CN102547064A - 宽动态范围影像处理装置及宽动态范围影像处理方法 - Google Patents

宽动态范围影像处理装置及宽动态范围影像处理方法 Download PDF

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CN102547064A CN2011100380806A CN201110038080A CN102547064A CN 102547064 A CN102547064 A CN 102547064A CN 2011100380806 A CN2011100380806 A CN 2011100380806A CN 201110038080 A CN201110038080 A CN 201110038080A CN 102547064 A CN102547064 A CN 102547064A
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Abstract

一种宽动态范围影像处理装置及宽动态范围影像处理方法。宽动态范围影像处理装置可整合至影像感测器或影像后端处理装置。宽动态范围影像处理方法包括：判断感测影像讯号的第m个位是否等于1；当第m个位等于1，将第m个位至第m-r个位所对应的值加上第一偏移量输出宽动态范围影像讯号；当第m个位不等于1，判断第m-1个位是否等于1；以及当第m-1个位等于1，将第m-1个位至第m-s个位所对应的值加上第二偏移量输出宽动态范围影像讯号。并以此类推至第m-t个位。其中，m、n、r、s及t为正整数，且m大于n。

Description

宽动态范围影像处理装置及宽动态范围影像处理方法
技术领域
本发明涉及一种影像处理装置，特别是涉及一种宽动态范围影像处理装置及宽动态范围影像处理方法。
背景技术
请参照图1，图1示出了传统影像处理系统的示意图。传统影像处理系统1包括影像感测器10及影像后端处理装置20。影像感测器10用以提供感测影像讯号S1至影像后端处理装置20，再由影像后端处理装置20对感测影像讯号S1进行处理。影像后端处理装置20为了将感测影像讯号S1转换为宽动态范围(Wide Dynamic Range，WDR)影像讯号，需要较复杂的硬件及执行复杂的公式运算。举例来说，传统的一种做法需要一个画面暂存器(Frame Buffer)来暂存整张画面的数据，影像后端处理装置20再根据整张画面的数据执行复杂的大量运算才能将感测影像讯号S1转换为宽动态范围影像讯号。此外，由于传统的做法需要复杂的硬件及执行复杂的公式运算，因此难以即时地处理高解析度的动态影像讯号。传统的另一种做法虽然不需要画面暂存器(Frame Buffer)来暂存整张画面的数据，但仍然需要复杂的硬件及执行复杂的公式运算，因此仍难以即时地处理高解析度的动态影像讯号。
发明内容
本发明有关于一种宽动态范围(Wide Dynamic Range，WDR)影像处理装置及宽动态范围影像处理方法。
根据本发明，提出一种宽动态范围(Wide Dynamic Range，WDR)影像处理装置。宽动态范围影像处理装置包括感测接口、后端接口、宽动态范围影像处理引擎及控制电路。感测接口用以耦接影像感测器，而后端接口用以耦接影像后端处理装置。宽动态范围影像处理引擎电性连接感测接口及后端接口，并根据一具有m位的感测影像讯号输出一具有n位的宽动态范围影像讯号至后端接口。感测影像讯号包括连续的第1个位至第m个位，第1个位至第m个位是以二进制表示。宽动态范围影像处理引擎判断第m个位的位值是否等于1。当第m个位的位值等于1，将第m个位至第m-r个位所对应的值加上第一偏移量输出宽动态范围影像讯号。当第m个位的位值不等于1，判断第m-1个位的位值是否等于1。当第m-1个位的位值等于1，将第m-1个位至第m-s个位所对应的值加上第二偏移量输出宽动态范围影像讯号。控制电路控制感测接口、后端接口及宽动态范围影像处理引擎。并以此类推至第m-t个位。其中，m、n、r、s及t为正整数，且m大于n。
根据本发明，提出一种宽动态范围(Wide Dynamic Range，WDR)影像处理方法。宽动态范围影像处理方法，用以将具有m位的感测影像讯号转换为具有n位的宽动态范围影像讯号输出至影像后端处理装置，m大于n。感测影像讯号包括连续的第1个位至第m个位，第1个位至第m个位是以二进制表示。宽动态范围影像处理方法包括：判断第m个位的位值是否等于1；当第m个位的位值等于1，将第m个位至第m-r个位所对应的值加上第一偏移量输出宽动态范围影像讯号；当第m个位的位值不等于1，判断第m-1个位的位值是否等于1；以及当第m-1个位的位值等于1，将第m-1个位至第m-s个位所对应的值加上第二偏移量输出宽动态范围影像讯号；并以此类推至第m-t个位。其中，m、n、r、s及t为正整数，且m大于n。
为了对本发明的上述及其他方面有更佳的了解，下文特举较佳实施例，并结合附图详细说明如下。
附图说明
图1示出了传统影像处理系统的示意图。
图2示出了依照本发明第一实施例的影像处理系统的示意图。
图3示出了依照本发明第二实施例的影像处理系统的示意图。
图4示出了依照本发明第二实施例的影像处理系统的示意图。
图5示出了第一种宽动态范围影像处理装置的示意图。
图6示出了感测影像讯号与宽动态范围影像讯号的映射关系的示意图。
图7示出了第二种宽动态范围影像处理装置的示意图。
附图符号说明
1：传统影像处理系统
2：依照本发明较佳实施例的影像处理系统
10、10a：影像感测器
20、20a：影像后端处理装置
30、30a、30b：宽动态范围影像处理装置
31：感测接口
32：后端接口
33：宽动态范围影像处理引擎
34：控制电路
35：解压缩单元
61、62：映射区间
341：感测控制器
342：后端控制器
343：主控制器
S1：感测影像讯号
S2：宽动态范围影像讯号
S3：压缩影像讯号
具体实施方式
第一实施例
请参照图2，图2示出了依照本发明第一实施例的影像处理系统的示意图。影像处理系统2包括影像感测器10、影像后端处理装置20及宽动态范围(Wide Dynamic Range，WDR)影像处理装置30。影像后端处理装置20可以是任何可进行影像数据处理的装置，如数字讯号处理器(DSP)、微处理器(Microprocessor)、特殊应用标准产品(Application Specific Standard Product，ASSP)或界面卡(Interface Card)等相关可提供影像后端(Backend)处理的装置。
宽动态范围影像处理装置30串接于影像感测器10与影像后端(Backend)处理装置20之间，用以将影像感测器10所撷取的感测影像讯号S1转换为宽动态范围影像讯号S2输出至影像后端处理装置20。宽动态范围影像处理装置30可单独制作成一集成电路芯片(IC Chip)或硬件装置，硬件装置例如为桥接器(Bridge)，而设置于影像感测器10与影像后端处理装置20之间。宽动态范围影像处理装置30输出的宽动态范围影像讯号S2亦能再进一步地进行处理以供影像后端处理装置20使用。
宽动态范围影像处理装置30扮演着类似桥梁(Bridge)的地位。由于宽动态范围影像处理装置30是以桥梁的形式串接于影像感测器10及影像后端处理装置20之间，因此不需要占用影像后端处理装置20内部的中央处理器(CPU)的资源，即可独立执行宽动态范围(Wide Dynamic Range，WDR)影像处理的程序。
对影像感测器10而言，宽动态范围影像处理装置30就如同是虚拟的影像后端处理装置20。相对而言，影像后端处理装置20对于宽动态范围影像处理装置30就同是虚拟的影像感测器10。如此一来，影像感测器10与影像后端处理装置20之间彷佛没有任何装置的存在，所以影像感测器10与影像后端处理装置20之间的影像数据传输便毫无障碍，而具备有良好的工作效能。
由于影像处理系统2藉由宽动态范围影像处理装置30完成了传输影像数据的宽动态范围处理工作，因此利用此一结构便可达到良好的宽动态范围影像处理效果，却不会降低影像处理系统2的整体效能。
第二实施例
请参照图3，图3示出了依照本发明第二实施例的影像处理系统的示意图。宽动态范围影像处理装置30可进一步制作成一集成电路芯片(IC Chip)，并将宽动态范围影像处理装置30与影像感测器10整合，以成为影像感测器10a。由于宽动态范围影像处理装置30串接于影像感测器10a的对外传输预定界面的前端，因此影像感测器10a的控制芯片不需要作变更设计，而使影像感测器10a与影像后端处理装置20之间直接可作一传输影像数据的宽动态范围处理。
第三实施例
请参照图4，图4示出了依照本发明第三实施例的影像处理系统的示意图。宽动态范围影像处理装置30可进一步制作成一集成电路芯片(IC Chip)，并将宽动态范围影像处理装置30与影像后端处理装置20整合，以成为影像后端处理装置20a。由于宽动态范围影像处理装置30是串接于影像后端处理装置20a的对外预定传输界面的前端，因此影像感测器10与影像后端处理装置20a之间直接可作一传输影像数据的宽动态范围(WDR)处理。
由前述图2、图3及图4绘示可知，本发明可作诸多不同的变化利用。宽动态范围影像处理装置30可单独制作成一集成电路芯片(IC Chip)或硬件装置，硬件装置例如为桥接器(Bridge)。除此之外，宽动态范围影像处理装置30亦可直接内置于影像感测器10a或影像后端处理装置20a。
请参照图5，图5示出了第一种宽动态范围影像处理装置的示意图。前述宽动态范围影像处理装置30于图5是以宽动态范围影像处理装置30a表示。宽动态范围影像处理装置30a包括感测接口31、后端接口32、宽动态范围影像处理引擎33及控制电路34。感测接口31用以耦接影像感测器，并自影像感测器10接收具有m位的感测影像讯号S1。感测接口31输出感测影像讯号S1至宽动态范围影像处理引擎33，而宽动态范围影像处理引擎33根据感测影像讯号S1输出具有n位的宽动态范围影像讯号S2至后端接口32。其中，m及n为正整数，且m大于n。感测影像讯号S1例如是串行(Serial)或并行(Parallel)传输至宽动态范围影像处理引擎33。后端接口32用以耦接影像后端处理装置，并输出宽动态范围影像讯号S2至影像后端处理装置。宽动态范围影像讯号S2例如是串行(Serial)或并行(Parallel)传输至后端接口32。
宽动态范围影像处理引擎33电性连接感测接口31及后端接口32。宽动态范围影像处理引擎33例如是由现场可编程逻辑门阵列(FPGA，FieldProgrammable Gate Array)或特殊应用集成电路(Application SpecificIntegrated Circuit，ASIC)等硬件电路所实现。不仅如此，宽动态范围影像处理引擎33亦可例如由数字讯号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、中央处理器(Central Processing Unit，CPU)或微处理器(Microprocessor)所实现。
控制电路34用以控制感测接口31、后端接口32及宽动态范围影像处理引擎33。进一步来说，控制电路34还包括感测控制器341、后端控制器342及主控制器343。感测控制器341用以控制感测接口31，而后端控制器342用以控制后端接口32。主控制器343用以控制感测控制器341、后端控制器342及宽动态范围影像处理引擎33。
Figure BDA0000046842610000061
表1
请同时参照图6及表1，图6示出了感测影像讯号与宽动态范围影像讯号的映射关系的示意图，表1为映射关系的十六进位及二进位表示。图6绘示的横轴表示感测影像讯号S1，并以其位数表示。举例来说，图6绘示的横轴的标示15以二进制表示为1111 1111 1111 1111 11112。
感测影像讯号S1与宽动态范围影像讯号S2为一渐进式阶梯非线性映射。感测影像讯号S1与宽动态范围影像讯号S2的渐进式阶梯非线性映射至少包括2个映射区间，一个映射区间为p对1，而另一映射区间为q对1。其中，p及q为正整数，且p不等于q。举例来说，于图6绘示中，映射区间61为1对1，亦即一个感测影像讯号S1对应一个宽动态范围影像讯号S2。而映射区间62为2对1，亦即两个感测影像讯号S1对应一个宽动态范围影像讯号S2。于实际应用上，映射区间的数量可视实际需求而予以调整。
一般而言，人眼对于低亮度的亮度变化会比高亮度的亮度变化来的敏感。所以对应至低亮度的映射区间可以例如设计为一个感测影像讯号S1对应一个宽动态范围影像讯号S2或两个感测影像讯号S1对应一个宽动态范围影像讯号S2，而对应至高亮度的映射区间可以例如设计为八个感测影像讯号S1对应一个宽动态范围影像讯号S2或十六个感测影像讯号S1对应一个宽动态范围影像讯号S2。换言之，映射区间的映射关系能进一步依据人眼的特性而予以弹性地调整。
以m及n分别为16及12为例，于映射区间61每一个感测影像讯号S1都有一个对应的宽动态范围影像讯号S2。例如当感测影像讯号S1等于00000000 0000 00002时，宽动态范围影像讯号S2对应至00016；当感测影像讯号S1等于0000 0000 0000 00012时，宽动态范围影像讯号S2对应至00116；以此类推，当感测影像讯号S1等于0000 0011 1111 11112时，宽动态范围影像讯号S2对应至3FF16。所以，当感测影像讯号S1等于0000 00111 1111 1112～0000 0000 0000 00002时，宽动态范围影像讯号S2对应至3FF16～00016。
于映射区间62每两个感测影像讯号S1都有一个对应的宽动态范围影像讯号S2。例如当感测影像讯号S1等于0000 0000 0000 00002及0000 00000000 00012时，宽动态范围影像讯号S2对应至40016；当感测影像讯号S1等于00000000000000102及0000 0000 0000 00112时，宽动态范围影像讯号S2对应至40116；以此类推，当感测影像讯号S1等于0000 0111 1111 11102及0000 0111 1111 11112时，宽动态范围影像讯号S2对应至5FF16。所以，当感测影像讯号S1等于0000 0111 1111 111x2～0000 0100 0000 000x2时，宽动态范围影像讯号S2对应至5FF16～40016，而5FF16～40016等于(3FF16～20016)+20016，(3FF16～20016)所加上的20016即为偏移量。
以此类推，当感测影像讯号S1等于0000 1111 1111 11xx2～0000 10000000 00xx2时，宽动态范围影像讯号S2对应至7FF16～60016，而7FF16～60016等于(3FF16～20016)+40016，(3FF16～20016)所加上的40016即为偏移量；当感测影像讯号S1等于0001 1111 11111xxx2～0001 0000 0000 0xxx2时，宽动态范围影像讯号S2对应至9FF16～80016，而9FF16～80016等于(3FF16～20016)+60016，(3FF16～20016)所加上的60016即为偏移量；当感测影像讯号S1等于0011 1111 1111 xxxx2～0010 0000 0000 xxxx2时，宽动态范围影像讯号S2对应至BFF16～A0016，而BFF16～A0016等于(3FF16～20016)+80016，，(3FF16～20016)所加上的80016即为偏移量；当感测影像讯号S1等于01111111 111x xxxx2～0100 0000 000x xxxx2时，宽动态范围影像讯号S2对应至DFF16～C0016，而DFF16～C0016等于(3FF16～20016)+A0016，，(3FF16～20016)所加上的A0016即为偏移量；当感测影像讯号S1等于11111 1111 1xx xxxx2～1000 0000 00xx xxxx2时，宽动态范围影像讯号S2对应至FFF16～E0016，而FFF16～E0016等于(3FF16～20016)+C0016，(3FF16～20016)所加上的C0016即为偏移量。由此可知，宽动态范围影像处理引擎33可藉由将感测影像讯号S1中的部份位所对应的值加上对应的偏移量，即能迅速地输出对应的宽动态范围影像讯号S2。由上述描述能进一步地推导出后续宽动态范围影像处理引擎33所执行的程序。
感测影像讯号S1包括连续的第1个位至第m个位，第m个位为最高有效位(Most Significant Bit，MSB)而第1个位为最低有效位(Least SignificantBit，LSB)。第1个位至第m个位是以二进制表示。宽动态范围影像处理引擎33判断第m个位的位值是否等于1，1例如为逻辑1。当第m个位的位值等于1，将第m个位至第m-r个位所对应的值加上一偏移量输出。当第m个位的位值不等于1，宽动态范围影像处理引擎33判断第m-1个位的位值是否等于1，当第m-1个位的位值等于1，将第m-1个位至第m-s个位所对应的值加上另一偏移量输出。以此类推，可藉由判断后续第m-2个位至第m-t个位是否等于1，以输出对应的宽动态范围影像讯号。其中，r、s及t为正整数。
举例来说，宽动态范围影像处理引擎33执行下列程序以根据感测影像讯号S1输出宽动态范围影像讯号S2：
If[15]！＝0
    Out＝[15:6]+12’hC00(3072)
Else if[14]！＝0
    Out＝[14:5]+12’hA00(2560)
Else if[13]！＝0
    Out＝[13:4]+12’h800(2048)
Else if[12]！＝0
    Out＝[12:3]+12’h600(1536)
Else if[11]！＝0
    Out＝[11:2]+12’h400(1024)
Else if[10]！＝0
    Out＝[10:1]+12’h200(512)
Else
    Out＝[9:0]
感测影像讯号S1包括连续的第1个位至第m个位，于实施例是以位0至15表示。宽动态范围影像处理引擎33判断位15是否等于1，若是则将感测影像讯号S1中的位[15:6]所对应的值加上偏移量C0016做为宽动态范围影像讯号S2输出。相反地，当位15不等于1，宽动态范围影像处理引擎33判断位14的位值是否等于1，当位14的位值等于1，将位[14:5]所对应的值加上偏移量A0016做为宽动态范围影像讯号S2输出。
当位14不等于1，宽动态范围影像处理引擎33判断位13的位值是否等于1，当位13的位值等于1，将位[13:4]所对应的值加上偏移量80016做为宽动态范围影像讯号S2输出。当位13不等于1，宽动态范围影像处理引擎33判断位12的位值是否等于1，当位12的位值等于1，将位[12:3]所对应的值加上偏移量60016做为宽动态范围影像讯号S2输出。
当位12不等于1，宽动态范围影像处理引擎33判断位11的位值是否等于1，当位11的位值等于1，将位[11:2]所对应的值加上偏移量40016做为宽动态范围影像讯号S2输出。当位11不等于1，宽动态范围影像处理引擎33判断位10的位值是否等于1，当位10的位值等于1，将位[10:1]所对应的值加上偏移量20016做为宽动态范围影像讯号S2输出。当位10不等于1，宽动态范围影像处理引擎33将位[9:0]做为宽动态范围影像讯号S2输出。需说明的是，虽然上述实施例的感测影像讯号S1的上限是以FFF16为例说明，但本发明并不局限于此。感测影像讯号S1的上限亦可视实际应用而小于FFF16，如E0016。
由此可知，上述宽动态范围影像处理引擎33不需执行大量运算即能迅速将感测影像讯号S1转换为宽动态范围影像讯号S2，所以不需要使用价格昂贵且功能强大的处理器。此外，即便感测影像讯号S1为高解析度的动态影像讯号，由于宽动态范围影像处理引擎33能迅速将感测影像讯号S1转换为宽动态范围影像讯号S2，因此能即时对高解析度的动态影像讯号进行处理，而大幅地提高产品竞争力。
请参照图7，图7示出了第二种宽动态范围影像处理装置的示意图。宽动态范围影像处理装置30b与宽动态范围影像处理装置30a主要不同之处在于宽动态范围影像处理装置30b还包括解压缩单元35。随着影像感测器的不同，有些影像感测器可能会将感测影像讯号压缩成具有k位的压缩影像讯号S3后输出至感测接口31。其中，k为正整数。所以，感测接口31输出压缩影像讯号S3至解压缩单元35后，解压缩单元35将压缩影像讯号S3解压缩为感测影像讯号S1。之后再由宽动态范围影像处理引擎33将感测影像讯号S1转换为宽动态范围影像讯号S2。
综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明。本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围是以本发明的权利要求为准。

Claims (22)

1.一种宽动态范围影像处理装置，包括：
一感测接口，用以耦接一影像感测器；
一后端接口，用以耦接一影像后端处理装置；
一宽动态范围影像处理引擎，电性连接该感测接口及该后端接口，并根据一具有m位的感测影像讯号输出一具有n位的宽动态范围影像讯号至该后端接口，该感测影像讯号包括连续的一第1个位至一第m个位，该宽动态范围影像处理引擎判断该第m个位的位值是否等于1，当该第m个位的位值等于1，将该第m个位至一第m-r个位所对应的值加上一第一偏移量输出该宽动态范围影像讯号，当该第m个位的位值不等于1，判断一第m-1个位的位值是否等于1，当该第m-1个位的位值等于1，将该第m-1个位至一第m-s个位所对应的值加上一第二偏移量输出该宽动态范围影像讯号；以及
一控制电路，用以控制该感测接口、该后端接口及该宽动态范围影像处理引擎；
其中，m、n、r及s为正整数，且m大于n。
2.如权利要求1所述的宽动态范围影像处理装置，其中该第m个位为最高有效位而该第1个位为最低有效位。
3.如权利要求1所述的宽动态范围影像处理装置，其中该感测影像讯号与该宽动态范围影像讯号为一渐进式阶梯非线性映射。
4.如权利要求3所述的宽动态范围影像处理装置，其中该渐进式阶梯非线性映射至少包括一第一映射区间及一第二映射区间，该第一映射区间为p对1，而该第二映射区间为q对1；
其中，p及q为正整数，且p不等于q。
5.如权利要求1所述的宽动态范围影像处理装置，其中该感测接口用以输出该感测影像讯号至该宽动态范围影像处理引擎。
6.如权利要求1所述的宽动态范围影像处理装置，还包括：
一解压缩单元，用以将一压缩影像讯号解压缩为该感测影像讯号，该感测接口用以输出该压缩影像讯号至该解压缩单元。
7.如权利要求1所述的宽动态范围影像处理装置，其中该控制电路包括：
一感测控制器，用以控制该感测接口；
一后端控制器，用以控制该后端接口；
一主控制器，用以控制该感测控制器、该后端控制器及该宽动态范围影像处理引擎。
8.如权利要求1所述的宽动态范围影像处理装置，其中该宽动态范围影像处理装置整合至该影像感测器。
9.如权利要求1所述的宽动态范围影像处理装置，其中该宽动态范围影像处理装置整合至该影像后端处理装置。
10.如权利要求1所述的宽动态范围影像处理装置，其中该感测影像讯号是串行传输至该宽动态范围影像处理引擎。
11.如权利要求1所述的宽动态范围影像处理装置，其中该感测影像讯号是并行传输至该宽动态范围影像处理引擎。
12.如权利要求1所述的宽动态范围影像处理装置，其中该宽动态范围影像讯号是串行传输至该后端接口。
13.如权利要求1所述的宽动态范围影像处理装置，其中该宽动态范围影像讯号是并行传输至该后端接口。
14.一种宽动态范围影像处理方法，用以将一具有m位的感测影像讯号转换为一具有n位的宽动态范围影像讯号输出至一影像后端处理装置，m大于n，该感测影像讯号包括连续的一第1个位至一第m个位，该宽动态范围影像处理方法包括：
判断该第m个位的位值是否等于1；
当该第m个位的位值等于1，将该第m个位至一第m-r个位所对应的值加上一第一偏移量输出该宽动态范围影像讯号；
当该第m个位的位值不等于1，判断一第m-1个位的位值是否等于1；以及
当该第m-1个位的位值等于1，将该第m-1个位至一第m-s个位所对应的值加上一第二偏移量输出该宽动态范围影像讯号；
其中，m、n、r及s为正整数，且m大于n。
15.如权利要求14所述的宽动态范围影像处理方法，其中该第m个位为最高有效位而该第1个位为最低有效位。
16.如权利要求14所述的宽动态范围影像处理方法，其中该感测影像讯号与该宽动态范围影像讯号为一渐进式阶梯非线性映射。
17.如权利要求16所述的宽动态范围影像处理方法，其中该渐进式阶梯非线性映射至少包括一第一映射区间及一第二映射区间，该第一映射区间为p对1，而该第二映射区间为q对1；
其中，p及q为正整数，且p不等于q。
18.如权利要求14所述的宽动态范围影像处理方法，还包括：
将一压缩影像讯号解压缩为该感测影像讯号。
19.如权利要求14所述的宽动态范围影像处理方法，其中该感测影像讯号是串行传输至一宽动态范围影像处理引擎。
20.如权利要求14所述的宽动态范围影像处理方法，其中该感测影像讯号是并行传输至一宽动态范围影像处理引擎。
21.如权利要求14所述的宽动态范围影像处理方法，其中该宽动态范围影像讯号是串行传输至一后端接口。
22.如权利要求14所述的宽动态范围影像处理方法，其中该宽动态范围影像讯号是并行传输至一后端接口。
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