TWI532413B - 照明補光系統及方法 - Google Patents

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TWI532413B TW102132863A TW102132863A TWI532413B TW I532413 B TWI532413 B TW I532413B TW 102132863 A TW102132863 A TW 102132863A TW 102132863 A TW102132863 A TW 102132863A TW I532413 B TWI532413 B TW I532413B
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陳奕全
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Description

照明補光系統及方法
本揭露係關於一種照明補光系統及一種補光方法，特別關於一種可以提供均勻影像亮度的照明補光系統以及補光方法。
於影像擷取的領域中，最主要的課題就是擷取一個清晰的影像，以便對被擷取的影像進行多種的影像處理。在亮度較低的環境，常見到使用額外的照明裝置進行補光，以擷取較清晰的影像。然此習知作法在被攝物體(前景物體)離光源太近時會因為光照強度太強而造成局部過曝的現象產生。
為解決此問題一技術被提出，此技術係利用自動曝光演算法(Automatic Exposure Algorithm,AE演算法)辦別場景亮度，針對過曝的情況降低發光裝置的發光強度，以改善前景物體的曝光度(亮度)。然而當前景物體過曝的現象解決後，往往又因整體環境亮度下降而衍生了背景畫面曝光不足的問題。因此，在照明補光的領域中，缺乏能夠同時對前景物體以及背景畫面進行適當補光的方法。
有鑑於以上的問題，本發明提出一種照明補光系統以及相對應的補光方法，利用多個用來照明的發光裝置以及分析亮度的演算法，來幫助使用者可以得到清楚可供辨識的影像內容，避免影像中前景物件的區塊及/或背景畫面的區塊發生曝光過度或是曝光不足的問題。
依據本發明的一種照明補光系統，包含複數個發光裝置、影像擷取裝置以及處理裝置。處理裝置分別耦接至複數個發光裝置以及影像擷取裝置。複數個發光裝置中的每一個發光裝置用以發射光線產生照明光型以照射不同區域。影像擷取裝置用以擷取第一影像，此第一影像包含複數個影像區塊，並且複數個影像區塊中的每一個影像區塊受來自於前述複數個發光裝置中，至少一個對應到的發光裝置的光線的影響。而處理裝置用以分析複數個影像區塊中的至少一個影像區塊的亮度，並依據分析所得到的亮度，調整複數個發光裝置中，被分析的影像區塊所對應到的至少一個發光裝置。
依據本發明的一種補光方法，包含以複數個發光裝置發射光線產生照明光型以照明。並且，擷取第一影像，此第一影像包含複數個影像區塊。複數個影像區塊中的每一個影像區塊受來自於複數個發光裝置中，所對應到的至少一個發光裝置的光線的影響。並且，分析複數個影像區塊中的至少一個影像區塊的亮度。並且，依據分析所得到的亮度， 調整被分析的影像區塊對應到的至少一個發光裝置。
本發明所提出的照明補光系統以及相對應的補光方法，利用演算法來分析影像中一個影像區塊的亮度。並根據此影像區塊的亮度，調整此區塊所對應用來照明的發光裝置的發光強度、照明光型或照射區域等特性，來得到清楚可供辨識的影像內容。如此一來，可以避免影像中的影像區塊有曝光過度、曝光不足或是曝光不均勻等問題。
以上之關於本揭露內容之說明及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋本發明之精神與原理，並且提供本發明之專利申請範圍更進一步之解釋。
1‧‧‧照明補光系統
11a~d、30~32‧‧‧發光裝置
13‧‧‧影像擷取裝置
15‧‧‧處理裝置
2‧‧‧第一影像
201、203‧‧‧區域
21~29‧‧‧影像區塊
251~259‧‧‧子影像區塊
4‧‧‧影像
401‧‧‧前景物件
41~49‧‧‧影像區塊
S610、S630、S650、S670‧‧‧步驟
第1圖係依據本發明一實施例的照明補光系統的功能方塊圖。
第2圖係用以說明依據本發明一實施例的照明補光系統中一個發光裝置的運作方式。
第3A圖係用以說明本發明一實施例的一對稱式矩形光型發光裝置的俯視示意圖。
第3B圖係用以說明本發明一實施例的一對稱式矩形光型發光裝置的側視示意圖。
第3C圖係用以說明本發明一實施例的一非對稱式(上下對稱左右不對稱)矩形光型發光裝置的俯視示意圖。
第3D圖係用以說明本發明一實施例的一非對稱式(上下對稱 左右不對稱)梯形光型發光裝置的俯視示意圖。
第4A圖係依據本發明一實施例的照明補光系統的運作示意圖。
第4B圖係第4A圖中的影像擷取裝置所擷取的第一影像示意圖。
第4C至第4F圖係用以說明各影像區塊與各發光裝置的關係。
第5A圖係用以說明本發明一實施例的一個影像區塊的亮度分布圖。
第5B圖係用以說明本發明另一實施例的一個影像區塊的亮度分布圖。
第6圖係依據本發明一實施例的影像示意圖。
第7圖係依據本發明另一實施例的照明補光系統裝置示意圖。
第8圖係依據本發明一實施例的補光方法流程圖。
以下在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明本發明之觀點，但非以任何觀點限制本發明之範疇。
以下所列舉的各實施例中，將以相同的標號代表相同或相似的元件。
請參照第1圖，其係依據本發明一實施例的照明補光系統的功能方塊圖。如第1圖所示，照明補光系統1包含複數個發光裝置11a至11d、影像擷取裝置13以及處理裝置15。處理裝置15分別耦接至複數個發光裝置11a至11d以及影像擷取裝置13。
複數個發光裝置11a至11d中的每一個發光裝置用以發射光線以照射不同區域。在實際運作上，發光裝置11a至11d中的每一個發光裝置會對空間中的一個特定區域發射光線。舉例來說，請參照第2圖，其係用以說明依據本發明一實施例的照明補光系統中一個發光裝置的運作方式。如第2圖所示，當發光裝置11b發光時，空間中的區域201會被照亮。並且，發光裝置11a至11d中的每一個發光裝置的發光狀態可以被調整。
發光裝置11a至11d中的一個發光裝置的發光狀態至少是發光裝置的發光強度、照明光型或照射區域。以發光裝置11c為例，發光裝置11c可以包含多個發光單元，並且每個發光單元的發光強度與此發光單元的功率有關。因此，藉由調整發光裝置11c中的每個發光單元的功率，可以調整發光裝置11c的發光強度。此外，發光裝置更可包含至少一透鏡或至少一反射燈杯來產生不同照明光型。發光裝置經由配置而產生的照明光型例如為矩形光型、圓形光型、橢圓形光型、多邊形光型或其它任意形狀光型。而上述之照明光型 更可被設計成對稱式照明光型或非對稱式照明光型。
以發光裝置包含反射燈杯為例，採用經設計的不同反射燈杯可以產生水平照明角度例如為60度、90度、或120度的矩形光型，該反射燈杯更可被設計成產生不同比例例如16：9或4：3的矩形光型，當調整採用不同反射燈杯時，即可調整發光裝置的照明光型及照射區域。舉例來說，請參照第3A及第3B圖，第3A圖係用以說明本發明一實施例的一對稱式矩形光型發光裝置的俯視示意圖，第3B圖係用以說明本發明一實施例的一對稱式矩形光型發光裝置的側視示意圖。如第3A及3B圖所示，具有對稱式矩形光型的發光裝置30具有60度(對稱發光裝置30左右平均各30度)的水平照明角度以及36度(對稱發光裝置30上下平均各18度)的鉛直照明角度。因此，發光裝置30具有16：9(出光面的水平/鉛直比例)的對稱式矩形光型，且其水平照明角度為60度。在另一實施例，請參照第3C圖及第3D圖，若發光裝置包含一非對稱式(上下對稱左右不對稱)反射燈杯，則如第3C圖所示發光裝置31發出一矩型光型或如第3D圖所示發光裝置32發出一梯形光型。發光裝置的反射燈杯可以由所屬領域具有通常知識技術人員依據需求設計，並不以本實施例為限。
除了可如同上述方法來利用不同的透鏡或不同的反射燈杯的設計來產生不同照明光型，發光裝置也可以如同一個燈具一樣，被調整其發光的方向，因此每個發光裝置 的照射區域可以被調整。舉例來說，發光裝置11a至11d可以是紅外線發光二極體(IR LED)、白光發光二極體(LED)、或其他可用來照明的裝置，本發明不以此為限。
請同時參照第4A圖以及第4B圖，第4A圖係依據本發明一實施例的照明補光系統的運作示意圖，而第4B圖係第4A圖中的影像擷取裝置所擷取的第一影像示意圖。影像擷取裝置13用以對空間中的一個區域203擷取第一影像2，第一影像2包含複數個影像區塊21至29，並且複數個影像區塊21至29中的每一個影像區塊(例如影像區塊21)受來自於前述複數個發光裝置11a至11d之中，至少一個對應到的發光裝置(例如發光裝置11b)的光線的影響。影像擷取裝置13可以是網路攝影機(Network camera)、閉路電視攝影機(Closed Circuit Television(CCTV)camera)、數位相機、數位攝影機或其他適於擷取影像的設備，本實施例在此不加以限制。
如第4B至第4F圖所示，第4C至第4F圖係用以說明各影像區塊與各發光裝置的關係。如第4B圖所示，第一影像2可以被大致分割為影像區塊21至29，每一個影像區塊受到發光裝置11a至11d之中至少一個發光裝置的光線的影響。舉例來說，如第4C圖所示，發光裝置11b的光對影像2的左上角，也就是影像區塊21、22、24及25造成影響。如第4D圖所示，發光裝置11a的光對影像2的右上角，也就是影像區塊22、23、25及26造成影響。如第4E圖所示，發光裝 置11d的光對影像2的左下角，也就是影像區塊24、25、27及28造成影響。如第4F圖所示，發光裝置11c的光對影像2的右下角，也就是影像區塊25、26、28及29造成影響。換句話說，想要調整影像區塊21的亮度時，只需要調整發光裝置11b的發光狀態，而想要調整影像區塊25的亮度時，可以調整發光裝置11a至11d之中任何一個或多個發光裝置的發光狀態，或者調整全部四個發光裝置的發光狀態。
處理裝置15用以分析複數個影像區塊21至29中的至少一個影像區塊的亮度，並依據分析所得到的亮度，調整複數個發光裝置11a至11d之中，被分析的影像區塊所對應到的至少一個發光裝置的發光狀態。例如，當分析影像區塊23時，處理裝置15可以依據影像區塊23的平均亮度，來調整影像區塊23所對應的發光裝置11a的發光狀態。舉例來說，處理裝置15可以是特殊應用積體電路(application-specific integrated circuit,ASIC)、現場可程式閘陣列(Field Programmable Gate Array,FPGA)、中央處理單元(central processing unit,CPU)、單晶片控制器或其他適於執行運算及控制指令的設備，本實施例在此不加以限制。
於一實施例中，處理裝置15可以設定一個亮度門檻值，且處理裝置15依據影像區塊23的平均亮度是否高於或低於此亮度門檻值，來決定影像區塊23的平均亮度是否不足或過亮。於另一個實施例中，處理裝置15可以設定兩個 亮度門檻值，藉以定義一個介於這兩個亮度門檻值之間的第一亮度區間。而後處理裝置15判斷影像區塊23的平均亮度是否屬於此第一亮度區間，並產生一個判斷結果。若此判斷結果顯示影像區塊23的平均亮度屬於此第一亮度區間，則處理裝置15不調整影像區塊23所對應的發光裝置11a的發光狀態。若此判斷結果顯示影像區塊23的平均亮度低於此亮度區間，則處理裝置15調整影像區塊23所對應的發光裝置11a的發光狀態以使影像區塊23的平均亮度得以被提高。若此判斷結果顯示影像區塊23的平均亮度高於此亮度區間，則處理裝置15調整影像區塊23所對應的發光裝置11a的發光狀態以使影像區塊23的平均亮度得以被降低。
於另一實施例中，當分析影像區塊25時，處理裝置15可以依據影像區塊25的亮度分布，來調整影像區塊25所對應的發光裝置11a至11d中至少一個發光裝置。請參考第5A圖，其係用以說明本發明一實施例中的一個影像區塊的亮度分布圖。如第5A圖所示，第一影像2中的影像區塊25進一步被處理裝置15所分析。
於此實施例中，處理裝置15對影像區塊25設定一個亮度門檻值，而後依據此亮度門檻值來判斷影像區塊25中的明亮區塊(亮度值高於此亮度門檻值的區塊)以及黑暗區塊(亮度值低於此亮度門檻值的區塊)。假如影像區塊25中的子影像區塊251以及子影像區塊254被處理裝置15判定為明 亮區塊，而子影像區塊252以及子影像區塊253被處理裝置15判定為黑暗區塊。由於子影像區塊251與影像區塊21較為接近，因此可以判斷子影像區塊251與發光裝置11b的關聯性較高。同樣的，子影像區塊254與影像區塊29較為接近，因此可以判斷子影像區塊254與發光裝置11c的關聯性較高，所以處理裝置15降低發光裝置11b與11c的發光強度來降低子影像區塊251與254的亮度。同樣的，由於子影像區塊252與影像區塊23較為接近，因此可以判斷子影像區塊252與發光裝置11a的關聯性較高。而子影像區塊253與影像區塊27較為接近，因此可以判斷子影像區塊253與發光裝置11d的關聯性較高，所以處理裝置15提高發光裝置11a與11d的發光強度來提高子影像區塊252與253的亮度。
於另一實施例中，請參考第5B圖，其係用以說明本發明另一實施例中的一個影像區塊的亮度分布圖。如第5B圖所示，第一影像2中的影像區塊25進一步被處理裝置15所分析。此實施例中，處理裝置15對影像區塊25設定兩個亮度門檻值，若一個畫素的亮度介於這兩個亮度門檻值之間，則此畫素被處理裝置15判斷為亮度適中。若一個畫素的亮度高於這兩個亮度門檻值，則此畫素被處理裝置15判斷為亮度過高。若一個畫素的亮度低於這兩個亮度門檻值，則此畫素被處理裝置15判斷為亮度過低。而後影像區塊25中的過亮區塊(亮度值高於這兩個亮度門檻值的區塊)、過暗區塊 (亮度值低於這兩個亮度門檻值的區塊)以及適中區塊(亮度值介於這兩個亮度門檻值之間的區塊)可以被處理裝置15所判斷出來。
假如影像區塊25中的子影像區塊255以及子影像區塊256被處理裝置15判定為過亮區塊，子影像區塊257以及子影像區塊258被處理裝置15判定為過暗區塊，且子影像區塊259被處理裝置15判定為適中區塊。由於子影像區塊255與發光裝置11b的關聯性較高、子影像區塊256與發光裝置11a的關聯性較高、子影像區塊257與發光裝置11d關聯性較高、子影像區塊258與發光裝置11c關聯性較高，而子影像區塊259與發光裝置11a至11d都有關聯性。所以在不使子影像區塊259的亮度大幅度變動的前提下，處理裝置15調整發光裝置11a與11b的照明光型(例如從水平照明角度為60度之照明光型調整成水平照明角度為90度之照明光型)及/或降低發光強度，以使子影像區塊255與256的亮度降低，同時處理裝置15調整發光裝置11c與11d的照明光型(例如從水平照明角度為90度之照明光型調整成水平照明角度為60度之照明光型)及/或提高發光強度，以使子影像區塊257與258的亮度提高。
於本發明另一實施例中，請一併參照第4A圖以及第4B圖。第一影像2中，每一個影像區塊與照明補光系統1中的每一個發光裝置有一個相關性係數。舉例來說，影像區 塊29與發光裝置11a至11d的相關性係數分別是0.5、0.2、1以及0.5。這些相關性係數分別代表影像區塊29與發光裝置11a至11d中每一個發光裝置的相關性，相關性係數越高，表示所對應的發光裝置的發光狀態對影像區塊的影響越大。明確地說，發光裝置11c的發光狀態對影像區塊29影響最大，而發光裝置11b的發光狀態對影像區塊29的影響最小。
於此實施例中，一個影像區塊(例如為影像區塊27)與發光裝置11d的關係可以簡單地被下列方程式(1)所描述。
L27=I11d‧R27_11d (1)
方程式(1)中，L27是影像區塊27的平均亮度，I11d是發光裝置11d的發光強度，而R27_11d是影像區塊27與發光裝置11d的相關性係數。
更明確地說，影像區塊27的平均亮度可以被簡單地表示為下列線性轉換方程式(2)。
L27=I11a‧R27_11a+I11b‧R27_11b+I11c‧R27_11c+I11d‧R27_11d (2)
其中，L27代表影像區塊27的平均亮度，I11a至I11d分別代表發光裝置11a至11d的發光強度，而R27_11a至R27_11d分別代表影像區塊27與發光裝置11a至11d的相關性係數。第一影像2之中的每一個影像區塊都可以被處理裝置15建立如方程式2的一個線性方程式。而多個線性方程式可以組合成一個轉換矩陣，處理裝置15並且依據這個轉換矩陣、發光 裝置11a至11d中的一個或多個發光裝置的發光狀態(例如發光強度、照明光型、或照射區域)，以及第一影像2之中至少一個影像區塊的亮度來調整發光裝置11a至11d之中至少一個發光裝置。除了上述取平均亮度外，也可以中心加權(Center Weighting)或物件加權(Object Oriented Weighting)來計算影像區塊的亮度。
當每一次處理裝置15依據前述方程式(2)或前述轉換矩陣，調整一個影像區塊(例如影像區塊27)所對應的至少一個發光裝置的發光狀態時，處理裝置15可以依據此影像區塊(也就是影像區塊27)的亮度變化以及在調整前，此影像區塊與所對應的發光裝置的相關性係數，更新此影像區塊與每一個所對應的發光裝置的相關性係數。
於一實施例中，第一影像2中，影像區塊可以依據使用情境、可被處理裝置15所支持的運算複雜度、發光裝置的數目以及所欲達到的畫面亮度均勻度而適當地被分割。每一個影像區塊的大小以及形狀並不在本發明中加以限制。
於再一實施例中，請參照第6圖，其係依據本發明一實施例的影像示意圖。如第6圖所示，影像4被分割為影像區塊41至49。其中處理裝置15對影像4執行一個物件辨識程序，從而擷取出一個前景物件401，此前景物件401位於影像區塊41、影像區塊42、影像區塊44、影像區塊45、影像區塊47以及影像區塊48。處理裝置15而後分析包含有前 景物件401一部分的這些影像區塊其中之一。舉例來說，處理裝置15分析影像區塊48。而後依據影像區塊48的平均亮度或亮度分布，來調整影像區塊48所對應的一個或多個發光裝置(例如發光裝置11d)。此處方法概如第4A及第4B圖所述，於此不在贅述。
於一實施例中，當影像4中的前景物件401被辨識出來，且包含前景物件401的影像區塊(影像區塊41、影像區塊42、影像區塊44、影像區塊45、影像區塊47以及影像區塊48)的亮度被調整完之後，處理裝置15將前景物件401的平均亮度設為一個動態亮度門檻值。而後處理裝置15分析不包含前景物件401的影像區塊43、影像區塊46以及影像區塊49。並將這些影像區塊中任意一個影像區塊(例如影像區塊46)的平均亮度與前述動態亮度門檻值作比較，而決定影像區塊46的平均亮度是否過低或過高。藉以調整影像區塊46所對應的發光裝置(例如為發光裝置11a以及發光裝置11c)的發光狀態，例如發光強度、照明光型、或照射區域。
於另一實施例中，請參照第7圖，其係依據本發明另一實施例的照明補光系統裝置示意圖。如第7圖所示，照明補光系統1中，發光裝置11a至11d並未直接與影像擷取裝置13及/或處理裝置15連接。而以無線的方式耦接於於影像擷取裝置13及/或處理裝置15。
於一實施例中，請一併參照第1圖、第4A圖、 第4B圖以及第8圖，第8圖係依據本發明一實施例的補光方法流程圖。在步驟S610中，以發光裝置11a至11d發射光線以照明。並且，在步驟S630中，以影像擷取裝置13擷取第一影像2。並且，在步驟S650中，以處理裝置15分析第一影像2中，多個影像區塊其中之一的亮度。於此步驟中，亮度係指被分析的影像區塊的平均亮度或者亮度分布。並且，在步驟670中，依據被分析的亮度，調整被分析的影像區塊對應的一個或多個發光裝置。於此步驟中，調整發光裝置係指調整發光裝置的發光強度、照明光型、及/或照射區域。
依據本發明所提出的照明補光系統以及相對應的補光方法，利用演算法來分析影像中一個影像區塊的亮度。並根據此影像區塊的亮度，調整此區塊所對應用來照明的發光裝置的發光強度、照明光型或照射區域等特性，來得到清楚可供辨識的影像內容。如此一來，可以避免影像中的影像區塊有曝光過度、曝光不足或是曝光不均勻等問題。
雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。
1‧‧‧照明補光系統
11a、11b、11c、11d‧‧‧發光裝置
13‧‧‧影像擷取裝置
15‧‧‧處理裝置

Claims (12)

  1. 一種照明補光系統，包含：複數個發光裝置，每一該發光裝置用以發射光線、產生照明光型照射不同區域；一影像擷取裝置，用以擷取一第一影像，該第一影像包含複數個影像區塊，每一該影像區塊受來自於對應到的至少一該發光裝置的光線的影響；以及一處理裝置，用以對該第一影像執行一物件辨識程序，以擷取一前景物件，分別分析包含該前景物件之該些影像區塊中與不包含該前景物件之該些影像區塊中的至少一該影像區塊的一亮度，並依據該亮度，調整被分析的該影像區塊對應到的至少一該發光裝置。
  2. 如請求項1所述的照明補光系統，其中該處理裝置更判斷該亮度是否屬於一第一亮度區間，以產生一第一比較結果，更依據該第一比較結果，調整被分析的該影像區塊對應到的至少一該發光裝置。
  3. 如請求項1所述的照明補光系統，其中該些發光裝置產生的照明光型為一對稱式光型。
  4. 如請求項1所述的照明補光系統，其中該些發光裝置產生的照明光型為一非對稱式光型。
  5. 如請求項1所述的照明補光系統，其中該處理裝置更判斷包含該前景物件的該些影像區塊中之至少一該影像區塊 的該亮度是否屬於一第二亮度區間，以產生一第二比較結果，更依據該第二比較結果，調整被分析的該影像區塊對應到的至少一該發光裝置。
  6. 如請求項1、2或5所述的照明補光系統，其中該處理裝置調整被分析的該影像區塊對應到的至少一該發光裝置，包括調整該發光裝置的至少一發光強度、一照明光型或一照射區域。
  7. 一種補光方法，包含：以複數個發光裝置發射光線產生照明光型以照明；擷取一第一影像，該第一影像包含複數個影像區塊，每一該影像區塊受來自於對應到的至少一該發光裝置的光線的影響；對該第一影像執行一物件辨識程序，以擷取一前景物件；分別分析包含該前景物件的該些影像區塊中及不包含該前景物件的該些影像區塊中之至少一該影像區塊的一亮度；以及依據被分析的該影像區塊的該亮度，調整被分析的該影像區塊對應到的至少一該發光裝置。
  8. 如請求項7所述的補光方法，其中調整被分析的該影像區塊對應到的至少一該發光裝置時，包含： 判斷該亮度是否屬於一第一亮度區間，以產生一第一比較結果；以及依據該第一比較結果，調整被分析的該影像區塊對應到的至少一該發光裝置。
  9. 如請求項7所述的補光方法，其中該些發光裝置產生的照明光型為一對稱式光型。
  10. 如請求項7所述的補光方法，其中該些發光裝置產生的照明光型為一非對稱式光型。
  11. 如請求項7所述的補光方法，其中調整被分析的該影像區塊對應到的至少一該發光裝置時，包含：判斷包含該前景物件的該些影像區塊中之至少一該影像區塊的該亮度是否屬於一第二亮度區間，以產生一第二比較結果；以及更依據該第二比較結果，調整被分析的該影像區塊對應到的至少一該發光裝置。
  12. 如請求項7、8或11所述的補光方法，其中調整被分析的該影像區塊對應到的至少一該發光裝置，包含調整該發光裝置的一發光強度、一照明光型或一照射區域。
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