TWI551143B - 具有完整解析度回復之高動態範圍影像感測器 - Google Patents

具有完整解析度回復之高動態範圍影像感測器 Download PDF

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Description

具有完整解析度回復之高動態範圍影像感測器 相關申請案之交叉參考
本申請案主張2013年5月20日提出申請之第61/825,419號美國臨時申請案之權益。
本發明一般而言係關於影像感測器。更特定而言，本發明之實例係關於在一高動態範圍(HDR)影像感測器中所利用之影像處理及信號處理技術。
標準影像感測器具有大約60dB至70dB之一有限動態範圍。然而，真實世界之明度動態範圍大得多。自然場景通常橫跨90dB及90dB以上之一範圍。為同時擷取高光及陰影，已在影像感測器中使用HDR技術來增加所擷取動態範圍。增加動態範圍之最常見技術係將藉助標準(低動態範圍)影像感測器所擷取之多個曝光合併成一單個線性HDR影像，其具有比一單個曝光影像大得多之動態範圍。
最常見HDR感測器解決方案中之一者將使多個曝光進入至一單個影像感測器中。在不同曝光積分時間或不同敏感度(舉例而言，藉由插入中性密度濾波器)之情況下，一個影像感測器可在一單個影像感測器中具有2個、3個、4個或甚至4個以上不同曝光。多曝光影像可使用此HDR影像感測器在一單個拍攝中獲得。然而，與一正常 完整解析度影像感測器相比，使用此HDR感測器會降低總體影像解析度。舉例而言，對於將4個不同曝光組合於一個影像感測器中之一HDR感測器，每一HDR影像將係完整解析度影像之僅四分之一解析度。
100‧‧‧實例性四曝光高動態範圍影像感測器/影像感測器
200‧‧‧實例性影像感測器/影像感測器
300‧‧‧實例性影像感測器/影像感測器
491‧‧‧成像系統
492‧‧‧實例性高動態範圍影像感測器/高動態範圍影像感測器/影像感測器
494‧‧‧讀出電路
496‧‧‧功能邏輯
498‧‧‧控制電路
C1-Cx‧‧‧行
P1-Pn‧‧‧像素/像素單元
R1-Ry‧‧‧列
T0‧‧‧像素區域
T0’‧‧‧資料
T1‧‧‧像素區域/像素資料
T2‧‧‧像素區域/像素資料
T3‧‧‧像素區域/像素資料
參考以下各圖闡述本發明之非限制性及非窮盡實施例，其中除非另外規定，否則貫穿各種視圖相似參考編號係指相似部件。
圖1A係圖解說明根據本發明之教示之一個四曝光HDR影像感測器之一項實例之一圖式。
圖1B係圖解說明根據本發明之教示之一實例性四曝光HDR影像感測器中之其中存在一第一曝光之像素區域之一項實例之一圖式。
圖2係圖解說明根據本發明之教示之一個四曝光HDR影像感測器之一項實例之一圖式，其中該影像感測器之完整解析度係利用一實例性比例放大技術而擷取的。
圖3係圖解說明根據本發明之教示之一個四曝光HDR影像感測器之一項實例之一圖式，其中該影像感測器之完整解析度係利用一實例性像素資料替代技術而擷取的。
圖4係圖解說明根據本發明之教示之一成像系統之一項實例之一圖式，該成像系統包含具有快速圖框內自動聚焦之一影像感測器像素陣列。
貫穿圖式之數個視圖，對應參考字符指示對應組件。熟習此項技術者將瞭解，各圖中之元件係為簡單及清晰起見而圖解說明的，且未必按比例繪製。舉例而言，為有助於改良對本發明之各種實施例之理解，各圖中之元件中之某些元件之尺寸可能相對於其他元件放大。此外，通常不繪示在一商業上可行的實施例中有用或必需之常見而眾所周知之元件以便促進對本發明之此等各種實施例之一較不受阻擋觀 察。
如將展示，本發明揭示關於具有完整解析度之一HDR影像感測器之方法及設備。在以下說明中，陳述眾多特定細節以便提供對本發明之一透徹理解。在以下說明中，陳述眾多特定細節以提供對實施例之一透徹理解。然而，熟習相關技術者將認識到，本文中所闡述之技術可在不具有該等特定細節中之一或多者之情況下實踐或者可藉助其他方法、組件、材料等來實踐。在其他例項中，未詳細展示或闡述眾所周知之結構、材料或操作以避免使特定態樣模糊。
貫穿本說明書對「一項實施例」、「一實施例」、「一項實例」或「一實例」之提及意指結合該實施例或實例所闡述之一特定特徵、結構或特性包含於本發明之至少一項實施例或實例中。因此，貫穿本說明書在各種地方中出現之諸如「在一項實施例中」或「在一項實例中」之片語未必全部係指相同實施例或實例。此外，在一或多個實施例或實例中可以任何適合方式組合該等特定特徵、結構或特性。以下係藉由參考隨附圖式對在本發明之實例之說明中所使用之術語及元件之一詳細說明。
如將展示，根據本發明之教示之實例提供回復在一單個影像感測器晶片中包含兩個或兩個以上曝光之一HDR影像感測器之完整解析度之影像處理技術。應注意，下文所闡述之實例性技術利用一個四曝光HDR影像感測器作為一實例。當然應瞭解，根據本發明之教示亦可利用具有任何複數個曝光之一HDR影像感測器。
在圖1A中所繪示之實例中，圖解說明一實例性四曝光HDR影像感測器100。在所圖解說明之實例中，出於闡釋目的展示一拜耳(Bayer)圖案。然而，應瞭解，根據本發明之教示亦可利用任何其他色彩或非色彩圖案。如在所繪示之實例中所展示，影像感測器100包含如所展示配置成一個二維陣列之複數個像素區域T0、T1、T2及T3。 在該實例中，假定藉助複數個像素區域T0、T1、T2及T3獲得之影像係分別藉助曝光E0、E1、E2及E3獲取的。參考圖1B中所圖解說明之實例，可瞭解，若僅使用影像感測器100之T0像素區域(其中僅存在曝光E0)來擷取一影像，則影像感測器100之像素總數目之僅四分之一可用。換言之，該等像素區域之除T0像素區域之外的其他四分之三在曝光E0時不用來擷取影像，且因此不直接擷取影像感測器100之完整解析度。
存在根據本發明之教示可用來以HDR擷取影像感測器100之完整解析度之多種技術。舉例而言，在一項實例中，可藉助比例放大以HDR來擷取影像感測器100之完整解析度。比例縮放係涉及平滑度與清晰度之間的一折衷之一非普通程序。可利用各種比例縮放方法，諸如(舉例而言)最近鄰內插、雙線性內插、樣條內插或其他基於向量之內插。在一項實例中，可使用雙立方內插方法來針對曝光E0、E1、E2及E3中之每一者獲得一經比例放大影像。假定：T0'=upscale(T0)，T1'=upscale(T1)，T2'=upscale(T2)，且T3'=upscale(T3)，根據本發明之教示，可回復具有不同曝光之其他像素區之影像資料。為圖解說明，圖2展示根據本發明之教示之一實例性影像感測器200，其中針對缺失像素位置(例如，非T0像素區域)使用一實例性比例放大技術來回復影像資料，其中針對E0曝光之經回復T0'資料如所展示。應瞭解，根據本發明之教示，對於E1曝光，可針對非T1像素區域類似地使用經回復T1'資料，對於E2曝光，可針對非T2像素區域類似地使用經回復T2'資料，且對於E3曝光，可針對非T3像素區域類似地使用經回復T3'資料。因此，根據本發明之教示，可針 對所有曝光E0、E1、E2及E3獲得影像感測器100之完整解析度以使用一實例性比例放大技術獲得完整解析度HDR資訊。
在另一實例中，可在HDR影像感測器中利用像素替代，其中假定像素回應相對於曝光時間係線性的。在該實例中，可自其他曝光估計缺失像素位置之像素值。舉例而言，假定：
然後可假定T0_1"=r1×T1
T0_2"=r2×T2
T0_3"=r3×T3
藉由對自其他曝光估計之值進行積分且用自其他曝光估計之值替代缺失像素位置，可因此回復針對T0之完整解析度影像，如在圖3中所圖解說明之實例中所展示，圖3展示根據本發明之教示之一實例性影像感測器300，其中針對缺失像素位置使用一實例性像素資料替代技術來回復影像資料。
根據本發明之教示，對於剩餘曝光E1、E2及E3，可利用類似像素資料替代技術來回復T1、T2及T3像素資料。然而，應注意，若使較長曝光飽和，則所估計曝光像素值丟失，此乃因有用像素資訊因滿井容量而被剪去。在此情形中，根據本發明之教示，可改為使用先前所論述之技術來利用經比例放大影像像素值。
應瞭解，像素替代技術隨著曝光比率增加而遭受一不良信雜比(SNR)。舉例而言，若E0/E3=64，則E3必須應用64x數位增益來獲 得E0之相同數位位準，與E0相比，此可具有低18dB之一SNR。此外，若E3落至影像感測器之非線性回應區域中，則針對E0_3"的所估計值將係不準確的。另一方面，比例放大技術遭受降低之清晰度及/或無效高頻率估計，此由於內插而導致字形假影。
在另一實例中，根據本發明之教示，可基於曝光比率而利用比例放大技術以及像素資料替代技術兩者以回復缺失像素資訊。舉例而言，在一項實例中，
因此，根據本發明之教示，對於一HDR場景，可利用比例放大技術，而對於一低動態範圍場景，可利用像素資料替代技術來回復HDR影像感測器之完整解析度。
在一項實例中，根據本發明之教示，在回復T0、T1、T2及T3之完整解析度影像之後，可使用一HDR組合程序來將T0、T1、T2及T3之完整解析度影像組合成一單個HDR影像。在一項實例中，可執行一色調映射程序，以壓縮動態範圍且產生適合於顯示之一正常影像。
圖4係圖解說明根據本發明之教示包含具有複數個影像感測器像素單元之一實例性HDR影像感測器492之一成像系統491之一項實例之一圖式。如在所繪示實例中所展示，成像系統491包含耦合至控制電路498及讀出電路494(其耦合至功能邏輯496)之一HDR影像感測器492。
在一項實例中，HDR影像感測器492係影像感測器像素單元(例 如，像素P1、P2、P3、...、Pn)之一個二維(2D)陣列。應注意，HDR影像感測器492可係圖1A至圖1B之影像感測器100之一實例或圖2之影像感測器200之一實例或圖3之影像感測器300之一實例，且下文所提及之類似命名及編號之元件類似於如上文所闡述而耦合及起作用。如所圖解說明，每一像素單元被配置至一列(例如，列R1至Ry)及一行(例如，行C1至Cx)中以獲取一人、地方、物件等之影像資料，然後可使用該影像資料再現人、地方、物件等之一2D影像。
在一項實例中，在每一像素單元P1、P2、P3、...、Pn已獲取其影像資料或影像電荷之後，該影像資料由讀出電路494讀出且然後傳送至功能邏輯496。在各種實例中，讀出電路494可包含如上文所論述之HDR處理電路、放大電路、類比轉數位(ADC)轉換電路或其他。功能邏輯496可簡單地儲存該影像資料或甚至藉由應用影像後效應(例如，HDR處理、色調映射處理、剪裁、旋轉、移除紅眼、調整亮度、調整對比度或其他)來操縱該影像資料。在一項實例中，讀出電路494可沿著讀出行線一次讀出一列影像資料(所圖解說明)或可使用多種其他技術(未圖解說明)讀出該影像資料，諸如對所有像素同時進行之一串行讀出或一全並行讀出。
在一項實例中，控制電路498耦合至HDR影像感測器492以控制影像感測器492之操作特性。舉例而言，控制電路498可產生用於控制影像獲取之一快門信號。在一項實例中，該快門信號係用於同時啟用影像感測器492內之所有像素以在一單個獲取窗期間同時擷取其各別影像資料之一全域快門信號。在另一實例中，快門信號係一滾動快門信號，使得在連續獲取窗期間依序啟用每一像素列、每一像素行或每一像素群組。
包含發明摘要中所闡述內容之本發明之所圖解說明實例之以上說明並不意欲係窮盡性或限制於所揭示之精確形式。雖然出於說明性 目的而在本文中闡述本發明之特定實施例及實例，但可在不背離本發明之較寬廣精神及範疇之情況下做出各種等效修改。實際上，應瞭解，特定實例性電壓、電流、頻率、功率範圍值、時間等係出於闡釋目的而提供且根據本發明之教示亦可在其他實施例及實例中採用其他值。
鑒於上文詳細說明，可對本發明之實例做出此等修改。以下申請專利範圍中所使用之術語不應理解為將本發明限制於說明書及申請專利範圍中所揭示之特定實施例。相反，該範疇將完全由以下申請專利範圍來判定，申請專利範圍將根據所建立的請求項解釋原則來加以理解。因此，應將本說明書及各圖視為說明性而非限制性。
200‧‧‧實例性影像感測器/影像感測器
T0‧‧‧像素區域
T0'‧‧‧資料

Claims (8)

  1. 一種自包含複數個像素之一像素陣列讀取像素資料之方法，其中該複數個像素被組織成在該像素陣列中以一圖案配置之複數個像素區域，該方法包括：將複數個像素區域中之每一像素區域曝光達複數個曝光時間中之每一各別曝光時間；自該複數個像素區域讀取像素資料；針對該複數個曝光時間中之每一各別曝光時間，判定該複數個像素區域中之每一像素區域之一曝光比率，其中針對該複數個曝光時間中之每一各別曝光時間之該複數個像素區域中之每一像素區域之該曝光比率等於該複數個曝光時間中之各別曝光時間除以該複數個像素區域中之該像素區域之該曝光時間；針對該複數個曝光時間中之每一各別曝光時間，針對該曝光比率小於一第一臨限值之像素區域，用來自該複數個像素區域中之該像素區域之該像素資料乘以該複數個像素區域中之該像素區域之該曝光比率來替代該複數個像素區域中之每一像素區域之該像素資料，以產生針對該複數個曝光時間中之各別曝光時間之一影像；針對該曝光比率大於一第二臨限值之像素區域，用來自該複數個像素區域中之具有該複數個曝光時間中之該各別曝光時間之該像素區域之該像素資料的一內插來替代該複數個像素區域中之每一像素區域之該像素資料，以產生針對該複數個曝光時間中之該各別曝光時間之該影像；或針對該曝光比率大於該第一臨限值且小於該第二臨限值之像素區域，用來自該複數個像素區域中之該像素區域之該像素資 料乘以該複數個像素區域中之該像素區域之該曝光比率與來自該複數個像素區域中之具有該複數個曝光時間中之該各別曝光時間之該一像素區域之該像素資料的該內插之一組合來替代該複數個像素區域中之每一像素區域之該像素資料；及組合該複數個影像以產生一高動態範圍影像。
  2. 如請求項1之方法，其中該內插該像素資料包括：執行最近鄰內插、雙線性內插、樣條內插、基於向量之內插或雙立方內差中之一者。
  3. 如請求項1之方法，其中該像素陣列中之該複數個像素中之每一像素之一像素回應相對於曝光時間係實質上線性的。
  4. 如請求項1之方法，其中該組合該複數個影像包括對該複數個影像執行一色調映射程序，以壓縮該高動態範圍影像之一動態範圍。
  5. 一種成像系統，其包括：一像素陣列，其包含複數個像素，其中該複數個像素被組織成在該像素陣列中以一圖案配置之複數個像素區域；控制電路，其耦合至該像素陣列以控制該像素陣列之操作，其中該控制電路經耦合以將複數個像素區域中之每一像素區域曝光達複數個曝光時間中之一各別曝光時間；及讀出電路，其耦合至該像素陣列以自該複數個像素區域讀出像素資料，該成像系統經耦合以：針對該複數個曝光時間中之每一各別曝光時間，判定該複數個像素區域中之每一像素區域之一曝光比率，其中針對該複數個曝光時間中之每一各別曝光時間之該複數個像素區域中之每一像素區域之該曝光比率等於該複數個曝光時間中之各別曝光時間除以該複數個像素區域中之該像素區域之該曝光時間； 針對該複數個曝光時間中之每一各別曝光時間，針對該曝光比率小於一第一臨限值之像素區域，用來自該複數個像素區域中之該像素區域之該像素資料乘以該複數個像素區域中之該像素區域之該曝光比率來替代該複數個像素區域中之每一像素區域之該像素資料，以產生針對該複數個曝光時間中之各別曝光時間之一影像；針對該曝光比率大於一第二臨限值之像素區域，用來自該複數個像素區域中之具有該複數個曝光時間中之該各別曝光時間之該像素區域之該像素資料的一內插來替代該複數個像素區域中之每一像素區域之該像素資料，以產生針對該複數個曝光時間中之該各別曝光時間之該影像，或針對該曝光比率大於該第一臨限值且小於該第二臨限值之像素區域，用來自該複數個像素區域中之該像素區域之該像素資料乘以該複數個像素區域中之該像素區域之該曝光比率與來自該複數個像素區域中之具有該複數個曝光時間中之該各別曝光時間之該像素區域之該像素資料的該內插之一組合來替代該複數個像素區域中之每一像素區域之該像素資料；及組合該複數個影像以產生一高動態範圍影像。
  6. 如請求項5之成像系統，其進一步包括功能邏輯，該功能邏輯耦合至該讀出電路以儲存自該複數個像素讀出之該高動態範圍影像資料。
  7. 如請求項5之成像系統，其中該像素陣列中之該複數個像素中之每一像素之一像素回應相對於曝光時間係實質上線性的。
  8. 如請求項5之成像系統，其中該成像系統進一步經耦合以對該複數個影像執行一色調映射程序，以壓縮該高動態範圍影像之一動態範圍，以組合該複數個影像。
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