CN101326808B - 提供噪声降低同时保留成像器边缘的方法及设备 - Google Patents

提供噪声降低同时保留成像器边缘的方法及设备 Download PDF

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Abstract

本发明揭示一种降低图像内的噪声的方法，所述方法包含以下步骤：获得目标像素的第一值；获得围绕所述目标像素并与所述目标像素具有相同色彩的每一相邻像素的相应第二值；针对每一相邻像素，将所述第一值与所述第二值之间的差与阈值相比；及用平均值取代所述第一值，所述平均值是从所述第一值与来自所述相邻像素且基于所述比较步骤的结果具有小于或等于所述阈值的相关联差的所有第二值获得。

Description

提供噪声降低同时保留成像器边缘的方法及设备
技术领域
本发明一般来说涉及固态成像器装置领域，且更具体来说涉及一种用于在固态成像器装置内降低噪声的方法及设备。
背景技术
固态成像器(包含电荷耦合装置(CCD)、CMOS成像器及其他)已用于光成像应用。固态成像器电路包含像素单元的焦平面阵列，所述单元的每一者均包含光传感器，其可以是光闸极、光导体或具有用于累加光生电荷的掺杂区域的光二极管。
针对固态图像传感器的最具挑战性问题之一是噪声降低，尤其是针对具有小像素尺寸的传感器。噪声对图像质量的影响随着像素尺寸不断减小而增加，并可对图像质量具有严重影响。确切地说，噪声是由于动态范围降低而影响较小像素的图像质量。解决此问题的一个方式是通过改进制程；然而，与这些改进相关联的成本较高。因此，工程师常常集中于其他噪声降低方法。一个这种解决方案在图像处理期间应用噪声滤波器。存在许多复杂的噪声降低算法，其降低图像内的噪声而无边缘模糊，然而，其需要庞大的计算资源且不能在单芯片硅的应用程序中实施。大多数简单的噪声降低算法会模糊图像的边缘。
本文简要论述两个可用于图像降噪的例示性方法。第一方法包含使用本地平滑滤波器，其通过应用本地低通滤波器降低图像内的噪声成分来起作用。此类滤波器的典型实例包含均值滤波器、中值滤波器及高斯滤波器。与本地平滑滤波器相关联的一个问题是其不区分作为图像一部分的高频成分与那些由于噪声而产生的成分。因此，这些滤波器不仅会移除噪声，还会模糊图像的边缘。
第二组降噪方法在空间频率域内起作用。这些方法通常首先将图像数据转换到频率空间中(正向转换)，然后过滤所转换的图像并最终将所述图像转换回图像空间内(反向转换)。此类滤波器的典型实例包含DFT滤波器与波长转换滤波器。然而，处理图像数据所需的大量计算妨碍将这些滤波器用于图像降噪。此外，使用这些滤波器降低噪声可导致区块瑕疵与振荡。此外，最好在YUV色彩空间(Y是亮度成分而U与V是色度成分)内实施这些滤波器。因此，需要不会模糊图像边缘的高效率图像降噪的方法及设备。
发明内容
在各种例示性实施例中，本发明涉及一种允许在成像装置内进行图像降噪的方法及设备。
根据本发明的例示性实施例，用于在图像处理中降低噪声的方法及实施设备包含以下步骤：获得目标像素的第一值；获得围绕所述目标像素并与目标像素具有相同色彩的每一相邻像素的相应第二值；针对每一相邻像素，将所述第一值与所述第二值之间的差与阈值相比；及用平均值取代所述第一值，所述平均值是从所述第一值与来自所述相邻像素中基于所述比较步骤的结果具有小于或等于所述阈值的相关联差的所有第二值获得。
可以将例示性噪声滤波器分别应用于拜耳(Bayer)、红/绿/蓝(RGB)、青/深红/黄/关键色(CMYK)、亮度/色度(YUV)或其他色彩空间内的每一色彩。本发明设定噪声振幅阈值(TH)，其可以是可能已应用于放大原始信号的模拟与数字增益的函数。仅离差(平均最大与最小值之间的差)振幅低于噪声振幅阈值(TH)的噪声将被平均及降低。因此，具有低于所述阈值的信号的边缘将被平均及模糊。本发明通过将中央目标像素与其所有会产生小于设定阈值的信号差的类似色彩相邻像素进行平均来处理所述中央目标像素，从而达到此目的。
附图说明
根据下文参考附图提供的本发明的下述详细说明，将更容易明白本发明的前述及其他优点与特征，其中：
图1是结合像素阵列使用的常规微透镜与彩色滤光片阵列的俯视图；
图2A显示根据本发明针对像素阵列的红色或蓝色像素的图像校正核心；
图2B描绘根据本发明针对像素阵列的绿色像素的校正核心；
图3更详细地描绘图2A的校正核心；
图4显示根据本发明的例示性方法用于移除像素噪声的方法的流程图；
图5显示根据本发明的例示性实施例而构造的成像器的方块图；及
图6显示并入至少一个根据本发明实施例而构造的成像装置的处理器系统。
具体实施方式
在以下详细说明中，参考构成其一部分并以图解说明方式显示可以实践本发明的具体实施例的附图。以充分细节描述这些具体实施例使得所属技术领域的技术人员能够实践本发明，且应了解，可使用其他具体实施例，且可做出结构、逻辑及电性改变而不脱离本发明的精神与范围。所描述处理步骤的进程是本发明的例示性实施例；然而，步骤的顺序并不限于本文所表述顺序，而是如所属技术领域中所知可以改变，除非必须以特定顺序发生的步骤。
本文所使用的术语″像素″涉及光元件单位单元，其包含光传感器装置及用于将光子转换成电信号的相关联结构。出于图解说明的目的，在图式与本文说明中例示小的代表性三色像素阵列。然而，本发明可以应用于单色成像器及应用于用以感测阵列中少于三个或多于三个色彩成分的成像器。因此，下述详细说明不应视为具有限制意义，且本发明的范围仅由随附权利要求书来定义。
图1描绘一个例示性常规彩色滤光片阵列，其以拜耳图案配置并覆盖像素阵列以将入射光聚焦。应了解，若单独采用，则像素一般不区分光的入射色彩，且其输出信号仅代表所接收光的强度而并非对色彩的任何识别。然而，如本文论述，当结合所述像素阵列来使用彩色滤光片81将特定波长范围的光(对应于特定色彩)聚焦于像素80上时，像素80是以色彩来提及的(即″红色像素″、″蓝色像素″等)。因此，当本文使用术语″红色像素″时，其表示与红色滤光片相关联并透过红色滤光片接收光的像素；当本文使用术语″蓝色像素″时，其表示与蓝色滤光片相关联并透过蓝色滤光片接收光的像素；而当本文使用术语″绿色像素″时，其表示与绿色滤光片相关联并透过绿色滤光片接收光的像素。
图2A与2B图解说明像素阵列100的具有经识别目标像素32a、32b的部分，其可经受根据本发明的校正方法。图2A所示在像素阵列100内的经识别目标像素32a可以是红色或蓝色像素。图2B所示的像素阵列100具有经识别像素32b，所述像素是绿色像素。本发明还可以使用应用到四个彩色通道的一个核心：红色像素、蓝色像素、一红色像素行中的绿色像素、及一蓝色像素行中的绿色像素。
在所示实例中，假设像素阵列100与拜耳图案彩色滤光片阵列82(图1)相关联；然而，本发明还可以用于其他彩色滤光片图案。彩色滤光片81将特定波长范围的入射光聚焦于基本像素80上。在如图1所示的拜耳图案中，每隔一像素阵列的行由交替的红色(R)与绿色(G)彩色像素组成，而其他行由交替的绿色(G)与蓝色(B)彩色像素组成。
根据本发明的例示性实施例，为将像素除噪，本发明使用经识别目标像素32a、32b的最近相邻像素的信号值。经识别目标像素32a、32b是当前处理的像素。相邻像素在本文中统一称作图像核心，分别在图2A及2B中显示为核心101a、101b。每一核心101a、101b中均包含总计八个相邻像素。应注意，所示校正核心101a、101b是例示性，且对于使用除拜耳图案外的彩色滤光片图案的像素阵列可以选择其他校正核心。此外，若需要，校正核心可以涵盖多于或少于八个相邻像素。
在图2A与2B中，用虚线来勾画所述例示性校正核心101a、101b。对于核心101a，存在具有与经识别目标像素32a相同的色彩的八个像素(像素10、12、14、34、54、52、50及30)。尽管看起来校正核心101a含有16个像素，但应注意，所述像素的一半是绿色像素，不考虑将其信号用于红色或绿色目标像素32a的除噪。图3更详细显示组成核心101a的实际像素。核心101b还包含与经识别像素32b具有相同绿色的八个像素(像素12、23、34、43、52、41、30及21)。
参考图4，现描述本发明的例示性方法200。所述方法可由图像处理电路280(下文参考图5说明)实施。应了解，每一像素均具有代表所述像素处所接收光的量的值。尽管代表来自所述像素的读出信号，但所述值是所述读出模拟信号的数字化表示。在下述说明内容中将这些值表示为P(像素)，其中″P″是所述值，而″(像素)″是图2A或2B所示的像素编号。仅出于解释的目的，参考图2A所示的核心101a与目标像素32a来描述方法200。
首先，在步骤201处，识别正处理的目标像素32a。接着，在步骤202处，选择/识别与目标像素32a相关联的核心101a。在选择相关联核心101a后，在步骤203处，将所述中央(经处理)像素32a的值P(像素)与核心101a内每一相邻像素10、12、14、30、34、50、52、54的值P(像素)的差与阈值TH相比。例如，可以使用电流增益设定的噪声等级或使用其他适当方法预先选择所述阈值TH。在所示范例中，在步骤203处，选择值P(像素)的差小于或等于阈值TH的相邻像素。仅出于例示性目的，若目标像素32a是红色像素，则所述值可以是红色值。
接着，在步骤204处，将位于目标像素32a周围的核心像素的每一者(其在步骤203中选择)的值P(像素)添加到目标像素32a的对应值，并计算平均值A(像素)。例如，对于目标像素32a，若在步骤203中选择所有八个相邻像素，则计算平均值A32＝(P10+P12+P14+P30+P32a+P34+P50+P52+P54)/9。在步骤205处，用经计算值A(像素)(其在此实例中是A32)取代原始目标像素值P32a。
本文所述方法可以在处理每一像素信号时在每一像素信号上实施。在对像素值除噪时，可以使用先前已除噪像素的值来对其他像素值除噪。因此，当使用本文所述方法与先前已除噪像素的值来对其他像素除噪时，以部分递归方式实施所述方法及设备(使用来自先前经除噪像素的值来对像素除噪)。然而，本发明并不限于此实施方案，且可以完全递归(使用来自其他经除噪像素的值对像素除噪)或非递归方式(不使用经除噪像素对后续像素除噪)来实施。
如上所述，上述方法200还可以实施并实现于目标像素32b与相关联图像校正核心101b上。例如，在步骤202中选择/识别核心101b。在为目标像素32b选择相关联核心101b后，在步骤203中，将位于目标像素32b周围的核心101b中的相邻像素12、21、23、30、34、41、43、52的每一者与目标像素32b的值之间的差与阈值TH相比。如上所述，针对对应于核心101b的像素来实施剩余步骤204、205。
上述实施例可能未提供充分降噪以移除寄生噪声(即大于6个标准偏差的噪声)。因此，在实施时，较佳的是在已通过会移除寄生噪声的滤波器来处理图像数据后使用本发明。
本发明不限于上述实施例。例如，可以将具体化所述方法的程序存储于载体媒体(其可以包括RAM、软盘、数据传输、光盘等)上，且然后由相关联处理器来执行。例如，可以将本发明作为现有软件应用程序的插件来实施，或可以将其独立使用。本发明并不限于本文所指定的载体媒体，且可以使用此项技术中已知的任何载体媒体来实施本发明。
图5图解说明具有例示性CMOS像素阵列240的例示性成像装置300。行驱动器245响应于行地址解码器255来选择性地激活阵列240的行线。成像装置300内还包含列驱动器260与列地址解码器270。成像装置300由时序与控制电路250操作，所述时序与控制电路控制地址解码器255、270。控制电路250还控制行与列驱动器电路245、260。
与行驱动器260相关联的取样及保持电路261针对阵列240的所选像素读取像素重设信号Vrst与像素图像信号Vsig。针对每一像素，由差动放大器262产生差动信号(Vrst-Vsig)，并由模拟-数字转换器275(ADC)对其进行数字化。模拟-数字转换器275将经数字化的像素信号供应至图像处理器280，图像处理器280形成且可输出数字图像。图像处理器280运行能够对来自像素阵列240的数字化信号执行方法200(图4)的程序。或者，可以通过位于放大器262与ADC 275之间的硬线电路来对像素阵列的模拟输出进行处理。
可以将例示性噪声滤波器分别应用于拜耳、红/绿/蓝(RGB)、青/深红/黄/关键色(CMYK)、亮度/色度(YUV)或其他色彩空间内的每一色彩。本发明设定噪声振幅阈值(TH)，其可以是可能已应用于放大原始信号的模拟及数字增益的函数。仅振幅离差低于噪声振幅阈值(TH)的(平均最大与最小值之间的差)的噪声将被平均及降低。因此，具有低于所述阈值的信号的边缘将会得到平均且被模糊。本发明通过将中央目标像素与产生小于或等于设定阈值的信号差的其所有类似色彩相邻像素进行平均来处理所述中央目标像素，从而达到此目的。
图6显示系统1100，其修改成包含本发明的成像装置300(图5)的典型处理器系统。系统1100是具有可包含图像传感器装置的数字电路的系统实例。此系统可包含计算机系统、静态或视频相机系统、扫描器、机器视觉、视频电话及自动聚焦系统或其他成像器系统，但并非限制性。
系统1100(例如相机系统)一般包括中央处理单元(CPU)1102(例如微处理器)，其通过总线1104与输入/输出(I/O装置1106进行通信。成像装置300还通过总线1104与CPU 1102进行通信。基于处理器的系统1100还包含随机存取存储器(RAM)1110，并可包含可移式存储器1115(例如快闪存储器)，所述存储器还通过总线1104与CPU1102进行通信。可将成像装置300与处理器(例如CPU、数字信号处理器或微处理器)(具有或不具有存储器存储装置)组合于单个集成电路上或不同于所述处理器的芯片上。
尽管已结合当时已知的例示性实施例详细说明本发明，但应易于了解，本发明不限于此类所揭示实施例。而是，可以修改本发明以并入此前未描述但与本发明的精神与范围相一致的任何数目的变更、变化、替代或等效配置。例如，可以将所述方法用于除所述拜耳图案外的其他图案中的像素，且将相应调整所述校正核心。此外，本发明不限于本发明所使用的成像器装置类型。因而，不应将本发明视为受前述说明的限制，而仅受随附权利要求书的范围限制。

Claims (30)

1.一种降低图像内的噪声的方法，其包括以下步骤：
获得目标像素的第一值；
获得围绕所述目标像素并与所述目标像素具有相同色彩的每一相邻像素的相应第二值；
针对每一相邻像素，将所述第一值与所述第二值之间的差与定义的阈值相比较，所述定义的阈值被设置为应用于放大图像内像素信号的模拟或数字增益的函数；及用平均值取代所述第一值，所述平均值是从所述第一值与来自所述相邻像素且基于所述比较步骤的结果具有在所述定义的阈值内的相关联差的所有第二值获得，其中以递归方式实施所述获得、比较、取代步骤，其中所述递归方式包括使用来自经除噪像素的值来对其它像素值进行除噪。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述第一值是红色、绿色或蓝色图像信号值中的一者。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述第二值是与所述第一值相同类型的红色、绿色或蓝色信号值。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述第一值是亮度或色度图像信号值中的一者。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述第二值是与所述第一值相同类型的亮度或色度值。
6.一种降低图像内的噪声的方法，其包括以下步骤：
选择围绕被识别为目标像素的一组像素；
针对所述组的所述围绕像素的每一者，计算所述目标像素值与所述围绕像素值之间的相应差值；
针对所述组的所述围绕像素的每一者，确定所述相应差值是否在预定阈值内，所述预定阈值被设置为应用于放大图像内像素信号的模拟或数字增益的函数；及
将平均值替代为所述目标像素的值，其中所述平均值从所述目标像素值和所述组中具有所述预定阈值内的相应差值的每个围绕像素的值获得，
其中以递归方式实施所述计算、确定、替代步骤，其中所述递归方式包括使用来自经除噪像素的值来对其它像素值进行除噪。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述目标像素值是红色、绿色或蓝色图像信号值中的一者。
8.如权利要求7所述的方法，其中用于确定所述平均值的所述组的所述围绕像素值是具有与所述目标像素值相同类型的红色、绿色或蓝色信号值的像素值。
9.如权利要求6所述的方法，其中所述目标像素值是亮度或色度图像信号值的中一者。
10.如权利要求9所述的方法，其中用于确定所述平均值的所述组的所述围绕像素值是具有与所述目标像素值相同类型的亮度或色度值的像素值。
11.一种成像装置，其包括：
像素阵列，其包括多个像素，每一像素输出代表所接收光的量的信号；及
像素除噪电路，其用于对至少一个经识别像素值除噪，
其中所述像素除噪电路经配置以执行以下步骤：
获得目标像素的第一值；
获得围绕所述目标像素并与所述目标像素具有相同色彩的每一相邻像素的相应第二值；
针对每一相邻像素，将所述第一值与所述第二值之间的差与定义的阈值相比较，所述定义的阈值被设置为应用于放大图像内像素信号的模拟或数字增益的函数；及
用平均值取代所述第一值，所述平均值是从所述第一值与来自所述相邻像素且基于所述比较步骤的结果具有在所述定义的阈值内的相关联差的所有第二值获得，
其中以递归方式实施所述获得、比较、取代步骤，其中所述递归方式包括使用来自经除噪像素的值来对其它像素值进行除噪。
12.如权利要求11所述的成像装置，其中所述第一值是红色、绿色或蓝色图像信号值中的一者。
13.如权利要求12所述的成像装置，其中所述第二值是与所述第一值相同类型的红色、绿色或蓝色信号值。
14.如权利要求11所述的成像装置，其中所述第一值是亮度或色度图像信号值中的一者。
15.如权利要求14所述的成像装置，其中所述第二值是与所述第一值相同类型的亮度或色度值。
16.一种成像装置，其包括：
像素阵列，其包括多个像素，每一像素输出代表所接收光的量的信号；及
像素除噪电路，其用于对至少一个经识别像素值除噪，
其中所述像素除噪电路经配置以执行以下步骤：
选择围绕被识别为目标像素的一组像素；
针对所述组的所述围绕像素的每一者，计算所述目标像素值与所述围绕像素值之间的相应差值；
针对所述组的所述围绕像素的每一者，确定所述相应差值是否在预定阈值内，所述预定阈值被设置为应用于放大图像内像素信号的模拟或数字增益的函数；及
将平均值替代为所述目标像素的值，其中所述平均值从所述目标像素值和所述组中具有所述预定阈值内的相应差值的每个围绕像素的值获得，
其中以递归方式实施所述计算、确定、替代步骤，其中所述递归方式包括使用来自经除噪像素的值来对其它像素值进行除噪。
17.如权利要求16所述的成像装置，其中所述目标像素值是红色、绿色或蓝色图像信号值中的一者。
18.如权利要求17所述的成像装置，其中用于确定所述平均值的所述组的所述围绕像素值是具有与所述目标像素值相同类型的红色、绿色或蓝色信号值的像素值。
19.如权利要求16所述的成像装置，其中所述目标像素值是亮度或色度图像信号值中的一者。
20.如权利要求19所述的成像装置，其中用于确定所述平均值的所述组的所述围绕像素值是具有与所述目标像素值相同类型的亮度或色度值的像素集值。
21.一种用于降低图像内的噪声的处理装置，其包括：
获得目标像素的第一值的装置；
获得围绕所述目标像素并与所述目标像素具有相同色彩的每一相邻像素的相应第二值的装置；
针对每一相邻像素，将所述第一值与所述第二值之间的差与定义的阈值相比较的装置，所述定义的阈值被设置为应用于放大图像内像素信号的模拟或数字增益的函数；及
用平均值取代所述第一值的装置，所述平均值是从所述第一值与来自所述相邻像素且基于所述比较步骤的结果具有在所述定义的阈值内的相关联差的所有第二值获得，
其中以递归方式实施所述获得、比较、取代步骤，其中所述递归方式包括使用来自经除噪像素的值来对其它像素值进行除噪。
22.如权利要求21所述的处理装置，其中所述第一值是红色、绿色或蓝色图像信号值中的一者。
23.如权利要求22所述的处理装置，其中所述第二值是与所述第一值相同类型的红色、绿色或蓝色信号值。
24.如权利要求21所述的处理装置，其中所述第一值是亮度或色度图像信号值中的一者。
25.如权利要求24所述的处理装置，其中所述第二值是与所述第一值相同类型的亮度或色度值。
26.一种降低图像内的噪声的处理装置，其包括：
选择围绕被识别为目标像素的一组像素的装置；
针对所述组的所述围绕像素的每一者，计算所述目标像素值与所述围绕像素值之间的相应差值的装置；
针对所述组的所述围绕像素的每一者，确定所述相应差值是否在预定阈值内的装置，所述预定阈值被设置为应用于放大图像内像素信号的模拟或数字增益的函数；及
将平均值替代为所述目标像素的值的装置，其中所述平均值从所述目标像素值和所述组中具有所述预定阈值内的相应差值的每个围绕像素的值获得，
其中以递归方式实施所述计算、确定、替代步骤，其中所述递归方式包括使用来自经除噪像素的值来对其它像素值进行除噪。
27.如权利要求26所述的处理装置，其中所述目标像素值是红色、绿色或蓝色图像信号值中的一者。
28.如权利要求27所述的处理装置，其中用于确定所述平均值的所述组的所述围绕像素值是具有与所述目标像素值相同类型的红色、绿色或蓝色信号值的像素值。
29.如权利要求26所述的处理装置，其中所述目标像素值是亮度或色度图像信号值中的一者。
30.如权利要求29所述的处理装置，其中用于确定所述平均值的所述组的所述围绕像素值是具有与所述目标像素值相同类型的亮度或色度值的像素值。
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