发明的详细描述
图2图解本发明的一个优选实施例。视频摄像机1对着窗子边缘
的一个花瓶2，一只鸟儿在室外飞。视频摄像机有以一个光响应CCD
或MOS视频传感器为形式的视频检测器(未示出)和将场景成象在
视频检测器上的透镜。在本实施例中，摄像机设计成每帧产生两个隔
行扫描场场1和场2，例如，按照标准的美国视频系统NTSC或RS-
170视频。摄像机1也包含一个电子快门(未示出)。具有电子快门
的CCD和MOS视频检测器是所熟知的，正如下列美国专利所验证
的：1998年8月11日颁发给T.Mochizuki等人的5,793,422；1995年9
月5日颁发给H.Kogane等人的5,448,293；1995年4月25日颁发给
H.Tanigawa等人的5,410,349；1994年2月1日颁发给M..Usami等人
的5,283,655；1993年9月21日颁发给J.Lee等人的5,247,367；1992年
10月20日颁发给T.Nakajima等人的5,157,502；1991年12月24日发
布给Y.Kawaoka等人的5,075,775；1989年10月17日发布给
K.Yonemoto等人的4,875,100；1988年5月10日发布给N.Takatsu等
人的4,743,778。到达它们是有关的程度，在此处将这些专利的讲授混
合起来作为参考。摄像机1的电子快门连接到外控制器3。电子快门
允许控制器3在每个场时间间隔调整摄像机视频检测器的积分时间。
摄像机提供一个同步信号给控制器3，如3a处所示，这样控制器3将
引起摄像机电子快门改变每场的曝光时间，即，与每一视频场同步地
调整摄像机视频检测器的积分时间。在场1期间控制器把积分时间设
定为预定的缓慢速度，例如1/60秒。在场2期间控制器把积分时间设
定为预定的快速速度，例如1/6000秒。单行视频数据的合成视频信号
值表示在4。在4a，示出缓慢(1/60秒)曝光的结果。在这种情况下，
代表天空的图象部分在最大信号电平，花瓶呈现为稍微减少的信号电
平，而乌儿的信号基本上没有改变，因为它是那样地接近天空的亮
度，以至不能与背景天空区分开来。在4b，示出短时间(1/6000秒)
曝光的结果。在这种情况下，代表天空的图象部分低于最大信号电
平，花瓶呈现为急剧地减少的信号电平，而鸟儿的信号大大地改变
了，因为它与天空的亮度充分不同从而可以区分开来。基本上，图2
所示的系统使用预编程的曝光控制器控制下的单一视频摄像机，来提
供表示连续视频场序列的输出视频信号，视频场序列由一个曝光时间
(例如1/60秒)场和第二个曝光时间(例如1/6000秒)场交替所构
成，如在4d(缓慢、相对长的曝光时间)和4c(快速、相对短的曝
光时间)表示的。
视频摄像机被与视频记录器5连接，以便将包含如4a和4b处所
表示的曝光值交替的视频场的连续序列的、它的输出视频信号提供给
视频记录器5，视频记录器5记录合并的交替的长、短曝光视频场。
视频摄像机也被连接到缓冲信号多路复用器6，以便相同的交替曝光
值的视频场连续序列被发送给多路复用器6，多路复用器6允许用户
选择缓慢的或者快速的曝光信号在监视器7上显示，而选择开关8允
许用户显示活动的即“实况转播的”视频，或者重放预先记录的视
频序列，和为观察选择缓慢的或快速的曝光。通过形成图3所示的多
路复用器一部分的附加曝光选择装置控制这种用于显示的场的选
择。如下文详细描述的可供选择的改进那样，场编码单元3b被置于
摄像机和记录器5及多路复用器6之间，场编码单元适合于向摄像机
的输出视频信号添加一个场编码(以及如用户希望的其它数据编
码)。
图3图解出图2所示的缓冲信号多路复用器6的细节与工作原
理。在图3的下面描述中，视频系统不包括场编码单元3b应被知道。
多路复用器包括一个场检测器9、一个消隐电路11、一个反相器12
和一个选择性加载的重复先进/先出存储器或缓冲器14，在下文被称
作FIFO 14，它的视频数据输入端被连接到消隐电路11。摄像机的输
出视频信号(包含如在4a和4b处表示的交替发生的不同曝光值视频
场)被给予检测器9，同时经消隐电路11被给予FIFO 14。检测器从
摄像机的输出视频信号产生一个场信号脉冲9f用于控制FIFO 14的工
作。作为例子而不作为限制，场检测器9可以是常规的视频同步分离
器电路。在一个曝光场期间场信号脉冲9f高，如9a处所示，而在另
一个曝光场期间场信号脉冲9f低，如9b处所示。场信号脉冲9f经曝
光选择开关10被加到那个消隐电路。取决于曝光选择开关10的位
置，场信号脉冲9f或直接或经反相器12被送到消隐电路11。场信号
脉冲9f用来门控消隐电路，以便根据相应的场脉冲信号9f反相与否，
消隐代表视频场4a或4b的信号。消隐电路的输出被表示于13。如果
加给它的场信号脉冲低，消隐电路11被变得无效，代表相应视频场
的信号将通过消隐电路而没有任何实质的改变，如视频信号13b表示
的那样。然而，如果加给消隐电路的场信号脉冲高，相应视频场的信
号将被消隐，而消隐电路的信号输出将是一个固定的电平，如13a表
示的那样。如图3所示，设定开关10旁路反相器12，以便场脉冲9f
不反相直接被加到消隐电路11上。因此，短时间(快速)曝光视频
场信号4b被取消，而长时间(缓慢)曝光视频场信号4a不改变地通
过消隐电路，如13b处所示。
仍参考图3，视频场信号序列13a，13b被发送到FIFO14。视频
数据场在经过控制线9g加到场脉冲9f的控制下，有选择地写入
FIFO14。本质上，场脉冲9f用作为FIFO14的场选择控制信号。FIFO
内容的读出是连续的，以便产生一个连续输出视频信号流。如果代表
长时间(缓慢)曝光视频场的，如4a处表示，新视频数据进入FIFO，
那么新的数据就从FIFO读出。反之，如果在一个或几个场的时间都
没有新的数据进入FIFO，即如果视频场4b的信号已经被消隐电路11
消隐，那么从FIFO出来的代表视频场4a的现存数据就将代替被取消
的视频场4b的数据在FIFO中再循环并被连续地读出。换一种方法
说，如果调整多路复用器，以便消隐电路11仅仅通过视频场信号4a，
那么包含在被读入FIFO 14的视频信号13b的数据就将随着它们到
FIFO 14的输入被同步地读出，并且也被储存在FIFO 14中。当代表
消隐视频场的视频信号13a从消隐电路11传送到FIFO 14时，FIFO 14
中代表以前记录的视频信号13b的现存数据就将代替消隐输出视频信
号再循环并被读出。这种工作方式导致如7a～7b’所示的视频场连续序
列，其中场7a’和7b’是以前出现的场7a和7b的复制品，并且它们代
替消隐场被插入。因为所有这些视频场实质上代表相同的曝光水平，
所以它们可以顺序地无闪烁显示在常规的视频监视器上。闪烁的不存
在给予使用者的眼睛舒服的显示，易于评估所显示的图象。
还参照图2和图3，图解的系统可以通过包括场编码单元3b来改
进，场编码单元把一个帧编码插入每个视频场。帧编码实质上包含一
个场编码，更可取地，场编码单元也适合将一个日期码、时间码、帧
序列号码、摄像机码(最好，例如几台摄像机用来监测一个特殊的现
场时)、其它曝光信息和/或用户提供的其它信息等加入各个场。在外
控制器3控制下，场编码单元3b将帧编码插入。场编码单元3b适合
于把第一个场编码加到一次曝光的视频场或帧(例如曝光场4a)的信
号上，而把第二个不同场编码加到不同曝光的视频场或帧(例如曝光
场4b)的信号上。用这样的改进，场检测器9适合于检测场编码单元
3b插入的场编码，并产生类似于对应和识别两个不同编码的脉冲9a
和9b的场信号脉冲。作为场选择控制信号的场信号脉冲被加到消隐
电路11和FIFO 14，由此FIFO可以按以前描述的方式响应读出类似
视频场如7a-7b’所表示的连续序列。根据开关10的设定，加到监视器
7的FIFO 14输出将产生代表场4a或场4b的图象显示。这种改进的
优点在于场编码单元3b所加的场编码的存在使得识别和读出场4a或
4b是可能的，不管它们出现在摄像机视频信号输出所代表的视频场序
列的什么地方，而且为各个场产生合适的场信号脉冲也是可能的。关
于这一点，要弄清楚的是图2和图3的系统也可用在把视频摄像机设
计为顺序扫描系统的地方，即在每帧由单一场组成(例如一场由525
行组成)，而不是两个隔行扫描视频场(例如每场由262.5行组成)
的地方。在这种顺序扫描系统的情况下，控制器3控制电子快门，靠
它摄像机的输出信号代表同第二次曝光值的帧交替的一次曝光值的
帧，场编码单元3b把场编码加到每帧上，场编码按照它是否有第一
或第二次曝光值识别每一帧，并且在脉冲信号9f控制下，多路复用器
工作以把视频输出传输到监视器7，它由类似于曝光值的视频帧构
成。
图4图解本发明可供选择的方案。在这个方案中，外控制器31a
基本上和图2的控制器3相同，但是可程式化或适合给摄像机指令以
产生如在16和15所表示的缓慢和快速曝光场，它们散布在如在17
所表示的正常自动曝光值场当中。在图4中，场15和16有暗边框只
表示它们与场17有不同的曝光水平，而场15有交叉的阴影线只表示
由于曝光时间较短比16信号电平低。图4的系统也包括一个场编码
单元3b、一个记录器5、一个监视器7、一个包含消隐电路(未示出)
和类似于图3中的11及14所示FIFO存储器(未示出)的多通道有
缓冲的多路复用器18、一个重放解码器31b以及一个开关8，开关8
用于有选择地把从摄像机来的视频信号输出或从记录器5来的重放的
预记录视频信号，作为输入数据耦合到多路复用器。如下文更为详细
描述的那样，在控制器31a的控制下，场编码单元3b把用于场识别
的场编码加到由摄像机1的视频信号输出定义的视频场。另外，控制
器31a也产生场选择控制信号，而且控制器和多路复用器18如所示
那样被连接，以容许这些场选择控制信号被从控制器31a传递到多路
复用器18的消隐电路(未示出)。在本实施例中，选择开关8给予
用户把当前(现场)视频或预记录的视频序列发送到缓冲的多路复用
器18的选择权。多路复用器18也提供选择快速视频场15，缓慢视频
场16或常规曝光视频场17用于在监视器7上观察的选择权，在此处
用开关10代表。本质上说，正如开关10所表示的，多路复用器有用
于选择三个不同曝光视频场中哪两个要被取消以便容许FIFO读出第
三个曝光视频场的连续序列的装置。最好多路复用器适合于产生曝光
修改信号，并且如所示那样被连接到控制器31a，这样曝光修改信号
就可以被施加到控制器31a，以使后者引起为任何场15、16和17选
择的曝光场的变化。
正如为图2的最佳实施例所描述的，15、16和17代表的不同曝
光视频场以它们产生的顺序被记录在记录器5中。在这种情况下，基
本上与场编码单元3a相同的场编码单元3b在控制器31a的控制下工
作，以向每一视频场(在顺序扫描视频系统的情况下为每帧)的信号
插入一个帧编码，帧编码必需包含一个场编码，场编码按照是缓慢、
快速还是常规曝光场专门识别具体的场。如同图2和图3的系统一
样，场编码单元3b插入的帧编码也可以包括其它数据，例如，日期
和时间编码、帧序列号编码以及摄像机数编码。更具体地说，场编码
单元将第一个场识别场编码加到视频场15的视频信号，将第二个场
识别场编码加到视频场16的视频信号，将第三个场识别场编码加到
视频场17的视频信号。此外，就控制器31a产生的场选择控制信号
来说，对每个场编码产生一个不同的场选择控制信号，并且这些场选
择控制信号被加到多路复用器18的消隐电路上。根据开关装置10工
作选择的为在监视器7观察的具体曝光视频场，多路复用器从控制器
31a选择特定的场选择控制信号加到其消隐电路以取消不要的视频
场，由此获得它的FIFO读出视频信号输出的结果，以便监视器7应
用，此视频信号仅包含具有所选曝光值的那些视频场。
举例来说，可以设定多路复用器18只选择视频场15以便显示，
在那种情况下，每次摄像机的输出信号都包括视频场16或17，多路
复用器将用从它的FIFO读取的代表视频场15的视频信号数据的信号
输出代替每个视频场16和每个视频场17。利用从控制器31a接收的
场选择控制信号使消隐电路取消连续的视频场16和17获得这个结
果，这样仅有视频场15基本不改变地传递到多路复用器的FIFO部
分。
图4的实施例也包括一个耦合到记录器5和开关8的重放解码器
31b。解码器31b适合于将场编码单元3b插入的场编码解码和产生场
选择控制信号(对应控制器31a产生的场选择控制信号)，并且适合
于将这些信号加到多路复用器18，为的是按照结合图2和图3的实施
例所描述的方式，取消不希望的曝光值的场和使得FIFO读出相同曝
光值的视频场连续序列，例如场15。
图4的实施例的一个明显优点是，在同时记录动态范围场15、16
和17的同时，容许实时地观察正常的曝光场17。多路复用器18的缓
冲存储器被编程，以便它可以重复长的、短的，或者正常曝光场以便
观察，而根据外控制器31a的控制下场编码单元3b插入的场编码，
观察到的场还有其它场都以时间推移的方式被记录。
图5图解出本发明的另一个优点。在这种情况下，系统包含视频
摄像机1、场编码单元3b、控制器31a和一个多路复用器18a，多路
复用器18a包含一个场编码检测器9、三个消隐电路11a、11b和11c，
以及三个FIFO单元14a、14b和14c。对控制器编程使得电子快门按
照预定的方式改变连续视频场或帧的曝光，例如，产生如图4中表示
的15、16和17那样的视频场序列。场编码单元3b在控制器31a的控
制下，将场识别场编码(或单独或作为还包括日期、时间、帧数、摄
像机数等其它信息的帧编码的一部分)象图4的实施例那样插入到摄
像机1的视频信号输出。更具体地说，场编码单元将第一场识别场编
码加到视频场15的视频信号，将第二场识别场编码加到视频场16的
视频信号，将第三场识别场编码加到视频场17的视频信号。同样场
编码检测器9响应其不同场编码的检测产生不同的场选择控制信号。
这些场选择控制编码被加到消隐电路11a、11b和11c。摄像机1的视
频信号输出，在被场编码单元3b添加场编码之后，分别经消隐电路
11a、11b和11c被加到FIFO的14a、14b和14c。FIFO14a、14b和
14c的视频信号输出可以分别被加到独立的监视器7a、7b和7c。仍参
照图5，作为一个可选择的或附加的测量，FIFO14a、14b和14c的输
出被加到普通的视频效果发生器27，它适合给控制监视器提供信号，
这样它将显示多幅图象，例如，如监视器7c的区域29a和29b示意表
示的画中画格式(PIP)，或者如监视器7e的区域29c和29d示意表
示的并排格式。人们同时期待，可以这样设计视频效果发生器27，使
得监视器7e产生对应分别从FIFO的14a、14b和14c读出的视频场
15、16和17的不同曝光值的三个同时显示。
如同图4的实施例情况一样，图5的系统运行以取消不希望的视
频场，目的是提供由相同曝光值的视频场连续序列产生的显示。在图
5所表示的系统中，从场编码检测器9接收的场选择控制信号使得消
隐电路11a取消视频场16和17，由此只有代表视频场15的数据被读
入FIFO 14a，FIFO 14a循环数据并用那个数据代替取消了的视频场
16和17的数据。类似地，来自检测器9的场选择控制信号使得消隐
电路11b取消视频场15和17，由此只有代表视频场16的数据被读入
FIFO 14b，FIFO 14b循环数据并用那个数据代替取消了的视频场15
和17的数据。当然，图5的多路复用器可适合于产生曝光修改信号，
此信号被加到控制器31a，用以修改15、16或17任何场的曝光水平。
虽然普通的视频摄像机被设计成产生代表两个视频场的视频信
号，两个视频场隔行扫描以创建一个视频帧。认识到，随着高清晰度
数字电视采用的增加，顺序扫描系统被认为变得更突出。因此，本发
明给出可适用于顺序扫描视频系统的优越性。就此而论，要弄清楚的
是，此处所使用的词“帧”解释为包含如普通电视系统中的两个隔行
扫描场，或者顺序扫描系统情况下的单一场。因此，在单一场视频帧
的情况下，上述的场识别码实际上识别完整的帧。
本发明能进行多种改进。因而，例如，被从多路复用器6或18
读出的相同曝光水平的视频信号连续流，或作为现场视频或作为从记
录器5的重放，可以馈送给一个诸如记录器5那样的记录器作为档案
和以后的显示之用。此外，在把摄像机输出信号直接馈送给记录器5
的情况下，人们期望，当那个记录的信号被重放和被多路复用器处理
以提供馈给监视器的包含相同曝光水平的视频信号连续序列的视频
信号时，那个同样的信号馈送将被记录在记录器5或其它记录器中以
便以后使用和分析。
另外的改进涉及对缓冲的多路复用器6或18编程，以便它将同
时产生代表第一次曝光水平的视频信号第一流，代表第二次不同曝光
水平的视频信号第二流，并同时把两个视频信号流馈送给监视器以便
同时显示。在这种情况下，监视器可以这样工作，使得两个信号流提
供图象，图象表现为画中画显示或分割屏幕显示。两个图象同时在屏
幕上出现，一个代表相对长的曝光水平，另一个代表相对短的曝光水
平，这给出保持在使用不同曝光时可得到的完整的动态范围的优越
性。同时人们期望，可以修改图4的实施例以容许同时显示三个独自
的图象，一个由相对长的曝光图象组成，第二个由相对短的曝光图象
组成，第三个由常规的曝光图象组成。当然，系统也容许曝光水平在
视频检测器的动态范围内被改变。此外，控制器31a确定的不同曝光
水平数是变化的，例如可以选择五个不同的曝光水平。就摄像机控制
器而论，它可被编程以便生成具有在一致或非一致的重复序列中产生
的不同曝光的视频场。举例来说，关于诸如图4和图5所示的系统，
在那里产生代表三个不同曝光水平的视频场或帧，控制器可以被编程
为固定、或以固定的或随意的速率或按照预定的方式改变在摄像机视
频输出中代表的场或帧的连续序列中的连贯视频场17串的重复频
率。对于摄像机的视频信号输出如4a和4b表示的那样只由代表第一
次和第二次曝光水平的第一和第二视频场来表征的情况也是如此。然
而在后一情况下，系统包括场编码单元3b和后者将场编码引入摄像
机的视频信号输出是必不可少的，场编码识别和区分第一和第二曝光
视频场，靠它多路复用器或许能够选择显示只有第一和第二视频场或
帧表示的图象。
人们也期盼，本发明可以通过使用没有电子快门的视频摄像机被
改进。因此就打算检测器可以是光电检测器，如一个图象增强管，在
那里光子被放大或级联以在弱光线条件下产生增强的图象。光导摄像
管是另一个例。在那里，检测器没有使用CCD或MOS光电检测器的
视频摄像机使用的那类电子快门。人们期盼使用透光性依照控制信号
变化的LCD光滤波器。通过把此光滤波器放在光电检测器和要捕捉
的目标或场景之间，和改变滤波器的控制信号，在每一视频场或帧的
时间帧期间照射光电检测器的光量就可能被改变，由此，提供类似于
用图2和图4的实施例获得的不同曝光水平成为可能。人们还意识
到，可变光圈或其它形式的快门也可以替代电子快门被用在本发明
中，但它们受到不与电子快门通用，限制低下的反应速度、高成本和
过度的尺寸的限制。
人们也期盼，多路复用器6或18可被编程，或者适合于处理视
频摄像机的信号输出，以便将长的和短的曝光视频场或帧合并成单一
视频场或帧，正如双重曝光摄像机常见的那样。然而，为了保证交替
的亮暗场代表同时发生的事件，在同另一场(或帧)合并产生连续视
频序列之前，一个场或帧需要借助于延时缓冲器被延时一个场(或
帧)时间帧(取决于是隔行扫描视频场还是顺序扫描视频)。根据预
定的处理算法多路复用器可以被编程，以合并用于显示的不同曝光场
或帧。然而，如用普通的组合双重曝光视频摄像机一样，由于已经被
合并的场或帧之间的时间差，当它们被显示时，组合的图象可能变模
糊，并且组合的图像也具有减小的对比度。
视频显示可以采取各种形式。在图2-4的实施例中，最好监视
器7是工作于模拟模式的普通视频监视器。然而，也可以使用其它视
频显示装置，比如工作于数字模式的阴极射线管类型的监视器，或
LCD显示设备。人们也期望，可以使用头戴式或头上式的显示器。
应当理解，视频摄像机可以是一个普通的模拟模式摄像机，在那
种情况下，要求它的输出信号在被如上所描述的缓冲的多路复用器处
理之前被送给A/D转换器以转换成数字信号，而从缓冲多路复用器输
出的信号需要被送给D/A转换器以产生适合作用于普通的模拟模式视
频监视器的信号。作为选择，视频摄像机可以是数字摄像机，由此不
需要包括A/D转换器以容许视频信号由多路复用器6或18处理。类
似地，显示设备也可以是数字类型的，因而不需要为了能够驱动模拟
模式视频监视器，把多路复用器的输出视频信号转换的D/A器件包括
在系统中。为简化起见，A/D和D/A转换器都被从图中省略了，因为
它们的需要和使用对于本领域的技术人员来说是显而易见的。另一个
的明显改进是将控制器3或31a合并到摄像机。
读者应理解，不背离本发明的范围可能还有其它实施例。