專(zhuān)利名稱(chēng)：糾正非線性圖像的圖像捕捉設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及糾正非線性圖像的圖像捕捉設(shè)備和方法，更具體地講，涉及用于糾正非線性圖像以使該圖像關(guān)于光強(qiáng)度具有線性特征的圖像捕捉設(shè)備和方法，其中，圖像捕捉設(shè)備使用具有由具有非線性特征的光學(xué)裝置擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)范圍的圖像傳感器。
背景技術(shù)：
圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍是指能將光信號(hào)處理為具有光強(qiáng)度級(jí)的圖像的能力中的指標(biāo)。即，動(dòng)態(tài)范圍指像素的飽和電平與像素的信號(hào)噪聲電平之比，并且可在下面方程1中描述。
D=20log10(Saturation-levelNoise)]]>這里，D表示圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍，“Noise”指示信號(hào)噪聲，以及“Saturation-level”指示像素的飽和電平。
例如，如果關(guān)于飽和檢測(cè)出大約20萬(wàn)個(gè)電子并且關(guān)于噪聲檢測(cè)出大約40個(gè)電子，則對(duì)于動(dòng)態(tài)范圍得到5000，并且得到-75dB。
另一方面，如果一個(gè)視點(diǎn)在其暗和亮部分的混合中，則關(guān)于輸入光的曝光時(shí)間可被調(diào)制以使所有的部分被區(qū)分。然而，存在通過(guò)曝光時(shí)間調(diào)制來(lái)區(qū)分暗和亮部分的限制，所以需要擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍。
對(duì)于改善圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍的方法，存在輸出飽和時(shí)間的方法、對(duì)于各像素使用不同曝光時(shí)間的方法、輸出信號(hào)電荷的增加率的方法等。輸出飽和時(shí)間的方法是輸出曝光時(shí)間的方法而不是計(jì)算像素電荷或電壓的方法。至于光接收裝置的輸出信號(hào)，這是種輸出圖像傳感器的光電二極管的電壓達(dá)到預(yù)定閾電壓時(shí)的時(shí)間的方法，即，使用比較器而不是模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器通過(guò)計(jì)數(shù)器的飽和狀態(tài)。即，該方法使用比較器而不是A/D轉(zhuǎn)換器決定何時(shí)電壓達(dá)到預(yù)定閾值，讀取存儲(chǔ)的電荷的個(gè)別量，并直接將該數(shù)量轉(zhuǎn)換成數(shù)字類(lèi)型信號(hào)。該方法在美國(guó)第6,069,377號(hào)專(zhuān)利和日本第2,953,297號(hào)專(zhuān)利中公開(kāi)。
另外，關(guān)于各像素使用不同曝光時(shí)間的方法使強(qiáng)光的像素曝光短曝光時(shí)間，并使弱光的像素曝光長(zhǎng)曝光時(shí)間，以在獲得寬的動(dòng)態(tài)范圍的同時(shí)保持信號(hào)級(jí)。該方法在美國(guó)第6,498,576號(hào)專(zhuān)利中公開(kāi)。
另外，為了隨時(shí)間擴(kuò)展圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍，具有非線性特征的裝置被放置在圖像傳感器的前面，以使輸入到圖像傳感器的信號(hào)關(guān)于光強(qiáng)度具有非線性特征。
由于輸入到具有線性特征的圖像傳感器的信號(hào)關(guān)于光強(qiáng)度具有非線性特征，所以從圖像傳感器輸出的信號(hào)關(guān)于光強(qiáng)度具有非線性特征。然而，如果從圖像傳感器輸出的信號(hào)被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，則出現(xiàn)的問(wèn)題在于，當(dāng)以相同間隔對(duì)圖像傳感器的輸出值已經(jīng)取樣時(shí)，由于圖像傳感器的信號(hào)關(guān)于光強(qiáng)度具有非線性特征，所以對(duì)應(yīng)于以相同間隔輸出的光強(qiáng)度的間隔中存在差值。
即，由于圖像傳感器的輸出值具有非線性特征，所以當(dāng)輸入光強(qiáng)度增加時(shí)圖像傳感器的輸出值的增加率減少，所以在對(duì)應(yīng)于相同輸出值的改變率的輸入光強(qiáng)度的改變率中存在不同。因此，由于相同輸出關(guān)于具有輸入光強(qiáng)度的改變率的光強(qiáng)度相對(duì)出現(xiàn)，存在降低分辨率的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
開(kāi)發(fā)本發(fā)明為了解決上面的缺點(diǎn)和與傳統(tǒng)的布置相關(guān)的其他問(wèn)題。本發(fā)明的一方面在于提供一種糾正非線性圖像的圖像捕捉的設(shè)備和使用非線性圖像的方法，以使圖像具有線性特征，從而如果具有非線性特征的光學(xué)裝置被用來(lái)擴(kuò)展圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍，則防止由于圖像的非線性導(dǎo)致的分辨率降低。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種糾正非線性圖像的圖像捕捉設(shè)備，包括光學(xué)裝置，將輸入圖像轉(zhuǎn)換成關(guān)于光強(qiáng)度具有非線性特征的輸入圖像；圖像傳感器，將具有非線性特征的輸入圖像轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；糾正單元，糾正電信號(hào)以獲得關(guān)于光強(qiáng)度具有線性特征的信號(hào)；轉(zhuǎn)換器，將糾正的信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；和信號(hào)處理單元，處理糾正的數(shù)字信號(hào)以作為輸出圖像顯示。
糾正單元可通過(guò)使用光學(xué)裝置的非線性特征函數(shù)的反函數(shù)來(lái)糾正電信號(hào)以獲得關(guān)于光強(qiáng)度具有線性特征的信號(hào)。
糾正單元可以是具有光學(xué)裝置的非線性特征函數(shù)的反函數(shù)的模擬電路。
光學(xué)裝置在預(yù)定的光強(qiáng)度范圍內(nèi)將輸入光轉(zhuǎn)換成關(guān)于光強(qiáng)度具有非線性特征的圖像，并通過(guò)轉(zhuǎn)換擴(kuò)展圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍。
轉(zhuǎn)換器具有與擴(kuò)展的圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍成比例增加的比特?cái)?shù)。
圖像傳感器可以是電荷耦合裝置(CCD)或者互補(bǔ)性氧化金屬半導(dǎo)體(CMOS)。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種糾正非線性圖像的圖像捕捉設(shè)備，包括光學(xué)裝置，轉(zhuǎn)換輸入圖像以關(guān)于光強(qiáng)度具有非線性特征；圖像傳感器，將具有非線性特征的輸入圖像轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；轉(zhuǎn)換器，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；糾正單元，糾正轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)以關(guān)于光強(qiáng)度具有線性特征；信號(hào)處理單元，處理糾正的信號(hào)以作為輸出圖像顯示。
糾正單元可通過(guò)使用光學(xué)裝置的非線性特征函數(shù)的反函數(shù)糾正電信號(hào)以關(guān)于光強(qiáng)度具有線性特征。
糾正單元可以是用于處理由轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)以具有線性特征的數(shù)字信號(hào)處理器。
光學(xué)裝置在超過(guò)預(yù)定的光強(qiáng)度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換圖像傳感器的電信號(hào)以關(guān)于光強(qiáng)度具有非線性特征，并通過(guò)轉(zhuǎn)換擴(kuò)展圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍。
圖像傳感器可以是電荷耦合裝置(CCD)或者互補(bǔ)性氧化金屬半導(dǎo)體(CMOS)。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種圖像捕捉設(shè)備的非線性圖像糾正方法，該設(shè)備包括具有非線性特征的光學(xué)裝置和光電轉(zhuǎn)換具有非線性特征的輸入圖像的圖像傳感器，該方法包括將轉(zhuǎn)換輸入圖像以關(guān)于光強(qiáng)度具有非線性特征，以擴(kuò)展圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍；將具有非線性特征的輸入圖像轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；糾正電信號(hào)以關(guān)于光強(qiáng)度具有線性特征；將糾正的信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；和處理轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)以作為輸出圖像顯示。
電信號(hào)可通過(guò)使用光學(xué)裝置的非線性特征函數(shù)的反函數(shù)被糾正以關(guān)于光強(qiáng)度具有線性特征。
電信號(hào)可通過(guò)使用具有光學(xué)裝置的非線性特征函數(shù)的反函數(shù)的模擬電路被糾正。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種圖像捕捉設(shè)備的非線性圖像糾正方法，該設(shè)備包括具有非線性特征的光學(xué)裝置和光電轉(zhuǎn)換具有非線性特征的輸入圖像的圖像傳感器，該方法包括將轉(zhuǎn)換輸入圖像以關(guān)于光強(qiáng)度具有非線性特征，以擴(kuò)展圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍；將具有非線性特征的輸入圖像轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；糾正轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)以關(guān)于光強(qiáng)度具有線性特征；和處理糾正的數(shù)字信號(hào)以作為輸出圖像顯示。
轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)通過(guò)使用光學(xué)裝置的非線性特征函數(shù)的反函數(shù)被糾正以關(guān)于光強(qiáng)度具有線性特征。


通過(guò)參照附圖對(duì)本發(fā)明的某些示例性實(shí)施例地描述，本發(fā)明的上述和/或其他方面將變得更加清楚，其中圖1A和圖1B是示意性地顯示根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的糾正非線性圖像的圖像捕捉設(shè)備的框圖；圖2是顯示由圖1A或圖1B的光學(xué)裝置擴(kuò)展的圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍的示圖；圖3A是解釋當(dāng)圖1A或圖1B的糾正單元糾正時(shí)使用的函數(shù)的示圖；圖3B和圖3C是分別解釋圖1A和圖1B的圖像捕捉設(shè)備中的糾正單元的操作的示圖；和圖4是解釋根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的糾正非線性圖像的方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式
以下，將詳細(xì)參照附圖來(lái)描述本發(fā)明。
圖1A和圖1B是示意性地顯示根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的糾正非線性圖像的圖像捕捉設(shè)備的框圖；圖1A是用于在將圖像傳感器30中轉(zhuǎn)換的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)之前糾正非線性圖像的框圖，圖1B是用于在將圖像傳感器30中轉(zhuǎn)換的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)之后糾正非線性圖像的框圖。
在圖1A和圖1B中，糾正非線性圖像的圖像捕捉設(shè)備包括鏡頭10、光學(xué)裝置20、圖像傳感器30、糾正單元40、轉(zhuǎn)換器50和信號(hào)處理單元60。
首先，鏡頭10收集輸入光并將其發(fā)送到光學(xué)裝置20。
光學(xué)裝置20是具有非線性特征的裝置，其使得輸入光學(xué)裝置20的輸出的圖像傳感器30輸出關(guān)于光強(qiáng)度具有非線性特征的圖像。光學(xué)裝置20輸出關(guān)于光強(qiáng)度具有非線性特征以便擴(kuò)展使圖像傳感器30的輸出值飽和的輸入光強(qiáng)度的范圍。
圖像傳感器30關(guān)于光強(qiáng)度具有非線性特征以便當(dāng)圖像具有相同亮度時(shí)輸出具有大于特定光強(qiáng)度的圖像。然而，光學(xué)裝置20使得圖像傳感器30的輸出值具有非線性特征并且大于特定光強(qiáng)度還具有關(guān)于光強(qiáng)度的不同的輸出值，由此擴(kuò)展使輸出值飽和的輸入光強(qiáng)度的范圍。即，光學(xué)裝置20擴(kuò)展圖像傳感器30的動(dòng)態(tài)范圍。
圖像傳感器30將從光學(xué)裝置20輸入的圖像轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。即，圖像傳感器30檢測(cè)與輸入到圖像傳感器30的光強(qiáng)度成比例產(chǎn)生的信號(hào)電荷作為模擬電壓。
在這里，圖像傳感器30可以是電荷耦合裝置(CCD)類(lèi)型圖像傳感器，通過(guò)使用門(mén)脈沖將由輸入光產(chǎn)生的電子直接移動(dòng)到輸出單元；CMOS類(lèi)型圖像傳感器，在將這些電子轉(zhuǎn)換成像素電壓之后通過(guò)多個(gè)CMOS開(kāi)關(guān)輸出由輸入光產(chǎn)生的電子，等等。
此外，圖像傳感器30是具有線性特征的裝置，從光學(xué)裝置20輸入的圖像關(guān)于光強(qiáng)度具有非線性特征，所以圖像傳感器30的輸出信號(hào)也關(guān)于光強(qiáng)度具有非線性特征。
糾正單元40將關(guān)于光強(qiáng)度具有非線性特征的圖像糾正為具有線性特征的信號(hào)。在這里，在關(guān)于光強(qiáng)度具有非線性特征的圖像傳感器30的圖像被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)之前或之后，糾正單元40操作。即，糾正單元40被放置在轉(zhuǎn)換器50之前或之后，糾正從圖像傳感器30輸出的模擬信號(hào)，或者糾正從轉(zhuǎn)換器50輸出的數(shù)字信號(hào)。
如果糾正單元40在具有非線性特征的圖像被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)之前操作，則糾正單元40用具有與光學(xué)裝置20的非線性特征函數(shù)相反關(guān)系的模擬電路建立，由此執(zhí)行從圖像傳感器30輸入的信號(hào)的直線性。然而，如果糾正單元40在具有非線性特征的圖像被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)之后操作，則糾正單元40處理從轉(zhuǎn)換器50輸出的數(shù)字信號(hào)以形成線性信號(hào)。
另外，糾正單元40使用與用于輸出關(guān)于光強(qiáng)度的非線性信號(hào)的光學(xué)裝置20的非線性特征函數(shù)相反的關(guān)系，從而糾正輸入信號(hào)以關(guān)于光強(qiáng)度具有線性特征。
即，如果光學(xué)裝置20被用來(lái)擴(kuò)展圖像傳感器30的動(dòng)態(tài)范圍，則由于光學(xué)裝置20的非線性特征函數(shù)，具有非線性特征的信號(hào)被輸出。因此，由于光學(xué)裝置20的非線性特征函數(shù)，輸入到圖像傳感器30的信號(hào)具有非線性特征，并且，如果與光學(xué)裝置20的非線性特征函數(shù)的相反關(guān)系被應(yīng)用到從圖像傳感器30輸出的信號(hào)，則糾正單元40可將具有非線性特征的信號(hào)糾正為具有線性特征的信號(hào)。
轉(zhuǎn)換器50將輸入模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。如果糾正單元40在具有非線性特征的圖像被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)之前操作，則轉(zhuǎn)換器50將已經(jīng)由糾正單元40糾正的具有線性特征的信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。然而，如果糾正單元40在具有非線性特征的圖像被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)之后操作，則轉(zhuǎn)換器50將從圖像傳感器30輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并將轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)輸出到糾正單元40以將其糾正成線性信號(hào)。
信號(hào)處理單元60執(zhí)行信號(hào)處理，從而被糾正為具有線性特征的數(shù)字信號(hào)作為輸出圖像顯示。
圖2是顯示由圖1A或圖1B的光學(xué)裝置20擴(kuò)展的圖像傳感器30的動(dòng)態(tài)范圍的示圖。在圖2中，橫軸表示輸入光強(qiáng)度，縱軸表示圖像傳感器30的輸出值。另外，曲線I表示當(dāng)沒(méi)有使用圖像傳感器30和光學(xué)裝置20時(shí)的圖像傳感器30的輸出，曲線II表示當(dāng)使用圖像傳感器30和光學(xué)裝置20時(shí)的圖像傳感器30的輸出。
在這里，曲線I和曲線II的參考標(biāo)號(hào)ICCD和IOL分別指示具有飽和的輸出值的光強(qiáng)度，參考標(biāo)號(hào)Isat指示圖像傳感器30的飽和的輸出值。另外，A部分是曲線I的輸出值關(guān)于光強(qiáng)度具有線性特征的間隔，B部分是曲線II的輸出值關(guān)于光強(qiáng)度具有非線性特征的間隔。D部分指示當(dāng)使用光學(xué)裝置20從而圖像傳感器30的輸出值關(guān)于光強(qiáng)度具有非線性特征時(shí)圖像傳感器30的動(dòng)態(tài)范圍被擴(kuò)展的間隔。
在圖2中，當(dāng)使用光學(xué)裝置20時(shí)，曲線II顯示關(guān)于光強(qiáng)度具有非線性特征的圖像傳感器30的輸出值。在這里，在超過(guò)特定光強(qiáng)度出現(xiàn)IL非線性特征的圖像傳感器30的輸出值。在A部分，即，在低于IL，與在沒(méi)有使用光學(xué)裝置20的情況下一樣，圖像傳感器30的輸出值關(guān)于光強(qiáng)度具有線性特征。
另外，在B部分，即，在超過(guò)IL，與在沒(méi)有使用光學(xué)裝置20的情況下不同，圖像傳感器30的輸出值關(guān)于光強(qiáng)度具有非線性特征。在非線性特征部分，與線性特征部分相比，當(dāng)光強(qiáng)度增加時(shí)輸出值的增加率減少。
由于隨著光強(qiáng)度的增加，在B部分輸出值的增加量被減少，所以與沒(méi)有使用光學(xué)裝置20不同，隨著光強(qiáng)度的增加，在D部分圖像傳感器30的輸出值不同。因此，對(duì)于D部分的光強(qiáng)度，圖像亮度可顯示不同。即，圖像傳感器30的動(dòng)態(tài)范圍被擴(kuò)展，其是指示圖像傳感器30可將光信號(hào)處理成具有光強(qiáng)度級(jí)的圖像的指標(biāo)。
圖3A解釋圖1A或圖1B的糾正單元40糾正時(shí)使用的函數(shù)的示圖。在這里，參考標(biāo)號(hào)D1和D2分別指示可根據(jù)分辨率區(qū)別的輸入光強(qiáng)度的范圍，C1和C2指示圖像傳感器30的輸出值的范圍，已對(duì)這些輸出值以相同間隔進(jìn)行取樣。另外，參考標(biāo)號(hào)X指示關(guān)于光強(qiáng)度具有線性特征的輸出值的最大值，圖像傳感器30的輸出值在從0至X的光強(qiáng)度的范圍內(nèi)顯示線性特征。
另外，f(I)指光學(xué)裝置20的非線性特征函數(shù)，g(I)指光學(xué)裝置20的非線性特征的反函數(shù)，l(I)指在非線性特征函數(shù)f(I)的反函數(shù)g(I)被應(yīng)用于非線性函數(shù)f(I)之后的關(guān)于光強(qiáng)度具有線性特征的轉(zhuǎn)換器50的輸出值。
在圖3A中，如果使用光學(xué)裝置20從而圖像傳感器30的輸出值關(guān)于光強(qiáng)度具有非線性特征，則對(duì)于圖像傳感器30的相同的輸出值的改變量，可根據(jù)分辨率區(qū)分的輸入光強(qiáng)度的改變量可能不同。
即，即使隨著光強(qiáng)度的增加輸入光強(qiáng)度的改變量增加，但是由于圖像傳感器30的輸出值的非線性特征，導(dǎo)致圖像傳感器30的輸出值的改變量保持相同，所以檢測(cè)到對(duì)于輸入光強(qiáng)度的相對(duì)大的改變量相同的輸出值。當(dāng)圖像傳感器30的錯(cuò)誤輸出值用于信號(hào)處理時(shí)，輸出圖像的分辨率可被降低。
例如，首先，假設(shè)當(dāng)在低光強(qiáng)度范圍內(nèi)輸入光強(qiáng)度的差值D1是1/2n時(shí)，圖像傳感器30的輸出值的改變量C1是‘1’。在圖3A，即使當(dāng)在高光強(qiáng)度范圍內(nèi)輸入光強(qiáng)度的差值D2是5/2n時(shí)，圖像傳感器30的輸出值的改變量(C2)變成‘5’，則輸出值的改變量保持與差值D1是1/2n相等的輸出值‘1’，這樣引起一個(gè)問(wèn)題。
即，在低和高光強(qiáng)度的范圍內(nèi)對(duì)圖像傳感器30的輸出值的改變量以相同間隔進(jìn)行采樣，但是輸入光強(qiáng)度的實(shí)際改變量不同。由于圖像傳感器30的輸出值關(guān)于光強(qiáng)度具有非線性特征并且在超過(guò)特定光強(qiáng)度的范圍輸出值的增加率減少，所以發(fā)生這樣的情況。
為了對(duì)圖像傳感器30的輸出值進(jìn)行糾正以關(guān)于光強(qiáng)度具有線性特征，光學(xué)裝置20的特征函數(shù)的反函數(shù)成為將被應(yīng)用于輸出具有非線性特征的圖像傳感器30的輸出值的函數(shù)，這可以在以下方程2和方程3中解釋。
I＝g(f(I))＝f-1(f(1))[方程3]g(I)＝f-1(1)這里，I指示光強(qiáng)度，f(I)指示光學(xué)裝置20的非線性特征函數(shù)。另外，g(I)指示用于糾正圖像傳感器30的輸出值的函數(shù)，即，光學(xué)裝置20的非線性特征函數(shù)的反函數(shù)。
為了對(duì)圖像傳感器30的輸出值進(jìn)行糾正以具有線性特征，從將任意函數(shù)應(yīng)用到非線性特征函數(shù)被應(yīng)用到其的圖像傳感器30的輸出值所獲得的值具有線性特征。即，在方程2，輸入光強(qiáng)度I成為從將任意函數(shù)應(yīng)用到非線性特征函數(shù)被應(yīng)用到其的圖像傳感器30的輸出值所獲得的值。
因此，為了使圖像傳感器30的輸出值具有線性特征，如方程3所表示的，應(yīng)用到非線性特征函數(shù)被應(yīng)用到其的圖像傳感器30的輸出值的函數(shù)成為光學(xué)裝置20的非線性特征函數(shù)的反函數(shù)。
圖3B和圖3C是分別解釋圖1A和圖1B的圖像捕捉設(shè)備的糾正單元40的操作的示圖。即，圖3B顯示糾正單元40在具有非線性特征的圖像被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)之前操作，圖3C顯示糾正單元40在具有非線性特征的圖像被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)之后操作。
同圖3A一樣，F(xiàn)1、F2、H1和H2分別指示可根據(jù)分辨率區(qū)分的輸入光強(qiáng)度的范圍，E1、E2、G1和G2分別指示以相同間隔取樣的圖像傳感器30的輸出值的范圍。另外，X指示關(guān)于光強(qiáng)度具有線性特征的輸出值的最大值，并且如果光強(qiáng)度在從0至X的范圍內(nèi)，則圖像傳感器30的輸出值具有線性特征。Y指示當(dāng)圖像傳感器30的輸出值具有飽和輸出值時(shí)的光強(qiáng)度。
在圖3B和3C，f(I)指示光學(xué)裝置20的非線性特征函數(shù)，g(I)是光學(xué)裝置20的非線性特征函數(shù)的反函數(shù)。l(I)指示在將非線性特征函數(shù)的反函數(shù)g(I)應(yīng)用到非線性特征函數(shù)f(I)之后關(guān)于光強(qiáng)度具有線性特征的轉(zhuǎn)換器50的輸出值。
在圖3B，如果糾正單元40在具有非線性特征的圖像被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)之前操作，則糾正單元40的輸出值在被糾正為具有線性特征之后獲得。因此，與以相同間隔取樣的圖像傳感器30的各輸出值的改變量對(duì)應(yīng)的輸入光強(qiáng)度具有相同的改變量。即，在低光強(qiáng)度范圍內(nèi)的取樣率與在高光強(qiáng)度范圍內(nèi)的取樣率相同。糾正單元40用具有與光學(xué)裝置20的非線性特征函數(shù)相反的關(guān)系的模擬電路建立。
然而，如果糾正單元40在具有非線性特征的圖像被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)之后操作，則具有擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)范圍的圖像傳感器30的輸出值被糾正為具有線性特征并被輸入到轉(zhuǎn)換器50，所以轉(zhuǎn)換器50的比特?cái)?shù)必須與圖像傳感器30的動(dòng)態(tài)范圍的擴(kuò)展成比率增加。例如，當(dāng)取樣被應(yīng)用到在通過(guò)8比特轉(zhuǎn)換器50的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)沒(méi)有擴(kuò)展和通過(guò)光學(xué)裝置20圖像傳感器30的動(dòng)態(tài)范圍增加兩倍的圖像傳感器30的輸出值時(shí)，則圖像傳感器30的輸出值具有線性，所以9比特信號(hào)被產(chǎn)生，這需要9比特轉(zhuǎn)換器50。
在圖3C，如果糾正單元40在具有非線性特征的圖像被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)之后操作，則糾正單元40的輸出值在被糾正單元40糾正以具有線性特征之前出現(xiàn)。因此，轉(zhuǎn)換器50的輸出值被糾正以關(guān)于光強(qiáng)度具有線性特征。
為了對(duì)轉(zhuǎn)換器50的輸出值糾正以關(guān)于光強(qiáng)度具有線性關(guān)系，當(dāng)光強(qiáng)度的改變量逐漸增加時(shí)，轉(zhuǎn)換器50的輸出值的改變量逐漸增加，而不是圖3B所示的相同間隔。即，在低光強(qiáng)度范圍內(nèi)的取樣率與高光強(qiáng)度范圍內(nèi)的取樣率不同。因此，在低光強(qiáng)度中的分辨率與在高光強(qiáng)度范圍內(nèi)的分辨率相比相對(duì)高。
因此，如果糾正單元40在具有非線性特征的圖像被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)之后操作，則因?yàn)樵诘凸鈴?qiáng)度范圍內(nèi)的分辨率高于在高光強(qiáng)度中的分辨率，所以光強(qiáng)度變得越低，則其對(duì)分辨率的改變變得越敏感，以及光強(qiáng)度變得越高，則其對(duì)分辨率的改變變得越不敏感，這顯示了與人類(lèi)可視的感覺(jué)相同。
如果糾正單元40在具有非線性特征的圖像被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)之后操作，則糾正單元40成為數(shù)字信號(hào)處理器以糾正從轉(zhuǎn)換器50輸入的數(shù)字信號(hào)。
圖4是解釋根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的糾正非線性圖像的方法的流程圖。
在圖4，首先，光學(xué)裝置20將鏡頭10聚焦的光轉(zhuǎn)換成關(guān)于光強(qiáng)度具有非線性特征的圖像(S301)。光學(xué)裝置20是具有非線性特征的裝置，并將從鏡頭10輸入的光通過(guò)非線性函數(shù)轉(zhuǎn)換成具有非線性特征的圖像。
另外，如圖2所述，為了使圖像在大于特定光強(qiáng)度級(jí)關(guān)于光強(qiáng)度具有的非線性特征，光學(xué)裝置20位于圖像傳感器30的前面，所以圖像傳感器30的動(dòng)態(tài)范圍被擴(kuò)展。然而，由于圖像傳感器30的擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)范圍，當(dāng)關(guān)于特定級(jí)的光強(qiáng)度增加時(shí)輸出值的增加率減少。
另外，圖像傳感器30將輸出圖像轉(zhuǎn)換成電信號(hào)以關(guān)于光強(qiáng)度具有非線性特征(S303)。即，圖像傳感器30檢測(cè)作為模擬電壓的與輸入光強(qiáng)度成比例產(chǎn)生的信號(hào)電荷。由于圖像傳感器30是具有線性特征的裝置，圖像傳感器30將輸入到光學(xué)裝置20和關(guān)于光強(qiáng)度具有非線性特征的圖像轉(zhuǎn)換成具有非線性特征的圖像。
接著，轉(zhuǎn)換器50將電信號(hào)，即，模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)(S305)。即，轉(zhuǎn)換器50是模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器。
轉(zhuǎn)換器50以相同間隔對(duì)圖像傳感器得輸出值進(jìn)行取樣，并輸出與圖像傳感器30的取樣的輸出值的改變量對(duì)應(yīng)的關(guān)于光強(qiáng)度的改變量的轉(zhuǎn)換器50相同的輸出值。然而，由于圖像傳感器30的輸出值在超過(guò)特定強(qiáng)度級(jí)具有關(guān)于光強(qiáng)度的非線性特征，所以對(duì)應(yīng)于取樣的改變量和圖像傳感器30的相同的輸出值，光強(qiáng)度的改變量增加。
由于當(dāng)光強(qiáng)度增加時(shí)，對(duì)于光強(qiáng)度的大改變量圖像傳感器30的輸出值相等，所以當(dāng)光強(qiáng)度增加時(shí)分辨率減小。因此，對(duì)了對(duì)高分辨率的圖像進(jìn)行顯示，轉(zhuǎn)換器50的輸出值需要糾正以關(guān)于光強(qiáng)度具有線性特征接著，轉(zhuǎn)換器50的輸出值被糾正以關(guān)于光強(qiáng)度具有線性特征(S307)。光學(xué)裝置20的非線性特征函數(shù)的反函數(shù)被應(yīng)用到轉(zhuǎn)換器50的輸出值，所以輸入到信號(hào)處理單元60的值被糾正以關(guān)于光強(qiáng)度具有線性特征。由于光學(xué)裝置20的非線性特征函數(shù)導(dǎo)致轉(zhuǎn)換器50的輸出值具有非線性特征，所以光學(xué)裝置20的非線性特征函數(shù)的反函數(shù)被應(yīng)用到轉(zhuǎn)換器50的輸出值，從而轉(zhuǎn)換器50的輸出值關(guān)于光強(qiáng)度具有非線性特征，參照?qǐng)D3C對(duì)轉(zhuǎn)換器50的糾正的輸出值和光強(qiáng)度之間的關(guān)系進(jìn)行了詳細(xì)描述。
接著，轉(zhuǎn)換器50的糾正的輸出值被信號(hào)處理以在屏幕上顯示(S309)。由于轉(zhuǎn)換器50的輸出值被糾正以關(guān)于光強(qiáng)度具有線性特征，所以具有非線性特征以擴(kuò)展圖像傳感器30的動(dòng)態(tài)范圍的圖像的分辨率可被改善。
另外，在步驟S303，在圖像傳感器30將輸入的圖像轉(zhuǎn)換成電信號(hào)之后，在將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)之前，圖像傳感器30的輸出值可被糾正以首先具有線性特征。接著，被糾正以具有線性特征的電信號(hào)被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后，為了顯示圖像，數(shù)字信號(hào)被處理。在這里，已參照?qǐng)D3B詳細(xì)描述光強(qiáng)度和將糾正以具有線性特征的信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換器50的輸出值之間的關(guān)系。
如上所述，由于具有非線性特征的光學(xué)裝置擴(kuò)展圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍，本發(fā)明糾正關(guān)于光強(qiáng)度具有非線性特征的輸出以具有線性特征，從而改善圖像的分辨率。
上述示例性實(shí)施例和優(yōu)點(diǎn)僅是示例，而不被理解為對(duì)本發(fā)明的限制。本教導(dǎo)可被容易地應(yīng)用到其他類(lèi)型的設(shè)備。另外，本發(fā)明的實(shí)施例的描述目的是示例性的，而不是限定權(quán)利要求的范圍，并且許多替換、改變和變化對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員將是明顯的。
權(quán)利要求
1.一種圖像捕捉設(shè)備，包括圖像傳感器，將具有非線性特征的輸入圖像轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；糾正單元，糾正電信號(hào)以產(chǎn)生關(guān)于光強(qiáng)度具有線性特征的糾正的信號(hào)；轉(zhuǎn)換器，將糾正的信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；和信號(hào)處理單元，處理數(shù)字信號(hào)以作為輸出圖像顯示。
2.如權(quán)利要求1所述的圖像捕捉設(shè)備，還包括光學(xué)裝置，將輸入光轉(zhuǎn)換成關(guān)于光強(qiáng)度具有非線性特征的輸入圖像。
3.如權(quán)利要求2所述的圖像捕捉設(shè)備，其中，糾正單元使用光學(xué)裝置的非線性特征函數(shù)的反函數(shù)來(lái)糾正電信號(hào)，以產(chǎn)生關(guān)于光強(qiáng)度具有線性特征的糾正的信號(hào)。
4.如權(quán)利要求2所述的圖像捕捉設(shè)備，其中，糾正單元包括具有光學(xué)裝置的非線性特征函數(shù)的反函數(shù)的模擬電路。
5.如權(quán)利要求2所述的圖像捕捉設(shè)備，其中，光學(xué)裝置在預(yù)定的光強(qiáng)度范圍內(nèi)將輸入光轉(zhuǎn)換成關(guān)于光強(qiáng)度具有非線性特征的圖像，并通過(guò)轉(zhuǎn)換擴(kuò)展圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍。
6.如權(quán)利要求2所述的圖像捕捉設(shè)備，其中，圖像傳感器包括電荷耦合裝置或互補(bǔ)性氧化金屬半導(dǎo)體。
7.如權(quán)利要求2所述的圖像捕捉設(shè)備，其中，轉(zhuǎn)換器具有與由光學(xué)裝置擴(kuò)展的圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍成比例增加的比特?cái)?shù)。
8.一種圖像捕捉設(shè)備，包括光學(xué)裝置，將輸入光轉(zhuǎn)換成關(guān)于光強(qiáng)度具有非線性特征的圖像；圖像傳感器，將具有非線性特征的輸入圖像轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；轉(zhuǎn)換器，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；糾正單元，糾正數(shù)字信號(hào)以產(chǎn)生關(guān)于光強(qiáng)度具有線性特征的糾正的信號(hào)；和信號(hào)處理單元，處理糾正的信號(hào)以作為輸出圖像顯示。
9.如權(quán)利要求8所述的圖像捕捉設(shè)備，其中，糾正單元使用光學(xué)裝置的非線性特征函數(shù)的反函數(shù)糾正電信號(hào)以產(chǎn)生關(guān)于光強(qiáng)度具有線性特征的糾正的信號(hào)。
10.如權(quán)利要求8所述的圖像捕捉設(shè)備，其中，糾正單元包括數(shù)字信號(hào)處理器，處理具有非線性特征的數(shù)字信號(hào)。
11.如權(quán)利要求8所述的圖像捕捉設(shè)備，其中，光學(xué)裝置在預(yù)定的光強(qiáng)度范圍內(nèi)將輸入光轉(zhuǎn)換成關(guān)于光強(qiáng)度具有非線性特征的圖像，并通過(guò)轉(zhuǎn)換擴(kuò)展圖像感知的動(dòng)態(tài)范圍。
12.如權(quán)利要求8所述的圖像捕捉設(shè)備，其中，圖像傳感器包括電荷耦合裝置或互補(bǔ)性氧化金屬半導(dǎo)體。
13.一種用于圖像捕捉設(shè)備的非線性圖像糾正方法，該設(shè)備包括具有非線性特征的光學(xué)裝置和光電轉(zhuǎn)換具有非線性特征的輸入圖像的圖像傳感器，該方法包括將輸入光轉(zhuǎn)換成關(guān)于光強(qiáng)度具有非線性特征的輸入圖像，以擴(kuò)展圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍；將具有非線性特征的輸入圖像轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；糾正電信號(hào)以產(chǎn)生關(guān)于光強(qiáng)度具有線性特征的糾正的信號(hào)；將糾正的信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；和處理數(shù)字信號(hào)以作為輸出圖像顯示。
14.如權(quán)利要求13所述的非線性圖像糾正方法，其中，所述糾正過(guò)程通過(guò)使用光學(xué)裝置的非線性特征函數(shù)的反函數(shù)來(lái)糾正電信號(hào)以產(chǎn)生關(guān)于光強(qiáng)度具有線性特征的糾正的信號(hào)。
15.如權(quán)利要求13所述的非線性圖像糾正方法，其中，所述糾正過(guò)程通過(guò)使用具有光學(xué)裝置的非線性特征函數(shù)的反函數(shù)的模擬電路來(lái)糾正電信號(hào)。
16.一種用于圖像捕捉設(shè)備的非線性圖像糾正方法，該設(shè)備包括具有非線性特征的光學(xué)裝置和光電轉(zhuǎn)換具有非線性特征的輸入圖像的圖像傳感器，該方法包括將輸入光轉(zhuǎn)換成關(guān)于光強(qiáng)度具有非線性特征的輸入圖像，以擴(kuò)展圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍；將具有非線性特征的輸入圖像轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；糾正數(shù)字信號(hào)以產(chǎn)生關(guān)于光強(qiáng)度具有線性特征的糾正的信號(hào)；和處理糾正的信號(hào)以作為輸出圖像顯示。
17.如權(quán)利要求16所述的非線性圖像糾正方法，其中，糾正過(guò)程通過(guò)使用光學(xué)裝置的非線性特征函數(shù)的反函數(shù)來(lái)糾正數(shù)字信號(hào)以產(chǎn)生關(guān)于光強(qiáng)度具有線性特征的糾正的信號(hào)。
全文摘要
一種糾正非線性圖像的圖像捕捉設(shè)備，包括光學(xué)裝置，轉(zhuǎn)換輸入圖像以關(guān)于光強(qiáng)度具有非線性特征；圖像傳感器，將具有非線性特征的輸入圖像轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；糾正單元，糾正電信號(hào)以獲得關(guān)于光強(qiáng)度具有線性特征的信號(hào)；轉(zhuǎn)換器，將糾正的信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；和信號(hào)處理單元，處理轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)以作為輸出圖像顯示，因此，如果具有非線性特征的光學(xué)裝置擴(kuò)展圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍，則關(guān)于光強(qiáng)度具有非線性特征的輸出被糾正以具有線性特征，所以圖像的分辨率可被提高。
文檔編號(hào)H04N5/243GK1794793SQ20051013245
公開(kāi)日2006年6月28日 申請(qǐng)日期2005年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月21日
發(fā)明者崔東范, 金文喆, 金秀英 申請(qǐng)人:三星電子株式會(huì)社