CN100508572C - 图像处理装置、方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种图像处理装置，包括：平均亮度计算单元，计算图像中像素的平均亮度；修正因子计算单元，计算对应于每个像素的亮度的修正因子；修正值计算单元，基于平均亮度和修正因子，计算对应于每个像素的修正值；以及加法单元，将修正值加到亮度上。该修正值计算单元当亮度具有最大值时将修正值设置为最大值零。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于图像处理的装置、方法和程序，更具体地，涉及适于增强显现在显示器上的图像对比度的图像处理的装置、方法和程序，该显示器具有从白电平(white level)到黑电平(black level)的固定的亮度动态范围，例如，液晶显示器。白电平是当显示白色时的亮度电平，黑电平是当显示黑色时的亮度电平。
背景技术
直流(DC)传送率修正(transmission rate correction)是公知的用于当例如电视的整个图像很亮时增强图像对比度的方法。在DC传送率修正中，取输入图像信号(下文中称作输入信号)的亮度信号的平均值。然后，从每个像素的亮度中统一减去依赖于该平均值(下文中称作平均亮度)的预定值。该方法已在例如日本未审专利申请公布No.2003-131623，尤其是第15段和图4中公开。
例如，在DC传送率修正中，具有如图1所示的亮度电平的输入亮度信号被修正并输出为具有图2所示的亮度电平的输出亮度信号。在该修正中，不管个体电平如何，输入亮度信号的亮度电平被统一降低，如图2所示。在图1和图2中，横坐标指示时间t，纵坐标指示亮度电平。在纵坐标上标示出白电平和黑电平。
具有相对低但是高于图1中黑电平的亮度电平的亮度信号经修正显示为黑色，如图2所示。从而，强调了图像中暗的部分。
图2中的输出亮度信号示出了在DC传送率修正中也降低了图1中的用于显示白色的高亮度电平。但是，如图3所示，在具有从白电平到黑电平的可变亮度动态范围的显示器(例如阴极射线管)中，可以独立于DC传送率修正来调整白电平。从而，从用于白色的亮度信号可以显示期望的白色。
发明内容
但是，对于具有从白电平到黑电平的固定亮度动态范围的显示器，例如液晶显示器，在公知的DC传送率修正中不能降低黑电平而不降低白电平，而是统一降低输入亮度信号的亮度电平。这样，不能从用于白色的亮度信号显示期望的白色，从而使整体图像不利地变暗。
考虑到该问题，本发明的目的是提供一种增强图像中的对比度而不降低显示器的白电平的图像处理装置。
一种根据本发明的图像处理装置包括：平均亮度计算单元，计算图像中像素的平均亮度；修正因子计算单元，计算对应于每个像素的亮度的修正因子；修正值计算单元，基于平均亮度和修正因子，计算对应于每个像素的修正值，该修正值计算单元当亮度具有最大值时将修正值设置为最大值零；以及加法单元，将修正值加到亮度上。
优选地，修正因子计算单元当亮度具有最大值时，将修正因子设置为最大值零，并且当亮度具有最小值时，将修正因子设置为负的最小值。
优选地，修正值计算单元与平均亮度和修正因子成比例地计算修正值。
优选地，修正因子计算单元使用查找表或者函数来计算修正因子。
一种根据本发明的图像处理方法，包括：平均亮度计算步骤，计算图像中像素的平均亮度；修正因子计算步骤，计算对应于每个像素的亮度的修正因子；修正值计算步骤，基于平均亮度和修正因子，计算对应于每个像素的修正值，该修正值计算步骤当亮度具有最大值时将修正值设置为最大值零；以及加法步骤，将修正值加到亮度上。
一种根据本发明的计算机可执行程序，包括：平均亮度计算步骤，计算图像中像素的平均亮度；修正因子计算步骤，计算对应于每个像素的亮度的修正因子；修正值计算步骤，基于平均亮度和修正因子，计算对应于每个像素的修正值，该修正值计算步骤当亮度具有最大值时将修正值设置为最大值零；以及加法步骤，将修正值加到亮度上。
在用于图像处理的根据本发明的装置、方法和程序中，计算对应于每个像素的亮度的修正因子。基于平均亮度和修正因子，计算对应于每个像素的修正值。然后，将修正值加到亮度上。当亮度具有最大值时，设置修正值为最大值零。
根据本发明，可以增强图像的对比度而不降低显示器的白电平。
附图说明
图1示出输入亮度信号的典型亮度电平；
图2示出在DC传送率修正中通过修正图1所示输入亮度信号获得的输出亮度信号；
图3示出对图1所示输入亮度信号进行DC传送率修正和白电平调整后的输出亮度信号；
图4示出根据本发明实施例的图像处理装置的结构的框图；
图5示出亮度电平和修正因子之间的典型关系；
图6示出对比度增强处理的流程图；
图7示出对比度增强处理前的输入亮度电平和对比度增强处理后的输出亮度电平之间的关系；
图8示出通过对图1所示的输入亮度信号进行对比度增强处理得到的输出亮度信号；以及
图9示出根据本发明实施例的个人计算机的结构的框图。
具体实施方式
图4示出了根据本发明实施例的图像处理装置的结构的框图。该图像处理装置可以包含于具有从白电平到黑电平的固定亮度动态范围的显示器例如液晶显示器中。
如图4所示，图像处理装置包括帧缓冲器1、平均亮度计算单元2、像素信号读取单元3、修正因子计算单元4、查找表(look-up-table，LUT)保存单元5、修正信号生成单元6(也称作修正值计算单元)和加法单元7。帧缓冲器1存储例如电视的一个图像(一个场图像或一个帧图像)的输入图像信号。平均亮度计算单元2从存储在帧存储器1中的图像的输入图像信号计算亮度信号的平均亮度Av，并且将该平均亮度Av输出到修正信号生成单元6。或者，平均亮度计算单元2可以计算两个或更多图像的亮度信号的平均亮度Av。
像素信号读取单元3逐像素地读出存储在帧缓冲器1中的一个图像的图像信号，并且将该图像信号输出到修正因子计算单元4和加法单元7。LUT保存单元5保存查找表(LUT)。修正因子计算单元4参考LUT计算修正因子Kp，并且将该修正因子Kp输出到修正信号生成单元6，其中，该修正因子Kp取决于来自像素信号读取单元3的每个像素的亮度信号的亮度电平P而为零或负值。或者，修正因子计算单元4可以使用函数而不是LUT从亮度电平P计算修正因子Kp。
LUT存储亮度电平P和修正因子Kp之间的关系数据。图5示出亮度电平P和修正因子Kp之间的典型关系。如图5中的直线11所示，当亮度电平P最小时，修正因子Kp最小且为负。当亮度电平P最大时，修正因子Kp为最大值零。在图5中，亮度电平P和修正因子Kp之间的关系是线性的，如直线11所示。但是，该关系可以是非线性的。
根据下面的方程(1)，修正信号生成单元6基于来自修正因子计算单元4的修正因子Kp、来自平均亮度计算单元2的平均亮度Av和绝对白电平W1生成修正信号C。然后，修正信号生成单元6将该修正信号C输出到加法单元7：
C＝Kp·(Av/W1) (1)
其中W1是例如液晶显示器的显示器预定白电平，其中该显示器包括根据本发明的图像处理装置。
加法单元7将来自修正信号生成单元6的相应的修正信号C加到来自像素信号读取单元3的每个像素的亮度信号上，以产生输出亮度信号。
现在将参考图6中的流程图描述图像处理装置中增强对比度的过程。
根据本发明实施例的图像处理方法包括：平均亮度计算步骤(步骤S2)，计算图像中像素的平均亮度；修正因子计算步骤(步骤S4)，计算对应于每个像素的亮度的修正因子；修正值计算步骤(步骤S5)，基于平均亮度和修正因子计算对应于每个像素的修正值，该修正值计算步骤当亮度具有最大值时，设置修正值为最大值零；以及加法步骤(步骤S6)，将修正值加到亮度上。
在步骤S1，帧缓冲器1存储一个图像的输入图像信号。在步骤S2，平均亮度计算单元2从存储在帧缓冲器1中的一个图像的图像信号检索亮度信号，并且计算亮度信号的平均亮度Av，以将平均亮度Av输出到修正信号生成单元6。
在步骤S3，像素信号读取单元3从存储在帧缓冲器1中的一个图像的图像信号中，以例如光栅扫描序列的形式读出每个像素的图像信号，并且将该图像信号输出到修正因子计算单元4和加法单元7。在步骤S4，修正因子计算单元4参考LUT保存单元5中的LUT，依据来自像素信号读取单元3的每个像素的亮度信号的亮度电平P，计算修正因子Kp，并且将修正因子Kp输出到修正信号生成单元6。
在步骤S5，根据方程(1)，修正信号生成单元6基于来自修正因子计算单元4的修正因子Kp、来自平均亮度计算单元2的平均亮度Av和绝对白电平W1生成修正信号C。然后，修正信号生成单元6将修正信号C输出到加法单元7。在步骤S6，加法单元7将来自修正信号生成单元6的修正信号C加到来自像素信号读取单元3的每个像素的亮度信号的亮度电平P上，以产生提供给后继阶段的输出亮度信号。
由图5和方程(1)可清楚看出，当输入亮度信号的平均亮度Av高时，修正信号C的绝对值也高。当每个像素的输入亮度信号的亮度电平P低时，修正信号C的值也低，即，因为修正信号C的值是负的所以修正信号C的绝对值高。当亮度电平P是最大值时，修正信号C的值是最大值零。
从而，对于检测到输入亮度信号具有相对低亮度电平P的像素，输出亮度信号的亮度电平中的降低相对高。对于检测到输入亮度信号具有相对高亮度电平P的像素，输出亮度信号的亮度电平中的降低相对小。对于检测到输入亮度信号具有最大亮度电平P的像素，输出亮度信号具有与输入亮度信号相同的亮度电平P。
图7示出对比度增强处理前的输入亮度信号的亮度电平(横坐标)和该处理后的相应输出亮度信号的亮度电平(纵坐标)。当平均亮度Av是预定参考值时，该关系由直线21指示。当平均亮度Av小于预定参考值时，该关系由具有比直线21低的梯度的直线22指示。相反，当平均亮度Av大于预定参考值时，该关系由具有比直线21高的梯度的直线23指示。由图7可清楚看出，不管平均亮度Av如何，输入亮度信号的最大亮度电平与输出亮度信号的相同。
因此，整体图像越亮，即平均亮度Av越高，则通过上述增强图像对比度的处理所显示的具有低亮度电平的图像部分就越暗。
在步骤S7，像素信号读取单元3确定是否已读出存储在帧缓冲器1中的图像的所有图像信号。当像素信号读取单元3尚未读出某些像素时，处理返回到步骤S3以读出下一像素。重复步骤S3到S7，直到读出存储在帧缓冲器1中的图像的所有图像信号。
图8示出通过对图1所示的输入亮度信号进行上面的对比度增强处理获得的输出亮度信号的亮度电平。横坐标指示时间t，纵坐标指示输出亮度信号的亮度电平。包括根据本发明的图像处理装置的显示器(例如液晶显示器)的白电平和黑电平在纵坐标上固定。
由图1和图8之间的比较很清楚，具有相对低但高于图1中黑电平的亮度电平的亮度信号(对应于图8中用虚线环31指示的输出亮度信号)被修正并显示为黑色，如图8所示。从而，强调了图像中的暗色。相反，图1中具有用于显示白色的最大亮度电平的亮度信号(对应于图8中用虚线环32指示的输出亮度信号)没有被修正并输出为用于显示白色的输出亮度信号，如图8所示。这样，增强了图像的对比度，而没有丢失整体图像的明亮度。
可以用硬件或软件实现上述对比度增强处理。当用软件实现该处理时，从记录介质将程序安装在例如具有图9所示典型结构的专用计算机或通用个人计算机中，以执行各种应用程序。
在图9中，个人计算机50包括中央处理单元(CPU)51。输入/输出(I/O)接口55通过内部总线54连接到CPU 51。只读存储器(ROM)52和随机存取存储器(RAM)53连接到总线54。
下面的元件连接到I/O接口55：输入单元56，包括用于输入用户命令的输入设备，例如，键盘，鼠标或远程控制器；输出单元57，包括例如显示器；存储单元58，包括例如用于存储程序、图像信号等的硬盘驱动器；通信单元59，包括用于通过诸如因特网进行网络通信的局域网(LAN)适配器；以及驱动单元60。记录介质61是例如磁盘、光盘、磁光盘或半导体存储器。驱动单元60从或向记录介质61读或写数据。
例如，个人计算机50上的用于进行对比度增强处理的程序封装在记录介质61中，并被分发给个人计算机50，以通过驱动单元60安装在存储单元58中的硬盘驱动中。存储在存储单元58中的程序被加载到RAM 53中以相应于来自输入单元56的命令响应于来自CPU 51的指令来被执行。
程序中的上述步骤不必以上述顺序来执行，而是可以并行或者单独执行。
Claims (5)
1.一种图像处理装置，包括：
平均亮度计算单元，计算图像中像素的平均亮度；
修正因子计算单元，计算对应于每个像素的亮度的修正因子；
修正值计算单元，基于该平均亮度和修正因子，计算对应于每个像素的修正值，该修正值计算单元仅当亮度具有最大值时将修正值设置为最大值零；以及
加法单元，将修正值加到亮度上。
2.如权利要求1所述的图像处理装置，其中，所述修正因子计算单元当亮度具有最大值时，将修正因子设置为最大值零，并且当亮度具有最小值时，将修正因子设置为最小负值。
3.如权利要求1所述的图像处理装置，其中，所述修正值计算单元与平均亮度和修正因子成比例地计算修正值。
4.如权利要求1所述的图像处理装置，其中，所述修正因子计算单元使用查找表或者函数来计算修正因子。
5.一种图像处理方法，包括：
平均亮度计算步骤，计算图像中像素的平均亮度；
修正因子计算步骤，计算对应于每个像素的亮度的修正因子；
修正值计算步骤，基于平均亮度和修正因子，计算对应于每个像素的修正值，该修正值计算步骤仅当亮度具有最大值时将修正值设置为最大值零；以及
加法步骤，将修正值加到亮度上。
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