CN101052096A - 用以调整图像的对比度的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种处理包含M个图像单元的输入图像的装置。每一该图像单元包含N个原始像素；每一该输入像素具有原始灰阶。该装置包含转换模块、增益产生模块、对比增强模块。该转换模块用以产生M个亮度。该转换模块于产生该M个亮度中的第i个亮度时，根据该M个图像单元中的第i个图像单元的该N个原始像素的该等原始灰阶。该转换模块并根据该M个亮度产生最大亮度与最小亮度。该增益产生模块根据该最大亮度与最小亮度产生对比增益与最小输入灰阶。该对比增强模块根据该对比增益与最小输入灰阶调整该输入图像。

Description

用以调整图像的对比度的方法及装置

技术领域

本发明是关于一种图像处理方法与装置，并且特别地，本发明是关于一种用于图像对比伸张的方法与装置。

背景技术

图像对比伸张是指将图像的灰阶(gray scale)范围扩张到显示器所能涵盖的最大范围。以可显示8位灰阶的显示器为例，该显示器的256个灰阶通常被表示为灰阶0～灰阶255。一般而言，由于图像信号会因信号衰减和噪声干扰等因素损失部分灰阶，显示器实际接收到的图像信号的灰阶数通常是小于256。图像对比伸张的目的即为增加图像灰阶分布的范围，藉此增强图像对比、提升图像质量。

请参阅图1所绘示的已知图像对比伸张装置的方块图。图像对比伸张装置10主要包含统计模块11、增益产生模块12与对比增强模块13三大区块。统计模块11又包含第一统计单元11A、第二统计单元11B、第三统计单元11C。

彩色图像包含红、绿、蓝三种颜色的像素。第一统计单元11A、第二统计单元11B与第三统计单元11C是分别用以统计输入图像中红、绿、蓝三色像素各自的灰阶分布状况。统计的结果可绘制成如图2所示的图像特性直方图(histogram)的范例。图2(A)至图2(C)是分别绘示同一张图像中红、绿、蓝三色像素各自的灰阶分布状况，其中的水平轴代表灰阶值(范围在0～256之间)，垂直轴则代表具有某一灰阶值的像素的数量。由图像特性直方图可了解该输入图像的灰阶分布状况。

根据上述的图像特性直方图，第一统计单元11A、第二统计单元11B与第三统计单元11C可分别找出红、绿、蓝三色像素各自对应的最大灰阶值(R_max、G_max、B_max)及最小灰阶值(R_min、G_min、B_min)。现有的某些图像处理方法是将各个颜色对应的最大灰阶值定义为图像特性直方图右边算起0.5％面积处所对应的灰阶值，最小灰阶值则被定义为图像特性直方图左边算起0.5％面积处所对应的灰阶值。

接着，增益产生模块12是由红、绿、蓝三色各自对应的最大灰阶值中选出最高的一个做为该输入图像的最大灰阶值(Max)。同样地，该图像的最小灰阶值(Min)为红、绿、蓝三色各自的最小灰阶值中的最低者。传统的图像对比伸张运算的方程式为：

$G^{\′\′}=255\×\frac{G-\mathrm{Min}}{\mathrm{Max}-\mathrm{Min}},$ ……………(式一)

其中的G代表某一像素的原始灰阶值，G”代表经过伸张后该像素的灰阶值。

式一也可以被改写为另一个形式：

G″＝k×(G-Min)，…………(式二)

其中， $k=\frac{255}{\mathrm{Max}-\mathrm{Min}}.$ ……………(式三)

式三中的k一般称为对比伸张系数或对比增益。

增益产生模块12首先根据式三计算出对比增益(k)，再将最小灰阶值(Min)与对比增益(k)传送给对比增强模块13。对比增强模块13根据式二，分别对该输入图像中的每一个像素进行图像对比伸张运算，藉此得出该输出图像。

以图3(A)所示的图像为例，该图像原始的最大灰阶值等于151、最小灰阶值等于0。根据式三可计算出k等于1.59，而经过图像伸张后的结果为图3(B)。相较之下，可发现图3(B)的明暗对比度较图3(A)高出许多。

现有技术的缺点在于，统计红、绿、蓝三色像素各自的灰阶分布状况时需要三个统计单元(11A、11B、11C)，因此相当耗费硬件资源。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种图像处理的方法与装置。一般而言，每个彩色画面都可被分割为许多个各自包含有红、绿、蓝三色像素的小区块。根据本发明的方法与装置首先将各区块中红、绿、蓝三色像素的灰阶整合为亮度(luminance)值，接着再统计该画面中的亮度分布状况。根据由统计结果中选出的最大亮度值与最小亮度值，本发明即可产生对比伸张运算时需要的最小灰阶值(Min)与对比增益(k)。相较于现有技术，根据本发明的图像处理装置仅需要一个统计单元，因此可大幅节省硬件成本。

根据本发明的一较佳具体实施例为一种用以处理目标视频框(videoframe)的装置。该目标视频框是包含于视频串流(video stream)中，并且该目标视频框包含M个图像单元(image unit)。每一个该图像单元各自包含N个原始像素。M和N皆为正整数。每一个该原始像素各自具有原始灰阶。在本实施例中，该装置包含转换模块、增益产生模块和对比增强模块。该转换模块用以产生M个亮度，并且该转换模块于产生该M个亮度中的第i个亮度时，是根据该M个图像单元中的第i个图像单元的该N个原始像素的该等原始灰阶。i为范围在1至M之间的整数指标。该转换模块并且根据该M个亮度产生最大亮度与最小亮度。接着，该增益产生模块根据该最大亮度与该最小亮度产生对比增益与最小输入灰阶。该对比增强模块则是根据该对比增益与该最小输入灰阶调整该输入图像中的各原始灰阶，以产生输出视频框。

根据本发明的另一较佳具体实施例为一种用以处理目标视频框的方法。该方法首先产生M个亮度(luminance)，于产生该M个亮度中的第i个亮度时，是根据该M个图像单元中的第i个图像单元的该N个原始像素的该等原始灰阶。接着，该方法根据该M个亮度产生最大亮度与最小亮度。该方法根据该最大亮度与该最小亮度产生对比增益与最小输入灰阶。根据该对比增益与该最小输入灰阶，该方法可调整该目标视频框中该等原始像素的该等原始灰阶，以产生输出视频框。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种用以处理输入图像的装置，该输入图像包含M个图像单元，每一个该图像单元各自包含N个原始像素，M和N皆为正整数，每一个该原始像素各自具有原始灰阶，该装置包含：转换模块，该转换模块用以产生M个亮度，该转换模块于产生该M个亮度中的第i个亮度时，是根据该M个图像单元中的第i个图像单元的该N个原始像素的该等原始灰阶，i为范围在1至M之间的整数指针，该转换模块并且根据该M个亮度产生最大亮度(Y_max)与最小亮度(Y_min)；增益产生模块，该增益产生模块用以根据该最大亮度(Y_max)与该最小亮度(Y_min)产生对比增益(k)与最小输入灰阶(Min)；以及对比增强模块，该对比增强模块用以根据该对比增益(k)与该最小输入灰阶(Min)调整该目标视频框中该等原始像素的该等原始灰阶，以产生输出图像。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种用以处理输入图像的方法，该输入图像包含M个图像单元，每一个该图像单元各自包含N个原始像素，M和N皆为正整数，每一个该原始像素各自具有原始灰阶，该方法包含下列步骤：(a)产生M个亮度，于产生该M个亮度中的第i个亮度时，是根据该M个图像单元中的第i个图像单元的该N个原始像素的该等原始灰阶，i为范围在1至M之间的整数指标；(b)根据该M个亮度产生最大亮度(Y_max)与最小亮度(Y_min)；(c)根据该最大亮度(Y_max)与该最小亮度(Y_min)产生对比增益(k)与最小输入灰阶(Min)；以及(d)根据该对比增益(k)与该最小输入灰阶(Min)调整该输入图像中该等原始像素的该等原始灰阶，以产生输出图像。

关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。

附图说明

图1是绘示已知的图像对比伸张装置的方块图。

图2A至2C是绘示一图像特性直方图(histogram)的范例。

图3A和3B是绘示一经过图像伸张前/后的图像的范例。

图4是绘示根据本发明的第一较佳具体实施例的图像处理装置的方块图。

图5A至5C是绘示转换模块41与增益产生模块42的几种可能实施方式。

图6是绘示根据本发明的第二较佳具体实施例的图像处理方法的流程图。

图7A至7C是绘示本发明的实验结果。

[主要元件标号说明]

10：图像对比伸张装置         11：统计模块

11A：第一统计单元            11B：第二统计单元

11C：第三统计单元            12：增益产生模块

13：对比增强模块             40：图像处理装置

41：转换模块                 41A：转换单元

41B：统计单元                41C：平滑单元

42：增益产生模块             42A：产生单元42A

42B：平均单元                43：对比增强模块

S61～S64：流程步骤

具体实施方式

本发明的主要目的是提供一种增强画面对比度的图像处理方法与装置。本发明可用以调整单一张独立的图像，亦可用以调整视频串流中的各视频框。

本发明假设目标视频框包含M个图像单元(image unit)，每一个该图像单元又各自包含N个原始像素，其中M和N皆为正整数。该目标视频框中的每一个原始像素各自具有原始灰阶。该目标视频框中的每一个该原始像素选择性地为红色像素(R)、绿色像素(G)、或蓝色像素(B)。

根据本发明的第一较佳具体实施例为图像处理装置。请参阅图4。图4是绘示该图像处理装置40的方块图。图像处理装置40包含转换模块41、增益产生模块42和对比增强模块43。

转换模块41在依序或同时接收该M个图像单元之后，用以为每一个图像单元产生亮度Y。更明确地说，转换模块41根据该M个图像单元中的第i个图像单元的该N个原始像素的该等原始灰阶，产生该M个亮度中的第i个亮度Y_i。i为范围在1至M之间的整数指标。接着，转换模块41利用如绘制直方图(histogram)等统计的方式，根据该M个亮度产生最大亮度(Y_max)与最小亮度(Y_min)。增益产生模块42根据该最大亮度(Y_max)与该最小亮度(Y_min)产生对比增益(k)与最小输入灰阶(Min)。对比增强模块43则是根据该对比增益(k)与该最小输入灰阶(Min)调整该输入图像中的各原始灰阶，以产生输出视频框。

假设该M个图像单元中的第i个图像单元包含红色原始像素、绿色原始像素、与蓝色原始像素，并且该红色原始像素具有第一灰阶值(R_i)，该绿色原始像素具有第二灰阶值(G_i)，该蓝色原始像素具有第三灰阶值(B_i)。于实际应用中，转换模块41可根据下列方程式计算Y_i：

Y_i＝0.299*R_i+0.587*G_i+0.114*B_i。……………(式四)

式四为已知的转换关系式，用以表示图像单元的亮度值与该图像单元中红、绿、蓝三色像素的灰阶值的关系。

图5(A)是绘示转换模块41的一种可能实现方式。转换单元41A用以根据该第i个图像单元中的R_i、G_i、B_i产生Y_i。统计单元41B则是利用统计的方式，由该M个亮度(Y₁～Y_M)中选出最大亮度Y_max与最小亮度Y_min。

由于该目标视频框在进入图像处理装置40之前，可能已由其它图像处理芯片进行锐利化(sharpen)处理，为了排除锐利化处理对该等输入灰阶造成的影响，增益产生模块41可如图5(B)所示，选择性地包含平滑单元(smoothingunit)41C。平滑单元41C首先针对该第i个图像单元中的R_i、G_i、B_i进行平滑化计算(smoothing calculation)，为该第i个图像单元产生平滑后的灰阶R_i’、G_i’、B_i’。转换单元41A接着将R_i、G_i、B_i转换为Y_i。统计单元41B同样是利用统计的方式，由该M个亮度(Y₁～Y_M)中选出最大亮度Y_max与最小亮度Y_min。

另一方面，由于噪声可能会使转换模块41所选出的最大亮度Y_max与最小亮度Y_min有所偏差，进而使后续产生的对比增益(k)不正常地变大/变小，增益产生模块42可能如图5(C)所示，选择性地包含平均单元42B。假设在该视频串流中，该目标视频框是邻近于P个邻近视频框，其中P为正整数。图5(C)中的产生单元42A可首先根据该最大亮度(Y_max)与该最小亮度(Y_min)以查表的方式产生初步增益(k_p)与初步最小输入灰阶(Min_p)。平均单元42B可接着将该初步增益(k_p)与P个邻近增益平均以产生对比增益(k)。该P个邻近增益分别为该P个邻近视频框的对比增益。平均单元42B并可将该初始最小输入灰阶(Min_p)与P个邻近最小灰阶平均以产生该最小输入灰阶(Min)。该P个邻近最小灰阶分别为该N个邻近视频框的最小输入灰阶。通过平均的方式，本发明可降低噪声的影响、避免因噪声造成画面闪烁的问题。

于实际应用中，对比增强模块43可根据式二与对比增益(k)、最小输入灰阶(Min)，分别对该输入视频框中的每一个像素进行图像对比伸张运算，藉此得出该输出视频框。

请参阅图6。根据本发明的第二较佳具体实施例为一种用以处理目标视频框的方法。该方法首先执行步骤S61，产生M个亮度(luminance)。于产生该M个亮度中的第i个亮度的过程中，该方法是根据该M个图像单元中的第i个图像单元的该N个原始像素的该等原始灰阶，i为范围在1至M之间的整数指标。接着，该方法执行步骤S62，根据该M个亮度产生最大亮度(Y_max)与最小亮度(Y_min)。步骤S63是根据该最大亮度(Y_max)与该最小亮度(Y_min)产生对比增益(k)与最小输入灰阶(Min)。最后，该方法执行步骤S64，根据该对比增益(k)与该最小输入灰阶(Min)调整该目标视频框中该等原始像素的该等原始灰阶，以产生输出视频框。

请参阅图7。图7(A)是未经图像伸张前的图片范例。图7(B)是图7(A)经已知的图像对比伸张技术处理过后的结果。图7(C)则是图7(A)经根据本发明的方法/装置处理过后的结果。相较之下，可发现图7(C)与图7(B)的效果相似。

经由实验证明，根据本发明的图像对比伸张方法和现有技术所得的效果相似。并且，根据本发明的图像处理装置仅需要一个统计单元，因此可大幅节省硬件成本。举例而言，假设每一个统计单元需要256位的存储器，则现有技术的图像处理装置需要256*3位的存储器，而本发明仅需要256位的存储器。

通过以上较佳具体实施例的详述，是希望能更加清楚描述本发明的特征与精神，而并非以上述所揭露的较佳具体实施例来对本发明的范畴加以限制。相反地，其目的是希望能涵盖各种改变及具相等性的安排于本发明所欲申请的权利要求范围的范畴内。

Claims (18)

1.一种用以处理目标视频框的装置，该目标视频框是包含于视频串流中，该目标视频框包含M个图像单元，每一个该图像单元各自包含N个原始像素，M和N皆为正整数，每一个该原始像素各自具有原始灰阶，该装置包含：

转换模块，该转换模块用以产生M个亮度，该转换模块于产生该M个亮度中的第i个亮度时，是根据该M个图像单元中的第i个图像单元的该N个原始像素的该等原始灰阶，i为范围在1至M之间的整数指针，该转换模块并且根据该M个亮度产生最大亮度(Y_max)与最小亮度(Y_min)；

增益产生模块，该增益产生模块用以根据该最大亮度(Y_max)与该最小亮度(Y_min)产生对比增益(k)与最小输入灰阶(Min)；以及

对比增强模块，该对比增强模块用以根据该对比增益(k)与该最小输入灰阶(Min)调整该目标视频框中该等原始像素的该等原始灰阶，以产生输出视频框。

2.根据权利要求1所述的装置，其中该目标视频框中的每一个该原始像素选择性地为红色像素、绿色像素、或蓝色像素。

3.根据权利要求2所述的装置，其中该M个图像单元中的第i个图像单元的该N个原始像素包含红色原始像素、绿色原始像素、与蓝色原始像素，该红色原始像素具有第一灰阶值(R_i)，该绿色原始像素具有第二灰阶值(G_i)，该蓝色原始像素具有第三灰阶值(B_i)。

4.根据权利要求3所述的装置，其中该转换模块根据下列方程式产生该M个亮度中的第i个亮度(Y_i)：

Y_i＝a*R_i+b*G_i+c*B_i，

其中a、b、c为增益系数。

5.根据权利要求4所述的装置，其中a等于0.299、b等于0.587、c等于0.114。

6.根据权利要求1所述的装置，其中该转换模块包含：

转换单元，该转换单元用以根据该第i个图像单元的该N个原始像素的该等原始灰阶，产生该M个亮度中的第i个亮度；以及

统计单元，该统计单元利用统计的方式，由该M个亮度中选出该最大亮度(Y_max)与该最小亮度(Y_min)。

7.根据权利要求1所述的装置，其中该转换模块包含：

平滑单元，该平滑单元用以针对该第i个图像单元的该N个原始像素的该等原始灰阶进行平滑化计算，为该第i个图像单元产生N个平滑后的灰阶；

转换单元，该转换单元用以根据对应于该第i个图像单元的该N个平滑后的灰阶，产生该M个亮度中的第i个亮度；以及

统计单元，该统计单元利用统计的方式，由该M个亮度中选出该最大亮度(Y_max)与该最小亮度(Y_min)。

8.根据权利要求1所述的装置，其中在该视频串流中，该目标视频框是邻近于P个邻近视频框，P为正整数，并且该增益产生模块包含：

产生单元，该产生单元用以根据该最大亮度(Y_max)与该最小亮度(Y_min)产生初步增益与初步最小输入灰阶；以及

平均单元，该平均单元用以将该初步增益与P个邻近增益平均以产生该对比增益(k)，该P个邻近增益是与该N个邻近视频框相关，该平均单元并且将该初始最小输入灰阶与P个邻近最小灰阶平均以产生该最小输入灰阶(Min)，该P个邻近最小灰阶亦与该P个邻近视频框相关。

9.一种用以处理输入图像的装置，该输入图像包含M个图像单元，每一个该图像单元各自包含N个原始像素，M和N皆为正整数，每一个该原始像素各自具有原始灰阶，该装置包含：

转换模块，该转换模块用以产生M个亮度，该转换模块于产生该M个亮度中的第i个亮度时，是根据该M个图像单元中的第i个图像单元的该N个原始像素的该等原始灰阶，i为范围在1至M之间的整数指针，该转换模块并且根据该M个亮度产生最大亮度(Y_max)与最小亮度(Y_min)；

增益产生模块，该增益产生模块用以根据该最大亮度(Y_max)与该最小亮度(Y_min)产生对比增益(k)与最小输入灰阶(Min)；以及

对比增强模块，该对比增强模块用以根据该对比增益(k)与该最小输入灰阶(Min)调整该目标视频框中该等原始像素的该等原始灰阶，以产生输出图像。

10.一种用以处理目标视频框的方法，该目标视频框是包含于视频串流中，该目标视频框包含M个图像单元，每一个该图像单元各自包含N个原始像素，M和N皆为正整数，每一个该原始像素各自具有原始灰阶，该方法包含下列步骤：

(a)产生M个亮度，于产生该M个亮度中的第i个亮度时，是根据该M个图像单元中的第i个图像单元的该N个原始像素的该等原始灰阶，i为范围在1至M之间的整数指标；

(b)根据该M个亮度产生最大亮度(Y_max)与最小亮度(Y_min)；

(c)根据该最大亮度(Y_max)与该最小亮度(Y_min)产生对比增益(k)与最小输入灰阶(Min)；以及

(d)根据该对比增益(k)与该最小输入灰阶(Min)调整该目标视频框中该等原始像素的该等原始灰阶，以产生输出视频框。

11.根据权利要求10所述的方法，其中该目标视频框中的每一个该原始像素选择性地为红色像素、绿色像素，或蓝色像素。

12.根据权利要求11所述的方法，其中该M个图像单元中的第i个图像单元的该N个原始像素包含红色原始像素、绿色原始像素、与蓝色原始像素，该红色原始像素具有第一灰阶值(R_i)，该绿色原始像素具有第二灰阶值(G_i)，该蓝色原始像素具有第三灰阶值(B_i)。

13.根据权利要求12所述的方法，其中步骤(a)根据下列方程式产生该M个亮度中的第i个亮度(Y_i)：

Y_i＝a*R_i+b*G_i+c*B_i，

其中a、b、c为增益系数。

14.根据权利要求13所述的方法，其中a等于0.299、b等于0.587、c等于0.114。

15.根据权利要求10所述的方法，其中步骤(a)包含下列子步骤：

(a1)针对该第i个图像单元的该N个原始像素的该等原始灰阶进行平滑化计算，为该第i个图像单元产生N个平滑后的灰阶；以及

(a2)根据对应于该第i个图像单元的该N个平滑后的灰阶，产生该M个亮度中的第i个亮度。

16.根据权利要求10所述的方法，其中步骤(b)是利用统计的方式由该M个亮度中选出该最大亮度(Y_max)与该最小亮度(Y_min)。

17.根据权利要求10所述的方法，其中在该视频串流中，该目标视频框是邻近于P个邻近视频框，P为正整数，并且步骤(c)包含下列子步骤：

(c1)根据该最大亮度(Y_max)与该最小亮度(Y_min)产生初步增益与初步最小输入灰阶；以及

(c2)将该初步增益与P个邻近增益平均以产生该对比增益(k)，该P个邻近增益是与该N个邻近视频框相关，该平均单元并且将该初始最小输入灰阶与P个邻近最小灰阶平均以产生该最小输入灰阶(Min)，该P个邻近最小灰阶亦与该P个邻近视频框相关。

18.一种用以处理输入图像的方法，该输入图像包含M个图像单元，每一个该图像单元各自包含N个原始像素，M和N皆为正整数，每一个该原始像素各自具有原始灰阶，该方法包含下列步骤：

(a)产生M个亮度，于产生该M个亮度中的第i个亮度时，是根据该M个图像单元中的第i个图像单元的该N个原始像素的该等原始灰阶，i为范围在1至M之间的整数指标；

(b)根据该M个亮度产生最大亮度(Y_max)与最小亮度(Y_min)；

(c)根据该最大亮度(Y_max)与该最小亮度(Y_min)产生对比增益(k)与最小输入灰阶(Min)；以及

(d)根据该对比增益(k)与该最小输入灰阶(Min)调整该输入图像中该等原始像素的该等原始灰阶，以产生输出图像。

Images