專利名稱：改善了動態(tài)范圍的視頻攝像機、記錄系統(tǒng)和記錄方法
本申請要求1999年8月17日提出的美國臨時專利申請No.60/149,237(律師備審案件號No.E3LP-01P)的權利。
本發(fā)明涉及改善產(chǎn)生和記錄連續(xù)視頻信號流的視頻系統(tǒng)的動態(tài)范圍，特別地而不排外地涉及計劃用來遙視監(jiān)視和檢查，以及為安全目的進行記錄的視頻攝像機系統(tǒng)。
背景和先有技術用于自動記錄場景的視頻攝像機系統(tǒng)的使用是眾所周知的。在安全應用方面，例如，幾臺視頻攝像機被連接到一個記錄系統(tǒng)，該記錄系統(tǒng)周期性地記錄來自每臺攝像機的短周期視頻信號。典型地，這些攝像機被設計成工作在自動曝光模式，其中一個被稱為電子快門的裝置改變每個視頻幀的積分時間以匹配周圍光線條件。典型地說，這些攝像機產(chǎn)生一個連續(xù)的包含兩場視頻的標準視頻信號流，兩場視頻被隔行掃描以產(chǎn)生一幀視頻。例如，標準的美國系統(tǒng)，NTSC或RS-170視頻，具有與第二場中的262.5行視頻交錯的第一場中的262.5行視頻，第二組比第一組晚開始1/60秒。和這些信號一起被使用的視頻監(jiān)視器或記錄器把這些場交替地組合以產(chǎn)生用于觀察的全幀視頻信號。另外，還有被稱為順序掃描系統(tǒng)的其它視頻系統(tǒng)。在后面這些系統(tǒng)中，全幀視頻信號被產(chǎn)生，而沒有典型地每隔1/60秒的隔行掃描。
在這些系統(tǒng)中，視頻信號被用電壓表示。在每一場或幀中，都有代表視頻系統(tǒng)可以轉換成信號的最大光照量的一個最大電壓，也有一個代表視頻系統(tǒng)可以可靠描述的最小光照量的最小電壓。在被攝像機觀察的特定場景中，場景圖象轉換成場景的視頻信號電壓表示，電壓范圍在最大值和最小值之間。對于一個典型的場景和自動曝光的一個特定數(shù)值，會有一部分場景太暗以至沒有包含任何有用的信息，而另一部分場景太亮而沒有用。例如，在監(jiān)視應用中會導致這樣一種情況圖象的實質部分太亮或太暗而看不見。
至今，克服上述問題的一個途徑涉及利用組合雙重曝光視頻攝像機。組合雙重曝光視頻攝像機在市場上可以買得到，但它不象標準單曝光視頻攝像機那樣普通。組合雙重曝光視頻攝像機系統(tǒng)包含一個攝像機，它在每場或幀的時間范圍內(nèi)通過一個電子快門對同一光學圖象產(chǎn)生兩次不同的曝光，和將兩次曝光合并為單一輸出場或幀的裝置。這就得到由兩次不同曝光的原始圖象制造出來的單一圖象，它覆蓋較寬范圍的場景光照值，但被壓縮在單一視頻幀的電壓限制內(nèi)。
這種先有技術水平的方法圖示于

圖1，圖中一臺雙重曝光攝像機P1在觀察窗臺上的一個花瓶，同時一只鳥兒在室外飛。攝像機P1取兩次曝光，被在P4a處表示的一次長時間曝光，和被在P4b處表示的一次短時間曝光，每一次曝光都在單一視頻場(隔行掃描)或幀(順序掃描)的時間范圍內(nèi)，然后將代表這兩次不同曝光的視頻信號按照預先編程的算法在處理器P3中合并。得到的圖象被表示在P4c。鳥兒和花瓶二者在合并的圖象P4c中都是可見的。然而，雖然這個圖象合并過程轉換較大范圍的場景光照值，但是它是以忽略包含在一個或另外一個原始圖象內(nèi)的許多信息來減少合成圖象的對比度為代價的。這種忽略的信息雖然對于最后的圖象不重要，但被真誠地觀察到。然而，這種看法并非總是恰當或可以接受的，特別在視頻監(jiān)視的裝置中。此外，當這樣制作出的圖象場被記錄時，這個動態(tài)范圍的改善的大多數(shù)在后處理中受到限制。這是因為通過合并信號形成的制作出的圖象場中可用的信息不再包含出現(xiàn)于原始圖象中的全部信息。
發(fā)明的目的和概要本發(fā)明的主要目的是要提供用來改善一個視頻系統(tǒng)的動態(tài)范圍的一種方法和裝置，其中視頻系統(tǒng)用于觀察一個目標和場景并產(chǎn)生一個連續(xù)視頻信號流，其中連續(xù)視頻信號流定義代表所觀察的場景或目標的視頻場或幀。
本發(fā)明的另一個目的是要提供一個視頻系統(tǒng)，用作視頻攝像機觀察和記錄場景和目標，靠此系統(tǒng)產(chǎn)生視頻信號流，信號流定義具有視頻數(shù)據(jù)的視頻場或幀序列，視頻數(shù)據(jù)至少代表兩個不同的曝光水平，和處理視頻信號流以產(chǎn)生記錄圖象的無閃爍顯示。
本發(fā)明的再一個目的是要提供一個方法和設備，用以產(chǎn)生一串視頻信號，此串信號代表所選擇光學圖象的視頻場或幀的序列，至少某些視頻場或幀包括代表第一個曝光水平的數(shù)據(jù)，而所述視頻場或幀的另一些包含代表第二個較多或較少曝光水平的數(shù)據(jù)，和利用這串視頻信號產(chǎn)生所選擇光學圖象的無閃爍視頻顯示。
上述目的，以及從下面的描述變得明顯的其它目的，通過創(chuàng)建具有不同曝光的連續(xù)視頻場或幀，將它們合并成一個連續(xù)視頻信號，并且獨立地記錄每個連續(xù)場或幀而得到。更具體地說，通過提供具有電子快門的、用于捕捉光學圖象的視頻攝像機，并控制快門的工作而得到。借此攝像機將產(chǎn)生包括代表光學圖象的一連串視頻場或幀的視頻信號輸出，信號具有代表第一個曝光水平的光學圖象的許多第一個視頻場或幀，和代表不同于第一個曝光水平的第二個曝光水平的光學圖象的許多第二個視頻場或幀，第一個視頻場或幀被散布在第二個視頻場或幀當中。這樣的視頻信號輸出被用于產(chǎn)生匹配具體一組或組合的曝光視頻數(shù)據(jù)的視頻顯示。除此之外，或者取而代之，使用視頻信號輸出提供由所述第一或第二視頻場或幀代表的光學圖象組成的個別視頻顯示，與捕捉另外的光學圖象同時，本發(fā)明供給記錄攝像機的視頻信號輸出為隨后用于產(chǎn)生由所述第一或第二視頻場或幀代表的光學圖象數(shù)據(jù)組成的視頻顯示。換句話說，顯示可以在記錄期間或記錄之后產(chǎn)生。與圖1所示的雙重曝光攝像機的視頻信號輸出相比較，記錄的本發(fā)明的視頻信號(包含不同曝光水平的第一和第二大多數(shù)視頻場或幀)，由于記錄的曝光范圍，擁有較寬有效范圍的信號值，覆蓋較寬色移的場景照度，并且有較寬的動態(tài)范圍。通過使不同曝光數(shù)目適合攝像機和視頻記錄機，就可以保持攝像機視頻傳感器的整個可用的動態(tài)范圍。另外，本發(fā)明隨意地包括選擇的曝光的后處理，以把場或幀(或部分場或幀)同其它的場或幀合并，以便得到本質上與類似圖1所示的使用先有技術組合雙重曝光攝像機可能得到的結果相同的結果，但是利用標準的(通?？少I到的)視頻攝像機而不是雙重曝光攝像機達到此目的。
附圖簡述圖1示意圖解先有技術雙重曝光攝像機；圖2示意圖解本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例；圖3圖解圖2所示的緩沖信號多路復用器6的細節(jié)；圖4圖解本發(fā)明的第二種實施例；和圖5圖解本發(fā)明的進一步改進。
在這幾個圖中，同樣的數(shù)字被用來標明同樣的部件和同樣的示意表示。
發(fā)明的詳細描述圖2圖解本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例。視頻攝像機1對著窗子邊緣的一個花瓶2，一只鳥兒在室外飛。視頻攝像機有以一個光響應CCD或MOS視頻傳感器為形式的視頻檢測器(未示出)和將場景成象在視頻檢測器上的透鏡。在本實施例中，攝像機設計成每幀產(chǎn)生兩個隔行掃描場場1和場2，例如，按照標準的美國視頻系統(tǒng)NTSC或RS-170視頻。攝像機1也包含一個電子快門(未示出)。具有電子快門的CCD和MOS視頻檢測器是所熟知的，正如下列美國專利所驗證的1998年8月11日頒發(fā)給T.Mochizuki等人的5,793,422；1995年9月5日頒發(fā)給H.Kogane等人的5,448,293；1995年4月25日頒發(fā)給H.Tanigawa等人的5,410,349；1994年2月1日頒發(fā)給M..Usami等人的5,283,655；1993年9月21日頒發(fā)給J.Lee等人的5,247,367；1992年10月20日頒發(fā)給T.Nakajima等人的5,157,502；1991年12月24日發(fā)布給Y.Kawaoka等人的5,075,775；1989年10月17日發(fā)布給K.Yonemoto等人的4,875,100；1988年5月10日發(fā)布給N.Takatsu等人的4,743,778。到達它們是有關的程度，在此處將這些專利的講授混合起來作為參考。攝像機1的電子快門連接到外控制器3。電子快門允許控制器3在每個場時間間隔調(diào)整攝像機視頻檢測器的積分時間。攝像機提供一個同步信號給控制器3，如3a處所示，這樣控制器3將引起攝像機電子快門改變每場的曝光時間，即，與每一視頻場同步地調(diào)整攝像機視頻檢測器的積分時間。在場1期間控制器把積分時間設定為預定的緩慢速度，例如1/60秒。在場2期間控制器把積分時間設定為預定的快速速度，例如1/6000秒。單行視頻數(shù)據(jù)的合成視頻信號值表示在4。在4a，示出緩慢(1/60秒)曝光的結果。在這種情況下，代表天空的圖象部分在最大信號電平，花瓶呈現(xiàn)為稍微減少的信號電平，而烏兒的信號基本上沒有改變，因為它是那樣地接近天空的亮度，以至不能與背景天空區(qū)分開來。在4b，示出短時間(1/6000秒)曝光的結果。在這種情況下，代表天空的圖象部分低于最大信號電平，花瓶呈現(xiàn)為急劇地減少的信號電平，而鳥兒的信號大大地改變了，因為它與天空的亮度充分不同從而可以區(qū)分開來?；旧希瑘D2所示的系統(tǒng)使用預編程的曝光控制器控制下的單一視頻攝像機，來提供表示連續(xù)視頻場序列的輸出視頻信號，視頻場序列由一個曝光時間(例如1/60秒)場和第二個曝光時間(例如1/6000秒)場交替所構成，如在4d(緩慢、相對長的曝光時間)和4c(快速、相對短的曝光時間)表示的。
視頻攝像機被與視頻記錄器5連接，以便將包含如4a和4b處所表示的曝光值交替的視頻場的連續(xù)序列的、它的輸出視頻信號提供給視頻記錄器5，視頻記錄器5記錄合并的交替的長、短曝光視頻場。視頻攝像機也被連接到緩沖信號多路復用器6，以便相同的交替曝光值的視頻場連續(xù)序列被發(fā)送給多路復用器6，多路復用器6允許用戶選擇緩慢的或者快速的曝光信號在監(jiān)視器7上顯示，而選擇開關8允許用戶顯示活動的即“實況轉播的”視頻，或者重放預先記錄的視頻序列，和為觀察選擇緩慢的或快速的曝光。通過形成圖3所示的多路復用器一部分的附加曝光選擇裝置控制這種用于顯示的場的選擇。如下文詳細描述的可供選擇的改進那樣，場編碼單元3b被置于攝像機和記錄器5及多路復用器6之間，場編碼單元適合于向攝像機的輸出視頻信號添加一個場編碼(以及如用戶希望的其它數(shù)據(jù)編碼)。
圖3圖解出圖2所示的緩沖信號多路復用器6的細節(jié)與工作原理。在圖3的下面描述中，視頻系統(tǒng)不包括場編碼單元3b應被知道。多路復用器包括一個場檢測器9、一個消隱電路11、一個反相器12和一個選擇性加載的重復先進/先出存儲器或緩沖器14，在下文被稱作FIFO 14，它的視頻數(shù)據(jù)輸入端被連接到消隱電路11。攝像機的輸出視頻信號(包含如在4a和4b處表示的交替發(fā)生的不同曝光值視頻場)被給予檢測器9，同時經(jīng)消隱電路11被給予FIFO 14。檢測器從攝像機的輸出視頻信號產(chǎn)生一個場信號脈沖9f用于控制FIFO 14的工作。作為例子而不作為限制，場檢測器9可以是常規(guī)的視頻同步分離器電路。在一個曝光場期間場信號脈沖9f高，如9a處所示，而在另一個曝光場期間場信號脈沖9f低，如9b處所示。場信號脈沖9f經(jīng)曝光選擇開關10被加到那個消隱電路。取決于曝光選擇開關10的位置，場信號脈沖9f或直接或經(jīng)反相器12被送到消隱電路11。場信號脈沖9f用來門控消隱電路，以便根據(jù)相應的場脈沖信號9f反相與否，消隱代表視頻場4a或4b的信號。消隱電路的輸出被表示于13。如果加給它的場信號脈沖低，消隱電路11被變得無效，代表相應視頻場的信號將通過消隱電路而沒有任何實質的改變，如視頻信號13b表示的那樣。然而，如果加給消隱電路的場信號脈沖高，相應視頻場的信號將被消隱，而消隱電路的信號輸出將是一個固定的電平，如13a表示的那樣。如圖3所示，設定開關10旁路反相器12，以便場脈沖9f不反相直接被加到消隱電路11上。因此，短時間(快速)曝光視頻場信號4b被取消，而長時間(緩慢)曝光視頻場信號4a不改變地通過消隱電路，如13b處所示。
仍參考圖3，視頻場信號序列13a，13b被發(fā)送到FIFO14。視頻數(shù)據(jù)場在經(jīng)過控制線9g加到場脈沖9f的控制下，有選擇地寫入FIFO14。本質上，場脈沖9f用作為FIFO14的場選擇控制信號。FIFO內(nèi)容的讀出是連續(xù)的，以便產(chǎn)生一個連續(xù)輸出視頻信號流。如果代表長時間(緩慢)曝光視頻場的，如4a處表示，新視頻數(shù)據(jù)進入FIFO，那么新的數(shù)據(jù)就從FIFO讀出。反之，如果在一個或幾個場的時間都沒有新的數(shù)據(jù)進入FIFO，即如果視頻場4b的信號已經(jīng)被消隱電路11消隱，那么從FIFO出來的代表視頻場4a的現(xiàn)存數(shù)據(jù)就將代替被取消的視頻場4b的數(shù)據(jù)在FIFO中再循環(huán)并被連續(xù)地讀出。換一種方法說，如果調(diào)整多路復用器，以便消隱電路11僅僅通過視頻場信號4a，那么包含在被讀入FIFO 14的視頻信號13b的數(shù)據(jù)就將隨著它們到FIFO 14的輸入被同步地讀出，并且也被儲存在FIFO 14中。當代表消隱視頻場的視頻信號13a從消隱電路11傳送到FIFO 14時，F(xiàn)IFO 14中代表以前記錄的視頻信號13b的現(xiàn)存數(shù)據(jù)就將代替消隱輸出視頻信號再循環(huán)并被讀出。這種工作方式導致如7a～7b’所示的視頻場連續(xù)序列，其中場7a’和7b’是以前出現(xiàn)的場7a和7b的復制品，并且它們代替消隱場被插入。因為所有這些視頻場實質上代表相同的曝光水平，所以它們可以順序地無閃爍顯示在常規(guī)的視頻監(jiān)視器上。閃爍的不存在給予使用者的眼睛舒服的顯示，易于評估所顯示的圖象。
還參照圖2和圖3，圖解的系統(tǒng)可以通過包括場編碼單元3b來改進，場編碼單元把一個幀編碼插入每個視頻場。幀編碼實質上包含一個場編碼，更可取地，場編碼單元也適合將一個日期碼、時間碼、幀序列號碼、攝像機碼(最好，例如幾臺攝像機用來監(jiān)測一個特殊的現(xiàn)場時)、其它曝光信息和/或用戶提供的其它信息等加入各個場。在外控制器3控制下，場編碼單元3b將幀編碼插入。場編碼單元3b適合于把第一個場編碼加到一次曝光的視頻場或幀(例如曝光場4a)的信號上，而把第二個不同場編碼加到不同曝光的視頻場或幀(例如曝光場4b)的信號上。用這樣的改進，場檢測器9適合于檢測場編碼單元3b插入的場編碼，并產(chǎn)生類似于對應和識別兩個不同編碼的脈沖9a和9b的場信號脈沖。作為場選擇控制信號的場信號脈沖被加到消隱電路11和FIFO 14，由此FIFO可以按以前描述的方式響應讀出類似視頻場如7a-7b’所表示的連續(xù)序列。根據(jù)開關10的設定，加到監(jiān)視器7的FIFO 14輸出將產(chǎn)生代表場4a或場4b的圖象顯示。這種改進的優(yōu)點在于場編碼單元3b所加的場編碼的存在使得識別和讀出場4a或4b是可能的，不管它們出現(xiàn)在攝像機視頻信號輸出所代表的視頻場序列的什么地方，而且為各個場產(chǎn)生合適的場信號脈沖也是可能的。關于這一點，要弄清楚的是圖2和圖3的系統(tǒng)也可用在把視頻攝像機設計為順序掃描系統(tǒng)的地方，即在每幀由單一場組成(例如一場由525行組成)，而不是兩個隔行掃描視頻場(例如每場由262.5行組成)的地方。在這種順序掃描系統(tǒng)的情況下，控制器3控制電子快門，靠它攝像機的輸出信號代表同第二次曝光值的幀交替的一次曝光值的幀，場編碼單元3b把場編碼加到每幀上，場編碼按照它是否有第一或第二次曝光值識別每一幀，并且在脈沖信號9f控制下，多路復用器工作以把視頻輸出傳輸?shù)奖O(jiān)視器7，它由類似于曝光值的視頻幀構成。
圖4圖解本發(fā)明可供選擇的方案。在這個方案中，外控制器31a基本上和圖2的控制器3相同，但是可程式化或適合給攝像機指令以產(chǎn)生如在16和15所表示的緩慢和快速曝光場，它們散布在如在17所表示的正常自動曝光值場當中。在圖4中，場15和16有暗邊框只表示它們與場17有不同的曝光水平，而場15有交叉的陰影線只表示由于曝光時間較短比16信號電平低。圖4的系統(tǒng)也包括一個場編碼單元3b、一個記錄器5、一個監(jiān)視器7、一個包含消隱電路(未示出)和類似于圖3中的11及14所示FIFO存儲器(未示出)的多通道有緩沖的多路復用器18、一個重放解碼器31b以及一個開關8，開關8用于有選擇地把從攝像機來的視頻信號輸出或從記錄器5來的重放的預記錄視頻信號，作為輸入數(shù)據(jù)耦合到多路復用器。如下文更為詳細描述的那樣，在控制器31a的控制下，場編碼單元3b把用于場識別的場編碼加到由攝像機1的視頻信號輸出定義的視頻場。另外，控制器31a也產(chǎn)生場選擇控制信號，而且控制器和多路復用器18如所示那樣被連接，以容許這些場選擇控制信號被從控制器31a傳遞到多路復用器18的消隱電路(未示出)。在本實施例中，選擇開關8給予用戶把當前(現(xiàn)場)視頻或預記錄的視頻序列發(fā)送到緩沖的多路復用器18的選擇權。多路復用器18也提供選擇快速視頻場15，緩慢視頻場16或常規(guī)曝光視頻場17用于在監(jiān)視器7上觀察的選擇權，在此處用開關10代表。本質上說，正如開關10所表示的，多路復用器有用于選擇三個不同曝光視頻場中哪兩個要被取消以便容許FIFO讀出第三個曝光視頻場的連續(xù)序列的裝置。最好多路復用器適合于產(chǎn)生曝光修改信號，并且如所示那樣被連接到控制器31a，這樣曝光修改信號就可以被施加到控制器31a，以使后者引起為任何場15、16和17選擇的曝光場的變化。
正如為圖2的最佳實施例所描述的，15、16和17代表的不同曝光視頻場以它們產(chǎn)生的順序被記錄在記錄器5中。在這種情況下，基本上與場編碼單元3a相同的場編碼單元3b在控制器31a的控制下工作，以向每一視頻場(在順序掃描視頻系統(tǒng)的情況下為每幀)的信號插入一個幀編碼，幀編碼必需包含一個場編碼，場編碼按照是緩慢、快速還是常規(guī)曝光場專門識別具體的場。如同圖2和圖3的系統(tǒng)一樣，場編碼單元3b插入的幀編碼也可以包括其它數(shù)據(jù)，例如，日期和時間編碼、幀序列號編碼以及攝像機數(shù)編碼。更具體地說，場編碼單元將第一個場識別場編碼加到視頻場15的視頻信號，將第二個場識別場編碼加到視頻場16的視頻信號，將第三個場識別場編碼加到視頻場17的視頻信號。此外，就控制器31a產(chǎn)生的場選擇控制信號來說，對每個場編碼產(chǎn)生一個不同的場選擇控制信號，并且這些場選擇控制信號被加到多路復用器18的消隱電路上。根據(jù)開關裝置10工作選擇的為在監(jiān)視器7觀察的具體曝光視頻場，多路復用器從控制器31a選擇特定的場選擇控制信號加到其消隱電路以取消不要的視頻場，由此獲得它的FIFO讀出視頻信號輸出的結果，以便監(jiān)視器7應用，此視頻信號僅包含具有所選曝光值的那些視頻場。
舉例來說，可以設定多路復用器18只選擇視頻場15以便顯示，在那種情況下，每次攝像機的輸出信號都包括視頻場16或17，多路復用器將用從它的FIFO讀取的代表視頻場15的視頻信號數(shù)據(jù)的信號輸出代替每個視頻場16和每個視頻場17。利用從控制器31a接收的場選擇控制信號使消隱電路取消連續(xù)的視頻場16和17獲得這個結果，這樣僅有視頻場15基本不改變地傳遞到多路復用器的FIFO部分。
圖4的實施例也包括一個耦合到記錄器5和開關8的重放解碼器31b。解碼器31b適合于將場編碼單元3b插入的場編碼解碼和產(chǎn)生場選擇控制信號(對應控制器31a產(chǎn)生的場選擇控制信號)，并且適合于將這些信號加到多路復用器18，為的是按照結合圖2和圖3的實施例所描述的方式，取消不希望的曝光值的場和使得FIFO讀出相同曝光值的視頻場連續(xù)序列，例如場15。
圖4的實施例的一個明顯優(yōu)點是，在同時記錄動態(tài)范圍場15、16和17的同時，容許實時地觀察正常的曝光場17。多路復用器18的緩沖存儲器被編程，以便它可以重復長的、短的，或者正常曝光場以便觀察，而根據(jù)外控制器31a的控制下場編碼單元3b插入的場編碼，觀察到的場還有其它場都以時間推移的方式被記錄。
圖5圖解出本發(fā)明的另一個優(yōu)點。在這種情況下，系統(tǒng)包含視頻攝像機1、場編碼單元3b、控制器31a和一個多路復用器18a，多路復用器18a包含一個場編碼檢測器9、三個消隱電路11a、11b和11c，以及三個FIFO單元14a、14b和14c。對控制器編程使得電子快門按照預定的方式改變連續(xù)視頻場或幀的曝光，例如，產(chǎn)生如圖4中表示的15、16和17那樣的視頻場序列。場編碼單元3b在控制器31a的控制下，將場識別場編碼(或單獨或作為還包括日期、時間、幀數(shù)、攝像機數(shù)等其它信息的幀編碼的一部分)象圖4的實施例那樣插入到攝像機1的視頻信號輸出。更具體地說，場編碼單元將第一場識別場編碼加到視頻場15的視頻信號，將第二場識別場編碼加到視頻場16的視頻信號，將第三場識別場編碼加到視頻場17的視頻信號。同樣場編碼檢測器9響應其不同場編碼的檢測產(chǎn)生不同的場選擇控制信號。這些場選擇控制編碼被加到消隱電路11a、11b和11c。攝像機1的視頻信號輸出，在被場編碼單元3b添加場編碼之后，分別經(jīng)消隱電路11a、11b和11c被加到FIFO的14a、14b和14c。FIFO14a、14b和14c的視頻信號輸出可以分別被加到獨立的監(jiān)視器7a、7b和7c。仍參照圖5，作為一個可選擇的或附加的測量，F(xiàn)IFO14a、14b和14c的輸出被加到普通的視頻效果發(fā)生器27，它適合給控制監(jiān)視器提供信號，這樣它將顯示多幅圖象，例如，如監(jiān)視器7c的區(qū)域29a和29b示意表示的畫中畫格式(PIP)，或者如監(jiān)視器7e的區(qū)域29c和29d示意表示的并排格式。人們同時期待，可以這樣設計視頻效果發(fā)生器27，使得監(jiān)視器7e產(chǎn)生對應分別從FIFO的14a、14b和14c讀出的視頻場15、16和17的不同曝光值的三個同時顯示。
如同圖4的實施例情況一樣，圖5的系統(tǒng)運行以取消不希望的視頻場，目的是提供由相同曝光值的視頻場連續(xù)序列產(chǎn)生的顯示。在圖5所表示的系統(tǒng)中，從場編碼檢測器9接收的場選擇控制信號使得消隱電路11a取消視頻場16和17，由此只有代表視頻場15的數(shù)據(jù)被讀入FIFO 14a，F(xiàn)IFO 14a循環(huán)數(shù)據(jù)并用那個數(shù)據(jù)代替取消了的視頻場16和17的數(shù)據(jù)。類似地，來自檢測器9的場選擇控制信號使得消隱電路11b取消視頻場15和17，由此只有代表視頻場16的數(shù)據(jù)被讀入FIFO 14b，F(xiàn)IFO 14b循環(huán)數(shù)據(jù)并用那個數(shù)據(jù)代替取消了的視頻場15和17的數(shù)據(jù)。當然，圖5的多路復用器可適合于產(chǎn)生曝光修改信號，此信號被加到控制器31a，用以修改15、16或17任何場的曝光水平。
雖然普通的視頻攝像機被設計成產(chǎn)生代表兩個視頻場的視頻信號，兩個視頻場隔行掃描以創(chuàng)建一個視頻幀。認識到，隨著高清晰度數(shù)字電視采用的增加，順序掃描系統(tǒng)被認為變得更突出。因此，本發(fā)明給出可適用于順序掃描視頻系統(tǒng)的優(yōu)越性。就此而論，要弄清楚的是，此處所使用的詞“幀”解釋為包含如普通電視系統(tǒng)中的兩個隔行掃描場，或者順序掃描系統(tǒng)情況下的單一場。因此，在單一場視頻幀的情況下，上述的場識別碼實際上識別完整的幀。
本發(fā)明能進行多種改進。因而，例如，被從多路復用器6或18讀出的相同曝光水平的視頻信號連續(xù)流，或作為現(xiàn)場視頻或作為從記錄器5的重放，可以饋送給一個諸如記錄器5那樣的記錄器作為檔案和以后的顯示之用。此外，在把攝像機輸出信號直接饋送給記錄器5的情況下，人們期望，當那個記錄的信號被重放和被多路復用器處理以提供饋給監(jiān)視器的包含相同曝光水平的視頻信號連續(xù)序列的視頻信號時，那個同樣的信號饋送將被記錄在記錄器5或其它記錄器中以便以后使用和分析。
另外的改進涉及對緩沖的多路復用器6或18編程，以便它將同時產(chǎn)生代表第一次曝光水平的視頻信號第一流，代表第二次不同曝光水平的視頻信號第二流，并同時把兩個視頻信號流饋送給監(jiān)視器以便同時顯示。在這種情況下，監(jiān)視器可以這樣工作，使得兩個信號流提供圖象，圖象表現(xiàn)為畫中畫顯示或分割屏幕顯示。兩個圖象同時在屏幕上出現(xiàn)，一個代表相對長的曝光水平，另一個代表相對短的曝光水平，這給出保持在使用不同曝光時可得到的完整的動態(tài)范圍的優(yōu)越性。同時人們期望，可以修改圖4的實施例以容許同時顯示三個獨自的圖象，一個由相對長的曝光圖象組成，第二個由相對短的曝光圖象組成，第三個由常規(guī)的曝光圖象組成。當然，系統(tǒng)也容許曝光水平在視頻檢測器的動態(tài)范圍內(nèi)被改變。此外，控制器31a確定的不同曝光水平數(shù)是變化的，例如可以選擇五個不同的曝光水平。就攝像機控制器而論，它可被編程以便生成具有在一致或非一致的重復序列中產(chǎn)生的不同曝光的視頻場。舉例來說，關于諸如圖4和圖5所示的系統(tǒng)，在那里產(chǎn)生代表三個不同曝光水平的視頻場或幀，控制器可以被編程為固定、或以固定的或隨意的速率或按照預定的方式改變在攝像機視頻輸出中代表的場或幀的連續(xù)序列中的連貫視頻場17串的重復頻率。對于攝像機的視頻信號輸出如4a和4b表示的那樣只由代表第一次和第二次曝光水平的第一和第二視頻場來表征的情況也是如此。然而在后一情況下，系統(tǒng)包括場編碼單元3b和后者將場編碼引入攝像機的視頻信號輸出是必不可少的，場編碼識別和區(qū)分第一和第二曝光視頻場，靠它多路復用器或許能夠選擇顯示只有第一和第二視頻場或幀表示的圖象。
人們也期盼，本發(fā)明可以通過使用沒有電子快門的視頻攝像機被改進。因此就打算檢測器可以是光電檢測器，如一個圖象增強管，在那里光子被放大或級聯(lián)以在弱光線條件下產(chǎn)生增強的圖象。光導攝像管是另一個例。在那里，檢測器沒有使用CCD或MOS光電檢測器的視頻攝像機使用的那類電子快門。人們期盼使用透光性依照控制信號變化的LCD光濾波器。通過把此光濾波器放在光電檢測器和要捕捉的目標或場景之間，和改變?yōu)V波器的控制信號，在每一視頻場或幀的時間幀期間照射光電檢測器的光量就可能被改變，由此，提供類似于用圖2和圖4的實施例獲得的不同曝光水平成為可能。人們還意識到，可變光圈或其它形式的快門也可以替代電子快門被用在本發(fā)明中，但它們受到不與電子快門通用，限制低下的反應速度、高成本和過度的尺寸的限制。
人們也期盼，多路復用器6或18可被編程，或者適合于處理視頻攝像機的信號輸出，以便將長的和短的曝光視頻場或幀合并成單一視頻場或幀，正如雙重曝光攝像機常見的那樣。然而，為了保證交替的亮暗場代表同時發(fā)生的事件，在同另一場(或幀)合并產(chǎn)生連續(xù)視頻序列之前，一個場或幀需要借助于延時緩沖器被延時一個場(或幀)時間幀(取決于是隔行掃描視頻場還是順序掃描視頻)。根據(jù)預定的處理算法多路復用器可以被編程，以合并用于顯示的不同曝光場或幀。然而，如用普通的組合雙重曝光視頻攝像機一樣，由于已經(jīng)被合并的場或幀之間的時間差，當它們被顯示時，組合的圖象可能變模糊，并且組合的圖像也具有減小的對比度。
視頻顯示可以采取各種形式。在圖2-4的實施例中，最好監(jiān)視器7是工作于模擬模式的普通視頻監(jiān)視器。然而，也可以使用其它視頻顯示裝置，比如工作于數(shù)字模式的陰極射線管類型的監(jiān)視器，或LCD顯示設備。人們也期望，可以使用頭戴式或頭上式的顯示器。
應當理解，視頻攝像機可以是一個普通的模擬模式攝像機，在那種情況下，要求它的輸出信號在被如上所描述的緩沖的多路復用器處理之前被送給A/D轉換器以轉換成數(shù)字信號，而從緩沖多路復用器輸出的信號需要被送給D/A轉換器以產(chǎn)生適合作用于普通的模擬模式視頻監(jiān)視器的信號。作為選擇，視頻攝像機可以是數(shù)字攝像機，由此不需要包括A/D轉換器以容許視頻信號由多路復用器6或18處理。類似地，顯示設備也可以是數(shù)字類型的，因而不需要為了能夠驅動模擬模式視頻監(jiān)視器，把多路復用器的輸出視頻信號轉換的D/A器件包括在系統(tǒng)中。為簡化起見，A/D和D/A轉換器都被從圖中省略了，因為它們的需要和使用對于本領域的技術人員來說是顯而易見的。另一個的明顯改進是將控制器3或31a合并到攝像機。
讀者應理解，不背離本發(fā)明的范圍可能還有其它實施例。
此處描述和圖解的發(fā)明提供許多優(yōu)點。首先，它提供了一個具有改善的動態(tài)范圍的視頻攝像機和記錄及處理系統(tǒng)。與普通單個曝光攝像機產(chǎn)生的單一的曝光視頻序列，或雙重曝光攝像機提供的組合曝光視頻序列相比，本發(fā)明提供保留因傳感器飽和而丟失的圖象明亮部分的、和由于最小靈敏度將被失去的圖象黑暗部分的視頻信息的優(yōu)越性。就此而論，要意識到的是，系統(tǒng)提供包含全動態(tài)范圍信息的信號，該信號可以被記錄或利用而沒有場和幀的合并以及相應的對比度減少。在許多應用中，固定曝光的時間分辨率的減小比被動態(tài)范圍增加進行的補償更多。另一個優(yōu)點是，本系統(tǒng)和方法能夠產(chǎn)生包含代表不同曝光的，例如相對長的和相對短的，視頻場或幀的視頻信號連續(xù)序列，并且本系統(tǒng)和方法能夠使用視頻信號序列產(chǎn)生無閃爍顯示。同時，緩沖的多路復用器使它產(chǎn)生每個都代表不同曝光時間的兩個或幾個獨自的視頻場序列成為可能，并且使用這樣兩個或幾個序列同時產(chǎn)生每個都由不同曝光值來表征的兩個或幾個獨立的顯示。另一個優(yōu)點是，本發(fā)明可以使用具有電子快門一類的普通視頻攝像機實現(xiàn)，因此具有商業(yè)上買得到的攝像機較低成本的優(yōu)點。另一個優(yōu)點是本發(fā)明可以使用黑白視頻攝像機或彩色視頻攝像機。
權利要求
1.一種產(chǎn)生具有改善動態(tài)范圍的視頻記錄的方法，包括提供一個視頻攝像機，它包括一個能夠把光學圖象轉換成視頻場或幀的序列的視頻檢測器，和一個用來調(diào)整被所述檢測器從所述攝像機觀察到的光學圖象接收的光照量的電子快門；操作所述攝像機以捕捉一幅光學圖象；命令所述電子快門改變被所述視頻檢測器從所述被捕捉的光學圖象接收的光照量，借此從所述檢測器產(chǎn)生構成代表被捕捉光學圖象的視頻場或幀的序列的輸出視頻信號，所述序列最少包含代表按預定重復頻率重復出現(xiàn)在所述序列中的被捕捉圖象的不同曝光值的第一和第二視頻場或幀；處理所述輸出視頻信號，以便產(chǎn)生由所述第一場或幀的連續(xù)序列或者第二場或幀的連續(xù)序列組成的修改的視頻信號；和有選擇地將所述修改的視頻信號作為輸入信號加到視頻顯示裝置，借此使所述裝置按照包含在所述修改的視頻信號中的第一或第二場或幀顯示所述被捕捉的光學圖象。
2.按照權利要求1的方法還包括記錄隨后被用于驅動顯示裝置的所述輸出視頻信號的步驟，以便所述被捕捉的光學圖象可以按照包含在第一或第二場或幀中的信息被顯示。
3.一種產(chǎn)生具有改善動態(tài)范圍的視頻記錄的方法，包括提供一個視頻攝像機，它包括一個能夠把光學圖象轉換成視頻場或幀的序列的視頻檢測器，和一個用來調(diào)整被所述檢測器從所述攝像機觀察到的光學圖象接收的光照量的電子快門；操作所述攝像機以捕捉一幅光學圖象；命令所述電子快門改變被所述視頻檢測器從所述被捕捉的光學圖象接收的光照量，借此從所述檢測器產(chǎn)生構成代表被捕捉光學圖象的視頻場或幀的序列的輸出視頻信號，所述序列最少包含代表按預定重復頻率重復出現(xiàn)在所述的序列中的被捕捉圖象的不同曝光值的第一和第二視頻場或幀；將所述輸出視頻信號記錄在記錄介質中；隨后從所述記錄介質中播放所述輸出視頻信號；處理從所速記錄介質中播放的所述輸出視頻信號，以便產(chǎn)生一個由所述第一場或幀的連續(xù)序列，或者所述第二場或幀的連續(xù)序列構成的修改的視頻信號；和有選擇地將所述修改的視頻信號作為輸入信號加到視頻顯示裝置，借此使所述裝置按照包含在所述修改的視頻信號中的第一或第二場或幀顯示所述被捕捉的光學圖象。
4.一種產(chǎn)生具有改善動態(tài)范圍的視頻記錄的方法，包括提供一個能將光學圖象轉換成包含代表光學圖象的視頻場或幀序列的視頻信號的視頻傳感器；操作所述視頻傳感器以捕捉光學圖象，并且同時在每個視頻場或幀的時間幀期間改變所述視頻傳感器接收的光照量，因此代表所述被捕捉的光學圖象的結果視頻信號將構成一個視頻場或幀序列，其中視頻場或幀序列至少包括代表按預定重復頻率重復出現(xiàn)在所述序列中的被捕捉圖象的不同曝光值的第一和第二視頻場或幀；從所述結果視頻信號獲得一個修改的視頻信號，修改的視頻信號包含所述第一場或幀的連續(xù)序列，或者所述第二場或幀的連續(xù)序列；和，將所述修改的視頻信號加到顯示裝置，靠它所述被捕捉的光學圖象按照包含在所述修改的視頻信號的視頻信息被顯示。
5.按照權利要求4的方法，進一步包括記錄隨后被用于驅動顯示裝置的所述結果視頻信號的步驟，以便所述被捕捉的光學圖象可以按照包含在第一或第二場或幀中的信息被顯示。
6.按照權利要求4的方法，其中所述修改的視頻信號由處理所述結果視頻信號產(chǎn)生，為的是取消所述第二場或幀，并把所述被取消的第二場或幀用第一場或幀替換。
7.一個視頻攝像機系統(tǒng)，包含一個用來捕捉光學圖象和產(chǎn)生輸出視頻信號的視頻攝像機，視頻信號具有代表被捕捉的圖象的視頻場或幀的連續(xù)序列的特征，所述攝像機包括一個按照從所述圖象接收的光照產(chǎn)生所述輸出視頻信號的視頻檢測器裝置，和用來調(diào)整由所述視頻檢測器從光學圖象接收的光照量的曝光控制裝置。一個根據(jù)視頻場或幀來改變光照量的所述曝光控制裝置的曝光控制器，借此，所述輸出視頻信號表現(xiàn)為最少是實質上不同曝光的第一和第二場或幀的交替序列；以及響應所述輸出視頻信號完成下列動作的裝置(a)產(chǎn)生僅響應所述第一場或幀的視頻顯示；(b)產(chǎn)生僅響應所述第二場或幀的視頻顯示；和(c)記錄所述輸出視頻信號，隨后用于產(chǎn)生響應所述第一場或幀或者響應所述第二場或幀的視頻顯示。
8.按照權利要求7的視頻攝像系統(tǒng)，其中所述最近敘述的裝置按照并響應所述第一場或幀而產(chǎn)生第一視頻顯示，按照并響應所述第二場或幀而產(chǎn)生第二并行的顯示。
9.一個視頻攝像機記錄系統(tǒng)，包含一個用來捕捉光學圖象和產(chǎn)生輸出視頻信號的視頻攝像機，視頻信號具有代表被捕捉的圖象的視頻場或幀的連續(xù)序列的特征，所述攝像機包括一個按照從所述圖象接收的光照產(chǎn)生所述輸出視頻信號的視頻檢測器裝置，和用來調(diào)整由所述視頻檢測器從光學圖象接收的光照量的曝光控制裝置；一個根據(jù)視頻場或幀來改變光照量的所述曝光控制裝置的曝光控制器，借此，所述輸出視頻信號表現(xiàn)為最少是不同曝光的第一和第二場或幀的交替序列；用于記錄和重放所述輸出視頻信號的記錄器裝置；耦合到所述記錄器裝置的信號處理裝置，當所述輸出視頻信號被從所述記錄器裝置讀出時，信號處理裝置被用于接收所述輸出視頻信號，并從那里導出一個包含只有所述第一視頻場或幀，或者只有所述第二視頻場或幀的修改的視頻信號；和響應所述修改的視頻信號產(chǎn)生依照所述第一或第二場或幀的視頻顯示的裝置。
10.依照權利要求9的視頻攝像機系統(tǒng)，其中所述第一或第二場或幀被非循序地產(chǎn)生。
11.依照權利要求9的視頻攝像機系統(tǒng)，其中所述第一或第二場或幀被非循序地產(chǎn)生并按它們產(chǎn)生的次序被記錄。
12.依照權利要求9的視頻攝像機系統(tǒng)，其中所述第一或第二場或幀以一致的重復序列產(chǎn)生，重復周期大于或等于兩個視頻場或幀的周期。
13.依照權利要求9的視頻攝像機系統(tǒng)，其中所述視頻檢測器裝置包含一個CCD或MOS器件。
14.一個視頻攝像機系統(tǒng)，包括產(chǎn)生一串代表選定的光學圖象的視頻場或幀序列的視頻信號的裝置，光學圖象至少有包含代表第一次曝光水平的數(shù)據(jù)的特定視頻場或幀，和包含代表第二次較大或較小曝光水平的視頻數(shù)據(jù)的其它所述視頻場或幀；和處理和利用所述視頻信號以提供所述選擇的光學圖象的無閃爍的視頻顯示的裝置。
15.按照權利要求14的視頻攝像機系統(tǒng)，其中所述特定的視頻場或幀散布在所述其它場或幀當中的所述序列里面。
16.按照權利要求14的視頻攝像機系統(tǒng)，其中所述最近敘述的裝置包含一個多路復用器，它用于消隱包含代表所述第一次曝光水平數(shù)據(jù)的所述確定的場或幀，并用包含代表所述第二次曝光水平數(shù)據(jù)的場或幀替換所述消隱的場或幀，借此產(chǎn)生一個修改的視頻信號；系統(tǒng)還包含將所述修改的視頻信號加到視頻顯示裝置的裝置，提供按照代表所述第二次曝光水平的數(shù)據(jù)的所述光學圖象的無閃爍視頻顯示。
17.一種捕捉和顯示視頻圖象的方法包括使用視頻攝像機產(chǎn)生視頻信號輸出，視頻信號輸出定義一個代表捕捉的光學圖象的視頻場或幀的連續(xù)序列，至少有分別代表具有第一和第二次不同曝光時間的捕捉的圖象的第一和第二場或幀，所述第一和第二場或幀產(chǎn)生于一致的重復序列中，所述第一視頻場或幀散布在所述第二視頻場或幀的所述連續(xù)序列中；處理所述視頻信號輸出以提供(1)定義所述第一場或幀的連續(xù)序列的第一個修改的視頻信號，和(2)定義所述第二場或幀的連續(xù)序列的第二個修改的視頻信號；和利用所述第一個和第二個修改的視頻信號按照所述第一和第二場或幀分別代表的曝光產(chǎn)生所述光學圖象各自的顯示。
18.一種產(chǎn)生具有改善了動態(tài)范圍的視頻記錄的方法，包括提供一個能將光學圖象轉換成包含代表光學圖象的視頻場或幀序列的視頻信號的視頻傳感器；操作視頻傳感器以捕捉光學圖象，并同時在每個視頻場或幀的時間幀期間改變被視頻傳感器接收的光照量，這樣代表所述被捕捉的光學圖象的結果視頻信號將構成一個視頻場或幀序列，該視頻場或幀序列至少包含許多代表被捕捉光學圖象的第一次曝光值的第一場或幀和許多代表被捕捉光學圖象的第二次曝光值的第二場或幀，所述第一場或幀散布在所述第二場或幀的所述序列中；從所述結果視頻信號得到修改的視頻信號，它包含所述第一場或幀的連續(xù)序列或者所述第二場或幀的連續(xù)序列；以及將所述修改的視頻信號加到顯示裝置，靠它所述被捕捉的光學圖象按照包含在所述修改的視頻信號的視頻信息被顯示。
19.一種記錄和顯示視頻圖象的方法，包括使用不同的曝光時間捕捉一串連續(xù)的視頻圖象，曝光時間按照預定的方式改變，因此使用第一曝光時間捕捉的視頻圖象散布在使用不同的第二曝光時間捕捉的視頻圖象的串中；以它們被捕捉的次序產(chǎn)生代表所述視頻圖象串的視頻信號；和使用所述視頻信號產(chǎn)生僅使用所述第一曝光時間捕捉的視頻圖象的視頻顯示。
20.按照權利要求19的方法進一步包括使用所述視頻信號產(chǎn)生僅使用所述第二曝光時間捕捉視頻圖象的第二視頻顯示的步驟。
21.按照權利要求20的方法，其中所述顯示被通用的顯示設備同時展現(xiàn)。
全文摘要
本發(fā)明通過(1)創(chuàng)建視頻信號(1),視頻信號(1)包含連續(xù)的視頻場或幀(4a,4b),視頻場或幀(4a,4b)包含代表捕捉到光學圖象(4)的光學圖象視頻數(shù)據(jù),光學圖象有許多代表第一曝光水平的光學圖象的第一視頻場或幀(4d),和許多代表不同于第一曝光水平的第二曝光水平的光學圖象的第二視頻場或幀(4c),第一場或幀散布在所述第二場或幀中和(2)利用視頻信號(a)產(chǎn)生所述第一視頻場或幀(4a)代表的圖象或所述第二視頻場或幀(4b)代表的圖象的視頻顯示(7),或(b)同時產(chǎn)生所述第一視頻場或幀代表的圖象的第一視頻顯示和所述第二視頻場或幀代表的圖象的第二視頻顯示,來提供捕捉和顯示視頻圖象。
文檔編號H04N5/45GK1370289SQ00811758
公開日2002年9月18日 申請日期2000年8月16日 優(yōu)先權日1999年8月17日
發(fā)明者J·克勞福德, H·A·塔勒, K·霍里 申請人:應用視像系統(tǒng)有限公司