TWI529661B - 快速建立景深圖的方法及影像處理裝置 - Google Patents

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Description

快速建立景深圖的方法及影像處理裝置
本發明是有關於一種影像景深圖產生方法，特別是指一種能快速建立影像景深圖的方法。
景深圖是一張灰階圖，用來表示影像上每個畫素所對應到的深度值(或稱深度值)，亦即呈現出相機到物件之間的距離資料。習知每個畫素的深度值都是透過周邊的影像加權計算，計算速度十分緩慢，尤其當拍攝動態影像而需要每秒顯示多個視訊框(video frame)時，則必需採用更強運算能力的處理器或者減少處理的視訊框數量，而前者會導致處理成本的增加，後者將使應用景深圖所產生的影像品質受到影響。
此外，在光場相機重對焦應用中，需要利用影像的一景深圖對影像中對焦面以外的相對位置進行不同程度的模糊化處理。且在實際應用上，使用者通常只會針對影像中有物件存在之處，對物件進行重對焦，因此景深圖中沒有物件存在之處的圖素的深度值，事實上並不會被利 用到。因此實際上並不需要針對影像中的每一個畫素，尤其是沒有物件存在之處的畫素計算其深度值。
因此，本發明的目的即在於提供一種只針對影像中的物件，估算與物件對應的深度值之快速建立景深圖的方法及應用該方法的影像處理裝置。
於是，本發明快速建立景深圖的方法，是針對一光場相機拍攝的一影像，且該光場相機的鏡頭模組包含一個由多個微小鏡頭組成的透鏡陣列，每個微小鏡頭對應數個感光畫素；該方法包括：(A)由一影像處理裝置的一物件判別模組根據該影像中存在的物件經由該透鏡陣列投射至該等感光畫素的角度，判斷該影像中的物件與該鏡頭模組的距離遠近，進而判定物件的深度階層數；(B)由該影像處理裝置的一景深計算模組計算該影像其中一深度階層的一深度值；及(C)由該影像處理裝置的一景深估算模組根據位於其它深度階層的各該物件經由該透鏡陣列投射在位於一第一位置的該等感光畫素，以及位於步驟(B)所述的該深度階層的該物件經由該透鏡陣列投射在位於一第二位置的該等感光畫素，估算該第一位置與該第二位置之間的一相對距離，並根據各該相對距離與步驟(B)求得的該深度值，推算其它深度階層的一深度值，藉此建立該影像的一景深圖
因此，本發明實現上述方法的一影像處理裝置，用以建立一光場相機所拍攝的一影像的景深圖，該光 場相機的鏡頭模組包含一個由多個微小鏡頭組成的透鏡陣列，每個微小鏡頭對應數個感光畫素；該影像處理裝置包括：一物件判別模組，其根據該影像中存在的物件投射至該透鏡陣列的一入射角，判斷該影像中的物件與該鏡頭模組的距離遠近，進而判定物件的深度階層數；一景深計算模組，其計算該影像其中一深度階層的一深度值；及一景深估算模組，其根據位於其它深度階層的各該物件經由該透鏡陣列投射在位於一第一位置的該等感光畫素，以及位於該景深計算模組所計算的該深度階層的該物件經由該透鏡陣列投射在位於一第二位置的該等感光畫素，估算該第一位置與該第二位置之間的一相對距離，並根據各該相對距離與該景深計算模組所計算的該深度值，推算其它深度階層的一深度值，藉此建立該影像的一景深圖。
且在本發明的一實施例中，該景深計算模組是 根據該鏡頭模組的一主鏡頭的焦段、該感光畫素的尺寸、該微小鏡頭與該感光畫素的距離以及該微小鏡頭的焦距，計算該基準物件的該深度值。
且在本發明的一實施例中，該景深計算模組已 知一物件經由該鏡頭模組的一主鏡頭入射的光與通過該主鏡頭中心點的一光軸的夾角分別為0°、45°及135°時，該物件與該光場相機的距離分別為10公尺、5公尺及15公尺，且已知該基準物件與該光軸間具有一第一夾角，而且該景深計算模組根據各該相對距離反推得知其它階層的各該物件與該光軸間具有一第二夾角，並利用內插法根據 該基準物件的該深度值以及該第一夾角與該第二夾角的一差值，估算其它階層的各該物件的該深度值。
且在本發明的一實施例中，每一深度階層中存 在至少一物件，且該影像處理裝置的該物件判別模組還依照該影像中物件的距離遠近，依序對每一深度階層標示一索引值，使得該光場相機針對該影像其中一深度階層的物件進行重對焦時，能根據該深度階層的索引值，從該景深圖中取出與該深度階層對應的該景深值進行重對焦作業。
本發明的影像處理裝置只需先計算影像中位於 某一階層的物件的深度值，再根據位於其它階層的物件與已知深度值的該物件經過微透鏡陣列投射在不同位置之感光畫素上的相對距離以及已知的深度值，推算出位於其它階層的物件的深度值，即可快速建立影像的景深圖。並且藉由在影像上標示各階層的索引值，當光場相機欲針對影像其中一階層的物件進行重對焦時，即可根據該階層的索引值，從景深圖中取出與該階層對應的景深值進行重對焦作業，確實達到本發明的功效與目的。
1‧‧‧影像處理裝置
2‧‧‧光場相機
3‧‧‧影像
11‧‧‧物件判別模組
12‧‧‧景深計算模組
13‧‧‧景深估算模組
20‧‧‧鏡頭模組
21‧‧‧主鏡頭
22‧‧‧微小鏡頭
23‧‧‧透鏡陣列
24‧‧‧感光畫素
A、B、C、D‧‧‧物件
P‧‧‧光軸
d1、d2‧‧‧相對距離
V1、V2、V3‧‧‧深度值
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，其中：圖1是本發明影像處理裝置的一實施例的組成元件示意圖；圖2是本發明快速建立景深圖的方法的一實施例的流程圖； 圖3是由一光場相機拍攝的一影像示意圖；圖4是一光場相機的一鏡頭模組的內部構造示示意圖；圖5是影像中不同位置的物件經由主鏡頭入射的光投射在微透鏡陣列後方不同位置處的感光畫素的示意圖；及圖6是本實施例產生的景深圖的示意圖。
參見圖1至圖4所示，是本發明快速建立景深圖的方法的一實施例，該方法被應用並實現在一影像處理裝置1中，且影像處理裝置1可與一光場相機2整合在一起，或者獨立於光場相機2之外，例如設置在一與光場相機2電耦接的電腦(圖未示)中，以處理由光場相機2拍攝並輸出的影像3，如圖3所示。且如圖4所示，光場相機2的鏡頭模組20主要包含一主鏡頭21及一個由多個微小鏡頭22組成的透鏡陣列23，且每個微小鏡頭22對應數個感光畫素24。
又如圖1所示，本實施例的影像處理裝置1主要包括一物件判別模組11、一景深計算模組12及一景深估算模組13，其被預先載置於影像處理裝置1的一影像處理器(圖未示)中，並以能被影像處理器控制並執行的軟體或韌體程式實現。
且如圖2的步驟S1所示，本實施例影像處理裝置1的物件判別模組11會根據影像3中圖素的值，判別影像3中存在幾個物件，例如圖3所示，有四個物件A、B、C、D，並且如圖5所示，物件判別模組11會根據影像3 中存在的物件A、B、C、D分別經由光場相機2的透鏡陣列23投射至感光畫素24的角度，判斷影像3中的物件A、B、C、D與鏡頭模組20的距離遠近，進而判定影像的深度階層數，藉此，可判定物件A、B、C分別與感光畫素24的距離不同，而物件D與物件C投射至感光畫素24的位置雖有不同，但因兩者投射至感光畫素24的角度相同，因此可以判斷物件D和物件C與鏡頭模組20的距離相同，只是兩者之間存在一水平距離，則物件判別模組11判定影像3具有三個深度階層，因此，每一個深度階層至少存在一物件。此外，需要說明的是圖5中以示意圖之方式將每個微小鏡頭22所對應的數個感光畫素24排列成半圓形，只是為了方便說明各物件因與光場相機距離遠近不同，而由不同角度投射至不同位置的感光畫素24，而且實際上該等感光畫素24是排列成一直線且共平面，如圖4所示。
然後如步驟S2，物件判別模組11還依照影像3 中物件的距離遠近，依序對每一深度階層標示一索引值，例如存在物件B的該深度階層的索引值為0，然後將位於物件B之後的其它深度階層，依照距離遠近依序標示遞增之索引值，例如物件A所在之深度階層的索引值為1，而物件C、D因為位於同一深度階層，故其具有相同的索引值2；藉此表示物件B與鏡頭模組20的距離最近，而物件C、D與鏡頭模組20的距離最遠。因此，若一影像中有五個物件P1~P5由近至遠排列時，則這五個深度階層的索引值將分別由0至4依序遞增，或者由4至0依序遞減，皆可 表示這五個深度階層與鏡頭模組20的距離遠近。再者，每一深度階層中存在的物件具有相同的深度值。
接著，如步驟S3，影像處理裝置1的一景深計 算模組12計算某一深度階層的一深度值，例如以物件A所在的深度階層為一基準階層並計算其一深度值V1，更確切地說，景深計算模組12可以根據鏡頭模組20的主鏡頭21的焦段、感光畫素24的尺寸、微小鏡頭22與感光畫素24的距離，以及微小鏡頭22的焦距，計算得到基準階層的深度值V1，亦即基準階層到光場相機2之間的距離。
然後，如圖2的步驟S4，影像處理裝置1的景 深估算模組13根據其它深度階層的各該物件B、C(D)的光經由透鏡陣列23投射在位於一第一位置的該等感光畫素24，以及在基準階層的物件A經由透鏡陣列23投射在位於一第二位置的該等感光畫素24，估算第一位置與第二位置之間的一相對距離d1、d2，如圖5所示。再如步驟S5，根據各該相對距離d1、d2與基準階層的深度值，推算其它深度階層的一深度值V2、V3，藉此建立影像3的一景深圖，如圖6所示，其中對應不同深度階層0、1、2之深度值V2、V1、V3以由淺至深(或者由深至淺)的顏色表示影像3中各該物件的距離遠近。
更確切地說，例如圖5所示，假設物件A、B、 C皆位於通過主鏡頭21中心點的一光軸P上，或者位在各個深度階層0、1、2中但未位於光軸P上的其它物件，亦可視為等同位於光軸P上的物件A、B、C。且已知基準階 層的深度值，例如10公尺，並且已知物件A入射的光與光軸P之間具有一第一夾角，例如0°(此時物件A的光恰好聚焦在微小透鏡22上)，而且已知光場相機2出廠時，已計算出當物件經由主鏡頭21入射的光與光軸P的夾角分別為0°、45°及135°時，物件與光場相機2的距離分別為10公尺、5公尺及15公尺。且景深估算模組13根據物件A與物件B分別投射在不同位置之感光畫素24之間的相對距離D1，反推得知物件B與光軸P之間具有一第二夾角θ2，例如35°後，即可利用內插法，根據物件A的深度值及第一夾角與第二夾角θ2的差值，估算出物件B所在的深度階層的深度值V2。
同理，景深估算模組13根據物件A與物件C 投射在不同位置之感光畫素24之間的相對距離D2，反推得知物件C與光軸P之間具有一第二夾角θ3，例如120°後，即可利用內插法，根據基準階層的深度值及第一夾角與第二夾角θ3的差值，估算出物件C(及物件D)所在的深度階層的深度值V3。
綜上所述，由於本實施例影像處理裝置1只需 先計算影像3中某一深度階層的深度值，再根據位於其它深度階層的物件與已知深度值的該深度階層中的物件經過微透鏡陣列22投射在不同位置之感光畫素24上的相對距離，以及已知的深度值推算出其它深度階層的的深度值，即可快速建立影像3的景深圖。並且藉由在影像3上標示各個深度階層的索引值，當光場相機2欲針對其中一深度 階層的物件進行重對焦時，即可根據該深度階層的索引值，從景深圖中取出與該深度階層對應的景深值進行重對焦作業，確實達到本發明的功效與目的。
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。
S1~S5‧‧‧步驟

Claims (8)

  1. 一種快速建立景深圖的方法，是針對一光場相機拍攝的一影像，且該光場相機的鏡頭模組包含一個由多個微小鏡頭組成的透鏡陣列，每個微小鏡頭對應數個感光畫素；該方法包括：(A)由一影像處理裝置的一物件判別模組根據該影像中存在的物件經由該透鏡陣列投射至該等感光畫素的角度，判斷該影像中的物件與該鏡頭模組的距離遠近，進而判定物件的深度階層數與依序；(B)由該影像處理裝置的一景深計算模組計算該影像其中一深度階層的一深度值；及(C)由該影像處理裝置的一景深估算模組根據位於其它深度階層的各該物件經由該透鏡陣列投射在位於一第一位置的該等感光畫素，以及位於步驟(B)所述的該深度階層的該物件經由該透鏡陣列投射在位於一第二位置的該等感光畫素，估算該第一位置與該第二位置之間的一相對距離，並根據各該相對距離與步驟(B)求得的該深度值，推算其它深度階層的一深度值，藉此建立該影像的一景深圖。
  2. 如請求項1所述的快速建立景深圖的方法，在步驟(B)中，該景深計算模組是根據該鏡頭模組的一主鏡頭的焦段、該感光畫素的尺寸、該微小鏡頭與該感光畫素的距離 以及該微小鏡頭的焦距，計算該深度階層的該深度值。
  3. 如請求項1所述的快速建立景深圖的方法，在步驟(C)中，該景深估算模組已知一物件經由該鏡頭模組的一主鏡頭入射的光與通過該主鏡頭中心點的一光軸的夾角分別為0°、45°及135°時，該物件與該光場相機的距離分別為10公尺、5公尺及15公尺，且已知位於步驟(B)所述的該深度階層的該物件與該光軸間具有一第一夾角，而且該景深估算模組根據各該相對距離反推得知其它階層的各該物件與該光軸間具有一第二夾角，並利用內插法根據步驟(B)所述的該深度階層的該深度值以及該第一夾角與該第二夾角的一差值，估算其它階層的各該物件的該深度值。
  4. 如請求項1至3其中任一所述的快速建立景深圖的方法，其中每一深度階層中存在至少一物件，且該影像處理裝置的該物件判別模組還依照該影像中物件的距離遠近，依序對每一深度階層標示一索引值，使得該光場相機針對該影像其中一深度階層的物件進行重對焦時，能根據該深度階層的索引值，從該景深圖中取出與該深度階層對應的該景深值進行重對焦作業。
  5. 一種影像處理裝置，用以建立一光場相機所拍攝的一影像的景深圖，該光場相機的鏡頭模組包含一個由多個微小鏡頭組成的透鏡陣列，每個微小鏡頭對應數個感光畫素；該影像處理裝置包括：一物件判別模組，其根據該影像中存在的物件投射 至該透鏡陣列的一入射角，判斷該影像中的物件與該鏡頭模組的距離遠近，進而判定物件的深度階層數與依序；一景深計算模組，其計算該影像其中一深度階層的一深度值；及一景深估算模組，其根據位於其它深度階層的各該物件經由該透鏡陣列投射在位於一第一位置的該等感光畫素，以及位於該景深計算模組所計算的該深度階層的該物件經由該透鏡陣列投射在位於一第二位置的該等感光畫素，估算該第一位置與該第二位置之間的一相對距離，並根據各該相對距離與該景深計算模組所計算的該深度值，推算其它深度階層的一深度值，藉此建立該影像的一景深圖。
  6. 如請求項5所述的影像處理裝置，其中該景深計算模組是根據該鏡頭模組的一主鏡頭的焦段、該感光畫素的尺寸、該微小鏡頭與該感光畫素的距離以及該微小鏡頭的焦距，計算該深度階層的該深度值。
  7. 如請求項5所述的影像處理裝置，其中該景深估算模組已知一物件經由該鏡頭模組的一主鏡頭入射的光與通過該主鏡頭中心點的一光軸的夾角分別為0°、45°及135°時，該物件與該光場相機的距離分別為10公尺、5公尺及15公尺，且已知位於該深度階層的該物件與該光軸間具有一第一夾角，而且該景深估算模組根據各該相對距離反推得知其它階層的各該物件與該光軸間具有 一第二夾角，並利用內插法根據該深度階層的該深度值以及該第一夾角與該第二夾角的一差值，估算其它階層的各該物件的該深度值。
  8. 如請求項5至7其中任一所述的影像處理裝置，其中每一深度階層中存在至少一物件，且該物件判別模組還依照該影像中物件的距離遠近，依序對每一深度階層標示一索引值，使得該光場相機針對該影像其中一深度階層的物件進行重對焦時，能根據該深度階層的索引值，從該景深圖中取出與該深度階層對應的該景深值進行重對焦作業。
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