TWI421616B - 使用光學運動感測器作為迴轉儀之成像裝置 - Google Patents

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Description

使用光學運動感測器作為迴轉儀之成像裝置 發明領域
本發明是關於一種運動感測器的技術，尤其是關於運動感測器補償成像設備移動的技術。
 發明背景
影像模糊是攝影術中的一普遍問題，且有多種原因，如主體的運動和聚焦錯誤。不過影像模糊的最普遍原因之一是操作者引起的照相機振動。人體肌肉一般在4－12赫茲的頻率範圍時會自然顫動。當一個人拿著一照相機時，此顫動引起影像模糊。由此種人體顫動引起的模糊在長曝光時間或使用具有非常長之焦距的變焦/長焦透鏡時特別顯而易見。在減少此種模糊的努力中，掌上型成像系統如數位照相機、可攜式攝像機和雙筒望遠鏡通常使用一些影像穩定系統的類型。
影像穩定的多種方法和系統已被研究出。然而，不管系統和/或方法如何，都依靠一運動感測器來檢測運動和一裝置來補償檢測到之運動。對於靜止照相機，運動感測器一般是一壓電迴轉儀或一微電機械(micro－electro－mechanical,MEMs)迴轉儀。此等迴轉儀一般位於小PC板可設置的封裝中，且相對於成像設備的價格通常非常昂貴。因為影像穩定需要兩個迴轉儀，因此此等迴轉儀的成本對於低價格、高容量的成像設備通常是價格高昂的。可攜式攝像機通常使用一種電子方法，其中藉由比較一場景的每一圖框和先前圖框，運動被檢測到。雖然此技術是可行的，但其要求大量信號處理，且可被在場景內移動的物體擾亂。
影像穩定系統通常電子或光學地補償檢測到之運動。在可攜式攝像機中，藉由使用一特別大的影像感測器，電子補償被實現。在任何一時期僅有影像感測器的一部分被用於記錄影像，且當照相機移動時，在迴轉儀的控制下隨著時間過去記錄影像的影像感測器部分繞著影像感測器被移動。然後來自該影像感測器的像素資料據此對用於記錄的每一圖框被產生。
靜止照相機和可攜式攝像機都使用移動影像以補償檢測到之運動的光機械方法。一種此等方法使用一迴轉儀和一可移動的透鏡元件。通常，照相機旋轉引起相對於影像感測器的一影像平移。由迴轉儀檢測到的運動被轉換為一控制信號，該控制信號被一馬達使用以在一平移中移動透鏡元件，該平移在與由檢測到之運動引起的平移相同和相反方向中移動影像。
另一光機械方法使用一迴轉儀和一可變棱鏡。該可變棱鏡包含由形成一液體密封之一折疊暗箱連接的一對平面玻璃板。在玻璃板之間的室被具有與玻璃板相同折射率的液體填滿。由迴轉儀檢測到之運動被轉換為一控制信號，該控制信號被一馬達使用以調整折疊暗箱且控制玻璃板之間的角度以“駕馭”影像，使得抵消由檢測到之運動引起的平移。
當補償影像平移可行時，每一上述用於影像平移的光機械方法是開迴路系統，意思是沒有影像位置的回饋控制，從而沒有核實/確保影像已被適當平移之方式。另外，如早先所述，每一該等方法使用相對昂貴的迴轉儀如運動感測器。
 發明概要
在一方面，本發明提供一種組配來控制對一成像設備之移動補償的運動感測器，該成像設備在一影像平面上接收代表被選擇之場景的光線。該運動感測器包括一光學元件陣列和一控制器。該光學元件陣列組配來獲得在運動感測器之一視場內的一環境之特徵的連續影像；包括特徵的一第一影像和在第一影像後的一段時間間隔被獲得之特徵的一第二影像，該第一和第二影像包括共同的特徵。該控制器被組配來接收且使第一和第二影像相關聯，以藉由相對於光學元件陣列檢測共同特徵的位置差異來檢測成像設備在時間間隔期間繞著一第一和一第二軸的移動，且根據相關聯性提供第一和第二補償信號以控制光機械調整，用以抗衡成像設備繞著第一和第二軸的檢測到之移動，從而保持在被選擇之場景和成像平面之間實質上固定的關係。
圖式簡單說明
參考下文的圖式，本發明之實施例可被更好理解。圖式的元件並不需要彼此相對成比例。相同的參考數值表示相對應的相同部分。
第1圖是一般性說明本發明的一照相機之一實施例的方塊圖，該照相機使用一被設計成一數位迴轉儀的運動感測器。
第2圖是第1圖之照相機的簡化等距圖。
第3A圖是本發明一照相機的方塊圖和示意圖，該照相機使用一影像穩定系統。
第3B圖是說明第3A圖之影像穩定性的方塊圖和示意圖。
第4圖是本發明一照相機的方塊圖和示意圖，該照相機使用一影像穩定系統。
第5圖是一般性說明一影像感測器和一相對應之物鏡之間關係的示意圖。
第6圖是說明本發明一透鏡之實施例的方塊圖和示意圖，該透鏡組配與一數位迴轉儀一起被使用。
第7圖是說明本發明一透鏡之實施例的方塊圖和示意圖，該透鏡組配與一數位迴轉儀一起被使用。
第8圖是說明本發明一數位迴轉儀之實施例的方塊圖。
第9圖是說明相片接收器陣列部分和第8圖之數位迴轉儀的轉移放大器的方塊圖和示意圖。
第10圖說明本發明被一數位迴轉儀使用之過程的實施例，用於經由影像相關聯性檢測運動。
第11圖是第10圖之過程部分的示意性代表圖。
第12圖是第8圖之計算陣列404內的個別單元的示意圖。
 較佳實施例之詳細說明
在以下詳細描述中，附圖作為參考，其等形成描述的一部分，且以說明特定實施例的方式被顯示，在其中本發明被實施。在這點上，方向措辭如“頂部”、“底部”、“前面”、“後面”、“前端”、“後端”等被用作參考被描述之圖式的方向。因為本發明之實施例的元件可被置於很多不同的方向中，因此方向措辭被用於說明目的而並沒有限制性。需要理解的是其他實施例可被使用，且做出的結構上或邏輯上的改變並沒有脫離本發明的範圍。因此，以下的詳細描述並沒有限制的意義，且本發明之範圍由附加的申請專利範圍所限定。
第1圖是一般性說明本發明一成像設備如照相機30之一實施例的方塊圖，該成像設備使用被設計成一數位迴轉儀的一運動感測器32以控制對照相機30之移動的補償。照相機30包括一影像平面34、一照相機物鏡36和一迴轉儀物鏡38。在一實施例中，照相機30包含具有影像平面34的一類比照相機，該類比照相機包含感光性成像軟片。在一實施例中，照相機30是具有影像平面34的一數位照相機，該數位照相機包含一照相機影像感測器，該照相機影像感測器包含光學元件陣列或像素如電荷耦合裝置(charge－coupled device,以下簡稱CCD)型像素和互補金屬氧化半導體(complimentary metal－oxide semiconductor,以下簡稱CMOS)型像素。
數位迴轉儀32更進一步包括光學元件陣列或像素，被設計成一迴轉儀影像感測器40和一控制器42。在一實施例中，迴轉儀影像感測器40包含30×30的CMOS像素陣列。在一實施例中，數位迴轉儀32包含一積體電路封裝，該積體電路封裝包括迴轉儀影像感測器40和控制器42。數位迴轉儀32、影像平面34和照相機以及迴轉儀物鏡36、38被安置在一照相機體或外殼43內。
當照相機30被指向在照相機物鏡34之視場46(FOVC)內的一被選擇之場景44時，照相機物鏡被安置以接收且將代表被選擇之場景44的光線48投影在影像平面34上。類似地，迴轉儀物鏡38組配來接收且將來自一視場50(FOVG)內一環境的光線投影在迴轉儀影像感測器40上。在一實施例中，迴轉儀物鏡38在無窮大被聚焦。
第2圖是第1圖之照相機30的簡化等距圖。當一攝影師手持一照相機時，自然的、無意的手移動或顫動而帶來的照相機運動是普遍的。繞著x和z軸52、54的照相機移動引入照相機30所拍攝之相片中的模糊。引入的模糊程度依賴於移動的速度、相片的曝光時間和照相機的放大設置，通常由照相機物鏡36的一焦距表示。
在35毫米軟片照相術中常引用的經驗法則中，相機最長的可靠手動曝光時間(以秒為單位)是透鏡焦距(以毫米為單位)的倒數。例如，當使用一個50毫米透鏡時，一照相機可以手動曝光1/50秒或更快的時間。類似地，當使用一個300毫米透鏡時，在沒有三腳架幫助的情況下要拍攝清晰的相片，1/300秒或更少的曝光時間通常是必需的。
由於無意的手動而傳遞給照相機30的運動通常是擺動的，且由在約4－12Hz頻率範圍內的震動組成。無意的手動可以是繞著所有六個自由度的運動。不過影像模糊(在成像平面34上接收到之光線48的平移)主要由繞著x軸和z軸52、54的旋轉引起。繞著x軸52的旋轉引起接收到之光線48沿著z軸54平移，而繞著z軸54的旋轉引起接收到之光線沿著x軸52平移。繞著y軸56的運動對影像清晰度的影響通常可忽略，因為此種運動通常是不顯著的，且因為相片通常在可最小化沿著y軸56運動之影響的放大率處被拍攝。
返回到第1圖，迴轉儀影像感測器40被組配來獲得在數位迴轉儀32之FOVG 50內之環境特徵的連續影像。該等連續影像包括特徵之一第一影像和在第一影像後一段時間間隔被獲得的特徵之第二影像，該第一和第二影像包括共同的特徵。此等特徵可以是環境內的任何物體或元素，如一棵樹、一建築物、一把椅子或一張桌子。需要注意的是，該等特徵可以位於或不位於影像平面34的FOVC 46內。
在一實施例中，當一快門控制按鈕62(見第2圖中所示)被一使用者部分或全部按下時，迴轉儀影像感測器40開始獲得連續影像。在一實施例中，迴轉儀影像感測器140組配來每秒獲得高達1，000張環境特徵的影像。
控制器42被組配來接收來自迴轉儀影像感測器40的獲得之影像且使第一和第二影像相關聯，以藉由相對於迴轉儀影像感測器40之像素陣列檢測共同特徵位置中的差異，來在時間間隔期間檢測照相機30繞著x軸52和z軸54的移動。在一實施例中，第一影像被稱為一參考影像。在一實施例中，參考影像是在快門控制按鈕62被按下後由陣列40獲得的初始影像。在一實施例中，控制器42使參考影像和接收自迴轉儀影像感測器的每一連續獲得之影像相關聯，以檢測照相機30的運動。數位迴轉儀32的一實施例和由數位迴轉儀32使用的一範例相關聯過程在以下第8圖到第15圖中被詳細描述。
根據相關聯性，控制器42提供第一和第二補償信號58和60以控制光機械調整，用以抗衡照相機30繞著x軸和z軸52、54檢測到之移動，使得保持被選擇之場景44和成像平面34之間實質上固定的關係。在一實施例中，第一補償信號58控制沿著x軸52的調整，而第二補償信號60控制沿著z軸54的調整。
如此處所使用的，“光機械調整”包含可移動之透鏡元件(見以下第4圖中所示)和/或影像平面之移動(見以下第3A圖和第3B圖中所示)的控制，以保持被選擇之場景44和成像平面34之間實際上固定的關係。其不包括對照相機外殼43之位置做出調整以穩定影像。
總之，藉由使用光學元件陣列檢測運動，如一CMOS式影像感測器(本發明的數位迴轉儀32)相對於昂貴的、機械式迴轉儀提供一成本有效的選擇。因此，對於低價格、高容量的成像設備，數位迴轉儀32提供一成本有效的影像穩定裝置。另外，如相對於第3A圖和第3B圖將在以下被詳細描述的，數位迴轉儀32提供具有用於直接回饋控制影像位置之裝置的影像穩定系統，從而改良影像穩定系統的性能。
第3A圖和第3B圖是一般性說明本發明一數位照相機130之實施例的方塊圖和示意圖，該數位照相機130使用一影像穩定系統的實施例。照相機130包括一數位迴轉儀132、一照相機影像感測器134、一照相機物鏡136和一迴轉儀物鏡138。數位迴轉儀132更進一步包括一迴轉儀影像感測器140和一控制器142。
在一實施例中，如所說明的，數位迴轉儀132和照相機影像感測器134被設置在一可移動的平移平台170上。平移平台170由一第一音圈馬達(VCM)172沿著x軸152移動。平移平台170由一第二VCM 174沿著z軸154移動(見第3B圖所示)。數位迴轉儀132、平移平台170和VCMs 172、174一起形成一閉迴路影像穩定系統175，用於穩定經由照相機物鏡136被照相機影像感測器134接收到的影像。在一實施例中(圖未示)，迴轉儀影像感測器140被設置在平移平台170上且控制器142被安置在與平移平台170分開的一位置上。
參考第3A圖和第3B圖，當照相機130聚焦在FOVC 146內被選擇之場景144上時，照相機物鏡136將來自被選擇之場景144的光線148投影到照相機影像感測器134上。類似地，迴轉儀物鏡138接收且將來自FOVG 150內環境的光線投影到迴轉儀影像感測器140上。在一實施例中，迴轉儀影像感測器140包含具有30×30像素陣列的CMOS影像感測 器。在一實施例中，迴轉儀影像感測器140包含16×16的像素陣列。
迴轉儀影像感測器140被組配來獲得FOVG 150內環境之特徵的連續影像。該等連續影像包括特徵的一第一影像和特徵的一第二影像，該特徵之第二影像在第一影像之後的一段時間間隔被獲得，該第一和第二影像包括共同的特徵。在一實施例中，迴轉儀影像感測器140被組配來每秒獲得高達1，000張環境之特徵的影像。在一實施例中，如上所述，當一快門控制按鈕62(見第2圖所示)被一使用者部分或全部按下時，迴轉儀影像感測器140開始獲得連續影像。
控制器142接收來自迴轉儀影像感測器140的連續影像。照相機130繞著x軸和z軸152、154的旋轉使得被選擇之場景144和FOVG 150中之特徵橫跨照相機影像感測器134和迴轉儀影像感測器140分別從一影像被平移到另一影像。為檢測照相機130的此種運動，控制器142使第一和第二影像相關聯以檢測在迴轉儀影像感測器140上之共同特徵之像素位置在第一和第二影像之間的差異。
根據相關聯性，控制器142提供一第一補償信號158給第一VCM 172以抗衡沿著x軸152檢測到之移動，且提供一第二補償信號160給第二VCM 174以抗衡沿著z軸154檢測到之移動。如一範例，以一第二數量(相對於一使用者)使得照相機130的移動分別向下和向左引起被選擇之場景144的平移，以及FOVG 150內之環境特徵相對於照相機影像感測器134和迴轉儀影像感測器140以一第一數量向上和以一第 二數量向右。經由相關聯過程，控制器142檢測此等移動，且從而提供第一補償信號158(引起第一VCM 172以第二數量沿著x軸152向右移動平移平台170)和第二補償信號160(引起第二VCM 174以第一數量沿著y軸154向上移動平移平台170)。在一實施例中，如所說明的，放大器180、182被包括在第一和第二補償信號158、160的信號路徑中以提供需要的信號值給VCMs 172、174。
藉由移動平移平台170用以抗衡照相機130的運動，穩定系統175保持在FOVG 150內環境之特徵和迴轉儀影像感測器140之間實質上固定的關係。因為照相機影像感測器134被設置在平移平台170上，所以對FOVG 150內環境之特徵的運動的抵消自動抵消被選擇之場景144相對於照相機影像感測器134的運動，從而穩定被影像感測器134接收到的被選擇之場景144的影像，且減少在因此產生的照相影像中的模糊。此外，和照相機影像感測器134相呼應，藉由在平移平台170上移動迴轉儀影像感測器140，穩定系統175提供影像位置(即被選擇之場景144)的直接回饋控制，從而改良系統性能。
第4圖是說明本發明一照相機230之實施例的方塊圖和示意圖，該照相機230使用一影像穩定系統的另一實施例。照相機230使用數位迴轉儀232、一影像平面234、一照相機物鏡236和一迴轉儀物鏡238。數位迴轉儀更進一步包括一包含像素元件陣列的迴轉儀影像感測器240和一控制器242。在一實施例中，影像平面234包含感光性成像軟片。 在一實施例中，影像平面234包含一影像感測器。
照相機230更進一步包括一對補償透鏡，該對補償透鏡包括一可移動的凹透鏡元件290和一被固定設置的凹透鏡元件292。一第一VCM 272響應於第一補償信號258而沿著x軸252移動凹透鏡元件290，而一第二VCM(圖未示)響應於第二補償信號260而沿著z軸移動凹透鏡元件290。數位迴轉儀232、第一和第二VCMs、可移動凹透鏡元件290和被固定設置的凹透鏡元件292一起形成一開迴路影像穩定系統275。
在類似於上述相對於第3A圖和第3B圖之數位迴轉儀132的方式中，藉由使在迴轉儀物鏡238視場內之環境特徵的第一和第二影像相關聯，數位迴轉儀232檢測照相機230繞著x軸和z軸的旋轉。根據相關聯性，數位迴轉儀提供第一和第二補償信號，該等補償信號引起第一和第二音圈馬達沿著x軸和z軸移動透鏡元件290一適當的距離，以抗衡照相機230被檢測到之移動。照相機影像感測器234和數位迴轉儀232保持固定。藉由控制凹透鏡元件290的移動以抗衡照相機230的移動，凹透鏡元件290和被固定設置之凹透鏡元件292一起工作以相對於影像平面234平移經由照相機物鏡236接收到的光線，從而影像令相對於影像平面234實質上保持固定。
迴轉儀影像感測器240和代表視場內環境之特徵且經由迴轉儀物鏡238接收之光線之間的關係並不被類似地調整。如此，穩定系統275是一開迴路系統，其不接收影像位置(例如第3A圖中被選擇之場景144)的直接回饋。
第5圖是說明一影像感測器和一相對應物鏡之間關係的示意圖，如第1圖所說明的數位迴轉儀32之迴轉儀物鏡38和迴轉儀影像感測器40。迴轉儀影像感測器40包含具有dA寬度(如292所標示的)的像素陣列，每一個別像素如像素294實質上具有相同的寬度dP(如298所標示的)。迴轉儀物鏡38的視場(FOVG)50(以弧度為單位)等於迴轉儀影像感測器40之寬度dA 292和透鏡38之焦距(f)299的比率。
為使數位迴轉儀32檢測運動，迴轉儀影像感測器40和FOVG 50必須被轉動至少某一最小角度。當照相機30是一數位照相機時，當照相機30被轉動某一最小角度而引起在影像感測器34上一像素在接收到之影像的位置中位移時，由照相機影像感測器34獲得之影像開始出現顯著的模糊。此等最小角度被稱為迴轉儀影像感測器40和照相機影像感測器34的角解析度。
如果迴轉儀影像感測器40的角解析度比照相機影像感測器34的角解析度大，則數位迴轉儀32在由照相機影像感測器34獲得之影像開始模糊之前不能檢測到照相機30的運動。在此例中，數位迴轉儀32不能充分抵消照相機30的移動，且因此不能充分穩定由照相機影像感測器34接收到之影像。根據以上所述，數位迴轉儀32的角解析度不應該超過照相機影像感測器34的角解析度，且想要的是迴轉儀影像感測器40的角解析度實質上相配照相機影像感測器34的角解析度。
迴轉儀影像感測器40的角解析度是基於迴轉儀透鏡38的焦距和迴轉儀影像感測器40的最小可檢測之影像運動。最小的可檢測影像運動依次與由迴轉儀影像感測器40使用的像素大小相關聯。像素大小影響影像品質，其中通常像素大小越大，影像品質越好。在一實施例中，陣列38包含一個具有一大約等於1/16像素之最小可檢測影像運動的30×30的60微米像素陣列。以16除60微米等同3.75微米的一最小可檢測影像運動。如果迴轉儀透鏡38的焦距是10毫米，則3.75微米的最小可檢測運動等同0.375毫弧度的角解析度。轉換的度數等同於大約0.0215度的一角解析度。
照相機影像感測器34的角解析度是基於像素的大小和照相機物鏡36的焦距。如一範例中，一個低檔數位照相機包括一具有5.7毫米焦距的透鏡且使用一個300萬像素的影像感測器，其中像素大小大約是2.6微米(不同照相機之間的像素大小隨之改變)。以5.7毫米除2.6微米等同於大約0.46毫弧度的角解析度。轉換的度數等同於大約0.026度的一角解析度。其良好相配上述具有0.0215度之角解析度的數位迴轉儀。
根據以上描述，為使迴轉儀32的角解析度相配照相機影像感測器34的角解析度，迴轉儀影像感測器40的最小可檢測運動可被調整且/或回轉儀物鏡的焦距可被調整。不過選擇具有焦距299的迴轉儀物鏡38(導致迴轉儀影像感測器40的角解析度相配照相機影像感測器34的角解析度)比調整迴轉儀影像感測器40的最小可檢測運動簡單的多。如此，迴轉儀物鏡38可以以逐照相機式(camera－by－camera)基礎被選擇，使得數位迴轉儀32的角解析度與照相機影像感測器34的角解析度最佳相配。在一實施例中，當照相機物鏡36包含一具有可變焦距的變焦透鏡時，當變焦透鏡36在遠攝位置時(即“移向目標”)，數位迴轉儀的角解析度被設計成實質上與照相機影像感測器34的角解析度相配。當反向一廣角位置時，變焦透鏡36在遠攝位置上具有最長的焦距。
除了角解析度，當設計一使用一數位迴轉儀之影像穩定系統時考慮的另一因素是迴轉儀影像感測器的視場，如第1圖所述之數位迴轉儀影像感測器40的FOVG 50。如上所述且參考第3圖，影像感測器的視場(以弧度為單位)被定義為影像感測器之寬度對相對應之物鏡之焦距的比率(如dA 292對f 299的比率)。
參考上述用於描述角解析度的範例，迴轉儀影像感測器之30×30的60微米像素陣列具有約10度的視場(如第1圖的FOVG 50)，而300萬像素的照相機影像感測器具有約50度的視場(如第1圖的FOVC 46)。如此，迴轉儀影像感測器的視場僅是照相機影像感測器之視場的1/5寬。因此，存在一種可能是被迴轉儀影像感測器觀察到的影像部分不包含一高對比特徵，數位迴轉儀可使用一參考來檢測運動。
按照以上所述，提供具有足夠大視場的迴轉儀影像感測器很重要，其使得增加呈現一高對比特徵的可能性。一種增加迴轉儀影像感測器之視場的方法是減少迴轉儀物鏡的焦距，如第1圖的迴轉儀物鏡38。不過減少迴轉儀物鏡的焦距將減少迴轉儀影像感測器的角解析度。
如第6圖所示，一種增加迴轉儀影像感測器(如第1圖之迴轉儀影像感測器40)之視場的方法是使用一迴轉儀物鏡陣列，如所示的迴轉儀物鏡300a、300b和300c。參考第5圖，如果每一透鏡具有與迴轉儀物鏡38相同的焦距(f)299，則使用透鏡陣列300a、300b和300c的迴轉儀影像感測器40之有效視場大約是僅使用物鏡38時視場的三倍。在所說明的範例中，三個透鏡300a、300b和300c在迴轉儀影像感測器40上產生三個重疊的影像。如此，儘管迴轉儀影像感測器40的對比將被縮小，但檢測一高對比特徵的可能性將被增加。
在一實施例中，如第7圖所示，照相機物鏡36被分派給迴轉儀影像感測器40，從而消除對獨立迴轉儀物鏡的需要，如第1圖所示的迴轉儀物鏡38。
第8圖是說明本發明一數位迴轉儀(如數位迴轉儀32)之實施例的方塊圖。在一實施例中，數位迴轉儀32(如第8圖中所示)在一個單一積體電路晶片中被形成。該晶片是設計用於獲得和處理二維影像的一類比信號處理晶片，提供補償信號以抗衡一相關聯的成像設備(如照相機30)之運動，經由被獲得之二維影像的相關聯性被檢測到。
在第8圖所示之實施例中，數位迴轉儀32的迴轉儀影像感測器40包含一個三十二橫列六十八直行的光學元件陣列408。一個六十八直行的轉移放大器陣列400以一橫列到橫列方式從迴轉儀影像感測器408轉移信號到一個六十四個DC移除電路陣列402。一計算陣列404接收來自DC移除電路402的資料且執行資料的計算，以在406提供補償信號(即第1圖的第一和第二補償信號58和60)給一晶片外系統，該系統根據補償信號406抗衡相關聯之成像設備的運動(如第3A圖和第3B圖的平移平台170和VCMs 172、174)。
在缺少傳統的整合光感測器之逐單元校準情況下，靈敏度的一些變化作為積體電路處理技術之限制結果出現。如第8圖所示之數位迴轉儀晶片32計算在第一或參考影像和實質上在相對於迴轉儀影像感測器408的一不同位置上被獲取之第二影像之間的相關聯性。在照明和光學元件靈敏度中的任何變化將降低相關信號。因此，第8圖的空間DC移除電路402已被組配來維持相關信號的完整性，同時保持相對較低的系統成本。低空間頻率在照明和光學元件靈敏度中變化，另外其可破壞移除自導航影像相關信號。
對DC移除電路402之操作的理解並不苛求完全理解計算陣列404的運作，因此此處沒有詳細描述。不過理解直行轉移放大器400的基本運作是有用的。
參考第9圖，六十八直行光學元件的五個直行412、414、416、418和420被顯示。對每一直行，三十二橫列的六個422、424、426、428、430和432被表示。每一直行與一分離的轉移放大器434、436、437、438和439運作地相關聯。藉由關閉一讀取開關440，在一直行中的一光學元件被連接到運作相關聯的轉移放大器。在第9圖之電路的運作中，沒有兩個光學元件被同時連接到相同的轉移放大器。
每一轉移放大器434-439作為一積分器運作且包括被 連接到一固定電壓源的一輸入442。一第二輸入444被一轉移電容器448電容連接到轉移放大器的輸出446。
在第9圖的電路運作中，光學元件之第一橫列422的讀取開關被關閉，從而每一轉移電容器448接收對應於光能量的電荷，光能量在第一橫列中相關聯的光學元件上被接收到。接收到之電荷經由輸出線446被轉移到隨後的處理電路。一個單一橫列的讀出估計在200ns和300ns之間。在讀出第一橫列之後，第一橫列的讀取開關被打開且轉移放大器被重置。為了從第二橫列的光學元件轉移信號，第二橫列424的讀取開關然後被關閉。過程被重複直到每一橫列光學元件被讀取。
藉由第9圖之轉移放大器434-439的運作，光學元件信號以逐橫列方式被轉移到隨後的電路。第8圖的DC移除電路402繼續光學元件信號的平行處理，如直行轉移放大器所確定的。DC移除電路輸出六十四個信號且由在導航感測器408接收到之光能量代表。在第8圖的實施例中，信號的一圖框由計算陣列的像素值組成，該等像素值由六十四個信號的三十二個轉移從DC移除電路獲得。
第10圖說明一被本發明一數位迴轉儀(如數位迴轉儀32)使用之過程的實施例，用於檢測一相關成像設備(如照相機30，見第1圖中所示)的移動。儘管參考對標示數位迴轉儀之視場內環境特徵之光學元件信號的處理，本發明被描述，但此方法並不限制任何一應用。
過程被執行以使環境特徵的一參考圖框與隨後的環境圖框相關聯。實際上，相關性比較影像特徵的位置(其等是參考圖框和隨後圖框的共同處)，用以提供與相關成像設備在獲得參考圖框和隨後圖框之間的時間間隔的移動相關的資訊。
最初在450，信號的一參考圖框(即一參考影像)被獲得。參考圖框被認為是一開始位置。藉由稍後獲得來自導航感測器之信號的一樣本圖框452，在稍後與一影像區域相關聯之導航感測器的位置可被決定出，且然後計算相對於參考圖框和稍後獲得之樣本圖框的相關值454。
獲得初始參考圖框450可發生在成像過程開始之後。例如，在一實施例中，如早先所提到的，藉由壓下相關成像設備的快門控制按鈕(如第2圖的快門控制按鈕62)，獲得步驟可被觸發。
當運動檢測被計算地執行時，參考第11圖的概觀，此實施例的概念被描述。7×7像素的一參考圖框456被顯示為具有一T－形特徵458的一影像。在一隨後的時間(dt)時迴轉儀影像感測器408獲得一第二或樣本圖框460，其相對圖框456被移位，但其實質上顯示相同的特徵。持續時間dt被較佳設定，因此在相關成像設備(如照相機30)之平移速率下T形特徵458的相對位移少於導航感測器的一像素。
如果在獲得信號之參考圖框456和獲得信號之樣本圖框460之間的時期成像設備已移動，則T形特徵將被移動。當較佳實施例的dt少於允許一全像素移動的時間時，第11圖的概念表示顯示特徵458由一全像素向上和向右移動。全像素移動僅被假定為簡化表示。
第11圖中的柵格462代表在7×7圖框陣列460內一特殊像素之像素值的連續位移。連續位移是到8個最近相鄰像素的個別偏移。也就是說，步驟“0”不包括一位移，步驟“1”是向上且向左的斜位移，步驟“2”是向上位移等。對於樣本圖框460的所有像素，位移被同時執行。如此，9個像素位移的圖框可與參考圖框456組合以產生位置圖框的陣列464。標示為“位置0”的位置圖框不包括一位移，因此結果僅僅是圖框456和460的組合。“位置7”具有最小數目的陰影像素，從而圖框具有最高的相關性。根據相關結果，樣本圖框460中T－形特徵458的位置被決定為相對於早先被獲得之參考圖框456中相同特徵的位置向右且向上斜位移，其意味著在時間dt成像設備向下且向左移動。
儘管其他相關性方法可被使用，不過一可接受的方法是一“平方差之和”相關性。對於第13圖的實施例，存在從部分462的9個偏移形成的9個相關性係數(Ck＝C0,C1...C8)。另一選擇考慮樣本圖框460的位移，因為藉由偏移參考圖框456且剩下樣本圖框不位移，相關性平等良好地運作。
相關性被用於尋找參考圖框456和樣本圖框460共同的特徵458的位置，以決定特徵的位移。如上所述，如第3A圖和第3B圖為例，照相機影像感測器34的位置被調整，使得抵消由隨後樣本圖框和參考圖框456之相關性檢測到的運動。儘管此過程提供一高度相關性，不過當每一連續樣本圖框460與參考圖框456相比較時，錯誤(即使是較小的錯誤)可隨著時間過去累積。如果允許隨著長時間過去累積錯誤，則此等錯誤可導致不足抵消檢測到之運動，且因此導致不足穩定影像。這對於第4圖所示之開迴路穩定系統275尤其確實。
根據以上所述，在一實施例中，如果從初始參考圖框456被獲得後經過很長時間沒有相片被照相機30攝取，則一新的參考圖框456被獲得。另外，在一實施例中，如果照相機30的使用者大幅移動照相機，從而在樣本圖框460和參考圖框456之間沒有共同特徵，則一新的參考456被獲得。
如此，再次參考第10圖，在454的每一相關值計算之後，在466做出一決定，關於在隨後的相關處理之前是否替換參考圖框。如果決定參考圖框不被替換，則在步驟468做出一決定，關於是否平移參考圖框的信號即像素值。如果做出不替換參考圖框456的決定，則過程返回到452以獲得一下一個樣本圖框且過程繼續。如果做出替換參考圖框的決定，則第11圖中的樣本圖框460變成新的參考圖框，如第10圖中的472所示。然後在452一下一個樣本圖框被獲得且過程繼續。
藉由決定改變參考圖框和樣本圖框之間共同特徵的位置，迴轉儀影像感測器408和被攝像之環境之間的相對移動被檢測到。根據由相關性檢測到的移動，數位迴轉儀32提供補償信號406以控制補償測量，用以抵消檢測到之運動，使得保持在一被攝影之場景和一成像設備之影像平面(如數位照相機的一照相機影像感測器)之間實質上固定的關係，從而減少影像模糊。
第12圖是第8圖之計算陣列404內的個別單元的示意圖。不過如本領域熟習該項技藝的人士所能理解的，其他電路可被用於執行第10圖和第11圖所述的過程。
影像資料WDATA(i)代表來自一特殊光學元件的光能量，該光學元件在線468被載入計算單元466中，一電荷補償的電晶體開關470在WR(j)信號的控制中。在WR(j)信號被完全表明後，新的資料被保存在電容器472上且被一放大器474緩衝。計算單元是一個二維單元陣列內的資料單元。簡單參考第11圖，此單元可被用於儲存像素值且對於7×7陣列中的一單一像素移動像素值，該7×7陣列包含圖框456和460。第12圖的CDATA節點476是計算陣列內的一CDATA節點，該計算陣列允許對信號之一圖框的所有像素同時進行信號處理。最初，CDATA節點陣列共同形成比較影像或“參考圖框”。如以下所要解釋的，CDATA節點隨後形成樣本圖框。控制輸入CDOUT 478選擇信號CDATA、比較資料或對最近相鄰的輸出節點NN(0)480選擇REFOUT。
最近相鄰的輸入NN(0)－NN(8)480、482、484、486、488、500、502、504和506在線508上被開關控制信號S(0)－S(8)的裝置個別選擇。依據第11圖的像素地圖462，NN(0)－NN(8)輸入480－506是最近相鄰單元的輸出。因此，節點480被顯示為散開連接到最近相鄰單元的輸出和單元466的輸入。開關控制信號由一個4－9編碼器(圖未示)產生，該編碼器在計算陣列的外部。4位元輸入的編碼器被稱為最近相鄰位址且呈現從0000(0)到1000(8)的二進位值。
最近相鄰的輸入(NNINPUT)節點510被脈衝REFLD 512取樣，從而在節點REFH 514上儲存NNINPUT。類似地，REFDATA 516可被脈衝REFSFT 520取樣且被保存在REFSH 518上。
對於測試，ROWTSTB 522可被表明，允許NN(0)信號傳播到TEST輸出524。來自一單元橫列中每一單元的TEST信號連接到計算陣列之每一直行中共同的垂直匯流排，且在陣列底部被多工以及在晶片外被驅動。沿著陣列左邊緣的標準橫列解碼器允許選擇一特殊橫列用於測試。不過測試特徵對於本發明並不是臨界的。
在單元陣列中的每一計算單元466具有一電路526，該電路526決定由第10圖中參考步驟454識別的相關值。一第一輸入528接收來自REFDATA節點516的參考資料。一第二輸入530提供在線508上由適當開關控制信號選擇的最近相鄰輸入NNINPUT。相關單元的輸出532是電流。在計算陣列中的所有相關輸出在追蹤電路534的一單一晶片外的求和電阻器中一起被求和。在第12圖中橫跨求和電阻器產生的電壓被稱為相關值。
在第12圖的實施例中，電路526是基於一平方差的計算。單元466可被修改以在沒有修改陣列的基本結構情況下，提供乘積式相關性。控制輸入S(0)－S(8)、REFLD、REFSFT和CDOUT環繞整個陣列。
重要的是理解第11圖中對於一單一單元和整個陣列由462代表之最近相鄰的地圖之間的關係。影像的位置0指的是影像的目前位置。當提到一影像從位置0到位置1的移動時，代表的是陣列所有單元中的影像信號被向左且向上移動到相鄰單元。也就是說，移動與計算陣列中的一單一單元相關且與陣列中的每一單元相關。
根據影像獲得、參考影像載入和相關性計算，計算陣列的功能性可被描述。影像獲得指的是經由每一計算單元466的WDATA線468載入新影像信號。在本實施中，每40微秒信號的一新圖框(即像素值)經由直行轉移放大器和DC移除放大器從光學元件陣列被獲得。
載入一新影像的過程被稱為一“圖框轉移”。圖框轉移大約需要10微秒來完成。圖框轉移控制電路在圖框轉移期間表明一信號FTB(圖未示)。藉由觀察和同步於FTB信號，下述的計算陣列之運作與圖框轉移過程相配合。一新的比較影像的有效性被FTB信號的下降邊緣表示。僅當FTB未被表明時下述的運作是適當的。
載入像素值的一參考圖框在任何影像相關性被計算之前被獲得。為了載入參考圖框，在計算陣列中CDATA節點476的所有信號必須被轉移到REFH節點514。藉由設定CDOUT 478和S(0)高且在線512上脈衝調製REFLD信號，其可被實現。
在一參考圖框被載入之後，計算陣列準備計算相關性。藉由設定最近相鄰位址為想要的值且記錄橫跨位移追蹤電路534之求和電阻器產生的結果電壓，像素值之參考圖框和隨後之樣本圖框之間的相關性被計算出。當相片接收器陣列移動一單一像素到參考圖框被獲得的位置一段距離時，一強相關性在一個最近相鄰位置將被檢測到，因為此處有最小位准的輸出電流。在第11圖中，相關性被檢測到在陣列464的位置7(POSITION 7)上。藉由從二維相關空間中的多電流輸出讀數中插值，子像素移動可被決定。需要注意的是藉由設定CDOUT 478低且脈衝調製REFSFT 520，參考圖框和其自身之間的相關性可被計算出。其使得最近相鄰的輸入來自參考圖框而不是來自樣本圖框。
需要注意的是第8圖到第12圖僅描述本發明之數位迴轉儀32的一示範性實施例。其他電路設計和過程可被數位迴轉儀32使用以獲得影像且使影像相關聯以檢測運動。另外，儘管此處的描述主要相對於靜止照相機，但本發明所講授的可容易適用於可攜式攝像機和其他提供運動圖像的成像裝置應用中。例如，當應用到可攜式攝像機時，數位迴轉儀可被設計成當可攜式攝像機橫跨被選擇之場景搖攝時更新參考圖框，且被設計成包括濾除由可攜式攝像機搖攝或移動場景中的物體引起的有意運動和無意運動(如由人體肌肉顫動引起的)之間的區別。
儘管特定實施例在此處已被說明和描述，但本領域熟習該項技藝的人士明白，多種其他和(/或)等效的實施可代替被顯示和描述的特定實施例，而沒有脫離本發明的範圍。此應用想要覆蓋此處討論之特定實施例的任何修改和變化。因此，此發明僅被申請專利範圍和其中的等效項所限制。
30、130、230‧‧‧照相機
32、132、232‧‧‧數位迴轉儀
34、234‧‧‧影像平面
36、136、236‧‧‧照相機物鏡
38、138、238‧‧‧迴轉儀物鏡
40、140、240‧‧‧迴轉儀影像感測器
42、142、242‧‧‧控制器
43、143‧‧‧照相機體或外殼
44、144‧‧‧被選擇之場景
46、50、146、150‧‧‧視場
48、148‧‧‧光線
52、152、252‧‧‧x軸
54、154‧‧‧z軸
56‧‧‧y軸
58、60、158、160、258、260‧‧‧補償信號
62‧‧‧快門控制按鈕
134‧‧‧照相機影像感測器
170‧‧‧平移平台
172、174、272‧‧‧音圈馬達
175‧‧‧閉迴路影像穩定系統
180、182‧‧‧放大器
290‧‧‧可移動的凹透鏡元件
292‧‧‧被固定設置的凹透鏡元件
294‧‧‧像素
298‧‧‧寬度
299‧‧‧焦距
300a~300c‧‧‧迴轉儀物鏡
400‧‧‧轉移放大器
402‧‧‧DC移除電路
404‧‧‧計算陣列
406‧‧‧補償信號
408‧‧‧迴轉儀影像感測器
410‧‧‧控制邏輯
412~420‧‧‧直行光學元件
422~432‧‧‧橫列光學元件
434~439‧‧‧轉移放大器
440‧‧‧讀取開關
442、444‧‧‧輸入
446‧‧‧輸出
448‧‧‧轉移電容器
450、452、454、466、472‧‧‧過程
456‧‧‧參考圖框
458‧‧‧T-形特徵
460‧‧‧樣本圖框
462‧‧‧柵格、像素地圖
464‧‧‧位置圖框的陣列
468‧‧‧線
470‧‧‧電晶體開關
474‧‧‧放大器
476‧‧‧節點
478‧‧‧控制輸入
480~506‧‧‧節點
508‧‧‧線
510‧‧‧最近相鄰的輸入節點
514‧‧‧REFH節點
516‧‧‧REFDATA節點
518‧‧‧REFSH節點
520‧‧‧REFSFT節點
522‧‧‧ROWTSTB節點
524‧‧‧TEST輸出
526‧‧‧電路
528、530‧‧‧輸入
532‧‧‧輸出
534‧‧‧追蹤電路
536‧‧‧放大器
540‧‧‧REFOUT輸出
第1圖是一般性說明本發明的一照相機之一實施例的方塊圖，該照相機使用一被設計成一數位迴轉儀的運動感測器。
第2圖是第1圖之照相機的簡化等距圖。
第3A圖是本發明一照相機的方塊圖和示意圖，該照相機使用一影像穩定系統。
第3B圖是說明第3A圖之影像穩定性的方塊圖和示意圖。
第4圖是本發明一照相機的方塊圖和示意圖，該照相機使用一影像穩定系統。
第5圖是一般性說明一影像感測器和一相對應之物鏡之間關係的示意圖。
第6圖是說明本發明一透鏡之實施例的方塊圖和示意圖，該透鏡組配與一數位迴轉儀一起被使用。
第7圖是說明本發明一透鏡之實施例的方塊圖和示意圖，該透鏡組配與一數位迴轉儀一起被使用。
第8圖是說明本發明一數位迴轉儀之實施例的方塊圖。
第9圖是說明相片接收器陣列部分和第8圖之數位迴轉儀的轉移放大器的方塊圖和示意圖。
第10圖說明本發明被一數位迴轉儀使用之過程的實施例，用於經由影像相關聯性檢測運動。
第11圖是第10圖之過程部分的示意性代表圖。
第12圖是第8圖之計算陣列404內的個別單元的示意圖。
30．．．照相機
32．．．數位迴轉儀
34．．．影像平面
36．．．照相機物鏡
38．．．迴轉儀物鏡
40．．．迴轉儀影像感測器
42．．．控制器
43．．．照相機體或外殼
44．．．被選擇之場景
46．．．視場
48．．．光線
50．．．視場
58、60．．．補償信號

Claims (16)

  1. 一種組配來控制對一成像設備之移動的補償之運動感測器，該成像設備在一影像平面上接收代表一被選擇之場景的光線，該運動感測器包含：一光學元件陣列，組配來獲得在該運動感測器之一視場內的一環境之特徵的連續影像；包括特徵的一第一影像和在第一影像之後的一時間間隔獲得之特徵的一第二影像，該第一和第二影像包括共同的特徵，一控制器，組配來接收且使該第一和第二影像相關以藉由檢測相對於該光學元件陣列之共同特徵的位置差異來檢測該成像設備繞著一第一軸和一第二軸在該時間間隔期間的移動，且根據相關性提供第一和第二補償信號以控制光機械調整，以抗衡檢測到的該成像設備繞著該第一軸和該第二軸的移動，使得保持在被選擇之場景和成像平面之間一實質上固定的關係，以及一物鏡，用以導引光至該光學元件陣列，其中該運動感測器之該光學元件陣列及該物鏡經組配以具有一角解析度，該角解析度實質上相配一照相機影像感測器的角解析度，且當一變焦透鏡在該變焦透鏡具有其最長焦距處之一攝遠位置中時，該角解析度實質上相配該成像設備之該變焦透鏡的角解析度。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之運動感測器，其中該第一影像包含一參考影像。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之運動感測器，其中該環境 之特徵的連續影像的一第一影像包含該參考影像，且該等連續影像的每一隨後被獲得之影像和該參考影像相關聯以檢測該成像設備的移動。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之運動感測器，其中該運動感測器包含一積體電路封裝，該積體電路封裝包括該光學元件陣列和該控制器。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之運動感測器，其中該光學元件陣列包含一互補金屬氧化半導體影像感測器。
  6. 一種成像設備，其包含：一平臺，可沿著一第一軸和一第二軸移動；一成像平面，被置於該平臺上且被組配來接收代表一被選擇之場景的光線；以及一運動感測器，包含：一光學元件陣列，被置於該平臺上且組配來獲得在該運動感測器一視場內一環境之特徵的連續影像；包括特徵的一第一影像和在該第一影像之後的一時間間隔被獲得之特徵的一第二影像，該第一和第二影像包括共同特徵，以及一控制器，組配來接收且使該第一和第二影像相關聯，以藉由檢測相對於該光學元件陣列之共同特徵的位置差異而檢測該成像設備繞著該第一軸和該第二軸在該時間間隔期間的移動，且根據相關性提供第一和第二補償信號，以控制該平臺的移動以抗衡該成像設備繞著該第一軸和該第二軸檢測到的移動，使得保持在被選擇 之場景和成像平面之間一實質上固定的關係；一與該成像平面相關之照相機變焦物鏡及一與該運動感測器相關之運動感測器物鏡；其中該運動感測器物鏡具有一焦距，使得當該照相機變焦物鏡在該照相機變焦物鏡具有其最長焦距處之一攝遠位置中時，該運動感測器之該光學元件陣列之一角解析度實質上相配該成像設備之一影像感測器的一角解析度。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之成像設備，其中抗衡檢測到的該成像設備繞著該第一軸和該第二軸之移動的該平臺移動在該運動感測器之視場內環境和該光學元件陣列之間保持一實質上固定的關係。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之成像設備，包括一第一音圈馬達和一第二音圈馬達，該第一音圈馬達係組配以響應於該第一補償信號沿著該第一軸移動該平臺，該第二音圈馬達係組配以響應於該第二補償信號沿著該第二軸移動該平臺。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之成像設備，複數個物鏡與該運動感測器的光學元件陣列相關聯，每一該複數個物鏡具有一相對應的視場，每一該複數個物鏡的視場組合以形成該光學元件陣列的一有效視場。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之成像設備，其中該複數個物鏡的每一透鏡將在相對應視場內之特徵的一影像投影到該光學元件陣列上，其中特徵的每一影像互相不 同。
  11. 一種用於補償一成像設備的移動之方法，該成像設備在一影像平面上接收代表一被選擇之場景的光線，該方法包含：組配一影像感測器及一物鏡已具有一角解析度，該角解析度實質上相配一照相機影像感測器之角解析度，及當一變焦透鏡具有其最長焦距時，該角解析度實質上相配該成像設備之該變焦透鏡的角解析度；獲得該影像感測器之一環境特徵的連續影像，包括特徵的一第一影像和在該第一影像之後的一時間間隔被獲得之特徵的一第二影像，該第一和第二影像包括共同的特徵；使該第一和第二影像相關聯以藉由檢測相對於該影像感測器之共同特徵的位置差異，檢測該成像設備繞著一第一軸和一第二軸的移動；根據該相關性控制光機械調整以抗衡所檢測到之該成像設備之移動，使得保持在該被選擇之場景和該成像平面之間一實質上固定的關係。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之方法，其中該第一影像包含一參考影像，且該相關聯包括選擇該環境之特徵之連續影像的一初始影像為參考影像。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之方法，包含根據被選擇之運作標準以該等特徵之連續影像的一隨後影像更新該參考影像。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之方法，其中更新該被選擇之運作標準包含該成像設備之移動導致在該第一和第二影像之間沒有共同特徵。
  15. 如申請專利範圍第11項所述之方法，其中，控制光機械調整包含沿著該第一軸和該第二軸調整該影像平面的一位置。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之方法，其中，控制光機械調整包含沿著該第一軸和該第二軸一起調整該影像平面的位置和該影像感測器的一位置。
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