专利名称：影像撷取装置中压缩数据的方法
技术领域：
本发明涉及一种影像撷取装置中压缩数据的方法，尤其涉及一种压缩由数字相机的电荷耦合元件阵列(CCD array)所获得的数据的方法。
在现在的影像系统中，数位影像系统已经被广泛使用，例如数字相机。此外，随着可携式设备的体积日益缩小的趋势，必须要尽量降低数位影像系统所使用的元件数目，也因此数位影像系统中可用的资源的越来越少。而影像撷取装置在影像系统中是极为重要的基础元件，特别是电荷耦合元件(CCDCharge CoupledDevice)阵列，是广泛使用的影像系统中，以作为影像撷取装置，以此种影像撷取装置所获得的信号都是属于RGB格式的信号。而上述的CCD元件可以使用互补型金属氧化物晶体管感测器(CMOS sensor)来取代。
在
图1中的电荷耦合元件阵列2中，每一个图素在一个时间只感光一个原色，如图1所示，在电荷耦合元件阵列2中有很多个图素，而其中每个字母G、B与R分别是代表绿色蓝色以及红色。因为最后所获得的图中的每一个图素需要三种原色，而且电荷耦合元件阵列2中的每一个图素只能获取一种原色，所以由电荷耦合元件阵列2所获得的原色并不足以用来重建原来的图。所以为了要获得另外两种原色，就必须加以插补(interpolation)处理，以计算得到每一个图素的其他两种原色。
每一个图素所获得的原色的座标是其相邻图素所获得同一原色的座标的平均值。例如，图素G22的绿色座标值是由电荷耦合元件阵列2中的图素G22所直接获得的座标值，而其红色座标值则是取其相邻图素的红色座标的平均值，也就是(R21+R23)/2。同理，其蓝色座标值则是取其相邻图素的蓝色座标的平均值，也就是(B32+B12)/2。在经过上述的颜色插补步骤之后，第一个图素的所有的原色(RGB)都已经获得，而且上述步骤所获得的数据是属于RGB的格式，故可以用三种原色的座标值来重建电荷耦合元件阵列2所捕获的影像，也就是说，用上述步骤所获得的这三种原色的座标，可以用来重建影像。
电荷耦合元件阵列2所获得的原始数据是属于RGB格式，但是，要将此原始数据转换到YCrCb格式，因为只有YCrCb格式的数据才能转换成流行的JPEG格式。在上述的YCrCb格式中，Y代表的是一个图素的亮度(Luminance)，而Cr与Cb所代表的是一个图素的色差(chrominance)。一般而言，由电荷耦合元件阵列2所获得的原始数据是数据量为330K字元(bytes)的RGB格式的数据，而且插补步骤之前，每个图素只有一个原色值(value)，经过插补步骤之后，每一个图素都增加了另外两个原色值，所以经过插补步骤之后的数据量则增加到990K字元。由于电荷耦合元件阵列2所获得的大量原始数据，就使用一个包含正向离散余弦转换、量化以及编码步骤的数字信号处理步骤(Digital Signal Process)，将所获得的数据压缩，并且转换成JPEG格式。
在传统的影像系统中，参考图2，影像撷取装置(CCD阵列)依据步骤6“产生一电子信号”捕捉住影像，用来处理影像撷取装置所获得的影像的步骤，如图2所示。步骤7“将该电子信号由模拟格式转换到数字格式”将影像撷取装置所获得的影像由模拟格式转换为数字格式，而影像撷取装置(CCD阵列)撷取到的影像在每一个图素中即是三原色中的一个原色值，如图1所示，然后下一个步骤如图2所示，是将所获得的影像储存到线性缓冲器存储器(line buffer)中。
在步骤11”储存影像到线性缓冲器存储器”之后，为了要重建影像，必须要使用上述的插补步骤来获得每一个图素的其他两个原色。所以接着进行下一个步骤，步骤12“颜色插补”以进行上述的颜色插补的运算。影像撷取装置(CCD阵列)所获得的原始数据是属于RGB格式，但是广泛用于影像处理的标准JPEG，其所需的原始数据格式为YCrCb。为了要适合于现存一般转换成JPEG格式的工具，所以传统的影像系统中的元件必须要在把数据转换成JPEG格式之前，将RGB格式转换成YCrCb格式。
然后步骤13“由RGB转换成为YCrCb”将原始数据由RGB格式转换成YCrCb格式，在步骤13之后RGB格式的三个原色的影像被转换成YCrCb格式的影像。参考图2，RGB格式的三个原色的影像经过上述的数位影像处理步骤之后，YCrCb的影像就被转换成JPEG的影像。将一个影像由YCrCb的转换成JPEG格式的数位影像处理步骤包含于图2中，在YCrCb格式中的每一个影像被切成8个图素乘以8个图素的方块，如图2所示，Y座标中的方块、Cr座标中的方块以及Cb座标中的方块经过步骤16“正向离散余弦转换”(forward discrete Fouriertransform)处理之后，每一个影像中的YCrCb座标的图素值，被一个具有不同频率的余弦函数的系数所形成的数列所取代。
因为8个图素乘以8个图素的方块中系数个数是64个，而且上述的系数都是浮点数(floating point number)，所以方块中的每一个图素位置上的系数，必须要用一个量化表中相对位置的数目来除，并且将所获得的数目以高斯函数(Gaussian function)归一化(normalize)，以将方块中的每一个系数化约成整数。所以下一个步骤-步骤17“量化”将转换之后的影像方块经过上述步骤量化，因为经过上述高斯函数处理之后，经过步骤16转换的影像方块中的每一个系数都变成整数。而经常用的量化表都是用不同的影像经过大量影像测试之后所获得的，显示于图3A与图3B中。
图3A中的量化表是典型的用来将亮度(Luminance)座标转换成JPEG格式的量化表，图3B中的量化表是典型的用来将色差(chrominance)座标转换成JPEG格式的量化表。参考图2，上述的正向离散余弦转换是一种复立叶转换(Fouriertransform)。在转换之后的影像经过量化表处理之后，下一个步骤-步骤19“编码步骤”将被量化之后的方块中每个图素值编码，所以可以获得JPEG影像，并且数据量也被压缩。如果所获得的影像要在主机中处理，下一个步骤是要加经过编码之后的数据传送到主机内。然扣步骤20“送至主机”将经过编码的数据传送到主机，以进行其他的影像处理或是将所获得的影像印出来。
JPEG格式有高压缩率以及低失真率，所以是一种广泛运用的标准，特别是用于处理自然影像，也就是说连续色调的影像，JPEG格式是最为适用的。在传统的数字相机中，所获得的RGB格式之原始影像，是以一个插补步骤将每一个图素的单一原色值值再加上运算所得的另外两个原色值，以获得RGB三个原色值。接着在数字相机中进行的步骤是将原始数据的格式由RGB转换成YCrCb格式，并接着再转换成JPEG格式，所以数字相机所获得的影像可以被主机中接着的步骤直接处理，并且也可以被打印出来，端视主机的程序功能而定。
在传统数字相机进行的步骤中，颜色插补步骤增加了大量的数据，并且将RGB格式转换成YCrCb格式的运算也增加了数字相机内集成电路的复杂度。因为要进行颜色插补与数据格式的转换，所以硬件的设计将会变得越来越困难，操作电流无法下降与晶片体积无法缩小的缺点。除此之外，数字相机内的大量数据会导致对大量存储器的需求，所以更导致数字相机体积无法下降。在可携式电子元件的趋势下，将可携式电子元件内的处理步骤简化有其必要性，而且降低数字相机内元件的耗电程度也是相当重要。
本发明的目的在于提供一种影像撷取装置中压缩数据的方法，以减少由于颜色插补步骤所产生的数据量，从而降低数字相机所需求的存储器，同时降低数字相机的体积，并且可以不用进行颜色插补运算和格式转换运算，进而降低运算所需的硬件电路的体积，同时降低操作电流，增加可携式电子设备的电源使用效率。
根据以上所述的发明目的，本发明提供了一种影像撷取装置中压缩数据的方法，该数据代表一影像撷取的影像，其特征在于，该方法至少包含转换该影像至一电子信号；数字化该电子信号以形成该电子信号的一数字格式，该数字化后的电子信号至少包含复数个数位，该数字化后的电子信号是属于三原色格式；区分该复数个数位成为复数个数据群，该复数个数据群中的每一个数据群对应于该三原色格式中的每一原色；以及转换该复数个数据群由该三原色格式转换至一JPEG格式。
本发明还提供了一种影像撷取装置中压缩数据的方法，该数据代表一影像撷取装置所撷取的影像，其特征在于，该方法至少包含转换该影像至一电子信号；数字化该电子信号以形成该电子信号的一数字格式，该数字化后的电子信号至少包含复数个数位，该数字化后的电子信号是属于三原色格式；区分该复数个数位成为复数个数据群，该复数个数据群中的每一个数据群对应于该三原色格式中的每一原色；产生复数个系数数据群，该复数个系数数据群以一正向离散余弦转换对该复数个数据群转换而产生；将该复数个系数数据群除以一量化表，以产生复数个量化数据群；以及将该复数个量化数据群编码，以产生复数个编码数据群，直到该复数个数据群完全被该数字信号处理步骤所处理，该复数个编码数据群系属于该JPEG格式。
本发明再提供了一种影像撷取装置中压缩数据的方法，该数据代表一电荷耦合装置阵列所撷取的影像，其特征在于，该方法至少包含转换该影像至一电子信号；数字化该电子信号以形成该电子信号的一数字格式，该数字化后的电子信号至少包含复数个数位，该数字化后的电子信号是属于三原色格式；区分该复数个数位成为复数个数据群，该复数个数据群中的每一个数据群对应于该三原色格式中的每一原色；产生复数个系数数据群，该复数个系数数据群系以一正向离散余弦转换对该复数个数据群转换而产生；将该复数个系数数据群除以一量化表，以产生复数个量化数据群；以及将该复数个量化数据编码，以产生复数个编码数据群，直到该复数个数据群完全该数字信号处理步骤所处理，该复数个编码数据群系属于该JPEG格式。
由于采用了上述的技术解决方案，减少了由于颜色插补步骤所产生的数据量，从而降低数字相机所需求的存储器，同时降低数字相机的体积，并且可以不用进行颜色插补运算和格式转换运算，进而降低运算所需的硬件电路的体积，同时降低操作电流，增加可携式电子设备的电源使用效率。
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是电荷耦合阵列(CCD array)上每一个图素(pixel)所定义的原色。
图2是传统数据压缩技术，使用于将电荷耦合阵列所获得的数据时的各个步骤。
图3A是用来将YCrCb格式中的亮度(Luminance)转换成为JPEG格式时所用的量化表。
图3B是用来将YCrCb格式中的色差(chrominance)转换成为JPEG格式时所用的量化表。
图4是依据本发明，将由电荷耦合元件阵列所获得的影像做数据压缩的方法。
图5是将本发明所获得的影像数据依据本发明的较佳实施例所提供的方法，分成三原色的影像。
图6是将所获得的影像数据，在三原色分开之后，所得的每一个图素都是绿原色的影像。
图7是将所获得的影像数据，依据三原色分开之后，所得的每一个图素都是蓝原色的影像。
图8是将所获得的影像数据，依据三原色分开之后，所得的每一个图素都是红原色的影像。
因为传统的数位影像系统，例如数字相机，使用过多的数据，本发明提供一种压缩影像撷取装置所获得的数据的方法，其中上述的影像撷取装置可以是一个电荷耦合元件阵列(CCD array)、一个CMOS阵列以及任何可以将影像转换成为电子信号的元件阵列，根据本发明的较佳实施例中的压缩影像撷取装置所获得的数据的方法如所述。
如图4所示，根据本发明的较佳实施例的方法，步骤21“产生一电子信号”将影像转换成一电子信号，其中的电子信号是属于模拟格式。一般而言，步骤21是由一个上述的影像撷取装置所执行。下一个步骤，步骤22“将该电子信号由模拟格式转换成为数字格式”则是将上述电子信号转换至数字格式，所以此时被数字化之后的电子信号是代表影像撷取装置所获得的原始数据，而此时由影像撷取装置所获得的原始数据是属于RGB格式的影像，步骤22通常是由模拟至数位转换器所进行。接着被数字化之后的电子信号是由步骤23”数字信号处理步骤”所处理，以将数字化之后的电子信号由RGB格式转换成JPEG格式。当然，本发明的较佳实施例中的JPEG格式可以由其他任何适用于主机中的程序所处理格式。
依据本发明的较佳实施例中的步骤23“数字信号处理步骤”包含下列类似传统技术中的步骤16“正向离散余弦转换”、步骤17“量化”以及步骤19“编码步骤”的各个步骤。首先，步骤23a“正向离散余弦转换”处理数字格式的原始数据。相同的，由影像撷取装置所获得的RGB格式的原始数据被分成8个图素乘以8个图素的影像方块，类似于图2中所显示的Y数据群、Cr数据群以及Cb数据群，在本发明中是根据不同原色，将各种原色的影像划分出各个数据群，在本发明的较佳实施例中，被转换成一个具有不同频率的余弦函数的系数所形成的数列。所以每一个RGB坐标的影像的数据都被取代成一个具有不同频率的余弦函数的系数所形成的数列。
接着步骤23b“量化”将这些系数中的每一个，除以一个量化表中的相对位置的数目，并且将这一个经过除完之后的数目以高斯函数归一化。步骤23b“量化”就是在将这个经过正向离散余弦转换之后的影像方块量化，所以被转换之后的影像方块中，每一个系数都会被高斯函数所处理，故所形成的8×8的数据群都是由整数所组成。上述的量化表可以与传统形成量化表相同的原则，使用大量的测试影像经过影像测试而获得。依据本发明的较佳实施例的量化表是用来将经过转换之后的影像方块由RGB格式转换到JPEG格式，而上述的正向离散余弦转换是一种复立叶转换。
在被转换之后的影像经过量化表量化之后，下一个步骤是步骤23c“编码步骤”，以将经过量化之后的影像加以编码。接着是步骤23d“储存编码数据于存储器中”，把经过编码之后的数据储存在存储器中，所以RGB座标的影像方块就被转换成JPEG的格式，并且储存到影像系统中的存储器中。为了要将所撷取影像的每一个影像方块转换成JPEG格式，步骤24“所有影像方块都被处理？”判断所有RGB格式的撷取影像的影像方块是否都已经被转换成JPEG格式。若有撷取影像的影像方块尚未被转换成JPEG格式，就回到步骤23，直到所有的影像方块都被转换成JPEG格式为止，然后这个影像装置中的影像处理步骤就至此完成。若有需要再进一步处理或是将所撷取的影像打印出来，如步骤26“传送到主机”，然后转换成JPEG格式的所撷取影像就会被传送到主机，以进行进一步的处理。
所撷取的影像经过转换成为JPEG格式，送入主机之后，就可以进行其后续的处理，例如影像处理或是打印所撷取的影像，端视位于主机中的程序的设定。在上述主机内的程序中，若有需要，可以将颜色插补步骤加入主机内的程序中，以产生每一个图素的另外两种原色值，其产生的方法与先前技术中的颜色插补步骤相同。用来处理数据群的数字信号处理步骤可以交换地处理不同原色的数据群，也可以处理一个原色的数据群之后，再处理另一个原色的数据群。换句话说，红色数据群、绿色数据群以及蓝色数据群由步骤23a所连续处理，直到所有数据群都处理完为止。
已知技术中的编码步骤可以被使用在本发明的较佳实施例的方法中的步骤23c，以压缩所撷取影像的数据量。前述的编码步骤可以是霍夫曼编码(Huffmanencoding)以及算数编码(arithmetic encoding)以及其他可以用来压缩数据的编码方法。在使用本发明的较佳实施例的方法的数字相机中，所获得的影像是没有经过颜色插补步骤所处理的原始数据。在数字相机中的后续步骤，是要将原始数据转换到JPEG格式。所以此时的数据就适合后续要在主机中进行的步骤，例如解压缩。
除此之外，在已知技术中的编码步骤也可以加在依据本发明的较佳实施例的方法的步骤23、24以及26之间，以进一步增加压缩率。例如霍夫曼编码(Huffmanencoding)以及算数编码(arithmetic encoding)以及其他可以用来压缩数据的编码方法都可以使用，进一步压缩的数据可以被储存在数字相机的内部，并且会被送至主机，以进行解压所等步骤(因是属于主机内的使用者程序所设定，故未图示)，经过上述处理之后，就可以产生原来的影像。
因为本发明的较佳实施例所使用的方法中，都是不使用颜色插补的方法，所以在影像装置(数字相机)中所要处理的数据量就得以大量降低。此外数字化之后的电子信号是直接由RGB格式转换成为JPEG的格式，所以在使用本发明的较佳实施例的影像装置中，并没有将RGB格式转换成为YCrCb的格式。由上述可知，使用本发明的较佳实施例的影像装置中使用的硬件的电路设计将会因此而大为简化。例如当所获得的RGB格式的数据具有330千数位时，将其经过颜色差补之后，所获得的YCrCb422格式的数据将会增加至660千数位，所以可见本发明先天就具有处理数据量较传统方式少的优点。
就上述本发明所处理数据量较少的特性而言，可以下述例子说明。若所获得的影像数据的原色座标值如图1所示，其中每一个图素只具有一种原色座标值。观察图1可知道所获得的影像数据具有三种原色的数据群，分别是绿原色数据群、蓝原色数据群以及红原色数据群。若图1中的图素个数是640×480个，则本发明是直接对此获得的图素，依照每一图素的原色，将相同原色的图素归纳成为同一个数据群，所以图1中的图素一共可以分成绿原色数据群、蓝原色数据群以及红原色数据群。参考图5，本发明的方法先将所获得的影像数据50分成三个原色的数据群，绿原色数据群G、蓝原色数据群B以及红原色数据群R，本发明的方法即是分别对这三种原色数据群作处理。
由图1所获得的图素中所取出的绿色数据群，其数据量为图1数据量的二分之一，而由其中所获得的绿色数据群内容如图6所示。另，由图1所获得的图素中所取出的蓝色数据群，其数据量为图1数据量的四分之一，而由其中所获得的蓝色数据群内容如图7所示。而由图1所获得的图素中所取出的红色数据群，其数据量为图1数据量的四分之一，由其中所获得红色数据群内容如图8所示。由上所述，可知本发明的方法，在进行JPEG压缩前，所需处理的数据量就比传统YCrCb422者少了一半，可见本发明确实具有处理数据量较传统方式少的优点。
甚至，在本发明的方法中，因为要进行处理并且储存在存储器中的数据量大量减少，所以要内建在影像系统内的存储器数量将会大量减少。在使用本发明的较佳实施例的数字相机中，不会用到颜色插补步骤，也不用将RGB格式的信号转换成为YCrCb格式的信号。所以数字相机的电路得以大大的简化，并且数字相机内的存储器也得以减少。此外，因为运算减少，所以数字相机的大小也因为集成电路的大小被缩小而得以缩小，而且操作电流因此被降低。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用以限定本发明的申请专利范围，凡其它未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，例如使用不同的影像撷取装置或是不同的编码步骤的数字相机，只要是在数字相机中不用颜色插补，而直接把RGB格式影像转换成JPEG格式者，均应包含在所述的申请专利范围内。
权利要求
1.一种影像撷取装置中压缩数据的方法，该数据代表一影像撷取的影像，其特征在于，该方法至少包含转换该影像至一电子信号；数字化该电子信号以形成该电子信号的一数字格式，该数字化后的电子信号至少包含复数个数位，该数字化后的电子信号是属于三原色格式；区分该复数个数位成为复数个数据群，该复数个数据群中的每一个数据群对应于该三原色格式中的每一原色；以及转换该复数个数据群由该三原色格式转换至一JPEG格式。
2.如权利要求1所述的影像撷取装置中压缩数据的方法，其特征在于，所述的影像撷取装置可以是一电荷耦合装置阵列，也可以是一互补式金属氧化物半导体阵列。
3.如权利要求1所述的影像撷取装置中压缩数据的方法，其特征在于，所述的三原色格式至少包含一红色座标、一绿色座标以及一蓝色座标。
4.如权利要求1所述的影像撷取装置中压缩数据的方法，其特征在于，所述的复数个数据群依据一数字信号处理步骤，以由该三原色格式转换成该JPEG格式，该数字信号处理步骤至少包含产生复数个系数数据群，该复数个系数数据群以一正向离散余弦转换对该复数个数据群转换而产生；将该复数个系数数据群除以一量化表，以产生复数个量化数据群；以及将该复数个量化数据群编码，以产生复数个编码数据群，直到该复数个数据群完全被该数字信号处理步骤所处理，该复数个编码数据群属于该JPEG格式。
5.如权利要求4所述的影像撷取装置中压缩数据的方法，其特征在于，所述的数字信号处理步骤更包含储存该复数个量化数据群，直到该复数个数据群完全被该数字信号处理步骤所处理。
6.一种影像撷取装置中压缩数据的方法，该数据代表一影像撷取装置所撷取的影像，其特征在于，该方法至少包含转换该影像至一电子信号；数字化该电子信号以形成该电子信号的一数字格式，该数字化后的电子信号至少包含复数个数位，该数字化后的电子信号是属于三原色格式；区分该复数个数位成为复数个数据群，该复数个数据群中的每一个数据群对应于该三原色格式中的每一原色；产生复数个系数数据群，该复数个系数数据群以一正向离散余弦转换对该复数个数据群转换而产生；将该复数个系数数据群除以一量化表，以产生复数个量化数据群；以及将该复数个量化数据群编码，以产生复数个编码数据群，直到该复数个数据群完全被该数字信号处理步骤所处理，该复数个编码数据群系属于该JPEG格式。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的影像撷取装置可以是一电荷耦合装置阵列，也可以是一互补式金属氧化物半导体阵列。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的三原色格式至少包含一红色座标、一绿色座标以及一蓝色座标。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的数字信号处理步骤更包含储存该复数个量化数据群，直到该复数个数据群完全被该量化表所除过。
10.一种影像撷取装置中压缩数据的方法，该数据代表一电荷耦合装置阵列所撷取的影像，其特征在于，该方法至少包含转换该影像至一电子信号；数字化该电子信号以形成该电子信号的一数字格式，该数字化后的电子信号至少包含复数个数位，该数字化后的电子信号是属于三原色格式；区分该复数个数位成为复数个数据群，该复数个数据群中的每一个数据群对应于该三原色格式中的每一原色；产生复数个系数数据群，该复数个系数数据群系以一正向离散余弦转换对该复数个数据群转换而产生；将该复数个系数数据群除以一量化表，以产生复数个量化数据群；以及将该复数个量化数据群编码，以产生复数个编码数据群，直到该复数个数据群完全该数字信号处理步骤所处理，该复数个编码数据群系属于该JPEG格式。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述的三原色格式至少包含一红色座标、一绿色座标以及一蓝色座标。
12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述的数字信号处理步骤更包含该复数个量化数据群，直到该复数个数据群完全被该量化表所除过。
全文摘要
一种影像撷取装置中压缩数据的方法,此数据是由影像撷取装置所撷取的影像,此方法包含下列步骤:首先转换此影像至一电子信号,接着将此电子信号数字化以形成此电子信号的数字格式;数字化后的电子信号包含复数个数位,此数字化后的电子信号是属于三原色格式;然后区分此复数个数位成为复数个数据群,此复数个数据群中的每一个数据群即是一原色所有数据,而且此复数个数据群是属于三原色格式;最后将此复数个数据群以JPEG格式加以压缩编码。
文档编号H04N1/41GK1249606SQ9812076
公开日2000年4月5日 申请日期1998年9月25日 优先权日1998年9月25日
发明者洪嘉成, 曾煌棋 申请人:力捷电脑股份有限公司