TW202404342A - 產生高動態範圍影像的方法及影像處理系統 - Google Patents

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Abstract

一種產生高動態範圍影像資料的方法，其包含：對第一色彩空間中的第一影像資料進行影像強化處理，據以產生第二影像資料，其中該第一影像資料藉由應用於標準動態範圍內容的第一光電轉換函數而產生；將該第二影像資料轉換為第二色彩空間中的第三影像資料，其中該第二色彩空間的色域比該第一色彩空間的色域更寬廣；對該第三影像資料進行動態範圍調整以產生第四影像資料，其中該第四影像資料的位元深度大於該第三影像資料的位元深度；以及基於應用於高動態範圍內容的第二光電轉換函數，將該第四影像資料轉換為該高動態範圍影像資料。

Description

產生高動態範圍影像的方法及影像處理系統
本發明是關於影像處理，尤指一種產生高動態範圍影像的方法以及影像處理系統。
能夠支援高動態範圍（high dynamic range，HDR）已成為顯示裝置製造商的關鍵賣點。HDR視訊技術可提供更為寬廣的亮度與色彩範圍之資訊，進而重現人眼可見的最亮白色與最暗黑色之間的色彩與對比。HDR相容（HDR-compatible）的顯示裝置可解讀上述資訊，並呈現由較寬廣色域（color gamut）與亮度所建構的影像。藉由HDR視訊技術，可以在顯示器上再現相機所擷取的影像真實感。然而，仍需要有一種改善方案，來減少影像訊號處理器（image signal processor，ISP）對HDR影像進行處理所造成的失真假影（artifact）。
本發明的實施例提供一種產生高動態範圍影像的方法以及影像處理系統。
本發明的某些實施例包含一種產生一高動態範圍影像資料的方法。該方法包含：對第一色彩空間中的第一影像資料進行影像強化處理，據以產生第二影像資料，其中該第一影像資料係藉由應用於標準動態範圍內容的第一光電轉換函數而產生；將該第二影像資料轉換為第二色彩空間中的第三影像資料，其中該第二色彩空間的色域比該第一色彩空間的色域更寬廣；對該第三影像資料進行動態範圍調整以產生第四影像資料，其中該第四影像資料的位元深度大於該第三影像資料的位元深度；以及基於應用於高動態範圍內容的第二光電轉換函數，將該第四影像資料轉換為該高動態範圍影像資料。
本發明的某些實施例包含一種產生高動態範圍影像資料的方法。該方法包含：對輸入影像資料進行色調映射與色彩校正，以產生表現在一色彩空間中的第一影像資料，其中該色彩空間具有與高動態範圍內容相容的色域，該第一影像資料的位元深度小於該輸入影像資料的位元深度；對該第一影像資料進行動態範圍調整以產生第二影像資料，其中該第二影像資料與該輸入影像資料具有相等的位元深度；基於支援該高動態範圍內容的光電轉換函數，將該第二影像資料轉換為第三影像資料；以及對該第三影像資料進行影像強化處理，據以產生該高動態範圍影像資料。
本發明的某些實施例包含一種影像處理系統。該影像處理系統包含一記憶體以及一影像訊號處理器。該記憶體用以儲存輸入影像資料所對應的輸出影像資料，該輸入影像資料是由一影像感測器所擷取。該影像訊號處理器耦接於該記憶體。該影像訊號處理器用以執行以下操作：基於支援第一動態範圍的第一光電轉換函數，將該輸入影像資料轉換為第一色彩空間中的第一影像資料；對該第一影像資料進行影像強化處理，以產生第二影像資料；將該第二影像資料轉換為第二色彩空間中的第三影像資料，其中該第二色彩空間的色域比該第一色彩空間的色域更寬廣；對該第三影像資料進行動態範圍調整以產生第四影像資料，其中該第四影像資料的位元深度大於該第三影像資料的位元深度；以及將第二光電轉換函數應用至該第四影像資料，據以產生該輸出影像資料，其中該第二光電轉換函數支援第二動態範圍，且該第二動態範圍比該第一動態範圍更寬廣。
藉由本發明所提供的影像處理方案，影像訊號處理器端可產生高動態範圍影像資料，而不會（或幾乎不會）引入影像強化處理所造成的失真假影。影像訊號處理器端可將高動態範圍視訊串流提供給顯示器端，這個高動態範圍視訊串流的動態範圍與影像感測器所擷取之影像串流的動態範圍相等。再者，本發明所提供的影像處理方案可實現影像訊號處理器導引的視訊系統或是品質感知端到端視訊系統，其可從影像處理器端將元資料輸出至顯示器端，以供後續影像處理使用。
以下發明內容提供了多種實施方式或例示，其能用以實現本發明的不同特徵。下文所述之元件與配置的具體例子係用以簡化本發明內容。當可想見，這些敘述僅為例示，其本意並非用於限制本發明。舉例來說，本發明內容可能會在多個例示中重複使用元件符號和/或標號。此種重複使用乃是基於簡潔與清楚的目的，且其本身不代表所討論的不同實施例及/或組態之間的關係。
此外，若將一元件描述為與另一元件「連接(connected to)」或「耦接(coupled to)」，則兩者可直接連接或耦接，或兩者之間可能出現其他中間(intervening)元件。
視訊影像的預處理（pre-processing）可包含對線性光RGB成分及/或亮度（luminance）成分進行一維的色彩成分轉換（one-dimensional color component transform）。這些轉換通常藉由模擬人眼視覺來優化針對所擷取的光資訊而進行的量化處理，其中一種轉換是稱為「光電轉換函數」（opto-electrical transfer function，OETF）的校正函數。影像訊號處理器（image signal processor，ISP）可採用光電轉換函數來校正輸入影像資料，以供進一步的影像處理，諸如降噪（noise reduction）或影像銳利化（image sharpening）。舉例來說，在用來產生標準動態範圍（standard dynamic range，SDR）影像的ISP管線（pipeline）中，ISP可採用支援SDR內容的光電轉換函數來校正輸入影像資料，接著可對校正後的影像資料進行影像強化處理（image enhancement），進而產生SDR影像。相似地，在用來產生HDR影像的ISP管線中，ISP會採用支援HDR內容的光電轉換函數來校正輸入影像資料。然而，用來處理HDR內容的光電轉換函數在低亮度範圍具有較陡的斜率，因此，對校正後的影像資料進行影像強化處理將導致HDR影像中出現失真假影，例如邊緣過衝（edge overshoot）及/或暗區雜訊。對於端到端（end-to-end）HDR系統來說，需對HDR影像進行後處理以減少失真假影。
本發明提供了多個例示性的產生HDR影像資料的方法。這些方法能夠對具有寬廣動態範圍的影像資料進行影像強化處理，而不會（或幾乎不會）造成處理後的影像資料出現失真假影，再將影像強化處理後的HDR影像資料輸出至顯示器端（display end）。此外，這些方法能夠將HDR影像資料的動態範圍維持在與影像感測器（image sensor）所接收之輸入影像資料同等的動態範圍。應注意到，本文所使用的詞彙「影像資料」可以是靜態影像資料，或是視訊串流的幀資料（frame data）。本發明另提供多個例示性的影像處理系統。這些影像處理系統可用來實現品質感知端到端視訊系統（quality-aware end-to-end video system），其涵蓋了ISP端（ISP end）與顯示器端。本發明的影像處理系統位於ISP端，用以提供元資料（metadata）給顯示器端，而這個元資料可包含色調映射參數（tone mapping parameter）及/或影像強化參數（image enhancement parameter）。顯示器端可基於這個元資料來呈現高品質的HDR視訊內容。進一步的說明如下。
圖1是根據本發明某些實施例之視訊系統的示意圖。視訊系統100可實施為品質感知端到端HDR視訊系統，其可支援視訊預覽、視訊錄製及/或視訊播放。視訊系統100可包含ISP端11及顯示器端13。在某些實施例中，ISP端11與顯示器端13可整合在一電子裝置（例如智慧型手機）之中。位於顯示器端13的顯示裝置13可設置在這個電子裝置中。在某些實施例中，ISP端11與顯示器端13可位於兩個不同的電子裝置中，例如，ISP端11係位於一智慧型手機中，而顯示裝置13則是在該智慧型手機之外。
ISP端11可將編碼視訊串流VS1輸出至顯示器端13。編碼視訊串流VS1可包含元資料MD，其包括了表示影像/視訊品質的參數。顯示器端13可接收編碼視訊串流VS1以得知視訊品質，並可基於編碼視訊串流VS1顯示視訊內容。
舉例來說，在ISP端11，影像處理系統110用以處理影像感測器120所擷取之輸入影像資料IMG 0，據以產生編碼視訊串流VS1。影像處理系統110可包含影像訊號處理器112、記憶體114以及視訊編碼器116。影像訊號處理器112用以處理輸入影像資料IMG 0，以產生輸出影像資料IMG D。輸出影像資料IMG D與輸入影像資料IMG 0可具有相同（或實質上相同）的動態範圍。記憶體114耦接於影像訊號處理器112，用以儲存輸出影像資料IMG D。記憶體114的實施例可以是動態隨機存取記憶體（dynamic random access memory，DRAM）、快閃記憶體（flash memory）或其他類型的儲存元件。視訊編碼器116耦接於影像訊號處理器112，用以對輸出影像資料IMG D進行編碼，以產生編碼視訊串流VS1。此外，影像訊號處理器112可用來產生元資料MD，其包含表示影像/視訊品質的參數，例如色調映射參數及/或影像強化參數。視訊編碼器116可將元資料MD與輸出影像資料IMG D一同編碼，以產生編碼視訊串流VS1。舉例來說（但本發明不限於此），元資料MD可嵌入在編碼視訊串流VS1的標頭（header）。
在顯示器端13的顯示裝置130包含了處理電路132以及顯示器136。處理電路132之中的視訊解碼器134可對編碼視訊串流VS1進行解碼，以產生解碼視訊串流VS2。顯示器136可基於解碼視訊串流VS2顯示HDR內容。於此實施例中，在顯示器端13的顯示管線（display pipeline）可根據編碼視訊串流VS1之中的元資料MD來做進一步的處理。舉例來說，視訊解碼器134可從編碼視訊串流VS1中汲取元資料MD。基於所汲取的元資料MD及顯示器136的動態範圍，處理電路132可對所接收的影像資料適應性地執行色調映射。
在某些實施例中，影像訊號處理器112可對第一影像資料進行影像強化處理。第一影像資料是經由支援第一動態範圍的光電轉換函數f1而產生的，並以具有第一色域的第一色彩空間來表示。此外，基於支援第二動態範圍（其比第一動態範圍更為寬廣）的光電轉換函數f2，影像訊號處理器112可將經過影像強化處理的影像資料轉換為第二影像資料。第二影像資料係以具有第二色域（其比第一色域更為寬廣）的第二色彩空間來表示。舉例來說，光電轉換函數f1是支援SDR內容的光電轉換函數（可稱為SDR OETF），且第一色彩空間是SDR裝置能夠支援的色彩空間；光電轉換函數f2是支援HDR內容的光電轉換函數（可稱為HDR OETF），且第二色彩空間是HDR標準所採用的色彩空間。影像訊號處理器112可根據第二影像資料（其與HDR標準相容）來產生輸出影像資料IMG D。由於是對利用SDR OETF而產生的第一影像資料來進行影像強化處理，影像訊號處理器112所產生HDR影像不會形成失真假影。
圖2是根據本發明某些實施例之光電轉換函數f1與f2(如圖1所示)的示意圖。圖2另繪示了光電轉換函數的反函數，其也稱為「電光轉換函數」（electro-optical transfer function，EOTF）。光電轉換函數f_2020與電光轉換函數invf_2020是由ITU-R BT.2020標準所定義，光電轉換函數f_2020是SDR光電轉換函數；光電轉換函數f_hlg與電光轉換函數invf_hlg是ITU-R BT.2100所規範的標準，光電轉換函數f_hlg是混合對數伽瑪轉換函數（hybrid log-gamma (HLG) transfer function），其為與SDR內容的轉換函數向下相容的HDR光電轉換函數；光電轉換函數f_hdr10與電光轉換函數invf_hdr10是由SMPTE ST.2084 標準所定義，光電轉換函數f_hdr10是感知量化轉換函數（perceptual quantizer (PQ) transfer function），其為HDR光電轉換函數，且在低亮度範圍下具有比光電轉換函數f_hlg還陡的斜率。舉例來說（但本發明不限於此），光電轉換函數f_2020可用來實施圖1所示的光電轉換函數f1，而光電轉換函數f_hlg或光電轉換函數f_hdr10可用來實施圖1所示的光電轉換函數f2。然而，這並非用來限制本發明的範圍。在某些實施例中，只要光電轉換函數f2可支援的動態範圍比光電轉換函數f1可支援的動態範圍來得更加寬廣，便可採用其他光電轉換函數來實施圖1所示的光電轉換函數f1與f2，而不會悖離本發明的範圍。
圖3是根據本發明某些實施例之位於ISP端11(如圖1所示)的ISP管線的實施方式的示意圖。ISP管線302可利用圖1所示的影像訊號處理器112來實現，例如，圖1所示的影像訊號處理器112可包含硬體元件（諸如專用的電路）以便執行ISP管線302中不同的階段/區塊；又例如，圖1所示的影像訊號處理器112可包含軟體元件（諸如可儲存電腦程式碼的非揮發性電腦可讀媒體）以便執行ISP管線302中不同的階段/區塊；又例如，圖1所示的影像訊號處理器112可包含硬體元件與軟體元件的組合，以便執行ISP管線302中不同的階段/區塊。
ISP管線302可利用圖1所示的光電轉換函數f1與f2來產生HDR視訊內容，而不會引入失真假影至所產生的HDR視訊內容中。為方便說明，ISP管線302所使用的光電轉換函數f1與f2分別由圖2所示的光電轉換函數f_2020與f_hdr10來實施。所屬技術領域中具有通常知識者應可瞭解，只要光電轉換函數f2所支援的動態範圍比光電轉換函數f1所支援的動態範圍來得更加寬廣，其他光電轉換函數也可作為光電轉換函數f1與f2，而不會悖離本發明的範圍。
於此實施例中，基於支援動態範圍DR1的光電轉換函數f1，ISP管線302的階段310可將輸入影像資料IMG 0轉換為影像資料IMG 1。輸入影像資料IMG 0可以是圖1所示的影像感測器120擷取的原始影像資料（raw image data），影像資料IMG 1（以色彩空間CS1表現）則可用於將擷取的原始影像資料重現在顯示器136。動態範圍DR1可以是標準動態範圍，光電轉換函數f1可以是SDR光電轉換函數，例如圖2所示的光電轉換函數f_2020。此外，色彩空間CS1具有的色域為SDR顯示器所支援。舉例來說，色彩空間CS1可以是P3色彩空間（亦即，DCI-P3或Display P3色彩空間），其具有寬色域SDR顯示器支援的色域。
階段310可包含處理區塊311與光電轉換函數區塊（OETF block）318。處理區塊311用以將輸入影像資料IMG 0轉換成色彩空間CS1中的影像資料IMG Z。處理區塊311包含（但不限於）色調映射（tone mapping，TM）區塊312、去馬賽克（demosaicing，DM）區塊314以及色彩校正矩陣（color correction matrix，CCM）區塊316。色調映射區塊312可對輸入影像資料IMG 0進行色調映射處理（諸如區域色調映射（local tone mapping，LTM）），以壓縮輸入影像資料IMG 0之像素值的範圍。舉例來說，輸入影像資料IMG 0可以是每像素20位元長度/深度，而色調映射區塊312所產生的經色調映射處理的影像資料（即影像資料IMG C）可以是每像素14位元長度/深度。此外，去馬賽克區塊314可執行影像資料IMG C的去馬賽克操作，從而得到全彩的影像資料IMG M。色彩校正矩陣區塊316可藉由色域映射（gamut mapping）來對影像資料IMG M進行色彩校正，進而產生色彩空間CS1中的影像資料IMG Z。光電轉換函數區塊318用以將光電轉換函數f1應用至影像資料IMG Z，以產生具有標準動態範圍之影像資料IMG 1。
階段320用來對影像資料IMG 1進行影像強化處理，以產生經強化處理後的影像資料IMG 2。影像強化處理可包含降噪（noise reduction）、影像銳利化（image sharpening）兩者之一或者兩者兼具。也就是說，階段320可對影像資料IMG 1執行降噪處理和/或影像銳利化處理。應注意到，階段320所進行的影像強化處理可包含其他操作（例如對比度增強（contrast enhancement）），而不會悖離本發明的範圍。
階段320包含（但不限於）色彩空間轉換（color space conversion，CSC）區塊322、降噪（NR）區塊324以及影像銳利化區塊326。色彩空間轉換區塊322可將影像資料IMG 1從一色彩定義域（color domain）轉換至另一色彩定義域，以產生影像資料IMG 1S。在圖3所示的實施例中，色彩空間轉換區塊322可將影像資料IMG 1從RGB色彩定義域轉換至YUV色彩定義域。影像資料IMG 1S（即，YUV色彩定義域中的影像資料IMG 1）將依序由降噪區塊324及影像銳利化區塊326對其進行相關的影像處理。
階段330用以將影像資料IMG 2轉換為具有動態範圍DR2（其比動態範圍DR1更寬廣）的影像資料IMG H。影像資料IMG H可以是HDR影像資料，也就是說，動態範圍DR2可以是符合HDR標準的高動態範圍。階段330可稱為HDR控制區塊（HDR mastering block）。此外，影像資料IMG H是運用色域比色彩空間CS1的色域來得寬廣的色彩空間CS2來表現，例如，色彩空間CS2可以是HDR10標準所定義的BT.2020色彩空間。
階段330包含多個處理區塊331～333。處理區塊331用以將影像資料IMG 2轉換為色彩空間CS2中的影像資料IMG 3。於此實施例中，處理區塊331可包含色彩空間轉換區塊3311、電光轉換函數區塊3312以及色彩校正矩陣區塊3313。色彩空間轉換區塊3311可將影像資料IMG 2從YUC色彩定義域轉換至RGB色彩定義域，據以產生影像資料IMG 2S。基於電光轉換函數invf1，電光轉換函數區塊3312可將影像資料IMG 2S（即RGB色彩定義域中的影像資料IMG 2）轉換為IMG X，其以色彩空間CS1（例如P3色彩空間）來表現。電光轉換函數invf1可以是光電轉換函數區塊318所使用的光電轉換函數f1的反函數。色彩校正矩陣區塊3313可藉由色域映射來對影像資料IMG X進行色彩校正，從而產生表現在色彩空間CS2（例如BT.2020色彩空間）中的影像資料IMG 3。
處理區塊332用來對影像資料IMG 3進行動態範圍調整，以產生影像資料IMG 4。處理區塊332可用於補償損失的動態範圍，例如，影像資料IMG 4的位元深度大於影像資料IMG 3的位元深度。此外，影像資料IMG 4與影像資料IMG 0可具有相等的位元深度。
處理區塊332可包含逆色調映射（inverse tone mapping）區塊3321及亮度變換（luminance transform）區塊3322。逆色調映射區塊3321可對影像資料IMG 3進行逆色調映射，以產生位元深度大於影像資料IMG 3之位元深度的影像資料IMG Y。此外，影像資料IMG Y與輸入影像資料IMG 0可具有相等的位元深度，也就是說，逆色調映射區塊3321可恢復（或部分恢復）經過色調映射區塊312壓縮後所損失的像素值範圍。
亮度變換區塊3322可將影像資料IMG Y之各個像素的亮度值重新映射至預定亮度範圍，進而產生具有重新映射後亮度值的影像資料IMG 4，這些重新映射後的亮度值分布於上述預定亮度範圍。亮度變換區塊3322可根據使用者需求或映射準則來設定這個預定亮度範圍。舉例來說，影像資料IMG 4的最小亮度值可等同於顯示器136的預定亮度位準（brightness level）或最小亮度位準；在另一個例子中，影像資料IMG 4的最大亮度值可等同於顯示器136的預定亮度位準或最大亮度位準；在另一個例子中，顯示器136的最大與最小亮度位準可分別作為預定亮度範圍的下限與上限。
在某些實施例中，處理區塊332可將元資料MD輸出至顯示裝置，所輸出的元資料MD可包含預定亮度範圍的資訊，及/或包含用於影像強化處理的至少一個參數。舉例來說，請一併參閱圖1和圖3，從ISP端11輸出的元資料MD可包含在編碼視訊串流VS1（其輸出至顯示器端13的顯示裝置130）之中。當元資料MD包含處理區塊332所使用的預定亮度範圍的資訊時，處理電路132可基於顯示器136的動態範圍，適應性地對解碼視訊串流VS2之中的影像資料進行色調映射；當元資料MD包含階段320中所使用的降噪處理、對比度校正/強化處理及/或影像銳利化的參數時，處理電路132可根據元資料MD對解碼視訊串流VS2執行更進一步的影像強化處理。
請再次參閱圖3，處理區塊333用以將光電轉換函數f2應用至影像資料IMG 4，據以產生影像資料IMG H。光電轉換函數f2所支援的動態範圍DR2可以是高動態範圍；光電轉換函數f2可以是HDR光電轉換函數，諸如圖2所示的光電轉換函數f_hdr10。在圖3所示的實施例中，處理區塊3331可包含光電轉換函數區塊3331以及色彩空間轉換區塊3332。光電轉換函數區塊3331可將光電轉換函數f2應用至影像資料IMG 4，進而產生具有高動態範圍DR2的影像資料IMG 4S。色彩空間轉換區塊3332可將影像資料IMG 4S從RGB色彩定義域轉換至YUV色彩定義域。YUV色彩定義域中的影像資料IMG 4S可作為影像資料IMG H。
縮放區塊（scaler block）340用以將影像資料IMG H放大/縮小至與顯示器（諸如顯示器136）相匹配的尺寸，例如，縮放區塊340可對影像資料IMG H進行縮放、裁減及/或重新調整等處理，進而產生經縮放處理後的影像資料IMG S。遞色（dither）區塊350可對影像資料IMG S用遞色技術進行處理，以產生位元深度小於影像資料IMG S之位元深度的影像資料IMG D。舉例來說，影像資料IMG D可具有與HDR標準相容的8位元或10位元格式。
於運作中，處理區塊311可將輸入影像資料IMG 0轉換為P3色彩空間中的影像資料IMG Z。光電轉換函數區塊318可將SDR光電轉換函數（例如圖2所示的光電轉換函數f_2020）應用至影像資料IMG Z，進而產生伽瑪壓縮後（gamma compressed）的影像資料IMG 1。階段320可對影像資料IMG 1進行影像強化處理（包含降噪及影像銳利化）。接下來，基於電光轉換函數invf1（例如圖2所示的電光轉換函數invf_2020），處理區塊331可藉由伽瑪展開（gamma expansion）來將影像資料IMG 2轉換為影像資料IMG X。此外，處理區塊331還可將影像資料IMG X轉換為BT.2020色彩空間中的影像資料IMG 3。
接下來，處理區塊332可對影像資料IMG 3進行逆區域色調映射（inverse local tone mapping），以恢復因為處理區塊311的壓縮操作而損失的像素值範圍。舉例來說，色調映射區塊312可進行區域色調映射處理，以將輸入影像資料IMG 0的像素值從20位元深度壓縮為14位元深度，而逆色調映射區塊3321則可進行逆區域色調映射處理，以將影像資料IMG 3的位元深度由14位元恢復成20位元。此外，處理區塊332可調整絕對亮度值以提升視訊內容的整體品質。舉例來說，亮度變換區塊3322可將影像資料IMG Y的亮度值重新映射至預定亮度範圍，使影像資料IMG Y的最低場景亮度值（scene luminance value）映射至顯示器136的預定亮度位準。處理區塊333可將光電轉換函數f2（諸如圖2所示的光電轉換函數f_hdr10）應用至處理區塊332所輸出的影像資料IMG 4，進而產生HDR影像資料（即影像資料IMG H）。
再者，處理區塊332可產生元資料MD，其包含了表示影像/視訊品質的參數（例如色調映射及/或影像強化參數）。元資料MD可包括在圖1所示的編碼視訊串流VS1之中。圖1所示的顯示裝置130可接收編碼視訊串流VS1以從中感知視訊品質。
藉由本發明所提供的影像處理方案，顯示裝置所接收之視訊串流的動態範圍可等於（或實質上等於）影像感測器所擷取之影像資料的動態範圍。此外，本發明所提供的影像處理方案可產生HDR影像資料，而不會引入影像強化處理所造成的失真假影。再者，本發明所提供的影像處理方案可輸出元資料（其包括用來表示影像/視訊品質的參數），以供顯示管線中的影像處理使用。
圖4是根據本發明某些實施例的產生HDR影像資料的方法的流程圖。以上基於圖3所示之ISP管線302來描述的操作可歸納於圖4所示的流程圖。為方便說明，以下搭配圖3所示之ISP管線302來說明方法400。應注意到，圖1所示的影像訊號處理器112可採用方法400來產生HDR影像資料，而不會悖離本發明的範圍。此外，在某些實施例中，方法400可包含其他步驟。
於步驟402中，對第一色彩空間中的第一影像資料進行影像強化處理，進而產生第二影像資料。第一影像資料是藉由應用於標準動態範圍內容的第一光電轉換函數而產生。舉例來說，階段320可接收表現在色彩空間CS1（例如P3色彩空間）中的影像資料IMG 1，並可對影像資料IMG 1進行影像強化處理以產生影像資料IMG 2。影像資料IMG 1是利用光電轉換函數f1（諸如圖2所示的光電轉換函數f_2020）而產生。
在某些實施例中，可將第一光電轉換函數應用於來自影像感測器所擷取之輸入影像的影像資料，進而產生第一影像資料。舉例來說，處理區塊311可對輸入影像資料IMG 0進行色調映射與色彩校正，以產生影像資料IMG Z。光電轉換函數f1係應用於影像資料IMG Z以產生影像資料IMG 1。
於步驟404中，將第二影像資料轉換為第二色彩空間中的第三影像資料，第二色彩空間具有比第一色彩空間更加寬廣的色域。舉例來說，處理區塊331可將影像資料IMG 2轉換為表現在色彩空間CS2中的影像資料IMG 3，色彩空間CS2可以是BT.2020色彩空間，其具有比P3色彩空間寬廣的色域。
在某些實施例中，可採用電光轉換函數以將第二影像資料轉換為以第一色彩空間表現的影像資料。接下來，可使用色彩校正矩陣來修改轉換後的第二影像資料，進而產生第三影像資料。舉例來說，基於電光轉換函數invf1（其可為光電轉換函數f1的反函數 ），處理區塊331可將影像資料IMG 2轉換為影像資料IMG X。處理區塊331可藉由色調映射對影像資料IMG X進行色彩校正，進而產生以色彩空間CS2表現的影像資料IMG 3。
於步驟406，對第三影像資料進行動態範圍調整以產生第四影像資料，第四影像資料的位元深度大於第三影像資料的位元深度。舉例來說，處理區塊332可對影像資料IMG 3進行動態範圍調整以產生影像資料IMG 4。為了恢復像素值範圍，處理區塊332可增加各像素的位元深度來加大數值範圍。因此，影像資料IMG 4的位元深度大於影像資料IMG 3的位元深度。
在某些實施例中，動態範圍調整操作可包含逆色調映射與亮度值重新映射，舉例來說，處理區塊332可對影像資料IMG 3進行逆色調映射以產生影像資料IMG Y。此外，處理區塊332可將影像資料IMG Y的亮度值映射至預定亮度範圍，進而產生影像資料IMG 4。影像資料IMG 4所具有的經重新映射的亮度值會對應分布在上述預定亮度範圍。
於步驟408，基於應用於高動態範圍內容的第二光電轉換函數，將第四影像資料轉換為高動態範圍影像資料。舉例來說，基於光電轉換函數f2（其可為圖2所示的光電轉換函數f_hdr10），處理區塊333可將影像資料IMG 4轉換為影像資料IMG H。
由於所屬技術領域中具有通常知識者在閱讀上述關於圖1至圖3的段落說明之後，應可瞭解方法400的操作細節，因此，進一步的說明在此便不再贅述。
請再次參閱圖1，在某些實施例中，影像訊號處理器112可利用動態範圍解壓縮及光電轉換函數f3來產生具有高動態範圍的輸出影像資料IMG D。光電轉換函數f3可支援HDR內容，並且在低亮度範圍下呈現相對平緩的斜率。影像處理系統110輸出的編碼視訊串流VS1可具有與影像感測器120所擷取之原始影像資料實質上相等的動態範圍。
圖5是根據本發明某些實施例之位於ISP端11(如圖1所示)的ISP管線的實施方式的示意圖。ISP管線502可利用圖1所示的影像訊號處理器112來實現，例如，圖1所示的影像訊號處理器112可包含硬體元件、軟體元件，或硬體元件與軟體元件的組合，以便執行ISP管線502中不同的階段/區塊。除了設置在處理區塊311與318之間的HDR控制區塊（即處理區塊532）之外，ISP管線502的結構與圖3所示的ISP管線302的結構大致相似。
ISP管線502可利用圖1所示的光電轉換函數f3來產生HDR視訊內容，而不會造成嚴重的失真假影。舉例來說，圖2所示的光電轉換函數f_hlg可用來實現光電轉換函數f3。所屬技術領域中具有通常知識者應可瞭解，可採用其他能夠在低亮度範圍下呈現較為平緩斜率的HDR光電轉換函數來實現光電轉換函數f3，而不會悖離本發明的範圍。
於此實施例中，ISP管線502中的處理區塊311可對輸入影像資料IMG 0進行色調映射與色彩校正，以產生以色彩空間CS3（其具有與HDR內容相容的色域）表現的影像資料IMG Z。影像資料IMG Z的位元深度小於輸入影像資料IMG 0的位元深度，例如，色調映射區塊312可對輸入影像資料IMG 0進行色調映射（例如區域色調映射）以產生影像資料IMG C。去馬賽克區塊314可對影像資料IMG C進行去馬賽克的處理，進而獲得全彩的影像資料IMG M。色彩校正矩陣區塊316可藉由色域映射來對影像資料IMG M進行色彩校正，以產生表現在色彩空間CS3中的影像資料IMG Z。色彩空間CS3具有與HDR內容相容的色域，舉例來說，色彩空間CS3可以是HDR標準所支援的BT.2020色彩空間。
處理區塊532用來對影像資料IMG Z進行動態範圍調整，以產生具有高動態範圍的影像資料IMG ZS。處理區塊532所進行的動態範圍調整可包含（不限於）逆色調映射與亮度值重新映射。如此一來，影像資料IMG ZS與輸入影像資料IMG 0可具有相等的位元深度，在圖5所示的實施例中，可採用圖3所示的逆色調映射區塊3321與亮度變換區塊3322來實現處理區塊532。逆色調映射區塊3321可對影像資料IMG Z進行逆色調映射以產生影像資料IMG Y，其位元深度大於影像資料IMG Z的位元深度。亮度變換區塊3322可將影像資料IMG Y的亮度值重新映射至預定亮度範圍以產生影像資料IMG ZS，其亮度值（經重新映射後的亮度值）可對應分布在這個預定亮度範圍。在某些實施例中，處理區塊532可輸出元資料MD，其包括了上述預定亮度範圍的資訊。
光電轉換函數區塊318可基於光電轉換函數f3（諸如圖2所示的光電轉換函數f_hlg）將影像資料IMG ZS轉換為影像資料IMG 1。階段320可對影像資料IMG 1進行影像強化處理，據以產生HDR影像資料（即影像資料IMG H）。階段320所執行的影像強化處理可包含降噪處理及/或影像銳利化處理。應注意到，影像資料IMG 1是利用光電轉換函數f3而產生的，而光電轉換函數f3是在低亮度範圍下具有較為平緩的斜率的HDR光電轉換函數。因此，對影像資料IMG 1進行影像強化處理並不會導致在影像資料IMG H中出現嚴重的失真假影，也就是說，ISP管線502可產生幾乎不存在失真假影的HDR影像資料。
於運作中，處理區塊311可將輸入影像資料IMG 0轉換為BT.2020色彩空間中的影像資料IMG Z。逆色調映射區塊3321可對影像資料IMG Z進行逆區域色調映射，以恢復因為處理區塊311的壓縮操作而損失的像素值範圍。亮度變換區塊3322可調整影像資料IMG Y的亮度值，並產生影像資料IMG ZS，其具有調整後的亮度值。處理區塊332另可產生元資料MD，其包括了用來表示影像/視訊品質的參數（諸如色調映射參數及/或亮度值重新映射的資訊）。元資料MD可包括在圖1所示的編碼視訊串流VS1之中。
接下來，光電轉換函數區塊318可將光電轉換函數f3（例如圖2所示的光電轉換函數f_hlg）應用至影像資料IMG ZS，進而產生符合HDR標準的影像資料IMG 1。階段320可對影像資料IMG 1進行影像強化處理，據以產生影像資料IMG H。應注意到，處理區塊532所產生的元資料MD可包含階段320所使用的影像強化參數。
由於所屬技術領域中具有通常知識者在閱讀上述關於圖1至圖4的段落說明之後，應可瞭解ISP管線502中各階段/區塊的操作細節，相似的說明在此便不再重複。
圖6是根據本發明某些實施例的產生HDR影像資料的方法的流程圖。以上基於圖5所示之ISP管線502來描述的操作可歸納於圖6所示的流程圖。為方便說明，以下搭配圖5所示之ISP管線502來說明方法600。應注意到，圖1所示的影像訊號處理器112可採用方法600來產生HDR影像資料，而不會悖離本發明的範圍。此外，在某些實施例中，方法600可包含其他步驟。
於步驟602中，對輸入影像資料進行色調映射與色彩校正，以產生表現在色彩空間（其具有與高動態範圍內容相容的色域）中的第一影像資料，其位元深度小於輸入影像資料的位元深度。舉例來說，處理區塊311可對輸入影像資料IMG 0進行色調映射與色彩校正，以產生以HDR標準所支援的色彩空間CS3（例如BT.2020色彩空間）表現的影像資料IMG Z（其位元深度小於輸入影像資料IMG 0）。
於步驟604中，對第一影像資料進行動態範圍調整以產生第二影像資料，第二影像資料與輸入影像資料具有相等的位元深度。舉例來說，處理區塊532可對影像資料IMG Z進行動態範圍調整以產生影像資料IMG ZS。為了恢復像素值範圍，處理區塊532可增加每個像素的位元深度來加大數值範圍。因此，就每個像素而言，影像資料IMG ZS與輸入影像資料IMG 0具有相等的位元深度。
在某些實施例中，動態範圍調整操作可包含逆色調映射與亮度值重新映射。舉例來說，處理區塊532可對影像資料IMG Z進行逆色調映射以產生影像資料IMG Y。此外，處理區塊532可將影像資料IMG Y的亮度值映射至預定亮度範圍，進而產生影像資料IMG ZS。影像資料IMG ZS所具有的經重新映射的亮度值可對應分布在上述預定亮度範圍。
於步驟606中，基於支援高動態範圍內容的光電轉換函數，將第二影像資料轉換為第三影像資料。舉例來說，基於光電轉換函數f3（諸如圖2所示的光電轉換函數f_hlg），光電轉換函數區塊318可將影像資料IMG ZS轉換為影像資料IMG 1。
於步驟608中，對第三影像資料進行影像強化處理，據以產生高動態範圍影像資料。舉例來說，階段320可接收以色彩空間CS3（諸如BT.2020色彩空間）表現的影像資料IMG 1，並對影像資料IMG 1進行影像強化處理以產生影像資料IMG H。
由於所屬技術領域中具有通常知識者在閱讀上述關於圖1至圖5的段落說明之後，應可瞭解方法600的操作細節，因此，進一步的說明在此便不再贅述。
藉由本發明所提供的影像處理方案，影像訊號處理器端可產生高動態範圍影像資料，而不會（或幾乎不會）引入影像強化處理所造成的失真假影。影像訊號處理器端可將高動態範圍視訊串流提供給顯示器端，這個高動態範圍視訊串流的動態範圍與影像感測器所擷取之影像串流的動態範圍相等。再者，本發明所提供的影像處理方案可實現影像訊號處理器導引的視訊系統（ISP-guided video system）或是品質感知端到端視訊系統，其可從影像處理器端將元資料輸出至顯示器端，以供後續影像處理使用。
上文的敘述簡要地提出了本發明某些實施例之特徵，而使得本發明所屬技術領域具有通常知識者可更全面地理解本發明的多種態樣。本發明所屬技術領域具有通常知識者當可明瞭，其可輕易地利用本發明作為基礎，來設計或更動其他製程與結構，以實現與此處所述之實施方式相同的目的和/或達到相同的優點。本發明所屬技術領域具有通常知識者應當明白，這些均等的實施方式仍屬於本發明之精神與範圍，且其可進行各種變更、替代與更動，而不會悖離本發明之精神與範圍。
11:影像訊號處理器端 13:顯示器端 100:視訊系統 110:影像處理系統 112:影像訊號處理器 114:記憶體 116:視訊編碼器 120:影像感測器 130:顯示裝置 132:處理電路 134:視訊解碼器 136:顯示器 302,502:影像訊號處理器管線 310,320,330:階段 311,331,332,333,532:處理區塊 312:色調映射區塊 314:去馬賽克區塊 316,3313,3332:色彩校正矩陣區塊 318,3331:光電轉換函數區塊 322,3311:色彩空間轉換區塊 324:降噪區塊 326:影像銳利化區塊 3312:電光轉換函數區塊 3321:逆色調映射區塊 3322:亮度變換區塊 340:縮放區塊 350:遞色區塊 400,600:方法 402,404,406,408,602,604,606,608:步驟 CS1,CS2,CS3:色彩空間 DR1,DR2:動態範圍 f1,f2,f3,f_2020,f_hlg,f_hdr10:光電轉換函數 invf_2020,invf_hlg,invf_hdr10:電光轉換函數 IMG 0:輸入影像資料 IMG D:輸出影像資料 IMG 1,IMG 1S,IMG 2,IMG 2S,IMG 3,IMG 4,IMG 4S,IMG C,IMG M,IMG H,IMG S,IMG X,IMG Y,IMG Z:影像資料 MD:元資料 VS1:編碼視訊串流 VS2:解碼視訊串流
搭配附隨圖式來閱讀下文的實施方式，可清楚地理解本發明的多種態樣。應注意到，根據本領域的標準慣例，圖式中的各種特徵並不一定是按比例進行繪製的。事實上，為了能夠清楚地描述，可任意放大或縮小某些特徵的尺寸。
圖1是根據本發明某些實施例之視訊系統的示意圖。
圖2是根據本發明某些實施例之圖1所示的光電轉換函數的示意圖。
圖3是根據本發明某些實施例之位於圖1所示的影像訊號處理器端的影像訊號處理管線的實施方式的示意圖。
圖4是根據本發明某些實施例的產生高動態範圍影像資料的方法的流程圖。
圖5是根據本發明某些實施例之位於圖1所示的影像訊號處理器端的影像訊號處理管線的實施方式的示意圖。
圖6是根據本發明某些實施例的產生高動態範圍影像資料的方法的流程圖。
11:影像訊號處理器端
13:顯示器端
100:視訊系統
110:影像處理系統
112:影像訊號處理器
114:記憶體
116:視訊編碼器
120:影像感測器
130:顯示裝置
132:處理電路
134:視訊解碼器
136:顯示器
f1,f2,f3:光電轉換函數
IMG0:輸入影像資料
IMGD:輸出影像資料
MD:元資料
VS1:編碼視訊串流
VS2:解碼視訊串流

Claims (20)

  1. 一種產生一高動態範圍影像資料的方法，包含： 對一第一色彩空間中的一第一影像資料進行一影像強化處理，據以產生一第二影像資料，其中該第一影像資料係藉由應用於標準動態範圍內容的一第一光電轉換函數而產生； 將該第二影像資料轉換為一第二色彩空間中的一第三影像資料，其中該第二色彩空間的色域比該第一色彩空間的色域更寬廣； 對該第三影像資料進行動態範圍調整以產生一第四影像資料，其中該第四影像資料的位元深度大於該第三影像資料的位元深度；以及 基於應用於高動態範圍內容的一第二光電轉換函數，將該第四影像資料轉換為該高動態範圍影像資料。
  2. 如請求項1所述之方法，其中將該第二影像資料轉換為該第三影像資料的步驟包含： 基於一電光轉換函數，將該第二影像資料轉換為該第一色彩空間中的一第五影像資料；以及 藉由色域映射來對該第五影像資料進行色彩校正，進而產生該第二色彩空間中的該第三影像資料。
  3. 如請求項1所述之方法，其中對該第三影像資料進行動態範圍調整的步驟包含： 對該第三影像資料進行逆色調映射，以產生一第五影像資料；以及 將該第五影像資料之多個亮度值重新映射至一預定亮度範圍，進而產生該第四影像資料，其中該第四影像資料所具有的重新映射後的該多個亮度值分布在該預定亮度範圍。
  4. 如請求項3所述之方法，另包含： 對一輸入影像資料進行色調映射與色彩校正，以產生該第一色彩空間中的一第六影像資料，其中該輸入影像資料與該第五影像資料具有相等的位元深度；以及 將該第一光電轉換函數應用至該第六影像資料，以產生具有標準動態範圍之該第一影像資料。
  5. 如請求項3所述之方法，另包含： 將包含該預定亮度範圍之資訊的元資料輸出至顯示裝置。
  6. 如請求項1所述之方法，其中該影像強化處理包含降噪與影像銳利化兩者的至少其一。
  7. 如請求項1所述之方法，另包含： 將包含該影像強化處理所使用之至少一參數的元資料輸出至顯示裝置。
  8. 一種產生一高動態範圍影像資料的方法，包含： 對一輸入影像資料進行色調映射與色彩校正，以產生表現在一色彩空間中的一第一影像資料，其中該色彩空間具有與一高動態範圍內容相容的色域，該第一影像資料的位元深度小於該輸入影像資料的位元深度； 對該第一影像資料進行動態範圍調整以產生一第二影像資料，其中該第二影像資料與該輸入影像資料具有相等的位元深度； 基於支援該高動態範圍內容的一光電轉換函數，將該第二影像資料轉換為一第三影像資料；以及 對該第三影像資料進行一影像強化處理，據以產生該高動態範圍影像資料。
  9. 如請求項8所述之方法，其中該光電轉換函數係為混合對數伽瑪轉換函數。
  10. 如請求項8所述之方法，其中對該第一影像資料進行動態範圍調整的步驟包含： 對該第一影像資料進行逆色調映射，以產生一第四影像資料；以及 將該第四影像資料之多個亮度值重新映射至一預定亮度範圍，進而產生該第二影像資料，其中該第二影像資料所具有的重新映射後的該多個亮度值分布在該預定亮度範圍。
  11. 如請求項10所述之方法，另包含： 將包含該預定亮度範圍之資訊的元資料輸出至顯示裝置。
  12. 如請求項8所述之方法，其中該影像強化處理包含降噪與影像銳利化兩者的至少其一。
  13. 如請求項12所述之方法，另包含： 將包含該影像強化處理所使用之至少一參數的元資料輸出至顯示裝置。
  14. 一種影像處理系統，包含： 一記憶體，用以儲存一輸入影像資料所對應的一輸出影像資料，該輸入影像資料是由一影像感測器所擷取；以及 一影像訊號處理器，耦接於該記憶體，該影像訊號處理器用以執行以下操作： 基於支援一第一動態範圍的一第一光電轉換函數，將該輸入影像資料轉換為一第一色彩空間中的一第一影像資料； 對該第一影像資料進行一影像強化處理，以產生一第二影像資料； 將該第二影像資料轉換為一第二色彩空間中的一第三影像資料，其中該第二色彩空間的色域比該第一色彩空間的色域更寬廣； 對該第三影像資料進行動態範圍調整以產生一第四影像資料，其中該第四影像資料的位元深度大於該第三影像資料的位元深度；以及 將一第二光電轉換函數應用至該第四影像資料，據以產生該輸出影像資料，其中該第二光電轉換函數支援一第二動態範圍，且該第二動態範圍比該第一動態範圍更寬廣。
  15. 如請求項14所述之影像處理系統，其中該第一光電轉換函數支援標準動態範圍內容，以及該第二光電轉換函數支援高動態範圍內容。
  16. 如請求項14所述之影像處理系統，其中將該第二影像資料轉換為該第三影像資料的操作包含： 基於一電光轉換函數，將該第二影像資料轉換為該第一色彩空間中的一第五影像資料；以及 藉由色域映射來對該第五影像資料進行色彩校正，進而產生該第二色彩空間中的該第三影像資料。
  17. 如請求項14所述之影像處理系統，其中對該第三影像資料進行動態範圍調整的操作包含： 對該第三影像資料進行逆色調映射，以產生一第五影像資料；以及 將該第五影像資料之多個亮度值重新映射至一預定亮度範圍，進而產生該第四影像資料，其中該第四影像資料所具有的重新映射後的該多個亮度值分布在該預定亮度範圍。
  18. 如請求項17所述之影像處理系統，其中該第五影像資料與該輸入影像資料具有相等的位元深度。
  19. 如請求項17所述之影像處理系統，其中該影像訊號處理器另用以將包含該預定亮度範圍之資訊的元資料輸出至顯示裝置。
  20. 如請求項14所述之影像處理系統，其中該影像強化處理包含降噪與影像銳利化兩者的至少其一。
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