устройство управления временем экспозиции, коэффициентами усиления и цветовым балансом в матричных фотоприемниках (варианты)

Формула изобретения

1. Устройство управления временем экспозиции, коэффициентами усиления и цветовым балансом в матричных фотоприемниках, включающее: фотоприемник для формирования сигнала изображения, средство выборки для выборки указанного сигнала изображения, усилитель с автоматическим управлением коэффициентом усиления для усиления выбранного сигнала, аналого-цифровой преобразователь для преобразования сигнала изображения в цифровую форму, первый интегратор для формирования коэффициента усиления усилителя с автоматическим управлением коэффициентом усиления, отличающееся тем, что в устройство включают средство вычисления среднекадровой яркости для каждого цветового канала, которое разлагает цифровой сигнал изображения на четыре параллельных потока, соответствующих цветовым каналам и рассчитывает среднекадровую яркость цветовых каналов, второй интегратор, используемый для формирования времени экспозиции фотоприемника, средство задания коэффициента усиления второго интегратора и средство управления интеграторами, которое рассчитывает обновленные значения коэффициентов усиления цветовых каналов для первого интегратора и времени экспозиции для второго интегратора в зависимости от знака сигнала ошибки стабилизации и текущих значений коэффициентов усиления и времени экспозиции, при этом устройство включает четыре идентичных канала, каждый из которых содержит цифровой фильтр низкой частоты второго порядка, который сглаживает среднекадровую яркость, средство вычисления разности, вычисляющее разность между среднекадровой яркостью с выхода цифрового фильтра и заданной яркостью, нелинейное корректирующее устройство, которое обрабатывает упомянутую разность и выдает скорректированный сигнал ошибки стабилизации на входы первого и второго интеграторов, средство определения знака сигнала ошибки стабилизации с выхода нелинейного корректирующего устройства, средство задания коэффициента усиления первого интегратора.

2. Устройство управления временем экспозиции, коэффициентами усиления и цветовым балансом в матричных фотоприемниках, включающее: фотоприемник для формирования сигнала изображения, средство выборки для выборки указанного сигнала изображения, усилитель с автоматическим управлением коэффициентом усиления для усиления выбранного сигнала, аналого-цифровой преобразователь для преобразования сигнала изображения в цифровую форму, первый интегратор для формирования коэффициента усиления усилителя с автоматическим управлением коэффициентом усиления, отличающееся тем, что в устройство включают средство вычисления среднекадровой яркости, цифровой фильтр низкой частоты второго порядка, который сглаживает среднекадровую яркость, средство вычисления разности, вычисляющее разность между среднекадровой яркостью с выхода цифрового фильтра и заданной яркостью, нелинейное корректирующее устройство, которое обрабатывает упомянутую разность и выдает скорректированный сигнал ошибки стабилизации на входы первого и второго интеграторов, второй интегратор, используемый для формирования времени экспозиции фотоприемника, средство задания коэффициента усиления первого интегратора, средство задания коэффициента усиления второго интегратора, средство управления интеграторами, которое рассчитывает обновленные значения коэффициентов усиления цветовых каналов для первого интегратора и времени экспозиции для второго интегратора в зависимости от знака сигнала ошибки стабилизации одного цветового канала, с учетом предопределенных коэффициентов пропорциональности для остальных цветовых каналов и текущих значений коэффициентов усиления и времени экспозиции, и средство масштабирования коэффициента усиления для расчета коэффициентов усиления цветовых каналов с использованием предопределенных коэффициентов пропорциональности из значений, снимаемых с выхода первого интегратора.

3. Устройство по п.2, в котором средство масштабирования коэффициента усиления выполняется в виде трех цифровых блоков умножения на предопределенные коэффициенты пропорциональности.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к системам автоматического управления временем экспозиции, коэффициентами усиления и цветовым балансом в матричных фотоприемных устройств (ФПУ) цветного изображения.

Различные устройства автоматической регулировки усиления давно зарекомендовали себя как универсальные средства расширения допустимого динамического диапазона сигналов, присутствующих на входе разнообразных технических систем, в частности в различных видеокамерах [1, 2, 3].

Применительно к фотокамерам, видеокамерам и системам технического зрения, элементами которых являются матричные приемники цветного изображения, входным сигналом является освещенность фотоприемной матрицы, непосредственное управление которой возможно только методами, связанными с частичным перекрытием или ослаблением входного светового потока. Однако управление параметрами преобразователя «свет-сигнал» допускает реализацию системы регулирования, не содержащей устройств непосредственного воздействия на входной световой поток, которая позволяет удерживать выходной сигнал фотоприемника в нужных пределах, при значительном изменении освещенности фотоприемного устройства [4]. Структурная схема такого фотоприемного устройства ФПУ представлена на фиг.1.

Структура ФПУ содержит: матричный фотоприемник цветного изображения (МФП) с четырьмя цветовыми каналами (где G0 - первый зеленый, G1 - второй зеленый, R - красный, В - синий), усилители с управляемым коэффициентом усиления для каждого цветового канала (УУ1, УУ2, УУ3, УУ4), аналого-цифровые преобразователи (АЦП1, АЦП2, АЦП3, АЦП4), блок управления матричным фотоприемником (БУМФ), цифровое вычислительное устройство (ЦВУ). Блок управления матричным фотоприемником обеспечивает экспонирование фотоприемника и считывание сигналов с него. Цифровое вычислительное устройство (ЦВУ) обрабатывает данные с выходов АЦП и вычисляет оптимальные значения коэффициентов усиления и времени экспозиции, т.е. выполняет автоматическое управление временем экспозиции, коэффициентами усиления и цветовым балансом.

Цветное изображение в большинстве современных матричных фотоприемников получается за счет использования микросветофильтров, расположенных согласно так называемой байеровской палитре (B.E.Bayer, Color imaging array [5]), [6]. Для получения такой палитры фотоприемная матрица разбивается на элементарные блоки размером в 2×2 фотоприемные ячейки. Отдельные ячейки внутри такого блока накрываются светофильтрами так, чтобы пара диагональных ячеек содержала «зеленые» светофильтры, а оставшиеся две ячейки имели «красный» и «синий» светофильтры соответственно. Фотоприемные ячейки с одинаковой позицией внутри элементарного (т.е. накрытые светофильтром одного типа) блока образуют цветовой канал матричного ФПУ. Существуют также матричные фотоприемники цветного изображения, не использующие цветные светофильтры [7].

Для того чтобы цвета восстановленного изображения соответствовали цветам снимаемого сюжета, необходимо определенным образом отрегулировать уровни сигналов в цветовых каналах. Для обеспечения такой регулировки в каждый цветовой канал вводится отдельный усилитель с управляемым коэффициентом усиления (управляемый усилитель один для всех фотоприемников рассматриваемого цветового канала). Регулировка, в простейшем случае, сводится к нахождению таких коэффициентов усиления в цветовых каналах, при которых получается серое изображение однородного фона, который воспринимается наблюдателем как фон белого цвета. Это состояние называется цветовым балансом или балансом белого. Яркость серого цвета для фона, для которого достигнут цветовой баланс, определяется текущим значением времени экспозиции (времени накопления зарядов в фотоприемной ячейке), единого для всех цветовых каналов.

Автоматическое удержание цветового баланса в изображении, формируемом цветной фотоприемной матрицей, основывается на некоторых предположениях о характере распределения цветов в снимаемом сюжете. Одним из таких предположений является гипотеза «серого мира», согласно которой средним цветом любого пестрого сюжета является серый. Применительно к приемнику цветного изображения это означает, что средние значения сигналов, полученных из каждого цветового канала усреднением по всему кадру, должны быть равны. Развитием этой гипотезы является гипотеза «пропорционального мира», согласно которой средние значения яркостей цветовых компонент пестрого фона связаны между собой постоянными коэффициентами пропорциональности.

Динамический диапазон сигнала на выходе каждого усилителя цветового канала, который заводится на вход соответствующего аналого-цифрового преобразователя (АЦП), определяется освещенностью ячеек этого цветового канала, временем экспозиции, в течение которого фотоячейки накапливают электрический заряд, образовавшийся в результате падающего света и коэффициентом передачи управляемого усилителя, через который пропускается сигнал, накопленный фотоприемной ячейкой. Таким образом, одновременным управлением временем экспозиции и коэффициентами усиления в цветовых каналах можно не только удерживать выходной сигнал фотоприемников в пределах разрядной сетки АЦП, при значительных изменениях внешней освещенности, но и обеспечивать сохранение правильной передачи цветов в получаемом цифровом изображении.

Известно устройство для автоматического управления коэффициентом усиления и апертурой диафрагмы для использования в телевизионной камере [8]. В данном техническом решении управляемой величиной является количество пикселей в кадре, яркость которых больше предустановленного порога. Сигналом ошибки служит разность между предустановленным порогом в виде заданного количества пикселей и управляемой величиной. Для преобразования сигнала ошибки в выходную величину применяют интегрирование сигнала ошибки.

Данное устройство включает:

- фотоприемник для формирования сигнала изображения,

- средство выборки для выборки указанного сигнала изображения,

- средство дискретизации для преобразования сигнала изображения в цифровую форму,

- средства управления диафрагмой, включающие средства аналогового управления для открывания и закрывания диафрагмы и цифроаналоговый преобразователь для преобразования цифрового разностного сигнала в аналоговый сигнал управления, для передачи указанного аналогового сигнала управления указанным средствам управления,

- средство обнаружения для определения количества (X) выборок сигнала изображения, произведенных в течение заданного интервала, которые имеют величины больше, чем пороговый уровень,

- средство вычисления разности для определения разности между указанным количеством (X) и заданным количеством (Y),

- первый интегратор, чтобы интегрировать разность между (X) и (Y),

- средство управления апертурой диафрагмы, как функцией указанной разности,

- усилитель с автоматическим управлением коэффициентом усиления,

- средства для установления постоянного усиления для усилителя с автоматическим управлением коэффициентом усиления;

- второй интегратор, чтобы интегрировать разность между (X) и (Y) и получать сигнал переменного усиления,

- переключатель для выбора либо постоянного коэффициента усиления, либо сигнала переменного коэффициента усилителя,

- средство для определения апертуры диафрагмы, которое, когда обнаруживает, что апертура диафрагмы почти полностью открыта, переключает ключ так, чтобы подать сигнал переменного усиления на усилитель.

Структура устройства [8], поясняющая данное решение, представлена на фиг.2, где 1 - объектив, 2 - диафрагма с изменяемой апертурой, 3 - датчик открытия диафрагмы, 4 - фотоприемник, 5 - схема выборки, 6 - усилитель с управляемым коэффициентом усиления, 7 - аналого-цифровой преобразователь, 8 - цифроаналоговый преобразователь управления коэффициентом усиления, 9 - компаратор, 10 - формирователь порогового уровня, 11 - счетчик, 12 - вход сигнала сброса счетчика, 13 - формирователь параметра (Y), 14 - средство вычисления разности, 15 - первый интегратор, 16 - формирователь постоянного коэффициента усиления, 17 - переключатель, 18 - аналоговый компаратор, 19 - источник опорного сигнала для аналогового компаратора, 20 - второй интегратор, 21 - цифроаналоговый преобразователь управления диафрагмой.

Данное устройство обладает рядом недостатков.

1. В структурной схеме устройства есть несколько элементов с релейными характеристиками - всевозможные цифроаналоговые и аналого-цифровые преобразователи, компаратор включения автоматической регулировки усиления по показаниям датчика открытия диафрагмы. Наличие таких элементов в замкнутом контуре может привести к возникновению автоколебаний с малой амплитудой. В схеме устройства не предусмотрено никаких мер для борьбы с этим негативным явлением.

2. Выбор в качестве управляемой величины количества пикселей в кадре, величина которых превосходит предустановленный порог, не может быть применен для алгоритма совмещенной автоматической регулировки яркости и цветового баланса (баланса белого), построенном на гипотезе «серого мира». Эта гипотеза формулируется для среднекадровых яркостей цветовых каналов, а не для количества одноцветных пикселей, превышающих заданный порог. Т.е. для работы с цветными изображениями с гипотезой «серого мира» алгоритм рассматриваемого патента не пригоден.

3. Назначение интеграторов ошибок регулирования, присутствующих на структурной схеме патента, объясняется необходимостью подавления высокочастотных составляющих сигнала ошибки. Такая схема подавления высокочастотных компонент ошибки эквивалентна низкочастотному фильтру первого порядка по управляемой величине. Известно, что низкочастотного фильтра первого порядка недостаточно для ослабления высокочастотных компонент ошибки до уровня, при котором они перестают проявляться в выходном изображении в виде заметных глазом пульсаций яркости.

В последнее время появились технические решения, позволяющие устранить некоторые несовершенства предшествующих технических решений.

Известен метод автоматического управления временем экспозиции матрицы пикселей видеосенсора и метод управления коэффициентами усиления [9]. В данном решении оптико-механические устройства заменены средствами управления временем экспозиции, которые позволяют удерживать выходной сигнал фотоприемника в нужных пределах, при значительном изменении освещенности фотоприемного устройства.

В данном методе определяют количество пикселей матрицы, выходной сигнал которых больше или меньше заданных уровней (VSHIGH, VHIGH, VLOW, VSLOW). Причем VSHIGH>VHIGH, a VLOW>VSLOW. Кроме того, задаются первый и второй высокие пороги KW и KVW, и первый и второй низкие пороги KB и KVB. Причем KW и KB составляют около 25% и 75% соответственно. Величина изменения времени экспозиции или коэффициентов усиления определяют в процентах следующим образом:

где NW и NVW - количество пикселей матрицы, выходной сигнал которых больше заданного уровня VHIGH и VSHIGH соответственно, а NB и NVB - количество пикселей матрицы, выходной сигнал которых меньше заданного уровня VLOW и VSLOW соответственно. Причем Р1 больше Р2 и составляет около 50%, а Р2 - около 6%, кроме того, Р3 больше Р4 и составляет около 100%, а Р4 - около 6%. Время экспозиции матрицы и коэффициенты усиления не изменяются, если ни одно из условий (1) не выполняется.

Таким образом, управляемой величиной является количество пикселей, яркости которых больше верхнего порога и меньше нижнего порога соответственно. Сигнал ошибки в явном виде отсутствует. Вместо него сразу определяется знак и величина обновления выходной величины (усиления или времени).

Метод преобразования сигнала ошибки в выходную величину заключается в том, что управляемая величина (без явного вычисления сигнала ошибки) подвергается нелинейному преобразованию, в результате которого получаются знак и величина обновления выходного значения.

В данном методе устранен недостаток решения [8], а именно осуществлена замена оптико-механического устройства в результате использования твердотельного решения. Вместе с тем, метод не лишен недостатков.

1. Выбор в качестве управляемой величины количества пикселей в кадре, величина которых превосходит предустановленный порог, непригоден для алгоритма совмещенной автоматической регулировки яркости и цветового баланса (баланса белого), построенном на гипотезе «серого мира».

2. В рассматриваемом патенте приращение выходной величины представляет собой значение этой величины (усиления или времени экспозиции), умноженное на некоторый коэффициент, меньший 1. Таких коэффициентов два для положительного и два для отрицательного обновлений. Таким образом, величина обновления слабо зависит от отклонения текущего значения управляемой величины от желаемого значения. Это затягивает переходный процесс при изменениях яркости входного изображения.

3. В этом методе четыре порога - два определяют максимально допустимое число точек с яркостью меньше заданной, два других - число точек с яркостью больше заданной. Как правило, изображение имеет монотонно убывающую яркостную гистограмму, со значительным выбросом в нуле. Если рассматриваемый метод настроить на такую гистограмму, то первый порог будет максимальным, второй - меньше, третий - еще меньше и четвертый - минимальный. Появление немонотонности в гистограмме, на верхней или нижней границах области между первым и вторым порогами, и последовавшее за этим увеличение коэффициента усиления может привести к автоколебаниям, т.к. допускаемое настройками количество пикселей с яркостью ниже второго порога значительно больше, чем допускаемое количество с яркостью выше третьего порога. То есть данный алгоритм без сбоев отрабатывает только изображения, имеющие монотонную яркостную гистограмму.

Задачей настоящего изобретения является достижение технического результата, заключающегося в возможности реализации автоматического цветового баланса (баланса белого) путем введения средств вычисления среднекадровой яркости, в устранении пульсаций яркости изображения посредством введения фильтра низкой частоты второго порядка перед вычислением сигнала ошибки, в исключении возможности возникновения автоколебаний с малой амплитудой и уменьшении времени переходного процесса системы регулирования введением нелинейного корректирующего устройства.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является устройство, описанное в патенте [8].

Для достижения названного технического результата в устройстве для автоматического управления коэффициентом усиления [8], включающем:

фотоприемник для формирования сигнала изображения,

средство выборки для выборки указанного сигнала изображения,

усилитель с автоматическим управлением коэффициентом усиления для усиления выбранного сигнала,

аналого-цифровой преобразователь для преобразования сигнала изображения в цифровую форму,

первый интегратор для формирования коэффициента усиления усилителя с автоматическим управлением коэффициентом усиления;

предложены следующие средства, являющиеся отличительными признаками предлагаемого устройства:

средство вычисления среднекадровой яркости,

цифровой фильтр низкой частоты второго порядка,

средство вычисления разности, вычисляющее разность между среднекадровой яркостью и заданной яркостью,

нелинейное корректирующее устройство,

второй интегратор, используемый для формирования времени экспозиции фотоприемника,

средство определения знака сигнала с выхода нелинейного корректирующего устройства,

средство задания коэффициента усиления первого интегратора,

средство задания коэффициента усиления второго интегратора,

средство управления интеграторами.

Проведенные патентные исследования показали, что в литературе отсутствует указание на использование вышеперечисленной совокупности отличительных признаков для решения задачи, заключающейся в возможности реализации автоматического цветового баланса (баланса белого) путем введения средств вычисления среднекадровой яркости для каждого цветового канала, в устранении пульсаций яркости изображения посредством введения фильтра низкой частоты второго порядка для ослабления сигнала ошибки, в исключении возможности возникновения автоколебаний с малой амплитудой и уменьшении времени переходного процесса системы регулирования введением нелинейного корректирующего устройства.

Предлагаемое техническое решение может быть реализовано в двух вариантах.

Вариант 1. Структурная схема предлагаемого устройства управления настройками ФПУ представлена на фиг.3 и содержит четыре идентичных канала. Для простоты и ясности изложения раскрывается один из каналов. Структурная схема содержит следующие средства: 1 - объектив, 4 - фотоприемник для формирования сигнала изображения, 5 - средство выборки для выборки указанного сигнала изображения, 6 - усилитель с автоматическим управлением коэффициентом усиления, 7 - аналого-цифровой преобразователь для преобразования сигнала изображения в цифровую форму, 15 - первый интегратор для формирования коэффициента усиления усилителя с автоматическим управлением коэффициентом усиления, 22 - средство вычисления среднекадровой яркости для каждого цветового канала, 23 - цифровой фильтр низкой частоты второго порядка, 24 - средство вычисления разности, вычисляющее разность между среднекадровой яркостью и заданной яркостью, 25 - нелинейное корректирующее устройство (НКУ), 26 - средство определения знака сигнала с выхода НКУ, 27 - средство задания коэффициента усиления первого интегратора, 28 - второй интегратор, используемый для формирования времени экспозиции фотоприемника, 29 - средство задания коэффициента усиления второго интегратора, 30 - средство управления интеграторами.

Как видно из фиг.3, контур управления настройками ФПУ представляет собой систему стабилизации средних яркостей цветовых каналов (для гипотезы «серого мира») относительно заданного значения. Первичные значения средних яркостей красного, пары зеленых и синего цветовых каналов соответственно рассчитываются в демультиплексоре цветовых каналов (ДЦК), который разлагает передаваемый байеровский кадр на четыре параллельных потока данных (соответствующих цветовым каналам) и рассчитывает среднекадровые яркости цветовых каналов:

где M, N - вертикальный и горизонтальный размеры полного кадра в пикселях соответственно; Y_i (k;m,n) - яркость пикселя цветового канала с индексом i, расположенного в байеровском кадре, снятом в момент дискретного времени k.

Среднее значение в (2) рассчитывается по четверти кадра, т.к. количество пикселей в каждом цветовом канале составляет четверть от общего количества пикселей в кадре, сформированном на основе байеровской палитры [5, 6].

Для исключения «мигания» изображения, вызванного попытками перестройки системы регулирования при скачкообразных изменениях освещенности ФПУ (связанных, например, с быстрым перемещением в поле зрения камеры людей, машин и т.д.), контур автоподстройки должен реагировать только на относительно медленные изменения освещенности матрицы. Для этого в предлагаемом устройстве первичные среднекадровые яркости пропускаются через цифровые фильтры низкой частоты (ФНЧ). Передаточные функции фильтров:

Коэффициенты фильтров выбирались так, чтобы исключить применение умножителей при аппаратной реализации фильтров и обеспечить единичное усиление на нулевой частоте.

С выхода ФНЧ сглаженное значение Y_i подается на вход средству вычисления разности, в котором вычисляется отклонение средней яркости от заданного значения яркости Y₀:

Далее отклонения (4) подвергаются нелинейной обработке в управляемом нелинейном корректирующем устройстве (НКУ). Форма статической передаточной функции НКУ представлена на фиг.5, а параметры этой функции - полуширина зоны нечувствительности 0-1, полуширина зоны 1-2 с фиксированным выходом, коэффициент усиления в зоне 2-3 задаются через соответствующие регистры управления. Управляемая зона нечувствительности введена в НКУ для подавления предельных циклов, которые возникают в замкнутых системах управления, содержащих устройства квантования по уровню.

Сигнал ошибки , скорректированный в НКУ, подается на входы пары цифровых интеграторов, описываемых разностными соотношениями:

где I_i(k), T(k) - выходы интегратора для коэффициентов усиления и времени экспозиции соответственно; р_G, р_T - коэффициенты усиления интеграторов.

На основании выходов интеграторов (5) рассчитываются обновленные значения коэффициентов усиления цветовых каналов. Для алгоритма, представленного на фиг.3, значения коэффициентов усиления снимаются непосредственно с выходов интеграторов:

Обновленное значение T(k) времени экспозиции снимается непосредственно с выхода своего интегратора без дополнительных преобразований.

Значения коэффициентов усиления p _G, p_T интеграторов зависят от знака входного сигнала и от текущих значений коэффициентов усиления и времени экспозиции. В устройстве на фиг.3, если все ошибки стабилизации (i=R, G0, G1, B), т.е. требуется увеличить средние яркости всех цветовых каналов выходного изображения, то сначала увеличиваются коэффициенты усиления, при сохранении значения времени экспозиции, т.е. р_G=1, р_T=0. При достижении одним из обновленных значений коэффициентов максимального значения G_MAX и сохранении знака ошибки стабилизации, значения коэффициентов усиления не обновляются, но начинает увеличиваться время экспозиции, т.е. p _G=0, p_T= T_EXP. Значение Т_EXP шага изменения времени экспозиции считывается из соответствующего регистра управления.

Если , т.е. требуется уменьшить яркости всех цветовых каналов выходного изображения, то сначала уменьшается время экспозиции, при сохранении коэффициентов усиления, т.е. p _G=0, p_T= Т_EXP. При достижении временем экспозиции минимального значения Т_MIN начинают уменьшаться коэффициенты усиления, т.е. p_G=1, p _T=0. Т.о. общее выражение для коэффициентов усиления интеграторов имеет вид:

Если знаки ошибки стабилизации не равны одновременно для всех цветовых каналов, это означает, что для текущего сюжета гипотеза «серого мира» неверна. В этом случае время экспозиции не регулируется, т.е. р _G=1, р_T=0.

Если все ошибки стабилизации равны нулю, процесс регулирования приостанавливается, т.е. р_G=0, р_T=0.

Возможен и другой порядок изменения коэффициентов усиления и времени экспозиции. Так при необходимости увеличения сигнала сначала увеличивается время экспозиции, вплоть до ограничения, а затем увеличиваются коэффициенты усиления. Если необходимо уменьшить уровень сигнала в каком-либо цветовом канале, сначала выполняется настройка коэффициентов усиления, а затем уменьшается время экспозиции.

Результаты расчетов коэффициентов усиления и времени экспозиции, выполненных внутри временного интервала между двумя последовательными кадрами, записываются в регистры управления коэффициентами передачи усилителей цветовых каналов и в регистры управления временем экспозиции матричного ФПУ. Запись может производиться через специализированный интерфейс управления матрицей, если ФПУ и контроллер матрицы выполнены в виде отдельных кристаллов. Регистры результата вычислений одновременно являются регистрами управления коэффициентами усиления и временем экспозиции, если фотоприемная матрица и схема управления размещены в пределах одного кристалла.

Вариант 2. Еще одно возможное решение построения системы управления настройками ФПУ представлено на фиг.4. Структурная схема содержит следующие средства: 1 - объектив, 4 - фотоприемник для формирования сигнала изображения, 5 - средство выборки для выборки указанного сигнала изображения, 6 - усилитель с автоматическим управлением коэффициентом усиления, 7 - аналого-цифровой преобразователь для преобразования сигнала изображения в цифровую форму, 15 - первый интегратор для формирования коэффициента усиления усилителя с автоматическим управлением коэффициентом усиления, 23 - цифровой фильтр низкой частоты второго порядка, 24 - средство вычисления разности, вычисляющее разность между среднекадровой яркостью и заданной яркостью, 25 - нелинейное корректирующее устройство (НКУ), 27 - средство задания коэффициента усиления первого интегратора, 28 - второй интегратор, используемый для формирования времени экспозиции фотоприемника, 29 - средство задания коэффициента усиления второго интегратора, 30 - средство управления интеграторами, 31 - средство масштабирования коэффициента усиления, 32 - средство вычисления среднекадровой яркости.

Как видно из фиг.4, контур управления настройками ФПУ представляют собой систему стабилизации средней яркости изображения относительно заданного значения, то есть для гипотезы «пропорционального мира», согласно которой средние значения яркостей цветовых компонент пестрого фона связаны между собой постоянными коэффициентами пропорциональности.

Средняя яркость изображения , являющаяся входным сигналом регулятора на фиг.4, рассчитывается из (2) за счет дополнительной реализации в ДЦК стандартной формулы расчета яркости трехцветного пикселя для колориметрической системы NTSC [10]:

Для данного устройства значения, снимаемые с выхода первого интегратора, присваиваются значению коэффициента усиления для первого зеленого канала, т.е. G_G0 =I_AV. Коэффициенты усиления для второго зеленого, синего и красного цветовых каналов рассчитываются с использованием предопределенных коэффициентов пропорциональности, записанных в соответствующие регистры контроллера ФПУ:

Обновленное значение T(k) времени экспозиции снимается непосредственно с выхода своего интегратора без дополнительных преобразований.

Для данного метода правило вычисления коэффициентов усиления p_G, p_T интеграторов аналогично (7), за исключением того, что в этом случае проверяется знак только одной ошибки стабилизации , т.е. i=AV.

Устройства, рассмотренные в данном техническом решении, могут быть реализованы как в отдельных микросхемах контроллеров цветных матричных ФПУ, так и в виде блоков, пригодных для размещения на одном кристалле с фотоприемной матрицей. В первом случае контроллер управляет внешним фотоприемником через конфигурируемый последовательный интерфейс, во втором - блок автоматического регулирования имеет непосредственный доступ к регистрам управления матричным фотоприемником.

Литература

1. Патент США № 5016093.

2. Патент США № 6704046.

3. Патент США № 7099639.

4. Патент США № 7015956.

5. Патент США № 3971065.

6. The ADCS Family of CMOS Image Sensors. Agilent Technologies Part Number ADCS-2021/1021, ADCS-2121/1121 Product Technical Specification. Revision 1.5. // Agilent Technologies, Inc. 2002.

7. Патент США № 5965875

8. Патент США № 5053877.

9. Патент США № 6859230.

10. Красильников Н.Н. Цифровая обработка изображений. - М.: Вузовская книга, 2001. - 320 с.