TW201442516A - 固定樣式雜訊移除方法 - Google Patents

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Abstract

一種固定樣式雜訊移除方法，用於一影像感測器中，該固定樣式雜訊移除方法包含有根據各欄像素中複數個補償像素值，計算相對應該各欄像素之各補償值；以及根據該各欄像素之該各補償值，於取樣一感光區之複數個感光區像素值時進行補償，以產生複數個補償感光區像素值；其中，該感光區中複數個感光區像素感光產生該複數個感光區像素值。

Description

固定樣式雜訊移除方法
本發明係指一種固定樣式雜訊移除方法，尤指一種用於影像感測器中，僅需計算相對應各欄像素之各補償值進行補償，而可節省記憶體空間並減少運算複雜度的固定樣式雜訊移除方法。
一般來說，在影像感測器(image sensor)中，由於用於感測影像之像素在尺寸、間距、效率並不一致，且係以一列取樣器，如關聯雙取樣器(correlation double sampling，CDS)，逐列取樣感光像素值而會有誤差；也就是說，一特定取樣器對應於特定欄像素，因此當一列取樣器中取樣器在製程與設計上不均勻時，所擷取欄像素之像素值會因取樣器不均勻造成誤差而在影像垂直方式上具有雜訊，造成影像感測器所擷取之影像會因硬體架構的既有缺失而具有非隨機的固定樣式雜訊(fixed pattern noise，FPN)。
舉例來說，請參考第1A圖及第1B圖，第1A圖及第1B圖分別為一真實影像IMG及具有欄固定樣式雜訊之一雜訊影像NIMG之示意圖。如第1A圖及第1B圖所示，由於特定取樣器對應於特定欄像素且一列取樣器中取樣器在製程與設計上不均勻，因此所擷取欄像素之像素值會因取樣器不均勻而在影像垂直方式上具有固定雜訊(如第1B圖所示直條紋)。
在此情況下，習知技術係透過拍攝一張場景與一張一樣條件的遮 光照(黑畫面)，再將這兩張向相減即可消除固定樣式雜訊。然而，此方式需紀錄並儲存整張遮光照來做不同參數控制(溫度，增益值，曝光時間)，需要非常大的記憶體。有鑑於此，習知技術實有改進之必要。
因此，本發明之主要目的即在於提供一種用於影像感測器中，僅需計算相對應各欄像素之各補償值進行補償，而可節省記憶體空間並減少運算複雜度的固定樣式雜訊移除方法。
本發明揭露一種固定樣式雜訊移除方法，用於一影像感測器中，該固定樣式雜訊移除方法包含有根據各欄像素中複數個補償像素值，計算相對應該各欄像素之各補償值；以及根據該各欄像素之該各補償值，於取樣一感光區之複數個感光區像素值時進行補償，以產生複數個補償感光區像素值；其中，該感光區中複數個感光區像素感光產生該複數個感光區像素值。
20‧‧‧流程
200~206‧‧‧步驟
30~80‧‧‧影像感測器
32‧‧‧影像處理器
300、500‧‧‧像素矩陣
302‧‧‧取樣器
304、504‧‧‧記憶體控制器
306、308、506、508‧‧‧線記憶體
310、312‧‧‧乘法器
314‧‧‧加法器
316、402、316’、402’‧‧‧減法器
318、318’‧‧‧類比數位轉換器
320、520‧‧‧感光區
322、522‧‧‧遮光區
400‧‧‧計算單元
600、700、800‧‧‧數位類比轉換器
IMG‧‧‧真實影像
NIMG‧‧‧雜訊影像
CAPVi、CAPVi’、CAPVi”‧‧‧補償感光區像素值
ID‧‧‧影像資料
R‧‧‧紅色像素
Gr、Gb‧‧‧綠色像素
B‧‧‧藍色像素
APVi‧‧‧感光區像素值
AG‧‧‧類比增益
OBAi‧‧‧遮光區特定原色像素平均值
OBCAi‧‧‧遮光區欄像素平均值
第1A圖及第1B圖分別為一真實影像及具有欄固定樣式雜訊之一雜訊影像之示意圖。
第2圖為本發明實施例一固定樣式雜訊移除流程之示意圖。
第3圖為本發明實施例一影像感測器之示意圖。
第4圖為本發明實施例另一影像感測器之示意圖。
第5圖為本發明實施例另一影像感測器之示意圖。
第6圖至第8圖為本發明實施例另三影像感測器之示意圖。
請參考第2圖，第2圖為本發明實施例一固定樣式雜訊移除(fixed pattern noise，FPN)流程20之示意圖。如第2圖所示，固定樣式雜訊移除流程20用於一影像感測器中，其包含以下步驟：步驟200：開始。
步驟202：根據各欄像素中複數個補償像素值，計算相對應該各欄像素之各補償值。
步驟204：根據該各欄像素之該各補償值，於取樣一感光區之複數個感光區像素值時進行補償，以產生複數個補償感光區像素值；其中，該感光區中複數個感光區像素感光產生該複數個感光區像素值。
步驟206：結束。
根據固定樣式雜訊移除流程20，本發明先根據各欄像素中複數個補償像素值，計算相對應該各欄像素之各補償值，再根據該各欄像素之該各補償值，於取樣一感光區之複數個感光區像素感光所產生複數個感光區像素值時，對該複數個感光區像素值進行補償，以產生複數個補償感光區像素值。在此情形下，由於本發明僅需於記憶體中儲存相對應該各欄像素之各補償值或甚至不需於記憶體中儲存，因此相較於習知技術需於記憶體中儲存整張遮光照可大幅節省記憶體空間。如此一來，本發明僅需計算相對應各欄像素之各補償值進行補償，而可節省記憶體空間並減少運算複雜度。
舉例來說，請參考第3圖，第3圖為本發明實施例一影像感測器30之示意圖。如第3圖所示，影像感測器30可產生補償感光區像素值CAPVi予一影像處理器32使其產生一影像資料ID，影像感測器30包含有一像素矩陣300、一取樣器302、一記憶體控制器304、線記憶體306、308、乘法器310、312、一加法器314、一減法器316以及一類比數位轉換器(analog to digital converter，ADC)318，其中，像素矩陣300包含有一感光區(Active Pixel Area)320以及一遮光區(Optical Black Area)322，且像素矩陣300為貝爾圖(Bayer Pattern)結構，因此其各像素僅為一紅色像素R、綠色像素Gr、Gb以及一藍色像素B三原色像素當中一者以感測特定顏色。
簡單來說，在一初始狀態下，影像感測器30可先設定感光度(ISO)為一特定操作增益，使得取樣器302在該特定操作增益下取樣並計算一遮光區322中各欄像素中各原色像素之各欄原色像素平均值sum(CP(c)j)/CPN(c)j、sum(CP(c)k)/CPN(c)k與遮光區322中該各原色像素之各原色像素平均值AVEj、AVEk之差值LM306(c)j、LM308(c)k(特定欄之特定原色像素平均與全部特定原色像素平均之差值即為特定欄之特定原色像素之固定樣式雜訊)，再由記憶體控制器304儲存於線記憶體306、308中，如下(遮光區322中全部像素不感光，在此實施例中可具有16列以利於計算平均，而遮光區322中各欄像素中各原色像素值即步驟202所述之各欄像素中複數個補償像素值)：LM306(c)j=AVEj-sum(CP(c)j)/CPN(c)j,AVEj=sum(OBPj)/OBPNj,j=R,Gr
LM308(c)k=AVEk-sum(CP(c)k)/CPN(c)k,AVEk=sum(OBPk)/OBPNk,k=Gb,B
其中，sum(CP(c)j)/CPN(c)j、sum(CP(c)k)/CPN(c)k分別表示一欄位c中原色像素j、k之像素值總合除以原色像素j、k之數量，sum(OBPj)/OBPNj、sum(OBPk)/OBPNk分別表示遮光區322中原色像素j、k之像素值總合除以原色像素j、k之數量。
舉例來說，左側第1欄因貝爾圖結構僅具紅色像素R及綠色像素Gb，當欲計算第1欄之欄紅色像素平均值sum(CP(1)R)/CPN(1)R時，會將遮光區322中第1欄中所有紅色像素R之像素值相加然後除以第1欄紅色像素R之數量，接著再計算遮光區322中紅色像素R之紅色像素平均值AVER，即將遮光區322中所有紅色像素R之像素值相加然後除以所有紅色像素R之數量，然後相減取差值LM306(1)R儲存於相對應第1欄紅色像素R之位置。依此 類推，可計算其它欄中相對應紅色像素R、綠色像素Gr、Gb以及藍色像素B之差值LM306(c)j、LM308(c)k再分別儲存於線記憶體306、308中，其中，由於貝爾圖結構中相間隔列具有相同像素排列，因此僅需兩列線記憶體306、308即可儲存所有欄原色像素之平均值之差值，且由於固定樣式雜訊為固定雜訊，因此可設定特定操作增益為一最大操作增益以明確紀錄。
接著，在初始狀態影像感測器30設定感光度為特定操作增益，然後記憶體控制器304將差值LM306(c)j、LM308(c)k儲存於線記憶體306、308後，在一感光狀態下，取樣器302對感光區320取樣產生感光區像素值APVi，而影像感測器30設定感光度為一類比增益AG由乘法器310據以對感光區像素值APVi進行增益，再由類比數位轉換器318將增益後感光區像素值APVi轉為一數位形式。在此同時，記憶體控制器304會由線記憶體306、308中讀取相對應差值LM306(c)j、LM308(c)k，再由乘法器312乘上類比增益AG與初始狀態所設定之特定操作增益之一比例得到類比增益AG下固定樣式雜訊(因固定樣式雜訊為固定雜訊，因此假設會隨增益等比例放大縮小)，再由加法器314加總類比增益AG下遮光區322中全部特定原色像素之一遮光區特定原色像素平均值OBAi(遮光區322並不照光，因此遮光區特定原色像素平均值OBAi代表特定原色像素未照光下既有暗電流之大小)得到各欄像素之該各補償值，然後減法器316再將感光區像素值APVi減去相對應各欄像素之該各補償值得到補償感光區像素值CAPVi，如下： OBAi=sum(AGOBPi)/AGOBPNi
CAPVi=APVi-OBAi+LM(c)i*AG
i=R,Gr,R,Gr；LM(c)i=LM306(c)j、LM308(c)k
其中，sum(AGOBPj)/AGOBPNj表示類比增益AG下遮光區322中原色像素i之像素值總合除以原色像素i之數量。
如此一來，影像感測器30僅需於初始狀態利用兩列線記憶體306、308儲存差值LM306(c)j、LM308(c)k，再於感光狀態透過乘法器312、加法器314以及減法器316的簡單組合即可進行補償消除固定樣式雜訊，因此可節省記憶體空間並減少運算複雜度。
值得注意的是，上述實施例之主要在於可計算相對應各欄像素之各補償值進行補償，以節省記憶體空間並減少運算複雜度。本領域具通常知識者當可據以進行修飾或變化，而不限於此。舉例來說，請參考第4圖，第4圖為本發明實施例另一影像感測器40之示意圖。影像感測器40與影像感測器30部分相似，因此功能相同之元件及訊號以相同符號表示。影像感測器40與影像感測器30之主要差別在於，影像感測器40並不於初始狀態下透過記憶體儲存差值，而是在感光狀態下取樣器302對感光區320取樣產生感光區像素值APVi且乘法器310與類比數位轉換器318進行後續操作時，同時由一計算單元400取樣並計算遮光區322中各欄像素之各遮光區欄像素平均值OBCAi做為各欄像素之各補償值(此欄像素平均值同時包含暗電流成份及固定樣式雜訊成份，而遮光區322中各欄像素中各欄像素值即步驟202所述之各欄像素中複數個補償像素值)，再由減法器402再將感光區像素值APVi減去相對應各欄像素之該各補償值(即各遮光區欄像素平均值OBCAi)得到補償感光區像素值CAPVi’，如下： OBCAi=sum(OBCPi)/OBCPNi
CAPVi’=APVi-OBCAi
i=R,Gr,R,Gr
其中，sum(OBCPj)/OBCPNj表示類比增益AG下遮光區322中特定欄位中原色像素i之像素值總合除以原色像素i之數量。
如此一來，由於影像感測器40於感光區320感光時直接取樣並計算遮光區322中各欄像素之各遮光區欄像素平均值OBCAi做為各欄像素之各補償值，再透過減法器402的即可進行補償消除固定樣式雜訊，因此不需記憶體且可減少運算複雜度。
再者，請參考第5圖，第5圖為本發明實施例另一影像感測器50之示意圖。影像感測器50與影像感測器30部分相似，因此功能相同之元件及訊號以相同符號表示。影像感測器50與影像感測器30之主要差別在於，影像感測器50在一初始狀態下設定感光度為一特定操作增益後，會切斷一取樣器502與一像素矩陣500之一感光區520中感光區像素之連結(由於斷開取樣器502與像素矩陣500之間連結，因此取樣器502所讀取值為相對應像素矩陣500部分之電路值)，再計算取樣器502對應於感光區520中各欄像素中各原色像素之各欄原色電路平均值sum(CC(c)j)/CCN(c)j、sum(CC(c)k)/CCN(c)k與取樣器502對應於感光區520中該各原色像素之各原色電路平均值CAVEj、CAVEk之差值LM506(c)j、LM508(c)k(對應於特定欄之特定原色像素之電路值平均與對應於全部特定原色像素之電路值平均之差值即為取樣器502對應於特定欄之特定原色像素所造成之固定樣式雜訊)，再由一記憶體控制器504儲存於線記憶體506、508中，如下(感光區520中各欄像素中各原色電路平均值即步驟202所述之各欄像素中複數個補償像素值)： LM506(c)j=CAVEj-sum(CC(c)j)/CCN(c)j
CAVEj=sum(APCj)/APCNj,j=R,Gr
LM508(c)k=CAVEk-sum(CC(c)k)/CCN(c)k
CAVEk=sum(APCk)/APCNk,k=R,Gr
其中，sum(CC(c)j)/CCN(c)j、sum(CC(c)k)/CCN(c)k分別表示取樣器502對應於感光區520一欄位c中原色像素j、k之電路值總合除以原色像素j、k之數量，sum(APCj)/APCNj、sum(APCk)/APCNk分別表示取樣器502對 應於感光區520中原色像素j、k之電路值總合除以原色像素j、k之數量。
舉例來說，左側第1欄因貝爾圖結構僅具紅色像素R及綠色像素Gb，當欲計算第1欄之欄紅色電路平均值sum(CC(1)R)/CCN(1)R時，會先將取樣器502與像素矩陣500之間斷開連結，然後取樣器502模擬正常操作連結感光區520第1欄中各紅色像素R取得相對應電路值進行加總然後除以第1欄紅色像素R之數量，接著再計算對應於感光區520中紅色像素R之紅色電路平均值CAVER，即取樣器502模擬正常操作連結感光區520中所有紅色像素R取得相對應電路值進行加總然後除以所有紅色像素R之數量，然後相減取差值LM506(1)R儲存於相對應第1欄紅色像素R之位置。依此類推，可計算其它欄中相對應紅色像素R、綠色像素Gr、Gb以及藍色像素B之差值LM506(c)j、LM508(c)k再分別儲存於線記憶體506、508中，其中，由於貝爾圖結構中相間隔列具有相同像素排列，因此僅需兩列線記憶體506、508即可儲存所有欄原色像素之平均值之差值，且由於固定樣式雜訊為固定雜訊，因此可設定特定操作增益為一最大操作增益以明確紀錄。
接著，在初始狀態影像感測器50設定感光度為特定操作增益並斷開取樣器502與像素矩陣500之間連結，然後記憶體控制器504將差值LM506(c)j、LM508(c)k儲存於線記憶體306、308後，在一感光狀態下，影像感測器50重新導通取樣器502與像素矩陣500之間連結，使得取樣器502對感光區520取樣產生感光區像素值APVi，而影像感測器50設定感光度為類比增益AG由乘法器310據以對感光區像素值APVi進行增益，再由類比數位轉換器318將增益後感光區像素值APVi轉為一數位形式。在此同時，記憶體控制器504會由線記憶體506、508中讀取相對應差值LM506(c)j、LM508(c)k，再由乘法器312乘上類比增益AG與初始狀態所設定之特定操作增益之一比例得到類比增益AG下固定樣式雜訊(因固定樣式雜訊為固定雜訊，因此假設會隨 增益等比例放大縮小)，再由加法器314加總類比增益AG下遮光區322中全部特定原色像素之一遮光區特定原色像素平均值OBAi(遮光區322並不照光，因此遮光區特定原色像素平均值OBAi代表特定原色像素未照光下既有暗電流之大小)得到各欄像素之該各補償值，然後減法器316再將感光區像素值APVi減去相對應各欄像素之該各補償值得到補償感光區像素值CAPVi”，如下： OBAi=sum(AGOBPi)/AGOBPNi
CAPVi”=APVi-OBAi+LM(c)i*AG
i=R,Gr,R,Gr；LM(c)i=LM506(c)j、LM508(c)k
其中，sum(AGOBPj)/AGOBPNj表示類比增益AG下遮光區322中原色像素i之像素值總合除以原色像素i之數量。
如此一來，影像感測器50亦僅需於初始狀態利用兩列線記憶體506、508儲存差值LM506(c)j、LM508(c)k，再於感光狀態下透過乘法器312、加法器314以及減法器316的簡單組合即可進行補償消除固定樣式雜訊，因此可節省記憶體空間並減少運算複雜度，且由於影像感測器50斷開取樣器502與像素矩陣500之間連結，再利用感光區520中各欄像素中各原色電路平均值計算各欄像素之各補償值，因此相較於影像感測器30可具有較小的遮光區522(影像感測器50不需利用遮光區522進行平均以計算補償值，因此可僅具有4列)。
除此之外，在上述實施例中，影像感測器30、40、50皆在數位形式下對各補償值及感光區像素值APVi進行補償(即各補償值為數位形式，在感光區像素值APVi經類比數位轉換器318處理為數位形式後才進行補償)。然而，在其它實施例中，亦可在類比形式下對各補償值及感光區像素值APVi 進行補償。請參考第6圖至第8圖，第6圖至第8圖為本發明實施例另三影像感測器60、70、80之示意圖。影像感測器60、70、80與影像感測器30、40、50部分相似，因此功能相同之元件及訊號以相同符號表示。影像感測器60、70、80與影像感測器30、40、50之主要差別在於影像感測器60、70、80先分別將各補償值經數位類比轉換器(digital to analog converter，DAC)600、700、800由數位形式轉換為類比形式後，再分別由減法器316’、402’對增益後仍為類比形式之感光區像素值APVi在類比形式下進行補償，再由類比數位轉換器318’轉換為數位形式。如此一來，影像感測器60、70、80可在類比形式下對各補償值及感光區像素值APVi進行補償。
在習知技術中，需透過拍攝一張場景與一張一樣條件的遮光照(黑畫面)，再將這兩張向相減即可消除固定樣式雜訊，但此方式需紀錄並儲存整張遮光照來做不同參數控制(溫度，增益值，曝光時間)，需要非常大的記憶體。相較之下，本發明可計算相對應各欄像素之各補償值進行補償，因此僅需於記憶體中儲存相對應該各欄像素之各補償值或甚至不需於記憶體中儲存，而可節省記憶體空間並減少運算複雜度。
20‧‧‧流程
200~206‧‧‧步驟

Claims (10)

  1. 一種固定樣式雜訊(fixed pattern noise，FPN)移除方法，用於一影像感測器中，包含有：根據各欄像素中複數個補償像素值，計算相對應該各欄像素之各補償值；以及根據該各欄像素之該各補償值，於取樣一感光區(Active Pixel Area)之複數個感光區像素值時進行補償，以產生複數個補償感光區像素值；其中，該感光區中複數個感光區像素感光產生該複數個感光區像素值。
  2. 如請求項1所述之固定樣式雜訊移除方法，其中根據該各欄像素中該複數個補償像素值，計算相對應該各欄像素之該各補償值之步驟包含有：設定一特定操作增益；以及在該特定操作增益及一初始狀態下，取樣並計算一遮光區(Optical Black Area)中該各欄像素中各原色像素之各欄原色像素平均值與遮光區中該各原色像素之各原色像素平均值之差值，並儲存於一記憶體中；其中，該遮光區中全部像素不感光。
  3. 如請求項2所述之固定樣式雜訊移除方法，其中根據該各欄像素中該複數個補償像素值，計算相對應該各欄像素之該各補償值之步驟包含有：計算一類比增益下該遮光區中全部特定原色像素之一遮光區特定原色像素平均值；以及將該各欄像素中該各原色像素之該各原色像素平均值與該各欄像素中全部像素之該各像素平均值之差值乘上該類比增益與該特定操作增益之一比例，再加總該遮光區像素平均值做為該各欄像素之該各補償值。
  4. 如請求項2所述之固定樣式雜訊移除方法，其中該特定操作增益為一最大操作增益。
  5. 如請求項1所述之固定樣式雜訊移除方法，其中根據該各欄像素中該複數個補償像素值，計算相對應該各欄像素之該各補償值之步驟包含有：於該感光區中該複數個感光區像素感光時，取樣並計算一遮光區中該各欄像素之各遮光區欄像素平均值做為該各欄像素之各補償值。
  6. 如請求項1所述之固定樣式雜訊移除方法，其中根據該各欄像素中該複數個補償像素值，計算相對應該各欄像素之該各補償值之步驟包含有：設定一特定操作增益；切斷一取樣器與該感光區中該複數個感光區像素之連結；以及在該特定操作增益及一初始狀態下，計算該取樣器對應於該感光區中該各欄像素中各原色像素之各欄原色電路平均值與該取樣器對應於該感光區中該各原色像素之各原色電路平均值之差值，並儲存於一記憶體中。
  7. 如請求項6所述之固定樣式雜訊移除方法，其中根據該各欄像素中該複數個補償像素值，計算相對應該各欄像素之該各補償值之步驟包含有：計算一遮光區中全部像素之一遮光區像素平均值；以及該取樣器對應於該感光區中該各欄像素中各原色像素之各原色電路平均值與該取樣器對應於該各欄像素中全部像素之各欄電路平均值之差值乘上一類比增益與該特定操作增益之一比例，再加總該遮光區像素平均值做為該各欄像素之該各補償值；其中，該遮光區中全部像素不感光。
  8. 如請求項6所述之固定樣式雜訊移除方法，其中該特定操作增益為一最大操作增益。
  9. 如請求項1所述之固定樣式雜訊移除方法，其中該各補償值及該複數個感光區像素值在一數位形式下進行補償。
  10. 如請求項1所述之固定樣式雜訊移除方法，其中該各補償值及該複數個感光區像素值在一類比形式下進行補償。
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