TW201506525A - 高動態範圍影像曝光時間控制方法 - Google Patents

高動態範圍影像曝光時間控制方法 Download PDF

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Abstract

一種高動態範圍影像曝光時間控制方法，其包含：利用影像感測器連續產生第一高動態範圍影像以及第二高動態範圍影像，第一高動態範圍影像具有第一曝光時間比，第二高動態範圍影像具有第二曝光時間比，第二曝光時間比大於第一曝光時間比；對第一高動態範圍影像進行影像品質評估，以得到第一影像品質，對第二高動態範圍影像進行影像品質評估，以得到第二影像品質；判斷第二影像品質是否優於第一影像品質，若是，則以第三曝光時間比拍攝第三高動態範圍影像，其中，第三曝光時間比大於第二曝光時間比；若否，則以第一曝光時間比拍攝第三高動態範圍影像，並將第一曝光時間比設定為最佳曝光時間比。

Description

高動態範圍影像曝光時間控制方法
本發明是關於一種高動態範圍影像曝光時間控制方法，特別是關於一種利用影像感測器捕捉不同曝光時間的影像，將不同曝光時間的影像結合成高動態範圍影像，並藉由調整曝光時間比，以獲得最佳品質之高動態範圍影像之方法。
目前的消費型數位相機或網路攝影機(Webcam)的動態範圍(Dynamic Range)(亮度訊號最大值與最小值之比值)約為400，而較專業的數位單眼相機可將動態範圍增加到1000。然而，室內場景的動態範圍大多超過1500，而室外場景的動態範圍往往高達105。因此，這些器材僅能捕捉到場景之部分亮度資訊。
為解決以上的問題，P.E.Debevec在1997年提出了高動態範圍影像的技術，”Paul E.Debevec,Jitendra Malik,Recovering High Dynamic Range Radiance Maps from Photographs,SIGGRAPH 1997”，即結合多張不同曝光時間的影像。提高兩張原始影像的曝光時間比，可得到更高的動態範圍資訊。然而，也需要將更大的動態範圍資訊壓縮在螢幕可顯示的動態範圍，此過 程稱為色調映射(Tone Mapping)。由於螢幕的動態範圍很低(約為200)，色調映射的壓縮過程會破壞畫面中的細節與對比，導致整體的影像品質低落。換言之，一味的提高曝光時間比，無法得到最佳的影像品質。此外，市面上所見的高動態範圍影像系統，大多使用固定的曝光時間比，或是需要使用者手動決定曝光時間比。
本發明提出一種高動態範圍影像曝光時間控制方法，並提供一套評估影像品質的技術以自動決定最佳的曝光時間比。當場景中光源有所改變時，可自動重新尋找最佳曝光時間比，以維持最佳的影像品質。
一種高動態範圍影像曝光時間控制方法，其包含：利用影像感測器連續產生第一高動態範圍影像以及第二高動態範圍影像，第一高動態範圍影像具有第一曝光時間比，第二高動態範圍影像具有第二曝光時間比，第二曝光時間比大於第一曝光時間比；對第一高動態範圍影像進行影像品質評估，以得到第一影像品質，對第二高動態範圍影像進行影像品質評估，以得到第二影像品質；判斷第二影像品質是否優於第一影像品質，若是，則以第三曝光時間比拍攝第三高動態範圍影像，其中，第三曝光時間比大於第二曝光時間比；若否，則以第一曝光時間比拍攝第三高動態範圍影像，並將第一曝光時間比設定為最佳曝光時間比。
承上所述，本發明之高動態範圍影像曝光時間控制 方法，利用影像感測器經由影像產生過程，產生連續的複數個高動態範圍影像並對其進行影像品質評估。由最低曝光時間比開始，逐步增加曝光時間比到影像品質開始變差，則可決定上一個曝光時間比為最佳曝光時間比。找到最佳曝光時間比之後，使用影像品質評估方法，比較本張影像之影像品質是否與前一張影像之影像品質相同。如相同則維持最佳曝光比，如因光源的改變造成影像品質下降，則將曝光時間比設定成原始的最低曝光時間比，並重新尋找最佳曝光時間比。
S41~S51‧‧‧步驟
R1~R3‧‧‧曝光時間比
10‧‧‧第一高動態範圍影像
20‧‧‧第二高動態範圍影像
30‧‧‧第三高動態範圍影像
40‧‧‧第四高動態範圍影像
50‧‧‧第五高動態範圍影像
501‧‧‧第一長曝光影像
502‧‧‧第一短曝光影像
503‧‧‧第二長曝光影像
504‧‧‧第二短曝光影像
505‧‧‧第三長曝光影像
506‧‧‧第三短曝光影像
507‧‧‧第四長曝光影像
508‧‧‧第四短曝光影像
509‧‧‧第五長曝光影像
510‧‧‧第五短曝光影像
第1圖為根據本發明之高動態範圍影像曝光時間控制方法之方法流程圖。
第2圖為根據本發明之高動態範圍影像曝光時間控制方法之長曝光影像之像素值與短曝光場影之像素值對應亮度之示意圖。
第3圖為根據本發明之高動態範圍影像曝光時間控制方法之產生高動態範圍影像之示意圖。
第4圖為根據本發明之高動態範圍影像曝光時間控制方法之曝光時間比與影像品質之關係圖。
為利貴審查員瞭解本發明之技術特徵、內容與優點及其所能達成之功效，茲將本發明配合附圖，並以實施例之表達 形式詳細說明如下，而其中所使用之圖式，其主旨僅為示意及輔助說明書之用，未必為本發明實施後之真實比例與精準配置，故不應就所附之圖式的比例與配置關係解讀、侷限本發明於實際實施上的權利範圍，合先敘明。
第1圖係本發明之高動態範圍影像曝光時間控制方法之方法流程圖。其流程步驟可包含如下：S41：利用影像感測器產生高動態範圍影像。
S42：對高動態範圍影像進行影像品質評估。
S43：是否第一次進行影像評估。若是，則進入步驟S45；若否，則進入步驟S44。
S44：是否為最佳曝光時間比。若是，則進入步驟S48；若否，則進入步驟S46。
S45：增加曝光時間比。
S46：判斷影像品質是否優於前一張影像品質。若是，則進入步驟S45；若否，則進入步驟S47。
S47：降低曝光時間比，並將降低後之曝光時間比設定為最佳曝光時間比。
S48：是否為找到最佳曝光時間比後第一次進行影像品質評估。若是，則進入步驟S50；若否，則進入步驟S49。
S49：判斷影像品質是否與前一張影像品質相同。若是，則進入步驟S50；若否，則進入步驟S51。
S50：維持曝光時間比
S51：將曝光時間比設為初始曝光時間比，並重新尋找最佳曝光時間比。
於步驟S41中，請參考第2圖。第2圖為本發明之高動態範圍影像曝光時間控制方法之長曝光影像之像素值與短曝光場影之像素值對應亮度之示意圖。環境中同一亮度的光源，受到曝光時間的差異會形成不同的像素值(Pixel Value)。假設曝光時間比R為長曝光影像之曝光時間與短曝光影像之曝光時間之比值，則同樣亮度的光源，在兩張不同曝光時間的影像得到的像素值會有R倍的差異。因此只要將短曝光影像之每一像素之像素值乘以R倍，即可合併兩張不同曝光時間的影像。相同地，只要將長曝光影像之每一像素之像素值除以R倍，即可合併兩張不同曝光時間的影像。
於一具體實施例中，曝光時間比R可由使用者自行決定或由系統預設決定，當曝光時間比R決定之後，可利用一般相機的自動曝光(Auto Exposure)機制決定出曝光時間A，而長曝光影像與短曝光影像之曝光時間可以A作為基準而對稱地伸縮，亦即，長曝光影像與短曝光影像之曝光時間之平均值等於A。舉例來說，若曝光時間比R為3，則長曝光影像之曝光時間為1.5A，而短曝光影像之曝光時間為0.5A。若曝光時間比R為7，則長曝光影像之曝光時間為1.75A，而短曝光影像之曝光時間為0.25A。
於一具體實施例中，使用者可關閉一般相機的自動曝光功能，改由自己手動決定一曝光值B。接著，長曝光影像的曝光時間及短曝光影像的曝光時間可不對稱地向B的兩側伸縮，以找到最佳的曝光時間比。例如當曝光時間比R為10時，長曝光影像的曝光時間及短曝光影像的曝光時間可分別為1.25B及 0.125B。手動決定曝光值的優點是可以得到最佳品質的高動態範圍影像。
請參考第3圖，假設於步驟S41中，影像感測器首先根據一初始曝光時間比R1(假設其值為3，其可由上述之使用者自行決定或由系統預設決定)拍攝第一長曝光影像501以及第一短曝光影像502，並合併成為第一高動態範圍影像10。而後進入步驟S42，對第一高動態範圍影像10進行影像品質評估(亂度、畫面邊緣總和或過曝過暗的比例，詳下述)。接著進入步驟S43，判斷是否為第一次進行影像評估。此時由於係第一次進行影像評估，因此進入步驟S45，增加曝光時間比用以尋找最佳曝光時間比。
第4圖為根據本發明之高動態範圍影像曝光時間控制方法之曝光時間比與影像品質之關係圖，其係用以說明於步驟S45增加曝光時間比之原因。如第4圖所示，當曝光時間比從a、b、c增加到d時，原則上影像品質也隨著提高。但在曝光時間比由d增加到e時，由於色調映射的壓縮過程開始破壞畫面中的細節與對比，導致影像品質沒有隨著曝光時間比的增加而提高。亦即，本發明係為尋找曝光時間比d，而此時d點的曝光時間比即為本發明所定義之最佳曝光時間比。反映於具體實施例中，若前後兩張高動態範圍影像中，後一張高動態範圍影像之影像品質相較前一張為差，則前一張高動態範圍影像之曝光時間比即為最佳曝光時間比。
由於在步驟S43係第一次進行影像評估，僅有一張高動態範圍影像10，並無法進行比較，因此於步驟S45，直接增加曝光時間比(R2，假設其值增至7)，並重新回到步驟S41。於 步驟S41，影像感測器根據曝光時間比R2(其值為7)拍攝第二長曝光影像503以及第二短曝光影像504，並合併成為第二高動態範圍影像20，而後再次進入步驟S42，對第二高動態範圍影像10進行影像品質評估(亂度、畫面邊緣總和或過曝過暗的比例，詳下述)。
於一具體實施例中，影像品質評估可根據數據資訊量來進行。當畫面中的像素亮度的分布越分散時，亦即，像素值分布越分散時，代表該畫面保留最多的資訊。因此可使用亂度(Entropy)作為影像品質評估的標準。其公式如下：。其中p i 為該畫面像素之像素值為i的出現機率，E為亂度值。
於一具體實施例中，影像品質評估還可根據人眼視覺特定來進行。由於人眼對於局部對比(Local Contrast)特別敏感，因此可使用常見的Canny、Sobel方法找出畫面中的邊緣，再以畫面中邊緣(Edge)的多寡作為品質評估的標準。欲判斷畫面中邊緣的多寡，必須先將影像轉換成灰階模式，算出影像中所有邊緣的總和。算出之值越大，則代表影像品質越佳。
於一具體實施例中，影像品質評估更可根據畫面中過曝或過暗的比例來進行。高動態範圍影像的基本概念是利用長曝光影像獲取場景中的暗處資訊，同時利用短曝光影像獲取場景中的亮處資訊。因此，若長曝光影像最暗處之像素值接近或小於第一預設值，例如，像素值小於10，則代表此影像的曝光時間不夠長，無法有效獲取暗處資訊。相對地，若短曝光影像最亮處之像素值接近或大於第二預設值，例如，像素值大於250(假設此處影像感測器之位元數為8，因此像素值為0至255間之一整數值)， 則代表此影像的曝光時間不夠短，無法有效獲取亮處資訊。基於此概念，可增加曝光時間比，直到長曝光影像最暗處之像素值沒有過暗，以及短曝光影像最亮處之像素值沒有過亮。
至此，已產生兩影像品質分別對應第一高動態範圍影像10以及第二高動態範圍影像20。接著進入步驟S43，由於已非第一次進行影像評估，因此進入步驟S44，判斷是否已找到最佳曝光時間比。由於此時尚未找到最佳曝光時間比，因此進入步驟S46，判斷第二高動態範圍影像20之影像品質是否優於第一高動態範圍影像10之影像品質。如上述所述，如果第二高動態範圍影像20之影像品質優於第一高動態範圍影像10，則進入S45，繼續增加曝光時間比(此時相當於第4圖之a點跟b點)；如果第二高動態範圍影像20之影像品質未優於第一高動態範圍影像10，則進入步驟S47(此時相當於第4圖之d點跟e點)，降低曝光時間比，並將降低後之曝光時間比設定為最佳曝光時間比，即，尋找到最佳曝光時間比。亦言之，第4圖之局部最大值(Local Maximum，d點)為本發明所定義之最佳曝光時間比。
假設步驟S46判斷結果係第二高動態範圍影像20之影像品質優於第一高動態範圍影像10(代表尚未找到最佳曝光時間比)，則進入S45，繼續增加曝光時間比(R3，假設其值增至10)，並重新回到步驟S41。於步驟S41，影像感測器根據曝光時間比R3拍攝第三長曝光影像505以及第三短曝光影像506，並合併成為第三高動態範圍影像30，而後再次進入步驟S42，對第三高動態範圍影像30進行影像品質評估。由於此時並非第一次進行影像評估，且亦非找到最佳曝光時間比，因此再次進入步驟S46，此時判斷第三高動態範圍影像30之影像品質是否優於第二高動態範圍 影像20之影像品質。假設此時第三高動態範圍影像30之影像品質並未優於第二高動態範圍影像20，則進入步驟S47，降低曝光時間比，並將之降低後之曝光時間比設定為最佳曝光時間比，亦即之曝光時間比將從R3(其值為10)降低之R2(其值為7)，並將R2設定為最佳曝光時間比。而後再次返回步驟S41。
於步驟S41，影像感測器根據曝光時間比R2拍攝第四長曝光影像507以及第四短曝光影像508，並合併成為第四高動態範圍影像40，而後進入步驟S42，對第四高動態範圍影像40進行影像品質評估。由於此時並非第一次進行影像評估，且已是最佳曝光時間比，因此進入步驟S48，判斷是否為找到最佳曝光時間比後第一次進行影像品質評估。若是，則進入步驟S50，維持曝光時間比(R2)，接著再次返回步驟S41，根據曝光時間比R2拍攝第五長曝光影像509以及第五短曝光影像510，並合併成為第五高動態範圍影像50。
執行步驟S48的原因是由於影像係持續地拍攝中，雖然於步驟S44已找到最佳曝光時間比，但從步驟S44執行到步驟S48所經過的時間，所拍攝的主體或物體可能產生變動或移動，或係從室內轉移到室外，致使步驟S44所尋找的最佳曝光時間比已經不適合應用於現在及後來所拍攝的影像，因此需要重新找尋最佳曝光時間比。而為了判斷是否為主體或物體是否有產生變動或移動，需要兩張高動態範圍影像以進行判斷，而由於此時僅有單張高動態範圍影像(即第四高動態範圍影像40)，因此在維持目前的曝光時間比(R2)的條件下，產生另一張高動態範圍影像以進行比較，以利判斷步驟S44所尋找的最佳曝光時間比是否適合應用於現在(步驟S48所處的時間)所拍攝的影像。換句話說， 若所拍攝的影像係靜態畫面，則步驟S48以下的步驟係可省略。
當再次返回步驟S41，影像感測器根據曝光時間比R2(其值為7)拍攝第五長曝光影像509以及第五短曝光影像510，並合併成為第五高動態範圍影像50，而後進入步驟S42，對第五高動態範圍影像50進行影像品質評估。由於此時並非第一次進行影像評估，且已找到最佳曝光時間比，且並非找到最佳曝光時間比後第一次進行影像品質評估，因此進入步驟S49，判斷第五高動態範圍影像50之影像品質是否與第四高動態範圍影像40之影像品質相同。若是，代表步驟S44所尋找的最佳曝光時間比仍適合應用於現在所拍攝的影像，因此進入步驟S50，繼續保持目前的曝光時間比(R2)進行拍攝。若否，則代表步驟S44所尋找的最佳曝光時間比已不適合應用於現在所拍攝的影像，因此需要重新找尋曝光時間比，故進入步驟S51，將曝光時間比從R2(其值為7)設定為初始曝光時間比R1(其值為3)，代表未尋找到最佳曝光時間比，而後重新返回步驟S41，再於步驟S44中進入步驟S46以重新進行上述尋找最佳曝光時間比之程序。
於一具體實施例中，步驟S49判斷影像品質是否相同，可容許一預設範圍，於此範圍內視為相同。例如兩影像品質差異在±5%或±10%的範圍內，可視為相同。
於一具體實施例中，本發明的曝光時間比R可為1至64之間之整數。較佳地，本發明的曝光時間比R為3至16之間之整數。
綜合上述，本發明之高動態範圍影像曝光時間控制方法，利用影像感測器經由影像產生過程，產生連續的複數個高 動態範圍影像並對其進行影像品質評估。由最低曝光時間比開始，逐步增加曝光時間比到影像品質開始變差，則可決定最佳曝光時間比。找到最佳曝光時間比之後，使用影像品質評估方法，比較本張影像之影像品質是否與前一張影像之影像品質相同。如相同則維持最佳曝光比，如因光源的改變造成影像品質下降，則將曝光時間比設定成原始的最低曝光時間比，並重新尋找最佳曝光時間比。
綜合上述，可見本發明在突破先前之技術下，確實已達到所欲增進之功效，且也非熟悉該項技藝者所易於思及，再者，本發明申請前未曾公開，且其所具之進步性、實用性，顯已符合專利之申請要件，爰依法提出專利申請。
當本發明的實施例參考其例示性實施例被特別顯示及描述時，其可為所屬技術領域具有通常知識者理解的是，在不脫離由以下申請專利範圍及其等效物所定義之本發明的精神及範疇內，可對其進行形式及細節上的各種變更。
S41~S51‧‧‧步驟

Claims (10)

  1. 一種高動態範圍影像曝光時間控制方法，其包含下列步驟：利用一影像感測器連續產生一第一高動態範圍影像以及一第二高動態範圍影像，該第一高動態範圍影像具有一第一曝光時間比，該第二高動態範圍影像具有一第二曝光時間比，其中，該第二曝光時間比大於該第一曝光時間比；對該第一高動態範圍影像進行一影像品質評估，以得到一第一影像品質，對該第二高動態範圍影像進行該影像品質評估，以得到一第二影像品質；以及判斷該第二影像品質是否優於該第一影像品質，若是，則以一第三曝光時間比拍攝一第三高動態範圍影像，其中，該第三曝光時間比大於該第二曝光時間比；若否，則以該第一曝光時間比拍攝該第三高動態範圍影像，並將該第一曝光時間比設定為一最佳曝光時間比。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之高動態範圍影像曝光時間控制方法，其中該影像感測器產生該些高動態範圍影像的過程，包含下列步驟：分別利用該影像感測器拍攝一長曝光影像以及一短曝光影像，並將該長曝光影像與該短曝光影像合併成為對應之高動態範圍影像。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之高動態範圍影像曝光時間控制方法，其中該長曝光影像的曝光時間與該短曝光影像的曝光時間的比值係為該曝光時間比。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之高動態範圍影像曝光時間控制方法，其中每一曝光時間比對應一曝光時間，該長曝光影像與該短曝光影像之曝光時間之平均值等於該曝光時間。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之高動態範圍影像曝光時間控制方法，其中該影像品質評估的過程包含以一公式計算亂度值(Entropy)，該公式為，其中p i 為像素之像素值為i的出現機率，E為亂度值，亂度值越大，代表對應之影像品質越佳。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之高動態範圍影像曝光時間控制方法，其中該影像品質評估的過程包含計算邊緣總和，邊緣總和之值越大，代表對應之影像品質越佳。
  7. 如申請專利範圍第4項所述之高動態範圍影像曝光時間控制方法，其中該影像品質評估的過程更包含計算過曝過暗的比例。
  8. 如申請專利範圍第4項所述之高動態範圍影像曝光時間控制方法，更包括下列步驟：利用該最佳曝光時間比拍攝一第四高動態範圍影像以及一第五高動態範圍影像；對該第四高動態範圍影像進行該影像品質評估，以得到一第四影像品質；對該第五高動態範圍影像進行該影像品質評估，以得到一第五影像品質；以及判斷該第五影像品質是否與該第四影像品質相同，若是， 則維持該最佳曝光時間比以持續拍攝高動態範圍影像；若否，則清除該最佳曝光時間比，並以一初始曝光時間比重新尋找該最佳曝光時間比。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之高動態範圍影像曝光時間控制方法，若該第五影像品質與該第四影像品質之差異在±5%或±10%的範圍，則該第五影像品質與該第四影像品質為相同。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之高動態範圍影像曝光時間控制方法，該些曝光時間比係介於1至64之間之整數。
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