WO2010149591A1 - Image recording device and method for generating a recording - Google Patents

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WO2010149591A1
WO2010149591A1 PCT/EP2010/058643 EP2010058643W WO2010149591A1 WO 2010149591 A1 WO2010149591 A1 WO 2010149591A1 EP 2010058643 W EP2010058643 W EP 2010058643W WO 2010149591 A1 WO2010149591 A1 WO 2010149591A1
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WO
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exposure time
time window
exposure
image
image pickup
Prior art date
Application number
PCT/EP2010/058643
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German (de)
French (fr)
Inventor
Michael Schoeberl
André KAUP
Original Assignee
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. filed Critical Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04NPICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/50Control of the SSIS exposure
    • H04N25/57Control of the dynamic range
    • H04N25/58Control of the dynamic range involving two or more exposures
    • H04N25/587Control of the dynamic range involving two or more exposures acquired sequentially, e.g. using the combination of odd and even image fields
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04NPICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof

Definitions

  • the present invention relates to image pickup devices, e.g. Digital cameras, such as turn digital still or video cameras and a method for generating a recording.
  • image pickup devices e.g. Digital cameras, such as turn digital still or video cameras and a method for generating a recording.
  • the received light quantity or light energy Q v should be within a certain range, because electronic circuits only allow a certain minimum value (min) and a maximum value (max), which is due to the total noise in the system or the saturation charge (fill well Capacity) of a sensor are determined. Objects below a certain level will not be visible in the camera noise, and for objects above the maximum, the corresponding pixels will provide clipped or truncated values. In both cases, all details of these image areas will be lost and no image postprocessing will be possible.
  • the ratio between the dynamic range 900 of a digital camera, the upper limit max and the lower limit min thereof, and the consequences for areas of an image where the corresponding pixels are too bright or too dark in the case of conventional exposure over a shutter speed window of a particular one Time duration or exposure time with respect to the light energy Q v is shown once again in FIG. 12.
  • the region 900 between minimum and maximum light energy, which leads neither to saturation of the energy store or charge store of the sensor nor to a non-visible, because in the noise sinking rash leads is called dynamic range 900 of a camera system.
  • a sensor integrates the light flux F during the exposure time.
  • the sensor accumulates an amount of energy corresponding to the incident luminous flux F, e.g. a charge amount. The amount of light thus accumulated becomes too
  • FIG. 13 shows the luminous flux dynamic range limits or the dynamic range with respect to the luminous flux F using the example of a short and a long exposure time. Consequently, a correct exposure can be controlled by the exposure time for a given scene.
  • the light flux is controllable by suitably adjusting the scene, by additional optical filtering or by adjusting the aperture of the lens.
  • the lens aperture simultaneously adjusts the depth of focus range, which in turn is important to the scene composition.
  • the exposure time determines the motion blur required for a natural looking scene in motion picture recording.
  • An "ISO setting" of a camera will produce images of different brightness, but only using an internal gain that resizes the image data values. The underlying sensor sensitivity will persist, or at least the dynamic range will remain unchanged, because lost information will be lost due to over-resolution. and underexposure will continue to be lost.
  • the object of the present invention is therefore to provide an image pickup device and a corresponding method for producing recordings that fulfill this desire.
  • a central idea of the present invention is that a reduction in sensitivity can be carried out relatively inexpensively, with dynamic range advantages and with little effect on remaining image acquisition settings, by reading readings by reading the optoelectrical sensor several times, namely reading out and resetting the optoelectric sensor of the image recording device at least once during an exposure time window and once at the end of the exposure time window, are used to produce a shot, a sum is formed over these at least two readout values and the sum is reduced by a factor of less than 1, so that sensitivity of the image pickup device is neutral density reduced.
  • the gaplessness guarantees that the result of recording a conventional recording with continuous accumulation within the shutter speed window is substantially the same as essentially the whole Luminous flux during the exposure period contributes to the result.
  • the FPN noise is reduced due to the shorter sub-exposure intervals between the read-out / reset times. It also remains correctable.
  • the dynamic noise is also reduced due to the incoming averaging via the readings. The result is a reduced lower limit to the flow of light that still falls within the dynamic range.
  • the upper photocurrent barrier is increased due to the shorter Operabelichtungsintervalle. The effort for implementation is simple, since only a few additions and one multiplication per pixel are sufficient.
  • FIG. 1 is a schematic block diagram of an image pickup apparatus according to an embodiment
  • FIG. 2 shows a schematic illustration for comparing a continuous exposure and a division of an exposure into exposure subintervals according to an exemplary embodiment
  • 3 is a schematic representation of the resulting dynamic ranges for continuous exposure over a long exposure time window, continuous exposure over a short exposure time window, and subdivision of the long exposure time window into shorter subintervals according to one embodiment
  • FIG. 4 is a block diagram of an image pickup device according to an embodiment
  • FIG. 5 is a graph comparing the dynamic noise of continuous exposure and exposure with the division of the exposure time window into FIG
  • FIG. 10 is a schematic representation of a still camera according to an embodiment
  • FIG. 11 is a schematic representation of a video camera according to an embodiment
  • Fig. 12 is a schematic diagram illustrating a dynamic range in continuous exposure.
  • FIG. 13 shows a schematic representation for comparing the dynamic ranges for long and short continuous exposure.
  • the image pickup device of FIG. 1 includes an opto-electrical sensor 12, a readout 14, and a combiner 16.
  • the image pickup device of FIG. 1 is for generating a pickup 18 in an exposure time window and outputting it at an output 20.
  • the read-out 14 and the combiner 16 are connected in the order mentioned between the opto-electrical sensor 12 and the output 20.
  • the optoelectronic sensor 12 is, for example, an image sensor with an array of pixels 22.
  • the optoelectric sensor 12 or its pixels or pixels 22 are designed to integrate light incident during an exposure time, by
  • Relationship for all pixels 22 is the same. Due to the manufacturing process, however, there are differences between the individual pixels 22 which lead to a dark image or FPN noise typical for the optoelectric sensor 12. In addition, dynamic noise occurs, which is essentially statistically independent of each other during successive exposures.
  • the image pickup device of Fig. 1 is adapted to produce the photograph 18 in a predetermined exposure time window.
  • the exposure time window can be For example, be set by a shutter 24 beyond the photoelectric sensor 12 as a period in which incident light 26 in the image pickup device can hit the optoelectric sensor 12, whereas the shutter 24 otherwise prevents this impact.
  • the shutter 24 may be, for example, a mechanical shutter such as a mirror in the case of a digital SLR camera or a rotary shutter in the case of a video camera.
  • an external closure 24 to the optoelectric sensor 12 is not necessarily present.
  • the optoelectronic sensor 12 itself can be controllable such that the pixels 22 have their photosensitivity during the exposure time window and are otherwise sensitive to light.
  • the read-out 14 is designed to subject the optoelectronic sensor to a substantially continuous readout and reset operation several times within the exposure time window in order to obtain at least two readout values per exposure time window and for each pixel 22.
  • the read-out 14 is designed to subdivide the exposure time window into partial exposure intervals, and to read the optoelectrical sensor 12 at the end of each partial exposure interval and then reset it again.
  • the readout 14 requires a certain amount of time during which there is no accumulation of light-induced electrical energy.
  • the ratio between a sum of the time duration of the partial exposure intervals and a duration of the entire exposure time interval extending from the beginning of the first partial exposure interval to the end of the last partial exposure interval is, for example, between 1 and 0 , 9 including.
  • the combiner 16 is configured to generate the image 18 and by forming a sum over the at least two readings per pixel 22 and reducing the sum by a factor of less than 1, so that a sensitivity of the image pickup device is neutral density reduced. It may be that the combiner 16 obtains the readout values from the readout 14 in analog form, digitized and then added to obtain the sum in digital form, reduced by a factor of less than 1 by, for example, subsequently multiplying by the factor. An example of this will be explained later with reference to FIG. 4. The combiner 16 may reduce the sum in the digital form by the aforementioned factor and output it at the output 20. Alternatively, the combiner 16 could be designed to form the addition or sum in analog form and make the digitization later.
  • each readout value compared to an integration over the entire exposure period only later, ie at a higher luminous flux, to a saturation threshold for example, by the Ana- log / digital converter for digitizing the readout values in the combiner 16 (not shown in FIG. 1), or by the size of the capacitance for accumulating the amount of electrical energy corresponding to the amount of incident light within the optoelectric sensor 12 or readout 14.
  • the aforementioned energy storage can be located either in the optoelectric sensor 12 or in the reader 14, or that there is a corresponding energy storage in both, with a re-storage or transhipment to the read / return network operations takes place.
  • the FPN noise of the optoelectric sensor 12 is less noticeable. Further, due to the mean-valued calculation of the readings in the combiner 16, the dynamic noise is reduced. This, in turn, causes the resulting receptacle 18 to be more sensitive to faint signals. Overall, the sensitivity of the image recording device of FIG. 1 is reduced compared to a continuous exposure in the exposure time window. Such a neutral density reduction of sensitivity would otherwise have required one of the more complicated measures of the introduction to the description, e.g. the installation of a neutral optical density filter. Conversely, the other image properties, such as the motion blur, in the shot obtained from the split exposure values, is the same as in continuous exposure photography over the exposure time window because substantially the entire amount of light is used.
  • the image pickup device of FIG. 1 may be, for example, a still camera, an example of which is shown in FIG. 10, or a video camera, which will be described with reference to FIG. 11.
  • the image pickup device of Fig. 1 may, of course, also be integrated with other electronic devices, e.g. in a cell phone, a laptop, a PDA, a game console, etc., or in optical or medical gauges.
  • the number of read-out processes per exposure time window could, of course, also be adjustable. In this way, it would be possible to realize an adjustability of their sensitivity for the image pickup apparatus of FIG. 1, wherein the Ein auskweit hardly requires additional measures since the required operations remain essentially the same, such as summation and reduction by a factor.
  • FIG. 1 the recording of a single frame with uninterrupted exposure in the exposure time window 30 is shown in FIG.
  • the exposure starts at the time t ⁇ and ends after a period of time ⁇ exp at the time t 2 . That is, before the time t ⁇ , for example, the image shutter 24 of the image pickup device is closed, opened between the times tj and t 2 and closed again after the time t 2 .
  • the light integration gives the pixel value I.
  • a procedure is shown in Fig. 2 whereby four substantially gapless readout / reset operations 32r32 4 are performed during the exposure time window 30 to be exactly three within the exposure time window 30 and one at the end at time t 2 , whereby the exposure time window 30 is subdivided into four partial exposure intervals ⁇ N.
  • the last process may be limited to reading and at the beginning of the exposure time window at time t ⁇ , or the sensor is still reset.
  • the resetting causes a presetting of the aforementioned accumulation memory of the opto-electrical sensor, which is then discharged or charged at a rate corresponding to the instantaneous incident luminous flux.
  • the read results in a readout of the current state of charge of the accumulation memory.
  • the reading out can be destructive, ie change the state of charge, since then again a reset takes place.
  • the exposure time window 30 is subdivided by way of example into four partial exposure intervals 34 r 34 4 of length ⁇ N , but of course a finer or coarser subdivision with N> 2 is also possible.
  • the readout / reset operation 32r 32 3 is performed.
  • the readings can be destructive, ie destroy the contents of the aforementioned energy storage or charge storage.
  • the readout / reset operations 32r32 3 inside the exposure time window 30 have, as shown in Fig. 2, a readout operation and a reset operation, respectively, which take place substantially directly on each other. Between them no light accumulation occurs.
  • the ratio between the sum of these time gaps and the time duration t exp is equal to or less than 9/10 or even more preferably less than 99/100.
  • the final value / for the current frame then results according to averaging on a per-pixel basis, for example
  • N advantageously requires no adjustment of any camera mechanics. No optical properties of the cameras are changed by an adjustment of N. This applies both to the depth of field defined by the lens and the aperture of the image recording device and to the color characteristic and resolution of the camera or the image recording device. Consequently, the interval division of the shutter speed window 30, with summation and reduction, acts as described above, like a neutral neutral density digital density filter.
  • the actual image information is detected, for example, by integration of a photocurrent i ph corresponding to the incident luminous flux over the exposure time r exp .
  • Moving objects will appear smeared, which is essential for a natural scene appearance.
  • the emergence or lifelike reproduction of the correctyessverschmtechnik is essential for high quality motion picture recordings.
  • the static or FPN noise N FPN describes systematic interference that can be predicted within a certain range and subsequently removed or subtracted again, as for example in the MALUEC, RM: Detector Array Fixed-Pattern Noise Compensation. April 6, 1976. - U.S. Patent 3,949,162.
  • This noise consists mainly of offset noise N o ff S et and dark current noise Ndunk e i-
  • the exposure time dependency can be modulated with a constant value for dark current i dark i for each pixel, as described for example in US 7,092,017.
  • the linear dependence of the dark current on the exposure time results in significant image disturbances in the case of long exposure times.
  • FIG. 3 shows the dynamic range 40 in the case of a continuous long exposure, the dynamic range 42 in the case of a continuous short exposure, and compared to the dynamic range 44 in FIG Case of a dynamic range, as reflected by the digital ND filter described, ie by dividing the exposure time window into several partial exposure intervals with summation over the partial exposure values and decreasing the sum by the number of partial exposure intervals.
  • the dynamic noise with continuous exposure over the exposure window would be ⁇ a . If an averaging over N uncorrelated
  • Random variable a is performed, the mean value ⁇ becomes the value
  • the FP ⁇ noise for a short exposure time results in a reduction of the dark current FP ⁇ noise ⁇ du nkei by a factor of 1 / ⁇ .
  • the offset noise N o ffset remains constant, which only limits the overall reduction of the FPN noise. Averaging over the resulting same amount of FPN noise at each partial exposure value does not affect the noise level.
  • all components in the processing direction must be preceded by the cumulative image, such as, e.g. the sensor and the analog-to-digital converter are capable of processing at a rate n times higher than the frame rate.
  • an increased internal frame rate is immediately possible: a camera system does not always work at the highest possible frame rate. This is especially true if a regular camera is used for time-lapse recording or if a high-speed camera is used for regular frame rates.
  • some camera systems produce an output frame rate that is lower than the maximum internal sensor readout rate. This is used, for example, in rotary-shutter cameras where read-out is performed as quickly as possible. This reduces shutter artifacts without increasing the required processing power and memory data rate.
  • One possible embodiment is shown in FIG.
  • FIG. 4 shows an image capture device having a sensor 52, an analog-to-digital converter (ADC) 54, a fractional exposure value buffer 56, such as a sub-pixel. a RAM, as shown by way of example in FIG. 4, an adder 58, a multiplier 60 and a post-processing device 62. Components corresponding to one another from FIG. 4 and FIG. 1 are identified accordingly in FIG. 4. Accordingly, the sensor 52 of FIG. 4 internally comprises an opto-electrical sensor 12 and a corresponding read-out device 14. The partial exposure values 64 output sequentially by the read-out 14 per pixel and exposure time interval are digitized by the A / D converter 54.
  • ADC analog-to-digital converter
  • the partial exposure values 66 thus digitized are successively calculated or summed by the adder 58 with the intermediate result buffered in the intermediate memory 56, the sum result being stored again in the intermediate storage 56 or the contents of the intermediate storage 56 with the result of the current one Addition is updated, as indicated by the arrow 68.
  • the sum passes to multiplier 60. There, the sum is multiplied by the factor I / N 72.
  • the result of the multiplication represents the corresponding pixel value 74 which, together with the other pixel values, then represents the raw image which is fed to the further processing 62 in order, for example, to perform an FPN compensation with pixel-individual FPN correction function on the raw image, to perform a color correction and / or perform a color interpolation.
  • any further processing such as e.g. the FPN removal or a Bayer color reconstruction, performed only when the summation of the partial exposure values and the reduction has been performed with a factor of less than 1 for each pixel.
  • the operations of the device 62 need only be performed once for the raw image, or in integrating the device of FIG. 4 into an existing camera system, these operations still need to be performed only once per generated frame and not about N times. The integration therefore remains low in terms of its complexity.
  • test sequences with different frame rates and camera modes were recorded.
  • the test scene included a rotating disc with a narrow slot to check motion artifacts and check for gap-free reading.
  • uncompressed sequences in VoIl AD resolution ie 1920 x 1080 pixels, were recorded by a high-end camera system.
  • FPN compensation according to US Pat. No. 7,092,017 demosaicing or color interpolation was performed and visual gamma correction was applied.
  • FIG. 7 shows a lot of noise.
  • Optical filtering was used to reduce the amount of light by a factor of 4.
  • Fig. 8 the result is shown with a single short exposure.
  • the picture pickup has a lower FPN noise.
  • Fig. 9 the result is shown using the division into four partial exposure intervals with averaging over the partial exposure values. As can be seen in FIG. 9, in addition to the case of FIG.
  • the dynamic noise is also reduced, in addition to the reduction of the FPN noise.
  • the generated image also has the same motion blur as the conventional continuous exposure exposure in the exposure time window.
  • the scene brightness in the case of the digital ND filtering of FIG. 9 is identical to the result by the optical filtering as used in FIG. That is, the sensitivity could be reduced by a factor of 4, with both dynamic and static noise improved by 4 dB and 9 dB, respectively. This reduction in noise corresponds to an increase in the dynamic range, as described above.
  • the above-described ND digital filtering has many advantages over the conventional long continuous exposure: no optical filter is needed to reduce the amount of light.
  • the handling, the weight of the equipment and finally the cost of a camera package can be improved.
  • the digital implementation is also computationally simple and can be easily integrated into a camera system and requires no specialized sensors.
  • the described readout can also be used for still camera cameras in the consumer sector and allows still another option for adjusting the amount of light in a scene. This could directly enable long exposure photography during daylight where a typical aperture stop still lets in too much light.
  • the image noise levels are also reduced instead of increasing as in the conventional exposure. This eventually provides a higher dynamic range.
  • An FPN compensation algorithm is required only for a smaller range of exposure times.
  • the dark current calibration and compensation requirements are consequently lower than with respect to the wide bandwidth of exposure times.
  • the successive short exposures do not suffer from the dynamic range limits due to dark current and exposure times even over the maximum useful exposure of the sensor can be generated.
  • the described embodiments can thus be realized by combining a gap-free sensor readout mode with the image processing, with reduction of an image sensor sensitivity.
  • the generated images can increase the image quality. quality and the correctensverschmtechnik show. This shift of the dynamic range is possible without the need for additional mechanics.
  • the generated images also provide unique features, such as preserving motion blur, reduced sensitivity without hardware modification, and / or improved image quality.
  • An image pickup device can be used for both motion pictures and still pictures.
  • the exemplary embodiments provide a way for a user-selectable operating mode to reduce the sensitivity of the camera.
  • the implementation is just firmware-based and does not interfere with regular camera operation. This allows the recording of time-lapse scenes even during sunlight.
  • the described image acquisition can also be used for high speed cameras operating at lower frame rates. Optical filtering is not necessary and nevertheless any exposure times and lens apertures can be used.
  • the presented digital ND filtering can also be used. It provides yet another way to determine the best exposure setting, in addition to the lens aperture and exposure time setting. For example, if the sensitivity range adjustable by the lens aperture and exposure time is insufficient, the variation of the number of the above-described subintervals may be used to adjust the exposure. The range of aperture stops for a lens could even be reduced, which would save costs, and the digital sensitivity reduction, as described above, could be used instead.
  • FIG. 10 shows by way of example a digital still camera 80 in which the device of FIG. 1 or 4 is to be integrated, these components not being shown in FIG. 10 for the sake of clarity.
  • the camera 80 may be a single lens reflex camera or a viewfinder camera. It has a lens 82, a shutter 84, such as a lens. a
  • the camera 80 could include one or more of the following automatic programs. According to a first type of automatic program, it is the
  • the controller automatically adjusting the other two parameters.
  • the ratio between automatically set parameters and manually set parameter is reversed, ie, the user sets two manually and the remaining one is set automatically by the controller.
  • all three parameters would be set automatically by the controller.
  • the camera 80 has a trigger 92, upon actuation of which the user initiates the exposure or sets the beginning of the exposure time window.
  • rotary encoders shown in Fig. 10 there are various alternatives to the rotary encoders shown in Fig. 10, such as e.g. Toggle switch or other user input interface.
  • the controller may be completely absent and the controller included only a not shown in detail in Fig. 10 processor for automatically setting the three parameters aperture, exposure time and number of Operabelichtungsinter-.
  • FIG. 11 shows a video camera 100, into which a device according to FIG. 1 or FIG. 9 is integrated, again the components of these figures in FIG. 11 are not shown for the sake of clarity.
  • the digital camera 100 comprises a lens 82, a shutter 84, and a controller for controlling the aperture, exposure time r exp and the number N, to which the controller in turn may have user input interfaces 86, 88 and 90.
  • dashed lines indicate that diaphragm aperture, exposure time duration r exp and number of partial exposure intervals N could be manually adjustable. As mentioned above, automatic or mixed auto-manual adjustability of these three parameters would also be possible.
  • the exposure time duration r exp can be smaller than the image repetition time duration tfr at e >, so that there are dark phases or exposure-free phases 102 between the exposure time windows. Possibly.
  • the image repetition time or the frame rate or image frequency can also be set. Referring to both embodiments of Figs. 10 and 11, the camera may, for example, make an automatic adjustment to the brightness of the scene.
  • a fully automatic system for example, not only adjusts the exposure time and aperture suitably, but also the exposure time, aperture and number N or the factor 1 / x with which the sum of the partial exposure values is multiplied.
  • the controller When changing one of the values manually, such as changing the exposure time or frame rate, the controller (not shown) could adjust the other values so that the image brightness remains the same. At a speed ramp when filming with the video camera of FIG. 11, ie a continuous change of the frame rate, the image brightness could thus be kept constant. If, for example, the frame rate is reduced and thus the exposure time r exp is increased in an inherent manner, the controller (not shown), for example, ensures automatic adjustment of the diaphragm. It is also conceivable that in a camera, such as that of Fig. 10, a parameter is selectable by the user, such as exposure time or aperture, the others then being adjusted by the controller. An automatic adaptation of N and 1 / x depending on the manually selected other parameters is also conceivable. Other combinations, such as manually selecting one of the parameters and adjusting the others.
  • variable may also be fixed, such as e.g. Aperture and / or aperture time.
  • the light reduction is also sometimes measured in f-stops. Each reduction by a factor of 2 corresponds to a reduction by one f-stop.
  • Table (2) shows in the case of digital LP filtering with division of the exposure time window into N equal partial exposure intervals and averaging of the resulting partial exposure values, which N is necessary for a digital ND-V equivalent to certain optical ND filters.
  • the above embodiments thus provide many advantages: they can be installed digitally in existing systems and do not require additional hardware or optics. In addition, the realized sensitivity reduction can be switched on and off. The color or brightness dependence is purely neutral: unlike optical filters that can produce a shift in color from the infrared light, the digital filter has none of these problems, as described above. Finally, the above embodiments can be used for any type of integrating sensor, so also for applications without optical imaging, provided that complete reading is possible.
  • the readings are linear readings, that is, those which depend linearly on the integrated amount of incident luminous flux.
  • the optoelectronic sensor 12, the read-out 14 and, if present, the ADC within the combiner therefore preferably have substantially linear characteristics, ie a linear relationship between input variables, namely luminous flux, integrated light quantity or analog read-out value, and output variable, namely analog electrical readout value or digitized value, at least as far as the value range is concerned, which lies in the resulting dynamic range. They may also have non-linear characteristics, which which compensates for a linear overall characteristic which maps an integrated luminous flux onto the read-out value to be summed up.
  • the combiner could also include a dedicated nonlinear linearization module, such as an imager (not shown) between ADC 54 and adder 58 in FIG. 4. It could be in the form of a lookup table or analytically linearized.
  • the linearization could be identical for all pixels, whereas the further processing device, for example, still performs a pixel-individual and ⁇ > j-dependent FPN correction, as has already been described. However, it is not absolutely necessary that linear readings are available in the entire dynamic range.
  • the application could ensure externally, such as by the user, that the amount of incident light does not vary only to an extent such that, within this variation, the resulting characteristic of the digital ND filter imaging device is approximately linear.
  • the inventive scheme can also be implemented in software.
  • the implementation may be on a digital storage medium, in particular a floppy disk or a CD with electronically readable control signals, which may interact with a programmable computer system such that the corresponding method is executed.
  • the invention thus also consists in a computer program product with program code stored on a machine-readable carrier for carrying out the method according to the invention when the computer program product runs on a computer.
  • the invention can thus be realized as a computer program with a program code for carrying out the method when the computer program runs on a computer.

Abstract

The invention relates to an image recording device designed for generating a recording in an illumination time window, and comprising an optoelectric sensor, a reader for substantially continuously reading out and resetting the optoelectric sensor at least once within the illumination time window in order to obtain at least two readout values for the illumination time window, and a combiner for generating the recording by forming a sum of the at least two readout values and reducing the sum by a factor less than 1, so that a sensitivity of the digital camera is reduced in a neutral density manner.

Description

Bildaufhahmevorrichtung und Verfahren zum Erzeugen einer Aufnahme An image picking device and method for producing a recording
Beschreibungdescription
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Bildaufnahmevorrichtungen, wie z.B. Digitalkameras, wie z.B. wiederum digitale Standbild- oder Videokameras sowie ein Verfahren zum Erzeugen einer Aufnahme.The present invention relates to image pickup devices, e.g. Digital cameras, such as turn digital still or video cameras and a method for generating a recording.
In der digitalen Bilderzeugung spielt die korrekte Belichtung eine entscheidende Rolle während der Bildaufnahme. Die empfangene Lichtmenge bzw. Lichtenergie Qv sollte sich innerhalb eines bestimmten Bereiches befinden, denn elektronische Schaltungen erlauben lediglich einen bestimmten minimalen Wert (min) und einen maximalen Wert (max), die durch das Gesamtrauschen in dem System bzw. die Sättigungsladung (füll well capacity) eines Sensors bestimmt sind. Objekte unterhalb eines bestimmten Pegels werden in dem Kamerarauschen nicht sichtbar sein und für Objekte Oberhalb des Maximums werden die entsprechenden Pixel geclippte bzw. abgeschnittene Werte liefern. In beiden Fällen werden alle Details dieser Bildbereiche verloren sein und es ist keine Wiederherstellung mittels Bildnachverarbeitung möglich. Das Verhältnis zwischen Dynamikbereich 900 einer Digitalkamera, der oberen Grenze max und der unteren Grenze min desselben sowie die Folgen für Bereiche eines Bilder, bei denen die entsprechenden Pixel zu hell oder zu dunkel ausgeleuchtet sind, für den Fall einer herkömmlichen Belichtung über ein Belichtungszeitfenster einer bestimmten Zeitdauer bzw. Belichtungszeit bezogen auf die Lichtenergie Qv ist noch einmal in Fig. 12 gezeigt. Der Bereich 900 zwischen minimaler und maximaler Lichtenergie, der weder zu einer Sättigung des Energiespeichers bzw. Ladungsspeichers des Sensors führt noch zu einem nicht-sichtbaren, da im Rauschen untergehenden Ausschlag führt, wird Dynamikbereich 900 eines Kamerasystems genannt.In digital imaging, correct exposure plays a crucial role during image acquisition. The received light quantity or light energy Q v should be within a certain range, because electronic circuits only allow a certain minimum value (min) and a maximum value (max), which is due to the total noise in the system or the saturation charge (fill well Capacity) of a sensor are determined. Objects below a certain level will not be visible in the camera noise, and for objects above the maximum, the corresponding pixels will provide clipped or truncated values. In both cases, all details of these image areas will be lost and no image postprocessing will be possible. The ratio between the dynamic range 900 of a digital camera, the upper limit max and the lower limit min thereof, and the consequences for areas of an image where the corresponding pixels are too bright or too dark in the case of conventional exposure over a shutter speed window of a particular one Time duration or exposure time with respect to the light energy Q v is shown once again in FIG. 12. The region 900 between minimum and maximum light energy, which leads neither to saturation of the energy store or charge store of the sensor nor to a non-visible, because in the noise sinking rash leads is called dynamic range 900 of a camera system.
Für das Aufnehmen eines Bildes integriert ein Sensor den Lichtfluss F während der Belichtungszeit. Anders ausgedrückt, akkumuliert der Sensor eine dem einfallenden Lichtstrom F entsprechende Energiemenge, wie z.B. eine Ladungsmenge. Die so akkumulierte Lichtmenge ergibt sich zuFor taking a picture, a sensor integrates the light flux F during the exposure time. In other words, the sensor accumulates an amount of energy corresponding to the incident luminous flux F, e.g. a charge amount. The amount of light thus accumulated becomes too
Qv = \Fdt (1) Steht die Belichtungszeit fest, legen die Lichtenergiedynamikbereichsgrenzen max und min unmittelbar die Dynamikbereichsgrenzen bezogen auf den Lichtfluss fest. Fig. 13 zeigt die Lichtstromdynamikbereichsgrenzen bzw. den Dynamikbereich bezogen auf den Lichtstrom F am Beispiel einer kurzen und einer langen Belichtungszeit. Für eine gegebe- ne Szene kann folglich eine korrekte Belichtung durch die Belichtungszeit gesteuert werden. Der Lichtfluss ist durch geeignetes Anpassen der Szene, durch zusätzliches optisches Filtern oder durch Einstellen der Apertur der Linse steuerbar.Q v = \ Fdt (1) If the exposure time is fixed, the dynamic range limits max and min immediately set the dynamic range limits with respect to the light flux. FIG. 13 shows the luminous flux dynamic range limits or the dynamic range with respect to the luminous flux F using the example of a short and a long exposure time. Consequently, a correct exposure can be controlled by the exposure time for a given scene. The light flux is controllable by suitably adjusting the scene, by additional optical filtering or by adjusting the aperture of the lens.
Unglücklicherweise sind in dem Fall einer High-End-Bewegungsbildaufnahme viele dieser Faktoren zumeist festgelegt: die Linsenapertur stellt nämlich gleichzeitig den Tiefenschärfenbereich ein, der wiederum wichtig für die Szenenkomposition ist. Umgekehrt bestimmt die Belichtungszeit die Bewegungsverschmierung, die für eine natürlich aussehende Szene bei der Bewegungsbildaufzeichnung erforderlich ist. Eine „ISO-Einstellung" einer Kamera liefert Bilder mit unterschiedlicher Helligkeit, aber lediglich unter Verwendung einer in- ternen Verstärkung, die die Bilddatenwerte umskaliert. Die zugrunde liegende Sensorempfindlichkeit bleibt bestehen, oder zumindest bleibt der Dynamikbereich unverändert, denn verlorengegangene Informationen aufgrund einer Über- und Unterbelichtung bleiben auch weiterhin verloren.Unfortunately, in the case of a high-end moving picture image, many of these factors are mostly fixed: namely, the lens aperture simultaneously adjusts the depth of focus range, which in turn is important to the scene composition. Conversely, the exposure time determines the motion blur required for a natural looking scene in motion picture recording. An "ISO setting" of a camera will produce images of different brightness, but only using an internal gain that resizes the image data values.The underlying sensor sensitivity will persist, or at least the dynamic range will remain unchanged, because lost information will be lost due to over-resolution. and underexposure will continue to be lost.
Es bleibt also lediglich die Menge an Licht aus der Szene, die für eine korrekte Belichtung einstellbar wäre. In einem Studio ist die Helligkeit des Lichtes vielleicht einstellbar. Bei Außenaufnahmen ist dies aber bereits nicht mehr möglich. Am häufigsten wird eine zusätzliche optische Filterung verwendet, um die Empfindlichkeit der Digitalkamera zu reduzieren. Spezielle Neutraldichte-(ND)Filter können verwendet werden, um eine bestimmte Menge des einfallenden Lichtes zu entfernen. Echt farbneutrale und homogene optische Filter sind aber teuer und stellen einen empfindlichen bzw. zerbrechlichen Ausrüstungsgegenstand dar. Solche Filter erhöhen das Gewicht und die Größe des Kamerasystems. Bisher existiert keine elektronische Option zum Einstellen der Empfindlichkeit auf eine neutraldichte Art und Weise.So all that remains is the amount of light from the scene that would be adjustable for correct exposure. In a studio, the brightness of the light may be adjustable. For outdoor shots, this is already no longer possible. Most often, additional optical filtering is used to reduce the sensitivity of the digital camera. Specific neutral density (ND) filters can be used to remove a certain amount of incident light. However, true color neutral and homogeneous optical filters are expensive and are a delicate or fragile piece of equipment. Such filters increase the weight and size of the camera system. So far, there is no electronic option for adjusting the sensitivity in a neutral density fashion.
Abgesehen von der optischen Filterung existieren einige andere Optionen zur Erfassung von Szenen mit einem höheren Dynamikbereich. Z.B. wird eine Kombination von Frames verwendet:Apart from optical filtering, there are several other options for capturing scenes with a higher dynamic range. For example, a combination of frames is used:
In MANN, Steve; MANDERS, Corey; FUNG, James: Painting with looks: Photographie images from video using quantimetric processing. In: Proceedings ofthe tenth ACM international Conference on Multimedia, New York, NY, USA: ACM, 2002, S. 117-126 wird beispielsweise die Kombination mehrerer linearer Aufnahmen zur Erzeugung von Stand- bildern mit einem höheren Dynamikbereich beschrieben. Dieses Vorgehen funktioniert allerdings lediglich für statische Szenen, da jedes sich bewegende Objekt ansonsten an unterschiedlichen Positionen aufgenommen wird. Dies würde wiederum zu Bildartefakten führen, wenn auf diese Art und Weise Bilder sich bewegender Szenen erzeugt werden würden.In MAN, Steve; MANDERS, Corey; FUNG, James: Painting with looks: Photography images from video using quantimetric processing. In: Proceedings ofthe tenth ACM International Conference on Multimedia, New York, NY, USA: ACM, 2002, pp. 117-126, for example, the combination of several linear recordings for the production of stand images with a higher dynamic range. However, this procedure works only for static scenes, since each moving object is otherwise recorded at different positions. This in turn would result in image artifacts if images of moving scenes were to be created in this way.
In LIU, Xinqiao; Gamal, Abbas E.: Synthosis of high dynamic ränge motion blur free im- age from multiple captures. In: IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Fundamental Theory and Applications 50 (2003), April, Nr. 4, S. 530-539 und KANG, S.B.; UYTTENDAELE, M.; WINDER, S.; SZELISKI, R.: High dynamic ränge video. In: ACM Transactions on Graphics 22 (2003), Nr. 3, S. 319-325 wird beispielsweise eine Nachverarbeitung von Videosequenzen zur Verbesserung bzw. Erhöhung des Dynamikbereiches beschrieben, wobei diese Verfahren auf eine Rekonstruktion ohne Bewegungsverschmierung abzielen. Dies ist aber für Bewegungsbilder nicht wünschenswert, da die korrekte Erzeugung der Bewegungsverschmierung für die wahrgenommene Natürlichkeit einer Szene essentiell ist.In Liu, Xinqiao; Gamal, Abbas E .: Synthosis of high dynamic wrestling motion blur free imprint from multiple captures. In: IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Fundamental Theory and Applications 50 (2003), April, No. 4, pp. 530-539 and KANG, S. B .; UYTTENDAELE, M .; WINDER, S .; SZELISKI, R .: High dynamic ranks video. In: ACM Transactions on Graphics 22 (2003), No. 3, pp. 319-325, for example, a post-processing of video sequences to improve or increase the dynamic range is described, whereby these methods are aimed at a reconstruction without motion blurring. However, this is not desirable for moving pictures because the correct generation of motion blur is essential to the perceived naturalness of a scene.
In WANG, Hongcheng; RASKAR, Ramesh; AHUJA, Narendra: High dynamic ränge video using split aperture camera. In: IEEE 6ι Workshop on Omnidirectional Vision, Ca- mera Networks and Non-classical Cameras OMNIVIS, 2005 werden wiederum Lösungsansätze beschrieben, die die Bewegungsverschmierung zwar bewahren, aber zumindest zwei Kameras, zusätzliche Optiken und eine Ausrichtung erfordern.In WANG, Hongcheng; RASKAR, Ramesh; AHUJA, Narendra: High dynamic ranks video using split aperture camera. In: IEEE 6 ι Workshop on Omnidirectional Vision, Camera Networks and Non-classical Cameras OMNIVIS, 2005 In turn, solutions are described that preserve motion blur but require at least two cameras, additional optics, and alignment.
Spezielle Architekturen für Bildsensoren zum Erfassen eines höheren Dynamikbereiches einer Szene sind ebenfalls bereits bekannt.Special architectures for image sensors for detecting a higher dynamic range of a scene are also already known.
In KAVUSI, Sam; GAMAL, Abbas E.: Quantitative study of high-dynamic-range image sensor architectures. In: SPIE Sensors and Camera Systems for Scientific, Industrial, and Digital Photography Applications F Bd. 5301, SPIE, 2004, S. 264-275 werden beispiels- weise spezialisierte Sensoren zur Erfassung eines erhöhten Dynamikbereiches miteinander verglichen, darunter auch spezielle logarithmische Bildsensoren, die eine Szene direkt mit einem großen Dynamikbereich erfassen können. Leider lassen sich allerdings bei solchen Sensoren der Dunkelbildfehler bzw. das Festmusterrauschen (fixed pattern noise = FPN) nur schwer kompensieren.In KAVUSI, Sam; GAMAL, Abbas E .: Quantitative study of high-dynamic-range image sensor architectures. For example, specialized sensors for detecting increased dynamic range are compared, including special logarithmic image sensors, in SPIE Sensors and Camera Systems for Scientific, Industrial, and Digital Photography Applications F Vol. 5301, SPIE, 2004, pp. 264-275. which can capture a scene directly with a large dynamic range. Unfortunately, dark sensors and fixed pattern noise (FPN) are difficult to compensate for such sensors.
Die Einstellung der fotoseitigen Ladungskapazität, wie sie in DECKER, S.; MCGRATH, D.; BREHMER, K.; SODINI, CG.: A 256x256 CMOS imaging array with wide dynamic ränge pixels and column-parallel digital Output. In: IEEE Journal of Solid-State Circuits 33 (1995), Dec, Nr. 12, S. 2081-2091 beschrieben wird, erzeugt ein ähnliches Verhalten. Eine solche Vorgehensweise erfordert modifizierte Sensoren und kann aufgrund des ungleichmäßigen Ansprechverhaltens auf Licht für unterschiedliche Belichtungszeiten zu zusätzlichen Artefakten bei sich bewegenden Objekten führen.The setting of the photo-side charge capacity, as described in DECKER, S .; MCGRATH, D .; BREHMER, K .; SODINI, CG .: A 256x256 CMOS imaging array with wide dynamic ranks pixels and column-parallel digital output. In: IEEE Journal of Solid-State Circuits 33 (1995), Dec, No. 12, pp. 2081-2091, produces a similar behavior. Such an approach requires modified sensors and, because of the uneven response to light for different exposure times, may lead to additional artifacts on moving objects.
Räumlich variierende Belichtungen, wie sie in NAYAR, S.K.; MITSUNAGA, T.: High dynamic ränge imaging: spatially varying pixel exposures. In: Proceedings oflEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition Bd. 1, 2000, S. 472-479 und US 5,789,737 beschrieben wird, reduziert die Empfindlichkeit für einige Pixel. Dies wie- derum reduziert die Auflösung für alle Betriebsbedingungen und erfordert wiederum eine spezialisierte Sensorhardware und Einstellungen des Bildrekonstruktionsalgorithmus.Spatially varying exposures, as described in NAYAR, S.K .; MITSUNAGA, T .: High dynamic ranks imaging: spatially varying pixel exposures. Proceedings of the IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition Vol. 1, 2000, pp. 472-479 and US Pat. No. 5,789,737 reduces the sensitivity for some pixels. This, in turn, reduces the resolution for all operating conditions and in turn requires specialized sensor hardware and image reconstruction algorithm settings.
Wünschenswert wäre deshalb eine Möglichkeit zur Empfindlictikeitsverminderung oder Empfϊndlichkeitseinstellung, das eine breitere Einsatzmöglichkeit bezogen auf Sensortech- nologie, anwendbare Bildnachverarbeitung und/oder Szenentyp liefert, eventuell sogar zu qualitativ besseren Aufnahmen führt, eine Empfindlichkeitseinstellung liefert, die weniger oder überhaupt nicht abhängig ist von Blenden-, Szenenhelligkeits- und/oder Belichtungszeiteinstellung und dabei leicht implementierbar ist.It would therefore be desirable to be able to reduce sensitivity or adjust sensitivity, which would provide a broader range of applications in terms of sensor technology, applicable image processing and / or scene type, possibly even leading to better quality images, providing a sensitivity setting that is less or not at all dependent on aperture , Scene brightness and / or exposure time setting and it is easy to implement.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, eine Bildaufnahmevorrichtung und ein entsprechendes Verfahren zur Erzeugung von Aufnahmen zu schaffen, die diesem Wunsch nachkommen.The object of the present invention is therefore to provide an image pickup device and a corresponding method for producing recordings that fulfill this desire.
Diese Aufgabe wird durch eine Bildaufnahmevorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Ver- fahren gemäß Anspruch 12 gelöst.This object is achieved by an image recording device according to claim 1 and a method according to claim 12.
Ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass eine Empfindlichkeitsverringerung relativ unaufwendig, mit Dynamikbereichsvorteilen und mit wenig Auswirkungen auf restliche Bildaufnahmeeinstellungen durchgeführt werden kann, indem Auslese- werte durch mehrmaliges Auslesen des optoelektrischen Sensors, nämlich lückenloses Auslesen und Zurücksetzen des optoelektrischen Sensors der Bildaufnahmevorrichtung zumindest einmal während eines Belichtungszeitfensters und einmal Auslesen am Ende des Belichtungszeitfensters, zur Erzeugung einer Aufnahme verwendet werden, eine Summe über diese zumindest zwei Auslesewerte gebildet wird und die Summe um einen Faktor kleiner 1 verkleinert wird, so dass eine Empfindlichkeit der Bildaufnahmevorrichtung neutraldichtereduziert wird. Die Lückenlosigkeit garantiert, dass das Ergebnis der Aufnahme einer herkömmlichen Aufnahme mit kontinuierlicher Akkumulation innerhalb des Belichtungszeitfensters im Wesentlichen entspricht, da im Wesentlichen der gesamte Lichtstrom während der Belichtungszeitdauer zum Ergebnis beiträgt. Das FPN-Rauschen ist aufgrund der kürzeren Teilbelichtungsintervalle zwischen den Auslese/Rücksetz- Zeitpunkten reduziert. Es bleibt zudem korrigierbar. Das dynamische Rauschen wird aufgrund der eintretenden Mittelung über die Auslesewerte ebenfalls reduziert. Das Ergebnis ist eine reduzierte untere Schranke für den Lichtfluss, der noch in den Dynamikbereich fallt. Umgekehrt ist auch die obere Lichtstromschranke aufgrund der kürzeren Teilbelichtungsintervalle erhöht. Der Aufwand zur Implementierung ist einfach, da lediglich wenige Additionen und eine Multiplikation pro Bildpunkt ausreichend sind.A central idea of the present invention is that a reduction in sensitivity can be carried out relatively inexpensively, with dynamic range advantages and with little effect on remaining image acquisition settings, by reading readings by reading the optoelectrical sensor several times, namely reading out and resetting the optoelectric sensor of the image recording device at least once during an exposure time window and once at the end of the exposure time window, are used to produce a shot, a sum is formed over these at least two readout values and the sum is reduced by a factor of less than 1, so that sensitivity of the image pickup device is neutral density reduced. The gaplessness guarantees that the result of recording a conventional recording with continuous accumulation within the shutter speed window is substantially the same as essentially the whole Luminous flux during the exposure period contributes to the result. The FPN noise is reduced due to the shorter sub-exposure intervals between the read-out / reset times. It also remains correctable. The dynamic noise is also reduced due to the incoming averaging via the readings. The result is a reduced lower limit to the flow of light that still falls within the dynamic range. Conversely, the upper photocurrent barrier is increased due to the shorter Teilbelichtungsintervalle. The effort for implementation is simple, since only a few additions and one multiplication per pixel are sufficient.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:Preferred embodiments of the present invention will be explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. Show it:
Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild einer Bildaufnahmevorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;1 is a schematic block diagram of an image pickup apparatus according to an embodiment;
Fig. 2 eine schematische Darstellung zum Vergleich einer durchgehenden Belichtung und einer Aufteilung einer Belichtung in Belichtungsteilintervalle gemäß einem Ausführungsbeispiel;FIG. 2 shows a schematic illustration for comparing a continuous exposure and a division of an exposure into exposure subintervals according to an exemplary embodiment; FIG.
Fig. 3 eine schematische Darstellung der sich ergebenden Dynamikbereiche für eine durchgehende Belichtung über ein langes Belichtungszeitfenster, eine durchgehende Belichtung über ein kurzes Belichtungszeitfenster und eine Unterteilung des langen Belichtungszeitfensters in kürzere Teilintervalle gemäß einem Ausführungsbeispiel;3 is a schematic representation of the resulting dynamic ranges for continuous exposure over a long exposure time window, continuous exposure over a short exposure time window, and subdivision of the long exposure time window into shorter subintervals according to one embodiment;
Fig. 4 ein Blockschaltbild einer Bildaufnahmevorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;4 is a block diagram of an image pickup device according to an embodiment;
Fig. 5 einen Graphen zum Vergleich des dynamischen Rauschens kontinuierlicher Belichtung und Belichtung mit Einteilung des Belichtungszeitfensters inFIG. 5 is a graph comparing the dynamic noise of continuous exposure and exposure with the division of the exposure time window into FIG
Teilintervalle;Sub-intervals;
Fig. 6 einen Graphen zum Vergleich des FPN-Rauschens bei kontinuierlicher Belichtung und Einteilung des Belichtungszeitfensters in Teilintervalle;6 is a graph comparing the FPN noise with continuous exposure and dividing the exposure time window into subintervals;
Fig. 7, 8 und 9jeweils ein Frame von Testaufnahmen mit kontinuierlicher Belichtung in langen Belichtungszeitfenstern, kontinuierlicher Belichtung in kurzen Be- lichtungszeitfenstern bzw. mit Belichtung in Teilintervallen eines Belichtungszeitfensters;7, 8 and 9 each show a frame of test exposures with continuous exposure in long exposure time windows, continuous exposure in short exposure time. illumination time windows or with exposure in subintervals of an exposure time window;
Fig. 10 eine schematische Darstellung einer Standbildkamera gemäß einem Ausfüh- rungsbeispiel;10 is a schematic representation of a still camera according to an embodiment;
Fig. 11 eine schematische Darstellung einer Videokamera gemäß einem Ausführungsbeispiel;11 is a schematic representation of a video camera according to an embodiment;
Fig. 12 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung eines Dynamikbereiches bei kontinuierlicher Belichtung; undFig. 12 is a schematic diagram illustrating a dynamic range in continuous exposure; and
Fig. 13 eine schematische Darstellung zum Vergleich der Dynamikbereiche bei langer und kurzer kontinuierlicher Belichtung.13 shows a schematic representation for comparing the dynamic ranges for long and short continuous exposure.
Bezug nehmend auf Fig. 1 wird zunächst eine Bildaufnahmevorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die Bildaufnahmevorrichtung von Fig. 1 umfasst einen optoelektrischen Sensor 12, einen Ausleser 14 und einen Kombinierer 16. Die Bildaufnahmevorrichtung von Fig. 1 ist dazu da, in einem Belich- tungszeitfenster eine Aufnahme 18 zu erzeugen und an einem Ausgang 20 auszugeben. Dazu sind der Ausleser 14 und der Kombinierer 16 in der genannten Reihenfolge zwischen den optoelektrischen Sensor 12 und den Ausgang 20 geschaltet.Referring first to Fig. 1, an image pickup apparatus according to an embodiment of the present invention will be described. The image pickup device of FIG. 1 includes an opto-electrical sensor 12, a readout 14, and a combiner 16. The image pickup device of FIG. 1 is for generating a pickup 18 in an exposure time window and outputting it at an output 20. For this purpose, the read-out 14 and the combiner 16 are connected in the order mentioned between the opto-electrical sensor 12 and the output 20.
Der optoelektrische Sensor 12 ist beispielsweise ein Bildsensor mit einem Array von Pi- xeln 22. Der optoelektrische Sensor 12 bzw. dessen Bildpunkte oder Pixel 22 sind dazu ausgelegt, während einer Belichtungszeit einfallendes Licht zu inegrieren, und zwar durchThe optoelectronic sensor 12 is, for example, an image sensor with an array of pixels 22. The optoelectric sensor 12 or its pixels or pixels 22 are designed to integrate light incident during an exposure time, by
Umwandlung des Lichts in elektrische Energie und Akkumulation letzterer. Beispielsweise werden Elektronen-Loch-Paare in pn-Übergängen der Bildpunkte 22 erzeugt und kapazitiv gespeichert. Die Beziehung zwischen akkumulierter Ladung und eingefallener Lichtmenge kann linear sein oder eine andere Funktion aufweisen. Vorzugsweise ist die vorerwähnteConversion of light into electrical energy and accumulation of the latter. For example, electron-hole pairs are generated in pn junctions of the pixels 22 and stored capacitively. The relationship between accumulated charge and amount of incident light may be linear or have another function. Preferably, the aforementioned
Beziehung für alle Bildpunkte 22 gleich. Fertigungsbedingt bestehen aber zwischen den einzelnen Bildpunkten 22 Unterschiede, die zu einem für den optoelektrischen Sensor 12 typischen Dunkelbild oder FPN-Rauschen fuhren. Daneben tritt ein dynamisches Rauschen auf, das bei aufeinanderfolgenden Belichtungen im Wesentlichen statistisch unabhängig voneinander ist.Relationship for all pixels 22 is the same. Due to the manufacturing process, however, there are differences between the individual pixels 22 which lead to a dark image or FPN noise typical for the optoelectric sensor 12. In addition, dynamic noise occurs, which is essentially statistically independent of each other during successive exposures.
Die Bildaufhahmevorrichtung von Fig. 1 ist dazu ausgelegt, die Aufnahme 18 in einem vorbestimmten Belichtungszeitfenster zu erzeugen. Das Belichtungszeitfenster kann bei- spielsweise durch einen Shutter bzw. Verschluss 24 jenseits des optoelektrischen Sensors 12 festgelegt werden als ein Zeitraum, bei dem in die Bildaufnahmevorrichtung einfallendes Licht 26 auf den optoelektrischen Sensor 12 treffen kann, wohingegen der Shutter 24 dieses Auftreffen ansonsten verhindert. Der Shutter 24 kann beispielsweise ein mechani- scher Verschluss sein, wie z.B. ein Spiegel in dem Fall einer digitalen Spiegelreflexkamera oder eine Umlaufblende in dem Fall einer Videokamera. Ein solcher zu dem optoelektrischen Sensor 12 externer Verschluss 24 ist aber nicht notwendigerweise vorhanden. Der optoelektrische Sensor 12 selbst kann so steuerbar sein, dass die Bildpunkte 22 während des Belichtungszeitfensters ihre Lichtempfindlichkeit aufweisen und ansonsten lichtu- nempfindlich sind.The image pickup device of Fig. 1 is adapted to produce the photograph 18 in a predetermined exposure time window. The exposure time window can be For example, be set by a shutter 24 beyond the photoelectric sensor 12 as a period in which incident light 26 in the image pickup device can hit the optoelectric sensor 12, whereas the shutter 24 otherwise prevents this impact. The shutter 24 may be, for example, a mechanical shutter such as a mirror in the case of a digital SLR camera or a rotary shutter in the case of a video camera. However, such an external closure 24 to the optoelectric sensor 12 is not necessarily present. The optoelectronic sensor 12 itself can be controllable such that the pixels 22 have their photosensitivity during the exposure time window and are otherwise sensitive to light.
Der Ausleser 14 ist dazu ausgebildet, den optoelektrischen Sensor innerhalb des Belichtungszeitfensters mehrmals einem im Wesentlichen lückenlosen Auslese- und Zurücksetzvorgang zu unterziehen, um zumindest zwei Auslesewerte pro Belichtungszeitfenster und für jeden Bildpunkt 22 zu erhalten. Anders ausgedrückt, ist der Ausleser 14 dazu ausgebildet, das Belichtungszeitfenster in Teilbelichtungsintervalle zu unterteilen, und den optoelektrischen Sensor 12 am Ende jedes Teilbelichtungsintervalles auszulesen und im An- schluss daran wieder zurückzusetzen. Für das Auslesen und Zurücksetzen benötigt der Ausleser 14 eine gewisse Zeit, während der keine Akkumulation lichtinduzierter elektri- scher Energie stattfindet. Da der Ausleser 14 allerdings im Wesentlichen lückenlos ausliest und rücksetzt, liegt das Verhältnis zwischen einer Summe der Zeitdauer der Teilbelichtungsintervalle und einer Zeitdauer des gesamten Belichtungszeitintervalls, das sich vom Anfang des ersten Teilbelichtungsintervalls bis zum Ende des letzten Teilbelichtungsintervalls erstreckt, beispielsweise zwischen 1 einschließlich und 0,9 einschließlich.The read-out 14 is designed to subject the optoelectronic sensor to a substantially continuous readout and reset operation several times within the exposure time window in order to obtain at least two readout values per exposure time window and for each pixel 22. In other words, the read-out 14 is designed to subdivide the exposure time window into partial exposure intervals, and to read the optoelectrical sensor 12 at the end of each partial exposure interval and then reset it again. For readout and reset, the readout 14 requires a certain amount of time during which there is no accumulation of light-induced electrical energy. However, since the read-out 14 reads out and resets substantially completely, the ratio between a sum of the time duration of the partial exposure intervals and a duration of the entire exposure time interval extending from the beginning of the first partial exposure interval to the end of the last partial exposure interval is, for example, between 1 and 0 , 9 including.
Der Kombinierer 16 ist dazu ausgebildet, die Aufnahme 18 und durch Bilden einer Summe über die zumindest zwei Auslesewerte pro Bildpunkt 22 und Verkleinern der Summe um einen Faktor kleiner 1 zu erzeugen, so dass eine Empfindlichkeit der Bildaufnahmevorrichtung neutraldichtereduziert ist. Es kann sein, dass der Kombinierer 16 die Auslesewerte von dem Ausleser 14 in analoger Form erhält, digitalisiert und anschließend addiert, um die Summe in digitaler Form zu erhalten, und zwar verkleinert um den Faktor kleiner 1 durch beispielsweise wiederum anschließendes Multiplizieren mit dem Faktor. Ein Beispiel dafür wird später noch Bezug nehmend auf Fig. 4 erläutert. Der Kombinierer 16 kann die Summe in der digitalen Form durch den zuvor erwähnten Faktor verkleinern und beim Ausgang 20 ausgeben. Alternativ könnte der Kombinierer 16 ausgebildet sein, um die Addition bzw. Summe in analoger Form zu bilden und die Digitalisierung erst später vorzunehmen. Aufgrund der Einteilung des Belichtungszeitraums in Teilbelichtungsintervalle gerät, wie es im Folgenden noch näher erläutert werden wird, jeder Auslese wert verglichen zu einer Aufintegration über den gesamten Belichtungszeitraum hinweg erst später, d.h. bei einem höheren Lichtstrom, an einen Sättigungsschwellwert, der beispielsweise durch den Ana- log/Digital-Wandler zur Digitalisierung der Auslesewerte in dem Kombinierer 16 (nicht gezeigt in Fig. 1) festgelegt sein kann oder durch die Größe der Kapazität zur Akkumulation der der einfallenden Lichtmenge entsprechenden elektrischen Energie bzw. elektrischen Ladung innerhalb des optoelektrischen Sensors 12 oder Auslesers 14. Bei dieser Gelegenheit wird darauf hingewiesen, dass sich der zuvor erwähnte Energiespeicher wahlweise in dem optoelektrischen Sensor 12 befinden kann oder im Ausleser 14, oder aber dass sich in beiden ein entsprechender Energiespeicher befindet, wobei eine Umspeicherung bzw. Umladung an den Auslese/Rücksetz- Vorgängen stattfindet.The combiner 16 is configured to generate the image 18 and by forming a sum over the at least two readings per pixel 22 and reducing the sum by a factor of less than 1, so that a sensitivity of the image pickup device is neutral density reduced. It may be that the combiner 16 obtains the readout values from the readout 14 in analog form, digitized and then added to obtain the sum in digital form, reduced by a factor of less than 1 by, for example, subsequently multiplying by the factor. An example of this will be explained later with reference to FIG. 4. The combiner 16 may reduce the sum in the digital form by the aforementioned factor and output it at the output 20. Alternatively, the combiner 16 could be designed to form the addition or sum in analog form and make the digitization later. Due to the division of the exposure period into partial exposure intervals, as will be explained in more detail below, each readout value compared to an integration over the entire exposure period only later, ie at a higher luminous flux, to a saturation threshold, for example, by the Ana- log / digital converter for digitizing the readout values in the combiner 16 (not shown in FIG. 1), or by the size of the capacitance for accumulating the amount of electrical energy corresponding to the amount of incident light within the optoelectric sensor 12 or readout 14. On this occasion, it should be noted that the aforementioned energy storage can be located either in the optoelectric sensor 12 or in the reader 14, or that there is a corresponding energy storage in both, with a re-storage or transhipment to the read / return network operations takes place.
Aufgrund der kürzeren Teilbelichtungsintervalle macht sich auch das FPN-Rauschen des optoelektrischen Sensors 12 weniger bemerkbar. Ferner wird aufgrund der mittelwertartigen Berechnung der Auslesewerte in dem Kombinierer 16 das dynamische bzw. statistische Rauschen verringert. Dies wiederum lässt die entstehende Aufnahme 18 empfindlicher sein für lichtschwache Signale. Insgesamt ist die Empfindlichkeit der Bildaufnahmevorrichtung von Fig. 1 reduziert gegenüber einer durchgängigen Belichtung in dem Belich- tungszeitfenster. Eine solche Neutraldichtereduzierung der Empfindlichkeit hätte ansonsten eine der komplizierteren Maßnahmen aus der Beschreibungseinleitung erforderlich gemacht, wie z.B. das Verbauen eines optischen Neutraldichtefilters. Umgekehrt sind die anderen Bildeigenschaften, wie z.B. die Bewegungsverschmierung, in der aus den Teilbelichtungswerten gewonnenen Aufnahme die gleichen wie bei einer Aufnahme mit kontinu- ierlicher Belichtung über das Belichtungszeitfenster hinweg, da im Wesentlichen die gesamte Lichtmenge verwendet wird.Due to the shorter partial exposure intervals, the FPN noise of the optoelectric sensor 12 is less noticeable. Further, due to the mean-valued calculation of the readings in the combiner 16, the dynamic noise is reduced. This, in turn, causes the resulting receptacle 18 to be more sensitive to faint signals. Overall, the sensitivity of the image recording device of FIG. 1 is reduced compared to a continuous exposure in the exposure time window. Such a neutral density reduction of sensitivity would otherwise have required one of the more complicated measures of the introduction to the description, e.g. the installation of a neutral optical density filter. Conversely, the other image properties, such as the motion blur, in the shot obtained from the split exposure values, is the same as in continuous exposure photography over the exposure time window because substantially the entire amount of light is used.
Die Bildaufnahmevorrichtung von Fig. 1 kann beispielsweise eine Standbildkamera sein, wobei ein Beispiel hierfür in Fig. 10 gezeigt ist, oder eine Videokamera, was Bezug neh- mend auf Fig. 11 beschrieben wird. Allerdings kann die Bildaufnahmevorrichtung von Fig. 1 natürlich auch in anderen elektronischen Geräten integriert sein, wie z.B. in ein Handy, einen Laptop, einen PDA, eine Spielekonsole usw., oder aber in optischem oder medizinischen Messgeräten.The image pickup device of FIG. 1 may be, for example, a still camera, an example of which is shown in FIG. 10, or a video camera, which will be described with reference to FIG. 11. However, the image pickup device of Fig. 1 may, of course, also be integrated with other electronic devices, e.g. in a cell phone, a laptop, a PDA, a game console, etc., or in optical or medical gauges.
Es wurde in Fig. 1 noch nicht darauf eingegangen, dass die Anzahl der Auslesevorgänge pro Belichtungszeitfenster natürlich auch einstellbar sein könnte. Auf diese Weise wäre es möglich, für die Bildaufnahmevorrichtung von Fig. 1 eine Einstellbarkeit ihrer Empfindlichkeit zu realisieren, wobei die Einstellbarkweit kaum Zusatzmaßnahmen erfordert, da die erforderlichen Operationen im Wesentlichen die gleichen bleiben, wie z.B. Summenbildung und Verkleinerung um einen Faktor. Der Faktor, um den die Summe der Auslesewerte verkleinert wird, fallt vorzugsweise monoton mit der Anzahl der Auslesevorgänge. Gemäß einem Beispiel beträgt der Faktor beispielsweise 1/x, wobei x = N ± 5 % von N oder x = VΪV ± 5 % von Λ[N , wobei N die Anzahl der Auslesevorgänge ist.It has not yet been discussed in FIG. 1 that the number of read-out processes per exposure time window could, of course, also be adjustable. In this way, it would be possible to realize an adjustability of their sensitivity for the image pickup apparatus of FIG. 1, wherein the Einstellbarkweit hardly requires additional measures since the required operations remain essentially the same, such as summation and reduction by a factor. The factor by which the sum of the read-out values is reduced falls preferably monotonically with the number of read-out processes. For example, in one example, the factor is 1 / x, where x = N ± 5% of N or x = VΪV ± 5% of Λ [N, where N is the number of readings.
Nachdem nun im Vorhergehenden ein Ausführungsbeispiel für eine Bildaufhahmevorrich- tung beschrieben worden ist, werden im Folgenden Ausführungen zum zugrunde liegenden Prinzip, den resultierenden Vorteilen und zu den zugrunde liegenden physikalischen Gege- benheiten gemacht, die ein Verständnis der Vorteile und der nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele erleichtern.Having now described an exemplary embodiment of an image recording apparatus, the following explains the underlying principle, the resulting advantages, and the underlying physical conditions, which facilitate an understanding of the advantages and the exemplary embodiments described below.
Wie in Bezug auf Fig. 1 beschrieben, ist es möglich, eine Neutraldichtereduzierung auf elektronischem Wege zu realisieren, wie z.B. sogar rein digital, wenn man annimmt, dass die Digitalisierung der Auslesewerte in Bildaufhahmevorrichtungen zumeist ohnehin schon vorgesehen ist. Die in Fig. 1 beschriebene Unterteilung eines Belichtungszeitfensters in Teilbelichtungsintervalle mit anschließender Summenbildung und Verkleinerung der Summe ermöglicht eine Reduktion der Empfindlichkeit der Bildaufnahmevorrichtung, während der dynamische Bereich verschoben und ggf. sogar erhöht wird, wie es im FoI- genden noch erörtert wird. Im Folgenden wird kurz erläutert, wieso sich eine Verschiebung der oberen sowie der unteren Grenze des dynamischen Bereiches ergibt. Insbesondere ergibt aus den folgenden Erläuterungen, dass sichAs described with reference to Fig. 1, it is possible to realize neutral density reduction electronically, e.g. even purely digital, if one assumes that the digitization of the readings in image recording devices is usually already provided for. The subdivision of an exposure time window into partial exposure intervals with subsequent summation and reduction of the sum described in FIG. 1 makes it possible to reduce the sensitivity of the image acquisition device while the dynamic range is shifted and possibly even increased, as will be discussed in the following. In the following it is briefly explained why a shift of the upper and the lower limit of the dynamic range results. In particular, it follows from the following explanations that
eine reduzierte Sensorempfindlichkeit,a reduced sensor sensitivity,
ein reduziertes dynamisches Rauschen mit demzufolge vergrößertem Dynamikbereich,a reduced dynamic noise with consequently increased dynamic range,
ein reduziertes FPN-Rauschen mit dementsprechend vergrößertem Dynamikbereich,a reduced FPN noise with correspondingly increased dynamic range,
eine korrekte Wiedergabe einer Bewegungsverschmierung von sich bewegenden Objekten in der Aufnahme,a correct reproduction of a movement smearing of moving objects in the recording,
eine gleichmäßige Empfindlichkeit für verschiedene Belichtungszeiten,a uniform sensitivity for different exposure times,
im Wesentlichen keine zusätzlichen Artefakte, sowieessentially no additional artifacts, as well
Realisierungsmöglichkeiten unter Verwendung ganz normaler, herkömmlicher Bildsensoren ergeben. All diese Vorteile lassen sich, wie im Vorhergehenden und im Folgenden noch beschrieben, durch Einstellung des Sensorauslesemusters und Durchfuhren zusätzlicher Pixelbasierter Bildverarbeitung erzielen. Um das zu erläutern, wird auf Fig. 2 Bezug genom- men. Bei a) ist in Fig. 2 die Aufnahme eines einzelnen Frames mit ununterbrochener Belichtung im Belichtungszeitfenster 30 gezeigt. Die Belichtung startet bei dem Zeitpunkt t\ und endet nach einer Zeitdauer τexp bei dem Zeitpunkt t2. D.h., vor dem Zeitpunkt t} ist beispielsweise der Bildshutter 24 der Bildaufnahmevorrichtung geschlossen, zwischen den Zeitpunkten tj und t2 geöffnet und nach dem Zeitpunkt t2 wieder geschlossen. Während des Belichtungszeitfensters 30 ergibt die Lichtintegration den Pixelwert I.Realize possibilities of realization using normal, conventional image sensors. All of these advantages can be achieved by setting the sensor read pattern and performing additional pixel based image processing, as described above and below. To explain this, reference is made to FIG. In a), the recording of a single frame with uninterrupted exposure in the exposure time window 30 is shown in FIG. The exposure starts at the time t \ and ends after a period of time τ exp at the time t 2 . That is, before the time t}, for example, the image shutter 24 of the image pickup device is closed, opened between the times tj and t 2 and closed again after the time t 2 . During the exposure time window 30, the light integration gives the pixel value I.
Bei b) ist in Fig. 2 ein Vorgehen gezeigt, wonach während des Belichtungszeitfensters 30 vier im Wesentlichen lückenlose Auslese/Rücksetz-Vorgänge 32r324 durchgeführt werden, und zwar um genau zu sein drei innerhalb des Belichtungszeitfensters 30 und einer am Ende beim Zeitpunkt t2, wodurch das Belichtungszeitfenster 30 in vier Teilbelichtungsintervalle τN unterteilt wird. Wie es zu sehen ist, kann der letzte Vorgang auf ein Auslesen begrenzt sein und zu Beginn des Belichtungszeitfensters zum Zeitpunkt t\ wird oder ist des Sensor noch zurückgesetzt. Das Zurücksetzen bewirkt ein Voreinstellen des vorerwähnten Akkumulationsspeichers des optoelektrischen Sensors, der dann mit einer Rate, die dem momentan einfallenden Lichtstrom entspricht, entladen oder aufgeladen wird. Das Auslesen ergibt einen Auslesewert des momentanen Ladezustands des Akkumulationsspeichers. Das Auslesen kann destruktiv sein, d.h. den Ladezustand verändern, da ja im Anschluss wieder ein Zurücksetzen erfolgt.At b), a procedure is shown in Fig. 2 whereby four substantially gapless readout / reset operations 32r32 4 are performed during the exposure time window 30 to be exactly three within the exposure time window 30 and one at the end at time t 2 , whereby the exposure time window 30 is subdivided into four partial exposure intervals τ N. As can be seen, the last process may be limited to reading and at the beginning of the exposure time window at time t \ , or the sensor is still reset. The resetting causes a presetting of the aforementioned accumulation memory of the opto-electrical sensor, which is then discharged or charged at a rate corresponding to the instantaneous incident luminous flux. The read results in a readout of the current state of charge of the accumulation memory. The reading out can be destructive, ie change the state of charge, since then again a reset takes place.
In Fig. 2 wird das Belichtungszeitfenster 30 exemplarisch in vier Teilbelichtungsintervalle 34r344 der Länge τN unterteilt, aber natürlich ist auch eine feinere oder gröbere Unterteilung mit N>2 möglich.In FIG. 2, the exposure time window 30 is subdivided by way of example into four partial exposure intervals 34 r 34 4 of length τ N , but of course a finer or coarser subdivision with N> 2 is also possible.
Zwischen den Teilbelichtungen 34r344 wird jeweils der Auslese/Rücksetz- Vorgang 32r 323 durchgeführt. Die Auslesevorgänge können dabei destruktiv sein, d.h. den Inhalt des vorerwähnten Energiespeichers bzw. Ladungsspeichers zerstören. Die Auslese/Rücksetz- Vorgänge 32r323 im Inneren des Belichtungszeitfensters 30 weisen, wie es in Fig. 2 gezeigt ist, jeweils einen Auslesevorgang und einen Rücksetzvorgang auf, die im Wesentlichen unmittelbar aufeinander stattfinden. Zwischen denselben tritt keine Lichtakkumulati- on auf. Das Verhältnis zwischen der Summe dieser zeitlichen Lücken und der Zeitdauer texp beträgt beispielsweise gleich oder weniger als 9/10 oder sogar noch bevorzugter weniger als 99/100. Wie es ferner in Fig. 2 gezeigt ist, sind die Teilbelichtungsintervalle 34p 344 vorzugsweise gleichlang, nämlich τN = l/iV -rexp . Der schließliche Wert / für das augenblickliche Frame ergibt sich dann beispielsweise gemäß Mittelwertbildung auf einer pro-Pixel-Basis gemäßBetween the partial exposures 34r34 4 , the readout / reset operation 32r 32 3 is performed. The readings can be destructive, ie destroy the contents of the aforementioned energy storage or charge storage. The readout / reset operations 32r32 3 inside the exposure time window 30 have, as shown in Fig. 2, a readout operation and a reset operation, respectively, which take place substantially directly on each other. Between them no light accumulation occurs. For example, the ratio between the sum of these time gaps and the time duration t exp is equal to or less than 9/10 or even more preferably less than 99/100. As further shown in FIG. 2, the sub-exposure intervals are 34p 34 4 preferably the same length, namely τ N = l / iV -r exp . The final value / for the current frame then results according to averaging on a per-pixel basis, for example
_ -i N-I i N-I_ -i N-I i N-I
Die Einstellung von N benötigt vorteilhafterweise keine Einstellung irgendeiner Kameramechanik. Es ändern sich auch keine optischen Eigenschaften der Kameras durch eine Verstellung von N. Das gilt sowohl für die Tiefenschärfe, die durch die Linse und die A- pertur der Bildaufnahmevorrichtung bestimmt ist sowie die Farbcharakteristik und Auflösung der Kamera bzw. der Bildaufnahmevorrichtung. Folglich wirkt die Intervallunterteilung des Belichtungszeitfensters 30 mit Summenbildung und Verkleinerung wie im Vorhergehenden beschrieben wie ein digitales Neutraldichtefilter mit echtem Neutralverhalten.The adjustment of N advantageously requires no adjustment of any camera mechanics. No optical properties of the cameras are changed by an adjustment of N. This applies both to the depth of field defined by the lens and the aperture of the image recording device and to the color characteristic and resolution of the camera or the image recording device. Consequently, the interval division of the shutter speed window 30, with summation and reduction, acts as described above, like a neutral neutral density digital density filter.
Im Folgenden wird kurz auf physikalische Grundlagen bei der Bilderfassung eingegangen, die zum Verständnis der Vorteile der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beitragen. Der Vorgang der Bilderfassung ist nicht-ideal und unterschiedliche Typen von Bildstörungen werden das Signal unweigerlich verschlechtern. Insbesondere kann zwischen zwei Typen von Rauschen unterschieden werden, die das Erfassen eines Pixelwertes I beeinflussen:In the following, a brief description will be made of physical fundamentals in image acquisition that contribute to understanding the advantages of the embodiments of the present invention. The process of image capture is non-ideal and different types of image noise will inevitably degrade the signal. In particular, a distinction can be made between two types of noise which influence the detection of a pixel value I:
1 = \rav h*dt + NFPN + Ndynamisch (3) 1 = \ rav h * dt + N FPN + N dynamic (3)
Die eigentliche Bildinformation wird beispielsweise durch Integration eines dem einfallen- den Lichtstrom entsprechenden Photostrom iph über die Belichtungszeit rexp erfasst. Sich bewegende Objekte werden verschmiert erscheinen, was für eine natürliche Szenenerscheinung wesentlich ist. Die Entstehung bzw. naturgetreue Wiedergabe der korrekten Bewegungsverschmierung ist wesentlich für hochqualitative Bewegungsbildaufnahmen.The actual image information is detected, for example, by integration of a photocurrent i ph corresponding to the incident luminous flux over the exposure time r exp . Moving objects will appear smeared, which is essential for a natural scene appearance. The emergence or lifelike reproduction of the correct Bewegungsverschmierung is essential for high quality motion picture recordings.
Das statische oder FPN-Rauschen NFPN beschreibt systematische Störungen, die in einem gewissen Rahmen prädiziert und nachträglich wieder entfernt bzw. subtrahiert werden können, wie es beispielsweise im MALUEC, R.M.: Detector Array Fixed-Pattern Noise Compensation. April 6 1976. - US Patent 3,949,162 beschrieben wird. Dieses Rauschen besteht hauptsächlich aus Offset-Rauschen NoffSet und Dunkelstromrauschen Ndunkei- Die Belichtungszeitabhängigkeit kann mit einem konstanten Wert für den Dunkelstrom idunkei für jedes Pixel moduliert werden, wie es beispielsweise in US 7,092,017 beschrieben wird. Die lineare Abhängigkeit des Dunkelstromes von der Belichtungszeit resultiert in erheblichen Bildstörungen in dem Fall von langen Belichtungszeiten. Selbst unter Kompensation des FPN-Rauschens und der FPN-Kompensation gemäß Gleichung (4) für jedes Pixel mit Pixel-individuellem Dunkelstrom idunkei verbleiben zwei Probleme: selbst mit einer perfekten Schätzung und Entfernung des FPN-Rauschens wird der Dynamikbereich des Bildes reduziert sein. Dies limitiert wiederum die maximal zugelassene Belichtungszeit. Zweitens ist bei einer echten Kamera die Schätzung von idunkei für jedes Pixel sehr wahrscheinlich nicht perfekt, was weiterhin dazu führt, dass ein erhöhtes Rauschen bei langen Belich- tungszeiten auftritt. In der Praxis wird sich deshalb das FPN-Rauschen trotz einer FPN- Kompensation mit der Länge der Belichtungszeit erhöhen.The static or FPN noise N FPN describes systematic interference that can be predicted within a certain range and subsequently removed or subtracted again, as for example in the MALUEC, RM: Detector Array Fixed-Pattern Noise Compensation. April 6, 1976. - U.S. Patent 3,949,162. This noise consists mainly of offset noise N o ff S et and dark current noise Ndunk e i- The exposure time dependency can be modulated with a constant value for dark current i dark i for each pixel, as described for example in US 7,092,017. The linear dependence of the dark current on the exposure time results in significant image disturbances in the case of long exposure times. Even with compensation of the FPN noise and FPN compensation according to equation (4) for each pixel with pixel-individual dark current idunk e i two problems remain: even with a perfect FPN noise estimation and removal, the dynamic range of the image will be reduced , This in turn limits the maximum allowed exposure time. Second, for a true camera, the estimate of i dunke i is unlikely to be perfect for each pixel, which further causes increased noise to occur at long exposure times. In practice, therefore, the FPN noise will increase with the length of the exposure time despite FPN compensation.
Theoretisch ergibt sich also durch die beschriebene Maßnahme der Intervallteilung des Belichtungszeitfensters kombiniert mit der Summe über die resultierenden Auslesewerte und der Verkleinerung der Summe eine Bildaufnahme mit einer reduzierten Empfindlichkeit, reduziertem dynamischen Rauschen sowie reduziertem FPN-Rauschen. Das zeigt auch die Tabelle (1), die im Folgenden erläutert wird. Eine um den Faktor N kürzere Belichtungszeit bewirkt, dass lediglich l/N des einfallenden Lichtes bei der Belichtung wirksam ist. Dies verringert die Empfindlichkeit effektiv um einen Faktor l/N. Eine Mittelung über die Abtastwerte ändert nichts an der Menge des Lichtes. Werden alle Bildinformationen aller Belichtungsteilintervalle 34r344 verwertet bzw. bei der Summenbildung umfasst und dabei gleich gewichtet, so garantiert dies ein gleichmäßiges Verhalten über die Belichtungszeit. Insbesondere wird die erzeugte Bewegungsverschmierung zu derjenigen einer einzelnen ununterbrochenen langen Belichtung gleich sein.Theoretically, therefore, the described measure of the interval division of the exposure time window combined with the sum of the resulting read values and the reduction of the sum results in an image acquisition with a reduced sensitivity, reduced dynamic noise and reduced FPN noise. This is also shown in Table (1), which is explained below. A shorter exposure time by the factor N causes only 1 / N of the incident light to be effective during the exposure. This effectively reduces the sensitivity by a factor of 1 / N. Averaging over the samples does not change the amount of light. If all image information of all exposure subintervals 34 r 34 4 are utilized or included in the summation and thereby weighted equally, this guarantees a uniform behavior over the exposure time. In particular, the generated motion blur will be equal to that of a single uninterrupted long exposure.
Fig. 3 zeigt beispielsweise bezogen auf den Lichtstrom F, der während des Belichtungszeitfensters auf den optoelektrischen Sensor fällt, den Dynamikbereich 40 in dem Fall einer durchgehenden langen Belichtung, den Dynamikbereich 42 in dem Fall einer durchgehenden kurzen Belichtung und verglichen dazu den Dynamikbereich 44 in dem Fall eines Dynamikbereiches, wie er sich durch das beschriebene digitale ND-Filter, d.h. durch Aufteilung des Belichtungszeitfensters in mehrere Teilbelichtungsintervalle mit Summenbildung über die Teilbelichtungswerte und Verkleinerung der Summe um die Anzahl der Teilbelichtungsintervalle ergibt.For example, referring to the luminous flux F falling on the optoelectric sensor during the exposure time window, FIG. 3 shows the dynamic range 40 in the case of a continuous long exposure, the dynamic range 42 in the case of a continuous short exposure, and compared to the dynamic range 44 in FIG Case of a dynamic range, as reflected by the digital ND filter described, ie by dividing the exposure time window into several partial exposure intervals with summation over the partial exposure values and decreasing the sum by the number of partial exposure intervals.
Das dynamische Rauschen bei ununterbrochener Belichtung über das Belichtungszeitfenster hinweg betrage beispielsweise σa . Wenn eine Mittelung über N unkorrelierteFor example, the dynamic noise with continuous exposure over the exposure window would be σ a . If an averaging over N uncorrelated
Zufallsvariablen a durchgeführt wird, wird der Mittelwert α den Wert
Figure imgf000014_0001
Random variable a is performed, the mean value α becomes the value
Figure imgf000014_0001
annehmen. Dies reduziert direkt das dynamische Rauschen um VN~ , wie es in der Tabelle 1 gezeigt ist.accept. This directly reduces the dynamic noise around VN ~ as shown in Table 1.
Das FPΝ-Rauschen für eine kurze Belichtungszeit ergibt eine Reduktion des Dunkelstrom- FPΝ-Rauschens Νdunkei um einen Faktor 1/Ν. Das Offset-Rauschen Noffset bleibt hingegen konstant, was aber lediglich die Gesamtreduktion des FPN-Rauschens limitiert. Eine Mittelung über den resultierenden gleichen Betrag des FPN-Rauschens bei den einzelnen Teilbelichtungswerten beeinflusst den Rauschpegel nicht.The FPΝ noise for a short exposure time results in a reduction of the dark current FPΝ noise Ν du nkei by a factor of 1 / Ν. The offset noise N o ffset remains constant, which only limits the overall reduction of the FPN noise. Averaging over the resulting same amount of FPN noise at each partial exposure value does not affect the noise level.
Das Ergebnis dieser theoretischen Betrachtungen ist in Tabelle (1) gezeigt.The result of these theoretical considerations is shown in Table (1).
Table 1 : Erwartetes VerhaltenTable 1: Expected behavior
unterbrochene bzw. durchge¬interrupted or durchge¬
Digital-ND hende BelichtungDigital ND stop exposure
Empfindlichkeit N 1 dynamisches Rauschen Ndyn 4N Dunkelstrom-FPN iVdU„kei NSensitivity N 1 Dynamic Noise N dyn 4N Dark Current FPN iVd U "no N
D.h., eine Unterteilung des Belichtungszeitfensters in N gleichgroße Teilbelichtungsintervalle mit Bildung einer Summe über die Teilbelichtungswerte und Reduktion der Summe um einen Faktor l/N, mit N der Anzahl der Teilbelichtungsintervalle, führt relativ zu einer durchgehenden Belichtung mit der Belichtungszeitdauer N mal der Teilbelichtungszeitdauern zu einer um l/N reduzierten Empfindlichkeit, einem um 1/-//V reduzierten dynamischen Rauschen Ndyn und einem um l/N reduzierten Dunkelstrom-FPN-Rauschen Ndunkei-That is, dividing the exposure time window into N equal-sized partial exposure intervals with forming a sum over the partial exposure values and reducing the sum by a factor of l / N, with N the number of partial exposure intervals, results in a continuous exposure with the exposure period N times the partial exposure periods reduced to l / N sensitivity, by 1 / - // V reduced dynamic noise N dyn and a reduced to l / N dark current FPN noise N dunke i-
Die Anwendbarkeit dieser Vorgehensweise ist sogar für große Werte von N unbegrenzt. Allerdings ist die Zunahme der Bildqualität durch die Reduktion des dynamischen Rauschens durch das konstante Offset-FPN-Rauschen begrenzt. Bezug nehmend auf Fig. 1 wurde bereits auf ein paar Möglichkeiten der Integration in ein existierendes Kamerasystem eingegangen. Im Grunde ist eine Ergänzung eines existierenden Kamerasystems um eine Vorrichtung gemäß Fig. 1 nicht schwierig. Die Aufteilung des Belichtungszeitfensters in Teilbelichtungsintervalle mit anschließender mittelwertartiger Verarbeitung der Teilbelichtungswerte bedarf lediglich einer sehr geringen Rechenkomplexität und kann einfach in ein existierendes Kamerasystem integriert werden. N-I Additionen und eine einzige Multiplikation pro Pixel pro erzeugtes Frame bzw. pro erzeugter Aufnahme sind beispielsweise ausreichend. Zur Integration in ein existierendes Kamera- System ist lediglich die Existenz einer intern höheren Framerate als die eigentliche Kameraframerate erforderlich und der Sensor muss zu einem im Wesentlichen lückenlosen Aus- lese/Rücksetz-Modus in der Lage sein.The applicability of this approach is unlimited even for large values of N. However, the increase in image quality is limited by the reduction in dynamic noise due to the constant offset FPN noise. With reference to FIG. 1, a few possibilities of integration into an existing camera system have already been discussed. Basically, supplementing an existing camera system with a device according to FIG. 1 is not difficult. The division of the exposure time window into partial exposure intervals with subsequent average processing of the partial exposure values requires only a very low computational complexity and can be easily integrated into an existing camera system. For example, NI additions and a single multiplication per pixel per generated frame or per shot are sufficient. Integration into an existing camera system requires only an internally higher frame rate than the actual camera frame rate, and the sensor must be capable of a substantially gapless read / reset mode.
Beispielsweise müssen alle Komponenten in Verarbeitungsrichtung vor der Summenbil- düng, wie z.B. der Sensor und der Analog/Digital-Konverter, zu einer N-mal höheren Verarbeitungsrate in der Lage sein als die Framerate. Bei einem typischen Kamerasystem ist eine erhöhte interne Framerate unmittelbar möglich: ein Kamerasystem arbeitet nicht immer bei der höchstmöglichen Framerate. Das ist insbesondere wahr, falls eine reguläre Kamera zur Zeitrafferaufzeichnung verwendet wird oder falls eine Hochgeschwindigkeits- kamera für reguläre Frameraten verwendet wird. Zweitens erzeugen einige Kamerasysteme eine Ausgabeframerate, die niedriger als die maximale interne Sensorauslesegeschwindigkeit ist. Dies wird beispielsweise bei Drehshutterkameras verwendet, wo eine Auslese so schnell wie möglich durchgeführt wird. Dies reduziert Shutterartefakte ohne das Erhöhen der erforderlichen Verarbeitungsleistung und Speicherdatenrate.For example, all components in the processing direction must be preceded by the cumulative image, such as, e.g. the sensor and the analog-to-digital converter are capable of processing at a rate n times higher than the frame rate. In a typical camera system, an increased internal frame rate is immediately possible: a camera system does not always work at the highest possible frame rate. This is especially true if a regular camera is used for time-lapse recording or if a high-speed camera is used for regular frame rates. Second, some camera systems produce an output frame rate that is lower than the maximum internal sensor readout rate. This is used, for example, in rotary-shutter cameras where read-out is performed as quickly as possible. This reduces shutter artifacts without increasing the required processing power and memory data rate.
Die Art und Weise, wie ein lückenloser und verschachtelter Auslese/Rücksetz- Sensorauslesemodus realisiert ist, hängt bezüglich seiner Details von dem Sensortyp ab. Typische High-End-Sensoren unterstützen aber diesen Modus. Für einige Sensoren erfordert das lückenlose Auslesen einen Betriebsmodus, der ein höheres dynamisches Rauschen nach sich zieht. Sogar in diesen Fällen ist aber das hier beschriebene Aufteilen des Belichtungszeitfensters in mehrere Teilbelichtungsintervalle mit anschließender mittelwertartiger Verarbeitung der Teilbelichtungswerte vorteilhaft, da eine äquivalente Rauschreduktion auch bei N = 2 erzielbar ist.The manner in which a gapless and interleaved readout / reset sensor readout mode is implemented depends on the type of sensor with respect to its details. However, typical high-end sensors support this mode. For some sensors, gapless reading requires a mode of operation that results in higher dynamic noise. Even in these cases, however, the division of the exposure time window described here into several partial exposure intervals with subsequent average-value processing of the partial exposure values is advantageous, since an equivalent noise reduction can also be achieved at N = 2.
Für eine korrekte Bewegungsverschmierungsrekonstruktion wird die Mittelwertbildung oder allgemeiner die mittelwertartige, da nicht unbedingt mit der Summenteilung mittels N durchgeführte Verarbeitung der Teilbelichtungswerte vorzugsweise in einem linearen Datenraum durchgeführt. Dies kann beispielsweise dadurch bewerkstelligt werden, dass die Teilbelichtungsbilder kurz nach der A/D-Wandlung addiert bzw. der Summenbildung unterzogen werden. Eine mögliche Ausführung ist in Fig. 4 gezeigt.For proper motion blur reconstruction, the averaging, or more generally the midspecific, because not necessarily the sum division by N performed processing of the partial exposure values is preferably performed in a linear data space. This can for example be accomplished by the Partial exposure images are added shortly after the A / D conversion or subjected to the summation. One possible embodiment is shown in FIG.
Fig. 4 zeigt eine Bildaufnahmevorrichtung mit einem Sensor 52, einen A/D-Wandler (Ana- lo-to-digital Converter = ADC) 54, einen Teilbelichtungswertzwischenspeicher 56, wie z.B. einen RAM, wie es in Fig. 4 exemplarisch gezeigt ist, einen Addierer 58, einen Multiplizierer 60 und eine Weiter- bzw. Nachverarbeitungseinrichtung 62. Einander entsprechende Komponenten aus Fig. 4 und Fig. 1 sind in Fig. 4 entsprechend gekennzeichnet. Demnach umfasst der Sensor 52 von Fig. 4 intern einen optoelektrischen Sensor 12 und einen ent- sprechenden Ausleser 14. Die von dem Ausleser 14 pro Pixel und Belichtungszeitintervall sequenziell ausgegebenen Teilbelichtungswerte 64 werden von dem A/D- Wandler 54 digitalisiert. Die so digitalisierten Teilbelichtungswerte 66 werden von dem Addierer 58 der Reihe nach mit dem in dem Zwischenspeicher 56 zwischengespeicherten Zwischenergebnis verrechnet bzw. summiert, wobei das Summenergebnis wieder in dem Zwischenspei- eher 56 abgelegt wird bzw. der Inhalt des Zwischenspeichers 56 mit dem Ergebnis der aktuellen Addition aktualisiert wird, wie es mit dem Pfeil 68 angezeigt ist. Sobald die N Teilbelichtungswerte summiert worden sind, gelangt die Summe, wie es mit dem Pfeil 70 gezeigt ist, zu dem Multiplizierer 60. Dort wird die Summe mit dem Faktor l/N 72 multipliziert bzw. reduziert. Das Ergebnis der Multiplikation stellt den entsprechenden Pixelwert 74 dar, der dann zusammen mit den anderen Pixelwerten das Rohbild darstellt, das der Weiterverarbeitung 62 zugeführt wird, um an dem Rohbild beispielsweise eine FPN- Kompensation mit Pixel-individueller FPN-Korrekturfunktion durchzuführen, eine Farbkorrektur durchzuführen und/oder eine Farbinterpolation durchzuführen. Also wird gemäß Fig. 4 jegliche Weiterverarbeitung, wie z.B. die FPN-Entfernung oder eine Bayer- Farbrekonstruktion, erst dann durchgeführt, wenn für jedes Pixel die Summenbildung der Teilbelichtungswerte und der Reduktion mit einem Faktor kleiner 1 durchgeführt worden ist. Die Operationen der Einrichtung 62 müssen also nur einmal durchgeführt werden für das Rohbild bzw. bei der Integration der Vorrichtung von Fig. 4 in ein existierendes Kamerasystem müssen diese Operationen weiterhin nur einmal pro erzeugtes Frame durchge- führt werden und nicht etwa N mal. Die Integration bleibt also hinsichtlich seiner Komplexität gering.FIG. 4 shows an image capture device having a sensor 52, an analog-to-digital converter (ADC) 54, a fractional exposure value buffer 56, such as a sub-pixel. a RAM, as shown by way of example in FIG. 4, an adder 58, a multiplier 60 and a post-processing device 62. Components corresponding to one another from FIG. 4 and FIG. 1 are identified accordingly in FIG. 4. Accordingly, the sensor 52 of FIG. 4 internally comprises an opto-electrical sensor 12 and a corresponding read-out device 14. The partial exposure values 64 output sequentially by the read-out 14 per pixel and exposure time interval are digitized by the A / D converter 54. The partial exposure values 66 thus digitized are successively calculated or summed by the adder 58 with the intermediate result buffered in the intermediate memory 56, the sum result being stored again in the intermediate storage 56 or the contents of the intermediate storage 56 with the result of the current one Addition is updated, as indicated by the arrow 68. Once the N partial exposure values have been summed, the sum, as shown by arrow 70, passes to multiplier 60. There, the sum is multiplied by the factor I / N 72. The result of the multiplication represents the corresponding pixel value 74 which, together with the other pixel values, then represents the raw image which is fed to the further processing 62 in order, for example, to perform an FPN compensation with pixel-individual FPN correction function on the raw image, to perform a color correction and / or perform a color interpolation. Thus, according to Fig. 4, any further processing such as e.g. the FPN removal or a Bayer color reconstruction, performed only when the summation of the partial exposure values and the reduction has been performed with a factor of less than 1 for each pixel. Thus, the operations of the device 62 need only be performed once for the raw image, or in integrating the device of FIG. 4 into an existing camera system, these operations still need to be performed only once per generated frame and not about N times. The integration therefore remains low in terms of its complexity.
Zur Simulation bzw. zum experimentellen Test des oben skizzierten digitalen ND-Filters wurden Testsequenzen mit verschiedenen Frameraten und Kameramodi aufgenommen. Die Testszene umfasste eine rotierende Scheibe mit einem schmalen Schlitz zur Überprüfung der Bewegungsartefakte und zur Überprüfung des lückenlosen Auslesens. Zur Bewahrung des originären Kamerarauschens wurden unkomprimierte Sequenzen in VoIl-AD- Auflösung, d.h. 1920 x 1080 Pixel, von einem High-End-Kamerasystem aufgezeichnet. Zur Auswertung der wahren Leistungsfähigkeit des digitalen ND-Filters wurde eine FPN- Kompensation gemäß US 7,092,017, ein Demosaiking bzw. eine Farbinterpolation durchgeführt und eine Sicht-Gamma-Korrektur angewendet.For the simulation or experimental test of the digital ND filter outlined above, test sequences with different frame rates and camera modes were recorded. The test scene included a rotating disc with a narrow slot to check motion artifacts and check for gap-free reading. To preserve the original camera noise, uncompressed sequences in VoIl AD resolution, ie 1920 x 1080 pixels, were recorded by a high-end camera system. In order to evaluate the true performance of the digital ND filter, FPN compensation according to US Pat. No. 7,092,017, demosaicing or color interpolation was performed and visual gamma correction was applied.
Insbesondere wurde eine Bildsequenz mit rexp = 16.6 Millisekunden bei durchgängigerIn particular, an image sequence with r exp = 16.6 milliseconds was continuous
Belichtung über die Belichtungszeitfenster pro Frame hinweg aufgezeichnet. Anschließend wurde die Belichtungszeit verdoppelt, wobei eine äquivalente Lichtreduktion in dem optischen Pfad durchgeführt wurde. Für die Digital-ND-Sequenzen wurde eine einzige Bildsequenz mit lückenloser Auslese/Rücksetzung mit Belichtungsintervallen τN = 16,6 Millise- künden aufgezeichnet, wobei aus den Bildern dieser Bildsequenz Digital-ND-Sequenzen mit N = 2, 3, 4, ..., 8 erzeugt wurden.Exposure over the shutter speed windows recorded per frame. Subsequently, the exposure time was doubled, whereby equivalent light reduction was performed in the optical path. For the digital ND sequences, a single image sequence with gapless readout / reset was recorded with exposure intervals τ N = 16.6 milliseconds, whereby from the images of this image sequence digital ND sequences with N = 2, 3, 4,. .., 8 were generated.
In allen aufgezeichneten und erzeugten Sequenzen wurde das FPN-Rauschen und das dynamische Rauschen in einem homogen Bereich des Bildes analysiert. Das Ergebnis der Analyse des dynamischen Rauschens ist in Fig. 5 gezeigt. Es ist zu erkennen, dass die herkömmliche Auslese mit ununterbrochener Belichtung während des Belichtungszeitfensters ein im Wesentlichen konstantes dynamisches Rauschen zeigt. Für die lückenlose Auslese benötigt der verwendete Sensor in etwa 2 dB mehr dynamisches Rauschen. Mit größer werdendem N ist unmittelbar eine Reduktion der Rauschpegel verbunden, und zwar nahe an der erwarteten idealen Kurve. Das Ergebnis der Analyse des FPN-Rauschens ist in Fig. 6 gezeigt. Für die herkömmliche Belichtung mit ununterbrochener Belichtung während des Belichtungszeitfensters ist eine Erhöhung des FPN-Rauschens mit größer werdender Belichtungszeit erkennbar, und das trotz der verwendeten linearen FPN-Kompensation. Eine in SCHÖBERL, Michael; SENEL, Cihan; BLOSS, Hans; FOESSEL, Siegfried; KAUF, Andre;: Non-linear Dark Current Fixed Pattern Noise Compensation for Variable Frame Rate Moving Picture Cameras. In: 17 th European Signal Processing Conference EUSIPCO 2009, Glasgow, Scotland, United Kingdom, 8 2009 postulierte Ungenauigkeit des linearen Modells wird hier also bestätigt. Mit der Digital-ND-Bildaufhahme mit Unterteilung des Belichtungszeitfensters in Teilbelichtungsintervalle und anschließender Mit- tel wertbildung der Teilbelichtungs werte bleibt, wie es in Fig. 6 zu sehen ist, das FPN- Rauschen sowohl niedrig als auch konstant. Auch hier folgt der Rauschpegel der erzeugten Sequenzen eng der idealen Kurve.In all recorded and generated sequences, FPN noise and dynamic noise were analyzed in a homogeneous area of the image. The result of dynamic noise analysis is shown in FIG. It can be seen that the conventional continuous exposure readout during the exposure time window shows substantially constant dynamic noise. For seamless reading, the sensor used requires about 2 dB more dynamic noise. As N increases, there is a direct reduction in noise levels close to the expected ideal curve. The result of the analysis of FPN noise is shown in FIG. For the conventional exposure with continuous exposure during the exposure time window, an increase in the FPN noise with increasing exposure time can be seen, despite the linear FPN compensation used. One in SCHÖBERL, Michael; SENEL, Cihan; BLOSS, Hans; FOESSEL, Siegfried; BUY, Andre ;: Non-linear Dark Current Fixed Pattern Noise Compensation for Variable Frame Rate Moving Picture Cameras. In: 17 th European Signal Processing Conference EUSIPCO 2009, Glasgow, Scotland, United Kingdom, 8 postulated inaccuracy of the linear model is therefore confirmed here. As shown in FIG. 6, with digital ND image capture, subdividing the exposure time window into sub-exposure intervals, and then averaging the partial exposure values, the FPN noise will remain both low and constant. Again, the noise level of the generated sequences closely follows the ideal curve.
Die Beispiele in den Fig. 7, 8 und 9 zeigen ein einzelnes Bild aus der Sequenz für rexp = Millisekunden mit N = 4. Die oberen Bilder dieser Figuren zeigen jeweils die vollständige aufgenommene Szene, wohingegen in den jeweiligen Figuren die unteren Bilder eine vergrößerte Region der Testschablone aus der linken Seite der Szene zeigen. Die herkömmliche Bildaufnahme mit durchgehender Belichtung im Belichtungszeitfenster ist in Fig. 7 dargestellt. Sie zeigt viel Rauschen. Eine optische Filterung wurde verwendet, um die Lichtmenge um einen Faktor von 4 zu reduzieren. In Fig. 8 ist das Ergebnis mit einer einzelnen kurzen Belichtung gezeigt. Die Bildaufhahme weist ein niedrigeres FPN-Rauschen auf. In Fig. 9 ist das Ergebnis unter Verwendung der Einteilung in vier Teilbelichtungsin- tervalle mit Mittelwertbildung über die Teilbelichtungswerte gezeigt. Wie es in Fig. 9 zu sehen ist, ist auch zusätzlich zu dem Fall von Fig. 8 auch das dynamische Rauschen reduziert, also zusätzlich zu der Reduktion des FPN-Rauschens. Das erzeugte Bild weist zudem die gleiche Bewegungsverschmierung auf wie die herkömmliche Belichtung mit durchgehender Belichtung im Belichtungszeitfenster. Die Szenenhelligkeit in dem Fall der digita- len ND-Filterung gemäß Fig. 9 ist identisch zu dem Ergebnis durch die optische Filterung, wie sie bei Fig. 7 verwendet worden ist. D.h., die Empfindlichkeit konnte um einen Faktor von 4 reduziert werden, wobei sowohl das dynamische als auch das statische Rauschen um 4 dB bzw. 9 dB verbessert worden ist. Diese Reduktion des Rauschens entspricht einer Erhöhung des Dynamikbereiches, wie es im Vorhergehenden beschrieben worden ist.The examples in Figs. 7, 8 and 9 show a single image of the sequence for r exp = milliseconds with N = 4. The upper images of these figures respectively show the complete recorded scene, whereas in the respective figures the lower images are enlarged Show the region of the test template from the left side of the scene. The conventional image exposure with continuous exposure in the exposure time window is shown in FIG. 7 shown. It shows a lot of noise. Optical filtering was used to reduce the amount of light by a factor of 4. In Fig. 8 the result is shown with a single short exposure. The picture pickup has a lower FPN noise. In Fig. 9, the result is shown using the division into four partial exposure intervals with averaging over the partial exposure values. As can be seen in FIG. 9, in addition to the case of FIG. 8, the dynamic noise is also reduced, in addition to the reduction of the FPN noise. The generated image also has the same motion blur as the conventional continuous exposure exposure in the exposure time window. The scene brightness in the case of the digital ND filtering of FIG. 9 is identical to the result by the optical filtering as used in FIG. That is, the sensitivity could be reduced by a factor of 4, with both dynamic and static noise improved by 4 dB and 9 dB, respectively. This reduction in noise corresponds to an increase in the dynamic range, as described above.
Die im Vorhergehenden beschriebene digitale ND-Filterung weist also gegenüber der herkömmlichen langen ununterbrochenen Belichtung eine Vielzahl von Vorteilen auf: zur Reduzierung der Lichtmenge ist kein optisches Filter nötig. Die Handhabung, das Gewicht der Ausrüstung und schließlich die Kosten eines Kamerapaketes können verbessert wer- den. Die digitale Implementierung ist zudem rechenunaufwendig und kann einfach in ein Kamerasystem integriert werden und bedarf keiner spezialisierten Sensoren. Die beschriebene Auslese kann auch für Standbildphotokameras im Consumer-Bereich verwendet werden und ermöglicht noch eine weitere Option zur Einstellung der Lichtmenge in einer Szene. Dies könnte direkt eine Langbelichtungsphotographie während Tageslicht ermöglichen, wo eine typische Aperturblende immer noch zu viel Licht durchlässt.Thus, the above-described ND digital filtering has many advantages over the conventional long continuous exposure: no optical filter is needed to reduce the amount of light. The handling, the weight of the equipment and finally the cost of a camera package can be improved. The digital implementation is also computationally simple and can be easily integrated into a camera system and requires no specialized sensors. The described readout can also be used for still camera cameras in the consumer sector and allows still another option for adjusting the amount of light in a scene. This could directly enable long exposure photography during daylight where a typical aperture stop still lets in too much light.
Die Bildrauschpegel werden zudem reduziert, anstatt wie bei der herkömmlichen Belichtung sich zu erhöhen. Dies liefert schließlich einen höheren Dynamikbereich. Ein FPN- Kompensationsalgorithmus ist lediglich im Hinblick auf einen kleineren Bereich von Be- lichtungszeitdauern erforderlich. Die Kalibrierungs- und Kompensationsanforderungen bezüglich des Dunkelstromes sind folglich geringer als bezüglich der breiten Bandbreite von Belichtungszeitdauern. Die aufeinanderfolgenden kurzen Belichtungen leiden nicht an den dynamischen Bereichsgrenzen durch Dunkelstrom und Belichtungszeitdauern sogar über die maximal nützliche Belichtung des Sensors können erzeugt werden.The image noise levels are also reduced instead of increasing as in the conventional exposure. This eventually provides a higher dynamic range. An FPN compensation algorithm is required only for a smaller range of exposure times. The dark current calibration and compensation requirements are consequently lower than with respect to the wide bandwidth of exposure times. The successive short exposures do not suffer from the dynamic range limits due to dark current and exposure times even over the maximum useful exposure of the sensor can be generated.
Die beschriebenen Ausführungsbeispiele können somit durch Kombination eines lückenlosen Sensorauslesemodus mit der Bildverarbeitung realisiert werden, und zwar unter Reduktion einer Bildsensorempfindlichkeit. Die erzeugten Bilder können eine erhöhte Bild- qualität und die korrekte Bewegungsverschmierung zeigen. Diese Verschiebung des Dy- namikbereich.es ist ohne die Notwendigkeit einer zusätzlichen Mechanik möglich. Die erzeugten Bilder liefern zudem einzigartige Eigenschaften, wie z.B. die Bewahrung der Bewegungsverschmierung, eine reduzierte Empfindlichkeit ohne Hardwaremodifikation und/oder eine verbesserte Bildqualität.The described embodiments can thus be realized by combining a gap-free sensor readout mode with the image processing, with reduction of an image sensor sensitivity. The generated images can increase the image quality. quality and the correct Bewegungsverschmierung show. This shift of the dynamic range is possible without the need for additional mechanics. The generated images also provide unique features, such as preserving motion blur, reduced sensitivity without hardware modification, and / or improved image quality.
Eine Bildaufnahmevorrichtung gemäß Fig. 1 oder 4 mit den Abwandlungen, wie sie im Vorhergehenden beschrieben worden sind, können sowohl für Videos bzw. Bewegungsbilder als auch Standbilder eingesetzt werden. Für Videokameras bieten die Ausführungsbei- spiele eine Möglichkeit für einen Benutzer-auswählbaren Betriebsmodus zur Reduktion der Empfindlichkeit der Kamera. Die Implementierung ist lediglich Firmware-basiert und stört nicht den regulären Kamerabetrieb. Dies ermöglicht die Aufzeichnung von Zeitrafferszenen sogar während Sonnenlichtes. Die beschriebene Bildaufnahme kann auch für Hochgeschwindigkeitskameras verwendet werden, die bei niedrigeren Frameraten betrie- ben werden. Eine optische Filterung ist nicht notwendig, und trotzdem können jedwede Belichtungszeiten und Linsenaperturen verwendet werden.An image pickup device according to Fig. 1 or 4 with the modifications as described above can be used for both motion pictures and still pictures. For video cameras, the exemplary embodiments provide a way for a user-selectable operating mode to reduce the sensitivity of the camera. The implementation is just firmware-based and does not interfere with regular camera operation. This allows the recording of time-lapse scenes even during sunlight. The described image acquisition can also be used for high speed cameras operating at lower frame rates. Optical filtering is not necessary and nevertheless any exposure times and lens apertures can be used.
Für digitale Standbildkameras kann die vorgestellte digitale ND-Filterung auch verwendet werden. Sie liefert eine noch weitere Möglichkeit zur Bestimmung der besten Belichtungs- einstellung, zusätzlich zur Einstellung vermittels der Linsenapertur und der Belichtungszeit. Falls beispielsweise die durch die Linsenapertur und Belichtungszeit einstellbare Sen- sitivitätsspanne nicht ausreicht, kann die Variation der Anzahl der vorbeschriebenen Teilintervalle zur Einstellung der Belichtung verwendet werden. Die Spanne von Aperturstopps für eine Linse könnte sogar reduziert werden, was Kosten einsparen würde, und die digitale Empfindlichkeitsreduktion, wie sie im Vorhergehenden beschrieben wurde, könnte stattdessen verwendet werden.For digital still cameras, the presented digital ND filtering can also be used. It provides yet another way to determine the best exposure setting, in addition to the lens aperture and exposure time setting. For example, if the sensitivity range adjustable by the lens aperture and exposure time is insufficient, the variation of the number of the above-described subintervals may be used to adjust the exposure. The range of aperture stops for a lens could even be reduced, which would save costs, and the digital sensitivity reduction, as described above, could be used instead.
In Fig. 10 ist exemplarisch eine digitale Standbildkamera 80 gezeigt, in die die Vorrichtung von Fig. 1 oder 4 integriert sein soll, wobei diese Komponenten in Fig. 10 der Über- sichtlichkeit halber aber nicht dargestellt sind. Die Kamera 80 kann eine Spiegelreflexkamera oder eine Sucherkamera sein. Sie weist ein Objektiv 82, eine Blende 84, wie z.B. eineFIG. 10 shows by way of example a digital still camera 80 in which the device of FIG. 1 or 4 is to be integrated, these components not being shown in FIG. 10 for the sake of clarity. The camera 80 may be a single lens reflex camera or a viewfinder camera. It has a lens 82, a shutter 84, such as a lens. a
Lamellenblende, und eine Steuerung zur manuellen und/oder automatischen Einstellung der Blendenöffnung bzw. Blendenzahl, der Belichtungszeit τexp und der Anzahl N derSlat diaphragm, and a controller for manual and / or automatic adjustment of the aperture or f-number, the exposure time τ exp and the number N of
Teilbelichtungsintervalle und somit zur Einstellung der Empfindlichkeit auf. In dem Fall von Fig. 10 weist die Steuerung exemplarisch drei vom Benutzer bedienbare DrehreglerPartial exposure intervals and thus to adjust the sensitivity. In the case of Fig. 10, the controller exemplifies three user-operable rotary encoders
86, 88 und 90 als Eingabeschnittstellen auf. Über die Regler 86 und 88 könnte der Benutzer beispielsweise manuell Blendenöffnung und Belichtungszeitdauer rexp einstellen, wobei es ihm über den Regler 90 möglich wäre, unabhängig von diesen Einstellungen die Kameraempfindlichkeit einzustellen, indem er über den Regler 90 die Anzahl N einstellt. Zusätzlich oder alternativ könnte die Kamera 80 einen oder mehrere der folgenden Automatikprogramme aufweisen. Gemäß einer ersten Art von Automatikprogramm ist es dem86, 88 and 90 as input interfaces. Via the controller 86 and 88, the user could, for example, manually adjust aperture and exposure time r exp, where it would be possible via the controller 90, regardless of these settings Set camera sensitivity by setting the number N via the controller 90. Additionally or alternatively, the camera 80 could include one or more of the following automatic programs. According to a first type of automatic program, it is the
Benutzer über einen Drehregler oder einer alternativen Eingabe möglich, einen der Para- meter Blendenöffnung, Belichtungszeitdauer rexp und Anzahl von Teilbelichtungsintervallen N einzustellen, wobei die Steuerung die anderen beiden Parameter automatisch einstellt. Gemäß einer zweiten Art von Automatikprogramm ist das Verhältnis zwischen automatisch eingestellten Parametern und manuell eingestelltem Parameter umgekehrt, d.h. zwei stellt der Benutzer manuell ein und der verbleibende wird von der Steuerung automa- tisch eingestellt. Gemäß einer Vollautomatik würden alle drei Parameter von der Steuerung automatisch eingestellt werden. Wie es in Fig. 10 ferner gezeigt ist, weist die Kamera 80 einen Auslöser 92 auf, bei Betätigung dessen der Benutzer die Belichtung auslöst bzw. den Beginn des Belichtungszeitfensters festlegt.Users can use a rotary control or an alternative input to set one of the parameters Aperture, Exposure time r exp, and Number of subexposure intervals N, with the controller automatically adjusting the other two parameters. According to a second type of automatic program, the ratio between automatically set parameters and manually set parameter is reversed, ie, the user sets two manually and the remaining one is set automatically by the controller. According to fully automatic, all three parameters would be set automatically by the controller. As further shown in Fig. 10, the camera 80 has a trigger 92, upon actuation of which the user initiates the exposure or sets the beginning of the exposure time window.
Natürlich existieren zu den in Fig. 10 gezeigten Drehreglern verschiedenste Alternativen, wie z.B. Kippschalter oder andere Benutzereingabeschnittstellen. Insbesondere bei einer Vollautomatikkamera können die Regler gänzlich fehlen und die Steuerung umfasste lediglich einen in Fig. 10 nicht näher gezeigten Prozessor zur automatischen Einstellung der drei Parameter Blendenöffnung, Belichtungszeitdauer und Anzahl an Teilbelichtungsinter- vallen.Of course, there are various alternatives to the rotary encoders shown in Fig. 10, such as e.g. Toggle switch or other user input interface. In particular, in a fully automatic camera, the controller may be completely absent and the controller included only a not shown in detail in Fig. 10 processor for automatically setting the three parameters aperture, exposure time and number of Teilbelichtungsinter-.
Fig. 11 zeigt eine Videokamera 100, in die eine Vorrichtung gemäß Fig. 1 oder Fig. 9 integriert ist, wobei wiederum die Komponenten aus diesen Figuren in Fig. 11 der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt sind. In Fig. 11 wurden aber die gleichen Bezugszeichen wie diejenigen aus Fig. 10 für Elemente verwendet, die eine gleiche Funktion ausüben. So um- fasst die Digitalkamera 100 ein Objektiv 82, eine Blende 84, und eine Steuerung zur Steuerung der Blendenöffnung, Belichtungszeit rexp und der Anzahl N, wozu die Steuerung wiederum Benutzereingabeschnittstellen 86, 88 und 90 aufweisen kann.FIG. 11 shows a video camera 100, into which a device according to FIG. 1 or FIG. 9 is integrated, again the components of these figures in FIG. 11 are not shown for the sake of clarity. In Fig. 11, however, the same reference numerals as those of Fig. 10 have been used for elements performing the same function. Thus, the digital camera 100 comprises a lens 82, a shutter 84, and a controller for controlling the aperture, exposure time r exp and the number N, to which the controller in turn may have user input interfaces 86, 88 and 90.
In den Fig. 10 und 11 ist jeweils durch gestrichelte Linien angedeutet, dass Blendenöffnung, Belichtungszeitdauer rexp und Anzahl an Teilbelichtungsintervallen N manuell einstellbar sein könnten. Wie oben erwähnt, wäre auch eine automatische oder gemischt automatisch-manuelle Einstellbarkeit dieser drei Parameter möglich. In dem Fall von Fig. 11 ist dargestellt, dass die Belichtungszeitdauer rexp kleiner sein kann als die Bild- bzw. Fra- mewiederholzeitdauer tframe> so dass zwischen den Belichtungszeitfenstem Dunkelphasen bzw. belichtungsfreie Phasen 102 vorliegen. Ggf. kann bei der Kamera 100 auch die Bildwiederholzeitdauer bzw. die Framerate bzw. Bildfrequenz einstellbar sein. Bezogen auf beide Ausführungsbeispiele von Fig. 10 und 11 kann die Kamera beispielsweise eine automatische Einstellung auf die Helligkeit der Szene vornehmen. Dazu stellt eine Vollautomatik beispielsweise nicht nur Belichtungszeit und Blende geeignet ein, son- dem Belichtungszeit, Blende und Zahl N bzw. den Faktor 1/x, mit dem die Summe der Teilbelichtungswerte multipliziert wird.In FIGS. 10 and 11, dashed lines indicate that diaphragm aperture, exposure time duration r exp and number of partial exposure intervals N could be manually adjustable. As mentioned above, automatic or mixed auto-manual adjustability of these three parameters would also be possible. In the case of FIG. 11, it is shown that the exposure time duration r exp can be smaller than the image repetition time duration tfr at e >, so that there are dark phases or exposure-free phases 102 between the exposure time windows. Possibly. In the case of the camera 100, the image repetition time or the frame rate or image frequency can also be set. Referring to both embodiments of Figs. 10 and 11, the camera may, for example, make an automatic adjustment to the brightness of the scene. For this purpose, a fully automatic system, for example, not only adjusts the exposure time and aperture suitably, but also the exposure time, aperture and number N or the factor 1 / x with which the sum of the partial exposure values is multiplied.
Bei einer manuellen Veränderung einer der Werte, wie z.B. eine Änderung der Belichtungszeit oder der Framerate, könnten die anderen Werte durch die Steuerung (nicht ge- zeigt) so angepasst werden, dass die Bildhelligkeit gleich bleibt. Bei einer Geschwindigkeitsrampe beim Filmen mit der Videokamera von Fig. 11, d.h. einer kontinuierlichen Veränderung der Framerate, könnte somit die Bildhelligkeit konstant gehalten werden. Wird beispielsweise die Framerate verringert und somit inhärent die Belichtungszeit rexp vergrößert, sorgt beispielsweise die Steuerung (nicht gezeigt) für eine automatische Anpas- sung der Blende. Ebenso ist es denkbar, dass bei einem Photoapparat, wie z.B. demjenigen von Fig. 10, ein Parameter durch den Benutzer auswählbar ist, wie z.B. Belichtungszeit oder Blende, wobei die anderen dann durch die Steuerung angepasst werden. Eine automatische Anpassung von N und 1/x in Abhängigkeit der manuell gewählten anderen Parameter ist ebenfalls denkbar. Ebenso andere Kombinationen, wie z.B. die manuelle Auswahl einer der Parameter und Anpassung der anderen.When changing one of the values manually, such as changing the exposure time or frame rate, the controller (not shown) could adjust the other values so that the image brightness remains the same. At a speed ramp when filming with the video camera of FIG. 11, ie a continuous change of the frame rate, the image brightness could thus be kept constant. If, for example, the frame rate is reduced and thus the exposure time r exp is increased in an inherent manner, the controller (not shown), for example, ensures automatic adjustment of the diaphragm. It is also conceivable that in a camera, such as that of Fig. 10, a parameter is selectable by the user, such as exposure time or aperture, the others then being adjusted by the controller. An automatic adaptation of N and 1 / x depending on the manually selected other parameters is also conceivable. Other combinations, such as manually selecting one of the parameters and adjusting the others.
Zu den Fig. 10 und 11 wird noch darauf hingewiesen, dass einige der oben als variabel beschriebenen Einstellungen auch fest sein könnten, wie z.B. Blende und/oder Blendenzeit.With reference to Figs. 10 and 11, it should be noted that some of the settings described above as being variable may also be fixed, such as e.g. Aperture and / or aperture time.
Vergleicht man die oben präsentierten Ausführungsbeispiele mit optischen ND-Filtern ergibt sich Folgendes. Typische optische ND-Filter weisen Dichten von d = 0,3 und größer auf. Diese erzielen eine Lichtdämpfung um einen Faktor von 10d. Die Lichtreduktion wird auch manchmal in f-Stopps gemessen. Jede Reduktion um einen Faktor von 2 entspricht einer Reduktion um einen f-Stopp. Die Tabelle (2) zeigt für den Fall einer digitalen ND- Filterung mit Aufteilung des Belichtungszeitfensters in N gleichgroße Teilbelichtungsintervalle und Mittelwertbildung der entstehenden Teilbelichtungswerte, welches N für ein zu bestimmten optischen ND-Filtern äquivalentes Digital-ND-V erhalten notwendig ist.Comparing the above-presented embodiments with optical ND filters, the following results. Typical optical ND filters have densities of d = 0.3 and greater. These achieve a light attenuation by a factor of 10 d . The light reduction is also sometimes measured in f-stops. Each reduction by a factor of 2 corresponds to a reduction by one f-stop. Table (2) shows in the case of digital LP filtering with division of the exposure time window into N equal partial exposure intervals and averaging of the resulting partial exposure values, which N is necessary for a digital ND-V equivalent to certain optical ND filters.
Zusätzlich zu diesen optischen Standarddichten ist es möglich, eine Reduktion um jegli- chen ganzzahligen Faktor zu erzielen. Beispielsweise ergibt sich eine optische Dichte von 0,48, wenn bei dem digitalen ND-Filter N = 3 eingestellt wird. Zusätzlich ist es möglich, Zwischenwerte der Dämpfung zu erzielen: die Multiplikation der Teilbelichtungswert- summe mit einem Faktor von l/N, wie sie bei dem vorhergehenden Ausführungsbeispielen größtenteils verwendet worden ist, kann beispielsweise mit einer Multiplikation von l/VN ersetzt werden. Dies führt zu einem konstanten Rauschpegel und einer Dämpfung von lediglich VN . Der Dynamikbereichgewinn geht aufgrund des Clippens verloren, aber dieses Vorgehen würde auf der anderen Seite eine Dämpfung von 1,41, 1,73, 2,33, 2,45 usw. ermöglichen. Die folgende Tabelle (2) fasst die typischen optischen Dichten und die entsprechend erforderlichen Einstellungen von Ν für das digitale ND -Filter zusammen.In addition to these standard optical densities, it is possible to achieve a reduction by any integer factor. For example, an optical density of 0.48 results when N = 3 is set in the digital ND filter. In addition, it is possible to obtain intermediate values of the attenuation: the multiplication of the partial exposure value sum by a factor of 1 / N, as in the preceding embodiments has been mostly used, for example, can be replaced with a multiplication of l / VN. This results in a constant noise level and only VN attenuation. The dynamic range gain is lost due to clipping, but this approach would allow 1.41, 1.73, 2.33, 2.45, and so on. The following table (2) summarizes the typical optical densities and the corresponding required settings of Ν for the digital ND filter.
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Die obigen Ausführungsbeispiele liefern also viele Vorteile: sie lassen sich digital in bestehende Systeme einbauen und erfordern nicht zusätzlich Hardware oder Optiken. Zudem lässt sich die realisierte Empfindlichkeitsreduktion an- und ausschalten. Die Färb- bzw. Helligkeitsabhängigkeit ist rein neutral: anders als optische Filter, die eine Verschiebung der Farben vom infraroten Licht erzeugen können, besitzt das digitale Filter, wie es im Vorhergehenden beschrieben worden ist, keines dieser Probleme. Schließlich sind die obigen Ausführungsbeispiele für jeden Typ von integrierenden Sensor einsetzbar, also auch für Anwendungen ohne optische Abbildung, vorausgesetzt, das lückenlose Auslesen ist möglich.The above embodiments thus provide many advantages: they can be installed digitally in existing systems and do not require additional hardware or optics. In addition, the realized sensitivity reduction can be switched on and off. The color or brightness dependence is purely neutral: unlike optical filters that can produce a shift in color from the infrared light, the digital filter has none of these problems, as described above. Finally, the above embodiments can be used for any type of integrating sensor, so also for applications without optical imaging, provided that complete reading is possible.
Im vorhergehenden wurde ohne gesonderte Erwähnung davon ausgegangen, dass es sich bei den Auslesewerten um lineare Auslesewerte handelt, also solche, die linear von der integrierten Menge einfallenden Lichtstromes abhängen. Vorzugsweise weisen der optoe- lektrische Sensor 12, der Ausleser 14 und, wenn vorhanden, der ADC innerhalb des Kombinierers deshalb im wesentlichen lineare Kennlinien auf, d.h. eine lineare Abhängigkeit zwischen Eingangsvariable, nämlich Lichtstrom, integrierte Lichtmenge bzw. analoger Auslesewert, und Ausgangsvariable, nämlich analoger elektrischer Auslesewert bzw. digitalisierter Wert, zumindest soweit der Wertebereich betroffen ist, der in dem resultierenden Dynamikbereich liegt. Sie können auch nicht-lineare Kennlinien aufweisen, die sich einan- der zu einer linearen Gesamtkennlinie ausgleichen, die einen integrierten Lichtstrom auf den zu summierenden Auslesewert abbildet. Der Kombinierer könnte zudem ein eigens vorgesehenes nichtlineares Modul zur Linearisierung aufweisen, wie z.B. einen Abbilder (nicht gezeigt) zwischen ADC 54 und Addierer 58 in Fig. 4. Er könnte in Form einer Nachschlagtabelle gebildet sein oder die Linearisierung analytisch vornehmen. Die Linearisierung könnte für alle Pixel identisch sein, wohingegen die Weiterverarbeitungseinrichtung beispielsweise noch eine pixelindividuelle und von τ>j abhängige FPN-Korrektur vornimmt, wie es bereits beschrieben wurde. Allerdings ist es nicht unbedingt zwingend erforderlich, dass lineare Auslesewerte im Gesamten Dynamikbereich vorliegen. Durch die Anwendung könnte von extern, wie z.B. durch den Benutzer, sichergestellt werden, dass die einfallende Lichtmenge nicht nur in einem Maße variiert, so dass innerhalb dieser Variation die resultierende Kennlinie der Bilderzeugungsvorrichtung mit digitalem ND Filter annähernd linear ist.In the foregoing, it has been assumed without separate mention that the readings are linear readings, that is, those which depend linearly on the integrated amount of incident luminous flux. The optoelectronic sensor 12, the read-out 14 and, if present, the ADC within the combiner therefore preferably have substantially linear characteristics, ie a linear relationship between input variables, namely luminous flux, integrated light quantity or analog read-out value, and output variable, namely analog electrical readout value or digitized value, at least as far as the value range is concerned, which lies in the resulting dynamic range. They may also have non-linear characteristics, which which compensates for a linear overall characteristic which maps an integrated luminous flux onto the read-out value to be summed up. The combiner could also include a dedicated nonlinear linearization module, such as an imager (not shown) between ADC 54 and adder 58 in FIG. 4. It could be in the form of a lookup table or analytically linearized. The linearization could be identical for all pixels, whereas the further processing device, for example, still performs a pixel-individual and τ> j-dependent FPN correction, as has already been described. However, it is not absolutely necessary that linear readings are available in the entire dynamic range. The application could ensure externally, such as by the user, that the amount of incident light does not vary only to an extent such that, within this variation, the resulting characteristic of the digital ND filter imaging device is approximately linear.
Insbesondere wird darauf hingewiesen, dass abhängig von den Gegebenheiten das erfϊn- dungsgemäße Schema auch in Software implementiert sein kann. Die Implementierung kann auf einem digitalen Speichermedium, insbesondere einer Diskette oder einer CD mit elektronisch auslesbaren Steuersignalen erfolgen, die so mit einem programmierbaren Computersystem zusammenwirken können, dass das entsprechende Verfahren ausgeführt wird. Allgemein besteht die Erfindung somit auch in einem Computerprogrammprodukt mit auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Rechner abläuft. In anderen Worten ausgedrückt kann die Erfindung somit als ein Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens realisiert wer- den, wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft. In particular, it is pointed out that, depending on the circumstances, the inventive scheme can also be implemented in software. The implementation may be on a digital storage medium, in particular a floppy disk or a CD with electronically readable control signals, which may interact with a programmable computer system such that the corresponding method is executed. In general, the invention thus also consists in a computer program product with program code stored on a machine-readable carrier for carrying out the method according to the invention when the computer program product runs on a computer. In other words, the invention can thus be realized as a computer program with a program code for carrying out the method when the computer program runs on a computer.

Claims

Patentansprüche claims
1. Bildaufiiahmevorrichtung, die ausgebildet ist, eine Aufnahme in einem Belich- tungszeitfenster zu erzeugen, mitAn image pickup device, which is designed to produce a recording in an exposure time window, with
einem optoelektrischen Sensor (12);an opto-electrical sensor (12);
einem Ausleser (14) zum im Wesentlichen lückenlosen Auslesen und Zurücksetzen des optoelektrischen Sensors (12) zumindest einmal innerhalb des Belichtungszeitfensters (30) und Auslesen des optoelektrischen Sensors am Ende des Belichtungszeitfensters (30), um zumindest zwei Auslesewerte für das Belichtungszeitfenster zu erhalten; unda readout (14) for reading and resetting the optoelectric sensor (12) substantially at least once within the exposure time window (30) and reading the optoelectric sensor at the end of the exposure time window (30) to obtain at least two exposure time window readings; and
einem Kombinierer (16) zum Erzeugen der Aufnahme durch Bilden einer Summe über die zumindest zwei Auslesewerte und Verkleinern der Summe um einen Faktor kleiner 1, so dass eine Empfindlichkeit der Bildaufnahmevorrichtung neutral- dichtereduziert ist,a combiner (16) for generating the image by forming a sum over the at least two readout values and decreasing the sum by a factor of less than 1 so that a sensitivity of the image pickup device is reduced to a neutral density,
wobei der Ausleser ausgebildet ist, um das im Wesentlichen lückenlose Auslesen/Zurücksetzen und das Auslesen am Ende des Belichtungszeitfensters (30) mit gleichgroßen zeitlichen Abständen (TN) dazwischen und zu einem Beginn des Belichtungszeitfensters (30) durchzuführen, undwherein the readout is adapted to perform substantially gapless read / reset and read at the end of the exposure time window (30) at equal intervals (T N ) therebetween and at the beginning of the exposure time window (30), and
wobei eine Anzahl der zumindest zwei Auslesewerte einstellbar ist und der Kombinierer so ausgebildet ist, dass der Faktor 1/x beträgt, wobei x abhängig von und monoton steigend mit der Anzahl ist.wherein a number of the at least two readout values is adjustable and the combiner is configured such that the factor is 1 / x, where x is dependent on and monotonically increasing with the number.
2. Bildaufnahmevorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der der Ausleser (14) ausgebildet ist, die zumindest zwei Auslesewerte in analoger Form auszugeben, und der Kombinierer (16) ausgebildet ist, die zumindest zwei Auslesewerte zu digitalisieren (54) und anschließend zu addieren (58), um die Summe in digitaler Form zu erhalten, und die Summe in der digitalen Form durch den Faktor zu verkleinern (60).2. Imaging device according to claim 1, wherein the read-out device (14) is designed to output at least two readout values in analogue form, and the combiner (16) is designed to digitize (54) and then to add at least two readout values (58 ) to obtain the sum in digital form and to reduce the sum in the digital form by the factor (60).
3. Bildaufnahmevorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der der optoelektrische Sensor (12), der Ausleser (14) und der Kombinierer (16) so ausgebildet sind, dass die Summe über die zumindest zwei Auslesewerte im Wesentlichen linear von einem auf den optoelektrischen Sensor einfallenden Lichtstrom abhängt. 3. Image recording apparatus according to claim 1 or 2, wherein the opto-electrical sensor (12), the read-out (14) and the combiner (16) are formed so that the sum of the at least two readout values substantially linearly from one to the opto-electrical sensor incident luminous flux depends.
4. Bildaufhahmevorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, die ferner einen Weiterverarbeiter aufweist, der ausgebildet ist, um an der Aufnahme, die durch die verkleinerte Summe erhalten worden ist,4. An image picking device according to any one of claims 1 to 3, further comprising a processor operable to receive at the receptacle obtained by the reduced sum.
eine FPN-Kompensation,an FPN compensation,
eine Farbinterpolation, und/odera color interpolation, and / or
eine Farbkorrektur durchzuführen.to perform a color correction.
5. Bildaufnahmevorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der der Kombi- nierer so ausgebildet ist, dass der Faktor 1/x beträgt, wobei x in einem Bereich von5. An image pickup device according to any one of claims 1 to 4, wherein the combiner is formed such that the factor is 1 / x, where x is in a range of
± 5 % um eine Anzahl der zumindest zwei Auslesewerte herum oder ± 5 % um die Wurzel der Anzahl der zumindest zwei Auslesewerte herum liegt.± 5% around a number of at least two readings around or ± 5% around the root of the number of at least two readings around.
6. Bildaufnahmevorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die BiId- aufnahmevorrichtung eine Standbildkamera (80) ist und eine Steuerung zur manuellen und/oder automatischen Einstellung von zumindest einem von einer Blendenöffnung der Bildaufnahmevorrichtung und einer Zeitdauer des Belichtungszeitfensters aufweist, die ausgebildet ist,The image pickup device according to any one of claims 1 to 5, wherein said image pickup device is a still camera (80) and has a controller for manually and / or automatically adjusting at least one of an aperture of said image pickup device and a shutter speed window duration is
eine manuelle und von der manuellen und/oder automatischen Einstellung des zumindest einem der Blendenöffnung und der Zeitdauer des Belichtungszeitfensters unabhängige Einstellung der Anzahl der zumindest zwei Auslesewerte durch einen Benutzer der Bildaufnahmevorrichtung zu ermöglichen, oderto allow manual adjustment of the number of at least two readings by a user of the image pickup device independent of the manual and / or automatic adjustment of the at least one aperture and the duration of the exposure time window, or
eine automatische Einstellung der Anzahl der zumindest zwei Auslese werte durchzuführen.to perform an automatic adjustment of the number of at least two readout values.
7. Bildaufnahmevorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Bildaufnahmevorrichtung eine Videokamera (100) ist und eine Steuerung zur manuellen und/oder automatischen Einstellung von zumindest einem von einer Blendenöffnung der Bildaufnahmevorrichtung und einer Zeitdauer des Belichtungszeitfensters in Frames der Videokamera aufweist, die ausgebildet ist, eine manuelle und von der manuellen und/oder automatischen Einstellung des zumindest einen von der Blendenöffnung und der Zeitdauer des Belichtungszeitfensters unabhängige Einstellung der Anzahl der zumindest zwei Auslesewerte durch einen Benutzer der Bildaufnahmevorrichtung zu ermöglichen, oder7. An image pickup device according to any one of claims 1 to 5, wherein the image pickup device is a video camera (100) and has a control for manually and / or automatically adjusting at least one of an aperture of the image pickup device and a shutter speed window in frames of the video camera is trained, a manual and / or automatic adjustment of the at least one of the aperture and the duration of the exposure time window independent adjustment of the number of at least two readings by a user of the image pickup device to allow, or
eine automatische Einstellung der Anzahl der zumindest zwei Auslesewerte durchzuführen.to automatically adjust the number of at least two readings.
8. Bildaufnahmevorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 und 7, wobei die Bildaufnahmevorrichtung eine Videokamera (100) ist, die ausgebildet ist, eine8. An image pickup device according to any one of claims 1 to 5 and 7, wherein the image pickup device is a video camera (100) which is formed
Folge von Aufnahmen in einer Folge von Frames zu erzeugen, wobei eine Zeitdauer des Belichtungszeitfensters in jedem Frame kleiner als eine Framewiederholzeitdauer ist, so dass zwischen dem Belichtungszeitfenster der Frames jeweils eine Dunkelphase (102) liegt.Producing a sequence of frames in a sequence of frames, wherein a time duration of the exposure time window in each frame is less than a frame repeat period, such that a dark phase (102) is present between the exposure time window of the frames.
9. Bildaufnahmevorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der ein Verhältnis zwischen einer Summe der Zeitdauer von Teilbelichtungsintervallen zwischen dem zumindest einmaligen im Wesentlichen lückenlosen Auslesen und Zurücksetzen des optoelektrischen Sensors innerhalb des Belichtungszeitfensters und dem Beginn und dem Ende des Belichtungszeitfensters relativ zu einer Zeitdauer des Belichtungszeitfensters zwischen 1 einschließlich und 9/10 einschließlich liegt.An image pickup apparatus according to any one of the preceding claims, wherein a ratio between a sum of the time duration of partial exposure intervals between the at least one substantially gapless readout and reset of the optoelectric sensor within the exposure time window and the beginning and end of the exposure time window relative to a period of the exposure time window between 1 and 9/10 inclusive.
10. Bildaufnahmevorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Shutter (24) zur Festlegung des Belichtungszeitfensters.10. Image recording device according to one of the preceding claims, with a shutter (24) for fixing the exposure time window.
11. Computer oder Mobiltelefon mit einer Bildaufnahmevorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10.11. Computer or mobile telephone with an image recording device according to one of claims 1 to 10.
12. Verfahren zum Erzeugen einer Aufnahme in einem Belichtungszeitfenster, das folgende Schritte aufweist:12. A method of producing a shot in an exposure time window, comprising the steps of:
im Wesentlichen lückenlosen Auslesen und Zurücksetzen des optoelektrischen Sensors zumindest einmal innerhalb des Belichtungszeitfensters und Auslesen des op- toelektrischen Sensors am Ende des Belichtungszeitfensters, um zumindest zweiessentially gap-free reading and resetting of the optoelectric sensor at least once within the exposure time window and readout of the optoelectronic sensor at the end of the exposure time window by at least two
Auslesewerte für das Belichtungszeitfenster zu erhalten; und Erzeugen der Aufnahme durch Bilden einer Summe über die zumindest zwei Auslesewerte und Verkleinern der Summe um einen Faktor kleiner 1, so dass eine Empfindlichkeit der Aufnahmeerzeugung neutraldichtereduziert wird,To obtain readings for the exposure time window; and Generating the image by forming a sum over the at least two read-out values and reducing the sum by a factor of less than 1, so that a sensitivity of the recording production is reduced in neutral density,
wobei das im Wesentlichen lückenlose Auslesen und Zurücksetzen und das Auslesen am Ende des Belichtungszeitfensters (30) mit gleich großen zeitlichen Abständen (TN) dazwischen und zu einem Beginn des Belichtungszeitfensters durchgeführt werden, undwherein the substantially gapless reading and resetting and reading at the end of the exposure time window (30) are performed at equal intervals (T N ) therebetween and at a beginning of the exposure time window, and
eine Anzahl der zumindest zwei Auslesewerte einstellbar ist und der Faktor 1/x beträgt, wobei x abhängig vom und monoton steigend mit der Anzahl ist.a number of the at least two readings is adjustable and the factor is 1 / x, where x is dependent on and monotonically increasing with the number.
13. Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 12, wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft. 13. Computer program with a program code for carrying out the method according to claim 12, when the computer program runs on a computer.
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