TW201426018A - 影像處理裝置及影像再對焦方法 - Google Patents

影像處理裝置及影像再對焦方法 Download PDF

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Abstract

本發明係提供一種影像處理裝置，包括：一取像單元及一影像處理單元。取像單元包括：一主透鏡；一透鏡陣列，包括沿著垂直主透鏡之一光軸的方向排列的複數個子透鏡；以及一影像感測器，用以接收一場景經過主透鏡及透鏡陣列之光線，藉以輸出具有不同視角資訊的一原始影像。影像處理單元係用以將來自該影像感測器的原始影像重新排列以獲得複數個相異視角子影像，並對至少一特定視角在該等相異視角子影像中所相應的至少一特定視角子影像進行再對焦處理以產生複數張再對焦視角影像；其中影像處理單元更將再對焦視角影像輸出至一立體顯示裝置。

Description

影像處理裝置及影像再對焦方法
本發明係有關於影像處理，特別是有關於一種對不同視角影像進行再對焦處理的影像處理裝置及方法。
近年來，具備多功能的取像模組已成為一個備受重視的技術發展方向。在眾多具備潛力的技術中，光場(Light Field)是受到矚目的眾多技術方案之一。藉由光場技術所實現之光場相機具備了立體取像以及對影像進行全景深與數位對焦的能力。透過全景深處理，光場相機可實現全幅對焦的影像。透過數位對焦的處理，光場相機更可隨意改變輸出影像的對焦位置。透過影像重組的處理，光場相機可產生不同視角的影像。當運用於立體取像時，光場相機可以很有效的做為一種獲得不同視角影像的裝置。
本發明係提供一種影像處理裝置，包括：一取像單元及一影像處理單元。取像單元包括：一主透鏡；一透鏡陣列，包括沿著垂直主透鏡之一光軸的方向排列的複數個子透鏡；以及一影像感測器，用以接收一場景經過主透鏡及透鏡陣列之光線，藉以輸出具有不同視角資訊的一原始影像。影像處理單元係用以將來自該影像感測器的原始影像重新排列以獲得複數個相異視角子影像，並對至少一特定視角在該等相異視角子影像中所相應的至少一特定視角子 影像進行再對焦處理以產生複數張再對焦視角影像；其中影像處理單元更將再對焦視角影像輸出至一立體顯示裝置。
本發明更提供一種影像再對焦方法，用於一影像處理裝置，該影像處理裝置具有包括一取像單元及一影像處理單元。該方法包括：經由該取像單元接收一場景之光線，藉以輸出具有不同視角資訊之一原始影像；將該原始影像重新排列以獲得複數個相異視角子影像；對至少一特定視角在該等相異視角子影像中所相應之至少一特定視角子影像進行一再對焦處理以產生複數張再對焦視角影像，其中該等再對焦視角影像之對焦位置係相異於該至少一特定視角子影像；以及將該等再對焦視角影像輸出至一立體顯示裝置。
為使本發明之上述特徵能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：第1A圖係顯示依據本發明一實施例之影像處理裝置100的功能方塊圖。第1B圖係顯示依據本發明一實施例之取像單元110的功能方塊圖。影像處理裝置100係包括一取像單元110及一影像處理單元120。在一實施例中，取像單元110係用以同時獲得具備以不同視角資訊之原始影像，其中所拍攝的該等影像中至少包括具有不同深度的一第一物件及一第二物件。影像處理單元120係用以將來自取像單元110的原始影像重新排列以得到複數相異視角子 影像，並對該等相異視角子影像中之至少一特定視角子影像(specific view sub-image)進行再對焦處理，以產生再對焦視角影像(refocused view image)，並將再對焦視角影像輸出至一立體顯示裝置，其細節將詳述於後。
舉例來說，取像單元110係可為一光場相機(plenoptic camera)，其包括一主透鏡112、一透鏡陣列114及一影像感測器116，其中透鏡陣列114係可由複數個(例如M＊N個)子透鏡所組成，且上述子透鏡係沿著垂直於該主透鏡112之主透鏡光軸150的方向排列，如第1B圖所示。影像感測器116係具有複數個可感光像素(例如m＊n個，其中子透鏡之數量與可感光像素之總數量可不同)，亦可由複數個(例如O＊P個)子影像感測器所組成，其中各子影像感測器具有複數個可感光像素，且各子影像感測器亦可具備不同數量之可感光像素。透鏡陣列114中之各子透鏡在影像感測器116中均有一相應範圍的可感光像素接收經該子透鏡而來之光線。當待拍攝場景的光線透過主透鏡112及透鏡陣列114，從不同角度所拍攝的場景畫面即會入射至影像感測器，藉以得到具備不同視角資訊的一原始影像。
第1C~1E圖係顯示依據本發明一實施例之由原始影像獲得不同視角影像的示意圖。如第1C圖所示，同時參照圖1A與1B，影像處理單元120將來自取像單元110的原始影像重新排列後，即得到複數視角子影像，如第1D與1E圖所示。若欲從第1C圖中的原始影像中取出一特定視角子影像，則可由每個2x2方塊中的相同位置各取出相對 的像素並組合而成一特定視角子影像。舉例來說，若從第1C圖中之該等視角子影像的「x」點取出對應的像素，即可組合成一側視角(side view)子影像，如第1D圖所示。若從第1C圖中之該等視角子影像的「．」點取出對應的像素，即可組合成一中央視角(center view)子影像，如第1E圖所示。
第2A~2B圖係顯示依據本發明一實施例之取樣裝置100進行取樣的示意圖。如第2A圖所示，同時參照圖1A與1B，當取像單元110拍攝一場景中的物件A及物件B且對焦在物件A，可得到具備不同視角資訊之一原始影像(raw image)，其中原始影像即表示由影像感測器116所接收的影像。影像處理單元120係將來自取像單元110的該原始影像重新排列，藉以得到包括複數張子影像之一視角子影像集合，如第2B圖所示。
第3A~3E圖係顯示依據本發明一實施例之影像處理單元120進行數位對焦處理的操作原理示意圖。如第3A圖所示，同時參照圖1A，物件301、302及303係在物件空間310中，且物件301、302及303係分別位於在取像單元110前方的不同距離處。舉例來說，來自物件空間(object space)310之不同角度光線穿過透鏡平面(lens plane)320並會聚於在影像平面(film plane)330進行成像。意即在場景(相應於物件空間310)中的不同角度光線經過透鏡陣列114(相應於透鏡平面320)之後，被影像感測器116(相應於影像平面330)接收以獲得一具備不同視角資訊之原始影 像。該原始影像經由影像處理單元120處理後，可獲得如第3B圖所示的視角子影像340、350及360，其中視角子影像350可視為一中央視角影像。需注意的是，因為視角子影像340、350及360係為取像單元110由不同角度拍攝物件空間310所得的影像。因此，物件301~303之水平位置(或垂直位置、或水平與垂直位置)在視角子影像340~360中會因為取像角度的不同而改變，如第3B圖所示。更進一步而言，當影像處理單元120欲利用視角子影像340~360進行數位對焦處理時，可將視角子影像340及350重疊，藉以得到再對焦視角影像370，如第3C圖所示。在第3C圖的再對焦視角影像370中，僅有物件302是完全重合的，而物件301及303則因為取像角度的關係，其位置在視角子影像340及350中略有差異。
更進一步而言，因為物件301~303之深度不同，因此若針對其中一個物件(例如物件302)進行數位對焦時，在再對焦視角影像370中僅有與該物件相同深度之像素是最清晰的，而其他深度的像素則因為不同視角影像重合的關係而稍微有模糊(blur)的情況。更進一步，影像處理單元120更可將視角子影像350及360重合或是將視角子影像340~360重合以得到另一張對焦影像(未繪示)。意即在此實施例中，影像處理單元120僅對焦於物件302，而影像處理單元120更可對不同視角子影像進行內插處理，藉以獲得像素數量提升之不同視角影像或經再對焦處理後之影像。
在另一實施例中，若影像處理單元120欲對焦於物件 303，則影像處理單元120係將視角子影像350為基準影像，並將視角影像340相對於視角影像350進行水平或垂直、或水平與垂直方向的平移，藉以讓視角子影像340及350中的物件303完全重合後，產生再對焦視角影像380，如第3D圖所示。同樣地，影像處理單元120更可將視角子影像350及360重合或是將視角子影像340~360重合以得到另一張再對焦視角影像(未繪示)。意即在此實施例中，影像處理單元120僅對焦於物件303，而影像處理單元120更可對不同視角子影像進行內插處理，藉以獲得像素數量提升之不同視角影像或經在對焦處理後影像。在又一實施例中，若影像處理單元120欲對焦於物件301，則可使用類似於上述實施例的處理方式，以視角子影像350(中央視角影像)為基準，並將其他視角子影像相對於子影像350進行移動，藉以使在各視角子影像中的物件301完全重合，產生再對焦視角影像390，如第3E圖所示。綜合第3A~3E圖之實施例，可得知本發明之影像處理單元120所執行之再對焦處理係指對特定視角子影像週圍的子影像進行一平移及加總處理，以得到再對焦視角影像。
需注意的是，上述平移及加總處理係指以一物件(例如第3B圖中之物件302)為基準，將不同的視角影像進行平移以讓在各視角影像中的該物件完全重合，而除了該物件的其他視角影像部分則(例如第3B圖中之物件301及303)進行相加，因此會稍微產生模糊(blur)的情況。例如在第3C圖中是以物件302為基準，故經過再對焦視角影像370中 僅有物件302是清晰的。同樣地，在第3D圖中是以物件303為基準，故經過再對焦視角影像380中僅有物件303是清晰的。在第3E圖中是以物件301為基準，故經過再對焦視角影像390中僅有物件301是清晰的。
第4A~4C圖係顯示依據本發明中第一實施例之影像處理單元進行立體顯示的示意圖。承第2圖之實施例，當影像處理單元120欲輸出影像至立體顯示裝置時，需要事先對立體顯示所需的不同視角影像(以需要兩張左右視角影像為例)進行適當處理。舉例來說，影像處理單元120係可將來自取像單元110之具備不同視角資訊的原始影像重新排列為不同視角之子影像(例如視角子影像410、420等等)。如第4A圖所示，當影像處理單元120選擇視角子影像410為計算右方視角影像之一基準影像，影像處理單元120則會設定一範圍(例如視角子影像410上下左右3個不同視角的子影像)，並將範圍內的子影像進行數位對焦處理，藉以產生右方視角影像，其細節可參考第3A~3E圖之實施例。同樣地，當影像處理單元120在計算立體影像所需適當的視差值(parallax)後，可選擇視角子影像420為計算左方視角影像之一基準影像。此時，影像處理單元120則會設定另一範圍(例如視角子影像420左右3個不同視角的子影像)，並將範圍內的子影像進行數位對焦處理，藉以產生左方視角影像，其中數位對焦之細節可參考第3A~3E圖之實施例。
除此之外，影像處理單元120係可接收一外部控制信 號(例如來自立體顯示裝置、取像裝置或獨立於立體顯示裝置與取像裝置的額外裝置，如電腦)，藉以重新對焦於不同景深之物件。舉例來說，取像單元110原先係對焦在物件A上，故影像處理單元120預定產生的左方視角影像440及右方視角影像430仍是對焦於物件A，如第4B圖所示。當影像處理單元120接收到一外部控制信號後進行重新對焦的處理，使影像處理單元120將所輸出的左方視角影像460及右方視角影像450重新對焦在物件B上，如第4C圖所示。
第5圖係顯示依據本發明第二實施例中將具備不同視角資訊之原始影像進行放大處理的示意圖。第5圖之實施例與第4A~4C圖之實施例之差異在於第5圖中之原始影像會先經由影像處理單元120進行處理，包括對原始影像進行縮放(scaling)處理，使得縮放後的原始影像之像素數量較未處理前變多或變少，藉以讓所產生的左方視角影像及右方視角影像之解析度符合立體顯示裝置所需的輸入影像之解析度，其中上述縮放處理可採用習知的影像縮放技術(例如雙線性內插法或雙立方內插法)以進行像素內插或外插處理。舉例來說，如第5圖所示，影像處理單元120可先將視角子影像集合510在水平方向及垂直方向均放大為1.67倍，以產生放大影像520。若在視角子影像集合510中的影像子集合512內有3x3個像素，則在放大影像520中之相應位置的影像子集合522會具有5x5個像素。上述實施例僅說明在一相應位置之影像子集合的放大處理過 程，熟習本發明領域之技術人員當可了解上述放大處理的流程亦可應用於其他相應位置的影像子集合，且其放大倍率亦可自由調整。接著，影像處理單元120再由放大影像520中分別選取一視角子影像(例如視角子影像530及540)做為左方視角影像及右方視角影像之基準影像，並在上述兩個基準影像一範圍內之不同視角子影像進行數位對焦處理，藉以產生再對焦後的左方視角影像及右方視角影像，其中數位對焦之細節可參考第3A~3E圖之實施例。
承上述實施例，影像處理單元120將視角子影像集合510在水平方向及垂直方向均放大為1.67倍以產生放大影像520之後，更可依據立體顯示裝置之顯示需求(例如多視角子影像的數量(3個視角以上的多視角子影像，如視角子影像530~550)及相應的影像格式)將放大影像520進行相應的轉換。接著，影像處理單元120才依據所接收的外部控制信號(例如來自立體顯示裝置)對轉換後的放大影像進行再對焦處理，並將再對焦處理所產生的複數個視角影像輸出至立體顯示裝置。
第6A~6C圖係顯示依據本發明中第三實施例之影像處理單元進行立體顯示的示意圖。請同時參考第2圖及第6A~6C圖。舉例來說，如第6A圖所示，影像處理單元120係先由視角子影像集合600中分別決定視角子影像620及610為左方視角影像及右方視角影像之基準影像，並分別由範圍625及615中的子影像進行數位對焦處理，藉以產生左方視角影像640及右方視角影像630(意即再對焦視角 影像)，如第6B圖所示。然而，左方視角影像640及右方視角影像630之解析度可能不符立體顯示裝置之解析度，因此影像處理單元120更將左方視角影像640及右方視角影像630進行縮放處理(例如水平及垂直方向均放大1.5倍)，藉以產生符合立體顯示裝置之解析度的左方視角影像660及右方視角影像650，如第6C圖所示。接著，影像處理單元120即可將左方視角影像660及右方視角影像650輸出至立體顯示裝置。需注意的是，取像單元110原先的對焦位置係位於物件A之處，當影像處理單元120接收到一外部控制信號(例如來自立體顯示裝置)後，即可調整對焦位置於物件B之處。
第7圖係顯示依據本發明之一實施例中的影像再對焦方法的流程圖。在步驟S700，取像單元110係接收一場景之光線，並輸出具有不同視角資訊之一原始影像。舉例來說，該場景之光線係透過取像單元110中的主透鏡112及透鏡陣列114，並在影像感測器116上形成上述原始影像。在步驟S710，影像處理單元120係將來自取像單元110的該原始影像重新排列以獲得複數張相異視角子影像。在步驟S720，影像處理單元120係對至少一特定視角在該等相異視角子影像中所相應的至少一特定視角子影像進行再對焦處理以產生複數張再對焦視角影像。在步驟S730，影像處理單元120係將該等再對焦視角影像輸出至一立體顯示器。
需注意的是，本發明第7圖之流程更可結合第5圖及 第6A~6C圖之實施例。舉例來說，如第5圖之實施例所述，在步驟S710之後，影像處理單元120係可將該等相異視角子影像進行縮放處理，藉以產生符合立體顯示裝置之解析度的放大影像。接著，影像處理單元120係由放大影像中分別決定左方視角影像及右方視角影像之基準影像，並對一預定範圍中的相異視角子影像進行數位對焦處理，藉以產生再對焦之左方視角影像及右方視角影像。除此之外，在上述實施例中，影像處理單元120將該等相異視角子影像進行縮放處理後，更可將放大影像轉換為符合立體顯示裝置之需求(例如3視角以上的視角子影像及相應的影像格式)，接著再對轉換後的放大影像進行數位對焦處理。更進一步，如第6A~6C圖之實施例所述，在步驟S720所產生的該等再對焦視角影像可能不符立體顯示裝置之解析度需求。因此，影像處理單元120係可將步驟S720所產生的該等再對焦視角影像進行縮放處理。
本發明雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍，任何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，當可做些許的更動與潤飾，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
310‧‧‧物件空間
110‧‧‧取像單元
320‧‧‧透鏡平面
120‧‧‧影像處理單元
330‧‧‧影像平面
112‧‧‧主透鏡
114‧‧‧透鏡陣列
116‧‧‧影像感測器
150‧‧‧主透鏡光軸
340-360、410-420、530-550、610-620‧‧‧視角子影像
430、450、630、650‧‧‧右方視角影像
440、460、640、660‧‧‧左方視角影像
370-390、450-460‧‧‧再對焦視角影像
512、522‧‧‧影像子集合
520‧‧‧放大影像
510、600‧‧‧視角子影像集合
615、625‧‧‧範圍
A、B、301-303‧‧‧物件
第1A圖係顯示依據本發明一實施例之影像處理裝置的功能方塊圖。
第1B圖係顯示依據本發明一實施例之取像單元的功能方塊圖。
第1C~1E圖係顯示依據本發明一實施例之由原始影像集合獲得不同視角影像的示意圖。
第2A~2B圖係顯示依據本發明一實施例之取樣裝置進行取樣的示意圖。
第3A~3E圖係顯示依據本發明一實施例之影像處理單元進行數位對焦處理的操作原理示意圖。
第4A~4C圖係顯示依據本發明中第一實施例之影像處理單元進行立體顯示的示意圖。
第5圖係顯示依據本發明中第二實施例中將具備不同視角資訊之原始影像進行放大處理的示意圖。
第6A~6C圖係顯示依據本發明中第三實施例之影像處理單元進行立體顯示的示意圖。
第7圖係顯示依據本發明之一實施例中的影像再對焦方法的流程圖。
100‧‧‧影像處理裝置
110‧‧‧取像單元
120‧‧‧影像處理單元

Claims (10)

  1. 一種影像處理裝置，包括：一取像單元，包括：一主透鏡；一透鏡陣列，包括沿著垂直該主透鏡之一光軸的方向排列的複數個子透鏡；以及一影像感測器，用以接收一場景經過該主透鏡及該透鏡陣列之光線，並輸出具有不同視角資訊之一原始影像；以及一影像處理單元，用以將來自該影像感測器的該原始影像重新排列以獲得複數張相異視角子影像，並對至少一特定視角在該等相異視角子影像中所相應之至少一特定視角子影像進行一再對焦處理以產生複數張再對焦視角影像，其中該等再對焦視角影像之對焦位置係相異於該至少一特定視角子影像；其中該影像處理單元更將該等再對焦視角影像輸出至一立體顯示裝置。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之影像處理裝置，其中該再對焦處理係指該影像處理單元利用該至少一特定視角子影像週圍之該等視角子影像進行一平移及加總處理，藉以調整該特定視角子影像之對焦位置。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之影像處理裝置，其中在獲得該等相異視角子影像後，該影像處理單元更將該等相異視角子影像進行一縮放處理以符合該立體顯示裝置之解析度。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之影像處理裝置，其中在該等相異視角子影像進行該縮放處理後，該影像處理單元更將縮放後的該等相異視角子影像轉換為符合該立體顯示裝置所需求之特定數量的該等相異視角子影像及相應的影像格式。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之影像處理裝置，其中在產生該等再對焦視角影像後，該影像處理單元更將該等再對焦視角影像進行一縮放處理以符合該立體顯示裝置之解析度，並將縮放後的該等再對焦視角影像輸出至該立體顯示裝置。
  6. 一種影像再對焦方法，用於一影像處理裝置，該影像處理裝置具有包括一取像單元及一影像處理單元，該方法包括：經由該取像單元接收一場景之光線，藉以輸出具有不同視角資訊之一原始影像；將該原始影像重新排列以獲得複數張相異視角子影像；對至少一特定視角在該等相異視角子影像中所相應之至少一特定視角子影像進行一再對焦處理以產生複數張再對焦視角影像，其中該等再對焦視角影像之對焦位置係相異於該至少一特定視角子影像；以及將該等再對焦視角影像輸出至一立體顯示裝置。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之影像再對焦方法，其中該再對焦處理係包括： 利用該特定視角子影像週圍之該等相異視角子影像進行一平移及加總處理，藉以調整該至少一特定視角子影像之對焦位置。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之影像再對焦方法，其中在獲得該等相異視角子影像後，該方法更包括：將該等相異視角子影像進行一縮放處理以符合該立體顯示裝置之解析度。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之影像再對焦方法，其中在該等相異視角子影像進行該縮放處理後，該方法更包括：將縮放後的該等相異視角子影像轉換為符合該立體顯示裝置所需求之特定數量的該等視角子影像及相應的影像格式。
  10. 如申請專利範圍第6項所述之影像再對焦方法，其中在產生該等再對焦視角影像後，該方法更包括：將該等再對焦視角影像進行一縮放處理以符合該立體顯示裝置之解析度，並將縮放後的該等再對焦視角影像輸出至該立體顯示裝置。
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