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CN109644258B - 用于变焦摄影的多相机系统 - Google Patents

用于变焦摄影的多相机系统 Download PDF

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CN109644258B
CN109644258B CN201680088745.5A CN201680088745A CN109644258B CN 109644258 B CN109644258 B CN 109644258B CN 201680088745 A CN201680088745 A CN 201680088745A CN 109644258 B CN109644258 B CN 109644258B
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Abstract

本发明的一方面提供了一种变焦相机，包括：第一相机，包括第一镜头和具有方形像素的彩色图像传感器，其中所述彩色图像传感器覆有滤色镜，所述滤色镜位于所述方形像素前面；第二相机，包括第二镜头和具有方形像素的单色图像传感器，所述单色图像传感器的像素排列相对于所述彩色图像传感器的像素排列旋转45度；第一内插构件，用于内插所述彩色图像传感器输出的信号，将所述内插信号转换为色差信号，并输出所述色差信号；第二内插构件，用于内插所述单色图像传感器输出的信号并输出内插亮度信号；第一裁剪构件，用于裁剪所述色差信号；第二裁剪构件，用于裁剪所述内插亮度信号；以及彩色图像信号处理构件，用于融合所述裁剪的色差信号与所述裁剪的内插亮度信号。

Description

用于变焦摄影的多相机系统
技术领域
本申请涉及一种内置于智能手机或任何其它装置中的相机，尤其涉及一种具有变焦功能的相机。
背景技术
当前，大多数智能手机都有内置相机。内置于智能手机中的相机的性能进行了改进，现在已堪比数码相机(digital still camera，DSC)和单反相机(digital single lensreflex camera，DSLR相机)的性能。为了进一步扩大智能手机的内置相机的应用范围，越来越需要一种高质量的变焦功能。
一般而言，由于大小和厚度限制，智能手机的内置相机使用固定的聚焦镜头而非变焦镜头。变焦功能通过如下方式实现：
1、电子信号处理
对整个捕获图像的一部分进行裁剪和电子放大，并且还进行清晰度控制、超分辨率处理和其它类型的细节/分辨率增强。
2、使用两个相机
使用两个相机，即，广角相机和远距相机。根据变焦位置将来自这两个相机的两个图像相互合并。
以上第1条所述的方法存在的问题是，由于图像被裁剪，所以分辨率下降。例如，当使用总像素数为8M的图像传感器来捕获变焦放大倍数为2x的图像时，放大后的图像的像素数减至2M，这是不期望的。像素数的减少会使分辨率降低，因此会丢失细节和纹理信息。即使进行了清晰度控制和超分辨率处理，也不能说实现了无损变焦功能，细节的图像质量不如通过光学变焦实现的细节的图像质量。
以上第2条所述的方法存在的问题是智能手机的设计(外观)，因为远距镜头的焦距较长。当远距镜头内置于较薄的智能手机中时，内置远距镜头的部分比其它部分厚，导致外观不佳。
发明内容
本发明的目的是提供一种变焦相机，所述变焦相机产生图像质量不受损或仅少量受损的图像，即使所述图像被放大，并且还保持较薄的外观。
本发明的第一方面提供了一种变焦相机。所述变焦相机包括两个相机：第一相机和第二相机。
所述第一相机包括第一镜头和具有方形像素的彩色图像传感器，其中所述彩色图像传感器覆有滤色镜，所述滤色镜位于所述方形像素前面。
所述第二相机包括第二镜头和具有方形像素的单色图像传感器，所述单色图像传感器的像素排列相对于所述彩色图像传感器的像素排列旋转45度。
所述变焦相机还包括：第一内插构件，用于内插所述彩色图像传感器输出的信号，将所述内插信号转换为色差信号，并输出所述色差信号；
第二内插构件，用于内插所述单色图像传感器输出的信号并输出内插亮度信号；
第一裁剪构件，用于裁剪所述色差信号；
第二裁剪构件，用于裁剪所述内插亮度信号；以及
彩色图像信号处理构件，用于融合所述裁剪的色差信号与所述裁剪的内插亮度信号。
当使用拜耳模式的滤色镜时，所述第一内插构件对所述彩色图像传感器中的每个覆有绿滤光镜的像素所输出的信号执行的内插和所述第二内插构件执行的信号内插可使用相同的算法。
所述第二镜头的焦距可以比所述第一镜头的焦距长。
所述单色图像传感器中提供的像素总数可基本等于所述彩色图像传感器中提供的像素总数。
所述单色图像传感器中提供的像素总数可大于所述彩色图像传感器中提供的像素总数。
本发明的第二方面提供了一种变焦相机。所述变焦相机包括两个相机：第一相机和第二相机。
所述第一相机包括第一镜头和具有方形像素的彩色图像传感器，其中所述彩色图像传感器覆有滤色镜，所述滤色镜位于所述方形像素前面。
所述第二相机包括第二镜头和具有方形像素的单色图像传感器，所述单色图像传感器的像素排列相对于所述彩色图像传感器的像素排列旋转45度。
所述变焦相机还包括：第一内插构件，用于内插所述彩色图像传感器输出的信号，将所述内插信号转换为色差信号和低频亮度信号，并输出所述色差信号和所述低频亮度信号；
第二内插构件，用于内插所述单色图像传感器输出的信号并输出高频亮度信号；
亮度信号融合构件，用于融合所述低频亮度信号与所述高频亮度信号并输出融合亮度信号；
第一裁剪构件，用于裁剪所述色差信号；
第二裁剪构件，用于裁剪所述融合亮度信号；以及
彩色图像信号处理构件，用于融合所述裁剪的色差信号与所述裁剪的融合亮度信号。
附图说明
图1所示为覆有拜耳模式的滤色镜的彩色图像传感器和无滤色镜覆盖的黑/白(black/white，B/W)图像传感器。
图2所示为对角线方向的像素排列。
图3所示为本发明实施例中的彩色图像传感器和黑/白图像传感器。
图4所示为根据本发明实施例的变焦相机的第一配置示例。
图5所示为根据本发明实施例的变焦相机的第二配置示例。
图6所示为本发明第一实施例。
图7所示为本发明第二实施例。
具体实施方式
出于成本原因和其它原因，智能手机和任何其它类似装置中的相机通常使用单片式图像传感器。该图像传感器的每个像素只提供光亮度信息。为了产生彩色图像，使用三种颜色(红色、绿色和蓝色)的滤色镜来覆盖这些像素。滤色镜的排列模式通常是拜耳模式。
图1所示为覆有拜耳模式的滤色镜的彩色图像传感器和无滤色镜覆盖的黑/白(black/white，B/W)图像传感器。此处使用的黑/白图像传感器是检测光的灰度电平的传感器，包括单色图像传感器。各像素通常为方形。假设每个像素的每一侧的长度都为1，像素间的间距也为1。
在拜耳模式的滤色镜配置中，三种颜色的滤色镜排列在2×2＝4个像素上。由于人眼对绿色最敏感，所以绿色信号对亮度信号(Y信号)的作用最大。因此，将绿色分配给两个像素，将红色和蓝色分别分配给另外两个像素。绿色像素按棋格状排列。也就是说，如图1所示，绿色(green，G)像素和红色(red，R)或蓝色(blue，B)像素交替排列。
由于一个像素仅产生一个彩色信号，所以另外两个彩色信号通过以下方式产生：使用图像信号处理器(image signal processor，ISP)对周围像素产生的信号进行内插(去马赛克)。例如，图1所示的G22像素位置处的一组三个彩色信号如下：
绿色信号＝G22
红色信号＝(R12+R32)/2
蓝色信号＝(B21+B23)/2
G22像素位置处的合成彩色信号由上述绿色、红色和蓝色信号合成。G22像素位置处的亮度信号Y通过将一组绿色、红色和蓝色信号转变为一组亮度信号Y和色差信号Cb与Cr来获得。
参照图2，图2所示为对角线方向的像素排列，一个绿色行与一个红色/蓝色行在彩色图像传感器的对角线方向交替排列。
彩色图像传感器的亮度信号通常由来自绿色像素的信号决定，尽管在某些情况下通过来自红色和蓝色像素的信号进行增强。绿色像素之间的间距是黑/白图像传感器的像素之间的间距的两倍。因此，就亮度信号而言，彩色图像传感器的分辨率是黑/白图像传感器的分辨率的一半。
图3所示为本发明实施例中的彩色图像传感器和黑/白图像传感器。根据本发明实施例的变焦相机包括两个相机。第一相机具有内置彩色图像传感器，该彩色图像传感器覆有拜耳模式的滤色镜，第二相机具有内置黑/白图像传感器。该彩色图像传感器和黑/白图像传感器的像素大小可相同或不同，为便于描述，下文将参照它们的像素大小相同的情况进行描述。该彩色图像传感器和黑/白图像传感器具有相同的方形像素。假设每个像素的每一侧的长度都为1，像素间的间距也为1。
黑/白图像传感器中的像素排列相对于彩色图像传感器中的像素排列旋转45度，如图3(a)所示。
彩色图像传感器中的绿色像素和黑/白图像传感器中的像素按相同的形状排列，如图3(b)所示。然而，对角线方向的像素间间距在彩色图像传感器中为1.4，在黑/白图像传感器中为1.0。
在图3(c)的下图中，在黑/白图像传感器中的实像素之间显示内插所产生的虚像素。另一方面，在彩色图像传感器中，每个像素位置处的合成彩色信号包括周围像素所产生的信号的内插。内插之后的像素之间的间距在彩色图像传感器中为1，在黑/白图像传感器中为0.71，如图3(d)所示。假设短语“内插之后的像素”包括内插所产生的虚像素。从黑/白图像传感器获得的内插后分辨率是从彩色图像传感器获得的内插后分辨率的1.4倍。因此，即使将从黑/白图像传感器获得的内插图像进行裁剪再放大1.4倍，放大后的图像的分辨率也等于从彩色图像传感器获得的内插图像的分辨率。由于黑/白图像传感器的灵敏度高于彩色图像传感器的灵敏度，所高出的量是滤色镜所减少的量，所以黑/白图像传感器的信噪比(signal to noise ratio，SNR)也高于彩色图像传感器的SNR。
图4所示为根据本发明实施例的变焦相机的第一配置示例。变焦相机包括第一相机1和第二相机2。第一相机1具有第一镜头3和内置彩色图像传感器4，第二相机2具有第二镜头5和内置黑/白图像传感器6。黑/白图像传感器6的像素排列相对于彩色图像传感器4的像素排列旋转45度。
第一内插构件7对彩色图像传感器4输出的红色、绿色和蓝色信号进行内插以在各个像素位置处产生合成彩色信号(一组红色、绿色和蓝色信号)，并且一组红色、绿色和蓝色信号被转变为一组亮度信号Y和色差信号Cb与Cr。第一内插构件7输出色差信号Cb与Cr。
第二内插构件8对黑/白图像传感器6输出的亮度信号进行内插，输出内插亮度信号Y。
将色差信号Cb与Cr输入到第一裁剪构件9，第一裁剪构件9从整个图像中裁剪出必要的范围。将内插亮度信号Y输入到第二裁剪构件10，第二裁剪构件10也从整个图像中裁剪出必要的范围。彩色图像信号处理构件11对裁剪之后的色差信号和亮度信号进行融合。色差信号的分辨率低于亮度信号的分辨率，但是分辨率的差异不会让观看者感觉图像不自然，因为人眼的颜色分辨率低于其亮度分辨率。
图5所示为根据本发明实施例的变焦相机的第二配置示例。在本示例中，还使用第一内插构件7输出的低频亮度信号Ylow。
第一内插构件7从彩色信号产生色差信号Cb与Cr以及低频亮度信号Ylow，将低频亮度信号Ylow输入到亮度信号融合构件13。第二内插构件8输出的内插亮度信号(高频亮度信号Yhigh)穿过高通/带通滤波器12，然后输入到亮度信号融合构件13。亮度信号融合构件13对低频亮度信号Ylow和高频亮度信号Yhigh进行融合，将融合亮度信号Y'输入到第二裁剪构件10。其它配置与第一示例中的配置相同。
图6所示为本发明第一实施例。在本实施例中，第一相机使用广角镜头，第二相机使用远距镜头，第一相机的视场(field of view，FOV)设为第二相机的视场的约两倍。第二镜头的焦距是第一镜头的焦距的两倍。将从第一相机获得的图像和从第二相机获得的图像进行融合以实现“变焦”。彩色图像传感器的像素总数基本等于黑/白图像传感器的像素总数。根据本实施例，可以使用2x光学“变焦”镜头(在实践中是两个镜头具有不同的焦距)来实现约3x“变焦”。
具体地，彩色图像传感器的像素总数为3000×4000＝12M像素，黑/白图像传感器的像素总数基本相同。
黑/白图像传感器的像素排列相对于彩色图像传感器的像素排列旋转45度。因此，就亮度信号而言，从黑/白图像传感器获得的内插像素之间的间距是从彩色图像传感器获得的内插像素之间的间距的约0.71(1/(2的平方根))倍。因此，从黑/白图像传感器获得的内插后分辨率是从彩色图像传感器获得的内插后分辨率的约1.4(2的平方根)倍。这意味着，相比于从彩色图像传感器获得的图像，从黑/白图像传感器获得的图像可以进行裁剪并且最大可以放大约1.4倍而不会降低分辨率。
由于总变焦倍率是光学变焦倍率与裁剪相关变焦倍率的乘积，因此可以实现约3x变焦。在这种情况下，由于光学变焦倍率仅需为2x，所以相比于提供3x光学变焦的情况，镜头的焦距可以缩短。因此，相机的总长度可以缩短。
图7所示为本发明第二实施例。将黑/白图像传感器的像素总数设为大于彩色图像传感器的像素总数可以实现更高的变焦倍率。例如，相对于彩色图像传感器中的像素总数12M像素，将黑/白图像传感器的像素总数设为17M像素支持分辨率提高约1.7倍，这是因为像素数量增加。使用2x光学变焦(在实践中是焦距为两倍长的镜头)可以实现约3.4x变焦。

Claims (14)

1.一种变焦相机，其特征在于，包括：
第一相机，包括第一镜头和具有方形像素的彩色图像传感器，其中所述彩色图像传感器覆有滤色镜，所述滤色镜位于所述方形像素前面；
第二相机，包括第二镜头和具有方形像素的单色图像传感器，所述单色图像传感器的像素排列相对于所述彩色图像传感器的像素排列旋转45度；
第一内插构件，用于内插所述彩色图像传感器输出的信号，将所述内插信号转换为色差信号，并输出所述色差信号；
第二内插构件，用于内插所述单色图像传感器输出的信号并输出内插亮度信号；
第一裁剪构件，用于裁剪所述色差信号；
第二裁剪构件，用于裁剪所述内插亮度信号；以及
彩色图像信号处理构件，用于融合所述裁剪的色差信号与所述裁剪的内插亮度信号。
2.根据权利要求1所述的变焦相机，其特征在于，所述滤色镜是拜耳模式的滤色镜，所述第一内插构件对所述彩色图像传感器中的每个覆有绿滤光镜的像素所输出的信号执行的内插和所述第二内插构件执行的信号内插使用相同的算法。
3.根据权利要求1或2所述的变焦相机，其特征在于，所述第二镜头的焦距比所述第一镜头的焦距长。
4.根据权利要求1或2所述的变焦相机，其特征在于，所述单色图像传感器中提供的像素总数等于所述彩色图像传感器中提供的像素总数。
5.根据权利要求3所述的变焦相机，其特征在于，所述单色图像传感器中提供的像素总数等于所述彩色图像传感器中提供的像素总数。
6.根据权利要求1或2所述的变焦相机，其特征在于，所述单色图像传感器中提供的像素总数大于所述彩色图像传感器中提供的像素总数。
7.根据权利要求3所述的变焦相机，其特征在于，所述单色图像传感器中提供的像素总数大于所述彩色图像传感器中提供的像素总数。
8.一种变焦相机，其特征在于，包括：
第一相机，包括第一镜头和具有方形像素的彩色图像传感器，其中所述彩色图像传感器覆有滤色镜，所述滤色镜位于所述方形像素前面；
第二相机，包括第二镜头和具有方形像素的单色图像传感器，所述单色图像传感器的像素排列相对于所述彩色图像传感器的像素排列旋转45度；
第一内插构件，用于内插所述彩色图像传感器输出的信号，将所述内插信号转换为色差信号和低频亮度信号，并输出所述色差信号和所述低频亮度信号；
第二内插构件，用于内插所述单色图像传感器输出的信号并输出高频亮度信号；
亮度信号融合构件，用于融合所述低频亮度信号与所述高频亮度信号并输出融合亮度信号；
第一裁剪构件，用于裁剪所述色差信号；
第二裁剪构件，用于裁剪所述融合亮度信号；以及
彩色图像信号处理构件，用于融合所述裁剪的色差信号与所述裁剪的融合亮度信号。
9.根据权利要求8所述的变焦相机，其特征在于，所述滤色镜是拜耳模式的滤色镜，所述第一内插构件对所述彩色图像传感器中的每个覆有绿滤光镜的像素所输出的信号执行的内插和所述第二内插构件执行的信号内插使用相同的算法。
10.根据权利要求8或9所述的变焦相机，其特征在于，所述第二镜头的焦距比所述第一镜头的焦距长。
11.根据权利要求8或9所述的变焦相机，其特征在于，所述单色图像传感器中提供的像素总数等于所述彩色图像传感器中提供的像素总数。
12.根据权利要求10所述的变焦相机，其特征在于，所述单色图像传感器中提供的像素总数等于所述彩色图像传感器中提供的像素总数。
13.根据权利要求8或9所述的变焦相机，其特征在于，所述单色图像传感器中提供的像素总数大于所述彩色图像传感器中提供的像素总数。
14.根据权利要求10所述的变焦相机，其特征在于，所述单色图像传感器中提供的像素总数大于所述彩色图像传感器中提供的像素总数。
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