TW548509B - Estimation method for white-point offset of the white balance point - Google Patents

Description

548509 玖、發明說明 發明所屬之技術領域 本發明是有關於一種影像色調之校正技術。特別是關於 一種白平衡之白點偏差估計方法，適用於一彩色影像感測裝 置之白平衡校準之用。 先前技術 . 隨著影像處理與感測攝影技術的發展，以及資訊的流通 φ 方式的改變，於今的日常生活中，影像攝影裝置已是不可或 缺的資訊工具。例如實際的影像可經拍攝後，於他處日後重 新播放供觀賞。特別是當數位影像攝影技術的發展，影像以 畫素爲單位，可以由數位方式儲存與顯示。進而一些數位影 像攝影裝置，例如數位相機或數位攝影機等影像攝影裝置也 曰漸普遍。因此，彩色影像在日常生活中，是不可免除會接 觸到的資訊。 φ 對於一彩色影像，其基本上是由三原色紅R，綠G，藍 B所混合構成的。在不考慮黑體輻射的效應，如第1圖所示以 RGB色彩座標描述時，由等量的R，G，B所混合後的光構成 爲一白點。而不同的混合組成，會產生不同的顔色。至於由 白點（U，l)與暗點(〇, 〇, 〇)之沿線，則表示灰亮程度。 然而，當考慮實際影像感測器之特性時，白點就不是如 第1圖所能描述。影像感測器之特性包括例如，感測器其設 09969twf 7 548509 計的硬體，對顏色的響應（response)程度不一。又如，當感測 · 器在不同光源下，如自然光或是人工光源下，會受到色溫(color temperature)的影響，而產生不同之顏色響應。例如光源色溫 偏低至2850°K時，色調呈紅黃的趨向，而光源色溫偏高至 850G°K時，色調會呈偏藍的趨向。這些色調偏差，都會影響 到影像色彩的失真。 ‘ 因此，如何準確我到各色溫下的白點，以及估計目前的 _ 色調與白平衡點的偏差程度，進而修正顏色，將是校準色彩 ® 的重點之一‘ 〇

因此，色調理論經硏究發展後，提出多種不同的色彩座 標，針對不同特性以描述色調。常見的座標，除了 RGB座標 夕f，尙有 CYM，CYMK，HSI，HSV，YCbCr，YUV，及 YIQ 等座標，其間有固定的轉換矩陣以進行。 爲了解決白平衡的問題，習知一般採用YCbCr做色調分 析。而一般JPEG的圖像，在YCbCr之描述下，會有較佳的 籲 壓縮效果。至於在YCbCr座標下（Y:亮度 brightness . componemt，Cb:藍色因子 blue component，Cr:紅色因子 red -component)，其白點的特性在YCbCr座標上，如第2圖所示， 其白點隨色溫的變化是一曲折的曲面所描述。對於一亮度而 言，由高色溫到低色溫係爲一曲線，而不同亮度時曲線的彎 曲情形也會隨之改變，因此構成一不規則的曲面。在YCbCr* 〇9969twf 8 548509 座標中，欲以一數學式描述此白點曲面，不是一件容易的事 件。 發明內容· 有鑑於此，本發明提供一種白平衡點偏差估計方法，利 用YIQ座標的物力特性，以簡化白平衡點偏差之估計，而有 效達到不受環境色溫變化的影響。 本發明之一種白平衡點偏差估計方法，包括根據一攝影 裝置的設計條件，決定在一 YIQ色彩座標之一白點平面。其 中該白點平面之一法線方向與該YIQ色彩座標之一 YQ平面 與一 YI平面二者其一之間，相夾有一第一角度，而該法線方 向與一原始Y軸之間相夾有一第二角度。根據該第一角度與 該第二角度，，進行一座標旋轉運算而得到一旋轉後YIQ色彩 座標，其中該法線方向與該旋轉後yiq色彩座標之一旋轉後 Y軸之方向一致，如此該白點平面垂直於該旋轉後Y軸，且 有一白點Y座標値。得到在該YIQ色彩座標所描述之一 YIQ 影像資料。根據該第一角度與該第二角度，進行相同之該座 標旋轉運算，以旋轉該YIQ影像資料到該旋轉後YIQ色彩座 標，並且得到一影像Y座標値。計算該影像Y座標値與該白 點Y座標値之一差値，以估計一白點偏差。 如上述之白平衡點偏差估計方法，其中該座標旋轉運算 包括在該YIQ色彩座標之一 IQ平面上做一位移。 09969twf 9 548509 如上述之白平衡點偏差估計方法，其中更包括將在一 RGB 或是CYM色彩座標之一影像轉換成該YIQ色彩座標所描述之 YIQ影像資料。 本發明另外提出一種白平衡點偏差估計方法，包括根據 一影像感測器的特性’決定在一 YIQ色彩座標之一白點平面’ I中該白點平面有一法線方向。進行一旋轉運算’使該白點 平面之該法線方向，指向該YIQ色彩座標之其一座標軸，此 時該白點平面垂直於該座標軸，而有一白點1-維座標値。得 麥』在該YIQ色彩座標所描述之一 YIQ影像資料。進行相同之 妾亥旋轉運算，以旋轉該YIQ影像資料，並且得到一影像1-維 _丨票値。又，計算該影像1-維座標値與該白點卜維座標値之 —差値，以估計一白點偏差。其中該YIQ色彩座標之該座標 軸係一旋轉後之一 γ軸。 爲讓本發明之上述目的、特徵、和優點能更明顯易懂， 下文特舉一較佳實施例’並配合所附圖式’作詳細說明如下： 本發明的主要特徵之一係’利用YIQ座標對白平衡點的 特殊物理特性，提出一相當簡化的白平衡點估計方法。並且 可減少隨色溫變化所產生的誤差。 目面已描述白平衡點對色彩的重要性，而目前習知技術 並未能提出有效準確方法’以估計欲被校正色調’其與白平 09969twf 10 548509 衡點的偏差程度，以進行校正。其主要原因係其結果會隨色 、溫的變化，產生誤差或誤判。 本發明，經檢視多種不同的色彩空間（color space)或是色 彩座標後，發現YIQ具有一特殊物理現象，可資利用。首先， YIQ座標，其包括三個軸，代表色調的三個分量（component)， 其中Y代表亮度，I代表同相分量（In-phase component)，而Q 代表相差分量（quadrature component)。YIQ座標與RGB座標 的轉換關係如式1: (2) R G B .0 0.956 0.621 .0 -0.272 -0.647 •0 -1.106 -1.703 1 1 1

,γ I_Q

Ύ" '0.299 0.587 0.114" ~R (1) I 0.596 -0.275 -0.321 G Q 0.212 -0.523 0.311 B YIQ座標如第 所示。另外與YIQ座標類似的有YUV座標， 其差別爲沿著Y軸旋轉一特定角度，即 I = 0.74V - 0.27 U， Q = 0.48V + 0.41U。 因此’本發明以下描述的特性也可適用於YUV座標空間。然 而於此僅以YIQ座標進行描述。由所知的色彩座標有多種不 同格式’其間又固定的轉換關係。本發明係至少針對YIQ/YUV 座標所提出之方法。任何其他色彩座標，皆可轉換成YIq/YUV 座標，而後進行本發明的估計方法。 〇9969twf 11 經本發明之硏究結果發現，白點隨色溫與亮度的不同， 如第3圖中，在YIQ座標下可構成一白點平面〗00。色温係、沿 著一直線色溫軸而變化，而對於一色溫，例如T2時，白點~ 暗點會構成一白點灰線102。因此，這些白點灰線1〇2構成〜 白點平面1 0 0。此白點平面1 0 〇會有一^法線方向1 0 4，垂直方八 此白點平面100。 白點平面100或是法線方向104，在YIQ座標中會有\ 傾斜。此傾斜程度係決定於影像感測器的特性參數與操作條 件’其可由—般習知方法，例如量測來決定。本發明需要決 定白點平面100的傾斜程度，但是如何得到白點平面1〇〇之 方法不限訂於特定之某一種方法。 白點平面100之法線方向104會與YIQ座標中的三個軸 Y，I，Q個別有一夾角。要描述白點平面1〇〇之數學式有多種 變化。本發明由於發現，包括色溫效應的白點平面1〇〇,可以 用一明確的數學式在YIQ座標中表示出來。因此，當一所欲 被校正的彩色影像點，例如一畫素或是影像之一區域，在YIQ 座標中與白點平面1〇〇有—偏離距離時，就可根據距離大小 與偏離的方向’以估計校正的程度，或是用於任何校正模式 的校正。例如，根據距離給出一個權重値(weight)，以進行統 計或分析等。 本發明提出利用YIQ座標來描述色彩，因此到一白點平 09969twf 12 548509 面1 〇〇。如此，色e周之白點偏離的估計方法，可簡化成，僅 §十算此被分析之衫色點與白點平面100之間的距離即可。而 後才依據色彩校正模式，適當給予一權重値，以進行分析。 然而，上述與白點平面100的距離，係於三度空間進行計算， 其運算仍有一些複雜。本發明，於是進一步簡化提出簡化之 方法。 如前述，於第3A圖中，白點平面100有一法線方向1〇4， 其在數學的球面座標而言會有一α角度與一々角度，其中例 如取Υ軸爲所謂之Ζ軸。而一般而言，γ、I、q之任一軸皆 可當作Ζ軸。本發明弟3Α圖中的方式，僅是一^其中的選擇。 另外，如第3Β圖所示，由於Υ軸之實際物理量爲一正値。爲 了例如防止數値溢位（overflow)，白點平面1〇〇也可先在γ軸 之負方向做一平移，例如其位移d的距離。另外也可以於旋 轉後再補償。然而這些都是設計上的變化，也不會影響到對 白點平面之相對偏離距離的估計。

參考第4A-4B圖，爲使容易得知分析彩色點與白點平面 100之距離，可進行一旋轉運算，將法線方向104與Y軸方 向調爲一致旳方向。在數學上，可利用尤拉(Euler)角的旋轉方 式達成。於第4A圖中，以Y軸旋轉一α角度，此時座標由Y’l’Q’ 所描述。於第4B圖中，以Γ軸旋轉一万角度。此時座標由Y”I”Q” 所描述另外。若是必要，可再以Y”軸做一次旋轉，例如YIQ 〇9969twf 13 與YUV之間的轉換。但是，由於本發明僅需得到與白點平面 的距離即可，因此YIQ座標與YUV座標皆適用，而不絕對需 要第三次的旋轉。 經第4A-4B圖的旋轉，將法線方向104與Y”軸方向已 達到一致的方向。此時，白點平面與Y”軸垂直。參考第5圖， 白點平面100’係平行於I”Q”平面。至於白點平面100’係位於 Y”軸的d’位置500。請同時參考第3B圖，由於白點平面100’ 被預先在Y軸上位移一 d距離，經旋轉後位移d轉變成第5 圖的d’。若是，d=0則d’ =0。d’在Y”軸上代表白點平面100’ 之位置。因此，當計算在Y”I”Q”座標之一彩色點與白點平面 100’的距離時，僅取其Y”座標値與d’想比較即可。參考第6 圖，在Y”座標上，白點平面1〇〇’位於d’。而被分析校正之 彩色點可能距離白點平面100’有一位移或是Δ(12。而根 據色彩校正模式，可根據位移大小及偏離方向，適當給予一 權重値。若是不進行位移，則d’=0。 就實際的運算，以下舉一例，其中位移(offset) d設爲中 心點128。實際描述YIQ的數値範圍爲Y= [0, 255]，1=[-128, 127]，Q=[-128，127]。根據公式（1)，可得出 Y=(77R+150G+29B)/256 (3) I-(128R-59G-69B)/256 Q=(52R-128G+76B)/256 09969twf 14 548509 而後以Y軸進行第一次旋轉 Υ，= Υ-128 (4) Γ = I cos α + Q sin a Q’= -I sin a + Q cos a o 在以Q軸進行第二次旋轉，且補償偏移d=128: Y” = Y5 cos β + Γ sin β + 128 (5) Γ’ = _Υ’ sin β + Γ cos β Q，，=Q， 經旋轉後，白點偏離的距離可由一簡單運算即可得°如 此，在硬體設計上可簡化成僅需一比較器就可得到。因此’ 自動校正色彩或是色調之電路設計，可大量簡化。 因此本發明之特徵至少包括上述利用YIQ/YUV座標對白 · 平衡點的特殊物理特性，可構成一白點平面。而白點平面包 括色溫變化之效應。因此，估計白點偏離的程度，可簡化成 計算與彩色點與白點平面的距離即可。又，利用旋轉蓮算， h距離的運算轉變爲在γ”軸上1-維的運算。至少可簡化硬體 電路的設計，達到準確自動校準的功能。又，本發明也適用 於取I軸或Q軸爲Z軸，其旋轉方法相同。另外旋轉順序也 可變化。其目的僅將白點平面之法線方向與2軸方向旋轉成 09969twf 15 548509 一致即可。 綜上所述，雖然本發明已以一較佳實施例揭露如上，然 其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發 明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明 之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者爲準。 圖式簡單說明： 第1圖繪示一 RGB色彩座標； 第2圖繪示一 YCbCr色彩座標，其在YCbCr平面上的白 點隨色溫不同之變化趨勢； 第3A圖繪示依照本發明，在一 YIQ色彩座標下，所形 成的白點平面； 第3B圖繪示，於第3A圖中的白點平面，在γ軸方向進 行一位移d; 第4A-4B圖繪示依照本發明，根據白點平面的法線方向， 進行二次座標旋轉之機制； 第5圖繪示依照本發明，於座標旋轉後，白點平面在新 座標空間下的位置;以及 第6圖繪示依照本發明，旋轉後白點平面在Y軸上的情 圖式標記說明· 100，100， 白點平面 09969twf 16 548509 102 104 500 白點灰線 白點平面之法線方向 白平面之Y”値 09969twf 17

Claims (1)

1. 548509 拾、申請專利範圍 1. 一種白平衡點之白點偏差估計方法，包括： 根據一影像感測器之特性，決定在一 YIQ色彩座標之一 白點平面，其中該白點平面之一法線方向與該YIQ色彩座標 之一 YQ平面與一 YI平面二者其一之間，相夾有一第一角度， 而該法線方向與一原始Y軸之間相夾有一第二角度； 根據該第一角度與該第二角度，進行一座標旋轉運算而 得到一旋轉後YIQ色彩座標，其中該法線方向與該旋轉後YIQ 色彩座標之一旋轉後Y軸之方向一致，如此該白點平面垂直 於該旋轉後Y軸，且有一白點Y座標値； 得到在該YIQ色彩座標所描述之一 YIQ影像資料； 根據該第一角度與該第二角度，進行相同之該座標旋轉 運算，以旋轉該YIQ影像資料到該旋轉後YIQ色彩座標，並 且得到一影像Y座標値；以及 計算該影像Y座標値與該白點Y座標値之一差値，以估 計一白點偏差。 2. 如申請專利範圍第1項所述之白平衡點之白點偏差估 09969twf 方法，其中該座標旋轉運算包括在該YIQ色彩座標之γ軸 上做〜位移。 I如申請專利範圍第1項所述之白平衡點之白點偏差估 口十方法’其中於計算該影像γ座標値與該白點γ座標値之該 差値之該步驟中，又包括根據該差値以及一修正模式給出一 權重値。 4. 如申請專利範圍第丨項所述之白平衡點之白點偏差估 計方法，其中更包括將在一 RGB色彩座標之一影像轉換成該 YIQ色彩座標所描述之該YIQ影像資料。 5. 如申請專利範圍第1項所述之白平衡點之白點偏差估 計方法，其中更包括將在一 YCM色彩座標之一影像轉換成該 YIQ色彩座標所描述之該YIQ影像資料。 6. 如申請專利範圍第1項所述之白平衡點之白點偏差估 計方法，其中更包括將在一色彩座標之一影像轉換成該YIQ 色彩座標所描述之該YIQ影像資料。 7. —種白平衡點之白點偏差估計方法，包括： 根據一影像感測器之特性’決定在一 YIQ色彩座標之一 白點平面，其中該白點平面係由對應於一連續色溫軸之白點 所構成的，而該白點平面可由一固定的平面方程式所描述； 得到在該YIQ色彩座標所描述之一 YIQ影像資料’其中 可包括一色彩座標轉換’以於一色彩座標將一影像資料轉換 09969twf 18 548509 成該YIQ影像資料，而得到一 YIQ座標値；以及 計算該YIQ座標値與該白點平面之一距離，以估計一白 點偏差。 8. 如申請專利範圍第7項所述之白平衡點之白點偏差估 計方法，其中該色彩座標轉換包括將在一 RGB色彩座標轉換 成該YIQ色彩座標。 9. 如申請專利範圍第7項所述之白平衡點之白點偏差估 計方法，其中該色彩座標轉換包括將在一 YCM色彩座標轉換 成該YIQ色彩座標。 10. 如申請專利範圍第7項所述之白平衡點之白點偏差 估計方法，其中更包括根據與該白點平面之該距離以及一修 正模式給出一權重値。 11. 一種白平衡點之白點偏差估計方法，包括： 根據一影像感測器之特性，決定在一 YIQ/YUV色彩座標 之一白點平面，其中該白點平面有一法線方向； 進行一旋轉運算，使該白點平面之該法線方向，指向該 YIQ/YUV色彩座標之其一座標軸，此時該白點平面垂直於該 座標軸，而有一白點1-維座標値； 得到在該YIQ/YUV色彩座標所描述之一 YIQ/YUV影像 資料； 進行相同之該旋轉運算，以旋轉該YIQ/YUV影像資料， 09969twf 19 548509 並且得到一影像1-維座標値；以及 計算該影像1-維座標値與該白點1-維座標値之一差値， 以估計一白點偏差。 12. 如申請專利範圍第11項所述之白平衡點之白點偏差 估計方法，其中更包括將在一 RGB色彩座標之一影像轉換成 該YIQ色彩座標所描述之該YIQ/YUV影像資料。 13. 如申請專利範圍第11項所述之白平衡點之白點偏差 估計方法，其中更包括將在一 YCM色彩座標之一影像轉換成 該YIQ色彩座標所描述之該YIQ/YUV影像資料。 09969twf 20