TWI782481B - 自動白平衡調整方法及自動白平衡調整系統 - Google Patents

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Abstract

一種自動白平衡調整方法包含依據第一色彩空間的標準，決定白色像素點區域；依據白色像素點區域，於影像中選擇複數個像素；產生該些像素於第一色彩空間的色彩平均值；將第一色彩空間的色彩平均值轉換為第二色彩空間三原色的三原色增益；依據三原色增益以及色溫曲線，產生三原色目標增益；以及依據第一色彩空間的色彩平均值及第二色彩空間的三原色增益，逐步調整影像的白平衡，以符合三原色目標增益。

Description

自動白平衡調整方法及自動白平衡調整系統
本發明描述一種自動白平衡調整方法及自動白平衡調整系統，尤指一種利用雙色彩空間連續地對影像進行自動白平衡調整的方法以及自動白平衡調整的系統。
隨著科技日新月異，各種光感測器及影像處理演算法已經應用於日常生活中。光感測器及影像處理演算法用於還原當下環境的真實色彩。在不同的環境下會有不同的光源。由於不同的光源有不同的色溫，因此同一物體被不同的光源照射會呈現不同的顏色。色溫的單位簡稱「K」值。當K值越小，色彩會偏紅。當K值越大，色彩會偏藍。因此，在不同的光源下，物體的色彩呈現會受到影響，發生色彩偏移。
在影像處理的範疇中，白平衡的目的為將色偏校準，使影像能還原原本的真實色彩。由於白色物體發生色偏時最為明顯，因此通常以白色為消除色偏的基準。然而，不同的相機具有不同的感光元件，其白平衡的演算法不同。由於相機的感光元件在不同溫度的光線環境下，其紅色(R)、綠色(G)、以及藍色(B)的分量是不平衡的，所以容易發生色彩上的失真。例如，影像的色溫明顯偏紅或是偏藍。因此，調整白平衡實為影像校正的重要議題。
目前常用的白平衡校正方式有兩種，一種為灰度世界演算法(Gray World Algorithm)，另一種為完美反射演算法(Perfect Reflector Algorithm)。在灰度世界演算法中，當影像中的色彩較為單一時，其白平衡會失效。在完美反射演算法中，當影像中最亮的區域不是白色時，其白平衡會失效。因此，發展一種優化的白平衡校正方式是很重要的議題。
本發明之一實施例提出一種自動白平衡調整方法。自動白平衡調整方法包含依據第一色彩空間的標準，決定白色像素點區域，依據白色像素點區域，於影像中選擇複數個像素，產生該些像素於第一色彩空間的色彩平均值，將第一色彩空間的色彩平均值轉換為第二色彩空間的三原色增益，以及依據第一色彩空間的色彩平均值及第二色彩空間的三原色增益，逐步調整影像的白平衡，以符合三原色目標增益。第一色彩空間與第二色彩空間不同。
本發明之另一實施例提出一種自動白平衡調整系統。自動白平衡調整系統包含影像擷取裝置、記憶體、輸出裝置及處理器。影像擷取裝置用以擷取影像。記憶體用以儲存資料。輸出裝置用以輸出白平衡調整後的影像。處理器耦接於影像擷取裝置、記憶體及輸出裝置，用以控制影像擷取裝置、記憶體及輸出裝置。在影像擷取裝置擷取該影像後，處理器依據存於記憶體中的第一色彩空間的標準，決定白色像素點區域。處理器依據白色像素點區域，於影像中選擇複數個像素，並產生該些像素於第一色彩空間的色彩平均值。處理器將第一色彩空間的色彩平均值轉換為第二色彩空間的三原色增益，並依據三原色增益以及色溫曲線，產生三原色目標增益。處理器依據第一色彩空間的色彩平均值及第二色彩空間的三原色增益，逐步調整影像的白平衡，以符合三原色目標增益。處理器控制輸出裝置輸出白平衡調整後的影像。
100:自動白平衡調整系統
10:影像擷取裝置
11:記憶體
12:輸出裝置
13:處理器
Cr:紅色色度軸
Cb:藍色色度軸
R:白色像素點區域
HC:高色溫曲線
LC:低色溫曲線
C:色溫曲線
P及P’:投影點
d及d’:距離
GTARGET及GTARGET’:三原色目標增益
S401至S406:步驟
第1圖係為本發明之自動白平衡調整系統之實施例的方塊圖。
第2圖係為第1圖之自動白平衡調整系統中，第一色彩空間中決定白色像素點區域的示意圖。
第3A圖係為第1圖之自動白平衡調整系統中，第二色彩空間的色溫曲線的示意圖。
第3B圖係為第1圖之自動白平衡調整系統中，色溫曲線與三原色目標增益之第一種關係的示意圖。
第3C圖係為第1圖之自動白平衡調整系統中，色溫曲線與三原色目標增益之第二種關係的示意圖。
第4圖係為第1圖之自動白平衡調整系統執行自動白平衡調整方法的示意圖。
第1圖係為本發明之自動白平衡調整系統100之實施例的方塊圖。自動白平衡調整系統100可用於連續地校正因外部光源的影響，而出現色偏的影像之白平衡。白平衡調整系統100包含影像擷取裝置10、記憶體11、輸出裝置12及處理器13。影像擷取裝置10用以擷取影像。影像擷取裝置10可為相機或是任何具有感光元件的裝置。記憶體11用以儲存資料。輸出裝置12用以輸出白平衡調整後的影像。輸出裝置12可為螢幕、影像輸出用的連接埠、或是投影系統等等。處理器13耦接於影像擷取裝置10、記憶體11及輸出裝置12，用以控制影像擷取裝置10、記憶體11及輸出裝置12。自動白平衡調整系統100可以利用影像中，兩個色彩空間的資訊以調整白平衡，故可以增加可靠度。在自動白平衡調整系統 100中，在影像擷取裝置10擷取影像後，處理器13可依據存於記憶體11中的第一色彩空間(如亮度色度色彩空間、YUV色彩空間)的標準，決定白色像素點區域。處理器13依據白色像素點區域，於影像中選擇複數個像素，並產生該些像素於第一色彩空間的色彩平均值。處理器13將第一色彩空間的色彩平均值轉換為第二色彩空間的三原色增益(如三原色色彩空間、RGB色彩空間)，並依據三原色增益以及色溫曲線，產生三原色目標增益。處理器13依據第一色彩空間的色彩平均值及第二色彩空間的三原色增益，逐步調整該影像的白平衡，以符合三原色目標增益。最終，處理器13控制輸出裝置12輸出白平衡調整後的影像。
第2圖係為自動白平衡調整系統100中，第一色彩空間中決定白色像素點區域R的示意圖。如前述提及，第一色彩空間可為亮度色度色彩空間(YUV色彩空間)。在YUV色彩空間中，如第2圖所示，Cr為紅色色度軸，Cb為藍色色度軸。因此，第2圖的CrCb表可預先存於記憶體11中。白色像素點區域R可為自定義的區域或是系統初始化的內定區域。白色像素點區域R的範圍可包含高色溫曲線HC及低色溫曲線LC。在白色像素點區域R定義完成後，處理器13可依據白色像素點區域R，搜尋出影像中「對應」的複數個白色像素點數量。接著，處理器13可將該些白色像素點數量，將其全部的Y、U、V三個值平均，以產生第一色彩空間(YUV空間)的色彩平均值YUVNWP。接著，處理器13會進行色域轉換，將第一色彩空間(YUV空間)的色彩平均值YUVNWP轉換為第二色彩空間(RGB空間)的三原色增益(RGAIN、GGAIN以及BGAIN)。換句話說，處理器13依據第一色彩空間的色彩平均值YUVNWP，轉換為第二色彩空間的紅色增益(RGAIN)、綠色增益(GGAIN)及藍色增益(BGAIN)。接著，處理器13可以將綠色增益(GGAIN)，將紅色增益(RGAIN)及藍色增益(BGAIN)正規化。舉例而言，處理器13可以將紅色增益(RGAIN)及藍色增益(BGAIN)除上綠色增益(GGAIN)，以完成其正規化的數值。
第3A圖係為白平衡調整系統100中，第二色彩空間的色溫曲線C的示 意圖。在第3A圖中，處理器13可以由第二色彩空間(RGB空間)做調適，基於已知的色溫曲線C為基準，可以設定色溫曲線C是由多少組以及範圍數量的色溫區間組成。例如，處理器13可以設定1000K~5000K之間，每1000K為一個區間。換句話說，在第3圖中，1000K~2000K為一個區間。2000K~3000K為一個區間。3000K~4000K為一個區間。4000K~5000K為一個區間。複數個區間的邊界點可以用回歸演算法或是線性法連接而形成色溫曲線C。因此，色溫曲線C可為線性或是非線性。X軸為紅色增益(正規化)。Y軸為藍色增益(正規化)。第3圖的色溫曲線C可視為已知的資料，因此可以預先儲存於記憶體11中。
第3B圖係為自動白平衡調整系統100中，色溫曲線C與三原色目標增益GTARGET之第一種關係的示意圖。如前述提及，處理器13可將第一色彩空間(YUV色彩空間)的色彩平均值轉換為第二色彩空間的三原色增益(RGB色彩空間)，並依據三原色增益以及色溫曲線C，產生三原色目標增益GTARGET，細節如下。首先，處理器可以設定門檻值Th。接著，處理器13可以取得三原色增益與色溫曲線C在第二色彩空間(RGB色彩空間)的座標系統之距離d。距離d的定義可為尤拉距離、向量相減平方或是向量相減的絕對值。若距離d大於或等於門檻值Th，表示先前得到的三原色增益需要校正。因此，處理器13可取得三原色增益在色溫曲線C上的投影點P。並將投影點P定義為三原色目標增益GTARGET。由於三原色目標增益GTARGET在色溫曲線C上，因此相較於距離較遠的三原色增益，其參考性更高。
第3C圖係為自動白平衡調整系統100中，色溫曲線C與三原色目標增益GTARGET’之第二種關係的示意圖。如前述提及，處理器13可將第一色彩空間(YUV色彩空間)的色彩平均值轉換為第二色彩空間的三原色增益(RGB色彩空間)，並依據三原色增益以及色溫曲線C，產生三原色目標增益GTARGET’，細節如下。首先，處理器可以設定門檻值Th。接著，處理器13可以取得三原色增益與 色溫曲線C在第二色彩空間(RGB色彩空間)的座標系統之距離d’。距離d’的定義可為尤拉距離、向量相減平方或是向量相減的絕對值。若距離d’小於門檻值Th，表示先前得到的三原色增益逼近於色溫曲線C。因此，處理器13可直接將三原色增益定義為三原色目標增益GTARGET’。由於三原色目標增益GTARGET’與色溫曲線C很近，故三原色目標增益GTARGET’具有一定的可靠度。
接著，自動白平衡調整系統100可以引入誤差檢測器而增加自動白平衡的收斂速度以及精確度。首先，處理器13可在第一色彩空間(YUV色彩空間)內設定白色像素點目標值。例如，處理器13可將白色像素點目標值設定為128(可用8位元表示)。接著，處理器13可取得前述之色彩平均值YUVNWP與白色像素點目標值的第一誤差。舉例而言，處理器可以將U及V兩個值與白色像素點目標值相減取平方、相減平方開根號、或相減取絕對值。換句話說，第一誤差即可視為對應第一色彩空間(YUV色彩空間)的白平衡誤差。並且，處理器13在逐步調整影像的該白平衡時，於第二色彩空間(RGB色彩空間)內可以更新三原色增益。處理器13取得三原色增益在更新時的第二誤差。舉例而言，處理器13可以將本次的三原色增益與前一次的三原色增益相減取平方、相減平方開根號、或相減取絕對值，以得到第二誤差。換句話說，第二誤差即可視為對應第二色彩空間(RGB色彩空間)的白平衡誤差。
接著，說明自動白平衡調整系統100中，自適應之三原色增益(如RGAIN以及BGAIN)更新機制的原理，細節如下。在自動白平衡調整系統100中，白平衡可以依據三原色增益(如RGAIN以及BGAIN)而調整。當三原色增益更新時，表示影像中的白平衡會逐漸被校正。並且，若三原色增益在更新時的第二誤差越大，三原色增益的更新步階(Step)越大，以使影像調整該白平衡的收斂速度越快。收斂速度可為預定義的速度或依據記憶體11中所存之查詢表而產生。反之，若三原色增益在更新時的該第二誤差越小，該三原色增益的更新步階(Step)越小，以 使影像調整該白平衡的收斂速度越慢。可以降低畫面抖動的現象。
接著，說明自動白平衡調整系統100中，自適應之白色像素點區域R的更新機制的原理，細節如下。在自動白平衡調整系統100中，白色像素點區域R的區域可以依據每次白平衡更新的結果而調整。當預測結果越接近參考白，自動白平衡調整系統100可以縮小白色像素點區域R的範圍。反之，當預測結果越偏離參考白，自動白平衡調整系統100可以放大白色像素點區域R的範圍。在實際操作中，處理器13可以設定誤差門檻值。若第一誤差與第二誤差皆小於誤差門檻值，表示預測結果接近參考白，處理器13可以縮小白色像素點區域R。若第一誤差與第二誤差其中之一小於誤差門檻值，處理器13可以維持白色像素點區域R，並繼續監控第一誤差與第二誤差。並且，若第一誤差與第二誤差皆大於或等於誤差門檻值，表示預測結果偏離參考白，影像中擷取到的白色像素點數量不足，無法當成判斷白平衡的參考。因此，處理器13可以放大白色像素點區域R。並且，處理器13將白色像素點區域R放大或是縮小的範圍可為自定義。並且，自動白平衡調整系統100調整影像白平衡的更新頻率可以為自定義。舉例而言，自動白平衡調整系統100的更新頻率可為每一幀(Frame)更新或是每兩幀更新，為自定義的參數。
第4圖係為自動白平衡調整系統100執行自動白平衡調整方法的示意圖。自動白平衡調整系統100執行自動白平衡調整方法的步驟包含步驟S401至步驟S406。任何合理的技術變更都屬於本發明所揭露的範疇。步驟S401至步驟S406的說明如下。
步驟S401：依據第一色彩空間的標準，決定白色像素點區域R；步驟S402：依據白色像素點區域R，於影像中選擇複數個像素；步驟S403：產生該些像素於第一色彩空間的色彩平均值YUVNWP；步驟S404：將第一色彩空間的色彩平均值YUVNWP轉換為第二色彩空間的 三原色增益(RGAIN、GGAIN以及BGAIN)；步驟S405：依據三原色增益(RGAIN、GGAIN以及BGAIN)以及色溫曲線C，產生三原色目標增益GTARGET；步驟S406：依據第一色彩空間的色彩平均值YUVNWP及第二色彩空間的該三原色增益(RGAIN、GGAIN以及BGAIN)，逐步調整影像的白平衡，以符合三原色目標增益GTARGET。
步驟S401至步驟S406的細節已於前文詳述，故於此將不再贅述。由步驟S401至步驟S406觀之，自動白平衡調整系統100可利用兩個色彩空間資訊，例如YUV的色彩空間以及RGB的色彩空間，以自動化白平衡的調整。YUV的色彩空間可利用於快速估算及監視訊號反饋。RGB的色彩空間內之色溫曲線可利用於快速搜尋目標色彩增益。因此，自動白平衡調整系統100對於複雜的光源環境，其影像之白平衡調整具有更高的強健性。
綜上所述，本發明描述一種自動白平衡調整方法以及自動白平衡調整系統。自動白平衡調整方法屬於一種封閉迴路的白平衡校正方法。自動白平衡調整方法可利用兩個色彩空間資訊，以自動化白平衡的調整。例如，YUV的色彩空間可利用於快速估算及監視訊號反饋。RGB的色彩空間內之色溫曲線可利用於快速搜尋目標色彩增益。並且，自動白平衡調整方法可以引入誤差檢測器而增加自動白平衡的收斂速度以及精確度。自動白平衡調整方法還可以引入自適應之三原色增益更新機制，以及自適應之白色像素點區域的更新機制。因此，自動白平衡調整方法對於複雜的光源環境，其影像之白平衡調整具有更高的強健性以及穩定性。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
100:自動白平衡調整系統
10:影像擷取裝置
11:記憶體
12:輸出裝置
13:處理器

Claims (20)

  1. 一種自動白平衡調整方法，包含：依據一第一色彩空間的一標準，利用在該第一色彩空間的一第一色溫曲線決定一白色像素點區域；依據該白色像素點區域，於一影像中選擇複數個像素；產生該些像素於該第一色彩空間的一色彩平均值；將該第一色彩空間的該色彩平均值轉換為一第二色彩空間的三原色增益；依據該三原色增益以及在該第二色彩空間的一第二色溫曲線，產生一三原色目標增益；及依據該第一色彩空間的該色彩平均值及該第二色彩空間的該三原色增益，逐幀調整該影像的一白平衡，以符合該三原色目標增益；其中該第一色彩空間與該第二色彩空間不同。
  2. 如請求項1所述之方法，其中該第一色彩空間係為一亮度色度色彩空間(YUV色彩空間)，且該第二色彩空間係為一三原色色彩空間(RGB色彩空間)。
  3. 如請求項1所述之方法，其中將該第一色彩空間的該色彩平均值轉換為該第二色彩空間的該三原色增益包含：依據該第一色彩空間的該色彩平均值，轉換為該第二色彩空間的一紅色增益、一綠色增益及一藍色增益；及依據該綠色增益，將該紅色增益及該藍色增益正規化，以產生該第二色彩空間的該三原色增益。
  4. 如請求項1所述之方法，依據該三原色增益以及在該第二色彩空間的該第二色溫曲線，產生該三原色目標增益包含：設定一門檻值；取得該三原色增益與該第二色溫曲線在該第二色彩空間的一座標系統之一距離；若該距離小於該門檻值，將該三原色增益定義為該三原色目標增益；及若該距離大於或等於該門檻值，取得該三原色增益在該第二色溫曲線的一投影點，以將該投影點定義為該三原色目標增益。
  5. 如請求項1所述之方法，另包含：在該第一色彩空間內設定一白色像素點目標值；取得該色彩平均值與該白色像素點目標值的一第一誤差；在逐步調整該影像的該白平衡時，於該第二色彩空間內更新該三原色增益；及取得該三原色增益在更新時的一第二誤差。
  6. 如請求項5所述之方法，另包含：若該三原色增益在更新時的該第二誤差越大，該三原色增益的一更新步階(Step)越大，以使該影像調整該白平衡的一收斂速度越快；其中該收斂速度係為一預定義的速度或依據一查詢表而產生。
  7. 如請求項5所述之方法，另包含：若該三原色增益在更新時的該第二誤差越小，該三原色增益的一更新步階(Step)越小，以使該影像調整該白平衡的一收斂速度越慢；其中該收斂速度係為一預定義的速度或依據一查詢表而產生。
  8. 如請求項5所述之方法，另包含：設定一誤差門檻值；及若該第一誤差與該第二誤差皆小於該誤差門檻值，縮小該白色像素點區域。
  9. 如請求項5所述之方法，另包含：設定一誤差門檻值；及若該第一誤差與該第二誤差其中之一小於該誤差門檻值，維持該白色像素點區域並繼續監控該第一誤差與該第二誤差。
  10. 如請求項5所述之方法，另包含：設定一誤差門檻值；及若該第一誤差與該第二誤差皆大於或等於該誤差門檻值，放大該白色像素點區域。
  11. 一種自動白平衡調整系統，包含：一影像擷取裝置，用以擷取一影像；一記憶體，用以儲存資料；一輸出裝置，用以輸出一白平衡調整後的影像；及一處理器，耦接於該影像擷取裝置、該記憶體及該輸出裝置，用以控制該影像擷取裝置、該記憶體及該輸出裝置；其中在該影像擷取裝置擷取該影像後，該處理器依據存於該記憶體中的一第一色彩空間的一標準，利用在該第一色彩空間的一第一色溫曲線決定一白色像素點區域，該處理器依據該白色像素點區域，於該影像中選擇複數個像 素，產生該些像素於該第一色彩空間的一色彩平均值，該處理器將該第一色彩空間的該色彩平均值轉換為一第二色彩空間的三原色增益，依據該三原色增益以及在該第二色彩空間的一第二色溫曲線，產生一三原色目標增益，該處理器依據該第一色彩空間的該色彩平均值及該第二色彩空間的該三原色增益，逐幀調整該影像的一白平衡，以符合該三原色目標增益，以及該處理器控制該輸出裝置輸出該白平衡調整後的影像。
  12. 如請求項11所述之系統，其中該第一色彩空間係為一亮度色度色彩空間(YUV色彩空間)，且該第二色彩空間係為一三原色色彩空間(RGB色彩空間)。
  13. 如請求項11所述之系統，其中該處理器依據該第一色彩空間的該色彩平均值，轉換為該第二色彩空間的一紅色增益、一綠色增益及一藍色增益，且依據該綠色增益，將該紅色增益及該藍色增益正規化，以產生該第二色彩空間的該三原色增益。
  14. 如請求項11所述之系統，其中該處理器設定一門檻值，取得該三原色增益與該第二色溫曲線在該第二色彩空間的一座標系統之一距離，若該距離小於該門檻值，該處理器將該三原色增益定義為該三原色目標增益，及若該距離大於或等於該門檻值，該處理器取得該三原色增益在該第二色溫曲線的一投影點，以將該投影點定義為該三原色目標增益。
  15. 如請求項11所述之系統，其中該處理器在該第一色彩空間內設定一白色像素點目標值，取得該色彩平均值與該白色像素點目標值的一第一誤 差，該處理器在逐步調整該影像的該白平衡時，於該第二色彩空間內更新該三原色增益，以及該處理器取得該三原色增益在更新時的一第二誤差。
  16. 如請求項15所述之系統，其中若該三原色增益在更新時的該第二誤差越大，該三原色增益的一更新步階(Step)越大，以使該影像調整該白平衡的一收斂速度越快，且該收斂速度係為一預定義的速度或依據一查詢表而產生。
  17. 如請求項15所述之系統，其中若該三原色增益在更新時的該第二誤差越小，該三原色增益的一更新步階(Step)越小，以使該影像調整該白平衡的一收斂速度越慢，且該收斂速度係為一預定義的速度或依據一查詢表而產生。
  18. 如請求項15所述之系統，其中該處理器設定一誤差門檻值，且若該第一誤差與該第二誤差皆小於該誤差門檻值，該處理器縮小該白色像素點區域。
  19. 如請求項15所述之系統，其中該處理器設定一誤差門檻值，且若該第一誤差與該第二誤差其中之一小於該誤差門檻值，該處理器維持該白色像素點區域並繼續監控該第一誤差與該第二誤差。
  20. 如請求項15所述之系統，其中該處理器設定一誤差門檻值，且若該第一誤差與該第二誤差皆大於或等於該誤差門檻值，該處理器放大該白色像素點區域。
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