數位老照片的風華再現技術
文/廖弘源研究員(資訊科學研究所)
2006年2月22日我曾在中研院「知識饗宴」系列給一個演講，題目是「多媒體的繽紛世界」。當時我將1995年到2005年約十年期間所完成，並且較有趣的研究成果，以「科普」的方式呈現給一般聽眾。記得演講當日的聽眾從八歲到八十歲都有。這件事讓我謹記於心，對研究歷程的點點滴滴也更注意的去記錄，冀望在十年後(2016年)能再完成一篇科普的文章。這次，應週報的邀請，我打算談一談最近的研發成果—「應用版調調整技術再現數位老照片風華」。講到這個技術，不得不談談一個優秀的助理—蕭敦育先生。
敦育畢業於國立臺灣大學電機系及電機研究所碩士班。服役之前曾有意來我實驗室服國防役。我看了一下他的履歷，認為他很優秀，家境也可以，因此鼓勵他出國深造。臺灣這幾年出國深造人數變少，有許多優秀的年輕人直接進入最賺錢的行業，願意從事基礎研究工作的人少之又少。見到這麼優秀的人才，本應留下來壯大實驗室的實力，但良心告訴自己不能這麼做。我深知敦育如果出國留學，才有機會見到外面的世界，也才更有機會成為頂尖的科學家。敦育服完兵役後，時間上剛好離出國深造尚有一段時間。於是到實驗室當專任研究助理。我於2006年4月間接任「數位典藏國家型科技計畫」下「技術研發分項」主持人，負責為所蒐集各式各樣的多媒體資料發展或找尋更先進的儲存、註解，以及搜尋的技術。其中，數位化後的老照片常因照片年代久遠，再加上當年照相器材品質不佳，數位化後的效果非常差，更糟糕的是，這些老照片是無法重拍的。基於這個原因，實驗室的同仁想到兩個補救的方式。第一：利用版調調整(tone reproduction)的方式將照片中對比(contrast)較差的部份重製；第二：利用影像修補 (image inpainting)技術修補照片中損壞的部份。敦育是訊號處理出身，因此從版調調整技術下手。當時，我告訴他一件事：「忘掉自己是臺大電機系畢業的」。原因是實驗室的組成份子各式各樣的人都有，他們也許理解力沒有敦育好，但經過幾年的磨練，對研究議題的掌握及如何切入都有不錯的進步。敦育如果揹著第一志願的學生一定要完成一流成果的包袱，那實在太沈重。另外，我告訴他：「謙虛、堅毅不拔、隨時保持好奇心才是科學家應有的態度」。敦育一點也沒有令我失望。他謙虛而且剛毅，力求完美的個性令人激賞。原本就有良好的基礎，再加上努力，使得我們實驗室很快就有成果。
圖一： 未經處理的數位老照片
圖二：經過版調調整處理過的數位老照片
版調調整技術最重要的關鍵在於如何自動找出低對比(low contrast)的區域。原因是在低對比區域，人類視覺系統無法辨識較細節的部份。低對比區域其實也有分別，通常行家將之區分為高照度低對比區域(high illumination, low contrast)及低照度低對比區域(low illumination, low contrast) 。至於高對比區域，因為原本影像品質較佳，不需要再動手去處理。問題是：數位典藏老照片動輒數千張、數萬張，如果用傳統手動的方式去圈出照片中低對比區域，那豈不耗費許多人力？因此，利用影像處理的方式去自動找尋照片中低對比區域才是正途。我們於是利用拉普拉斯運算子(Laplacian Operator)去自動算出每一個像素的值，由其鄰近像素的值判斷是否此區域為一低對比區域。當然，這中間同時必須處理雜訊的問題。當低對比區域被一塊塊有系統標出後，我們接下來就計算它們可能被放大的極限。舉例來說，某一塊區域的對比差是其中像素值最大與最小之差別。以低對比區域來說，它可能只有10或20。我們需要做的理論值計算是算出這個值理論上可以被放大多少倍而不會超過其極限。我們同時利用認知心理學中用來描述人類視覺系統的韋伯曲線(Weber’s curve)來限制雜訊被放大的量。通常，我們在放大訊號的同時，也會放大雜訊。這就如同吃藥一般，大部分的藥能夠殺細菌，但也同時傷了正常細胞。做完上述計算之後，接下來我們必須處理的是邊界(boundary)問題。是的，我們能自動地將低對比區域適度放大，且在雜訊不被人類視覺系統發覺的狀況下完成版調放大，但是這些被調整的區域周邊往往是不需要被調整的區域。只調整部份區域而不調整周邊區域會造成兩者邊界地區在視覺上非常突兀的感覺。為了彌補這種不自然現象的產生，我們採用了一個雙邊濾波的過程(bilateral filtering)。它的目的是將之前提到突兀的邊界問題給消弭於無形。這個技術最好的應用是數位典藏國家型科技計畫所收錄的數位化老照片。當然每一張照片的品質不一，所以並非百分之百成功。但是數位老照片均具有歷史價值，又不能重拍，能救一張就算一張，我們也從中獲得許多成就感。
敦育在完成版調調整的研究工作後，我們將論文投到International Conference on Acoustics, Speech, and Signal Processing (ICASSP 2008)。這是本領域最重要的會議之一，截稿日期是2007年9月初。我們在7、8月時就一直修改論文。我對自己及學生的要求是：在還未投稿之前，永遠不要滿意自己的文章。經過不斷的修改，直到9月初截稿前一日，記得隔天早上7點（美西時間）收稿系統會關閉，那時剛好也是颱風會大作的時刻。我與敦育為了能在前一晚就將稿件投出，從前一天早上9點一直改到晚上11點左右，外面颱風已大作，我們才投出該論文。我希望敦育能了解，唯有我們自己力求完美，才是對審稿人最大的尊重，也才能對自己完成的工作做最好的詮釋。國科會於2007年9月曾針對此項技術召開一個記者會。此核心技術並匯入技術研發分項的影音平台成為核心技術之一。圖一及圖二所展示的是一個版調調整的數位老照片的例子。
本文轉載自《中央研究院 週報》第1210期(98.03.05出版)
