TWI454139B - 高動態範圍轉換 - Google Patents

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TWI454139B TW100135383A TW100135383A TWI454139B TW I454139 B TWI454139 B TW I454139B TW 100135383 A TW100135383 A TW 100135383A TW 100135383 A TW100135383 A TW 100135383A TW I454139 B TWI454139 B TW I454139B
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Description

高動態範圍轉換
如今，許多個人電子裝置裝備有數位相機。說明性個人電子裝置包括(但不限於)行動電話、個人資料助理、攜帶型音樂播放器，及膝上型/桌上型/平板型電腦。在此等類型的裝置中所使用之影像感測器通常具有小的動態範圍。亦即，該等裝置捕獲自全黑暗至全陽光之範圍的光之能力係有限的。
一種用以克服此類相機的有限動態範圍之技術稱為高動態範圍成像(HDRI)。最常用之HDRI方法稱為多重曝光技術。使用此方法，在不同曝光/光圈下多次拍攝同一場景，並將多次收集之影像合併為單一影像。如一般熟習影像處理技術者所瞭解，所得影像可具有比基礎相機可給任何單一影像所提供的動態範圍更寬之動態範圍。大體言之，HDRI攝影通常適用於戶外背景，或存在寬範圍的光及/或色彩之背景。
新近將HDRI能力引入至一些數位單鏡頭反光式(DSLR)相機中。此等相機通常提供手動控制許多影像捕獲參數(諸如焦距、快門速度及光圈)之能力。在此等相機中之一些中亦有可能預先設定在HDRI模式操作期間所使用之影像捕獲參數(例如，光圈數之改變)。亦即，若HDRI模式捕獲3個影像，則使用者可相對於捕獲第一影像時的光圈數來將一影像設定為將以+1光圈數拍得且將另一影像設定為將以-1光圈數拍得。一旦經手動設定且在將相機手動地置於HDRI模式中之後，則該等設定將用以自動捕獲指定數目個影像。
對於包括於個人電子裝置中之相機而言，使用HDRI捕獲技術之能力可尤其重要，此係因為該等相機之影像感測器一般提供有限動態範圍。對此事實之認知導致將HDRI能力引入至一些個人電子裝置中。遺憾地，尚未存在任何手段來自動地判定何時HDRI操作可有益於此等裝置之使用者。DSLR相機使用者自己基於拍攝經驗及可能的藝術願景來做出此判定。包括於個人電子裝置中的相機之大多數使用者缺乏此經驗。因此，存在對於用於基於相機的影像感測器之動態範圍來自動地判定何時場景捕獲可自HDRI技術獲益之系統、方法及電腦可讀媒體之需要。
高動態範圍成像(HDRI)技術之使用可用來藉由增加影像之動態範圍來改良數位影像之品質。此類技術可尤其有益於影像捕獲感測器具有固有的低動態範圍之裝置。儘管可學習關於何時使用HDRI之知識，但個人電子裝置(諸如行動電話、個人資料助理、攜帶型音樂播放器及膝上型/桌上型/平板型電腦)之許多使用者不擁有此類知識。本文中所揭示之實施例描述可如何分析初始影像的直方圖資訊以自動地判定何時HDRI操作可有益於場景捕獲。若作出此類判定，則亦可如是通知使用者。
在一實施例中，捕獲來自一影像感測器之一第一影像且獲得該影像之直方圖資料(例如，光度及/或色彩直方圖資料)。可分析該直方圖以判定該影像是否展現出亮爆(bright blowout)及/或暗爆(dark blowout)。(亦即，在影像中之像素亮度(暗度)超過感測器的捕獲能力動態範圍之區域，因而在該影像之彼等區域中丟失資訊且僅產生純白(黑)像素)。若指示出光爆(blowout)之任一類型，則可向使用者通知HDRI操作可改良影像捕獲。若使用者選擇HDRI操作，則可捕獲一或多個額外影像(例如，總數為2、3或5之影像)--每一影像係使用不同的曝光值來捕獲(例如，不同的光圈數)。可接著根據已知技術將捕獲之多個影像組合以產生一最終影像。
在另一實施例中，藉由將來自直方圖的第一區之一或多個柱線(bin)合計來獲得一第一值(例如，自在該直方圖中的「第n」最低柱線導出之暗位準)及比較該所獲得之值與一第一臨限值來分析影像直方圖資料。若超過該臨限值，則給予使用者HDRI操作可有益於影像捕獲之指示(例如，視覺及/或聽覺信號)。若未超過第一臨限值，則可將來自該直方圖的一第二區之一或多個柱線(例如，自在該直方圖中的「第n」最高柱線導出之亮位準)合計以獲得一第二值。可比較該第二值與一第二臨限值，且若該第二值超過該第二臨限值，則可給予該使用者HDRI操作可有益於影像捕獲之指示。
亦描述併有所揭示方法之裝置及程式儲存裝置。
本發明係關於用於判定何時影像捕獲操作可自使用高動態範圍成像(HDRI)獲益之系統、方法及電腦可讀媒體。大體而言，本文中揭示之技術用於分析影像之光度及/或色彩直方圖以自動地判定何時HDRI可有益於場景捕獲。若作出HDRI操作可改良場景捕獲之判定，則如是通知使用者。
在以下描述中，出於解釋之目的，闡述眾多特定細節以提供對本發明概念之澈底理解。作為此描述之部分，一些結構及裝置可能以方塊圖形式展示以避免使本發明混淆。另外，在本發明中所使用之語言已主要出於達成可讀性及指導目的而選擇，且可能並非為描繪或限定本發明標的而選擇，訴諸於申請專利範圍對於判定此發明標的為有必要的。在本說明書中對「一實施例」之引用意謂結合該實施例所描述之特定特徵、結構或特性包括於本發明之至少一實施例中，且對「一實施例」之多次引用不應理解為必然皆指代相同實施例。
應瞭解，在任何實際實施之開發中(如在任何開發計劃中)，必須作出眾多決策以達成開發者之特定目標(例如，遵守與系統及商業相關的約束)，且此等目標將隨不同實施而變化。亦應瞭解，此類開發努力可能為複雜且耗時的，且對於獲益於本發明之一般熟習影像處理技術者而言，此番努力僅僅為日常事務。
參看圖1，根據一實施例之影像捕獲序列100以初始影像之捕獲(區塊105)開始。舉例而言，此步驟可為「預覽」經由顯示螢幕呈現給相機使用者之影像。一旦經捕獲，則獲得直方圖資料(區塊110)。眾所周知，每一所捕獲之數位影像具有與其相關聯之後設資料。此後設資料可包括(例如)自動曝光設定資訊及影像直方圖資料。影像直方圖為一類充當在其相關聯影像中的照度及/或色調(色彩)分佈的圖形表示之直方圖。在圖2中展示良好均衡影像之典型直方圖集合。在此特定實例中，數位相機提供四個(4)直方圖。每一直方圖係針對照度(200)、紅(205)、綠(210)及藍(215)色度，每一直方圖之橫座標軸(水平軸)表示在該影像內之照度/色調變化，同時縱座標軸(垂直軸)表示處於特定照度/色調之像素的數目。因而，該橫座標軸之左側表示黑或暗區域，中間部分表示中等灰度，且右手側表示亮或純白/色調區域。將認識到，並非所有數位相機均提供所有四個說明性直方圖。舉例而言，一些相機可能僅提供兩個直方圖：照度直方圖及組合紅綠藍直方圖。其他相機可在YCB CR 色彩空間中操作，且提供照度及CB 及CR 直方圖。
再次參看圖1，可接著執行對所獲得的直方圖中之一或多者的分析(區塊115)以判定該場景的動態範圍(亦即，光自暗至亮之擴展)是否超過相機的影像感測器之動態範圍(區塊120)。(將根據區塊115及區塊120之動作共同標註為300，且下文關於圖3來對其論述)。若判定已超過影像感測器的動態範圍(區塊120之「是」分支)，則可向使用者提供指示HDRI操作可為有益之指示(區塊125)。在一實施例中，可使用在該相機的顯示螢幕中之閃爍圖示來指示當前場景可自HDRI操作獲益。在另一實施例中，可經由相機顯示器將訊息呈現給使用者。在又一實施例中，可傳出提示音。在另一實施例中，可呈現提示音及視覺指示。若使用者接受推薦(區塊130之「是」分支)，則開始對當前影像執行HDRI操作(區塊135)，此後可儲存所捕獲之影像(區塊140)。一般熟習此項技術者將瞭解，根據區塊135之HDRI操作包括(1)捕獲多個影像，(2)對準彼等影像及(3)將該多個影像合併為一最終影像。存在許多已知技術來完成此等操作--可根據影像捕獲序列100來使用其中任一者。
若判定未超過該影像感測器的動態範圍(區塊120之「否」分支)或使用者選擇不進入HDRI模式(區塊130之「否」分支)，則根據該相機之當前非HDRI設定來捕獲該場景(區塊145)，在此之後可儲存該影像以供隨後使用(區塊140)。
參看圖3，藉由分析該(該等)直方圖以判定影像之「亮度位準」(區塊305)來開始動作300。接著比較該所判定之亮度位準與一第一臨限值(區塊310)。若超過第一臨限值(區塊310之「是」分支)，則操作在圖1中的區塊125處繼續(其中推薦HDRI操作)。當超過根據區塊310判定之亮度位準時，其指示該影像具有亮爆--在該影像中之像素亮度超過感測器捕獲亮光之能力(亦即，超過該感測器的動態範圍)的區域。若未超過第一臨限值(區塊310之「否」分支)，則執行對該(該等)直方圖之分析以判定該影像之「暗度位準」(區塊315)。接著比較該所判定之暗度位準與一第二臨限值(區塊320)。若超過第二臨限值(區塊320之「是」分支)，則操作在區塊125處繼續。當超過根據區塊315所判定之暗度位準時，其指示該影像具有暗爆--在該影像中之像素暗度超過該感測器捕獲暗光之能力(亦即，超過該感測器之動態範圍)之區域。若未超過第二臨限值(區塊320之「否」分支)，則操作在圖1中的區塊145處繼續(其中執行非HDRI捕獲操作)。
在一些情境中，可能歸因於拍攝者之有意的藝術選擇而發生光爆，或該等「光爆」可能為在場景中的極亮/極暗區域之準確描繪，諸如自水體表面反射出之陽光(反射高光)或尤其暗之陰影。在此等狀況中，在光爆區域中的細節之丟失可為有意的、可忍受的，或甚至恰當的。然而，在其他情境中，拍攝者可能想要詳細影像(亦即，無光爆區域)。在此類狀況中，根據圖1及圖3操作之數位影像捕獲裝置可向使用者指示光爆存在且可藉由進入HDRI操作模式來減輕光爆。
在一實施例中，根據區塊305及區塊315之動作分析影像之照度直方圖。舉例而言，為判定亮度位準，判定在處於或靠近最大亮度處的指定數目個直方圖柱線中的像素之數目。類似地，為判定暗度位準，判定在處於或靠近最小亮度處的指定數目個直方圖柱線中的像素之數目。需合計的直方圖柱線之數目至少部分地取決於影像感測器之雜訊位準。舉例而言，若影像感測器不具有任何固有雜訊，則可藉由對在該直方圖的最高(最低)柱線中的像素數目進行計數來判定該亮度(暗度)位準。因為所有影像感測器固有地展現出一定雜訊，所以已發現在判定亮度及暗度位準時合計許多個柱線係有益的。舉例而言，在具有8位元照度資料之數位成像裝置中，可藉由合計在頂部四個柱線中的像素計數(例如，柱線252至柱線255)來判定亮度位準。類似地，可藉由合計在底部四個柱線(例如，柱線0至柱線3)中的像素計數來判定暗度位準。應認識到，根據區塊305及區塊315之亮度位準與暗度位準之判定不需要合計相同數目個柱線。舉例而言，若影像感測器在較低照度區中比在高照度區中展現出更多雜訊，則在判定暗度位準時合計之柱線數目可大於為找出亮度位準而合計之柱線數目。因此，選擇用以合計之柱線數目以確保所獲得之值包括足夠柱線以準確地反映光爆區域之存在而非影像感測器雜訊之存在。
在一實施例中，根據區塊310及區塊320之動作比較所判定之亮度位準值及暗度位準值與特定亮臨限值及暗臨限。儘管用以計算亮度位準及暗度位準之柱線數目可基於影像感測器的特性(例如，雜訊)之考慮，但亮臨限值及暗臨限值傾向於更偏主觀性，其係至少部分地基於所得影像之所要特性。舉例而言，若捕獲反射高光比防止場景內之偶然過度曝光區域更加重要，則可將亮臨限值設定為高於防止過度曝光場景比捕獲反射高光更加重要之狀況。以類似方式，若准許暗爆(例如，出於藝術目的)比防止場景內之偶然曝光不足的區域更加重要，則可將暗臨限值設定為高於防止曝光不足更加重要之狀況。因此，可基於經驗且可基於影像捕獲裝置之所要功能來判定亮臨限值及暗臨限值。在一實施例中，可將亮臨限值及暗臨限值設定為在影像捕獲裝置的感測器中之像素總數目之15%處。在另一實施例中，可將該臨限值設定於指定數目個像素處。在又一實施例中，亮臨限值與暗臨限值不同(例如，針對亮臨限值為15%，且針對暗臨限值為12%)。在又一實施例中，可取決於數位影像捕獲裝置之場景捕獲特性及/或其他特徵動態地選擇經選擇以合計之柱線的數目。在又一實施例中，經合計之柱線數目可係基於所捕獲之影像的「類型」，例如，「戶外」、「肖像」或「焰火」模式。
作為實例來考慮圖4。在使用影像光度直方圖來判定HDRI是否恰當且另外亮臨限值與暗臨限值不同之狀況中，400展示指示暗爆之影像。在405中，指示出亮爆，且在410中指示出暗爆及亮爆。在此等狀況中之每一者中，根據圖1之影像捕獲操作可推薦進入HDRI模式(例如，在區塊125處)。
現參看圖5，說明性個人電子裝置500之簡化功能方塊圖包括數位影像捕獲感測器505、影像捕獲及處理電路/模組510、可程式化控制處理器515(亦稱為「處理器」)、記憶體520、儲存器525、顯示器530及匯流排535(其他元件經由匯流排535以通信方式耦接)。裝置500亦可包括用以提供額外功能性之電路540。舉例而言，若裝置500為行動電話，則電路540將包括電話功能性。類似地，若裝置500為個人音樂裝置，則電路540將包括音樂儲存、顯示及播放功能性。
如一般熟習此項技術者所認識到，影像捕獲及處理電路/模組510可包括用以進行以下動作之必要能力：處理自感測器505接收之影像資料及將經部分處理之影像資料545(例如，光度(Y)直方圖資料、色彩直方圖資料(Cb 、Cr )及諸如影像曝光設定之其他後設資料(MD))發送至記憶體520。一旦處於記憶體520中，則處理器515可存取/獲得必要之直方圖資料且執行根據圖1及圖3之動作。
作為實例，將影像捕獲過程100(見圖1)考慮為可由裝置500執行。在正常操作期間，使用者可將其相機(例如，併有感測器505及影像捕獲電路/模組510之裝置500)對向場景。作為此過程之部分，可捕獲一預覽影像(影像1)及其直方圖及經發送至記憶體520之其他後設資料(區塊105)。處理器515可接著自記憶體520獲得影像1之直方圖資料(區塊110)，且根據區塊115及區塊120來對其進行分析(亦見圖3)。若判定影像1可自HDRI操作獲益，則如是通知使用者(區塊125)。假設使用者接受該推薦(區塊130之「是」分支)，則可獲得在使用者捕獲該場景時之額外影像(區塊135)。舉例而言，使用者可在指定位置處觸摸顯示器530，或按下在裝置500上之按鍵或開關。在一實施例中，可總共獲得三個影像：影像1、影像2及影像3，其中影像2及影像3係使用不同於用以捕獲影像1的曝光設定之曝光設定(例如，+1光圈數及-1光圈數)自動捕獲。將針對影像2及影像3之影像資料儲存於記憶體520中，此後處理器515可以任何所要方式將所有三個影像組合以產生一最終影像(區塊135)。可將該最終影像置於儲存器525中以供隨後使用(區塊140)。應認識到，在根據區塊135之動作期間所捕獲及組合之影像數目不限於3。舉例而言，在一實施例中，僅捕獲一額外影像(例如，影像2或影像3)。在另一實施例中，總共捕獲5個影像。使用不同的曝光設定所自動捕獲之影像的數目為取決於諸如裝置500之類型、處理器515之計算能力、匯流排535之頻寬及記憶體520及525之容量以及其他者之設計決策
在不偏離以下申請專利範圍之範疇的情況下，材料、組件、電路元件以及所說明操作方法之細節中的各種改變為可能的。舉例而言，根據圖3之操作可變更以首先判定是否超過裝置之暗臨限值。此外，所描述的本發明概念之實施例不限於使用光度資料。如先前指出，亦可使用色調資料(單獨使用或結合光度資訊使用)。另外，增益及曝光設定並不僅為可根據區塊135變更之影像捕獲設定。
可藉由一可程式化控制裝置來執行根據圖1及圖3之動作，該可程式化控制裝置執行經組織至一或多個程式模組中且儲存於記憶體(例如，520及/或525)中之指令。可程式化控制裝置(例如，處理器515)可包括任何可程式化控制器裝置，包括(例如)購自Intel Corporation之Intel Atom、Core、Pentium中之一或多個成員及Celeron處理器家族及購自ARM之Cortex及ARM處理器家族或經訂製設計之狀態機。(INTEL、INTEL ATOM、CORE、PENTIUM及CELERON為Intel Corporation之註冊商標。CORTEX為ARM Limited Corporation之註冊商標。ARM為ARM Limited Company之註冊商標)。經訂製設計之狀態機可體現於諸如特殊應用積體電路(ASIC)及場可程式化閘陣列(FPGA)之硬體裝置中。
適宜用於有形地實施程式指令之儲存裝置(例如，記憶體520及儲存器525)包括(但不限於)：磁碟(固定式磁碟、軟式磁碟及可移除式磁碟)及磁帶；光碟，諸如CD-ROM及數位視訊光碟(「DVD」)；及半導體記憶體裝置，諸如電可程式化唯讀記憶體(「EPROM」)、電可抹除可程式化唯讀記憶體(「EEPROM」)、可程式化閘陣列及快閃記憶體裝置。
最終，應理解，意欲上文描述為說明性的，而非限制性的。舉例而言，上文描述之實施例可彼此組合使用。對於熟習此項技術者而言，許多其他實施例在閱覽上文描述之後將變得顯而易見。因此，本發明之範疇連同所附申請專利範圍賦予權利之等效物之全部範疇應參考所附申請專利範圍來判定。在所附申請專利範圍中，使用術語「包括」及「其中」作為各別術語「包含」及「其中」(wherein)之通俗等效者。
200．．．照度直方圖
205．．．紅色度直方圖
210．．．綠色度直方圖
215．．．藍色度直方圖
400．．．光度直方圖
405．．．光度直方圖
410．．．光度直方圖
500．．．個人電子裝置
505．．．數位影像捕獲感測器
510．．．影像捕獲及處理電路/模組
515．．．可程式化控制處理器
520．．．記憶體
525．．．儲存器
530．．．顯示器
535．．．匯流排
540．．．提供額外功能性之電路
545．．．影像資料
圖1以流程圖形式展示根據一實施例之影像捕獲過程。
圖2展示良好均衡影像之說明性直方圖。
圖3以流程圖形式展示根據一實施例之影像分析操作。
圖4展示根據一實施例之說明性直方圖及相關聯的影像亮臨限值及暗臨限值。
圖5以方塊圖形式展示根據一實施例之個人電子裝置。
(無元件符號說明)

Claims (22)

  1. 一種成像方法，其包含：自一影像感測器捕獲一第一影像；獲得表示該第一影像之一直方圖，該直方圖具有複數個柱線；自該直方圖判定是否已超過該影像感測器之動態範圍；及當判定已超過該影像感測器之動態範圍時，則向一使用者呈現一推薦以自用於該第一影像之一隨後捕獲之一非高動態範圍操作切換至一高動態範圍操作，其中該推薦可被該使用者接受或拒絕。
  2. 如請求項1之方法，其進一步包含：接收使用者輸入來使用高動態範圍操作；及自動地捕獲一或多個額外影像，每一額外影像係使用不同於用以捕獲該第一影像的影像曝光設定值之影像曝光設定值來捕獲。
  3. 如請求項2之方法，其進一步包含：將該第一影像及該一或多個額外影像組合成一結果影像；及將該結果影像儲存於一記憶體中。
  4. 如請求項1之方法，其中捕獲一第一影像之該動作包含捕獲一預覽影像。
  5. 如請求項1之方法，其中獲得一直方圖之該動作包含獲得一光度直方圖。
  6. 如請求項1之方法，其中自該直方圖判定是否已超過該影像感測器的動態範圍之該動作包含：判定針對該直方圖的第一一或多個柱線之一第一值；及判定該第一值是否超過一第一臨限值。
  7. 如請求項6之方法，其進一步包含：若未超過該第一臨限值，則判定針對該直方圖的第二一或多個柱線之一第二值；及判定該第二值是否超過一第二臨限值。
  8. 如請求項6之方法，其中該第一值對應於該第一影像中的一亮度位準。
  9. 如請求項8之方法，其中該第一一或多個柱線包括在該直方圖中的一最高柱線。
  10. 一種程式儲存裝置，其包含用於使一可程式化控制裝置執行如請求項1之該方法的指令。
  11. 一種數位影像捕獲裝置，其包含：一數位影像感測器；一記憶體，其以通信方式耦接至該影像捕獲感測器；及一可程式化控制裝置，其以通信方式耦接至該記憶體，其中該記憶體包括用於使該可程式化控制裝置執行如請求項1之該方法的指令。
  12. 如請求項11之數位影像捕獲裝置，其中該數位影像感測器、記憶體及可程式化控制裝置係併入於一個人電子裝置中。
  13. 一種成像方法，其包含： 將針對一影像之一直方圖接收於一記憶體中，該直方圖包括複數個柱線；判定針對該等柱線中之第一一或多者之一第一值；及若該第一值超過一第一臨限值，則提供一指示以進入操作一數位影像捕獲裝置之一高動態範圍模式；若該第一值未超過一第一臨限值：判定針對該等柱線中之第二一或多者之一第二值，及當該第二值超過一第二臨限值時，則向一使用者呈現一推薦以自一非高動態範圍操作切換至一高動態範圍操作，其中該推薦可被該使用者接受或拒絕。
  14. 如請求項13之方法，其進一步包含：接收使用者輸入以進入操作該數位影像捕獲裝置之該高動態範圍模式；及基於該使用者輸入來捕獲一或多個額外影像，每一額外影像係使用不同於用以捕獲該影像的曝光設定值之曝光設定值來捕獲。
  15. 如請求項14之方法，其進一步包含：將該影像及該一或多個額外影像組合成一結果影像；及將該結果影像儲存於該記憶體中。
  16. 如請求項13之方法，其中接收一直方圖之該動作包含獲得一光度直方圖。
  17. 如請求項13之方法，其中該第一值對應於該影像之一亮度位準。
  18. 如請求項13之方法，其中該第一一或多個柱線包括該直 方圖中的一最高柱線。
  19. 一種程式儲存裝置，其包含用於使一可程式化控制裝置執行如請求項13之該方法的指令。
  20. 一種數位影像捕獲裝置，其包含：一數位影像感測器；一記憶體，其以通信方式耦接至該影像捕獲感測器；及一可程式化控制裝置，其以通信方式耦接至該記憶體，其中該記憶體包括用於使該可程式化控制裝置執行如請求項13之該方法的指令。
  21. 如請求項20之數位影像捕獲裝置，其中該數位影像感測器、記憶體及可程式化控制裝置係併入於一個人電子裝置中。
  22. 如請求項21之數位影像捕獲裝置，其中該個人電子裝置包含一行動電話。
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