高動態(tài)范圍圖像曝光時(shí)間控制方法
【專利摘要】一種高動態(tài)范圍圖像曝光時(shí)間控制方法，其包含：利用圖像感測器連續(xù)產(chǎn)生第一高動態(tài)范圍圖像以及第二高動態(tài)范圍圖像，第一高動態(tài)范圍圖像具有第一曝光時(shí)間比，第二高動態(tài)范圍圖像具有第二曝光時(shí)間比，第二曝光時(shí)間比大于第一曝光時(shí)間比；對第一高動態(tài)范圍圖像進(jìn)行圖像質(zhì)量評估，以得到第一圖像質(zhì)量，對第二高動態(tài)范圍圖像進(jìn)行圖像質(zhì)量評估，以得到第二圖像質(zhì)量；判斷第二圖像質(zhì)量是否優(yōu)于第一圖像質(zhì)量，如果是，則以第三曝光時(shí)間比拍攝第三高動態(tài)范圍圖像，其中，第三曝光時(shí)間比大于第二曝光時(shí)間比；如果否，則以第一曝光時(shí)間比拍攝第三高動態(tài)范圍圖像，并將第一曝光時(shí)間比設(shè)定為最佳曝光時(shí)間比。
【專利說明】高動態(tài)范圍圖像曝光時(shí)間控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種高動態(tài)范圍圖像曝光時(shí)間控制方法，特別涉及一種利用圖像感測 器捕捉不同曝光時(shí)間的圖像，將不同曝光時(shí)間的圖像結(jié)合成高動態(tài)范圍圖像，并通過調(diào)整 曝光時(shí)間比，以獲得最佳質(zhì)量的高動態(tài)范圍圖像的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 目前的消費(fèi)型數(shù)字相機(jī)或網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)（Webcam)的動態(tài)范圍（DynamicRange)(亮 度信號最大值與最小值的比值）約為400,而較專業(yè)的數(shù)字單眼相機(jī)可將動態(tài)范圍增加到 1000。然而，室內(nèi)場景的動態(tài)范圍大多超過1500,而室外場景的動態(tài)范圍往往高達(dá)10 5。因 此，這些器材僅能捕捉到場景的部分亮度信息。
[0003] 為解決以上的問題，P.E.Debevec在1997年提出了高動態(tài)范圍圖像的技術(shù)，"Paul E.Debevec,JitendraMalik,RecoveringHighDynamicRangeRadianceMapsfrom Photographs，SIGGRAPH1997"，即結(jié)合多張不同曝光時(shí)間的圖像。提高兩張?jiān)紙D像的曝 光時(shí)間比，可得到更高的動態(tài)范圍信息。然而，也需要將更大的動態(tài)范圍信息壓縮在屏幕可 顯示的動態(tài)范圍，此過程稱為色調(diào)映射（ToneMapping)。由于屏幕的動態(tài)范圍很低（約為 200)，色調(diào)映射的壓縮過程會破壞畫面中的細(xì)節(jié)與對比，導(dǎo)致整體的圖像質(zhì)量低落。換句話 說，一味的提高曝光時(shí)間比，無法得到最佳的圖像質(zhì)量。此外，市面上所見的高動態(tài)范圍圖 像系統(tǒng)，大多使用固定的曝光時(shí)間比，或是需要使用者手動決定曝光時(shí)間比。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明提出一種高動態(tài)范圍圖像曝光時(shí)間控制方法，并提供一套評估圖像質(zhì)量的 技術(shù)以自動決定最佳的曝光時(shí)間比。當(dāng)場景中光源有所改變時(shí)，可自動重新尋找最佳曝光 時(shí)間比，以維持最佳的圖像質(zhì)量。
[0005] -種高動態(tài)范圍圖像曝光時(shí)間控制方法，其包含：利用圖像感測器連續(xù)產(chǎn)生第一 高動態(tài)范圍圖像以及第二高動態(tài)范圍圖像，第一高動態(tài)范圍圖像具有第一曝光時(shí)間比，第 二高動態(tài)范圍圖像具有第二曝光時(shí)間比，第二曝光時(shí)間比大于第一曝光時(shí)間比；對第一高 動態(tài)范圍圖像進(jìn)行圖像質(zhì)量評估，以得到第一圖像質(zhì)量，對第二高動態(tài)范圍圖像進(jìn)行圖像 質(zhì)量評估，以得到第二圖像質(zhì)量；判斷第二圖像質(zhì)量是否優(yōu)于第一圖像質(zhì)量，如果是，則以 第三曝光時(shí)間比拍攝第三高動態(tài)范圍圖像，其中，第三曝光時(shí)間比大于第二曝光時(shí)間比；如 果否，則以第一曝光時(shí)間比拍攝第三高動態(tài)范圍圖像，并將第一曝光時(shí)間比設(shè)定為最佳曝 光時(shí)間比。
[0006] 承上所述，本發(fā)明的高動態(tài)范圍圖像曝光時(shí)間控制方法，利用圖像感測器經(jīng)由圖 像產(chǎn)生過程，產(chǎn)生連續(xù)的多個高動態(tài)范圍圖像并對其進(jìn)行圖像質(zhì)量評估。由最低曝光時(shí)間 比開始，逐步增加曝光時(shí)間比到圖像質(zhì)量開始變差，則可決定上一個曝光時(shí)間比為最佳曝 光時(shí)間比。找到最佳曝光時(shí)間比之后，使用圖像質(zhì)量評估方法，比較本張圖像的圖像質(zhì)量是 否與前一張圖像的圖像質(zhì)量相同。如相同則維持最佳曝光比，如因光源的改變造成圖像質(zhì) 量下降，則將曝光時(shí)間比設(shè)定成原始的最低曝光時(shí)間比，并重新尋找最佳曝光時(shí)間比。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0007] 圖1為根據(jù)本發(fā)明的高動態(tài)范圍圖像曝光時(shí)間控制方法的方法流程圖。
[0008] 圖2為根據(jù)本發(fā)明的高動態(tài)范圍圖像曝光時(shí)間控制方法的長曝光圖像的像素值 與短曝光場影的像素值對應(yīng)亮度的示意圖。
[0009] 圖3為根據(jù)本發(fā)明的高動態(tài)范圍圖像曝光時(shí)間控制方法的產(chǎn)生高動態(tài)范圍圖像 的示意圖。
[0010] 圖4為根據(jù)本發(fā)明的高動態(tài)范圍圖像曝光時(shí)間控制方法的曝光時(shí)間比與圖像質(zhì) 量的關(guān)系圖。
[0011] 【符號說明】
[0012] S41 ?S51:步驟
[0013] R1?R3:曝光時(shí)間比
[0014] 10:第一高動態(tài)范圍圖像
[0015] 20:第二高動態(tài)范圍圖像
[0016] 30:第三高動態(tài)范圍圖像
[0017] 40:第四高動態(tài)范圍圖像
[0018] 50:第五高動態(tài)范圍圖像
[0019] 501:第一長曝光圖像
[0020] 502:第一短曝光圖像
[0021] 503:第二長曝光圖像
[0022] 504 :第二短曝光圖像
[0023] 505:第三長曝光圖像
[0024] 506:第三短曝光圖像
[0025] 507:第四長曝光圖像
[0026] 508:第四短曝光圖像
[0027] 509:第五長曝光圖像
[0028] 510:第五短曝光圖像

【具體實(shí)施方式】
[0029]為利本領(lǐng)域技術(shù)人員了解本發(fā)明的技術(shù)特征、內(nèi)容與優(yōu)點(diǎn)及其所能達(dá)成的功效， 現(xiàn)在將本發(fā)明配合附圖，并以實(shí)施例的表達(dá)形式詳細(xì)說明如下，而其中所使用的附圖，其主 旨僅為示意及輔助說明書之用，未必為本發(fā)明實(shí)施后的真實(shí)比例與精準(zhǔn)配置，故不應(yīng)就所 附的附圖的比例與配置關(guān)系解讀、局限本發(fā)明于實(shí)際實(shí)施上的權(quán)利范圍，合先敘明。
[0030] 圖1是本發(fā)明的高動態(tài)范圍圖像曝光時(shí)間控制方法的方法流程圖。其流程步驟可 包含如下：
[0031]S41:利用圖像感測器產(chǎn)生高動態(tài)范圍圖像。
[0032]S42:對高動態(tài)范圍圖像進(jìn)行圖像質(zhì)量評估。
[0033] S43:是否第一次進(jìn)行圖像評估。如果是，則進(jìn)入步驟S45;如果否，則進(jìn)入步驟 S44。
[0034]S44 :是否為最佳曝光時(shí)間比。如果是，則進(jìn)入步驟S48 ;如果否，則進(jìn)入步驟S46。
[0035]S45:增加曝光時(shí)間比。
[0036]S46 :判斷圖像質(zhì)量是否優(yōu)于前一張圖像質(zhì)量。如果是，則進(jìn)入步驟S45;如果否， 則進(jìn)入步驟S47。
[0037]S47:降低曝光時(shí)間比，并將降低后的曝光時(shí)間比設(shè)定為最佳曝光時(shí)間比。
[0038]S48:是否為找到最佳曝光時(shí)間比后第一次進(jìn)行圖像質(zhì)量評估。如果是，則進(jìn)入步 驟S50 ;如果否，則進(jìn)入步驟S49。
[0039]S49:判斷圖像質(zhì)量是否與前一張圖像質(zhì)量相同。如果是，則進(jìn)入步驟S50;如果 否，則進(jìn)入步驟S51。
[0040] S50:維持曝光時(shí)間比
[0041]S51:將曝光時(shí)間比設(shè)為初始曝光時(shí)間比，并重新尋找最佳曝光時(shí)間比。
[0042] 在步驟S41中，請參考圖2。圖2為本發(fā)明的高動態(tài)范圍圖像曝光時(shí)間控制方法的 長曝光圖像的像素值與短曝光場影的像素值對應(yīng)亮度的示意圖。環(huán)境中同一亮度的光源， 受到曝光時(shí)間的差異會形成不同的像素值（PixelValue)。假設(shè)曝光時(shí)間比R為長曝光圖 像的曝光時(shí)間與短曝光圖像的曝光時(shí)間的比值，則同樣亮度的光源，在兩張不同曝光時(shí)間 的圖像得到的像素值會有R倍的差異。因此只要將短曝光圖像的每一像素的像素值乘以R 倍，即可合并兩張不同曝光時(shí)間的圖像。相同地，只要將長曝光圖像的每一像素的像素值除 以R倍，即可合并兩張不同曝光時(shí)間的圖像。
[0043] 在一具體實(shí)施例中，曝光時(shí)間比R可由使用者自行決定或由系統(tǒng)預(yù)設(shè)決定，當(dāng)曝 光時(shí)間比R決定之后，可利用一般相機(jī)的自動曝光（AutoExposure)機(jī)制決定出曝光時(shí)間 A，而長曝光圖像與短曝光圖像的曝光時(shí)間可以A作為基準(zhǔn)而對稱地伸縮，亦即，長曝光圖 像與短曝光圖像的曝光時(shí)間的平均值等于A。舉例來說，如果曝光時(shí)間比R為3,則長曝光 圖像的曝光時(shí)間為1.5A，而短曝光圖像的曝光時(shí)間為0.5A。如果曝光時(shí)間比R為7,則長曝 光圖像的曝光時(shí)間為1. 75A，而短曝光圖像的曝光時(shí)間為0. 25A。
[0044] 在一具體實(shí)施例中，使用者可關(guān)閉一般相機(jī)的自動曝光功能，改由自己手動決定 一曝光值B。接著，長曝光圖像的曝光時(shí)間及短曝光圖像的曝光時(shí)間可不對稱地向B的兩側(cè) 伸縮，以找到最佳的曝光時(shí)間比。例如當(dāng)曝光時(shí)間比R為10時(shí)，長曝光圖像的曝光時(shí)間及 短曝光圖像的曝光時(shí)間可分別為1. 25B及0. 125B。手動決定曝光值的優(yōu)點(diǎn)是可以得到最佳 質(zhì)量的高動態(tài)范圍圖像。
[0045] 請參考圖3,假設(shè)在步驟S41中，圖像感測器首先根據(jù)一初始曝光時(shí)間比R1 (假設(shè) 其值為3,其可由上述的使用者自行決定或由系統(tǒng)預(yù)設(shè)決定)拍攝第一長曝光圖像501以及 第一短曝光圖像502,并合并成為第一高動態(tài)范圍圖像10。而后進(jìn)入步驟S42,對第一高動 態(tài)范圍圖像10進(jìn)行圖像質(zhì)量評估(熵、畫面邊緣總和或過曝過暗的比例，詳下述)。接著進(jìn) 入步驟S43,判斷是否為第一次進(jìn)行圖像評估。此時(shí)由于是第一次進(jìn)行圖像評估，因此進(jìn)入 步驟S45，增加曝光時(shí)間比用以尋找最佳曝光時(shí)間比。
[0046] 圖4為根據(jù)本發(fā)明的高動態(tài)范圍圖像曝光時(shí)間控制方法的曝光時(shí)間比與圖像質(zhì) 量的關(guān)系圖，其是用以說明在步驟S45增加曝光時(shí)間比的原因。如圖4所示，當(dāng)曝光時(shí)間比 從a、b、c增加到d時(shí)，原則上圖像質(zhì)量也隨著提高。但在曝光時(shí)間比由d增加到e時(shí)，由于 色調(diào)映射的壓縮過程開始破壞畫面中的細(xì)節(jié)與對比，導(dǎo)致圖像質(zhì)量沒有隨著曝光時(shí)間比的 增加而提高。亦即，本發(fā)明是為尋找曝光時(shí)間比d，而此時(shí)d點(diǎn)的曝光時(shí)間比即為本發(fā)明所 定義的最佳曝光時(shí)間比。反映于具體實(shí)施例中，如果如后兩張_動態(tài)范圍圖像中，后一張_ 動態(tài)范圍圖像的圖像質(zhì)量相較前一張為差，則前一張高動態(tài)范圍圖像的曝光時(shí)間比即為最 佳曝光時(shí)間比。
[0047] 由于在步驟S43是第一次進(jìn)行圖像評估，僅有一張高動態(tài)范圍圖像10,并無法進(jìn) 行比較，因此在步驟S45,直接增加曝光時(shí)間比（R2,假設(shè)其值增至7)，并重新回到步驟S41。 在步驟S41，圖像感測器根據(jù)曝光時(shí)間比R2 (其值為7)拍攝第二長曝光圖像503以及第二 短曝光圖像504,并合并成為第二高動態(tài)范圍圖像20,而后再次進(jìn)入步驟S42,對第二高動 態(tài)范圍圖像10進(jìn)行圖像質(zhì)量評估(熵、畫面邊緣總和或過曝過暗的比例，詳下述)。
[0048] 在一具體實(shí)施例中，圖像質(zhì)量評估可根據(jù)數(shù)據(jù)信息量來進(jìn)行。當(dāng)畫面中的像 素亮度的分布越分散時(shí)，亦即，像素值分布越分散時(shí)，代表該畫面保留最多的信息。因 此可使用熵（Entropy，又稱之為"亂度"）作為圖像質(zhì)量評估的標(biāo)準(zhǔn)。其公式如下：

【權(quán)利要求】
1. 一種高動態(tài)范圍圖像曝光時(shí)間控制方法，其包含下列步驟： 利用一圖像感測器連續(xù)產(chǎn)生一第一高動態(tài)范圍圖像以及一第二高動態(tài)范圍圖像，該 第一高動態(tài)范圍圖像具有一第一曝光時(shí)間比，該第二高動態(tài)范圍圖像具有一第二曝光時(shí)間 t匕，其中，該第二曝光時(shí)間比大于該第一曝光時(shí)間比； 對該第一高動態(tài)范圍圖像進(jìn)行一圖像質(zhì)量評估，以得到一第一圖像質(zhì)量，對該第二高 動態(tài)范圍圖像進(jìn)行該圖像質(zhì)量評估，以得到一第二圖像質(zhì)量；以及 判斷該第二圖像質(zhì)量是否優(yōu)于該第一圖像質(zhì)量，如果是，則以一第三曝光時(shí)間比拍攝 一第三高動態(tài)范圍圖像，其中，該第三曝光時(shí)間比大于該第二曝光時(shí)間比；如果否，則以該 第一曝光時(shí)間比拍攝該第三高動態(tài)范圍圖像，并將該第一曝光時(shí)間比設(shè)定為一最佳曝光時(shí) 間比。
2. 如權(quán)利要求1所述的高動態(tài)范圍圖像曝光時(shí)間控制方法，其中該圖像感測器產(chǎn)生這 些高動態(tài)范圍圖像的過程，包含下列步驟： 分別利用該圖像感測器拍攝一長曝光圖像以及一短曝光圖像，并將該長曝光圖像與該 短曝光圖像合并成為對應(yīng)的_動態(tài)范圍圖像。
3. 如權(quán)利要求2所述的高動態(tài)范圍圖像曝光時(shí)間控制方法，其中該長曝光圖像的曝光 時(shí)間與該短曝光圖像的曝光時(shí)間的比值為該曝光時(shí)間比。
4. 如權(quán)利要求3所述的高動態(tài)范圍圖像曝光時(shí)間控制方法，其中每一曝光時(shí)間比對應(yīng) 一曝光時(shí)間，該長曝光圖像與該短曝光圖像的曝光時(shí)間的平均值等于該曝光時(shí)間。
5. 如權(quán)利要求4所述的高動態(tài)范圍圖像曝光時(shí)間控制方法，其中該圖像質(zhì)量評估的過 程包含以一公式計(jì)算熵值（Entropy)，該公式為
，其中Pi為像素的像 素值為i的出現(xiàn)機(jī)率，E為熵值，熵值越大，代表對應(yīng)的圖像質(zhì)量越佳。
6. 如權(quán)利要求4所述的高動態(tài)范圍圖像曝光時(shí)間控制方法，其中該圖像質(zhì)量評估的過 程包含計(jì)算邊緣總和，邊緣總和的值越大，代表對應(yīng)的圖像質(zhì)量越佳。
7. 如權(quán)利要求4所述的高動態(tài)范圍圖像曝光時(shí)間控制方法，其中該圖像質(zhì)量評估的過 程還包含計(jì)算過曝過暗的比例。
8. 如權(quán)利要求4所述的高動態(tài)范圍圖像曝光時(shí)間控制方法，還包括下列步驟： 利用該最佳曝光時(shí)間比拍攝一第四高動態(tài)范圍圖像以及一第五高動態(tài)范圍圖像； 對該第四高動態(tài)范圍圖像進(jìn)行該圖像質(zhì)量評估，以得到一第四圖像質(zhì)量；對該第五高 動態(tài)范圍圖像進(jìn)行該圖像質(zhì)量評估，以得到一第五圖像質(zhì)量；以及 判斷該第五圖像質(zhì)量是否與該第四圖像質(zhì)量相同，如果是，則維持該最佳曝光時(shí)間比 以持續(xù)拍攝高動態(tài)范圍圖像；如果否，則清除該最佳曝光時(shí)間比，并以一初始曝光時(shí)間比重 新尋找該最佳曝光時(shí)間比。
9. 如權(quán)利要求8所述的高動態(tài)范圍圖像曝光時(shí)間控制方法，如果該第五圖像質(zhì)量與該 第四圖像質(zhì)量的差異在±5%或±10%的范圍，則該第五圖像質(zhì)量與該第四圖像質(zhì)量為相 同。
10. 如權(quán)利要求9所述的高動態(tài)范圍圖像曝光時(shí)間控制方法，這些曝光時(shí)間比是介于1 至64之間的整數(shù)。
【文檔編號】H04N5/235GK104349070SQ201310381695
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2013年8月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月8日
【發(fā)明者】林耿生, 程之奇, 李宗德, 陳信宇, 楊文助 申請人:廣達(dá)電腦股份有限公司