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TWI516133B - 影像處理裝置及方法 - Google Patents

影像處理裝置及方法 Download PDF

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TWI516133B TW101102027A TW101102027A TWI516133B TW I516133 B TWI516133 B TW I516133B TW 101102027 A TW101102027 A TW 101102027A TW 101102027 A TW101102027 A TW 101102027A TW I516133 B TWI516133 B TW I516133B
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Description

影像處理裝置及方法
本發明是有關於一種影像處理裝置及方法。
現有感光元件包括電荷耦合元件(charge coupled device，CCD)及互補式金氧半導體(complementary metal oxide semiconductor，CMOS)兩類型。由於感光元件的飽和電位(最大阱容)通常會設計在類比數位轉換器的工作範圍內，所以當類比數位轉換器採用最小類比增益時，飽和區會夾止在工作範圍內。畫素資料經過數位影像處理通常會導致高亮度色偏或是高亮度雜訊。一般應用會給予較大的類比增益值以讓飽和區夾止在超過類比數位轉換器的工作範圍之上，故可以避免產生影像瑕疵問題，但較大的增益值會犧牲動態範圍並增加整體雜訊。
本揭露是有關於一種影像處理裝置及方法，可以改善影像的動態範圍。
根據本揭露之第一方面，提出一種影像處理裝置，包括一取樣單元、一放大器、一類比數位轉換器以及一白平衡單元。取樣單元用以對一畫素取樣得到一畫素電壓。放大器用以依據一類比增益放大畫素電壓。類比數位轉換器用以轉換放大後的畫素電壓為一數位畫素資料，數位畫素資料包括對應到不同顏色的多個第一子畫素資料。白平衡單元用以依據類比增益與對應至不同子畫素之多個白平衡增益，分別對此些第一子畫素資料進行白平衡補償得到多個第二子畫素資料。
根據本揭露之第二方面，提出一種影像處理方法，包括下列步驟。對一畫素取樣得到一畫素電壓。依據一類比增益放大畫素電壓。轉換放大後的畫素電壓為一數位畫素資料，數位畫素資料包括對應到不同顏色的多個第一子畫素資料。依據類比增益與對應至不同子畫素之多個白平衡增益，分別對此些第一子畫素資料進行白平衡補償得到多個第二子畫素資料。
為了對本揭露之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉一實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
本揭露所提出之影像處理裝置及方法，可以改善影像的動態範圍，並兼顧雜訊較小的應用。
本揭露提出一種影像處理裝置，包括一取樣單元、一放大器、一類比數位轉換器以及一白平衡單元。取樣單元對一畫素取樣得到一畫素電壓。放大器依據一類比增益放大畫素電壓。類比數位轉換器轉換放大後的畫素電壓為一數位畫素資料，數位畫素資料包括對應到不同顏色的多個第一子畫素資料。白平衡單元依據類比增益與對應至不同子畫素之多個白平衡增益，分別對此些第一子畫素資料進行白平衡補償得到多個第二子畫素資料。
此外，白平衡單元於產生這些第二子畫素資料之過程中，可以先依據該些第一子畫素資料與該些白平衡增益，以產生多個第三子畫素資料，繼而依據類比增益與畫素之一最大阱容(full well level)，判斷是否夾止(clamp)此些第三子畫素資料，以產生第二子畫素資料。
請參照第1圖，其繪示依照一實施範例之影像處理裝置之方塊圖。影像處理裝置100包括一自動曝光(auto exposure，AE)單元105、一取樣單元110、一放大器120、一類比數位轉換器130、一黑色校準(Digital Black Level Calibration，DBLC)單元140、一自動白平衡(auto white balance，AWB)單元150、一白平衡單元160以及一色彩內插(CFA interpolation)單元170。其中，取樣單元110、放大器120以及類比數位轉換器130例如被整合於一影像感測器(image sensor)中，而此影像感測器可更包括或對外耦接至一感光元件，譬如是電荷耦合元件(CCD，Charge-coupled Device)或互補式金氧半導體(complementary metal oxide semiconductor，CMOS)，以提供取樣單元110所需之影像輸入訊號。另外，黑色校準單元140、白平衡單元160以及色彩內插單元170例如被整合於一影像處理器中，但並不限制。另外，此影像處理器可更包括色彩校正單元、伽瑪校正(Gamma Correction)單元以及影像增顯(Image Enhancement)單元。
自動曝光單元105控制取樣單元110以對一畫素取樣得到一畫素電壓。自動曝光單元105並提供一類比增益Analog_Gain至放大器120，使得放大器120依據類比增益Analog_Gain放大畫素電壓。類比數位轉換器130轉換放大後的畫素電壓為一數位畫素資料，此數位畫素資料包括對應到不同顏色的多個第一子畫素資料，例如紅色子畫素資料R、綠色子畫素資料Gr/Gb及藍色子畫素資料B等。黑色校準單元140耦接於數位類比轉換器130與白平衡單元160之間，其對數位畫素資料進行黑色校準。
自動曝光單元105提供類比增益Analog_Gain至白平衡單元160；同時，自動白平衡單元150亦提供對應至不同子畫素之多個白平衡增益WB_Gains至白平衡單元160，此多個白平衡增益WB_Gains例如包括對應紅色子畫素資料R之白平衡增益WB_R_Gain、對應綠色子畫素資料Gr/Gb之白平衡增益WB_Gr_Gain/WB_Gb_Gain及對應藍色子畫素資料B之白平衡增益WB_B_Gain等。白平衡單元160依據自動曝光單元105所提供之類比增益Analog_Gain與自動白平衡單元150所提供之多個白平衡增益WB_Gains，分別對此些第一子畫素資料進行白平衡補償得到多個第二子畫素資料，並提供給白平衡單元160包括這些第二子畫素資料之一原始影像(RAW image)資料。色彩內插單元170對白平衡單元160所輸出之原始影像資料進行內插以得到一三原色影像(RGB image)資料。
請參照第2圖，其繪示依照一實施範例之白平衡單元之曝光擴展之流程圖，其可應用於第1圖所示之白平衡單元160所進行之白平衡補償操作中。於步驟S200中，白平衡單元160依據此些第一子畫素資料與對應的此些白平衡增益WB_Gains得到多個第三子畫素資料。較佳地，白平衡單元160分別計算此白平衡增益WB_Gains與此些第一子畫素資料之乘積以作為此些第三子畫素資料。例如，紅色子畫素資料R與白平衡增益WB_R_Gain之乘積為第三子畫素資料R’、綠色子畫素資料Gr/Gb與白平衡增益WB_Gr_Gain/WB_Gb_Gain之乘積為第三子畫素資料Gr’/Gb’、及藍色子畫素資料B與白平衡增益WB_B_Gain之乘積為第三子畫素資料B’。
於步驟S210中，白平衡單元160判斷此畫素之一最大阱容(full well level)是否在類比增益Analog_Gain對應之一範圍內，此範圍由類比增益Analog_Gain與類比數位轉換器130之位元數定義而得，例如此範圍為類比增益Analog_Gain為1倍時的數位畫素資料與n位元的類比數位轉換器130可轉換的最大數位畫素資料2n之間的範圍。當最大阱容不在範圍內，流程結束。換言之，白平衡單元160不夾止此些第三子畫素資料，並輸出此些第三子畫素資料作為此些第二子畫素資料。
然而，當最大阱容在範圍內，則循序進行步驟S220與S230。於步驟220中，白平衡單元160可依據最大阱容與類比增益Analog_Gain計算一當前最大阱容。較佳地，白平衡單元160可計算類比增益Analog_Gain與最大阱容之乘積作為當前最大阱容。更進一步地，白平衡單元160會限制當前最大阱容不大於2 n -1，n為畫素的位元數。換言之，如果類比增益Analog_Gain與最大阱容之乘積大於2 n -1時，可設定當前最大阱容實質上等於2 n -1。
接下來，於步驟S230中，白平衡單元160將此些第三子畫素資料與當前最大阱容進行比較，以分別判斷此些第三子畫素資料是否大於當前最大阱容。當判斷結果為否時，流程結束，亦即白平衡單元160不夾止未大於當前最大阱容之第三子畫素資料，並輸出第三子畫素資料作為對應的第二子畫素資料。反之，當判斷結果為是時，於步驟S240中，白平衡單元160夾止大於當前最大阱容之第三子畫素資料，譬如可以輸出當前最大阱容作為對應的第二子畫素資料。
更具體而言，當第三子畫素資料R’大於當前最大阱容，則可設定對應的第二子畫素資料等於當前最大阱容；反之，當第三子畫素資料R’未大於當前最大阱容，則可設定對應的第二子畫素資料等於第三子畫素資料R’。類似地，當三子畫素資料Gr’/Gb’大於當前最大阱容，則可設定對應的第二子畫素資料等於當前最大阱容；反之，當第三子畫素資料Gr’/Gb’未大於當前最大阱容，則可設定對應的第二子畫素資料等於第三子畫素資料Gr’/Gb’。類似地，當第三子畫素資料B’大於當前最大阱容，則可設定對應的第二子畫素資料等於當前最大阱容；反之，當第三子畫素資料B’未大於當前最大阱容，則可設定對應的第二子畫素資料等於第三子畫素資料B’。
綜上所述，在本實施例中第二子畫素資料會夾止於當前最大阱容。請參照第3圖，其繪示依照一實施範例之第二子畫素資料對曝光時間/感光度之示意圖。由第3圖中可以得知，在影像處理裝置提高感光度(亦即增加類比增益Analog_Gain)的情況下，第二子畫素資料會夾止於當前最大阱容，所以不會因為較大的類比增益Analog_Gain而產生高亮度色偏或是高亮度雜訊。
本揭露更提出一種影像處理方法，包括下列步驟。對一畫素取樣得到一畫素電壓。依據一類比增益放大畫素電壓。轉換放大後的畫素電壓為一數位畫素資料，數位畫素資料包括對應到不同顏色的多個第一子畫素資料。依據類比增益與對應至不同子畫素之多個白平衡增益，分別對此些第一子畫素資料進行白平衡補償得到多個第二子畫素資料。此影像處理方法之運作原理已詳述影像處理裝置100及其相關操作之內容中，故於此不再重述。
本揭露上述實施例所揭露之影像處理裝置及方法，依據類比增益與白平衡增益以對畫素資料進行白平衡補償，其中更可利用對於當前最大阱容與畫素資料的比較以有效夾止畫素資料。因此，上述實施例可改善亮度色偏及高亮度雜訊的現象，故可以增加影像的動態範圍，並兼顧雜訊較小的應用，提升整體影像品質。
綜上所述，雖然本發明已以多個實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100．．．影像處理裝置
105．．．自動曝光單元
110．．．取樣單元
120．．．放大器
130．．．類比數位轉換器
140．．．黑色校準單元
150．．．自動白平衡單元
150．．．白平衡單元
170．．．色彩內插單元
第1圖繪示依照一實施範例之影像處理裝置之方塊圖。
第2圖繪示依照一實施範例之白平衡單元之曝光擴展之流程圖。
第3圖繪示依照一實施範例之第二子畫素資料對曝光時間/感光度之示意圖。
100．．．影像處理裝置
105．．．自動曝光單元
110．．．取樣單元
120．．．放大器
130．．．類比數位轉換器
140．．．黑色校準單元
150．．．自動白平衡單元
160．．．白平衡單元
170．．．色彩內插單元

Claims (22)

  1. 一種影像處理裝置，包括：一取樣單元，用以對一畫素取樣得到一畫素電壓；一放大器，用以依據一類比增益放大該畫素電壓；一類比數位轉換器，用以轉換放大後的該畫素電壓為一數位畫素資料，該數位畫素資料包括對應到不同顏色的複數個第一子畫素資料；以及一白平衡單元，用以依據該類比增益與對應至不同子畫素之複數個白平衡增益，分別對該些第一子畫素資料進行白平衡補償得到複數個第二子畫素資料。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之影像處理裝置，其中該白平衡單元依據該些第一子畫素資料與該些白平衡增益，以產生複數個第三子畫素資料，並依據該類比增益與該畫素之一最大阱容(full well level)，判斷是否夾止(clamp)該些第三子畫素資料，以產生該些第二子畫素資料。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之影像處理裝置，其中該白平衡單元分別計算該些白平衡增益與該些第一子畫素資料之乘積以作為該些第三子畫素資料。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之影像處理裝置，其中該白平衡單元判斷該最大阱容是否在該類比增益對應之一範圍內，當該最大阱容在該範圍內，依據該最大阱容與該類比增益，計算一當前最大阱容，並將該些第三子畫素資料分別與該當前最大阱容比較，以判斷是否夾止該些第三子畫素資料以產生該些第二子畫素資料，其中該範圍由該類比增益與該類比數位轉換器之位元數定義而得。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之影像處理裝置，其中當該最大阱容不在該範圍內，該白平衡單元不夾止該些第三子畫素資料。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之影像處理裝置，其中該白平衡單元計算該類比增益與該最大阱容之乘積作為該當前最大阱容。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之影像處理裝置，其中該白平衡單元更限制該當前最大阱容不大於2(n-1)，n為該畫素的位元數。
  8. 如申請專利範圍第4項所述之影像處理裝置，其中該白平衡單元分別判斷該些第三子畫素資料是否大於該當前最大阱容，當判斷結果為是時，該白平衡單元夾止該些第三子畫素資料，當判斷結果為否時，該白平衡單元不夾止該些第三子畫素資料。
  9. 如申請專利範圍第4項所述之影像處理裝置，其中當該白平衡單元夾止該些第三子畫素資料，該白平衡單元輸出該當前最大阱容作為該些第二子畫素資料，以及當該白平衡單元不夾止該些第三子畫素資料，該白平衡單元輸出該些第三子畫素資料作為該些第二子畫素資料。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之影像處理裝置，更包括：一自動曝光單元，用以控制該取樣單元，並提供該類比增益至該放大器及該白平衡單元。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之影像處理裝置，更包括：一自動白平衡單元，用以提供該白平衡單元該些白平衡增益。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之影像處理裝置，更包括：一黑色校準單元，耦接於該數位類比轉換器與該白平衡單元之間，用以對該數位畫素資料進行黑色校準。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之影像處理裝置，更包括：一色彩內插單元，用以對該白平衡單元所輸出之一原始影像資料進行內插以得到一三原色影像資料，該原始影像資料包括該些第二子畫素資料。
  14. 一種影像處理方法，包括：(i)對一畫素取樣得到一畫素電壓；(ii)依據一類比增益放大該畫素電壓；(iii)將轉換放大後的該畫素電壓為一數位畫素資料，該數位畫素資料包括對應到不同顏色的複數個第一子畫素資料；以及(iv)依據該類比增益與對應至不同子畫素之複數個白平衡增益，分別對該些第一子畫素資料進行白平衡補償得到複數個第二子畫素資料。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之影像處理方法，其中步驟(iv)包括：(a)依據該些第一子畫素資料與該些白平衡增益，以產生複數個第三子畫素資料；以及(b)依據該類比增益與該畫素之一最大阱容(full well level)，判斷是否夾止(clamp)該些第三子畫素資料，以產生該些第二子畫素資料。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之影像處理方法，其中步驟(a)係包括分別計算該些白平衡增益與該些第一子畫素資料之乘積以作為該些第三子畫素資料。
  17. 如申請專利範圍第15項所述之影像處理方法，其中步驟(b)係包括：(b1)判斷該最大阱容是否在該類比增益對應之一範圍內；(b2)當該最大阱容在該範圍內，依據該最大阱容與該類比增益，計算一當前最大阱容；以及(b3)將該些第三子畫素資料分別與該當前最大阱容比較，以判斷是否夾止該些第三子畫素資料以產生該些第二子畫素資料。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之影像處理方法，其中步驟(b3)包括：當該最大阱容不在該範圍內，不夾止該些第三子畫素資料。
  19. 如申請專利範圍第17項所述之影像處理方法，其中步驟(b2)包括：計算該類比增益與該最大阱容之乘積作為該當前最大阱容。
  20. 如申請專利範圍第19項所述之影像處理方法，更包括：限制該當前最大阱容不大於2(n-1)，n為該畫素的位元數。
  21. 如申請專利範圍第17項所述之影像處理方法，其中步驟(b3)包括：分別判斷該些第三子畫素資料是否大於該當前最大阱容；以及當判斷結果為是時，夾止該些第三子畫素資料，且當判斷結果為否時，不夾止該些第三子畫素資料。
  22. 如申請專利範圍第17項所述之影像處理方法，其中當夾止該些第三子畫素資料時，輸出該當前最大阱容作為該些第二子畫素資料；以及當不夾止該些第三子畫素資料時，輸出該些第三子畫素資料作為該些第二子畫素資料。
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