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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Festkörperkameras und im Besonderen
Techniken zur Bestimmung der Belichtungsparameter in derartigen Kameras.
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Stand der
Technik
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Die
Fähigkeit
von Festkörperkameras
wie von herkömmlichen
Filmkameras Bilder aufzunehmen, die naturgetreu das ganze Farbspektrum
und die Helligkeit in einem Motiv wiedergeben, ist begrenzt. Der
Grund dafür
ist es, dass natürliche
Szenen bzw. Motive einen umfassenden Dynamikbereich aufweisen, d.h.
einige Bereiche eines Motivs sind sehr hell, während andere sehr dunkel sind. Folglich
weisen herkömmliche
Festkörperkameras und
im Besonderen Verbraucherprodukte wie Digitalkameras und Videokameras
eine Reihe von einstellbaren Belichtungsparametern auf, welche die
Empfindlichkeit einer Bilddarstellungseinheit bzw. eines Bildgenerators
einer Kamera regeln. Die besten Bilder gelingen für gewöhnlich,
nachdem die Belichtungsparameter der Kamera gemäß der Lichtmenge in dem Motiv
eingestellt bzw. angepasst worden sind. Wenn das Motiv bzw. die
Szene zum Beispiel verhältnismäßig hell
ist, so wird die Belichtungszeit, d.h. der Zeitraum, über den
der Kamerabildgenerator das einfallende Licht „abtasten" darf, entsprechend reduziert, so dass
die Helligkeitsschwankungen in dem Motiv besser erfasst werden.
In herkömmlichen
Festkörperkameras
werden ein separater Lichtmesssensor und eine zugeordnete Schaltkreisanordnung
eingesetzt, um unverzüglich
zur Einstellung der Belichtungsparameter einen Luminanzwert für das Motiv vorzusehen,
woraufhin das Bild aufgenommen wird. Allerdings müssen sowohl
die Lichtmessungs-Schaltkreisanordnung
als auch die Bilddarstellungseinheit der Kamera zum Zeitpunkt der
Herstellung der Kamera in Bezug auf eine Referenzlichtquelle kalibriert
werden. Im anderen Fall kann die Technik unter Umständen nicht
die passenden Belichtungsparameter hervorbringen.
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„A new
automatic exposure system for digital still cameras" von T. Kuno et al.,
IEEE TRANSACTIONS ON CONSUMER ELECTRONICS, Febr. 1998, IEEE, USA,
Band 44, Nr. 1, Seiten 192–199, XP002141907,
ISSN: 0098-3063, Seiten 192–196, offenbart
ein automatisches Belichtungssystem für digitale Fotokameras, und
US-A-5.376.964 offenbart eine Videokamera, die ein vorbereitendes
Lichtmessungsverfahren vor der vorbereitenden Bilddarstellung bzw.
Abbildung bereitstellt, so dass eine finale Gruppe von Belichtungsparametern
erreicht wird.
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Es
existiert eine begrenzte herkömmliche Technik
zur Bestimmung der optimalen Belichtung, welches keine separate
Lichtmessungsschaltung verwendet. Bei dieser Technik, die zum Beispiel
in dem U.S. Patent US-A-5.194.960 beschrieben wird, ist die Kamera
mit einer Einrichtung zur Bereitstellung eines Histogramms des erfassten
Motivs bei einer bestimmten Belichtungseinstellung ausgestattet. Das
Histogramm zeigt eine Verteilung der durch den Bildgenerator erlangten
Pixelwerte bei der ausgewählten
Belichtungseinstellung. Man kann die Belichtungseinstellung in der
Folge manuell anpassen und visuell ein anderes Histogramm des Motivs
evaluieren, das unter Verwendung der neuen Belichtungsteinstellung
erhalten worden ist. Die Belichtungseinstellung wird wiederholt
auf diese Weise angepasst, bis die optimale Verteilung der Pixel
bzw. Bildpunkte erreicht worden ist, und danach wird das Bild unter Verwendung
der optimalen Belichtungseinstellung aufgenommen. Die Technik weist
jedoch bei der Implementierung in handelsüblichen Festkörperkameras für den Verbraucher
Nachteile auf, da sie zu langsam und nicht automatisch bzw. automatisiert
ist, denn Verbraucher schätzen
den Komfort der Schnappschussfähigkeit
automatischer. Kameras.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Vorgesehen
ist gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren gemäß dem gegenständlichen
Anspruch 1.
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Vorgesehen
ist gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Artikel gemäß dem gegenständlichen
Anspruch 10.
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Offenbart
wird in einem Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum automatischen Erzeugen
einer finalen Reihe von Belichtungsparamtern für eine Festkörperkamera
mit einem Kamerabildgenerator ohne den von dem Kamerabildgenerator
getrennten Einsatz einer Lichtmessungsschaltung. Eine iterative
automatisierte Suchmethodik wird eingesetzt, um die finale Reihe
von Belichtungsparametern aus einer ursprünglichen Belichtungseinstellung
zu erhalten, und wobei bei jeder versuchsweisen Belichtungseinstellung
Aufnahmebeispiele für
ein Motiv evaluiert werden.
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In
einem bestimmten Ausführungsbeispiel umfasst
das Verfahren zum Erzeugen der finalen Belichtungseinstellung die
Auswahl einer Belichtungseinstellung einer Mehrzahl von vorbestimmten
Belichtungseinstellungen als aktuelle Belichtungseinstellung für die Festkörperkamera.
Eine erfasste Szene wird danach durch den Bildgenerator der Kamera unter
Verwendung der aktuellen Belichtungseinstellung erzeugt. Als Reaktion
auf ein unterbelichtetes erfasstes Motiv oder ein überbelichtetes
erfasstes Motiv wird eine andere der Belichtungseinstellungen als
die aktuelle Belichtungseinstellung gemäß der automatisierten Suchmethodik
ausgewählt.
Die beiden letztgenannten Schritte werden so lange wiederholt, bis
das erfasste Motiv weder unterbelichtet noch überbelichte ist. Die Suchmethodik
führt eine
grobe Granularitätssuche
aus, solange die erfasste Szene entweder grob überbelichtet oder grob unterbelichtet ist,
und wobei im anderen Fall eine feine Granularitätssuche vorgenommen wird.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus den beigefügten Zeichnungen
und aus der folgenden genauen Beschreibung deutlich.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
Erfindung ist in den Abbildungen der beigefügten Zeichnungen beispielhaft
und ohne einzuschränken
zu Veranschaulichungszwecken veranschaulicht, wobei die gleichen
Elemente in den Zeichnungen mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet
sind. Es zeigen:
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1 ein
Blockdiagramm einer Bilddarstellungsvorrichtung gemäß einem
Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung;
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2 ein
Flussdiagramm zur Bestimmung der optimalen Belichtungseinstellung
gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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3 eine
Tabelle vorbestimmter Belichtungseinstellungen und einer Anwendung
einer binären
Chop-Suchmethodik unter Verwendung dieser Tabelle zur Bestimmung
der optimalen Einstellung;
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4 ein
Histogramm der Pixelwerte in einem erfassten Motiv, das nach außen zentriert
ist;
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5 ein
Histogramm, dass nach innen zentriert ist;
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6 ein
Histogramm, das als optimal erachtet wird;
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7 einen
Pixeleimer mit identifizierten relativen Werten für Rauschen
und das Signal;
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8 beispielhafte
Reihen von Belichtungseinstellungen zur Bestimmung des Verhältnisses
zwischen den Rausch- und Belichtungsparametern einer Festkörperkamera;
und
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9 eine
Darstellung der für
verschiedene Integrationszeiten gemessenen Rauschwerte sowie die
beste lineare Anpassung an diese Werte.
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GENAUE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Bestimmung
einer optimalen Belichtungseinstellung vor der Aufnahme jedes Bilds
unter Verwendung einer Festkörperkamera.
Das Verfahren kann dazu verwendet werden, die richtige Belichtungseinstellung
zu bestimmen, wenn es durch eine Person dadurch eingeleitet wird,
dass diese einen Kameraauslöser
halb nach unten drückt.
Die finale Einstellung wird aus einer Reihe von vorher bestimmten
Belichtungsparametern unter Verwendung einer mehrstufigen automatisierten
Suchmethodik ausgewählt.
Diese Parameter können
allgemeiner Art sein und nicht für
jede spezielle Kamera spezifisch, wobei sie aber auch für jede einzelne
Kamera unterschiedlich sein können.
Die einzelnen Belichtungsparameter können durch den Durchschnittsfachmann
durch herkömmliche
Belichtungsberechnungen bestimmt werden. Verschiedene Tests sind
hier vorgesehen, um die Wirksamkeit jeder ausgewählten Belichtungseinstellung
auf der Basis einer statistischen Analyse einer beispielhaften Erfassung
des Motivs unter Verwendung dieser Einstellung zu beurteilen. Eine
gegebene Technik berechnet den erwarteten Rauschwert für verschiedene
Belichtungseinstellungen auf der Basis der Beziehungen bzw. Verhältnisse
zwischen den Rausch- und Belichtungsparametern, die bei jedem Einschalten
der Kamera bestimmt werden. Der Einsatz dieses erwarteten Rauschwertes
unterstützt
das Erreichen einer schnellen und präzisen Bestimmung der optimalen Belichtung.
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In
diesen Ausführungsbeispielen
sieht die vorliegende Erfindung den weiteren Vorteil vor, dasss sie
die Fertigungskosten der Kamera reduziert, in dem auf eine von dem
Bildgenerator der Kamera getrennte Lichtmessungsschaltung verzichtet
wird. Ferner kann durch den Einsatz des Bildgenerators der Kamera
sowohl zur Erfassung des finalen Bilds als auch zum Bestimmen der
optimalen Belichtung auf Kalibrierungsschritte verzichtet werden,
die normalerweise erforderlich wären,
um die Lichtmessungsschaltung und den Bildgenerator der Kamera zum Zeitpunkt
der Herstellung der Kamera zu kennzeichnen. Begründet ist dies zum Teil dadurch,
dass die beispielhaft erfassten Motive, die zur Bestimmung der Belichtungseinstellung
verwendet werden, durch den gleichen Bilddarstellungs-Datenpfad
wie für
das finale Bild erhalten werden. Somit ist der Signalwert in dem
Endbild gleich dem Signalwert in der beispielhaft erfassten Szene,
und somit wird dieser Wert ordnungsgemäß berücksichtigt, wenn die optimale
Belichtungseinstellung bestimmt wird. Ein weiterer Vorteil bestimmter
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung ist es, dass sie eine Optimierung des Signal-Rauschabstands
des Endbilds für
Umgebungstemperaturbedingungen optimieren, so dass die volle Kapazität der Kamera
genutzt werden kann.
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Die
Abbildung aus 1 veranschaulicht eine Bilddarstellungsvorrichtung 100 gemäß einem oder
mehreren Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 100 weist eine
Optik 104 auf, die ein herkömmliches System aus Apertur, Filter 144 und
Linse 140 aufweist, das dazu verwendet wird, das einfallende
Licht in die Kamera und auf den Bildgenerator 108 zu führen. Der
Bildgenerator 108 weist eine Mehrzahl von Fotozellen 112 auf,
die normalerweise als eine Sensoranordnung 136 angeordnet
und an einer Fokalebene bzw. Brennpunktebene der Optik 104 positioniert
sind. Jede Fotozelle 112 gibt normalerweise einen analogen
Pixelintensitätswert
aus. Diese Pixelwerte können
danach einer analogen Verarbeitung 116 ausgesetzt werden,
bevor sie zu einem Analog-Digital-Umsetzer (ADU) 120 weitergeleitet
werden. Die analogen Pixelwerte werden danach durch den ADU 120 digitalisiert
und können
einer digitalen Verarbeitung 124 unterzogen werden, bevor
sie als ein Videodatenstrom bereitgestellt werden oder als Standbilder
zur Speicherung in einem elektronischen Bilddateiformat. Die Bestandteile des
Bildgenerators 108 können
natürlich
auf unterschiedliche Art und Weise implementiert werden. Zum Beispiel
können
die Fotozellen 112 und die analoge Verarbeitung 116 Bestandteile
der gleichen Halbleiterscheibe einer integrierten Schaltung darstellen.
Wenn der Halbleiterherstellungsprozess dies zulässt, können auch der Analog-Digital-Umsetzer 120 und
die digitale Verarbeitung 124 auf dem gleichen Halbleiterchip
integriert werden. Dies kann besonders wünschenswert sein, wenn der
ganze Bildgenerator 108 unter Verwendung eines Herstellungsprozesses
für einen
komplementären
Metalloxidhalbleiter (CMOS) implementiert wird. Alternativ kann
die digitale Verarbeitung 124 getrennt von den Fotozellen 112 implementiert
werden, wobei die Fotozellen 112 zum Beispiel auf der Technologie
ladungsgekoppelter Bausteine (CCD als englische Abkürzung von Charge
Coupled Device) basieren. Im Allgemeinen können die hierin beschriebenen
Techniken zur Belichtungssteuerung implementiert werden unter Verwendung
eines umfassenden Bereichs von Technologien für den Bildgenerator 108.
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Der
Bildgenerator 108 und die Optik 104 werden durch
den Steuerungsblock 128 für die automatische Belichtung
gesteuert bzw. geregelt. Der Steuerungsblock 128 für die automatische
Belichtung evaluiert digitalisierte Pixelwerte für ein oder mehrere beispielhaft
erfasste Szenen bzw. Motive und bestimmt als Reaktion darauf die
entsprechend geeignete Belichtungseinstellung. Dazu zählen die
Blendenöffnung
für die
Optik 104, eine oder mehrere Integrationszeiten, die auf
die Fotozellen 112 angewandt werden, ein Verstärkungswert
(normalerweise ein analoger Verstärkungswert, der an die analoge
Verarbeitung 116 bereitgestellt wird) und ein Flash-Signal an einen Strobe 132,
eingesetzt zur weiteren Ausleuchtung der Szene. Die Belichtungseinstellung kann
eine Kombination aus einem oder mehreren dieser Parameter und unter
Umständen
weiterer Parameter darstellen, die geregelt werden müssen, um ein
Bild in der besten Qualität
bereitzustellen, wie dies für
den Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet erkannt wird.
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Die
Integrationszeit definiert den Zeitraum, über den eine Fotzelle 112 einfallendes
Licht detektieren kann. Abhängig
von der jeweiligen für
die Fotozelle verwendeten Technologie kann die Integrationszeit
auf verschiedene Art und Weise implementiert werden. In einer Fotozelle 112,
die zum Beispiel als Teil eines aktiven CMOS-Pixelsensors implementiert
ist, handelt es sich bei der Integrationszeit um das Zeitintervall
zwischen dem Zeitpunkt, zu dem eine Fotodiode isoliert wird, so
dass die Spannung als Reaktion auf das einfallende Licht sinken
kann, und dem Zeitpunkt, zu dem die Fotodiodenspannung durch eine
externe Schaltkreisanordnung gelesen wird.
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Der
Verstärkungsparameter
stellt die analoge Spannung und/oder die Stromverstärkung ein,
die auf die Pixelwerte angewandt wird, und zwar vor deren Digitalisierung
durch den Analog-Digital-Umsetzer 120.
Zusätzlich
oder als Alternative zu der analogen Verstärkung, kann eine digitale Verstärkung, die durch
digitale Verarbeitung 124 vorgesehen wird, durch den Verstärkungsparameter
geregelt werden.
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Der
Blendenparameter regelt die Menge des einfallenden Lichts, das in
die Optik 104 einfällt.
Ein umfassender Bereich verschiedener automatisierter Blendenmechanismen
kann verwendet werden, um den gewünschten Bereich von Blendenwerten
bereitzustellen. Alternativ kann die Blende fixiert bzw. feststehend
sein, wie dies etwa bei bestimmten kostengünstigen Kameras für Endverbraucher
der Fall ist.
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Die
analoge Verarbeitung 116 kann eine korrelierte doppelte
Abtastschaltkreisanordnung sowie jede Verstärkung und Filterung aufweisen,
die erforderlich sind, um die analogen Pixelwerte in die entsprechenden
Eingangswerte umzusetzen, die für den
Analog-Digital-Umsetzer 120 erforderlich sind. Der Ausgangsbereich
des Analog-Digital-Umsetzers 120 ist für gewöhnlich fest, wie etwa 0 bis
255 für
einen 8-Bit-Umsetzer, und der ganze Bereich der analogen Pixelwerte
wird in diesem Bereich in digitale Pixelwerte umgewandelt. Die digitale
Verarbeitung 124 kann dazu eingesetzt werden, die digitalisierten
Pixelwerte in ein Format zu formatieren, das von dem Steuerungsblock 128 der
automatischen Belichtung akzeptiert wird. Normalerweise werden die
Belichtungsregelungstechniken gemäß der vorliegenden Erfindung
und im Besonderen die Techniken, bei denen ein erwarteter Rauschwert
berechnet wird, auf rohe bzw. unbehandelte Pixelwerte angewandt,
die noch keiner Dunkelstrom-Rauschreduzierung
oder einem Bildverarbeitungsalgorithmus unterzogen worden sind.
Es können
aber auch Pixeldaten eingesetzt werden, die in Luminanz oder andere
interpolierte Farbfilteranordnungsformate umgewandelt worden sind.
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Der
Steuerungsblock 128 für
die automatische Belichtung kann als Prozessorbefehle auf einem
maschinenlesbaren Medium implementiert werden, wie etwa einem Halbleiterspeicher,
wie zum Beispiel als dedizierte festverdrahtete Logik für eine höhere Ausführungsgeschwindigkeit
oder als eine Kombination aus diesen beiden Werten. In einem bestimmten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung bilden der Bildgenerator und die Optik eine elektronische Kamera,
wie etwa eine Digitalkamera, während
der Belichtungssteuerungsblock 128 durch Software implementiert
wird, die in eine separate Datenverarbeitungsvorrichtung geladen
wird, bei der es sich nicht nur um eine unabhängige Kamera handelt, wie zum Beispiel
einen Personalcomputer. Alternativ kann der Belichtungssteuerungsblock
in der elektronischen Kamera integriert sein.
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Eine
bestimmte Methodik für
den Ablauf des Steuerungsblocks 128 für die Belichtung ist in dem Flussdiagramm
aus 2 dargestellt. Die Abbildung aus 2 veranschaulicht
ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung, das einen Ansatz für
die Bestimmung jeder Belichtungseinstellung in Verbindung mit der Abbildung
aus 3 bereitstellt. Die Abbildung aus 3 zeigt
eine auf Tabelle basierte grobe und feine Granularitätssuchstrategie.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
enthält
eine Verweistabelle eine Mehrzahl vorbestimmter Belichtungsparameter
für jede
Belichtungseinstellung, wobei jede Belichtungseinstellung einem
bestimmten Beleuchtungswert entsprechen kann. In diesem Beispiel
existieren 50 vorbestimmte Belichtungseinstellungen, die gemäß der Darstellung
mit einer abnehmenden Belichtung angeordnet sind. Jede Belichtungseinstellung
kann einen Indexwert, einen Verstärkungswert, eine Integrationszeit
und eine Blendenöffnung
aufweisen. Der Ablauf beginnt mit dem Schritt 301 aus 2,
wenn die Kamera eingeschaltet wird. In dem Schritt 302 ist das
Rauschen in den erfassten rohen Pixelwerten als eine Funktion von
Integrationszeit (T_int) und Verstärkung in dem Abbildungsdatenpfad
gekennzeichnet. Techniken zur Bestimmung dieses Rauschens werden
nachstehend im Text beschrieben. Vorläufig ist es ausreichend anzuerkennen,
dass das Rauschen verwendet wird, um einen erwarteten Wert und einen
Belichtungszielwert für
folgende Erfassungen festzulegen, und zwar vor dem Analysieren jeder
Erfassung in Bezug auf eine Unterbelichtung oder Überbelichtung.
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Wenn
der Benutzer die Kamera auf das gewünschte Motiv gerichtet hat
und in dem Schritt 303 beginnt, den Auslöserknopf
niederzudrücken,
fährt der
Ablauf mit dem Schritt 304 fort, in dem ein Abtastfenster
für Pixel
mit einer durch das Kamerasystem definierten Position und Größe definiert
wird. Das Abtastfenster umfasst zu Beginn das ganze Motiv. Der Ablauf
fährt danach
mit dem Schritt 308 fort, in dem die erste Erfassung mit
Belichtungsparametern mit einem Standardbelichtungswert/Beleuchtungswert vorgenommen
wird. Das Bild aus diesem erfassten Abtastfenster wird danach in
einem Histogramm dargestellt. Der Ablauf fährt danach mit einem der Schritte 312, 320 oder 336 fort.
Nur für
dieses Beispiel fährt der
Ablauf mit dem Schritt 312 fort, in dem geprüft wird,
ob sich die Histogrammdaten „außerhalb
der Zentrierung" befinden.
Ein Beispiel für
die Bedeutung von außerhalb
der Zentrierung ist in der Abbildung aus 4 dargestellt,
wobei die Pixelwerte über
den ganzen Bereich verteilt sind, wobei sie jedoch auf dem Minimum
(Rauschboden) oder dem Maximum (2N, wobei N die Anzahl der durch den AD-Ausgang bereitgestellten
Bits darstellt) „beschnitten" werden. Die Beschneidung
(englisch: Clipping) erfolgt zum Beispiel, wenn 5% der gesamten
Anzahl von Pixeln in dem Abtastfenster den maximalen oder minimalen Wert
aufweisen. Der Test 312 schlägt auch dann fehl, wenn das
Abtastfenster bereits die zulässige
Mindestgröße aufweist.
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Wenn
der Test in dem Schritt 312 wahr ist, so bedeutet dies,
dass der Dynamikbereich des Bildgenerators weitaus zu klein ist,
um den Dynamikbereich der ganzen Szene zu erfassen. Somit kann es
sich bei dem aktuellen Abtastfenster um nicht das beste Fenster
zur Bestimmung der optimalen Belichtungseinstellung für diese
spezielle Szene handeln. In diesem Fall folgt im Ablauf der Schritt 316,
in dem das Abtastfenster reduziert wird, um die Anstrengungen auf
die Bestimmung einer finalen Belichtung für das Hauptmotiv zu konzentrieren,
das wahrscheinlich in der Mitte der Szene positioniert ist. Diese
Veränderung
kann dahingehend vorteilhaft sein, dass sie bestimmte periphere
Elemente in der Szene ausschließen
kann, deren detaillierte Wiedergabe weniger wichtig sein kann, wie
zum Beispiel die am Himmel stehende Sonne. Das Abtastfenster kleiner
und über der
erfassten Szene zentriert zu gestalten, eignet sich zum Beispiel
allgemein für
die meisten Verbraucheranwendungen, da Verbraucher dazu tendieren, das
relevante Motiv bei einer Bildaufnahme zu zentrieren. Die Reduzierung
der Fenstergröße ist zulässig, bis
die Größe eine
vorbestimmte Mindestgröße erreicht.
Nach der Anpassung des Fensters springt der Ablauf in der Schleife
zu dem Schritt 308 zurück, in
dem ein Histogramm des neuen Abtastfensters erstellt und der Test
bzw. die Prüfung
aus Schritt 312 wiederholt werden.
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Wenn
die Prüfung
in Schritt 312 nicht wahr ist, so kann die nächste Prüfung in
Schritt 320 erfolgen, in dem bestimmt wird, ob die Histogrammdaten „einwärts zentriert" sind, wie dies in
der Abbildung aus 5 dargestellt ist. Der Begriff „einwärts zentriert" kann frei als ein
Histogramm beschrieben werden, in dem die Pixel über einen wesentlichen Abschnitt
des vollständigen
Bereichs des Analog-Digital-Umsetzers verteilt sind und keine signifikante
Beschneidung bei einem der Extremwerte aufweisen, falls überhaupt.
Wenn das Histogramm nicht einwärts zentriert
ist, so wird die nächste
Belichtungseinstellung auf der Basis einer effizienten Tabellensuchstrategie
mit grober Granularität
ausgewählt
(siehe 3). Zum Beispiel ist Binary Chop als eine grobe Granularitätssuchtechnik
mit hoher Effizienz bekannt. In diesem Fall folgt im Ablauf der
Schritt 324, in dem die erfasst Szene und in diesem besonderen Ausführungsbeispiel
die Daten lediglich des Abtastfensters evaluiert werden, um zu bestimmen,
ob die aktuelle Belichtungseinstellung eine unterbelichtete Erfassung
ergeben hat, d.h. ein zu dunkles Bild. Eine unterbelichtete Szene
bedeutet, dass das Histogramm wenn überhaupt wenige mittlere oder
helle Töne
offenbart. Dies kann zum Beispiel auftreten, wenn der maximale Wert
bzw. der Höchstwert
in dem Histogramm kleiner ist als ein Zielmittelwert für das Histogramm.
Wenn dies der Fall ist, so sollte die nächste Belichtung höher sein,
d.h. mit einer längeren
Integrationszeit, einer größeren Verstärkung und/oder
Blendenöffnung.
Bei einer Unterbelichtung fährt
der Ablauf mit dem Schritt 328 fort, in dem der Suchalgorithmus
eingesetzt wird, um eine größere Belichtungseinstellung
auszuwählen.
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Wenn
in erneutem Bezug auf den Schritt 324 die Aufnahme falls überhaupt
wenige mittlere oder dunkle Töne
aufweist, wie etwa, wenn der Mindestwert des Histogramms größer ist
als der Zielmittelwert, so ist das Bild überbelichtet. In einem besonderen
Ausführungsbeispiel
der Erfindung entspricht dieser Zielmittelwert 18% des maximalen
digitalisierten Signalbereichs, d.h. einem Rauschwert +(2N – 1 – Rauschwert)·0,18.
Dies basiert auf der Annahme, dass die optimale Belichtungseinstellung
für die
Szene der Einstellung entspricht, die für eine ordnungsgemäße Belichtung
einer äquivalenten
18% Graukarte erforderlich ist, und zwar unter Verwendung der gleichen
Beleuchtung wie für
die aufgenommene Szene. Bei einer Überbelichtung fährt der
Ablauf mit dem Schritt 332 fort, wie etwa mit der Durchführung eines
Binary Chop des aktuellen Indexbereichs (zwischen oben und unten),
wie in Tabelle 404a, und wobei der Bereich danach neu festgelegt
wird, wie dies in Tabelle 404b dargestellt ist (3).
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Wenn
in erneutem Bezug auf den Schritt 320 der Test bezüglich der
Zentrierung einwärts
erfolgreich ist, so hat die aktuelle Belichtungseinstellung zu einer
Aufnahme geführt,
die weder grob überbelichtet noch
grob unterbelichtet ist. Wenn dem der Test 312 auf eine
Zentrierung nach außen
vorangegangen ist, so bedeutet dies ferner, dass jede Beschneidung
an den äußeren Begrenzungen
des Histogramms entweder nicht anfällt oder hinsichtlich der Fähigkeiten des
Systems bestmöglich
behandelt worden ist. Als Folge dessen wechselt die Suchmethodik
für die nächste Belichtungseinstellung
von einer groben Granularität
zu einer feinen Granularität,
beginnend mit dem Schritt 336.
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In
dem Schritt 336 wird das Histogramm weiter geprüft, um zu
bestimmen, ob sich der Mittelwert des Histogramms innerhalb der
zulässigen
Toleranzgrenzen für
den Zielmittelwert befindet. Wenn dieser Test erfolgreich verläuft, so
wurde die optimale Belichtungseinstellung ermittelt, so dass das
finale Bild unter Verwendung dieser Einstellung aufgenommen werden
kann. Wenn der Test in dem Schritt 336 hingegen nicht erfolgreich
ist, so fährt
der Ablauf mit dem Schritt 340 fort, in dem der Mittelwert
des aktuellen Histogramms und der Mittelwert eines Histogramms einer
vorherigen Aufnahme mit dem Zielmittelwert verglichen werden. Wenn
der Zielmittelwert durch die Mittelwerte der aktuellen und vorherigen Aufnahmen
umfasst wird, so fährt
der Ablauf mit dem Schritt 344 fort, in dem die Belichtungseinstellung
als optimale Einstellung ausgewählt
wird, die der Mittelwert des Histogramms als am nächsten an
dem Zielmittelwert ergeben hat. Die Überspannung (Straddling) des
Zielmittelwertes kann auftreten, wenn die erfasste Szene, im Besonderen
das Abtastfenster, einen übermäßig hohen
Kontrast aufweist. Die Toleranz um einen Zielmittelwert von 18%
kann durch den Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet gemäß einer
Fehlerbudgetanalyse ausgewählt
werden, um die besten Belichtungstoleranzbänder zu bestimmen. Für Digitalkameras
mit Bildgeneratoren, die unter Verwendung von Metalloxidhalbleiter-Fertigungsprozessen (CMOS-Fertigungsprozessen)
und digitalen 8 Bit Pixelwerten aufgebaut sind, kann eine Zielvorgabe
auf weniger als 1/4 Belichtungswertfehler (EV-Fehler) und einen
gegebenen Schwarzwert (Rauschboden) von 54 A/D-Einheiten, ein Zielmittelwert
von 90 Einheiten mit einer Toleranz von +/–6 A/D-Einheiten ausgewählt werden.
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Wenn
das Ergebnis des Straddle-Tests in Schritt 340 falsch ist,
so wird der Histogramm-Mittelwert unter Verwendung der aktuellen
Belichtungseinstellung mit dem Zielmittelwert des Histogramms in dem
Entscheidungsschritt 348 verglichen. Wenn der Histogramm-Mittelwert
größer ist
als der Zielmittelwert, d.h. eine Überbelichtung, so wird der
Beleuchtungseinstellungsindex auf den nächsten (höheren) möglichen Beleuchtungswert erhöht, und
die entsprechende Belichtungseinstellung ist größer in dem Schritt zur nächst größeren Einstellung 354.
Wenn der Histogramm-Mittelwert kleiner ist als der Zielmittelwert,
d.h. eine Unterbelichtung, so wird der Index auf den nächsten (unteren)
möglichen
Beleuchtungswert herabgesetzt, und die entsprechende Belichtungseinstellung
ist kleiner in dem Schritt zur nächst kleineren
Einstellung 352 (siehe 3, Tabelle 404c).
Der Ablauf springt danach zurück
zu dem Schritt 308, in dem eine weitere Aufnahme der Szene unter
Verwendung der neuen Belichtungseinstellung erfolgt.
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Die
Abbildung aus 3 zeigt den Einsatz grober und
feiner Granularitätssuchen
in einer Liste von Belichtungseinstellungen zur Bestimmung der optimalen
Belichtung. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird eine Verweistabelle
erzeugt, welche eine Mehrzahl von Belichtungsparametern für jede Belichtungseinstellung
enthält.
In dem vorliegenden Beispiel wurden 50 Belichtungseinstellungen vorbestimmt
und mit abnehmender Belichtung gemäß der Abbildung angeordnet.
Jede Einstellung kann durch einen Verstärkungswert, eine Integrationszeit
und eine Blendengröße definiert
werden. Andere Belichtungsattribute, wie zum Beispiel der Blitzeinsatz,
können
ebenfalls enthalten sein. Der Ablauf beginnt mit der Auswahl einer
aktuellen Belichtungseinstellung an der Indexposition 10. Danach
ermittelt die Kamera die Verstärkung,
die Integrationszeit und die Blendenöffnung, die dem Index 10 in
der Verweistabelle zugeordnet sind. Eine Aufnahme der Szene unter
Verwendung der aktuellen Belichtungseinstellung wird danach ausgeführt und
evaluiert. An Stelle der Auswahl der anfänglichen Belichtungseinstellung als
Punkt auf halber Strecke zwischen dem oberen und dem unteren Ende
der Tabelle wird die erste Einstellung etwas näher am oberen Ende ausgewählt, da
die Integrationszeiten in der oberen Tabellenhälfte länger sind als die in der unteren
Tabellenhälfte,
so dass eine vollständige
Suche unter Verwendung einer ersten Belichtungseinstellung von einem
Punkt in der Nähe
des oberen Endes der Tabelle bei jedem möglichen Belichtungs- bzw. Ausleuchtungswert
einen einheitlicheren Zeitraum in Anspruch nimmt.
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Wenn
die aktuelle Einstellung bei Index 10 somit eine überbelichtete
Szene zur Folge hat (4), so wird eine Binary Chop-Suche
ausgeführt, um
die nächste
Einstellung bei Index 30 auszuwählen,
auf halbem Web zwischen einer aktuellen Einstellung und dem unteren
Ende der Tabelle. Die Szene wird danach erneut unter Verwendung
der neuen aktuellen Einstellung bei Index 30 erfasst. Hiermit wird
festgestellt, dass die obere Begrenzung des Bereichs der Belichtungseinstellungen
in Tabelle 404(b) sich jetzt bei Index 10 befindet. Wenn
die aktuelle Belichtungseinstellung bei Index 30 zu einer unterbelichteten
Szene führt,
so wählt
die Binary Chop-Suche den Punkt auf halber Strecke zwischen Index
10 und Index 30 aus, also Index 20. in Tabelle 404(c) befindet
sich die aktuelle Einstellung jetzt bei Index 20. Jetzt wird angenommen,
dass die aktuelle Einstellung bei Index 20 zu einer Erfassung der
Szene mit einer Einwärtszentrierung
führt,
wie dies durch das zugehörige
Histogramm bestimmt wird und in der Abbildung aus 5 dargestellt
ist. Dies bedeutet, dass die erfasste Szene nur leicht über- oder
unterbelichtet ist, so dass auf den binären Chop-Algorithmus zugunsten
eines inkrementalen Schritts zu der nächsten benachbarten Belichtungseinstellung
verzichtet werden sollte. Wenn somit die Histogrammdaten anzeigen,
dass die aktuell erfasste Szene weiterhin unterbelichtet ist, so
wird der Belichtungseinstellungsindex von 20 auf 19 herabgesetzt,
wie dies durch die Zeiger in Tabelle 404(d) dargestellt
ist. Wenn die erfasste Szene unter Verwendung der aktuellen Einstellung
bei Index 19 Weiterhin unterbelichtet ist, so wird der Einstellungsindex
erneut auf 18 herabgesetzt. Wenn der Histogramm-Mittelwert der unter
Verwendung der aktuellen Einstellung bei Index 18 erhaltenen erfassten
Szene innerhalb der Toleranzgrenzen liegt, welche den Zielmittelwert
umgeben, so wird die optimale Belichtungseinstellung ermittelt, wie
dies in Tabelle 404(e) und in der Abbildung aus 6 dargestellt
ist.
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Die
Erfinder haben entdeckt, dass es nützlich ist, von grober Granularität auf feine
Granularität
zu wechseln, wenn nach der finalen Belichtung aus einer Reihe vorbestimmter
Belichtungseinstellungen gesucht wird, wenn die aktuelle Aufnahme
der Szene verhältnismäßig schwach
unter- oder überbelichtet wird.
Ansonsten kann es vorkommen, dass der Einsatz grober Granularität für die Auswahl
der nächsten Belichtungseinstellung
nicht auf die finale Einstellung konvergiert. Ein Fehler einer groben
Granularitätssuche
wie etwa der binären
Chop-Suche kann auftreten, da der Mittelwerte de der Pixelwerte
in jeder Aufnahme die unterschiedlichen Belichtungswerte verschiebt.
Wenn der Dynamikbereich der Szene den Bereich überschreitet, den eine Kamera
erfassen kann, werden Pixel an den maximalen und minimalen A/D-Grenzen
beschnitten. Wenn verschiedene Belichtungen die Menge des einfallenden
Lichts verändern,
werden einige beschnittene bzw. unterdrückte Pixel an einem A/D-Extrem
nicht mehr beschnitten. Dies beeinflusst wiederum den Mittelwert
des Histogramms, der einen Eingangsparameter der binären Chop-Technik
darstellt. Da sich die Eingangsparameter auf eine ungenaue, unvorhersehbare
Art und Weise mit unterschiedlichen Belichtungen verändern, schlägt das Binary
Chop-Verfahren bezüglich
der Konvergierung bei bestimmten Szenen fehl.
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Die
vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung verwenden das Konzept eines Zielmittelwertes,
der mit einem Histogramm-Mittelwert verglichen wird, um die Bestimmung
zu unterstützen,
wann die Suchmethode von einer groben Granularität auf eine feine Granularität gewechselt
werden soll, und ferner, wann die erfasste Szene ober- oder unterbelichtet
ist. In einem besonderen Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird der Zielmittelwert durch einen „dynamischen" Zielmittelwert ersetzt,
der als eine Funktion jeder Belichtungseinstellung berechnet wird.
Ein dynamischer Zielmittelwert gemäß der Definition hierin ist
eine rauschabhängige
Variable, die für
jede erfasste Szene auf der Basis er aktuellen Belichtungseinstellung
berechnet wird. Die möglichen
Rauschquellen, die berücksichtigt
werden können,
wenn der dynamische Mittelwert bestimmt wird, sind in der Abbildung
aus 7 veranschaulicht. Diese Abbildung zeigt einen „Pixeleimer", der die relativen
Werte der verschiedenen Arten von Rauschen zeigt, die in einer herkömmlichen Digitalkamera
erfasst werden. Diese Arten tragen zu dem vorstehend bereits genannten
Rauschboden bei und sollten bei der Bestimmung der Formel für den Rauschboden
berücksichtigt
werden. In einem besonderen Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist der dynamische Zielmittelwert wie folgt definiert: Dynamischer Zielmittelwert Δ = (18%)(2N – 1 dynamisches
Mittelwertrauschen) + Dynamisches Mittelwertrauschenwobei dynamisches
Mittelwertrauschen als der erwartete Mittelwert des Rauschbodens
definiert ist (eine Funktion der Integrationszeit und der Verstärkung, siehe
unten). In dem vorgesehenen Beispiel der vorliegenden Offenbarung
ist N = 8 Bits.
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Die
Erfinder haben festgestellt, dass die finale Belichtungseinstellung
für eine
Bildaufnahme mit einer Digitalkamera unter Verwendung der vorstehend
beschriebenen automatisierten Methode verhältnismäßig schnell ermittelt werden
kann, wenn der Histogramm-Mittelwert mit einem dynamischen Zielmittelwert
verglichen wird, der für
jede gegebene Belichtungseinstellung berechnet wird. In einem weiteren
Ausführungsbeispiel
der Erfindung, das einen dynamischen Zielmittelwert verwendet, werden
mathematische Beziehungen bestimmt, die eine Rauschvariable als
eine Funktion verschiedener Belichtungsparametervariablen definieren.
Die Beziehungen können
linear sein (y = ax + b, wobei y das Rauschen bezeichnet, und wobei
x für den
Belichtungsparameter steht), oder alternativ können sie höherer Ordnung sein, sofern
dies erforderlich ist, um die Beziehung präziser zu beschreiben. Sie können bestimmt werden,
in dem eine Kurve oder Linie an die gemessenen Testdaten angepasst
wird, wie dies in den Beispielen aus 8 und 9 dargestellt
ist. Die Abbildung aus 8 zeigt eine Reihe von Belichtungen, die
erfasst werden, wenn sich die Blende in dem geschlossenen Zustand
befindet, um den Rauschwert der Kamera bei aktueller Temperatur
zu beurteilen. Hiermit wird festgestellt, dass eine Reihe von Belichtungsparametern
in der Abbildung aus 8 eine Integrationszeitreihe
mit fester Verstärkung
und eine Verstärkungsreihe
bei fester Integrationszeit aufweist. Die Zeitreihe wird zur Herleitung
einer allgemeinen Beziehung vor Rauschen versus Zeit verwendet.
Dies kann linear erfolgen, wie dies in der Abbildung aus 9 dargestellt
ist, oder als eine Regression hoher Ordnung, sofern dies erforderlich
ist. Die Testdaten können
aus einer Reihe von Erfassungen mit geschlossener Blende (dunkle
Bilder) gesammelt werden, die bei Umgebungstemperatur erhalten werden,
bei der das finale Bild aufgenommen wird. Die Erfassungen bei geschlossener
Blende können
beim Einschalten der Kamera erhalten werden, wie dies in der Abbildung
aus 2 in Schritt 302 dargestellt ist, wobei
sie aber auch zu jedem anderen geeigneten Zeitpunkt erhalten werden
können. Unter
Verwendung derartiger vordefinierter mathematischer Verhältnisse
zwischen dem Rauschboden und verschiedenen Belichtungsparametern
müssen keine
dunklen Bilder jedes Mal erfasst und verarbeitet werden, wenn ein
Bild einer neuen, unterschiedlichen Szene aufgenommen wird, wodurch
eine schnellere Bestimmung der finalen Belichtung gefördert wird.
Die mathematischen Verhältnisse
für die vorliegenden
Ausführungsbeispiele
umfassen Rauschen versus Pixelintegrationszeit, N(Tint), und Rauschen
versus Verstärkung
in dem Bilddarstellungsdatenpfad vor der Digitalisierung, N(G).
Wenn zum Beispiel die Linie N(Tint) durch eine lineare Anpassung beschrieben
wird, N(Tint) = a3·T + b1,
und wenn die Linie N(G) durch N(G) = a5·G + b2 beschrieben wird, so kann das dynamische
Mittelwertrauschen wie folgt gegeben sein: Dynamisches
Mittelwertrauschen ∞ a3·T_integration +
a5·Verstärkung +
b5 wobei b5 =
b1 + b2, und wobei
auf Proportionalitätskonstanten
verzichtet worden ist. Unter Verwendung derartiger mathematischer
Formeln zur Bestimmung des Rauschbodens, des dynamischen Mittelwertrauschens
und des dynamischen Zielmittelwertes als eine Funktion jeder versuchsweisen
Belichtungseinstellung kann eine präzisere Bestimmung der Belichtungseinstellung
erreicht werden. Der Einsatz einer dartigen Technik ermöglicht ferner
eine Abbildung des Dynamikbereichs der Szene in den verfügbaren Dynamikbereich
der Kamera.
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Beschrieben
wurden somit zusammenfassend verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung
als ein Verfahren zur automatischen Bestimmung einer finalen Belichtungseinstellung
für eine Festkörperkamera
ohne eine separate Lichtmessungsschaltung. In der vorstehenden Beschreibung wurde
die Erfindung in Bezug auf besondere Ausführungsbeispiele der Erfindung
beschrieben. Es ist jedoch offensichtlich, dass verschiedene Modifikationen
und Abänderungen
der Ausführungsbeispiele möglich sind,
ohne dabei vom weiteren Umfang der Erfindung abzuweichen, der in
den anhängigen
Ansprüchen
ausgeführt
ist. Zum Beispiel können
die vorstehend beschriebenen Techniken zur Bestimmung der Belichtung
auf einen umfassenden Bereich von Festkörperkameras angewandt werden,
einschließlich
Videokameras. Ferner ist die vorliegende Erfindung nicht auf die
vorstehend beschriebenen Tests einer Einwärts- und Auswärtszentrierung
beschränkt.
Der Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet kann nach dem Lesen der
vorliegenden Offenbarung in der Lage sein, alternative Tests zur
Bestimmung zu entwickeln, wann eine Reihe von Erfassungen von einer
groben Überbelichtung
oder einer groben Unterbelichtung in eine schwache Über- oder Unterbelichtung
wechselt. Die Beschreibung und die Zeichnungen dienen somit Zwecken
der Veranschaulichung, ohne die Erfindung einzuschränken.