TWI712989B - 影像處理方法及影像處理裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明揭露了一種影像處理方法及影像處理裝置，用來對影像進行濾波。該影像處理方法包含以下步驟：(A)針對每一參考像素產生一權重，其中，該影像包含複數個參考像素，且該權重的大小與一目標像素及該權重所對應的該參考像素之間的相似度有關；以及(B)根據該些權重、該目標像素的像素值及該些參考像素的像素值進行一無限脈衝響應濾波操作，以得到該目標像素之一無限脈衝響應濾波值。

Description

影像處理方法及影像處理裝置
本發明是關於影像處理，尤其是關於基於無限脈衝響應(infinite impulse response,IIR)的影像處理方法及影像處理裝置。
圖1係用於影像處理之一視窗的示意圖。圖中的5×5視窗(包含25個像素)用以對中心的目標像素P(i,j)進行影像處理，視窗中的其他像素為參考像素。假設進行空間域無限脈衝響應(infinite impulse response，以下簡稱IIR)濾波操作時，係以左上到右下的掃描順序(Raster scan)對影像進行處理，因此視窗中的白色的部分的像素為未經IIR濾波處理的原始像素，其像素值為原始像素值PVORI，灰色的部分的像素為先前已經過IIR濾波處理的像素(簡稱為IIR像素)，其像素值為IIR濾波值PVIIR。詳言之，參考像素P(i-2,j-2)為IIR像素(像素值為PVIIR(i-2,j-2))、參考像素P(i-2,j-1)為IIR像素(像素值為PVIIR(i-2,j-1))、...；目標像素P(i,j)為原始像素(像素值為PVORI(i,j))、參考像素P(i,j+1)為原始像素(像素值為PVORI(i,j+1))、像素P(i,j+2)為原始像素(像素值為PVORI(i,j+2))、...。
IIR濾波係將視窗中的IIR像素與目標像素做平均以對目標像素進行濾波，以圖1的例子來說，IIR濾波係根據算式(1)得到目標像素P(i,j) 的IIR濾波值PVIIR(i,j)，亦即計算12個IIR像素的像素值PVIIR與目標像素P(i,j)的像素值PVORI(i,j)的算數平均：PVIIR(i,j)=(PVIIR(i-2,j-2)+PVIIR(i-2,j-1)+PVIIR(i-2,j)+PVIIR(i-2,j+1)+PVIIR(i-2,j+2)+PVIIR(i-1,j-2)+PVIIR(i-1,j-1)+PVIIR(i-1,j)+PVIIR(i-1,j+1)+PVIIR(i-1,j+2)+PVIIR(i,j-2)+PVIIR(i,j-1)+PVORI(i,j))/13 (1)
算式(1)計算完成後目標像素P(i,j)成為一IIR像素，且成為下一回合的IIR濾波(以圖1之像素P(i,j+1)為目標像素)中的參考像素。因為IIR濾波所參考的像素為IIR像素而非原始像素，且IIR像素對比於原始像素IIR像素較不受雜訊干擾，所以IIR濾波可以使用較少的參考像素(意謂可節省硬體資源)做有效的低通濾波處理，以去除影像中的高頻雜訊。然而，以左上到右下的掃描順序為例，IIR濾波僅取目標像素的左方、左上方、上方、及/或右上方的像素做為參考，而未考慮其他方向的像素，所以容易造成左方、左上方、上方、及/或右上方的像素特徵往其他方向擴散的影像拖曳(image dragging)現象。此影像拖曳現象易造成色彩失真，若發生在影像的邊緣處則會造成影像邊緣模糊。因此如何有效去除高頻雜訊並避免影像拖曳現象及色彩失真，為本領域的重要課題。
鑑於先前技術之不足，本發明之一目的在於提供一種影像處理方法及影像處理裝置。
本發明揭露一種影像處理方法，用來對一影像進行濾波，包含以下步驟：(A)針對每一第一參考像素產生一第一權重，其中，該影像包 含複數個第一參考像素，且該第一權重的大小與一目標像素及該第一權重所對應的該第一參考像素之間的相似度有關；(B)根據該些第一權重、該目標像素的像素值及該些第一參考像素的像素值計算該目標像素之一第一濾波值；(C)針對每一第二參考像素產生一第二權重，其中，該影像包含複數個第二參考像素，且該第二權重的大小與該目標像素及該第二權重所對應的該第二參考像素之間的相似度有關；以及(D)根據該些第二權重、該目標像素的該第一濾波值及該些第二參考像素的像素值計算該目標像素之一第二濾波值。
本發明另揭露一種影像處理裝置，用來對一影像進行濾波，包含一第一權重計算電路、一第一濾波值計算電路、一第二權重計算電路以及一第二濾波值計算電路。該第一權重計算電路針對每一第一參考像素產生一第一權重，其中，該影像包含複數個第一參考像素，且該第一權重的大小與一目標像素及該第一權重所對應的該第一參考像素之間的相似度有關。該第一濾波值計算電路根據該些第一權重、該目標像素的像素值及該些第一參考像素的像素值計算該目標像素之一第一濾波值。該第二權重計算電路針對每一第二參考像素產生一第二權重，其中，該影像包含複數個第二參考像素，且該第二權重的大小與該目標像素及該第二權重所對應的該第二參考像素之間的相似度有關。該第二濾波值計算電路，根據該些第二權重、該目標像素的該第一濾波值及該些第二參考像素的像素值計算該目標像素之一第二濾波值。
本發明另揭露一種影像處理方法，用來對一影像進行濾波，包含以下步驟：(A)針對每一參考像素產生一權重，其中，該影像包含複數 個參考像素，且該權重的大小與一目標像素及該權重所對應的該參考像素之間的相似度有關；以及(B)根據該些權重、該目標像素的像素值及該些參考像素的像素值進行一無限脈衝響應濾波操作，以得到該目標像素之一無限脈衝響應濾波值。
本發明之影像處理方法及影像處理裝置實作邊緣保護機制以抑制IIR濾波的影像拖曳現象。相較於傳統技術，本發明進行濾波的同時能保護影像的邊緣結構。
有關本發明的特徵、實作與功效，茲配合圖式作實施例詳細說明如下。
200:影像處理裝置
210、710:記憶體
220、720、740:權重計算電路
230、730、750:濾波電路
510:像素相似度計算電路
520:權重決定電路
S310~S340、S810~S860:步驟
〔圖1〕為用於影像處理之一視窗的示意圖；〔圖2〕為本發明之影像處理裝置之一實施例的功能方塊圖；〔圖3A~3B〕為本發明之影像處理方法之一實施例的流程圖；〔圖4〕為用於影像處理之另一視窗的示意圖；〔圖5〕為權重計算電路之一實施例的功能方塊圖；〔圖6A~6B〕為權重及像素差值的關係圖的其中一種範例；〔圖7〕為本發明之影像處理裝置之另一實施例的功能方塊圖；〔圖8〕為本發明之影像處理方法之另一實施例的流程圖；以及〔圖9〕為用於影像處理之另一視窗的示意圖。
以下說明內容之技術用語係參照本技術領域之習慣用語，如本說明書對部分用語有加以說明或定義，該部分用語之解釋係以本說明書之說明或定義為準。
本發明之揭露內容包含一種影像處理方法及影像處理裝置。由於本發明之影像處理裝置所包含之部分元件單獨而言可能為已知元件，因此在不影響該裝置發明之充分揭露及可實施性的前提下，以下說明對於已知元件的細節將予以節略。
圖2係本發明之影像處理裝置之一實施例的功能方塊圖，圖3為對應圖2之影像處理方法的流程圖。影像處理裝置200包含記憶體210、權重計算電路220以及濾波電路230。影像處理裝置200進行影像處理時先取得一目標像素P(i,j)，並以鄰近該目標像素P(i,j)的若干像素作為參考像素(步驟S310)，其中參考像素為IIR像素。以圖1為例，參考像素可以包含該12個IIR像素，此時記憶體210至少需儲存該12個IIR像素。圖4顯示影像處理裝置200所使用之視窗的另一實施例。此例中參考像素只包含二個IIR像素，此時記憶體210至少需儲存該二個IIR像素。相較於圖1，圖4的實施方式至少可以少儲存10個參考像素的像素值。
接下來，權重計算電路220針對每一參考像素產生一權重(步驟S320)，詳言之，權重計算電路220從記憶體210取得參考像素，並依據參考像素及目標像素之間的相似度為每個參考像素決定一權重W，亦即權重W與兩像素之間的相似度有關。圖5為權重計算電路220之一實施例的功能方塊圖。首先，像素相似度計算電路510依據目標像素的像素值 PVtar及參考像素的像素值PVref來計算每個參考像素與目標像素之間的相似度，而得到一個差值d(步驟S322)。舉例來說，像素相似度計算電路510計算兩者的絕對差值d=|PVtar-PVref|，絕對差值d愈大，代表目標像素與參考像素的相似度愈低。在此實施例中，像素值PVtar為目標像素P(i,j)的原始像素值PVORI(i,j)，像素值PVref為參考像素的IIR濾波值PVIIR。
接著權重決定電路520依據差值d(等效依據像素的相似度)，以及最大權重Wmax、第一門檻值th1及第二門檻值th2為每個參考像素決定一權重W(步驟S324)。圖6A及6B為權重W及差值d的關係圖的其中一種範例。當差值d小於第一門檻值th1時，代表目標像素與參考像素之間的相似度高，此時權重決定電路520給予該參考像素最高權重Wmax；當差值d介於第一門檻值th1及第二門檻值th2之間時，權重W隨著差值d增加而減少；當差值d大於第二門檻值th2時，代表目標像素與參考像素之間的相似度低，此時權重決定電路520給予該參考像素的權重W為零。為了硬體實作上的方便，權重決定電路520可自動地將第一門檻值th1及第二門檻值th2之間平均劃分為q等分(q為大於1的整數，圖6B的例子中q=3)，使權重W呈現步進式(stepwise)變化。相較於圖6A的實作方式，圖6B可省下用於計算圖6A之門檻值th1及th2之間的斜率的除法器。
得到每個參考像素的權重後，濾波電路230依據算式(2)計算目標像素與參考像素的加權平均，以得到目標像素的IIR濾波值(步驟S330)。
PVIIR(i,j)=((WSUM-WNBR)×PVORI(i,j)+Σ(W×PVIIR))/WSUM (2)如圖3B所示，步驟S330可以細分為計算複數個第一乘積(W×PVIIR)(步驟 S332)、計算一第二乘積((WSUM-WNBR)×PVORI(i,j))(步驟S334)，以及依據該些第一乘積及該第二乘積得到該目標像素的濾波值(步驟S336)。詳言之，步驟S336係將該些第一乘積與該第二乘積之總和除以使用者定義的權重總和WSUM以得到該目標像素的濾波值。其中，WNBR為所有參考像素的權重的總和，第一乘積(W×PVIIR)為某一參考像素的權重W與該參考像素的IIR濾波值的乘積，Σ(W×PVIIR)為所有的參考像素的該些第一乘積的總和。舉例來說，以圖4為例，則算式(2)成為：PVIIR(i,j)=((WSUM-WNBR)×PVORI(i,j)+W(i-1,j)×PVIIR(i-1,j)+W(i,j-1)×PVIIR(i,j-1))/WSUM (3)其中，WNBR=W(i-1,j)+W(i,j-1) (4)
權重總和WSUM可以設計為WSUM-(n-1)×Wmax
Figure 107101516-A0305-02-0009-1
Wmax，n為視窗所包含的像素個數。也就是說，當視窗中所有參考像素與目標像素的相似度皆極高時(例如該視窗位於影像中像素值變化不大的平坦區域)，目標像素的權重(WSUM-WNBR=WSUM-(n-1)×Wmax
Figure 107101516-A0305-02-0009-2
Wmax)與任一參考相數的權重相當。在一個實施例中，WSUM可以設計為2的冪次方，如此一來實現算式2的除法時便只需對二進位的數值移位，而不需要使用除法器。
當目標像素位於影像的邊緣上時，該視窗中同樣位於邊緣上的參考像素(亦即與目標像素相似度高的參考像素)具有較高的權重W，而其他不位於邊緣上的參考像素(亦即與目標像素相似度低的參考像素)的權重W則較低，因此濾波後影像的邊緣特徵得以被保留，且可視該權重為邊 緣保護(edge preserve)權重。詳言之，權重計算電路220產生權重W的機制與影像的邊緣相關，此機制使影像處理裝置200的濾波處理具有邊緣感知的能力，因此可以有效地抑制IIR濾波的影像拖曳現象，以防止色彩失真及邊緣模糊。
得到目標像素的IIR濾波值PVIIR後，影像處理裝置200一方面將其輸出至後級的電路(圖未示)(步驟S340)，一方面將其儲存至記憶體210以供之後的IIR濾波程序使用。
圖7係本發明之影像處理裝置之另一實施例的功能方塊圖，圖8為對應圖7之影像處理方法的流程圖。影像處理裝置700包含記憶體710、權重計算電路720與740、以及濾波電路730與750。記憶體710儲存參考像素。影像處理裝置700進行影像處理時先取得一目標像素P(i,j)，並以鄰近該目標像素P(i,j)的若干像素作為參考像素(步驟S810)。接著，權重計算電路720以目標像素及參考像素的原始像素值PVORI來針對每一參考像素產生一第一權重W1(步驟S820)，亦即第一權重W1與兩像素之間的相似度有關。類似地，權重計算電路720的一施實例的功能方塊圖如圖5所示，以及步驟S820包含S322及S324兩個子步驟。在步驟S820中，輸入像素相似度計算電路510的像素值PVtar及像素值PVref係分別為目標像素P(i,j)的原始像素值PVORI以及參考像素的原始像素值PVORI。
接下來濾波電路730根據算式(5)計算目標像素與參考像素的加權平均，以得到目標像素的邊緣保護低通濾波值PVEPF(i,j)(步驟S830)。
PVEPF(i,j)=((WSUM-W1NBR)×PVORI(i,j)+Σ(W1×PVORI))/WSUM (5) 算式(5)為複數個第一乘積(W1×PVORI)與第二乘積((WSUM-W1NBR)×PVORI(i,j))之總和除以使用者定義的權重總和WSUM的結果。其中，W1NBR為所有參考像素的第一權重W1的總和，第一乘積(W1×PVORI)為某一參考像素的第一權重W1與該參考像素的原始像素值的乘積，Σ(W1×PVORI)為所有的參考像素的該些第一乘積的總和。舉例來說，以圖9的視窗為例，算式(5)成為：PVEPF(i,j)=((WSUM-W1NBR)×PVORI(i,j)+W1(i-1,j-1)×PVORI(i-1,j-1)+W1(i-1,j)×PVORI(i-1,j)+W1(i-1,j+1)×PVORI(i-1,j+1)+W1(i,j-1)×PVORI(i,j-1)+W1(i,j+1)×PVORI(i,j+1)+W1(i+1,j-1)×PVORI(i+1,j-1)+W1(i+1,j)×PVORI(i+1,j)+W1(i+1,j+1)×PVORI(i+1,j+1))/WSUM (6)其中，W1NBR=W1(i-1,j-1)+W1(i-1,j)+W1(i-1,j+1)+W1(i,j-1)+W1(i,j+1)+W1(i+1,j-1)+W1(i+1,j)+W1(i+1,j+1) (7)
事實上，步驟S820~S830係一種具有邊緣保護機制的有限脈衝響應(finite impulse response,FIR)濾波處理。目標像素的邊緣保護低通濾波值PVEPF(i,j)儲存至記憶體710中以供之後的濾波程序使用。
接下來，在步驟S840及S850中，權重計算電路740及濾波電路750對邊緣保護低通濾波值PVEPF(i,j)進一步進行IIR濾波處理，以得到目標像素的IIR濾波值PVIIR(i,j)。也就是說，步驟S840及S850實質上與步驟S320及S330相同，差別在於權重計算電路740及濾波電路750係使用目標像素的邊緣保護低通濾波值PVEPF(i,j)，而非原始像素值PVORI(i,j)。類似地，權重計算電路740的一實施例的功能方塊圖如圖5所示，在步驟S840 中，輸入像素相似度計算電路510的像素值PVtar及像素值PVref係分別為目標像素P(i,j)的邊緣保護低通濾波值PVEPF(i,j)以及參考像素的IIR濾波值PVIIR。得到每一參考像素的一第二權重W2後(類似地，權重W2與兩像素之間的相似度有關)，濾波電路750依據算式(8)計算目標像素的IIR濾波值。
PVIIR(i,j)=((WSUM-W2NBR)×PVEPF(i,j)+Σ(W2×PVIIR))/WSUM (8)算式(8)與算式(2)相似，不再贅述。其中，W2NBR為所有參考像素的第二權重W2的總和，以圖4為例，W2NBR=W2(i-1,j)+W2(i,j-1) (9)
圖7及圖8的實施例對影像進行兩次濾波處理，第一次由權重計算電路720及濾波電路730執行(對應步驟S820~S830)，第二次由權重計算電路740及濾波電路750執行(對應步驟S840~S850)。第二次濾波處理的機制與前一實施例(對應圖2及圖3)的濾波處理的機制相似，而第一次濾波處理的目的在於進一步去除影像的高頻雜訊，使影像更為清晰。圖7及圖8的實施例的兩次濾波處理皆實作邊緣保護的機制，亦即第一權重及第二權重皆為邊緣保護權重，因此所得到的濾波結果可有效抑制影像拖曳現象，以防止色彩失真及邊緣模糊。圖7及圖8的實施例的第一次濾波處理的參考像素包含第二次濾波處理的參考像素；舉例來說，如圖9及圖4所示，圖4的兩個參考像素(P(i-1,j)及P(i,j-1))為圖9的八個參考像素的一部分。
本發明以兩個門檻值決定像素相似度的容許範圍，因此能簡易且有效地在影像拖曳現象的抑制程度及雜訊的去除程度之間取得較佳權 衡(trade-off)。詳言之，當第一及第二門檻值被同時調低時，參考像素必須更近似目標像素才能被給予最高權重Wmax，因此有助於抑制影像拖曳現象(亦即加強影像的邊緣保護)；而當第一及第二門檻值被同時調高時，參考像素有更大的機率被給予最高權重Wmax，因此有助於雜訊的去除(亦即使影像更為清晰)。提高第一及第二門檻值的差值使濾波處理在抑制影像拖曳現象及去除雜訊兩者之間有更佳及更適應性的操作彈性。
本發明的權重計算電路及濾波電路可以由加法器、減法器、乘法器、除法器、比較器、多工器、邏輯電路等元件組合而成。圖7之權重計算電路720及權重計算電路740可以是同一套硬體電路或是獨立的硬體電路，濾波電路730及濾波電路750可以是同一套硬體電路或是獨立的硬體電路。本發明影像處理裝置及影像處理方法適用於各種色彩格式(例如RGB通道、YUV通道、灰階影像等)的影像，色彩格式的各通道係獨立處理，因此邊緣保護的機制(即實作邊緣保護權重)有助於避免色彩失真現象的發生。
由於本技術領域具有通常知識者可藉由本案之裝置發明的揭露內容來瞭解本案之方法發明的實施細節與變化，因此，為避免贅文，在不影響該方法發明之揭露要求及可實施性的前提下，重複之說明在此予以節略。請注意，前揭圖示中，元件之形狀、尺寸、比例以及步驟之順序等僅為示意，係供本技術領域具有通常知識者瞭解本發明之用，非用以限制本發明。
雖然本發明之實施例如上所述，然而該些實施例並非用來限定本發明，本技術領域具有通常知識者可依據本發明之明示或隱含之內容 對本發明之技術特徵施以變化，凡此種種變化均可能屬於本發明所尋求之專利保護範疇，換言之，本發明之專利保護範圍須視本說明書之申請專利範圍所界定者為準。
200:影像處理裝置
210:記憶體
220:權重計算電路
230:濾波電路

Claims (10)

  1. 一種影像處理方法，用來對一影像進行濾波，包含：(A)針對每一第一參考像素產生一第一權重，其中，該影像包含複數個第一參考像素，且該第一權重的大小與一目標像素及該第一權重所對應的該第一參考像素之間的相似度有關；(B)根據該些第一權重、該目標像素的像素值及該些第一參考像素的像素值計算該目標像素之一第一濾波值；(C)針對每一第二參考像素產生一第二權重，其中，該影像包含複數個第二參考像素，且該第二權重的大小與該目標像素及該第二權重所對應的該第二參考像素之間的相似度有關；以及(D)根據該些第二權重、該目標像素的該第一濾波值及該些第二參考像素的像素值計算該目標像素之一第二濾波值。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之影像處理方法，其中該步驟(B)包含：計算複數個第一乘積，該些第一乘積係該些第一參考像素的像素值與相對應之該第一權重的乘積；計算一第二乘積，該第二乘積係該目標像素的像素值乘以一預設權重與該些第一權重之總和之一差值所得到的乘積；以 及依據該些第一乘積及該第二乘積得到該目標像素之該第一濾波值；以及該步驟(D)包含：計算複數個第三乘積，該些第三乘積係該些第二參考像素的像素值與相對應之該第二權重的乘積；計算一第四乘積，該第四乘積係該目標像素的該第一濾波值乘以該預設權重與該些第二權重之總和之一差值所得到的乘積；以及依據該些第三乘積及該第四乘積得到該目標像素之該第二濾波值。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之影像處理方法，其中該些第一參考像素的像素值係該些第一參考像素的一原始像素值，且該些第二參考像素的像素值係該些第二參考像素的該第二濾波值。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之影像處理方法，其中該步驟(A)及該步驟(B)係以該些第一參考像素及該目標像素的一原始像素值進行計算，且該步驟(C)及該步驟(D)係以該些第二參考像素的該第二濾波值以及該目標像素的該第一濾波值進行計算。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之影像處理方法，其中該步驟(A)或該步驟(C)包含：計算該第一參考像素或該第二參考像素與該目標像素之一絕對差值；以及 依據該絕對差值、一第一門檻值、一第二門檻值決定該第一權重或該第二權重。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之影像處理方法，其中該些第二參考像素係該些第一參考像素的一部分。
  7. 一種影像處理裝置，用來對一影像進行濾波，包含：一第一權重計算電路，針對每一第一參考像素產生一第一權重，其中，該影像包含複數個第一參考像素，且該第一權重的大小與一目標像素及該第一權重所對應的該第一參考像素之間的相似度有關；一第一濾波值計算電路，耦接該第一權重計算電路，根據該些第一權重、該目標像素的像素值及該些第一參考像素的像素值計算該目標像素之一第一濾波值；一第二權重計算電路，針對每一第二參考像素產生一第二權重，其中，該影像包含複數個第二參考像素，且該第二權重的大小與該目標像素及該第二權重所對應的該第二參考像素之間的相似度有關；以及一第二濾波值計算電路，耦接該第二權重計算電路，根據該些第二權重、該目標像素的該第一濾波值及該些第二參考像素的像素值計算該目標像素之一第二濾波值。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之影像處理裝置，其中該些第一參考像素的像素值係該些第一參考像素的一原始像素值，且該些第二參考像素的像素值係該些第二參考像素的該第二濾波值。
  9. 一種影像處理方法，用來對一影像進行濾波，包含：(A)針對每一參考像素產生一權重，其中，該影像包含複數個參考像素，且該權重的大小與一目標像素及該權重所對應的該參考像素之間的相似度有關；以及(B)根據該些權重、該目標像素的像素值及該些參考像素的像素值進行一無限脈衝響應濾波操作，以得到該目標像素之一無限脈衝響應濾波值。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之影像處理方法，其中該步驟(B)包含：計算複數個第一乘積，該些第一乘積係該些參考像素的像素值與相對應之該權重的乘積；計算一第二乘積，該第二乘積係該目標像素的像素值乘以一預設權重與該些權重之總和之一差值所得到的乘積；以及依據該些第一乘積及該第二乘積得到該目標像素之該無限脈衝響應濾波值。
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