[发明专利]用于在数字成像中降低运动失真的方法和设备

说明书

技术领域

本发明通常涉及照相机以及图像采集。尤其是，本发明涉及装 备有CMOS(互补金属氧化物半导体)传感器以及滚动快门机构的 数码照相机。

背景技术

摄影术中的当前趋势驱使强烈地朝向数字成像演化，以及分别 地，传统胶片照相机持续失去其市场占有。这一现象的一个驱动力 追溯至近来数码照相机的快速发展，这是由于在数码照相机的大小、 重量以及最大可获得图片质量中获得了进步。此外，可以将生成的 数字图像灵活地存储在小尺寸、可负担得起的以及相对大容量的存 储卡中，以及这些存储卡可以在诸如台式计算机/膝上型计算机、PDA (个人数字助理)、移动终端以及打印设备的不同电子设备之间方 便地转移。总而言之，或者我们认为，不论所有上述特征和从中获 得的益处，由于照相机制造商之间的竞争、产品数量的增加以及电 子设备价格的下降，现代照相机装置仍然可以负担得起。

如经常被称作的那样，数字传感器或者“芯片”(相对于例如 位移传感器，在下文中也将其称作“图像传感器”或者仅仅称作“传 感器”)在现代照相机中使用，用于对图像进行曝光以及生成相应 的数字数据。这种传感器通常是CMOS或者CCD(电荷耦合器件) 类型。CCD器件可以利用例如全域快门，其中在公共图像元素复位 之后，立刻曝光整个图像，以及然后将所述整个图像读出用于编辑/ 存储，所述整个图像包括称作像素的多个小图像元素、或者在视频 捕捉的情况下称作单一的“帧”。

许多CMOS照相机还结合了滚动快门类型的机构，这使人记起 传统胶片照相机中的幕帘快门。图像的行(即，扫描线)顺序曝光 并作为连续过程而读出。通常，图像传感器的最顶部的线通常早于 第二线曝光，而第二线又比第三线稍早一点曝光，以此类推，由此 使得可以读出整个传感器的内容，从而即使不能同时读出来自所有 线的信息，单独线的曝光时间也是常量。由此，不同线不能表示同 一时刻，并且对于正在快速移动的对象(或者正在移动的相机)， 滚动快门不能很好地执行。关于其中的细节，生成的图像可能出现 锯齿和/或模糊。出版物[1]公开了一种用于对滚动快门照相机进行建 模的方法，并且具体讨论了关于在运动跟踪使用中的滚动快门照相 机的性能。还给出了用于运动引入误差的补偿配置。

在特定应用中，全域快门由此优于滚动快门。然而，人们仍然 继续开发增强的滚动快门类型方案的原因在于：首先，当将整体图 像采集率最大化时，滚动快门优于全域快门。当产生聚焦的快速运 动拍摄时，全域快门的同步曝光机构不适用于高速率(多个)图像/ 帧捕捉使用，这是由于覆盖所有像素的曝光/集成过程同时开始和停 止，并且当读取第一线时，不可能针对其余的线连续成像。此外， 由于标准CMOS芯片通常不能长久地保持和存储亮度(intensity)， 由此使用全域快门经常需要使用CCD传感器。然而，在许多应用中， 改变为CCD传感器不是最为优选的状况，这是由于CMOS传感器通 常较为便宜并且消耗较少的功率，诚然，这两方面对于终端产品的 价格以及最终可用性具有很大的影响，并且由此在关心价格的消费 者心目中，这还明确地影响产品的吸引力。诸如移动电话的通用多 功能产品是产品范围的一个示例，其中成像电路的重量不能与在专 用照相机中的重量类似。

在图1的简化示例中进一步示出了与传统滚动快门类型机构相 关联的运动问题。最左侧的屏幕102表示在第一时刻t1的图像(传 感器)区域，其间滚动快门曝光包括多个扫描线的子区域并且读出 如附图中虚线110所标记的子区域的最上部线。例如，如果对于单 一线的读出时间是1/(30×1200)秒，并且对于图像元素的曝光时 间将是1/6000秒，则将同时曝光形成子区域的六个连续扫描线。在 下一示出的时刻t2处，参见正中的屏幕104，由于扫描方向(由箭 头表示)是从顶部至底部，曝光区域的位置相当低。在传感器的视 景(view)中，在单一图像从左到右的整个曝光过程期间，考虑到 竖直条带108连续位移，在屏幕106中可见到作为结果的合成图像。 由于条带上面的部分先于下面的部分被捕捉，并且因为此现象是作 为连续过程而执行的，该条带在最终的图像中看似表现出倾斜。如 果图像包含多个移动对象且每个具有到照相机的不同的距离，则在 最近的对象中的失真最为显著；当对象距离照相机越近时，角速度 (传感器相对于对象)越大。