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TW201523117A - 相機陣列系統 - Google Patents

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TW201523117A
TW201523117A TW102145046A TW102145046A TW201523117A TW 201523117 A TW201523117 A TW 201523117A TW 102145046 A TW102145046 A TW 102145046A TW 102145046 A TW102145046 A TW 102145046A TW 201523117 A TW201523117 A TW 201523117A
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green
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TW102145046A
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Yi-Nung Liu
Chih-Tsung Shen
Po-Yen Su
Huan-Pin Tseng
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Himax Tech Ltd
Himax Imaging Ltd
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Abstract

一種相機陣列系統,包含影像感測裝置;混合式彩色濾波陣列,設於影像感測裝置上;及透鏡陣列,設於混合式彩色濾波陣列上。混合式彩色濾波陣列包含多種單色濾波器及至少一嵌合濾波器;且透鏡陣列包含複數光學透鏡。該至少一嵌合濾波器被用以進行立體匹配,以估算深度訊息。

Description

相機陣列系統
本發明係有關一種相機陣列(camera array)系統,特別是關於一種具混合式彩色濾波陣列(hybrid color filter array)的相機陣列系統。
拜爾(Bayer)濾波器係一種彩色濾波陣列,如第一圖所示,其包含紅色(R)、綠色(G)及藍色(B)濾波器,設於網格狀的光感測器上面,其圖樣經特定配置而具有50%綠色、25%紅色及25%藍色。拜爾濾波器連同光感測器形成影像感測器,其普遍應用於電子裝置,例如數位相機或攝影機。
由於拜爾濾波器內的每一彩色濾波器僅通過單一顏色,因此每一像素位置的其他顏色訊息必須藉由內插計算來得到。因此,具拜爾濾波器的影像感測器所擷取影像之解析度及影像品質會受到限制。再者,具拜爾濾波器的影像感測器於不同顏色之彩色濾波器之間會造成串音(cross-talk),因而降低擷取影像的影像品質。在本說明書中,串音係指穿透某一像素的光線也同時穿透相鄰像素的一種現象,其會降低影像的整體品質。
因此,亟需提出一種新穎的成像系統,用以增加解析度並消除串音。
鑑於上述,本發明實施例的目的之一在於提供一種具混合式彩色濾波陣列的相機陣列系統,該混合式彩色濾波陣列包含多種單色(monochromatic)濾波器及至少一嵌合(mosaic)濾波器,藉此可得到高解析度,可消除像素感測器之間的串音,可得到高動態範圍,能有效估算深度訊息,且易於進行影像的重聚焦(re-focusing)。
根據本發明實施例,相機陣列系統包含影像感測裝置、混合式彩色濾波陣列及透鏡陣列。影像感測裝置包含複數像素感測器。混合式彩色濾波陣列設於影像感測裝置上,該混合式彩色濾波陣列包含多種單色濾波器及至少一嵌合濾波器。透鏡陣列設於混合式彩色濾波陣列上,該透鏡陣列包含複數光學透鏡。該至少一嵌合濾波器被用以進行立體匹配,以估算深度訊息。
第二圖顯示本發明第一實施例之相機陣列系統200的示意圖。在本實施例中,相機陣列系統200包含影像感測裝置21,其係由複數像素感測器(未顯示)所組成。影像感測裝置21可為電荷耦合裝置(CCD)或互補金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測裝置。本實施例的影像感測裝置21較佳為單晶(monolithic)影像感測裝置,其係製作於單一晶片上。
相機陣列系統200還包含混合式彩色濾波陣列23,設於影像感測裝置21面向入射光的表面上。混合式彩色濾波陣列23包含複數彩色濾波器(第二圖例示有四個彩色濾波器),其配置成2x2陣列。藉此,每一彩色濾波器相應覆蓋部分的像素感測器。
一般來說,混合式彩色濾波陣列23可包含多種單色濾波器及至少一嵌合濾波器。在本說明書中,“單色”(例如紅色、綠色或藍色)一詞係指狹小波段的可見或不可見光。“嵌合濾波器”(例如拜爾濾波器)一詞係指包含不同顏色濾波器(例如拜爾濾波器之紅色、綠色及藍色濾波器;CYGM濾波器之青色、黃色、綠色及紫紅色濾波器)經特定配置而成的彩色濾波陣列。
雖然以下實施例係以拜爾濾波器作為例示,然而也可以使用其他傳統的嵌合濾波器。第三A圖至第三H圖顯示一些傳統嵌合濾波器。其中,第三A圖顯示拜爾濾波器,其包含一藍色濾波器(B)、一紅色濾波器(R)及二綠色濾波器(G),配置成2x2陣列。拜爾濾波器為RGB濾波器的一種,其由紅色、綠色及藍色濾波器所組成。第三B圖顯示類拜爾(Bayer-like)濾波器,其包含一藍色濾波器(B)、一紅色濾波器(R)、一綠色濾波器(G)及一翡翠綠色濾波器(E),配置成2x2陣列。換句話說,拜爾濾波器的二綠色濾波器之一被置換為翡翠綠色濾波器。第三C圖顯示CYYM濾波器,其包含一青色濾波器(C)、二黃色濾波器(Y)及一紫紅色濾波器(M),配置成2x2陣列。第三D圖顯示CYGM濾波器,其包含一青色濾波器(C)、一黃色濾波器(Y)、一綠色濾波器(G)及一紫紅色濾波器(M),配置成2x2陣列。第三E圖顯示RGBW拜爾濾波器,其包含一紅色濾波器(R)、一綠色濾波器(G)、一藍色濾波器(B)及一白色濾波器(W),配置成2x2陣列。RGBW拜爾濾波器類似於拜爾濾波器,但將拜爾濾波器的二綠色濾波器之一置換為白色濾波器。第三F圖顯示一種RGBW濾波器,其包含二紅色濾波器(R)、四綠色濾波器(G)、二藍色濾波器(B)及八白色濾波器(W),配置成4x4陣列,其中白色濾波器占50%。第三G圖顯示另一種RGBW濾波器,其包含二紅色濾波器(R)、四綠色濾波器(G)、二藍色濾波器(B)及八白色濾波器(W),配置成4x4陣列,其中白色濾波器占50%。第三H圖顯示又一種RGBW濾波器,其包含一紅色濾波器(R)、二綠色濾波器(G)、一藍色濾波器(B)及四白色濾波器(W),配置成2x4陣列,其中白色濾波器占50%。
於第二圖所例示的實施例中,混合式彩色濾波陣列23包含紅色濾波器23R、綠色濾波器23G、藍色濾波器23B及拜爾濾波器23Ba,該些濾波器配置成2x2陣列。彩色濾波器23R、23G、23B及23Ba之間的相對位置並不限定於第二圖所示者。例如,紅色濾波器23R或綠色濾波器23G並一定要位於拜爾濾波器23Ba的側邊。
相機陣列系統200還可包含透鏡(lens)陣列25,設於混合式彩色濾波陣列23面向入射光的表面上。本實施例之透鏡陣列25較佳為晶圓級光學(WLO)透鏡陣列,其係使用晶圓層級的半導體技術所製造,因而得以具成本效益方式以製作縮小尺寸的微型光學元件。透鏡陣列25可包含複數光學透鏡251(第二圖例示有四個光學透鏡251),其配置成2x2陣列。藉此,每一光學透鏡251相應覆蓋一彩色濾波器23R/23G/23B/23Ba,其位於相應之光學透鏡251底下。該些光學透鏡251可具有不同的光學參數,用以實施各種不同的應用。
根據本實施例的特徵之一,混合式彩色濾波陣列23同時混合使用了單色濾波器(例如紅色濾波器23R、綠色濾波器23G及藍色濾波器23B)及嵌合濾波器(例如拜爾濾波器23Ba),因此稱之為“混合式” 彩色濾波陣列23。其中,單色濾波器23R/23G/23B可達到高解析度(或稱超解析度(super resolution))。此外,單色濾波器23R/23G/23B還可消除影像感測裝置21之像素感測器間的串音。另一方面,因為嵌合濾波器23Ba係由不同顏色(例如紅色、綠色及藍色)濾波器所組成,因此具有較高的動態範圍。
第四圖顯示本發明第二實施例之相機陣列系統210的示意圖。第四圖所例示的第二實施例類似於第二圖所例示的第一實施例,其差異將於後續說明。本實施例與前一實施例相同的部分則不予贅述。第四圖所例示之相機陣列系統210可包含影像感測裝置21;混合式彩色濾波陣列23,設於影像感測裝置21之上;及透鏡陣列25,設於混合式彩色濾波陣列23之上。
在本實施例中,混合式彩色濾波陣列23包含八個(而非四個)彩色濾波器,其配置成2x4陣列。藉此,每一彩色濾波器相應覆蓋部分的像素感測器。
在本實施例中,混合式彩色濾波陣列23包含一個紅色濾波器23R、二個綠色濾波器23G、一個藍色濾波器23B及四個拜爾濾波器23Ba,其配置成2x4陣列。假設混合式彩色濾波陣列23為矩形,則四個拜爾濾波器23Ba分別設於混合式彩色濾波陣列23的四個角落。二個綠色濾波器23G對角線配置,使得該二個綠色濾波器23G不會位於彼此的側邊。紅色濾波器23R與藍色濾波器23B對角線配置,使得紅色濾波器23R與藍色濾波器23B不會位於彼此的側邊。
在本實施例中,透鏡陣列25包含八個(而非四個)光學透鏡251,配置成2x4陣列。藉此,每一光學透鏡251相應覆蓋一彩色濾波器23R/23G/23B/23Ba,其分別位於相應之光學透鏡251底下。
第四圖所示實施例具有第二圖所示實施例的優點,再者,根據本實施例的特徵之一,分別設於混合式彩色濾波陣列23四個角落的拜爾濾波器23Ba還可藉由其不同顏色彩色濾波器(例如紅色濾波器、綠色濾波器及藍色濾波器)以進行影像的重聚焦(re-focusing)。
根據上述實施例所揭示的架構,每一彩色濾波器23R/23G/23B/23Ba連同相應的光學透鏡251及相應的像素感測器可形成一成像裝置(imager)。由於該些成像裝置分別從不同的光學透鏡251接收入射光,因此由二成像裝置所擷取之二影像的相應像素之間會造成差異(通常稱為像差(disparity))。像差係反比於影像深度。為了解決二影像之相應像素間的差異問題,需要使用立體匹配(stereo matching)來解決。
根據上述實施例的另一特徵,藉由嵌合濾波器(例如拜爾濾波器23Ba)以進行立體匹配,有效地決定(或估算)深度訊息。第五圖顯示具拜爾濾波器之成像裝置、具紅色(R)濾波器之成像裝置、具綠色(G)濾波器之成像裝置以及具藍色(B)濾波器之成像裝置所分別擷取的四影像(例如拜爾、紅色、綠色、藍色影像)。當進行立體匹配時,紅色影像沿X(或水平)軸向位移,其位移量為d(位移後的紅色影像標示為R(x-d,y));綠色影像沿Y(或垂直)軸向位移,其位移量為d(位移後的綠色影像標示為G(x,y-d));且藍色影像沿X及Y軸向位移,其位移量分別為d(位移後的藍色影像標示為B(x-d,y-d))。
對於某一給定的位移量d,位移後的紅色、綠色及藍色影像經合成而形成一合成影像。接著,使用一量測標準(例如絕對差之和(SAD)或平方差之和(SSD))以量測(位移後)合成影像與(未位移)拜爾影像之間的相似度(similarity)。對於一影像的某一像素,可根據該些量測值當中的最小值以得到深度訊息(其值反比於位移量)。在本實施例中,由於使用了四影像(或視圖),相較於傳統方法使用二視圖,因此本實施例可較正確地估算影像深度。
深度訊息也可使用其他傳統深度估算演算法來獲得。在一實施例中,對於每ㄧ像素,計算(位移後)合成影像與(未位移)拜爾影像之間的彩色(color)及梯度(gradient)的絕對差值。集合該些絕對差值(或稱為成本(cost))以形成一立體的成本容積(cost-volume),對其進行過濾(filter)運算後,再從過濾後之成本容積當中決定(或選擇)一最小值,藉此可獲得深度訊息。有關上述演算法的細節可參閱C. Rhemann等人所著的“Fast Cost-Volume Filtering for Visual Correspondence and Beyond”,其發表於西元2011年美國電機電子工程師學會電腦視覺與圖形辨識(IEEE Computer Vision and Pattern Recognition),其內容視為本說明書的一部分。
以上所述僅為本發明之較佳實施例而已,並非用以限定本發明之申請專利範圍;凡其它未脫離發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾,均應包含在下述之申請專利範圍內。
200‧‧‧相機陣列系統
210‧‧‧相機陣列系統
21‧‧‧影像感測裝置
23‧‧‧混合式彩色濾波陣列
23R‧‧‧紅色濾波器
23G‧‧‧綠色濾波器
23B‧‧‧藍色濾波器
23Ba‧‧‧拜爾濾波器
25‧‧‧透鏡陣列
251‧‧‧光學透鏡
R‧‧‧紅色
G‧‧‧綠色
B‧‧‧藍色
E‧‧‧翡翠綠色
C‧‧‧青色
Y‧‧‧黃色
M‧‧‧紫紅色
W‧‧‧白色
第一圖顯示拜爾濾波器的配置。 第二圖顯示本發明第一實施例之相機陣列系統的示意圖。 第三A圖至第三H圖顯示一些傳統嵌合濾波器。 第四圖顯示本發明第二實施例之相機陣列系統的示意圖。 第五圖顯示具拜爾濾波器之成像裝置、具紅色濾波器之成像裝置、具綠色濾波器之成像裝置以及具藍色濾波器之成像裝置所分別擷取的四影像。
200‧‧‧相機陣列系統
21‧‧‧影像感測裝置
23‧‧‧混合式彩色濾波陣列
23R‧‧‧紅色濾波器
23G‧‧‧綠色濾波器
23B‧‧‧藍色濾波器
23Ba‧‧‧拜爾濾波器
25‧‧‧透鏡陣列
251‧‧‧光學透鏡
R‧‧‧紅色
G‧‧‧綠色
B‧‧‧藍色

Claims (13)

  1. 一種相機陣列系統,包含:        一影像感測裝置,包含複數像素感測器;        一混合式彩色濾波陣列,設於該影像感測裝置上,該混合式彩色濾波陣列包含多種單色濾波器及至少一嵌合濾波器;及        一透鏡陣列,設於該混合式彩色濾波陣列上,該透鏡陣列包含複數光學透鏡; 其中該至少一嵌合濾波器被用以進行立體匹配,以估算深度訊息。
  2. 根據申請專利範圍第1項所述之相機陣列系統,其中該影像感測裝置 包含一單晶影像感測裝置。
  3. 根據申請專利範圍第1項所述之相機陣列系統,其中該多種單色濾波 器包含至少一紅色濾波器、至少一綠色濾波器及至少一藍色濾波器。
  4. 根據申請專利範圍第1項所述之相機陣列系統,其中該至少一嵌合濾 波器包含至少一拜爾濾波器、RGB濾波器、RGBE濾波器、CYYM濾波器、CYGM濾波器、RGBW拜爾濾波器或RGBW濾波器。
  5. 根據申請專利範圍第1項所述之相機陣列系統,其中每一該光學透鏡 相應覆蓋一彩色濾波器,其位於相應之光學透鏡底下。
  6. 根據申請專利範圍第1項所述之相機陣列系統,其中該透鏡陣列包含   一晶圓級光學(WLO)透鏡陣列。
  7. 根據申請專利範圍第1項所述之相機陣列系統,其中該混合式彩色濾 波陣列包含一嵌合濾波器、一紅色濾波器、一綠色濾波器及一藍色濾波器,其配置為2x2陣列,該嵌合濾波器包含一拜爾濾波器、RGB濾波器、RGBE濾波器、CYYM濾波器、CYGM濾波器、RGBW拜爾濾波器或RGBW濾波器。
  8. 根據申請專利範圍第7項所述之相機陣列系統,其中該透鏡陣列包含 四光學透鏡,配置為2x2陣列,每一該光學透鏡相應覆蓋位於其下之嵌合濾波器、紅色濾波器、綠色濾波器或藍色濾波器。
  9. 根據申請專利範圍第1項所述之相機陣列系統,其中該混合式彩色濾 波陣列包含一紅色濾波器、二綠色濾波器、一藍色濾波器及四嵌合濾波器,其配置為2x4陣列,該四嵌合濾波器包含四拜爾濾波器、RGB濾波器、RGBE濾波器、CYYM濾波器、CYGM濾波器、RGBW拜爾濾波器或RGBW濾波器。
  10. 根據申請專利範圍第9項所述之相機陣列系統,其中該四嵌合濾波器 分別設於該混合式彩色濾波陣列的四角落,該二綠色濾波器為對角線配置,且該紅色濾波器、藍色濾波器為對角線配置。
  11. 根據申請專利範圍第10項所述之相機陣列系統,其中該透鏡陣列包   含八光學透鏡,配置為2x4陣列,每一該光學透鏡相應覆蓋位於其下之嵌合濾波器、紅色濾波器、綠色濾波器或藍色濾波器。
  12. 根據申請專利範圍第1項所述之相機陣列系統,於進行該立體匹配 時,對於每一位移量,位移該多種單色濾波器相應的擷取影像;合成該些位移後影像以形成一合成影像;使用一量測標準以量測該合成影像與該嵌合濾波器所擷取之嵌合影像之間的相似度;且對於一影像的每一像素,根據量測值當中的最小值以得到深度訊息。
  13. 根據申請專利範圍第12項所述之相機陣列系統,其中該量測標準包 含絕對差之和(SAD)、平方差之和(SSD)或成本容積(cost-volume)。
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