用于摄像机的按照温度补偿 频率的手晃动校正装置 本发明一般地涉及一种便于应用在各种轻便型摄像机装置中的装置和方法，更具体地说，涉及用于这种摄像机的振动补偿系统。
近来，具有CCD图像传感器的手持式或所谓轻便型摄像机已广泛使用。轻便型摄像装置尺寸小、重量轻。然而，由于各种原因，存在的一个缺点是在摄像过程中，它对于手的晃动或手的摆动很敏感。假如产生这种手的摆动，在例如利用变焦机构摄像的情况下，在重放所得图像的过程中会产生＂细微摆动＂或振动。其结果是使重放的图像变得模糊，并难于观看。
为了使重放的图像易于观看，作为一种用于补偿这种振动的装置，已知有一种利用装在摄像装置中的校正装置的手晃振动补偿技术。在用于校正装置中校正手晃动的各种技术当中，有一种通过图像处理校正手晃动地校正装置以及一种通过光学处理校正手晃动的校正装置。在通过图像处理校正手晃振动的的校正装置中，有一存储器控制系统和CCD驱动控制系统。
该存储器控制系统是这样一种系统，即其中如检测到手晃动，将对目标摄像得到图像信号的一部分取出作为一图像帧，并将前一扫描场的图像帧和当前扫描场的图像帧移近实现彼此对准。为了改进校正范围。可对图像扫描场部分中图像进行放大，然而，假如图像被放大，由于图像信号被放大到超过CCD图像传感器的分辨率，则重放的图像质量变差。这种图像质量的变差随着校正范围的被加宽，总的变得更加明显。因此，利用这种先前提出的系统图像质量降低了。同时校正范围不能适当加宽。尽管如此。由于根据这种系统的校正装置仅用IC构成，因此很适用于小尺寸的廉价摄像装置。
利用上述的CCD驱动控制装置，当检测到手晃动时，通过改变读出在拍摄目标时由CCD图像传感器得到的图像信号的定时时间来实现校正。利用这种系统，由于补偿范围是通过增加CCD图像传感器的像素数量来获得的，假如要进行手晃动校正，即使在出现的＂振动＂要被放大的情况下，像在上述以高放大倍率拍摄目标的情况一样需要增加像素的数量。假如为了保证对由于放大＂振动＂引起的手晃动的充分校正而增加像素的数量，则这样CCD图像传感器和它的外围电路变得庞大而不实用。对于采用这种系统的校正装置，为了校正由于放大＂振动＂引起的手晃动所需的像素的足够数量并不总能得到保证，使得与由于这样放大的振动引起的手晃动对应的重放图像中的图像变得不连续。然而，根据这种系统的手晃动校正在利用常规的摄像放大倍率就能实现而没有任何不便。而且由于该系统也是仅由IC构成的，因此，适用于小型价廉的摄像装置。
在通过光学处理对手晃动进行校正的校正装置中，已经提出一种万向平衡摄像系统和一种能动式摄像系统。
万向平衡摄像系统是这样一种系统，其中假如检测到手晃动，则镜头装置作为一个整体沿消除手晃动的方向移动，借此校正手晃动。利用这种系统，分辨率不会变差，并且校正范围可以宽于上述电子技术达到的范围。然而由于镜头装置整体移动，机构变得庞大，消耗功率增加。因而，采用这种系统的校正装置适用于这种情况，即允许在尺寸和消耗功率方面付出代价的情况下可望达到高分辨率。
能动式棱镜系统是这样一种系统，其中当进行手晃动校正时，只有镜头装置的一部分沿消除手晃动的方向移动。利用这种系统功率消耗小，装置可易于减小尺寸，同时分辨率不会变差，而补偿范围可被加宽。假如利用上述能动式棱镜系统来补偿手晃动，在重放的图像中便没有产生＂振动＂，使得手持型摄像装置可以达到尺寸小、重量轻，并能得到高的图像质量。
在上述能动式棱镜系统采用的能动式棱镜是通过将具有可扩展的伸缩膜盒的两个玻璃板相互连接构成的，该伸缩膜盒是由一特定薄膜以及在因此形成的内部空间中充有一种液体而形成的，该液体具有的光折射率基本上与玻璃板的数值相同。能动式棱镜装在物镜与CCD图像传感器之间，该物镜设在摄像装置的前侧，用于将目标的图像导向摄像机构。能动式棱镜是镜头装置的一部分，用于将目标图像由物镜导向CCD图像传感器。手晃动的校正是通过改变两个玻璃板沿摄像机构的各自不同的纵向和横向的倾斜角度(下文称为顶角)实现的。
这些上述的校正装置是根据检测到的手晃动量进行手晃动校正的，而在这些先前提出的晃动量检测装置之中有一个运动矢量检测系统和一个角速度检测系统。
运动矢量检测系统是通过取得在现时扫描场的图像信号和先前扫描场的已经存储在半导体存储器中的图像信号之间的差来检测目标移动的量值和方向的。这种系统具有的缺点是，在低照度下易于产生误操作。然而，由于采用这种系统的晃动量检测装置仅由IC构成，因而很适于小型价廉的摄像装置。
应用在上述手持摄像装置中的手晃动校正装置包括：振动量检测装置，用于利用运动矢量检测系统或角速度检测系统检测由于手晃动引起的摄像机振动；校正信号发生器，用于根据振动量检测系统的输出信号产生校正信号；以及校正系统用于利用(例如采用存储器控制系统或CCD驱动控制系统的)图像处理方法或利用(例如采用机械万向平衡系统或能动式棱镜系统的)光学处理方法，根据由校正信号发生器产生的校正信号校正手晃动。
同时，摄像装置的角度变化不仅是由手晃动引起的，而且还由于实际的有效的摄像作业引起的，例如利用在摄像过程中水平移动摄像机的水平移动控制技术。或者在摄像过程中利用竖直移动摄像机的倾斜控制技术引起的。
有效的拍摄作业通常包括慢摄像作业和快摄像作业。此外，摄像机运动速度在摄像作业的起动阶段和终止阶段产生十分明显的变化，因而摄像作业的结果会产生从0.5到15赫的频率分量。摄像作业的这个频率范围随使用者不同而不同。
另一方面，在使用者瞄准一个静止的目标而没有进行摄像移动作业的情况下手晃动的频率分量为5到15赫。假如使用者瞄准一运动目标，例如运动的汽车，则手晃动的主频率分量移到15至20赫，即朝高频方向侧移动。此外，手晃动的频率范围因人而异。
利用上述手晃动校正装置，当使用者进行对运动目标的上述摄像瞄准作业时，为了考虑这时产生的手晃动，用伺服控制来消除由于手晃动引起的图像晃动，而不校正由于摄像移动作业引起的频率范围在2到30赫的振动，从而校正手晃动。因此，由于不再产生由于手晃动引起的图像振动，则由摄像装置重放的图像易于观看。
同时，在执行上述伺服控制的伺服控制电路的伺服反馈回路系统中，设有一低通滤波器，用于抑制由于回路扰动引起反馈系统的自然频率的振荡。
在能动式棱镜系统中的反馈回路系统的自然频率在温度升高的状态下峰值增益将提高，而朝低频方向侧移动。故为了在升高的温度下抑制振荡，将低通滤波器的截止频率预置在低频侧。
在不同于高温的状态下，反馈系统的自然频率由于降低了峰值增益，随着温度降低而恢复到较高的频率。然而，低通滤波器的截止频率被预置到较低的频率上。因此，出现的一个问题是，反馈回路系统的高频区被截除，使得不能达到充分的手晃动校正。
作为一种用于克服上述问题的先前提出的系统，有一种方法其中根据摄像机构的温度选择具有不同自然频率的多个反馈回路中的一个，用于以可变方式设定反馈回路系统的自然频率，以便校正手晃动，任凭摄像机构的温度变化，使得始终避免在自然频率处发生振荡。
用于执行上述方法而设计的手晃动校正装置具有一个缺点是，由于提供多个反馈回路系统使结构变得复杂。这种方法还存在的另一个缺点是由于反馈回路而施加了一些限制，使得难于增加手晃动校正系统的频率范围。
因此，本发明的一个目的是提供一种结构简单并能够在很宽的频率范围内校正手晃动的手晃动校正装置。
根据一个方面，本发明提供的一种手晃动校正装置具有：振动量检测装置，用于检测由于摄像机构的摆动引起的图像振动量；特性补偿装置，用于以可变设定方式校正振动量检测装置的输出信号的频率特性；校正装置，用于根据特性补尝装置的输出信号校正图像的振动；温度检测装置，用于检测校正装置的环境温度；以及补偿量计算装置，用于根据由温度检测装置输出的检测信号计算该特性补偿装置的补偿量。
在另一个方面，本发明提供的一种手晃动校正方法包括的步骤有：检测由摄像机构的摆动引起的图像的振动量；以可变方式设定振动量检测步骤中产生输出信号的补偿频率特性，根据特性补偿步骤产生的输出信号校正图像的振动；检测校正步骤中的环境温度；以及根据温度检测步骤产生的检测信号计算特性补偿步骤所需的补偿量。
本发明的手晃动校正装置，响应于根据用于以可变方式设定特性补偿装置的频率特性的温度检测装置的检测信号由特性计算装置产生的计算结果，以可变方式设定特性补偿装置的补偿量。
通过响应于温度检测装置的检测信号使补偿装置的频率特性实现最优化。可以使手晃动的频率特性在很宽的频率范围内连续地实现最优化，可以不计摄像机构的环境温度的影响，能够利用校正装置进行充分的手晃动校正，尽管采用的手晃动校正装置的结构简单，仍可保证这一点。
图1是表示根据本发明的一个实施例的手晃动
校正装置的方案方块图；
图2是表示在图1中所示的手晃动校正装置的特性补偿部分的方案的方块图；
图3A和3B表示特性补偿部分的频率特性，其中图3A表示相/频特性，图3B表示增益/频率特性；
图4A到4C表示能动式棱镜的响应特性的相位的频率特性，其中图4A表示这样一种状况的频率特性，其中摄像机构的环境温度高以及补偿量还没有达到最优，图4B表示这样一种状况的频率特性，其中摄像机构的环境温度低，而图4C表示由低环境温度到高环境温度补偿量实现最优之后的频率特性；
图5表示手晃动校正装置的温度检测装置与摄像机构环境温度有关的检测信号特性；
图6表示用在图1所示装置中的非线性积分器的一个实施例；以及
图7是表示在图6所示电路采用的系数值的曲线图。
参见图1，详细解释根据本发明的手晃动校正装置的一个实施例。本发明的手晃动校正装置提供用于校正例如手持型摄像装置的手漂动。图1所示的手晃动校正装置在振动量检测方法中应用角速度检测。并采用能动式棱镜系统作为校正装置。
在图1中所示的手晃动校正装置包括：振动量检测装置1和校正信号发生装置2，发生装置2用于根据由振动量检测装置1产生的检测信号产生校正信号。手晃动校正装置还包括：用于根据校正信号校正图像振动的校正装置3和检测环境温度的温度检测装置4。手晃动校正装置还包括用于检测温度的检测装置4的检测信号的补偿量计算装置5。
振动量检测装置1采用角速度检测系统，它包含例如一压电振荡回转仪的，并形成晃动量检测电路1Y和1P，二电路装置设有其表面分别朝向摄像机构的纵向和横向的检测表面，分别用于检测沿Y方向或水平偏转方向的角速度以及检测沿P方向或俯仰方向的角速度。
振动量检测装置1Y、1P分别包括：用于平转方向和用于俯仰方向的角速度传感器6Y、6P、用于分别截除角速度传感器6Y、6P的输出信号的高频分量的滤波器7Y、7P，以及用于对滤波器7Y、7P的输出信号进行取样的A/D变换器8Y、8P，使用的取样频率高于校正信号发生装置2的带通频率，该变换器8Y、8P还用于对取样的信号进行模数变换。
用于平转和俯仰方向的角速度检测器6Y、6P位于校正部分3的能动式棱镜21附近，分别用于检测摄像机构沿平转方向和沿俯仰方向的角速度。
具有上述结构的振动量检测部分1利用角速度传感器6Y、6P检测由于振动在平转方向和在俯仰方向引起的角速度的数值，并且用模数变换器7Y、7P按照取样的频率对检测信号进行模数变换，将数字变换的输出输送到校正信号发生装置2。
校正信号发生装置2包括非线性积分器12Y、12P，用于根据分别由振动量检测电路1Y、1P提供的沿平转方向和俯仰方向的数字化振动量产生角度信号，以及用于输送所产生的角度信号；以及补偿器13Y、13P，用于分别对非线性的积分器12Y、12P的输出信号进行补偿。校正信号发生装置2还包括：数模(D/A)变换器15Y、15P，用于对补偿器13Y、13P的数字输出信号进行变换，以产生模拟量的角度信号；以及两对混合电路16Y、17Y和16P、17P，分别提供有来自D/A变换器15Y、15P的模拟量的角度信号。
非线性积分器12Y、12P对在角速度信号的取样时间内由振动量检测装置1的A/D变换器8Y、8P提供的数字角度信号的乘积的和积分。以便求出由摄像机构沿平转和俯仰方向产生的振动形成的角度，将由检测角度形成的角度信号传输到补偿器13Y、13P。这种非线性积分器的一个实施例表示在图6中。
图6中的电路是图1中所示的非线性积分器例如12Y或12P的一个实例。例如来自A/D变换器12Y或12P的数字信号提供到加法器40的一个输入端，它的沿线42的输出成为积分器的输出，例如提供到一个补偿器，13Y或13P。线42上的输出提供到时间延迟装置44，它赋予一个与数字系统的取样间隔相对应的时间延迟。这是在数字滤波中的公知技术，该时间延迟单位对应于(1/fs)，其中fs是数字系统的取样频率。经延迟的信号然后提供到信号放大器或定标器46，将系数K作用到它的输入信号的所述的这种电路结构现在是公知的，通常系数K是一个常数。
然而，在图1所示实施例中，积分器12Y、12P是非线性的积分器，所以在图6所示的电路中，系数K将不再是一恒定值。非线性积分器12Y、12P的非线性是由于系数K的特征所引起的，系数K取决于提供到其上的输入电平。更具体地说，系数K的数值随提供到其上的输入电平的增加而降低。这种响应特性表示在图7中，由图可以看出，系数K的数值的降低，导致由非线性积分器12Y、12P输出的被积分的数据的量值降低。乘法器46的输出提供给加法器40的第二正输入端，因此在线42上形成输出信号。
积分器12Y、12P的非线性特性有效地防止了非线性积分器的输出电平超过数字滤波器的动态范围的极限，这一效果是由用于实现图1所示的系统和图6所示的非线性积分器的微处理器(未表示)处理的数据的有效位数所确定的。
转回到图2，补偿器13Y包括乘法器31Y，用于将非线性积分器12Y的输出信号与补偿数值K1相乘；以及延迟电路32Y，用于延迟乘法器31Y形成的乘积。补偿器13Y还包括：乘法器33Y，用于将延迟电路32Y的输出信号与补偿数值K2；以及减法器34Y，用于由乘法器31Y的输出信号减去乘法器34Y，用于由乘法器31Y的输出信号减去乘法器33Y的输出信号。补偿器13还包括：加法器35Y，用于将减法器34Y的输出信号加到乘法器36的输出信号上并将形成的和传输到D/A变换器15Y；以及延迟电路37Y，用于延迟乘法器35Y形成的乘积信号。乘法器36Y将延迟电路37Y的输出信号与补偿数值K3相乘，产生的信号提供到加法器35Y。时间延迟单位由Z-1来表示，如上所述它是基于数字取样频率fs并由(1/fs)表确定的。这一取样间隔决定于这一系统中设有的微处理器的处理速度。
补偿器13Y具有的传递函数Oo由如下方程表示；θo=K1*1-K2*Z-11-K3*Z-1]]>
其中算子Z-1表示由电路32Y和延迟电路37Y赋予的时间延迟，而K1、K2和K3是补偿数值。
在补偿器13Y中，补偿数值K1、K2和K3是由补偿量计算装置5根据温度检测装置的检测信号计算的并是可变设定的。假如这些补偿数值K1、K2和K3被改变，传递函数θo的频率特性就会改变，因为由上示方程(1)明显看出，其中1-K2*Z-1和1-K3*Z-1分别是超前的补偿部分和滞后的补偿部分。
根据选择与检测的环境温度对应的系数K1、K2和K3，由补偿量计算装置5控制补偿器13Y。本发明考虑补偿量计算装置5可以由一利用查询表的微处理器来实现，其中数值K1、K2和K3与检测的环境温度相对应，存储在该表中。在这一实施例中，补偿量计算装置5使系数K2和K3的数值按比例随检测的环境温度降低而增加，而系数K1由方程(1-K3)/(1-K2)来计算。
如上所述，这种运算借助利用查询表的微处理器可以便利地进行。在表中存储的系数值利用检测的环境温度来寻址查出。按照这种方式，自适应的温度补偿器的频率相对增益和相位的特性是变化的，随着检测的环境温度的降低，增益和相位补偿的数量会增加。
因此，变得能够以可变方式设定和使相频特性最优化，即使如图3A所示补偿器13Y的相位最优化，以及使增益/频率特性即增益G1最优化，截去补偿器13Y的f1、f2部分，如图3B所示。
假如摄像机构的环境温度是70℃，则未达最优的能动式棱镜具有的相位对于频率的响应特性曲线如图4A所示，而假如摄像机构的环境温度为-10℃，则能动式棱镜的相位对于频率的响应特性曲线如图4B所示。可以使相位对于频率的响应特性曲线在2到30赫的频率范围内基本上是恒定的，不受摄像机构的环境温度影响，这是由于使响应于由温度检测装置4提供的检测信号的补偿数值K1、K2和K3最优化才实现的，每个检测信号处于从-10℃到70℃的温度范围内，如图4C所示。
对于补偿器13Y的增益G1情况相同。即可以使增益对频率的响应特性曲线在2到30赫的频率范围内基本上维持恒定。不受摄像机构的环境温度影响，这是由于对于每个检测信号使对应于由温度检测装置4提供的检测信号的补偿数值K1、K2和K3最优化而实现的。即补偿器13Y用作为特性补偿装置，用于对平转方向的振动量检测装置1Y的输出信号的频率特性进行补偿。
补偿器13P的构成与补偿器13Y相似。用作为对俯仰方向的振动量检测装置1P的输出信号的频率响应特性进行补偿的特性补偿装置。
D/A变换器15Y、15P将由补偿器13Y、13P提供的数字角度信号进行D/A变换，并将形成的模拟信号分别传输到混合电路16Y、16P。
混合电路16Y、16P将D/A变换器15Y、15P的输出信号与由校正装置3提供的顶角信号相混合并将形成的混合信号分别传输到混合电路17Y、17P。
混合电路17Y、17P将来自混合电路16Y、16P的混合信号与由校正装置3提供的顶角速度信号相混合以便形成校正信号，将其提供到校正装置3。
上述校正信号发生装置2的工作情况如下：
将由振动量检测电路1Y、1P提供的沿平转方向和俯仰方向的数字化的角速度信号利用非线性积分器12Y、12P变换为角度信号，利用补偿器13Y、13P对该角度信号根据环境温度进行频率响应补偿以及由D/A变换器15Y、15P变换为模拟量的角速度信号。然后在混合电路16Y、16P将这些模拟量的角速度信号与由校正装置3提供的顶角位置信号相混合，以产生混合信号。这些混合信号还与由校正装置3提供的顶角速度信号相混合，以便产生沿平转方向和沿俯仰方向的校正信号，将这些校正信号传输到校正装置3。
按照本发明的能动式棱镜系统构成的校正装置3包括：位于在未表示的CCD图像传感器的前侧的能动式棱镜21，图像传感器接收目标的图像；位置传感器27Y、27P，用于检测沿平转方向和俯仰方向的能动式棱镜21的顶角；速度传感器28Y、28P，用于检测该顶角的变化速度，以及驱动装置29Y、29P，用于以可变方式转动能动式棱镜21的顶角。
能动式棱镜21包括：沿平转方向和俯仰方向可旋转的玻璃板22Y、22P；一伸缩膜盒23，由用于使相互连接的玻璃板22Y、22P伸缩连接的专用薄膜构成；以及液体24，其具有的光折射率与玻璃板22Y、22P相同。液体24注入到由伸缩膜盒23使之相互连接的玻璃板22Y、22P之间形成的内部空间中。
为了消除手晃动影响，通过和用驱动装置29Y、29P沿适当的方向改变能动式棱镜21的玻璃板22Y、22P的顶角，经过能动式棱镜21而形成在CCD图像传感器上的目标图像不再有手晃动形成的有害影响。这样在CCD图像传感器上形成无＂振动＂的图像。
位置传感器27Y、27P包含：分别在能动式棱镜的玻璃板22Y、22P的侧面上的光传感器，用于分别检测玻璃板22Y、22P中的沿平转方向和俯仰方向的顶角位置。
速度传感器28Y、28P可以是加速度计，它检测由位置传感器27Y、27P检测的顶角位置的运动速度，用于检测能动式棱镜21的玻璃板22Y、22P宾顶角的变化速度。
驱动装置29Y包括：未予表示的变换电路，用于对由混合电路17Y提供的校正信号进行变换；驱动电路，用于根据变换的校正信号沿平转方向移动和驱动能动式棱镜21的玻璃板22Y。
驱动装置29Y根据由混合电路17Y提供的校正信号，沿消除手晃动的方向利用包容在驱动装置29Y内的驱动电路转动能动式棱镜21的玻璃板22Y的顶角。
如上所述，校正装置3提供有由校正信号发生装置2产生的经过混合电路16Y、16P和混合电路17Y、17P的校正信号。因此提供有校正信号的驱动装置29Y、29P根据该校正信号运转，以便沿消除手晃动的方向改变玻璃板22Y、22P的顶角。
利用校正装置3的位置传感器27Y、27P和速度传感器28Y、28P分别检测能动式棱镜21的玻璃板22Y、22P的顶角位置和变化速度，并从各检测器将检测信号分别传输到校正信号发生装置2的混合电路16Y、17Y和混合电路16P、17P。
温度检测装置4包括：温度传感器41，用于检测摄像机构的环境温度；以及A/D变换器42，用于将温度传感器41的模拟输出信号变换为数字信号并将经变换的输出传输到补偿量计算装置5。
温度检测装置4检测摄像机构1的不同环境温度形成电压，将这些电压变换为数字值，将该数字检测信号传输到补偿量计算装置5，如图5所示。如上所述，这一数字检测信号可以用于对查询表寻址，以便得到补偿系数。
补偿量计算装置5根据来自温度传感器4的检测信号计算补偿数值K1、K2和K3，如图所示，并且利用这些补偿数值K1、K2和K3，以可变方式设定校正信号发生装置2的补偿器13Y、13P的补偿量。
在这一实施例中，补偿量计算装置5和补偿量计算装置5的非线性积分器12Y、12P以及补偿器13Y，13P可以由在30由虚线表示的微计算机或微处理器构成。
利用上述手晃动校正装置，补偿器13Y、13P的补偿量根据补偿量计算装置5的计算结果以可变的方式设定，而计算装置5是由用于以可变方式设定补偿器13Y、13P的频率特性的温度检测装置4的检测信号计算的。通过利用这种简化的结构，根据由温度检测装置4的检测信号可以使补偿器13Y、13P的频率特性实现最优，使能动式棱镜的频率响应特性连续地实现最优，从而利用校正装置3实现充分的手晃动校正。
根据本实施例的手晃动校正装置采用角速度检测系统和能动式棱镜分别作为振动量检测装置和校正装置。然而，本发明并不局限于这结构。例如，通过使用根据本发明的手晃动校正装置，由于可以实现在小型重量轻的手持式的摄像装置中，其中手晃动的校正可利用校正装置并借助图像处理方法(例如存储器控制法或CCD驱动控制法)或利用光学处理法(例如万向平衡机械系统或能动式棱镜系统)，根据利用某种检测方法(运动矢量检测法或角速度检测法)对这种手晃动的检测来实现，将在重放图像时，不会产生由于手晃动或摆动引起的图像＂振动＂。
虽然上面只是参考该优选实施例对本发明进行了介绍，应当理解，本发明并不局限于所述的这一实施例，在不脱离由所提出的权利要求限定的本发明的构思和基本特征的情况下，可以进行各种改进。