JP2004336778A - デジタルビデオ撮像装置および方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】改良された、デジタルビデオ画像データ処理方法およびデジタルビデオ撮像装置を提供する。
【解決手段】本発明の一実施態様によれば、デジタルビデオ画像データ処理方法は、画像データ14を取得するように構成されたデジタルビデオ撮像装置12を提供することと、デジタルビデオ撮像装置12の画像センサ40から複数のローリングフレーム16に対する画像データ14を読出すことであって、該ローリングフレーム16の個々のフレームに対する画像データ14の読出しは、複数の異なる時点において、画像センサ40の複数の異なる部分を夫々読出すことを含む、読出すことと、複数の共通の時点において、画像データ14を含む複数の所望のフレームを夫々形成することであって、該形成することは、複数のローリングフレーム16からの画像データを使用して所望のフレームの個々のフレームを形成することを含む、形成することと、を含む。
【選択図】図5
【解決手段】本発明の一実施態様によれば、デジタルビデオ画像データ処理方法は、画像データ14を取得するように構成されたデジタルビデオ撮像装置12を提供することと、デジタルビデオ撮像装置12の画像センサ40から複数のローリングフレーム16に対する画像データ14を読出すことであって、該ローリングフレーム16の個々のフレームに対する画像データ14の読出しは、複数の異なる時点において、画像センサ40の複数の異なる部分を夫々読出すことを含む、読出すことと、複数の共通の時点において、画像データ14を含む複数の所望のフレームを夫々形成することであって、該形成することは、複数のローリングフレーム16からの画像データを使用して所望のフレームの個々のフレームを形成することを含む、形成することと、を含む。
【選択図】図5
Description
本発明の態様は、デジタルビデオ画像データ処理方法と、デジタルビデオ撮像装置と、製品と、に関する。
デジタル撮像装置は、静止およびビデオ撮像操作のためにますます広く利用されてきている。これらの装置に対し、解像度の向上および処理スピードの向上等、非常に多くの進歩がなされてきた。これらのデジタルカメラは、増加し続ける用途において使用され、これらの装置の人気は、装置能力が向上しコストが低減するにしたがって増大することが予期される。
デジタルカメラ構成によっては、画像を露光しデジタル画像データを生成するためにデジタル画像センサを使用するものがある。たとえば、CMOS画像センサが利用可能であり、それらは、デジタル画像情報を生成するために読出すことができる複数のピクセル素子を含む。一実施態様では、検知または画像データ生成動作中に、CMOS画像センサのピクセル位置の電圧を読出すことができる。露光動作中、受取られた写真は、画像センサのピクセル位置に対応する半導電性ウェルから電子を除去する。露光後に残る電子の数は、そのピクセル位置における輝度情報(すなわち、ピクセル明度)に対応する検知電圧を提供する。電圧値は、デジタル画像データを提供するデータ情報に変換するためにアナログ・デジタル変換器に提供することができる。読出し動作に続いてピクセル位置をリセットすることができる。一実施形態では、リセット動作には、ピクセル位置の半導電性ウェルを再充電することが含まれる。他のタイプの画像センサも利用可能である。
デジタル撮像装置では、露光動作を制御するためにハードウェアシャッターを使用することができる。これらの装置は、物理シャッタ動作の機械的な動作を実現するために必要なアクチュエータと他の物理構造とを含み、それによって装置の複雑性が増大する。本明細書で説明するように、デジタルビデオ用途においてデジタル画像データを取得する、改良された方法および装置を説明する。
本発明の態様は、デジタルビデオ画像データ処理方法と、デジタルビデオ撮像装置と、製品と、に関する。
第1の態様によれば、デジタルビデオ画像データ処理方法は、画像データを取得するように構成されたデジタルビデオ撮像装置を提供することと、該デジタルビデオ撮像装置の画像センサから複数のローリングフレームに対する画像データを読出すことと、を含む。該ローリングフレームの個々のローリングフレームに対する読出しは、複数の異なる時点において、画像センサの複数の異なる部分を夫々読出すことと、複数の共通の時点において、画像データを含む複数の所望のフレームを夫々形成することと、を含む。該形成することは、複数のローリングフレームからの画像データを使用して、所望のフレームの個々のフレームを形成することを含む。
本発明の他の実施形態によれば、デジタルビデオ撮像装置は、被写体画像から受光した光に応答してデジタルビデオ画像データを生成するように構成された画像センサを含み、この画像センサは、複数の独立したアクセス可能部分を含む。該装置は、該画像センサに結合された処理回路をさらに含み、該処理回路は、1つのローリングフレームにつき、複数の異なる時点において、被写体画像に対する画像センサの異なる部分からの画像データを読出すように構成される。処理回路はまた、複数の異なる時点における画像センサの所与の部分からの画像データを利用して、被写体画像に対応する、出力すべき所望のフレームの各部分を作成するように構成される。
以下の説明と図面とから明らかであるように、本明細書において本発明の他の態様を開示する。
図1を参照して、1つの例示的な実施形態によるデジタルビデオ撮像システム10を示す。撮像システム10は、画像データ14を取得するように構成された、デジタルビデオカメラ等の撮像装置12を含む。画像データ14は、撮像動作中に取得される複数のフレーム画像またはフレーム16を含む。個々のフレーム16は、たとえば、ラスタの複数のピクセルに対する輝度、クロミナンスまたは他のデジタル情報を含む、デジタルデータのラスタを含む。さらに後述するように、一実施形態では、撮像装置12を、電子ローリングシャッターを利用するように構成し、画像データ14をローリング画像データと呼ぶことができ、フレーム16をローリングフレームと呼ぶことができる。
システム10の図示する構成は、さらに、メモリ20と処理回路22とを含む。メモリ20を、ローリングフレーム16のローリング画像データ14を受取り格納するように構成する。
処理回路22を、画像データ14を処理するように構成する。処理回路22の例示的な処理動作については後に詳述する。処理回路22を、画像データ14を処理するプログラミング命令(たとえば、ソフトウェア、ハードウェア等)を実行するように構成することができる。したがって、かかる構成では、処理回路22を、ノートブックコンピュータ、パーソナルコンピュータ、ワークステーションまたは他のデジタル処理構成のマイクロプロセッサとして実施することができる。また、処理回路22は、本明細書で説明するように、取得された画像データ14のデジタルデータを処理することができる、フィールドプログラマブルゲートアレイもしくは他の任意のハードウェアおよび/またはソフトウェア構成を含むことができる。
例示的な構成では、メモリ20と処理回路22とを、撮像装置12の外部にかつ別個に示す。他のあり得る実施形態では、メモリ20および処理回路22を、コンピュータまたはワークステーション等の単一装置内に具体化してもよい。別のあり得る実施形態では、メモリ20および/または処理回路22を、撮像装置12内に配置する。撮像システム10の他の構成も可能である。
図2を参照すると、撮像装置12の例示的な実施形態を示す。図2に示すように、例示的な撮像装置12は、処理回路30と、メモリ32と、光学系制御部34と、ユーザインタフェース36と、撮像システム38(例示的な実施形態では、画像センサ40および光学系42を含む)と、通信インタフェース44と、を有する。図示する例示的な撮像システム38は、複数のローリングフレーム16で生デジタル画像データ14を提供するように構成されている。生デジタル画像データは、画像センサ40によって形成される生画像の複数のピクセルに対応するデジタルデータを含む。
例示的な構成では、処理回路30を、マイクロコントローラとして実施する。処理回路30を、装置12の動作と画像データの生成とを制御する命令を実行するように構成する。代替的に、処理回路30を、完全にハードウェアで実施することができる。さらに、処理回路30は、ユーザインタフェース36を使用する情報の表示と、ユーザインタフェース36を介して受取られる入力データの処理と、を制御することを含む、ユーザインタフェース36の動作を制御することができる。
メモリ32を、デジタル情報および命令を格納するように構成する。メモリ32は、画像センサ40から生ラスタ画像データ14を受取ってかかるデータを処理のために格納するように構成されたバッファを含むことができる。例示的な実施形態では、図1のメモリ20および処理回路22(またはその動作)を、図2のメモリ32および処理回路30を使用して実施することができる(またはその逆も可)。
上述したように、メモリ20、32を、電子データ、実行可能命令等のプログラミング(たとえば、ソフトウェアおよび/またはファームウェア)および/または他のデジタル情報を格納するように構成し、またそれらは、プロセッサ使用可能媒体を含むことができる。プロセッサ使用可能媒体には、例示的な実施形態における処理回路を含む命令実行システムによるかまたはそれに関連して使用されるプログラミングを内蔵し、格納しまたは保持することができるいかなる製品も含まれる。たとえば、例示的なプロセッサ使用可能媒体には、電子、磁気、光、電磁気、赤外線または半導体の媒体等、物理媒体のいずれが含まれてもよい。プロセッサ使用可能媒体の幾分かより特定の実施例には、限定されないが、磁気コンピュータディスケット(たとえば、フレキシブルディスケット、ジップディスク、ハードディスク)、ランダムアクセスメモリ、リードオンリメモリ、フラッシュメモリ、消去可能プログラム可能リードオンリメモリ、コンパクトディスク、もしくはプログラミング、データまたは他のデジタル情報を格納することができる他の構成が含まれる。
光学系制御部34は、焦点合せ動作、ズーム動作および/または光学系42の他の所望の動作を制御する。一実施形態では、光学系制御部34は、処理回路30によって制御される複数のモータを含む。
画像センサ40は、被写体画像から受取った光に応答してフレーム16を含む画像データ14を生成するように構成される。例示的な構成では、画像センサ40は、複数の行および列で提供されるピクセルまたはピクセル位置のラスタを含む。画像センサ40は、さらに、受取ったアナログ信号をデジタル画像データに変換するA/D変換器を含むことができる。
一実施形態では、画像センサ40を、センサの、そのセンサの他のピクセルとは別個の1つまたは複数のピクセルの画像データ14を、独立して読出すことを可能にするように構成する。たとえば、所与の時刻において、ピクセルのいかなる所望のまたは選択された部分またはサブセットを読出すことができる。
一実施形態では、画像センサ40を、Foveon, Inc.から入手可能なFoveon X3画像センサを使用して実施する。Foveon X3画像センサは、補間無しに複数のピクセル位置においてフルカラー(たとえば、RGB)を提供するフルカラーセンサを備えている。さらに、単一色または複数の色に関する他の情報を、所与の時点においてFoveon X3画像センサの複数の夫々の平面から読出すことができる。Foveon X3画像センサにより、個々のピクセルまたは複数のピクセルの一部分を独立して照会することが可能になる。さらに、個々のピクセルは、1つまたは複数の色に対する色情報を含むことができ、個々の色は、さらに、他の色情報により独立して照会、あるいは代替的に照会することができる。
通信インタフェース44を、装置12の外部と(たとえば、メモリ20または回路22と)画像および他のデータの通信を実施するように構成する。例示的な構成では、通信インタフェース44は、有線および/または無線通信を実施することができる。
図3を参照して、画像センサ40を使用して画像データを獲得するかまたは生成する例示的な動作を説明する。画像データの例示的な獲得および処理を、システム10の構成またはアプリケーション次第で処理回路22および/または30を使用して実行することができる。本明細書における例示の目的のために、処理回路30に関する処理を説明する。
図3は、センサ40のピクセルまたはピクセル位置54の複数の行50および列52を示す(通常のセンサ40は何百万ものピクセルを有する)。上述したように、撮像装置12を、デジタルビデオローリング画像データを取込む電子ローリングシャッター動作を実施するように構成することができる。例示的な電子ローリングシャッター動作には、画像センサ40の独立した部分(たとえば、1つまたは複数のピクセル54)を選択的に読出しリセットすることが含まれる。一実施形態では、ピクセル54の行50は、ハードウェアシャッターを使用せずにデジタルビデオ画像データを生成するように逐次かつ連続して読出されリセットされるグループを含む。たとえば、ピクセル54の列52またはピクセル54の他の部分を読出すことを含む、画像センサ40の一部を読出しリセットするための他の実施形態も可能である。本明細書で説明する実施形態は、ピクセル54の行50を上端から下端に逐次読出す例示的な構成を使用する。右から左へ、左から右へ、下端から上端へ、または他のあらゆる所望の任意の方式を含む、他の順序付け方式を利用してもよい。
説明した例示的な構成によれば、ピクセル54の行50を、処理回路30によって逐次読出し、夫々のローリング画像データをメモリ32にバッファリングするかまたはメモリ20に格納しかつ/または他の適当な位置に格納する。読出しに続き、処理回路30が、後続の露光のためにピクセル54の行50を逐次リセットする。一実施形態では、処理回路30は、露出過度を最小限にするために読出し動作とリセット動作との間の遅延期間をカウントすることができる。たとえば、処理回路30は、第1行50を読出すと、次の後続する読出し動作において読出されるピクセル54の第1行50の適当な露光を提供するために、第1行50をリセットする前に遅延期間をカウントすることができる。遅延期間を、たとえば、全体的(overall)露光を低減し、明るい光を補償する、オフセット動作と呼ぶことができる。
1つの例示的な実施形態においていかなるハードウェアシャッターも提供されない限り、リセット動作に続き、ピクセル54は直ちに露光を開始する。1つのローリングフレーム16において行50の最後の1つ(たとえば、下端)を読出すまでには、行50の最初(たとえば、上端)は次のローリングフレーム16の読出しの用意ができている。
図4を参照して、例示的な画像データ処理動作を説明する。上述したように、回路30に関して例示的な処理を説明したが、他の実施形態では、処理回路22または他の回路を使用することができる。
図4は、時間に関する行50に対応する獲得されたローリング画像データを示すグラフにおいて複数のローリングフレーム16を示す。グラフは、画像データの適当な描写に関して本明細書で説明する少なくともいくつかの態様にしたがって画像データのフレーム16を取込む場合にもたらされる、時間方向のエラー(temporal error)を示す。
たとえば、ピクセル54の行50の逐次読出しに対応する時間に関して、個々のローリングフレーム16が傾斜する。例示的な実施例では、画像センサ40の最上行を、後続して読出される行より前の時点で読出す。したがって、ローリングフレーム16を傾斜させることにより、一実施例では時間が左から右へ進行するにしたがって逐次上端から下端に読出される行を示す。最初のローリングフレーム16の最後の行(たとえば、下端)の読出しに続き、次のローリングフレーム16の最初の行(たとえば、上端)を読出す。図示するように、画像センサ40の異なる部分(たとえば、行)を異なる時点で読出す。
図示するローリング画像データの獲得は、画像データを描くために使用する方法(たとえば、すべての部分が夫々の共通の時点で描かれる)とは異なる方法で画像データを獲得する(たとえば、各部分が異なる時点で獲得される)ことの欠点を示す。より詳細には、個々のローリングフレーム16を表示する際、ローリングフレーム16の上端は、ローリングフレーム16の下端より先の時点からになる。データ獲得中に撮像装置12をパンする場合、被写体画像(たとえば、光学系42内で受取られる光を提供する画像)内の物体は、撮像装置12の動きの方向に向って傾くように見える可能性がある。データ獲得中に撮像装置12を傾ける場合、被写体画像の物体が圧縮されるかまたは膨張する可能性がある。言換えれば、画像データのローリングフレームを異なるリフレッシュパターンで表示画面上に提示する場合、被写体画像の物体は、撮像装置12がパンするにしたがって向きが変わるか、もしくは撮像装置12が傾くにしたがって圧縮または膨張する可能性がある。結果としての出力効果として、シーンが、「ゴム状」に見えるか、またはあたかも地震が発生していたかのように見える可能性がある。その効果は、比較的低いフレームレート(たとえば、<24フレーム/秒)の電子ローリングシャッター実施態様の場合は好ましくない可能性がある。
一実施形態では、システム10を、適当な時期にローリングフレーム16を再サンプリングすることによりアーティファクトを除去するように構成する。たとえば、一構成では、システム10は、ローリングフレーム16の画像データを、複数の所望の瞬間の夫々において、複数の所望のフレーム17の夫々に変換する(たとえば、説明した実施例ではある瞬間の時点に垂直に描かれている所望のフレーム17の画像データの行に対応する)。図示する所望のフレーム17は、ローリングフレーム16のうちの1つの中心に対応する時点に位置合せされるように示す。図示しないが、一実施形態では、個々のローリングフレーム16に対応して追加の所望のフレーム17も提供することにより、ローリングフレーム16のフレームレートに等しい所望のフレーム17のフレームレートを提供する。
所望のフレーム17のうちの1つを提供する1つの例示的な方法には、複数のローリングフレーム16の画像データを使用して補間することが含まれる。簡単のために、線形補間を使用してもよい。他の実施態様では、さらなるローリングフレーム16から所望のフレーム17の画像データを計算するためにより高次の補間(たとえば、スプラインまたは多項式補間)を使用してもよい。
線形補間方法の一実施例では、所望のフレーム17に隣接する複数のローリングフレーム16の画像データの加重平均を使用することができる。たとえば、所望のフレーム17の最上行のピクセルを、第2および第3のローリングフレーム16における画像データの同じ行の夫々のピクセルの50%/50%平均を使用して算出することができる。所望のフレーム17の次の(たとえば、それより下の)行に対し、第3のローリングフレーム16の夫々の行に対する画像データに比較して、第2のローリングフレーム16の夫々の行に対する画像データをより高い割合で使用してもよい。所望のフレーム17の中心行付近では、第2のローリングフレーム16の夫々の行から画像データを直接使用してもよい。所望のフレーム17の中心より下の行に対し、第1および第2のローリングフレーム16の夫々の行からの画像データの加重平均を使用してもよい。
変換したデータを、所望のフレーム17の所望のデータと呼ぶことができる。所望のフレーム17は、夫々の共通の(たとえば、瞬間の)時点における画像センサ40のピクセル54に対する画像データを示す。1つの例示的な実施形態では、補間を使用して、夫々のローリング画像データを、夫々の所望のフレーム17の共通のまたは所与の時点と位置合せしてもよい。図示する実施例において説明したように、複数のローリングフレーム16からのローリング画像データを使用して、所望のフレーム17の所望の画像データを形成することができる。1つの例示的な実施形態では、複数の異なる時点における画像センサ40の所与の部分からのローリング画像データを使用して、所望の時点における所望のフレーム17の夫々の部分(たとえば、最上行50)を作成する。
所望のフレーム17の位置決めは、ローリングフレーム16に関して変化してもよい。たとえば、所望のフレーム17を、ローリングフレーム16の開始部分(または他の部分)と時間的に位置合せしてもよい。図4の所望のフレーム17を第2のローリングフレーム16の開始部分と位置合せする場合、第1および第2のローリングフレーム16からのローリング画像データを利用して、夫々の所望のフレーム17に対して本明細書で説明した変換動作の全体を提供することができる。一実施形態では、所望のフレーム17に時間的にすぐ隣接する(たとえば、直前および直後)のローリングフレーム16からのローリング画像データを使用して、所望のフレーム17に対する所望の画像データを算出することができる。他の実施形態では、すぐ隣接するローリングフレーム16以外のフレームからのデータを使用することができる。
所望のフレーム17を提供することにより、説明した電子ローリングシャッターからもたらされる可能性のある不安定なアーティファクトが除去される。線形補間により、計算的に比較的高速で簡単であるという利点が提供される。例示的な補間実施形態によれば、いかなる動きベクトルも利用せず、本方法を、撮像装置12の多くの異なる構成を使用して実施することができる。説明した方法により幾分かのモーションブラーがもたらされる可能性があるが、ぶれは上縁および下縁において大きくなるので、初期テストではそれほど好ましくないことはない。
さらなる態様によれば、変換操作を支援するためにローリングフレーム16間の動きデータを使用してもよい。たとえば、処理回路30により被写体画像のための動きベクトルを求め、それを、たとえば動きの前方および/または後方補外により近接するローリングフレーム16を整合することによって、所望のフレーム17を形成すること等、変換操作を支援するために使用してもよい。
一実施態様では、ローリングフレーム16全体の単一の優勢な動きを含む動きデータを求める。別の実施態様では、流れ場全体を求め(たとえば、MPEG処理技術を使用して)、個々のピクセルに対して動きデータを求める。
所与のローリングフレーム16に対して、フレーム全体に対しまたは優勢な動きかまたは流れ場全体の方法に対応する個々のピクセルベースで、速度情報を算出する。計算された速度情報と分析されているローリングフレーム16間の経過時間とを使用して近接するローリングフレーム16から対応するピクセルを識別する。ローリングフレーム16の対応する識別されたピクセルに対する画像データを補間することができ、その補間した画像データを、動きデータを使用して所望のフレーム17内の適当な位置に配置することができる。ローリングフレーム16の十分なフレームレートが利用される場合(たとえば、装置12およびシーンの通常の構成に対して15〜20フレーム/秒)、ぶれは結果に悪影響を及ぼすことはない。
図5に、処理回路22、30および/または他の適当な回路が実行する例示的な画像データ処理方法を示す。より多い、少ないまたは代替的なステップを含む他の方法も可能である。
最初に、ステップS10において、処理回路は、画像センサの一部を読出すことによりローリングフレームに対する画像データを取得する。
ステップS12において、処理回路は、画像センサの読出された部分をリセットする。一実施形態では、処理回路は、露出過度を回避するために読出しとリセットとの間の遅延またはオフセットをカウントすることができる。
ステップS14において、近接するローリングフレームの間の動きデータを求める。
ステップS16において、ローリングフレームからの画像データを、夫々の時点において所望のフレームに変換する。所望のフレームを出力することにより、被写体画像の出力ビデオを生成することができる。
要求する保護は、単に例として与えた、開示された実施形態に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるべきである。
10:撮像システム
12:撮像装置
14:画像データ
16:フレーム
20:メモリ
22:処理回路
12:撮像装置
14:画像データ
16:フレーム
20:メモリ
22:処理回路
Claims (10)
- デジタルビデオ画像データ処理方法であって、
画像データを取得するように構成されたデジタルビデオ撮像装置を提供するステップと、
前記デジタルビデオ撮像装置の画像センサから複数のローリングフレームに対する画像データを読出すステップであって、前記ローリングフレームの個々のローリングフレームに対する読出しは、複数の異なる時点の夫々において、前記画像センサの複数の異なる部分の夫々を読出すことを含む、ステップと、
複数の共通の時点の夫々において、画像データを含む複数の所望のフレームの夫々を形成するステップであって、複数の前記ローリングフレームからの画像データを使用して前記所望のフレームの個々のフレームを形成することを含む、ステップと、
を含む方法。 - 前記所望のフレームの個々のフレームを形成するステップが、前記ローリングフレームからの前記画像データを補間するステップを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記補間するステップが、前記ローリングフレームの前記画像データの加重平均を使用して補間するステップを含む、請求項2に記載の方法。
- 前記読出すステップが、前記画像センサの複数の行を逐次読出すステップを含む、請求項1、2、または3に記載の方法。
- 前記部分の読出し後に遅延期間をカウントするステップと、
前記遅延期間のカウント後に前記画像センサの該部分をリセットするステップと、
をさらに含む、請求項1、2、3、または4に記載の方法。 - 被写体画像から受光した光に応答してデジタルビデオ画像データを生成するように構成され、複数の独立したアクセス可能部分を含む画像センサと、
前記画像センサに結合され、1つのローリングフレームにつき、複数の異なる時点において、前記被写体画像に対する前記画像センサの異なる部分からの画像データを読出すように構成され、複数の異なる時点において、前記画像センサの所与の部分からの画像データを利用して、前記被写体画像に対応する、出力すべき所望のフレームの各部分を作成するように構成された処理回路と、
を具備するデジタルビデオ撮像装置。 - 前記処理回路が、前記画像センサの前記異なる部分から前記画像データを読出すように電子ローリングシャッターを実現するように構成されている、請求項6に記載のデジタルビデオ撮像装置。
- 前記処理回路が、異なる時点における前記画像センサの残りの部分からの画像データを利用して、出力すべき前記所望のフレームの個々の残りの部分を作成するように構成されている、請求項6または7に記載のデジタルビデオ撮像装置。
- 前記処理回路が、前記異なる時点において読出される前記画像データを補間して、前記所望のフレームの前記各部分を作成するように構成されている、請求項6、7、または8に記載のデジタルビデオ撮像装置。
- 前記所望のフレームの前記各部分が所与の時点に対応し、前記処理回路が、前記所与の時点にすぐ隣接する時点における、前記画像センサの前記所与の部分から取得される画像データを補間して、前記所望のフレームの前記各部分を作成するように構成されている、請求項6、7、8、または9に記載のデジタルビデオ撮像装置。
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