DK9600320U1 - Elektronisk System for Billedoptagelse med et Elektronisk Kamera - Google Patents

Description

DK 96 00320 U4

SYSTEM FOR BILLEDOPTAGELSE MED ET ELEKTRONISK KAMERA

Frembringelsen angår et billedoptagesystem, der omfatter et elektronisk kamera og synkroniseringsorganer til synkronisering af billedoptagelse af belyste objekter med intensi-5 tetsfluktuationer af lys, som belyser de objekter, der skal afbildes.

Udskiftning af konventionelle kameraer til fotografering og optagelse af billeder ved udnyttelse af lysfolsomheden af fotografiske film med elektroniske kameraer har opnået sti-10 gende opmærksomhed i nyere tid.

I et elektronisk kamera anvendes en halvleder komponent (typisk en charge coupled komponent (CCD)) til billedoptagelse. CCD'en er et array af et stort antal lysfølsomme elementer, der er forbundet med hinanden i et analogt skif-15 teregister. I hvert CCD-element dannes en ladning, som er proportional med den lysenergi, der rammer elementet i en integrationsperiode. Hvert elements analoge ladning skiftes serielt ud af CCD'en og konverteres typisk til en digital værdi, hvorved en digital repræsentation af billedoptagelsen 20 dannes. Det digitaliserede billede overføres enten til en ekstern computer gennem et computerinterface eller gemmes på et hukommelseskort eller på et roterende magnetisk lagermedium i kameraet.

Det er kendt at anvende lineære CCD-komponenter i elek-25 troniske kameraer, i hvilke de lysfølsomme elementer er placeret på en enkelt linie. Arrayet bevæges typisk hen over billedet og scanner det linie for linie. Ved optagelse af farvebilleder kan filtre placeres foran array'et, som da foretager tre passager hen over billedet under en billedop-30 tagelse.

2 DK 96 00320 U4

Det trilineære CCD-array udgør et godt kompromis mellem billedopløsning (stort antal pixels) og omkostning i elektroniske kameraer. Det trilineære CCD-array har tre lineære CCD'er, som er anbragt side om side. Hver linie er dækket af 5 sit eget farvefilter typisk i form af et farvestof, som er anbragt hen over elementerne. Arrayet foretager en enkelt passage hen over billedet, og hver lineær CCD optager én linie af gangen. Typisk optages et billede på denne måde i løbet af fra 1 til 10 minutter.

10 For en højere omkostning kan et rektangulært CCD-array optage hele billedet på meget kort tid. Tre separate eksponeringer med tre farvefiltre er nødvendige for at optage et farvebillede. En måde at gøre dette på er at placere filtrene i et roterende farvehjul, som sekventielt indsætter hvert farve-15 filter i den optiske vej mellem det elektroniske kameras bi11eddannende optik og det rektangulære CCD-array.

Det er kendt at montere kredsløbene for et digitalt kamera i et kamerabagstykke (nogle gange benævnt et digitalt kamerabagstykke) , som fastgøres til et konventionelt kamera på 20 samme måde som et filmbagstykke.

Belysning er en afgørende faktor i en hvilken som helst form for fotografering, og belysning er et af nøglepunkterne for differentiering mellem digitale kameraer, og da lamper er blandt de dyreste værktøjer inden for branchen, er disse 25 forskelle væsentlige.

Den lange tid, der er nødvendig for at optage et billede med et elektronisk kamera, er en alvorlig ulempe ved de kendte kameraer af den ovenfor nævnte type. Det er nødvendigt at anvende yderst stabiliserede og dyre lyskilder for at sikre 30 en i optageperioden tidsmæssigt ensartet belysning af de objekter, der skal fotograferes med kameraet. En fluktuerende lyskilde kan forårsage, at forskellige områder i det optagede billede optages ved forskellige lysintensiteter for belysningen, fx kan linierne vise sig i et billede, der er optaget 3 DK 96 00320 U4 linie for linie. For en fotograf, der allerede har investeret i én type belysning, er omkostningerne til ny belysning en betydelig faktor ved overvejelse af køb af et nyt kamera.

I W0 92/04799 beskrives en billedscanner til at konvertere et 5 farvebillede til et elektronisk billede. Scanneren har et rektangulært CCD-array og tre farvefiltre, som placeres i lysvejen ét af gangen for at opnå tre separate farveekspo-neringer, som skal kombineres for dannelse af farvebilledet. Scannerens belysningskilde er en fluorescerende lampe, der 10 forsynes med vekselspænding. Scanneren har desuden en lukker, og lukkerfunktionen er synkroniseret med frekvensen af scannerens lyskilde, idet en tærskelværdidetektor er forbundet med vekselspændingsforsyningen og giver et synkroniserings-signal, når vekselspændingen er over en bestemt tærskelværdi, 15 og lukkeren styres, så den ved hver filterpassage i lysvejen åbner for passage af lys synkront med synkroniseringssignalet og forbliver åben i et tidsrum, der er bestemt af organer til fastlæggelse af eksponeringstiden således, at hver farve-eksponering foretages med samme lysmængde.

20 Det er et formål for den foreliggende frembringelse at tilvejebringe et nyt billedoptagesystem, der omfatter et elektronisk kamera, hvori indflydelse af tidslige fluktuationer i intensiteten af belysningen reduceres betydeligt i forhold til kendte systemer for derved at muliggøre anvendelse af 25 billige lyskilder til belysning af objekter, der skal fotograferes med et elektronisk kamera.

Ifølge den foreliggende frembringelse er det ovenfor nævnte formål opnået ved at tilvejebringe et billedoptagesystem af den indledningsvis nævnte art, og som er nyt ved, at det 30 elektroniske kamera er et still-billede kamera, der har en afbildende halvlederkomponent til billedoptagelse, hvilken halvlederkomponent bevæges hen over billedet under dets optagelse, en driver, der styrer halvlederkomponenten og eksponering af halvlederkomponenten, og et monitoreringsorgan 35 til monitorering af intensitetsfluktuationer for belysningen, 4 DK 96 00320 U4 og som generer et synkroniseringssignal på basis af intensiteten, og som sender synkroniseringssignalet til driveren således, at halvlederkomponenten eksponeres på en sådan måde, at billedet fremtræder i hovedsagen uden belysningsvariatio-5 ner mellem forskellige områder af billedet, som om objekterne blev belyst med lys med en tidsligt i hovedsagen konstant lysintensitet.

Det er et væsentligt aspekt for den foreliggende frembringelse, at billedoptagelse synkroniseres med tidslige fluktuatio-10 ner i lysintensitet på en sådan måde, at indflydelsen af tidslige fluktuationer i lysintensitet for lys, der belyser objekterne, reduceres i betydelig grad sammenlignet med kendte systemer..

Denne reduktion opnås ved at styre optagelsen af billedet på 15 en sådan måde, at hver del af de objekter, der skal afbildes, belyses med i hovedsagen den samme mængde lysenergi som de andre dele af objekterne under eksponering af de tilsvarende dele af billedet;.

Billedet kan optages under anvendelse af en afbildende halv-20 lederkomponent, som en CCD. Hvert lysfølsomme CCD-element integrerer lysintensiteten af det lys, der rammer elementet under en integrationsperiode, og akkumulerer en ladning, der er proportional med den integrerede lysintensitet. Indtil integration af lysintensiteten påbegyndes, er elementet 25 kortsluttet, så at ladningen er nul ved start af integrationsperioden.

Belysningen kan genereres af en hvilket som helst kunstig eller naturlig lyskilde, som lamper med almindelige pærer, som wolframlamper, etc, buelamper, som lysstofrør, etc., 30 fluorescerende rør, som højfrekvensfluorescerende rør, husholdningsfluorescerende rør, etc, stroboscoplamper, blitzlamper, sollys, etc.

5 DK 96 00320 U4 I denne sammenhæng skal ordet eksponering forstås i bred betydning som den tidsperiode, under hvilken en lyssensor faktisk måler lyset. For eksempel bliver en fotografisk film eksponeret for lys, når lyset falder ind på den, medens en 5 CCD eksponeres for lys, når elementerne i CCD'en tillades at integrere det lys, der rammer dem. CCD'en eksponeres ikke, medens de lysfølsomme elementer er kortsluttede, selvom lys eventuelt rammer dem.

Synkronisering af billedoptagelse med fluktuationer i be-10 lysningen af de objekter, der skal afbildes, kan udføres ved at synkronisere integrationstiden for CCD-elementerne med disse fluktuationer. Synkroniseringen kan udføres ved at starte og/eller stoppe integrationstiderne på specifikke forud fastlagte intensitetsniveauer for belysningen.

15 For eksempel, når billedoptagelse foretages med et elektronisk kamera, der har et rektangulært CCD-array og en blitz til at belyse de objekter, der skal afbildes, kan synkroniseringen af de tre eksponeringer, der er nødvendige for at foretage en farveoptagelse, udføres ved at starte integra-20 tionsperioden for det rektangulære CCD-array ved specifikke forud fastlagte intensitetsniveauer for det belysende blitzlys .

Hvis fluktuationerne er periodiske, kan integrationen foretages over et stort antal perioder, som fx 1-10 perioder, 25 fortrinsvis 2-10 perioder, foretrukket 2-5 perioder, som 2-3 perioder, fx 2 perioder. Når lysintensiteten integreres over et helt antal perioder for lysfluktuationerne, vil den integrerede lysintensitet være konstant, og altså uafhængig af positionen af integrationsperioden i forhold til fluktua-30 tionsperioden.

For både periodiske og ikke-periodiske varierende lysintensiteter for belysningen, kan synkronisering udføres ved bestemmelse af lysenergien, der falder ind på objekterne under eksponering af en del af billedet, fx ved integration af den 6 DK 96 00320 U4 monitorerede lysintensitet kontinuert eller med hensigtsmæssige tidsintervaller, og ved at stoppe eksponeringen af den omtalte del af billedet efter bestemmelse af et bestemt lysenerginivau, sådan at hver del af objekterne belyses af i hovedsagen den samme mængde lysenergi som andre dele af objekterne under eksponering af de tilsvarende dele af billedet .

For eksempel når et farvebillede optages med blitz og et digitalt kamera, der har en rektangulær CCD til at optage hele billedet med tre separate eksponeringer med tre farve-filtre, sikrer anvendelse af den ovenfor nævnte fremgangsmåde en ensartet eksponering af hver af farverne i billedet. I dette eksempel er en del af billedet lig med hele billedet.

Synkronisering kan også udføres ved at starte eksponeringstiden på et specifikt, forud fastlagt tidspunkt i forhold til fluktuationsperioden, sådan at den resulterende mængde af lysintensitet er uafhængig af fluktuationerne.

Synkroniseringen kan også udføres i forhold til et hvilket som helst signal, der svarer til lysintensiteten af lys, der rammer de objekter, der skal af bildes.

Et sådant signal kan genereres af en lysfølsom komponent, der detekterer lys udsendt fra én eller flere lyskilder, der belyser de objekter, der skal afbildes, eller der detekterer lys, der reflekteres fra objekterne. Den lysfølsomme komponent kan være anbragt inden i det elektroniske kamera, og det kan omfatte et afbildende halvlederelement. Halvlederen kan anvendes til både billedoptagelse og til monitorering af lys-intensitet.

Et sådant signal kan også udledes fra en spændingsforsyning til en lyskilde. For eksempel genererer nogle lyskilder, som forsynes fra nettet, lys, som varierer med en periode på to gange netfrekvensen. Et signal, som er proportionalt med netspændingen, fx fra en transformer, der er forbundet til

7 DK 96 00320 U4 nettet, kan anvendes til synkronisering, som beskrevet ovenfor.

Synkronisering kan også udføres ved under eksponeringstiden at måle intensiteten af lys, som udsendes fra lyskilderne, 5 der belyser de objekter, der skal afbildes, og efter optagelse at modificere værdierne for de optagede lysintensiteter i billedet i overensstemmelse med de synkront målte lys-intensiteter for at danne modificerede værdier, som er i hovedsagen uafhængige af fluktuationer af intensiteten for 10 belysningen. De modificerede værdier kan genereres ved at multiplicere de optagede værdier med en konstant, der er proportional med den reciprokke værdi for den under eksponeringstiden målte udsendte lysenergi, enten i en analog multiplikator før analog til digital konverteringen af lad-15 ningsværdierne, eller i en digital multiplikator efter analog til digital konverteringen.

Yderligere kan måling af lysintensitetsfluktuationer erstattes i metoden til kompensering for lysintensitetsvariationer, som beskrevet i det foregående afsnit, af detektering i det 20 optagede billede af lysintensitetsfluktuationer, fx ved at foretage en frekvensanalyse på det optagede billede og anvende beregnede værdier for lysintensitetsfluktuationerne i stedet for målte værdier til at danne modificerede værdier for de optagede lysintensiteter i billedet.

25 For eksempel, som beskrevet tidligere, har det trilineære CCD-array tre lineære CCD'er, som er anbragt side om side. Hver linie er dækket af sit eget farvefilter. Når et billede optages, foretager arrayet en enkelt passage hen over billedet, og hver lineære CCD optager én linie ad gangen. Altså 30 konverteres under en passage hen over billedet en tidsvarierende intensitetsfluktuation for belysningen til en rumlig variation af den optagede lysintensitet i billedet på grund af bevægelsen af CCD'en. Den tilsvarende rumlige frekvens kan bestemmes ved en rumlig frekvensanalyse på det optagede 35 billede. Yderligere kan krydskorrelationen af optagelserne 8 DK 96 00320 U4 for hver af de tre linier anvendes til bestemmelse af intensitetsvariationer for belysningen, idet sådanne variationer fører til de tilsvarende rumlige variationer for optagelserne for hver af linierne dog forskudt i forhold til hinanden på grund af de forskellige positioner for linierne i CCD-array-et. Altså kan krydskorrelation mellem optagelser for de tre linier adskille de identiske rumlige variationer i optagede intensiteter, der forårsages af fluktuationer i intensiteten af belysningen, fra de rumlige variationer, der forårsages af de objekter, der er fotograferet.

I en foretrukken udførelsesform for frembringelsen sættes eksponeringstiderne til et helt antal halvperioder for net-frekvensen, som fx et helt antal 10 ms perioder i Europa, et helt antal 8,33 ms perioder i U.S.A., osv., hvorved det sikres, at eksponeringstiden sættes til et helt antal lysintensitetsf luktuat ionsperioder.

Netfrekvensen kan bestemmes ud fra en måling af netspændingen, en intensitetsmåling af belysningen, detektering af en beat frekvens (stød tone) i det optagede billede eller ud fra en anden parameter i det biliedoptagende system, som kan anvendes som en indikator for netfrekvensen, som for eksempel den sprogversion, der anvendes af operatøren af systemet, fx indikerer anvendelse af tysk en 50 Hz netfrekvens, og anvendelse af amerikansk indikerer 60 Hz netfrekvens .

Frembringelsen forklares nærmere i det følgende under henvisning til tegningen, hvor

Fig. 1 er et blokdiagram for et elektronisk kamera ifølge den foreliggende frembringelse,

Fig. 2 viser en kurve (a) for målte lysfluktuationer og kurver (b), (c) for tilsvarende fluktuationer i de optagede lysintensiteter, når eksponeringstiderne er lig et helt antal perioder for lysfluktuationerne, og

9 DK 96 00320 U4

Fig. 3 viser en kurve (a) for målte lysfluktuationer og kurver (b), (c) for tilsvarende fluktuationer i de optagede lysintensiteter, når eksponeringstiderne er forskellige fra et helt antal perioder for lysfluktuationerne.

Fig. 1 viser et blokdiagram for et digitalt kamera eller et digitalt kamera bagstykke ifølge den foreliggende frembringelse, i hvilket en CCD-sensor 1, en trilineær CCD foretrækkes for nærværende på grund af det fordelagtige pris/ydelsesforhold, konverterer et billede af et objekt til et analogt farvesignal. CCD-sensoren 1 styres af et driver kredsløb 2, fx til start af integrations (eksponerings)tiden, til at skifte de akkumulerede ladninger ud, osv. Det analoge udgangssignal fra CCD-sensoren l sendes til en analog forstærker 3, som konverterer udgangssignalet til et signal, der er kompatibelt med analog til digital konvertereren 4. De digitale udgangsværdier fra A/D-konverteren 4 repræsenterer en digitaliseret version af det modtagede billede. De sendes til en signalprocessor 5, der overfører de digitale værdier, som er modtaget fra A/D-konverteren, med eller uden modifikationer til et billedlager 6, og endelig overføres billedet til en computer (ikke vist) gennem interfacet 7.

En rippeldetektor 8 detekterer lysfluktuationsperioden og styrer integrationstiden for CCD-sensoren på en sådan måde, at integrationstid er lig med et helt antal fluktuations -perioder.

Fluktuationstiderne kan bestemmes ved en hvilken som helst kendt metode for bestemmelse af en frekvens, som fx bestemmelse af perioden mellem nulpunktsskæringer, bestemmelse af afstanden mellem signal maksima, Fouriertransformation, bestemmelse af energiindholdet ved specifikke frekvenser, osv.

10 DK 96 00320 U4

For at bestemme fluktuationsperioden kan det trilineære array holdes i en fast position i en tidsperiode før billedet scannes, i hvilken periode fluktuationsperioden for belysningen bestemmes ved hjælp af måling af integreret lysintensitet ved 5 forskellige integrationstider.

Hvis fluktuationerne af lysintensiteten for belysningen fx er periodisk, kan integrationstiden sættes til en specifik værdi (fx 10 ms svarende til 50 Hz netfrekvens), og standardafvigelsen for den resulterende integrerede lysintensitet for 10 et sæt eksponeringer med det trilineære array i en fast position bestemmes. Dette gentages for et sæt specifikke værdier for integrationstiden (fx 8,3 ms svarende til en 60 Hz netfrekvens), og den integrationstid, der fører til den laveste standardafvigelse, vælges som perioden for lysin-15 tensitetsvariationerne.

Fig. 2 viser en kurve (a) for fluktuationer i målt lysinten- . sitet (I) som funktion af tiden (t) for en almindelig husholdningslampe med en glødelampe, kurverne (b), (c) viser fluktuationer for de integrerede lysintensiteter (Q), når 20 integrationstiden er henholdsvis 10 ms og 20 ms. Det ses, at lyskildens fluktuationer reduceres med en faktor ti fra 30% til 3%, når integrationstiden er 10 ms svarende til en halvperiode for 50 Hz netfrekvensen. Når integrationstiden er 20 ms (to gange en halvperiode), reduceres fluktuationerne 25 yderligere til 2%. Et menneske er i stand til at detektere lysfluktuationer i et optaget billede ned til 2-3%.

Fig. 3 viser en kurve (a) for fluktuationer i målt lysintensitet (I) , som er identiske med fig. 2 (a). Kurverne (b), (c) viser fluktuationer for de integrerede lysintensiteter (Q), 30 når integrationstiden er forskellig (8.3 ms og 16.7 ms) fra et helt antal perioder for fluktuationer i lysintensitet (I). De viste fluktuationer er signifikant større end fluktuationerne i fig. 2 (b) og (c).

Claims (13)

1. Et billedoptagesystem, der omfatter et elektronisk kamera og organer til synkronisering af billedoptagelse af belyste objekter med intensitetsfluktuationer af lys, som belyser de objekter, der skal afbildes, hvilket system er nyt ved, at det elektroniske kamera er et still-billede kamera, der har en afbildende halviederkomponent til billedoptagelse, hvilken halviederkomponent bevæges hen over billedet under dets optagelse, en driver, der styrer halvlederkomponenten og eksponering af halvlederkomponenten, og et monitoreringsorgan til monitorering af intensitetsfluktuationer for belysningen, og som generer et synkroniserings-signal på basis af intensiteten, og som sender synkroniseringssignalet til driveren således, at halvlederkomponenten eksponeres på en sådan måde, at billedet fremtræder i hovedsagen uden belysningsvariationer mellem forskellige områder af billedet, som om objekterne blev belyst med lys med en tidsligt i hovedsagen konstant lysintensitet.

2. System ifølge krav 1, hvilket system er nyt ved, at monitoreringsorganerne måler intensiteten af lys, der modtages fra de belyste objekter.

3. System ifølge krav 1 eller 2, hvilket system er nyt ved, at den afbildende halviederkomponent anvendes både til billedoptagelse og til måling af lysintensiteten for belysningen.

4. System ifølge et hvilket som helst af kravene 1-3, hvilket system er nyt ved, at monitoreringsorganerne omfatter energimonitoreringsorganer til monitorering af en spændingsforsyning til en lyskilde, der genererer belysning af de objekter, der skal afbildes. 12 DK 96 00320 U4

5. System ifølge krav 4, hvilket system er nyt ved, at energimonitoreringsorganerne omfatter netspændingsmonitorerings-organer til monitorering af netspændingen.

6. System ifølge et hvilket som helst af kravene 1-5, hvilket 5 system er nyt ved, at synkroniseringssignalet angiver et bestemt tidspunkt i fluktuationsperioden for belysningsintensiteten, og at driveren er indrettet til at starte hver eksponering af en del af billedet på dette tidspunkt i fluktuationsperioden.

7. System ifølge et hvilket som helst af kravene 1-6, hvilket system er nyt ved, at monitoreringsorganerne omfatter energibestemmelsesorganer til bestemmelse af den lysenergi, der falder ind på objekterne under hver eksponering af en del af billedet, at synkroniseringssignalet indikerer opnåelse af et 15 specifikt lysenerginiveau, og at driveren er indrettet til at stoppe hver eksponering af en del af billedet efter opnåelse af det specifikke lysenerginiveau.

8. System ifølge et hvilket som helst af kravene 1-7, hvilket system er nyt ved, at driveren er indrettet til at eksponere 20 billedet i et helt antal perioder for fluktuationer i belysningsintensiteten .

9. System ifølge et hvilket som helst af kravene 1-8, hvilket system er nyt ved, at det omfatter justeringsorganer til justering af en selekteret eksponeringstid til et helt antal 25 halvperioder for netfrekvensen.

10. System ifølge et hvilket som helst af kravene 1-9, hvilket system er nyt ved, at det omfatter processeringsorganer til modifikation af værdier af optagede lysintensiteter for det optagede billede i overensstemmelse med den monitorerede 30 belysningsintensitet, så at modificerede intensitetsværdier for det optagede billede genereres, hvilke modificerende værdier er i hovedsagen uafhængige af fluktuationer af intensiteten af belysningen. 13 DK 96 00320 U4

11. System ifølge krav 10, hvilket system er nyt ved, at processeringsorganerne omfatter multiplikationsorganer til generering af modificerede intensitetsværdier for det optagede billede og organer til dannelse af en reciprok værdi, 5 som er proportional med den reciprokke værdi for lysenergien af belysningen, der er monitoreret under optagelse af de intensitetsværdier, der skal modificeres, idet multiplikatoren genererer de modificerede værdier ved multiplikation af optagede intensitetsværdier for det optagede billede med den 10 reciprokke værdi.

11 DK 96 00320 U4

12. System ifølge krav 10 eller 11, hvilket system er nyt ved, at det yderligere omfatter detekteringsorganer til detektering i det optagede billede af lysintensitetsfluktuationer for belysningen og til generering af målte intensi- 15 tetsværdier for belysningen.

13. System ifølge krav 12, hvilket system er nyt ved, at detekteringsorganerne omfatter organer til at detektere belysningsvariationer mellem forskellige områder af billedet ved at udføre en rumlig frekvensanalyse på det optagede 20 billede.