TWI590191B - 光學圖像的缺陷補償方法 - Google Patents

Description

光學圖像的缺陷補償方法

本發明係關於一種光學圖像的缺陷補償方法；更特別言之，本發明係關於一種利用改良的霍夫變換的雷射反射光學圖像的缺陷補償方法。

於一種光學儀器所配備的對焦系統中，常利用雷射反射光學裝置投射出的圖像計算對焦系統的離焦值以便執行自動對焦。然而，基於物質反射特性的不同及雷射干涉的影響，造成所取得的圖像有缺陷而導致對圖像重心的估測產生誤差值，進而影響對焦準確度。例如於第1A圖至1C圖所繪示的雷射光學反射圖像中，即產生如第1A圖的光場不平均、第1B圖的邊界模糊以及第1C圖的噪點等缺陷。

一般雷射反射光學裝置所投射之圖像，大部分為圓形或類圓形圖像。在工業生產線檢測、生物醫學檢測或自動化檢測等應用領域，都需使用電腦圖像處理技術對此種圓形圖像進行檢測。因此，如何快速及準確地檢測此等圓形或類圓形圖像一直為相關領域之業者所關注。舉例而言，霍夫變換(Hough Transform)是電腦圖像處理中識別幾何形狀常用的 一種方法。霍夫變換可不受圖形旋轉的影響，並易於進行幾何圖形的快速變換，其為檢測直線/圓/橢圓等幾何形狀的一種實用方法。但霍夫變換也存在計算時間過於冗長及儲存空間需求大等缺點。後續雖有發展出如隨機式霍夫變換等方法，惟其仍不適合應用於複雜之影像上，造成其限制仍多，且其運算效率仍隨圖像之缺陷增加而大幅降低。

基於上述，發展具高運算效率、高準確度的對光學圖像的檢測方法仍為當務之急。

本發明提供一種光學圖像的缺陷補償方法。透過對最初光學圖像進行二值化、型態學閉合去雜訊、邊緣偵測及霍夫變換等步驟，可對具有缺陷的光學圖像進行補償而還原出不具缺陷的光學圖像，藉此可使光學圖像的檢測更為準確、效率更高。並且，本發明所提出的方法可很好地應用於須進行自動對焦的儀器設備中，可大幅提高自動對焦速度及準確度。

為達上述目的，於一實施例中，本發明提供一光學圖像的缺陷補償方法，其步驟包含：取得一光學圖像；對光學圖像進行一二值化步驟而得到一二值化圖像；對二值化圖像進行一型態學閉合步驟以去除二值化圖像邊緣對應複數像素點之外的任一雜點而得到一雜訊去除圖像；對雜訊去除圖像進行一邊緣偵測步驟而得到雜訊去除圖像之一圖像邊緣；對圖像邊緣進行一霍夫變換步驟，將圖像邊緣對應之多個像素點映射至一圓形參數空間中，並選取於圓形參數空間中響應較高且集 中之多個參數值映射回圖像邊緣而形成多個對應圖像邊緣之模擬圓形圖像；以雜訊去除圖像的像素點數量作為一基準半圓形面積值，並透過計算基準半圓形面積值而得到對應基準半圓形面積值之一基準半徑值；以基準半徑值為基準比對各模擬圓形圖像之一半徑值，並由此些模擬圓形圖像篩選出與最初之光學圖像最匹配之一模擬圓形圖像；利用篩選出之模擬圓形圖像取代光學圖像而對最初之光學圖像之缺陷進行補償。

上述之光學圖像的缺陷補償方法中，光學圖像係為一雷射反射光學圖像，且其係透過一刀緣法所產生而呈半圓形。

上述之光學圖像的缺陷補償方法中，型態學閉合步驟包含：透過一膨脹步驟將二值化圖像中之縫隙進行填補，並將二值化圖像中之雜訊連接成一體以降低二值化圖像之複雜度；以及透過一侵蝕步驟修補過度膨脹之二值化圖像之邊緣像素點，且保持二值化圖像邊緣之銳利度。

S101~S108‧‧‧步驟

110‧‧‧光學圖像

120‧‧‧二值化圖像

130‧‧‧雜訊去除圖像

140‧‧‧圖像邊緣

150‧‧‧模擬圓形圖像

160‧‧‧缺陷補償後的光學圖像

L‧‧‧直徑線

第1A圖至第1C圖係繪示習知雷射光學反射圖像之各式缺陷型態示意圖；第2圖係繪示依據本發明一實施例之光學圖像的缺陷補償方法流程示意圖；第3圖係繪示經刀緣法所產生呈半圓形之光學圖像示意圖； 第4圖係繪示對第3圖中之光學圖像進行二值化步驟而得到二值化圖像之示意圖；第5圖係繪示對第4圖之二值化圖像進行型態學閉合步驟而得到雜訊去除圖像之示意圖；第6圖係繪示對第5圖之雜訊去除圖像進行邊緣偵測步驟而得到圖像邊緣之示意圖；第7圖係繪示對第6圖之圖像邊緣之多個像素點進行霍夫變換步驟後所得到之多個虛擬圓形圖像示意圖；以及第8圖係繪示對第7圖中之多個虛擬圓形圖像進行條件限制而選取出之缺陷補償後之虛擬圓形圖像示意圖。

以下將參照圖式說明本發明之複數個實施例。為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，應瞭解到，這些實務上的細節不應用以限制本發明。也就是說，在本發明部分實施例中，這些實務上的細節是非必要的。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪示之。

請參照第2圖，其係繪示依據本發明一實施例之光學圖像的缺陷補償方法流程示意圖。本發明所提出的光學圖像的缺陷補償方法大致包含下列步驟。

步驟S101，取得一光學圖像。

步驟S102，對光學圖像進行一二值化步驟而得到一二值化圖像。

步驟S103，對二值化圖像進行一型態學閉合步驟以去除二值化圖像邊緣對應複數像素點之外的任一雜點而得到一雜訊去除圖像。

步驟S104，對雜訊去除圖像進行一邊緣偵測步驟而得到雜訊去除圖像之一圖像邊緣。

步驟S105，對圖像邊緣進行一霍夫變換步驟，將圖像邊緣對應之多個像素點映射至一圓形參數空間中，並選取於圓形參數空間中響應較高且集中之多個參數值映射回圖像邊緣而形成多個對應圖像邊緣之模擬圓形圖像。

步驟S106，以雜訊去除圖像的像素點數量作為一基準半圓形面積值，並透過計算基準半圓形面積值而得到對應基準半圓形面積值之一基準半徑值。

步驟S107，以基準半徑值為基準比對此些模擬圓形圖像之半徑值，並由此些模擬圓形圖像篩選出與最初之光學圖像最匹配之一模擬圓形圖像。

步驟S108，利用篩選出之模擬圓形圖像取代最初之光學圖像而對光學圖像之缺陷進行補償。

後續將以上述步驟S101~S108應用於雷射自動對焦系統為示範例。需知本發明所提出的光學圖像的缺陷補償方法並不被限制僅可用於雷射自動對焦系統中，其餘型態之光學系統亦可參照應用之。

於一雷射自動對焦系統中，係使用一雷射光源發出雷射光，透過例如光柵、分光鏡、反射鏡及透鏡等光學元件，將由雷射光所分出之光束形成平行光並聚集於一平面上，並形 成雷射反射光學圖像。透過對雷射反射光學圖像的解析判讀，即可判定是否有聚焦至焦點上。其中一種方式稱為刀緣法(Knife edge)，其係透過在光路上設置一擋板，使雷射光束之聚焦點前產生不同聚焦之雷射反射光學圖像。不同之雷射反射光學圖像例如可對應光偵測器產生不同之電壓，透過判讀電壓差即可偵測出聚焦誤差。上述透過刀緣法所產生之雷射反射光學圖像一般呈半圓形。

據上，於步驟S101中，先透過刀緣法產生最初之光學圖像110，如第3圖所繪示。光學圖像110如上所述，係透過雷射光聚焦而為一雷射反射光學圖像並呈半圓形。

於步驟S102中，對光學圖像110進行一二值化步驟而得到如第4圖所繪示之二值化圖像120。光學圖像110(雷射反射光學圖像)可區分為光線反射與無光線反射二部分，惟其通常有亮度不均情況，故須先經處理而將所需之部分取出。因此，二值化步驟之目的為將光學圖像110中所有像素點區隔出背景及欲處理區域。本發明之一例示中，係使用Otsu法進行二值化步驟。Otsu法係使用「群內最小變異、群間最大變異」的方式來進行閥值的選擇，使得群組A與群組B間存在最大的群間變異數，其可以式(1)表示之。

G=Pa(t)Pb(t)[Ua(t)-Ub(t)]2 (1)；其中G為群間變異數，Pa(t)代表圖像強度小於等於t的機率；Pb(t)代表圖像強度大於t的機率；Pa(t)+Pb(t)=1，因此Pb(t)=1-Pa(t)。Ua(t)代表圖像強度小於等於t值的機率平均值(mean)，Ub(t)代表圖像強度大於t值的機率平均 值。透過上述方式，即可得到二值化圖像120。

由於本發明的光學圖像的缺陷補償方法中，圖像邊緣之像素點相當重要。為了使步驟S104中的邊緣偵測步驟獲致更好的結果，須避免圖像內部離群的像素點被納入考量而增加誤差。據此，於步驟S103中，使用型態學(morphology)閉合(closing)步驟去除邊緣對應複數像素點之外的任一雜點。其是先進行膨脹步驟再進行侵蝕步驟，其定義可表示為式(2)。

A‧B=(A ♁ B)θ B (2)；換言之，型態學閉合步驟的主要目的係透過膨脹步驟將二值化圖像120中之縫隙進行填補，並將二值化圖像120中之雜訊連接成一體以降低二值化圖像120之複雜度。接續，再透過侵蝕步驟修補過度膨脹之二值化圖像120之邊緣像素點，且保持二值化圖像120邊緣之銳利度。完成步驟S103後，可得到如第5圖所繪示之雜訊去除圖像130。

於步驟S104中，對雜訊去除圖像130進行一邊緣偵測步驟而得到雜訊去除圖像130之一圖像邊緣140，如第6圖所繪示。於步驟S104中，可使用如Canny edge detector擷取出雜訊去除圖像130之圖像邊緣140，藉以去除不需要的圖像區域。

接續於步驟S105中，透過霍夫變換(Hough Transform)以獲得對應圖像邊緣140之完整半圓形圖像，再以此半圓形圖像估算出如第7圖中所繪示之多個模擬圓形圖像150。本發明所提出之霍夫變換係為一改良版本之霍夫變換， 其與習知之霍夫轉換有所差異，其細節描述如下。

前已述及透過刀緣法將雷射光線隔離後，於影像感測器上所接收到的光學圖像110係呈現半圓形。透過霍夫變換可應用於圓形偵測，以最小平方誤差來偵測半圓形之光學圖像110邊緣之像素點所對應的模擬圓形圖像150，進而可求出圓心點位置及半徑值，使估算出的模擬圓形圖像150與原本光學圖像110邊緣之像素點所構成之圓形圖像，使兩者間誤差最小。

為了得到相對於最初之半圓形之光學圖像110最接近的圓形圖像，對圖像邊緣140進行一霍夫變換步驟，將圖像邊緣140對應之多個像素點映射至一圓形參數空間中，並選取於圓形參數空間中響應較高且集中之多個參數值映射回圖像邊緣140而形成多個對應圖像邊緣140之模擬圓形圖像150。接續，藉由圓心點位置和半徑值，將所有候選的模擬圓形圖像150的位置畫出，如第7圖所繪示。

詳而言之，對於偵測未知大小的模擬圓形圖像150，各種不同半徑值將被考慮。下列式(3)用來表示一個圓形。

(x _i -a)²+(y _i -b)²=r ² (3)；其中(x_i,y_i)為目標邊緣像素點座標、(a,b)為圓心點座標、半徑值r為待測值，所以假設：S _i =(x _i -a)²+(y _i -b)²-r ² (4)；其中S_i表示為最初之半圓形光學圖像110中各邊緣像素點與半徑值r之候選圓形圖像的誤差值。

其誤差平方和為； 將式(4)展開後為式(6)如下。

接續將係數部份利用C1、C2、C3代入，可得式(7)如下。

C ₁=-2a，C ₂=-2b，C ₃=a ²+b ²-r ² (7)；將式(6)和式(7)代入式(5)計算可得到式(8)如下。

欲使S為最小，則必須滿足下列公式。

最後，使用克拉瑪公式來求出C1、C2、C3。接續將結果帶入式(7)即可得到圓心點位置(a,b)及半徑值r。

然而，上述經由霍夫變換後將產生多組結果，如第7圖所示。此外，邊緣像素點並非全然分佈於圖像邊緣140之半圓弧上，部分的邊緣像素點有可能位於圖像邊緣140的直徑線L上，其將影響偵測的結果。假設不限定半徑值r範圍，則挑選出來的模擬圓形圖像150數量將過多而導致計算資源的耗費及運算時間過於冗長。據此，本發明對習知的霍夫變換提出改良，可透過一自動方式選取最佳的圓心點位置及半徑值r以獲得最匹配的模擬圓形圖像150。茲說明如下。

首先，利用雜訊去除圖像120的像素點數量作為一基準半圓形面積值，並透過計算基準半圓形面積值而得到對應基準半圓形面積值之一基準半徑值； 其中A表示為基準半圓形面積值(即雜訊去除圖像130的像素點數量)，為由基準半圓形面積值所估算出來的基準半徑值。

接續，對基準半徑值進行範圍限制(例如：增減x%，±x%)作為半徑值r限制範圍。只有此基準半徑值範圍內的模擬圓形圖像150才會被列入考慮。亦即，以基準半徑值為基準與此些模擬圓形圖像150之半徑值r進行比對。

最終，藉由圓心點座標與半徑值r，可由此些模擬圓形圖像150篩選出與最初之光學圖像110最匹配之一模擬圓形圖像150。此最終產生之模擬圓形圖像150為去除雜訊及缺陷，而可取代原有之光學圖像110形成如第8圖中所繪示缺陷補償後的光學圖像110。需提及為上述實施例係因使用刀緣法，故最初之光學圖像110係呈半圓形，且能擴展至圓形；惟若使用其他方法時，則其他幾何形態之光學圖像亦可很好地應用本發明所揭示之光學圖像的缺陷補償方法。

綜上，本發明的光學圖像的缺陷補償方法中，透過二值化、型態學閉合以及邊緣偵測等步驟可由一最初之光學圖像得到無雜訊易於進行處理之圖像邊緣。並且，再透過改良過的霍夫變換，可對光學圖像之缺陷進行補償，由圖像邊緣得到與原有光學圖像相對應的去除缺陷的模擬光學圖像。透過此方式，本發明之光學圖像的缺陷補償方法具有高運算效率及高準確度，相當適應用於雷射光學自動對焦系統。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，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。

S101~S108‧‧‧步驟

Claims (3)

1. 一種光學圖像的缺陷補償方法，其包含：取得一光學圖像；對該光學圖像進行一二值化步驟而得到一二值化圖像；對該二值化圖像進行一型態學閉合步驟以去除該二值化圖像邊緣對應複數像素點之外的任一雜點而得到一雜訊去除圖像；對該雜訊去除圖像進行一邊緣偵測步驟而得到該雜訊去除圖像之一圖像邊緣；對該圖像邊緣進行一霍夫變換步驟，將該圖像邊緣對應之多個像素點映射至一圓形參數空間中，並選取於該圓形參數空間中響應較高且集中之多個參數值映射回該圖像邊緣而形成多個對應該圖像邊緣之模擬圓形圖像；以該雜訊去除圖像的該些像素點數量作為一基準半圓形面積值，並透過計算該基準半圓形面積值而得到對應該基準半圓形面積值之一基準半徑值；以該基準半徑值為基準比對各該模擬圓形圖像之一半徑值，並由該些模擬圓形圖像篩選出與最初之該光學圖像最匹配之一模擬圓形圖像；以及利用篩選出之該模擬圓形圖像取代最初之該光學圖像而對該光學圖像之缺陷進行補償；其中該型態學閉合步驟包含：透過一膨脹步驟將該二值化圖像中之縫隙進行填補、並將該二值化圖像中之雜訊連接成一體以降低該二值化圖像之複雜度；以及 透過一侵蝕步驟修補過度膨脹之該二值化圖像邊緣之該些像素點，且保持該二值化圖像邊緣之銳利度。
2. 如申請專利範圍第1項所述之光學圖像的缺陷補償方法，其中該光學圖像係為一雷射反射光學圖像。
3. 如申請專利範圍第1項所述之光學圖像的缺陷補償方法，其中該光學圖像係透過一刀緣法所產生而呈半圓形。