FI111417B - Digitaalikameran salamavalon ohjaus - Google Patents

Description

1 111417

DIGITAALIKAMERAN SALAMAVALON OHJAUS

Keksinnön kohteena on oheisen patenttivaatimuksen 1 johdanto-osan mukaisesti menetelmä salamavalon toiminnan ohjaamiseksi ilman 5 erillistä ulkoista suljinta toimivan elektronisen kuvailmaisimen yhteydessä.

Puolijohdetekniikkaan perustuvat digitaaliset kuvailmaisimet, kuten CCD- (Charge Coupled Devices) ja CMOS-tekniikkaan 10 (Complementary Metal Oxide Semiconductor) perustuvat matriisi-ilmaisimet mahdollistavat kuvausominaisuuksien liittämisen nykyisin hyvin monentyyppisiin laitteisiin. Tällaisia kuvailmaisimia käytetään mm. kuluttajille tarkoitetuissa digitaalisissa video- ja still-kameroissa sekä erilaisissa tietokoneisiin yhdistetyissä kameralaitteissa, kuten ns.

15 verkkokameroissa. Korkean integrointiasteensa, pienen kokonsa, ja vähäisen sähkönkulutuksensa vuoksi erityisesti CMOS-ilmaisimet soveltuvat käytettäväksi hyvin myös pienikokoisissa kannettavissa laitteissa, kuten langattomissa matkaviestimissä ja ns. PDA-laitteissa (Personal Data Assistant).

20

Erityisesti tilanteessa, jossa digitaalikamera, ts. digitaalinen kuvailmaisin implementoidaan pienikokoiseen (kannettavaan) ja/tai myyntihinnaltaan edulliseen laitteeseen, on kameratoiminto tärkeää pyrkiä toteuttamaan mahdollisimman yksinkertaisin rakentein. Tällä 25 pyritään minimoimaan sekä kameran laitteessa vaatimaa tilaa, sähkönkulutusta sekä myös laitteen kokonaisvalmistuskustannuksia.

Eräs tapa yksinkertaistaa digitaalikameran rakennetta on eliminoida ilmaisinmatriisin edessä valotusajan säätöön käytettävä erillinen, 30 tyypillisesti mekaanisesti toimiva suljin. Tällaisissa ns. sulkimettomissa digitaalikameroissa valotusaikaa säädellään elektronisesti ilmaisinmatriisin toimintoja ohjaamalla.

Seuraavassa selostetaan lyhyesti elektronisen sulkimen käyttöön 35 perustuvan CMOS-ilmaisimen toimintaa, sekä elektronisen sulkimen käytöstä käytännössä aiheutuvia ongelmia.

2 111417

Yksinkertaistetusti ilmaistuna CMOS-kuvailmaisin muodostuu valoherkkien kuva-alkioiden, ns. pikselien muodostamasta matriisista.

Valon osuessa yksittäiseen pikseliin, pikselissä muodostuu siihen osuvaan valomäärään verrannollinen sähköinen varaus, joka varaus 5 edelleen varastoituu mainittuun pikseliin tai sen yhteyteen. Pikselin arvon lukemiseksi varaus muutetaan varausvahvistimen avulla jännitteeksi, joka jännite ohjataan edelleen AD-muunnoksen (Analog-to-Digital) kautta ulos kuvailmaisimelta.

10 CMOS-ilmaisimen yksittäisen pikselin valotusaika muodostuu siitä ajasta, jonka ajan pikselin annetaan integroida siihen valon muodostavaa sähköistä varausta. Integrointi- eli valotusaika alkaa ajanhetkestä, jolloin pikselin sisältämä aikaisempi varaus ns. reset-toiminnolla ensin nollataan, ja päättyy siihen kun pikselin varaus ns.

15 sample-toiminnolla luetaan.

Parhaan mahdollisen kuvanlaadun aikaansaamiseksi kuvailmaisimen kaikkien pikseleiden valotuksen tulisi tapahtua tarkalleen samanaikaisesti. Ts. edellä selostetut nollaus-integrointi-luku-toiminnot 20 tulisi suorittaa matriisin kaikille pikseleille yhtä aikaa. Tämä johtaa kuitenkin ilmaisimen rakenteen huomattavaan monimutkaistumiseen.

Lisäksi sarjamuotoisena ja digitaalisena tapahtuvan kuvainformaation siirto ulos ilmaisinpiiriltä tulisi tällöin tapahtua huomattavan suurta kaistanleveyttä käyttäen.

25

Edellämainituista syistä johtuen käytössä onkin yleisesti ratkaisu, jossa CMOS-matriisi-ilmaisinta prosessoidaan riveittäin, eli nollaus-integrointi-luku-toiminnot suoritetaan aina matriisin yhdelle pikseliriville kerrallaan. Tämä yksinkertaistaa merkittävästi ilmaisimen rakennetta, 30 ja tällöin myös kuvainformaation siirto ulos ilmaisinpiiriltä tapahtuu luontevasti sarjamuotoisena aina rivi kerrallaan, jolloin kuvainformaation siirtonopeudelle asetettavat vaatimukset ovat lievemmät.

35 Rivi kerrallaan tapahtuvan prosessoinnin haittapuolena on kuitenkin se, että nyt matriisi-ilmaisimen eri rivit valottuvat keskenään hieman eri aikoina. Kuvassa 1 on esitetty periaatteellisesti kuvailmaisimen 3 111417 riveittäin tapahtuva prosessointi ja sen vaikutus ilmaisimen eri rivien varttumiseen.

Rivien integrointi- eli valotusajan aloittamiseksi rivit nollataan yksi 5 kerrallaan reset-toiminnolla (R). Rivien valotusajan pitämiseksi keskenään yhtä pitkinä peräkkäisten rivien nollaus (R) tapahtuu samalla tahdilla kuin millä rivit tullaan myöhemmässä vaiheessa sample-toiminnolla (S) lukemaan. Sitä aikaa, joka kuluu kahden peräkkäisen rivin nollaus-toimintojen (R) välillä kutsutaan rivin 10 prosessointiajaksi (RP). Rivin prosessointiajan (RP) minimiarvon määrää nopeus, jolla ilmaisinpiiri pystyy siirtämään kuvainformaatiota ulos piiriltä. Siten rivin prosessointiaika (RP) ilmaisee myös ajan, joka kuluu kahden peräkkäisen rivin sample-toiminnon (S) välillä.

15 Rivin integrointi- eli valotusaika (Rl) voidaan muodostaa nyt rivin prosessointiajan (RP) sopivista monikerroista siten, että valotusaika (Rl) pidetään kaikille riveille samanpituisena. Kuvan 1 esimerkissä valotusajaksi on valittu 10 x prosessointiaika (RP). Kun ensimmäinen rivi (rivi 0) on integroinut valoa mainitun valotusajan (Rl) verran, piirin 20 sisältämä järjestelmä lukee ja muuntaa kyseisen rivin pikselien kuvainformaation digitaaliseen muotoon ja syöttää sen ulos piiriltä.

Tämän jälkeen vastaavalla tavalla luetaan ja syötetään ulos järjestyksessä seuraavien rivien sisältämä kuvainformaatio 25 Kuvassa 1 esitetyn mukaisesti ennen ajanhetkeä T2 ilmaisinpiiriltä ei vielä syötetä ulos kuvainformaatiota, koska ensimmäisen rivin 0 integrointiaika (Rl) ei ole vielä ehtinyt kulua umpeen. Kuvasta 1 voidaan havaita, että ajanhetkien T, ja T2 välisenä aikana riveillä 0-4 on valotuksessaan yhteinen ajanjakso, joka on kuitenkin yksittäisen 30 rivin kokonaisvalotusaikaa (Rl) lyhyempi. Esimerkiksi rivin 0 ja rivin 11 valotus tapahtuu kuitenkin jo kokonaan eriaikaisesti. Valotuksen eriaikaisuus on siis suurimmillaan ilmaisimen ensimmäisen rivin 0 ja viimeisen rivin n-1 välillä.

35 Kuvailmaisimen peräkkäin prosessoitavilla, vierekkäisillä riveillä valotus/integrointiajat (Rl) ovat siis osittain päällekkäisiä, mutta esimerkiksi ilmaisimen ylä- ja alareunassa kaukana toisistaan olevilla riveillä valotus/integrointi tapahtuu selkeästi eriaikaisesti.

4 111417

Edellä kuvatulla tavalla riveittäin tapahtuva kuva-alan prosessointi tunnetaan tekniikan tasosta ns. rullaavana elektronisena sulkimena (engl. rolling electronic shutter), tai rullaavana ikkunasulkimena (engl.

5 rolling window shutter).

Kuvattavan kohteen ollessa kameran suhteen olennaisesti liikkumaton tai koko kuva-alan (kaikkien rivien) prosessointiaikaan nähden hitaassa liikkeessä, ja valaistuksen ollessa ajallisesti muuttumaton, rullaavasta 10 elektronisesta sulkimesta ei muodostu kuvaamiselle ja kuvanlaadulle merkittävää haittaa.

Sen sijaan tilanteessa, jossa kuvaamisessa käytetään kohteen valaistukseen salamavaloa, ilmaisinrivien eriaikaisesta valottumisesta 15 aiheutuu kuvanlaadulle merkittäviä ongelmia. Tämä johtuu siitä, että salamavalolle ominaisesta lyhyestä välähdysajasta johtuen salamavalon synnyttämä valaistus ehtii merkittävästi muuttua sinä aikana, jona ilmaisimen koko kuva-ala valotetaan/prosessoidaan.

20 Esimerkiksi ns. pocket-kameroissa tai vastaavissa käytettävien purkausputkeen perustuvien salamavalojen välähdyksen kesto vaihtelee tyypillisesti muutamista kymmenistä mikrosekunneista muutamiin satoihin mikrosekunteihin. Riveittäin prosessoitavassa VGA-resoluution (640x480 pikseliä) omaavassa CMOS-ilmaisimessa koko 25 kuva-alan prosessointi rullaavaa elektronista suljinta käytettäessä kestää vastaavasti tyypillisesti useita kymmeniä millisekunteja. Nyt salaman välähdyksen ollessa ilmaisimen koko kuva-alan prosessointiin nähden huomattavasti lyhyempi, aiheuttaa tämä sen, että ilmaisimen eri rivit valottuvat salamaa käytettäessä merkittävästi eri tavoin, ja 30 salaman kanssa otettujen kuvien laatu vastaavasti kärsii.

Nyt esillä olevan keksinnön pääasiallisena tarkoituksena on esittää menetelmä salamavalon toiminnan ohjaamiseksi riveittäin, sarakkeittain tai muutoin osa-alueittain prosessoitavan ja rullaavaa 35 elektronista suljinta tai vastaavaa käyttävän, ja siten ilman erillistä ulkoista suljinta toimivan digitaalisen kuvailmaisimen yhteydessä. Keksinnön erityisenä tarkoituksena on välttää edellä esitettyjä, salamavalon välähdyksen (valopulssin) pituuden ja ilmaisimen koko 5 111417 kuva-alan prosessointiin tarvittavan ajan epäsuhdasta aiheutuvia kuvanlaatua heikentäviä ongelmia.

Tämän tarkoituksen toteuttamiseksi keksinnön mukaiselle 5 menetelmälle on pääasiassa tunnusomaista se, mikä on esitetty itsenäisen patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

Muissa epäitsenäisissä patenttivaatimuksissa on esitetty eräitä keksinnön edullisia suoritusmuotoja.

10

Keksintö perustuu ajatukseen, jonka mukaisesti yhden kuvan valottamiseen tarvittavana aikana käytetään yhden salaman välähdyksen sijaan useampia erillisiä, peräkkäisiä salaman välähdyksiä tasoittamaan eri aikoina prosessoitavien, ja siten eri aikoina varausta 15 integroivien kuvailmaisimen eri osa-alueiden valottumista.

Keksinnön keskeisenä perusperiaatteena on se, että salaman yhtä kuvaa kohti käytettävät välähdykset ajoitetaan siten, että salaman kukin yksittäinen välähdys suoritetaan ajanhetkellä, joka ajanhetki on 20 yhteinen mahdollisimman monen peräkkäisen ja kerralla valotettavan ilmaisimen osa-alueen, kuten esimerkiksi rivin integrointi- eli valotusajan (Rl) kanssa. Peräkkäiset salaman välähdykset ajoitetaan edelleen lisäksi myös siten, että kunkin mainitun osa-alueen valotusaikana esiintyy yksi ja ainoastaan yksi salaman välähdys.

25

Keksinnöllä saavutetaan nyt se merkittävä etu, että keksintö minimoi yhtä kuvaa kohti tarvittavien salaman välähdysten lukumäärän samalla kun se myös varmistaa kuvattavan kohteen mahdollisimman tasaisen valaisun ilmaisimen jokaisen osa-alueen valotuksen (Rl) aikana.

30 Salaman välähdysten määrän minimointi on erittäin tärkeää erityisesti kannettavissa ja/tai muutoin paristo- tai akkukäyttöisissä laitteissa, joissa salaman kuluttama kokonaisteho tulee pitää mahdollisimman pienenä akkujen tai paristojen säästämiseksi ja/tai niiden koon minimoimiseksi.

35

Keksinnön mukaista menetelmää käyttäen saavutetaan lisäksi samalla myös erittäin korkea kuvanlaatu kuva-alan tasaisesta varttumisesta johtuen. Lisäksi liikkuvan kuvauskohteen tapauksessa keksintö 6 111417 ehkäisee tehokkaasti myös kohteen liikkeestä aiheutuvaa kuvan sumentumista (engl. blurring) jäljempänä tarkemmin selostettavalla tavalla.

5 Keksinnön edullisessa suoritusmuodossa riveittäin prosessoitavan matriisi-ilmaisimen tapauksessa yhtä kuvaa kohti tarvittavien salaman välähdysten määrä määritetään matriisi-ilmaisimen rivin prosessointiajan (RP) ja kuvauksessa käytetyn integrointi- eli valotusajan (Rl) suhteen avulla. Suhde RI/RP kertoo niiden 10 peräkkäisten rivien määrän, joka voidaan kattaa aina salaman yhden välähdyksen avulla.

Keksinnön mukaista salamavalon ohjausta voidaan käyttää normaalissa salaman avulla pimeässä tai hämärässä suoritettavassa 15 kuvaamisessa, tai myös valaistuissa olosuhteissa salaman avulla aikaansaatavan lisä- tai vastavalon (engl. fill-in-flash) tuottamisessa.

Keksintöä voidaan edelleen soveltaa myös ns. superresoluutiokuvien tallentamissa. Superresoluutiokuvissa useita peräkkäisiä kuvia, joissa 20 kuvissa kohde on hieman siirtynyt kuva-alaan nähden yhdistetään kuvankäsittelyn keinoin keskenään yhdeksi uudeksi kuvaksi. Yhdistetyn kuvan resoluutio on alkuperäisten kuvien pikseliresoluutiota parempi.

25 Edullisesti keksintöä sovelletaan nimenomaan CMOS-kuvailmaisinten yhteydessä, jolloin aikaan saadaan yksinkertainen, kompakti ja tehonkulutukseltaan pieni digitaalikamera. Tällainen digitaalikamera sopii sijoitettavaksi esimerkiksi kannettavaan matkaviestimeen tai muuhun vastaavaan kannettavaan henkilökohtaiseen laitteeseen.

30

Seuraava esimerkkien avulla suoritettava keksinnön yksityiskohtaisempi selitys havainnollistaa alan ammattimiehelle edelleen selvemmin keksinnön edullisia suoritusmuotoja sekä keksinnöllä tunnettuun tekniikan tasoon nähden saavutettavia etuja.

35

On huomattava, että vaikka seuraavissa esimerkeissä keksintöä selostetaan lähinnä pikseliriveittäin valotettavien ja luettavien matriisi- 7 111417 ilmaisimen yhteydessä, soveltuu se myös sarakkeittain tai muulla tavoin osa-alueittain prosessoitavien ilmaisinten kanssa käytettäväksi.

Keksintöä selostetaan seuraavassa tarkemmin viittaamalla oheisiin 5 piirustuksiin, joissa kuva 1 esittää periaatteellisesti matriisi-ilmaisimen valotusajan säädön tekniikan tasosta tunnettua, ns. rullaavaa elektronista suljinta käytettäessä, 10 kuva 2 esittää periaatteellisesti keksinnön mukaisen salamavalon välähdysten ajoituksen kuvan 1 mukaisesti riveittäin prosessoitavan ja valotettavan matriisi-ilmaisimen yhteydessä, 15 kuva 3 esittää erään kaupallisesti saatavan digitaalikameran salamavalon välähdyksen tyypillistä aikakäyttäytymistä, ja kuva 4 esittää periaatteellisesti matriisi-ilmaisimen valotusajan 20 säädön tekniikan tasosta tunnettua ns. elektronista suljin- toimintoa käytettäessä.

Kuvassa 1 periaatteellisesti esitettyä rullaavan elektronisen sulkimen (10) toimintaa on selostettu jo aikaisemmin tekniikan tason kuvauksen 25 yhteydessä.

Kuvassa 2 on esitetty periaatteellisesti keksinnön mukainen salamavalon välähdysten ajoitus kuvan 1 mukaisesti tai olennaisesti kuvaa 1 vastaavalla tavalla riveittäin prosessoitavan ja riveittäin 30 valotettavan matriisi-ilmaisimen yhteydessä.

Kuvan 2 mukaisesti ilmaisimen kunkin pikselirivin integrointi- eli valotusajan (Rl) alku on viivästynyt edellisen rivin valotusajan (Rl) alkamisesta aina nollaus-toiminnon (R) verran, eli rivin prosessointiajan 35 (RP) verran. Tästä johtuen peräkkäisten rivien valotusajat ovat siirtyneet toisiinsa nähden kuvan 2 mukaisesti.

e 111417

Keksinnön mukaisesti yhtä kuvaa kohti käytettävät salaman välähdykset ajoitetaan siten, että salaman kukin yksittäinen välähdys suoritetaan ajanhetkellä, joka ajanhetki on yhteinen mahdollisimman monen peräkkäisen rivin integrointi- eli valotusajan (Rl) kanssa. Kuvan 5 2 tapauksessa ensimmäinen välähdys ajoitetaan siten ensimmäisellä pystyviivalla merkittyyn ajanhetkeen, jolloin salaman välähdys vaikuttaa rivien 0-11 valotukseen, mutta ei ilmaisimen muiden rivien valotukseen. Salaman seuraava välähdys ajoitetaan toisella pystyviivalla merkittyyn ajanhetkeen, jolloin salaman toinen välähdys 10 vaikuttaa ainoastaan rivien 12-23 valotukseen. Toinen välähdys ei siis vaikuta aikaisempien rivien 0-11 valotukseen, eikä myöskään myöhempien, rivistä 24 alkavien rivien valotukseen. Kolmas välähdys valottaa vastaavasti ainoastaan rivejä 24-31.

15 Keksinnön mukaisesti peräkkäiset salaman välähdykset on siis ajoitettu siten, että kunkin pikselirivin 0-31 valotusaikana esiintyy yksi ja ainoastaan yksi salaman välähdys. Tämä on tärkeää, jotta salaman synnyttämä valomäärä kunkin pikselirivin kohdalla säilyy olennaisesti saman suuruisena. Samalla määräytyy myös yhden kuvan 20 valottamisessa tarvittavien salaman välähdysten minimimäärä, jolloin salaman kuluttama kokonaisteho myös minimoituu.

Yksittäisen pikselirivin jokaisen pikselin valotus alkaa samanaikaisesti ko. riville suoritettavan reset-toiminnon (R) jälkeen ja päättyy 25 samanaikaisesti sample-toiminnolla (S) tapahtuvaan pikseliarvojen lukemiseen. Siten yksittäisen pikselirivin pikselien vastaanottaman valomäärän kannalta ei ole merkitystä sillä, millä kohtaa ko. pikselirivin integrointi- eli valotusaikaa (Rl) salaman välähdys esiintyy.

30 Keksinnön edullisessa suoritusmuodossa yhtä kuvaa kohti tarvittavien salaman välähdysten määrä määritetään matriisi-ilmaisimen rivin prosessointiajan (RP) ja kuvauksessa käytetyn integrointi- eli valotusajan (Rl) suhteen avulla. Mainittu suhde RI/RP kertoo matriisi-ilmaisimen niiden peräkkäisten rivien määrän, joka voidaan kattaa 35 salaman yhden pulssin avulla. Kuvassa 2 esitetyssä esimerkissä Rl = 12 RP ja siten RI/RP = 12 . Tällöin yhden pulssin avulla voidaan kattaa aina 12 peräkkäistä riviä. Kuvassa 2 esitetyssä esimerkissä pikselirivien kokonaismäärän ollessa 32, tarvitaan näiden 32 rivin 9 111417 kattamiseen 3 erillistä salamavalopulssia. Vastaavasti kuvan 1 esittämässä tilanteessa Rl = 10 RP, jolloin yhden salamavalopulssin avulla olisi mahdollista kattaa aina 10 riviä kerrallaan.

5 Pimeässä tai hämärässä kuvattaessa valotusaika (Rl) voidaan valita suhteellisen pitkäksi, koska salaman välähdystä lukuunottamatta kamerailmaisimelle ei ko. olosuhteissa saavu merkittävästi muualta peräisin olevaa valoa. Tällöin yhdellä salaman välähdyksellä voidaan kattaa ilmaisimen useampia pikselirivejä kerrallaan, eli koko kuva-alaa 10 kohti tarvitaan vähemmän välähdyksiä.

Valaistukseltaan kirkkaissa olosuhteissa valotusaika (Rl) valitaan vastaavasti lyhyemmäksi, jotta pikselirivit eivät ylivalottuisi vallitsevasta valosta johtuen. Tällöin RI/RP-suhteen pienentyessä koko kuva-alan 15 valottamiseksi tarvittavien salaman välähdysten lukumäärä kasvaa.

Havainnollisuuden vuoksi kuvassa 3 on esitetty erään kaupallisesti saatavilla olevan pocket-tyyppisen digitaalikameran (Canon QV-770) salamavalon välähdyksen (valopulssin intensiteetin) käytös ajan 20 funktiona. Kuvassa 3 esitetyn käyrän voidaan ajatella edustavan tyypillistä pocket-tyyppiseen kameraan tai vastaavaan sisäänrakennetun, välähdysputken (engl. flash tube) käyttöön perustuvan salaman toimintaa, joka salama on teholtaan riittävä tavanomaisten matriisi-ilmaisinten, esimerkiksi CMOS-ilmaisinten 25 yhteydessä normaaleissa kuvausolosuhteissa käytettäväksi.

Kuvassa 3 vaaka-akselin kukin ruutuväli vastaa 100 mikrosekunnin aikaväliä, ja pysty-akseli kuvaa salaman välähdyksen intensiteettiä suhteellisella lineaarisella asteikolla. Kuvasta 3 nähdään, että ko.

30 salaman välähdyksen intensiteettimaksimin kestoaika on muutaman sadan mikrosekunnin luokkaa.

Vertailun vuoksi voidaan todeta, että riveittäin prosessoitavassa (nollaus-integrointi-luku) VGA-resoluution (640x480 pikseliä) 35 omaavassa CMOS-ilmaisimessa koko kuva-alan prosessointi kestää tyypillisesti useita kymmeniä millisekunteja. Tyypillisessä CMOS-ilmaisimessa rivin prosessointiaika voi olla esim. n. 3500 kellosykliä, joka kellon syklin ollessa 40 nanosekuntia vastaa 140 mikrosekuntia.

10 111417

Koko kuvan, eli 480 rivin prosessointi kestää siten tuolloin 67.2 millisekuntia.

Tekniikan tasosta tunnetaan elektronisesti riveittäin prosessoitavan ja 5 valotettavan ilmaisimen käyttö erityisessä ns. suljin-moodissa (engl. shutter-mode). Tätä periaatetta on havainnollistettu kuvassa 4. Seuraavassa selostetaan lyhyesti mainitun suljin-moodin toimintaa ja sen eroja nyt käsillä olevaan keksintöön verrattuna.

10 Tekniikan tason mukaisessa suljin-moodissa periaatteena on se, että kuvailmaisimen kaikki pikselirivit nollataan nopealla reset-toiminnolla kaikkien rivien integrointiajan (INT) aloittamiseksi mahdollisimman samanaikaisesti. Kun viimeisenkin rivin integrointiaika (INT) on alkanut, avataan ulkoinen mekaaninen suljin ajanhetkellä Ton ilmaisimen 15 kaikkien rivien valotuksen aloittamiseksi yhtä aikaa. Ajanhetkellä Toff ulkoinen suljin vastaavasti suljetaan valotuksen päättämiseksi kaikille riveille yhtä aikaa. Nyt jokaiselle ilmaisinriville valotusajaksi muodostuu siis ulkoisen sulkimen aukioloaika T0ft - Ton. Sijoittamalla yksittäinen salaman välähdys ajanhetkien Ton ja T0ff välille, vaikuttaa salaman 20 välähdys kaikille pikseliriveille nyt samalla tavalla. Ulkoisen sulkimen sulkeuduttua, pikselirivit voidaan sample-toiminnolla lukea nopeudella, jota rajoittaa kuvainformaation siirtonopeus ulos ko. ilmaisinpiiriltä, ja joka siirtonopeus on siten tyypillisesti em. nopeaa reset-toimintoa merkittävästi hitaampi. Nopean reset-toiminnon ja sample-toiminnon 25 ollessa yhtä riviä kohti ajallisesti erimittaisia, seuraa tästä eri pikselirivien kanssa keskenään erimittainen integrointiaika (INT). Erillistä ulkoista suljinta käytettäessä tästä ei kuitenkaan ole kuvanlaadulle haittaa, koska sulkimen ollessa kiinni ilmaisimelle ei pääse valoa, eivätkä ilmaisimen pikselit siten kerää varausta.

30

Pimeässä tai riittävän hämärässä kuvattaessa em. ilmaisimen suljin-moodia on tunnetulla tavalla mahdollista käyttää salaman yhteydessä myös ilman erillistä ulkoista suljinta seuraavasti.

35 Kuvan 4 mukaisesti kohdetta valaisevan salamavalon välähdys sijoitetaan samalla tavalla ikään kuin kamerassa olisi käytössä erillinen ulkoinen suljin. Mikäli ilmaisimelle saapuva valo on pääosin peräisin ainoastaan salaman välähdyksestä, valottuvat ilmaisimen kaikki rivit 11 111417 tasaisesti vaikka käytössä ei olekaan erillistä ulkoista suljinta. Kuitenkin mikäli ilmaisimelle saapuu myös muualta kuvausympäristöstä peräisin olevaa valoa, valottuvat ilmaisimen viimeiset rivit tällöin ensimmäisiä rivejä enemmän, mikä voi tilanteesta riippuen johtaa esimerkiksi 5 viimeisten pikselirivien saturoitumiseen eli ylivalottumiseen. Mikäli ulkopuolista valoa on läsnä, valottuvat ilmaisimen rivit eri pituisista integrointiajoista johtuen epätasaisesti. Lisäksi liikkuvan kohteen tapauksessa pidemmän valotusajan kokevien viimeisten rivien kohdalla kuva lisäksi sumentuu ensimmäisiä, lyhyemmän valotusajan omaavia 10 rivejä voimakkaammin.

Keksinnön mukaisessa ratkaisussa edellä kuvattuja ongelmia ei samalla tavoin esiinny, koska kaikkien rivien valotusajat (Rl) on edullisesti järjestetty keskenään samanpituisiksi. Esimerkiksi liikkuvan 15 kohteen tapauksessa tämä merkitsee sitä, että salaman eri välähdyksiä vastaavat kuvan osat eivät ole liikkeestä johtuen sumentuneet kuvan eri osissa (eri pikseliriveillä) eri tavoin, vaan ainoastaan siirtyneet toisiinsa nähden. Tällainen siirtymä on kuvankäsittelymenetelmiä käyttäen jälkikäteen merkittävästi helpommin korjattavissa, kuin kuvan 20 eri kohtien erilaisesta valotusajasta aiheutuvat sumentumat.

Keksinnön mukaiset salamavalon peräkkäiset ja kuvailmaisimen toimintaan tahdistetut välähdykset voidaan tuottaa sopivalla tavalla yhtä tai useampaa salamavaloyksikköä käyttäen.

25

Salamavalon perustuessa tavanomaisessa välähdysputkessa aikaansaatuun valokaaripurkaukseen, peräkkäisissä välähdyksissä (valokaaripurkauksissa) tarvittava sähköenergia voidaan saada yhdestä yhteisestä riittävän suuren kapasiteetin omaavasta 30 kondensaattorista, tai muusta vastaavasta energiavarastosta, joka energiavarasto kykenee hetkellisesti syöttämään valokaari-purkauksessa tarvittavan virtamäärän. Yhtä välähdysputkea voidaan syöttää myös useammalla erillisellä kondensaattorilla tai vastaavalla, joihin kuhunkin kondensaattoriin on varastoitu esimerkiksi aina 35 yhdessä välähdyksessä tarvittava energiamäärä.

Edelleen keksinnön mukainen menetelmä voidaan toteuttaa käyttäen useampia toisistaan erillisiä salamavaloyksiköitä, joista kukin yksikkö 12 111417 käsittää oman välähdysputken ja sille tarkoitetun energiavaraston, tai muut niitä vastaavat komponentit. Erilliset salamavaloyksiköt voidaan järjestää tuottamaan keksinnön mukaisesti ajoitettuja välähdyksiä peräkkäin siten, että kukin salamavaloyksikkö välähtää yhtä kuvaa 5 kohti vain kerran. On myös mahdollista käyttää kahta tai useampaa salamavaloyksikköä yhdessä siten, että ne välähtävät vuorotellen niin, että kukin salamavaloyksikkö välähtää yhtä kuvaa kohti enemmän kuin kerran. Vuorottain välähtäviä salamavaloyksiköitä käytettäessä saavutetaan se etu, että yksittäisen yksikön ei tarvitsee kyetä 10 peräkkäisiin välähdyksiin samalla nopeudella kuin pelkästään yhtä yksikköä käytettäessä.

Valokaaripurkaukseen perustuvan välähdysputken, purkauslampun tai muiden vastaavien ns. termisten valolähteiden sijaan on valopulssien 15 synnyttämiseen mahdollista käyttää myös ei-termisiä valolähteitä.

Tällaisia ei-termisiä valolähteitä ovat esimerkiksi valodiodit (engl. Light Emitting Diodes), erityisesti ns. superkirkkaat LED:it. On sinänsä tunnettua, että valodiodeja pulssittamalla niistä on mahdollista saada ulos hetkellisesti huomattavasti suurempia valotehoja kuin 20 jatkuvatoimisina. Valodiodien emittoiman suhteellisen kapean spektrikaistan vaikutusta väritasapainoon voidaan kompensoida käyttämällä valaisuun yhtä aikaa useampia erivärisiä valodiodeja.

Keksinnön mukaisten peräkkäisten, ja suhteessa kuvailmaisimen 25 toimintaan ajastettujen valopulssien ajastus voidaan toteuttaa kuvailmaisimen toimintaa ohjaavassa järjestelmässä joko ohjelmallisesti (engl. software) tai logiikkapiirejä tai vastaavia laitteistotason (engl. hardware) toimintoja käyttämällä. Integrointi- eli valotusaika (Rl) voi määräytyä esimerkiksi erillisen ulkoista valomäärää 30 mittaavan mittaelimen antaman signaalin perusteella, jolloin valotusajan (Rl) ja kyseisen matriisi-ilmaisimen rivin, sarakkeen tai muun osa-alueen prosessointiajan (RP) suhteesta RI/RP määritetään tarvittavien salaman välähdysten määrä sekä niiden ajankohdat yhden kuvan valotuksen aikana. Tämän tiedon perusteella ohjataan yhtä tai 35 useampaa salamavaloyksikköä tuottamaan välähdykset oikea- aikaisiksi.

13 111417

Tietoa yhtä kuvaa kohti käytettyjen salaman välähdysten lukumäärästä ja välähdysten tarkoista ajanhetkistä voidaan edelleen hyödyntää kuvailmaisimen tuottaman kuvan jälkiprosessoinnissa. Mainittu jälkiprosessointi suoritetaan edullisesti digitaalikameratoiminnon 5 yhteydessä samassa laitteessa välittömästi kuvan ottamisen jälkeen.

Jälkiprosessointia voidaan käyttää esimerkiksi eri salaman välähdyksiä vastaavien kuvan osien keskinäisen siirtymän korjaamiseen, joka siirtymä aiheutuu kuvattavan kohteen liikkeestä salaman peräkkäisten 10 välähdysten välisenä aikana. Korjauksessa suhteessa toisiinsa siirrettävät kuvan osa-alueet määräytyvät siten, että yhden olennaisesti kokonaisuutena suhteessa muihin osa-alueisiin siirrettävän alueen muodostaa aina yhden välähdyksen aikana taltioitu (valotettu) kuva-alan osa. Erilaisia kuvankäsittelymenetelmiä, esim. liike-estimointi, 15 käyttäen jälkiprosessoinnissa mainitut kuva-alan eri osat voidaan kohdistaa keskenään pikselitasolla siten, että korjatussa kuvassa kohteen liikkeestä aiheutuneiden siirtymien vaikutus on poistettu tai sitä on merkittävästi pienennetty.

20 Salaman välähdysten lukumäärää ja tarkkoja ajankohtia hyödyntävää kuvan jälkiprosessointia voidaan soveltaa myös useampien peräkkäin tallennettujen kuvien tapauksessa. Keksinnön eräs mahdollinen käyttö on ns. superresoluutiokuvien tallentamisessa. Superresoluutiokuvissa useita peräkkäisiä kuvia, joissa kohde on hieman siirtynyt kuva-alaan 25 nähden, yhdistetään kuvankäsittelyn keinoin keskenään yhdeksi uudeksi kuvaksi. Yhdistetyn kuvan resoluutio saadaan näin sinänsä tunnetulla tavalla alkuperäisten kuvien pikseliresoluutiota paremmaksi.

Superresoluutiokuvia muodostettaessa keksinnön mukaista salaman 30 ajoitusta käyttäen tallennetaan useampia peräkkäisiä kuvia, joissa kussakin kuvassa salaman yksittäisiä välähdyksiä vastaavat kuvan eri osat on kuvattu nyt hyvälaatuisesti samankaltaisessa valaistuksessa ja ilman kohteen liikkeestä aiheutunutta sumentumaa. Hyvälaatuiset osakuvat voidaan edellä kuvatulla tavalla yhdistää korkealaatuisiksi 35 peräkkäisiksi kokokuviksi, jotka peräkkäiset kokokuvat voidaan edelleen sinänsä tunnettuja kuvankäsittelyn keinoja käyttäen yhdistää superresoluutiokuvaksi, jonka superresoluutiokuvan pikseliresoluutio on yksittäistä kokokuvaa parempi. Yksittäisten kokokuvien voidaan 14 111417 ajatella esittävän kuvattavaa kohdetta hieman eri kuvauskulmasta, jolloin useamman kokokuvan sisältämää informaatiota yhdistämällä saadaan aikaan kuva, jossa kuvan informaatiosisältö ylittää yksittäisen kuvan informaatiosisällön.

5

Peräkkäin kohteesta hieman eri kuvauskulmissa ja/tai kohteen eri asemassa otettujen yksittäisten kuvien yhdistäminen superresoluutiokuvaksi on sinänsä tunnettua tekniikkaa. Keksintö mahdollistaa salaman käytön superresoluutiokuvien oton yhteydessä, 10 mikä parantaa kuvan terävyyttä poistamalla muutoin pitkästä valotusajasta ja liikkeestä johtuvan kuvan sumentumisen.

Superresoluutiokuvausta voidaan käyttää esimerkiksi paperisten dokumenttien muuttamisessa sähköiseen muotoon hyvällä pikseliresoluutiolla.

15

Keksintöä on edellä selostettu muutamia valittuja esimerkkejä käyttäen.

On luonnollisesti selvää, että edellä esitettyjä esimerkkejä ei kuitenkaan tule tulkita keksinnön ainoiksi mahdollisiksi suoritusmuodoiksi, vaan keksinnön suoritusmuodot voivat vapaasti 20 vaihdella jäljempänä patenttivaatimuksissa esitettyjen keksinnöllisten piirteiden puitteissa.

Claims (14)

1. Menetelmä kuvattavan kohteen valaisemiseen käytettävän salamavalon ohjaamiseksi elektronisen, 2-ulotteiseen pikselimatriisiin 5 perustuvan kuvailmaisimen tai vastaavan yhteydessä, jonka kuvailmaisimen valotus (Rl) suoritetaan osa-alueittain, esimerkiksi pikseliriveittäin tai -sarakkeittain, tai jossain muussa järjestyksessä rullaavaa elektronista suljinta (10) tai vastaavaa käyttäen, jolloin kuvailmaisimen mainittujen osa-alueiden valotus (Rl) tapahtuu 10 keskenään ainakin osittain eriaikaisesti, tunnettu siitä, että yhden kuvan, eli kuvailmaisimen olennaisesti kaikkien osa-alueiden valottamiseen kuluvana aikana, — käytetään kuva-alan tasaisen valotuksen aikaansaamiseksi useampaa erillistä, peräkkäistä salaman välähdystä, jotka 15 välähdykset — ajoitetaan siten, että kukin yksittäinen välähdys suoritetaan ajanhetkellä, joka ajanhetki on yhteinen mahdollisimman monen kuvailmaisimen ajallisesti peräkkäisen osa-alueen integrointi- eli valotusajan (Rl) kanssa, ja että peräkkäiset salaman välähdykset 20. ajoitetaan lisäksi siten, että kunkin yksittäisen osa-alueen integrointi- eli valotusaikana (Rl) esiintyy yksi ja ainoastaan yksi salaman välähdys.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että 25 salamavalon ohjausta sovelletaan pikseliriveittäin valotettavan kuvailmaisimen yhteydessä, jolloin yhdellä salaman välähdyksellä samalla kertaa katettavien pikselirivien määrä määritetään yksittäisen pikselirivin integrointi- eli valotusajan (Rl) ja yksittäisen pikselirivin prosessointiajan (RP) välisestä suhteesta, joka mainittu pikselirivin 30 prosessointiaika (RP) ilmaisee pikselirivin nollaus-toimintoon (R) ja/tai luku-toimintoon (S) käytettävää aikaa, ja jotka mainittu valotusaika (Rl) ja prosessointiaika (RP) ovat kaikille pikseliriveille olennaisesti yhtäsuuria.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että salamavalon ohjausta sovelletaan pikselisarakkeittain valotettavan kuvailmaisimen yhteydessä, jolloin yhdellä salaman välähdyksellä samalla kertaa katettavien pikselisarakkeiden määrä määritetään ie 111417 yksittäisen pikselisarakkeen integrointi- eli valotusajan (Rl) ja yksittäisen pikselisarakkeen prosessointiajan (RP) välisestä suhteesta, joka mainittu pikselisarakkeen prosessointiaika (RP) ilmaisee pikselisarakkeen nollaus-toimintoon (R) ja/tai luku-toimintoon (S) 5 käytettävää aikaa, ja jotka mainittu valotusaika (Rl) ja prosessointiaika (RP) ovat kaikille pikselisarakkeille olennaisesti yhtäsuuria.

4. Jonkin edellä esitetyn patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että salamavalon ohjausta sovelletaan CMOS- 10 tekniikkaan perustuvan kuvailmaisimen yhteydessä.

5. Jonkin edellä esitetyn patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että salamavalon peräkkäiset, yhtä kuvaa kohti tarvittavat välähdykset tuotetaan yhtä tai useampaa erillistä 15 salamavaloyksikköä käyttäen.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että salamavalon peräkkäiset, yhtä kuvaa kohti tarvittavat välähdykset tuotetaan kahden tai useamman salamavaloyksikön vuorottaisina 20 välähdyksinä.

7. Patenttivaatimuksen 5 tai 6 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että yksittäinen salamavaloyksikkö perustuu välähdysputken, purkauslampun tai muun vastaavan termisen valolähteen käyttöön. 25

8. Patenttivaatimuksen 5 tai 6 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että yksittäinen salamavaloyksikkö perustuu yhden tai useamman valodiodin, tai muun vastaavan ei-termisen valolähteen käyttöön.

9. Jonkin edellä esitetyn patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että salamavalon ohjausta sovelletaan valaistuissa olosuhteissa tapahtuvassa kuvaamisessa lisä- tai vastavalon tuottamiseen.

10. Jonkin edellä esitetyn patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että salamavaloa käyttäen otettua ja sähköisessä muodossa tallennettua kuvaa jälkiprosessoidaan kuvanlaadun 17 111417 parantamiseksi käyttämällä hyväksi tietoa salaman peräkkäisiä, erillisiä välähdyksiä vastaavien kuvan osa-alueiden koosta.

11. Patenttivaatimuksen 10 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että 5 jälkiprosessoinnin avulla korjataan kuvattavan kohteen liikkeestä kuvaan mainittujen osa-alueiden välille aiheutunutta siirtymää.

12. Patenttivaatimuksen 10 tai 11 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että peräkkäin otettuja kahta tai useampaa kuvaa jälkiprosessoidaan 10 kuvankäsittelyn avulla yhdistämällä ne yhdeksi superresoluutiokuvaksi.

13. Jonkin edellä esitetyn patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että salamavalon ohjausta sovelletaan kannettavaan, akku- tai paristokäyttöiseen laitteeseen tai sellaisen yhteyteen 15 toteutetussa digitaalikameratoiminnossa.

14. Patenttivaatimuksen 13 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että salamavalon ohjausta sovelletaan langattomassa matkaviestimessä tai vastaavassa. 20 25 30 35 is 111417