TWI401973B - A Method to Improve the Color Shadow in Digital Image - Google Patents

Description

改善數位影像中色影的補償方法

本發明係關於一種影像處理技術，特別是一種有關改善數位影像中色影現象的補償方法。

傳統的數位攝像裝置擷取數位影像時，數位攝像裝置將反射光解析成三原色光，即紅色(R)、綠色(G)及藍色(B)，並將此三原色光導引至光電轉換器，例如電荷耦合裝置(charge-coupled device，CCD)轉換成此三原色光的類比訊號。此三原色光的類比訊號經類比數位轉換器轉換成數位訊號以輸出。

上述的數位攝像裝置中，當我們在均勻亮度環境下利用數位攝像裝置拍攝均勻色塊時，時常會發現數位影像的周圍亮度比數位影像中心的亮度較暗，這個現象即為色影(Color Shading)現象。產生這個現象最主要的原因是因為光線經折射後，能量上的衰減所導致。光線經過鏡片會產生折射將影像呈現於CCD上，經過鏡片邊緣的光線所產生的折射角會較經過鏡片中心的光線所產生的折射角大，因此在周圍的能量較中心的能量衰減較多，造成了數位影像的邊緣會較暗而產生色影現象。

為解決色影現象，習知技術中提出可在一均勻亮度環境下拍攝一均勻色塊，接著將此張影像分割成例如為M×N個之區塊，並算出每個區塊的亮度平均值，再找尋出這些區塊中亮度平均值最大的區塊。將此區塊的像素平均值當作整張影像在無光線衰減情況下應有的亮度平均值，而其他區塊的衰減率可由此最大亮度平均值與本身區塊的亮度平均值算出。前述最大像素平均值除以各區塊的像素平均值即可得到各區塊分別對應之補償係數，因此在拍攝得到的影像的像素與此組補償係數做相乘即可將因色影現象所衰減的能量做補償。

上述方法雖可解決色影現象之問題，然而將影像切割為M×N塊後各區塊之補償係數係形成一曲線函數，以目前例如相機等之影像擷取裝置其記憶體尚有限，要滿足該曲線函數必須耗費許多時間。

為了節省以及解決色影現象所耗費的記憶體，另外提出一種新的方式：首先在一均勻亮度環境下利用拍攝一均勻色塊，將此影像在水平方向切成M個區塊，接著找尋這些區塊中亮度平均值最大的區塊，將像素平均值最大的區塊的亮度平均值當作整張影像在沒有光線衰減情況下應當有的水平像素平均值。而將最大亮度平均值除以個別區塊的亮度平均值，即可得到實際所需之複數水平補償係數。然而為了減少所需之記憶體，可將均勻色塊最邊緣之區塊之補償係數設為一基準係數，並由該基準係數往像素平均值最大的區塊作線性內插而得複數個差值係數，其中該基準係數及該些差值係數所構成之線性函數可代替原本之諸水平補償係數所構成之曲線。接著將此影像在垂直方向切成N個區塊，找尋出這些區塊中亮度平均值最大的區塊，將此區塊的亮度平均值當作整張影像在沒有光線衰減情況下應當有的垂直亮度平均值，將最大像素平均值除以本身區塊的亮度平均值即可得到補償係數。將水平方向與垂直方向的補償係數相乘，即可得整張影像的補償係數。因此在拍攝得到的影像之像素與此組補償係數做相乘即可將衰減的能量做補償。

雖然上述方式可有效的節省補償色影現象所需之記憶體，然而由於水平方向之能量衰減並非一線性變化，而是越往邊緣衰減之速度越快，因此若用一線性函數取代原本之水平補償曲線，將會造成過度補償之情形。

因此，如何提出一種新的影像處理技術以解決習知技術之缺點，乃成為現今亟待解決之課題。

鑒於以上習知技術的問題，本發明之一目的係提供一種可減少數位影像中色影現象之改善數位影像中色影的補償方法。

本發明之次一目的係提供一種改善數位影像中色影的補償方法，俾以節省記憶體之方式減少數位影像中之色影現象。

本發明之又一目的係提供一種改善數位影像中色影的補償方法，俾準確地補償數位影像中之色影現象，以避免產生過度補償之缺失。

為達上揭及其他目的，本發明所揭露一種改善數位影像中色影的補償方法，用以校正數位影像中的色影現象導致數位影像中各區域間的亮度差異，補償方法包括：提供一均勻的色塊，並擷取色塊的色塊影像；將色塊影像的水平方向切割成複數個水平區塊，並計算該些水平區塊分別相應的各水平補償係數；執行內插程序，係對該些水平補償係數進行線性內插，而產生有複數之水平內插係數；由該些水平內插係數找出各別對應之同水平區塊之水平補償係數，將各該水平內插係數除以各對應之水平補償係數而求得有複數之水平校正係數；依據該些水平校正係數與分別對應之水平內插係數的乘積求得有複數之決定水平校正係數，藉由任兩相鄰之決定水平校正係數之線性內插以求出所有水平區塊所分別對應之決定水平校正係數；將該色塊影像的垂直方向切割成複數個垂直區塊，並計算該些垂直區塊分別相應的各垂直補償係數；將該些決定水平校正係數與該些垂直補償係數一一相乘以求得該色塊影像各區塊分別之色影補償係數；以及將該色塊影像各區塊之亮度平均值與分別對應之色影補償係數相乘，俾對該色塊影像作色影現象之補償。

根據本發明所提供的之改善數位影像中色影的補償方法，依據最後計算得的色影補償係數可補償數位影像的色影現象，以減少由數位影像周圍光線的能量衰減。

其中，上述色塊影像包括綠色像素、紅色像素與藍色像素。另外，計算該些水平區塊分別相應的各水平補償係數的步驟可包括：計算每一個水平區塊所對應的水平亮度平均值；從水平區塊所對應的水平亮度平均值中，選取最大的亮度平均值並將其定義為水平亮度基準值；將水平亮度基準值除以水平亮度平均值，用以產生水平補償係數。

此外，計算該些垂直區塊分別相應的各垂直補償係數的步驟可包括：計算每一個垂直區塊所對應的垂直亮度平均值；從垂直區塊所對應的垂直亮度平均值中，選取最大的亮度平均值並將其定義為垂直亮度基準值；將垂直亮度基準值除以垂直亮度平均值，用以產生垂直補償係數。

由於色影現象係由色塊影像之中央往兩側產生亮度衰減，因此計算水平內插係數的步驟主要包括計算兩斜率對稱之線性線段，以下係以計算其中一者進行說明。計算水平內插係數的步驟可包括：由最邊緣之水平區塊所具之水平補償係數當作一個基準係數；由基準係數作為一起始值往水平亮度平均值最高之水平區塊所具水平補償係數每相隔數個水平區塊作內插，而得到複數個差值係數，因此一線性線段之水平內插係數可包含有一個基準係數及數個差值係數。

上述決定水平校正係數實際上係重疊於部分之水平補償係數，而各該決定水平校正係數係可連成複數之線性線段，因此其他水平區塊之決定水平校正係數則可藉由任兩相鄰之決定水平校正係數進行內插而求得。

相較於習知技術中將色塊影像切割為M×N塊並一一計算各別補償係數所造成耗費大量之記憶體，本發明之改善數位影像中色影的補償方法係以經修正過後之水平內插係數得到複數之決定水平內插係數，再以既有之決定水平內插係數以內插方式求得其他水平區塊之決定水平內插係數，由於大部分決定水平內插係數係以線性內插方式求得，因此可較習知技術節省大量之記憶體。

又，相較於習知技術中利用線性內插求取水平補償係數所造成之過補現象，本發明之改善數位影像中色影的補償方法，係以理想之水平補償係數修正水平內插係數後得到複數之決定水平內插係數，而該些決定水平內插係數所構成之複數線性線段可較習知技術中之單一線性線段大為貼近理想之水平補償係數曲線，因此可較習知技術更為準確地補償色塊影像之色影現象，以避免產生如習知技術般之過度補償缺失。

由上可知，本發明之改善數位影像中色影的補償方法可解決習知技術之缺點，實具有促進產業之功。

有關本發明的特徵與實作，茲配合圖示作最佳實施例詳細說明如下。

根據本發明之改善數位影像中色影的補償方法，係應用於具有影像擷取功能的電子裝置。本方法可透過軟體或韌體程式內建於電子裝置之儲存裝置中，再由電子裝置的處理器執行內建的軟體或韌體程式搭配影像擷取功能來實現根據本發明之改善數位影像中色影的補償方法。於此，電子裝置可為具影像擷取功能的電腦(Computer)、具影像擷取功能的行動電話(Mobile Phone)、或具影像擷取功能的個人數位助理(Personal Digital Assistant，PDA)等，但不僅侷限於上述之電子裝置。

請參考「第1圖」所示，其係為依據本發明的一實施例之流程圖。本發明之流程包括以下步驟：

S100、利用前述之該些電子裝置之其中一者對一均勻的色塊進行影像擷取，以取得色塊影像；

S200、將該色塊影像的水平方向切割成m個水平區塊，並計算m個水平區塊相應的m個水平補償係數；

S300、執行內插程序，對m個水平補償係數進行線性內插計算，用以產生一組數量有k個之水平內插係數；

S400、由k個之水平內插係數找出各別對應之同水平區塊之水平補償係數，將各水平內插係數除以對應之水平補償係數而求得一組水平校正係數；

S500、依據求得水平校正係數與分別對應之水平內插係數的乘積求得決定水平校正係數，藉由任兩相鄰之決定水平校正係數之線性內插以求出所有水平區塊所分別對應之決定水平校正係數；

S600、將該色塊影像的垂直方向切割成n個垂直區塊，並計算n個垂直區塊相應的n個垂直補償係數；

S700、將決定水平校正係數與n個垂直補償係數一一相乘以求得該色塊影像各區塊分別所具之色影補償係數；以及

S800、將色塊影像各區塊之亮度平均值與分別對應之色影補償係數相乘，並對該色塊影像作色影現象之補償。

於此，上述水平區塊係為：{H₁ ，H₂ ，...，H_i ，...，H_m-1 ，H_m }，水平補償係數係為：{FH₁ ，FH₂ ，...，FH_i ，...，FH_m-1 ，FH_m }。其中，m係為色塊影像的水平區塊總數、H_i 係為色塊影像的第i個水平區塊、FH_i 係為第i個水平區塊的水平補償係數，其中i係為正整數。

另外，上述色塊影像可為綠色像素、紅色像素與藍色像素。

此外，請參考「第2圖」所示，其係為依據本發明的一實施例之水平補償係數計算流程圖。對於步驟S200，可包括以下實施步驟：

S210、計算m個水平區塊中每一個水平區塊所對應的水平亮度平均值；

S220、從m個水平區塊所對應的m個水平亮度平均值中，選取最大的亮度平均值並將其定義為水平亮度基準值；以及

S230、將水平亮度基準值分別除以m個水平亮度平均值，用以產生m個水平補償係數。

於此，上述水平區塊所對應的水平亮度平均值可利用下式所計算得：，其中,係為第i個水平區塊的水平亮度平均值、p係為第i個水平區塊之像素總數、x係為第i個水平區塊的第x個像素、H _{i ( χ )} 係為第i個水平區塊的第x個像素的亮度值、且i、p與x係為正整數。

另外，上述水平補償係數可利用下式所計算得：，其中，FH _i 係為第i個水平區塊的水平補償係數、係為第i個水平區塊的水平亮度平均值、係為水平亮度基準值、且i係為正整數。

此外，步驟S300中所述之水平內插係數係為：{FI₁ ，FI₂ ，...，FI_j ，...，FI_k-1 ，FI_k }。其中，FI_j 係為第j個水平內插係數，j係為正整數，k係為水平內插係數的總數。上述色影現象係由色塊影像之中央往兩側產生亮度衰減，因此計算水平內插係數的步驟主要包括計算兩斜率對稱之線性線段，以下係以計算其中一者進行說明。請參考「第3圖」所示，其係為依據本發明的一實施例之水平內插係數計算流程圖。計算水平內插係數的步驟可包括以下步驟：

S310、由最邊緣之水平區塊所具之水平補償係數當作一個基準係數；

S320、由基準係數作為一起始值，往水平亮度平均值最高之水平區塊所具水平補償係數，每相隔數個水平區塊作內插；以及

S330、依據內插之結果計算得到複數個差值係數。

因此一線性線段之水平內插係數可包含有一個基準係數及數個差值係數。FI_j 的計算公式如下：

,...,其中，D係為正整數。

此外，請參考「第4圖」所示，其係為依據本發明的一實施例之水平校正係數計算流程圖。在此為方便說明，假設由色塊影像的m個水平區塊中，選擇影像兩端各32個水平區塊進行說明。於此雖是描述32個水平區塊，但可依據實際情況調整區塊數量。對於步驟S400，可包括以下實施步驟：

S410、由色塊影像的m個水平區塊中，分別選擇兩端的32個水平區塊；以及

S420、以水平標準係數對前述選擇的64個水平區塊所對應水平內插係數進行校正，以產生64個水平區塊所對應水平校正係數。

於此，上述選擇的64個水平區塊係為：{H₁ ，H₂ ，...，H₃₁ ，H₃₂ ，H_m-31 ，H_m-30 ，...，H_m-1 ，H_m }，水平校正係數FC係為：{FC₁ ，FC₂ ，...，FC₃₁ ，FC_m-31 ，FC_m-30 ，...，FC_m-1 ，FC_m }，其中，{H₁ ，H₂ ，...，H₃₁ ，H₃₂ }係為色塊影像的m個水平區塊中一端的32個水平區塊、{H_m-31 ，H_m-30 ，...，H_m-1 ，H_m }係為色塊影像的m個水平區塊中另一端的32個水平區塊。水平校正係數FC的計算公式如下：

，其中，D係為正整數。

此外，上述垂直區塊係為：{V₁ ，V₂ ，...，V_j ，...，V_n-1 ，V_n }，垂直補償係數係為：{FV₁ ，FV₂ ，...，FV_j ，...，FV_n-1 ，FV_n }。其中，n係為色塊影像的垂直區塊總數、V_j 係為色塊影像的第j個垂直區塊、FV_j 係為第j個垂直區塊的垂直補償係數，其中j係為正整數。

另外，上述垂直補償係數可利用下式所計算得：，其中，FV _j 係為第j個垂直區塊的垂直補償係數、係為第j個垂直區塊的垂直亮度平均值、係為垂直亮度基準值、且j係為正整數。

此外，上述決定水平校正係數實際上係重疊於部分之水平補償係數，而各該決定水平校正係數係可連成複數之線性線段，因此其他水平區塊之決定水平校正係數則可藉由任兩相鄰之決定水平校正係數進行內插而求得。

另外，請參考「第5圖」所示，其係為依據本發明的一實施例之垂直補償係數計算流程圖。對於步驟S600，可包括以下實施步驟：

S610、計算n個垂直區塊中每一個垂直區塊所對應的垂直亮度平均值；

S620、從n個垂直區塊所對應的n個垂直亮度平均值中，選取最大的亮度平均值並將其定義為垂直亮度基準值；以及

S630、將垂直亮度基準值分別除以n個垂直亮度平均值，用以產生n個垂直補償係數。

於此，上述垂直區塊所對應的垂直亮度平均值可利用下式所計算得：，其中,係為第j個垂直區塊的垂直亮度平均值、q係為第j個垂直區塊之像素總數、y係為第j個垂直區塊的第y個像素、V _{j ( y )} 係為第j個垂直區塊的第y個像素的亮度值、且j、q與y係為正整數。

另外，步驟S700中所述之色塊影像的各區域的色影補償區塊係為：{H₁ V₁ ，H₂ V₁ ，...，H_i V₁ ，...，H_m-1 V₁ ，H_m V₁ ，H₁ V₂ ，H₂ V₂ ，...，H_i V₂ ，...，H_m-1 V₂ ，H_m V₂ ，...，H₁ V_j ，H₂ V_j ，...，H_i V_j ，...，H_m-1 V_j ，H_m V_j ，...，H₁ V_n ，H₂ V_n ，...，H_i V_n ，...，H_m-1 V_n ，H_m V_n }，各區域的色影補償係數係為：{FH₁ V₁ ，FH₂ V₁ ，...，FH_i V₁ ，...，FH_m-1 V₁ ，FH_m V₁ ，FH₁ V₂ ，FH₂ V₂ ，...，FH_i V₂ ，...，FH_m-1 V₂ ，FH_m V₂ ，...，FH₁ V_j ，FH₂ V_j ，...，FH_i V_j ，...，FH_m-1 V_j ，FH_m V_j ，...，FH₁ V_n ，FH₂ V_n ，...，FH_i V_n ，...，FH_m-1 V_n ，FH_m V_n }。其中，m係為色塊影像的水平區塊總數、n係為色塊影像的垂直區塊總數、H_i V_j 係為色塊影像的第i個水平第j個垂直區塊、FH_i V_j 係為第i個水平第j個垂直區塊的色影補償係數，其中m、n、i與j係為正整數。

其中，上述各區域的色影補償係數計算公式如下：

FH₁ V₁ =FI₁ ×FV₁ ×FC₁ ,FH₂ V₁ =(FI₁ +FI₂ )×FV₁ ×FC₂ ,

FH₃ V₁ =(FI₁ +2×FI₂ )×FV₁ ×FC₃ ,...,FH_1+D V₁ =(FI₁ +D×FI₂ )×FV₁ ×FC_1+D ,

FH_1+D+1 V₁ =(FI₁ +D×FI₂ +FI₃ )×FV₁ ×FC_1+D+1 ,...,

FH₁ V_j =FI₁ ×FV_j ×FC₁ ,FH₂ V_j =(FI₁ +FI₂ )×FV_j ×FC₂ ,

FH₃ V_j =(FI₁ +2×FI₂ )×FV_j ×FC₃ ,...，FH_1+D V_j =(FI₁ +D×FI₂ )×FV_j ×FC_1+D ,

FH_1+D+1 V_j =(FI₁ +D×FI₂ +FI₃ )×FV_j ×FC_1+D+1 ,...,

，其中，D與j係為正整數。

由上可知，本發明之改善數位影像中色影的補償方法可解決習知技術之缺點，因此可較習知技術節省大量之記憶體，且更為準確地補償色塊影像之色影現象，以避免產生如習知技術般之過度補償缺失。

雖然本發明以前述之較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習相像技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。

第1圖係為依據本發明的一實施例之流程圖。

第2圖係為依據本發明的一實施例之水平補償係數計算流程圖。

第3圖係為依據本發明的一實施例之水平內插係數計算流程圖。

第4圖係為依據本發明的一實施例之水平校正係數計算流程圖。

第5圖係為依據本發明的一實施例之垂直補償係數計算流程圖。

Claims (6)

1. 一種改善數位影像中色影的補償方法，用以校正數位影像中的色影(color shading)現象其係導致數位影像中各區域間的亮度差異，該補償方法包括：提供一均勻的色塊，並擷取該色塊的一色塊影像；將該色塊影像的水平方向切割成複數個水平區塊，並計算該些水平區塊分別相應的各水平補償係數；執行一內插程序，係對該些水平補償係數進行線性內插，而產生有複數之水平內插係數；由該些水平內插係數找出各別對應之同水平區塊之水平補償係數，將各該水平內插係數除以各對應之水平補償係數而求得有複數之水平校正係數；依據該些水平校正係數與分別對應之水平內插係數的乘積求得有複數之決定水平校正係數，藉由任兩相鄰之決定水平校正係數之線性內插以求出所有水平區塊所分別對應之決定水平校正係數；將該色塊影像的垂直方向切割成複數個垂直區塊，並計算該些垂直區塊分別相應的各垂直補償係數；將該些決定水平校正係數與該些垂直補償係數一一相乘以求得該色塊影像各區塊分別之色影補償係數；以及將該色塊影像各區塊之亮度平均值與分別對應之色影補償係數相乘，俾對該色塊影像作色影現象之補償。
2. 如請求項1所述之改善數位影像中色影的補償方法，其中該色塊影像包括綠色像素、紅色像素與藍色像素。
3. 如請求項1所述之改善數位影像中色影的補償方法，其中計算該些水平區塊分別相應的各水平補償係數的步驟包括：計算各該水平區塊所分別對應的一水平亮度平均值；從該些水平區塊所對應的該水平亮度平均值中，選取最大的亮度平均值並將其定義為一水平亮度基準值；以及將該水平亮度基準值除以該些水平亮度平均值，用以產生該些水平補償係數。
4. 如請求項1所述之改善數位影像中色影的補償方法，其中計算該些垂直區塊分別相應的各垂直補償係數的步驟包括：計算各該垂直區塊所對應的一垂直亮度平均值；從該些垂直區塊所對應的該垂直亮度平均值中，選取最大的亮度平均值並將其定義為一垂直亮度基準值；以及將該垂直亮度基準值除以該些垂直亮度平均值，用以產生該些垂直補償係數。
5. 如請求項1所述之改善數位影像中色影的補償方法，其中該些水平內插係數組成有複數線性線段，而每一線性線段包括有一基準係數及複數個由該基準係數為起始值作線性內插而得之差值係數。
6. 如請求項5所述之改善數位影像中色影的補償方法，其中該基準係數係該色塊影像中最邊緣之水平區塊之水平補償係數。