CN112585644A - 在相机摇摄或运动中创建背景模糊的***及方法 - Google Patents
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Abstract
在相机摇摄或运动中产生背景模糊的***、成像设备及方法。使用具有一图像传感器的一成像设备,方法可包括在一场景中选定要追踪的一对象,录制一图像或一图像流,以及在所述选定对象相对于所述成像设备或相对于所述场景移动的时候,将所述选定对象光学地及/或数字地对准于所述图像传感器上的一相同位置,从而创建相对于所述选定对象的一模糊的图像背景及/或前景以及一摇摄或运动感。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2019年7月31日提交的美国临时专利申请62/881,007的优先权,其揭露内容的全文以引用方式并入本文。
技术领域
本文所揭露的实施例一般涉及数码相机,特别是涉及相机摇摄或运动期间的效果。
背景技术
手动相机摇摄涉及用户在获取期间开启相机快门并追踪移动的被摄物(或对象)时,在关闭快门之前的曝光期间内保持被摄物或对象在帧的相同位置,从而获取包括模糊背景和相对锐利的被摄物的图像。曝光时间必须足够长,以便在摄影师跟随取景器中的对象时由于相机移动使得背景模糊。在下面的描述中,“被摄物”和“对象”可以互换使用。
摄影师摇摄相机以盲目追踪选定对象的能力也是拍摄运动中的选定对象的图像的关键。较差的技术可能导致选定对象及背景及/或前景都模糊,例如由于手部移动。因此,通过手动相机摇摄来拍摄描述选定对象的运动感的图像可能相当困难。为了帮助拍摄摇摄照片,摄影师可使用三脚架及单脚架或运动控制相机机器人,使得在一个平面上很容易摆动相机,同时在其他平面上保持稳定。
通常,尤其是在体育摄影领域,拍摄描绘选定对象的运动感的图像是期望的。一种利用简单的摄影技术拍摄描绘选定对象的运动感的图像的改进方法是期望的,该方法通过简单的摄影技术拍摄描绘选定对象的运动感的图像,所述方法产生平稳的背景/前景模糊及大视场(FOV)。
发明内容
本文揭露的实施例教导用于自动产生具有摇摄效果以及从相机或对象运动所导出的其他模糊效果的静止图像或视频的方法。所述方法使用单一相机或多个相机,并根据一个或多个相机或场景的移动输出背景及前景模糊。
在多个示例性实施例中,提供一种方法包括:在包括一图像传感器的一成像设备中,在一场景中选定要追踪的一对象;录制一图像或一图像流以提供一相应的录制图像或录制图像流;以及在所述选定对象相对于所述成像设备或相对于所述场景移动的时候,将所述选定对象对准于图像传感器上的一相同给定位置,从而创建相对于所述选定对象的一模糊的图像背景及/或前景。
在一实施例中,所述对准包括将所述选定对象光学地对准于所述图像传感器上的一相同给定位置。
在一实施例中,所述成像设备包括具有一第一图像传感器的一第一相机和具有一第二图像传感器的一第二相机,其中所述录制和对准是使用所述第一相机进行,以及其中所述对准所需的至少一个参数是使用所述第二相机所提供的信息进行计算。
在一实施例中,所述图像传感器包括提供用于计算所述对准所需的至少一个参数的信息的第一多个像素,以及用于所述录制的第二多个像素。
在一实施例中,所述录制包括录制多个帧,以及其中所述对准包括将所述选定对象光学地对准于所述图像传感器上的一类似位置且进一步将所述选定对象数字地对准于所述图像传感器上的所述相同给定位置。
在一实施例中,所述录制包括录制多个帧,以及其中所述对准包括将所述选定对象光学地对准于所述图像传感器上的多个离散像素且进一步将所述选定对象数字地对准于所述图像传感器上的所述相同给定位置。
在一实施例中,所述录制图像流包括多个单一图像,以及其中所述方法还包括使用单一图像数据产生人工图像数据。
在一实施例中,所述方法还包括以不同于用于录制所述图像流的帧速率的帧速率(fps)播放所述录制图像流。
在一实施例中,所述录制图像流被分为两个或多个序列,以及其中所述方法还包括以不同的帧速率播放各个序列。
在一实施例中,所述方法还包括将所述录制图像流分为两个或多个显示不同模糊程度的序列。
在一实施例中,所述对准包括对所述选定对象的一未来位置进行推断。
在一实施例中,所述选定对象包括一星体。
在一实施例中,所述对准所需的所述至少一个参数是从由一移位参数、一缩放参数及一旋转参数所组成的群组中选择。
在一实施例中,所述录制包括录制多个帧,以及其中所述对准包括将所述选定对象光学地对准于所述第一图像传感器上的一类似位置且进一步将所述选定对象数字地对准于所述第一图像传感器上的所述相同给定位置。
在一实施例中,所述录制包括录制多个帧,以及其中所述对准包括将所述选定对象光学地对准于所述图像传感器上的多个离散像素且进一步将所述选定对象数字地对准于所述图像传感器上的所述相同给定位置。
在一实施例中,所述第一相机及所述第二相机之间的校准数据是存储在一非易失性存储器中。
在一实施例中,所述第一和第二多个像素相加为传感器像素的总数。
在一实施例中,所述对准所需的所述至少一个参数是从由一移位参数、一缩放参数及一旋转参数所组成的群组中选择。
在一实施例中,所述人工图像数据用于增加图像模糊的均匀性。
在多个示例性实施例中,提供一种***包括:一成像设备,其包括用于录制一图像或一图像流以提供一相应的录制图像或录制图像流的一图像传感器;以及一处理器,其被配置为在一场景中选定要追踪的一对象,以及在所述选定对象相对于所述成像设备或相对于所述场景移动的时候将所述选定对象对准于所述图像传感器上的一相同给定位置,从而创建相对于所述选定对象的一模糊的图像背景及/或前景。
在一实施例中,将所述选定对象对准于所述图像传感器上的一相同给定位置的所述处理器配置包括指示一反射组件对包括所述对象的一视场进行扫描的一配置。
在一实施例中,所述成像设备包括一第一相机及一第二相机。
在各种实施例中,如上或下的一***是一智能手机。
附图说明
本文所揭露的多个实施例的多个非限制性示例是参考本段后面列出的附图来描述。附图和说明书意在解释和阐明本文所揭露的多个实施例且不应被认为以任何方式所限制。不同附图中的类似元件可以用相似的编号表示。附图中的元件不一定按照比例绘制。
图1A示出了使用低频拍摄进行多帧平均的现象;
图1B示出了使用高频拍摄进行多帧平均的现象;
图2A示出了具有对象且对象相对于固定(非移动)背景移动的动态场景的示例;
图2B示出了相机在拍摄具有相对于背景固定的位置的对象时移动的动态场景的示例;
图3在(a)到(g)示出了不同类型的示例性模糊效果;
图4示出了利用离相机更远/更靠近相机的对象移动的示例性背景模糊;
图5示出了利用垂直于相机的光轴的对象移动的示例性背景;
图6示出了利用垂直于相机光轴的相机运动的示例性背景模糊;
图7在流程图中示出了用于拍摄描述本文所揭露的对象的运动感的图像的方法的示例性实施例;
图8A示意性地示出了具有可调节的远程视场的双孔径数码相机的实施例;
图8B示意性地示出了具有可调节视场的单孔径折叠数码相机;
图9示意性地示出了包括具有至少一个扫描远程相机的多孔径相机的电子设备的实施例。
具体实施方式
图1A示出了通过对以低频拍摄的多个单一图像进行平均所产生的一动态场景的一平均图像的一示例。所述场景示出了包括树和选定对象104的背景102。低频拍摄意味着在两个连续拍摄的图像之间经过相对较长的时间。术语“相对较长的时间”是指场景中发生大量移动的时间区间。在低频下拍摄单一图像可以得到在物体特征之间具有可见“阶状”的一个平均图像。作为示例,我们参考在背景中的两棵树102的各自顶部的位置a-d之间可见的阶状。
本领域已知的人工模糊可用于修改平均图像并获得图像特征或区域的更为连续的模糊。例如,可以使用人工模糊来获得如图1B中的树顶所呈现的模糊程度。在其他示例中,可以通过产生人工图像数据来获得更为连续的模糊。参考图1A中可见的左树的图像数据,例如可以使用来自创建树的左顶部的帧的图像数据(第一图像数据)和来自创建树的右顶部的帧的图像数据(第二图像数据)来人工产生一个或多个图像。例如,可以应用将对象(此处:树)从第一位置移动到第二位置(此处:从左边到右边位置)的运动模型。图像数据可通过“冻结”(freezing)由运动模型所产生的一个或多个位置来人工产生。运动模型可以是沿着将对象特征(此处:树的顶部)在第一位置连接到第二位置(此处:从左边到右边位置)的直线的匀速运动或是任何其他运动,例如匀加速运动或沿着任意非直线进行的运动。
在一些示例中,“模糊程度”可以相对地并且仅相对于视觉外观来定义。例如,当比较两个或多个对于技术人员显现为较高模糊或较少模糊的图像时,可指的是“较强的模糊”与“较弱的模糊”或“模糊程度降低”等。在一些情况下,“模糊程度”可由如本文所述的用于产生具有模糊背景及/或前景的图像所进行平均的图像(或“帧”)的数目来定义。较高程度的模糊可对应于较多数量的图像被平均以用于图像生成。在又一示例中,“模糊程度”可由用于产生图像所进行平均的像素的数目来定义。较高程度的模糊可对应于较多数量的像素被平均以用于图像生成。例如,如果2到3个像素被平均则可以获得较低程度的模糊,且如果40到50个像素被平均则可以获得较高程度的模糊。在又一示例中,“模糊程度”可由一个值来定义,该值可通过计算与所有像素及所有平均图像的相同像素的值的图像与图像的偏差(image-to-image deviation)的总和来获得。较高程度的模糊可对应于较高的总和值。本领域已知的函数(例如均方根(rms)函数)可用于计算所述偏差。
图1B示出了通过对以高频拍摄的多个单一图像进行平均所产生的一动态场景的一平均图像的另一示例。高频拍摄意味着两个连续拍摄的图像之间经过相对较短的时间。在高频下拍摄单一图像可得到几乎没有可见的阶状但在对象特征之间有平滑过渡的一个平均图像。在背景102中的树的位置的示例中,我们没有发现如图1A中那样可见的阶状,而是在树的不同位置之间的平滑过渡。所述平滑过渡可以是理想的,因为它可被感知为均匀模糊。
摄影的动态场景可能涉及相机运动、对象运动或两者。图2A示出了具有对象200(例如,滑板上的男孩)且所述对象200相对于固定(非移动)背景202移动的动态场景的一示例。所述场景通过相机204成像(拍摄)。相机204可包括镜头、图像传感器及处理单元(处理器),也见于图9。图2B示出了在拍摄相对于背景202具有固定位置的选定对象(例如,儿童)200’时移动相机204的另一动态场景的一示例。图2A中的选定对象200和背景202,或图2B中的选定对象200’和背景202与相机204的距离不同。
在拍摄动态场景时,最好在具有模糊的背景及/或前景的情况下保持对象聚焦。本文所公开的实施例以许多方式提供了这一点,其中一些在图3中所示出。
图3在(a)到(g)中示出了由本文公开的方法所产生的不同类型的示例性模糊效果:(a)相机沿X方向移位,其中在对象304保持锐利的同时,对象(人形)304后面的背景树302在X方向上展现线性模糊;(b)在X和Y方向上的小相机移位导致在树302中的高斯或“圆盘”(disk)类型的模糊;(c)在X和Y方向上的大相机移位导致在树302中的“心形”类型的模糊;(d)对象304相对于树302在X方向上的移动导致移位类型的模糊(类似于(a)的移动,但与所述移动相比要小一些,且与对象和背景之间的距离无关);(e)对象304相对于树302在Z方向上的移动导致缩放类型的模糊;(f)对象304相对于树302的旋转导致旋转类型的模糊;(g)对象304相对于树302的变形运动(例如,挥手)导致非刚性物体形状改变/变换或非刚性物体/姿势改变类型的模糊;以及(h)相机沿X方向移位,其中在对象304保持锐利的同时,对象(人形)304后面的背景树302和前景树306在X方向上显示线性模糊。
在一些实施例中,本文所描述的方法不仅可用于对人们通常可称为动态场景的场景进行成像,还可用于其它目的,例如用于在弱光情况下的场景进行成像。“弱光”可定义为场景的平均亮度小于50到70勒克斯(Lux)的情况,例如20勒克斯或5勒克斯。更一般地,本文所描述的方法可用于拍摄具有长有效曝光时间的场景。长有效曝光时间可通过场景中的动态或运动程度与实际曝光时间的乘积来定义。长有效曝光时间可例如通过在曝光时间T1的期间以角速度ω1快速移动物体以及通过以较长曝光时间T2=2T1对以角速度ω2=1/2·ω1较缓慢移动的物体进行拍摄来获得。例如,以慢角速度ω移动的物体可以用长曝光时间T来进行拍摄,例如,在夜空中可看到的星体。
在一些实施例中,如果一个场景或整个场景中的一个或多个对象在曝光期间显著移动,则获得长的有效曝光时间。在一示例中,显著的移动量可被定义为在曝光期间导致一特定对象点在例如图像传感器的1到3个像素上的漏光(smearing)的移动。在另一实例中,显著的移动量可被定义为在曝光期间导致一特定对象点在例如10或更多个像素的漏光的移动。在又一实例中,显著的移动量可被定义为在曝光期间导致一特定物体点在例如20到250或更多个像素上的漏光的移动。
根据下面描述的实施例,背景和前景模糊可以通过以下四个情节有意地和人工地创建,参考图4-6说明.
在第一个情节中,选定对象从相机移近/移远,参见例如图4。当物体靠近相机移动时,其尺寸在相机图像传感器上变大;当物体远离相机移动时,其尺寸在相机图像传感器上变小。这代表比例变化。如果对象的比例变化不等于场景其余部分的比例变化,则不以这种方式移动的对象将变得模糊。在这种情节下,当录制开始时,在拍摄图像时使用机械变焦,所述对象被缩放(也称为“对准”)到它在传感器上的尺寸。
更详细地说,帧(a)示出了具有远离相机的对象(人形)400与在对象400后面包括两棵树402a和402b的背景的图像。对象400是选定的对象。帧(a)对应于图像录制开始时传感器上的初始场景。帧(b)示出了在没有使用对准的情况下,对象400’(表示此时处于不同位置和时间的对象400)更靠近相机的图像。如图4所示,在下面的图中5和6中标号500和600表示最初选定的对象,而标号500’和600’表示在不同位置和时间的相同的相应对象。帧(c)示出了对场景(b)光学地及/或数字地对准(缩放)到录制开始时传感器上的尺寸,参见下面的步骤708,使得对象与帧(a)中的尺寸和位置相同。注意,与帧(a)相比,所述移动相对于对象400’的尺寸减小了树402a’和402b’的尺寸。帧(c)对应于录制图像结束时传感器上的最终场景。帧(d)示出了来自拍摄的开始步骤704(帧a)和结束步骤710(帧c)的帧(a)和(c)的对象400和树402a和402b的重叠图像。帧(e)示出了最终的拍摄结果,其包括在录制期间在传感器上所捕获的光(步骤704–708)。这包括第一个场景(a)、最后一个场景(c)以及在其间的所有场景。
在一些实施例中并且可选地,对准可以在拍摄之后以数字方式进行。在其它实施例中,例如在多帧的情况下(参见下面的步骤708)并且可选地,部分对准可以在拍摄期间以光学方式及/或数字方式进行,且部分对准在拍摄之后以数字方式进行。例如,对准可以包括将选定对象光学地对准于图像传感器上的多个离散像素,且进一步将选定对象数字地对准于图像传感器上的相同给定位置。将选定对象光学地对准于多个离散像素可指的是不包括子像素对准的光学对准。
在第二个情节中,相机静止,且选定对象垂直于相机镜头的光轴移动(移位),参见例如图5。如果选定对象的移位移动不等于相机传感器上的场景的其余部分的移位移动,则不以这种方式移动的对象将模糊。在这种情节下,当录制开始时,选定对象被对准于其在传感器上的位置。选定对象在使用机械移位拍摄图像时进行对准(移位)。所述机械移位例如可通过移动反射组件或光路折叠组件(optical path folding element,OPFE)(例如,棱镜),或者是通过移动相机的镜头或者是通过移动相机模块的横向位置或倾斜角位置来进行。
图5描述了根据本文所描述用于选定对象垂直于相机镜头的光轴移动的情况的方法的一实施例所获得的背景模糊的结果。更详细地说,帧(a)示出了具有选定对象(人形)500以及于对象500后面包括两棵树502a和502b的背景的图像。帧(a)对应于开始录制图像时传感器上的初始场景。帧(b)示出了在没有使用对准的情况下,具有代表对象500相对于相机向右移动的的对象500’的图像。帧(c)示出了场景(b)通过移动视场(field of view,FOV)以对准对象500’来进行光学地及/或数字地对准(移位),参见下面的步骤708,使得对象500’与帧(a)中的对象500位于同一位置。注意,所述移位将传感器上的树502a’和502b’向左移动。帧(c)对应于图像录制结束时传感器上的最终场景。帧(d)示出了来自拍摄的开始步骤704(帧a)和结束步骤710(帧c)的帧(a)和(c)的对象500以及树502a和502b的重叠图像。帧(e)示出了最终的拍摄结果,其中包括在录制期间在传感器上所捕获的光(步骤704–708)。这包括第一个场景(a)、最后一个场景(c)以及在其间的所有场景。
在第三个情节中,当对象与背景/前景不移动的同时,相机垂直于光轴移动。这使得对象和相机之间的距离改变,例如参见图6。由于在整个移动过程中摄影机位置的基线之间的差异,场景中与相机的距离不同于选定对象的所有对象都将模糊。如果选定对象和摄影机之间的距离不等于其他对象或场景其余部分相对于相机传感器的距离,则它们在传感器上的移位将不同。不以相同方式移动的对象将变得模糊。在这种情节下,在拍摄图像时使用如上所述的机械移位来对准(移位)选定对象。
图6描述了根据本文所描述用于相机垂直于相机的光轴移动的情况的方法的一实施例所获得的背景模糊的结果。更详细地说,帧(a)示出了具有对象(人形)600以及于对象600后面包括两棵树602a和602b的背景的图像。对象600’代表已移位的对象600。帧(a)对应于图像录制开始时传感器上的初始场景。帧(b)示出了在未使用对准的情况下,由于相机的移动导致的相对于帧(a)的位置向右移动的图像。帧(c)示出了场景(b)通过移动视场以对准对象600’来进行光学地及/或数字地对准(移位),以便选定对象位于与帧(a)相同的位置。注意,所述移位将传感器上的树602a’和602b’向左移动。帧(c)对应于图像录制结束时传感器上的最终场景。帧(d)示出了来自拍摄的开始步骤704(帧a)和结束步骤710(帧c)的帧(a)和(c)的对象600和树602a和602b的重叠图像。帧(e)示出了最终的拍摄结果,其包括在录制期间在传感器上所捕获的光(步骤704–708)。这包括第一个场景(a)、最后一个场景(c)以及在其间的所有场景。
在第四个情节中,可以使用上述第一个、第二个和第三个情节的任意组合。
图7在流程图中示出了用于获取描述本文所公开的对象的运动感的图像的方法的示例性实施例。所述流程从观察包括由对象的移动或相机的移动所引起的运动的一个场景开始。在步骤702中选择要追踪的对象,并且在步骤704中开始录制图像或视频流,在录制图像或视频流期间,通过移动的对象或移动的相机来追踪对象。在步骤706中,对在图像或视频流中看到的对象执行移位、缩放和旋转计算。如从708到706的箭头所示,追踪、缩放、移位和旋转修改在每个帧(或每个X集帧)中重新计算。在步骤708中,在一些实施例中,对象被光学地及/或数字地对准以确保它在相机的图像传感器上保持在相同的位置。在涉及多帧的一些实施例中,对象的剩余对准可以在录制结束后在步骤712中数字地进行,或者通过机械对准和数字对准的组合来进行。在用于产生包括图像流的视频的一些实施例中,可执行对象的对准使得对象出现在流的所有图像的视场内的相同位置。
在用于产生包括图像流的视频的其他实施例中,可执行对象的对准使得对象看起来以角速度ω移动,所述角速度ω近似地对应于在步骤708中没有执行光学对准的情况下对象将在场景内移动的角速度。在一些实施例中,所产生的图像流可以用用于拍摄视频的速度(由用于视频的帧速率(fps)所定义)来播放。在其他实施例中,所产生的图像流可以用更高的fps播放以实现艺术的延时效果,或者用更低的fps播放以实现艺术的慢动作效果。fps可以不是恒定的,而是可以在产生视频的过程中进行修改。这对于强调在视场内的特定片段或强调显示视频拍摄期间可能发生的特定事件可能是有益的。
在一个示例中,可以通过以下或类似的序列强调视频中的特定事件:
-以恒定的fps播放视频的第一个序列,例如,使用录制视频的fps,
-以逐渐降低的fps播放视频的第二个序列,直到要被强调的事件发生,
-在所强调的事件发生后以恒定的fps播放视频的第三个序列,
-在事件发生后以逐渐增加的fps播放视频的第四个序列,直到达到第一个序列的fps为止,
-以第一个序列的恒定fps播放视频的第五个序列。
在步骤710中完成图像或视频流的录制,产生具有模糊背景的图像。
在一些示例中,对象可能是移动对象。这暗示着为了产生结果图像,不可能使用存在于每个帧中的整个图像数据,但是可以仅使用来自存在于图像序列的每个图像中的图像片段的图像数据。
在图7中所执行的一些步骤的更多细节于下面叙述。
对象/被摄物选择步骤702
要追踪的对象或被摄物的选择可以通过几种方式来完成。选定对象可以通过矩形的感兴趣区域(region of interest,ROI)或通过图像内的屏蔽区域来识别。识别的标记可以使用自动选择、用户选择或用户选择及数字细化(digital refinement)来完成,所有这些在本领域都是已知的。可以使用本领域已知的具有改进鲁棒性(robustness)的追踪方法。追踪方法不仅可以依赖于单个对象特征,还可以依赖于多个对象特征。
图像或视频流的录制,步骤704-710
录制可使用单次长曝光或是通过拍摄多个短曝光图像的一序列并平均它们来执行,如下:
a)单次长曝光,使用长时间快门速度。光圈和数字/模拟增益自动调整,以达到相同的亮度水平。
b)使用短曝光和平均的多张图像。由于在对多个图像进行平均时噪声会减少,因此曝光时间可以很短。对于视频模式,输出可以是取最后一帧的平均值,例如,取最后10到30帧的平均值。
c)使用具有不同传感器像素功能性的单一相机(例如折叠相机804,也在图8A中示出),亦即,一些(多个)传感器像素经历短的多次曝光,而其他传感器像素经历长曝光。例如,通过使用四元(Quad)传感器(参见例如日本专利申请号2019041178),四元拜耳(quad-Bayer)像素结构使得能够在四个像素的群组内具有两次曝光。在这种情况下,图像传感器上的像素选择是用于长曝光,剩余的像素则是用于短曝光。最终图像是来自长曝光像素和短曝光像素的图像数据的组合。
在一些实施例中,可以产生并输出单一图像以向用户显示。在其他实施例中,可以产生图像流(亦即,视频)以供输出。在产生视频流的例子中,对于视频的特定序列可能需要特定程度的模糊。这可以通过调整用于平均(或平均)的帧的数目来实现。在一个示例中,对于具有第一模糊度的第一序列,可以平均10到30帧,而对于具有第二模糊度的第二序列,可以平均30到60帧。所产生的视频的第二序列具有比第一序列更高的模糊度。在另一实例中,可平均5到10帧以获得表现出比第一和第二序列更弱的模糊的第三序列。用户或程序可以定义“后拍摄”(亦即,在拍摄图像流之后的任意时间)中的模糊程度。在又一示例中,为了强调场景中的特定事件,可以期望逐渐增加模糊程度直到事件发生,在事件期间保持恒定的模糊程度,然后逐渐减小模糊程度。由于模糊依赖于对出现于不同帧中的图像数据的平均,因此模糊程度不能连续地而只能在离散的阶状中修改。在一些示例中,离散阶状通过将一个或多个帧添加至已平均的帧序列或帧集合或是从已平均的帧序列或帧集合减去一个或多个帧来进行。为了实现连续的模糊修改,可将本领域已知的人工模糊叠加在通过图像平均所实现的模糊上。本领域已知的人工模糊也可用于在如本文所述的所产生的单一图像内连续地修改模糊程度。
计算移位、缩放和旋转步骤706
在一示例性实施例中,对象可例如使用于共同拥有的国际专利申请PCT/IB2016/052179、PCT/IB2016/055308、PCT/IB2016/057366及PCT/IB2019/053315中所描述的已知相机以下面概述的多个方式的一个来追踪对象,且可根据追踪结果计算移位、缩放和旋转。
1.使用具有不同传感器像素功能的单一相机(例如,折叠相机804,也在图8A中示出),亦即,一些(多个)传感器像素经历短的多次曝光,而其他传感器像素经历长曝光。使用来自传感器806上的一些(多个)像素的信息(例如,像素总数的1/16)来进行对象移位、缩放和旋转计算。在相机804上进行机械对准。对传感器806的剩余像素(亦即,未使用在对象移位、缩放和旋转计算中的像素总数的15/16)执行图片录制步骤704-710。
2.或者是,使用单一相机,在如图8B所示的相同的相机传感器(例如,传感器806)上进行对象移位计算和图片录制。对象在视频流上被追踪,并计算移位、缩放和旋转。在追踪的同时进行机械对准(步骤708)。
3.使用例如在PCT/IB2016/057366中所描述并在图8B和图9中所示出的双相机:双相机包括具有传感器802的第一直立相机800和具有传感器806的第二折叠相机804。相机800可以是红外线(IR)、可见光、结构光或任何其他类型的光,并且用于追踪对象。机械对准和图片录制在相机804上进行。对象位置(移动、缩放和旋转)计算通过使用来自传感器802的信息追踪对象来进行。为了估计相机804所需的对准(对于步骤708),传感器之间的移位、缩放和旋转是使用特征匹配和相机之间的先前校准来计算。相机(例如,相机804)(参见图8A)及包括相机800和相机804的双相机(参见图8B)可以被包括在主机设备(例如,电子设备900)中。
在一些实施例中,可以对正在移动的对象进行未来位置的推断(估计)。所述推断可基于在被拍摄的帧中所检测到的参数(例如,过去的移位、缩放及旋转)。这些可提供未来的移位、缩放及旋转的估计。所述估计可例如通过过去的移位、缩放及旋转的线性外推法(linear extrapolation)来进行。在另一实施例中,可进行非线性外推法。所述推断也可或者是基于机器学习或本领域中已知的其他技术。所述推断可有益于在步骤708中进行有意义的机械对准。例如,可考虑在场景的视场(FOV)内以角速度ωObject移动的物体,所述视场可能更小但仍以可进行视场扫描移动(进行机械对准可能所需的)的最大角速度ωScan的顺序移动,例如,通过旋转光路折叠组件进行该视场扫描移动。在本示例中,所述推断对于确实能够将对象对准于图像传感器上的特定位置的机械移动可能是至关重要的。在一些实施例中,可以在拍摄例如2到4个帧所需的时间尺度上进行外推法。在其他实施例中,例如,需要更大机械对准的冲程(strokes)的实施例,可以在拍摄例如4到10个帧或更多帧所需的时间尺度上进行外推法。
在一些实施例中,可进行数字对准以对所拍摄的实际移动和已进行外推法的移动之间的偏差进行补偿。
其他实施例可以使用其他单一、双或多孔径相机来进行对象追踪、图片录制或两者。
机械对准步骤708
在示例性实施例中,在传感器上的对象的对准、移位、旋转和变焦可以光学地及/或数字地(后者是使用数字视频流)进行。可使用以下类型的机械对准:
例如,在图8B所示及在PCT/IB2019/053315中所描述的双相机中的棱镜移动以匹配对象移位。光路折叠组件(例如,棱镜)808可以围绕两个轴(各个轴是一自由度(degreeof freedom,DOF))折叠光路。所述两个自由度是围绕平行于第一光路814(X轴)的偏航旋转轴812的偏航旋转810以及围绕平行于Y轴的俯仰旋转轴818的俯仰旋转816。通过棱镜移动的视场扫描不是瞬时进行的,而是需要一定的稳定时间。通过棱镜移动的视场扫描可以在大约1到30毫秒的时间尺度上扫描例如2°到5°,并且在大约15到80毫秒的时间尺度上扫描10到25°。
1.镜头移动或相机模块移动,以修改相机的横向位置或倾斜角度以匹配对象移位,例如在PCT/IB2016/052179中所描述的移位。例如,镜头模块的移动可使用在X方向822上的致动器来进行,所述镜头模块的移动对应于对象在Z方向和Y方向820上的移位。倾斜移动可转换为沿着耦接于致动器的光学元件的光轴的线性位移。两个致动器可组合成一个例如共同拥有的PCT/IB2019/053315所述的能够提供双轴倾斜的组件。
2.机械变焦调整以匹配对象比例。一些先进的相机设计可能包括不同的镜头组,这些镜头组可以相互移动,从而改变相机的有效焦距以产生光学变焦的能力。机械变焦可用于光学地对准对象比例。
3.机械对准以匹配对象旋转。例如,光路折叠组件倾斜创建的图像滚动运动补偿对象旋转。通过组合棱镜围绕两个轴(Y-818和X-812)的旋转,并通过在Y方向上移位棱镜,可以实现对物体的正切旋转(在滚动轴上)的补偿。所述机制在申请人的国际专利申请PCT/IB2016/055308中有详细描述。
注意,其他配置可使用利用电机或运动控制的替代外部或内部机械对准组件。
方法的一些实施例可被配置成拍摄具有非常弱的光的场景,例如夜空。用于夜空拍摄的实施例可类似于所谓的“星体追踪器”三脚架,亦即,跟随星体的运动以长曝光时间拍摄天空(“天体摄影”)的三脚架。天体摄影通常在约0.1到0.0001勒克斯的光条件下进行。对于天体摄影而言,将相机主机设备放置在静止物体(相对于地球)处或将相机主机设备固定连接到静止物体上可能是有益的。地球相对于星体进行相对运动,因此对于地球上的摄影师而言,星体可以以大约ω≈4·10-3度/秒的角速度ω移动,所述角速度ω源自地球在约24小时内360度的旋转(转化为大约每小时15度或每分钟1/4度)。众所周知,实际的角速度取决于摄影师在地球上的具***置或坐标。在光学对准步骤708中,可以使用类似于星体运动的光路折叠组件或镜头或传感器或相机来进行运动。在一示例中,步骤708中的光学对准可以仅取决于用户的位置及相机在地球上的方向,亦即,不需要进一步的信息(例如来,来自相机的图像信息)。用户的位置和相机的方向可通过已知的相机主机设备直接获取,或者例如通过外部设备(例如,WiFi)供应已知位置的设备间接获取。
一般来说,摄影师使用“600法则”(有时也使用“500法则”)。600法则提供了可用于天体摄影的给定相机设置的最大可能曝光时间TMax的粗略估计。也就是说,在TMax时间对传感器进行曝光有望在尚未在图像中产生星迹(star trails)的同时提供最大的信号捕获。600法则规定TMax(以秒为单位)由以下公式给出:
其中CF是相机传感器的焦距转换率(crop factor),EFL是本领域已知的有效焦距(以毫米为单位:)。通常,移动设备所包括的相机的有效焦距例如在EFL=2.5毫米(对于超广角相机(Ultra-Wide cameras))到EFL=25毫米(对于远程相机)的范围内。通常,移动设备所包括的相机的焦距转换率例如在CF=2.5(对于大的1/1”传感器)到CF=10(对于1/4”传感器)的范围内。以极端情况(a)CF=2.5和EFL=2.5毫米(大传感器和大视场)和(b)CF=10和EFL=25毫米(小传感器和窄视场)为例,在移动天体摄影的背景下得到的TMax值为T1 Max≈100秒和T2 Max≈2.4秒。第二个示例(CF=10,EFL=25毫米)例如可对应于具有高变焦因子的折叠远程相机。利用本文所描述并应用在天体摄影场合中的用于通过在图像传感器上光学地对准星体来补偿星体运动的方法,可以使用显著更长的曝光时间,同时仍然获得没有星迹的清晰夜空图像。显著更长的曝光时间可意味着这里的曝光时间比使用600法则所估计的时间长1.5到40倍。从第二个示例可明显看出,这可能特别适用于远程相机。在其它示例中,在步骤712中,星体可不进行光学地对准,而是可进行数字地对准。在另一些例子中,星体可以通过光学和数字对准的组合来进行对准。
图9示意性地示出了编号为900的电子设备的实施例,所述电子设备包括具有至少一个扫描远程相机的多孔径相机。电子设备900可例如是智能手机、平板电脑或笔记本电脑。电子设备900包括包括用于视场扫描的光路折叠组件912的第一扫描远程相机模块910和形成通过第一图像传感器916所录制的第一图像的第一镜头模块918。第一镜头致动器924可以移动用于聚焦及/或光学图像稳定(OIS)的镜头模块918。在一些实施例中,电子设备900还可以包括应用处理器(AP)940,其包括对象对准器942和图像/视频产生器944。在一些实施例中,第一校准数据可以存储在相机模块的第一存储器922中,例如电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)。在其他实施例中,第一校准数据可以存储在电子设备900的第三存储器950中,例如非易失性存储器(NVM)。第一校准数据可包括在广角相机模块930的传感器和远程相机模块910的传感器之间的校准数据。在一些实施例中,第二校准数据可以存储在第二存储器938中。在其它实施例中,第二校准数据可以存储在第三存储器950中。在其它实施例中,应用处理器940可以接收分别存储在位于相机模块910上的第一存储器和位于相机模块930上的第二存储器中的校准数据。第二校准数据可包括在广角相机模块930的传感器和远程相机模块910的传感器之间的校准数据。电子设备900还包括具有视场比相机模块910的视场还大的广角(或超广角)相机模块930,所述广角(或超广角)相机模块930包括形成通过第二图像传感器934所录制的图像的第二镜头模块932。第二镜头致动器936可移动用于聚焦及/或光学图像稳定的镜头模块932。
在使用中,处理单元(例如,应用处理器940)可从相机模块910和930分别接收第一和第二图像数据,并向相机模块910和930提供相机控制信号。相机控制信号可包括给光路折叠组件致动器914的控制信号,其可响应于控制信号以旋转光路折叠组件912来进行视场扫描。视场扫描可用于在步骤708中的将选定对象光学地(或机械地)对准于图像传感器上的给定位置。在一些实施例中,光路折叠组件致动器914可驱动用于光学图像稳定的光路折叠组件912。在一些实施例中以及例如为了执行步骤706,应用处理器940可以从相机模块930接收第二图像数据。对象对准器942可以是处理器,其被配置为使用第二图像数据来追踪选定对象并计算发送到远程相机910的控制信号以将选定对象光学地对准于图像传感器上的给定位置。在其它实施例中,对象对准器942可使用第一图像数据来追踪选定对象。在其它实施例中,对象对准器942可被配置成步骤712的将对象数字地对准于图像传感器上的给定位置。在一些实施例中,对象对准器942可被配置为使用第一图像数据及/或第二图像数据来推断(估计)正在移动的对象的未来位置。图像或视频产生器944可被配置成分别产生如图7中所述的图像和图像流。在一些实施例中,图像/视频产生器944可被配置成对来自多个单一图像的第一图像数据进行平均。在一些实施例中,图像/视频产生器944可被配置成产生人工图像。在一些实施例中,图像/视频产生器944可被配置成产成包括人工模糊的图像。
除非另有说明,在供选择的选项列表的最后两个项目之间使用措辞“及/或”表示对所列选项中的一个或多个的选择是适当的且可进行选择。
应当理解,在权利要求或说明书提及“一”(a)或“一”(an)组件的情况下,这类所提及的事物不应被解释为仅有一个所述组件。
应当理解,为清楚起见,在单一实施例或示例的上下文中所描述的本发明中的某些特征也可以在单一实施例中以组合的形式提供。相反地,为简洁起见,在单一实施例的上下文中所描述的本发明中的各种特征也可以单独地或以任何合适的子组合方式或在任何其他描述的实施例中适当地提供。在各种实施例的上下文中所描述的某些特征不应被视为这些实施例的基本特征,除非所述实施例在没有这些组件的情况下是不能实施的。
虽然本揭露描述了有限数量的实施例,但是应当理解,可以对这些实施例进行许多变化、修改和其他应用。一般而言,本揭露应理解为不受本文所描述的具体实施例的限制,而仅受所附权利要求书的范围的限制。
本说明书中提及的所有参考文献通过引用全部并入本说明书中,其程度与每个单独的参考文献被明确且单独地指示通过引用并入本文中的程度相同。此外,引用或识别本申请中的任何引用不应被解释为承认所述引用作为可用于本申请的现有技术。
Claims (23)
1.一种方法,包括:在具有一图像传感器的一成像设备中,
a)在一场景中选定要追踪的一对象;
b)录制一图像或一图像流以提供一相应的录制图像或录制图像流;以及
c)在所述选定对象相对于所述成像设备或相对于所述场景移动的时候,将所述选定对象对准于图像传感器上的一相同给定位置,从而创建相对于所述选定对象的一模糊的图像背景及/或前景。
2.如权利要求1所述的方法,其中所述对准包括将所述选定对象光学地对准于所述图像传感器上的一相同给定位置。
3.如权利要求1所述的方法,其中所述成像设备包括具有一第一图像传感器的一第一相机和具有一第二图像传感器的一第二相机,其中所述录制和对准是使用所述第一相机进行,以及其中所述对准所需的至少一个参数是使用所述第二相机所提供的信息进行计算。
4.如权利要求1所述的方法,其中所述图像传感器包括提供用于计算所述对准所需的至少一个参数的信息的第一多个像素,以及用于所述录制的第二多个像素。
5.如权利要求1所述的方法,其中所述录制包括录制多个帧,以及其中所述对准包括将所述选定对象光学地对准于所述图像传感器上的一类似位置且进一步将所述选定对象数字地对准于所述图像传感器上的所述相同给定位置。
6.如权利要求1所述的方法,其中所述录制包括录制多个帧,以及其中所述对准包括将所述选定对象光学地对准于所述图像传感器上的多个离散像素且进一步将所述选定对象数字地对准于所述图像传感器上的所述相同给定位置。
7.如权利要求1所述的方法,其中所述录制图像流包括多个单一图像,以及其中所述方法还包括使用单一图像数据产生人工图像数据。
8.如权利要求1所述的方法,还包括以不同于用于录制所述图像流的帧速率的帧速率(fps)播放所述录制图像流。
9.如权利要求1所述的方法,其中所述录制图像流被分为两个或多个序列,以及其中所述方法还包括以不同的帧速率播放各个序列。
10.如权利要求1所述的方法,还包括将所述录制图像流分为两个或多个显示不同模糊程度的序列。
11.如权利要求1所述的方法,其中所述对准包括对所述选定对象的一未来位置进行推断。
12.如权利要求1所述的方法,其中所述选定对象包括一星体。
13.如权利要求3所述的方法,其中所述对准所需的所述至少一个参数是从由一移位参数、一缩放参数及一旋转参数所组成的群组中选择。
14.如权利要求3所述的方法,其中所述录制包括录制多个帧,以及其中所述对准包括将所述选定对象光学地对准于所述第一图像传感器上的一类似位置且进一步将所述选定对象数字地对准于所述第一图像传感器上的所述相同给定位置。
15.如权利要求3所述的方法,其中所述录制包括录制多个帧,以及其中所述对准包括将所述选定对象光学地对准于所述图像传感器上的多个离散像素且进一步将所述选定对象数字地对准于所述图像传感器上的所述相同给定位置。
16.如权利要求3所述的方法,其中所述第一相机及所述第二相机之间的校准数据是存储在一非易失性存储器中。
17.如权利要求4所述的方法,其中所述第一和第二多个像素相加为传感器像素的总数。
18.如权利要求4所述的方法,其中所述对准所需的所述至少一个参数是从由一移位参数、一缩放参数及一旋转参数所组成的群组中选择。
19.如权利要求7所述的方法,其中所述人工图像数据用于增加图像模糊的均匀性。
20.一种***,包括:
a)一成像设备,其包括用于录制一图像或一图像流以提供一相应的录制图像或录制图像流的一图像传感器;以及
b)一处理器,其被配置为在一场景中选定要追踪的一对象,以及在所述选定对象相对于所述成像设备或相对于所述场景移动的时候,将所述选定对象对准于所述图像传感器上的一相同给定位置,从而创建相对于所述选定对象的一模糊的图像背景及/或前景。
21.如权利要求20所述的***,其中将所述选定对象对准于所述图像传感器上的一相同给定位置的所述处理器配置包括指示一反射组件对包括所述对象的一视场进行扫描的一配置。
22.如权利要求20所述的***,其中所述成像设备包括一第一相机及一第二相机。
23.如权利要求20所述的***,其中所述***是一智能手机。
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