-
Technisches Gebiet der
Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft Abbildungssysteme und insbesondere
Abbildungssysteme, die die Ladekapazität eines Photodetektors am Ende
der Integrationsperiode erhöhen,
um den dynamischen Bereich des Abbildungssystems zu erweitern.
-
Beschreibung des Standes
der Technik
-
Verschiedene
Typen von Abbildern oder Bildsensoren sind heutzutage in Gebrauch,
einschließlich
ladungsgekoppelte Bildsensoren (CCD) und komplementäre Metalloxidhalbleiter-CMOS-Bildsensoren.
Diese Vorrichtungen sind typischerweise in CCD- bzw. CMOS-Abbildungssystemen
aufgenommen. Solche Systeme weisen eine Anordnung von Pixeln auf,
wobei jeder hiervon ein lichtempfindliches Sensorelement enthält, wie
z.B. ein CCD oder in CMOS-Bildsensoren, ein vergrabener n-Kanalphotodetektor
mit virtuellem Gate, eine N+ zu p-Substratphotodiode oder ein Photogatedetektor.
Solche lichtempfindliche Sensorelemente werden hier allgemein als
Photodetektoren bezeichnet.
-
In
solchen Vorrichtungen akkumuliert bzw. sammelt der Photodetektor
Ladung und somit Spannung während
der optischen Integrationsperiode in Übereinstimmung mit der Lichtintensität, die den
relevanten Erfassungsbereich des Photodetektors erreicht. Wenn sich
Ladung ansammelt, wird der Photodetektor beginnen, sich zu füllen. Die
Ladung, die in einem Photodetektor gespeichert wird, wird manchmal
als im "charge well" von CCD-Typ-Photodetektoren
gespeichert, bezeichnet. Falls der Photodetektor mit Ladung zuläuft, wird
die zusätzliche
Ladung geerdet, teilweise um das Blooming bzw. die Überstrahlung
zu verhindern. Das Blooming ist ein Phänomen, in dem Überschußladung über die
Pixelsättigung
hinaus in benachbarte Pixel überläuft, was
zu Unschärfe und
zugehörigen
Bildartefakten führt.
Falls jedoch der Photodetektor vor dem Ende der Integrationsperiode
voll wird und irgendwelche zusätzliche
Photonen den Photodetektor treffen, kann dann keine zusätzliche
Ladung akkumuliert werden. Wenn somit beispielsweise sehr helles
Licht an einen Photodetektor angelegt wird, kann dies veranlassen,
daß der Photodetektor
vor dem Ende der Integrationsperiode voll wird und somit sättigt und
Information verloren geht.
-
In
dem US-Patent 3,953,733, ausgestellt am 27. April 1976 für Levine
("Levine"), wird ein Verfahren
zum Betreiben von CCD-Abbildern gelehrt, um dieses Problem zu vermeiden.
Die Spannung, die an die Elektroden eines CCD angelegt wird, verursacht eine
stark verarmte Zone, die sich neben der Elektrode ausbildet, die "Potentialtöpfe" (potential wells) oder
Ladungswände
einer gegebenen maximalen Ladungskapazität bildet. Eine größere Elektrodenspannung
sorgt dafür,
daß sich
eine entsprechend größere Ladungskapazitätswand bildet.
Die Spannung, die die maximale Ladungskapazität eines Photodetektors steuert,
wie z.B. die CCD-Elektrodenspannung,
wird hier als die Ladungskapazitätssteuerspannung
bezeichnet, und die maximale Ladung, die in einem Photodetektor
akkumuliert werden kann, wird hier als die Ladungskapazität des Photodetektors
bezeichnet. Die Ladungskapazitätssteuerspannung
wird ebenso als die Bloomingbarrierenspannung bezeichnet, da sie
als Bloomingabfluß fungiert, um
Ladung von der Pixelphotodiode zu entfernen, um einen Ladungsüberlauf
in benachbarte Pixel während
einer optischen Überlast
zu vermeiden.
-
Typischerweise
ist die Ladungskapazitätsteuerspannung,
die angelegt wird, konstant über
der Integrationsperiode, so daß eine
gegebene Ladungskapazität
während
der Integrationsperiode für
jedes Pixel der Abbildungsanordnung existiert. In Levine wird die
Ladungskapazitätssteuerspannung
während der
Integrationsperiode variiert, so daß der optische dynamische Bereich
des CCD-Abbilders erhöht
wird. Beispielsweise lehrt Levine in einer Ausführungsform das Erhöhen der
Ladungskapazitätssteuerspannung (und
somit der Ladungskapazität)
in einer nichtlinearen Art und Weise durch Erhöhen der Ladungskapazitätssteuerspannung
in diskreten Schritten am Ende der Integrationsperiode. Levine lehrt
ebenso andere Verfahren zum Erhöhen
der Ladungskapazitätssteuerspannung
und der Ladungskapazität
am Ende der Integrationsperiode, um den dynamischen Bereich des
Abbildungssystems zu erweitern, wie z.B. die Verwendung von genügend diskreten
Mehrfachschritten, um eine sich kontinuierlich erhöhende Ladungskapazitätssteuerspannung
zu implementieren, oder das Verwenden von sich linear vergrößernden Ladungskapazitätssteuerspannungswellenform
und das Erhöhen
der Steigung oder der Steigungen solcher Wellenformen.
-
Obgleich
dieses Verfahren verwendet werden kann, um den dynamischen Bereich
eines gegebenen Abbilders zu erweitern, ist es jedoch möglich, daß der erweiterte
dynamische Bereich nicht für
gegebene Einzelbilder verwendet werden kann. Beispielsweise kann
eine gegebene Szene relativ dunkel sein, wodurch der dynamische
Bereich verschwendet wird auf Kosten eines Verlustes des Kontrastverhältnisses
und des Szeneninformationsinhaltes. Dies kann beispielsweise der
Fall sein bei Abbildungssystemen, die für Überwachungszwecke verwendet
werden.
-
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Aspekte
der Erfindung werden spezifiziert in den Ansprüchen, auf die die Aufmerksamkeit
hiermit gelenkt wird.
-
In
einer Ausführungsform
der Erfindung hat ein Abbilder eine Anordnung von Photodetektoren, wobei
jeder hiervon Ladung während
einer Integrationsperiode als ein Ergebnis von erfaßtem Licht
während
der Integrationsperiode aufsummiert, wobei die Anordnung eine Ladungskapazität hat, die
sich während
der Integrationsperiode erhöht.
Ein Ladungskapazitätskontroller,
der mit dem Abbilder verbunden ist, stellt ein, wie der Abbilder
die Ladungskapazität der
Anordnung basierend auf der Helligkeitsverteilung, die von dem Abbilder
während
zumindest einer vorherigen Integrationsperiode erfaßt wurde,
erhöht.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER
FIGUREN
-
Diese
und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung, der angefügten Ansprüche und
der begleitenden Zeichnungen, in denen:
-
1A–1C Diagramme
von Wellenformen sind, die ein Verfahren für das Erweitern des dynamischen
Bereiches eines Abbilders in Übereinstimmung
mit einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verdeutlichen,
-
2 ein
Blockdiagramm eines Videoverarbeitungssystems für das dynamische Bestimmen
der verwendeten Ladungskapazitätssteuerspannungsfunktion
ist, um den dynamischen Bereich des Systems in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung zu erweitern, und
-
3 ein
beispielhaftes Histogramm zeigt, um das Betriebsverfahren des Videoverarbeitungssystems
von 2 darzustellen.
-
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORM
-
In
den 1A–1C sind
Diagramme von Wellenformen gezeigt, die ein Verfahren für das Erweitern
des dynamischen Bereiches eines Abbilders in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellen. Jeder der 1A–1C stellt
die relative Signalladung über der
Zeit für
drei Lichtniveaus I1, I2 und I3 dar, wobei I3 das Lichtniveau mit
der höchsten
Intensität
und I2 das Lichtniveau mit der geringsten Intensität ist. Die relative
Signalladung ist die Ladung, die sich in der Ladungssammlungsregion
oder -wand der Photodiode in Antwort auf Licht einer gegebenen konstanten Intensität sammelt.
Die Zeit t ist von t = 0 bis t = 100 % der Integrationsperiode,
die typischerweise 1/30 oder 1/60 einer Sekunde ist, gezeigt. Die
relative Signalladung ist im Bereich von 0,0 bis 1,0 gezeigt, wobei
1,0 die maximale Ladungskapazität
des Photodetektors anzeigt, wobei an diesem Punkt der Fotodetektor
sättigt.
-
1A stellt
die relative Signalladung über der
Zeit während
der Integrationsperiode für
Lichthelligkeitsgrade I1, I2 und I3 dar, wobei eine feste Ladungskapazitätssteuerspannung
während
der gesamten Integrationsperiode angelegt wird, so wie Photodetektoren
des Standes der Technik betrieben werden. Wie dargestellt, sättigen die
höheren
Lichthelligkeitsniveaus I2 und I3 beide bevor die Integrationsperiode
abgelaufen ist, da jede veranlaßt,
daß die Ladungskapazität des Photodetektors überschritten wird.
Daher führen
beide Lichthelligkeitsniveaus I2 und I3 zu demselben Signalauslesewert
von dem Photodetektor, obgleich sie unterschiedlich sind. Da somit
die Lichthelligkeitsgrade I2 und I3 beide vor dem Ende der Integrationsperiode
sättigen,
ist es für das
erzeugte Bild nicht möglich,
irgendwelche Bilddetails oberhalb dieser Lichthelligkeitsgrade anzuzeigen.
Eine Anordnung von Photodetektoren, die konfiguriert ist, um bei
einer bestimmten konstanten Ladungskapazitätssteuerspannung während der
gesamten Integrationsperiode zu arbeiten, hat nicht genügend dynamischen
Bereich, um die Lichthelligkeitsgrade I1, I2 und I3 alle zu messen.
-
Dies
kann der Fall sein in Situationen, wie z.B. Überwachungszwecke, in denen
der dynamische Intraszenenbereich den dynamischen Bereich des Abbilders überschreiten
kann, was eine Sättigung
oder ein Überlauf
und somit der Verlust von Information verursachen kann. Falls die
Abbildungslinse "abgeblendet" wird durch Einstellen
der mechanischen Iris, kann dies effektiv die Steigungen aller drei Lichthelligkeitsniveaus
I1, I2 und I3 verringern, so daß keine
von diesen sättigt,
das Signalrauschverhältnis
in den dunklen Bereichen des Bildes wird aber dann verschlechtert,
was erneut zu einem Informationsverlust führt.
-
Es
ist daher nützlich,
den dynamischen Bereich eines Abbildungssystems zu erweitern durch Verwenden
einer Ladungskapazitätssteuerspannungsfunktion,
die die Ladungskapazitätssteuerspannung
in einer bestimmten Art und Weise während der Integrationsperiode
erhöht,
wie oben in Bezug auf Levine beschrieben. In einer Ausführungsform
ist die Ladungskapazitätssteuerspannungsfunktion
eine nichtlineare Zweistufenspannungsfunktion, bei der eine erste
Ladungskapazitätssteuerspannung V1
während
eines ersten Teils der Integrationsperiode an den Photodetektor
angelegt wird, und eine größere Ladungskapazitätssteuerspannung
V2 an den Photodetektor nach diesem ersten Teil erst zum Ende der
Integrationsperiode angelegt wird. In dieser Ausführungsform
ist die Spannung V2 die maximale Ladungskapazitätssteuerspannung, d.h. die
Spannung V2 veranlaßt,
daß der
Photodetektor eine maximale Ladungskapazität hat, und die Spannung V1
ist ein Bruchteil der Spannung V2, wodurch veranlaßt wird, daß der Photodetektor
eine Ladungskapazität
hat, die ein entsprechender Bruchteil der maximalen Ladungskapazität ist.
-
Somit
wird die Ladungskapazitätssteuerspannung
V1 während
der ersten Zeitperiode angelegt, die ein festgelegter Bruchteil
der Integrationsperiode ist, und die Ladungskapazitätssteuerspannung V2
während
einer zweiten Zeitperiode, die dem Rest der Integrationsperiode
nach der ersten Zeitperiode entspricht, angelegt. Durch Vergrößern der
Länge der
ersten Zeitperiode, während
der die Spannung V1 angelegt wird, und entsprechendes Verringern der
zweiten Zeitperiode, während
der V2 angelegt wird, kann ein größerer Gesamtdynamikbereich
erzielt werden.
-
In
der vorliegenden Erfindung wird die Ladungskapazitätssteuerspannungsfunktion
variiert, um einen ausreichenden Dynamikbereich bereitzustellen,
um Sättigung
zu vermeiden, während
das Kontrastverhältnis
und der Informationsinhalt der Szene maximiert wird. Für eine nichtlineare
Spannungsfunktion mit zwei Schritten, wie oben beschrieben, wird
die Ladungskapazitätssteuerspannungsfunktion
variiert durch Variieren, wie die Integrationsperiode zwischen der
ersten und zweiten Zeitperiode aufgeteilt wird. Ein größerer Dynamikbereich
kann erzielt wer den durch Verlängern
der ersten Zeitperiode und Verkürzen
der zweiten Zeitperiode zulasten eines gewissen Verlustes von Kontrastinformation
für Lichtniveaus
höherer
Intensität.
Lichtintensitätsniveaus,
die sättigen
würden,
falls die maximale Ladungskapazitätssteuerspannung während der
gesamten Integrationsperiode angelegt würde, die jedoch nicht sättigen,
da sie zusätzliche
Ladung während
der zweiten Zeitperiode hinzufügen
können, können als "komprimiert" bezeichnet werden,
da sie zusätzliche
Ladung für
eine kürzere
Zeitperiode hinzufügen
können
als mit niedrigeren Lichtintensitätsniveaus.
-
Somit
wird die Ladungskapazitätssteuerspannung
V1 von der Zeit t = 0 bis zur Zeit t1 angelegt und die Ladungskapazitätssteuerspannung
V2 während
der Zeit Δt1
angelegt, wobei Δt1
die Zeitperiode zwischen t1 und dem Ende der Integrationsperiode
ist. Durch Erhöhen
der Zeitperiode t1, während der
V1 angelegt wird, und entsprechendes Verringern der Zeitperiode Δt1, während der
V2 angelegt wird, kann ein größerer Gesamtdynamikbereich
erzielt werden. Somit wird in einer Ausführungsform für eine gegebene
erste Ladungskapazitätssteuerspannung
V1 und eine zweite Ladungskapazitätssteuerspannung V2 die Ladungskapazitätssteuerspannungsfunktion
variiert durch Variieren, wann die Zeit t1 auftritt.
-
Solch
eine Ladungskapazitätssteuerspannungsfunktion
ist in den 1B und 1C dargestellt,
die jeweils eine andere Zeit haben, an der sich die Spannung V1
in V2 verändert.
In 1B wird die Ladungskapazitätssteuerspannung V1 auf 80
% der maximalen Ladungskapazitätssteuerspannung
V2 gesetzt. Die Spannung V1 wird zum Zeitpunkt t1 auf die Spannung
V2 erhöht.
Somit gibt es bis zur Zeit t1 einen temporären Sättigungspunkt aufgrund einer Ladungskapazität, die nur
80 % der maximalen Ladekapazität
hat, die existieren wird, wenn die größere Spannung V2 nach der Zeit
t1 angelegt wird. Dies erlaubt die Kontrastunterscheidung zwischen
den Lichthelligkeitsniveaus I2 und I3, die nicht möglich ist unter
Verwendung der Implementierung, die in 1A gezeigt
ist, in der eine konstante Ladungskapazitätssteuerspannung während der
gesamten Integrationsperiode verwendet wird. Dies liegt daran, daß, obgleich
das Lichtintensitätsniveau
I3 immer noch sättigt,
das Lichtintensitätsniveau
I2 dies nicht tut, so daß das
Lichtintensitätsniveau
I3 eine größere Ladung
in einem Photodetektor erzeugen würde, als das Lichtintensitätsniveau
I2 erzeugen würde,
was somit verwendet werden kann, um solche Lichtintensitätsniveaus
in einem Bild zu unterscheiden.
-
Da
jedoch das Lichtintensitätsniveau
I3 sättigt,
erlaubt die erste Zeitperiode t1 es nicht, daß Lichtintensitätsniveaus
mit Intensitäten
in der Nähe des
Lichtintensitätsniveau
I3 voneinander unterschieden werden. In 1C schaltet
die Spannung V1 zu einem Zeitpunkt t2 zur Spannung V2, was nach der
Zeit t1 ist. In dieser Implementierung sättigen weder die Lichtintensitätsniveaus
I2 noch I3, was es ermöglicht,
daß alle
Lichtintensitätsniveaus
bis zu I3 voneinander unterschieden werden.
-
In
der vorliegenden Erfindung wird, bevor jedes Einzelbild der Videodaten
mit der Anordnung von Photodetektoren aufgenommen wird, die Ladungskapazitätssteuerspannungsfunk tion
optimal eingestellt, so daß sie
einen ausreichenden dynamischen Bereich bereitstellt, um Sättigung
selbst für
die hellsten Abschnitte der Szene oder des aufgenommenen Bildes
zu vermeiden, während
das Kontrastverhältnis und
der Informationsinhalt der Szene maximiert wird. Dies wird durchgeführt durch
Verwenden einer dynamischen Rückkopplungssteuerung
von vorherigen Bildern, um die erste Zeitperiode so einzustellen,
daß die
hellsten Objekte in der Szene gerade die Sättigungskapazität des Abbilders
erreichen, wie unten in größerem Detail
erläutert
wird. Die Informationen von vorherigen Einzelbildern oder Bildern
wird verwendet basierend auf der Annahme, daß die Helligkeitsverteilung
von vorherigen Einzelbildern ein zuverlässiger Vorhersager der Helligkeitsverteilung
des nächsten
aufzunehmenden Einzelbildes ist.
-
Es
versteht sich, daß das
Variieren der Ladungskapazitätssteuerspannung
effektiv die Pixeliadungskapazität
verändert
und den Dynamikbereich des Pixels erweitert durch Erlauben, daß nur ein Bruchteil
der maximalen Ladungskapazität
für den Großteil der
Einzelbildzeit integriert wird, und durch Erhöhen der Ladungskapazität auf die
maximale Ladungskapazität
am Ende der Integrationszeit. Dies erlaubt das gleichzeitige Abbilden
des Details in sowohl hellen als auch dunklen Regionen einer Szene. Die
dynamische Einstellung der Ladungskapazitätssteuerspannung erzeugt effektiv
eine nichtlineare Lichterfassungsantwort während der Integrationszeit.
-
In 2 ist
ein Blockdiagramm eines Videoverarbeitungssystems 200 gezeigt
für das
dynamische Bestimmen der Ladungskapazitätssteuerspannungsfunktion,
die verwendet wird, um den dynamischen Bereich des Systems zu erweitern,
und zwar in Übereinstimmung
mit einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Das System 200 weist einen Abbilder 201 auf,
der eine Anordnung von Pixeln aufweist, die jeweils einen Photodetektor
enthalten. Das System 200 weist weiterhin einen Ladungskapazitätskontroller 202 auf,
der mit dem Abbilder 201 gekoppelt ist. Der Ladungskapazitätskontroller 202 weist
einen Histogrammer 204, einen Rückkopplungsfunktionsgenerator 206,
einen Kontrastkorrigierer 205, einen Histogrammequalizer-/-projektionsblock 207 und
MUXs 210 und 211 auf. Das System 200 weist
ebenfalls einen Ausgangsmonitor 220 auf, der mit dem Ausgang
des MUX 211 des Ladungskapazitätskontrollers 202 verbunden
ist. Die Pixelanordnung des Abbilders 201 kann beispielsweise
ein CCD oder eine CMOS-Anordnung sein und stellt in einer Ausführungsform
12-Bit-Ausgangspixelwerte (4096 Niveaus) für jedes Pixel zur Verfügung, die
der Ladungsmenge entsprechen, die von jedem Pixel während der
Integrationsperiode gesammelt wurden. Der Ausgangsmonitor 220 erfordert
8-Bit-Eingangspixelinformation.
Der Histogrammer 204 und der Kontrastkorrigierer 205 sind
mit dem Abbilder 201 über
die Leitung 212 verbunden oder verbindbar und der Rückkopplungsfunktionsgenerator 206 ist
mit dem Abbilder 201 über
die Leitung 213 verbunden oder verbindbar.
-
Die
Ausgangspixelinformation für
ein Einzelbild von aufgenommenen Pixeln wird von dem Abbilder 201 zugeführt über den
Bus 212 zu dem Histogrammer 204 und dem Kontrastkorrigierer 205.
Die Abgriftsleitung 216 stellt weiterhin die Ausgangspixelinformation
als Eingang zu den MUXs 210 und 211 zur Verfügung. Der
Ausgang des Histogrammers 204 wird über die Leitung 214 an
den Eingang des Feedback-Funktionsgenerators 206 und an
den Eingang des Histogrammequalizer-/-projektionsblocks 207 eingegeben.
Der Feedback- bzw. Rückkopplungsblock
stellt eine Funktionsinformation über die Leitung 213 als
ein Eingang zum Abbilder 201 und eine inverse Funktionsinformation
zu einem Eingang des Kontrastkorrektors 205 zur Verfügung. Der
Ausgang des Kontrastkorrigierers 205 wird über den
MUX 210 und die Leitung 217 an den Histogrammequalizer-/-projektionsblock 207 und
an MUX 211 angelegt. Der Ausgang des Histogrammequalizer-/-projektionsblocks 207 wird über die
Leitung 218 und MUX 211 an den Eingang des Monitors 220 angelegt.
-
Es
versteht sich für
den Fachmann, daß einige
oder alle Funktionen des Ladungskapazitätskontrollers 202 (d.h.
Histogrammer 204, Rückkopplungsfunktionsgenerator 206,
Kontrastkorrigierer 205, Histogrammequalizer-/-projektionsblock 207 und
MUXs 210 und 211) in Echtzeit implementiert werden
können
durch die dedizierte digitale Signalverarbeitungshardware durch
einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC) oder
durch einen geeigneten programmierten Allzweckcomputerprozessor.
-
Das
System 200 arbeitet wie folgt, um dynamisch die Ladungskapazitätssteuerspannungsfunktion
einzustellen, um die Leistung des Abbilders 201 zu optimieren.
Als erstes wird eine Szene (Frame bzw. Einzelbild 0) von dem Abbilder 201 aufgenommen
und an den Histogrammer 204 angelegt. Der Fachmann erkennt,
daß der
Histogrammer die Farbpixel-"Behälter", die die Graustufen,
d.h. die Helligkeit oder Intensität des Pixels darstellen, sortiert.
Der Histogrammer 204 stellt somit eine histogrammenthaltene
Information zur Verfügung,
die die Gesamthelligkeitsverteilung eines gegebenen Einzelbildes
darstellt. Aus dieser Verteilung kann die Ladungskapazitätsteuerspannungsfunktion
eingestellt werden, um entweder das nächste Bild zu expandieren oder
zu komprimieren, um die gesamten 4096 Niveaus der Graustufenauflösung des
Abbilders 201 zu nutzen.
-
In 3 ist
ein beispielhaftes Histogramm 300 gezeigt, um das Betriebsverfahren
des Signalverarbeitungssystems 200 von 2 darzustellen. Das
beispielhafte Histogramm 300 zeigt die globale Helligkeitsverteilung
der Pixel von Frame 0. Von dieser Verteilung kann die Helligkeit
oder die Intensitätsinformation über das
Frame 0 bestimmt werden durch den Rückkopplungsfunktionsgenerator 206, der
das Histogramm empfängt.
Der Rückkopplungsfunktionsgenerator 206 erzeugt
die Funktionsinformation, die die erste Zeitperiode für den Abbilder 201 für die Aufnahme
des nächsten
Einzelbildes einstellt, so daß Licht
mit dem Helligkeitsgrad des hellsten Objektes in Frame 0 nicht sättigen wird,
sondern geradeso den Sättigungspunkt
des Abbilders erreichen wird. Für
Licht eines gegebenen Helligkeitsgrades, der gerade den Sättigungspunkt
des Abbilders erreicht, bedeutet dies, daß Licht dieses Helligkeitsgrades
am Ende der Integrationsperiode verursacht hätte, daß ein Photodetektor nahezu
volle Ladungskapazität
erreicht. Somit ist die Funktionsinformation, die vom Funktionsgenerator 206 für eine nichtlineare Zweistufenspannungsfunktion
erzeugt wurde, eine Zahl, die den Zeitpunkt innerhaib der Integrationsperiode
angibt, zu dem die erste Spannung V1 sich zur zweiten Spannung V2 ändern sollte.
-
Beispielsweise
kann das Histogramm 300 von dem Rückkopplungsfunktionsgenerator 206 verwendet
werden, um zu bestimmen, was die Intensität oder Helligkeit des hellsten
Teils des Bil des, das als ein Objekt (Cluster aus Pixeln) angesehen
werden kann, ist. Solch eine Analyse kann durchgeführt werden
anstatt der einfachen Verwendung des Intensitätsgrades des hellsten Pixels
im Einzelbild, so daß vermieden
wird, daß eine
Entscheidung basierend auf defekten (immer weißen) Pixeln, oder basierend auf
nur wenigen hellen Pixeln erfolgt. Beispielsweise wird eine Entscheidung
durch den Rückkopplungsfunktionsgenerator 206 durchgeführt, welche Ladungskapazitätsteuerspannungsfunktion
für das nächste Einzelbild
zu verwenden ist basierend auf dem Intensitätsgrad oder der Graustufe der
100 hellsten Pixel. Falls somit beispielsweise das hellste Objekt
(nicht lediglich wenige isolierte Pixel) des Einzelbildes 0 eine
Intensität
von näherungsweise
I2 hat, dann erzeugt der Rückkopplungsfunktionsgenerator 206 eine
Funktionsinformation, die die erste Zeitperiode auf etwas weniger
als t1 einstellt, wie in 1B gezeigt
ist. Falls jedoch das hellste Objekt des Einzelbildes 0 eine Intensität von näherungsweise
I3 hat, erzeugt der Rückkopplungsfunktionsgenerator 206 eine
Funktionsinformation, die die erste Zeitperiode auf näherungsweise
t2 einstellt, wie in 1C gezeigt ist.
-
Somit
wird durch Verwendung der dynamischen Einstellung der Ladungskapazitätssteuerspannungsfunktion
der vorliegenden Erfindung das nächste
aufzunehmende Einzelbild effektiv in den dynamischen Arbeitsbereich
des Abbilders "komprimiert", wird jedoch in
dem minimal notwendigen Ausmaß komprimiert,
um das Kontrastverhältnis
und den Szeneninformationsinhalt zu maximieren.
-
In
einer Ausführungsform
steuert der Abbilder 201 die Ladungskapazitätssteuerspannung
während
der Integrationsperiode in Übereinstimmung
mit der Funktionsinformation, die vom Funktionsgenerator 206 bereitgestellt
wird. In einer alternativen Ausführungsform
stellt der Funktionsgenerator 206 die Ladungskapazitätssteuerspannung
direkt dem Abbilder 201 über die Leitung 213 während der
Integrationsperiode in Übereinstimmung
mit der erzeugten Funktion zur Verfügung. In einer anderen alternativen Ausführungsform
erzeugt der Rückkopplungsfunktionsgenerator 206 eine
Funktionsinformation, um nur sicherzustellen, daß Licht mit dem Helligkeitsgrad des
hellsten Objekts im Einzelbild den Abbilder nicht sättigt, wobei
jedoch nicht sichergestellt wird, daß Licht mit diesem Helligkeitsgrad
den Abbilder nahezu oder gerade sättigt.
-
Das
System 200 stellt eine weitere Signalverarbeitung, falls
notwendig, für
die aufgenommenen Videoeinzelbilder zur Verfügung. Als erstes, da die dynamische
Einstellung der Ladungskapazitätssteuerspannungseffektivität einer
nichtlineare Photoerfassungsantwort während der Integrationszeit
erzeugt, wird die inverse Funktion dieser Funktion durch den Feedback-Funktionsgenerator 206 erzeugt
und an den Kontrastkorrigierer 205 angelegt. Dies erlaubt
es, die nichtlineare Art und Weise, in der Ladung aufsummiert wird,
geeignet auf das entsprechende Lichtintensitätsniveau abzubilden, das die Ladung
verursacht, die durch das Pixel angezeigt wird. Dies hilft, die
wahre Farb- und
Kontrastdarstellung beizubehalten, was für die Farbabbildung notwendig
ist, wo die Pixelfarbe durch mehrere Bildsensorelemente dargestellt
wird. Es versteht sich, daß die
Kontrastkorrektur wichtig ist, wenn verschiedene Sensorelemente
kombiniert werden, um ein Farbpixel zu bilden. Falls ein Sensorelement,
das eine Farbkomponente (z.B. rot) enthält, eine niedrige Helligkeit
enthält,
wird es nicht komprimiert, während
ein anderes Element (z.B. blau) sehr hell ist und komprimiert wird, wird
ohne Korrektur für
diese einseitige Komprimierung die erfaßte Farbe keine wahre Darstellung
der Szene sein. Durch Durchführen
der inversen Funktion auf jedem Pixel würde das rote Pixel in diesem
Fall unverändert
bleiben, während
das blaue Pixel dekomprimiert würde,
um den Kontrast zwischen den Helligkeiten in den Sensorelementen wieder
herzustellen, um die tatsächliche
Farbe der Szene wahr darzustellen.
-
Diese
Kontrastkorrektur kann ebenso auf Grauskalenbildern verwendet werden,
wenn der Kontrast beibehalten werden muß und das Bild von dem dynamischen
Bereich der Abbilderpixel (z.B. 12 Bits) zu einem höheren optischen
Szenedynamikbereich, z.B. 16 Bits, erweitert wird. Der Ausgang des Kontrastkorrigierers 205 kann
somit beispielsweise einen dynamischen 16 Bit-Bereich haben, selbst wenn
jedes Pixel des Abbilders 201 nur eine 12-Bit-Auflösung hat.
-
Der
Histogrammequalizer-/-projektionsblock 207 wird in einer
Ausführungsform
verwendet, um den breiten Dynamikbereich des empfangenen Eingangsbildes
(z.B. 12-Bit-Bild vom Abbilder 201 über die Leitung 216 und
MUX 210 oder 16 Bit kontrastkorrigiertes Bild über den
Kontrastkorrigierer 205 und MUX 210) auf einen
Monitor mit niedrigerem Dynamikbereich abzubilden, wie z.B. ein
8-Bit-Auflösungsausgangsmonitor 220.
Dies dient dazu, effektiv die maximale Informationsmenge auf dem
Ausgangsmonitor durch Maximieren des Informationsinhaltes in jeder
Verbindung in dem Videokanal anzuzeigen.
-
Es
versteht sich, daß die
Histogrammangleichung und die Histogrammprojektion gemeinsam verwendete
Verfahren der Kontrastverbesserung sind unter Verwendung sogenannter "punktverarbeitenden" Techniken. Unter
Verwendung solcher Techniken wird ein Bild mit einer gleichmäßigen Dichte von
Graustufen erzeugt, was im allgemeinen den sichtbaren Kontrast maximiert,
um dem Betrachter die meiste Information darzustellen. Solche Techniken
bilden ebenso höhere
Auflösungsdaten
auf einen Monitor mit geringerer Auflösung ab ohne Abschneiden für die optimale
Anzeige auf einem Monitor mit begrenzter Auflösung. Somit wird die Histogrammausgleichung
des Histogrammequalizer-/-projektionsblocks 207 die Grauskalen
neu verteilen, so daß feine
Details in sowohl den hellen als auch den dunklen Bereichen der
Szene richtig verstärkt
werden. Um solch eine Verarbeitung durchzuführen, erfordert der Histogrammequalizer-/-projektionsblock 207 nur
das Histogramm, das bereits von dem Feedback-Funktionsgenerator 206 verfügbar ist.
-
Die
Leitung 216 erlaubt es, daß die Kontrastkorrektur des
Kontrastkorrigierers 205 umgangen wird, falls dies gewünscht ist,
durch Einstellen des Multiplexers 211, um das nichtkorrigierte
Video über die
Leitung 216 zum Ausgangsmonitor 220 zu geben. Die
Leitung 217 erlaubt den Histogrammausgleich und die Projektion
des Histogrammequalizer-/-projektionsblocks 207 auszulassen,
falls dies gewünscht ist,
durch Einstellen des Multiplexers 211, um das nichtkorrigierte
Video auf die Leitung 217 zum Ausgangsmonitor 220 zu
leiten. Somit können
durch geeignetes Schalten der MUXs 210 und 211 eines
von vier Videosignalen auf dem Ausgangsmonitor 220 angezeigt
werden: (1) unverarbeitet (d.h. Auslassen des Kontrastkorrigierers 205 und
des Histogrammequalizer-/-projektionsblocks 207);
(2) kontrastverstärkt
(d.h. Auslassen des Histogrammequalizer-/-projektionsblocks 207); (3)
histogrammverstärkt (d.h.
Auslassen des Kontrastkorrigierers 205, oder (4) histogramm-
und kontrastverstärkt.
-
Es
versteht sich, daß die
dynamische Rückkopplung
der vorliegenden Erfindung mit Ladungskapazitätssteuerspannungsfunktion verwendet
werden kann, die sich von der in den 1B und 1C gezeigten
nichtlinearen Zweispannungsfunktion unterscheidet. Beispielsweise
können
mehrere diskrete Schritte und Spannungen oder eine sich kontinuierlich
erhöhende
Ladungskapazitätssteuerspannung verwendet
werden, wie auch linear ansteigende Kapazitätssteuerspannungswellenformen
verwendet werden können.
In diesen Fällen
wird die globale Helligkeitsverteilungsinformation, die vom Histogrammer 204 bereitgestellt
wird, verwendet, um diese Funktionen geeignet einzustellen. Beispielsweise
wird somit, falls eine sich kontinuierlich erhöhende Ladungskapazitätssteuerspannung
verwendet wird, die Helligkeit des hellsten Objekts im vorherigen
Einzelbild verwendet, um die Form der Ladungskapazitätssteuerspannungsfunktion
einzustellen, so daß Lichthelligkeitsgrade
dieser Helligkeit gerade sättigen
werden. In diesem Fall erzeugt der Rückkopplungsfunktionsgenerator 206 eine
Funktionsinformation, die den Abbilder 201 instruiert,
wie die Ladungskapazitätssteuerspannungsfunktion
zu variieren ist.
-
Es
versteht sich ebenso, daß Histogramme von
vorherigen Einzelbildern außer
dem unmittelbar vorherigen Einzelbild verwendet werden können. Beispielsweise
kann ein Histogramm eines sich verändernden Durchschnitts der
letzten fünf
Einzelbilder verwendet werden.
-
Es
versteht sich, daß verschiedene
Veränderungen
in den Details, Materialien und Anordnungen der Teile, die beschrieben
wurden und oben dargestellt wurden, um die Natur dieser Erfindung
zu erläutern,
vom Fachmann durchgeführt
werden können, ohne
von den Prinzipien und dem Schutzbereich der Erfindung, wie er in
den folgenden Ansprüchen
festgelegt wird, abzuweichen.