darstellung des Ansprechverhaltens eines Sensorelements
mit hoher und eines Sensorselements mit niedriger Empfindlichkeit;
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5 eine
Schnittansicht eines Bildwandlers, der eine Anordnung von Neutraldichtefiltern
verwendet, um das Ansprechen ausgewählter Sensorelemente zu modifizieren;
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6A die
Anordnung von Sensorelementen mit niedriger Empfindlichkeit und
Sensorelementen mit hoher Empfindlichkeit auf einem panchromatischen
Bildwandler;
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6B die
Anordnung von Sensorelementen mit niedriger Empfindlichkeit und
Sensorelementen mit hoher Empfindlichkeit auf einem Farbbildwandler;
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7A die
Anordnung von Sensorelementen mit niedriger Empfindlichkeit und
Sensorelementen mit hoher Empfindlichkeit auf einem panchromatischen
Bildwandler;
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7B die
Anordnung von ungeraden Sensorelementen mit niedriger Empfindlichkeit;
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7C die
Anordnung von geraden Sensorelementen mit niedriger Empfindlichkeit;
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8A die
Anordnung von Sensorelementen mit niedriger Empfindlichkeit und
Sensorelementen mit hoher Empfindlichkeit auf einem Farbbildwandler;
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8B die
Anordnung von abgetasteten Pixeln, die grünempfindlichen Sensorelementen
mit niedriger Empfindlichkeit entsprechen;
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8C die
Anordnung von abgetasteten Pixeln, die grünempfindlichen Sensorelementen
mit hoher Empfindlichkeit entsprechen;
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8D die
Anordnung von abgetasteten Pixeln, die rotempfindlichen Sensorelementen
mit niedriger Empfindlichkeit entsprechen;
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8E die
Anordnung von abgetasteten Pixeln, die einem ersten Satz rotempfindlicher
Sensorelemente mit niedriger Empfindlichkeit entsprechen;
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8F die
Anordnung von abgetasteten Pixeln, die einem zweiten Satz rotempfindlicher
Sensorelemente mit niedriger Empfindlichkeit entsprechen;
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9 ein
Blockdiagramm eines alternativen erfindungsgemäßen Komprimierers;
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10 ein
Blockdiagramm eines weiteren alternativen erfindungsgemäßen Komprimierers;
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11 ein
Blockdiagramm eines weiteren alternativen, erfindungsgemäßen Komprimierers;
und
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12 ein
Blockdiagramm eines bevorzugten erfindungsgemäßen Komprimierers.
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Ein
Digitalbild setzt sich aus einem oder mehreren Digitalbildkanälen zusammen.
Jeder Digitalbildkanal umfasst eine zweidimensionale Anordnung von
Pixeln. Jeder Pixelwert betrifft eine Lichtmenge, die auf eine Bebilderungseinrichtung
fällt,
die der geometrischen Domäne
des Pixels entspricht. Für
Farbbebilderungsanwendungen besteht ein Digitalbild typischerweise
aus roten, grünen
und blauen Digitalbildkanälen.
Andere Konfigurationen finden ebenfalls Verwendung, z.B. blaugrüne, purpurrote
oder gelbe Digitalbildkanäle. Für monochrome
Anwendungen besteht das Digitalbild aus einem Digitalbildkanal.
Bebilderungsanwendungen mit Laufbildern kann man sich als eine zeitliche
Folge von Digitalbildern vorstellen. Fachleute werden wissen, dass
die vorliegende Erfindung beispielsweise, aber nicht abschließend, auf
ein Digitalbild für
eine beliebige der zuvor genannten Anwendungen anwendbar ist.
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Die
vorliegende Erfindung beschreibt zwar einen Digitalbildkanal in
Form einer zweidimensionalen Anordnung von Pixelwerten, die in Reihen
und Spalten angeordnet sind, aber Fachleute werden wissen, dass
die vorliegende Erfindung mit gleicher Wirkung auch auf mosaikförmige (nicht
geradlinige) Anordnungen, d.h. hexagonale Anordnungen, anwendbar
ist.
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Da
Systeme, die elektronische Sensoren umfassen, bekannt sind, bezieht
sich die vorliegende Beschreibung insbesondere auf Elemente, die
Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung
sind oder direkt damit zusammenwirken. Hier nicht gezeigte oder
beschriebene Elemente sind aus den nach dem Stand der Technik bekannten
Elementen wählbar.
Es sei darauf hingewiesen, dass der Begriff Bild hier im Sinne einer
zweidimensionalen Anordnung von Werten zu verstehen ist. Ein Bild
kann eine zweidimensionale Untermenge eines anderen Bildes sein.
Die vorliegende Erfindung ist mithilfe eines programmierten Digitalcomputers
oder einer individuellen, integrierten, digitalen Bildverarbeitungsschaltung
implementierbar. Die Erstellung eines derartigen Computerprogramms
anhand der nachfolgenden Beschreibung fällt in den üblichen Bereich der Programmiertechnik.
Der Computer kann ein digitaler Universalcomputer sein, wie ein
Personal Computer (PC), oder ein digitaler Spezialcomputer, der
speziell für die
Verarbeitung von Digitalbildern entworfen wurde. Die vorliegende Erfindung
ist in Teilen oder im Ganzen in einer Digitalkamera implementierbar.
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Die
wesentlichen Elemente der vorliegenden Erfindung sind als Funktionsblockdiagramm
in 1 dargestellt. Licht aus einem Objekt oder einer
Szene fällt
auf eine Linse 2, die ein fotografisches Bild auf einem Bildsensor
oder Bildwandler 10, etwa einem CCD-Chip (Charged-Coupled Device),
erzeugt. Es sei darauf hingewiesen, dass auch andere Vorrichtungen,
wie CMOS-Vorrichtungen, als Bildwandler 10 verwendbar sind. Ein
optisches Tiefpassfilter 6, das zwischen der Linse 2 und
dem Bildwandler 10 angeordnet ist, führt eine leichte unscharfe
Abbildung des einfallenden Lichts durch, um das Auftreten eines
Treppeneffekts (Aliasing) zu reduzieren. Ein Analog-/Digitalwandler 14 empfängt das
Spannungssignal entsprechend dem einfallenden Licht vom Bildwandler 10 und
erzeugt ein dem Spannungssignal entsprechendes Bildsignal. Die Ausgabe
des Analog-/Digitalwandlers 14 ist ein voll aufgelöstes, spärlich abgetastetes
Bild mit erweitertem Dynamikbereich. Ein spärlich abgetastetes Bild ist
als ein Bild definiert, das mit einer Bildabtasteinrichtung erfasst
wurde, die einen einzelnen Bildwandler mit mehreren Arten von Sensorelementen
aufweist. Erfindungsgemäß bezieht sich
der Begriff "spärlich abgetastet" auch auf ein Bild,
das von einem Bildsensor erzeugt wird, auf dem empfindliche sowie
unempfindliche Sensorelemente angeordnet sind, einschließlich eines
Bildsensors mit einer Farbfilteranordnung.
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Das
voll aufgelöste,
spärlich
abgetastete Bild mit erweitertem Dynamikbereich wird erfindungsgemäß komprimiert,
um mit dem Komprimierer 312 ein komprimiertes Digitalbild
zu erzeugen, wie nachfolgend beschrieben. Das komprimierte Digitalbild
kann in einem (nicht gezeigten) Computerspeicher gespeichert oder über ein
(nicht gezeigtes) Kommunikationsnetz übertragen und später im Dekomprimierer 314 dekomprimiert werden,
um ein rekonstruiertes Digitalbild zu erzeugen.
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Der
in 1 gezeigte Analog-/Digitalwandler 14 wandelt
das von dem Bildwandler 10 erzeugte Spannungssignal in
ein Bildsignal um, d.h. in einen Strom aus digitalen Pixelwerten
entsprechend dem von den Sensorelementen des Bildwandlers 10 erzeugten
Spannungssignal. Der Analog-/Digitalwandler 14 wandelt
das Spannungssignal, das in Bezug auf die Intensität des einfallenden
Lichts nahezu linear ist, aus dem Bildwandler 10 in ein
diskretes Digitalbild signal um, z.B. ein 10-Bit-Signal mit linear
codiertem Wertebereich von 0 bis 1023. Der Analog-/Digitalwandler
14 kann zudem das linear codierte Domänenbildsignal in ein nicht
linear codiertes Domänenbildsignal
umwandeln, etwa in ein in der Technik übliches logarithmisches 8-Bit-Signal.
Die folgende Gleichung ist beispielsweise verwendbar, um ein lineares
10-Bit-Bildsignal a(x,y), wobei (x,y) für den Reihen- und Spaltenindex
der Signalstelle in Bezug auf den Bildwandler 10 steht,
in ein logarithmisches 8-Bit-Bildsignal b(x,y) umzuwandeln.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass jede Blende der Belichtung (im linearen
Ansprechbereich des Bildwandlers) zu einer Verdoppelung des linearen
Bildsignals a(x,y) führt
und zu einer Erhöhung
des logarithmisch codierten Bildsignals b(x,y) um 51. In
diesem Fall stellt der Wert 51 die Anzahl der Codewerte
pro Belichtungsblende (cvs) dar.
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In
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
besteht der Bildwandler 10 aus einer Anordnung lichtempfindlicher
Elemente, die als Sensorelemente bezeichnet werden. Jedes Sensorelement
ist typischerweise entweder mit einem roten, grünen oder blauen Filter beschichtet,
wie von Bayer in der Parallelanmeldung US-A-3,971,065 beschrieben.
Diese Anordnung nach Bayer ist ein Farbfilter-Array, in dem Grünfilter
in einem Schachbrettmuster über
den Sensorelementen mit zeilenweise abwechselnden roten und blauen
Filtern angeordnet sind, um die Zwischenräume des Schachbrettmusters
zu füllen;
dies erzeugt zweimal so viele Grünfilterstellen
wie Rot- und Blaufilterstellen. Es sei darauf hingewiesen, dass
sich das hier beschriebene Verfahren ohne weiteres auf Farbfilter-Arrays
mit unterschiedlichen Anordnungen der Primärfarben oder einer anderen Primärfarbenmenge
erweitern lässt.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
spricht jedes Sensorelement entweder auf rotes, grünes oder
blaues Licht an. Das fotografierte Bild wird somit im roten, grünen und
blauen Bereich spärlich
abgetastet. Es ist jedoch wünschenswert,
einen Pixelwert entsprechend einer Belichtung für jede der roten, grünen und
blauen Belichtungen an jeder Stelle eines Sensorelements zu erzeugen.
In der vorliegenden Beschreibung stellen „rot", „grün" und „blau" die primären Spektralempfindlichkeiten
eines Bildwandlers 10 dar, wie in der Technik der Bildverarbeitung
bekannt ist.
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Die
Farbpixelwerte, die nicht dem Farbwert des Farbfilterelements über dem
Sensorelement entsprechen, werden aus den Farbpixelwerten von benachbarten
Sensorelementen durch Interpolation gebildet. Zwar ist jeder gängige Interpolator
verwendbar, aber in US-A-5,652,621, erteilt am 29. Juli 1997 an
Adams, Jr. et al., beschreiben Adams et al. einen bevorzugten CFA-Interpolator.
US-A-5,652,621 beschreibt eine Vorrichtung zur Verarbeitung eines
digitalisierten Bildsignals, das von einem Bildwandler stammt, der
mit Farbsensorelementen versehen ist, die in Reihen und Spalten
angeordnet sind und mindestens drei separate Farbwerte erzeugen,
jedoch nur einen Farbwert für
jede Sensorelementstelle, und eine Struktur zur Interpolation von
Farbwerten für
jede Sensorelementstelle, so dass diese drei verschiedene Farbwerte
hat. Die Vorrichtung erzeugt einen entsprechenden Farbwert, der
an einer Sensorelementstelle fehlt, durch Interpolation eines zusätzlichen Farbwerts
für diese
Sensorelementstelle aus Farbwerten für andere Farben als der fehlende
Farbwert an der benachbarten Sensorelementstelle. Die Vorrichtung
erzeugt zudem Laplace-Werte zweiter Ordnung, Gradientenwerte und
Farbdifferenz-Vorspannungswerte in mindestens zwei Bildrichtungen
von den Pixelwerten, die benachbarten Sensorelementen derselben
Spalte und Reihe entsprechen, und wählt eine bevorzugte Ausrichtung
für die
Interpolation des fehlenden Farbwerts basierend auf einem für diese
Werte entwickelten Klassifizierer aus. Der fehlende Farbpixelwert
von einer Mehrzahl benachbarter Farbpixelwerte wird derart ausgewählt, dass
er mit der bevorzugten Ausrichtung übereinstimmt. Die Anordnung
der gewählten
Sensorelemente in Bezug auf den Bildwandler 10 wird nachfolgend
detaillierter beschrieben. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
wird das Ansprechverhalten ausgewählter Sensorelemente abgeschwächt oder
verzögert,
indem die Verstärkung
der ausgewählten
Sensorelemente abgewandelt wird, die hier als Sensorelemente niedriger
Empfindlichkeit bezeichnet werden. Die Abwandlung der Verstärkung eines
Sensorelements ist in der Konstruktions- und Herstellungstechnik
von Digitalkameras allgemein üblich.
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Wie
in 2 gezeigt, ist es im Bereich der Fertigung von
Bildwandlern allgemein üblich,
Kunststofflinsenelemente 51 über jedem Sensorelement anzuordnen.
Insbesondere wenn es sich bei dem Bildwandler 10 um einen
Interline-Halbleiterbildwandler handelt, wird eine entsprechende
Linsenelementtechnik in US-A-4,667,092, erteilt am 19. Mai 1987
an Ishihara, beschrieben. US-A-4,667,092 beschreibt einen Halbleiterbildwandler,
der einen Bildspeicherbereich mit einer Oberfläche und einer Vielzahl von
Speicherelementen aufweist, die entlang der Oberfläche eingebettet
sind und ein Bild in Form einer elektrischen Ladung speichern können. Darüber ist
eine Deckschicht abgelagert, die eine Anordnung aus optischen Linsen
bildet, die den Speicherelementen entsprechen. Eine Zwischenschicht
ist zwischen der Blockoberfläche
und der Deckschicht angeordnet. Licht wird durch die Linsen fokussiert
und fällt
durch die Zwischenschicht auf die Speicherelemente. Die Zwischenschicht
dient als Einstellschicht zur Einstellung einer Brennweite.
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2 zeigt
einen Querschnitt eines Interline-Halbleiterbildwandlers. Ohne die
Linsenelemente 51 ist es aufgrund des jedem lichtempfindlichen
Bereich 55 zugeordneten Signalauslesebereichs eines Sensorelements
unmöglich,
den gesamten Bereich des Halbleitersubstrats als fotoelektrischen
Wandlerbereich zu nutzen. Der konventionelle Halbleiterbildwandler
nutzt die Gesamtheit der darauf einfallenden Strahlen nicht effektiv
und hat daher eine niedrige Empfindlichkeit. Durch Hinzufügen eines
Kunststofflinsenelements 51 über einem Sensorelement können die
einfallenden Lichtstrahlen auf die lichtempfindlichen Bereiche des
Sensorelements fokussiert werden, wodurch die einfallenden Lichtstrahlen
effektiver genutzt werden, so dass sich die Empfindlichkeit des
Sensorelements erhöht.
Durch Abwandlung der Größe und/oder
Effizienz des Linsenelements 51 lässt sich somit die Empfindlichkeit
des Sensorelements leicht verändern.
Das bevorzugte Verfahren zur Abwandlung der Verstärkung des
Sensorelements ist für
Interline-Vorrichtungen und für
CMOS-Sensoren die Veränderung
des auf dem Sensorelement angeordneten Linsenelements 51.
Wie in 2 gezeigt, weist die Stelle 52 kein Linsenelement
auf, wodurch auf den lichtempfindlichen Bereich weniger Lichtstrahlen
einfallen. Alternativ hierzu könnte
ein Linsenelement an Stelle 52 mit unterschiedlichem Radius,
Form, Größe oder Material
im Vergleich zum Linsenelement 51 hergestellt werden, wodurch
es in der Fokussierung der einfallenden Lichtstrahlen auf den lichtempfindlichen
Bereich 55 strukturell weniger effizient sein könnte als
das Linsenelement 51. Wenn das Linsenelement 51 80%
der einfallenden Lichtstrahlen auf einen lichtempfindlichen Bereich 55 fokussiert
und die Stelle 52, die keine Linsenelemente aufweist (oder
alternativ hierzu Linsenelemente mit niedriger Empfindlichkeit)
20% der einfallenden Lichtstrahlen zum lichtempfindlichen Bereich 55 durchlässt, ist
das durch ein Linsenelement 51 bedeckte Sensorelement um
2 Blenden empfindlicher als die Stelle 52, wie Fachleute
erkennen werden. In diesem Fall wird das Linsenelement 51 für hochempfindliche
Sensorelemente verwendet, während
keine Linsenelemente für
Sensorelemente mit niedriger Empfindlichkeit verwendet werden, wie
durch Stelle 52 dargestellt.
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3 zeigt
einen Schnitt eines Full-Frame-Bildwandlers 10, bei dem
auf den lichtempfindlichen Bereich 55 eines Sensorelements
fallende Lichtstrahlen durch eine Apertur einer Lichtblende treten
müssen,
die üblicherweise
aus Metall besteht, und die, wie in 3 gezeigt,
Lichtabschirmmasken 54 sowie große und kleine Aperturen 56 bzw. 57 umfassen,
die unter den Lichtabschirmmasken verteilt sind. In dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
ist die Verstärkung
der Sensorelemente durch Modifikation der Lichtabschirmmasken 54 veränderbar.
Die Empfindlichkeit des Sensorelements steht dann in direkter Beziehung
zu der Apertur der Lichtabschirmmasken 54. Ein Sensorelement
mit beispielsweise einer Apertur von 50% der Größe einer Apertur eines zweiten
Sensorelements hat im Vergleich zum zweiten Sensorelement eine Ansprechempfindlichkeit
von 50%. Eine große
Apertur 56 einer Lichtabschirmmaske 54 lässt beispielsweise
80% der einfallenden Lichtstrahlen zum Sensorelement durch, während eine
kleine Apertur 57 nur 20% der einfallenden Lichtstrahlen durchlässt. Das
Sensorelement mit der großen
Apertur 56 ist um 2 Blenden empfindlicher als ein Sensorelement
mit der kleinen Apertur 57, wie Fachleute erkennen werden.
In diesem Fall wird die große
Apertur 56 für hoch
empfindliche Sensorelemente verwendet, während die kleine Apertur 57 für niedrig
empfindliche Sensorelemente verwendet wird. Die Apertur der Lichtabschirmmaske
lässt sich
modifizieren, um die Ansprechempfindlichkeit der ausgewählten Sensorelemente
einzustellen. Die Eastman Kodak Company stellt Full-Frame-Bildwandler
mit einer Metall-Lichtabschirmmaske her, die den aktiven Pixelbereich
aller Pixel um ca. 80% auf ca. 20% reduziert (für Scanner-Anwendungen mit Dithering,
bei denen der Sensor um 1/2 Pixel horizontal und vertikal versetzt
wird und 4 Bilder aufgenommen werden). Die vorliegende Erfindung
umfasst somit die Nutzung einer derartigen Maskentechnologie, jedoch
mit unterschiedlich bemessenen Aperturen, um einen Bildsensor mit
unterschiedlicher Ansprechempfindlichkeit gegenüber Bildlicht bereitzustellen.
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In
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
entspricht das Ansprechverhalten ausgewählter Sensorelemente mit niedriger
Empfindlichkeit X% (wobei X<=100)
der Empfindlichkeit von ausgewählten
Sensorelementen mit hoher Empfindlichkeit für dieselbe Belichtung, wie
in 4 grafisch dargestellt. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
haben die ausgewählten
Sensorelemente eine Ansprechempfindlichkeit, die um zwei Blenden
(–log
X/100) in Beziehung zu den hochempfindlichen Sensorelementen niedriger
ist, wodurch X = 25. Der Bildwandler 10 besteht somit aus
mehreren Sätzen
von Sensorelementen, Sensorelementen mit hoher und Sensorelementen
mit niedriger Empfindlichkeit. Die Menge der ausgegebenen Reaktionen
der Sensorelemente mit hoher Empfindlichkeit stellt eine spärlich abgetastete
Version einer Szene dar, die mit den hochempfindlichen Sensorelementen
aufgenommen wurde. In gleicher Weise stellt die Menge der ausgegebenen Reaktionen
der Sensorelemente mit niedriger Empfindlichkeit eine spärlich abgetastete
Version einer Szene dar, die mit den niedrig empfindlichen Sensorelementen
aufgenommen wurde.
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Als
weitere Alternative können
die Reaktionen der ausgewählten
Sensorelemente mit niedriger Empfindlichkeit durch Verwendung eines
Neutralfilters abgeschwächt
werden, mit denen das Sensorelement bedeckt ist. 5 zeigt
einen Schnitt einer mit einer Farbfilteranordnung 53 versehenen
Bildwandlereinrichtung. Es sei darauf hingewiesen, dass die Farbfilteranordnung 53a rot,
die Farbfilteranordnung 53b grün, die Farbfilteranordnung 53c rot
und die Farbfilteranordnung 53d grün ist. Eine Schicht aus Neutralfiltern 58 ist über der Farbfilteranordnung 53 angeordnet,
obwohl die Lage der Schicht aus Neutralfiltern 58 und der
Farbfilteranordnung 53 keine Rolle spielt. Es wird darauf
hingewiesen, dass die Schicht aus Neutralfiltern 58 nur
ein Neutralfilter an den Positionen ausgewählter Sensorelemente enthält, wie
anhand des Neutralfilters 59 bezeichnet. In diesem Fall
ist die Schicht des Neutralfilters 58 für hoch empfindliche Sensorelemente
transparent oder nahezu transparent und enthält ein Neutralfilter 59 für Sensorelemente
mit niedriger Empfindlichkeit. Wenn das Neutralfilter 59 beispielsweise
aus einem Material besteht, das X% Licht durchlässt, dann wird das Ansprechverhalten
des Sensorelements mit niedriger Empfindlichkeit um – log2(X/100) Blenden in Bezug zum Ansprechverhalten
des Sensorelements mit hoher Empfindlichkeit abgeschwächt.
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In
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
werden 50% der Sensorelemente des Bildwandlers 10 derart ausgewählt, dass
sie eine niedrige Ansprechempfindlichkeit aufweisen. Fachleute werden
erkennen, dass auch durch eine Veränderung des Prozentsatzes an
Sensorelementen, die eine niedrige Ansprechempfindlichkeit aufweisen,
die Vorteile der vorliegenden Erfindung erzielbar sind. Im Falle
eines Bildwandlers 10, in dem alle Sensorelemente eine
ungefähr
gleiche Spektralempfindlichkeit aufweisen (d.h. eine panchromatische
Bildwandlereinrichtung), zeigt 6A eine
Anordnung der Sensorelemente mit niedriger Empfindlichkeit, die
dazu führt,
dass ca. 50% aller Sensorelemente des Bildwandlers 10 eine
niedrige Ansprech empfindlichkeit aufweisen. Die Sensorelemente 28 mit
niedriger Ansprechempfindlichkeit sind mit einem Sternchen (*) markiert,
während
die Sensorelemente 30 mit hoher Ansprechempfindlichkeit
frei sind. Ein spärlich
abgetastetes Bild wurde zuvor als Bild definiert, das mit einer
Bildwandlervorrichtung erfasst wurde, die mit einem Farbfilter-Array
versehen ist. Erfindungsgemäß bezieht
sich der Begriff "spärlich abgetastet" auch auf ein Bild,
das von einem Bildwandler, wie dem in 6A gezeigten,
erzeugt wird, bei dem hochempfindliche und niedrig empfindliche
Sensorelemente gemischt sind.
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68 zeigt eine Anordnung für einen
Farbbildwandler, worin 50% jedes Sensorelementtyps (rot-, grün- oder
blauempfindlich) eine niedrige Ansprechempfindlichkeit aufweisen.
Die Sensorelemente 32, 34 und 36 sind
beispielsweise rote, grüne
bzw. blaue Sensorelemente mit niedriger Ansprechempfindlichkeit,
und die Sensorelemente 38, 40 und 42 sind
rote, grüne
bzw. blaue Sensorelemente mit hoher Ansprechempfindlichkeit.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass 6A und 6B ein
regelmäßiges Muster
für die
Stelle der Sensorelemente mit niedriger Empfindlichkeit implizieren.
Vorzugsweise sind die Sensorelemente mit niedriger Empfindlichkeit
zwar in einem regelmäßigen Muster
angeordnet, aber dies ist durchaus nicht zwingend notwendig. Die
Sensorelemente mit niedriger Empfindlichkeit können zufällig oder semi-zufällig über der
Oberfläche
des Bildwandlers 10 angeordnet sein.
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4 zeigt
das Ansprechverhalten eines Sensorelements mit hoher Empfindlichkeit
auf eine bestimmte Belichtung sowie das Ansprechverhalten eines
Sensorelements mit niedriger Empfindlichkeit auf die gleiche Belichtung.
Wenn das Ansprechen mit einem bestimmten Rauschpegel überlagert
wird, ist gut zu erkennen, dass das Sensorelement mit hoher Empfindlichkeit
ein gültiges
Signal bei niedrigeren Belichtungen erzeugt (beginnend mit Belichtungspegel
E) als das Sensorelement mit niedriger Empfindlichkeit (das ein
gültiges
Signal beginnend mit 100/XE erzeugt). Alternativ hierzu sind Daten
von einem Sensorelement mit niedriger Empfindlichkeit für höhere Belichtungspegel
gültig
(bis zum Signalpegel von 100/XE2S, wobei
S der inhärente
Dynamikbereich eines einzelnen Sensorelements ist, und wobei S typischerweise
ca. 5 Blenden sein kann) als Sensorelemente mit hoher Empfindlichkeit
(das ein gültiges Ansprechen
bis zu einer Belichtung von 100/XE2S erzeugt).
Sowohl das Sensorelement mit hoher Empfindlichkeit als auch das
Sensorelement mit niedriger Empfindlichkeit hat den gleichen Ansprechumfang
in Belichtungsblenden (S), aber das Ansprechen der Sensorelemente
mit niedriger Empfindlichkeit ist vorzugsweise um –log2(X/100) Blenden niedriger als das der Sensorelemente
mit hoher Empfindlichkeit, wie in 4 gezeigt.
Vorzugsweise überlagert
sich das Ansprechen der Sensorelemente mit hoher und niedriger Empfindlichkeit
in Bezug auf die Belichtung. Vorzugsweise ist also – log2(X/100) < S.
Der gesamte Dynamikbereich des Bildwandlers 10 unter Berücksichtigung
von Sensorelementen mit hoher und niedriger Empfindlichkeit ist
S-log2 (X/100). Im Falle des bevorzugten
Ausführungsbeispiels,
wo S = 5 und X = 25, beträgt
der gesamte effektive Dynamikbereich des Bildwandlers 10 7
Belichtungsblenden.
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Ein
voll aufgelöstes
Digitalbild mit erweitertem Dynamikumfang wird durch Ausgleichen
der Pixelwerte in den Bildern mit hoher und niedriger Empfindlichkeit
auf Unterschiede im Ansprechen auf die gleiche Lichtbelichtung erzeugt,
wobei eine notwendige Farbinterpolation durchgeführt wird.
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Die
Ausgabe des voll aufgelösten,
spärlich
abgetasteten Digitalbilds mit erweitertem Dynamikumfang aus dem
A/D-Wandler wird erfindungsgemäß komprimiert,
um die Speicheranforderungen zu reduzieren oder die Handhabbarkeit
des Bildes zu verbessern. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
wird das Bildsignal aus dem A/D-Wandler 14 in den Komprimierer 312 eingegeben.
Die Ausgabe des Komprimierers 312 ist ein komprimiertes
Digitalbild, das im Computerspeicher gespeichert werden kann, beispielsweise
auf einer Computerfestplatte, einer Diskette, einer CD-ROM oder
im Computer-RAM. Ein komprimiertes Digitalbild reduziert zudem die Übertragungszeiten,
wenn das Digitalbild von einem Ort zu einem anderen über ein
Kommunikationsnetz übertragen
wird. Beispielsweise kann das komprimierte Digitalbild über ein
Kommunikationsnetz an einen entfernten Ort übertragen werden, wo das komprimierte
Digitalbild in den Dekomprimierer 314 eingegeben wird,
um das rekonstruierte Digitalbild zu erzeugen. Die komprimierte
Bildausgabe aus dem Komprimierer 312 kann an einen Hostcomputer
oder an einen entfernten Computer per E-Mail oder über das
Internet zur Dekomprimierung übertragen
werden. Das dekomprimierte Digitalbild kann weiter verarbeitet werden,
um den Dynamikumfang des rekonstruierten Digitalbildes zu erweitern,
wodurch ein Bild mit hoher Auflösung
und erweitertem Dynamikumfang entsteht. Durch Komprimieren der Ausgabe
des spärlich
abgetasteten Bildes mit erweitertem Dynamikumfang aus dem A/D-Wandler 14 kann
der berechnungsintensive, komplexe Prozess zur Erweiterung des Dynamikbereichs
des rekonstruierten Digitalbildes auf einen besser geeigneten Zeitpunkt
verlegt werden (z.B. auf einem Tischcomputer statt in einer Kamera).
Zum Zwecke der Dateigrößenreduzierung kann
der Komprimierer 312 entweder eine verlustreiche oder eine
verlustfreie Komprimierung durchführen. Die Ausgabe des Komprimierers 312 kann
ein Dateiformat sein, wie beispielsweise JPEG, das für die meisten
Verbraucher geeignet ist.
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Im
Falle der vorliegenden Erfindung fallen die Sensorelemente in zwei
Kategorien, nämlich
in Elemente mit hoher oder niedriger Empfindlichkeit, wie in 6A gezeigt.
Im Falle des in 6B gezeigten Farbbildsensors 10 kann
das Sensorelement in jeder Kategorie rot, grün oder blau sein. (Fachleuten
wird klar sein, dass viele weitere Kombinationen möglich sind.)
Insgesamt gibt es sechs Arten von Sensorelementen. Da jede Art Sensorelement
eine hohe Korrelation mit benachbarten Sensorelementen des gleichen
Typs aufweist, wird die Ausgabe jedes Sensorelementtyps separat
von dem Komprimierer 312 erfindungsgemäß komprimiert. Der Komprimierer 312 wird
nachfolgend detaillierter beschrieben.
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Der
Komprimierer 312 kann in einer von mehreren Betriebsarten
arbeiten. In einer Betriebsart arbeitet der Bildsensor 10 als
monochromatischer Sensor, wie in 6A gezeigt.
Ein größerer Bereich
des Bildsensors 10 wird in 7a gezeigt,
wo die mit dem Symbol * versehenen Positionen Sensorelemente mit
niedriger Ansprechempfindlichkeit bezeichnen, wie zuvor beschrieben.
Die verschiedenen Komprimierungsbetriebsarten der monochromatischen
Sensorausgabe werden nachfolgend beschrieben.
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Eine
mögliche
Betriebsart für
den Komprimierer 312 besteht in der Komprimierung der Pixel
mit hoher Empfindlichkeit unabhängig
von der Komprimierung der Pixel mit niedriger Empfindlichkeit. Wie
in 9 gezeigt, wird die Komprimierung der Pixel mit
hoher Empfindlichkeit unabhängig
von den Pixeln mit niedriger Empfindlichkeit seitens des Pixel typseparators 316 veranlasst.
Der Pixeltypseparator 316 hat den Zweck, den Zugriff auf
jeden Pixeltyp separat zu ermöglichen.
In diesem Ausführungsbeispiel
gibt der Pixeltypseparator 316 alle Pixelwerte mit hoher
Empfindlichkeit und alle Pixelwerte mit niedriger Empfindlichkeit
separat aus. Die einem bestimmten Typ von Sensorelementen zugeordneten
Pixel, wie vom Pixeltypseparator 316 ausgegeben, werden
dann in den Pixeltypkomprimierer 322 eingegeben. Der Vorteil
dieses Verfahrens liegt darin, dass die benachbarten Pixelwerte,
die aus dem gleichen Sensorelementtyp stammen, wahrscheinlich ähnlich sind und
die Leistung des Komprimierers 312 erhöhen. In dieser Betriebsart
würde der
Komprimierer 312 ein komprimiertes Bild ausgeben, das aus
Pixeln mit hoher Empfindlichkeit besteht und ein komprimiertes Bild,
das aus Pixeln mit niedriger Empfindlichkeit besteht. Wenn einige
Pixelwerte mit hoher Empfindlichkeit gesättigt oder einige Pixelwerte
mit niedriger Empfindlichkeit fast abgeschnitten sind (schwaches
Signal), dann können diese
Bereiche ggf. mit einem höheren
Fehler komprimiert werden, weil der nachfolgende Verarbeitungsschritt zur
Erweiterung des Dynamikumfangs des dekomprimierten Bildes die weitgehend
abgeschnittenen Pixel ohnehin ignoriert. Somit lässt sich ein hohes Maß an Komprimierung
erzielen. Diese beiden komprimierten Digitalbilder können gemeinsam
zu einer einzigen Datei gebündelt
werden oder separate Dateien bleiben. Dieser Ansatz hat den zusätzlichen
Vorteil, dass die Komprimierungseinstellungen für jeden Sensorelementtyp unterschiedlich
sein können.
Da die Pixel mit niedriger Empfindlichkeit wahrscheinlich während der
nachfolgenden Verarbeitung verstärkt
werden, kann es wünschenswert
sein, sie im Vergleich mit den Pixeln mit hoher Empfindlichkeit
mit weniger Verzerrung zu komprimieren.
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Als
ein alternatives Ausführungsbeispiel,
wie in 10 gezeigt, können die
aus dem Pixeltypseparator 316 ausgegebenen Pixelwerte mit
niedriger Empfndlichkeit von dem Pixeltypkomprimierer 322 komprimiert werden.
Die Pixelwerte mit hoher Empfindlichkeit können dann komprimiert werden,
indem zunächst
die Pixelwere mit hoher Empfindlichkeit von den Pixelwerten mit
niedriger Empfndlichkeit prädiziert
und die Differenz zwischen der Prädiktion und dem Istwert komprimiert
wird. Bei diesem Ansatz werden vor Komprimieren der Pixelwerte mit
hoher Empfindlichkeit die Pixelwerte mit niedriger Empfindlichkeit
benutzt, um den Wert der Pixel mit hoher Empfindlichkeit zu prädizieren.
Ein typischer Prädiktor 320 für einen
Pixelwert mit hoher Empfindlichkeit an Position P(x,y) verwendet
ein oder mehrere der vier umgebenden Pixelwerte mit niedriger Empfindlichkeit
P(x + 1,y + 1), P(x – 1,y
+ 1), P(x + 1,y – 1)
und P(x – 1,y – 1), indem
diese zunächst
einer nichtlinearen Verstärkung
unterzogen werden, worauf eine lineare Kombination der resultierenden
Werte durchgeführt
wird. Als nächstes
wird die Ausgabe des Prädiktors 320 von
den Istwerten der Ausgabe der Pixel mit hoher Empfindlichkeit aus
dem Pixeltypseparator 316 subtrahiert, um ein Differenzbild
zu bilden, das anschließend
mit einem weiteren Pixeltypkomprimierer 322 komprimiert
wird. Hier ist es ebenfalls möglich,
die Werte der Pixel mit niedriger Empfindlichkeit anhand einer unterschiedlichen
Komprimierungseinstellung zu komprimieren (z.B. eine, die zu einer
geringeren Komprimierung und zu einer höheren Bildqualität führt) als
das Differenzbild.
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Eine
zuvor beschriebene Einschränkung
besteht darin, dass am Dekomprimierer 314 nicht die Istwerte der
Pixel mit niedriger Empfindlichkeit, sondern ihre rekonstruierten
Werte nach Dekomprimierung verfügbar sind.
Bei Rekonstruktion der Pixel mit hoher Empfindlichkeit wird das
dekomprimierte Differenzbild zur Prädiktion auf der Grundlage der
rekonstruierten Pixelwerte mit niedriger Empfindlichkeit addiert,
anstatt der ursprünglichen
Werte, die an dem Pixeltypkomprimierer 322 verwendet wurden.
Im Ergebnis ist die gesamte Komprimierungsverzerrung in den rekonstruierten
Pixeln mit hoher Empfindlichkeit auf die Komprimierungsverzerrung
der rekonstruierten Pixel mit niedriger Empfindlichkeit plus der
Komprimierungsverzerrung in dem dekomprimierten Differenzbild zurückzuführen.
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Diese
Einschränkung
wird mit dem in 11 gezeigten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung überwunden.
Wie zuvor, werden die Pixelwerte mit niedriger Empfindlichkeit,
die aus dem Pixeltypkomprimierer 322 ausgegeben werden,
mit einer bevorzugten Einstellung der Komprimierungsparameter komprimiert,
und das komprimierte Bild wird im Bildspeicher gespeichert. Als
nächstes
werden vor Komprimierung der Pixelwerte mit hoher Empfindlichkeit
zunächst
die Pixelwerte mit niedriger Empfindlichkeit in einem 324 Pixeltypdekomprimierer 324 dekomprimiert,
und die dekomprimierten Werte werden benutzt, um die Werte der Pixel
mit hoher Empfindlichkeit mit dem Prädiktor 320 zu dekomprimieren,
wie zuvor beschrieben. Es sei darauf hingewiesen, dass die Aufgabe
des Pixeltypdekomprimierers 324 darin besteht, die komprimierten
Werte eines bestimmten Pixeltyps zu rekonstruieren. Außerdem basieren
die genauen Operationen des Pixeltypdekomprimierers 324 auf
der Umkehrung der Operationen des Pixeltypkomprimierers 322.
Einschlägigen
Fachleuten wird die Beziehung zwischen einem Komprimierer und einem
Dekomprimierer klar sein. Als nächstes wird
die Prädiktionsausgabe
aus dem Prädiktor 320 von
den Istwerten der Pixel mit hoher Empfindlichkeit subtrahiert, um
ein Restbild zu erzeugen, das von einem weiteren Pixeltypkomprimierer 322 komprimiert
wird, möglicherweise
mit einer anderen Komprimierungseinstellung als für die Pixel
mit niedriger Empfindlichkeit.
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Dieser
Ansatz ist insbesondere bei Verwendung einer Kompressionshardware
in der Kamera attraktiv. Da die meisten Komprimierungs- und Dekomprimierungstechniken
(z.B. der JPEG-Komprimierungsstandard) ein
hohes Maß an Übereinstimmung
haben, kann dieselbe Hardware, die zur Komprimierung dient, auch
für die
Dekomprimierung verwendet werden, wodurch eine zusätzliche
Schaltung wegfallen kann, während
sich die Komprimierungsleistung verbessert.
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Wie
in 7A gezeigt, bildet jeder Satz der Pixel mit hoher
Empfindlichkeit oder der Pixel mit niedriger Empfindlichkeit ein
Quincunxmuster. Dieses Muster kann für verschiedene Komprimierungsalgorithmen Schwierigkeiten
verursachen, wenn die Pixelwerte mit hoher Empfindlichkeit separat
von den Pixelwerten mit niedriger Empfindlichkeit komprimiert werden,
wie zuvor beschrieben. Beispielsweise beruht die JPEG-Komprimierung,
die in der Technik gängig
ist, auf der Bildung von 8 × 8
Pixel großen
Blöcken.
Um die JPEG-Komprimierung auf Quincunxdaten anzuwenden, muss jede
Reihe (oder Spalte) nach link (oder nach oben) verschoben werden.
Dies kann vertikale (oder horizontale) Restfrequenzen verursachen
und die Kompressionseffizienz erheblich beeinträchtigen. 7B und 7C zeigen
ein bevorzugtes Verfahren zur Komprimierung von Pixelwerten, die
in einem Quincunxmuster angeordnet sind, mit Algorithmen, wie beispielsweise
JPEG. Zunächst
werden die Pixelwerte mit niedriger Empfindlichkeit an geraden Positionen
(Positionen, bei denen die Indizes x und y gerade sind), die ein
rechteckiges Muster auf dem Array bilden, durch JPEG-Komprimierung
komprimiert. Diese Trennung von den Pixelwerten mit niedriger Empfindlichkeit
an geraden Positionen von den Pixelwerten mit niedriger Empfindlichkeit
an ungeraden Positionen wird erreicht, indem die Pixelwerte mit
niedriger Empfindlichkeit an geraden Positionen einem Sensorelementtyp
zugeordnet werden und die Pixelwerte mit niedriger Empfindlichkeit
an ungeraden Positionen einem zweiten Sensorelementtyp. Der Pixeltypseparator 316 adressiert
die Pixelwerte mit niedriger Empfindlichkeit an geraden Positionen
dann getrennt von den Pixelwerten mit niedriger Empfindlichkeit
an ungeraden Positionen. Der erste JPEG-Block aus 8 × 8 Pixeln
umschließt
effektiv einen Block von 16 × 16
Pixeln des voll aufgelösten,
spärlich
abgetasteten Bildes mit erweitertem Dynamikumfang, wie vom A/D-Wandler 14 ausgegeben.
Die Pixelwerte mit niedriger Empfindlichkeit an ungeraden Positionen
(Positionen, für
die x und y ungerade sind), wie in 7C gezeigt,
können vom
Komprimierer 312 ebenfalls mit JPEG-Komprimierung komprimiert
werden. Einschlägigen
Fachleuten wird klar sein, dass ein ähnlicher Prozess für Pixelwerte
mit hoher Empfindlichkeit durchgeführt werden kann. Die Ausgabe
des Komprimierers 312 für
jeden Satz von Pixelwerten mit niedriger und hoher Empfindlichkeit besteht
somit aus zwei komprimierten Dateien.
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Der
Ansatz, Pixelwerte mit niedriger (oder hoher) Empfindlichkeit an
den geraden und ungeraden Positionen separat zu komprimieren, hat
den Vorteil, dass Raumrestfrequenzen entfernt werden, die aus der
Umordnung der Quincunxmuster entstehen können.
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Ein
Nachteil dieses Ansatzes besteht jedoch darin, dass die räumliche
Korrelation zwischen den Abtastungen an gerader und ungerader Position
nicht genutzt wird. In einem weiteren Ausführungsbeispiel, wie mit Bezug
auf 10 beschrieben, werden die Pixelwerte mit niedriger
Empfindlichkeit an geraden Positionen mit einem Pixeltypkomprimierer 322 komprimiert,
und die Pixelwerte mit niedriger Empfindlichkeit an ungeraden Positionen
werden zunächst
mit einem Prädiktor 320 prädiziert,
der die Pixelwerte mit niedriger Empfindlichkeit an geraden Positionen
eingibt, und das resultierende Differenzbild wird mit dem Pixeltypkomprimierer 322 komprimiert.
Da die für
die Prädiktion
verwendeten Pixel und die prädizierten
Pixel dem gleichen Typ angehören,
kann der Prädiktor 320 einfache
lineare Prädiktoren
verwenden. Einige einfache Beispiele für lineare Prädiktoren
für ein
Pixel an Position P(x,y) umfasst die Pixel in der Position eine
Reihe nach oben und nach links (P(x – 1,y – 1)); der Mittelwert der Pixel
eine Reihe nach oben und nach links und rechts (P(x – 1,y – 1) + P(x–1,y + 1))/2;
der Mittelwert der Pixel eine Reihe nach oben und eine Reihe unten
nach links (P(x – 1,y – 1) + P(x
+ 1,y – 1))/2;
oder der Mittelwert der vier umgebenden Pixel (P(x – 1,y 1)
+ P(x + 1,y –1)
+ P(x + 1,y + 1) + P(x – 1,y
+ 1))/4.
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Eine ähnliche
Operation kann zur Komprimierung der Pixelwerte mit hoher Empfindlichkeit
durchgeführt
werden. Einschlägigen
Fachleuten wird klar sein, dass Abweichungen von der Beschreibung,
wie das Komprimieren der Pixelwerte mit hoher Empfindlichkeit und
die Ver wendung der Pixelwerte mit hoher Empfindlichkeit zum Prädizieren
der Pixelwerte mit niedriger Empfindlichkeit und zum Erzeugen eines
Differenzbildes, das komprimiert wird, im Zusammenhang mit der vorstehenden
Beschreibung klar sind und dass diese keine Abweichung vom Umfang
und Gegenstand der vorliegenden Erfindung darstellen.
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Die
bevorzugte Betriebsart des Komprimierers 312 für den Betrieb
mit einem monochromatischen Sensor wird nachfolgend unter Bezug
auf 11 beschrieben. Die Pixelwerte mit niedriger Empfindlichkeit werden
mit dem Pixeltypkomprimierer 322 über Standardkomprimierungstechniken
komprimiert, wie beispielsweise JPEG. Die dekomprimierten (rekonstruierten)
geraden Pixelwerte mit niedriger Empfindlichkeit werden durch Anlegen
eines Dekomprimierungsalgorithmus mit einem Pixeltypdekomprimierer 324 berechnet.
Die dekomprimierten (rekonstruierten) geraden Pixelwerte mit niedriger
Empfindlichkeit können
verwendet werden, um die Pixelwerte mit niedriger Empfindlichkeit
an ungeraden Positionen mithilfe des Prädiktors 320 zu prädizieren.
Der Rest zwischen den ungeraden Pixelwerten mit niedriger Empfindlichkeit
wird dann anhand von Standardkomprimierungstechniken, wie JPEG,
komprimiert. Eine ähnliche
Operation kann für
die Pixelwerte mit hoher Empfindlichkeit durchgeführt werden.
Die Einstellung der Komprimierungsparameter für die geraden Pixelwerte mit
niedriger Empfindlichkeit, das ungerade Differenzbild mit niedriger
Empfindlichkeit, die geraden Pixel mit hoher Empfindlichkeit und
das ungerade Differenzbild mit hoher Empfindlichkeit können unterschiedlich
gewählt
werden, um je nach Folgeverarbeitung die beste Bildqualität zu erzielen.
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In
einer Betriebsart arbeitet der Bildsensor 10 als Farbsensor,
wie in 6B gezeigt. Ein größerer Bereich
des Bildsensors 10 wird in 8A gezeigt,
wo die mit dem Symbol * versehenen Positionen Sensorelemente mit
niedriger Ansprechempfindlichkeit bezeichnen, und r, g und b bezeichnen
eine Empfindlichkeit gegenüber
rotem, grünem
und blauem Licht, wie zuvor beschrieben.
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Eine
Betriebsart für
den Komprimierer 312 im Betrieb als Farbbildsensor, wie
in 8A gezeigt, wird nachfolgend beschrieben. Für jedes
Sensorelement mit hoher und niedriger Empfindlichkeit gibt es rot-,
grün- und
blauempfindliche Sensorelemente, und zwar in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
für insgesamt sechs
Typen von Sensorelementen. Der Pixelwert eines roten Sensorelements,
das auch ein Sensorelement mit hoher Empfindlichkeit ist, wird hier
als roter Pixelwert mit hoher Empfindlichkeit bezeichnet. Für die übrigen Farben
und für
die Werte der Sensorelemente mit hoher Empfindlichkeit gilt eine ähnliche
Namensvergabe. Einschlägigen
Fachleuten wird klar sein, dass für die Anordnung der Filter
auf einem Farb-Array alternative Konstruktionen verwendbar sind.
Das Farbfilter-Array kann zudem aus Farben bestehen, die weder rot,
noch grün
oder blau sind. Beispielsweise können
die Farben grün,
gelb, blaugrün
und purpurrot sein. Einschlägigen Fachleuten
wird klar sein, dass die hier beschriebenen Grundsätze zur
Komprimierung eines Bildes eines Sensors mit Sensorelementen mit
hoher und niedriger Empfindlichkeit auf einem Farbbildsensor, wie
zuvor beschrieben, für
jede Auswahl, Anzahl und Anordnung von Farben unter Verwendung in
der Technik bekannter Verfahren gelten.
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Eine
Betriebsart des Komprimierers 312 besteht in der Komprimierung
der Pixelwerte, die sich auf jeden Sensorelementtyp einzeln beziehen,
wofür die
Grundidee in 9 veranschaulicht wird. Der
Pixeltypseparator 316 gibt jede der sechs Typen von Pixelwerten
getrennt aus. Die einem bestimmten Typ von Sensorelementen zugeordneten
Pixel, wie vom Pixeltypseparator 316 ausgegeben, werden
dann in den Pixeltypkomprimierer 322 eingegeben. In dieser
Betriebsart würde
der Komprimierer 312 ein komprimiertes Bild ausgeben, das
aus Pixelwerten mit hoher Empfindlichkeit besteht und ein komprimiertes
Bild, das aus Pixelwerten mit niedriger Empfindlichkeit besteht,
und zwar für
jede der drei Farben der Sensorelemente, also rot, grün und blau,
und für
insgesamt sechs komprimierte Digitalbilder. Diese komprimierten
Digitalbilder können
gemeinsam in einer einzigen Datei gebündelt werden oder separate
Dateien bleiben, um ein komprimiertes Digitalbild auszubilden. Der
Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, dass die benachbarten Pixelwerte,
die aus dem gleichen Sensorelementtyp stammen, wahrscheinlich ähnlich sind
und die Leistung des Komprimierers 312 erhöhen. In dieser
Betriebsart würde
der Komprimierer 312 sechs komprimierte Bilder ausgeben.
Diese Bilder können
in einer einzigen Datei oder in mehreren Dateien gespeichert werden.
Die Komprimierungsparameter können
für jeden
Pixeltyp unterschiedlich eingestellt werden, um die erforderliche
Genauigkeit für
die nachfolgende Verarbeitung zu berücksichtigen, und sie können für jede Farbe
unterschiedlich eingestellt werden, um die Spektralempfindlichkeit
des menschlichen Auges zu nutzen.
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Als
ein alternatives Ausführungsbeispiel
gibt der Pixeltypseparator 316 für jede Farbe jeden der beiden Typen
von Pixelwerten getrennt aus. Die einem bestimmten Typ von Sensorelementen
zugeordneten Pixel, wie vom Pixeltypseparator 316 ausgegeben,
werden dann in den Pixeltypkomprimierer 322 eingegeben.
Die einem ersten Sensorelementtyp zugeordneten Pixelwerte (beispielsweise
Pixelwerte mit niedriger Empfindlichkeit) für diese Farbe können mit
dem Pixeltypkomprimierer 322 komprimiert werden, wie in 10 gezeigt. Die
dem verbleibenden Sensorelementtyp zugeordneten Pixelwerte (beispielsweise
Pixelwere mit hoher Empfindlichkeit) können dann komprimiert werden,
indem die Pixelwerte prädiziert
werden, die dem verbleibenden Sensorelementtyp (Pixelwerte mit hoher
Empfindlichkeit) aus dem ersten Sensorelementtyp (Pixelwerte mit niedriger
Empfindlichkeit) zugeordnet sind, und zwar mithilfe eines Prädiktors 320,
um ein Differenzbild zwischen den Istpixelwerten des verbleibenden
Sensorelementtyps (Pixelwerte mit hoher Empfindlichkeit) und den
Ausgaben des Prädiktors 320 zu
erzeugen, um dann das Differenzbild mit dem Pixeltypkomprimierer 322 zu
komprimieren. Wie zuvor umfasst die Prädiktion die Anwendung einer
mathematischen Formel auf die Pixelwerte, die benachbart zu dem
zu prädizierenden
Pixel (auf der Bebilderungsvorrichtung 10) angeordnet sind.
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In
einem in 11 dargestellten weiteren Ausführungsbeispiel
kann das Differenzbild ermittelt werden, indem die Pixelwerte, die
einem ersten Sensorelementtyp zugeordnet sind, mit einem Pixeltypkomprimierer 322 komprimiert
werden, und indem sie mit einem Pixeltypdekomprimierer 324 dekomprimiert
werden, um dekomprimierte Pixelwerte zu erhalten, und um diese dekomprimierten
Pixelwerte zum Prädizieren
der verbleibenden Pixelwerttypen mithilfe des Prädiktors 320 zu verwenden.
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Bestimmte
Komprimierungsalgorithmen, wie die JPEG-Komprimierung, arbeiten
am besten, wenn die Daten in einem regelmäßigen rechteckigen Gitter und
nicht in einem Quincunxgitter angeordnet sind. Wie in 8B zu
sehen ist, bilden die grünen
Pixel ein rechteckiges Gitter, das für die JPEG-Komprimierung ideal
ist. 8C zeigt, dass die grünen Pixel mit hoher Empfindlichkeit
auch ein rechteckiges Gitter bilden, das für die JPEG-Komprimierung ideal
ist. 8D zeigt, dass die roten Pixel mit niedriger Empfindlichkeit
ein Quincunxmuster bilden. Dieses Muster kann für verschiedene Komprimierungsalgorithmen
Schwierigkeiten verursachen, wenn die Pixelwerte mit hoher Empfindlichkeit
separat von den Pixelwerten mit niedriger Empfindlichkeit komprimiert
werden, wie zuvor beschrieben. Beispielsweise beruht die JPEG-Komprimierung,
die in der Technik gängig
ist, auf 8 × 8
Pixel großen
Blöcken.
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Eine
mögliche
Lösung
des beschriebenen Problems besteht darin, jede zweite Reihe (Spalte)
der roten Pixelwerte mit niedriger Empfindlichkeit nach links (oben)
um zwei Pixel zu verschieben. Hierdurch werden die roten Pixelwerte
mit niedriger Empfindlichkeit auf einem rechteckigen Gitter angeordnet,
das für
die JPEG-Komprimierung geeignet ist. Obwohl dieser Ansatz einfach
ist, kann er Raumrestfrequenzen erzeugen, die die Kompressionsleistung
beeinträchtigen.
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Eine
bevorzugte Anordnung, die dieses Problem aufgreift, wird in 8E und 8F dargestellt.
Das Verfahren wird mit Bezug auf 9 beschrieben.
Die roten Pixelwerte mit niedriger Empfindlichkeit an ersten Positionen
(Positionen der roten Sensorelemente, wobei x um 2 größer ist
als ein ganzzahliges Vielfaches von 4, und y ist um 1 größer als
ein ganzzahliges Vielfaches von 4, wie in 8E gezeigt)
bilden ein rechtwinkliges Muster auf der Anordnung und stellen einen
zusätzlichen
Pixeltyp dar, den der Pixeltypseparator 316 separat von
den anderen Pixeltypen ausgibt. Die roten Pixelwerte mit niedriger
Empfindlichkeit an ersten Positionen werden mit einer blockgestützten Komprimierungsroutine,
beispielsweise JPEG, in dem Pixeltypkomprimierer 322 komprimiert.
Der erste JPEG-Block aus den ersten 8 × 8 Pixeln umschließt einen
Block von 32 × 32
Pixeln des voll aufgelösten,
spärlich
abgetasteten Bildes mit erweitertem Dynamikumfang, wie vom A/D-Wandler 14 ausgegeben.
Die roten Pixelwerte mit niedriger Empfindlichkeit an zweiten Positionen
(Positionen, für
die x ein ganzzahliges Vielfaches von 4 und y um 3 größer als
ein ganzzahliges Vielfaches von 4 ist, wie in 8F gezeigt)
stellen ebenfalls einen zusätzlichen
Pixeltyp dar, den der Pixeltypseparator 316 separat von
den anderen Pixeltypen ausgibt. Diese roten Pixelwerte an den zweiten
Positionen werden mit einer blockgestützten Komprimierungsroutine,
beispielsweise JPEG, mit dem Pixeltypkomprimierer 322 komprimiert.
Einschlägigen Fachleuten
wird klar sein, dass ein ähnlicher
Prozess für
Pixelwerte für
die blauen Pixelwerte mit niedriger Empfindlichkeit, für die roten
Pixelwerte mit hoher Empfindlichkeit und für die roten Pixelwerte mit
niedriger Empfindlichkeit durchgeführt werden kann. Der Komprimierer 312 gibt
zehn komprimierte Unterbilder aus: ein Unterbild aus den grünen Pixeln
mit niedriger Empfindlichkeit, eines aus den grünen Pixeln mit hoher Empfindlichkeit,
zwei aus roten Pixeln mit niedriger Empfind lichkeit, zwei aus roten
Pixeln mit hoher Empfindlichkeit, zwei aus blauen Pixeln mit hoher
Empfindlichkeit und zwei aus blauen Pixeln mit niedriger Empfindlichkeit.
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Ein
bevorzugtes Verfahren zum Betrieb des Komprimierers 312,
das mit einem Farbsensor arbeitet, basiert auf der Komprimierung
der Farbdifferenzwerte, um die beste Rekonstruktion der Bildqualität zu erzielen,
wie in 12 gezeigt und nachstehend beschrieben.
Zunächst
werden die aus dem Pixeltypseparator 316 ausgegebenen grünen Pixelwerte
mit niedriger Empfindlichkeit mithilfe einer vorbestimmten Komprimierungseinstellung
mit dem Pixeltypkomprimierer 322 komprimiert (z.B. eine,
die durch die in der Folgeverarbeitung benötigte Pixelgenauigkeit bestimmt
ist). Dann werden die von dem Pixeltypseparator 316 ausgegebenen
grünen
Pixelwerte mit hoher Empfindlichkeit mit derselben oder einer anderen
Komprimierungseinstellung mithilfe des Pixeltypkomprimierers 322 komprimiert
(z.B. mit einem höheren
Komprimierungsgrad, um eine kleinere Dateigröße zu erzielen). Dann wird
für jede
Ausgabe von roten Pixelwerten mit niedriger Empfindlichkeit aus dem
Pixeltypseparator 316 der zugehörige grüne Pixelwert mit niedriger
Empfindlichkeit mithilfe des Pixeltypinterpolators 326 interpoliert,
und zwar unter Verwendung der benachbarten grünen Pixelwerte mit niedriger Empfindlichkeit.
Es sei darauf hingewiesen, dass der Pixeltypinterpolator 326 die
ursprünglichen
Pixelwerte eines bestimmten Pixeltyps als Ausgabe von dem Pixeltypseparator 316 eingeben
kann, oder der Pixeltypinterpolator 326 kann zur Erzielung
einer höheren
Genauigkeit dekomprimierte Pixeltypwerte eingeben, die durch Dekomprimierung
des komprimierten Pixeltyps mit einem Pixeltypdekomprimierer 324 erzeugt
wurden. Als nächstes
wird das Differenzbild zwischen den roten Pixelwerten mit niedriger
Empfindlichkeit und den interpolierten grünen Pixelwerten mit niedriger
Empfindlichkeit gebildet, und das resultierende Differenzbild wird
mit einem Pixeltypkomprimierer 322 komprimiert. An jeder
roten Pixelposition mit hoher Empfindlichkeit wird der Wert des
zugehörigen
grünen
Pixels mit hoher Empfindlichkeit mit dem Pixeltypinterpolator 326 unter
Verwendung der benachbarten grünen
Pixelwerte mit hoher Empfindlichkeit interpoliert, und das Differenzbild
zwischen den roten Pixelwerten mit hoher Empfindlichkeit und den
interpolierten grünen
Pixelwerten mit hoher Empfindlichkeit wird mit dem Pixeltypkomprimierer 322 gebildet
und komprimiert. Abschließend
wird dasselbe Verfahren für
die blauen Pixelwerte mit niedriger und hoher Empfindlichkeit wiederholt,
wobei die grünen
Pixelwerte mit niedriger und hoher Empfindlichkeit mithilfe der
zugehörigen
benachbarten grünen
Pixelwerte mit niedriger oder hoher Empfindlichkeit interpoliert
und von den entsprechenden blauen Pixelwerten mit niedriger oder
hoher Empfindlichkeit subtrahiert werden, worauf die Differenzbilder
komprimiert werden.
-
An
diesem Punkt ist das Farbbild in sechs Unterbilder zerlegt worden,
die komprimiert wurden und sechs komprimierte Digitalbilder bilden.
Auf der Grundlage des in 8A gezeigten
CFA-Musters sind diese sechs Unterbilder: ein grünes Unterbild mit niedriger
Empfindlichkeit, das aus 1/4 der Pixel in dem Bild besteht, ein
grünes
Unterbild mit hoher Empfindlichkeit, das aus 1/4 der Pixel in dem
Bild besteht; ein rotes Unterbild mit niedriger Empfindlichkeit,
bei dem jedes Pixel die Differenz zwischen einem roten Wert mit
niedriger Empfindlichkeit und dem zugehörigen interpolierten grünen Wert
mit niedriger Empfindlichkeit ist, basierend auf den benachbarten
grünen
Werten mit niedriger Empfindlichkeit, die aus 1/8 der Pixel in dem
Bild bestehen; einem roten Differenzunterbild mit hoher Empfindlichkeit,
wobei jeder Pixelwert die Differenz zwischen einem roten Pixelwert
mit hoher Empfindlichkeit und dem zugehörigen grünen Pixelwert mit hoher Empfindlichkeit
ist, basierend auf den benachbarten grünen Pixelwerten mit hoher Empfindlichkeit,
und das aus 1/8 der Pixel in dem Bild besteht; einem blauen Differenzunterbild
mit niedriger Empfindlichkeit, wobei jedes Pixel die Differenz zwischen
einem blauen Wert mit niedriger Empfindlichkeit und dem zugehörigen interpolierten
grünen
Wert mit niedriger Empfindlichkeit auf Basis der benachbarten grünen Werte
mit niedriger Empfindlichkeit ist, und das aus 1/8 der Pixel in
dem Bild besteht; und schließlich
einem blauen Differenzunterbild mit hoher Empfindlichkeit, wobei
jedes Pixel die Differenz zwischen einem blauen Wert mit hoher Empfindlichkeit
und dem zugehörigen
interpolierten grünen
Wert mit hoher Empfindlichkeit auf Basis der benachbarten grünen Werte
mit hoher Empfindlichkeit ist und das aus 1/8 der Pixel in dem Bild
besteht.
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Das
Verfahren zur Komprimierung von Differenzen zwischen interpolierten
grünen
Pixelwerten und den roten oder blauen Pixelwerten ist vorteilhaft,
weil antizipiert wird, dass ein roter, grüner und blauer Pixelwert schließlich an
jeder Pixelposition benötigt
wird. Die Pixeldifferenzwerte in dem Differenzbild können direkt in
der Berechnung dieser zusätzlichen
Pixelwerte verwendet werden, wie beispielsweise in der Parallelanmeldung
US-A-4,642,678, am 10. Februar 1987 an Cok. erteilt, beschrieben.
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Einschlägige Fachleute
werden erkennen, dass Abwandlungen des Grundthemas auf der Grundlage der
vorliegenden Beschreibung möglich
sind. Beispielsweise können
nach Komprimieren des ersten Unterbildes, das aus grünen Pixelwerten
mit niedriger Empfindlichkeit besteht, entweder der Istwert der
grünen
Pixelwerte mit niedriger Empfindlichkeit oder die dekomprimierten
(rekonstruierten) grünen
Pixelwerte mit niedriger Empfindlichkeit verwendet werden, um die
grünen
Pixelwerte mit hoher Empfindlichkeit zu prädizieren. Demnach werden nicht
die grünen
Pixelwerte mit hoher Empfindlichkeit komprimiert, sondern ein Differenzbild,
das die Differenz zwischen den grünen Pixelwerten mit hoher Empfindlichkeit
ist, sowie deren prädizierte
Werte. Auf ähnliche
Weise können
die interpolierten grünen
Pixelwerte mit niedriger und hoher Empfindlichkeit, die zur Erstellung
der Unterbilder 3–6
dienen, auf den dekomprimierten (rekonstruierten) grünen Pixelwerten
mit niedriger oder hoher Empfindlichkeit basieren anstatt auf den
Istwerten. Die roten Differenzunterbilder mit niedriger und hoher
Empfindlichkeit (Unterbilder 3 und 4) können schließlich als einzelne Datei oder
als zwei separate Dateien komprimiert werden. In ähnlicher
Weise können
die blauen Differenzunterbilder mit niedriger und hoher Empfindlichkeit
(Unterbilder 5 und 6) als einzelne Datei oder als zwei separate
Dateien komprimiert werden.