TWI491265B - 黑階校準方法與系統 - Google Patents

Description

黑階校準方法與系統

本發明概略關於影像處理，尤指一種黑階校準方法與系統。

除非在此處另有說明，在此段落中所描述的內容並非為此申請案之申請專利範圍的先前技術，且在此段落中所包含之內容並非承認其為先前技術。

影像感測器，例如CMOS或CCD感測器等，係由一個別像素之陣列所組成，該每一陣列收集入射到該影像感測器上的光子。在每個像素中收集的光子數目由一光二極體轉換成一電荷，然後此電荷被轉換成一類比電壓，該電壓可由一類比到數位轉換器放大、調整或轉換到一數位值，如此由該等個別像素取得的資訊通常由一數位信號處理器處理成為一最終數位影像。

大多數影像感測器需要在使用之前有某種型式的校準，如此由該影像感測器取得的資料可用於產生數位影像，其可如實地再生該場景或物件在其影像被補捉時之光學特性(例如強度及色彩)。一種校準稱之為黑階校準，此校準有效地設定一臨界值，低於該臨界值時自該影像感測器取得的數位資料值將被視為代表一黑階，或代表沒有光線或實質上缺乏光線。準確的黑階校準有助於達到在黑影區域中具有完全對比及微細的細節之數位圖像。如果該黑階過低，在黑暗區域中的資訊可能喪失。相反地，如果該黑階過高，信號範圍會被犧牲。

在習用系統中，一影像感測陣列的邊界被環繞有一些成列及行的光線遮蔽或黑色像素。這些像素提供黑色基準資訊或黑色像素資料來穩定下游的影像處理，並建立該輸出影像中黑色的正確值。

純粹在數位領域中的校準會降低該系統之範圍，並降低影像品質。另一方面，為了同時完成在該類比領域中的高解析度及廣大校準範圍，既有的解決方案通常包含大尺寸、以及高電力消耗的電路。

本發明一具體實施例提供一種校準一訊框中黑階信號之方法，此方法包括執行平均化對應於有關該訊框之第一組黑色像素之第一組調整的黑階信號之第一組數位值之迭代，基於該第一組數位值判定一平均值是否已經達到一目標黑階，基於該平均值與該目標黑階及一累加器間距之間的差異判定一校準偏移，轉換該校準偏移成一類比信號，基於該類比信號產生該訊框的第二組黑色像素之校準信號，且重複該訊框的迭代，直到判定已經達到一預定條件為止。

此處所揭示之本發明中至少一個優點為以一種省電方式達到黑階校準的高解析度及廣大校準範圍。

以下將參照圖面說明不同的具體實施例。請注意該等圖面並未依比例繪製。亦請注意該等圖面僅是要便於該等具體實施例之說明。它們並非要做為本發明之窮盡式說明，或是做為本發明之範圍限制。此外，配合一特定具體實施例所述之一種態樣並不必要受限於該具體實施例，並可實施在任何其它具體實施例中。

第一圖為例示根據本發明一具體實施例之一範例影像處理系統100之簡化的方塊圖。影像處理系統100包括加總接合點104、放大器106、類比到數位轉換器(Analog-to-digital converter(ADC))108，及一黑階校準(Black level calibration(BLC))方塊110。加總接合點104配置成接收一來源信號102，該信號可以包括一黑階信號及/或一影像信號。該黑階信號為一黑階像素之陣列的讀出值，且該影像信號為來自對應於一補捉的影像之一主動像素陣列的輸出。

BLC方塊110配置成於某個校準周期期間調整該接收的黑階信號，以產生一校準的黑階信號。在一種實施中，BLC方塊110包括平均化單元112、比較器114、累加器116、數位到類比轉換器(Digital-to-analog converter(DAC))118及位準積分器120。

除了接收來源信號102之外，加總接合點104亦配置成自BLC方塊110接收一校準信號122。加總接合器104可以利用校準信號122調整來源信號102。放大器106配置成另調整加總接合點104之輸出，來較佳地利用ADC 108所支援的範圍，並降低量化雜訊。ADC 108配置成輸出一數位信號124，其對應於來自放大器106之調整過的類比輸出信號。

平均化單元112配置成加入及平均不同像素之接收的數位信號124，並傳送所得到的平均值到比較器114做進一步處理。累加器116配置成處理比較器114的輸出，並輸出一校準偏移。在已經由DAC 118轉換該校準偏移回到一類比信號之後，位準積分器120配置成基於該校準偏移，以預備校準信號122。影像處理系統100之額外細節將另在以下段落中說明。

第二圖為例示根據本發明一具體實施例中用於執行黑階校準之程序200的流程圖。在一種實施中，程序200可由第一圖所示的影像處理系統100來執行。在作業202中，於一訊框中一黑階校準周期期間，一校準信號被施加到一來源信號中的一黑階信號。該調整過的黑階信號在作業204中被轉換成一數位信號，且多個像素之數位信號在作業206中被加入，並被平均。在作業208中，該平均值被處理，並與一目標黑階做比較。如果該目標黑階被判定尚未達成，則該平均值在作業210中另被處理來判定一校準偏移。該校準偏移在作業212中被轉換回到一類比信號，且該類比信號在作業214中被用於產生一校準信號。在程序200中該校準迴圈於該訊框中，黑階校準周期期間會繼續，直到該目標黑階的目標於作業208中被判定已經達成。然後，程序200配置成於作業216中離開黑階校準。該校準信號另被施加到該訊框中之該來源信號之影像信號。在一種實施中，程序200中該校準迴圈亦可在當該訊框中該等黑色像素已經被處理時離開該黑階校準周期。

第三A圖為例示根據本發明一具體實施例中一範例比較器300之示意圖。在一種實施中，比較器300可對應於第一圖的比較器114，並配置成執行第二圖所示之作業208的部份態樣。比較器300接收一輸入信號302、一目標黑階304、一黑階上限306及一重置信號308。目標黑階304可於初始化期間設定，並可根據不同的照明條件來修改。黑階上限306可用於回應於有可能改變的黑階而抑制該系統，該黑階上限可被程式化，並可表示成8位元來降低電力消耗。在一種實施中，比較器300在當一新的訊框啟動時經由重置信號308而重置。

第三B圖為例示根據本發明一具體實施例由比較器300執行以產生一輸出信號310的程序350之流程圖。為了例示，一範例輸出信號310表示成9位元，在以下段落中亦稱之為output_signal[8:0]。在作業352中，一符號位元基於對應於多個像素之平均數位值之輸入信號302與目標黑階304之間的關係而設定。例如，如果輸入信號302小於目標黑階304(例如A<B)，該符號位元可被設定為1(即output_signal[8]=1)。否則(例如A>=B)，該符號位元可被設定為0(即output_signal[8]=0)。在作業354中，輸出信號310係基於輸入信號302及目標黑階304之間的差異、黑階上限306以及該符號位元而產生。例如，如果輸入信號302與目標黑階304之間的絕對差異大於黑階上限306(例如|A-B|>C)，則輸出信號310為該符號位元與黑階上限306之組合(例如output_signal[8]對應於該符號位元，而output_signal[7:0]由黑階上限306表示)。另一方面，如果輸入信號302與目標黑階304之間的絕對差異小於或等於黑階上限306(例如|A-B|<=C)，則輸出信號310為該符號位元與該絕對差異之組合。

第四A圖為例示根據本發明一具體實施例中一範例累加器400之示意圖。在一種實施中，累加器400可對應於第一圖之累加器116，並配置成執行作業208與第二圖之作業210的某些態樣。累加器400接收黑階值402、累加器間距404及重置信號406。在一種實施中，累加器間距404為一正整數，且累加器400在當一新訊框啟動時經由重置信號406重置。

第四B圖為例示根據本發明一具體實施例由累加器400執行以產生一校準偏移408的程序450之流程圖。在作業452中，如果來自一比較器(例如第一圖之比較器114)之output_signal[7:0]大於或等於累加器間距404，則校準偏移408基於該符號位元(即output_signal[8])及累加器間距404產生。特別是如果該符號位元為在作業454中判定為1時，則校準偏移408在作業456中被設定為負的累加器間距404(即-累加器間距404)。否則，校準偏移408被設定為就是作業458中的累加器間距404。如果output_signal[7:0]小於累加器間距404，則該BLC被終止，且校準偏移408在作業460中被設定為0。

在一種實施中，校準偏移408被傳送到DAC來被轉換成一類比信號，且然後轉換的校準偏移408由一位準積分器處理而產生一校準信號。DAC及該位準積分器可對應於第一圖所示之DAC 118及位準積分器120。

為了進一步例示該校準信號如何被產生，並利用於上述第二圖所示之校準迴圈，來自一像素陣列之一些範例像素值被選取而由一BLC方塊處理，例如第一圖所示之BLC方塊110。第五A圖為一樣本影像感測器500之示意圖，該影像感測器包括具有設置成列502及行504之多個像素之一二維像素陣列。影像感測器500包括黑色像素506的列。黑色像素506被設計成防止光線到達該等像素之光線偵測部分。影像感測器500亦包括主動像素的列，例如紅(R)、綠(G)及藍(B)像素。雖然所例示的像素陣列為正常形狀，該陣列可具有不同於所例示之設置(例如包括或多或少的像素、列及行)。

第五B圖例示根據本發明一具體實施例中標註有對應於一訊框中該校準迴圈之不同階段之範例像素值之一範例BLC方塊。在此處該範例BLC方塊對應於第一圖的BLC方塊110。假設第五A圖所示的所有黑色像素具有相同的類比像素值，此類比像素值可以對應於232的數位值，且另假設該等黑色像素依時間順序，由左到右被讀出。換言之，P1先被讀出，而P2在讀出P1之後被讀出，而P3在讀出P2之後被讀出，依此類推。同時，為了簡化及做為範例，假設加總接合點104配置成每次將校準信號122施加到四個引入的像素；假設放大器106調整加總接合點104之輸出的倍率為1；且平均化單元112配置成每次加入並平均四個調整過的數位像素值。此外，假設該目標黑階被設定為32，該黑階上限被設定為300，且該累加器間距設定為10。

在該校準迴圈的第一次迭代中，累加器116輸出一初始校準偏移為零到DAC 118及位準積分器120。在一種實施中，位準積分器120藉由累加該接收的校準偏移而產生一校準信號。雖然在一種實施中該校準信號為一類比信號，該類比校準信號可以對應於一或多個數位值。該等一或多個數位值在以下用於例示該校準迴圈。該校準信號在第一次迭代中為零，且加總接合點104將此零套用到P1-P4之引入的像素值，即皆在232。當平均化單元112接收P1-P4之調整過的數位像素值，即在232仍未改變，其計算P1-P4之232的平均值，並傳送該平均值到比較器114。因為232與該目標黑階(即32)之間的差異為200，該目標黑階尚未達成。同時，因為200小於300之黑階上限，比較器114傳送200的輸出信號到累加器116以進行在該校準迴圈中處理之第二次迭代。

因為200大於該累加器間距(即10)，該校準迴圈繼續，且該校準偏移被設定為該累加器間距。位準積分器120產生10之校準信號，且加總接合點104將該校準信號施加到一組P5-P8的新引入像素值。特別是，232的像素值被減去10。P5-P8之222的調整過的數位像素值由平均化單元112處理，且222之平均值被傳送到比較器114。類似於該第一迭代，因為222與該目標黑階(即32)之間的差異為190，該目標黑階尚未達成。同時，因為190小於300之黑階上限，比較器114傳送190之輸出信號到累加器116以進行在該校準迴圈中處理之第三次迭代。

因為190仍大於10之累加器間距，該校準迴圈繼續，且累加器116再次地設定該校準偏移為該累加器間距。在此迭代中位準積分器120藉由累加該等接收到的校準偏移而產生20之校準信號，且加總接合點104將該校準信號施加到另一組新的引入像素值。在此處，232的像素值被減去20。

在所例示的校準迴圈之第21次迭代中，其中來自比較器114之輸出信號等於該累加器間距。200之校準信號被套用到一組新的引入像素值，且比較器114判定已達成32之目標黑階。在一種實施中，於已經達到該目標黑階之後，該校準迴圈即終止，且該校準信號被套用到該訊框中其它的主動像素。

前述係針對本發明之具體實施例，本發明之其它及進一步的具體實施例皆可產生，而並不背離其基本範圍。例如，所例示的影像處理系統可以包括獨立的組件來平行地處理不同的頻道而改善影像品質。在一種實施中，該影像處理系統可以包括一第一ADC及一第二ADC。該第一ADC可配置成處理該等藍色及紅色頻道，而該第二ADC可配置成處理該綠色頻道。同時，該ADC的解析度(例如10位元解析度)可以不同於該影像處理系統中的DAC之解析度(例如8位元解析度)以降低運算複雜度。以上的範例、具體實施例、及圖式並不能夠視為唯一的具體實施例，並用於例示由以下申請專利範圍所定義的本發明之彈性及優點。

100．．．影像處理系統

102．．．來源信號

104．．．加總接合點

106．．．放大器

108．．．類比到數位轉換器

110．．．黑階校準方塊

112．．．平均化單元

114．．．比較器

116．．．累加器

118．．．數位到類比轉換器

120．．．位準積分器

122．．．校準信號

124．．．數位信號

300．．．比較器

302．．．輸入信號

304．．．目標黑階

306．．．黑階上限

308．．．重置信號

310．．．輸出信號

400．．．累加器

402．．．黑階值

404．．．累加器間距

406．．．重置信號

408．．．校準偏移

500．．．影像感測器

502．．．列

504．．．行

506．．．黑色像素

前述及其它本發明之特徵將可配合以下附屬圖式之說明及附屬申請專利範圍而更加明顯。這些圖式僅描述根據本發明之數種具體實施例，因此不應視為本發明範圍之限制。本發明將經由使用附屬圖式而有額外的明確性及細節之描述。

第一圖為例示根據本發明一具體實施例之一範例影像處理系統之簡化的方塊圖；

第二圖為例示根據本發明一具體實施例中用於執行黑階校準之程序的流程圖；

第三A圖為例示根據本發明一具體實施例中一範例比較器之示意圖；

第三B圖為例示根據本發明一具體實施例由第三A圖之比較器執行以產生一輸出信號的程序之流程圖；

第四A圖為例示根據本發明一具體實施例中一範例累加器之示意圖；

第四B圖為例示根據本發明一具體實施例由第四A圖之累加器執行以產生一校準偏移的程序之流程圖；

第五A圖為包括具有設置成列及行之多個像素之二維像素陣列之一範例影像感測器的示意圖；及

第五B圖為例示根據本發明一具體實施例中標註有對應於一訊框中該校準迴圈之不同階段之範例像素值之一範例BLC(Black level calibration，BLC，黑階校準)方塊。

Claims (18)

1. 一種用於校準一訊框中一黑階信號之方法，該方法包含：施加一第一校準信號給一第一組黑階信號以製造一第一組調整過的黑階信號，該第一組黑階信號與該訊框的一第一組黑色像素有關；平均化對應於該第一組調整過的黑階信號之一第一組數位值；基於該第一組數位值，判定一第一平均值是否已經達到一目標黑階；如果該第一平均值未達到該目標黑階，則進行基於一累加器間距和該第一平均值與該目標黑階的一第一差距，判定一第一校準偏移；轉換該第一校準偏移成一類比信號；及基於該類比信號，產生一第二校準信號；施加該第二校準信號給一第二組黑階信號以製造一第二組調整過的黑階信號，該第二組黑階信號與該訊框的一第二組黑色像素有關；平均化對應於該第二組調整過的黑階信號之一第二組數位值；決定基於該第二組數位值的一第二平均值是否已達到該目標黑階，和是否進行決定一第二校準偏移，其中該第二校準偏移是基於該累加器間距和該第二平均值與該目標黑階的一第二差距所決定。
2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該判定該第一校準偏移係另基於一黑階上限。
3. 如申請專利範圍第1項之方法，更包括轉換該第二校準偏移為一第二類比信號和包括該類比信號於該第二類比信號中。
4. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該轉換該第一校準偏移另包含以一第一位元解析度接收該第一校準偏移，並在 以一第二位元解析度輸出該類比信號。
5. 如申請專利範圍第1項之方法，更包括根據一預先決定條件決定是否終止對於該訊框的校準，其中該預定條件對應於已經處理該訊框中所有黑色像素。
6. 一種黑階校準(BLC)裝置，其配置成迭代地處理在一訊框中一黑階信號，該BLC裝置包含：一平均化單元，其配置成計算對應於有關該訊框之一第一組黑色像素之一第一組調整過的黑階信號之一第一組數位值之一第一平均值，其中該第一組調整過的黑階信號是基於一位準積分器產生的一第一校準信號所產生；一比較器，其配置成判定該第一平均值是否已經達到一目標黑階，並基於該第一平均值與該目標黑階之間的一第一差異產生一第一輸出信號；一累加器，如果該第一平均值未達到該目標黑階，則配置成基於該第一輸出信號及一累加器間距來判定一第一校準偏移；一數位到類比轉換器(DAC)，其配置成轉換該第一校準偏移成為一類比信號；該位準積分器，其配置成基於該類比信號，產生一第二校準信號；該平均化單元配置成為對應於一第二組調整過的黑階信號(與該訊框的一第二組黑色像素相關)的一第二組數位值，計算一第二平均值，其中該第二組調整過的黑階信號是基於該第二校準信號所產生；該比較器配置成決定基於該第二平均值是否已達到該目標黑階，和是否進行決定一第二校準偏移，其中該第二校準偏移是基於該累加器間距和該第二平均值與該目標黑階的一第二差距所決定。
7. 如申請專利範圍第6項之BLC裝置，其中該比較器另配置成將該第一平均值與該目標黑階之間的該第一差異與一 黑階上限相比較，以產生該累加器之第一輸出信號。
8. 如申請專利範圍第6項之BLC裝置，其中該DAC配置成轉換該第二校準偏移為一第二類比信號，該位準積分器配置成包括該類比信號於該第二類比信號中。
9. 如申請專利範圍第6項之BLC裝置，其中該DAC配置成以一第一位元解析度接收該第一校準偏移，並以一第二位元解析度輸出該類比信號。
10. 如申請專利範圍第6項之BLC裝置，其中該BLC裝置配置成繼續處理該訊框中的該黑階信號，直到該BLC裝置已對該訊框中的所有黑色像素進行處理。
11. 一種具有黑階校準(BLC)方塊之影像處理系統，其配置成迭代地處理在一訊框中之一黑階信號，該影像處理系統包含：一加總接合點，其配置成於一BLC周期期間，施加來自該BLC方塊之一第一校準信號到有關該訊框之一第一組黑色像素之一第一組黑階信號，並產生一第一組調整過的黑階信號；一或多個類比到數位轉換器(ADC)，其配置成轉換該第一組調整過的黑階信號到一第一組數位值；及該BLCK方塊具有一平均單元，其配置成計算該第一組數位值之一第一平均值；一比較器，其配置成判定該第一平均值是否已經達到一目標黑階，並基於該第一平均值與該目標黑階之間的第一差異，產生一第一輸出信號；一累加器，如果該第一平均值未達到該目標黑階，則配置成基於該第一輸出信號及一累加器間距來判定一第一校準偏移；一數位到類比轉換器(DAC)，其配置成轉換該校準偏移成為一類比信號； 一位準積分器，其配置成基於該加總接合點之類比信號，產生一第二校準信號來處理該訊框的一第二組黑色像素；該平均化單元配置成為對應於一第二組調整過的黑階信號(與該第二組黑色像素相關)的一第二組數位值，計算一第二平均值，其中該第二組調整過的黑階信號是基於該第二校準信號所產生；該比較器配置成決定基於該第二平均值是否已達到該目標黑階，和是否進行決定一第二校準偏移，其中該第二校準偏移是基於該累加器間距和該第二平均值與該目標黑階的一第二差距所決定。
12. 如申請專利範圍第11項之影像處理系統，其中當該BLC方塊已達到一預定條件且離開該BLC周期之後，該加總接合點配置成施加一由該BLC方塊產生的校準信號到該訊框的主動像素。
13. 如申請專利範圍第11項之影像處理系統，其中該BLC方塊的比較器另配置成將該第一平均值與該目標黑階之間的該第一差異與一黑階上限相比較，以產生該累加器之一第一輸出信號。
14. 如申請專利範圍第11項之影像處理系統，其中該DAC配置成轉換該第二校準偏移為一第二類比信號，該BLC方塊之位準積分器配置成將該類比信號包括於該第二類比信號中。
15. 如申請專利範圍第11項之影像處理系統，其中該等一或多個ADC配置成以一第一位元解析度產生該第一組數位值，且該BLC方塊之DAC配置成以一第二位元解析度輸出該類比信號。
16. 如申請專利範圍第12項之影像處理系統，其中該預定條件對應於對於該訊框中已達到該目標黑階的一組黑階像素的一平均值。
17. 如申請專利範圍第11項之影像處理系統，其中該預定條件對應於該BLC方塊已經處理該訊框中所有黑色像素。
18. 如申請專利範圍第11項之影像處理系統，其中該等一或多個ADC配置成獨立處理該訊框不同的色彩頻道。