TWI469631B - 影像處理裝置及影像處理方法 - Google Patents

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Description

影像處理裝置及影像處理方法
本發明係關於一種影像處理裝置及影像處理方法；更具體而言，本發明係關於一種處理量化影像之影像處理裝置及影像處理方法。
現今許多廠商所開發的電子產品都內建有照相模組，希冀藉此提高消費者購買的意願。然而，由於許多照相模組所配置之光電子元件的品質並非很好，當使用者在較差的燈光調下攝影時，所產生的影像之對比程度通常很低。為了處理對比程度很低的影像，許多人會採用後製(post-processing)技術。最常被採用的後製技術為直方圖等化(histogram equalization)處理技術，此技術係將影像中的亮度值作較為分散的分佈。
第1A圖係描繪一對比程度較低的影像，而第1B圖則描繪第1A圖之影像的直方圖。第1A圖之影像經直方圖等化處理後所呈現之影像則如第1C圖所示，而第1D圖則是將第1B圖等化處理後之直方圖。由第1C及1D圖可知，雖然等化處理後之影像的對比程度較高，然而卻造成了直方圖量化(quantization)的現象，亦即亮度不連續的情形。
事實上，除了經直方圖等化處理後之影像會有量化的現象外，某些未被後製處理的影像其直方圖仍有可能會有量化的問題。因此，如何解決此問題仍是本領域技術人員亟待努力的方向。
本發明之一目的在於提供一種影像處理裝置。該影像處理裝置包含一儲存單元及一微處理單元。該儲存單元儲存一影像及該影像之一亮度統計資料。該亮度統計資料記錄該影像具有一第一數目個像素具有一第一亮度值、一第二數目個像素具有一第二亮度值及一第三數目個像素具有一第三亮度值，其中該第一亮度值小於該第二亮度值，該第二亮度值小於該第三亮度值，且該第二數目大於零。該微處理單元根據該第一數目、該第二數目及該第三數目，計算該第二亮度值於該影像之一集中程度值。該微處理單元判斷該集中程度值大於一門檻值。於判斷該集中程度值大於該門檻值後，該微處理單元針對該影像中具有該第二亮度值之一像素，根據該第二亮度值及該像素之至少一鄰近像素所各自具有之一亮度值，計算該像素之一調整值。該微處理單元根據該調整值，調整該像素之該第二亮度值為一第四亮度值。
本發明之另一目的在於提供一種影像處理方法，其係適用於一包含一微處理單元及一儲存單元之影像處理裝置。該儲存單元儲存一影像及該影像之一亮度統計資料。該亮度統計資料記錄該影像具有一第一數目個像素具有一第一亮度值、一第二數目個像素具有一第二亮度值及一第三數目個像素具有一第三亮度值，其中該第一亮度值小於該第二亮度值，該第二亮度值小於該第三亮度值，且該第二數目大於零。該影像處理方法包含下列步驟：(a)令該微處理單元根據該第一數目、該第二數目及該第三數目，計算該第二亮度值於該影像之一集中程度值；(b)令該微處理單元判斷該集中程度值大於一門檻值；(c)針對該影像中具有該第二亮度值之一像素，令該微處理單元根據該第二亮度值及該像素之至少一鄰近像素所各自具有之一亮度值，計算該像素之一調整值；以及(d)令該微處理單元根據該調整值，調整該像素之該第二亮度值為一第四亮度值。
本發明之影像處理裝置及影像處理方法根據影像之亮度統計資料，分析一亮度值之一集中程度值。當該集中程度值大於一門檻值時，表示該亮度值之集中程度較高，因此本發明之影像處理裝置及影像處理方法會再針對影像中具有該亮度值之像素作進一步處理，亦即，根據該像素之亮度值及其鄰近像素之亮度值，計算一調整值以調整該像素之亮度值。透過本發明之配置，較為集中的亮度值會被適當地調整，故能解決習知技術中，影像之亮度統計資料(例如直方圖)過於量化的現象。
為讓本發明之上述目的、技術特徵和優點能更明顯易懂，下文係以較佳實施例配合所附圖式進行詳細說明。
以下將透過實施例來解釋本發明之內容。然而，本發明的實施例並非用以限制本發明需在如實施例所述之任何環境、應用或方式方能實施。因此，關於實施例之說明僅為闡釋本發明之目的，而非用以直接限制本發明。需說明者，以下實施例及圖示中，與本發明非直接相關之元件已省略而未繪示。
本發明係用以處理亮度統計資料(例如直方圖(histogram))呈現量化(quantization)現象之影像，使處理過後之影像的亮度分佈較為分散歧異，呈現視覺上較為自然且對比程度更為增加的影像。如先前技術一節所述，許多影像皆有亮度統計資料量化之現象，然通常會出現此現象之影像為作過直方圖等化(histogram equalization)處理後之影像。
茲先以第2A及2B圖說明本發明之概念。第2A圖係描繪一影像之直方圖的局部，而第2B圖則描繪經由本發明處理後之直方圖的局部。第2A及2B圖中，水平方向代表影像亮度值，而垂直方向代表像素數目。由第2A圖可知，該影像中具有亮度值Xa之像素數目、具有亮度值Xb之像素數目及具有亮度值Xc之像素數目。由於亮度值Xa與亮度值Xb間以及亮度值Xb與亮度值Xc間有許多亮度值之像素數目為零，因此第2A圖之直方圖的局部呈現量化現象。本發明係針對各亮度值Xa、Xb及Xc之像素數目進行分析。倘若一亮度值之分析結果顯示其集中程度較高，本發明會針對影像中具有該亮度值之像素作進一步分析，再調整該像素之亮度值；倘一亮度值之分析結果顯示其集中程度較低，本發明則不對影像中具有該亮度值之像素進行任何的分析及調整。
假設本發明之分析結果為亮度值Xa及Xc是集中程度較高的亮度值，則本發明會進一步對影像中具有亮度值Xa之像素及具有亮度值Xc之像素作進一步分析及調整。針對影像中具有亮度值Xa之像素處理後，該等像素所具有之亮度值及像素數目如第2B圖之亮度值Xa’所示；針對影像中具有亮度值Xc之像素處理後，該等像素所具有之亮度值及像素數目如第2B圖之亮度值Xc’所示。另一方面，假設本發明之分析結果為亮度值Xb是集中程度較低的亮度值，則本發明不對影像中具有該亮度值之像素進行任何的分析及調整，因此該等像素所具有之亮度值及像素數目維持不變，如第2B圖所示。
本發明之第一實施例為一影像處理裝置3，其內部元件示意圖如第3圖所描繪。影像處理裝置3包含一微處理單元31及一儲存單元33。微處理單元31可為本發明所屬技術領域中具有通常知識者所熟知之各種處理器、中央處理裝置(central processing unit)、微處理器或其它計算裝置其中之任一種。儲存單元33可為記憶體、軟碟、硬碟、光碟、隨身碟、磁帶、可由網路存取之資料庫或所屬技術領域中具有通常知識者可輕易思及具有相同功能之儲存媒體。
儲存單元33儲存一影像及此影像之一亮度統計資料，舉例而言，亮度統計資料可為此影像之直方圖。此亮度統計資料記錄此影像之各亮度值所具有之像素數目。假設影像之亮度值之範圍為由亮度值0至亮度值255，則亮度統計資料則記錄影像中亮度值0之像素數目至亮度值255之像素數目。此部份為本發明所屬技術領域中的通常知識，故不贅言。
微處理單元31會針對每一個像素數目不為零的亮度值進行後續處理，以下將以亮度值128為例作進一步說明。針對亮度值128，微處理單元31會挑選二個亮度值，其中一個亮度值小於亮度值128(例如亮度值127)，另一亮度值大於亮度值128(例如亮度值129)。以下將分別以第一亮度值、第二亮度值及第三亮度值稱呼亮度值127、亮度值128及亮度值129。亮度統計資料記錄此影像具有一第一數目個像素具有第一亮度值、一第二數目個像素具有第二亮度值及一第三數目個像素具有第三亮度值，其中第二數目大於零。
微處理單元31接著根據第一數目、第二數目及第三數目，計算第二亮度值於影像中之一集中程度值。舉例而言，微處理單元31可根據以下公式(1)計算集中程度值：
D S =Max(|I S -1 -I S |,|I S +1 -I S |)　(1)
其中，參數S 代表目前正在處理之亮度值(亦即第二亮度值)，參數D S 代表第二亮度值之集中程度值、S -1代表第一亮度值、參數I S - 1 代表第一數目、參數I S 代表第二數目、S +1代表第三亮度值、參數I S + 1 代表第三數目以及函數Max()代表取最大值。
接著，微處理單元31將此集中程度值與一門檻值比較。假設微處理單元31判斷第二亮度值之集中程度值不大於此門檻值，表示第二亮度值並非較為集中之亮度值，因此微處理單元31便不會針對具有第二亮度值之像素作處理。假設微處理單元31判斷第二亮度值之集中程度值大於此門檻值，表示第二亮度值為較為集中之亮度值，因此微處理單元31會針對影像中具有第二亮度值之各像素作進一步處理。
茲以一具有第二亮度值之像素，具體說明當第二亮度值之集中程度值大於門檻值時，微處理單元31所進行之運作。微處理單元31會根據此像素之亮度值(即第二亮度值)及此像素之至少一鄰近像素各自具有之亮度值，計算此像素之調整值，並再根據此調整值，將此像素之亮度值由第二亮度值調整為第四亮度值。以下提供二個計算調整值及利用調整值之範例。
第一個範例中，微處理單元31以此像素及其鄰近像素之亮度值，判斷此像素是否位於此影像中之一物件的一邊緣(edge)上。判斷一像素是否位於影像中之一物件之一邊緣上為本發明所屬技術領域中的通常知識，故不贅述。倘若此像素位於影像中之一物件之邊緣上，則微處理單元31指定一負值為調整值，並以此調整值將此像素由第二亮度值調整為第四亮度值，使調整後之第四亮度值小於第二亮度值。倘若此像素非位於影像中之一物件的邊緣上，則微處理單元31指定一正值為調整值，並以此調整值將此像素由第二亮度值調整為第四亮度值，使調整後之第四亮度值大於第二亮度值。
第二個範例中，微處理單元31根據此像素之亮度值(即第二亮度值)及其鄰近像素之亮度值，計算一平均亮度值。接著，微處理單元31判斷此像素所具有之亮度值(即第二亮度值)是否大於該平均亮度值。倘若此像素之亮度值大於平均亮度值，微處理單元31便指定一正值為調整值，並以此調整值將此像素由第二亮度值調整為第四亮度值，使調整後之第四亮度值大於第二亮度值。倘若此像素之亮度值不大於平均亮度值，則微處理單元31指定一負值為調整值，並以此調整值將此像素由第二亮度值調整為第四亮度值，使調整後之第四亮度值小於第二亮度值。
前述二個範例中，微處理單元31更可根據調整值、一標準差值及一高斯(Gaussian)亂數值來將像素由第二亮度值調整為第四亮度值。例如，可利用以下公式(2)計算第四亮度值：
g (Z )=f (Z )+W (f (Z ),Z )(σ S ×Gaussian(0,1))　(2)
其中，參數Z 代表目前正在處理之像素、f (Z )代表像素Z 於影像中之亮度值(亦即第二亮度值)、W (f (Z ),Z )代表像素Z 之調整值、參數σ s 代表標準差值、Gaussian()代表一憑據高斯分佈所取得之標準化高斯亂數值以及g (Z )代表像素Z 調整後之亮度值(亦即第四亮度值)。於某些實施態樣中，可將標準差值設為與前述的集中程度值相關，例如成正比關係。因此，當採用上述公式調整像素之亮度值時，調整值便可視為高斯亂數值的權重。當調整值為一正值時，第四亮度值便會大於第二亮度值；當調整值為一負值時，第四亮度值便會小於第二亮度值。
須說明者，前述二個計算調整值及利用調整值之範例，並非用以限制本發明之範圍。另外，前述計算第二亮度值之集中程度值時，第一亮度值與第二亮度值之差及第二亮度值與第三亮度值之差皆為一；然而，其他實施態樣中，第一亮度值與第二亮度值之差及第二亮度值與第三亮度值之差可為其他數目。再者，本發明之其他實施態樣更可根據更多數目的亮度值來計算第二亮度值之集中程度值。
透過上述的配置及運作，第一實施例之影像處理裝置3便能針對過於集中之亮度值進行處理，以解決影像之亮度統計資料所存在的量化問題。
本發明之第二實施例為一影像處理方法，其流程圖如第4圖所描繪。此影像處理方法適用於一包含一微處理器及一儲存單元之影像處理裝置，例如第一實施例之影像處理裝置3。儲存單元儲存一影像及該影像之一亮度統計資料。此亮度統計資料記錄此影像之各亮度值所具有之像素數目。假設影像之亮度值之範圍為由亮度值0至亮度值255，則亮度統計資料則記錄影像中亮度值0之像素數目至亮度值255之像素數目。此部份為本發明所屬技術領域中的通常知識，故不贅言。
首先，影像處理方法執行步驟S401，令微處理單元選取一像素數目不為零且未被處理過之亮度值。為方便後續說明，步驟S401所選取之亮度值稱為第二亮度值。針對第二亮度值，影像處理方法會設定一第一亮度值及一第三亮度值，其中，第一亮度值小於第二亮度值，且第二亮度值小於第三亮度值。前述亮度統計資料則記錄影像具有一第一數目個像素具有第一亮度值、一第二數目個像素具有第二亮度值及一第三數目個像素具有第三亮度值，其中，第二數目大於零。
接著，執行步驟S403，令微處理器根據第一數目、第二數目及第三數目，計算第二亮度值於影像之一集中程度值。影像處理方法隨後執行步驟S405，判斷集中程度值是否大於一門檻值。若步驟S405之判斷結果為否，則接著執行步驟S415。有關步驟S415之內容，將於稍後敘述。
若步驟S405之判斷結果為是，則影像處理方法執行步驟S407至S413，以針對影像中具有第二亮度值且未被調整過亮度值之每一個像素進行處理。於步驟S407，令微處理單元選取影像中一具有第二亮度值且未被調整過亮度值之像素。之後，執行步驟S409，根據被選取之像素的亮度值(即第二亮度值)及被選取之像素的至少一鄰近像素所各自具有之亮度值，計算此像素之一調整值。
進一步言，影像處理方法可透過數種不同的方式來計算像素之調整值。舉例而言，步驟S409可令微處理單元根據被選取之像素的亮度值(即第二亮度值)及被選取之像素的至少一鄰近像素所各自具有之亮度值，判斷該像素是否位於該影像中之一物件的一邊緣上。若該像素位於該影像中之一物件的一邊緣上，則步驟S409令微處理單元指定一負值為調整值；若該像素非位於該影像中之一物件的一邊緣上，則步驟S409令微處理單元指定一正值為調整值。再舉一範例說明，步驟S409可令微處理單元根據被選取之像素的亮度值(即第二亮度值)及被選取之像素的至少一鄰近像素所各自具有之亮度值，計算一平均亮度值，再令微處理器判斷該第二亮度值是否大於平均亮度值。若第二亮度值大於平均亮度值，則步驟S409令微處理單元指定一正值為調整值；若第二亮度值不大於平均亮度值，則步驟S409令微處理單元指定一負值為調整值。
於步驟S409後，影像處理方法執行步驟S411，根據該調整值，調整該像素之該第二亮度值為一第四亮度值。當調整值為一負值時，第四亮度值會小於第二亮度值；當調整值為一正值時，第四亮度值會大於第二亮度值。舉例而言，步驟S411可根據前述的公式(2)將像素之亮度值由第二亮度值調整為第四亮度值。
接著，影像處理方法執行步驟S413，判斷是否尚有其他具有第二亮度值且未被調整過亮度值之像素。若步驟S413之結果為是，則影像處理方法繼續執行步驟S407；若步驟S413之結果為否，則影像處理方法繼續執行步驟S415。
於步驟S415，令微處理單元判斷是否尚有像素數目不為零且未被處理過之亮度值。若步驟S415之結果為是，則影像處理方法接著執行步驟S401；若步驟S415之結果為否，則影像處理方法接著執行步驟S417以輸出影像。
除了上述步驟，第二實施例亦能執行第一實施例所描述之所有操作及功能，所屬技術領域具有通常知識者可直接瞭解第二實施例如何基於上述第一實施例以執行此等操作及功能，故不贅述。
由上述實施例之說明可知，本發明之影像處理裝置及影像處理方法根據影像之亮度統計資料，分析亮度值之集中程度值。當集中程度值大於一門檻值時，表示該亮度值之集中程度較高。針對影像中具有該亮度值之像素，本發明會根據該像素之亮度值及其鄰近像素之亮度值，計算一調整值以調整該像素之亮度值。透過本發明之配置，較為集中的亮度值會被適當地調整，故能解決習知技術中，影像之亮度統計資料過於量化的現象。
上述之實施例僅用來舉例本發明之實施態樣，以及闡述本發明之技術特徵，並非用來限制本發明之保護範疇。任何熟悉此技術者可輕易完成之改變或均等性之安排均屬於本發明所主張之範圍，本發明之權利保護範圍應以申請專利範圍為準。
Xa、Xb、Xc、Xa’、Xc’．．．亮度值
3．．．影像處理裝置
31．．．微處理單元
33．．．儲存單元
第1A圖係描繪一對比程度較低的影像；
第1B圖係描繪第1A圖之影像的直方圖；
第1C圖係描繪將第1A圖之影像經直方圖等化處理後之影像；
第1D圖係描繪第1B圖之直方圖等化處理後之直方圖；
第2A圖係描繪一影像之直方圖的局部；
第2B圖則描繪經由本發明處理後之直方圖的局部；
第3圖係描繪第一實施例之影像處理裝置的內部元件示意圖；以及
第4圖係描繪第二實施例之影像處理方法的流程圖。

Claims (18)

  1. 一種影像處理裝置，包含：一儲存單元，儲存一影像及該影像之一亮度統計資料，該亮度統計資料記錄該影像具有一第一數目個像素具有一第一亮度值、一第二數目個像素具有一第二亮度值及一第三數目個像素具有一第三亮度值，該第一亮度值小於該第二亮度值，該第二亮度值小於該第三亮度值，該第二數目大於零；以及一微處理單元，根據該第一數目、該第二數目及該第三數目，計算該第二亮度值於該影像之一集中程度值，該微處理器判斷該集中程度值大於一門檻值，該微處理單元針對該影像中具有該第二亮度值之一像素，根據該第二亮度值及該像素之至少一鄰近像素所各自具有之一亮度值，計算該像素之一調整值，且該微處理單元根據該調整值，調整該像素之該第二亮度值為一第四亮度值。
  2. 如請求項1所述之影像處理裝置，其中該微處理單元根據該第二亮度值及該至少一鄰近像素所各自具有之一亮度值，判斷該像素位於該影像中之一物件之一邊緣(edge)上，且該微處理單元於判斷該像素位於該影像中之該邊緣上後，指定一負值為該調整值，其中該第四亮度值小於該第二亮度值。
  3. 如請求項1所述之影像處理裝置，其中該微處理單元根據該第二亮度值及該至少一鄰近像素所各自具有之一亮度值，判斷該像素非位於該影像中之一物件之一邊緣上，且該微處理單元指定一正值為該調整值，其中該第四亮度值大於該第二亮度值。
  4. 如請求項1所述之影像處理裝置，其中該微處理單元根據該第二亮度值及該至少一鄰近像素所各自具有之一亮度值，計算一平均亮度值，該微處理單元判斷該第二亮度值大於該平均亮度值，該微處理單元於判斷該第二亮度值大於該平均亮度值後，指定一正值為該調整值，其中該第四亮度值大於該第二亮度值。
  5. 如請求項1所述之影像處理裝置，其中該微處理單元根據該第二亮度值及該至少一鄰近像素所各自具有之一亮度值，計算一平均亮度值，該微處理單元判斷該第二亮度值不大於該平均亮度值，該微處理單元於判斷該第二亮度值不大於該平均亮度值後，指定一負值為該調整值，其中該第四亮度值小於該第二亮度值。
  6. 如請求項1所述之影像處理裝置，其中該微處理單元係根據該調整值及一高斯(Gaussian)亂數值，調整該像素之該第二亮度值。
  7. 如請求項6所述之影像處理裝置，其中該微處理單元係以該調整值作為該高斯亂數值之一權重。
  8. 如請求項1所述之影像處理裝置，其中該微處理單元係根據該調整值、一標準差值及一高斯亂數值，調整該像素之該第二亮度值，該標準差值與該集中程度值相關。
  9. 如請求項1所述之影像處理裝置，其中該亮度統計資料為該影像之一直方圖(histogram)。
  10. 一種影像處理方法，適用於一影像處理裝置，該影像處理裝置包含一微處理單元及一儲存單元，該儲存單元儲存一影像及該影像之一亮度統計資料，該亮度統計資料記錄該影像具有一第一數目個像素具有一第一亮度值、一第二數目個像素具有一第二亮度值及一第三數目個像素具有一第三亮度值，該第一亮度值小於該第二亮度值，該第二亮度值小於該第三亮度值，該第二數目大於零，該影像處理方法包含下列步驟：(a)令該微處理單元根據該第一數目、該第二數目及該第三數目，計算該第二亮度值於該影像之一集中程度值；(b)令該微處理單元判斷該集中程度值大於一門檻值；(c)針對該影像中具有該第二亮度值之一像素，令該微處理單元根據該第二亮度值及該像素之至少一鄰近像素所各自具有之一亮度值，計算該像素之一調整值；以及(d)令該微處理單元根據該調整值，調整該像素之該第二亮度值為一第四亮度值。
  11. 如請求項10所述之影像處理方法，其中該步驟(c)包含下列步驟：(c1)令該微處理單元根據該第二亮度值及該至少一鄰近像素所各自具有之一亮度值，判斷該像素位於該影像中之一物件之一邊緣上；以及(c2)令該微處理單元根據步驟(c1)之判斷結果，指定一負值為該調整值；其中，該第四亮度值小於該第二亮度值。
  12. 如請求項10所述之影像處理方法，其中該步驟(c)包含下列步驟：(c1)令該微處理單元根據該第二亮度值及該至少一鄰近像素所各自具有之一亮度值，判斷該像素非位於該影像中之一物件之一邊緣上；以及(c2)令該微處理單元根據步驟(c1)之判斷結果，指定一正值為該調整值；其中，該第四亮度值大於該第二亮度值。
  13. 如請求項10所述之影像處理方法，其中該步驟(c)包含下列步驟：(c1)令該微處理單元根據該第二亮度值及該至少一鄰近像素所各自具有之一亮度值，計算一平均亮度值；(c2)令該微處理單元判斷該第二亮度值大於該平均亮度值；以及(c3)令該微處理單元根據步驟(c2)之判斷結果，指定一正值為該調整值；其中，該第四亮度值大於該第二亮度值。
  14. 如請求項10所述之影像處理方法，其中該步驟(c)包含下列步驟：(c1)令該微處理單元根據該第二亮度值及該至少一鄰近像素所各自具有之一亮度值，計算一平均亮度值；(c2)令該微處理單元判斷該第二亮度值不大於該平均亮度值；以及(c3)令該微處理單元根據步驟(c2)之判斷結果，指定一負值為該調整值；其中，該第四亮度值小於該第二亮度值。
  15. 如請求項10所述之影像處理方法，其中該步驟(d)係令該微處理單元根據該調整值及一高斯亂數值，調整該像素之該第二亮度值。
  16. 如請求項15所述之影像處理方法，其中該步驟(d)係令該微處理單元以該調整值作為該高斯亂數值之一權重。
  17. 如請求項10所述之影像處理方法，其中該步驟(d)係令該微處理單元根據該調整值、一標準差值及一高斯亂數值，調整該像素之該第二亮度值，該標準差值與該集中程度值相關。
  18. 如請求項10所述之影像處理方法，其中該亮度統計資料為該影像之一直方圖。
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