TW201505439A - 拍攝高動態範圍影片之方法 - Google Patents

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Abstract

本發明係揭露一種拍攝高動態範圍影片之方法。其包含：利用影像感測器拍攝由複數個長曝光區及複數個短曝光區互相交錯之原始影像，原始影像包含複數個像素；複數個長曝光區形成長曝光場，而複數個短曝光區形成短曝光場；根據長曝光場及短曝光場每一像素之像素值，經過重建過程而形成與原始影像相同解析度之重建之長曝光場及重建之短曝光場；以及經過結合過程，根據重建之長曝光場及重建之短曝光場之每一像素之像素值，而形成一高動態範圍影像。

Description

拍攝高動態範圍影片之方法
本發明的實施例是關於一種拍攝高動態範圍影片之方法，特別是關於一種利用交錯式影像感測器，在單張畫面上獲得兩種不同曝光時間之曝光資訊，並結合兩種不同曝光時間之曝光資訊，而形成一張高動態範圍影像之方法。
目前的消費型數位相機或網路攝影機(Webcam)的動態範圍(Dynamic Range)(亮度訊號最大值與最小值之比值)約為400。然而，室內場景的動態範圍大多超過1500，而室外場景的動態範圍往往高達105。因此，該些器材僅能捕捉到場景之部分亮度資訊，亦即，該些器材無法同時捕捉場景中的所有亮度資訊。
為解決以上的問題，P.E.Debevec在1997年提出了高動態範圍影像的技術，”Paul E.Debevec,Jitendra Malik,Recovering High Dynamic Range Radiance Maps from Photographs,SIGGRAPH 1997”。即結合多張不同曝光時間的影像。然而，這種技術只限用於靜止的影像，因為一旦兩張影像中的物體有所移動，結合後的影像將會產生鬼影現象(Ghost Effect)，如第1圖所 示。
本發明提出一種拍攝高動態影片之方法，利用交錯式影像感測器(Interlaced Image Sensor)，在單張的畫面(Frame)同時獲得兩種不同曝光時間的曝光資訊，便可結合這兩種曝光資訊，因此本方法不會產生鬼影現象。值得注意的是，本方法之低運算量特性，可即時地將拍攝到的高動態範圍影像呈現給使用者觀看。
根據本發明之目的，提出了一種拍攝高動態範圍影片之方法，其包含：利用影像感測器拍攝由複數個長曝光區及複數個短曝光區互相交錯之原始影像，原始影像包含複數個像素。複數個長曝光區形成長曝光場，複數個短曝光區形成短曝光場。根據長曝光場及短曝光場之每一像素之像素值，經過重建過程而形成與原始影像相同解析度之重建之長曝光場及重建之短曝光場。以及經過結合過程，根據重建之長曝光場及重建之短曝光場之每一像素之像素值，而形成高動態範圍影像。其中，像素值可為從0到2x-1之其中之一整數值，x可為該影像感測器之位元數，不同像素值可對應不同亮度，複數個長曝光區之長曝光時間及複數個短曝光區之短曝光時間之比值可為曝光時間比(R)。
承上所述，本發明之拍攝高動態影片之方法，利用交錯式影像感測器拍攝長曝光區與短曝光區交錯之原始影像，並使用重建過程補上長曝光區及短曝光區缺漏的部分，而形成與原始影像相同解析度之重建之長曝光場及重建之短曝光場，再利用 結合過程將重建之長曝光場及重建之短曝光場結合而成高動態範圍影像。本發明藉由影像重建，解決了一般採用交錯式影像感測器造成解析度降低一半而導致影像品質下降的問題。
S51~S56‧‧‧步驟流程
101‧‧‧第一長曝光區
102‧‧‧第一短曝光區
103‧‧‧第二長曝光區
104‧‧‧第二短曝光區
105‧‧‧長曝光場
106‧‧‧短曝光場
107‧‧‧重建之長曝光場
108‧‧‧重建之短曝光場
第1圖為根據先前技術之方法產生鬼影現象之示意圖。
第2圖為根據本發明第一實施例之拍攝高動態影片之方法之流程圖。
第3圖為根據本發明之由交錯式影像感測器擷取之高動態範圍場景之原始影像之示意圖。
第4圖為根據本發明之長曝光場及短曝光場之示意圖。
第5圖為根據本發明之長曝光場像素值與短曝光場像素值對應亮度之示意圖。
第6圖為根據本發明之亮度與長曝光場及短曝光場之像素值之關係圖。
第7圖為根據本發明之重建之長曝光場與重建之短曝光場之示意圖。
為利 貴審查員瞭解本發明之技術特徵、內容與優點及其所能達成之功效，茲將本發明配合附圖，並以實施例之表 達形式詳細說明如下，而其中所使用之圖式，其主旨僅為示意及輔助說明書之用，未必為本發明實施後之真實比例與精準配置，故不應就所附之圖式的比例與配置關係解讀、侷限本發明於實際實施上的權利範圍，合先敘明。
本發明提出一種拍攝高動態範圍影片之方法，提供使用者以交錯式影像感測器拍攝出具有複數個長曝光區及複數個短曝光區之原始影像。利用長曝光區擷取的影像資訊以於重建過程中提供場景較暗的部分，並利用短曝光區擷取的影像資訊以於重建過程中提供場景較亮的部分。經過重建過程及結合過程而形成高動態範圍影像，避免影像品質下降的缺陷。此外，本方法具有低運算量之特性，因此使用者可即時將拍攝到的高動態範圍影像呈現出。
本發明之拍攝高動態範圍影片之方法，可應用於具備影像感測器之任何電子產品，例如手機、數位相機、平板電腦、筆記型電腦。
第2圖為本發明第一實施例之拍攝高動態影片之方法之流程圖，其流程步驟可包含如下：
S51：利用交錯式影像感測器擷取高動態範圍場景之原始影像。
S52：由原始影像取得解析度為原始影像一半之長曝光場。
S53：由原始影像取得解析度為原始影像一半之短曝光場。
S54：利用短曝光場之資訊將長曝光場重建成解析度與原始影像相同。
S55：利用長曝光場之資訊將短曝光場重建成解析度與原始影像相同。
S56：結合長曝光場及短曝光場以得到高動態範圍影像。
本發明使用交錯式影像感測器擷取高動態範圍場景之原始影像，該交錯式影像感測器可為貝爾模式(Bayer Pattern)影像感測器，其可設定第一列與第二列之曝光時間較長，其捕捉之影像資訊用以重建影像場景中低亮度的部分，而第三列與第四列之曝光時間較短，其捕捉之影像資訊用以重建影像場景中高亮度的部分，以此類推。因此原始影像可由解析度為原始影像一半之複數個長曝光區及解析度為原始影像一半之複數個短曝光區結合而成。接著，重建過程包含利用短曝光區的資訊填補長曝光區缺漏的部分，而形成解析度與原始影像相同之長曝光場，同時利用長曝光區的資訊填補短曝光區缺漏的部分，而形成解析度與原始影像相同之短曝光場。最後，結合過程包含結合長曝光場及短曝光場之資訊，以得到高動態範圍影像。
第3圖為本發明由交錯式影像感測器擷取之高動態範圍場景之原始影像之示意圖。為了使以下說明更容易理解，在此使用8x8之解析度進行說明。因此原始影像可由第一長曝光區101、第一短曝光區102、第二長曝光區103及第二短曝光區104交錯組成。須說明的是，並非任一曝光區皆須具有連續二列之影像感測元件，亦可設定第一列之曝光時間較長，第二列之曝光時 間較短，第三列之曝光時間較長，第四列之曝光時間較短，以此交錯以擷取原始影像。此外，本實施例係以至少一列之橫向之影像感測元件為曝光區，然而，本發明並不限於，亦可將曝光區定義為縱向之影像感測元件，例如第一行與第二行之曝光時間較長，而第三行與第四行之曝光時間較短。
第4圖為本發明長曝光場及短曝光場之示意圖。請同時參閱第3圖及第4圖，長曝光場105可包含第一長曝光區101及第二長曝光區103，短曝光場106可包含第一短曝光區102及第二短曝光區104。如第4圖所示，長曝光場105及短曝光場106分別捕捉到場景中的不同部分。
第5圖為本發明長曝光場像素值與短曝光場像素值對應亮度之示意圖。環境中同一亮度的光源，受到曝光時間的差異會形成不同的像素值(Pixel Value)。假設x為影像感測器之位元數，則像素值可為0至2x-1之間之整數。另外，假設長曝光場之曝光時間與短曝光場之曝光時間之比值為曝光時間比(R)。則同樣亮度的光源，在長曝光場與短曝光場所擷取的的影像之像素值會有R倍的差異。例如於本實施例中，於相同的亮度下，若長曝光場之像素值R，則短曝光場之像素值1；於相同的亮度下，若長曝光場之像素值2x，則短曝光場之像素值2x/R。須說明的是，本示意圖之影像暗區超過短曝光場的擷取能力，即此時短曝光場於此影像暗區之像素值皆為0或小於某一預設值，因此於重建過程中，此暗區資訊將由長曝光場所擷取的影像資訊加以重建；相對地，本示意圖之影像亮區超過長曝光場的擷取能力，即此時長曝光場於此影像暗區之像素值皆為255或大於某一預設值，因此於重建過程中，此亮區資訊將由短曝光場所擷取的影像資訊加以重 建。
第6圖為本發明亮度與長曝光場及短曝光場之像素值之關係圖。為了方便說明，在此假設影像感測器之位元數為8，因此像素值之最大值為28-1=255，並假設曝光時間比R為4，長曝光場可擷取之亮度為1至1000，對應之像素值為0至255(假設亮度1至1000皆在長曝光場的擷取能力內，亦即未過曝或過暗而損失影像細節)。由於曝光時間比R為4，因此短曝光場可擷取之亮度為4至4000(假設亮度4至4000皆在短曝光場的擷取能力內，亦即未過曝或過暗而損失影像細節)。長曝光場之像素值0至255線性地對應到亮度1至1000，而短曝光場之像素值0至255線性地對應到亮度4至4000。在同樣像素值之下，短曝光場之亮度為長曝光場之4倍，而同樣亮度之下，長曝光場之像素值為短曝光場之4倍。因此，若原本影像感測器可擷取的亮度為1至1000，本發明使用交錯式影像感測器可擷取的亮度可被擴充為1至4000。簡言之，若原本影像感測器的動態範圍比值為D，則透過本方法可得到動態範圍比值為R*D之高動態範圍影像。
於一具體實施例中，曝光時間比R可由使用者自行決定，當曝光時間比R決定之後，可利用一般相機的自動曝光(Auto Exposure)機制決定出曝光時間A，而長曝光場與短曝光場之曝光時間可以A作為基準而對稱地伸縮，亦即，長曝光場與短曝光場之曝光時間之平均值等於A。舉例來說，若曝光時間比R為3，則長曝光場之曝光時間為1.5A，而短曝光場之曝光時間為0.5A。若曝光時間比R為7，則長曝光場之曝光時間為1.75A，而短曝光場之曝光時間為0.25A。
第7圖為本發明之重建之長曝光場與重建之短曝光 場之示意圖。請同時參閱第4圖、第5圖、第6圖及第7圖。重建之長曝光場107可由短曝光場106所有像素(第一短曝光區102及第二短曝光區104)之像素乘以R倍後，與長曝光場105(第一長曝光區101及第二長曝光區103)組合而成，而重建之短曝光場108可由長曝光場105所有像素之像素值(第一長曝光區101及第二長曝光區103)除以R倍後，與短曝光場106(第一短曝光區102及第二短曝光區104)組合而成。由於本發明的重建過程，利用長曝光場105及短曝光場106重建出彼此缺漏部分的資訊，因此不會有一般使用交錯式影像感測器垂直解析度減少一半的情況。有別於傳統的影像內插法，本方法也不會有模糊(Blur)或失真(Aliasing)的缺陷。
如第7圖所示，在完成重建過程並獲得重建之長曝光場107(解析度8x8)及重建之短曝光場108(解析度8x8)之後，便接著進行結合過程。結合過程包含逐一比對該重建之長曝光場107之每一像素及該重建之短曝光場108對應之每一像素之像素值。為了使以下說明更容易理解，假設重建之長曝光場107之第一列之第一個像素為a，重建之短曝光場108之第一列之第一個像素為b，像素a之像素值(Pixel Value)假設為PV(a)，而像素b之像素值假設為PV(b)。由於像素值太高或太低皆不具任何資訊，因此可分別設定一預設值，例如可設定像素值之第一預設值為250及第二預設值10。像素值超過第一預設值250代表此區域亮度過高，而取得的資訊皆為錯誤資訊。像素值低於第二預設值10代表此區域亮度過低，而取得的資訊亦為錯誤資訊。
承上所述，在結合重建之長曝光場107及重建之短曝光場108的過程中會發生以下五種情況：若PV(a)大於第一預 設值250，代表此區域亮度過高，已超過重建之長曝光場107之擷取能力，此時以PV(b)*R取代PV(a)作為高動態範圍影像之像素值。若PV(b)小於第二預設值10，代表此區域亮度過低，已超過重建之短曝光場107之擷取能力，此時以PV(a)/R取代PV(b)作為高動態範圍影像之像素值。若PV(a)小於第二預設值10，代表此區域使用長曝光時間仍然亮度過暗，因此延長第一長曝光區101及第二長曝光區103之曝光時間以解決此區域亮度過暗的問題。若PV(b)大於第一預設值250，代表此區域使用短曝光時間仍然亮度過亮，因此縮短第一短曝光區102及第二短曝光區104之曝光時間以解決此區域亮度過亮的問題。若PV(a)及PV(b)皆在第二預設值10至第一預設值250之間，則以PV(a)作為高動態範圍影像之像素值。
本發明之第二實施例可參考第4圖來說明。第二實施例與第一實施例不同之處在於形成長曝光場105及短曝光場106之後，重建與結合過程如以下所述。如第4圖所示，假設像素c,d,e,f,g,h之像素值分別為PV(c),PV(d),PV(e),PV(f),PV(g),PV(h)。當欲重建長曝光場缺漏的像素g時，先判斷像素e之像素值PV(e)，若PV(e)小於一第三預設值10，代表像素e不具任何資訊，則以(PV(c)+PV(d))/2作為像素g之像素值PV(g)。若PV(e)介於第三預設值10至一第四預設值250之間，則以PV(e)*R作為像素g之像素值PV(g)。當欲重建短曝光場缺漏的像素h時，先判斷像素d之像素值PV(d)，若PV(d)大於第四預設值250，代表像素d不具任何資訊，則以(PV(e)+PV(f))/2作為像素h之像素值PV(h)。若PV(d)介於第三預設值10至第四預設值250之間，則以PV(d)/R作為像素h之像素值PV(h)。利用以上方法將長曝 光場105及短曝光場106之所有像素填補完成之後，即可完成重建過程。
承上所述，本發明之第二實施例在使用交錯式影像感測器拍攝長曝光區及短曝光區互相交錯之原始影像之後，不直接使用短曝光場106之像素值乘以R填補長曝光場105對應像素之像素值，而是先判斷短曝光場106之像素值有意義(像素值介於10至250之間)之後，再乘以R以填補長曝光場105對應像素之像素值。如此可避免利用無意義的像素值做運算，而造成其運算結果仍然是無意義的數值。換句話說，第二實施例之重建過程與結合過程係完成於單一過程中。
綜合上述，本發明提出一種拍攝高動態範圍影片之方法，提供使用者以交錯式影像感測器拍攝出具有複數個長曝光區及複數個短曝光區之原始影像。利用長曝光區擷取的影像資訊以於重建及結合過程中提供場景較暗的部分，並利用短曝光區擷取的影像資訊以於重建及結合過程中提供場景較亮的部分。若原本影像感測器之動態範圍比值為D，則透過本方法可得到動態範圍比值為R*D之高動態範圍影像，其中R為曝光時間比。值得注意的是，本方法具有低運算量之特性，因此使用者可即時將拍攝到的高動態範圍影像呈現出。
綜合上述，可見本發明在突破先前之技術下，確實已達到所欲增進之功效，且也非熟悉該項技藝者所易於思及，再者，本發明申請前未曾公開，且其所具之進步性、實用性，顯已符合專利之申請要件，爰依法提出專利申請。
當本發明的實施例參考其例示性實施例被特別顯示 及描述時，其可為所屬技術領域具有通常知識者理解的是，在不脫離由以下申請專利範圍及其等效物所定義之本發明的精神及範疇內，可對其進行形式及細節上的各種變更。
S51~S56‧‧‧步驟流程

Claims (10)

  1. 一種拍攝高動態範圍影片之方法，適用於一電子產品，包含一影像感測器，該方法包含下列步驟：利用該影像感測器拍攝由複數個長曝光區及複數個短曝光區互相交錯之一原始影像，該原始影像包含複數個像素；該複數個長曝光區形成一長曝光場，該複數個短曝光區形成一短曝光場；根據該長曝光場及該短曝光場之每一像素之像素值，經過一重建過程而形成與該原始影像相同解析度之一重建之長曝光場及一重建之短曝光場；以及經過一結合過程，根據該重建之長曝光場及該重建之短曝光場之每一像素之像素值，形成一高動態範圍影像；其中，像素值係為從0到2x-1之其中之一整數值，x係為該影像感測器之位元數，不同像素值係對應不同亮度，該複數個長曝光區之一長曝光時間及該複數個短曝光區之一短曝光時間之比值係為一曝光時間比(R)。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之拍攝高動態範圍影片之方法，其中該每一長曝光區包含至少一列像素，該每一短曝光區包含至少一列像素。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之拍攝高動態範圍影片之方法，其中該影像感測器之第一列及第二列之曝光時間係為該長曝光時間，第三列及第四列之曝光時間係為該短曝光時間。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之拍攝高動態範圍影片之方法，其中該重建過程包含：將該複數個長曝光區之每一像素之像素值除以該曝光時間比(R)，以對應填補該複數個短曝光區之缺漏部分，並與該複數個短曝光區組合而成該重建之短曝光場；以及將該複數個短曝光區之每一像素之像素值乘以該曝光時間比(R)，以對應填補該複數個長曝光區之缺漏部分，並與該複數個長曝光區組合而成該重建之長曝光場。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之拍攝高動態範圍影片之方法，其中該結合過程包含逐一比對該重建之長曝光場之每一像素及該重建之短曝光場對應之每一像素之像素值，並根據比對結果進行以下步驟：當該重建之長曝光場之像素值大於一第一預設值，則以該重建之短曝光場之像素值乘以R取代該重建之長曝光場之像素值作為該高動態範圍影像之像素值；以及當該短曝光場之像素值小於一第二預設值，則以該重建之長曝光場之像素值除以R取代該重建之短曝光場之像素值作為該高動態範圍影像之像素值。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之拍攝高動態範圍影片之方法，其中該結合過程更包含：當該重建之長曝光場之像素值小於該第二預設值，則延長該複數個長曝光區之該長曝光時間；當該重建之短曝光場之像素值大於該第一預設值，則縮短 該複數個短曝光區之該短曝光時間；以及當該重建之長曝光場及該重建之短曝光場之像素值皆介於該第一預設值與該第二預設值之間，則以該重建之長曝光場之像素值作為該高動態範圍影像之像素值。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之拍攝高動態範圍影片之方法，其中該第一預設值為250，該第二預設值為10。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之拍攝高動態範圍影片之方法，其中該重建過程及該結合過程包含對該複數個長曝光區缺漏部分之每一像素進行以下步驟：當該複數個長曝光區缺漏部分之一像素對應之短曝光區之像素之像素值小於一第三預設值，則以該複數個長曝光區缺漏部分之該像素對應之上下長曝光區之兩像素之像素值之平均值作為該像素之像素值；以及當該複數個長曝光區缺漏部分之一像素對應之短曝光區之像素之像素值介於該第三預設值與一第四預設值之間，則以該複數個長曝光區缺漏部分之該像素對應之短曝光區之像素之像素值乘以R作為該像素之像素值。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之拍攝高動態範圍影片之方法，其中該重建過程更包含對複數個短曝光區缺漏部分之每一像素進行以下步驟：當該複數個短曝光區缺漏部分之一像素對應之長曝光區之像素之像素值大於該第四預設值，則以該複數個短曝光區缺漏部分之該像素對應之上下短曝光區之兩像素之像素值 之平均值作為該像素之像素值；以及當該複數個短曝光區缺漏部分之一像素對應之長曝光區之像素之像素值介於該第三預設值與該第四預設值之間，則以該複數個短曝光區缺漏部分之該像素對應之短曝光區之像素之像素值除以R作為該像素之像素值。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之拍攝高動態範圍影片之方法，其中該第三預設值為10，該第四預設值為250。
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