TWI507031B - 影像處理方法 - Google Patents

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影像處理方法
本發明係關於一種影像處理方法，特別是一種將原始影像進行亮度特徵混合與階層合併而得到高動態影像的方法。
隨著科技的蓬勃發展以及現代人生活品質的提昇，數位影像裝置，如：數位相機(Digital Still Camera)已逐漸成為現代人生活所必需。隨著研發技術之進步，數位相機之發展亦快速地推陳出新，成為市場主流。
以數位相機為例，當擷取影像為高反差的場景(如場景中同時具有天氣晴朗的天空與陰蔽處的建築物)時，礙於數位相機本身軟、硬體之輸出限制，大部分動態範圍的場景會被犧牲掉，而無法完整地將整個場景的動態(Dynamic range)以原貌保留起來。也就是說，如「第1A圖」所示，其中影像之高亮度區域(如天空的雲朵)與低亮度區域(如圖中下方的大樓)於成像照片上相當朦朧，並且很難以不失真地情況下被呈現在照片中。
目前，已知現有技術有根據被拍攝場景的亮度分佈而改變其輸出色調映射(tone mapping)的做法。然而，此種 做法之效果十分有限。其次，此種做法亦會造成色彩不自然且過於藝術化(artifact)的問題。除此之外，當數位相機連續拍攝數張照片時，由於該些照片是連續拍攝，且其中間隔的時間非常有限。因此，現有技術並無法針對同一場景，連續拍攝多張照片的情況，將數張照片以色調映射的做法合併。因此，習知的做法不但無法有效得到去藝術化的照片，同時也增加使用者於操作上的不便。
鑒於以上的問題，本發明提供一種影像處理方法，藉以將影像感測器所擷取到的原始影像進行處理，除了能有效保有原始影像之亮度特徵外，亦考量到避免人工化、色彩動態失真等因素，藉以解決前述問題。
本發明提出一種影像處理方法，適於一數位影像裝置。影像處理方法包括：擷取一原始影像；自原始影像獲得一高亮影像、一中亮影像與一低亮影像；根據高亮影像、中亮影像與低亮影像決定對應的一高亮權重陣列、一中亮權重陣列與一低亮權重陣列；以及根據高亮影像、中亮影像、低亮影像與對應的高亮權重陣列、中亮權重陣列與低亮權重陣列獲得一高動態影像。
是以，本發明提出之影像處理方法，可自原始影像獲取對應於不同亮度特徵之高亮影像、中亮影像與低亮影像，再透過邊緣偵測程序或是亮度判斷程序，決定其個別所 佔之相對權重。最後再以權重加總法得到一張可把不同亮度特徵所融合起來之高動態影像。
有關本發明的特徵、實作與功效，茲配合圖式作最佳實施例詳細說明如下。
20‧‧‧拜耳樣板
100‧‧‧數位影像裝置
102‧‧‧影像感測器
104‧‧‧感測控制器
106‧‧‧微處理器
108‧‧‧影像訊號處理單元
110‧‧‧編解碼器
112‧‧‧暫時儲存器
114‧‧‧輸入輸出單元
116‧‧‧顯示引擎單元
118‧‧‧結果儲存器
200‧‧‧顯示裝置
S-1‧‧‧高亮影像
S0‧‧‧中亮影像
S1‧‧‧低亮影像
M-1‧‧‧高主柔影像
M0‧‧‧中主柔影像
M1‧‧‧低主柔影像
K0‧‧‧原始影像
22R,22Gr,22Gb,22B‧‧‧感應像素
22R-1,22Gr-1,22Gb-1,22B-1‧‧‧感應像素
22R0,22Gr0,22Gb0,22B0‧‧‧感應像素
22R1,22Gr1,22Gb1,22B1‧‧‧感應像素
24R-1,24Gr-1,24Gb-1,24B-1‧‧‧感應像素
24R0,24Gr0,24Gb0,24B0‧‧‧感應像素
24R1,24Gr1,24Gb1,24B1‧‧‧感應像素
WR-1,WR0,WR1‧‧‧權重
WGr-1,WGr0,WGr1‧‧‧權重
WGb-1,WGb0,WGb1‧‧‧權重
WB-1,WB0,WB1‧‧‧權重
A-1‧‧‧高亮權重陣列
A0‧‧‧中亮權重陣列
A1‧‧‧低亮權重陣列
第1A圖係為習知一影像感測器在接收具有高反差場景時所呈現的影像相片。
第1B圖係為根據本發明實施例之數位影像裝置的結構示意圖。
第2圖係為根據本發明實施例之拜耳樣板示意圖。
第3A圖係為根據本發明實施例之流程圖。
第3B圖係為根據本發明步驟S308第二實施例之流程圖。
第3C圖係為根據第3B圖之流程圖。
第4A圖係為根據本發明實施例之原始影像於單一拜耳樣板示意圖。
第4B圖係為根據本發明實施例之高亮影像於單一拜耳樣板示意圖。
第4C圖係為根據本發明實施例之中亮影像於單一拜耳樣板示意圖。
第4D圖係為根據本發明實施例之低亮影像於單一拜耳樣板示意圖。
第5A圖係為根據本發明實施例之高亮權重陣列示意圖。
第5B圖係為根據本發明實施例之中亮權重陣列示意圖。
第5C圖係為根據本發明實施例之低亮權重陣列示意圖。
第6A圖係為根據本發明實施例之高亮影像於單一拜耳樣板示意圖。
第6B圖係為根據本發明實施例之高主柔影像於單一拜耳樣板示意圖。
第6C圖係為根據本發明實施例之中主柔影像於單一拜耳樣板示意圖。
第6D圖係為根據本發明實施例之低主柔影像於單一拜耳樣板示意圖。
請同時參照「第1B圖」，為根據本發明實施例之數位影像裝置的結構示意圖。數位影像裝置100可以是數位相機(Digital Still Camera)、數位攝影機(Digital Video Camera)、網路攝影機(Webcamcorder)或是整合有數位影像擷取功能之電子產品，如：手機、個人數位助理(Personal Digital Assistant,PDA)等。數位影像裝置100包括影像感測器102、感測控制器104、微處理器106、影像訊號處理單元108、編解碼器110、暫時儲存器112、輸入輸出單元114、顯示引擎單元116與結果儲存器118。數位影像裝置100可藉由其內部各個元件(如上述)之分區處理，而將影像顯示於顯示裝置200上。根據本發明實施例之影像感測器102係以適於數位相機的影像感測器為例，但並不以此為限。常見的影像感測器102可以是但不限於電荷耦合元件(Charge-coupled Device,CCD)。
影像感測器102具有複數個感應像素(pixels)， 以接收景像傳來的光線，並利用光電轉換而將該景像轉換成對應的影像資料。為了能得到彩色感應之效果，複數個相鄰的感應像素被群組成一濾鏡樣板(Filtering Pattern)。濾鏡樣板可以是並不限於拜耳樣板(Bayer Pattern，或稱貝爾圖樣)。依據本發明實施例，係為採用拜耳樣板做為濾鏡樣板之實施例，但其他種類之樣板亦可以用來實施本發明。
以「第2圖」為例，每四個相鄰的感應像素22R,22Gr,22Gb,22B即構成一個拜耳樣板20。數位影像裝置100即可藉由每一個拜耳樣板20內之感應像素22R,22Gr,22Gb,22B，接收景像傳來的光線，並利用光電轉換而擷取一對應的原始影像。為便於後續之說明，以下即就原始影像中之單一拜耳樣板20作以下之解釋與說明。
根據本發明一實施例之感應像素22R,22Gr,22Gb,22B各具有對應之14位元(bit)，但不以此為限，可視不同之影像感測器102而定，亦可為12位元、10位元、16位元等，以下係以感應像素具有14位元進行說明。
請參考「第3A圖」，係為根據本發明一實施例之影像處理方法之流程圖。其係適用於前述數位影像裝置100，其中影像感測器102於一拜耳樣板20中，具有複數個感應像素22R,22Gr,22Gb,22B，並可利用感應像素22R,22Gr,22Gb,22B據以轉換由一景像傳來的光線並擷取一原始影像。此影像處理方法包括： 步驟S302：擷取一原始影像；步驟S304：自原始影像獲得一高亮影像、一中亮影像與一低亮影像；步驟S306：根據高亮影像、中亮影像與低亮影像決定對應的一高亮權重陣列、一中亮權重陣列與一低亮權重陣列；及步驟S308：根據高亮影像、中亮影像、低亮影像與對應的高亮權重陣列、中亮權重陣列與低亮權重陣列獲得一高動態影像。其中上述步驟S302至S308係由「第1B圖」中之微處理器106所執行。
關於步驟S304，請配合參閱「第4A圖」至「第4D圖」，係為自原始影像獲得一高亮影像、一中亮影像與一低亮影像之示意圖。如「第4A圖」所示，感應像素22R,22Gr,22Gb,22B各具有對應之14位元，步驟S304係為執行一位元篩選程序，以自原始影像K0獲得如「第4B圖」之高亮影像S-1、「第4C圖」之中亮影像S0與「第4D圖」之低亮影像S1。舉例而言，感應像素22R,22Gr,22Gb,22B各具有14位元，因此位元篩選程序即包括：自原始影像K0之各個感應像素中對應的一中位元區間獲得中亮影像S0，自原始影像K0之各個感應像素中對應之一高位元區間獲得高亮影像S-1與自原始影像K0之各個感應像素中對應的一低位元區間獲得低亮影像S1。
其中，中位元區間可以取在各個感應像素之14位元中的第2至9個位元，高位元區間可以取在各個感應像 素之14位元中的第3至10個位元，低位元區間可以取在各個感應像素之14位元中的第1至8個位元。由於所取得之位元位置不同，因此，高亮影像S-1、中亮影像S0與低亮影像S1可分別保有原始影像K0之較亮區域之特徵、中亮度區域之特徵與較暗區域之特徵。然前述中位元區間、高位元區間及低位元區間之位元取樣範圍僅為舉例，並非用以限制本發明之範圍，且可分別保有原始影像K0之不同亮度範圍之影像數量可視實際需求而決定，非限定於三張。
更明確地說，在高亮影像S-1中，大部分高亮度的區域特徵會被保留，而低亮度的區域的特徵則會被犧牲。同理，於低亮影像S1中，大部分低亮度的區域特徵會被保留，而高亮度的區域的特徵則會被犧牲。至於中亮影像S0，即可保留原始影像中相對中亮度的區域特徵，而不在此區域的亮度值均被犧牲。於此需說明的是，中位元區間、高位元區間與低位元區間並不以此為限，可依據數位影像裝置100所要呈現之影像而決定所取感應像素之位元區間。其次，上述位元篩選程序中，高亮影像S-1、中亮影像S0與低亮影像S1之成像順序亦無先後之限制。
續請配合「第4B圖」至「第4D圖」一併閱覽之。由於高亮影像S-1、中亮影像S0與低亮影像S1係為自原始影像K0執行前述位元篩選程序後，所獲得之影像資料。因此高亮影像S-1、中亮影像S0與低亮影像S1於同一拜耳樣板 20內分別各具有感應像素22R-1,22Gr-1,22Gb-1,22B-1、22R0,22Gr0,22Gb0,22B0與22R1,22Gr1,22Gb1,22B1。
關於步驟S306，舉例而言，在對比高亮影像S-1、中亮影像S0與低亮影像S1於同一拜耳樣板20內之同一光濾鏡(以紅光為例)時，感應像素22R-1,22R0,22R1分別具有其各自對應於高亮影像S-1、中亮影像S0與低亮影像S1中之邊緣值ER-1,ER0,ER1。因此，於合併感應像素22R-1,22R0,22R1時，其分別所佔之權重WR-1,WR0,WR1可為、與。同樣地，感應像素22Gr-1,22Gr0,22Gr1、22Gb-1,22Gb0,22Gb1與22B-1,22B0,22B1皆會具有其各自對應高亮影像S-1、中亮影像S0與低亮影像S1之邊緣值EGr-1,EGr0,EGr1、EGb-1,EGb0,EGb1與EB-1,EB0,EB1。因此，在對比高亮影像S-1、中亮影像S0與低亮影像S1之同一拜耳樣板20下，可依上述之邊緣偵測程序決定出對應高亮影像S-1的一高亮權重陣列A-1、對應中亮影像S0的一中亮權重陣列A0與對應低亮影像S1的一低亮權重陣列A1。其中高亮權重陣列A-1、中亮權重陣列A0與低亮權重陣列A1分別如「第5A圖」至「第5C圖」所示。
由於高亮影像S-1、中亮影像S0與低亮影像S1可各自保有原始影像K0之較亮區域、中亮度區域與較暗區域之特徵，且其各自相對應之權重陣列亦可由上述邊緣偵測程 序而決定。因此步驟308即可以一權重加總法而計算得到一融合(fusion)後之高動態影像，也就是，利用高亮影像S-1乘以其相對應之高亮權重陣列A-1加上中亮影像S0乘以其相對應之中亮權重陣列A0加上低亮影像S1乘以其相對應之低亮權重陣列A1，以得到顯示於「第1B圖」中顯示裝置200之高動態影像。
其次，根據本發明另一實施例，關於步驟S306決定高亮權重陣列A-1、中亮權重陣列A0與低亮權重陣列A1的做法，並不以邊緣偵測程序為限，亦可為一亮度判斷程序或一彩度判斷程序。
綜上，根據本發明實施例之影像處理方法，可自原始影像獲取對應於不同亮度特徵之影像資料，再透過邊緣偵測程序、亮度判斷程序或彩度判斷程序，決定各影像資料所佔之相對權重。最後再以權重加總法得到一張可把不同亮度特徵融合(fusion)起來之高動態影像。
此外，為了使得最終輸出之高動態影像的色彩可以更自然，且去除多餘人工化之痕跡，根據本發明實施例之影像處理方法，步驟S308更可以下述實施例實現之：步驟S308之第二實施例：「第3B圖」係為關於「第3A圖」之步驟S308，其第二實施例之流程圖。由於高亮影像S-1、中亮影像S0與低亮影像S1係為感應像素對應於8位元之影像資料，故「第1B圖」中之微處理器106可先針對 高亮影像S-1、中亮影像S0與低亮影像S1進行一階層柔化程序，如步驟S310所示，以獲得對應於高亮影像S-1的一高主柔影像M-1、對應於中亮影像S0的一中主柔影像M0與對應於低亮影像S1的一低主柔影像M1。
續請配合參閱「第6A圖」與「第6B圖」，以高主柔影像M-1為例，關於步驟S310之階層柔化程序，較佳地可以是：將高亮影像S-1中各個拜耳樣板20內的同一光濾鏡(以紅光為例)進行處理程序(如內插法)，形成單一色光感應像素24R-1。爾後，再以此方法類推，獲得其餘經階層柔化程序後之感應像素24Gr-1,24Gb-1,24B-1，以推算得較接近於原高亮影像S-1之高主柔影像M-1。並以此方法，自中亮影像S0獲得其對應的中主柔影像M0與自低亮影像S1獲得其對應的低主柔影像M1。因此，舉例而言，在高亮影像S-1、中亮影像S0與低亮影像S1之影像資料的解析度為800萬畫素(8M pixels)的情況下，其對應之高主柔影像M-1、中主柔影像M0與低主柔影像M1係為2M pixels。
關於步驟S312，如「第6B圖」至「第6D圖」所示，高主柔影像M-1、中主柔影像M0與低主柔影像M1可再根據前述之邊緣偵測程序、亮度判斷程序或彩度判斷程序，決定各自對應的高主柔權重陣列、中主柔權重陣列與低主柔權重陣列。接著，如步驟S314所示，再依照權重加總法，並以微處理器106修正各點之感應像素後得到一放大回影像 資料為8M pixels之柔化影像。
如「第3C圖」之流程圖所示，柔化影像可再經由邊緣偵測程序、亮度判斷程序或彩度判斷程序與一仿真影像進行比較，取得其各自對應之權重比例，再依權重加總法獲得最終輸出之高動態影像。其中仿真影像即為未經過階層柔化程序前之高亮影像S-1、中亮影像S0與低亮影像S1與其相對應之高亮權重陣列A-1、中亮權重陣列A0與低亮權重陣列A1經權重加總法後所產生之影像資料。
因此，根據本發明實施例之影像處理方法，更可依據上述實施例，以進行階層合併(Hierarchical)程序，但並不以上述實施例之做法為限。設計者於影像處理程序中，可自行決定所要合併的層級數量及影像資料，以獲取一階層融合後更高動態、更接近真實彩度，且可有效去除人工化之影像資料。
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。

Claims (6)

  1. 一種影像處理方法，包括：擷取一原始影像；自該原始影像獲得一高亮影像、一中亮影像與一低亮影像；根據該高亮影像、該中亮影像與該低亮影像決定對應的一高亮權重陣列、一中亮權重陣列與一低亮權重陣列；以及根據該高亮影像、該中亮影像、該低亮影像與對應的該高亮權重陣列、該中亮權重陣列與該低亮權重陣列獲得一高動態影像；其中該決定對應的一高亮權重陣列、一中亮權重陣列與一低亮權重陣列之步驟係為執行一邊緣偵測程序以自該高亮影像、該中亮影像與該低亮影像獲得該高亮權重陣列、該中亮權重陣列與該低亮權重陣列。
  2. 如請求項1所述之影像處理方法，其中該自該原始影像獲得一高亮影像、一中亮影像與一低亮影像之步驟係為執行一位元篩選程序以自該原始影像獲得該高亮影像、該中亮影像與該低亮影像。
  3. 如請求項2所述之影像處理方法，其中該位元篩選程序包括：自該原始影像之一中位元區間獲得該中亮影像；自該原始影像之一高位元區間獲得該高亮影像；以及自該原始影像之一低位元區間獲得該低亮影像。
  4. 如請求項1所述之影像處理方法，其中該根據該高亮影像、該中亮影像、該低亮影像與對應的該高亮權重陣列、該中亮權重陣列與該低亮權重陣列獲得一高動態影像之步驟係為以一權重加總法獲得該高動態影像。
  5. 如請求項1所述之影像處理方法，其中該根據該高亮影像、該中亮影像、該低亮影像與對應的該高亮權重陣列、該中亮權重陣列與該低亮權重陣列獲得一高動態影像之步驟更包括：根據該高亮影像、該中亮影像、該低亮影像執行一階層柔化程序， 以獲得一柔化影像；根據該高亮影像、該中亮影像、該低亮影像與對應的該高亮權重陣列、該中亮權重陣列與該低亮權重陣列獲得一仿真影像；以及根據該柔化影像與該仿真影像獲得該高動態影像。
  6. 如請求項5所述之影像處理方法，其中該根據該高亮影像、該中亮影像、該低亮影像執行一階層柔化程序，以獲得一柔化影像之步驟包括：根據該高亮影像、該中亮影像與該低亮影像獲得對應之一高主柔影像、一中主柔影像與一低主柔影像；根據該高主柔影像、該中主柔影像與該低主柔影像決定對應的一高主柔權重陣列、一中主柔權重陣列與一低主柔權重陣列；以及以一權重加總法根據該高主柔影像、該中主柔影像、該低主柔影像與對應的該高主柔權重陣列、該中主柔權重陣列與該低主柔權重陣列獲得該柔化影像。
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