DE4307833A1 - Video camera with a semiconductor sensor - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung geht aus von einer Videokamera gemäß dem Oberbe griff des Anspruchs 1. Derartige Videokameras sind bekannt durch die DE-OS 34 11 986 und 39 25 375. Der periodische Versatz in der Relativlage zwischen dem projizierten Bild und dem Sensor kann durch optische Umlenkmittel oder Brechungsmittel im Weg des Strahlenganges zum Sensor oder durch den Sensor mechanisch periodisch verschiebende Piezoelemente erfolgen. Es ist dabei auch bekannt, mehrere Sensoren parallel zueinander vorzusehen und den Strahlengang mit einem entsprechenden räumlichen Versatz gleichzeitig auf die Sensoren zu projizieren. Die Ausgangsspannungen der einzelnen Sensoren werden dann zu einem Signal mit erhöhter Auflösung zusammengesetzt.The invention is based on a video camera according to the Oberbe handle of claim 1. Such video cameras are known by DE-OS 34 11 986 and 39 25 375. The periodic offset in the relative position between the projected image and the sensor can by optical deflection or refraction in the way of Beam path to the sensor or through the sensor mechanically periodically shifting piezo elements. It is there also known to provide multiple sensors in parallel and the beam path with a corresponding spatial offset to project onto the sensors at the same time. The The output voltages of the individual sensors then become one Composed signal with increased resolution.
Bei einer derartigen Kamera kann es durch den periodischen Versatz zwischen Bild und Sensor zu Bewegungsunschärfen insbe sondere bei schnell bewegten Bildern kommen, die durch Bewe gungsunterschiede zwischen den beiden verschiedenen relativen Lagen von projiziertem Bild und Sensor bedingt sind.With such a camera, it can be due to the periodic Offset between image and sensor for motion blur in particular especially with fast moving images that are caused by moving difference between the two different relative Positions of the projected image and sensor are caused.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer derartigen Kamera mit Bildschärfeerhöhung auftretende Bewegungsunschärfen zu verringern oder zu beseitigen. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Weiter bildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.The invention is based, with such an object Motion blur occurring with increased focus reduce or eliminate. This task is accomplished by the solved in claim 1 invention. Advantageous Next Formations of the invention are specified in the subclaims.
Bei der Erfindung wird somit der Sensor während einer genormten Vertikalperiode mehrfach vollständig abgetastet und das dadurch gewonnene Videosignal durch Bildspeicher enthaltende Prozessoren wieder in ein Videosignal mit der genormten Vertikalperiode um gesetzt. Vorzugsweise erfolgt die Abtastung des Halbleitersen sors viermal während der genormten Vertikalperiode. Für die pe riodische Verschiebung des Sensors relativ zum dem Lichtstrah lengang ist vorzugsweise der Sensor über Piezoelemente am Chassis gelagert. Die Piezoelemente werden durch eine zur Abtastung synchrone Schaltspannung so angesteuert, daß der Sensor periodisch in horizontaler und/oder vertikaler Richtung mechanisch um einem Bruchteil des Zeilenabstandes bzw. des Pixelabstandes verschoben wird. Die periodische Verschiebung zwischen dem projizierten Bild und dem Sensor bezüglich des Ab tastrasters kann orthogonal oder nach dem sogenannten Quincunx- Prinzip erfolgen.In the invention, the sensor is thus during a standardized Vertical period completely scanned several times, and that as a result video signal obtained by processors containing image memories back into a video signal with the standardized vertical period set. The semiconductor is preferably scanned sors four times during the standardized vertical period. For the pe periodic displacement of the sensor relative to the light beam lengang is preferably the sensor via piezo elements on Chassis stored. The piezo elements are replaced by a Sampling synchronous switching voltage controlled so that the Periodic sensor in horizontal and / or vertical direction mechanically by a fraction of the line spacing or Pixel distance is shifted. The periodic shift between the projected image and the sensor with respect to the Ab Tastrasters can be orthogonal or according to the so-called Quincunx Principle.
Die erfindungsgemäße Lösung beruht auf folgender Überlegung. Wenn die periodische Verschiebung der Lage des Bildes auf der Wandlerfläche mit der Periode der Vertikalablenkung erfolgt und der Wandler in der üblichen Vertikalperiode abgetastet wird, entsteht eine Bewegungsunschärfe durch die Änderung der Bewe gungsphase von einer Abtastung zur nächsten. Wenn jetzt während einer genormten Vertikalperiode der Sensor mehrmals, z. B. viermal abgetastet und somit die Dauer jeweils einer Abtastung und damit die Belichtungszeit beträchtlich verringert werden, werden mehr Bewegungsphasen mit entsprechend verkürzter Belich tungszeit erfaßt. Es hat sich gezeigt, daß durch diese Maßnahme unter bestimmten Bedingungen die im Bild sichtbare Bewegungsun schärfe beträchtlich verringert und im allgemein nicht mehr wahrnehmbar ist.The solution according to the invention is based on the following consideration. If the periodic shift in the position of the image on the Transducer surface with the period of the vertical deflection takes place and the transducer is scanned in the usual vertical period, there is a blur in motion due to the change in motion phase from one scan to the next. If now during a standardized vertical period of the sensor several times, e.g. B. sampled four times and thus the duration of one scan each and so the exposure time is reduced considerably, become more movement phases with a correspondingly shortened exposure time recorded. It has been shown that this measure under certain conditions the movement visible in the picture sharpness considerably reduced and generally no longer is noticeable.
Eine erfindungsgemäß ausgebildete Videokamera ist insbesondere auch geeignet für Standbilder oder sogenannte still picture und kann im Sinne eines Fotoersatzes Aufnahmen mit sehr hoher Auflösung ermöglichen. Die Erfindung ist besonders vorteilhaft anwendbar, wenn der Wandler über Piezoelemente an dem Chassis gelagert ist und durch Allsteuerung der Piezoelemente periodisch zum Chassis verschoben wird. Eine erfindungsgemäße Kamera ermöglicht somit eine hohe Auflösung trotz der Verwendung billiger CCD-Wandler mit an sich geringer Auflösung.A video camera designed according to the invention is in particular also suitable for still pictures or so called still picture and can in the sense of a photo replacement recordings with very high Allow resolution. The invention is particularly advantageous applicable when the transducer has piezo elements on the chassis is stored and periodically by controlling the piezo elements is moved to the chassis. A camera according to the invention thus enables high resolution despite use cheaper CCD converter with low resolution per se.
Der Ausdruck "genormte Vertikalperiode" dient nur zur Definition der Erfindung. Gemeint ist damit die jeweils im Signal an sich vorhandene, "normale" Vertikalperiode, die auch bei der Wieder gabe des Bildes wirksam ist. Diese Vertikalperiode kann z. B. je nach Fernsehsystem oder Anwendungsart ein 1/50 s, 1/60 s, 1/100 s oder noch weniger betragen.The expression "standardized vertical period" is only for definition the invention. This means the signal in itself existing, "normal" vertical period, which also applies to the re the image is effective. This vertical period can e.g. B. each 1/50 s, 1/60 s, 1/100 s depending on the television system or type of application or even less.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung erläutert. Darin zeigenThe invention is explained below with reference to the drawing. Show in it
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäß ausgebildeten Kamera, Fig. 1 is a block diagram of an inventive camera,
Fig. 2 ein Abtastraster, Fig. 2 is a scanning raster,
Fig. 3 Kurven zur Erläuterung der mehrfachen Abtastung während einer Vertikalperiode, Fig. 3 curves for explaining the multiple sampling during one vertical period,
Fig. 4a, b im Prinzip die Verschiebung zwischen Wandler und Bild in horizontaler und vertikaler Richtung, Fig. 4a, b, in principle, the displacement between the transducer and image in horizontal and vertical direction,
Fig. 5 Diagramme für eine orthogonale Abtastung und Fig. 5 diagrams for an orthogonal scanning and
Fig. 6 Diagramme für eine diagonale Abtastung, und zwar eine sogenannte Quincunx-Abtastung. Fig. 6 diagrams for a diagonal scan, namely a so-called Quincunx scan.
Die in der Beschreibung verwendeten Begriffe haben dabei folgende Bedeutung:The terms used in the description have the following meaning:
PAH normaler Pixelabstand in Horizontalrichtung ohne Wandler
versatz
PAV normaler Pixelabstand in Vertikalerrichtung ohne Wandler
versatz
SPAH = PAH/n+1 Subpixelabstand bei periodischem Wandlerver
satz in Horizontalrichtung
SPAV = PAV/n+1 Subpixelabstand bei periodischem Wandlerver
satz in Vertikalrichtung
n ganze Zahl
(n+1)×(n+1) Anzahl der Teilbilder mit schnellerer Abtastung
während einer normalen Vertikalperiode.PAH normal pixel spacing in the horizontal direction without converter offset
PAV normal pixel pitch in vertical direction without converter offset
SPAH = PAH / n + 1 sub-pixel spacing with periodic converter offset in the horizontal direction
SPAV = PAV / n + 1 sub-pixel spacing with periodic converter offset in the vertical direction
n integer
(n + 1) × (n + 1) Number of fields with faster scanning during a normal vertical period.
Fig. 1 zeigt einen als Halbleiter-Bildaufnehmer dienenden Halbleitersensor 8 in Form eines CCD, der über Piezoelemente 2, 3 an dem Chassis gelagert und durch diese in Horizontalrichtung und in Vertikalrichtung mechanisch verschiebbar ist. Ferner sind dargestellt die Positionierelektronik 4 für die Piezoelemente 2, 3, die Bildspeicher 5 für die Speicherung der einzelnen Teilbil der, die Bildverarbeitungselektronik 6 für die Bilderzeugung und die Formatierungselektronik 7 für das Abspeichern auf dem Medium. Alle dargestellten Bauteile sind in der Kamera inte griert. Die Piezoelemente 2, 3 sind räumlich so angeordnet, daß der Sensor 8 translatorisch in der Bildebene in Horizontalrich tung und in Vertikalrichtung der Abtastung verschoben werden kann. Das Verschieben erfolgt synchronisiert mit den Auslesetak ten der Steuerelektronik 9 für den Sensor 8. Fig. 1 shows a serving as a semiconductor image sensor semiconductor sensor 8 in the form of a CCD which is mounted by means of piezo elements 2, 3 to the chassis and mechanically movable by this in the horizontal direction and in vertical direction. Also shown are the positioning electronics 4 for the piezo elements 2 , 3 , the image memories 5 for storing the individual partial images, the image processing electronics 6 for the image generation and the formatting electronics 7 for the storage on the medium. All components shown are integrated in the camera. The piezo elements 2 , 3 are spatially arranged so that the sensor 8 can be translated in the image plane in the horizontal direction and in the vertical direction of the scanning. Moving takes place synchronized with the Auslesetak th of the control electronics 9 for the sensor 8th
In Fig. 2 stellen die schwarzen Quadrate die einzelnen Pixel mit den üblichen Abständen PAH in Horizontalrichtung und PAV in Ver tikalrichtung dar. Die weißen Kreise stellen sogenannte Subpixel dar. Diese entstehen dadurch, daß der Sensor 8 periodisch in ho rizontaler und vertikaler Richtung verschoben wird. Die durch die Verschiebung erzeugten Teilbilder mit räumlich versetzt an geordneten Subpixeln werden in den Bildspeichern 5 zwischenge speichert. Diese Teilbilder werden durch die Bildverarbeitungs elektronik 6 wieder zu einem Gesamtbild rekonstruiert, das die genormte oder jeweils gewünschte Vertikalablenkperiode hat. In der Formatierungselektronik 7 wird das Gesamtbild entsprechend dem Aufzeichnungsmedium formatiert.In Fig. 2, the black squares represent the individual pixels with the usual distances PAH in the horizontal direction and PAV in the vertical direction. The white circles represent so-called subpixels. These result from the fact that the sensor 8 is shifted periodically in horizontal and vertical directions . The partial images generated by the displacement with spatially offset sub-pixels are temporarily stored in the image memories 5 . These partial images are reconstructed by the image processing electronics 6 to an overall image that has the standardized or desired vertical deflection period. The overall image is formatted in the formatting electronics 7 in accordance with the recording medium.
Grundsätzlich gibt es in der Fotografie zwei Bewegungsarten, die zu einer nicht zufriendenstellenden Bildaufnahme, insbesondere einer Unschärfe führen.There are basically two types of movement in photography: to unsatisfactory image acquisition, in particular blur.
1. Bewegung der Bildebene durch Verwackeln infolge zu langer Belichtungszeit1. Movement of the image plane due to blurring due to too long Exposure time
2. Bewegung eines Objektes in einer Objektebene, abhängig von der Geschwindigkeit des Objektes.2. Movement of an object in an object plane, depending on the speed of the object.
Im folgenden werden zwei Methoden beschrieben, mit denen die durch die Bewegung verursachte Unschärfe vermieden oder verrin gert werden kann.Two methods are described below with which the Avoid or reduce blurring caused by the movement can be replaced.
Es ist bekannt, daß mit Belichtungszeiten von 1/60 s und kürzer Aufnahmen mit Normalobjektiven und geringer Bewegung des zu fo tografierenden Objektes zu guter Bildqualität führen. Mit üblichen Halbleiterbildaufnehmern können sehr kurze Belichtungs zeiten bis zu 1/10000 s erzielt werden. Der Bildinhalt wird aber dem jeweiligen Tv-Standard entsprechend in 1/25 s oder 1/30 s ausgelesen. Um also die gesamte Belichtungszeit der durch Mikroscanning erzeugten Teilbilder kürzer als 1/60 s zu halten, werden im Rahmen der Erfindung die Einzelbilder mit entsprechend kurzer Belichtungszeit aufgenommen und dann entsprechend schneller ausgelesen.It is known that with exposure times of 1/60 s and shorter Pictures with normal lenses and little movement of the fo graphical object lead to good image quality. With Common solid-state imagers can have very short exposures times of up to 1/10000 s can be achieved. The picture content is however according to the respective TV standard in 1/25 s or 1/30 s read out. So by the entire exposure time of the To keep microscanning generated partial images shorter than 1/60 s, within the scope of the invention, the individual images are correspondingly short exposure time and then taken accordingly read faster.
Fig. 3 zeigt Kurven zur Erläuterung des schnelleren Auslesens. Fig. 3a zeigt die normale Sequenz der Vertikalablenkung, wobei eine Vertikalperiode 1/60 s dauert. Fig. 3b zeigt die während einer Vertikalperiode akkumulierte Ladung, die im Abtastzeit punkt eines Pixels abgebaut wird und zur Erzeugung des Videosi gnals dient. Fig. 3c zeigt den Versetzimpuls, der periodisch die mechanische Verschiebung des Sensors 8 in Horizontalrichtung oder Vertikalrichtung durch die Piezoelemente 2, 3 auslöst. Es ist ersichtlich, daß bei einem einzigen Verschiebeschritt c im Zeitpunkt tb1 eine Vervierfachung des Auslesetaktes gegenüber dem normalen Auslesen a, b des Videosignales nötig ist. Für das Auslesen d des ersten Halbbildes a1 steht nur die Zeit von ta1 bis tb1, also 1/240 s zur Verfügung. Entsprechend verhält es sich mit den Halbbildern b1, a2 und b2. Der Sensor 8 muß also mit erhöhtem Takt ausgelesen oder so verändert werden, daß bei konstantem Takt parallel Zeilen ausgelesen werden können. Fig. 3 shows curves for explaining the faster readout. Fig. 3a shows the normal sequence of vertical deflection, with a vertical period lasting 1/60 s. Fig. 3b shows the accumulated charge during a vertical period, which is degraded at the sampling point of a pixel and is used to generate the video signal. Fig. 3c shows the Versetzimpuls which periodically triggers the mechanical displacement of the sensor 8 in the horizontal direction or the vertical direction by the piezo elements 2, 3. It can be seen that in a single shift step c at time tb1, a quadrupling of the reading cycle compared to normal reading a, b of the video signal is necessary. Only the time from ta1 to tb1, ie 1/240 s, is available for reading out d of the first field a1. The same applies to the fields b1, a2 and b2. The sensor 8 must therefore be read at an increased clock rate or changed so that lines can be read out in parallel at a constant clock rate.
Die Fig. 4a und 4b zeigen im Prinzip die Verschiebung des Sensors 8 in Horizontalrichtung und in Vertikalrichtung zusammen mit den Speichern zur Umwandlung der abgetasteten Signale. Wird der Sensor 8 mit einem normalen, einem TV-Standard entsprechen den Takt ausgelesen, kann die Bewegung in der Objektebene durch Bewegungsdetektion ermittelt und kompensiert werden. Die Bewegung der Bildebene kann durch Interpolation im Subpixelbe reich ermittelt werden. Verfahren der Bewegungsschätzung und - Kompensation sowie der Interpolation sind bekannt. FIGS. 4a and 4b show, in principle, the displacement of the sensor 8 in the horizontal direction and in the vertical direction together with the memories for the conversion of the sampled signals. If the sensor 8 is read out with a normal clock rate corresponding to a TV standard, the movement in the object plane can be determined and compensated for by movement detection. The movement of the image plane can be richly determined by interpolation in the subpixel. Methods of motion estimation and compensation as well as interpolation are known.
Fig. 5 zeigt eine übliche orthogonale Abtastung, bei der jeweils an den Ecken des dargestellten Quadrates eine Überabtastung mit einer höheren Auflösung vorliegt. FIG. 5 shows a conventional orthogonal scanning, in which there is an oversampling with a higher resolution at the corners of the square shown.
Fig. 6 zeigt ein abgewandeltes Abtastverfahren in Form einer Diagonalabtastung, auch Quincunx-Abtastung genannt. Dabei handelt es sich nicht um eine orthogonale Abtastung. Es ist ersichtlich, daß gegenüber Fig. 5 nur noch die halbe Anzahl von Abtastungen vorliegt. Durch die versetzte Anordnung der durch die schwarzen Quadrate dargestellten Abtastpunkte ergibt sich aber dasselbe Spektrum für die Ortsfrequenzen wie in Fig. 5 für die horizontale und vertikale Richtung und somit dasselbe Ergebnis wie in Fig. 5. Ein optimales Ortsspektrum wäre ein Kreis, bei dem in allen Richtungen die gleichen Frequenzen vorliegen. Bei dieser Art der Abtastung kann 50% an Abtastung gespart werden. Man brauchte dann im Regelfall nur zwei Bilder statt vier. Auf das Verfahren des beschriebenen Mikroscanning angewendet, bedeutet das eine Ersparnis der Verschiebeschritte des Sensors um den Faktor 2 sowie eine Reduzierung der Taktraten und Rechenoperationen um denselben Faktor. FIG. 6 shows a modified scanning method in the form of a diagonal scan, also called a quincunx scan. This is not an orthogonal scan. It can be seen that, compared to FIG. 5, there is only half the number of scans. The staggered arrangement of the sampling points represented by the black squares results in the same spectrum for the spatial frequencies as in FIG. 5 for the horizontal and vertical directions and thus the same result as in FIG. 5. An optimal spatial spectrum would be a circle in which the same frequencies are present in all directions. With this type of scanning, 50% of scanning can be saved. As a rule, you only needed two pictures instead of four. Applied to the method of microscanning described, this means a saving of the displacement steps of the sensor by a factor of 2 and a reduction in the clock rates and arithmetic operations by the same factor.
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE4307833A DE4307833A1 (en) | 1993-03-12 | 1993-03-12 | Video camera with a semiconductor sensor |
Applications Claiming Priority (1)
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| DE4307833A DE4307833A1 (en) | 1993-03-12 | 1993-03-12 | Video camera with a semiconductor sensor |
Publications (1)
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| DE4307833A1 true DE4307833A1 (en) | 1994-09-15 |
Family
ID=6482593
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE4307833A Withdrawn DE4307833A1 (en) | 1993-03-12 | 1993-03-12 | Video camera with a semiconductor sensor |
Country Status (1)
| Country | Link |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OM8 | Search report available as to paragraph 43 lit. 1 sentence 1 patent law | ||
| 8141 | Disposal/no request for examination |