CN101873435B - 产生高动态范围图像的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

一种产生高动态范围图像的方法及其装置，利用一数字摄像装置依据单一张的数字图像产生高动态范围图像，其方法包括：取得原始图像(originalimage)；执行灰阶处理程序，是将原始图像转为原始灰阶图，其中原始灰阶图中的每一个像素皆赋予灰阶值；执行转换程序，依据原始灰阶图中的每一个像素的灰阶值的梯度值与补偿值，并利用梯度值与补偿值产生高动态灰阶图；以及依据高动态灰阶图对原始图像进行补偿，用以产生高动态范围图像(High Dynamic Range Images，HDR)。

Description

产生高动态范围图像的方法及其装置

技术领域

本发明涉及关于一种数字图像的处理方法及其装置，特别是一种产生高动态范围图像的方法及其装置。

背景技术

人类的视觉系统在感应光线时，是经由周遭的光线分布来调整感光程度，所以人类在过量或过暗的环境时，经过一段时间的适应，即可看到周遭事物。现今的摄影器材，如摄影机、照相机、单眼相机、网路摄影机...等基础原理其实大同小异。以针孔成像的原理，将截取的图像，经由镜头投影到感应元件上。但由于感光元件如底片(film)、电荷耦合元件感测器(Charge CoupledDevice sensor，CCD sensor)、互补金属氧化半导体感测器(ComplementaryMetal-Oxide Semiconductor sensor，CMOS sensor)的感光范围与人眼不同，且无法随着图像做动态调整。所以造成拍摄出来的图像常常会有某一部分亮度过亮或过暗。请参考“图1”所示，其为动态范围不足的图像的示意图。图像10为一般数字相机所拍摄而得的动态范围不足的图像，其中左下角图像区块12为亮度过暗的区域，右上角图像区块14为亮度过亮的区域。此种状况使得左下角图像区块12中的树木与房屋的细节都因太暗而无法看清楚。

习知为了克服这种问题可采用高动态范围图像(High Dynamic RangeImages，HDR)。高动态范围图像的做法是以不同曝光设定，拍摄出相同区域图像的不同感光程度，再经由图像合成技术，合成出符合人类视觉感受的图像。请参考“图2”所示，其为多张图像合成高动态范围图像的示意图。高动态范围图像20由多张不同感光程度的图像21、23、25、27、29透过图像合成方式，而合成一张高动态范围图像20。这种做法效果很好，但缺点也非常明显。首先所拍摄的图像位置不能有误差，若有误差即会造成合成上的困难。图像在拍摄时，所需的储存空间也从单张变为多张，再加上处理合成时所需耗费的时间成本。所以这是一种耗费时间、储存空间、又易于出错的做法。

另外，习知技术在进行图像处理模拟高动态范围图像时，常会产生图像光晕现象。请参考“图3”所示，其为图像光晕现象的示意图。在模拟高动态范围图像30时，主要就是将图像中的过暗的区域的亮度提高，同时又要维持图像的纹理，所以会将过暗的区域中较亮的部分拉得更亮，则图像纹理就不会因为过暗的区域被拉亮而减弱。而这种方法则会导致图像过暗与过亮的交界处32的亮度也提高，因而造成光晕现象。

发明内容

鉴于以上的问题，本发明提供一种产生高动态范围图像的方法，仅依据一张原始图像，透过灰阶处理与图像补偿产生高动态范围图像。

本发明所揭露的产生高动态范围图像的方法的一较佳实施例，依据单一张的数字图像产生高动态范围图像，方法包括：取得原始图像；执行灰阶处理程序，是将原始图像转为原始灰阶图，其中原始灰阶图中的每一个像素皆赋予灰阶值；执行转换程序，依据原始灰阶图中的每一个像素的灰阶值的梯度值与补偿值，并利用梯度值与补偿值产生高动态灰阶图；以及依据高动态灰阶图对原始图像进行补偿，用以产生高动态范围图像。

其中，上述原始灰阶图中的每一个像素的灰阶值利用下式所计算得：Y_i＝0.299×i_(R)+0.587×i_(G)+0.114×i_(B)。其中，i为原始图像的第i个像素、Y_i为原始灰阶图的第i个灰阶值、i_(R)为原始图像的第i个像素的红色像素值、i_(G)为原始图像的第i个像素的绿色像素值、i_(B)为原始图像的第i个像素的蓝色像素值、且i为正整数。

此外，上述执行转换程序的步骤更包括：寻找补偿值中的最大补偿值与最小补偿值；以及依据梯度值、补偿值、最大补偿值与最小补偿值对原始灰阶图补偿以得高动态灰阶图。其中梯度值、补偿值、最大补偿值与最小补偿值是利用下列各式所计算得： $H\left(E_i\right)=\sqrt{{\mathrm{dE}}_i{x}^2+{\mathrm{dE}}_i{y}^2},$ $K\left(i\right)=H\left(E_i\right)\×{\left(\frac{H\left(E_i\right)}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{N}H\left(E_i\right)}\right)}^{\mathrm{\α}}$ ， ${Y^{\′}}_i=\mathrm{\β}\×\left(\frac{K\left(i\right)-0.6K_{\min }}{0.9K_{\max }-0.6K_{\min }}\right)+\mathrm{\γ}\×Y_i.$ 其中，N为原始灰阶图的像素的总数、i为原始灰阶图的第i个像素、H(E_i)为原始灰阶图的第i个像素的梯度值、dE_ix²为原始灰阶图的第i个像素水平方向的变化量、dE_iy²为原始灰阶图的第i个像素垂直方向的变化量、K(i)为原始灰阶图的第i个像素的补偿值、Y′_i为高动态灰阶图的第i个像素的灰阶值、Y_i为原始灰阶图的第i个像素的灰阶值、K_max为最大补偿值、K_min为最小补偿值、i与N为正整数且α、β与γ为正数。

另外，上述产生高动态范围图像利用下式计算获得：

${A^{\′}}_{(R,G,B)}={(\frac{Y^{\′}}{Y}\×A_{(R,G,B)})}^{\mathrm{\λ}}.$ 其中，A′_(R)为高动态范围图像的红色灰度值、A′_(G)为高动态范围图像的绿色灰度值、A′_(B)为高动态范围图像的蓝色灰度值、A_(R)为原始图像的红色灰度值、A_(G)为原始图像的绿色灰度值、A_(B)为原始图像的蓝色灰度值、Y′为高动态灰阶图、Y为原始灰阶图、且λ为正数。

本发明还包括一种依据上述方法产生高动态范围图像的数字摄像装置，利用数字摄像装置摄取一张原始图像，再透过上述的方法进行灰阶处理与图像补偿而产生高动态范围图像。

根据本发明所提供的产生高动态范围图像的方法及数字摄像装置，可透过对一张原始图像灰阶处理与图像补偿，产生高动态范围图像。进而可改善需拍摄多张图像的时间与储存空间，降低多张图像合成单张图像的处理时间，并可避免光晕现象的发生。

有关本发明的特征与实作，兹配合图示作最佳实施例详细说明如下。

附图说明

图1为动态范围不足的图像的示意图。

图2为多张图像合成高动态范围图像的示意图。

图3为图像光晕现象的示意图。

图4为产生高动态范围图像的方法的一较佳实施例流程图。

图5为产生高动态范围图像的方法的一较佳实施例的执行转换程序流程图。

图6为产生高动态范围图像的数字摄像装置的一较佳实施例架构示意图。

【主要元件符号说明】

10    图像

12    左下角图像区块

14    右上角图像区块

20    高动态范围图像

21    图像

23    图像

25    图像

27    图像

29    图像

30    高动态范围图像

32    交界处

40    数字摄像装置

42    图像感测器

44    储存单元

45    原始图像

46    处理单元

48    输出单元

具体实施方式

请参考“图4”所示，为产生高动态范围图像的方法的一较佳实施例流程图。本发明所揭露的产生高动态范围图像的方法，可应用于数字摄影装置，数字摄影装置依据单一张的数字图像再经由下述的方法步骤即能产生高动态范围图像。本发明的方法包括以下步骤：

S100、取得一张原始图像；

S110、执行灰阶处理程序，将原始图像转为原始灰阶图，其中原始灰阶图中的每一个像素皆赋予一个灰阶值；

S120、执行转换程序，依据原始灰阶图中的每一个像素的灰阶值的梯度值与补偿值，并利用梯度值与补偿值产生高动态灰阶图；以及

S130、依据高动态灰阶图对原始图像进行补偿，用以产生高动态范围图像。

其中，步骤S100中所述的原始图像可由数字摄影装置的储存单元中取得，或是由其他储存单元中载入至数字摄影装置。

此外，步骤S110中所述的原始灰阶图中的每一个像素的灰阶值可利用下式所计算得：Y_i＝0.299×i_(R)+0.587×i_(G)+0.114×i_(B)。其中，i为原始图像的第i个像素、Y_i为原始灰阶图的第i个灰阶值、i_(R)为原始图像的第i个像素的红色像素值、i_(G)为原始图像的第i个像素的绿色像素值、i_(B)为原始图像的第i个像素的蓝色像素值、且i为正整数。

另外，请参考“图5”所示，为产生高动态范围图像的方法的一较佳实施例的执行转换程序流程图。对于步骤S120中所述的执行转换程序更可包括以下步骤：

S122、寻找补偿值中的最大补偿值K_max与最小补偿值K_min；以及

S124、依据梯度值(gradient)、补偿值、最大补偿值K_max与最小补偿值K_min对原始灰阶图补偿以得高动态灰阶图。

其中，梯度值、补偿值、最大补偿值与最小补偿值可利用下列各式所计算得：

$H\left(E_i\right)=\sqrt{{\mathrm{dE}}_i{x}^2+{\mathrm{dE}}_i{y}^2},$ $K\left(i\right)=H\left(E_i\right)\×{\left(\frac{H\left(E_i\right)}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{N}H\left(E_i\right)}\right)}^{\mathrm{\α}},$ ${Y^{\′}}_i=\mathrm{\β}\×\left(\frac{K\left(i\right)-0.6K_{\min }}{0.9K_{\max }-0.6K_{\min }}\right)+\mathrm{\γ}\×Y_i.$ 其中，N为原始灰阶图的像素的总数、i为原始灰阶图的第i个像素、H(E_i)为原始灰阶图的第i个像素的梯度值、dE_ix²为原始灰阶图的第i个像素水平方向的变化量、dE_iy²为原始灰阶图的第i个像素垂直方向的变化量、K(i)为原始灰阶图的第i个像素的补偿值、Y′_i为高动态灰阶图的第i个像素的灰阶值、Y_i为原始灰阶图的第i个像素的灰阶值、K_max为最大补偿值、K_min为最小补偿值、i与N为正整数且α、β与γ为正数。

于此，步骤S130中所述的产生高动态范围图像可利用下式所计算得：

${A^{\′}}_{(R,G,B)}={(\frac{Y^{\′}}{Y}\×A_{(R,G,B)})}^{\mathrm{\λ}}.$ 其中，A′_(R)为高动态范围图像的红色灰度值、A′_(G)为高动态范围图像的绿色灰度值、A′_(B)为高动态范围图像的蓝色灰度值、A_(R)为原始图像的红色灰度值、A_(G)为原始图像的绿色灰度值、A_(B)为原始图像的蓝色灰度值、Y′为高动态灰阶图、Y为原始灰阶图、且λ为正数。

根据本发明的产生高动态范围图像的方法，应用于具有图像撷取功能的数字摄像装置。本方法可透过软体或固件程式内建于数字摄像装置的储存装置中，再由数字摄像装置的处理器执行内建的软体或固件程式搭配图像撷取功能来实现根据本发明的产生高动态范围图像的方法。于此，数字摄像装置可为具图像撷取功能的数字相机(Digital Camera)、具图像撷取功能的电脑(Computer)、具图像撷取功能的移动电话(Mobile Phone)、或具图像撷取功能的个人数字助理(Personal Digital Assistant，PDA)等，但不仅局限于上述的数字摄像装置。

因此，从本发明的另一观点，本发明提出一种依据上述方法产生高动态范围图像的数字摄像装置，藉以依据一张原始图像，透过灰阶处理与图像补偿产生高动态范围图像。

请参考“图6”所示，为产生高动态范围图像的数字摄像装置的一较佳实施例架构示意图。数字摄像装置40包括：图像感测器42、储存单元44、处理单元46与输出单元48。

其中，图像感测器42将拍摄得的数字图像转换成原始图像45。储存单元44连结图像感测器42，储存单元44用以储存原始图像45。处理单元46连结储存单元44，处理单元46用以执行上述产生高动态范围图像的方法，并产生高动态范围图像。输出单元48连结处理单元46，输出单元48可将产生的高动态范围图像显示于数字摄像装置40的萤幕上。

其中，图像感测器42可为互补金属氧化半导体感测器(ComplementaryMetal-Oxide Semiconductor sensor，CMOS sensor)或电荷耦合元件感测器(Charge Coupled Device sensor，CCD sensor)。

另外，储存单元44可为随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、动态随机存取存储器(Dynamic Random Access Memory，DRAM)或同步动态随机存取存储器(Synchronous Dynamic Random Access Memory，SDRAM)其中的任一。

虽然本发明以前述的较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习相像技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的专利保护范围须视本说明书所附的权利要求书所界定者为准。

Claims (6)

1.一种产生高动态范围图像的方法，应用于一数字摄像装置，该数字摄像装置依据单一张的数字图像产生高动态范围图像，该方法包括：

取得一原始图像；

执行一灰阶处理程序，是将该原始图像转为一原始灰阶图，其中该原始灰阶图中的每一个像素皆赋予一灰阶值；

执行一转换程序，依据并利用该原始灰阶图中的每一个像素的该灰阶值的一梯度值与一补偿值，产生一高动态灰阶图；以及

依据该高动态灰阶图对该原始图像进行补偿，用以产生一高动态范围图像，

其中在执行该转换程序的步骤更包括：

寻找补偿值中的一最大补偿值与一最小补偿值；以及

依据梯度值、补偿值、该最大补偿值与该最小补偿值对该原始灰阶图补偿以得该高动态灰阶图；

其中梯度值、补偿值、该最大补偿值与该最小补偿值利用下列各式所计算得：

$H\left(E_i\right)=\sqrt{d{E}_i{x}^2+d{E}_i{y}^2},$

$K\left(i\right)=H\left(E_i\right)\×{\left(\frac{H\left(E_i\right)}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{N}H\left(E_i\right)}\right)}^{\mathrm{\α}},$

${Y^{\′}}_i=\mathrm{\β}\×\left(\frac{K\left(i\right)-0.6K_{\min }}{0.9K_{\max }-0.6K_{\min }}\right)+\mathrm{\γ}\×Y_i.$

其中，N为该原始灰阶图的该些像素的总数、i为该原始灰阶图的第i个像素、H(E_i)为该原始灰阶图的第i个像素的梯度值、dE_ix²为该原始灰阶图的第i个像素水平方向的变化量、dE_iy²为该原始灰阶图的第i个像素垂直方向的变化量、K(i)为该原始灰阶图的第i个像素的补偿值、Y′_i为该高动态灰阶图的第i个像素的灰阶值、Y_i为该原始灰阶图的第i个像素的灰阶值、K_max为该最大补偿值，K_min为该最小补偿值、i与N为正整数且α、β与γ为正数。

2.如权利要求1所述的产生高动态范围图像的方法，其中该原始灰阶图中的每一个像素的该灰阶值利用下式所计算得：

Y_i＝0.299×i_(R)+0.587×i_(G)+0.114×i_(B)

其中，i为该原始图像的第i个像素、Y_i为该原始灰阶图的第i个灰阶值、i_(R)为原始图像的第i个像素的红色像素值、i_(G)为原始图像的第i个像素的绿色像素值、i_(B)为该原始图像的第i个像素的蓝色像素值、且i为正整数。

3.如权利要求1所述的产生高动态范围图像的方法，其中产生该高动态范围图像是利用下式所计算得： ${A^{\′}}_{(R,G,B)}={(\frac{Y^{\′}}{Y}\×A_{(R,G,B)})}^{\mathrm{\λ}}$

其中，A′_(R)为该高动态范围图像的红色灰度值、A′_(G)为该高动态范围图像的绿色灰度值、A′_(B)为该高动态范围图像的蓝色灰度值、A_(R)为该原始图像的红色灰度值、A_(G)为该原始图像的绿色灰度值、A_(B)为该原始图像的蓝色灰度值、Y′为该高动态灰阶图、Y为该原始灰阶图、且λ为正数。

4.一种依据权利要求1所述的方法产生高动态范围图像的数字摄像装置，是依据单一张的数字图像产生高动态范围图像，该数字摄像装置包括：

一图像感测器，该图像感测器将拍摄的数字图像转换成一原始图像；

一储存单元，连结该图像感测器，该储存单元储存该原始图像；以及

一处理单元，连结该储存单元，该处理单元用以执行权利要求1所述的方法，并产生一高动态范围图像。

5.如权利要求4所述的数字摄像装置，其中该图像感测器为一互补金属氧化半导体感测器(CMOS sensor)或一电荷耦合元件感测器(CCD sensor)。

6.如权利要求4所述的数字摄像装置，其中该储存单元为一随机存取存储器(RAM)、动态随机存取存储器(DRAM)或同步动态随机存取存储器(SDRAM)其中的任一。

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