CN102006399B - 消除图像噪声的方法 - Google Patents

Abstract

一种消除图像噪声的方法，以及使用该方法的装置，用以解决感光组件上画素间差异造成的影像噪声，根据实施例，该方法先拍摄一均匀光源，由感光组件的各行画素依序记录感光值，并计算各行同类频道各画素感光值的总和，再接着计算各行各频道及邻近行同类频道的感光值平均值，由感光值平均值与各行各频道总和的差值得出频道补偿值，频道补偿值除以各行各频道的画素数目得出各画素的补偿平均值，由补偿平均值的第一部份与第二部份分配得出各画素的画素补偿值，最后记录各画素补偿值，作为日后拍摄时的补偿基础。

Description

消除图像噪声的方法

技术领域

本发明为一种消除图像噪声的方法以及使用该方法的装置，特别是利用局部画素的平均值与分配补偿的机制作为画素补偿值的基础，以消除拍摄影像的噪声。 

背景技术

数字相机是利用镜头将撷取的影像投射到感光组件上，如CCD、CMOS，透过感光组件将影像转换成数字影像讯号，之后再透过电子线路的处理，把数字影像讯号储存在储存媒体中。但由于感光组件只能感受到光线的强弱，并不能感受到颜色的变化，在进行影像处理前，通常会在感光组件的前面加上一分色滤色片(color filter)。 

包括日后改进的技术，分色滤色片一般是采用红、绿、蓝三原色分色法的概念，除了部份利用三个感光组件分别将所撷取到的三色值混合成全彩影像，一般会使用单一感光组件，利用分色滤色片使每一个画素只有红、绿、蓝其中一种色彩元素的灰度值，之后再混成全彩影像。但此方法会造成同一画素一次仅能感应一种颜色，而遗失其它两个色彩，之后会进行内插法演算重建每一个画素所遗失的色彩元素。 

上述分色滤色片常用一种方形形式的滤波数组-贝尔图形(Bayerpattern)，其专利为1976年公告的美国专利第3,971,065号。 

具有感光组件的数字相机会因为电路的干扰，或是感光组件本身的瑕疵使所拍摄的影像有噪声，比如，由于感光组件本身的硬件结构，容 易造成行与行之间影像强度有所差异而在影像上产生垂直的固定图像噪声，影响影像的质量。故于出厂时，可透过检测得出日后拍摄照片时应该要补偿的数值。 

一般作法是拍摄均匀光源或是影像，再利用影像计算各画素与整张画素的平均值的差异，将此总合除以每行所包含的像数总数得到每行画素的补偿数值。往后拍照时，依照拍照时绿色频道(G channel)增益值计算出放大倍率，将补偿数值依此倍率放大后从拍照影像上减去，得到减少固定图像噪声的影像。 

发明内容

本发明实施例是经由分析感光组件于均匀光源下每行画素强度的加总，得到行与行之间影像强度的差异，这差异也就是造成整张影像有噪声的原因之一，差异得出后，再算出每行应再补偿上的画素强度，透过平均地分配每行补偿的画素强度于此行内，达到消除固定图像噪声的效果。 

实施例为一种消除图像噪声的方法以及使用该方法的装置，其中对感光组件上各画素补偿的强度改在均匀光源下计算，并且应用局部频道的平均值，使得补偿时不需放大补偿值。且针对其中补偿值小数部份的画素差异，则以相对应的机率均匀地加到其行内画素中，适当地补偿小数部份的能量。 

消除图像噪声的方法主要是要解决感光组件上画素间差异造成的影像噪声，根据实施例，先拍摄一均匀光源，或均匀的影像，由装置内感光组件的各行画素依序记录感光值，于加总各行同类频道的画素感光值后，异于整个感光组件计算平均值的方式，实施例是计算各行各频道及 邻近局部几行中同类频道的感光值平均值，由感光值平均值与各行各频道总和的差值得出频道补偿值，将此频道补偿值除以每行所包含的画素总数得出各画素的补偿平均值。 

此补偿平均值包括第一部份与第二部份，第一部份可为其整数部份，为各画素主要的补偿值，第二部份可为其小数部份，经分配得出部份画素的次要补偿值，将主要补偿值加上次要补偿值相加后形成各画素补偿值，并记录于硬件记忆电路中，作为日后拍摄时的补偿基础。 

另提出应用以上消除图像噪声方法的装置，装置如同一数字相机，用于拍摄影像并记录影像讯号，装置至少包括有影像撷取单元、影像感测单元与记忆单元，其更具有一补偿记忆单元，用以记载上述方法所得出的各画素补偿值，用于补偿该装置所拍摄的影像。 

附图说明

图1显示数字影像拍摄的数据传输示意图； 

图2显示影像出现噪声与经过补偿后的示意图； 

图3为贝尔图(Bayer Pattern)的示意图； 

图4为各频道画素位置与感光值的关系图之一； 

图5为各频道画素位置与感光值的关系图之二； 

图6为本发明消除图像噪声的方法的实施例流程图之一； 

图7为本发明消除图像噪声的方法的实施例流程图之二； 

图8为本发明消除图像噪声的方法的实施例流程图之三； 

图9为本发明应用消除图像噪声方法的装置实施例示意图； 

图10为应用本发明方法的实验数据图。 

主要组件符号说明 

相机12             感光组件10

内存14             行101，102，103 

补偿曲线40，40’   影像撷取单元101 

影像感测单元103    记忆单元105 

补偿记忆单元107    曝光109 

白平衡111          对焦113 

驱动单元115        画素A，B，C，D，E 

具体实施方式

在使用数字影像撷取装置时，由感光组件撷取影像并转换讯号的过程中，可能会因为电气传输过程，或是感光组件本身的瑕疵产生图像噪声，原因是，在感光组件成像的过程中，各行画素所记载的影像讯号具有一定的讯号频率，而邻近各行之间可能因为频率差异而在相邻的部份产生噪声，本发明即提出一种消除噪声的方法，利用补偿值的分配，破坏各行中原有的固定讯号频率，消除掉因为各行频率差异产生的噪声。 

请参阅图1所示的显示数字影像拍摄的数据传输示意图，此例中，由相机12撷取影像，其中的感光组件10即接收影像，并转换为其中各画素的感光值，此感光组件10中显示的方格即为各画素的示意图，在实际记录各感光值时，各行101，102，103中画素依序记录感光值，并传输记录于内存14中，上述噪声即为各行101，102，103间因为讯号频率的差异产生的噪声。 

图2(a)即为影像出现噪声的示意图，图中显示由感光组件转换出的影像讯号出现垂直纹路的噪声，此即为上述感光组件各行间出现的噪声。 

而本发明消除图像噪声的方法即透过补偿各画素间的差异，更透过补偿值的分配以消除各频道间的差异，进而解决相关的噪声。如图2(b)所示的画面，即为经补偿各行各画素频道间差异后，能够顺利消除图像噪声。 

由于感光组件中各画素仅能感测到影像的亮度(或说光的能量)，并非能感应到色彩，在彩色的数字影像处理中，一个感光组件常应用图3所示的贝尔图(Bayer Pattern)，或其类似的分色滤光片产生彩色的影像，也就是利用分色滤光片将影像分为红(R)、绿(G)、蓝(B)三色，分别由不同且相邻的画素接收，之后再利用内插的运算补偿，将反应不同亮度的三色混合形成全彩影像。其中，由于考虑人眼视觉对绿色有较强的感应，故用了两倍的绿色，根据绿色画素的位置与相邻的红色画素或是蓝色画素，将绿色画素分为G_R与G_B两种，在本发明中，即利用此分色滤光片将感光组件上的画素区分为图中显示的R、G_R、G_B、B四类画素，感光组件上各行同类的画素形成一个频道(Channel)，即包括R频道、G_R频道、G_B频道与B频道。 

此例中，第一行由上向下分别为G_R、B、G_R、B、G_R，其中三个G_R形成此行的一个频道，两个B为此行的另一频道；第二行由上向下分别为R、G_B、R、G_B、R，三个R形成一个频道，两个G_B形成另一个频道，并以此类推。本发明的较佳实施例是分别解决相邻同类频道间(相同颜色画素)的差异，提出一种消除图像噪声的方法。 

图4与图5分别显示感光组件中各行同类画素的感光值变化，其中利用本发明消除图像噪声方法对各频道画素进行补偿。 

如图4中，各点A、B、C、D、E分别表示相邻各画素的感光值，此例上下波动的曲线即表示各画素间在均匀光源下仍具有差异。 

本发明即透过消除图像噪声方法产生各频道、各画素的补偿值，消除或降低各频道间差异，如图中显示的补偿曲线40即为画素补偿的目标值。根据各频道平均值得出各频道画素的补偿曲线40，此例中，各画素A、B、C、D、E即透过补偿，趋近此补偿曲线40，如其中描绘的虚线箭头。 

由图4可看出，各画素间到补偿曲线40的差异可能有上下之分，补偿时需考虑利用加法与减法的运算或是相关电路，而图5则提出可先将补偿曲线40位移到补偿曲线40’，可透过调整增益值改变此补偿曲线40’，让各画素的补偿过程(如其中虚线箭头)仅使用到加法，或是减法运算或是相关电路，以简化电路设计。最后输出影像讯号时，再透过色调位移，修正回正确的增益。 

消除图像噪声的方法的实施例可参阅图6显示的方法流程图。 

步骤开始时，如步骤S601，透过影像撷取装置拍摄一均匀光源，或是一具有均匀色彩的影像，之后由感光组件中复数个画素记录感光值(步骤S603)，透过分色滤光片，感光组件中各行的各色画素(如R、G、B)形成不同频道，依序由感光组件中各行依各频道记录感光值。 

接着，如步骤S605，计算各行同类频道感光值的总和，于一实施例中，请参阅图3的贝尔图，各行中至少具有两类频道，可能有R频道、G_R频道、G_B频道与B频道，此步骤即加总各频道同类画素的感光值。 

于计算各行同类频道的画素感光值总和后，由感光组件各行的各频道的总和，与其邻近的复数个特定数目的行的同类频道的总和，计算平均值(步骤S607)，成为各行各频道的感光值平均值，有别于一般将整个感光组件的各色进行平均的方式，在本发明中，仅计算各行中的一个频道与其部份相邻的几个频道来计算平均值，举例来说，某行与其相邻的 四行中的同类频道计算平均值，根据所拍摄的均匀光源，使相邻的画素有相近的影像讯号，以足够建立补偿的基础。 

上述感光值平均值为各频道补偿的目标，如步骤S609，由上述各行的各频道的感光值平均值得出各行的各频道补偿值，简单的运算即找出感光值平均值与各行各频道的总和的差值，即为各频道的补偿值。再如步骤S611，各行的各频道补偿值除以同类频道的画素数量，即得出各画素的补偿平均值，也就是补偿各画素的目标值。 

于一实施例中，由补偿平均值中区分为第一部份(如整数部份)与第二部份(如小数部份)，经整合后得出各画素补偿值(步骤S613)，细节可参考图7。之后，将各画素补偿值记录于一补偿记忆单元中(步骤S615)，作为日后拍摄时各画素感光值的补偿参考，以利消除图像噪声。 

为了要解决前述各频道间具有的讯号频率的差异，应用图6得出的补偿平均值(步骤S611)，于各画素中加入不同的补偿能量，以破坏各行中原有的固定讯号频率。其中细节可参考图7显示的流程图。 

延续图6的步骤S611，步骤S701显示得出各行各频道与邻近行的同类频道的平均值，之后，再除以各频道同类画素数目，得出补偿平均值，此即为补偿各画素的目标值。补偿平均值可能包括整数部份与小数部份，故将之区分为第一部份(如整数部份)与第二部份(如小数部份)，相对于一般无法适当补偿小数部份的能量而影响补偿的效果，本发明将补偿平均值中的第一部份设定为主要补偿值(步骤S703)，用于频道中所有的画素的补偿，另第二部份则应用于部份的画素，设定为次要补偿值(步骤S705)，经整合(实施例可为相加)主要补偿值与次要补偿值后，得出各画素补偿值(步骤S707)。 

其中特别的是，利用局部画素的平均值与分配补偿的机制作为画素 补偿值的基础，以消除拍摄影像的噪声。举例来说，将经过随机选择部份同频道画素，施以次要补偿值，而非全面补偿，以利破坏各行中原有的固定讯号频率；另一实施例中，也可以将次要补偿值用于平均选择的同频道画素。 

图8为本发明消除图像噪声的方法的实施例流程图，此流程图则是于得出各画素补偿值后，透过位移处理，能简化硬件设计。 

开始时，如步骤S801，先透过影像撷取装置拍摄一均匀光源，同类画素形成一个频道，拍摄后，感光组件的各行画素依各行各频道记录各画素感光值(步骤S803)。之后计算各行各频道的感光值总和，如透过分色滤光片将感光组件上的画素区分为红、绿(包括G_R与G_B)、蓝各频道，各行也有不同类画素的频道，此步骤即计算各行同类频道的画素感光值总和(步骤S805)。 

接着，由某行同类频道总和，与邻近的几行同类频道感光值的总和计算各行各频道的感光值平均值(步骤S807)，本发明实施例主要是仅计算局部相邻的几个频道的平均值，主要是因为邻近的频道具有相关性，已能作为之后校正的基础，且能简化硬件设计。 

上述感光值平均值可为各频道补偿的目标值，再计算该感光值平均值与各行同类频道总和的差值，得出各行各频道的频道补偿值(步骤S809)。接着，由此频道补偿值得出各画素的补偿平均值，可将频道补偿值除以各行各频道的画素数目，得出各行各频道中各画素的补偿平均值，此为各频道各画素补偿的目标值(步骤S811)，此补偿平均值通常并非简单的整数，本发明特别将此补偿平均值区分为第一部份与第二部份。 

补偿平均值的第一部份可作为各画素补偿的主要补偿值，实施例可为补偿平均值的整数部份，而第二部份则可经分配得出部份画素的画素 补偿值，此为次要补偿值。由主要补偿值加上部份画素的次要补偿值，即为各画素的画素补偿值(步骤S813)，其中主要补偿值为全部画素的补偿值，而部份画素将无次要补偿值，相加时可设定其次要补偿值为0。 

举例来说，将各频道的补偿值(设为23)除以各频道的画素数目(设为10)后得出补偿平均值，此补偿平均值为2.3(23/10)，表示该频道的所有画素感光值皆应加上2.3，但因应硬件设计与计算方便，本发明先处理整数部份2，画素的主要补偿值皆先设定为+2，接着随机选择或是平均选择该频道中3个画素，各设定次要补偿值为+1，即完成画素补偿值的设定，以10个画素为例，该频道各画素的画素补偿值可为： 

+2，+3，+2，+2，+3，+2，+2，+3，+2，+2(有三个画素为+3) 

再举一例，若频道补偿值为-25，则10个画素的补偿平均值则为-2.5，各画素的画素补偿值则可为： 

-2，-3，-2，-3，-2，-3，-2，-3，-2，-3(有五个画素为-3) 

由上可看出，同一频道的补偿值仍为23，而各画素的补偿值则为整数值，如此可简化硬件的设计。 

因为各频道补偿值可为正值或负值，在进行整个感光组件画素的补偿时，同时需要执行加法与减法的运算，为求简化运算程序与硬件设计，本发明更执行一位移程序(步骤S815)，位移各画素或各频道的补偿的目标值，全数改为加法或减法，以方便计算，可参阅图5。 

但由于经位移的补偿会改变了整个影像的色调，如使用加法会使得影像的亮度提高，减法相对降低亮度，所以补偿完后再将影像经过校正相对应的强度，执行感光组件的色调位移，以校正经过步骤S815位移处理后的影像色偏，维持在原本的亮度(步骤S817)。最后，记录各画素补偿值，比如将此感光组件中各画素的补偿值记录在影像撷取装置内的一 内存中，作为日后拍摄照片时的补偿基础(步骤S819)。 

而图9则为本发明应用消除图像噪声方法的装置实施例示意图，其显示主体为一般影像撷取装置，至少具有用以撷取影像的影像撷取单元101，感测、转换为数字讯号的影像感测单元103，并之后储存讯号的记忆单元105，其它机构或是电路包括拍摄影像经自动曝光109、白平衡111、对焦113与透过驱动单元115控制影像撷取单元101的镜头，能得到清晰正确的影像。 

特别的是，透过本发明消除图像噪声方法得出的感光组件中各画素的补偿值，透过补偿程序能消除噪声，而各画素的画素补偿是根据每一个影像撷取装置中的感光组件订制的，不同的装置、电路与制程产生的噪声状况会不同，故此补偿值则会于制造该装置时记录于装置中的补偿记忆单元107中，于此装置日后拍摄照片时，作为补偿的参考依据。补偿记忆单元107在另一实施例中，可为原记忆单元105的一部分。 

图10则为应用本发明方法的实验数据图。 

图中显示为红色频道(可由贝尔图将各色分别出来，并各别处理)经本发明补偿前与补偿后的实验数据，实验条件是以均衡光源(灯箱Lv10)拍摄影像分析，影像依照贝尔图分色。其中横轴为感光组件的各行(各频道)，图中显示该感光组件有超过1000行；纵轴则是针对一均匀光源拍摄后，对应各频道的感光值，图中实线部份显示红色频道补偿前，各行像素强度的总合会受到固定图像噪声的影响而产生上下震荡的情形。图中虚线部份(红色频道补偿后)则显示实验结果有效地减低上下震荡的情形，消除固定图像噪声。 

综上所述，根据本发明揭露一种消除图像噪声的方法，以及使用该方法的装置，主要是用以解决感光组件上画素间差异造成的影像噪声， 期间计算各频道及邻近频道的感光值平均值，再得出频道补偿值与各画素的补偿平均值，由补偿平均值经分配得出各画素的画素补偿值，最后记录各画素补偿值，作为日后拍摄时的补偿基础。 

但以上所述仅为本发明的较佳可行实施例，非因此即局限本发明的专利范围，故举凡运用本发明说明书及图示内容所为的等效结构变化，均同理包含于本发明的范围内，合予陈明。 

Claims (7)

1.一种消除图像噪声的方法，其特征在于，所述的方法包括有：

拍摄一均匀光源；

一感光组件中复数个画素记录感光值；

计算该感光组件各行同类画素的感光值总和；

引用各行各频道的感光值总和，依序计算该感光组件各行的各频道与其邻近的复数个特定数目的行的同类频道的感光值平均值，其中该感光组件中各行的同类频道是透过一分色滤光片分别出来；

由各行的各频道的感光值总和与该感光值平均值的差值，得出各行的各频道补偿值；

由各行的各频道补偿值得出各画素的补偿平均值；

将各画素的补偿平均值的整数部份作为各同频道画素补偿的主要补偿值；将各画素的补偿平均值的小数部份经分配作为各同频道画素补偿的次要补偿值，该主要补偿值与该次要补偿值组成各画素补偿值；以及

记录各画素补偿值。

2.如权利要求1所述的消除图像噪声的方法，其特征在于：所述的各行的频道补偿值除以每行同类画素的频道的画素数目，得出各行各画素的该补偿平均值。

3.如权利要求2所述的消除图像噪声的方法，其特征在于：所述的主要补偿值加上该次要补偿值即为各画素的画素补偿值，其中该具有次要补偿值的部份同频道画素为随机选择或是平均选择的画素。

4.如权利要求1所述的消除图像噪声的方法，其特征在于：于得出各画素补偿值后，记录于一补偿记忆单元中，作为日后拍摄照片时各画素感光值的补偿。

5.一种消除图像噪声的方法，其特征在于，所述的方法包括有：

拍摄一均匀光源；

一感光组件的各行画素依序记录感光值；

计算各行各频道的感光值总和，其中各频道为R频道、GR频道、GB频道与B频道其中之一，而各频道是透过一分色滤光片分别出来；

计算各行各频道感光值总和及邻近频道的感光值总和的感光值平均值；

由计算该感光值平均值与各行各频道感光值总和的差值，得出各行各频道的频道补偿值；

由该频道补偿值除以各行各频道的画素数目，得出各行各频道中各画素的补偿平均值，该补偿平均值具有一整数部份与一小数部份；

由该补偿平均值的该整数部份作为各同频道画素补偿的主要补偿值；将该补偿平均值的小数部份经分配得出各同频道画素的次要补偿值，该主要补偿值与该次要补偿值组成画素补偿值；

执行一位移程序，经过该位移程序统一修正该所有的画素补偿值为正值，或为负值，以方便计算；

执行该感光组件的色调位移，是校正经过该位移程序后的影像色偏；以及

记录各画素补偿值，作为日后拍摄时的补偿基础。

6.如权利要求5所述的消除图像噪声的方法，其特征在于：该具有次要补偿值的部份同频道画素为随机选择或平均选择的画素。

7.如权利要求5所述的消除图像噪声的方法，其特征在于：于得出各画素补偿值后，记录于一补偿记忆单元中，作为日后拍摄照片时各画素感光值的补偿。

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