专利名称：使用电子快门的多步曝光方法及使用该方法的照相装置的制作方法
技术领域：
本公开一般涉及一种使用电子快门的多步曝光方法以及使用该方法的照相装置， 且更具体地，涉及一种能够通过调整图像传感器的复位定时来增加动态范围的曝光方法， 以及使用该方法的照相装置。
背景技术：
照相机快门主要分类为中心快门(lens shutter)和焦面快门(focal plane shutter)。中心快门一般接近镜头安装，而焦面快门一般接近焦面安装。焦面快门一般依靠前面和后面的调光孔径(curtain)的行进方向也分类为水平 快门和垂直快门。其中，垂直快门在性能方面更有优势，因此已经被广泛使用。在采用焦面快门的照相装置中，随着两个调光孔径(即前面和后面的调光孔径) 行进，物体的图像通过镜头在光敏表面上曝光。更具体地，随着前调光孔径行进，照相装置 的光敏表面被曝光，并且在预定时间间隔之后，后调光孔径行进因此完成该照相过程。最近，为了解决与机械快门关联的问题，例如，在前调光孔径上的震动或由于需要 用于前调光孔径的充电的时间间隔而产生的释放时间滞后，已经引入许多技术来电子地处 理焦面快门的前调光孔径。这些技术的一个示例是利用复位信号，它用来开始在诸如电荷耦合器件(CCD)或 CMOS图像传感器(CIS)的图像传感器中以像素行为单位的各个像素的依次曝光并且由此 取代前调光孔径的功能。使用电子快门的照相装置一般包括自动聚焦(AF)系统和自动曝光(AE)系统。AF 系统通过分析关于通过图像传感器捕获的图像的差别来自动调整拍摄物体的焦点。AE系 统确定拍摄物体的亮度以自动确定曝光，其中考虑拍摄物体的合适的曝光量来控制光圈 (aperture)的开启程度和快门的速度以自动设置合适的曝光。可是，不论用于提高“动态范围(装置可接受的光线最强部分和阴影的范围)，，的 持续努力，即使采用AE系统的照相装置也遭受诸如被拍摄场景的失真或分辨率退化的不 利情况。
发明内容
根据本公开的一方面，提供一种照相装置，包括图像传感器，其获取物体的图像； 和控制单元，其使用获取的图像的亮度信息将图像的区域划分为第一区域和第二区域，并 且进行控制以使得第二区域的第一行群组和第二行群组具有不同的曝光时间。根据本公开的一方面，提供一种照相方法，包括获取物体的图像；以及使用获取的图像的亮度信息将图像的区域划分为第一区域和第二区域；以及进行控制以使得第二区 域的第一行群组和第二行群组具有不同的曝光时间。
通过参考附图的本公开若干实施例的以下详细描述，本公开的各种特征和优点将 变得更加明了，其中图1是说明根据示范实施例的照相装置的结构的图；图2是根据示范实施例的照相装置的框图；图3A和IBB是提供来解释根据示范实施例的多步曝光方法的图；图4是根据示范实施例的多步曝光方法的流程图；图5A到5C是提供来解释根据示范实施例的补偿双重曝光区域的图；以及图6是根据示范实施例的多步曝光方法的流程图。
具体实施例方式现在将详细参考实施例，这些实施例在附图中示出，其中相同参考数字始终表示 相同组件。虽然以详细的构造和组件来描述各实施例以有助于各实施例各种应用和优点的 全面理解，但是显然的是没有那些特别详细的细节也可以实现各实施例。同样，公知的功能 或构造将不会详细说明从而避免由于不必要的枝节而模糊该说明。也应该注意到在附图 中，各特征的尺度无意于等于真实的比例并且可以出于允许更好理解的缘故而被夸大。图1说明根据示范实施例的采用焦面快门的一般照相装置的结构。照相装置包括 图像传感器10、机械前调光孔径20、机械后调光孔径30、取景器40、镜头50和光圈60。参考图1，以焦面快门操作的照相装置包括在图像传感器10的前面形成的机械前 调光孔径20和机械后调光孔径30，以作为焦面快门的组件。图像传感器10操作来通过镜头50接收光并且将接收的光转换为电信号，并且可 以实现为电荷耦合器件(CCD)或CIS图像传感器。在一个实施例中，可以通过调整复位(这 是用于开始通过光敏元件的电势的累积)的定时来调整曝光量。焦面快门的机械前调光孔径20和机械后调光孔径30操作来开启和闭合光到图像 传感器10的路径。快门一般可以依靠前后调光孔径的行进方向划分为水平快门和垂直快 门，但是本公开的实施例将参考作为示例的垂直快门来解释。前调光孔径20在曝光之前遮蔽图像传感器并且随着它开始行进而启动曝光。后 调光孔径30操作来在曝光启动后遮蔽曝光。因此，以缝隙行进以扫描图像传感器10的方 式(即，前调光孔径20和后调光孔径30按照彼此相隔的预定距离并行行进)在焦面快门 中调整对图像传感器的曝光。光圈60安排在镜头内以控制该光圈来控制通过镜头的光量。中心快门在以较大 的光圈操作于高快门速度上有增加的困难。可是，在焦面快门的情况下，由于缝隙行进，快 门总是操作于高速度而不考虑光圈。用户通过取景器40查看以安排要拍摄的图像。虽然基于作为参考的照相机来解释实施例，但是实施例的技术构思适用于具有照 相功能的任何设备，诸如摄像机、移动电话机等。
图2是根据示范实施例的照相装置的框图。根据示范实施例的照相装置包括镜头 100、机械快门105、图像传感器110、自动增益控制器(AGC) 120、模数转换器(ADC) 130、图像 信号处理器(ISP) 140、显示器150、AE控制单元160、控制单元170、输入单元180和存储单 元 190。镜头100接收场景的图像，并且机械快门105通过行进缝隙调整图像传感器110 的曝光量。图像传感器110不仅将进入的光信号转换为电信号，而且通过电子前调光孔径 功能调整该曝光量。在接收的光信号通过图像传感器110转换为电信号之后，在AGC 120电路中该电 信号被放大为合适的大小。经放大的信号在其通过ADC 130电路时从模拟转换为数字信号。之后，在ISP 140中执行数字信号处理。ISP 140处理信号从而显示接收的图像信 号。另外，ISP 140接收针对具有不同的曝光的图像传感器的各个区域的信号，补偿接收的 信号，合成以产生整个图像信号，并且通过显示器150显示产生的整个图像信号。显示器150显示在ISP 140中处理的图像信号以通知用户，并且可以具有产生在 屏显示(OSD)的功能等以方便用户。AE控制单元160使用在ISP 140中计算的曝光信息来控制机械快门105的移动和 图像传感器110的电子快门操作，并且为图像传感器110的各个区域提供合适的曝光。控制单元170操作来控制包括信号的放大、转换或处理的全部操作。控制单元170 接收在输入单元180输入的用户命令并且基于接收的用户命令控制该照相机模块。另外，控制单元170控制ISP 140以产生用于控制自动曝光(AE)的信号。更具体 地，控制单元170根据从图像传感器110接收的整个图像信号计算曝光量，并且基于分成多 步曝光区域和双重曝光区域的区域的单位来计算关于曝光量的信息。控制单元170也根据针对如上解释的划分的区域计算的合适的曝光量来控制AE 控制单元160，以对各个区域应用不同的曝光。这里“多步曝光区域”表示基于合适的曝光量的具有相同的合适曝光量的区域的 组合，该合适的曝光量是使用图像的亮度信息计算的，其中根据控制单元170的控制，每个 区域接收不同的复位脉冲定时，因此具有不同的曝光时间。这里“双重曝光区域”表示位于在各个多步曝光区域之间的区域，其中根据控制单 元170的控制每个区域具有基于相邻的多步曝光区域的曝光时间而调整的曝光时间。存储单元190具有存储当前图像或用于控制该照相装置必需的信息的功能。下面将参考图3A和;3B更详细地解释根据示范实施例的曝光方法。图3A说明在图像传感器中接收的具有强光和阴影的图像，而图:3B说明根据图像 传感器的各个区域的快门的操作。参考图3A，图像具有明亮的上部和非常暗的下部。与上下部分比较，中部具有中等 程度的亮度。首先，控制单元170基于关于从进入的图像信号确定的整个亮度的信息计算合适 的曝光并且考虑计算的合适曝光将图像划分为各区域。参考图3A，明亮的上部(Al)210必 须具有短的曝光，而暗的下部(A3) 250必须具有长的曝光。因此，具有中等程度的亮度的中 部(A2)230需要中等的曝光。
可以通过调整图像传感器110的复位定时以具有短的曝光时间来执行短的曝光。 参考图3B，根据第一电子快门(ES1)320的行进曲线产生图像传感器110的复位脉冲，因此 Al区域具有相对短的曝光时间(a)。也通过调整图像传感器110的复位定时来执行中等曝光。因此，参考图:3B，根据第 二电子快门(ES2)330的行进曲线产生图像传感器110的复位脉冲，从而A2区域具有中等 曝光时间(d)。随着根据机械快门300、310的行进调整曝光时间来执行长的曝光，从而从当机械 前调光孔径(MS1)300行进时起直到当机械后调光孔径310行进时止A3区域具有长的曝光 时间(g)。在短曝光区域(Al) 210和中等曝光区域(A2) 230之间的边界区域(Dl) 220、以及在 中等曝光区域(A》230和长曝光区域(A； ) 250之间的边界区域(D2) 240具有双重曝光。因此，对于区域(Dl) 220，针对图像传感器110的偶数和奇数行产生不同的复位脉 冲，从而设置不同的曝光时间。参考图3B，由于根据电子前调光孔径(ES1)320的行进曲线 产生图像传感器110的复位脉冲，故区域(Dl) 220的偶数行具有较短的曝光时间(b)，同时 由于根据电子前调光孔径(ES2)330的行进曲线产生图像传感器110的复位脉冲，故奇数行 具有中等曝光时间(C)。因此，产生这样的图像其中在区域(Al)210和区域(A2)230之间的边界区域 (Dl) 220针对偶数和奇数行具有不同的曝光量。结果，ISP 140能够通过接收关于产生的图 像的信号并且组合偶数和奇数行的图像来产生具有较高的动态范围的图像。同样，对于区域(拟)对0，针对图像传感器110的偶数和奇数行产生不同的复位脉 冲，从而设置不同的曝光时间。参考图3B，由于根据电子前调光孔径(ES2)330的行进曲线 产生图像传感器110的复位脉冲，故区域(M)MO的偶数行具有较短的曝光时间(e)，同时 由于根据机械后调光孔径(MS2)310的行进曲线产生图像传感器110的复位脉冲，故奇数行 具有长的曝光时间(f)。如上解释的，根据曝光值将整个区域划分为多个区域，基于调整机械快门105和 图像传感器110的复位脉冲的定时而对各个区域给以不同的曝光时间，而在产生的图像被 合成之前边界区域对于针对具有双重曝光的区域的偶数和奇数行具有不同的曝光时间。因 此，提供一种具有较高的动态范围的照相装置。虽然在以上解释的实施例中，已经解释了三个多步曝光区域和两个双重曝光区 域，但是这仅是用于说明的目的，因此，本领域的技术人员将能够理解可以实现更大或更小 数量的区域。另外，虽然双重曝光区域被划分为偶数和奇数行群组，它们调整来具有不同的曝 光时间，但是划分群组的方式不仅仅局限于特定的示例。下面将参考图4解释根据示范实施例的多步曝光方法。首先，在S400，通过镜头100接收物体的图像。在S410，使用接收图像的图像信号 中的亮度(Y)计算合适的曝光值，基于计算的合适的曝光值划分图像传感器的区域。在S420，划分的区域可以包括多步曝光区域和双重曝光区域，其中多步曝光区域 具有基于机械快门和电子前调光孔径的短/中/长曝光，而双重曝光区域具有基于关于奇 数和偶数行的不同复位脉冲定时的不同的曝光时间。
以上已经参考图3A和;3B解释提供不同曝光时间的过程。在S430，具有扩展的动态范围的图像被拍摄，并且针对各个区域补偿产生的图像 信号。在该阶段中，已经针对多步曝光区域产生具有合适曝光的图像信号，并且已经针对双 重曝光区域产生具有对于奇数和偶数行的不同曝光时间的图像。因此，ISP 140补偿奇数 和偶数行的图像。之后，在S440，通过将多步曝光区域的组成图像和双重曝光区域的经补偿的组成 图像组合来产生整个图像。将参考图5A到5C更详细地解释针对双重曝光区域的补偿过程。图5A说明具有最亮区域(Al) 570、和最暗区域(A2) 590、和具有在Al和A2之间的 中等亮度的中等亮度区域(Dl) 580的图像。如上解释的，Al和A2能够是多步曝光区域，而Dl能够是双重曝光区域。参考图5B，实线540表示实际图像的Y值，而虚线530表示针对实际图像的Y值的 误差。通过传统AE系统在照相装置中产生该误差，因为利用根据传统AE曝光信息曝光而 产生的图像具有太明亮的明亮区域和太暗的暗区域。为了消除该曝光误差，在一个实施例中，根据如图5C所示的短曝光曲线510调整 针对亮区域(Al)570的曝光时间。因此，电子前调光孔径的复位定时被调整从而能够产生 具有更短曝光定时的图像信号。由于暗区域(A2)590需要长的曝光，根据长曝光曲线520使用机械快门来调整该 曝光时间。因此，根据机械的前后调光孔径的行进来设置相对较长的曝光时间。同时，使用机械快门和电子前调光孔径，给双重曝光区域(Dl) 580针对奇数和偶 数行提供不同的曝光时间。也即，由于在针对偶数行的机械前调光孔径的行进的完成之后 产生复位脉冲，故提供相对较短的曝光时间，同时从当机械前调光孔径行进时起直到当机 械后调光孔径行进时止针对奇数行执行曝光。之后，ISP提取关于由于以上解释的过程具有不同曝光时间的双重曝光区域 (Dl) 580的奇数和偶数行的Y值，并且基于在偶数行的Y值和奇数行的Y值之间的比率补偿 在双重曝光区域(Dl)580上的图像。替换地，ISP可以基于在针对偶数行的曝光时间和针 对奇数行的曝光时间之间的比率来补偿区域(Dl) 580。参考图5C，区域(Dl) 580的偶数行对应于短曝光曲线510，同时奇数行对应于长曝 光曲线520。在经ISP补偿之后的双重曝光区域对应于实际图像的Y值曲线M0。之后，由于(Al)570、(Dl)580和(A2) 590彼此组合，故根据实际图像的Y值曲线 540获得具有扩展的动态范围的整个图像。下面将参考图6更详细地解释根据示范实施例的多步曝光方法。将使用其中与图3A和;3B的情况一样的有三个多步曝光区域和两个双重曝光区域 的示例来参考图6解释示范实施例。出于简洁之故，将不会解释以上已经解释的重复的技 术特征。因此，下面将主要解释根据示范实施例的技术构思的主要流程。在S600，基于进入图像数据的Y值计算合适的曝光值并且基于计算的曝光值检测 具有相同的合适曝光值的区域。结果，创建多步曝光区域(S611、S613、S615)和双重曝光区 域(S612、S614)。之后，基于对机械快门和电子前调光孔径的复位定时的控制对各个区域 提供不同的曝光时间(S621、S622、S623、S624, S625)。
之后，针对具有不同曝光时间的各个区域读出图像信号(S631、S632、S633、S634、 S635)。考虑双重曝光区域的偶数和奇数行具有不同的Y值，ISP基于在偶数行的Y值和奇 数行的Y值之间的比率，或基于偶数行的曝光时间和奇数行的曝光时间之间的比率补偿对 应于双重曝光区域的图像(S642、S644)。Yl表示具有相对较长的曝光的行的Y值，而Ys表 示具有相对较短的曝光的行的Y值。最后，从各个区域读取的图像被彼此组合(S651、S652、S653、S654、S655)从而产 生整个合成图像(S660)。根据以上解释的示范实施例，提供具有高的动态范围的曝光方法和使用该方法的 照相装置。另外，曝光方法和使用其的照相装置能够通过阴影/加亮区的补偿来提供高分 辨率、和高清晰度图像，以及具有增强的动态范围。尽管已经参考本公开的具有特定细节的若干实施例具体地示出和描述本公开，但 是对本领域的普通技术人员将显然的是在不背离本发明的原理和精神的情况下，可以对 这些实施例进行各种改变，本发明的范围在以下权利要求及其等价物限定。
权利要求
1.一种照相装置，包括图像传感器，其获取物体的图像；和控制单元，其使用获取的图像的亮度信息将图像的区域划分为第一区域和第二区域， 并且进行控制以使得第二区域的第一行群组和第二行群组具有不同的曝光时间。
2.根据权利要求1所述的照相装置，其中控制单元针对第二区域的第一和第二行群组 不同地控制复位脉冲定时。
3.根据权利要求1所述的照相装置，还包括图像信号处理器(ISP)，其通过组合第一和 第二区域的图像来产生整个图像。
4.根据权利要求3所述的照相装置，其中，针对第二区域，ISP提取在边界区域的第一 和第二行群组的Y值并且基于提取的Y值补偿边界区域的图像。
5.根据权利要求3所述的照相装置，其中，针对第二区域，ISP计算在第二行群组的Y 值和第一行群组的Y值之间的比率，并且基于计算的比率补偿第二区域的图像。
6.根据权利要求3所述的照相装置，其中，针对第二区域，ISP计算在第一行群组的曝 光时间和第二行群组的曝光时间之间的比率，并且基于计算的比率补偿第二区域的图像。
7.根据权利要求1所述的照相装置，其中该亮度信息基于图像的Y值来提供。
8.根据权利要求1所述的照相装置，其中控制单元在第一区域执行多步曝光，而在第 二区域执行双重曝光。
9.根据权利要求8所述的照相装置，其中，基于使用图像的亮度信息计算的合适曝光 时间，执行多步曝光的区域包括具有相同的合适曝光时间的区域，以及控制单元通过调整复位脉冲定时来进行控制从而各个区域具有不同的曝光时间。
10.根据权利要求8所述的照相装置，其中，执行双重曝光的区域包括位于其中执行多 步曝光的区域之间的各个区域，以及针对其中执行双重曝光的区域，控制单元基于其中执行多步曝光的各个相邻区域的曝 光时间来调整其中执行双重曝光的区域的曝光时间。
11.根据权利要求1所述的照相装置，其中，第一行群组包括偶数行而第二行群组包括 奇数行。
12.—种照相方法，包括获取物体的图像；以及使用获取的图像的亮度信息将图像的区域划分为第一区域和第二区域；以及进行控制以使得第二区域的第一行群组和第二行群组具有不同的曝光时间。
13.根据权利要求12所述的照相方法，其中控步骤制包括针对第二区域的第一和第二 行群组不同地控制复位脉冲定时。
14.根据权利要求12所述的照相方法，还包括通过组合第一和第二区域的图像来产生 整个图像。
15.根据权利要求14所述的照相方法，其中，针对第二区域，该产生步骤包括提取在边 界区域的第一和第二行群组的Y值并且基于提取的Y值补偿边界区域的图像。
全文摘要
提供一种使用电子快门的多步曝光方法和使用该方法的照相装置。该照相装置包括图像传感器和控制单元，该控制单元使用获取的图像的亮度信息将图像的区域划分为第一区域和第二区域，并且进行控制以使得第二区域的第一行群组和第二行群组具有不同的曝光时间。结果，提供具有更宽动态范围的图像。
文档编号H04N5/235GK102098444SQ20101058061
公开日2011年6月15日 申请日期2010年12月9日 优先权日2009年12月10日
发明者文载畯, 李正源, 李泰昊, 金一道 申请人:三星电子株式会社