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    • 专利摘要:
    一種色彩處理方法，包括以下步驟：接收第一格式的第一畫素；將第一格式的第一畫素轉換成第二格式的第二畫素，該第二畫素包括第一輸入值及第二輸入值；對第二格式的第二畫素進行採樣；其中採樣後的第二畫素的第一輸入值為相鄰兩個第二畫素的第一輸入值的平均值，採樣後的第二畫素的第二輸入值維持不變；將採樣後的第二格式的第二畫素轉換成第一格式的第一畫素。本發明還提供一種色彩處理裝置。
    公开号:TW201308250A
    申请号:TW100129521
    申请日:2011-08-18
    公开日:2013-02-16
    发明作者:Pei-Chong Tang
    申请人:Hon Hai Prec Ind Co Ltd；
    IPC主号:H04N5-00
    专利说明:
    色彩處理裝置及方法
    本發明涉及數據處理領域，特別是一種色彩處理裝置及方法。
    習知數位圖像採集系統多是藉由CMOS圖像感測記錄圖像的灰度值，配合一個彩色濾波陣列(CFA，Color Filter Array)來實現彩色取像。在每個畫素上只能採集紅(R)、綠(G)或藍(B)一種顏色分量，後續裝置根據RGB數值完成圖像數據的採集和存儲。其中，Bayer格式的CFA應用最為廣泛。如圖1所示，它交替使用一組紅色和綠色濾鏡以及一組綠色和藍色濾鏡，其中綠色畫素個數佔總畫素的1/2，紅色和藍色則只佔1/4。這是由於人眼對綠色更為敏感，能分辨更多的細節，同時，綠色也佔據了可見光譜中最重要和最寬的位置。
    如圖2及3所示，從感光元件900的畫素訊號輸出端（VDI）讀取的訊號則是此畫素陣列的串列。為了取出對應每個畫素的R/G/B三元色值，需要對此訊號串列進行數據分離，即VDI端的每個畫素輸出，都分離為R/G/B三元色三個通道輸出。
    經過Bayer型CFA後的感測器的原始輸出是每個畫素點只有紅、綠或藍中的一種顏色分量的馬賽克圖像。為了獲得全彩色圖像，就要用周圍畫素的顏色灰度值近似計算出被濾掉的顏色分量，即彩色恢復，又稱顏色插值。
    顏色插值常採用雙線性插值方法，該方法屬於單通道獨立插值法，是各種插值演算法的基礎，對參考評估其他演算法具有廣泛的意義。雙線性插值的具體計算過程如下：(1)一般採用3*3的矩陣範本；(2)範本中心畫素的RGB值藉由範本內各顏色分量的平均值來獲得；(3)整幅圖片的各點均採用該方法獲得對應的全彩分量（邊緣點除外）；(4)邊緣點通常捨棄不做處理或者全部變黑。以圖4中R22點為例：
    R22點的R分量R22-R=R22；
    R22點的G分量R22-G=(G12+G21+G23+G32)/4；
    R22點的B分量R22-B=(B11+B13+B31+B33)/4。
    藉由運用上述方法可以得到全彩色的圖像。特別對於臨近區域灰度變化較小的圖像或者純色圖像的處理效果較好。由於雙線性法是單通道之間獨立插值，並且始終取3x3濾波器的平均值，拉小了相鄰畫素間點的顏色差別，在插值過程中產生色彩拖影、偽彩、拉鏈效應。特別地，由於彩色圖像不同顏色區域的交界處的RGB值各分量差異較大，這種邊緣不良現象經過顏色插值後尤其明顯，會給後期圖像處理帶來困擾。
    鑒於此，有必要提供一種能提高圖像品質的色彩處理裝置。
    此外，還有必要提供一種能提高圖像品質的色彩處理方法。
    一種色彩處理裝置，包括處理單元，該處理單元用於執行以下步驟：接收第一格式的第一畫素；將第一格式的第一畫素轉換成第二格式的第二畫素，該第二畫素包括第一輸入值及第二輸入值；對第二格式的第二畫素進行採樣；其中採樣後的第二畫素的第一輸入值為相鄰兩個第二畫素的第一輸入值的平均值，採樣後的第二畫素的第二輸入值維持不變；並將採樣後的第二格式的第二畫素轉換成第一格式的第一畫素。
    一種色彩處理方法，包括以下步驟：接收第一格式的第一畫素；將第一格式的第一畫素轉換成第二格式的第二畫素，該第二畫素包括第一輸入值及第二輸入值；對第二格式的第二畫素進行採樣；其中採樣後的第二畫素的第一輸入值為相鄰兩個第二畫素的第一輸入值的平均值，採樣後的第二畫素的第二輸入值維持不變；將採樣後的第二格式的第二畫素轉換成第一格式的第一畫素。
    相對於習知技術，由於採樣後的第二畫素的第一輸入值為相鄰兩個第二畫素的第一輸入值的平均值，相當於對第二畫素的第一輸入值進行平滑處理，因而改善了邊界因插值形成的鋸齒痕跡。
    如圖5所示，其為一較佳實施方式的色彩處理裝置200的結構圖，感光元件100輸出的感光數據VDI傳送至色彩處理裝置200。色彩處理裝置200包括存儲單元10、複數寄存器12及處理單元14。存儲單元10及複數寄存器12構成延遲單元。感光元件100的輸出端、存儲單元10及三個寄存器12依次串聯。感光元件100的輸出端還進一步串聯有四個寄存器12。處理單元14分別與連接於感光元件100的輸出端的四個寄存器12、連接於存儲單元10的三個寄存器12以及存儲單元10的輸出端（共八個）相連，以同時獲得該八個輸出端的八個感光數據VDI。
    為了方便理解，下面仍以圖1所示陣列作為感光元件100進行說明。由於從感光元件100中讀取感光數據是一行一行逐個讀取的，因此存儲單元10需要存儲感光元件100的一行數據量的感光數據VDI，即10個感光數據VDI。由於前一個數據的輸出到記憶體的存儲動作需要一個脈衝的時間，即需要一個寄存器12的延遲時間，所以可存儲10個感光數據VDI的存儲單元10便相當於10+1=11個延遲，即等於11個寄存器12。從而使得存儲單元10的輸出要比感光元件100的輸出晚一個脈衝時間，感光元件100的輸出端需要比存儲單元10的輸出端多連接一個寄存器12。如此可確保相鄰兩個畫素的八個感光數據VDI都能同時在各個輸出端輸出，處理單元14即可同時獲得八個感光數據VDI。
    請同時參閱圖6，其為圖5中各個輸出端同時輸出的感光數據VDI的數據結構示意圖。每個感光數據VDI用Dxy表示，其中x表示感光矩陣的“行”（x=0、1、2、3…），y表示感光矩陣的“列”（y=0、1…）。當感光元件100的第一個感光數據VDI（D00）傳遞到連接於存儲單元10輸出端的最後一個寄存器12上並輸出時，圖6所示的八個感光數據VDI（Dxy）為圖5中的八個輸出端所輸出的感光數據VDI。處理單元14所連接的八個輸出端的數據即為圖6中虛線框所包含的八個感光數據VDI（Dxy），且這八個感光數據VDI（Dxy）正好構成相鄰的兩個第一畫素。此時，感光元件100的輸出端已經輸出到第二行的第五個感光數據VDI（D14）。當下一個脈衝到來，所有感光數據VDI繼續向前傳遞一個，處理單元14所連接的八個輸出端的數據則變為構成下一個相鄰兩個第一畫素的八個感光數據。如此，往後感光元件100的輸出端每輸出一個感光數據VDI，處理單元14則可同時得到構成相鄰兩個第一畫素的八個感光數據。在本實施方式中，第一畫素為RGB格式。
    處理單元14接收到八個感光數據VD1後需要對構成第一畫素的四個感光數據D00、D01、D10、D11中的R/G/B三色數據分離，得到R/G/B三個色彩數據。四個感光數據中R/G/B每個顏色的排列有二種方式，如此，所有畫素中的R/G/B分離共有二種計算方法。圖7所示為對兩種排列方式的二種色彩分離的計算公式列表。構成第一畫素的另外四個感光數據D02、D03、D12、D13中的R/G/B三色數據分離的方法與四個感光數據D00、D01、D10、D11相同。
    圖8及圖9分別為處理單元14中實現上述二種演算法的電路結構圖。處理單元14包括加法器140和移位器142，加法器140用於進行圖7中所述公式的加法運算，移位器142用於進行圖7中所述公式的除法運算，其中除以2（/2）相當於將數據右移一位元。
    上述色彩處理裝置200是以四個感光點作為一個畫素的色彩分離舉例，其還可以延伸到九個，十六個等其他數量的感光點作為一個畫素的情況。
    處理單元14對同時接收到的RGB格式的第一畫素進行如下處理：
    首先，將RGB格式的第一畫素轉換成YUV格式的第二畫素，該第二畫素包括第一輸入值(Y)及第二輸入值（U、V）；轉換公式如下：
    Y=0.299R+0.587G+0.114B；
    U=-0.147R-0.289G+0.436B；
    V=0.615R-0.515G-0.1B。
    本實施方式中，在垂直方向上，相鄰兩個第一畫素共用兩個感光數據；在水平方向上，該第一畫素中相鄰兩個感光數據的RGB分量是相同的；所以轉換後的YUV值也是一致的。
    其次，對YUV格式的第二畫素進行採樣；其中採樣後的第二畫素的第一輸入值（Y）為相鄰兩個第二畫素的第一輸入值（Y）的平均值，採樣後的第二畫素的第二輸入值（U、V）維持不變。在本實施方式中，同一個【2*2】矩陣第二畫素中左右相鄰兩個感光數據的YUV值可以轉化成YUV422格式，採樣後以【YUYV】形式存在，圖像的精度減半。其中【YU】中的Y值保持不變，【YV】中的Y值為相鄰兩個第二畫素中【YUYV】的【YU】中Y的平均值，並將【YUYV】按照【YUV】【UYV】形式組合，其中U值及V值保持不變，【UYV】中的Y值為處理後的新值。
    在其他實施方式中，處理單元14也可以利用YUV444格式對第二畫素進行採樣，採樣後以【YUV】形式存在。其中【YUV】中的Y值為相鄰兩個第二畫素中【YUV】中Y的平均值，U值及V值保持不變。
    最後，將採樣後的第二格式的第二畫素轉換成第一格式的第一畫素，轉換公式如下：
    R=Y+1.14V；
    G=Y-0.39U-0.58V；
    B=Y+2.03U。
    其中，若以YUV422格式採樣，需要將同一個【2*2】矩陣第二畫素中的【YUV】及【UYV】分別轉換成【RGB】，因而一個【2*2】矩陣第二畫素中可以獲得兩個畫素的RGB值，填充在【2*2】矩陣配置的相應位置。若以YUV444格式採樣，只要將【2*2】矩陣第二畫素的【YUV】轉換成【RGB】。
    本發明提出的一種利用FPGA實現的，直接將CMOS輸出轉換為YUV422格式的新模型，該模型同時可以輔助實現圖像邊緣鋸齒現象消除，採用邊緣畫素和其鄰域內非邊緣畫素的顏色單獨進行運算的思想，利用RGB值與YUV色彩空間之間的關係，對YUV422格式中的Y值平滑處理，使得RGB畫素分配均勻，圖像的邊界處不再有鋸齒痕跡，對後期圖像處理帶來極大程度上的便捷。該方法簡單易用，為工業檢測，圖像傳輸、壓縮及醫學影像，遙感技術等對高精度圖像有較高要求的領域的研究及應用提供了一種非常方便有效的處理手段和參考模型。
    以下為處理單元14對RGB數據矩陣進行處理的具體示例：
    習知一幅由兩種顏色構成的圖像，左側（圖10中B11、G12、B13所代表的一側）綠色（R=0;G=255;B=0）,右側（圖10中G14、B15、G16所代表的一側）為藍色（R=100;G=0;B=255）。處理單元14對圖10進行處理，其包括以下步驟：
    步驟一：藉由一個[2*2]矩陣可以獲得兩個畫素的RGB分量，左右相鄰兩點的RGB是一致的，如圖10所示。
    B11-R=G12-R=R22=0
    B11-G=G12-G= (G12+G21)/2=(255+255)/2=255
    B11-B=G12-B=B11=0
    B13-R=G14-R=R24=100
    B13-G=G14-G= (G23+G14)/2=(255+0)/2=128
    B13-B=G14-B=B13=0
    B15-R=G16-R=R26=100
    B15-G=G16-G= (G16+G25)/2=(0+0)/2=0
    B15-B=G16-B=B15=255
    G21-R=R22-R=R22=0
    G21-G=R22-G= (G21+G32)/2=(255+255)/2=255
    G21-B=R22-B=B31=0
    G23-R=R24-R=R24=100
    G23-G=R24-G= (G23+G34)/2=(255+0)/2=128
    G23-B=R24-B=B33=0
    G25-R=R26-R=R26=100
    G25-G=R26-G= (G25+G36)/2=(0+0)/2=0
    G25-B=R26-B=B35=255
    步驟二：將RGB轉YUV格式。
    其中同一個[2*2]矩陣中相鄰兩點的RGB是一致的，所以轉化後的YUV值也是一致的。根據RGB轉YUV的公式，轉換如下：
    B11-RGB(0,255,0)--->B11-YUV(150,-74,-131)
    G12-RGB(0,255,0)--->G12-YUV(150,-74,-131)
    B13-RGB(100,128,0)--->B13-YUV(105,-52,-4)
    G14-RGB(100,128,0)--->G14-YUV(105,-52,-4)
    B15-RGB(100,0,255)--->B15-YUV(59,96,36)
    G16-RGB(100,0,255)--->G16-YUV(59,96,36)
    G21-RGB(0,255,0)--->G21-YUV(150,-74,-131)
    R22-RGB(0,255,0)--->R22-YUV(150,-74,-131)
    G23-RGB(100,128,0)--->G23-YUV(105,-52,-4)
    R24-RGB(100,128,0)--->R24-YUV(105,-52,-4)
    G25-RGB(100,0,255)--->G25-YUV(59,96,36)
    R26-RGB(100,0,255)--->R26-YUV(59,96,36)
    步驟三：按YUV422格式進行採樣；
    同一個[2*2]中兩個[YUV]可以轉換為YUV422格式，採樣後以[YUYV]形式存在，圖像的精度減半。

    步驟四：對每個[YUYV]中的Ｙ值進行重新分配；
    其中[YU]中的Y值保持不變，僅對[YV]中的Y值進行處理，處理後Y值為相鄰兩個[2*2]矩陣中[YUYV]的[YU]中Y的平均值。

    Y值重新分配

    步驟五：重新組合的YU、YV按照[YUV][UYV]形式組合；
    其中U、V直接繼承保持原值，[UYV]中的Y值為處理後的新值。


    步驟六：再次進行YUV與RGB的轉換。


    每個【2*2】矩陣均可以得到兩個畫素的RGB值，填充在[2*2]配置的對應位置。
    請參閱圖11，一較佳實施方式的色彩處理方法300，該色彩處理方法300執行於色彩處理裝置200中，該色彩處理方法300包括以下步驟：
    步驟302：藉由複數寄存器中的部分寄存器接收並延遲感光元件輸出的複數感光數據；
    步驟304：藉由存儲單元存儲感光元件輸出的複數感光數據並逐一傳遞給另一部分感光元件；
    步驟305：同時接收複數寄存器輸出的複數感光數據，該複數感光數據構成相鄰的兩個第一畫素，該第一畫素為第一格式，在本實施方式中，第一格式為RGB格式；
    步驟306：將第一格式的第一畫素轉換成第二格式的第二畫素，在本實施方式中，第一格式為YUV格式；該第二畫素包括第一輸入值(亮度訊息：Y)及第二輸入值(色度訊息：U、V)；轉換公式為：
    Y=0.299R+0.587G+0.114B；
    U=-0.147R-0.289G+0.436B；
    V=0.615R-0.515G-0.1B。
    步驟308：對第二格式的第二畫素進行採樣；其中採樣後的第二畫素的第一輸入值為相鄰兩個第二畫素的第一輸入值的平均值，採樣後的第二畫素的第二輸入值維持不變；具體地，在垂直方向上，相鄰兩個第一畫素共用兩個感光數據；在水平方向上，該第一畫素中相鄰兩個感光數據的RGB分量是相同的；具體採樣方法為：將第二畫素中左右相鄰兩個感光數據的YUV分量按照【YUYV】形式採樣，其中【YU】中的Y值保持不變，【YV】中的Y值為相鄰兩個第二畫素中【YUYV】的【YU】中Y的平均值；
    將【YUYV】按照【YUV】【UYV】形式組合，其中U值及V值保持不變，【UYV】中的Y值為處理後的新值。
    步驟310：將採樣後的第二格式的第二畫素轉換成第一格式的第一畫素，轉換公式為：
    R=Y+1.14V；
    G=Y-0.39U-0.58V；
    B=Y+2.03U。
    綜上所述，本發明符合發明專利要件，爰依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施方式，舉凡熟悉本案技藝之人士，在援依本案創作精神所作之等效修飾或變化，皆應包含於以下之申請專利範圍內。
    100、900．．．感光元件
    200．．．色彩處理裝置
    10．．．存儲單元
    12．．．寄存器
    14．．．處理單元
    140．．．加法器
    142．．．移位器
    300．．．色彩處理方法
    302~310．．．步驟
    圖1為感光元件的感光矩陣示意圖。
    圖2為感光元件的數據輸入輸出示意圖。
    圖3為感光元件輸出的感光數據分離方式示意圖。
    圖4為感光元件輸出的感光數據結構示意圖。
    圖5為一較佳實施方式的色彩處理裝置結構圖。
    圖6為圖5所示色彩處理裝置輸出的數據結構示意圖。
    圖7為兩種四點式畫素色彩分離計算公式表。
    圖8為色彩處理裝置中的第一種色彩分離運算電路結構圖。
    圖9為色彩處理裝置中的第二種色彩分離運算電路結構圖。
    圖10為RGB數據矩陣示意圖。
    圖11為一較佳實施方式的色彩處理方法的流程圖。
    100．．．感光元件
    200．．．色彩處理裝置
    10．．．存儲單元
    12．．．寄存器
    14．．．處理單元
    权利要求:
    Claims (12)
    [1] 一種色彩處理裝置，包括處理單元，該處理單元用於執行以下功能：接收第一格式的第一畫素；將第一格式的第一畫素轉換成第二格式的第二畫素，該第二畫素包括第一輸入值及第二輸入值；對第二格式的第二畫素進行採樣；其中採樣後的第二畫素的第一輸入值為相鄰兩個第二畫素的第一輸入值的平均值，採樣後的第二畫素的第二輸入值維持不變；並將採樣後的第二格式的第二畫素轉換成第一格式的第一畫素。
    [2] 如申請專利範圍第1項所述之色彩處理裝置，其中，該色彩處理裝置還包括延遲單元，該延遲單元包括複數寄存器和存儲單元，該複數寄存器中的部分寄存器用於接收並延遲感光元件輸出的複數感光數據；該存儲單元存儲感光元件輸出的複數感光數據並逐一傳遞給另一部分感光元件；該處理單元同時接收該複數寄存器輸出的複數感光數據，該複數感光數據構成相鄰的兩個第一畫素。
    [3] 如申請專利範圍第2項所述之色彩處理裝置，其中，該處理單元包括加法器和移位器，該加法器用於將一個第一畫素內的複數相同顏色的感光數據相加，該移位器用於將複數相加後的感光數據移位元，以得到該複數相同顏色的感光數據的平均值。
    [4] 如申請專利範圍第2項所述之色彩處理裝置，其中，該第一格式包括RGB，該第二格式包括YUV，該第一輸入值為亮度訊息(Y)，該第二輸入值為色度訊息（U、V）。
    [5] 如申請專利範圍第4項所述之色彩處理裝置，其中，該處理單元用於採集構成相鄰兩個第一畫素的八個感光數據，且該處理單元利用如下A1所述的兩種運算方法得出該四個感光數據中的各顏色的色彩數據，其中，A1中的各個參數為B1中所示構成第一畫素的四個感光數據；A1：第一種：R=D10，G=(D00+D11)/2，B=D01；第二種：R=D11，G=(D01+D10)/2，B=D00；B1：D00 D01D10 D11。
    [6] 如申請專利範圍第5項所述之色彩處理裝置，其中，在垂直方向上，相鄰兩個第一畫素共用兩個感光數據；在水平方向上，該第一畫素中相鄰兩個感光數據的RGB分量是相同的；該處理單元將第二畫素中左右相鄰兩個感光數據的YUV分量按照【YUYV】形式採樣，其中【YU】中的Y值保持不變，【YV】中的Y值為相鄰兩個第二畫素中【YUYV】的【YU】中Y的平均值，並將【YUYV】按照【YUV】【UYV】形式組合，其中U值及V值保持不變，【UYV】中的Y值為處理後的新值。
    [7] 一種色彩處理方法，包括以下步驟：接收第一格式的第一畫素；將第一格式的第一畫素轉換成第二格式的第二畫素，該第二畫素包括第一輸入值及第二輸入值；對第二格式的第二畫素進行採樣；其中採樣後的第二畫素的第一輸入值為相鄰兩個第二畫素的第一輸入值的平均值，採樣後的第二畫素的第二輸入值維持不變；將採樣後的第二格式的第二畫素轉換成第一格式的第一畫素。
    [8] 如申請專利範圍第7項所述之色彩處理方法，其中，還包括：藉由複數寄存器中的部分寄存器接收並延遲感光元件輸出的複數感光數據；藉由存儲單元存儲感光元件輸出的複數感光數據並逐一傳遞給另一部分感光元件；同時接收該複數寄存器輸出的複數感光數據，該複數感光數據構成相鄰的兩個第一畫素。
    [9] 如申請專利範圍第8項所述之色彩處理方法，其中，該第一格式包括RGB，該第二格式包括YUV，該第一輸入值為亮度訊息(Y)，該第二輸入值為色度訊息（U、V）。
    [10] 如申請專利範圍第9項所述之色彩處理方法，其中，在垂直方向上，相鄰兩個第一畫素共用兩個感光數據；在水平方向上，該第一畫素中相鄰兩個感光數據的RGB分量是相同的；步驟“對第二格式的第二畫素進行採樣”具體包括：將第二畫素中左右相鄰兩個感光數據的YUV分量按照【YUYV】形式採樣，其中【YU】中的Y值保持不變，【YV】中的Y值為相鄰兩個第二畫素中【YUYV】的【YU】中Y的平均值；將【YUYV】按照【YUV】【UYV】形式組合，其中U值及V值保持不變，【UYV】中的Y值為處理後的新值。
    [11] 如申請專利範圍第7項所述之色彩處理方法，其中，步驟“將第一格式的第一畫素轉換成第二格式的第二畫素”是利用如下公式實現的：Y=0.299R+0.587G+0.114B；U=-0.147R-0.289G+0.436B；V=0.615R-0.515G-0.1B。
    [12] 如申請專利範圍第7項所述之色彩處理方法，其中，步驟“將採樣後的第二格式的第二畫素轉換成第一格式的第一畫素”是利用如下公式實現的：R=Y+1.14V；G=Y-0.39U-0.58V；B=Y+2.03U。
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
    TWI532010B|2016-05-01|
    CN102932654A|2013-02-13|
    US20130038772A1|2013-02-14|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
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    法律状态:
    2019-02-01| MM4A| Annulment or lapse of patent due to non-payment of fees|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
    CN2011102269555A|CN102932654A|2011-08-09|2011-08-09|色彩处理装置及方法|
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