TWI508554B - 基於光場相機的影像對焦處理方法及其系統 - Google Patents

基於光場相機的影像對焦處理方法及其系統 Download PDF

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Description

基於光場相機的影像對焦處理方法及其系統
本發明是有關於一種影像對焦處理方法及其系統，特別是指一種基於光場相機的影像對焦處理方法及其系統。
近年來，電腦圖學已經將光場理論運用到社會生活中的許多領域。而多家公司亦已經製造出不同用途的光場相機，其主要技術在於將相機感光元件及主鏡頭中間加裝一個微型鏡頭陣列，而該微型鏡頭陣列中的每個微型鏡頭，相當於放置在不同位置的相機鏡頭，其中，藉由每一微型鏡頭成像在該感光元件上且具有多個主要用以紀錄光線的方向及強度的像素點所構成的集合的微影像，它們的資訊在被由後面同一個感光元件記錄下來後，由電腦軟體還原處理生成新的光場資料，因而可在電腦上任意改變影像對焦點。
但由於每次在改變新的對焦點時，往往需要針對影像中所有的像素進行再對焦運算，且光學機械式的對焦系統有其速度上的限制，以目前最快速的光學對焦系統 大約要0.09秒的時間，這差不多係三張動態影像的時間。有鑑於此，為了能有效率地減少不必要的對焦運算，須尋求一種解決方案。
因此，本發明的目的在於提供一種基於光場相機的影像對焦處理方法。
本發明基於光場相機的影像對焦處理方法，適用於處理一光場相機拍攝一場景後所產生的一原始光場影像，其中，該光場相機包括一主鏡頭、一具有多個微型鏡頭的微型鏡頭陣列，及一感光元件，且該原始光場影像具有多個對應該場景空間中由任一點所發出的光束藉由該主鏡頭折射後，並分別經由該等微型鏡頭呈像在該感光元件中的不同位置的微影像區域，該方法包含下列步驟：(a)根據該原始光場影像之影像資訊及一門檻條件，取得相關於該原始光場影像之多個特徵像素，進而產生一具有該等特徵像素的特徵影像；以及(b)當指定一對焦位置進行重對焦以產生一重對焦影像時，相對於該對焦位置的該重對焦影像中與該特徵影像的特徵像素對應相同位置的像素，其像素值為藉由在該原始光場影像中依據該對焦位置進行重對焦運算所產生，且該重對焦影像中非與該特徵影像的特徵像素對應的像素，其像素值則與一原始對焦影像中對應相同位置的像素之像素值相同，其中，該原始對焦影像係來自於該原始光場影像。
本發明的另一目的，即在提供一種基於光場相 機的影像對焦處理系統。
本發明基於光場相機的影像對焦處理系統，適用於處理一光場相機拍攝一場景後所產生的一原始光場影像，其中，該光場相機包括一主鏡頭、一具有多個微型鏡頭的微型鏡頭陣列，及一感光元件，且該原始光場影像具有多個對應該場景空間中由任一點所發出的光束藉由該主鏡頭折射後，並分別經由該等微型鏡頭呈像在該感光元件中的不同位置的微影像區域，該系統包含一影像前處理單元、一設定單元，及一對焦處理單元。
該影像前處理單元用以根據該原始光場影像之影像資訊及一門檻條件，取得相關於該原始光場影像之多個特徵像素，進而產生一具有該等特徵像素的特徵影像，並且從該原始光場影像產生一原始對焦影像。
該設定單元用以指定一對焦位置。
該對焦處理單元，用以根據該設定單元所指定的該對焦位置進行重對焦以產生一重對焦影像，其中，相對於該對焦位置的該重對焦影像中與該特徵影像的特徵像素對應相同位置的像素，其像素值為藉由在該原始光場影像中依據該對焦位置進行重對焦運算所產生，且該重對焦影像中非與該特徵影像的特徵像素對應的像素，其像素值則與該原始對焦影像中對應相同位置的像素之像素值相同。
11‧‧‧原始光場影像
111‧‧‧全景深影像
112‧‧‧邊緣影像
12‧‧‧原始對焦影像
13‧‧‧重對焦影像
21‧‧‧影像前處理單元
211‧‧‧影像產生模組
212‧‧‧檢測模組
22‧‧‧記憶單元
23‧‧‧設定單元
24‧‧‧對焦處理單元
31~35‧‧‧步驟
321~322‧‧‧子步驟
323~324‧‧‧子步驟
本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的 實施方式中清楚地呈現：圖1是一方塊圖，說明本發明基於光場相機的影像對焦處理系統的一較佳實施例；圖2是一流程圖，說明本發明基於光場相機的影像對焦處理方法的一較佳實施例；圖3是一流程圖，說明該較佳實施例中根據一原始光場影像產生一特徵影像的一第一實施態樣；圖4是一示意圖，說明該較佳實施例的一全景深影像；圖5是一示意圖，說明該較佳實施例的一特徵影像；以及圖6是一流程圖，說明該較佳實施例中，根據該原始光場影像產生該特徵影像的一第二實施態樣。
參閱圖1，本發明基於光場相機的影像對焦處理系統，適用於接收由一光場相機拍攝一場景後所產生的一原始光場影像11後進行重對焦處理，以產生一重對焦影像13。其中，該光場相機(圖未示)包括一主鏡頭、一具有多個微型鏡頭的微型鏡頭陣列、一感光元件及一顯示單元。
在本較佳實施例中，該原始光場影像11具有多個對應該場景空間中由任一點所發出的光束藉由該主鏡頭折射後，並分別經由該等微型鏡頭呈像在該感光元件中的不同位置的微影像區域，且每一微影像區域用以紀錄對應 相同位置不同視角的場景畫面；此外，假設該微型鏡頭陣列具有M×N個整齊排列的微型鏡頭，則該原始光場影像11中則具有與該等微型鏡頭相同數目的微影像區域(即，M×N個)；其中，M、N為至少大於一的自然數。
該影像對焦處理系統的較佳實施例包含一影像前處理單元21、一電連接該影像前處理單元21的記憶單元22、一電連接該影像前處理單元21的設定單元23，以及一電連接該影像前處理單元21及該設定單元23的對焦處理單元24。其中，該影像前處理單元21包括一影像產生模組211及一檢測模組212。
其中，該光場相機之顯示單元用以顯示該影像前處理單元21在進行重對焦之前，由該影像前處理單元21處理該原始光場影像11後所產生的一原始(raw)對焦影像12，且該記憶單元22用以儲存該原始對焦影像12；其中，該原始對焦影像12的像素數目與該等微影像區域的個數相等，且該原始對焦影像12中的每一像素係對應於每一微影像區域，因此，若承襲上述範例，該原始對焦影像12之解析度則為M×N。
在本較佳實施例中，該原始對焦影像12係為該光場相機在一起始狀態透過一原始對焦位置擷取該場景畫面後，由該影像前處理單元21藉由簡單運算處理而來；其可透過該影像前處理單元21將成像在該感光元件上的每一微影像區域中所有像素之像素值進行平均或加權平均，並依據平均或加權平均後的每一像素所屬之微影像區域的排 列順序進行排列，所產生的聚焦在該原始對焦位置之影像；或者，亦可透過該影像前處理單元21依據每一微影像之中心位置像素產生該原始對焦影像12，以使該原始對焦影像12中的每一像素由其所對應的微影像區域之中心位置像素所構成。
其中，該影像前處理單元21係在該原始光場影像11中，根據該等微影像區域來進行影像前處理；在本較佳實施例中，該影像前處理之流程，主要是透過該影像前處理單元21根據該原始光場影像11之影像資訊及預先設定的一門檻條件，分別取得相關於該原始光場影像11的多個特徵像素及多個非特徵像素，進而產生一解析度為M×N的特徵影像；接著，該影像前處理單元21載入該原始對焦影像12，並在該原始對焦影像12中，將對應該特徵影像的特徵像素之相同位置的每一像素個別標示為待對焦處理像素。
以下，請參閱圖1、圖4及圖5，將舉例說明本較佳實施例的第一實施態樣中該影像前處理所執行的細節。
首先，藉由該影像產生模組211依據每一微影像區域的中心位置像素的像素值，將該等中心位置像素依序排列以形成解析度為M×N的一全景深影像111；其中，此作法原理等同於在該主鏡頭前方放置一個中央具有一小孔的遮罩，使通過該遮罩之小孔的光束訊號正好落在每一微型鏡頭之正中央，如同模擬針孔(pinhole)成像概念， 使其成像結果具有全景深的特性。
接著，藉由該檢測模組212將該全景深影像111進行梯度運算，以得到該全景深影像111中所有像素之梯度資訊，進而根據該等梯度資訊來產生該特徵影像，其中，針對該特徵影像中相較於該門檻條件，該梯度資訊之數值超過該門檻條件之像素則為特徵像素，其餘像素則為非特徵像素；接著該檢測模組212繼而依據該特徵影像中所有特徵像素之分布位置，以將該原始對焦影像12對應的像素標示為待對焦處理像素。其中，該門檻條件可由該使用者預先設定。
在本第一較佳實施態樣中，該檢測模組212係採用Canny算子、Sobel算子，以及Laplacian算子中的其中一者，將該全景深影像111進行梯度運算；舉例來說，該特徵影像例如可為二值化的邊緣影像112(見圖5)，且該邊緣影像112中的該等特徵像素構成圖5中的白色區域，而該邊緣影像112中該等非特徵像素構成圖5中的黑色區域。
以下，請參閱圖1，將舉例說明本較佳實施例的第二實施態樣中該影像前處理所執行的細節。
首先，藉由該影像產生模組211對該原始光場影像11中的所有微影像區域的像素進行幾何轉換，進而產生一核影像(epipolar image)(圖未示)，其計算細節為此領域者技術人員所熟知，故不在此贅述。
接著，藉由該檢測模組212將該核影像進行梯 度運算，以得到該核影像中所有像素之梯度資訊，並依據該核影像中的每一像素之梯度資訊，將梯度資訊之絕對值大於該門檻條件的像素判定為特徵像素，其餘像素則被判定為非特徵像素，進而產生該特徵影像；接著該檢測模組212繼而依據該特徵影像中所有特徵像素之分布位置，以將該原始對焦影像12對應的像素標示為待對焦處理像素。其中，該第二實施態樣中的門檻條件與該第一實施態樣中的門檻條件不同，並可由該使用者預先設定。
因此，當一使用者透過該光場相機之顯示單元觀看該原始對焦影像12時，其可藉由該設定單元23指定相關於該原始對焦影像12中的一對焦位置，且該設定單元23在新的對焦位置產生後，進而傳送包含該對焦位置的一控制指令至該影像前處理單元21。在本較佳實施例中，該設定單元23可為一觸控面板，但不限於此。
繼而，該對焦處理單元24用以依據由該第一實施態樣或由該第二實施態樣中，相關於該原始對焦影像12中每一像素的標示情況，並針對該對焦位置依序計算並更新該原始對焦影像12中與該特徵影像的特徵像素對應相同位置的像素的像素值，進而產生解析度與該特徵影像相同的該重對焦影像13。
值得一提的是，在該重對焦影像13中對應該特徵影像的特徵像素相同位置的像素，其像素值為藉由在該原始光場影像11中依據該對焦位置進行重對焦運算所產生，且在該重對焦影像13中其餘像素(即，非與該特徵影 像的特徵像素對應之像素)，其像素值則與該原始對焦影像12中對應相同位置的像素之像素值相同(即，不須進一步計算，直接採用該原始對焦影像12上的像素)；其中，針對該對焦位置以將原始光場影像11進行重對焦處理之對焦運算演算法，其計算細節為熟習此項技術者所熟知，故不在此贅述。
在本較佳實施例中，該重對焦影像13中每一非特徵像素的像素值來自於該原始對焦影像12。該原始對焦影像12可以是前述的針孔原理全景深影像111，也就是其每一像素值與其所對應的微影像區域的中心位置像素的像素值相同；或者，該原始對焦影像12的每一像素值可以是與其所對應的微影像區域的所有像素的像素平均值或加權平均值相同。
參閱圖1與圖2，以下配合一基於光場相機的影像對焦處理方法，說明對應上述影像對焦處理系統的較佳實施例。
首先，如步驟31所示，利用該影像前處理單元21接收一原始光場影像11。
接著，如步驟32所示，利用該影像前處理單元21針對根據該原始光場影像11之影像資訊及一門檻條件，取得相關於該原始光場影像11之多個特徵像素，進而產生一具有該等特徵像素的特徵影像，且該影像前處理單元21進一步執行該步驟32中的下列子步驟：
第一實施態樣
請參閱圖3至圖5，在本較佳實施例之第一實施態樣中，如步驟321所示，利用該影像產生模組211取得每一微影像區域的中心位置像素的像素值，以產生一全景深影像111。
接著，如步驟322所示，利用該檢測模組212透過梯度運算，以檢測出該全景深影像111所有像素之梯度資訊，並根據該等梯度資訊及該門檻條件據以產生該特徵影像，其中，該梯度運算之演算法，舉例來說，如Canny、Sobel、Laplacian算子，但不限於此。
第二實施態樣
或者，請參閱圖6，在本較佳實施例之第二實施態樣中，如步驟323所示，利用該影像產生模組211對該原始光場影像11中的所有微影像區域的像素進行幾何轉換，以產生一核影像。
接著，如步驟324所示，利用該檢測模組212將該核影像進行梯度運算，繼而根據該等梯度資訊及該門檻條件產生該特徵影像。
接著，如步驟33所示，利用該影像前處理單元21從該原始光場影像11產生一原始對焦影像12。
在本較佳實施例中，該原始對焦影像12的每一像素值，可為與其所對應的微影像區域的中心位置像素的像素值相同，或者，亦可以與其所對應的微影像區域的所有像素的像素平均值或加權平均值相同。
接著，如步驟34所示，利用該設定單元23指 定一對焦位置。
接著，如步驟35所示，利用該對焦處理單元24根據該設定單元23所指定的該對焦位置進行重對焦處理，以更新該原始對焦影像12中與該特徵影像的特徵像素對應相同位置的像素之像素值，進而產生一重對焦影像13；其中，在該重對焦影像13中與該特徵影像的特徵像素對應相同位置的像素，其像素值為藉由在該原始光場影像11中依據該對焦位置進行重對焦運算所產生，且在該重對焦影像13中其餘像素(即，對應該特徵影像中的非特徵像素)之像素值則不變動，其與該原始對焦影像12中對應相同位置的像素之像素值相同。
值得一提的是，該使用者若想針對同一原始光場影像11重新設定新的對焦位置，則可藉由該步驟33至該步驟35來獲得新的重對焦影像13，過程中無須對每一像素進行重對焦運算，只須運算對應於特徵影像中特徵像素的像素。
綜上所述，本發明藉由該影像前處理單元21依據該原始光場影像11的影像內容預先判定該重對焦影像13中每一像素的像素值是否需要經由對焦處理來求出，進而排除掉該重對焦影像13中不需經由對焦運算的像素，以節省不必要的對焦運算時間，而可進一步提升整體的處理速度，故確實能達成本發明的目的。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明 申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
31~35‧‧‧步驟

Claims (12)

  1. 一種基於光場相機的影像對焦處理方法，適用於處理一光場相機拍攝一場景後所產生的一原始光場影像，其中，該光場相機包括一主鏡頭、一具有多個微型鏡頭的微型鏡頭陣列，及一感光元件，且該原始光場影像具有多個對應該場景空間中由任一點所發出的光束藉由該主鏡頭折射後，並分別經由該等微型鏡頭呈像在該感光元件中的不同位置的微影像區域，該方法包含下列步驟：(a)根據該原始光場影像之影像資訊及一門檻條件，取得相關於該原始光場影像之多個特徵像素，進而產生一具有該等特徵像素的特徵影像；以及(b)當指定一對焦位置進行重對焦以產生一重對焦影像時，相對於該對焦位置的該重對焦影像中與該特徵影像的特徵像素對應相同位置的像素，其像素值為藉由在該原始光場影像中依據該對焦位置進行重對焦運算所產生，且該重對焦影像中非與該特徵影像的特徵像素對應的像素，其像素值則與一原始對焦影像中對應相同位置的像素之像素值相同，其中，該原始對焦影像係來自於該原始光場影像。
  2. 如請求項1所述的基於光場相機的影像對焦處理方法，其中，該步驟(a)包括下列子步驟：(a-1)取得每一微影像區域的中心位置像素的像素值，以產生一全景深影像；以及 (a-2)將該全景深影像進行梯度運算，以得到該全景深影像中所有像素之梯度資訊，繼而根據該等梯度資訊及該門檻條件產生該特徵影像。
  3. 如請求項2所述的基於光場相機的影像對焦處理方法，在該步驟(a-2)中，該梯度運算係採用Canny算子、Sobel算子及Laplacian算子中的其中一者。
  4. 如請求項1所述的基於光場相機的影像對焦處理方法，其中，該步驟(a)包括下列子步驟：(a-3)對該原始光場影像中的所有微影像區域的像素進行幾何轉換，以產生一核影像(epipolar image)；以及(a-4)將該核影像進行梯度運算，以得到該核影像中所有像素之梯度資訊，繼而根據該等梯度資訊及該門檻條件產生該特徵影像。
  5. 如請求項1所述的基於光場相機的影像對焦處理方法，其中，在該步驟(b)中，該原始對焦影像中的每一像素係對應於每一微影像區域，且其像素值與其所對應的微影像區域的中心位置像素的像素值相同。
  6. 如請求項1所述的基於光場相機的影像對焦處理方法，其中，在該步驟(b)中，該原始對焦影像中的每一像素係對應於每一微影像區域，且其像素值與其所對應的微影像區域的所有像素的像素平均值或加權平均相同。
  7. 一種基於光場相機的影像對焦處理系統，適用於處理 一光場相機拍攝一場景後所產生的一原始光場影像，其中，該光場相機包括一主鏡頭、一具有多個微型鏡頭的微型鏡頭陣列，及一感光元件，且該原始光場影像具有多個對應該場景空間中由任一點所發出的光束藉由該主鏡頭折射後，並分別經由該等微型鏡頭呈像在該感光元件中的不同位置的微影像區域，該系統包含：一影像前處理單元，用以根據該原始光場影像之影像資訊及一門檻條件，取得相關於該原始光場影像之多個特徵像素，進而產生一具有該等特徵像素的特徵影像，並且從該原始光場影像產生一原始對焦影像；一設定單元，用以指定一對焦位置；以及一對焦處理單元，用以根據該設定單元所指定的該對焦位置進行重對焦以產生一重對焦影像，其中，相對於該對焦位置的該重對焦影像中與該特徵影像的特徵像素對應相同位置的像素，其像素值為藉由在該原始光場影像中依據該對焦位置進行重對焦運算所產生，且該重對焦影像中非與該特徵影像的特徵像素對應的像素，其像素值則與該原始對焦影像中對應相同位置的像素之像素值相同。
  8. 如請求項7所述的基於光場相機的影像對焦處理系統，該影像前處理單元包括一影像產生模組及一檢測模組，其中，該影像產生模組用以取得每一微影像區域的中心位置像素的像素值，以產生一全景深影像，且 該檢測模組用以將該全景深影像進行梯度運算，以得到該全景深影像中所有像素之梯度資訊，繼而根據該等梯度資訊及該門檻條件產生該特徵影像。
  9. 如請求項8所述的基於光場相機的影像對焦處理系統，該檢測模組係採用Canny算子、Sobel算子及Laplacian算子中的其中一者，將該全景深影像進行梯度運算。
  10. 如請求項7所述的基於光場相機的影像對焦處理系統，該影像前處理單元包括一影像產生模組及一檢測模組，其中，該影像產生模組用以對該原始光場影像中的所有微影像區域的像素進行幾何轉換，以產生一核影像，且該檢測模組用以將該核影像進行梯度運算，以得到該核影像中所有像素之梯度資訊，繼而根據該等梯度資訊及該門檻條件產生該特徵影像。
  11. 如請求項7所述的基於光場相機的影像對焦處理系統，其中，該原始對焦影像中的每一像素係對應於每一微影像區域，且其像素值與其所對應的微影像區域的中心位置像素的像素值相同。
  12. 如請求項7所述的基於光場相機的影像對焦處理系統，其中，該原始對焦影像中的每一像素係對應於每一微影像區域，且其像素值與其所對應的微影像區域的所有像素的像素平均值或加權平均相同。
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