TWI498848B - 多重曝光成像系統及其白平衡方法 - Google Patents
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Description
本發明係有關於影像處理，特別是有關於一種多重曝光成像系統及其白平衡方法。
顏色是影像系統中相當重要的元素，不僅可以讓使用者精準地捕捉到物體的色彩，更可以增強其他進階功能的準確性，例如物件偵測與辨識(object detection and recognition)。然而，環境中多變的光源常會影響到影像系統所擷取到的像素顏色，例如同一張白紙會在高色溫的光源下呈現淡藍色，在低色溫的光源下則會呈現淡黃色。一個良好的影像系統需要排除光源的影響，準確地還原物體的真實色彩，這項功能便是自動白平衡(auto white-balance)。換言之，自動白平衡能辨識環境光源，抵銷此光源對於色彩的影響，以還原物體真實色彩。
一般的影像系統只能拍攝單張影像。單張影像的資訊極為有限，導致現今的自動白平衡技術難以有效地辨識環境光源。於是，有研究者以多張影像的資訊達成這個任務。例
如(1)針對同一個場景在不同角度捕捉多張影像以辨別物體的真實色彩；或是(2)針對同一個場景使用不同環境光源以辨別物體的真實色彩。然而這(1)、(2)這兩種方法在實際狀況都難以被實現：前者需要多次移動相機，後者需要提供額外的光源。此外，曝光值的高低也會嚴重地影響環境光源判別的結果。因此，欲達到最佳的白平衡結果，仍需要使用者做繁瑣的人工調校。
近來高動態範圍影像系統(high dynamic range imaging system)逐漸受到廠商、研究者及使用者的注意。其基本原理是結合多張不同曝光時間的影像，形成一張高動態範圍的影像。此不同曝光時間的影像不僅可以使影像系統獲得更多細節的資訊，更可以協助自動白平衡達到更佳的效果。例如可針對長曝光影像的暗處與短曝光影像的亮處分別做自動白平衡。然而，上述方法無法辨識環境光源。另外，此方法還需要準確判斷亮處與暗處的位置，這項步驟容易導致最後的影像有不連續的區塊產生，降低影像品質。因此，自動白平衡仍然有許多需要改良之處。
本發明係提供一種白平衡方法，用於一多重曝光成像系統，該多重曝光成像系統包括一影像擷取單元，該方法包括：利用該影像擷取單元以一第一曝光值及一第二曝光值分別同時對一場景擷取一第一影像及一第二影像，其中該第二曝光值係小於該第一曝光值；對該第二影像進行光源偵測以得到
該場景之一光源資訊及相應的一光源顏色比例；以及利用該光源顏色比例對該第一影像進行一顏色增益處理以得到一輸出影像。
本發明更提供一種多重曝光成像系統，包括：一影像擷取單元，以一第一曝光值及一第二曝光值分別同時對一場景擷取一第一影像及一第二影像，其中該第二曝光值係小於該第一曝光值；以及一處理器，用以對該第二影像進行光源偵測以得到該場景之一光源資訊及相應的一光源顏色比例，並利用該光源顏色比例對該第一影像進行一顏色增益處理以得到一輸出影像。
本發明更提供一種白平衡方法，用於一多重曝光成像系統，該多重曝光成像系統包括一影像擷取單元，該方法包括：利用該影像擷取單元以一第一曝光值及一第二曝光值分別同時對一場景擷取一第一影像及一第二影像，其中該第二曝光值係小於該第一曝光值；對該第二影像進行光源偵測以得到該場景之一光源資訊及相應的一光源顏色比例；對該第一影像及該第二影像進行一影像結合處理以得到一第三影像；利用該光源顏色比例對該第三影像進行一顏色增益處理以得到一輸出影像。
100‧‧‧多重曝光成像系統
110‧‧‧影像擷取單元
120‧‧‧處理器
130‧‧‧記憶體單元
140‧‧‧儲存單元
150‧‧‧顯示單元
200-220、300-330‧‧‧方塊
400‧‧‧場景
410、412、414‧‧‧位置
420、422、424‧‧‧曲線
第1圖係顯示依據本發明一實施例中之多重曝光成像系統100之方塊圖。
第2圖係顯示依據本發明一實施例中之白平衡方法的流程圖。
第3圖係顯示依據本發明另一實施例中之白平衡方法的流程圖。
第4A圖係顯示依據本發明一實施例中所拍攝之場景400的示意圖。
第4B圖係顯示依據本發明一實施例中在場景400之不同位置進行曝光的曲線圖。
為使本發明之上述目的、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。
第1圖係顯示依據本發明一實施例中之多重曝光成像系統100之方塊圖。如第1圖所示，多重曝光成像系統100係包括一影像擷取單元110、一處理器120、一記憶體單元130、一儲存單元140、以及一顯示單元150。影像擷取單元110係用以擷取一場景之影像。儲存單元140係儲存用於影像處理之多種模組所相應的程式碼，例如是色調映射(tone-mapping)模組、自動白平衡(auto white-balance)模組、飽和度補償(saturation compensation)模組、高動態範圍成像(high dynamic range imaging)模組等等。舉例來說，記憶體單元130為一揮發性記憶體，例如是一動態隨機存取記憶體(DRAM)。儲存單元140為一非揮發性記憶體，例如是硬碟、快閃記憶體等等。處
理器120係將儲存於儲存單元140中之各種影像處理模組的程式碼載入至記憶體單元130，並對影像擷取單元110所擷取之影像執行相應的影像處理。影像擷取單元110係具有多重曝光(multi exposure)之功能，意即在影像擷取單元110中之影像感測器(image sensor)所擷取之影像係可用不同的曝光值進行曝光以產生兩張不同曝光值的影像，其中上述曝光值係包括曝光時間及曝光增益，且曝光時間及曝光增益均會影響上述曝光值之大小。例如曝光時間的增加或是曝光增益的增加，都會使曝光值上升。曝光值會影響影像感測器對同一物體所感知之像素值。舉例來說，曝光方式可分為正常曝光及短曝光、或是長曝光及短曝光。在一實施例中，正常曝光係指使所擷取的影像含有最多有效資訊，例如調整曝光值使得影像之平均亮度為影像感測器之最大感測值的特定比例。短曝光係指使所擷取的影像中之像素不會發生過曝(over exposure)的情況，例如調整曝光值使得影像中之像素值小於或等於影像感測器的最大感測值。
第2圖係顯示依據本發明一實施例中之白平衡方法的流程圖。如第2圖所示，在方塊200中，透過影像感測器以獲得兩張不同曝光值的影像，例如在路徑202係為正常曝光影像，在路徑204係為短曝光影像。更進一步而言，正常曝光影像之曝光值為影像感測器之最大感測值的某個比例，例如18%，但本發明並不限於此。短曝光影像中之像素值則小於或等於影像感測器的最大感測值。
在方塊210中，對短曝光影像進行光源偵測。因為短曝光影像之曝光值較小，即使是場景中的光源處亦不會發生
過曝光的情況，因此可有效地判別場景中的光源，即場景中最亮的部份。在一實施例中，處理器120係計算短曝光影像中最亮的5%像素值以做為光源，並計算此光源的顏色比例，例如分別計算紅色、綠色、藍色的平均值。
在方塊220中，利用光源偵測所得到的光源顏色比例，以重新調整正常曝光影像的顏色增益值。舉例來說，當在方塊210中進行光源偵測得到光源的顏色比例為紅色：綠色：藍色=a：b：c，則處理器120係利用下列公式分別對正常曝光影像之像素值進行調整：
p [0,1]
其中R、G、B分別為調整前的紅色、綠色及藍色像素值；R’、G’、B’分別為調整後的紅色、綠色及藍色像素值，p為加權權重。
第3圖係顯示依據本發明另一實施例中之白平衡方法的流程圖。需注意的是，在另一實施例中，本發明更可利用短曝光影像計算光源資訊，且可利用短曝光影像中的影像細節資訊，藉以結合多張不同曝光值的影像，以形成一高動態範圍影像。如第3圖所示，在方塊300中，透過影像感測器對一高動態範圍場景拍照以獲得兩張不同曝光值的影像，例如在路徑
302係為長曝光影像L，在路徑304係為短曝光影像S。舉例來說，調整短曝光影像之曝光值，使得影像中之像素值不會產生過曝的情況。在一實施例中，可調整曝光值使得影像之像素值大於影像感測器之雜訊值。在另一實施例中，可調整曝光值使得影像之像素值小於或等於影像感測器的最大感測值。除此之外，長曝光影像之色彩通道可分為L1
、L2
及L3
(例如分別為紅色、綠色、藍色)，各具有(M1
+1)個位元。短曝光影像之色彩通道可分為S1
、S2
及S3
(例如分別為紅色、綠色、藍色)，亦各具有(M1
+1)個位元。
在方塊310中，對短曝光影像進行光源偵測。因為短曝光影像之曝光值較小，即使是場景中的光源處亦不會發生過曝光的情況，因此可有效地判別場景中的光源，即場景中最亮的部份。在一實施例中，處理器120係計算短曝光影像中最亮的5%像素值以做為光源，並計算此光源的顏色比例，例如分別計算紅色、綠色、藍色的平均值。
在方塊320中，對短曝光影像及長曝光影像進行影像結合以得到一合併影像。舉例來說，在影像結合的過程中可利用已知的長短曝光比值K，將短曝光影像的像素值乘以K，藉以得到長曝光影像因過曝而缺少的像素資訊。在一實施例中，在影像結合過程中係使用兩張不同曝光值的影像，以得到一高動態範圍影像。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)。舉例來說，若x
為影像感測器的位元數，R
為兩種曝光時間的比值。在同樣亮度的光源，在兩張不同曝光時間的影像得到的像素值會有R
倍的差
異。因此只要將短曝光影像的像素值標準化(normalization)成R
倍後，即可合併兩張不同曝光值的影像。換言之，若原本的影像感測器的動態範圍比值為D
，本系統可得到動態範圍比值為R
xD
的高動態範圍影像。
在方塊220中，利用光源偵測所得到的光源顏色比例，以重新調整正常曝光影像的顏色增益值，藉以產生最後的高動態範圍影像O，其色彩通道為O1、O2、O3，均具有(M2
+1個位元)，其中M2
>M1
。更進一步而言，當在方塊310中進行光源偵測得到光源的顏色比例為紅色：綠色：藍色=a：b：c，則處理器120係利用下列公式分別對正常曝光影像之像素值進行調整：
p [0,1]
其中R、G、B分別為調整前的紅色、綠色及藍色像素值；R’、G’、B’分別為調整後的紅色、綠色及藍色像素值，p為加權權重。
第4A圖係顯示依據本發明一實施例中所拍攝之場景400的示意圖。第4B圖係顯示依據本發明一實施例中在場景400之不同位置進行曝光的曲線圖。如第4A圖所示，在場景400中之位置410係為光源。當處理器120在判斷光源資訊時，可利
用在場景400中之不同位置(例如位置410、412及414)的像素相對於曝光時間的像素值，藉以判斷場景400中的光源位置。舉例來說，在第4B圖中之曲線420、422及424係分別為位置410、412及414之像素值相對於曝光時間的曲線。由第4B圖可得知在位置410之像素值，在經過極短的曝光時間即達到飽和值。然而，在位置412及414之像素值相對於位置410則需要更長的曝光時間才達到飽和值。因此，處理器120係可利用第4B圖中之各曲線的關係式以判斷位置410即為場景400之光源。
本發明之方法，或特定型態或其部份，可以以程式碼的型態包含於實體媒體，如軟碟、光碟片、硬碟、或是任何其他機器可讀取(如電腦可讀取)儲存媒體，其中，當程式碼被機器，如電腦載入且執行時，此機器變成用以參與本發明之裝置或系統。本發明之方法、系統與裝置也可以以程式碼型態透過一些傳送媒體，如電線或電纜、光纖、或是任何傳輸型態進行傳送，其中，當程式碼被機器，如電腦接收、載入且執行時，此機器變成用以參與本發明之裝置或系統。當在一般用途處理器實作時，程式碼結合處理器提供一操作類似於應用特定邏輯電路之獨特裝置。
本發明雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾，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為準。
100‧‧‧多重曝光成像系統
110‧‧‧影像擷取單元
120‧‧‧處理器
130‧‧‧記憶體單元
140‧‧‧儲存單元
150‧‧‧顯示單元
Claims (10)
- 一種白平衡方法，用於一多重曝光成像系統，該多重曝光成像系統包括一影像擷取單元，該方法包括：利用該影像擷取單元以一第一曝光值及一第二曝光值分別同時對一場景擷取一第一影像及一第二影像，其中該第二曝光值係小於該第一曝光值，且該第一曝光值及該第二曝光值均分別包括一曝光時間及一曝光增益；對該第二影像進行光源偵測以得到該場景之一光源資訊及相應的一光源顏色比例；以及利用該光源顏色比例對該第一影像進行一顏色增益處理以得到一輸出影像。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，更包括：調整該第二曝光值，使得該第二影像之像素的平均亮度等於該影像擷取單元之一最大感測值的一特定比例。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，更包括：判斷該第二影像中具有一特定比例之最高亮度的像素以做為該光源資訊。
- 一種多重曝光成像系統，包括：一影像擷取單元，以一第一曝光值及一第二曝光值分別同時對一場景擷取一第一影像及一第二影像，其中該第二曝光值係小於該第一曝光值，且該第一曝光值及該第二曝光值均分別包括一曝光時間及一曝 光增益；以及一處理器，用以對該第二影像進行光源偵測以得到該場景之一光源資訊及相應的一光源顏色比例，並利用該光源顏色比例對該第一影像進行一顏色增益處理以得到一輸出影像。
- 如申請專利範圍第4項所述之多重曝光成像系統，其中該處理器更調整該第二曝光值，使得該第二影像之像素的平均亮度等於該影像擷取單元之一最大感測值的一特定比例。
- 如申請專利範圍第4項所述之多重曝光成像系統，其中該處理器更判斷該第二影像中具有一特定比例之最高亮度的像素以做為該光源資訊。
- 一種白平衡方法，用於一多重曝光成像系統，該多重曝光成像系統包括一影像擷取單元，該方法包括：利用該影像擷取單元以一第一曝光值及一第二曝光值分別同時對一場景擷取一第一影像及一第二影像，其中該第二曝光值係小於該第一曝光值，且該第一曝光值及該第二曝光值均分別包括一曝光時間及一曝光增益；對該第二影像進行光源偵測以得到該場景之一光源資訊及相應的一光源顏色比例；對該第一影像及該第二影像進行一影像結合處理以得到一第三影像；利用該光源顏色比例對該第三影像進行一顏色增益處 理以得到一輸出影像。
- 如申請專利範圍第7項所述之方法，更包括：調整該第二曝光值以讓該第二影像之像素值大於該影像擷取單元之雜訊值。
- 如申請專利範圍第7項所述之方法，更包括：調整該第二曝光值以讓該第二影像之像素值小於或等於該影像擷取單元之最大感測值。
- 如申請專利範圍第7項所述之方法，更包括：計算該第一曝光值及該第二曝光值之一比值；以及將該第二影像之像素值乘以該比值以得到該第三影像。
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