TW440801B - Method and apparatus for perceptual determination of threshold for gradient-based local edge determination - Google Patents

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4408 0 經濟部中央標率局負工消费合作社印製 A7 B7 五、發明説明（1 ) 發明背景 1.發明範同_ 本發明係通常係闞於影像處理的範圍。更明確而言，本 發明係關於在影像中的特徵檢測。 2 · _相關技藝之説明_ 在影像處理的技藝中，物體/景色之像能具有某歇特徵。 如此影像的重要特徵在於影像"邊緣"。影像的邊緣能藉由 在第—區域圖素和第二區域圖素之間的不連貫強度及/或色 彩變化所定義。沿著在兩區域之間的邊界，在任何一端的 一群圖素可歸類爲"邊緣”圖素或屬於邊緣特徵的圖素。例 如’如邊緣特徵的特殊範例，考慮具有純藍色和兩列白色 圖素的二列圖素會連續接在三個藍色列之後。藍色和白色 的分別第3和第4列圖素可當作邊緣。既然第3和第4列之間 存在突然較大的色差和強度，這些圖素是在"邊緣"上，而 且整個係表示邊緣特徵。既然強度變化並不會突然較大而 知類爲邊緣’由於一列白色與隨後8比連列之略帶灰白色圖 素的對照下，而較不可能認爲是邊緣特徵。已知爲邊緣檢 測的技藝範圍係表示用以檢測及識別邊緣的技術，並提供 各種不同的資料及有關在影像處理中非常有用影像的邊緣 資訊的統計。 知類爲邊緣特徵的影像是在影像處理和提供中具有許多 的重要應用。一重要的應用係藉由移除模糊及増強邊緣而 使影像更敏銳。其它的應用是形狀或圖案識別，其可使用 在電腦的视覺或OCR (光學字體辨識）。如此的應用對於成 本纸張尺度適用中國國家標*( CNS ) Λ4規格（210X297公雄） •I 一 .me - - - - 一^11 I - - I E^f I. I * (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 440801 A7 B7 經濟部中央標免局員工消费合作社印装 五、發明説明（2) 功地處理邊緣檢測是很重。如果邊緣不能夠檢測，它們便 不能夠提升，而如果非邊緣至邊緣交界並非正確地識別， 模糊仍會存在。邊緣檢測失敗便會以下列兩其中之一的方 式出現："錯誤"邊緣會產生，亦即，該等邊緣特徵並非歸 類爲邊緣，會邊緣會受到破壞’亦即，邊緣特徵係歸類爲 非邊緣特徵，而然後如此的處理大量破壞邊緣^ 該邊緣檢測問題可從許多不同的角度來處理。一處理是 係認爲從一圖素或區域至其它的強度位準變化的邊緣。能 夠量度此變化的諸如梯度之運算子（運用一组資料的數學功 能）能如此使用在邊緣檢測。除了利用某些運算子形式來計 算強度位準的變化之外，該邊緣檢測器必須也要處理臨界 値，而它係指示所提供的強度値變化是否能夠歸類爲表示 邊緣或非邊緣區域或圖素。在臨界和量度強度變化之間的 比較係決定圖素是否屬於邊緣。大多數以臨界爲基礎的邊 緣檢測器係嘗試來固定預先定義的臨界，而此預先定義的 臨界是可運用在整個影像上，並運用在由特殊影像裝置或 處理所產生的每一影像。這會有問題的，因爲在影像中的 諸如陰影之某些特徵會因使用邊緣檢測處理而嚴重破壞2 例如，如果部份影像是在光源的陰影中，而影像的其它區 域是在光源的較亮區域，在陰影區域中的強度變化將無法 與在較免區域中檢測邊緣相比較。既然該等強度値與相同 邊緣特徵的影像較亮區域相比是較低，而且是更窄的範圍 ，所以該陰影區域具有不變的強度。結果，如果設定高的 臨界値，㈣像的陰影區域中所呈現的邊緣特徵會不正確 本成乐尺度適用中S國表標導（CNS > Λ4規格（210x 297公趋） . .-9-, (讀先閱讀背面之注意事項再填ΪΪΤ本百〇 經濟部中央樣準局員工消贤合作枉印¾ 4408 0 1 A7 ______B7 五、發明説明（3 ) — 一- 地歸類爲作非邊緣特徵。 若要改正問題，如此便需要設定較低的臨界。但時常是 ，設定較低的臨界會導至錯誤邊緣的相對問题。當低的臨 界能使用在-影像或影像類型的時候，它會因藉:引用錯 誤的邊緣而產生另一影像類型的不良邊緣檢測。因此，在 彼此影像之間，該臨界値時常是由手動處理來設定，其中 使用者會選取特殊影像的臨界。臨界的選擇時常係經由所 測試的臨界與每一影像相比較的嘗試和錯誤來達成，而稍 後分析孩結果。此外，大郅份的檢測器會忽略局部的強度 範圍問題，因爲該臨界可運用在整個影像的任何地方。— 眾所週知而有效的邊緣檢測器已發展出，該緣檢測 器係使用磁滯臨界。在磁滯臨界處理中，高的臨界和低的 臨界會設定，而在第一處理過程中，具強度値變化（梯度） 大於高臨界的所有圖素係認爲邊緣圖素。在下—處理過程 中，毗連或接近於大於附近邊緣圖素的任何圖素也歸類爲 邊緣圖素’而該等附近邊緣圖素係大於低臨界。即使是使 用Canny邊緣檢測器，構成磁滯的該等高和低臨界値現係以 手動選取。 如此，它梯係意欲要提供邊緣檢測器，其能在影像之間 自動地選擇臨界値’而沒有使用者干擾。此外，如先前所 討論的，它係意欲要描述在影像中的潛在局部強度特性， 所以ΰ玄臨界値能夠调禮在;f目同影像的區域中。此外，由於 計算的成本，該邊緣檢測典型上是以軟體實現，它係意欲 使裝置能以快速的硬體製作，所以數位照相機或電子眼能 本紙張尺度適用中國國家螓在（CNS ) Λ4規格（2;0X 297公炱） -->--,1-----裝--------訂------涑 • I . (請先聞讀背面之注意事項再填'ItT本頁) 44080 1 -濟部中央.標進為員工消費、合作.社印掣 Α7 Β7 五、發明説明（4 ) 具有自動硬體爲基礎的邊緣檢測能力。 發明概述 所揭露的方法係定義影像的局部區域，該局部區域是影 像的選取部分，而然後在沒有使用者干擾能自動地決定臨 界，其係提供用於局部區域中的邊緣檢測。該臨界係基於 局部區域中的圖素強度訊息。 圖式之簡單説明 本發明的方法及裝置之目的、特徵、和優點從下列的描 述而更顯然，其中： . 圖1是本發明的一具體實施例之流程圖 圖2係人類視覺系統響應於強度變化的近似値。 圖3係根據本發明的具體實施例而描述以梯度爲基礎的邊 緣檢測。 圖4(a)係描述用以獲得悌度決定之第一方向差的罩幕。 圖4 (b)係描述用以獲得梯度決定之第一方向差的罩幕。 圖5是本發明的一具體實施例的系統圖。 圖ό是可應用於可直接硬體實現之圖3基於梯度邊緣檢測 的修改流程圖。 發明之詳細説明 請即參考圖，現要描述本發明的具體實施例9所提供的 具體實施例係描述本發明的觀點，而不應限制本發明的範 圍°该等具體實施例主要係參考方塊圖或流程圖來描述。 對於該等威程圖而言，在流程圖中的每個方塊係表示方法 步驟及用以執行該方法步驟的裝置元件。決定在所製作的 —扣衣------訂------银 (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS〉Λ4規格 (210χ 297公茇） 44 08 0 1 A7 B7 經濟部中央標準局負工消費合作.社印掣 五、發明説明（5) ，該等相對裝置元件能以硬體、軟體、韌體、或上述組合 來配置。 當由感應器或照相機、或其它新奇裝置、或所獲得的其 它所補捉的影像分析的時候，可説是具有邊緣特徵，而所 有其它的特徵可説是非邊緣特徵。構成邊緣的決定是不容 易，而且不是難難的處理。邊緣檢測係時常基於測量強度 變化，而然後將該強度變化與臨界相比較。既然太低的臨 界會產生錯誤的邊緣，而太高的臨界會跳過邊緣，所以此 臨界的選擇會是邊緣檢測的基本問題。既然沒有單一臨界 適合於每一影像，它必須在影像之間調諧。時常地，這可 藉由使用者的手動完成。如果不是，所展現的臨界値並非 是意欲的，既然某些影像並非有效響應於用以檢測邊緣爲 目的的特殊臨界。此外，即使臨界不知何故決定在由傳統 邊緣檢測之影像基礎的影像，該臨界會一致性地提供在整 個影像。在具有能改變磁場的不同光源的影像，或在的― 區域中的強度範園不同於其它區域的強度範圍，一致性的 臨界是不足夠的，並且會導致不正確的邊緣檢測結果。 正確的邊緣檢測在圖案識別 '電腦視覺、影像強化、和 影像處理的.許多其它領域中是重要的^它是要避免使用者 設定臨界的干擾’並基於影像的強度特性來進一步地決定 臨界。理想上，該等技術應運用在局部的區域，所以低強 度變化的邊緣仍然能正確地檢測。而且，所使用的技術應 能達成快速硬體製作，以致於它能實現，如果需要，可在 能產生影像圖案的數位照相機或影像裝置中。一如此可能 本紙弦疋度適用申國國家標隼（CNS ) Λ4規格（2i〇,<297公》) --Λ--^-----裝-------訂------球 (諳先閱讀背面之>1意事項再填轉本頁) Λ7 B7 經濟部中央標筚局負工消费合作社印繁 五、發明説明（6 ) 的邊緣檢測方法是在圖！顯示，而且是在下面所討論的各種 不同的其它具體實施例。 圖1是在本發明的一具體實施例上的流程圔。 首先’在影像中的局部區域會定義（步驟110) α該局部區 域會是影像的Μχ Ν矩形區域，纟中如果要要藉此定義正 方形區域，Μ和N是相等。整個所補捉影像大小之百分比 的局部區域能夠是較大或較小，其係決定在所需的製作及 可用的硬體/軟體資源、和影像要以多快的速度來處理的速 度限制。例如，若要利用大部份在電腦系統中的硬體和教 體，它要具有8 X 8或1 6 X 1 6局部區域。該局部區域通常係 定義有關在影像中的特殊圖素。在影像於較大的區域上是 更致性特性，該局郅區域可定義較大。然而，如果微妙 的細節識別是決定性的，或影像在小的區域中顯示較大的 變化特性，該局部區域便能定義較小。 一旦定義該局部區域，下—步驟是要決定三個値：在局 邵區域（步驟120)中的所有強度値之平均數、最小値（min)、 及最大値（max)。考慮局部區域的平方μ X μ附近，此係包 括Μ Μ -1比較。在局部區域中的該等強度値、max、和 平均値係允許在選擇臨界影像中的更精密的識別。在影像 中的局邪區域之強度特性將允許邊緣檢測應用，以決定何 裝置係指定給在該區域中所提供的圖素強度變化。對照之 下’琢典型的邊緣檢測會忽視局部的強度變化π —旦決定梯度資訊，臨界應會決定（步驟π〇)。該臨界是 舆強度（通常是以梯度量度）變化比較，而如果該強度變化 __ 冬 ( CNS ) ---^------^------1T------^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局”貝工消费合作社印製 440801 Λ 7 _ Β7 五'發明説明（7) 係超過該臨界’該圖素或區域能歸類爲邊緣。在傳統的邊 緣檢測器中，該臨界値已預先設定，而不會随著不同的影 像改變如果影像之間的臨界變化是意欲的，它必須時常 由使用者做手動改變。此外’基於傳統臨界的邊緣檢測器 並不會在所提供影像的局部區域中動態地調整該臨界値， 但是係提供相同的臨界，而不管是否調諧整個所提供的特 殊影像。 對照之下’根據步驟13〇，根據本發明的一具體實施例之 邊緣檢測的臨界値能自動地決定。此決定係基於人類視覺 系統的強度變化響應（人類眼睛的光覺及人腦的心智感受） 。圖2係描述人類視覺系統響應曲線與強度變化比較的近似 値。大體上，強度値的範圍越高，人類視覺系統便不能辨 別強度變化。如果調整人類視覺系統的響應，該臨界將會 更正確，而且在影像邊緣增強上，如果所提高的並沒有,_知 覺的"臨界處理，人類所提高影像的視覺品質會以較好於相 同的影像出現a 根據步驟130的知覺臨界也包括局部區域之強度特性的使 用’即是在步驟120的min '平均數和max的決定。表示強度 的相對範圍及在局部區域中的相對強度値的一方法係定義 百分比或商數，其是將在局部區域中的整個強度値範圍與 平均値和mU的差相比較。因此，臨界的„相對局部強度" (RI)可定義成

Rl=(mean-min)/(max-min). ----- - In--1 H «士 K - - li n - -- I _ i—T __E I K n n I 展 - * 0¾-*" {請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) —_____ -10- 440801 Α7 Β7 經濟部中央標準局負工消費合作社印製 五、發明説明（8 ) Ri能用於臨界’但是就某種意義來説，ri因素並不是最 佳的’因它並未與人類視覺系統，或與採用邊緣檢測的應 用有關聯°如圖2所示，其在光學和影的領域中是眾所週知 的，響應於強度變化之人類視覺系統係允許概略性的對數 圖案。因此，若要描述人類視覺系統的知覺能力，功率函 數運算子也應是決定臨界的因素。因此，邊緣檢測的臨界 理想尚是ΪΙΓ，其中” a"是功率因素。模擬和測試結果已顯 示0.45的功率因素係接近於人類視覺系統。因此，在人類視 覺目的之邊緣檢測中所採用的臨.界u T，,是： T = {(mean-min)/(max-min)}0·45 此功率函數運算子只是範例，而可根據在有關人類視覺 系統或決定在採用邊緣檢驗應用範圍中所獲得的新資訊來 修改。在諸如OCR的文字圖案辨識中，它對於脱離人類視 覺系統反應是很有用，而且以不同的功率因素或改變諸如 縣性運算子的運算子類型而再形成功率函數。 本發明的具體實施例之主要觀點是該臨界能自動地決定 ’而且係局部地動態改變，而無需使用者干擾。該臨界係 額外基於人類視覺系統的知覺，但可修改成給其它的視覺 系統或利用所執行之邊緣檢測的應用。 一旦決定臨界’然後，邊緣檢測能利用該局部臨界値（步 膝140)來執行3圖3係描述利用知覺和局部地調諧臨界的基 於梯度的邊緣檢測器。該邊緣檢測能藉由意欲的部份或圖 -11 - -- -- - I ^^^1 - (請先閱讀背面之注意事項再填te本f ) --° 440801 經濟部中央標準局負工消費合作社印裝 Λ 7 ~~-_______ Β7 __五、發明説明（9 ) 素而可以是所執行的圖素。換句話説，在局部區域中的所 有圖素係受限於相同的動態地獲得臨界，或只是有關局部 區域定義的中央圖素。因此，步驟15〇會檢查是否任何的影 像邵分係保留給邊緣檢測。影像部分會定義成與單一圖素 具有相同的大小，所以動態出現的臨界會重新決定每個和 每一圖素’而該局部區域會改變（和因此會是新的）爲每個 和每一圖素。如有任何的影像部分遺留下來，那麼該局部 區域會重新定義（步驟11〇)，而步驟12(μ15〇會重複。如果並 沒有邊緣檢測之遺留的影像部令，該程序便完成。 圖2是人類視覺系統響應於強度變化的近似値。 圖2的繪圖具有水平軸，其係標示圖素之可能的強度値。 所提供的每圖素8位元解析影像，可能的強度値範園是在〇 和255之間。縱軸係表示人類視覺系統之所感受的強度變化 ’其係完全以自然對數來顯示非線性響應。本質上，較大 之所要量測的變化的強度値，人類視覺系統沒有能力來區 別差。例如’從2 5至2 6値的強度變化由人類視覺系統可感 受到4 %強度變化。對照之下，從100至ι〇1的一強度値的相 同變化係顯示只有1 %的人類視覺系統的知覺差。知覺的能 力會進一步減少’所以從200至201値的變化只感覺到〇 5 % 的強度變化。從201至200的變化亮度値並不會與從2 5至2 6 的一樣太。 考慮如此的影像部分，由於陰影，所有的値皆在較低的 地方’可説是在0和5 0之間，而其它的影像係顯示較高範 圍的値。如果一致性的臨界係運用在影像，可說具有 r ^-----¾衣------1T------^ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -12- 本紙浪尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4規格（2丨〇Χ297公釐） 4 4 OB Ο 1 Λ 7 Β7 經濟部中央標準局貝工消費合作社印装 五、發明説明（1〇) T = 〇.6 ’而該値係時常在技藝中使用，然後沒有邊緣特徵 可在影像部分中檢測，既然該變化從未大於最大的60%， 而此最大値可旎疋相當高。在該影像部分中的所有邊緣特 徵將會錯誤地特徵化。對照之下’局部的知覺臨界會根據 在影像部分或定義爲局部區域之影像部分中的最大、最小 、和平均強度來設定局部臨界。如果最大値是5〇 ,而最小 値是二，並且平均値是20，那麼所使用的臨界會是2〇/5〇或 0.40此外，如下面所顯示的描述，如果強度或梯度的變 化也正常化或調諧成局部區域λ邊緣檢測的比較會更有意 義。 〜 圖2的曲線在技藝中是眾所週知的，在技藝中的技術具有 在0.4和说間的純不同所使用㈣，其係表示描述曲線 的功率函數。理想上，本發明的—具體實施例係使用 函數運算子之功率因素的㈣.45，但是應用或製作的任何 其它的功率因素能夠選擇運用在RI因素。 圖3係根據本發明的—具體實施例的基於梯度邊緣 流程圖。 首先，在影像中的最初局部區域係定義有關圖素口 31〇)。該最初的局部區域能夠是影像的ΜχΝ的矩形區 其中如果需要藉以定義正方形區域，m*n可以是 。影像在較大區域上是更有一致性特徵，該局部區域可1 義成較大。然而，如果微妙細節識別是決定性的，或必（ 顯示在：：域中的大變化特性，該局部區域能定義較::像 -旦定義孩局部區域，下—步驟是要決定該梯度值 具 -13- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（2l0x 297公趋 --I -----，装--------訂------嘁 (讀先閲讀背面之注意事項再填{"本頁) Λ： Β' M濟部中戎橾準局兵工消费合作社印褽 五、發明説明（” 係藉由運用某些罩幕或運算子（步驟320)而結合在局部區域 中的每一和每個圖素。此罩幕或梯度運算子係運用在有關 每個圖素的較小鄰近，通常具有較小的鄰近是較局部區域 的大小還小。圖4 ( a) - 4 (b)及其相關的描述係闡明具3 X 3 相鄰幕的參數和配置，並包括所要決定梯度的圖素。藉由 重複地將運算子或罩幕提供給在局部區域中的每個圖素， 而藉此決定梯度’整個局部區域的梯度資訊便能完成。該 梯度是在有關該圖素之小區域（罩幕大小的範圍）中測量來 自所提供圖素之各種不同方向的.相對強度變化。 在大多數的基於梯度的邊緣檢測中，該梯度値係藉著將 梯度除以在整個影像中的最大梯度而在整個影像上正常化 。然而，如此的正常化係需要，如果是以硬體實現，在整 個影像中的所有圖素梯度資訊之兩處理方法必須決定，而 然後每個梯度係除以在影像中所找到的最大梯度値。既然 局邵區域係定義用以決定局部臨界，所以此相同的局部區 域可根據在局部區域（步驟325)中的最大梯度而用來使圖素 P的梯度正常化。此係確保梯度比較的臨界更能反映局部影 像趨勢。如果該梯度係根據在整個影像中的最大梯度而正 常化，那麼該局部臨界將會將相對梯度與整個影像相比輕 ，而不考量局部區域。 一旦決足該梯度的訊息，該臨界可基於局部的強度訊息 (步驟330)而自動地決定。臨界"τ"的自動決定在先前與圖1 中的步驟1 3 0有更深入的討論，但是反覆地説能夠以 T={(mean-min)/(max_mm) }表示，其中”平均値，，是在局部區 -14, 表紙乐尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210Χ29λ公沒 —'.I—----ά------ir------^ - - (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁〕 44080 1 Λ7 B7 經濟部中央榇準局負工消费合作钍印製 五、發明説明（12 域,中的所有強度値的平均，"min„是那所有強度値的最小量 ’ 區域的最大強度俊，而"a"係基於邊緣檢測所 運用的應用或視覺系統的功率„。如果應用或視覺系統 具有響應於強度變化的平坦線性，該功率因素時常會是"r· ，當敘述人類視覺系統特徵的時候，在技藝中所顯示的功 率因素係大約是” 0.45”。 若要決定圖素P是否爲屬於影像邊緣特的圖素，該正常化 的梯度會與動態所決定的局部臨界俊（步驟335)相比較。如 果圖素P的正常化梯度超過該臨界値，圖素P便能歸類爲 邊緣圖素（步驟340)，其係屬於諸如線條之影像邊緣特徵 的圖素。如果不是，該圖素p係歸類爲非邊緣圖素（步驟 j50) w邊緣檢測的一方法，即是基於梯度的邊緣檢測已 j圖3的流程圖中提出，使用臨界處理的任何適當邊緣檢測 器可利用本發明的各種不同具體實施例的臨界處理觀念來 改艮邊緣檢測器的能力。例如，採用具有分類邊緣和非邊 緣之影像空間Gaussian罩幕的眾所週知Canny邊緣檢測器可 連同設定其磁滯的局部和知覺動態臨界處理的技術使用， 低臨界和高臨界係基於局部的強度資訊。 的數位照相機而言，例如在圖3'警和二= 展現的邊緣檢測器是有效的，由於在該裝置中利用其計算 的速度及使用較少的矽區域3 '、’人如不1任何的圖素是在該局部區域（在步驟370上檢 查）中處理，那麼步驟32〇_375便會重複。如果圖素係確實 歸類爲邊緣或非邊緣圖素，有關下一圖素p的新局部區域便 15. ^ ^ ~ —裝 訂 線 (讀先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 木紙張尺度適用中國國家標準（CNS )厶4規格 (210X297公处） Λ7 Β7 經濟部中央標準局負Η消費合作衽印黑 五、發明説明（13) 會定義（步騍3 80)。該局部區域在影像中的每個圖素是不同 的’而因此，每個圖素具有其本身的調諧局部臨界値及有 關它正常化的最大局部梯度。決定所提供圖素的梯度資訊 之方法是在圖4(a)和4(b)中描述。圖4 ( a)係描述用以獲得第~方向差的罩幕。 決定圖素梯度的一方法係應用罩幕A，其本質上係尋找有 關涵蓋軍幕之附近交界的圖素”強度"。此強度本質上係沿 著兩圖素交界的特殊方向差。當沿著第二方向交界而與類 似的強度計算的時候’此第一方向能提供與其鄰近比較的 中央圖素之良好的相對強度估計。在圖4(a)中，3X3罩幕 係描述在第一及第三欄中具有非零係數，而零係數是在中 央或第二欄。所顯示的罩幕A是具有6個非零係數a 1、A2 、A3、A4 ' A5、和A6。該當罩幕係運用在具有強度値1〇 、I]、12 ' 13、14 ' 15、16、17、和18之圖素的影像區域 I的時候’結果所產生的差Λχ係表示爲：△ x = AI*I0 + A2*I3+A3*I6 + A4*I2 + A5”5+A6*I8 » 該 差値Δχ能使用在具強度値丨4的圖素梯度計算，其係顯示在 影像區域I的中心。通常，該罩暮八會具有提供零的加總係 數。在眾所週知的Sobel罩幕中，該等係數Ai、Α2、和A3 皆具有-1値，而該等係數A 4、A 5、和A 6皆具有+丨値。如 此，隨著Sobel罩幕的係數，差値Αχ會是^ = 12 + 15 + 18-10-Π-Ι6。因此，在技藝中已知達成有意義梯度値的罩幕 係數選擇係將差計算減化成只有圖素強度値的加算及減算 ’而該等圖素強度値能輕易藉由加法器的硬體實現。因此 __ -16- 尺錢财關) Α4·_(Tj^x 297公斧 j~ (諳先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} -裝

-II .丨球 4 Λ OB Ο 1 Λ7 Β7 五、發明説明（Μ) ~' ，該差値會變成容易而很快地實現。諸如prewitt罩幕的不 同罩幕如果應用便能容易地實現。該prewitt罩幕具有等於 -1的A1和A3係數’而A2係數是-2。若要眞實地呈現，該 Prewitt罩幕具有在A4和A6等於+1的另一方向交界上的係 數，及等於+ 2的係數A5。使用Prewitt罩幕，AX或差値會變 成^ = 12 + 245+18-10-243-16。雖然乘以2，但如果只 有加法及減法運算是在硬體實現，這可藉由15和13的移位 運算及藉由諸如Δχ = Ι2 + Ι5 + Ι5+Ι8-Π)-Ι3-Ι3-Ι6的Δχ計算 而容易地實現。 、 梯度運算係使用在邊緣檢測中，既然係假設邊緣在影像 空間中具有特殊的方向。如果14認爲是邊緣圖素，沿著圖 素的邊界（一邊-10、13、Ιό，而另一旁邊_12、15、18)應 具有小於圖素14的強度或相對的组合強度位準。關於這— 點，本質上是在水平方向（該罩幕具有決定在影像的左邊和 右邊上的強度値）中的第一方向差能夠以上述所提供的來計 算。既然該影像空間是二維、垂直、和水平，只有一有關 圖素14的更多方向差會需要計算。 超濟部中央橾準局！工消費合作社印" 圖4(b)係描述用以獲得第二方向差的罩幕。在圖4(b)令 ’所描述的第二3 X 3罩幕在第1及第3列中具有非零係數， 而在中央或第2列中具有零係數。所顯示的罩幕β係具有6 個非零係數Β ί、Β 2、Β 3 3、Β 4、Β 5、和Β 6。當該罩幕提 供給具有強度値10、II、12、13、14、15 ' 16、17、和 18 圖素的區域I的時候，結果所產生的差係表示爲： Δγ=Β1*Ι0+Β2*Ι1+Β3*Ι2+Β4*Ι6+Β5*Ι7+Β6*Ι8 。該 -17- 本紙張尺度適用中國國家標隼（€阳）八4現格（2丨0/ 297公&) 440801 Λ 7 Β7 五、 發明説明（15 差値Ay能用在計算具有強度値14的圖素梯度，其係顯示在 影像區域I的中央。通常，該罩幕3具有提供零的加總係數 。在眾所週知的Sobel罩幕中，該等係數B1、B2、和B3皆 具有値-1，而該等係數B4、B5 '和B6皆具有値+ 1。如此 ，随著Sobel罩幕的係數，差値Ay會是Δγ = Ι6 + ί7 + Ι8_Ι〇· 11-12。因此，在技藝中已知達成有意義梯度値的罩幕係數 選擇係簡化成只有@素的〜算和減算的計算，而其能輕易 以加法器硬體實現。因此，該差値會變成容易實現和快速 三諸如Prewitt罩幕的不同罩幕便.能容易地實現^該prewiu罩 幕具有等於-1的B1和B3係數及_2的]52係數。若要眞實地 呈現，該prewi«罩幕具有在等於+ 1_4#pB6的另—方向邊 ，上的㈣及+ 2的係數B5。使用prewitt罩幕，在沿著影像 人界的第一方向中的或差値會變成+ + 1〇:2^ 1-12。雖然乘以2，但這能容易地藉由15和13的移 {運算《 ί見’或如果只有加算和減算是以硬體實現，則可 藉由如Δγ=Ι6 + ί7 + Ι7 + ί8_Ι0-π-π七來分開計算。理想 上，用來尋找Δχ或第—方向差的罩幕Α應該與用來尋找第 二万向差的罩幕B類型相同。它可使用在—方向中的_ 及另-爲補償的Prewi«’既然該影像裝置不能夠生產正方 >圖素卩疋理想上，可產生其它形狀的矩形圖素或圖素 。在域情況，圖素的幾何可説是罩幕係數的選擇。 隨著上面所獲得的第 Η又行]弟—万向爰Δγ，其係説明水平及垂直 的兩方向交界對。蚨接，太见 0 τ…俊在衫像空間ί的中央圖素之梯度I4 是由在每個方向上獲得所 °艾力α 心的向量所獲的向量大 ΙΊ ： 裝 訂 ^ - - (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局負工消費合作社印装 -18 - A7 4408 0 1 五、發明説明（16 ) 小。因此，該梯度G會是,或由Δχ*Δγ組合所 形成的向量。每個圖素的梯度可藉由3 X 3的較小環繞個圖 素的區域獲得’而然後藉著在兩方向及它們相對邊界對的 其中之一來提供罩幕，本質上藉此在梯度的決定上能包括 每個&即毗連圖素》如上述的，該梯度値可正常化在局部 區域中所展現的最大梯度，所以相對的加權能提供給梯度 測量。例如，在具諸如非線條結構的影像部分中，該等梯 度値可位在狹窄的區域。如果這些在該局部區域中正常化 成最大梯度，那麼所獲得的該等梯度値能更有效地分柄。 该正常化的梯度G= ^Xl + Ay2 /GLMAX，其中（^…以是在局部 區域中的所有圖素之最大梯度。 圖5是本發明的一具體實施例的系統圖。 圖5係描述電腦系統51〇，它能夠是諸如p c (個人電腦）的 任何一般或特殊目的的決定或資料處理機器，而此p c係耦 合至照相機530。照相機530能夠是數位式照相機、數位式 影像照相機、或任何的影像捕捉裝置、或影像系統，而且 疋利用來補捉物體或場景54〇之感應器影像^本質上，所補 捉的像影係藉由影像處理電路532所壓縮及處理，所以它們 能有效地儲存在影像記憶體單元534，該記憶體單元可以是 速如固定式磁碟、介面卡等的隨機存取記憶體（RAM)或其 它的儲存裝置。在多數的數位式照相機中，從諸如慼應器 的影像捕捉裝置所獲得的原始影像會首先儲存在照相機53〇 ，而稍後會下載輸出、顯示、或處理a此允許照相機53〇在 無需額外延遲而很快地補捉下一個物體。一方便的原始影 -19- 本紙浪又度適用中國國家標卑（CMS ) Λ4規格（2丨0X 297公釐） —;—^----.裝—：----訂------踩 (請先閱讀背面之注意事項再填巧本S ) 鲤濟部中央標準局Μ工消费合作社印製 經濟部中央標孪局員工消費合作社印製 44 08 0 1 A7 五、發明説明（17) 像表7上述的8位元Bayer圖案CFA，其係結合每個圖素的 灰谐強度値的色彩（紅色、綠色、或藍色）。 在一具體實施例中’影像是由原始8位元Bayer圖案CFA的 照相機53〇所補捉，而然後壓縮成某些其它的資料或編碼的 格式3根據本發明的一具體實施例之邊緣檢測的局部臨界 如下所述。首先，該壓縮的影像會從照相機5S0經由輸入/ 輸出連接埠517下載至磁碟518或在電腦系統51〇上的其它裝 置。琢所壓縮的影像是在電腦系統51〇上解壓縮。然後，該 電腦系統會藉由執行指令而在復原的CFA影像上執行邊緣 檢測的局部臨界處理，而該等指令係構成處理器512能執行 在本發明的各種不同具體實施例中所描述的。 在本發明的各種不同具體實施例中所描述的方法可藉由 使用諸如Permum·™ (英代爾公司的產品）及諸如RAM之記憶 體511的處理器512來執行，而此RAM是用來儲存/載入指令 、位址 '和結果資料。用來執行知覺的臨界處理和邊緣檢 測的應用能夠是從以C + +語言所寫的原始程式所編譯的可 執行模组。符合於決定及正常化梯度値輔助的指令之可執 行模组的指令可尋測局部強度特性，並自動地決定局部臨 界處理可儲存在磁碟518或記憶體511，而如此可經由某些 可讀取的媒體載入。這對於在電腦科學技藝中的任何一平 常技術是顯然的，而能經由程式來控制決定機器是否要實 現在本發明的各種不同具體實施例中所描述的寫入方法3 電腦系統510具有系統匯流5丨3，其可輔助資訊傳遞至處理 器512和記憶體511，並從其傳回，而且也具有橋 14, ___ -20- 本紙張尺度適用中國國家標卒（CNS ) A4規格（210X297公沒） (許先聞讀背面之注意事項再填舄本頁) 裝 440801 A7 B7 五、發明説明（μ ) 其係將系統匯流513轉合至輸人/輸出匯流排515。輸入/輪出 匯流排515係連接諸如顯示轉接器516、磁碟518 '和諸如串 列缚的輸入/輸出淳之各種不同的輸入/輸出裝置。輸入旧 出裝置、ffi流排 '和橋接器的許多如此的組合能夠與本‘ 明使用，而所顯示的组合只是描述可能的組合。 當補捉諸如物體/場景54〇的影像的時候，該影像會以諸 如眾所週知的Bayer圖案的CFA而以R、G、和B圖素強度値 展現。這些圖素強度値會傳送至該影像處理電路532。影像 處理屯路532疋由積體電路和執行類似其它功能的元件所組 成，影像壓縮方法是用來減少與照像機53〇和電腦系統5】〇 之間傳遞的大小。當影像要顯示或輸出的時候，所需的色 衫窝入是最重要，而如此並不必要在照相機53〇上執行。當 使用者或應用需要/請求影像下載的時候，儲存在影像記憶 單兀中的壓縮影像會從影像記憶單无534轉移至輸入/輸出 埠517。該輸入/輸出埠517係使用所顯示（經由輸入/輸出匯 流排至系統匯流513的橋接器514)的匯流排橋接器，以便 暫時性地將影像資料儲存在記憶體i或磁碟5丨8。該等壓 縮影像是由適當的應用軟體（或專屬的硬體）解壓縮，並利 用處理益512來執行α該解壓縮的影像資料會以類似或相同 於由照相機530的感應器所補捉的影像資料之每圖素8位元 的強度値來復原。 孩下載影像一旦解壓縮便會在它們的Bayer圖案形式中具 有圖素’即疋’圖素的8位元強度値，但只結合三顏色紅色 '綠色 '或藍色的其中一個顏色D在一應用上，如果影像 -21 - &纸泫尺度適用中國國家榡準（CNS ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁〕 -------裳. 經濟部中央標洋局負工消費合作社印裝 )Λ4規格（210X297公茇 440801 A7 p—___^_ 五、發明説明（19) 之所提升邊緣要在是監視器520上輸出，那麼根據本發明的 各種不同的具體實施例的局部臨界處理和邊緣檢測便會採 用。該下載和解壓縮的影像會藉由上述的圖素和技術來分 析，每個圖素係歸類爲邊緣或非邊緣。隨著所檢測的邊緣 ’它們能提升或由其它的應用或碼模組來處理。當執行局 部臨界處理及邊緣檢測的時候，該等梯度値及正常化的梯 度値能以陣列儲存在記憶體511或磁碟518。如果所儲存陣 列的每個元素能夠以相對於單一資料的一组資料來儲存， 那麼該圖素的正常化梯度，梯度最初的圖素強度局部臨界 可全部儲存，以致於它們能重新給其它的應用使用。如果 邊緣增強是邊緣檢測目的，該所提供的影像550將以較佳的 視覺效果、明顯的邊緣顯示，提供較傳統邊緣檢測方法更 適合的顯示裝置（監視器520和轉接器516)。所提升邊緣的 影像可儲存在磁碟518、記憶體5 Π、及/或在經由顯示轉接 器516提供之後，可直接輸出至監視器520。藉由使用當作 臨界因素的人類視覺系統，就如上述有關於本發明的各種 不同具體實施例，該所提供的影像550會以較高的品質影像 出現。諸如文字辨識軟體（OCR)而可在電腦系統500上實現 的較寬陣列影像及電腦版本應用可根據本發明的各種不同 具體實施例來利用局部的臨界處理及邊緣檢測。而且，如 果任何其它的邊緣檢測而除了在此所討論的以外，該局部 臨界技術能夠以略爲修改的方式來提供，所以如此的操作 會更有效。 局部臨界及邊緣檢測的電腦程式碼可封包成諸如款式磁 -22- 本紙掁尺度適用中国國家標华（CNS ) Λ4规格（210X 29；/公垃） {請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁 裝. ]- 經濟部中史標準局si工消費合作社印製 A7 A7 Μ濟部中央標聿局-負工消费合作社印掣 五、發明説明（2〇 ) 碟或CD-ROM可接受的電腦可讀媒體，而且可伴隨執行從照 相機530所下載影像的解壓縮的軟體。就如任何的其它軟體 ，它可在網路通信系统上下載/指定，或能以韌體使用。這 些所下載的影像能根據它們的邊緣特徵而提升，所以該等 像能以更正確的視覺效果將物體/場景540展現給使用者。 根據本發明的另一具體實施例，邊緣檢測和局部臨界能夠 在照相機53〇的本身以硬體實現。 在本發明的另一具體實施例中，該影像處理電路532能適 合於包括在-照相機上用以執行局部臨界處理和邊緣檢測的 電路’以致於在影像記憶體單元534中所儲存的影像是無雜 訊的影像。因此’當下載至電腦系統51〇或所提供裝置的時 候’邊緣特徵便已分類。在如此的具體實施例中，該影像 的邊緣特徵可預先分類，所以諸如無雜訊和顏色寫入的技 術能正確而能更有效地執行。上述用以尋找/正常化圖素梯 度 '及局邵臨界、和邊緣檢測的方法可容易地在VLSI(超大 型積體電路）或其它的積體電路實現。 圖6是圖3直接運用硬體所實現的基於梯度邊緣檢測所修 改之流程圖。 如果諸如圖5的照相機530是以硬體實現’圖3方法的數種 修改便能採用。假設平方Mx Μ局部區域，那麼最初，最 初Μ2圖素梯度値必須決定（步驟6〇〇)，而且儲陣 列。此Μ2的計算値只需在所提供的影像執行—次，如同在 下面所討論的。其次，根據步驟620,在局部區域中的最大 梯度會決I在硬體中，比較器和暫存器可透過步截6〇〇使 -23- 本.¾¾尺度適用中國园家標导（CXS ) Λ4現格（297公笕） (請先閱讀背面之注意事項再填ί?ΐ本頁) 裝- 訂 44 08 u Ί Α7 五、發明説明（21 ) ^，所以當計算所找2圖素的梯度値的時候，該最大的決 定也會執行。梯度值的正常化可在只關於已定義局部區域（ 步驟630)之圖素P的梯度上執行。然後，最小⑽）和最大 (max)的強度値會發現（步驟64〇)。對於硬體而言，此步骤 也可根據步驟_，藉由一對暫存器和比較器而與所有m2 圖素梯度㈣決定平行處理。其次，平均強度値會決定（步 骤650)。最後，該邊緣檢測能藉由決定局部臨界來完成， 並將它與圖素P(步驟660)的正常梯度相比較。 當邊緣檢測的下一圖素取得（步驟67〇)的時候，那麼有兩 種可能性。該圖素屬於新的影像列，或它並不屬於（在步驟 678上松查）。如果该圖素不屬於新的列，它是部份的相同 列’而且係假設圖素的從左至右掃描，第—欄的M圖素梯 度値會從梯度陣列(步驟68〇)移出並清除。然後，只有新欄 的Μ圖素梯度値需要計算相同列的下—圖素但以經過一搁（ 步驟685) ^如果在梯度陣列中的攔左移（左至右的掃描）或 右移（右至左的掃晦）是在步驟上執行，只有在陣列中的 最後的欄需要以最新所計算的梯度値來更新。這會大量提 升硬體的速度。 經濟部中央標"-局Μ工消費合作社印製 如不新的圖素ρ不是相同的列，那麼列的變化便會受到影 i 叩不疋私出梯度陣列的欄，一列的Μ彳直會改變（步螺 690)=假設係上而下地掃描，第一列會移出，所有的列會 向上移’而在梯度陣列中的最後空白列會由新計算的Μ梯 度I直（步银695)所替換。如果係執行逐列方式的圖素掃描， 那麼掃描的方向（左至右 '及右至左）會随著每一新列改變 _______ -24- 4408 0 A7 B7 — " ~ ~ * - — 五、發明説明（22) 。在此方法中，最少的梯度計算數目便會執行。如果係採 用Z字形的掃瞄及處理圖案，梯度運算値M2只會執行—次 。方向知描的變化也需要梯度陣列的棚/列移位方向的變化 。如此的實現可使用在整個影像不能夠儲存的梯度値，或 由於受速度限制而使用在單一處理方法的情況。 即使是減少梯度的計算，既然每個圖素並不是只將Μ個 新値與先前所決定的該等最小和最大値相比較，所以最小 和最大的強度和梯度値必頰重複於每個圖素， 變 和清除的該等陣列値係包括該等最小及/或最大，=會造 成錯誤的結果。 在此所描述的具體實施例只提供本發明原理的描述，而 並非是限制本發明& r间 9範圍°相反地，本發明的原理可運用 在不同的系統，以读忐 優點，咬也、… 所描述的優點，及達成其它 戎也滿足其它的目的。 ^—ϋ ^—^1— 111¾ —Iff —flu n m·— f^li ^~J Χ^Λ ;\έ (锖先閎讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標皋局貝工消費合作.社印¾ (CNS ) Λ4洗格 .25. (公釐）

Claims (1)

1. 8 8 8 8 ABCD

   4 4 %_7U刪財利申請案 中文申清專利範圍修正本（9〇年2月) 申請專利範圍 l.—種決定邊緣檢測的臨界值之方法，其係包括下列步驟 I-- —I -----—ί I -I n n —I I (請先閲讀背面之注意事項再嗔寫本頁) 足我景> 像的局部區域，該局部區域是該影像所選定的 部分；及 热需使用者的介入而基於在該局部區域中的強度資訊 自動地決足施加在該局部區域中的邊緣檢測的臨界； 當決足步驟係有關人類視覺系統強度時，提供反映知覺 持徵的功率函數運算子；該功率函數運算子是局部強度 相對提高至功率因素的量度；其中該相對局部強度是在 孩局部區域中所有強度值的平均和最小之間的差，以及 在該局部區域中所有強度值的最大及最小之間的差的商 數。 2 .如申請專利範圍第〗項之方法，其中該功率因素係對應 於人類視覺系統對強度變化的知覺能力a 3'如申請專利範圍第2項之方法，其中該功率因素是〇.45。 4.如申請專利範圍第1項之方法，還包括下列步驟： 藉由將該臨界與所界定局部區域的圖素P之正規化梯 度相比較，以檢測該影像的邊緣特徵。 經濟部中央棣嗥局貝工消費合作社印策 5·如申請專利範圍第4項之方法，其中如果該圖素的正規 化梯度超過該臨界，該圖素則歸類為屬於該影像邊緣特 徵的圖素。 6如申請專利範圍第4項之方法，其中該正規化梯度係藉 由執行下列步驟而決定： 在該局部區域中決定每個圖素的梯度； 本紐尺度適用中國國家梯準（CNS ) 44胁（21Qx 297公董） 44 Θ 8 〇 a AS BS CS D8 申請專利範圍 經濟部中夬標率局貝工消費合作社印製 在該局部區域中決定該最大梯度值内：及 藉由將圖素P的梯度除以在該局部區域中的最大梯产 值而使圖素p的梯度值正規化。 〜 如申請專利範圍第6項之方法，其中—給定圖素的梯度 係藉由下列決定： 施加第一罩幕至每個梯度將會被決定以獲得第一方向 差量之圖素的周圍； 訑加第一軍幕至每個梯度將會被決定以獲得第二方向 差量之圖素周圍的圖素，其中該第二方向係垂直於該第 一方向：及 決定孩梯度為由該等第一方向差量及第二方向差量的 向量和所定義之向量大小。 如申請專利範圍第7項之方法，其中該第一罩幕是 Prewitt罩幕，其具有在該第二方向變化的-丨、_2、+ 1 和+ 2係數。 9 如申請專利範圍第7項之方法’其中該大小係藉由下列 步驟獲得： 平方該第一方向差； 平方該第二方向差； 加總該等第一及第二方向差；及 獲得該加總的平方根，該大小係設定成等於該平方根 7. 诗 先 閔 讀 背 U& 之 注 項 再 填 'I装 瓦I 8 1 0 ·如申請專利範圍第7項之方法’其中該第—罩幕是sobel 罩幕*其具有在該第一方向變化的-1和+ 1係數。 -2- 本紙浪尺度逋用令國國家樣準< CNS ) A4現格（2 i Ο X 297公釐） 訂 Λ 4

   AB!CD 央 榡 準 局 員 X 消 費 合 社 印 六、申請專利範圍 1 1 .如申請專利範圍第7項之方法，其中該第一罩幕是s〇bei 罩幕，其具有在該第二方向變化的_ 1和+ 1係數。 1 2 .如申請專利範圍第7項之方法，其中該第一罩幕是 Prewitt罩幕’其具有在該第一方向變化的_ι、_2、+! 和十2係數。 13. —種包含一電腦可讀取媒體之物件，該媒體係包括儲存 於其上之多數的指令序列，該等多數的指令序列，當由 處理器執行時，會執行下列步驟： 定義影像的局部區域，該局部區域是該影像所選定的 部分；及 無需使用者的介入而基於在該局部區域中的強度資訊 ，自動地決定施加在該局部區域中的邊緣檢測的臨界； 當決定步驟係有關人類视覺系.统強度時，提供反映知覺 特徵的功率函數運算子；該功率函數運算子是局部強度 相對提高至功率因素的量度；其中該相對局部強度是在 琢局部區域中所有強度值的平均和最小之間的差，以及 在該局部區域中所有強度值的最大及最小之間的差的商 如申請專利範圍第13項之物件，其中該功率因素係對 應於人類视覺系統對強度變化的知覺能力。 !5.如申請專利範圍第14項之物件，其中該功率因素是0.45 範圍第u項之物件’其中該電腦可讀取媒體 1括多數指令，當由該處理器執行時，會造成： 本紐尺度遠用 ---------^裝------訂------ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本f ) -3 -