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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren, um die Entstehung von Abbildungsfehlern in Videoaufnahmen von digitalen Kameras mit CMOS Bildsensoren, die durch zeilenweises Auslesen des Bildsensors zustande kommen (sog. rolling Shutter Effekt), zu verhindern.
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Hintergrund, Stand der Technik
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Aus der Technik, anderen Patentschriften und wissenschaftlicher Literatur sind CMOS Bildsensoren bekannt, dessen Pixelreihen zeitlich nacheinander belichtet und ausgelesen werden. Dabei werden die einzelnen Zeilen des Bildsensors mit einem zeitlichen Versatz aktiviert (Reset-Sequenz) und nach Verstreichen der Belichtungszeit mit demselben zeitlichen Versatz ausgelesen (Read-Sequenz). Dieses Prinzip ist als „rollender Verschluss” oder „rolling Shutter” bekannt. In vielen heutigen digitalen Kameras kommt dieses Prinzip zum Einsatz, unter anderem in modernen digitalen Spiegelreflexkameras mit Videofunktion, wie z. B. der Canon 5D Mark 2.
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Die zeitliche Verzögerung zwischen der Belichtung der einzelnen Zeilen kann bei diesem Prinzip je nach Aufnahmesituation zu verzerrten oder teilbelichteten Bildern führen. Schnelle Kameraschwenks beispielsweise führen zu einem diagonal verzerrten Bild. Objekte, die sich während der Aufnahme schnell durch das Bild bewegen werden ebenfalls verzerrt abgebildet. Bei rotierenden Objekten kommt es zu teilweise komplexen Verzerrungen. Ist die Kamera Vibrationen ausgesetzt, beispielsweise bei der Aufnahme aus einem fahrenden Auto oder einem Helikopter, entsteht eine starke Verzeichnung des gesamten Bildes. Tritt während der Aufnahme ein kurzer Lichtblitz, wie etwa von einem Fotografenblitz oder einem Gewitter auf, so wird dieser je nach Länge des Blitzes nur auf einem Teil eines Bildes oder auf Teilen von zwei aufeinander folgenden Bildern erfasst. Dies führt zu hellen horizontalen balkenartigen Abbildungen.
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Die Bilder können durch einen oder mehrere dieser Nachteile unbrauchbar werden. Vor allem im professionellen Bereich wird hoher Wert auf die Qualität von Bildern gelegt und die Toleranz für verzeichnete Bilder ist dementsprechend gering. Dies schränkt das Einsatzgebiet von Kameras mit CMOS Bildsensoren, die im rolling Shutter Verfahren arbeiten, stark ein.
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Die Japanische Patentschrift
JP002008252195A beschreibt ein Verfahren, das diese Probleme nicht vollständig lösen kann, denn es funktioniert nur, wenn die darin beschriebene LED die einzige Lichtquelle während der Aufnahme ist.
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Der im Patenanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt also das Problem zugrunde, die Entstehung der oben genannten Abbildungsfehler in Form von Verzerrungen und teilweise belichteten Bildern zu unterbinden, unabhängig von der Aufnahmesituation. Dies löst die Erfindung in Form einer Vorrichtung, die an betreffenden Kameras montiert werden kann.
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Zum besseren Verständnis der Funktionsweise der Erfindung sind diesem Dokument mehrere Zeichnungen beigefügt.
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1 zeigt ein Zeitdiagramm, das den Ablauf der Reset- und Readsequenz sowie die zeitlich synchrone Arbeitsweise der Vorrichtung verdeutlichen soll.
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2 zeigt ein beispielhaftes schematisches Blockdiagramm
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3 zeigt einen Querschnitt durch eine schematisch dargestellte Kamera, in die die Vorrichtung integriert ist
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Es wird vorausgesetzt, dass die in der Kamera, an der die Vorrichtung montiert wird, eingestellte Belichtungszeit länger ist, als die Zeit, die benötigt wird, um alle Zeilen des Bildsensors auszulesen. Dafür sollte an der Kamera die im jeweiligen Betriebsmodus längst mögliche Belichtungszeit gewählt werden.
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Ist dies der Fall, so ergibt sich während der Aufnahmeperiode nach der Reset-Sequenz und vor der Read-Sequenz für jedes Bild ein Zeitraum (a), in dem alle Zeilen aktiv sind, also Licht in elektrische Ladung umwandeln und in dem keine Zeile Ausgelesen wird. Dieser Zeitraum (a) wird nachfolgend als Blank-Zeitraum (a) bezeichnet.
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, den Bildsensor nur innerhalb dieses Blank-Zeitraums (a) zu belichten und ihn außerhalb dieses Zeitraums abzuschatten.
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Das Resultat ist eine Zeitgleiche Belichtung aller Zeilen des Bildsensors. Dadurch werden die oben beschriebenen Probleme in Form von verzerrten oder teilweise belichteten Abbildungen ausgeschlossen.
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Die Erfindung besteht aus folgenden Elementen:
- – Eine Stromversorgung (1), beispielsweise eine Batterie oder ein Akkumulator
- – eine Steuerungseinheit (2), die einen Mikroprozessor (3) enthält, der über mehrere Eingangskanäle und Ausgangskanäle verfügt, sowie über einen Speicher (4), auf dem ein Programm gespeichert ist. Mikroprozessor und Speicher (4) können in einem Bauteil vereint sein.
- – ein Taktgeber (5), beispielsweise ein Schwingquarz, der einen zeitlich genauen Takt vorgibt
- – eine Bedieneinheit (6), die mehrere Regler und/oder Tasten aufweist
- – eine Anzeigeeinheit (7), zum Beispiel mehrere LEDs oder ein LCD Display
- – ein LC (Liquid Crystal = Flüssigkristall) Shutter Element (8), ähnlich derer, die auch in bekannten 3D-Shutterbrillen zur Betrachtung von stereoskopischen Bildern auf Computermonitoren oder modernen 3D Fernsehern genutzt werden
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Die Stromversorgung (1) ist mit dem Mikroprozessor (3) verbunden, der konfiguriert ist, das Programm, das im Speicher gespeichert ist, auszuführen. Der erste Ausgangskanal des Mikroprozessors ist mit dem LC Shutter Element (8) verbunden, sodass die Lichtdurchlässigkeit des Shutters durch die elektrische Spannung des Ausgangskanals verändert werden kann. Der zweite Ausgangskanal des Mikroprozessors ist mit dem Anzeigeelement verbunden, sodass dieses dem Benutzer eine Rückmeldung über den Betriebszustand geben kann. Der erste Eingang des Mikroprozessors ist mit der Bedieneinheit (6) verbunden, sodass der Benutzer verschiedene Eingaben tätigen kann. Der Zweite Eingang des Mikroprozessors kann optional mit dem Videoausgang einer Kamera verbunden werden, beispielsweise durch ein Composite oder HDMI Signal. Der dritte Eingang des Mikroprozessors ist mit dem Taktgeber (5) verbunden, sodass innerhalb des Programms eine präzise Zeitmessung möglich ist. Der vierte Eingang des Mikroprozessors ist mit dem Speicher verbunden, sofern Speicher und Mikroprozessor (3) nicht in einem Bauteil vereint sind. In 2 sind die Verbindungen schematisch dargestellt.
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Im Stromlosen Zustand ist der LC Shutter (8) lichtdurchlässig. Wird vom Mikroprozessor (3) eine elektrische Spannung an den Shutter (8) gegeben, so kann der Shutter (8) je nach Höhe der Spannung bis auf größtmögliche Lichtundurchlässigkeit abgedunkelt werden.
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Der Shutter (8) wird in dem Strahlengang der Optik der Kamera platziert, sodass bei vollständig abgedunkeltem Shutter (8) kein Licht zum Bildsensor vordringt. Dazu kann der Shutter (8) verschiedene Formen und Ausmaße haben und mit verschiedenen Mechanismen versehen sein, zum Beispiel mit einem Gewinde ausgestattet sein, dass das Einschrauben in das Filtergewinde von konventionellen Objektiven ermöglicht, eine Passgenaue Form aufweisen, die das Einsetzen des Shutters (8) in die Filteraufnahme eines Kompendiums (Mattebox) ermöglicht, oder eine Klemmvorrichtung aufweisen, mit der der Shutter (8) an einem Objektiv befestigt werden kann. Die Steuerungselektronik sowie Bedien- und Anzeigeelement können dabei entweder in die Bauformen integriert sein oder sich in einem separaten Gehäuse befinden und durch ein längeres Kabel mit dem Shutter (8) verbunden sein.
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Alternativ können die gesamte Elektronik sowie der LC Shutter (8) in eine Kamera integriert sein. Der LC Shutter (8) befindet sich dann entweder statisch vor dem Bildsensor oder ist beweglich angebracht und kann bei Bedarf über einen Schwenkmechanismus in den Strahlengang gebracht werden bzw. aus dem Strahlengang entfernt werden, wie es in 3 dargestellt ist. Die Bedienung erfolgt dann über die Bedienelemente der Kamera. Die Synchronisation erfolgt dann ebenfalls Kameraintern.
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Das Programm ist so geschrieben, dass der Mikroprozessor (3) den LC Shutter (8) alternierend in einen lichtundurchlässigen und einen transparenten Zustand versetzt. Das Steuerungssignal (b) für den Shutter (8) entspricht dabei einer rechteckigen Wellenform. Die veränderbaren Parameter dieser Wellenform sind die Frequenz, das Tastverhältnis (Verhältnis zwischen Hoch- und Tiefzeit), die Phase sowie der untere Wert der Rechteckkurve (der obere Wert der Rechteckkurve ist durch die benötigte Spannung zur vollständigen Verdunkelung des Shutters vorgegeben).
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Die Vorraussetzung für das Funktionieren der Erfindung sind folgende:
- • Die Frequenz des Steuersignals für den Shutter (8) muss gleich der verwendeten Bildwiederholfrequenz der Kamera sein.
- • Das Tastverhältnis muss so gewählt sein, dass die Zeitspanne, in der der Shutter (8) lichtdurchlässig ist (diese Zeitspanne ist letztendlich die effektive Belichtungszeit des Bildsensors), gleich oder kürzer ist, als der Blank-Zeitraum.
- • Die Phase des Steuerungssignals muss zeitlich so liegen, dass der Zeitraum, in dem der Shutter (8) lichtdurchlässig ist, innerhalb des Blank-Zeitraumes liegt.
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Durch Eingaben über das Bedienelement (6) kann der Benutzer das Programm in verschiedene Betriebszustände versetzten, in denen diese Voraussetzungen auf unterschiedliche Art und Weise erfüllt werden.
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Manueller Modus
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In diesem Modus wird die Frequenz des Steuerungssignals für den LC Shutter (8) über das Bedienelement manuell an die Bildwiederholfrequenz der Kamera angepasst. Diese kann zum Beispiel 25 Hertz bei Aufnahmen im PAL Format betragen. Die Anzeigeeinheit (7) gibt dem Benutzer dabei Rückmeldung über die ausgewählte Frequenz.
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Auch das Tastverhältnis und die Phase werden über das Bedienelement (6) vom Benutzer so eingestellt, dass die oben genannten Voraussetzungen erfüllt sind. Da bei falscher zeitlicher Lage der Phase das Bild, das über den Monitor oder Sucher der Kamera betrachtet werden kann, ungleichmäßig belichtet wird, kann der Benutzer zum Beispiel mittels eines Drehreglers die Phase leicht so verschieben, dass das Bild gleichmäßig belichtet wird und sie somit in die richtige Lage bringen.
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Das Tastverhältnis muss so eingestellt werden, dass die effektive Belichtungszeit nicht länger ist, als der Blank-Zeitraum. Es sollte also eine möglichst kurze effektive Belichtungszeit (Zeitspanne, in der der Shutter lichtdurchlässig ist) gewählt werden.
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Automatischer Modus
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Für den Automatischen Modus muss der Videoausgang der Kamera mit dem zweiten Eingang des Mikroprozessors verbunden werden.
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Das Programm erkennt in diesem Modus anhand des Videosignals die Bildwiederholfrequenz der Kamera und synchronisiert das Steuerungssignal für den Shutter (8) entsprechend. Da der Blank-Zeitraum zeitlich in der Mitte eines Bildintervalls liegt, wird die Phase durch das Programm so verschoben, dass der Zeitraum, in dem der Shutter (8) lichtdurchlässig ist, ebenfalls in der Mitte des Bildintervalls liegt. Für den Fall, dass die Phase des Videosignals nicht mit der des Bildsensors übereinstimmt, beispielsweise wegen Latenzzeiten innerhalb der Kameraelektronik, kann der Benutzer auch in diesem Modus die Phase manuell korrigieren. Das Tastverhältnis kann wie im manuellen Modus durch den Benutzer eingestellt werden.
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In beiden Modi kann der Benutzer den unteren Wert des Rechtecksignals bei Bedarf erhöhen, sodass der Shutter (8) nicht sein Höchstmaß an Lichtdurchlässigkeit erreicht. Dies käme dem Effekt eines zusätzlichen Graufilters gleich.
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Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung verhindert das Auftreten von Abbildungsfehlern, die durch zeilenweises Auslesen von CMOS Bildsensoren entstehen können, auch rolling Shutter Artefakte genannt, in jeglichen Aufnahmesituationen. Dies bedeutet eine immense Erweiterung des Einsatzgebietes von Kameras, deren Bildsensoren nach dieser Technik arbeiten. Durch die Erfindung wird mit diesen Kameras die verzerrungsfreie Aufnahme von schnell bewegten Objekten, schnellen Kamerafahrten, schnellen Schwenks sowie Aufnahmen aus fahrenden oder fliegenden Vehikeln oder aus der Hand möglich. Insbesondere für digitale Spiegelreflexkameras mit Videofunktion stellt die Erfindung einen großen Fortschritt dar, da die Abbildungsfehler ihre Einsatzfähigkeit bisher stark beschränkten. Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung können mit ihnen Einstellungen aufgenommen werden, die ohne die Erfindung zu unbrauchbar verzerrten Bildern geführt hätten.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stromversorgung
- 2
- Steuerungseinheit
- 3
- Mikroprozessor
- 4
- Speicher
- 5
- Taktgeber
- 6
- Bedieneinheit
- 7
- Anzeigeeinheit
- 8
- LC Shutter
- a
- Blank-Zeitraum
- b
- Steuerungssignal für LC Shutter
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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