CN101248455A - 在数字图像处理中设置对比度的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及在数字图像处理中设置对比度的方法，在该方法中柱状图形式的亮度分布由图像像素产生并且所述柱状图借助传递函数得以修改，并且其中在所述图像的一个区域中发生了对比度的线性增加。

Description

在数字图像处理中设置对比度的方法及装置

技术领域

本发明涉及在数字图像处理中设置对比度的方法，在该方法中柱状图形式的亮度分布由图像像素产生并且所述柱状图借助传递函数得以修改，并且本发明还涉及适当设计的装置。

背景技术

对于数字图像处理的技术，已知的是按照已知方式捕捉到的数字图像是由独立图像元素或者像素构成的，其中每个像素都被以亮度(或者被称为灰度)赋值以及在彩色数字图像的情况下以三色(即，颜色)值赋值。以这种方式捕捉到的图像可以被马上存储至合适的存储介质中或者在任何期望的显示装置例如LCD显示屏上再现出来。

在这种情况下已知的是，显示装置可能仅仅具有有限的所谓动态范围，即在一个像素上能够被所述显示装置再现的最大亮度或灰度通常与能被显示的最小灰度或亮度只有有限程度的变化。然而，如果在这种显示装置上显示的图像是数字化捕捉的图像并且在对比度上具有相差很大的差异，例如对人或者物体背光拍摄的存在亮与暗强烈对比的人或者物体的照片，随后这些相关的亮度差别不能被很精确地再现在显示装置上。这适合于单个图像的再现以及以视频图像形式数字化地捕捉到的连续图像的再现。

在视频图像处理中，公知的是，对于单个图像的像素将以亮度分布的形式被电子地读取为柱状图表，以简化图像信息的进一步电子化处理。其意义在于固定数目的像素被赋值至所述柱状图中的各个单元，其中包括像素在图像中的位置和亮度水平，以及在需要时在被读入的给定情况下的有关颜色的信息。

为了适应显示装置的性能，对于所述柱状图或者更确切的所述被读入并将被修改的值而言已知的是，尤其地要使得所述柱状图中对比度的最大差异适应显示装置的性能。例如，这可以通过在输入信号中加入非线性颜色代码赋值函数实现，其中为了校正所述柱状图，通过该函数将亮度分布上给定的间隔变得更大而将其它间隔则变得更小。

在1998年由Otto-von-Guericke-University Magdeburg的H.R.Tizhoosh、G.Krell、B.Michaelis发表的题为“λ-Enhancement：Contrast Adaptation Based on Optimization of Image Fuzziness”的出版物中可以知道，在基于模糊逻辑的数学函数的辅助下可以获得对比度的改进。出于这个目的，所述柱状图根据传递函数而在数学上予以修改从而按照这个方法实现改进的图像再现。

US 2005/0035974 A1也描述了其本身已知的柱状图，并且这种柱状图已经被用于电子图像处理。在这种情况下对柱状图进行的数学修改是在固定数目的传递函数的辅助下完成的，其中在所述适应过程中数目保持恒定。在这种情况下，在柱状图被修改以前传递函数就已经确定，这就意味着对不同图像内容的适应是不可能的。

US 2003/0152266 A1描述了一种已知的柱状图，在这种情况下，同样的，那些由于亮度太低而不能适当地在显示装置上再现的图像像素的亮度值通过数学方式被提升至一个可以让它们确实地被再现的最小值。

US 6,658,399 B1公开了一种类似的方法，其中图像像素的亮度值同样地被设置成一个最小值，其中同样采用模糊逻辑。

应该考虑的是，这些已知的数字图像处理的方法，特别是在图像具有相差很大的对比度差异，例如采用照片和视频对自然界进行的拍摄时，具有这样的缺点，这些图像只能利用已知的方法或设备以不恰当的方式再现，这是因为低亮度(即低灰度)发生整体增加，而这意味着例如图像的背景会显出并不希望的统一的亮度。还有，这些方法要求巨大的计算能力，这就意味着所使用的装置在设计上是复杂而昂贵的。

发明内容

本发明的一个目的是详述在数字图像处理中设置对比度的方法，所述方法尤其适合以提高的图像质量来再现诸如人物或风景照之类的自然图像。本发明还提供了用于所述目的的合适的装置。

这些目的可通过权利要求1和5中规定的特征实现。

本发明的核心概念在于，个别像素或图像元素之间的对比度的线性增加仅仅发生在所述图像的一个区域中，即只在拍摄的整个区域的一部分中。其意义在于，在所述图像的选定区域中，在柱状图中获取了灰度值和/或三色值并且所述灰度值和/或三色值以合适的方式被线性地校正，其中校正对应于相关显示装置可能的对比度的最大精度。这种方法所实现的就是，在所述数字图片的所选择部分或区域中可达到可能获得的最大对比度，并且按照这种方式在例如LCD显示器上再现最大可能的信息变得可能。

出于这个目的，对属于所选择的这个具有最低和最高亮度值的区域的像素进行检测，并且为了将能够被显示装置显示的最小亮度赋值为最低亮度并将能够被显示装置显示的最大亮度赋值为最高亮度，所有处于这其中的像素值按照合适的方式被线性地调整。

本发明的范围还包括针对以下区域的任意一个，即针对例如在显示器上进行数字图像处理的情况下那些将由用户自己制定的被按照这种方法线性地修改的区域，或者针对具有将被自动选择的最大信息密度的区域。模糊逻辑处理同样能以一种已知的方式用于此目的。特别地，这可以通过为图像收集以模糊方式分布的亮度分布柱状图来完成，这样做的目的是为了获取对图像进行的亮度和/或三色值赋值。通过这个赋值函数，具有最大信息密度的区域就可以通过这样的假定来确定：在很小的空间内发生了巨大的三色值或亮度变化则代表了高信息密度。

下文中的术语“柱状图”或“过滤后的柱状图”的含义并不是之前在现有技术中所理解的柱状图，根据本发明的滤波过程不仅仅将测量到的数据赋值给固定类别而且还借助模糊赋值函数将其归入不同的类别。

本发明的优势在于这样一个事实，对任何需要的图片可执行与显示装置的性能之间的自动适配，这是因为所产生的对比度的差异通常仅仅是显示装置实际能够以相当好的质量显示的不同。同样，所述方法需要相当低的计算能力。

毋庸置疑，以上描述的方法步骤可以用合适的装置以硬件和/或软件方式实现，并且例如能以微处理器的方式结合在数码相机中实现。

本发明的有利的实施例以从属权利要求为特征。

在权利要求2和6中规定的所选择区域以外颜色分布的非线性压缩所实现的就是，对于任何很可能超出能够显示的亮度或颜色的限制的图像像素的值，这些像素的值被改变从而它们仍然可以在显示器或者图像再现装置上以可接受的画质显示出来。特别地，这些被非线性压缩的区域仅仅是包含的信息少于所选择区域的一些区域，这就是说用户在观看完成的图像时不会由于信息的丢失而受损。

如权利要求3和7所要求的，所述柱状图得以按照实质已知的方式进行修改的传递函数优选地并不在图像处理之前被适当规定或预设，而是仅仅由所述柱状图确定。于是，首先从数字图像中确定包含最大信息密度的所述区域，且在下文中所述区域的对比度线性增加。通过参考按照这种方式为亮度值和颜色确定的数值，可以选择一个能最好地适应显示装置的性能的传递函数。这可以在适当设计的装置中自动完成，例如通过利用不同传递函数的仿真来实现。

当然，如权利要求4和8所述，对于所述方法和所述适当设计的装置的用户来说，他可以自己规定他希望发生对比度线性增加的区域，哪怕该区域并不具有最大信息密度。例如，在显示屏上进行数字图像处理的情况下，用户可以借助可移动指针或光标选择所述区域。可以想象，在肖像画的情况下，所述区域为画中的头部区域，应当确保头部区域被准确地再现。

从下文所述实施例来看本发明的这些和其他方面是显而易见的，并且将参考下文所述实施例加以阐述。

附图说明

图1示出了所述方法的示意框图，

图2示出了预滤波后的柱状图，

图3示出了数据分布，以及

图4示出了削峰(clipping)。

具体实施方式

从图1所示的示意图可以看出图像处理以后的基本程序，其中数据接口以椭圆形框表示而由数据处理装置执行的处理操作以矩形框表示。

在数据以代表了视频图像的数据流的形式到达的期间内，像素处理实时地进行着。在所述处理中使用的是用于分析所示场景的柱状图单元和用于颜色赋值的像素控制单元。对每一个像素都必须进行算法计算。相反地，理想地参数的处理仅仅发生在垂直消隐期间。在这种情况下，利用先前一个的统计来定义下一个数据块或字段的红、绿、和蓝(RGB)颜色代码的赋值函数。只要在足够的时间内可以得到结果从而获得被分析的发送来的数据块和校正的数据块之间时间相干性，由所述处理所覆盖的期间还可以延长到下一个活动数据处理块或者更长的处理块。对于发送的每个数据块或者字段，所述算法计算只执行一次。硬件和/或软件方式可以连续地进行处理。分割单元建立覆盖整个颜色分布的主要部分的颜色分布区域，并且确定一个合理的目标范围，这样所述主要部分出于改善对比度的目的而被赋值。利用赋值函数的颜色空间的两个参考点系列对结果进行处理并经过一个滤波器。插值单元规定了所述传递或赋值函数顶部或底部的削峰特性并且将这些特性转换为颜色赋值的系数。在发送的活动数据块的开始，这些数值就进入最新状态。因此，校正的最小延迟为发送的数据的单个块或字段。

作为这种布置的替换，本发明还可以应用到具有缓冲存储的***中，其中颜色分布的分析和变化发生在发送的数据的相同块中。这样，当这整个都是由软件实现或者其部分由软件实现时，像素的处理能以更灵活的方式被执行。

对于图像分析，伪标准化(pseudonormalized)颜色代码c被用于以下所有公式。这就意味着c_min等于0(黑)而c_max等于2^-PIXBITS(红、绿、或蓝)，其中PIXBITS是位数，通常是8或者10，它通常被用于单色通道的编码。

BINBITS是用于柱状图计数器寻址的最高有效颜色代码位数。在下文中使用的一个恰当的值是2。该值控制预滤波器的宽度和柱状图数据接口的大小。单元计数器n_cnt的实际数为：

Normalized＝2BINBITS以及n_cnt＝norm.+1

应该记住的是，在这种情况下，如图2所示，分布的原始宽度被预滤波器扩大。RGB像素的每个颜色元素分别地被计算在同样的柱状图内。一个特殊的码c在两个相邻的单元计数器cnt_J和cnt_J+1之间分布，其中起作用的比例f是距单元中心距离的线性函数：

c_n＝c*norm.  j＝|c_n|

f_0J＝c_n-j      f₁＝1-f₀

对于数字实现，只有c的最高有效位被使用，例如j，并且最低有效位为f_n。最后，计数器按以下规定的方式被设置为高电平：

cnt_j＝cnt_j+f₁    cnt_J+1＝cnt_J+1+f₀

应该记住的是，在这种情况下，使用所述滤波方法的优势不仅仅在于计数器数值的数目的大大减少，而且还在于避免了当输入信号发生细微变化时由于固定单元分类结合计数器的简单增加而引起的时间上的中断。需要的另一重要算法就是用于空间低通滤波器特征，在非常小的亮度分布时，其缓解了下游除法单元的反应。

此外，为了更好地实现，f_1，0可以另外根据相关成分的成比例亮度而被加权。其对于绿色通道的重要性比对于蓝色通道更高。

所述除法确定了颜色代码的一个范围，所述范围关注于颜色分布cntj的最大值并且辅助对比度的增加。它由两个统计参数segin_0，1定义，如图3所示，所述区域边缘rcin_0，1左边分布的归一化权定义为：

cnt_tot＝∑cnt_J  其中j＝0到n_cnt

seg₁*cnt_tot＝∫cnt_|c*norm+05|dc i＝0，1从-∞到rcin_J

中心区域具有施加其上的线性增加因子从而增加对比度，但是外部的区域则利用在下游插值单元中使用的柔性削峰算法来进行压缩。

由于柱状图预滤波，对于非常暗或者非常亮的颜色分布，这个方法可以造成颜色代码区域外的rcin值能够被示出在[c_min，c_max]内。这是一个期望的且有用的效果，并且在这个区域内它通过rcin的箝位(clamping)来完成。如果rcin₀＝c_min，那么较低的柔性削峰范围实际上完全地被压缩并且线性中心范围的开始被移动到原点。此后，在非常暗的图像情况下，所述分布的中心没有发生非线性扭曲作用。同样地应用到非常亮的图像和它们的上部区域。应该记住的是，采用了所述方法，就不会产生在使用阈值法时发生在可以显示的颜色范围内的时间非连续性。

对比度改进的程度由各个参数控制。segadapt是动态参数且可以由用户在零(无图像)到1(对比度的最大改进)之间设置。其他所有参数可以统计性地调整并视用途而定。这些参数为segcout_0，1，它给出了segadapt＝1时用于rcin_0，1赋值的目标颜色代码。通常的设置为：

segcout₀＝segint₀    segcout₁＝1-segint₁以使得所述柱状图很容易地被校正。此外的一个参数为seglimit，它限制了像素所经历的亮度的变化。期望的赋值结果rcout_0，1计算如下：

s₀＝+1  s₁＝-1

dcout₁＝s₁*(rcin₁-segcout_i)*segadapt

rcout_i＝rcin_i-s1*clamp(0，dcout₁，seglimit)

应该记住的是，在这种情况下，如果集中于暗色和/或亮色的颜色分布正被处理，则为dcout设置最小值为零阻止了所述中心区域被压缩并且它还阻止了外部区域被过分增加。

最后，用于颜色赋值函数的两个参考点rcin₁和rcout_i被传递到下一个子单元。

为了抑制在所有时间段都不发生颜色变化的图像序列的统计区域内的抖动(flickering)，用于时域衰减的IIR滤波器被施加到参考点的坐标上以延缓响应信号。filtstrength和filtthresh是这种情况下的统计参数：

(dcin₁ over dcout₁)＝(rcin_i over rcout₁)-(cin₁ over cout₁)_prev

(cin_i over cout₁)＝(rcin₁ over rcout₁)

如果|dcin_0，1|or|dcout_0，1|＞filtthresh

否则(cin₁ over cout₁)＝(cin₁ over dcout_i)_prev+(dcin₁ over dcout₁)*filtstrength

阈值filtthresh可以按这样的方式指定：在图像中找到能阻止滤波的变化。最后，馈入下一个单元的用于颜色赋值函数的两个参考点是cin₁和cout₁。

像素代码的最终赋值由阶数可变的多项式完成。出于简化的目的，所述多项式限于一阶和两阶。

插值单元产生多项式系数，这些系数形成延伸经过所述两个参考点的赋值函数，赋值函数对这两点彼此线性地赋值，这时在外部区域可以进行可参数化削峰并且哪怕计算精度很低也不会发生空隙或者不连贯。

对每一个具有索引k的区域，产生了一组三个系数pc0、pc1、和pc2。同样的系数被施加到红、绿、和蓝通道。在每个通道中的每个像素上最后执行的计算如下：

dcin_0，1＝cin_0，1-c

(k，i)＝(0，0)如果dcin₀≥0  (2，1)如果dcin₀≤0，否则(1，0)

$c\′=\mathrm{pc}{0}_k+\mathrm{dci}{n}_1*{\mathrm{pc}1}_k+\mathrm{dci}{n}_1^2*\mathrm{pc}{2}_k$

其中c′是新的颜色代码。这些系数乘以dcin而不是c从而防止由于系数或者乘法器的有限精度而造成曲线中参考点上存在空隙。

对于线性中心区域(k＝1)，系数计算如下：

pc0₁＝cout₀  pc2₁＝0

pc₁＝(cout₀-cout₁)/(cin₁-cin₀)

外部区域的表现可由一组统计参数控制。在下文中，只有边缘条件将以例子的方式加以阐述。

以下条件对于后面所有的插值方法都适用：

c′(c_min)＝cmin  c′(cin₀)＝cout₀  c′(cin₁)＝cout₁  c′(c_max)＝c_max

最简单的情况下，可以采用柔性削峰，图4的曲线E中显示了这种类型，其中pc2_0，2被设置成等于0。按这个方法，虽然在颜色缓慢增加时在cin_0，1可能会出现可见曲度，但是在像素的处理过程中两阶乘法器被大大节省并且参数的计算也大大简化。

削峰作用的实现优选地通过赋值函数中cin的细微变化完成，同时，外部区域的削峰很明显。在此使用的是一组统计参数ipolclip_0，1，这些参数将传递函数的梯度限制在cin_min，max。下文将仅仅说明上部区域，下部区域以相应的方式予以计算。

附加的自由度由两阶系数产生。因此在cin₁要求柔性过渡，而梯度则要求与中心和上部区域相同：

dc′/dc(cin₁)＝-pc1₁

结果与ipolclip参数比较：

dc′/dc(c_max)＜ipolclip₁

如果条件不符合，那么系数用下面的式子重新计算：

dc′/dc(cin_max)＝ipolclip₁

其在cin₁给出了连续的可区分过渡。

它的意思在于，正ipolclip值使得曲线平坦，接近完全饱满的三色值，而硬削峰被避免。相反地，负值允许用于最亮颜色代码的部分饱满并增大对比度。大部分图像都获得了合适的对比度改进，且柔性过渡和柔性削峰可以同时实现。只有在对比度有很大增加的时候，才有如图4中曲线C和D所示的参考点上的标记的曲线，而有时如图4中曲线A和B所示剧烈削峰发生效果。

对于本领域技术人员而言很清楚的是，本发明可以应用于任何类型的数字图像处理中，尤其是矩阵显示器。同样地，可以由用户来设置对比度的变化。特别地，当存在背光时例如在LCD电视机中，这个背光可根据本发明动态的启动。当显示屏上显示暗图像时，背光降低，并且同时更暗的色光的对比度增加，并且更淡的色光被压缩。简单说来，意思就是对于观看者来说，黑色显得更黑而灰色的色光仍然没有变化并且亮的或白色的色光则淡化。

Claims (8)

1.一种在数字图像处理中设置对比度的方法，其中柱状图形式的亮度分布由图像像素产生，并且所述柱状图借助传递函数得以修改，所述方法的特征在于在所述图像的一个区域中发生了对比度的线性增加。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于在所述图像的所述区域之外发生了颜色分布的非线性压缩。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于所使用的传递函数由所述柱状图确定。

4.如权利要求1到3之一所述的方法，其特征在于所述图像的所述区域是预设的。

5.一种改进数字图像处理***中的对比度的装置，所述装置被设计成柱状图形式的亮度分布可以由图像像素产生并且所述柱状图可以借助传递函数得以修改，所述装置的特征在于在所述图像的一个区域中发生了对比度的线性增加。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于可以在所述图像的所述区域之外执行颜色分布的非线性压缩。

7.如权利要求5或6所述的装置，其特征在于所述传递函数可由所述柱状图确定。

8.如权利要求5到7之一所述的装置，其特征在于所述图像的所述区域可以是预设的。

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