WO2008037392A1 - Method for determining the colour components of light - Google Patents

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WO2008037392A1
WO2008037392A1 PCT/EP2007/008188 EP2007008188W WO2008037392A1 WO 2008037392 A1 WO2008037392 A1 WO 2008037392A1 EP 2007008188 W EP2007008188 W EP 2007008188W WO 2008037392 A1 WO2008037392 A1 WO 2008037392A1
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PCT/EP2007/008188
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Gregor Fischer
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Fachhochschule Köln
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    • H04N23/88Camera processing pipelines; Components thereof for processing colour signals for colour balance, e.g. white-balance circuits or colour temperature control

Definitions

  • the invention relates to a method for determining the color components of the light of at least one light source by means of at least one image sensor, wherein the at least one image sensor, a divided into image units (pixels) image of a lit with the at least one light source motif is receivable, wherein each image unit for several Color channels a numerical image information is stored.
  • the invention further relates to a photographic or film camera or an additional module for such a camera, in particular with at least one lens and at least one image sensor for taking a single image or a series of images.
  • the invention also relates to a unit for a photographic or film camera for providing color information about the illuminating light.
  • the problem is known that the reproduction of a recorded subject in terms of color largely depends on the color components of the light used or the color temperature of the light is matched to the film material used or the spectral sensitivity of an image sensor in the field of digital photography or film production.
  • the light used can not only originate from a light source, but possibly also from several, which leads to mixed light situations.
  • the problem is solved in digital photography or film production in that used cameras usually perform a so-called white balance, which often does not lead to satisfactory but sufficient photographic or film results.
  • the object of the invention is to determine the color components of the light of at least one light source with sufficient accuracy, in particular independent of the content of a recorded image and to obtain reliable correction values representing the color components of the light used at least one light source, in particular the possibility to offer a white balance not only globally but eg also locally, for example, pixel by pixel to perform, so that mixed light situations are successfully corrected.
  • the object is achieved by a method for determining the color components of the light of at least one light source by means of at least one image sensor, wherein with the at least one image sensor, a picture of a subject illuminated with the at least one light source can be picked up in image units, in particular in at least one image unit for each image unit for a plurality of color channels, a numerical image information is stored and wherein according to the invention a first image is taken and at least a second image is taken which comprises only or at least substantially only the linearly polarized light components of the same motif, whereby by differentiating between the numerical image information each Color channel of at least a portion of the image units of a first and at least one second image numerical difference information is formed.
  • a photo or film camera or an additional module for a photo or film camera in particular with at least one lens and at least one image sensor for taking a single image or a series of images wherein at least two image sensors are provided, wherein before and / or during imaging, a first image sensor with unpolarized and a second image sensor with linearly polarized light or both Image sensors with different linearly polarized light can be illuminated is / are, from the image information of both sensors at least a difference information can be formed, with which the image information of an image sensor can be corrected, in particular for a white balance.
  • the object is also achieved by a unit for a photographic or film camera in which a single image sensor is provided, wherein before and / or during an image acquisition a first image with unpolarized and a second image with linearly polarized light or both images with different linear polarized light can be received, wherein from the image information of both images at least a difference information can be formed, with which the image information of an image sensor of the camera can be corrected, in particular for a white balance.
  • the invention initially assumes that at least one image sensor is used, by means of which a picture subdivided into image units (i.e., pixels per line and column by column) can be recorded in a known manner.
  • This may be the image sensor which is already in use in a recording device, e.g. a camera is provided to take a picture, or one or more separate image sensors, which are used only for carrying out the method.
  • One or more separate image sensors may be incorporated into a camera as a dedicated unit for performing the method, or may be an external unit or external add-on module, which may be e.g. can be connected to the hot shoe of a camera.
  • Such an image sensor can provide an image resolution equivalent to the resolution used to capture photos or movies, such as many megapixels or a significantly reduced resolution, or even just one pixel.
  • an image taken with such an image sensor can have a resolution of one pixel to many megapixels.
  • An image recorded with the at least one sensor thus has one or more image units, which are also referred to as pixels, wherein numerical image information is stored for each image unit for a plurality of color channels on the basis of a color space system.
  • a known color space system can be, for example, the RGB color space in which the primary colors are red, green and blue. Each of these colors forms a color channel in the sense of the invention.
  • the method thus determines the color values (e.g., RGB) of the light color as one or more sensors receive them due to their specific spectral sensitivities.
  • RGB color values
  • the present description understands an image sensor in the sense of the method as an image sensor which receives a plurality of color signals (usually 3-dimensional). Whether an image is captured by a color filter mosaic of adjacent pixels or superimposed color pixels (e.g., Foveon) with only one shot, or multiple shots of changing color filters, is immaterial to the process.
  • a color filter mosaic of adjacent pixels or superimposed color pixels e.g., Foveon
  • the spectral sensitivities of the sensors involved in the process match as well as possible. This applies both to the sensors involved in the determination of the light color (measuring sensors) and also to the main sensor of a camera (image sensor) whose image in a preferred embodiment is to be neutralized to this light color.
  • the resolution of the measuring sensors can be chosen to be significantly lower than that of the image sensor, because the lighting within a scene changes only slightly and then not abruptly.
  • a certain degree of local averaging (which in fact corresponds to a lower resolution) does not detract from the method, because in the electronic evaluation at least for a global white balance a certain averaging of the illumination is made.
  • the image information is obtained by, for example, using a CMOS or CCD sensor for image acquisition, which has corresponding filters for the respective colors of the color channels, so that for each physically represented pixel of this image sensor, each color can be separately recorded and stored .
  • a stored image which is for example subdivided into the same number of image units as the image sensor physically has, three numerical image information can thus be stored for each image unit based on the RGB color space, each of the three image information being assigned to one of the three color channels is. If a different color space is used, one of three different number of color channels can also be taken into account.
  • the invention uses to solve the problem the fact that it comes to bodies that are present in a recorded motif, both to a reflection of the light on the body surfaces as well as to a remission, ie a return of the light from the inside of the body.
  • remitted radiation components from the body are completely unpolarized and determine the individual body color due to a wavelength-dependent absorption.
  • interfaces reflect the spectral light components of one or more light sources almost independently of wavelength.
  • the reflected light is at least partly to completely linearly polarized, depending on the angle at which the reflection from the surface of a body is observed. The highest degree of polarization is present when the reflection takes place at Brewster's angle.
  • the core idea of the invention is based on evaluating the at least partially linearly polarized light of a recorded motif, since this light, as mentioned above, is wavelength-independent and thus represents the color components of the at least one light source used. A corruption by the color of absorbed body can thus be excluded.
  • a first image is taken, which comprises all polarization components or polarization directions of the light and thus both the remitted light components of a or more bodies in a subject, as well as the portions of light reflected from the one or more bodies.
  • the at least one second image only the linearly polarized light components of the same motif are detected, after which, subsequently, the numerical image information of each of them, which is thus present in the two images, is detected Color channel of at least a part, optionally of all image units of an image, the difference is formed so that in the difference information then contained to each of the color channels of each image unit used for the process, the remission component is substantially or completely eliminated and essentially only the reflection component remains on surfaces, which as previously mentioned wavelength-independent and thus indicates the color distribution or spectral composition of the light used for lighting.
  • the recording takes place in such a way that a first image essentially comprises only linearly polarized light components. Otherwise, the procedural procedure as described above. In this case, it is important that the polarization directions of the linearly polarized light, which is detected in the first and a second image, is different, since otherwise no difference remains in the difference formation. Particularly preferably, the polarization directions in the first and a second image can be arranged at 90 degrees to each other.
  • the reflected light component in particular that which was determined by the choice of the polarization direction, thus dominate in the differential image.
  • difference information is present for each image unit of the two images per color channel.
  • three difference information thus result for each image unit to which a difference has been formed, namely one for the color channel red, one for the color channel green and one for the color channel blue.
  • this difference information is available for each of the image units under consideration, according to the invention it is possible, based on this obtained difference information, to correct in an image, in particular an effective white balance locally in a recorded image, i. if necessary, even for each pixel or each image unit of an image. In this case, it may be provided to evaluate only the amount of the difference information, that is to say without taking account of the sign, for correction.
  • difference information can be at the same resolution as a captured image. It can then be made a pixel-by-pixel correction of a captured image. If separate image sensors are used, the resolution with which difference information is present can be obtained, for example. be significantly smaller than the resolution of a main image sensor.
  • the difference information for a correction of an image from a main sensor is assigned in regions to the image units of a recorded image. If, for example, only one image unit is used with image sensors for carrying out the method, then the difference information can be used globally for correction for all image units of a recorded image.
  • the first image taken in accordance with the method can also be used to correct it after the subtraction.
  • the at least one image sensor used to perform the method may be provided to weight and / or average the obtained difference information, e.g. so as to use the weighted / averaged difference information for area or global correction of images or the image units (pixels) of these images.
  • an image sensor e.g., in addition to a main image sensor or alone
  • an image sensor e.g., in addition to a main image sensor or alone
  • at least two image sensors wherein at least one second image is always recorded with a first image sensor and at least one second image sensor with at least one second image sensor at the same time.
  • each image sensor on a camera for carrying out the method can have its own imaging optics, or the image sensors use a common optical system and a subsequent beam splitting in order to illuminate each image sensor with a light beam. If necessary.
  • the optics can be used, which produces a picture of the subject on a main picture sensor of a camera.
  • a linear polarizer for example a polarization filter or a polarization cube.
  • a known photographic or film camera with at least one objective and at least one (main) Image sensor is used to capture a single image or a series of images.
  • an image can first be recorded in a customary manner, in particular which receives the light without any polarization-influencing measures (or with a first polarization direction) and then again of the same motif, but now with polarization-influencing measures or in another polarization direction at least a second image is taken, due to the use of the polarizer essentially only linearly polarized light in a second image and possibly also the first image the way to the image sensor finds.
  • the method according to the invention can thus be carried out with cameras already available on the market only with the aid of a polarizer.
  • cameras or additional modules for cameras which, in addition to a main sensor, also have two separate image sensors for carrying out the method, wherein at least one of the image sensors (after passage of the light of a motif through a polarizer) illuminates with linearly polarized light if necessary, both image sensors will also be illuminated with differently linearly polarized light.
  • a modified, in particular higher amplification in the signal path of an image sensor can be used for this purpose, or it can also be provided to apply to the numerical image information obtained in the second image a multiplier which compensates for the transmission loss.
  • the first image and the at least one recorded second image can be calibrated to each other, in particular so that in the second image, substantially the same or similar signal levels are obtained in relation to the transmitted linear light component as in the first image thereof Motive.
  • the difference formation ensures that the light components based on remission are eliminated and that the spectrally independent reflection components dominate in the difference image thus formed.
  • polarizers are used for both images, a calibration of the images may possibly be omitted, since the transmission loss has the same effect on both images.
  • body surfaces are arranged in different directions in a photographically detected motif, so that reflections of the light used for the illumination and thus of the light source used in particular also take place at different angles. Because of the different orientations of the body surfaces in a scene, there will therefore be reflections at many different angles in a captured image, so that, on the one hand, the intensity of the reflection and, on the other hand, the degree of polarization can be distributed over a recorded image.
  • each (Used) image unit those difference information of image units are selected, which have the highest difference amount at least in one of the color channels or in all of the color channels. This selected difference information can then be used to correct images.
  • a plurality of second images are taken, wherein in each of the second images, the light is recorded with a linear polarization of another polarization direction, in particular for each of a first and one of the second images Difference information are formed.
  • the first image can be recorded with unpolarized light or else with linearly polarized light, as explained above.
  • This method aspect is based on the consideration that, as mentioned above, bodies with different surface orientations can be recorded in a photographed subject, whereby reflections can occur at different angles and thus also with differently oriented linear polarizations.
  • bodies with different surface orientations can be recorded in a photographed subject, whereby reflections can occur at different angles and thus also with differently oriented linear polarizations.
  • difference information can each be formed into a pair of two images, namely a first (unpolarized or polarized) and one of the second polarized images or even between two of the second polarized images, depending on which pair for the difference formation, and thus which Polarization direction was used, reflections from different areas of a recorded motif in each case can dominate the difference image or the difference information to the image units.
  • the difference information is compared to at least a portion of the possible pairs, preferably to each pair of images, thus a comparison of the obtained difference images (to any image pairing, if applicable) takes place and the difference information of one Pair or the difference image of a pair is selected in which there is at least in one of the color channels, optionally in all color channels, the highest difference amount. Accordingly, in the case of these difference information, the reflection component will be highest, so that the difference image with these highest difference components permits a reliable determination of the color components of the light used.
  • This difference image or the difference information of each color channel to each selected image units of this difference image can therefore be used to perform white balance on later captured images, for example per pixel or unit of image or area or globally.
  • a complete difference image is not selected from the different pairs for further processing, but always from all possible pairings, the difference information for a particular image unit representing the strongest reflection component and therefore, as previously mentioned, the highest numerical value. This results in a resulting difference image, which can be composed in each image unit of difference information resulting from different of the original pairings of the recorded images.
  • difference information exists for each of the image units of a first and a second image under consideration, or else between two second images.
  • difference information items corresponding to the number of color channels used in each color space considered, that is, for example, three difference information per image unit of an image in the RGB color space.
  • the difference information for at least one image unit may be used for several or all image units directly or after a conversion in order to correct the image information of an image which has also been taken later, in particular by the correction a white balance is performed.
  • a difference image ie all difference information of second subtracted image information for each image unit can be logarithmized. It is possible to perform global averaging over all the difference information (in particular selectively for each color channel). Or a histogram is created with regard to the frequency of the difference information that occurs. The mean value or the most frequent difference information can then form correction values for each color channel, with which, for example, globally a recorded image can be corrected with regard to the white value.
  • an image is recorded with a specific number of image units, each image unit being able to be associated, for example, with one column and one line of the image, it may be provided that there is difference information on each individual image unit of a recorded image due to prior difference image formation the correction can be made. There is thus the possibility of pixelwise, i. per image unit of a recorded image to perform the white balance.
  • the difference information is weighted so as to form, for example, common difference information for all image units, which can then be used to correct for later recorded images. It then takes place in the later recorded images in each individual image unit a correction, for example, using the same difference information.
  • the difference information present for an image unit is weighted with the difference information of neighboring image units.
  • a new resulting difference information can be formed which takes into account how the difference information is in neighboring image units. It can be achieved so that even in image units that at have a recording only a small amount of reflection, in the future recorded images correct difference information available to perform a later comparison can.
  • the light collected by the lens in a unpolarized and a linearly polarized portion or two differently oriented linearly polarized Shares is split, wherein the two portions are each received by an image sensor and wherein one of the image sensors that a first image and the other image sensor receives a second image.
  • the numerical image information recorded with the first image sensor or those image information of another image sensor provided for the photo or film recording can be corrected.
  • a photographic or film camera or additional module in particular with at least one lens and at least one image sensor for taking a single image or a series of images is used, which comprises two image sensors, wherein before and / or during an image acquisition a first image sensor with unpolarized and a second image sensor with linearly polarized light can be illuminated or the two image sensors can be illuminated with differently linearly polarized light.
  • at least one difference information can be formed from the image information of the two sensors, with which the image information of an image sensor can be corrected, in particular for the abovementioned white balance.
  • the first and the second image sensor are provided separately from an image sensor in the camera, which is used to pick up the image sensor Single frame or the series of images is provided, so separately to a main sensor.
  • the first and the second image sensor may have a lower resolution than the main image sensor which is provided for recording the single image or the series of images.
  • the first and second image sensor can be assigned a single lens or a separate lens, so that with this arrangement of lens and the first and second image sensor substantially same scene is detected as with the main image sensor and the lens, which is used for the actual capture of the desired scene image.
  • the first and the second image sensor are acted upon by light which is coupled out of the main beam path from the main objective and a main image sensor, which is provided for recording the single image or the series of images .
  • Such coupled-out light can be split, for example, after decoupling into an unpolarized and a linearly polarized component or two differently linearly polarized components, wherein these two split components are in each case again supplied to the first and the second image sensor for carrying out the method.
  • a camera having a main image sensor and another image sensor with its own optics (lens) for receiving the same motif, for example, the additional image sensor has a lower physical resolution than the main image sensor.
  • This additional image sensor can be integrated in the camera or in an external additional module.
  • the first image according to the invention can be recorded, which, for example, captures all unpolarized light components or all light components of a first polarization direction.
  • the second separate image sensor only linearly polarized light of the same subject or another polarization direction can be recorded.
  • a polarizer can be provided at least in the optics of the second sensor. Since the second separate image sensor has a lower resolution, it may be provided to select only a part of the image units for carrying out the method from the first image of the main sensor, in particular an area in the image, e.g. a central area corresponding in number and arrangement of the image units to the image units of the second separate image sensor.
  • a difference image from all image units of the image can be created by the second image sensor and the selected image units of the image of the first main sensor.
  • the difference information thus obtained can be used, if necessary after a weighting, averaging, interpolation or summary, to correct the image of the first main sensor, in particular globally.
  • a unit for a photographic or film camera in which only a single image sensor is provided, wherein before and / or during an image acquisition, a first image with unpolarized and a second image with linearly polarized light or both images with different linearly polarized light are absorbable, wherein from the Image information of both images at least a difference information can be formed, with which the image information of an image sensor of the camera can be corrected, in particular for a white balance.
  • a unit can be integrated in a camera or arranged externally, for example attached to the camera via the hot shoe of a camera, in particular via a communication in the hot shoe and the additional module communication is to the camera information for a white balance to convey.
  • the formation of a difference image can take place before or during image acquisition with a main image sensor via the first and second additional image sensors, whereby the obtained difference information can be used to correct the image units of that image. which were recorded with the main sensor.
  • a polarizer means in the sense of the invention any type of polarization-influencing element, e.g. a simple polarizing filter or an array of polarizing filters and / or lambda / 2 or lambda / 4 plates.
  • the polarization-influencing element may also be formed as a liquid crystal device with subsequent polarization filter, in particular wherein the degree of polarization influence is adjustable by different voltages on the liquid crystal array.
  • the polarization-influencing element may be formed as a polarization filter array, which has adjacently arranged surface areas that allow differently polarized light to pass or the polarization-influencing element can be formed as a birefringent element, in particular in front of which a mask, in particular a line mask, is arranged.
  • FIG. 2 shows the effect of different polar filter positions on reflection component and remission component
  • FIG. 3 a diagram of the method for determining the illuminating component
  • Figure 4 different polarization directions by multiple filter-sensor combination
  • Figure 5 different polarization directions through rotatable filter unit with coupled (left) and fixed (right) sensor unit
  • Figure 6 different polarization directions by birefringent
  • Figure 11 shows the structure of a simple sensor module Figure 12
  • Figure 13 shows the structure of a simple sensor module with birefringent
  • Figure 14 shows the structure of a simple sensor module with liquid crystal
  • Figure 15 is a sensor module with liquid crystal
  • beam splitting Figure 16 is a sensor module with Polfilterarray
  • FIG. 17 shows the realization of a polarizer array with a 2-stage structure with birefringent material
  • the aim of the new method is to obtain the light color of the illumination within the scene to be recorded in order to use this information to create a secure automatic white balance in electronic cameras.
  • the method has metrological character and exploits the degree of polarization of light fractions reflected on body surfaces.
  • the reflectance on glossy or even matt surfaces is, to a good approximation, wavelength-independent.
  • the reflected light components of any surface are therefore spectrally composed as the illuminating light and thus achromatic.
  • the degree of polarization of these reflected light components is established by the Fresnel equations (reflection law) and can be evaluated by at least 2 images to be recorded under different polarization directions
  • the remitted light components of body surfaces characterize its color and are almost unpolarized by multiple scattering effects within the body.
  • FIG. 1 shows these relationships.
  • the directed reflection on the left-hand side, as well as the diffuse reflection in the middle, generates at least partially polarized light.
  • the light is unpolarized.
  • FIG. 2 shows the effect of different polarization filter positions.
  • both reflected and remitted portions can pass the polarization filter.
  • the polarizing filter according to the right-hand illustration only the one linearly polarized light component of the remitted light can pass through the filter.
  • the difference formation of images taken under different polarization directions detects the degree of polarization of the achromatic reflection components and makes the colorful unpolarized remission components disappear.
  • One can thus obtain spatially resolved information of the illuminating light color within the scene as received by an image sensor.
  • the ratios of the sensor and illumination-specific light color values are precisely the information needed for an accurate white balance of an image recorded with this sensor.
  • FIG. The practical implementation of the method is shown schematically in FIG. According to this figure, an observed scene is optically imaged and several images are generated. The imaging is thereby divided into polarization filtering, i. the splitting of the incident light into proportions of differently oriented polarizations. The images thus obtained are recorded and a difference is formed. The difference image obtained in each case can be evaluated.
  • the optical image with regard to the resolution and the freedom of geometrical distortion need to meet significantly lower requirements than the optics of the main sensor of a camera.
  • Edge offset, for example, between the partial images or a pronounced lateral chromatic aberration can lead to interference signals in the differential image, which can falsify the measurement result. How are these effects by optical accuracy or corrections or only compensated by an electronic correction in the image evaluation is a question of the desired system design.
  • the viewed image section for determining the light color does not necessarily have to match the image section of the main sensor. Thus it may be desirable, e.g. To extend the field of view by means of a wide-angle or fish-eye optics in order to make the determination of the illuminating light color as robust as possible.
  • the taking of multiple images of the same image section may be e.g. by multiple exposures of a sensor in a temporally short sequence or e.g. by beam splitting into different optical paths with multiple sensors or e.g. by staggered pixel raster between the sub-images on a sensor surface, in particular similar to the color filter array done in simple color sensors.
  • the advantage of using a single sensor is the constancy of the image detail and the spectral transmission characteristic.
  • fast moving objects can lead to the mentioned falsifications of the measurement result.
  • beam splitting with multiple sensors is the simultaneous recording of the difference images, which leads to advantages for fast moving objects.
  • preference should be given to the same image sections and the same spectral characteristic between the sensor paths.
  • these specifications can be met by electronic calibration functions between the sensors.
  • beam splitting for example, optical beam splitters (mirrors or cubes) and / or optical gratings are suitable. It is preferable to ensure that any changes in polarization caused by the beam splitting largely independent of the wavelength of the light.
  • a single sensor with offset pixel raster for different partial images can preferably combine the addressed points in one concept, namely the acquisition of the partial images at one time and the same image section between the partial images.
  • the polarization filtering can be done by polarizing filters, dielectric interfaces or birefringent material. At beams incident on a dielectric interface under the Brewster angle ⁇ B , only the polarization component oscillating perpendicularly to the plane of incidence is reflected.
  • the light propagation is dependent on direction and polarization.
  • a beam which is incident vertically falls into a so-called ordinary ray without deflection and an extraordinary ray with deflection.
  • Both beam components are polarized perpendicular to each other.
  • a double image results, which corresponds to the generation of multiple images (see previous section) and is therefore preferred for the realization of the recording of images with different polarization.
  • the polarization filtering with different orientations can be done mechanically or electronically. Mechanically, different polarization directions can be realized, for example by a multiple implementation of the image acquisition unit with polarizing filter and sensor under different orientations. This is shown for example in FIG. 4.
  • FIG. 5 shows a rotatable filter unit with a simple sensor.
  • FIG. 7 shows an image recording unit on which a polarizing filter array of different polarization directions is applied.
  • rotatable version of the sensor can be connected depending on the structure with the polarizing filter and thus rotated together.
  • a sensor When using a birefringent material, a sensor is sufficient to evaluate a polarization direction. However, it is preferable to use a mask on the input side, in particular a line mask, in order to spatially separate the resulting double image of the perpendicular polarization directions and to assign them to separate pixel regions of the sensor.
  • polarized light components are shaded on the affected sensor areas, which act depending on the mask structure as a free to be designed Polfilterarray (s.u.) Vertical polarization directions.
  • a line structure of parallel and perpendicularly arranged polarization directions results, in the case of a mask in the structure of an exemplary checkerboard pattern corresponding to a checkerboard pattern of perpendicular polarization directions.
  • the polarized pixels may be scattered incompletely. It is preferable to combine a polarizing filter cell with an agglomeration of RGB pixels of the color filter mosaic in order to obtain the polarized RGB color information as locally as possible in a coherent manner.
  • the brightness loss of the polarizer can be compensated by a flat-field calibration in conjunction with an interpolation from the non-polarized environment.
  • a liquid crystal can be combined with a downstream polarization filter. It can thus realize the rotation of the polarization direction without moving parts.
  • FIG. 8 shows an example of such an arrangement.
  • a liquid crystal has birefringent behavior depending on the arrangement of the crystal molecules.
  • An electric field (external applied voltage) allows the orientation of the crystal molecules within the liquid to change, thereby gradually controlling the birefringence.
  • the liquid crystal acts as a switchable phase shifter with preferential direction in principle like a ⁇ / 4 or ⁇ / 2 plate. According to this function, therefore, a liquid crystal can have a linearly polarized light component of suitable orientation, e.g. rotate by exactly 90 ° through a ⁇ / 2 delay, or circularly polarize through a ⁇ / 4 delay (evenly distributed in all directions of vibration such as unpolarized light) or pass unchanged (0 °) without delay.
  • phase shift by a fixed wavelength component only works exactly for a specific wavelength, it is recommended to set the control voltage of the liquid crystal in a color-dependent manner (eg R, G and B). Otherwise, the polarization components are transmitted differently depending on the direction as well as on the wavelength, which can lead to measurement errors in the determined light color. Similar incorrect measurements can be caused by oblique incidence of light.
  • An exact phase position can be determined and set by a suitable calibration specification (flat-field calibration for the polarization direction under consideration) in a color-dependent and location-dependent manner.
  • the difference of the filtered under different polarization directions images takes place in an electronic processing unit on the basis of intensity linear color signals R, G, B.
  • R, G, B intensity linear color signals
  • the difference image is obtained by color channel and pixel-by-pixel subtraction of 2 differently polarized partial images (R, G, B) i and (R 1 G 1 B) 2 according to FIG. 9.
  • the difference image diff is generally signed. Since the further evaluation of the light color involves the color ratios between the R, G and B components of the differential image, this circumstance is negligible because, given a sufficient signal level, the color values of a pixel in the difference image are either all positive at the same time or all negative at the same time (Exception: understeer areas with superimposed dominant signal noise). Without limiting the generality, therefore, the amount of the difference image can also be taken and evaluated to the light color.
  • a first image 1 is shown by way of example above, which is subdivided into individual image units in three columns and three rows.
  • Each of the nine image units here comprises image information for three color channels in this example, which correspond to the colors red, green and blue, ie the RGB color space.
  • three numbers are shown here in each image unit, which correspond in proportion to the proportion of the respective colors in the considered image unit, which were created when a motif was taken.
  • the image 1 is therefore intended to represent a first image within the meaning of the invention in which completely unpolarized light has been recorded or the light of a motif which has arrived at the first image sensor without any polarization influence.
  • light of a first linear polarization direction can be recorded.
  • Figure 2 shows a photograph with the same or an equivalent image sensor in which a polarizing filter was used to detect the image, or another polarization direction was chosen with the polarizer.
  • each color channel RGB is preferably adjusted (unpolarized light / polarized light in one image) by calibration / normalization to the numerical values which have been achieved in FIG. This can be compensated in particular that it comes through the use of a polarizer or a polarizing filter to a transmission loss.
  • a difference is formed such that a difference occurs in each of the nine picture units with respect to each color channel R, G and B.
  • the color channel R for red is slightly dominated in the difference image and an equal distribution is present in the color channels G and B, ie for green and blue.
  • an image is taken with an image sensor having the same resolution, ie, nine image units in this simplified example, it can basically be provided that an individual correction takes place for each image unit with the difference information present for the relevant image unit.
  • the difference information from the difference image is weighted and summarized, for example regionally or globally, to a plurality of difference information per area or only to a difference information for the entire image, so that, for example, in a global summary only There is a single triplet of difference information for the color channels R, G and B, which are used to correct all image units of a captured image.
  • One of the polarized images can be replaced by a suitably normalized unpolarized image.
  • the useful signal level is then halved, but the difference information remains qualitatively preserved.
  • the level adjustment of the unpolarized recording should preferably compensate for the transmittance of the polarization filter.
  • This normalization is preferably determined by a calibration such that unpolarized light components of the scene disappear due to the difference formation.
  • weighting functions W (x, y) according to 3 and 4 can be created, which rate the reliable image areas higher and the less trusted image sites lower.
  • differential images can be calculated from all possible combinations of image pairs from the images Ij recorded under different polarization directions in a possible embodiment:
  • the final difference image Diff (x, y) can be composed, depending on location, from the maximum difference signal, which has the maximum local value:
  • Diff (x, y) ma ⁇ ( ⁇ Diff jk (x, y) ⁇ ) Because these are RGB color images, it is a good idea to make the maximum decision depending on one of the three color channels (eg green channel). If one or more color channels are overdriven (clipping), a different difference image combination can be used (see c) Creation of a measuring technique weighting function).
  • the color of the light depends on the spectral composition of the lighting, regardless of its intensity (brightness).
  • the light color can therefore be represented by a combination of only 2 color components. Since the evaluation is based on intensity-linear sensor signals R, G, B, a histogram analysis also makes sense on linear color components. Assuming equal noise on the color signals, in one possible implementation, this noise may be eliminated by an averaging process, such as histogram analysis (see T).
  • the linear relative color value shares
  • the aim of the metrological weighting function is, not or insecure evaluable
  • the SNR criterion is local filtering with a median filter according to median (Diff).
  • the polarization degree image P (x, y) can be calculated from an image pair Ij (xy) and lk (x, y) and is called Are defined. It is determined separately for the 3 colors and has correspondingly 3 color components Pr 1 Pg, Pb.
  • Diff Jk I ⁇ - I k to the brightness I 1 + I k .
  • it acts as a measure of the evaluability of an object surface, regardless of the brightness of the illumination.
  • Particularly high degrees of polarization achieve glossy surfaces and dark, dull surfaces.
  • it can be used as an essential indicator for the detection of mirror images (critical cases see above).
  • the color composition of the degree of polarization produces a direct connection with the object color.
  • the counter contains a mixed color of light and object color (under the illuminating light color), the denominator only the light color.
  • the reciprocal degree of polarization therefore represents the locally white-balanced object color.
  • neutral objects a combination of three identical color values of the reciprocal polarization degree and thus also the degree of polarization itself results. Neutral objects can therefore be localized within the scene as gray objects in the polarization degree image.
  • the degree of polarization is generally dependent on the angle of incidence of the light rays to the surface of the object. At the so-called Brewster angle, the degree of polarization is maximal. Since the angle of incidence depends essentially on the aperture angle between the camera orientation and the direction of illumination, the average degree of polarization is a global measure of the evaluability and thus of the applicability of the method in general.
  • a brightness measure H (x, y) for example, a linear combination of the 3 color values can be used for the original, difference image and polarization degree image
  • intensity-invariant representations as in b) formation of relative color components (s.o) are suitable.
  • Neutral object regions can be determined, for example, from the color values of the polarization degree image P n P 9 , P b as follows:
  • the image-content-related weighting function W (x, y) can then be created by an essentially logical combination (AND, OR can be implemented by multiplication or addition in the case of continuous features) of the individual feature functions.
  • W scene (GrayObject OR (mirroring AND very bright)) AND
  • the determination of the average dominant light color e.g. results from an arithmetic mean of the histogram distribution:
  • Camera function elements e.g., optics or sensor for the white balance method.
  • FIG. 11 The construction of an exemplary sensor unit of the described method is shown in FIG. 11.
  • Lens and beam splitter mirror 2 images are designed, which are recorded simultaneously via a polarizer-sensor combination.
  • the polarizing filters are rotated in their orientation by 90 ° from each other.
  • the unit thus provides 2 mutually perpendicular polarized images, from which the difference and further the light color can be obtained.
  • additional polarization directions can be recorded and evaluated offset by 45 °.
  • an additional sensor module according to FIG. 12 is used rotated by 45 ° about the optical axis.
  • the same basic function of the sensor module can be realized with a simple optical path using a birefringent material with an upstream line mask according to FIG. 13 or a liquid crystal according to FIG.
  • the sensor module with liquid crystal comes out like the module with birefringent material without beam splitter and a single sensor. With the liquid crystal module, moreover, the two images required for the subtraction can only be recorded one behind the other, which is disadvantageous in the case of moving objects. Even the simple sensor modules with birefringence or with liquid crystal should be doubled by 45 °, either in a separate duplicate or in combination with a beam splitter.
  • Comparable properties such as the latter variant with liquid crystal and beam splitting offer a variant with a polarizing filter array on the sensor surface, which is much easier to implement from the optical setup and with respect to calibration. This is shown in the figures 16. For a reliable function, it is sufficient to apply 2 polarization directions with 45 ° rotation. By subtraction of the polarized colors with the unpolarized environment, all directions in the 45 ° grid can be evaluated. The local normalization factor between the polarized and unpolarized color values can be determined by a flat-field calibration with a polarized white image.
  • the polarizing filter array can be realized by a combination of two masks, in particular with a suitable anti-aliasing filter.
  • Figure 17 shows a polarizing filter array which can be realized by birefringent material in combination with an upstream mask.
  • the 1st stage (upper mask and 1st layer of the birefringent material) is used for filtering the 0790 ° calibration and the 2nd stage (45 ° polarization rotator, intermediate mask and 2nd layer of the birefringent material) filtering 457135 ° -Direction.
  • the difference is the Arrangement of the polarization directions by the 2-stage pre-filtering in the sensor plane to consider.
  • it may be provided to form a polarizing filter array by embedding dichroic crystals in a support and aligning the crystals in the desired direction by means of a static electric field during curing.
  • a wearer it may be e.g. to trade the color filters of a sensor.
  • the measuring device can be installed in a separate housing similar to an external flash unit and connected to the hot shoe of a camera and thus forms an additional module or external unit.
  • the contacts provide power and communication interfaces that allow the light color information to be passed to the camera.
  • the units can also be integrated directly into the camera body and used to measure the light color. In this case, it must be ensured by a suitable positioning in the housing that the optics can not be concealed accidentally and the image section of the sensor is not unnecessarily limited by the camera lens.
  • existing beam paths can be expanded by beam splitting and adapted to the described method.
  • the sensor modules in the previous section can be transferred to this situation, possibly can be dispensed with the measuring optics.
  • the advantage of this procedure is the matching of the image section between the measuring and image sensor, which is advantageous for a local white balance.
  • Another advantage is the possibility of using the main sensor as an unpolarized partial image for subtraction. This reduces the number of necessary measurement images (then sense 2 polarization direction with a rotation of 45 °).
  • the introduced measuring device When integrated into the camera beam path, the introduced measuring device could also take over the exposure control in addition to the control of the white balance, the exposure sensor could then be omitted.
  • the image sensor as a measuring device as shown in Figure 14 or 15 with upstream liquid crystal and polarizing filter.
  • the loss of light due to the absorption of the polarizer in the main beam path leads to a reduction in the sensitivity of the camera system by a factor of 2-3.
  • only 2 polarization directions could be evaluated.
  • the method of birefringence could also be realized in conjunction with the main sensor, but the line mask would cause both light and resolution losses.
  • a particularly interesting option is to accommodate a distributed polarizing filter array on the high-resolution image sensor. Because the illumination information changes only relatively slowly, the polarizing filter regions on the sensor surface can be distributed in a stillly patchy manner in order to disturb the image information as little as possible through the polarization regions.
  • the local normalization factor between the polarized and unpolarized color values can be determined by a flat-field calibration with a polarized white image.

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Abstract

The invention relates to a method for determining the colour components of the light from a light source by means of an image sensor, wherein the image sensor can be used to record an image, which is subdivided into image units, of a scene which is illuminated using the light source, wherein numerical image information is stored for each image unit for a plurality of colour channels, in which a first image is recorded and at least one second image which comprises only the linearly polarized light components of the same scene is recorded, wherein numerical difference information is formed by forming the difference between the numerical image information of each colour channel of at least some of the image units of a first image and at least one second image. The invention also relates to a photographic camera or film camera which has a lens and an image sensor for recording an individual image or a number of images and comprises at least two image sensors, wherein, before and/or during image recording, a first image sensor can be illuminated with unpolarized light and a second image sensor can be illuminated with linearly polarized light or both image sensors can be illuminated with differently linearly polarized light, wherein at least one item of difference information, which can be used to correct the image information of an image sensor, in particular for white balancing, can be formed from the image information of the two sensors.

Description

Verfahren zur Ermittlung der Farbanteile von Licht Method for determining the color components of light
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Farbanteile des Lichts wenigstens einer Lichtquelle mittels wenigstens eines Bildsensors, wobei mit dem wenigstens einen Bildsensor ein in Bildeinheiten (Pixel) unterteiltes Bild eines mit der wenigstens einen Lichtquelle beleuchteten Motivs aufnehmbar ist, wobei zu jeder Bildeinheit für mehrere Farbkanäle eine numerische Bildinformation gespeichert wird.The invention relates to a method for determining the color components of the light of at least one light source by means of at least one image sensor, wherein the at least one image sensor, a divided into image units (pixels) image of a lit with the at least one light source motif is receivable, wherein each image unit for several Color channels a numerical image information is stored.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Foto- oder Filmkamera oder ein Zusatzmodul für eine solche Kamera, insbesondere mit wenigstens einem Objektiv und wenigstens einem Bildsensor zur Aufnahme eines Einzelbildes oder einer Reihe von Bildern. Die Erfindung betrifft auch eine Einheit für eine Foto- oder Filmkamera zur Bereitstellung von Farbinformationen über das beleuchtende Licht.The invention further relates to a photographic or film camera or an additional module for such a camera, in particular with at least one lens and at least one image sensor for taking a single image or a series of images. The invention also relates to a unit for a photographic or film camera for providing color information about the illuminating light.
Beim Aufnehmen von Fotos oder beim Filmen ist die Problematik bekannt, dass die Wiedergabe eines aufgenommenen Motivs hinsichtlich der Farbe maßgeblich davon abhängt, dass die Farbanteile des verwendeten Lichtes bzw. die Farbtemperatur des Lichtes abgestimmt ist auf das verwendete Filmmaterial bzw. die spektrale Empfindlichkeit eines Bildsensors im Bereich der digitalen Fotografie bzw. Filmerstellung. Hierbei kann weiterhin das verwendete Licht nicht nur von einer Lichtquelle stammen, sondern ggfs. auch von mehreren, was zu Mischlichtsituationen führt.When taking photos or filming, the problem is known that the reproduction of a recorded subject in terms of color largely depends on the color components of the light used or the color temperature of the light is matched to the film material used or the spectral sensitivity of an image sensor in the field of digital photography or film production. In this case, furthermore, the light used can not only originate from a light source, but possibly also from several, which leads to mixed light situations.
In der klassischen Fotografie ist es dabei bekannt, dass ein Fotograf mittels eines Messgerätes die Farbtemperatur und somit die spektrale Farbverteilung, mithin also die Farbanteile, des verwendeten Lichtes ausmisst, um sodann unter Berücksichtigung des verwendeten Filmmaterials durch Einsatz von verschiedenen Filtern eine optimale Weißdarstellung ohne Farbverfälschung bei Objekten im Motiv zu erreichen, die tatsächlich in der Realität eine weiße Farbe aufweisen. Weiterhin wird dabei erreicht, dass neutral graue Flächen in der bildlichen Wiedergabe ebenso neutral grau erscheinen.In classical photography, it is known that a photographer by means of a measuring device, the color temperature and thus the spectral color distribution, therefore Thus, the color components of the light used measures to then, taking into account the film material used by using different filters to achieve an optimal white representation without color distortion in objects in the subject, which actually have a white color in reality. Furthermore, it is achieved that neutral gray areas in the visual representation also appear neutral gray.
Die Problematik wird in der digitalen Fotografie bzw. Filmerstellung dadurch gelöst, dass eingesetzte Kameras üblicherweise einen sogenannten Weißabgleich durchführen, der oftmals jedoch nicht in ausreichendem Maße zu zufrieden stellenden Foto- oder Filmergebnissen führt.The problem is solved in digital photography or film production in that used cameras usually perform a so-called white balance, which often does not lead to satisfactory but sufficient photographic or film results.
Hierbei ist es bekannt, dass bei digitalen Foto- oder Filmkameras voreingestellte Farbtemperaturwerte ausgewählt werden können, die sodann für eine Korrektur der tatsächlichen Bildaufnahmen eingesetzt werden. Ebenso ist es bekannt, einen automatischen Weißabgleich durchzuführen, bei dem mittels eines Bildverarbeitungsalgorithmus aus einem Bild anhand verschiedener Kriterien die voraussichtlich verwendete Farbtemperatur bzw. die Zusammensetzung des Lichtes einer oder mehrerer Lichtquellen im Wesentlichen lediglich abgeschätzt wird. Die so ermittelten Informationen hinsichtlich der Farbanteile des Lichtes werden sodann eingesetzt, um eine Korrektur der aufgenommenen Bilder durchzuführen.It is known that in digital photo or film cameras preset color temperature values can be selected, which are then used for a correction of the actual image recordings. Likewise, it is known to perform an automatic white balance, in which by means of an image processing algorithm from an image on the basis of various criteria, the expected color temperature or the composition of the light of one or more light sources is essentially estimated only. The information thus obtained regarding the color components of the light are then used to carry out a correction of the recorded images.
Es wird dabei im Wesentlichen auf das Vorhandensein hinreichend neutraler Bildinhalte vertraut, was in der Konsequenz zu Schätzwerten für die Farbanteile des verwendeten Lichtes führt, die bei diesem bekannten Verfahren nicht nur von der Beleuchtung, sondern auch stark vom Bildinhalt abhängen.Essentially, it trusts in the presence of sufficiently neutral image contents, which consequently leads to estimates for the color components of the light used, which in this known method depend not only on the illumination but also strongly on the image content.
Im Ergebnis werden so oftmals nur sehr einfache Korrekturwerte für jeden Farbkanal (beispielsweise RGB, rot - grün - blau) erhalten, über die die Farbkanäle eines aufgenommenen Bildes global über den gesamten Bildausschnitt ausbalanciert werden. Lokale variable Beleuchtungsverteilungen, z.B. mit unterschiedlichen Lichtquellen (wie beispielsweise bei Mischlichtsituationen, insbesondere bei gelbem Sonnenlicht und blauem Himmelslicht) lassen sich so nur unzureichend abgleichen und können so nur als ein Kompromiss verstanden werden.As a result, very simple correction values are often obtained for each color channel (for example, RGB, red-green-blue) over which the color channels of a recorded image are globally balanced over the entire image section. Local variable lighting distributions, For example, with different light sources (such as in mixed light situations, especially in yellow sunlight and blue skylight) can be so inadequately balanced and can only be understood as a compromise.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, die Farbanteile des Lichtes wenigstens einer Lichtquelle hinreichend genau zu bestimmen, insbesondere unabhängig von dem Inhalt eines aufgenommenen Bildes und so verlässliche Korrekturwerte zu erhalten, die die Farbanteile des verwendeten Lichtes wenigstens einer Lichtquelle repräsentieren, insbesondere um so die Möglichkeit zu bieten, einen Weißabgleich nicht nur global, sondern z.B. auch lokal, beispielsweise Pixel für Pixel, durchzuführen, so dass auch Mischlichtsituationen erfolgreich korrigierbar sind.The object of the invention is to determine the color components of the light of at least one light source with sufficient accuracy, in particular independent of the content of a recorded image and to obtain reliable correction values representing the color components of the light used at least one light source, in particular the possibility to offer a white balance not only globally but eg also locally, for example, pixel by pixel to perform, so that mixed light situations are successfully corrected.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Ermittlung der Farbanteile des Lichtes wenigstens einer Lichtquelle mittels wenigstens eines Bildsensors, wobei mit dem wenigstens einen Bildsensor ein in Bildeinheiten, insbesondere in wenigstens eine Bildeinheit unterteiltes Bild einer mit der wenigstens einen Lichtquelle beleuchteten Motivs aufnehmbar ist, wobei zu jeder Bildeinheit für mehrere Farbkanäle eine numerische Bildinformation gespeichert wird und wobei erfindungsgemäß ein erstes Bild aufgenommen wird und wenigstens ein zweites Bild aufgenommen wird, welches nur oder zumindest im Wesentlichen nur die linear polarisierten Lichtanteile desselben Motivs umfasst, wobei durch Differenzbildung zwischen den numerischen Bildinformationen jedes Farbkanals von wenigstens einem Teil der Bildeinheiten eines ersten und wenigstens eines zweiten Bildes eine numerische Differenzinformation gebildet wird.The object is achieved by a method for determining the color components of the light of at least one light source by means of at least one image sensor, wherein with the at least one image sensor, a picture of a subject illuminated with the at least one light source can be picked up in image units, in particular in at least one image unit for each image unit for a plurality of color channels, a numerical image information is stored and wherein according to the invention a first image is taken and at least a second image is taken which comprises only or at least substantially only the linearly polarized light components of the same motif, whereby by differentiating between the numerical image information each Color channel of at least a portion of the image units of a first and at least one second image numerical difference information is formed.
Weiterhin wir die Aufgabe gelöst durch eine Foto- oder Filmkamera oder ein Zusatzmodul für eine Foto- oder Filmkamera, insbesondere mit wenigstens einem Objektiv und wenigstens einem Bildsensor zur Aufnahme eines Einzelbildes oder einer Reihe von Bildern wobei wenigstens zwei Bildsensoren vorgesehen sind, wobei vor und/oder während einer Bildaufnahme ein erster Bildsensor mit unpolarisierten und ein zweiter Bildsensor mit linear polarisierten Licht oder beide Bildsensoren mit unterschiedlich linear polarisiertem Licht beleuchtbar ist/sind, wobei aus den Bildinformationen beider Sensoren wenigstens eine Differenzinformation bildbar ist, mit der die Bildinformationen eines Bildsensors korrigierbar sind, insbesondere für einen Weißabgleich. Die Aufgabe wird auch gelöst durch eine Einheit für eine Foto- oder Filmkamera, bei der ein einziger Bildsensor vorgesehen ist, wobei vor und/oder während einer Bildaufnahme ein erstes Bild mit unpolarisierten und ein zweites Bild mit linear polarisierten Licht oder beide Bilder mit unterschiedlich linear polarisiertem Licht aufnehmbar sind, wobei aus den Bildinformationen beider Bilder wenigstens eine Differenzinformation bildbar ist, mit der die Bildinformationen eines Bildsensors der Kamera korrigierbar sind, insbesondere für einen Weißabgleich.Furthermore, we achieved the object by a photo or film camera or an additional module for a photo or film camera, in particular with at least one lens and at least one image sensor for taking a single image or a series of images wherein at least two image sensors are provided, wherein before and / or during imaging, a first image sensor with unpolarized and a second image sensor with linearly polarized light or both Image sensors with different linearly polarized light can be illuminated is / are, from the image information of both sensors at least a difference information can be formed, with which the image information of an image sensor can be corrected, in particular for a white balance. The object is also achieved by a unit for a photographic or film camera in which a single image sensor is provided, wherein before and / or during an image acquisition a first image with unpolarized and a second image with linearly polarized light or both images with different linear polarized light can be received, wherein from the image information of both images at least a difference information can be formed, with which the image information of an image sensor of the camera can be corrected, in particular for a white balance.
Die Erfindung geht zunächst davon aus, dass wenigstens ein Bildsensor eingesetzt wird, mittels dem in bekannter Weise ein in Bildeinheiten (d.h. Pixel zeilenweise und spaltenweise) unterteiltes Bild aufnehmbar ist. Es kann sich hierbei um denjenigen Bildsensor handeln, der ohnehin in einer Aufnahmevorrichtung, z.B. einer Kamera vorgesehen ist, um ein Bild aufzunehmen, oder um einen oder mehrere separate Bildsensoren, die nur zur Durchführung des Verfahrens eingesetzt werden. Ein oder mehrere separate Bildsensoren können zur Durchführung des Verfahren als eine dafür vorgesehen Einheit in eine Kamera integriert sein oder es handelt sich um eine externe Einheit oder externes Zusatzmodul, welche/s z.B. am Blitzschuh einer Kamera angesteckt werden kann.The invention initially assumes that at least one image sensor is used, by means of which a picture subdivided into image units (i.e., pixels per line and column by column) can be recorded in a known manner. This may be the image sensor which is already in use in a recording device, e.g. a camera is provided to take a picture, or one or more separate image sensors, which are used only for carrying out the method. One or more separate image sensors may be incorporated into a camera as a dedicated unit for performing the method, or may be an external unit or external add-on module, which may be e.g. can be connected to the hot shoe of a camera.
Ein solcher Bildsensor kann eine Bildauflösung bieten, die der Auflösung entspricht, die für die Aufnahme von Fotos oder Filmen eingesetzt wird, z.B. viele Megapixel oder aber auch ein deutlich reduzierte Auflösung, ggf. auch nur einen Pixel. So kann ein mit einem solchen Bildsensor aufgenommenes Bild eine Auflösung von einem Pixel bis zu vielen Megapixeln haben kann. Ein mit dem wenigstens einen Sensor aufgenommenes Bild weist somit eine oder mehrere Bildeinheiten auf, die auch als Pixel bezeichnet werden, wobei unter Zugrundelegung eines Farbraumsystems zu jeder Bildeinheit für mehrere Farbkanäle eine numerische Bildinformation gespeichert wird. Bei einem solchen bekannten Farbraumsystem kann es sich z.B. um den RGB-Farbraum handeln, bei dem als Grundfarben die Farben rot, grün und blau zugrunde gelegt werden. Jeder dieser Farben bildet einen Farbkanal im Sinne der Erfindung.Such an image sensor can provide an image resolution equivalent to the resolution used to capture photos or movies, such as many megapixels or a significantly reduced resolution, or even just one pixel. Thus, an image taken with such an image sensor can have a resolution of one pixel to many megapixels. An image recorded with the at least one sensor thus has one or more image units, which are also referred to as pixels, wherein numerical image information is stored for each image unit for a plurality of color channels on the basis of a color space system. Such a known color space system can be, for example, the RGB color space in which the primary colors are red, green and blue. Each of these colors forms a color channel in the sense of the invention.
Um die Farbe einer Bildeinheit eines Bildes zu speichern, wird somit für jede Bildeinheit, bezogen auf das vorgenannte Beispiel des gewählten Farbraumes, eine Information über die anteilige Verteilung der Farben in dem jeweiligen Farbkanal, also z.B. rot, grün und blau gespeichert. Im RGB-Farbraum werden somit zu jeder Bildeinheit, bzw. Pixel wenigstens drei numerische Werte gespeichert.In order to store the color of an image unit of an image, for each image unit, based on the aforementioned example of the selected color space, information about the proportionate distribution of the colors in the respective color channel, e.g. stored in red, green and blue. In the RGB color space, at least three numerical values are thus stored for each image unit or pixel.
Das Verfahren ermittelt demnach die Farbwerte (z.B. RGB) der Lichtfarbe, wie ein oder mehrere Sensoren aufgrund ihrer spezifischen spektralen Empfindlichkeiten sie empfangen.The method thus determines the color values (e.g., RGB) of the light color as one or more sensors receive them due to their specific spectral sensitivities.
Die vorliegende Beschreibung versteht einen Bildsensor im Sinne des Verfahrens als einen Bildaufnehmer, der mehrere Farbsignale (in der Regel 3-dimensional) empfängt. Ob dazu ein Bild durch ein Farbfiltermosaik nebeneinanderliegender Pixel oder übereinanderliegender Farbpixel (z.B. Foveon) mit nur 1 Aufnahme oder ob bei wechselnden Farbfiltern mehrfache Aufnahmen aufgezeichnet werden, ist für das Verfahren unwesentlich.The present description understands an image sensor in the sense of the method as an image sensor which receives a plurality of color signals (usually 3-dimensional). Whether an image is captured by a color filter mosaic of adjacent pixels or superimposed color pixels (e.g., Foveon) with only one shot, or multiple shots of changing color filters, is immaterial to the process.
Wichtig für das Verfahren ist, dass die spektralen Empfindlichkeiten der am Verfahren beteiligten Sensoren möglichst gut übereinstimmen. Dieses gilt sowohl für die Sensoren, die an der Ermittlung der Lichtfarbe beteiligt sind (Meßsensoren) und ebenso für den Hauptsensor einer Kamera (Bildsensor), dessen Bild in einer bevorzugten Ausführung auf diese Lichtfarbe neutral abgeglichen werden soll. Die Auflösung der Meßsensoren kann deutlich geringer gewählt werden als diejenige des Bildsensors, weil sich die Beleuchtung innerhalb einer Szene nur geringfügig und dann auch nicht abrupt ändert. Zudem ist ein gewisser Grad an lokaler Mittelung (was einer niederen Auflösung de facto entspricht) dem Verfahren nicht abträglich, weil in der elektronischen Auswertung zumindest für einen globalen Weißabgleich eine gewisse Mittelwertbildung der Beleuchtung vorgenommen wird.Important for the method is that the spectral sensitivities of the sensors involved in the process match as well as possible. This applies both to the sensors involved in the determination of the light color (measuring sensors) and also to the main sensor of a camera (image sensor) whose image in a preferred embodiment is to be neutralized to this light color. The resolution of the measuring sensors can be chosen to be significantly lower than that of the image sensor, because the lighting within a scene changes only slightly and then not abruptly. In addition, a certain degree of local averaging (which in fact corresponds to a lower resolution) does not detract from the method, because in the electronic evaluation at least for a global white balance a certain averaging of the illumination is made.
Allerdings empfiehlt es sich, zumindest für den Fall einer Polarisationsauswertung mit einer Flüssigkristallanordnung eine hinreichende Ortsauflösung zur Verfügung zu stellen, um die Phasenverschiebung beispielsweise an den ortsabhängigen Neigungswinkel oder auch an die farbabhängige Wellenlänge im Fall eines Farbmosaiks anzupassen.However, it is recommended, at least in the case of a polarization evaluation with a liquid crystal array, to provide sufficient spatial resolution in order to adapt the phase shift, for example, to the location-dependent inclination angle or also to the color-dependent wavelength in the case of a color mosaic.
Je nach Motiv und Logik der elektronischen Auswertung kann es sinnvoll sein, unterschiedliche Belichtungsgrade der Szene aufzunehmen und auszuwerten. Dadurch lassen sich ansonsten über- und untersteuerte Bereiche, die nicht sinnvoll auszuwerten wären, dennoch nutzen.Depending on the motif and logic of the electronic evaluation, it may be useful to record and evaluate different exposure levels of the scene. This makes it possible to use otherwise over- and under-steered areas that would not be meaningfully evaluated.
In der Praxis werden die Bildinformationen erhalten, indem beispielsweise zur Bildaufnahme ein CMOS- oder CCD-Sensor verwendet wird, der entsprechende Filter für die jeweiligen Farben der Farbkanäle aufweist, so dass für jeden physikalisch repräsentierten Pixel dieses Bildsensors jede Farbe separat aufgenommen und abgespeichert werden kann. In einem gespeicherten Bild, welches beispielsweise in dieselbe Anzahl von Bildeinheiten unterteilt ist, wie sie auch der Bildsensor physikalisch aufweist, können somit unter Zugrundelegung des RGB-Farbraums für jede Bildeinheit drei numerische Bildinformationen gespeichert werden, wobei jede der drei Bildinformationen einem der drei Farbkanäle zugeordnet ist. Wird ein anderer Farbraum zugrund gelegt, so kann auch eine von 3 unterschiedliche Anzahl von Farbkanälen berücksichtigt werden. Die Erfindung nutzt zur Lösung der Problematik die Tatsache, dass es an Körpern, die in einem aufgenommenen Motiv vorhanden sind, sowohl zu einer Reflektion des Lichtes an den Körper-Oberflächen kommt als auch zu einer Remission, d.h. einer Rückstrahlung des Lichtes aus dem Körperinneren.In practice, the image information is obtained by, for example, using a CMOS or CCD sensor for image acquisition, which has corresponding filters for the respective colors of the color channels, so that for each physically represented pixel of this image sensor, each color can be separately recorded and stored , In a stored image, which is for example subdivided into the same number of image units as the image sensor physically has, three numerical image information can thus be stored for each image unit based on the RGB color space, each of the three image information being assigned to one of the three color channels is. If a different color space is used, one of three different number of color channels can also be taken into account. The invention uses to solve the problem the fact that it comes to bodies that are present in a recorded motif, both to a reflection of the light on the body surfaces as well as to a remission, ie a return of the light from the inside of the body.
Hierbei ist zu berücksichtigen, dass remittierte Strahlungsanteile aus dem Körperinneren vollständig unpolarisiert sind und aufgrund einer wellenlängenabhängigen Absorption die individuelle Körperfarbe bestimmen.It should be noted that remitted radiation components from the body are completely unpolarized and determine the individual body color due to a wavelength-dependent absorption.
Im Gegensatz dazu reflektieren Grenzflächen die spektralen Lichtanteile einer oder mehrerer Lichtquellen nahezu wellenlängenunabhängig. Das reflektierte Licht ist dabei zumindest teilweise bis vollständig linear polarisiert, je nachdem, unter welchem Winkel die Reflektion von der Oberfläche eines Körpers beobachtet wird. Der höchste Polarisationsgrad liegt dann vor, wenn die Reflektion im Brewsterwinkel stattfindet.In contrast, interfaces reflect the spectral light components of one or more light sources almost independently of wavelength. The reflected light is at least partly to completely linearly polarized, depending on the angle at which the reflection from the surface of a body is observed. The highest degree of polarization is present when the reflection takes place at Brewster's angle.
Der Kerngedanke der Erfindung basiert darauf, das zumindest teilweise linear polarisierte Licht eines aufgenommenen Motivs auszuwerten, da dieses Licht, wie eingangs erwähnt ist, wellenlängenunabhängig ist und somit die Farbanteile der wenigstens einen verwendeten Lichtquelle repräsentiert. Eine Verfälschung durch die Farbe aufgenommener Körper kann somit ausgeschlossen werden.The core idea of the invention is based on evaluating the at least partially linearly polarized light of a recorded motif, since this light, as mentioned above, is wavelength-independent and thus represents the color components of the at least one light source used. A corruption by the color of absorbed body can thus be excluded.
Um somit eine Ausblendung der remittierten Lichtanteile aus einem Motiv zu erhalten, kann es gemäß einem möglichen Aspekt der Erfindung vorgesehen sein, dass zunächst wie vorgenannt ein erstes Bild aufgenommen wird, welches alle Polarisationsanteile bzw. Polarisationsrichtungen des Lichtes umfasst und somit sowohl die remittierten Lichtanteile eines oder mehrerer Körper in einem Motiv sowie auch die von dem einen oder mehreren Körper reflektierten Lichtanteile.In order thus to obtain a suppression of the remitted light components from a motif, it may be provided according to a possible aspect of the invention that first as above a first image is taken, which comprises all polarization components or polarization directions of the light and thus both the remitted light components of a or more bodies in a subject, as well as the portions of light reflected from the one or more bodies.
In dem wenigstens einen zweiten Bild hingegen werden nur die linear polarisierten Lichtanteile desselben Motivs erfasst, wonach anschließend von den somit in den beiden Bildern vorliegenden numerischen Bildinformationen eines jeden Farbkanals von wenigstens einem Teil, gegebenenfalls von allen Bildeinheiten eines Bildes, die Differenz gebildet wird, so dass in der sodann enthaltenen Differenzinformation zu jedem der Farbkanäle einer jeden für das Verfahren benutzten Bildeinheit der Remissionsanteil im Wesentlich oder vollständig eliminiert ist und im Wesentlichen nur der Reflektionsanteil an Oberflächen übrig bleibt, der wie vorgenannt wellenlängenunabhängig ist und somit auf die Farbverteilung bzw. spektrale Zusammensetzung des für die Beleuchtung verwendeten Lichtes schließen lässt.On the other hand, in the at least one second image, only the linearly polarized light components of the same motif are detected, after which, subsequently, the numerical image information of each of them, which is thus present in the two images, is detected Color channel of at least a part, optionally of all image units of an image, the difference is formed so that in the difference information then contained to each of the color channels of each image unit used for the process, the remission component is substantially or completely eliminated and essentially only the reflection component remains on surfaces, which as previously mentioned wavelength-independent and thus indicates the color distribution or spectral composition of the light used for lighting.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass auch bei einem ersten Bild die Aufnahme derart erfolgt, dass ein erstes Bild im Wesentlichen nur linear polarisierte Lichtanteile umfasst. Ansonsten erfolgt das verfahrensmäßige Vorgehen wie vorgenannt. Hierbei ist es wichtig, dass die Polarisationsrichtungen des linear polarisierten Lichtes, welches beim ersten und einem zweiten Bild erfasst wird, unterschiedlich ist, da sonst bei der Differenzbildung keine Differenz übrig bleibt. Besonders bevorzugt können die Polarisationsrichtungen bei dem ersten und einem zweiten Bild unter 90 Grad zueinander angeordnet sein. Dies hat den Vorteil, dass es in einem ersten Bild bei einer vorgegebenen Lage der Polarisation Reflexe gibt, die vollständig ausgelöscht werden und bei einem zweiten Bild mit dazu senkrecht eingestellter Polarisationsrichtung eben diese Reflexe maximal durch den Polarisator durchgelassen und im Bild erfasst werden. Sämtliche unpolarisierten Remissionsanteile im Licht werden bei beiden Bildern zumindest im Wesentlichen in gleicher Stärke erfasst.According to another aspect of the invention, it may be provided that even in the case of a first image, the recording takes place in such a way that a first image essentially comprises only linearly polarized light components. Otherwise, the procedural procedure as described above. In this case, it is important that the polarization directions of the linearly polarized light, which is detected in the first and a second image, is different, since otherwise no difference remains in the difference formation. Particularly preferably, the polarization directions in the first and a second image can be arranged at 90 degrees to each other. This has the advantage that there are reflections in a given image at a given position of the polarization, which are completely extinguished and, in the case of a second image with a polarization direction set perpendicular thereto, precisely these reflections are transmitted through the polarizer and captured in the image. All unpolarized remission components in the light are captured in both images at least substantially equally.
Nach einer Differenzbildung zweier Bilder mit jeweils erfassten linear polarisiertem Licht, bevorzugt unter 90 Grad Polarisationsdifferenz zwischen den Bildern, wird somit in dem Differenzbild der reflektierte Lichtanteil, insbesondere der, der durch die Wahl der Polarisationsrichtung bestimmt wurde, dominieren.After subtraction of two images with each detected linearly polarized light, preferably less than 90 degrees polarization difference between the images, the reflected light component, in particular that which was determined by the choice of the polarization direction, thus dominate in the differential image.
Unabhängig davon, ob von zwei aufgenommenen Bildern eines der Bilder unpolarisiertes Licht erfasst hat oder beide linear polarisiertes Licht erfasst haben, liegen somit für jede der für das Verfahren verwendeten Bildeinheiten der beiden Bilder, ggfs für alle Bildeinheiten der beiden Bilder pro Farbkanal je eine Differenzinformation vor. Mit Bezug auf den RGB-Farbraum ergeben sich somit für jede Bildeinheit, zu der eine Differenz gebildet wurde, drei Differenzinformationen, nämlich eine für den Farbkanal rot, eine für den Farbkanal grün und eine für den Farbkanal blau.Regardless of whether two of the captured images of one of the images have detected unpolarized light or have both detected linearly polarized light, Thus, for each of the image units of the two images used for the method, difference information is present for each image unit of the two images per color channel. With reference to the RGB color space, three difference information thus result for each image unit to which a difference has been formed, namely one for the color channel red, one for the color channel green and one for the color channel blue.
Da diese Differenzinformationen für jede der betrachteten Bildeinheiten vorliegen, besteht erfindungsgemäß die Möglichkeit, anhand dieser gewonnenen Differenzinformationen eine Korrektur in einem Bild, insbesondere einen wirksamen Weißabgleich lokal in einem aufgenommenen Bild, d.h. ggfs. sogar für jeden Pixel bzw. jede Bildeinheit eines Bildes durchzuführen. Hierbei kann es vorgesehen sein, zur Korrektur nur den Betrag der Differenzinformation, also ohne Berücksichtigung des Vorzeichens, auszuwerten.Since this difference information is available for each of the image units under consideration, according to the invention it is possible, based on this obtained difference information, to correct in an image, in particular an effective white balance locally in a recorded image, i. if necessary, even for each pixel or each image unit of an image. In this case, it may be provided to evaluate only the amount of the difference information, that is to say without taking account of the sign, for correction.
Wird das Verfahren mit einem Bildsensor durchgeführt, der auch zur Aufnahme von Bildern bei einer Kamera genutzt wird, so können Differenzinformation mit derselben Auflösung vorliegen, wie Sie ein aufgenommenes Bild hat. Es kann dann eine pixelweise Korrektur eines aufgenommenen Bildes vorgenommen werden. Werden separate Bildsensoren eingesetzt, so kann die Auflösung, mit der Differenzinformationen vorliegen z.B. deutlich kleiner sein als die Auflösung eines Hauptbildsensors.If the procedure is performed with an image sensor that is also used to capture images on a camera, then difference information can be at the same resolution as a captured image. It can then be made a pixel-by-pixel correction of a captured image. If separate image sensors are used, the resolution with which difference information is present can be obtained, for example. be significantly smaller than the resolution of a main image sensor.
Es kann sodann vorgesehen sein, dass die Differenzinformationen für eine Korrektur eines Bildes von einem Hauptsensor bereichsweise den Bildeinheiten eines aufgenommenen Bildes zugeordnet werden. Wird z.B. mit Bildsensoren zur Durchführung des Verfahrens nur eine Bildeinheit verwendet, so können die Differenzinformation global zur Korrektur für alle Bildeinheiten eines aufgenommenen Bildes verwendet werden. Bei Einsatz eines Hauptbildsensors einer Kamera zur Durchführung des Verfahrens kann vorteilhaft das verfahrensgemäß aufgenommene erste Bild auch genutzt werden, um dieses nach der Differenzbildung zu korrigieren.It can then be provided that the difference information for a correction of an image from a main sensor is assigned in regions to the image units of a recorded image. If, for example, only one image unit is used with image sensors for carrying out the method, then the difference information can be used globally for correction for all image units of a recorded image. When using a main image sensor of a camera for carrying out the method, advantageously the first image taken in accordance with the method can also be used to correct it after the subtraction.
Unabhängig von der physikalischen oder genutzten Auflösung des wenigstens einen Bildsensors, der zur Durchführung des Verfahren genutzt wird, kann es vorgesehen sein, die erhaltenen Differenzinformationen zu gewichten und/oder zu mittein, z.B. um so die gewichteten/gemittelten Differenzinformationen zur bereichsweisen oder globalen Korrektur von Bildern bzw. den Bildeinheiten (Pixeln) dieser Bilder zu nutzen.Regardless of the physical or utilized resolution of the at least one image sensor used to perform the method, it may be provided to weight and / or average the obtained difference information, e.g. so as to use the weighted / averaged difference information for area or global correction of images or the image units (pixels) of these images.
Gemäß der Erfindung kann z.B. nur ein Bildsensor eingesetzt werden (z.B. zusätzlich zu einem Hauptbildsensor oder alleinig) mit dem nacheinander ein erstes und wenigstens ein zweites Bild aufgenommen wird. Es können auch wenigstens zwei Bildsensoren eingesetzt werden, wobei mit einem ersten Bildsensor immer das erste Bild und mit dem wenigstens einem zweiten Bildsensor zeitgleich wenigstens ein zweites Bild aufgenommen wird.According to the invention, e.g. only an image sensor is used (e.g., in addition to a main image sensor or alone) to sequentially acquire a first and at least a second image. It is also possible to use at least two image sensors, wherein at least one second image is always recorded with a first image sensor and at least one second image sensor with at least one second image sensor at the same time.
Hierbei kann an einer Kamera zur Durchführung des Verfahrens jeder Bildsensor eine eigene Abbildungsoptik aufweisen, oder die Bildsensoren nutzen eine gemeinsame Optik und eine nachfolgende Strahlteilung, um jeden Bildsensor mit einem Lichtbündel zu beleuchten. Ggfs. kann dafür auch die Optik verwendet werden, die eine Abbildung des Motivs auf einen Hauptbildsensor einer Kamera produziert.In this case, each image sensor on a camera for carrying out the method can have its own imaging optics, or the image sensors use a common optical system and a subsequent beam splitting in order to illuminate each image sensor with a light beam. If necessary. For this, the optics can be used, which produces a picture of the subject on a main picture sensor of a camera.
Um das wenigstens eine zweite Bild, ggfs. auch das erste Bild mit lediglich oder zumindest im Wesentlichen linear polarisierten Lichtanteilen aufzunehmen, kann es vorgesehen sein, dass dies unter Verwendung eines linearen Polarisators, beispielsweise eines Polarisationsfilters oder eines Polarisationswürfels, erfolgt.In order to record the at least one second image, if necessary also the first image with only or at least substantially linearly polarized light components, it can be provided that this takes place using a linear polarizer, for example a polarization filter or a polarization cube.
Es kann hierbei vorgesehen sein, dass beispielsweise eine bekannte Foto- oder Filmkamera mit wenigstens einem Objektiv und wenigstens einem (Haupt-) Bildsensor zur Aufnahme eines Einzelbildes oder einer Reihe von Bildern eingesetzt wird. So kann mit einer solchen Kamera zunächst in üblicher Weise ein Bild aufgenommen werden, insbesondere welches das Licht ohne jegliche polarisationsbeeinflussende Maßnahmen aufnimmt (oder mit einer ersten Polarisationsrichtung) und anschließend kann von demselben Motiv nochmal, jedoch jetzt mit polarisationsbeeinflussenden Maßnahmen oder in einer anderen Polarisationsrichtung wenigstens ein zweites Bild aufgenommen werden, wobei aufgrund der Verwendung des Polarisators im Wesentlichen nur linear polarisiertes Licht bei einem zweiten Bild und ggfs auch dem ersten Bild den Weg zum Bildsensor findet.It may be provided here that, for example, a known photographic or film camera with at least one objective and at least one (main) Image sensor is used to capture a single image or a series of images. Thus, with such a camera, an image can first be recorded in a customary manner, in particular which receives the light without any polarization-influencing measures (or with a first polarization direction) and then again of the same motif, but now with polarization-influencing measures or in another polarization direction at least a second image is taken, due to the use of the polarizer essentially only linearly polarized light in a second image and possibly also the first image the way to the image sensor finds.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann so mit bereits am Markt erhältlichen Kameras lediglich unter Zuhilfenahme eines Polarisators durchgeführt werden.The method according to the invention can thus be carried out with cameras already available on the market only with the aid of a polarizer.
Erfindungsgemäß kann es jedoch auch vorgesehen sein, Kameras oder Zusatzmodule für Kameras einzusetzen, die neben einem Hauptsensor noch zwei separate Bildsensoren zur Durchführung des Verfahrens aufweisen, wobei zumindest einer der Bildsensoren (nach Durchgang des Lichtes eines Motivs durch einem Polarisator) mit linear polarisiertem Licht beleuchtet wird, ggfs. auch beide Bildsensoren mit unterschiedlich linear polarisierten Licht beleuchtet werden.According to the invention, however, provision can also be made for using cameras or additional modules for cameras which, in addition to a main sensor, also have two separate image sensors for carrying out the method, wherein at least one of the image sensors (after passage of the light of a motif through a polarizer) illuminates with linearly polarized light if necessary, both image sensors will also be illuminated with differently linearly polarized light.
Bei sämtlichen Ausführungen, bei denen ein erstes Bild ohne Verwendung eines Polarisators und ein zweites Bild mit Verwendung eines linearen Polarisators aufgenommen wird, kann es besonders bevorzugt vorgesehen sein, dass der Transmissionsverlust des Polarisators bei der Aufnahme eines zweiten Bildes im Vergleich zum ersten Bild kompensiert wird. Beispielsweise kann hierfür eine geänderte, insbesondere höhere Verstärkung im Signalweg eines Bildsensors angewendet werden oder aber es kann auch vorgesehen sein, auf die bei dem zweiten Bild erhaltenen numerischen Bildinformationen einen Multiplikator anzuwenden, der den Transmissionsverlust ausgleicht. Auf diese Art und Weise können das erste Bild und das wenigstens eine aufgenommene zweite Bild aneinander kalibriert werden, insbesondere so dass in dem zweiten Bild, bezogen auf den transmittierten linearen Licht-Anteil im Wesentlichen gleiche oder ähnliche Signalpegel erreicht werden wie in dem ersten Bild desselben Motiv.In all embodiments in which a first image is taken without using a polarizer and a second image using a linear polarizer, it may be particularly preferred that the transmission loss of the polarizer is compensated when taking a second image compared to the first image , For example, a modified, in particular higher amplification in the signal path of an image sensor can be used for this purpose, or it can also be provided to apply to the numerical image information obtained in the second image a multiplier which compensates for the transmission loss. In this way, the first image and the at least one recorded second image can be calibrated to each other, in particular so that in the second image, substantially the same or similar signal levels are obtained in relation to the transmitted linear light component as in the first image thereof Motive.
So wird durch die Differenzbildung sichergestellt, dass die auf Remission beruhenden Lichtanteile eliminiert werden und in dem so gebildeten Differenzbild die spektral unabhängigen Reflektionsanteile dominieren.Thus, the difference formation ensures that the light components based on remission are eliminated and that the spectrally independent reflection components dominate in the difference image thus formed.
Hierbei werden in dem Differenzbild diejenigen Reflektionsanteile dominieren, deren Polarisationsrichtung parallel ausgerichtet sind zu der linearen Durchlassrichtung des Polarisationsfilters bzw. Polarisators, der bei der zweiten Bildaufnahme eingesetzt wurde. Da diese Anteile beim zweiten Bild in der Aufnahme aufgrund der Wirkung des linearen Polarisationsfilters maximal durchgelassen werden und die zweite Aufnahme hinsichtlich des Signalpegels insbesondere der remittierten Anteile kalibriert bzw. normiert ist an die erste Aufnahme, verbleibt bei der Differenzbildung im Bildinhalt des Differenzbildes der Informationsanteil, der parallel zur Ausrichtung des eingesetzten Polarisators liegt, also der Reflexionsanteil.In this case, in the differential image those reflection components will dominate whose polarization direction are aligned parallel to the linear transmission direction of the polarization filter or polarizer which was used in the second image recording. Since these components are maximally transmitted in the recording due to the action of the linear polarization filter in the second image and the second recording is calibrated or normalized with respect to the signal level, in particular of the remitted components, the information content remains at the difference formation in the image content of the difference image. which is parallel to the orientation of the polarizer used, so the reflection component.
Werden für beide Bilder Polarisatoren eingesetzt, so kann ggfs. eine Kalibrierung der Bilder aneinander entfallen, da sich der Transmissionsverlust bei beiden Bildern gleich auswirkt.If polarizers are used for both images, a calibration of the images may possibly be omitted, since the transmission loss has the same effect on both images.
Möglicherweise werden in einem fotografisch erfassten Motiv Körperoberflächen in verschiedenen Richtungen angeordnet sein, so dass auch Reflektionen des für die Beleuchtung verwendeten Lichtes und somit der insbesondere einen verwendeten Lichtquelle unter verschiedenen Winkeln erfolgen. Aufgrund der unterschiedlichen Ausrichtungen der Körperoberflächen in einer Szene wird es daher in einem aufgenommenen Bild Reflektionen unter vielen verschiedenen Winkeln geben, so dass zum einen die Stärke der Reflektion und zum anderen auch der Grad der Polarisation über ein aufgenommenes Bild verteilt unterschiedlich sein kann.It is possible that body surfaces are arranged in different directions in a photographically detected motif, so that reflections of the light used for the illumination and thus of the light source used in particular also take place at different angles. Because of the different orientations of the body surfaces in a scene, there will therefore be reflections at many different angles in a captured image, so that, on the one hand, the intensity of the reflection and, on the other hand, the degree of polarization can be distributed over a recorded image.
Es wird jedoch in jedem aufgenommenen Motiv bezogen auf die gewählte Richtung der linearen Polarisation immer Motivbereiche geben, von denen eine Reflektion des Lichtes ausgeht und deren Differenzinformation ausgewertet werden kann, insbesondere um eine Korrektur eines ggfs erst später aufgenommenen Bildes durchzuführen.However, in each recorded motif, relative to the selected direction of the linear polarization, there will always be motif areas from which a reflection of the light emanates and whose difference information can be evaluated, in particular in order to carry out a correction of an image, which may have been taken later.
Da am zuverlässigsten eine Information über die Farbanteile des verwendeten Lichtes wenigstens einer Lichtquelle aus denjenigen entstandenen Reflektionen gewonnen werden kann, bei denen der höchste Polarisationsgrad und/oder die höchste Reflektionsintensität vorliegt, kann es gemäß einem Aspekt der Erfindung vorgesehen sein, dass aus den Differenzinformationen jeder (verwendeten) Bildeinheit diejenigen Differenzinformationen von Bildeinheiten ausgewählt werden, die zumindest in einem der Farbkanäle oder in allen der Farbkanäle den höchsten Differenz-Betrag aufweisen. Diese ausgewählten Differenzinformation können sodann für eine Korrektur von Bildern verwendet werden.Since the most reliable information about the color components of the light used at least one light source can be obtained from those reflections in which the highest degree of polarization and / or the highest reflection intensity is present, it can be provided according to an aspect of the invention that from the difference information each (Used) image unit those difference information of image units are selected, which have the highest difference amount at least in one of the color channels or in all of the color channels. This selected difference information can then be used to correct images.
Es kann aus diesen Differenz-Informationen mit dem höchsten Differenzbetrag geschlossen werden, dass bei der Reflektion, die in dieser betrachteten Bildeinheit erfasst wurde, ein hoher Polarisationsgrad vorliegt, so dass die gewonnene Differenzinformation eine sehr zuverlässige Information über den Farbanteil des reflektierten Lichtes wiederspiegelt, zumindest desjenigen Lichtes, welches lokal in der Bildaufnahme an dem betreffenden Körper reflektiert wurde, der in der betrachteten Bildeinheit abgebildet wurde.It can be concluded from this difference information with the highest difference that a high degree of polarization is present in the reflection detected in this imaging unit, so that the difference information obtained reflects very reliable information about the color component of the reflected light, at least that light which was reflected locally in the image recording on the relevant body, which was imaged in the considered image unit.
In einer anderen Ausbildung der Erfindung kann es auch vorgesehen sein, dass mehrere zweite Bilder aufgenommen werden, wobei in jedem der zweiten Bilder das Licht mit einer linearen Polarisation einer anderen Polarisationsrichtung aufgenommen wird, insbesondere wobei für jedes Paar aus einem ersten und einem der zweiten Bilder Differenzinformationen gebildet werden. Auch hierbei kann das erste Bild mit unpolahsiertem Licht oder aber auch mit linear polarisiertem Licht aufgenommen werden, wie es eingangs erläutert wurde.In another embodiment of the invention, it may also be provided that a plurality of second images are taken, wherein in each of the second images, the light is recorded with a linear polarization of another polarization direction, in particular for each of a first and one of the second images Difference information are formed. Also here For example, the first image can be recorded with unpolarized light or else with linearly polarized light, as explained above.
Diesem Verfahrensaspekt liegt die Überlegung zugrunde, dass wie vorgenannt, Körper mit verschiedenen Oberflächenausrichtungen in einem fotografierten Motiv aufgenommen werden können, wobei Reflektionen unter verschiedenen Winkeln und somit auch mit verschieden ausgerichteten linearen Polarisationen auftreten können. Durch die Aufnahme einer Serie von wenigstens zwei zweiten Bildern unter verschiedenen Polarisationsrichtungen (z.B. von 45 Grad zueinander) kann somit gewährleistet werden, dass Reflektionen unter verschiedenen Polarisationswinkeln bei der Differenzbildung aus zwei Bildern diskriminiert werden können. So können Differenzinformationen jeweils zu einem Paar aus zwei Bildern, nämlich einem ersten (unpolarisierten oder polarisierten) und einem der zweiten polarisierten Bilder oder aber auch zwischen zwei der zweiten polarisierten Bildern gebildet werden, wobei abhängig davon, welches Paar für die Differenzbildung, und somit welche Polarisationsrichtung verwendet wurde, Reflektionen aus verschiedenen Bereichen eines aufgenommenen Motivs jeweils das Differenzbild bzw. die Differenzinformation zu den Bildeinheiten dominieren können.This method aspect is based on the consideration that, as mentioned above, bodies with different surface orientations can be recorded in a photographed subject, whereby reflections can occur at different angles and thus also with differently oriented linear polarizations. By taking a series of at least two second images at different polarization directions (e.g., 45 degrees to each other), it is thus possible to ensure that reflections at different polarization angles can be discriminated in the difference formation from two images. Thus, difference information can each be formed into a pair of two images, namely a first (unpolarized or polarized) and one of the second polarized images or even between two of the second polarized images, depending on which pair for the difference formation, and thus which Polarization direction was used, reflections from different areas of a recorded motif in each case can dominate the difference image or the difference information to the image units.
Hier kann es gemäß einem Aspekt der Erfindung vorgesehen sein, dass die Differenzinformationen zu wenigstens einem Teil der möglichen Paare, bevorzugt zu jedem Paar von Bildern verglichen werden, somit also ein Vergleich der erhaltenen Differenzbilder (zu ggfs. jeder Bildpaarung) stattfindet und die Differenzinformation eines Paares bzw. das Differenzbild eines Paares ausgewählt wird, bei dem zumindest in einem der Farbkanäle, gegebenenfalls in allen Farbkanälen, der höchste Differenz-Betrag vorliegt. Bei diesen Differenzinformationen wird demnach der Reflektionsanteil am höchsten sein, so dass das Differenzbild mit diesen höchsten Differenzanteilen eine zuverlässige Bestimmung der Farbanteile des verwendeten Lichtes zulässt. Dieses Differenzbild bzw. die Differenzinformationen eines jeden Farbkanals zu jeder ausgewählter Bildeinheiten dieses Differenzbildes kann demnach verwendet werden, um bei später aufgenommenen Bildern einen Weißabgleich, beispielsweise pro Pixel bzw. Bildeinheit oder bereichsweise oder global durchzuführen.Here, according to one aspect of the invention, it may be provided that the difference information is compared to at least a portion of the possible pairs, preferably to each pair of images, thus a comparison of the obtained difference images (to any image pairing, if applicable) takes place and the difference information of one Pair or the difference image of a pair is selected in which there is at least in one of the color channels, optionally in all color channels, the highest difference amount. Accordingly, in the case of these difference information, the reflection component will be highest, so that the difference image with these highest difference components permits a reliable determination of the color components of the light used. This difference image or the difference information of each color channel to each selected image units of this difference image can therefore be used to perform white balance on later captured images, for example per pixel or unit of image or area or globally.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung kann es vorgesehen sein, die Differenzinformation, die aus allen Paarungen zu jeder Bildeinheit vorliegen, zu vergleichen und zu jeder Bildeinheit diejenigen Differenzinformationen auszuwählen, die in zumindest einem der Farbkanäle den höchsten Betrag aufweisen. So wird gemäß diesem Aspekt nicht aus den verschiedenen Paaren ein vollständiges Differenzbild für die weitere Verarbeitung gewählt, sondern immer aus allen möglichen Paarungen die Differenzinformationen zu einer bestimmten Bildeinheit, die den stärksten Reflektionsanteil repräsentieren und somit also wie vorgenannt den höchsten zahlenmäßigen Betrag aufweisen. Hierdurch ergibt sich ein resultierendes Differenzbild, welches in jeder Bildeinheit aus Differenzinformationen zusammengesetzt sein kann, die aus verschiedenen der ursprünglichen Paarungen der aufgenommenen Bilder resultieren.According to another aspect of the invention, it may be provided to compare the difference information present from all pairings to each image unit and to select for each image unit those difference information having the highest amount in at least one of the color channels. Thus, according to this aspect, a complete difference image is not selected from the different pairs for further processing, but always from all possible pairings, the difference information for a particular image unit representing the strongest reflection component and therefore, as previously mentioned, the highest numerical value. This results in a resulting difference image, which can be composed in each image unit of difference information resulting from different of the original pairings of the recorded images.
Unabhängig von den vorgenannten Ausführungen liegen gemäß der Erfindung zu jeder der betrachteten Bildeinheiten eines ersten und eines zweiten Bildes oder auch zwischen zwei zweiten Bildern Differenzinformationen vor. Hierbei gibt es zu jeder der betrachteten Bildeinheiten eine Anzahl von Differenzinformationen, die der Anzahl der verwendeten Farbkanäle des jeweils betrachteten Farbraumes entspricht, also beispielsweise drei Differenzinformationen pro Bildeinheit eines Bildes im RGB-Farbraum.Regardless of the aforementioned embodiments, according to the invention difference information exists for each of the image units of a first and a second image under consideration, or else between two second images. In this case, there are a number of difference information items corresponding to the number of color channels used in each color space considered, that is, for example, three difference information per image unit of an image in the RGB color space.
Gemäß der Erfindung kann es nun vorgesehen sein, dass die Differenzinformationen zu wenigstens einer Bildeinheit ggfs. zu mehreren oder allen Bildeinheiten direkt oder nach einer Umrechnung eingesetzt werden, um die Bildinformation eines ggfs. auch erst später aufgenommenen Bildes zu korrigieren, insbesondere wobei durch die Korrektur ein Weißabgleich durchgeführt wird. Beispielsweise kann ein Differenzbild, also alle Differenzinformationen zweiter voneinander subtrahierter Bildinformationen zu jeder Bildeinheit logarithmiert werden. Es kann über alle Differenzinformation (insbesondere selektiv für jeden Farbkanal) eine globale Mittelwertbildung durchgeführt werden. Oder es wird ein Histogramm bzgl. der Häufigkeit der auftretenden Differenzinformation erstellt. Der Mittelwert oder der oder die häufigsten Differenzinformation können dann für jeden Farbkanal Korrekturwerte bilden, mit denen z.B. global ein aufgenommenes Bild hinsichtlich des Weisswertes korrigiert werden kann.According to the invention, it may now be provided that the difference information for at least one image unit may be used for several or all image units directly or after a conversion in order to correct the image information of an image which has also been taken later, in particular by the correction a white balance is performed. For example, a difference image, ie all difference information of second subtracted image information for each image unit can be logarithmized. It is possible to perform global averaging over all the difference information (in particular selectively for each color channel). Or a histogram is created with regard to the frequency of the difference information that occurs. The mean value or the most frequent difference information can then form correction values for each color channel, with which, for example, globally a recorded image can be corrected with regard to the white value.
Wird beispielsweise ein Bild aufgenommen mit einer bestimmten Anzahl von Bildeinheiten, wobei jede Bildeinheit beispielsweise einer Spalte und einer Zeile des Bildes zugeordnet sein kann, so kann es vorgesehen sein, dass aufgrund einer vorherigen Differenzbildbildung zu jeder einzelnen Bildeinheit eines aufgenommenen Bildes eine Differenzinformation vorliegt, mit der die Korrektur vorgenommen werden kann. Es besteht so die Möglichkeit, pixelweise, d.h. pro Bildeinheit eines aufgenommenen Bildes, den Weißabgleich durchzuführen.If, for example, an image is recorded with a specific number of image units, each image unit being able to be associated, for example, with one column and one line of the image, it may be provided that there is difference information on each individual image unit of a recorded image due to prior difference image formation the correction can be made. There is thus the possibility of pixelwise, i. per image unit of a recorded image to perform the white balance.
Es kann in einer anderen Ausführung auch vorgesehen sein, dass die Differenzinformationen gewichtet werden, um so eine für alle Bildeinheiten beispielsweise gemeinsame Differenzinformation zu bilden, die sodann zur Korrektur für später aufgenommene Bilder eingesetzt werden kann. Es erfolgt dann bei den später aufgenommenen Bildern in jeder einzelnen Bildeinheit eine Korrektur, beispielsweise anhand derselben Differenzinformation.In another embodiment, it may also be provided that the difference information is weighted so as to form, for example, common difference information for all image units, which can then be used to correct for later recorded images. It then takes place in the later recorded images in each individual image unit a correction, for example, using the same difference information.
Aufgrund der bereits vorgenannten Tatsache, dass in einigen Bildbereichen eines aufgenommenen Bildes die Reflektionsanteile mal mehr und mal weniger stark ausgebildet sein können, kann es auch vorgesehen sein, dass die Differenzinformationen, die zu einer Bildeinheit vorliegt, gewichtet werden mit den Differenzinformationen benachbarter Bildeinheiten. So kann für eine jeweils betrachtete Bildeinheit eine neue resultierende Differenzinformation gebildet werden, die berücksichtigt, wie die Differenzinformationen in benachbarten Bildeinheiten sind. Es kann so erreicht werden, dass auch in Bildeinheiten, die bei einer Aufnahme nur einen geringen Reflektionsanteil aufwiesen, bei zukünftig aufgenommenen Bildern korrekte Differenzinformationen vorliegen, um einen späteren Abgleich durchführen zu können.Due to the fact already mentioned above, that in some image areas of a recorded image the reflection components can sometimes be more and sometimes less powerful, it can also be provided that the difference information present for an image unit is weighted with the difference information of neighboring image units. Thus, for each image unit considered, a new resulting difference information can be formed which takes into account how the difference information is in neighboring image units. It can be achieved so that even in image units that at have a recording only a small amount of reflection, in the future recorded images correct difference information available to perform a later comparison can.
Um das Verfahren mit einer Foto- oder Filmkamera oder einem Zusatzmodul zu einer Kamera durchzuführen, kann es vorgesehen sein, dass vor und/oder während einer Bildaufnahme das durch das Objektiv gesammelte Licht in einen unpolarisierten und einen linear polarisierten Anteil oder zwei verschieden ausgerichtete linear polarisierte Anteile aufgespalten wird, wobei die beiden Anteile jeweils von einem Bildsensor aufgenommen werden und wobei einer der Bildsensoren das eine erste Bild und der andere Bildsensor das eine zweite Bild aufnimmt.In order to carry out the method with a camera or film camera or an additional module to a camera, it may be provided that before and / or during an image acquisition, the light collected by the lens in a unpolarized and a linearly polarized portion or two differently oriented linearly polarized Shares is split, wherein the two portions are each received by an image sensor and wherein one of the image sensors that a first image and the other image sensor receives a second image.
Hier können aus den gewonnenen Differenzinformationen aus den Bildern der beiden Bildsensoren die numerischen Bildinformationen, die mit dem ersten Bildsensor aufgenommen wurden oder diejenigen Bildinformationen eines weiteren für die Foto- oder Filmaufnahme vorgesehenen Bildsensors korrigiert werden.Here, from the differential information obtained from the images of the two image sensors, the numerical image information recorded with the first image sensor or those image information of another image sensor provided for the photo or film recording can be corrected.
Es kann dabei vorgesehen sein, dass eine erfindungsgemäße Foto- oder Filmkamera oder Zusatzmodul, insbesondere mit wenigstens einem Objektiv und wenigstens einem Bildsensor zur Aufnahme eines Einzelbildes oder einer Reihe von Bildern eingesetzt wird, die zwei Bildsensoren umfasst, wobei vor und/oder während einer Bildaufnahme ein erster Bildsensor mit unpolarisiertem und ein zweiter Bildsensor mit linear polarisiertem Licht beleuchtbar ist oder die beiden Bildsensoren mit verschieden linear polarisiertem Licht beleuchtbar sind. Hierbei kann sodann aus den Bildinformationen der beiden Sensoren wenigstens eine Differenzinformation bildbar sein, mit der die Bildinformation eines Bildsensors korrigierbar ist, insbesondere für den vorgenannten Weißabgleich.It can be provided that a photographic or film camera or additional module according to the invention, in particular with at least one lens and at least one image sensor for taking a single image or a series of images is used, which comprises two image sensors, wherein before and / or during an image acquisition a first image sensor with unpolarized and a second image sensor with linearly polarized light can be illuminated or the two image sensors can be illuminated with differently linearly polarized light. In this case, at least one difference information can be formed from the image information of the two sensors, with which the image information of an image sensor can be corrected, in particular for the abovementioned white balance.
Es kann vorgesehen sein, dass der erste und der zweite Bildsensor separat zu einem Bildsensor in der Kamera vorgesehen sind, der zur Aufnahme des Einzelbildes oder der Reihe von Bildern vorgesehen ist, also separat zu einem Hauptsensor. Hierbei können der erste und der zweite Bildsensor beispielsweise eine geringere Auflösung aufweisen als derjenige Haupt-Bildsensor, der zur Aufnahme des Einzelbildes oder der Reihe von Bildern vorgesehen ist.It can be provided that the first and the second image sensor are provided separately from an image sensor in the camera, which is used to pick up the image sensor Single frame or the series of images is provided, so separately to a main sensor. By way of example, the first and the second image sensor may have a lower resolution than the main image sensor which is provided for recording the single image or the series of images.
Dem liegt die Überlegung zugrunde, dass nicht zwingend zu jeder Bildeinheit eines aufgenommenen Bildes eine individuelle Differenzinformation zur Durchführung einer Korrektur vorliegen muss, sondern dass es gegebenenfalls ausreicht, eine oder nur einige wenige Differenzinformationen durch den ersten und zweiten Bildsensor zur Verfügung zu stellen, die global oder beispielsweise bereichsweise zur Korrektur bei denjenigen Bildeinheiten eines aufgenommenen Bildes angewandt werden, insbesondere die der globalen oder bereichsweise erfassten Differenzinformation zugeordnet sind.This is based on the consideration that it is not absolutely necessary for each image unit of a recorded image to have individual difference information for carrying out a correction, but that it is possibly sufficient to provide one or only a few difference information items by the first and second image sensors which are global or, for example, are applied in regions for correction in those image units of a recorded image, in particular those associated with the global or regionally detected difference information.
Bei einer erfindungsgemäßen Kamera oder Zusatzmodul, die/das mit dem Verfahren zum Einsatz kommen kann, kann dem ersten und zweiten Bildsensor ein einziges oder je ein separates Objektiv zugeordnet sein, so dass mit dieser Anordnung aus Objektiv und dem ersten und zweiten Bildsensor im Wesentlichen die gleiche Szene erfasst wird wie mit dem Haupt-Bildsensor und dem Objektiv, welches für die tatsächliche Erfassung des gewünschten Szenenbildes eingesetzt wird.In a camera or additional module according to the invention, which can be used with the method, the first and second image sensor can be assigned a single lens or a separate lens, so that with this arrangement of lens and the first and second image sensor substantially same scene is detected as with the main image sensor and the lens, which is used for the actual capture of the desired scene image.
Es kann alternativ auch vorgesehen sein, dass der erste und der zweite Bildsensor durch Licht beaufschlagt wird, welches aus dem Haupt-Strahlengang aus dem Haupt-Objektiv und einem Haupt-Bildsensor ausgekoppelt ist, der zur Aufnahme des Einzelbildes oder der Reihe von Bildern vorgesehen ist. Derartig ausgekoppeltes Licht kann beispielsweise nach der Auskopplung aufgespalten werden in einen unpolarisierten und einen linear polarisierten Anteil oder zwei verschieden linear polarisierte Anteile, wobei diese beiden aufgespaltenen Anteile jeweils wieder dem ersten und dem zweiten Bildsensor für die Verfahrensdurchführung zugeführt werden. Es kann auch eine Kamera vorgesehen sein, die einen Hauptbildsensor aufweist und einen weiteren Bildsensor mit eigener Optik (Objektiv) zur Aufnahme desselben Motiv, wobei z.B. der zusätzliche Bildsensor eine geringere physikalische Auflösung aufweist als der Hauptbildsensor. Dieser zusätzliche Bildsensor kann in die Kamera oder in ein externes Zusatzmodul integriert sein. Es kann bei einer Biidaufnahme z.B. mit dem Hauptbildsensor das erfindungsgemäß erste Bild aufgenommen werden, welches z.B. alle unpolarisierten Lichtanteile oder alle Lichtanteile einer ersten Polarisationsrichtung einfängt.Alternatively, it can also be provided that the first and the second image sensor are acted upon by light which is coupled out of the main beam path from the main objective and a main image sensor, which is provided for recording the single image or the series of images , Such coupled-out light can be split, for example, after decoupling into an unpolarized and a linearly polarized component or two differently linearly polarized components, wherein these two split components are in each case again supplied to the first and the second image sensor for carrying out the method. It can also be provided a camera having a main image sensor and another image sensor with its own optics (lens) for receiving the same motif, for example, the additional image sensor has a lower physical resolution than the main image sensor. This additional image sensor can be integrated in the camera or in an external additional module. In the case of an image recording, for example with the main image sensor, the first image according to the invention can be recorded, which, for example, captures all unpolarized light components or all light components of a first polarization direction.
Mit dem zweiten separaten Bildsensor kann nur linear polarisiertes Licht desselben Motivs oder eine andere Polarisationsrichtung aufgenommen werden. Hierfür kann zumindest in der Optik des zweiten Sensors ein Polarisator vorgesehen sein. Da der zweite separate Bildsensor eine geringere Auflösung hat kann es vorgesehen sein aus dem ersten Bild des Hauptsensors nur einen Teil der Bildeinheiten für die Durchführung des Verfahren auszuwählen, insbesondere einen Bereich im Bild, z.B. einen zentralen Bereich der in Anzahl und Anordnung der Bildeinheiten zu den Bildeinheiten des zweiten separaten Bildsensor korrespondiert.With the second separate image sensor only linearly polarized light of the same subject or another polarization direction can be recorded. For this purpose, a polarizer can be provided at least in the optics of the second sensor. Since the second separate image sensor has a lower resolution, it may be provided to select only a part of the image units for carrying out the method from the first image of the main sensor, in particular an area in the image, e.g. a central area corresponding in number and arrangement of the image units to the image units of the second separate image sensor.
So kann ein Differenzbild aus allen Bildeinheiten des Bildes vom zweiten Bildsensor und den ausgewählten Bildeinheiten des Bildes des ersten Hauptsensors erstellt werden. Die so erhaltenen Differenzinformationen können eingesetzt werden, ggfs. nach einer Gewichtung, Mittelung, Interpolation oder Zusammenfassung, um das Bild des ersten Hauptsensors, insbesondere global zu korrigieren.Thus, a difference image from all image units of the image can be created by the second image sensor and the selected image units of the image of the first main sensor. The difference information thus obtained can be used, if necessary after a weighting, averaging, interpolation or summary, to correct the image of the first main sensor, in particular globally.
In einer anderen Ausführung kann es auch vorgesehen sein, ein Einheit für eine Foto- oder Filmkamera vorzusehen, in der nur ein einziger Bildsensor vorgesehen ist, wobei vor und/oder während einer Bildaufnahme ein erstes Bild mit unpolarisierten und ein zweites Bild mit linear polarisierten Licht oder beide Bilder mit unterschiedlich linear polarisiertem Licht aufnehmbar sind, wobei aus den Bildinformationen beider Bilder wenigstens eine Differenzinformation bildbar ist, mit der die Bildinformationen eines Bildsensors der Kamera korrigierbar sind, insbesondere für einen Weißabgleich. Eine solche Einheit kann ebenso wie vorbeschrieben in einer Kamera integriert sein oder extern angeordnet sein, z.B. über den Blitzschuh einer Kamera an der Kamera befestigt sein, insbesondere wobei über Kontakte im Blitzschuh und am Zusatzmodul eine Kommunikation durchführbar ist, um der Kamera Information für einen Weißabgleich zu übermitteln.In another embodiment, it may also be provided to provide a unit for a photographic or film camera, in which only a single image sensor is provided, wherein before and / or during an image acquisition, a first image with unpolarized and a second image with linearly polarized light or both images with different linearly polarized light are absorbable, wherein from the Image information of both images at least a difference information can be formed, with which the image information of an image sensor of the camera can be corrected, in particular for a white balance. As described above, such a unit can be integrated in a camera or arranged externally, for example attached to the camera via the hot shoe of a camera, in particular via a communication in the hot shoe and the additional module communication is to the camera information for a white balance to convey.
Bei den vorgenannten Kameraausführungen bzw. Ausführungen der Einheiten / Zusatzmodule kann so vor oder während einer Bildaufnahme mit einem Hauptbildsensor über den ersten und zweiten zusätzlichen Bildsensor die Bildung eines Differenzbildes erfolgen, wobei die erhaltenen Differenzinformationen eingesetzt werden können, um die Bildeinheiten desjenigen Bildes zu korrigieren, die mit dem Hauptsensor aufgenommen wurden.In the case of the abovementioned camera designs or embodiments of the units / additional modules, the formation of a difference image can take place before or during image acquisition with a main image sensor via the first and second additional image sensors, whereby the obtained difference information can be used to correct the image units of that image. which were recorded with the main sensor.
Unter einem Polarisator wird, sofern nicht anderes erwähnt wird, in Sinne der Erfindung jede Art von polarisationsbeeinflussendem Element verstanden, z.B. ein einfaches Polarisationsfilter oder eine Anordnung aus Polarisationsfilter und/oder Lambda/2- oder Lambda/4-Platten.Unless otherwise stated, a polarizer means in the sense of the invention any type of polarization-influencing element, e.g. a simple polarizing filter or an array of polarizing filters and / or lambda / 2 or lambda / 4 plates.
Das polarisationsbeeinflussende Element kann auch ausgebildet sein als eine Flüssigkristallanordnung mit nachfolgendem Polarisationsfilter, insbesondere wobei der Grad der Polarisationsbeeinflussung durch unterschiedliche Spannungen an der Flüssigkristallanordnung einstellbar ist. Ebenso kann das polarisationsbeeinflussende Element ausgebildet sein als ein Polarisationsfilterarray, welches nebeneinander angeordnete Flächenbereiche aufweist, die unterschiedlich polarisiertes Licht passieren lassen oder das polarisationsbeeinflussende Element kann ausgebildet sein als ein doppelbrechendes Element, insbesondere vor welchem eine Maske, insbesondere eine Linienmaske angeordnet ist. Ausführungsbeispiele der Erfindung sowie einleitende Anmerkungen sind anhand der folgenden Figuren erläutert. Es zeigen:The polarization-influencing element may also be formed as a liquid crystal device with subsequent polarization filter, in particular wherein the degree of polarization influence is adjustable by different voltages on the liquid crystal array. Likewise, the polarization-influencing element may be formed as a polarization filter array, which has adjacently arranged surface areas that allow differently polarized light to pass or the polarization-influencing element can be formed as a birefringent element, in particular in front of which a mask, in particular a line mask, is arranged. Embodiments of the invention and introductory remarks are explained with reference to the following figures. Show it:
Figur 1 : die Beschreibung von Reflexion und RemissionFigure 1: the description of reflection and remission
Figur 2: die Wirkung unterschiedlicher Polfilterstellungen auf Reflexionsanteil und Remissionsanteil Figur 3: ein Schema des Verfahrens zur Bestimmung der beleuchtendenFIG. 2 shows the effect of different polar filter positions on reflection component and remission component FIG. 3: a diagram of the method for determining the illuminating component
Lichtfarbelight color
Figur 4: unterschiedliche Polarisationsrichtungen durch mehrfache Filter- Sensor-Kombination Figur 5: unterschiedliche Polarisationsrichtungen durch drehbare Filtereinheit mit gekoppelter (links) und feststehender (rechts) Sensoreinheit Figur 6: unterschiedliche Polarisationsrichtungen durch doppelbrechendesFigure 4: different polarization directions by multiple filter-sensor combination Figure 5: different polarization directions through rotatable filter unit with coupled (left) and fixed (right) sensor unit Figure 6: different polarization directions by birefringent
Material mit Linienmaske Figur 7 unterschiedliche Polarisationsrichtungen durch Polfilterarray auf einer Sensorfläche Figur 8 unterschiedliche Polarisationsrichtungen durch spannungsgesteuerten Flüssigkristall Figur 9 eine farbkanal- und pixelweise Subtraktion von 2 unterschiedlich polarisierten Teilbildern (R1G1B)1 und (R1G1B)2 Figur 10 eine exemplarische Darstellung zweier Ausgangsbilder und einesMaterial with line mask Figure 7 different polarization directions through Polfilterarray on a sensor surface Figure 8 different polarization directions by voltage-controlled liquid crystal Figure 9 a color channel and pixel by pixel subtraction of 2 differently polarized sub-images (R 1 G 1 B) 1 and (R 1 G 1 B) 2 figure 10 is an exemplary representation of two output images and one
Differenzbildesdifference image
Figur 11 den Aufbau eines einfachen Sensormoduls Figur 12 die Kombination von 2 Sensormodulen Figur 13 den Aufbau eines einfachen Sensormoduls mit doppelbrechendemFigure 11 shows the structure of a simple sensor module Figure 12, the combination of 2 sensor modules Figure 13 shows the structure of a simple sensor module with birefringent
Material und LinienmaskeMaterial and line mask
Figur 14 den Aufbau eines einfachen Sensormoduls mit Flüssigkristall Figur 15 ein Sensormodul mit Flüssigkristall und Strahlteilung Figur 16 ein Sensormodul mit Polfilterarray Figur 17 die Realisierung eines Polfilterarrays mit 2-stufigem Aufbau mit doppelbrechendem MaterialFigure 14 shows the structure of a simple sensor module with liquid crystal Figure 15 is a sensor module with liquid crystal and beam splitting Figure 16 is a sensor module with Polfilterarray FIG. 17 shows the realization of a polarizer array with a 2-stage structure with birefringent material
Ziel des neuen Verfahrens ist die Gewinnung der Lichtfarbe der Beleuchtung innerhalb der aufzuzeichnenden Szene, um mit dieser Information einen sicheren automatischen Weißabgleich in elektronischen Kameras zu schaffen. Das Verfahren besitzt im Gegensatz zum Stand der Technik messtechnischen Charakter und nutzt den Polarisationsgrad von an Körperoberflächen reflektierten Lichtanteilen aus.The aim of the new method is to obtain the light color of the illumination within the scene to be recorded in order to use this information to create a secure automatic white balance in electronic cameras. In contrast to the prior art, the method has metrological character and exploits the degree of polarization of light fractions reflected on body surfaces.
Der Reflexionsgrad an glänzenden oder auch matten Oberflächen ist in guter Näherung wellenlängenunabhängig. Die reflektierten Lichtanteile beliebiger Oberflächen sind daher spektral wie die beleuchtende Lichtart zusammengesetzt und damit unbunt. Der Polarisationsgrad dieser reflektierten Lichtanteile wird durch die Fresnel'schen Gleichungen (Reflexionsgesetz) begründet und lässt sich durch mindestens 2 unter verschiedenen Polarisationsrichtungen aufzunehmende Bilder auswertenThe reflectance on glossy or even matt surfaces is, to a good approximation, wavelength-independent. The reflected light components of any surface are therefore spectrally composed as the illuminating light and thus achromatic. The degree of polarization of these reflected light components is established by the Fresnel equations (reflection law) and can be evaluated by at least 2 images to be recorded under different polarization directions
Die remittierten Lichtanteile von Körperoberflächen kennzeichnen seine Farbigkeit und sind durch mehrfache Streueffekte innerhalb des Körpers nahezu unpolarisiert.The remitted light components of body surfaces characterize its color and are almost unpolarized by multiple scattering effects within the body.
Die Figur 1 zeigt diese Zusammenhänge. Die linksseitig dargestellte gerichtete Reflexion erzeugt ebenso wie die mittig dargestellte diffuse Reflexion zumindest teilweise polarisiertes Licht. Hingegen ist bei der Remission das Licht unpolarisiert.FIG. 1 shows these relationships. The directed reflection on the left-hand side, as well as the diffuse reflection in the middle, generates at least partially polarized light. On the other hand, in the remission the light is unpolarized.
Die Figur 2 zeigt die Wirkung unterschiedlicher Polarisationsfilterstellungen. In der linken Darstellung wird deutlich, dass sowohl reflektierte als auch remittierte Anteile das Polarisationsfilter passieren können. Bei der Ausrichtung des Polarisationsfilters gemäß der rechten Darstellung kann nur der eine linear polarisierte Lichtanteil des remittierten Lichtes das Filter passieren. Die Differenzbildung von unter verschiedenen Polarisationsrichtungen aufgenommenen Bildern detektiert den Polarisationsgrad der unbunten Reflexionsanteile und lässt die bunten unpolarisierten Remissionsanteile verschwinden. Man kann so eine ortsaufgelöste Information der beleuchtenden Lichtfarbe innerhalb der Szene erhalten, wie sie ein Bildsensor empfängt.FIG. 2 shows the effect of different polarization filter positions. In the left-hand illustration it becomes clear that both reflected and remitted portions can pass the polarization filter. When aligning the polarizing filter according to the right-hand illustration, only the one linearly polarized light component of the remitted light can pass through the filter. The difference formation of images taken under different polarization directions detects the degree of polarization of the achromatic reflection components and makes the colorful unpolarized remission components disappear. One can thus obtain spatially resolved information of the illuminating light color within the scene as received by an image sensor.
Sowohl die Intensität des reflektieren Lichtanteils als auch sein Polarisationsgrad sind maßgeblich von der Ausrichtung der betrachteten Körperoberfläche zu Lichtquelle und Kamera und seiner Oberflächenrauhigkeit, nicht aber von der remittierten Körperfarbe abhängig. Bei 3-dimensionalen Objekten ergibt sich demgemäß ein lokal variabler Nutzsignalpegel.Both the intensity of the reflected light component and its degree of polarization are decisively dependent on the orientation of the body surface viewed to the light source and camera and its surface roughness, but not on the remitted body color. In the case of 3-dimensional objects, this results in a locally variable useful signal level.
Die Verhältnisse der sensor- und beleuchtungsspezifischen Lichtfarbwerte sind genau die Informationen, die für einen exakten Weißabgleich eines mit diesem Sensor aufgezeichneten Bildes benötigt werden.The ratios of the sensor and illumination-specific light color values are precisely the information needed for an accurate white balance of an image recorded with this sensor.
Die praktische Umsetzung des Verfahrens wird schematisch in der Figur 3 dargestellt. Gemäß dieser Figur wird eine betrachtete Szene optisch abgebildet und dabei mehrere Bilder erzeugt. Die Bilderzeugung gliedertsich bdabei in eine Polarisationsfilterung, d.h. die Aufspaltung des einfallenden Lichtes in Anteile von verschieden ausgerichteten Polarisationen. Die so erhaltenen Bilder werden aufgezeichnet und es wird eine Differenz gebildet. Das jeweils erhaltene Differenzbild kann ausgewertet werden.The practical implementation of the method is shown schematically in FIG. According to this figure, an observed scene is optically imaged and several images are generated. The imaging is thereby divided into polarization filtering, i. the splitting of the incident light into proportions of differently oriented polarizations. The images thus obtained are recorded and a difference is formed. The difference image obtained in each case can be evaluated.
Zur Ermittlung der Lichtfarbe sind an die optische Abbildung bzgl. Auflösungsvermögen und geometrischer Verzeichnungsfreiheit deutlich geringere Anforderungen zu stellen als an die Optik des Hauptsensors einer Kamera. Es ist allerdings bevorzugt darauf zu achten, dass der Bildausschnitt der Teilbilder zur Differenzbildung möglichst gut übereinstimmt. Kantenversatz beispielsweise zwischen den Teilbildern oder auch ein ausgeprägter Farbquerfehler können zu Störsignalen im Differenzbild führen, die das Messergebnis verfälschen können. Inwiefern diese Effekte durch optische Genauigkeit bzw. Korrekturen oder erst durch eine elektronische Korrektur bei der Bildauswertung kompensiert werden, ist eine Frage des angestrebten Systemdesigns.In order to determine the light color, the optical image with regard to the resolution and the freedom of geometrical distortion need to meet significantly lower requirements than the optics of the main sensor of a camera. However, it is preferable to ensure that the image section of the sub-images for difference formation match as well as possible. Edge offset, for example, between the partial images or a pronounced lateral chromatic aberration can lead to interference signals in the differential image, which can falsify the measurement result. How are these effects by optical accuracy or corrections or only compensated by an electronic correction in the image evaluation is a question of the desired system design.
Der betrachtete Bildausschnitt zur Bestimmung der Lichtfarbe muss nicht notwendigerweise mit dem Bildausschnitt des Hauptsensors übereinstimmen. So kann es erwünscht sein, z.B. über eine Weitwinkel- oder Fish-Eye-Optik das Gesichtsfeld zu erweitern, um die Bestimmung der beleuchtenden Lichtfarbe möglichst robust auszuführen.The viewed image section for determining the light color does not necessarily have to match the image section of the main sensor. Thus it may be desirable, e.g. To extend the field of view by means of a wide-angle or fish-eye optics in order to make the determination of the illuminating light color as robust as possible.
Bei Einsatz nur einer einfachen Meßzelle (1 -Pixel-Sensor) ist es möglich, auf eine scharfe (fokussierende) optische Abbildung zu verzichten und eine Richtcharakteristik mit mechanischen Mitteln (wie z.B. beim Belichtungsmesser ohne Kalotte) zu verwenden.When using only a simple measuring cell (1-pixel sensor), it is possible to dispense with a sharp (focusing) optical image and to use a directional characteristic by mechanical means (such as the light meter without dome).
Die Aufnahme mehrfacher Bilder desselben Bildausschnitts kann z.B. durch Mehrfachaufnahmen eines Sensors in zeitlich kurzer Abfolge oder z.B. durch Strahlaufteilung in unterschiedliche optische Pfade mit mehreren Sensoren oder z.B. durch versetzte Pixelraster zwischen den Teilbildern auf einer Sensorfläche, insbesondere ähnlich dem Farbfilterarray bei einfachen Farbsensoren geschehen.The taking of multiple images of the same image section may be e.g. by multiple exposures of a sensor in a temporally short sequence or e.g. by beam splitting into different optical paths with multiple sensors or e.g. by staggered pixel raster between the sub-images on a sensor surface, in particular similar to the color filter array done in simple color sensors.
Vorteil der Verwendung eines einzelnen Sensors ist die Konstanz des Bildausschnitts und der spektralen Übertragungscharakteristik. Allerdings können schnell bewegliche Objekte durch die Zeitdifferenz zwischen den Bildern zu den erwähnten Verfälschungen des Messergebnisses führen.The advantage of using a single sensor is the constancy of the image detail and the spectral transmission characteristic. However, due to the time difference between the images, fast moving objects can lead to the mentioned falsifications of the measurement result.
Vorteil der Strahlaufteilung mit mehreren Sensoren ist die gleichzeitige Aufnahme der Differenzbilder, was zu Vorteilen bei schnell beweglichen Objekten führt. Allerdings ist hierbei bevorzugt auf gleiche Bildausschnitte und gleiche spektrale Charakteristik zwischen den Sensorpfaden zu achten. Diese Vorgaben lassen sich in der Regel z.B. durch elektronische Kalibrierfunktionen zwischen den Sensoren einhalten. Zur Strahlteilung bieten sich beispielsweise optische Strahlteiler (Spiegel oder Würfel) und/oder optische Gitter an. Dabei ist bevorzugt darauf zu achten, dass evtl. Polarisationsänderungen durch die Strahlteilung weitgehend unabhängig von der Wellenlänge des Lichts geschehen. Ein einzelner Sensors mit versetztem Pixelraster für verschiedene Teilbilder kann bevorzugt die angesprochenen Punkte in einem Konzept vereinigen, nämlich die Aufnahme der Teilbilder zu einem Zeitpunkt und gleicher Bildausschnitt zwischen den Teilbildern.The advantage of beam splitting with multiple sensors is the simultaneous recording of the difference images, which leads to advantages for fast moving objects. However, in this case, preference should be given to the same image sections and the same spectral characteristic between the sensor paths. As a rule, these specifications can be met by electronic calibration functions between the sensors. For beam splitting, for example, optical beam splitters (mirrors or cubes) and / or optical gratings are suitable. It is preferable to ensure that any changes in polarization caused by the beam splitting largely independent of the wavelength of the light. A single sensor with offset pixel raster for different partial images can preferably combine the addressed points in one concept, namely the acquisition of the partial images at one time and the same image section between the partial images.
Die Polarisationsfilterung kann durch Polarisationsfilter, dielektrische Grenzflächen oder auch doppelbrechendes Material geschehen. Bei unter dem Brewsterwinkel αB auf eine dielektrische Grenzfläche einfallenden Strahlen wird ausschließlich der senkrecht zur Einfallsebene schwingende Polarisationsanteil reflektiert.The polarization filtering can be done by polarizing filters, dielectric interfaces or birefringent material. At beams incident on a dielectric interface under the Brewster angle α B , only the polarization component oscillating perpendicularly to the plane of incidence is reflected.
Bei optisch anisotropen Materialien geschieht die Lichtausbreitung richtungs- und polarisationsabhängig. So trennt sich ein senkrecht einfallender Strahl bei schief liegender optischer Achse des Kristalls in einen sog. ordentlichen Strahl ohne Ablenkung und einen außerordentlichen Strahl mit Ablenkung auf. Beide Strahlanteile sind senkrecht zueinander polarisiert. Durch unterschiedliche Ablenkung der Strahlanteile entsteht außerdem ein Doppelbild, was einer Erzeugung mehrfacher Bilder (s. vorangegangener Abschnitt) entspricht und demgemäß bevorzugt für die Realisierung der Aufnahme von Bildern mit unterschiedlicher Polarisation ist.In the case of optically anisotropic materials, the light propagation is dependent on direction and polarization. Thus, when the optic axis of the crystal is at an angle, a beam which is incident vertically falls into a so-called ordinary ray without deflection and an extraordinary ray with deflection. Both beam components are polarized perpendicular to each other. In addition, due to different deflection of the beam components, a double image results, which corresponds to the generation of multiple images (see previous section) and is therefore preferred for the realization of the recording of images with different polarization.
Die Polarisationsfilterung mit verschiedenen Ausrichtungen kann dabei mechanisch oder elektronisch erfolgen. Mechanisch lassen sich unterschiedliche Polarisationsrichtungen beispielsweise durch eine mehrfache Ausführung der Bildaufnahmeeinheit mit Polfilter und Sensor unter verschiedenen Ausrichtungen realsieren. Dies zeigt z.B. die Figur 4. Die Figur 5 zeigt demgegenüber eine drehbare Filtereinheit mit einfachem Sensor. Eine einfache (oder mehrfache) Bildaufnahmeeinheit mit doppelbrechendem Material ist in der Figur 6 dargestellt und Figur 7 zeigt eine Bildaufnahmeeinheit, auf der ein Polfilterarray unterschiedlicher Polarisationsrichtungen aufgebracht ist.The polarization filtering with different orientations can be done mechanically or electronically. Mechanically, different polarization directions can be realized, for example by a multiple implementation of the image acquisition unit with polarizing filter and sensor under different orientations. This is shown for example in FIG. 4. On the other hand, FIG. 5 shows a rotatable filter unit with a simple sensor. A simple (or multiple) image acquisition unit with birefringent material is shown in FIG and FIG. 7 shows an image recording unit on which a polarizing filter array of different polarization directions is applied.
Bei der drehbaren Variante kann der Sensor je nach Aufbau mit dem Polfilter verbunden und so gemeinsam gedreht werden.In the rotatable version of the sensor can be connected depending on the structure with the polarizing filter and thus rotated together.
Bei Verwendung eines doppelbrechenden Materials genügt ein Sensor, um eine Polarisationsrichtung auszuwerten. Allerdings ist bevorzugt eingangsseitig eine Maske, insbesondere eine Linienmaske zu verwenden, um das entstehende Doppelbild der senkrechten Polarisationsrichtungen räumlich voneinander zu trennen und separaten Pixelregionen des Sensors zuzuordnen.When using a birefringent material, a sensor is sufficient to evaluate a polarization direction. However, it is preferable to use a mask on the input side, in particular a line mask, in order to spatially separate the resulting double image of the perpendicular polarization directions and to assign them to separate pixel regions of the sensor.
Durch die Maskierung des doppelbrechenden Materials werden auf den betroffenen Sensorbereichen polarisierte Lichtanteile abgeschattet, die je nach Maskenstruktur wie ein frei zu gestaltendes Polfilterarray (s.u.) senkrechter Polarisationsrichtungen wirken. Im einfachsten Fall einer beispielhaft genannten Linienmaske ergibt sich eine Linienstruktur von parallel und senkrecht angeordneten Polarisationsrichtungen, im Fall einer Maske in der Struktur eines beispielhaft genannten Schachbrettmusters entsprechend ein Schachbrettmuster senkrechter Polarisationsrichtungen.By masking the birefringent material polarized light components are shaded on the affected sensor areas, which act depending on the mask structure as a free to be designed Polfilterarray (s.u.) Vertical polarization directions. In the simplest case of an exemplarily mentioned line mask, a line structure of parallel and perpendicularly arranged polarization directions results, in the case of a mask in the structure of an exemplary checkerboard pattern corresponding to a checkerboard pattern of perpendicular polarization directions.
Bei der Variante mit Polfilterarray können die polarisierten Bildelemente lückenhaft verstreut liegen. Es bietet sich bevorzugt an, eine Polfilterzelle mit einer Agglomeration von RGB-Pixeln des Farbfiltermosaiks zu kombinieren, um die polarisierte RGB-Farbinformation möglichst örtlich zusammenhängend zu gewinnen.In the variant with polarizer array, the polarized pixels may be scattered incompletely. It is preferable to combine a polarizing filter cell with an agglomeration of RGB pixels of the color filter mosaic in order to obtain the polarized RGB color information as locally as possible in a coherent manner.
Bei Kombination des Polfilterarrays mit dem Hauptbildsensor kann ergänzend der Helligkeitsverlust des Polfilters durch eine Flatfieldkalibrierung in Verbindung mit einer Interpolation aus der nicht polarisierten Umgebung kompensiert werden. Für eine elektronische Ausführung unterschiedlicher Polarisationsrichtungen kann z.B. ein Flüssigkristalls mit einem nachgeschalteten Polarisationsfilter kombiniert werden. Es lässt sich so die Drehung der Polarisationsrichtung ohne bewegliche Teile realisieren. Die Figur 8 zeigt exemplarisch eine solche Anordnung.In addition, when the polarizer array is combined with the main image sensor, the brightness loss of the polarizer can be compensated by a flat-field calibration in conjunction with an interpolation from the non-polarized environment. For an electronic version of different polarization directions, for example, a liquid crystal can be combined with a downstream polarization filter. It can thus realize the rotation of the polarization direction without moving parts. FIG. 8 shows an example of such an arrangement.
Ein Flüssigkristall besitzt je nach Anordnung der Kristallmoleküle doppelbrechendes Verhalten. Durch ein elektrisches Feld (äußere angelegte Spannung) lässt sich die Orientierung der Kristallmoleküle innerhalb der Flüssigkeit ändern und damit die Doppelbrechung graduell steuern. Der Flüssigkristall wirkt als schaltbarer Phasenschieber mit Vorzugsrichtung im Prinzip wie ein λ/4- oder λ/2-Plättchen. Gemäß dieser Funktion kann daher ein Flüssigkristall einen linear polarisierten Lichtanteil geeigneter Ausrichtung z.B. durch eine λ/2-Verzögerung um genau 90° drehen, oder durch eine λ/4- Verzögerung zirkulär polarisieren (gleichmäßige Verteilung auf alle Schwingungsrichtungen wie unpolarisiertes Licht) oder ohne Verzögerung unverändert (0°) passieren lassen.A liquid crystal has birefringent behavior depending on the arrangement of the crystal molecules. An electric field (external applied voltage) allows the orientation of the crystal molecules within the liquid to change, thereby gradually controlling the birefringence. The liquid crystal acts as a switchable phase shifter with preferential direction in principle like a λ / 4 or λ / 2 plate. According to this function, therefore, a liquid crystal can have a linearly polarized light component of suitable orientation, e.g. rotate by exactly 90 ° through a λ / 2 delay, or circularly polarize through a λ / 4 delay (evenly distributed in all directions of vibration such as unpolarized light) or pass unchanged (0 °) without delay.
Durch Differenzbildung zwischen einem Bildpaar dieser 3 Fälle lässt sich die Lichtfarbe zwischen 2 zueinander senkrechten Polarisationsrichtungen auswerten.By subtraction between a pair of images of these 3 cases, the light color between 2 mutually perpendicular polarization directions can be evaluated.
Da die Phasenschiebung um einen festen Wellenlängenanteil nur für eine bestimmte Wellenlänge exakt funktioniert, wird empfohlen, die Steuerspannung des Flüssigkristalls farbabhängig (z.B. R, G und B) einzustellen. Andernfalls werden die Polarisationsanteile sowohl richtungs- als auch wellenlängenabhängig unterschiedlich übertragen, was zu Meßfehlern in der ermittelten Lichtfarbe führen kann. Ähnliche Fehlmessungen können durch schrägen Lichteinfall hervorgerufen werden. Hier ist bevorzugt eine feste Phasenbeziehung einzuhalten und dementsprechend die Ansteuerung des LCs auf den Neigungswinkel ortsabhängig anzupassen. Eine exakte Phasenstellung kann durch eine geeignete Kalibriervorschrift (Flatfieldkalibrierung für die betrachtete Polarisationsrichtung) färb- und ortsabhängig ermittelt und eingestellt werden. Die Differenzbildung der unter verschiedenen Polarisationsrichtungen gefilterten Bilder erfolgt in einer elektronischen Recheneinheit auf der Basis intensitätslinearer Farbsignale R, G, B. Aus Genauigkeitsgründen bietet es sich bei mit unterschiedlichen Sensoren aufgenommenen Teilbildern an, sensorkorrigierte Farbsignale zu verwenden, bei denen parasitäre Einflüsse wie Dunkelstrom, Empfindlichkeitsrauschen (Fixed Pattern Noise) und Fehlpixel bereits korrigiert sind. Das Differenzbild ergibt sich durch farbkanal- und pixelweise Subtraktion von 2 unterschiedlich polarisierten Teilbildern (R,G,B)i und (R1G1B)2 gemäß Figur 9.Since the phase shift by a fixed wavelength component only works exactly for a specific wavelength, it is recommended to set the control voltage of the liquid crystal in a color-dependent manner (eg R, G and B). Otherwise, the polarization components are transmitted differently depending on the direction as well as on the wavelength, which can lead to measurement errors in the determined light color. Similar incorrect measurements can be caused by oblique incidence of light. Here, it is preferable to adhere to a fixed phase relationship and, accordingly, to adapt the activation of the LC to the angle of inclination in a location-dependent manner. An exact phase position can be determined and set by a suitable calibration specification (flat-field calibration for the polarization direction under consideration) in a color-dependent and location-dependent manner. The difference of the filtered under different polarization directions images takes place in an electronic processing unit on the basis of intensity linear color signals R, G, B. For reasons of accuracy, it is useful when using different sensors sub-images to use sensor-corrected color signals in which parasitic influences such as dark current, sensitivity noise (Fixed Pattern Noise) and false pixels are already corrected. The difference image is obtained by color channel and pixel-by-pixel subtraction of 2 differently polarized partial images (R, G, B) i and (R 1 G 1 B) 2 according to FIG. 9.
Das Differenzbild Diff ist allgemein vorzeichenbehaftet. Da es in der weiteren Auswertung der Lichtfarbe um die Farbverhältnisse zwischen den R-, G- und B- Anteilen des Differenzbilds geht, ist dieser Umstand vernachlässigbar, weil bei ausreichendem Signalpegel die Farbwerte eines Pixels im Differenzbild entweder alle gleichzeitig positiv oder alle gleichzeitig negativ sind (Ausnahme: untersteuerte Bereiche mit überlagertem dominanten Signalrauschen). Ohne Beschränkung der Allgemeinheit lässt sich daher auch der Betrag des Differenzbilds nehmen und zur Lichtfarbe auswerten.The difference image diff is generally signed. Since the further evaluation of the light color involves the color ratios between the R, G and B components of the differential image, this circumstance is negligible because, given a sufficient signal level, the color values of a pixel in the difference image are either all positive at the same time or all negative at the same time (Exception: understeer areas with superimposed dominant signal noise). Without limiting the generality, therefore, the amount of the difference image can also be taken and evaluated to the light color.
In der Figur 10 ist oben exemplarisch ein erstes Bild 1 dargestellt, welches in drei Spalten und drei Zeilen jeweils in einzelne Bildeinheiten unterteilt ist. Jeder der hier insgesamt neun Bildeinheiten umfasst eine Bildinformation für in diesem Beispiel drei Farbkanäle, die den Farben rot, grün und blau, also dem RGB- Farbraum entsprechen. Lediglich exemplarisch sind hier in jeder Bildeinheit drei Zahlen dargestellt, die im Verhältnis dem Anteil der jeweiligen Farben in der betrachteten Bildeinheit entsprechen, die bei der Aufnahme eines Motivs entstanden sind.In FIG. 10, a first image 1 is shown by way of example above, which is subdivided into individual image units in three columns and three rows. Each of the nine image units here comprises image information for three color channels in this example, which correspond to the colors red, green and blue, ie the RGB color space. By way of example only, three numbers are shown here in each image unit, which correspond in proportion to the proportion of the respective colors in the considered image unit, which were created when a motif was taken.
Es ist hier anzumerken, dass die hier gewählte Aufteilung eines Bildes in neun Bildeinheiten lediglich exemplarisch zu verstehen ist und selbstverständlich bei den heute gängigen Bildsensorauflösungen wesentlich mehr Bildeinheiten in einem Bild zum Einsatz kommen können oder ggfs. sogar weniger. Ersteres gilt insbesondere dann, wenn derjenige Bildsensor, der zur Aufnahme eines Fotos eingesetzt werden soll, auch (mit) dazu vorgesehen ist, um die erfindungsgemäße Ermittlung der Farbanteile der wenigstens einen verwendeten Lichtquelle zu ermitteln.It should be noted here that the division of an image selected here into nine image units is to be understood only as an example and, of course, significantly more image units in an image can be used in today's conventional image sensor resolutions or, if necessary, even less. The former applies in particular when the image sensor which is to be used to take a picture is also provided with the purpose of determining the determination according to the invention of the color components of the at least one light source used.
Ist es hingegen vorgesehen, neben einem Bildsensor, der zur Aufnahme eines Fotos verwendet wird, separate Bildsensoren einzusetzen, die nur dazu dienen, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen, so kann man mit einer gegebenenfalls deutlich geringeren Auflösung auskommen, sofern gegebenenfalls nur bereichsweise oder globale Differenzinformationen gebildet werden sollen, die zur globalen oder nur bereichsweisen Korrektur der Bildeinheiten eines aufgenommenen Bildes eingesetzt werden sollen.If, on the other hand, it is provided to use separate image sensors in addition to an image sensor which is used to take a photograph, which only serve to carry out the method according to the invention, then one can make do with a significantly lower resolution, if appropriate, if only regional or differential information is formed should be used for the global or only partial correction of the image units of a recorded image.
Mit Bezug auf das hier genannte Beispiel soll das Bild 1 demnach ein erstes Bild im Sinne der Erfindung darstellen, bei dem vollständig unpolarisiertes Licht aufgenommen wurde bzw. das Licht eines Motivs, welches ohne Polarisationsbeeinflussung zu dem ersten Bildsensor gelangt ist. Alternativ kann Licht einer ersten lineare Polarisationsrichtung aufgenommen werden.With reference to the example given here, the image 1 is therefore intended to represent a first image within the meaning of the invention in which completely unpolarized light has been recorded or the light of a motif which has arrived at the first image sensor without any polarization influence. Alternatively, light of a first linear polarization direction can be recorded.
Demgegenüber zeigt das Bild 2 eine Aufnahme mit demselben oder einem äquivalenten Bildsensor, bei dem zur Erfassung des Bildes ein Polarisationsfilter eingesetzt wurde, bzw. eine andere Polarisationsrichtung mit dem Polarisator gewählt wurde.In contrast, Figure 2 shows a photograph with the same or an equivalent image sensor in which a polarizing filter was used to detect the image, or another polarization direction was chosen with the polarizer.
Die Größe der hier gelisteten numerischen Bildinformationen in jedem Farbkanal RGB ist dabei bevorzugt (bei einer Aufnahme unpolarisiertes Licht / polarisiertes Licht) durch eine Kalibrierung / Normierung angepasst worden an die numerischen Werte, die im Bild 1 erreicht wurden. Hiermit kann insbesondere ausgeglichen werden, dass es durch Einsatz eines Polarisators bzw. eines Polarisationsfilters zu einem Transmissionsverlust kommt. Zwischen den Bildern 1 und 2 wird gemäß der Erfindung eine Differenz gebildet, so dass in jeder der neun Bildeinheiten eine Differenz bezüglich jedes Farbkanals R, G und B auftritt. Bei dem hier gewählten Beispiel, welches nicht beschränkend zu verstehen ist, kann festgestellt werden, dass der Farbkanal R für rot im Differenzbild leicht dominiert und in den Farbkanälen G und B, also für grün und blau, eine Gleichverteilung vorliegt.The size of the numerical image information listed here in each color channel RGB is preferably adjusted (unpolarized light / polarized light in one image) by calibration / normalization to the numerical values which have been achieved in FIG. This can be compensated in particular that it comes through the use of a polarizer or a polarizing filter to a transmission loss. Between pictures 1 and 2, according to the invention, a difference is formed such that a difference occurs in each of the nine picture units with respect to each color channel R, G and B. In the example chosen here, which is not to be understood as limiting, it can be stated that the color channel R for red is slightly dominated in the difference image and an equal distribution is present in the color channels G and B, ie for green and blue.
Es kann somit darauf geschlossen werden, dass bei der zur Beleuchtung verwendeten Lichtquelle ein leichter Rotanteil dominiert, wie er beispielsweise bei thermischen Lichtquellen auftritt oder beispielsweise auch bei Licht, welches durch die späte Abendsonne erzeugt wird.It can therefore be concluded that in the light source used for lighting a slight red component dominates, as it occurs for example in thermal light sources or, for example, in light generated by the late evening sun.
Szenen, die mit dieser Beleuchtung fotografiert bzw. aufgenommen werden, werden somit aufgrund dieser Beleuchtung einen leichten Rotstich aufweisen, so dass unter Zugrundelegung der Erkenntnis über die hier vorliegenden Differenzinformationen ein Weißabgleich durchgeführt werden kann, nämlich beispielsweise dadurch, dass die Bildinformationen, die zu einem Bild erhalten werden, aufgrund der hier vorliegenden Differenzinformationen kalibriert bzw. normiert werden.Scenes that are photographed or recorded with this illumination will thus have a slight reddish cast due to this illumination, so that a white balance can be performed on the basis of the knowledge of the difference information present here, namely, for example, by the fact that the image information belonging to one Image are obtained, calibrated or normalized based on the differential information available here.
Wird ein Bild mit einem Bildsensor aufgenommen, der dieselbe Auflösung, also in diesem vereinfachten Beispiel neun Bildeinheiten aufweist, so kann es grundsätzlich vorgesehen sein, dass zu jeder Bildeinheit eine individuelle Korrektur stattfindet mit den Differenzinformationen, die zu der betreffenden Bildeinheit vorliegen.If an image is taken with an image sensor having the same resolution, ie, nine image units in this simplified example, it can basically be provided that an individual correction takes place for each image unit with the difference information present for the relevant image unit.
Es kann in einer anderen Ausführung auch vorgesehen sein, dass die Differenzinformationen aus dem Differenzbild gewichtet und dabei beispielsweise bereichsweise oder global zusammengefasst werden zu mehreren Differenzinformationen pro Bereich oder nur zu einer Differenzinformation für das gesamte Bild, so dass beispielsweise bei einer globalen Zusammenfassung nur ein einziges Tripel von Differenzinformationen für die Farbkanäle R, G und B vorliegt, die zur Korrektur aller Bildeinheiten eines aufgenommenen Bildes dienen.In another embodiment, it can also be provided that the difference information from the difference image is weighted and summarized, for example regionally or globally, to a plurality of difference information per area or only to a difference information for the entire image, so that, for example, in a global summary only There is a single triplet of difference information for the color channels R, G and B, which are used to correct all image units of a captured image.
Es ist darauf hinzuweisen, dass das hier genannte Beispiel lediglich stark vereinfachend dargestellt ist und weder in der Anzahl der hier verwendeten Bildeinheiten noch in der Größenordnung der dargestellten numerischen Zahlenwerte als beschränkend, sondern lediglich als veranschaulichend zu verstehen ist.It should be pointed out that the example given here is merely highly simplified and should not be interpreted as limiting, but merely as illustrative in the number of image units used here or in the order of the numerical numerical values shown.
Zur Maximierung des Nutzsignalpegels bietet sich an, Bildpaare von senkrecht zueinander stehenden Polarisationsrichtungen voneinander zu subtrahieren. Eine der polarisierten Aufnahmen kann dabei durch eine geeignet normierte unpolarisierte Aufnahme ersetzt werden. Der Nutzsignalpegel halbiert sich dann zwar, die Differenzinformation bleibt allerdings qualitativ erhalten.To maximize the useful signal level, it is useful to subtract pairs of images from mutually perpendicular polarization directions. One of the polarized images can be replaced by a suitably normalized unpolarized image. The useful signal level is then halved, but the difference information remains qualitatively preserved.
ES 9'lt: Iwφohπaert = 70° + 790° ES 9 ' lt: Iwφohπaert = 7 0 ° + 7 90 °
Damit folgt: Diff = I0. - I90. = I0. - (Iunpolarmert - I0.) = l{lv - Iunpolansιen/2)Thus follows: Diff = I 0 . - I 90 . = I 0 . - (I unparmed - I 0. ) = L {l v - I unpolansιen / 2)
Die Pegelanpassung der unpolarisierten Aufnahme soll bevorzugt den Transmissionsgrad des Polarisationsfilters ausgleichen. Diese Normierung wird bevorzugt durch eine Kalibrierung so ermittelt, dass unpolarisierte Lichtanteile der Szene durch die Differenzbildung verschwinden.The level adjustment of the unpolarized recording should preferably compensate for the transmittance of the polarization filter. This normalization is preferably determined by a calibration such that unpolarized light components of the scene disappear due to the difference formation.
Die Verwendung einer unpolarisierten Aufnahme zur Differenzbildung hat den Vorteil, dass sie für verschiedene Bilderpaare dienen kann, und so mit relativ wenig Bildaufnahmen möglichst viele unterschiedliche Polarisationsrichtungen ausgewertet werden können.The use of an unpolarized recording for difference formation has the advantage that it can serve for different pairs of images, and thus relatively few image recordings allow as many different polarization directions to be evaluated.
Die Auswertung unterschiedlicher Polarisationsrichtungen macht das Verfahren weitgehend unabhängig von der Position beleuchtender Lichtquellen, so dass bei beliebigen Richtungen der Beleuchtung ein ausreichendes Nutzsignal für die Auswertung zur Verfügung steht. In der Regel reichen 2 Bildpaare (z.B. 0790° und 457135°) dazu aus, das Verfahren ausreichend robust herzustellen. Alternativ wäre im Falle eines drehbaren Polarisators auch ein Regelkreis denkbar, der die Polarisationsrichtung auf einen max. Nutzsignalpegel im Differenzbild regelt. In diesem Fall ist die Auswertung eines einzigen Differenzbilds für die Ermittlung der dominanten Lichtfarbe ausreichend robust.The evaluation of different polarization directions makes the method largely independent of the position of illuminating light sources, so that a sufficient useful signal is available for the evaluation in any direction of the illumination. As a rule, two pairs of images (eg 0790 ° and 457135 °) are sufficient to make the process sufficiently robust. Alternatively, in the case of a rotatable polarizer and a control loop would be conceivable, the polarization direction to a max. User signal level in the difference image controls. In this case, the evaluation of a single differential image for the determination of the dominant light color is sufficiently robust.
Damit durch die Subtraktion der Bilderpaare die unpolarisierten Remissionsanteile verschwinden, ist eine möglichst gute Übereinstimmung der Ortsinformation zwischen den Bildern wichtig. Je nach optischem Design und Fertigungstoleranzen kann es nötig sein, einen evtl. auftretenden Pixelversatz zwischen den Bildern oder auch einen Farbquerfehler innerhalb eines Bildes vor der Subtraktion elektronisch (z.B. durch Verschiebungs- oder Skalieralgorithmen) zu korrigieren.In order for the unpolarized remission components to disappear as a result of the subtraction of the pairs of images, the best possible match of the location information between the images is important. Depending on the optical design and manufacturing tolerances, it may be necessary to electronically correct (e.g., by shifting or scaling algorithms) any pixel offset between the images or even a transverse chromatic aberration within an image prior to subtraction.
Eine elektronische Auswertung, die der Optimierung von Genauigkeit und Robustheit der Lichtfarbgewinnung dient, kann in einer bevorzugten Ausführung, die mit allen anderen Ausführungen beliebig kombinierbar ist, z.B. nach folgendem allgemeinen Schema ablaufen:An electronic evaluation, which serves to optimize the accuracy and robustness of the light color recovery, in a preferred embodiment, which can be combined with any other designs, e.g. proceed according to the following general scheme:
1. Vereinigung verschiedener Differenzbilder zur Maximierung des Nutzsignalpegels1. union of different difference images to maximize the Nutzsignalpegels
2. Bildung der relativen Lichtfarbanteile:2. Formation of relative light color components:
Figure imgf000034_0001
Figure imgf000034_0001
DiffR + Diffo + DiffB Diff R + Diffo + Diff B
Diffa g = DWR + Diffo + DiffsDiffa g = DWR + Diffo + Diffs
3. Es kann bevorzugt vorgesehen sein, ungültiger Bereiche z.B. in Form einer messtechnischen ortsabhängigen Wichtungsfunktion WmeSs(x.y) zu kennzeichnen bzw. zu maskieren.3. It can preferably be provided to identify or mask invalid regions, for example in the form of a metrological location-dependent weighting function W meS s (xy).
4. Es kann weiterhin bevorzugt die Erstellung erfolgen von einer bildinhaltsorientierten ortsabhängigen Wichtungsfunktion (Vertrauensmaß) WSZene(x,y)> die den Bildinhalt bezüglich Relevanz und Zuverlässigkeit für die Ermittlung der beleuchtenden Lichtfarbe bewertet4. It may furthermore be preferred to create a picture-content-oriented location-dependent weighting function (confidence measure) W SZ ene (x, y) > which evaluates the image content in terms of relevance and reliability for the determination of the illuminating light color
5. Histogrammberechnung (Verteilung der Häufigkeiten) h(r,g) unter Berücksichtigung der meßtechnischen (s. 3.) und der bildinhaltsorientierten (s. 4.) Wichtungsfunktionen5. Histogram calculation (distribution of frequencies) h (r, g) taking into account the metrological (see 3.) and the image content-oriented (see 4.) weighting functions
6. Ermittlung der mittleren dominanten Lichtfarbe (r,g)gιObai aus der Histogrammverteilung (s. 5.)6. Determination of the mean dominant light color (r, g) g ι O bai from the histogram distribution (see 5.)
Die Erfahrung zeigt, dass reale komplexe Szenen lokal Problemfälle wieExperience shows that real complex scenes like local problem cases
• Rauschen/Untersteuerung• Noise / understeer
• Spiegelnde Flächen (gerichtete Reflexion)• Reflecting surfaces (directional reflection)
• Mehrere unterschiedliche Lichtquellen (z.B. Sonne/Himmel)• Several different light sources (for example sun / sky)
beinhalten können, die zu Fehlmessungen der beleuchtenden Lichtfarbe führen können. Um diese in bevorzugter Ausführung für die Auswertung fehlerträchtiger Regionen auszublenden, können Wichtungsfunktionen W(x,y) gemäß 3. und 4. erstellt werden, die die verlässlichen Bildstellen höher und die weniger vertrauenswürdigen Bildstellen niedriger bewerten.may lead to erroneous measurements of the illuminating light color. In order to hide these in a preferred embodiment for the evaluation of error-prone regions, weighting functions W (x, y) according to 3 and 4 can be created, which rate the reliable image areas higher and the less trusted image sites lower.
a) Vereinigung verschiedener Differenzbildera) Combination of different difference pictures
Es erfolgt die Vereinigung verschiedener Differenzbilder. Dabei können aus den unter verschiedenen Polarisationsrichtungen aufgenommenen Bildern Ij in einer möglichen Ausführung aus allen möglichen Kombinationen von Bildpaaren Differenzbilder berechnet werden:There is the union of different difference pictures. In this case, differential images can be calculated from all possible combinations of image pairs from the images Ij recorded under different polarization directions in a possible embodiment:
Diffjk (χ> y) = i j (χ> y) - 1Ic (χ. y)Diffjk ( χ > y) = ij ( χ > y) - 1 Ic ( χ . Y)
Das endgültige Differenzbild Diff(x,y) kann ortsabhängig aus dem lokal betragsmäßig maximalen Differenzsignal zusammengesetzt werden:The final difference image Diff (x, y) can be composed, depending on location, from the maximum difference signal, which has the maximum local value:
Diff(x,y) = maχ(\Diffjk(x,y)\) Weil es sich um RGB-Farbbilder handelt, bietet sich zur Einfachheit an, die Maximalentscheidung von einem der drei Farbkanäle (z.B. Grünkanal) abhängig zu treffen. Sollte ein oder mehrere Farbkanäle dabei übersteuert sein (Clipping), so kann auf eine andere Differenzbildkombination ausgewichen werden (vgl. c) Erstellung einer meßtechnischen Wichtungsfunktion).Diff (x, y) = maχ (\ Diff jk (x, y) \) Because these are RGB color images, it is a good idea to make the maximum decision depending on one of the three color channels (eg green channel). If one or more color channels are overdriven (clipping), a different difference image combination can be used (see c) Creation of a measuring technique weighting function).
b) Bildung relativer Lichtfarbanteileb) formation of relative light color components
Es erfolgt die Bildung relativer Lichtfarbanteile. Die Lichtfarbe ist abhängig von der spektralen Zusammensetzung der Beleuchtung und dabei unabhängig von ihrer Intensität (Helligkeit). Die Lichtfarbe lässt sich daher durch Kombination von nur 2 Farbkomponenten darstellen. Da die Auswertung auf intensitätslineare Sensorsignale R, G, B aufsetzt, ist eine Histogrammanalyse ebenfalls auf linearen Farbkomponenten sinnvoll. Unter der Voraussetzung eines gleichanteilfreien Rauschanteils auf den Farbsignalen kann in einer möglichen Ausführung dieses Störsignal durch einen Mittelungsprozess, wie es eine Histogrammanalyse (s. T)) darstellt, eliminiert werden. Die linearen relativen FarbwertanteileThere is the formation of relative light color components. The color of the light depends on the spectral composition of the lighting, regardless of its intensity (brightness). The light color can therefore be represented by a combination of only 2 color components. Since the evaluation is based on intensity-linear sensor signals R, G, B, a histogram analysis also makes sense on linear color components. Assuming equal noise on the color signals, in one possible implementation, this noise may be eliminated by an averaging process, such as histogram analysis (see T). The linear relative color value shares
r = DiffR r = diff R
DiffR + DiffG + DiffB Diffo Diff R + Diff G + Diff B Diff o
8 =8 =
DiJfR + DijgrG + DiJ?B DiJf R + Dijgr G + DiJ? B
erfüllen die gestellten Bedingungen von Linearität und Intensitätsinvarianz.meet the given conditions of linearity and intensity invariance.
Alternativ sind auch intensitätsinvariante nichtlineare Darstellungen wie beispielsweise a = Ig(R /G) b = Ig(B2 Z(R - G) oder andere Verhältniskombinationen möglich. Aufgrund der nichtlinearen Transformation (Logarithmus) sollte eine solche Darstellung bevorzugt nur bei geringem Rauschanteil eingesetzt werden. Ansonsten würde sich eine Mittelung in Form einer Änderung des Mittelwerts auswirken.Alternatively, intensity invariant nonlinear representations such as a = Ig (R / G) b = Ig (B 2 Z (R - G) or other ratio combinations are possible.) Due to the nonlinear transformation (logarithm), such a representation should be preferred only for low noise component can be used. Otherwise, an averaging would be in the form of a change in the mean.
c) Erstellung einer meßtechnischen Wichtungsfunktionc) Creation of a metrological weighting function
Es erfolgt die Erstellung einer meßtechnischen Wichtungsfunktion.There is the creation of a metrological weighting function.
Ziel der meßtechnischen Wichtungsfunktion ist, nicht oder unsicher auswertbareThe aim of the metrological weighting function is, not or insecure evaluable
Bildbereiche zu detektieren und durch eine Gewichtsfunktion (i.d.R. zwischen 0 und 1) zu markieren.Detect image areas and mark them by a weight function (i.d.R between 0 and 1).
Kriterien können sein:Criteria can be:
• Übersteuerte Bereiche (Clipping mindestens eines Farbkanals in den Ausgangsbildern)• Overdriven areas (clipping of at least one color channel in the source images)
• Stark verrauschte Bildbereiche mit zu geringem Störabstand (SNR)• Very noisy image areas with too low signal-to-noise ratio (SNR)
Als SNR-Kriterium hat sich in einer möglichen Ausführung beispielsweise die lokale Filterung mit einem Medianfilter gemäß median( Diff)For example, in one possible implementation, the SNR criterion is local filtering with a median filter according to median (Diff).
SNR =SNR =
Diff - median( Diff)| bewährt.Diff - median (Diff) | proven.
d) Erstellung einer bildinhaltsorientierten Wichtungsfunktiond) Creation of a picture-content-oriented weighting function
Es erfolgt weiterhin die Erstellung einer bildinhaltsorientierten Wichtungsfunktion. Ziel dieser bildinhaltsorientierten Wichtungsfunktion ist die lokale Gewichtung vonThe creation of a picture-content-oriented weighting function continues. The goal of this image-content-oriented weighting function is the local weighting of
• kritischen Bildstellen mit niedrigem Gewichtungsfaktor und• critical image locations with a low weighting factor and
• besonders zuverlässig erscheinenden Bildstellen mit hohem Gewichtungsfaktor.• Particularly reliable appearing image areas with a high weighting factor.
Meßtechnisch auswertbare Bildbereiche können dennoch aufgrund spezieller Konstellationen der Objektoberflächenbeschaffenheit und der Szene zu Fehlmessungen der Lichtfarbe führen. Zu beachten ist, dass die elektronische Auswertung von komplexen Szenen die dominanten Lichtfarben (d.h. der Lichtquellen bzw. Primärstrahler) und nicht sekundär strahlende Objektfarben finden soll. Als kritisch auszuwertende Bildstellen sind daherHowever, due to special constellations of the object surface texture and the scene, image areas which can be evaluated by measurement technology can lead to erroneous measurements of the light color. It should be noted that the electronic evaluation of complex scenes, the dominant light colors (ie the Light sources or primary radiator) and not secondarily radiating object colors to find. As critical to be evaluated image locations are therefore
• in den Schatten liegende Bildbereiche (keine direkte Beleuchtung und damit keine dominante Lichtquelle, außerdem oft stark verrauscht (s. c))• shaded image areas (no direct illumination and thus no dominant light source, also often very noisy (see c))
• glänzende (=spiegelnde) Objektoberflächen (Spiegelbilder auch farbiger Objekte innerhalb der Szene, die nicht die Lichtfarbe beinhalten)• glossy (= reflective) object surfaces (mirror images of even colored objects within the scene that do not contain the light color)
• sehr raue oder dreidimensionale hochfrequente Objektoberflächen durch Mehrfachreflexionen, die zu farbigen falschen Lichtfarben im Differenzbild führen (z.B. Bäume, Gras, farbiger Samt oder Wolle etc.) einzustufen, um nur einige Beispiele zu nennen. Andererseits sind Bildstellen wie• classify very rough or three-dimensional high-frequency object surfaces by multiple reflections leading to colored false light colors in the difference image (for example trees, grass, colored velvet or wool etc.), to name but a few examples. On the other hand, picture sites are like
• glänzende Objektoberflächen, solange es sich um Reflexe (= Spiegelbilder) von Lichtquellen handelt,• shiny object surfaces, as long as they are reflections (= mirror images) of light sources,
• graue Objekte (die sehr sicher sowohl im Differenzbild als auch im Originalbild zur Lichtfarbe ausgewertet werden können) sehr sicher (robust mit hoher Genauigkeit der Lichtfarbe) und daher bevorzugt auszuwerten.• gray objects (which can be very reliably evaluated both in the difference image and in the original image for the light color) very safe (robust with high accuracy of the light color) and therefore preferable to evaluate.
Als Kriterien zur obigen Klassifizierung der Bildinhalte können folgende lokale Kriterien eingesetzt werden:The following local criteria can be used as criteria for the above classification of the image contents:
• Helligkeit Originalbild• Brightness original image
• Helligkeit Differenzbild• Brightness difference image
• Chrominanz Differenzbild• Chroma difference image
• Helligkeit Polarisationsgradbild• Brightness degree of polarization
• Chrominanz Polarisationsgradbild• Chroma degree of polarization
Das Polarisationsgradbild P(x,y) kann aus einem Bildpaar Ij(x.y) und lk(x,y) berechnet werden und ist als
Figure imgf000038_0001
definiert. Es wird für die 3 Farben separat bestimmt und besitzt entsprechend 3 Farbkomponenten Pr1 Pg, Pb.
The polarization degree image P (x, y) can be calculated from an image pair Ij (xy) and lk (x, y) and is called
Figure imgf000038_0001
Are defined. It is determined separately for the 3 colors and has correspondingly 3 color components Pr 1 Pg, Pb.
Gemäß obiger Definition repräsentiert der Polarisationsgrad das Verhältnis von Nutzsignal DiffJk = I } - Ik zur Helligkeit I1 + Ik . Dadurch fungiert er als Maß für die Auswertbarkeit einer Objektoberfläche unabhängig von der Helligkeit der Beleuchtung. Besonders hohe Polarisationsgrade erreichen glänzende Oberflächen und dunkle matte Oberflächen. Damit kann er als wesentlicher Indikator für die Erkennung von Spiegelbildern (kritische Fälle s.o) eingesetzt werden.According to the above definition, the degree of polarization represents the ratio of the useful signal Diff Jk = I } - I k to the brightness I 1 + I k . As a result, it acts as a measure of the evaluability of an object surface, regardless of the brightness of the illumination. Particularly high degrees of polarization achieve glossy surfaces and dark, dull surfaces. Thus, it can be used as an essential indicator for the detection of mirror images (critical cases see above).
Zudem stellt die farbliche Zusammensetzung des Polarisationsgrads einen unmittelbaren Zusammenhang mit der Objektfarbe her. Betrachtet man die Inversion des Polarisationsgrads
Figure imgf000039_0001
enthält der Zähler eine Mischfarbe von Licht- und Objektfarbe (unter der beleuchtenden Lichtfarbe), der Nenner nur die Lichtfarbe. Der reziproke Polarisationsgrad stellt daher die lokal weißabgeglichene Objektfarbe dar. Für neutrale Objekte ergibt sich eine Kombination dreier gleicher Farbwerte des reziproken Polarisationsgrads und damit auch des Polarisationsgrads selbst. Neutrale Objekte lassen sich daher innerhalb der Szene als graue Objekte im Polarisationsgradbild lokalisieren.
In addition, the color composition of the degree of polarization produces a direct connection with the object color. Considering the inversion of the degree of polarization
Figure imgf000039_0001
the counter contains a mixed color of light and object color (under the illuminating light color), the denominator only the light color. The reciprocal degree of polarization therefore represents the locally white-balanced object color. For neutral objects, a combination of three identical color values of the reciprocal polarization degree and thus also the degree of polarization itself results. Neutral objects can therefore be localized within the scene as gray objects in the polarization degree image.
Der Polarisationsgrad ist wie das Differenzsignal generell vom Einfallswinkel der Lichtstrahlen zur Objektoberfläche abhängig. Beim sog. Brewster-Winkel ist der Polarisationsgrad maximal. Weil der Einfallswinkel im wesentlichen vom Öffnungswinkel zwischen Kameraausrichtung und der Beleuchtungsrichtung abhängt, ist der mittlere Polarisationsgrad ein globales Maß für die Auswertbarkeit und damit für die Anwendbarkeit des Verfahrens allgemein. Als Helligkeitsmaß H(x,y) kann für Original-, Differenzbild und Polarisationsgradbild beispielsweise eine Linearkombination der 3 Farbwerte gemäßThe degree of polarization, like the difference signal, is generally dependent on the angle of incidence of the light rays to the surface of the object. At the so-called Brewster angle, the degree of polarization is maximal. Since the angle of incidence depends essentially on the aperture angle between the camera orientation and the direction of illumination, the average degree of polarization is a global measure of the evaluability and thus of the applicability of the method in general. As a brightness measure H (x, y), for example, a linear combination of the 3 color values can be used for the original, difference image and polarization degree image
H = (R + G + B)/3 sinnvoll verwendet werden.H = (R + G + B) / 3 can be used meaningfully.
Als zweidimensionale Chrominanzinformation (C1 , C2) sind intensitätsinvariante Darstellungen wie in b) Bildung relativer Farbanteile (s.o) geeignet.As two-dimensional chrominance information (C1, C2), intensity-invariant representations as in b) formation of relative color components (s.o) are suitable.
Neutrale Objektregionen lassen sich beispielsweise aus den Farbwerten des Polarisationsgradbilds Pn P9, Pb wie folgt bestimmen:Neutral object regions can be determined, for example, from the color values of the polarization degree image P n P 9 , P b as follows:
Figure imgf000040_0001
Figure imgf000040_0001
AGrey = J(Pr - 1/3)2 + (Pg - \ /3f + (Pb - 1/3)2 AGrey = J (P r - 1/3) 2 + (P g - \ / 3f + (P b - 1/3) 2
( ΔGrey s~ι SΛ i_ • j. [ ThresholdGrey(ΔGrey s ~ ι S Λ i_ • j. [ThresholdGrey
GreyObject = e v y GrayObject = e vy
Zur Lokalisierung der (positiven wie negativen) Fälle im Bild können die oben genannten Kriterien miteinander mathematisch verknüpft werden. Ergebnis ist jeweils eine Merkmalsfunktion, die die Erfüllung der betreffenden Situation (z.B. Spiegelbild viel/wenig) ausdrückt.To localize the (positive and negative) cases in the image, the above criteria can be mathematically linked together. The result is a feature function that expresses the fulfillment of the relevant situation (for example mirror image much / little).
Die bildinhaltsbezogenen Wichtungsfunktion W(x,y) kann anschließend durch eine im wesentlichen logische Kombination (AND, OR lassen sich durch Multiplikation bzw. Addition bei kontinuierlichen Merkmalen realisieren) der einzelnen Merkmalsfunktionen erstellt werden.The image-content-related weighting function W (x, y) can then be created by an essentially logical combination (AND, OR can be implemented by multiplication or addition in the case of continuous features) of the individual feature functions.
Eine Kombinatorik kann beispielsweise sein (vgl. oben): Wszene = (GreyObject OR (Spiegelung AND SehrHell)) ANDA combinatorics can be for example (see above): W scene = (GrayObject OR (mirroring AND very bright)) AND
NOT (Dunkel OR (Spiegelung ANDNOT SehrHell) OR BuntesDijferenzbild)NOT (Dark OR (Reflection ANDNOT Very Light) OR Colorful Lettering Image)
e) Histogrammberechnunge) histogram calculation
Es erfolgt weiterhin eine Histogrammberechnung, bei der z.B. das Histogramm der Lichtfarbe unter Berücksichtigung der beiden Wichtungsfunktionen aus c) und d) pixelweise (Index n) gemäßThere is also a histogram calculation using e.g. the histogram of the light color taking into account the two weighting functions from c) and d) pixel by pixel (index n) according to
lKr„g, )n + Wmess(x,y) - Wszene(x,y) für r, ≤ r(x,y)n+ι < r, + ΔΓ Λ h(r„gX+i = l g, ≤ g(x,y)n+ι K g1 + AglKr "g,) n + W mess (x, y) - W scene (x, y) for r, ≤ r (x, y) n + ι <r, + ΔΓ Λ h (r" gX + i = lg , ≤ g (x, y) n + 1 K g 1 + Ag
[Kr1, g X sonst berechnet werden kann.[Kr 1 , g X can be calculated otherwise.
f) Ermittlung der mittleren dominanten Lichtfarbef) Determination of the mean dominant light color
Es erfolgt weiterhin als in dieser Ausführung letzter Schritt die Ermittlung der mittleren dominanten Lichtfarbe, die sich z.B. ergibt aus einer arithmetischen Mittelung der Histogrammverteilung:Further, as the final step in this embodiment, the determination of the average dominant light color, e.g. results from an arithmetic mean of the histogram distribution:
Figure imgf000041_0001
Figure imgf000041_0001
Für die Realsierung des beschriebenen Weissabgleichverfahrens gibt es prinzipiell 2 bevorzugte Alternativen, die das Verfahren oder die genannten Vorrichtungen nicht beschränken.For the realization of the described white balance method, there are in principle 2 preferred alternatives which do not limit the method or the devices mentioned.
1. Die Ausführung als separate Einheit (entweder als Zubehörteil zu einer1. The execution as a separate unit (either as an accessory to a
Kamera oder als unabhängiges Sensormodul in das Gehäuse integriert) oder 2. die Integration in eine Kamera, wobei wesentlicheCamera or integrated as an independent sensor module in the housing) or 2. the integration into a camera, being essential
Kamerafunktionselemente (z.B. Optik oder Sensor) für das Weißabgleichsverfahren mitverwendet werden.Camera function elements (e.g., optics or sensor) for the white balance method.
Den Aufbau einer beispielhaften Sensoreinheit des beschriebenen Verfahrens zeigt die Figur 11.The construction of an exemplary sensor unit of the described method is shown in FIG. 11.
Über Objektiv und Strahlteilerspiegel werden 2 Bilder entworfen, die über jeweils eine Polfilter-Sensor-Kombination gleichzeitig aufgezeichnet werden. Die Polfilter sind in ihrer Orientierung um 90° gegeneinander verdreht. Die Einheit liefert somit 2 zueinander senkrecht polarisierte Bilder, aus denen die Differenz und weiter die Lichtfarbe gewonnen werden kann.Lens and beam splitter mirror 2 images are designed, which are recorded simultaneously via a polarizer-sensor combination. The polarizing filters are rotated in their orientation by 90 ° from each other. The unit thus provides 2 mutually perpendicular polarized images, from which the difference and further the light color can be obtained.
Um die Auswertung robust gegen beliebige Beleuchtungsrichtungen zu machen, können bevorzugt noch 2 zusätzliche Polarisationsrichtungen um 45° versetzt aufgenommen und ausgewertet werden. Dazu wird ein zusätzliches Sensormodul gemäß Figur 12 um 45° um die optische Achse verdreht eingesetzt.In order to make the evaluation robust against arbitrary directions of illumination, preferably 2 additional polarization directions can be recorded and evaluated offset by 45 °. For this purpose, an additional sensor module according to FIG. 12 is used rotated by 45 ° about the optical axis.
Deckungsgleiche Bildinhalte sind nur für die Differenzbildung notwendig. Die Parallaxe zwischen den beiden Sensormodulen ist weniger kritisch, weil die Differenzbilder im wesentlichen unabhängig voneinander weiterverarbeitet werden.Coincident image contents are only necessary for the subtraction. The parallax between the two sensor modules is less critical because the difference images are processed substantially independently of each other.
Dieselbe Grundfunktion des Sensormoduls lässt sich mit einfachem optischen Pfad unter Verwendung eines doppelbrechenden Materials mit vorgeschalteter Linienmaske gemäß Figur 13 oder eines Flüssigkristalls gemäß Figur 14 realisieren.The same basic function of the sensor module can be realized with a simple optical path using a birefringent material with an upstream line mask according to FIG. 13 or a liquid crystal according to FIG.
Das Sensormodul mit Flüssigkristall kommt wie das Modul mit doppelbrechendem Material ohne Strahlteiler und einem einzigen Sensor aus. Mit dem Flüssigkristall- Modul lassen sich zudem die zwei für die Differenzbildung benötigten Bilder nur zeitlich hintereinander aufnehmen, was bei bewegten Objekten nachteilig ist. Auch die einfachen Sensormodule mit Doppelbrechung oder mit Flüssigkristall sollten um 45° verdreht doppelt ausgeführt werden, entweder in separater doppelter Ausfertigung oder in Kombination mit einem Strahlteiler.The sensor module with liquid crystal comes out like the module with birefringent material without beam splitter and a single sensor. With the liquid crystal module, moreover, the two images required for the subtraction can only be recorded one behind the other, which is disadvantageous in the case of moving objects. Even the simple sensor modules with birefringence or with liquid crystal should be doubled by 45 °, either in a separate duplicate or in combination with a beam splitter.
Bei Kombination der Flüssigkristallausführung mit Strahlteilung ergibt sich ein komplexes Sensormodul welches schematisch in Figur 15 dargestellt ist und besondere Möglichkeiten bietet: Jeweils 2 für die Differenzbildung benötigte Bilder lassen sich gleichzeitig aufnehmen und mit nur einem Sensormodul lassen sich 4 Polarisationsrichtungen auswerten. Dazu können im Wechsel die Flüssigkristalle ohne und mit λ/4 Phasenverschiebung (entspricht dem unpolarisierten Zustand, geschaltet werden.Combining the liquid crystal design with beam splitting results in a complex sensor module which is shown schematically in FIG. 15 and offers special possibilities: 2 images each required for the subtraction can be recorded simultaneously and 4 polarization directions can be evaluated with only one sensor module. For this purpose, the liquid crystals can be switched alternately without and with λ / 4 phase shift (corresponds to the unpolarized state).
Vergleichbare Eigenschaften wie die letztgenannte Variante mit Flüssigkristall und Strahlteilung bietet eine vom optischen Aufbau und bzgl. Kalibrierung deutlich einfacher zu realisierende Variante mit Polfilterarray auf der Sensorfläche. Dies zeigen die Figuren 16. Für eine sichere Funktion ist es ausreichend, 2 Polarisationsrichtungen mit 45° Verdrehung aufzubringen. Durch Differenzbildung der polarisierten Farben mit der unpolarisierten Umgebung lassen sich alle Richtungen im 45°-Raster auswerten. Der lokale Normierungsfaktor zwischen den polarisierten und unpolarisierten Farbwerten lässt sich durch eine Flatfieldkalibrierung mit polarisiertem Weißbild ermitteln.Comparable properties such as the latter variant with liquid crystal and beam splitting offer a variant with a polarizing filter array on the sensor surface, which is much easier to implement from the optical setup and with respect to calibration. This is shown in the figures 16. For a reliable function, it is sufficient to apply 2 polarization directions with 45 ° rotation. By subtraction of the polarized colors with the unpolarized environment, all directions in the 45 ° grid can be evaluated. The local normalization factor between the polarized and unpolarized color values can be determined by a flat-field calibration with a polarized white image.
Ebenso lässt sich das Polfilterarray durch eine Kombination von 2 Masken insbesondere mit einem geeigneten Antialiasing-Filter, realisieren. Figur 17 zeigt ein Polfilterarray, das durch doppelbrechendes Material in Kombination mit einer vorgeschalteten Maske realisiert werden kann. Um die 0790°- und parallel die 457135°-Polarisationsrichtungen auszuwerten, kann z.B. ein mehrlagiger Aufbau ähnlich der Anordnung eines optischen Antialiasing-Filters verwendet werden. Dabei dient die 1. Stufe (obere Maske und 1. Lage des doppelbrechenden Materials) der Filterung der 0790°-Richung und die 2. Stufe (45°- Polarisationsdreher, zwischenliegende Maske und 2. Lage des doppelbrechenden Materials) der Filterung der 457135°-Richtung. Bei der Differenzbildung ist die Anordnung der Polarisationsrichtungen durch die 2-stufige Vorfilterung in der Sensorebene zu berücksichtigen.Likewise, the polarizing filter array can be realized by a combination of two masks, in particular with a suitable anti-aliasing filter. Figure 17 shows a polarizing filter array which can be realized by birefringent material in combination with an upstream mask. To evaluate the 0790 ° and parallel 457135 ° polarization directions, for example, a multi-layer structure similar to the arrangement of an optical anti-aliasing filter can be used. The 1st stage (upper mask and 1st layer of the birefringent material) is used for filtering the 0790 ° calibration and the 2nd stage (45 ° polarization rotator, intermediate mask and 2nd layer of the birefringent material) filtering 457135 ° -Direction. When the difference is the Arrangement of the polarization directions by the 2-stage pre-filtering in the sensor plane to consider.
Allgemein kann in einer Ausführung vorgesehen sein, ein Polfilterarray dadurch auszubilden, dass dichroitische Kristalle in einen Träger eingebettet werden und durch ein statisches elektrisches Feld bei der Aushärtung die Kristalle in gewünschter Richtung ausgerichtet werden. Bei einem Träger kann es sich z.B. um die Farbfilter eines Sensors handeln.In general, in one embodiment it may be provided to form a polarizing filter array by embedding dichroic crystals in a support and aligning the crystals in the desired direction by means of a static electric field during curing. For a wearer, it may be e.g. to trade the color filters of a sensor.
Die Meßeinrichtung kann in ein separates Gehäuse vergleichbar einem externen Blitzgerät eingebaut und an den Blitzschuh einer Kamera angeschlossen werden und bildet so ein Zusatzmodul bzw. externe Einheit. Die Kontakte bieten Stromversorgung und Kommunikationsschnittstellen, mit denen die Information der Lichtfarbe an die Kamera weitergegeben werden kann.The measuring device can be installed in a separate housing similar to an external flash unit and connected to the hot shoe of a camera and thus forms an additional module or external unit. The contacts provide power and communication interfaces that allow the light color information to be passed to the camera.
Alternativ lassen sich die Einheiten auch direkt in das Kameragehäuse integrieren und zur Messung der Lichtfarbe nutzen. Dabei ist durch eine geeignete Positionierung im Gehäuse sicherzustellen, dass die Optik nicht versehentlich verdeckt werden kann und der Bildausschnitt der Sensorik nicht durch das Kameraobjektiv unnötig eingeschränkt wird.Alternatively, the units can also be integrated directly into the camera body and used to measure the light color. In this case, it must be ensured by a suitable positioning in the housing that the optics can not be concealed accidentally and the image section of the sensor is not unnecessarily limited by the camera lens.
Innerhalb elektronischer Kameras lassen sich vorhandene Strahlengänge (Hauptstrahlengang, Sucherstrahlengang, Autofokus) durch Strahlteilung erweitern und an das beschriebene Verfahren anpassen. Die Sensormodule im vorangegangenen Abschnitt lassen sich auf diese Situation übertragen, evtl. kann auf die Meßoptik verzichtet werden.Within electronic cameras, existing beam paths (main beam path, viewfinder beam path, autofocus) can be expanded by beam splitting and adapted to the described method. The sensor modules in the previous section can be transferred to this situation, possibly can be dispensed with the measuring optics.
Vorteil dieser Vorgehensweise ist die Übereinstimmung des Bildausschnitts zwischen Mess- und Bildsensor, was für einen lokalen Weißabgleich vorteilhaft ist.The advantage of this procedure is the matching of the image section between the measuring and image sensor, which is advantageous for a local white balance.
Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit, den Hauptsensor als unpolarisiertes Teilbild zur Differenzbildung zu verwenden. Dadurch verringert sich die Anzahl der notwendigen Messbilder (sinnvoll sind dann 2 Polarisationsrichtung mit einer Verdrehung von 45°).Another advantage is the possibility of using the main sensor as an unpolarized partial image for subtraction. This reduces the number of necessary measurement images (then sense 2 polarization direction with a rotation of 45 °).
Ebenfalls vorteilhaft ist die Messung der Lichtfarbe im Kamerastrahlengang, wodurch die Farbabstimmung zwischen Messeinrichtung und Hauptsensor entfallen kann.Also advantageous is the measurement of the light color in the camera beam path, whereby the color matching between the measuring device and the main sensor can be omitted.
Bei Integration in den Kamerastrahlengang könnte die vorgestellte Meßeinrichtung neben der Steuerung des Weissabgleichs ebenfalls die Belichtungssteuerunng übernehmen, der Belichtungssensor könnte dann entfallen.When integrated into the camera beam path, the introduced measuring device could also take over the exposure control in addition to the control of the white balance, the exposure sensor could then be omitted.
Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung des Bildsensors als Messeinrichtung wie in Figur 14 oder 15 mit vorgeschaltetem Flüssigkristall und Polfilter dargestellt. Allerdings führt der Lichtverlust durch die Absorption des Polfilters im Hauptstrahlengang zu einer Reduktion der Empfindlichkeit des Kamerasystems um einen Faktor 2-3. Außerdem ließen sich so nur 2 Polarisationsrichtungen auswerten.Another possibility is the use of the image sensor as a measuring device as shown in Figure 14 or 15 with upstream liquid crystal and polarizing filter. However, the loss of light due to the absorption of the polarizer in the main beam path leads to a reduction in the sensitivity of the camera system by a factor of 2-3. In addition, only 2 polarization directions could be evaluated.
Prinzipiell ließe sich das Verfahren der Doppelbrechung ebenfalls in Verbindung mit dem Hauptsensor realisieren, allerdings würden durch die Linienmaske sowohl Licht- als auch Auflösungsverluste entstehen.In principle, the method of birefringence could also be realized in conjunction with the main sensor, but the line mask would cause both light and resolution losses.
Als besonders interessante Möglichkeit bietet sich an, auf dem hochaufgelösten Bildsensor ein verteiltes Polfilterarray unterzubringen. Weil sich die Beleuchtungsinformation nur relativ langsam ändert, können die Polfilterbereiche auf der Sensorfläche ruhig lückenhaft verteilt werden, um die Bildinformation möglichst wenig durch die Polarisationsbereiche zu stören.A particularly interesting option is to accommodate a distributed polarizing filter array on the high-resolution image sensor. Because the illumination information changes only relatively slowly, the polarizing filter regions on the sensor surface can be distributed in a stillly patchy manner in order to disturb the image information as little as possible through the polarization regions.
Für eine sichere Funktion ist ausreichend, 2 Polarisationsrichtungen mit 45° Verdrehung aufzubringen. Durch Differenzbildung der polarisierten Farben mit der unpolarisierten Umgebung lassen sich alle Richtungen im 45°-Raster auswerten. Der lokale Normierungsfaktor zwischen den polarisierten und unpolarisierten Farbwerten lässt sich durch eine Flatfieldkalibrierung mit polarisiertem Weißbild ermitteln.For a safe function it is sufficient to apply 2 polarization directions with 45 ° rotation. By subtraction of the polarized colors with the unpolarized environment, all directions in the 45 ° grid can be evaluated. The local normalization factor between the polarized and unpolarized color values can be determined by a flat-field calibration with a polarized white image.
Eine Schwierigkeit bei allen Varianten der Kameraintegration entsteht bei Verwendung eines Polarisationsfilters vor dem Kameraobjektiv: der Polarisationsgrad reflektierter Anteile, auf dem das neue Messverfahren beruht, geht verloren, und das Nutzsignal verschwindet, so dass das Verfahren ergebnislos ist. Im Amateurbereich (Kompakt- und Sucherkameras) wäre diese Einschränkung vermutlich akzeptabel, weil hier so gut wie nie mit Polarisationsfilter gearbeitet wird.One difficulty with all variants of camera integration arises when using a polarizing filter in front of the camera lens: the degree of polarization of reflected components, on which the new measurement method is based, is lost, and the useful signal disappears, so that the process is inconclusive. In the amateur sector (compact and viewfinder cameras), this restriction would probably be acceptable, because here almost never worked with polarization filter.
Bezüglich sämtlicher Ausführungen ist festzustellen, dass die in Verbindung mit einer Ausführung genannten technischen Merkmale nicht nur bei der spezifischen Ausführung eingesetzt werden können, sondern auch bei den jeweils anderen Ausführungen. Sämtliche offenbarten technischen Merkmale dieser Erfindungsbeschreibung sind als erfindungswesentlich einzustufen und beliebig miteinander kombinierbar oder in Alleinstellung einsetzbar. With regard to all embodiments, it should be noted that the technical features mentioned in connection with one embodiment can be used not only in the specific embodiment, but also in the other embodiments. All disclosed technical features of this invention description are to be classified as essential to the invention and arbitrarily combined or used alone.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Ermittlung der Farbanteile des Lichtes wenigstens einer Lichtquelle mittels wenigstens eines Bildsensors, wobei mit dem wenigstens einen Bildsensor ein in wenigstens eine Bildeinheit unterteiltes Bild eines mit der wenigstens einen Lichtquelle beleuchteten Motivs aufnehmbar ist, wobei zu jeder Bildeinheit für mehrere Farbkanäle eine numerische Bildinformation gespeichert wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Bild aufgenommen wird und wenigstens ein zweites Bild, welches nur oder zumindest im Wesentlichen nur die linear polarisierten Lichtanteile desselben Motivs umfasst, wobei durch Differenzbildung zwischen den numerischen Bildinformationen jedes Farbkanals von wenigstens einem Teil der Bildeinheiten eines ersten und wenigstens eines zweiten Bildes eine numerische Differenzinformation gebildet wird.1. A method for determining the color components of the light of at least one light source by means of at least one image sensor, wherein the at least one image sensor is subdivided into at least one image unit image of a lit with the at least one light source motif, each image unit for a plurality of color channels a numeric Image information is stored, characterized in that a first image is taken and at least a second image which comprises only or at least substantially only the linearly polarized light components of the same motif, wherein by differentiating between the numerical image information of each color channel of at least a portion of the image units of a first and at least one second image, a numerical difference information is formed.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Bild aufgenommen wird, welches alle Polarisationsanteile des Lichtes umfasst.2. The method according to claim 1, characterized in that a first image is taken, which comprises all polarization components of the light.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Bild aufgenommen wird, welches nur linear polarisierte Lichtanteile umfasst, wobei die Polarisationsrichtungen bei dem ersten und einem zweiten Bild voneinander abweichen, insbesondere unter 90 Grad zueinander angeordnet sind.3. The method according to claim 1, characterized in that a first image is taken, which comprises only linearly polarized light components, wherein the polarization directions in the first and a second image differ from each other, in particular are arranged at 90 degrees to each other.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bild, welches im Wesentlichen nur linear polarisierte Lichtanteile umfasst, unter Verwendung eines linearen Polarisators, insbesondere eines Polarisationsfilters, aufgenommen wird. 4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that an image which comprises substantially only linearly polarized light components, using a linear polarizer, in particular a polarizing filter, is recorded.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der5. The method according to claim 4, characterized in that the
Transmissionsverlust des Polarisators bei einem zweiten Bild kompensiert wird, insbesondere durch Anwendung einer Verstärkung im Signalweg eines Bildsensors oder durch Anwendung eines Multiplikators bei den numerischen Bildinformationen eines zweiten Bildes.Transmission loss of the polarizer is compensated in a second image, in particular by applying a gain in the signal path of an image sensor or by applying a multiplier in the numerical image information of a second image.
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Differenzinformationen jeder Bildeinheit diejenigen Differenzinformationen ausgewählt werden, die zumindest in einem der Farbkanäle den höchsten Betrag aufweist.6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that from the difference information of each image unit those difference information are selected which has the highest amount at least in one of the color channels.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere zweite Bilder aufgenommen werden, wobei in jedem der zweiten Bilder das Licht mit einer linearen Polarisation einer anderen Polarisationsrichtung aufgenommen wird, wobei für jedes Paar aus einem ersten und einem der zweite Bilder und/oder aus zwei zweiten Bildern Differenzinformationen gebildet werden.7. Method according to claim 1, characterized in that a plurality of second images are taken, wherein in each of the second images the light is recorded with a linear polarization of another polarization direction, wherein for each pair a first and one of the second images and / or from two second images difference information are formed.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die8. The method according to claim 7, characterized in that the
Differenzinformationen zu jedem Paar von Bildern verglichen werden und diejenigen Differenzinformationen eines Paares ausgewählt werden, die zumindest in einem der Farbkanäle den höchsten Betrag aufweisen.Difference information is compared to each pair of images and those difference information of a pair are selected, which have the highest amount at least in one of the color channels.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die9. The method according to claim 7, characterized in that the
Differenzinformationen zu jeder Bildeinheit verglichen werden und zu jeder Bildeinheit diejenigen Differenzinformation gewählt werden, die in zumindest einem der Farbkanäle den höchsten Betrag aufweisenDifference information to each image unit are compared and are selected for each image unit that difference information having the highest amount in at least one of the color channels
10.Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenzinformationen wenigstens eines Teils der Bildeinheiten gewichtet werden, um eine resultierende Differenzinformation zu bilden. 10.A method according to one of the preceding claims, characterized in that the difference information of at least a part of the image units are weighted to form a resulting difference information.
11.Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenzinformationen einer Bildeinheit gewichtet werden mit den Differenzinformationen benachbarter Bildeinheiten, insbesondere zeilen- und oder spaltenweise, um für die betrachtete Bildeinheit neue resultierende Differenzinformationen zu bilden.11.A method according to one of the preceding claims, characterized in that the difference information of an image unit are weighted with the difference information of neighboring image units, in particular line and or column by column to form new resulting difference information for the considered image unit.
12. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens die Differenzinformationen zu einer Bildeinheit direkt oder nach einer Umrechnung eingesetzt werden, um die Bildinformationen eines aufgenommenen Bildes zu korrigieren, insbesondere wobei durch die Korrektur ein Weißlichtabgleich durchgeführt wird.12. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that at least the difference information to an image unit are used directly or after a conversion to correct the image information of a recorded image, in particular wherein a white balance is performed by the correction.
13. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit einem einzigen Bildsensor, insbesondere dem Hauptbildsensor einer Kamera, zeitlich nacheinander das erste und wenigstens ein zweites Bild aufgenommen werden.13. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that with a single image sensor, in particular the main image sensor of a camera, successively the first and at least one second image are taken.
14. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere bei einer Foto- oder Filmkamera vor und/oder während einer Bildaufnahme das durch ein Objektiv gesammelte Licht in einen unpolarisierten und linear polarisierten Anteil oder zwei verschieden linear polarisierte Anteile gespalten wird, wobei die beiden Anteile jeweils von einem Bildsensor aufgenommen werden, wobei einer der Bildsensoren das eine erstes Bild und der andere Bildsensor das eine zweite Bild aufnimmt.14. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that in particular in a photographic or film camera before and / or during an image acquisition, the light collected by a lens light is split into an unpolarized and linearly polarized portion or two different linearly polarized components, wherein the two portions are each taken by an image sensor, wherein one of the image sensors that a first image and the other image sensor receives a second image.
15. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere bei einer Foto- oder Filmkamera vor und/oder während einer Bildaufnahme das durch ein Objektiv gesammelte Licht in einen unpolarisierten und linear polarisierten Anteil oder zwei verschieden linear polarisierte Anteile gespalten wird, wobei die beiden Anteile von verschiedenen Bildeinheiten desselben Bildsensors aufgenommen werden, wobei eine Gruppe von Bildeinheiten das eine erstes Bild und eine andere Gruppe von Bildeinheiten das eine zweite Bild aufnimmt.15. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that in particular in a photographic or film camera before and / or during an image acquisition, the light collected by a lens light is split into an unpolarized and linearly polarized component or two different linearly polarized components, wherein the two parts of different image units of the same image sensor with one group of image units receiving a first image and another group of image units taking a second image.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die16. The method according to claim 15, characterized in that the
Aufspaltung in verschiedene Anteile durch ein Polarisationsfilterarray erfolgt, welches vor einem Bildsensor angeordnet ist und welches nebeneinander angeordnete Flächenbereiche aufweist, die unterschiedlich polarisiertes Licht passieren lassen.Splitting takes place in different proportions by a polarizing filter array, which is arranged in front of an image sensor and which has juxtaposed surface areas which allow differently polarized light to pass.
17. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus den gewonnenen Differenzinformationen die numerischen Bildinformationen des ersten oder eines weiteren für die Fotooder Filmaufnahme vorgesehenen Bildsensors korrigiert werden.17. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that from the obtained difference information, the numerical image information of the first or another provided for the Fotooder film recording image sensor can be corrected.
18. Foto- oder Filmkamera oder Zusatzmodul für eine Foto- oder Filmkamera, insbesondere mit wenigstens einem Objektiv und wenigstens einem Bildsensor zur Aufnahme eines Einzelbildes oder einer Reihe von Bildern dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Bildsensoren vorgesehen sind, wobei vor und/oder während einer Bildaufnahme ein erster Bildsensor mit unpolarisierten und ein zweiter Bildsensor mit linear polarisierten Licht oder beide Bildsensoren mit unterschiedlich linear polarisiertem Licht beleuchtbar ist/sind, wobei aus den Bildinformationen beider Sensoren wenigstens eine Differenzinformation bildbar ist, mit der die Bildinformationen eines Bildsensors korrigierbar sind, insbesondere für einen Weißabgleich.18. A photographic or film camera or additional module for a photographic or film camera, in particular with at least one lens and at least one image sensor for receiving a single image or a series of images, characterized in that at least two image sensors are provided, wherein before and / or during a Imaging a first image sensor with unpolarized and a second image sensor with linearly polarized light or both image sensors with different linearly polarized light is illuminable is / are, from the image information of both sensors at least a difference information can be formed, with the image information of an image sensor can be corrected, in particular for a white balance.
19. Kamera oder Zusatzmodul nach Anspruch 18 dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bildsensor durch einen Haupt-Bildsensor zur Aufnahme von Bildern gebildet wird und der zweite Bildsensor durch einen separaten Bildsensor, insbesondere mit einer eigenen Optik und insbesondere einer geringeren Auflösung als der Hauptbildsensor. 19. A camera or additional module according to claim 18, characterized in that the first image sensor is formed by a main image sensor for recording images and the second image sensor by a separate image sensor, in particular with its own optics and in particular a lower resolution than the main image sensor.
20. Kamera oder Zusatzmodul nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Bildsensor separat zu einem Haupt- Bildsensor vorgesehen sind, der zur Aufnahme des Einzelbildes oder der Reihe von Bildern vorgesehen ist.20. A camera or additional module according to claim 18, characterized in that the first and the second image sensor are provided separately from a main image sensor, which is provided for receiving the single image or the series of images.
21. Kamera oder Zusatzmodul nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Bildsensor eine geringe Auflösung aufweisen als der Haupt-Bildsensor, der zur Aufnahme des Einzelbildes oder der Reihe von Bildern vorgesehen ist.21. A camera or additional module according to claim 20, characterized in that the first and second image sensor have a low resolution than the main image sensor, which is provided for receiving the single image or the series of images.
22. Kamera oder Zusatzmodul nach einem der Ansprüche 18 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass dem ersten und zweiten Bildsensor je ein separates Objektiv zugeordnet ist.22. A camera or additional module according to any one of claims 18 to 21, characterized in that the first and second image sensor is associated with a separate lens.
23. Kamera oder Zusatzmodul nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Bildsensor durch Licht beaufschlagt ist, welches aus dem Strahlengang zwischen einem Objektiv und einem Haupt-Bildsensor ausgekoppelt ist, der zur Aufnahme des Einzelbildes oder der Reihe von Bildern vorgesehen ist.23. A camera or additional module according to any one of claims 18 to 22, characterized in that the first and second image sensor is acted upon by light, which is coupled out of the beam path between a lens and a main image sensor, for receiving the single image or the series of images is provided.
24. Einheit für eine Foto- oder Filmkamera, dadurch gekennzeichnet, dass ein einziger Bildsensor vorgesehen ist, wobei vor und/oder während einer Bildaufnahme ein erstes Bild mit unpolarisierten und ein zweites Bild mit linear polarisierten Licht oder beide Bilder mit unterschiedlich linear polarisiertem Licht aufnehmbar sind, wobei aus den Bildinformationen beider Bilder wenigstens eine Differenzinformation bildbar ist, mit der die Bildinformationen eines Bildsensors der Kamera korrigierbar sind, insbesondere für einen Weißabgleich.24. unit for a photographic or film camera, characterized in that a single image sensor is provided, wherein before and / or during an image recording a first image with unpolarized and a second image with linearly polarized light or both images with different linearly polarized light recordable are, from the image information of both images at least a difference information can be formed, with which the image information of an image sensor of the camera can be corrected, in particular for a white balance.
25. Einheit nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass sie in einer Kamera integriert ist oder über den Blitzschuh einer Kamera an der Kamera befestigt ist, insbesondere wobei über Kontakte im Blitzschuh und am Zusatzmodul eine Kommunikation durchführbar ist, um der Kamera Information für einen Weißabgleich zu übermitteln. 25. Unit according to claim 24, characterized in that it is integrated in a camera or attached to the camera via the hot shoe of a camera, in particular via a communication in the hot shoe and the additional module communication is feasible to the camera information for a white balance to convey.
26. Einheit nach einem der Ansprüche 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Bildsensor ein polarisationsbeeinflussendes Element angeordnet ist.26. Unit according to one of claims 24 or 25, characterized in that a polarization-influencing element is arranged in front of the image sensor.
27. Einheit nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass das polarisationsbeeinflussende Element ausgebildet ist als eine Flüssigkristallanordnung mit nachfolgendem Polarisationsfilter, insbesondere wobei der Grad der Polarisationsbeeinflussung durch unterschiedliche Spannungen an der Flüssigkristallanordnung einstellbar ist.27. Unit according to claim 26, characterized in that the polarization-influencing element is formed as a liquid crystal device with subsequent polarization filter, in particular wherein the degree of polarization influence by different voltages on the liquid crystal device is adjustable.
28. Einheit nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass das polarisationsbeeinflussende Element ausgebildet ist als ein Polarisationsfilterarray, welches nebeneinander angeordnete Flächenbereiche aufweist, die unterschiedlich polarisiertes Licht passieren lassen.28 unit according to claim 26, characterized in that the polarization-influencing element is formed as a polarizing filter array, which has juxtaposed surface areas that allow differently polarized light to pass.
29. Einheit nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass das polarisationsbeeinflussende Element ausgebildet ist als ein doppelbrechendes Element, vor welchem eine Maske, insbesondere eine Linienmaske angeordnet ist. 29 unit according to claim 26, characterized in that the polarization-influencing element is formed as a birefringent element, in front of which a mask, in particular a line mask is arranged.
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