DE3011553C2

DE3011553C2 - Schaltungsanordnung zum Umwandeln eines Bildes in ein Bild mit vorgegebenem Histogramm

Info

Publication number: DE3011553C2
Application number: DE3011553A
Authority: DE
Inventors: Peter Kenneth Upfield Surrey Bailey; Leslie Henry Haywards Heath Sussex Guildford
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1979-03-29
Filing date: 1980-03-26
Publication date: 1984-03-15
Also published as: JPS6119078B2; AU532941B2; GB2046051B; DE3011553A1; CA1141873A; FR2452836B1; US4353092A; FR2452836A1; GB2046051A; JPS55156988A; AU5685580A

Description

nen innerhalb von 2 Rastern erfolgt

Beim erflnduiigsgemäßen System kann die Histogramniänderung auf einen vorher posittooierbaren örtlichen Bereich angewandt werden, der als Schlüsselloch bezeichnet wird, oder auf ein ganzes Raster. Durch Anwendung eines vorher positionierbaren Schlüssellochbildes kann Kontrastvergrößerung innerhalb eines gewählten Bereiches eines ganzen Rasters erhalten werden, so daß der Kontext, in dem die Kontrsstvergrößerung erfolgt, und der gesamte Charakter des wiedergegebenen Bildes nicht verlorengehen, was bei bestimmten Hintergründen von Bedeutung sein kann. Bei Kontrastvergrößerung des ganzen Rasters kann dies durch Anwendung eines Umkodierungsverfahrens erfolgen, ausgehend von einer Teilmenge beliebig oder pseudobeliebig abgetasteter Bildelemente. Durch Anwendung einer derartigen Technik werden die Anzahl erforderlicher Schaltungsanordnung und die Zeit, die zum Ermitteln jedes neuen Umkodierungsverfahrens notwendig ist, im Vergleich zu der Situation, in der alle Bildelemente in einem Raster wiedergegeben werden, verringert.

Zweckmäßig ist es, daß ein Speicher vorgesehen ist, der eine Anzahl Fenster unterschiedlicher Größe enthält, von denen ein Fenster auswählbar ist. Dadurch wird es möglich, ein Fenster mit Abmessungen zu verwenden, die nicht so klein sind, daß das System zu schwingen anfängt oder die nicht zu groß sind, daß das schlußendliche Histogramm von der idealen Situation fur diesen an die Szene anpaßbaren Operator stark abweicht.

Das vorgegebene Histogramm der Grauwerte des modifizierten Bildes kann verschiedene Formen haben, die von dem Verwendungszweck bzw. Einsatzbereich der Schaltungsanordnung abhängen. Die nach der Erfindung verwendeten Elemente wie Zählschaltung, Steuerschaltung usw. können auch durch einen Mikroprozessor mit einem Programmspeicher realisiert werden. Dadurch wird eine sehr flexible Anordnung erhalten, weil verschiedene lichtlineare, an die Szene anpaßbare Operatoren gespeichert werden können, die beliebig ausgewählt werden.

Gewünschtenfalls kann auch ein Speicher vorgesehen werden zum Speichern mindestens zweier Mengen von Fensterwerten, während der Mikroprozessor eine der genannten Mengen auf zeitabhängiger Basis wählen kann. Dadurch kann die Konvergenzgeschwindigkeit des Algorithmus im Vergleich zum Gebrauch nur einer Menge von Fensterwerteti vergrößert werden.

Aüsführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines vollständigen Rasters und eines vorher positionierbaren Schlüsselloches in dem Raster,

F i g. 2 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines Systems zum iterativen Ändern eines originalen Bildes in ein modifiziertes Bild mit vorgegebenem Histogramm,

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Histogrammzählschaltung (Block 21) nach Fig. 2,

Fig. 4 ein Blockschaltbild einer logischen Umkodierubfs- und Steuerschaltung (Block U) nach Fig. 2,

Fig. S eine Darstellung des schematischen Verlaufes eines Algorithmus für iterative Histogrammänderung,

Fig. 6 ein Blockschaltbild einet Systems für iterative Histogrcmmänderung gesteuert von einem Mikroprozessor.

Bevor Einzelheiten der Schaltungsanordnung beschrieben werden, wird eine allgemeine Beschretbtiag der Faktoren gegeben, die bei der Bestimmung der Alt der Kontrastvergrößerung, die benutzt wird, berücfc- -> sichtigt werden.

Nachstehend wird die Anwendung eines nicht linearen Operators, beispielsweise Histogrammentzerrung bei »real time«-Videosignalen auf rasterweiser Basis beschrieben. Es hat sich herausgestellt, daß dieser Ope-

! 11 rator optimal benutzt werden kann, wenn die Vergrößerung innerhalb eines »Schlibsellocrw-Bercichei, d. h. innerhalb eines geradlinigen Fensters innerhalb eines Rasters, dessen Lage und Größe elektronisch gesteuert werden kann, erfolgt. Durch Anwendung von Hfrto grammentzeming werden die BUdelemente innerhalb des Schlüsselloches Ober die für Wiedergabe verfügbaren Graupegel neu aufgeteilt, und zwar derart, daß jeder Pegel etwa dieselbe Anzahl Bildelemente enthält Dies fuhrt dazu, daß die Sichtbarkeit von Einzelheiten in großen Bereichen geringen Kontrastes innerhalb des ursprünglichen Bildes verbessert f,-rd.

öbschon die HistogrammenizerningHiechnik in Einzelheiten beschrieben wird, können auch andere Modifikationen, wie die Gauss-Quadratierungsmodifika- tionen, Hyperbolisation und Exponentiation in »real time«, d. h. Videosignalgeschwindigkeiten, durchgeführt werden.

Die Durchführung von Histogrammentzerrung kann als Rationalisierung eines abgetasteten und quantisier ten Bildes betrachtet werden, und zwar derart, daß in jedem wiederzugebenden quantisierten Pegel etwa dieselbe Anzahl BUdelemente vorhanden ist Dies bedeutet, daß die Übertragungsfunktion des Systems derart geändert wird, daß ein Bild wiedergegeben wird, dessen Graupegelhistogramm (Dkhte-Wahrscheinlichkeitsfunktion erster Ordnung), d. h. eine hypothetische Kurve, die die Anzahl BUdelemente ic jedem quantisierten Pegel in einem einzigen Bild, Raster bzw. Schlüsselloch darstellt, nahezu rechtwinklig ist. Da im allgemeinen das Histogramm eines »linear quantisierten« Bildes nicht rechtwinklig sein wird, erfordert die Anwendung von Histogrammentzerrung, daß das Bild oder Videosignal unter Anwendung eines nicht linearen und in diesem Fall eines an die Szent anpaßharen Ope rators quantisiert wird.

Ein Grund zum Anwenden eines derartigen Operators ist, daß sehr oft Bilder, insbesondere Bilder von Infrarot- und Röntgensystemen, Histogramme haben, die starke Spitzen aufweisen, d. h., daß eine Vielzahl aller Bildelemente in einem schmalen Bereich von Graupegeln konzentriert sind. Unter diesen Umständen sind viele Kontraetverhiltnisse, die Flanken definieren, einfach nicht wiederzugeben, sogar wenn sie in dem if sprünglichen Signal vorhanden sind. Der Histo grammentzerrungsoperator expandiert Graupegelbe reiche, in denen BUdelemente überherrschen, und komprimiert diese Pegel, wenn es an Bildelementen mangelt, wodurch die Sichtbarkeit der Flankeneinzelheiten innerhalb von Gebieten verbessert wird, in denen das ursprüngliche Histogramm Spitzen aufwies. Es ist selbstverständlich auch möglich, daß kleine Einzelheiten, die nur durch einige Bildelensente wiedergegeben werden, nach Histogrammeatzerrung völlig verlorengehen, und zwar dadurch, daß sie in demselben Wieder- gabegraupegel fcomnrimiert sind wie ihre Umgebung. Der allgemeine Effett ist jedoch, daß die Sichtbarkeit feiner Einzelheiten innerhalb des vergrößerten Bildes verbessert wird.

Fig. 2 zeigt auf schematische Weise ein vollständiges Raster 21, das zur Vereinfachung der Beschreibung 512 X 512 Bildelemente und ein Schlüsselloch 22 innerhalb des Rasters 20 enthält. Das Schlüsselloch 22 kann auf elektronische Weise zu jeder Stelle in dem Bereich des Rasters 20 eingestellt werden. Der Umfang des Schlüsselloches 22 ist beliebig gewählt worden, wobei eine Anzahl Faktoren, die untenstehend noch beschrieben werden, berücksichtigt wurden. Zunächst wird vorausgesetzt daß der in dem Schlüsselloch 22 ersehetnende Teil des Bildes in Kontrast vergrößert werden muß, während der restliche Teil des Bildes der ursprünglichen linearen Wiedergabe entspricht. Eine derartige Form von Wiedergabe bestimmt den Kontext, in dem die Vergrößerung erfolgt, während der υ Gesamtcharakter des wiedergegebenen Bildes nicht verlorengeht.

Der Umfang, der am besten für das Schlüsselloch 22 gewählt werden kann, ist ein Kompromiß zwischen einer Anzahl entgegengesetzter Anforderungen. Die wichtigsten davon sind:

1. Das Schlüsselloch 22 muß größer sein als das Objekt, das man in der Szene wiederzuerkennen versucht; sonst unterbricht die plötzliche Änderung der Kodierung über ein Objekt die Umrisse desselben und dann kann der Endeffekt schlechter sein als wenn überhaupt keine Kontrastvergrößerung erfolgt.

2. Je kleiner das Schlüsselloch 22 ist, um so besser die Kodierung anpaßbar gemacht werden kann für den betreffenden Bereich, was zu einer besseren Kontrastvergrößerung führt.

Andere Faktoren, wie Speicherung für die Histogrammzählstellung müssen berücksichtigt werden. Es hat sich herausgestellt daS bei einem Bild von 512X512 Bildelementen ein Schlüsselloch von 128 x 128 Bildelementen durchaus ein gutes Kompromiß bietet.

In der betreffenden Anmeldung werden Systeme zum iterativen Ändern von »real time«-Histogrammen zum Gebrauch bei digitalisierten Videosignalen beschrieben. Das System, in dem ein »Kode RAM« (= Kodespeicher mit beliebigem Zugriff) als dynamische Suchtabelle benutzt wird, um die eintreffenden Videosignale nicht-linear von beispielsweise 2a Pegeln auf 2b Pegel zu komprimieren, wobei ft < α ist, weicht von anderen Systemen auf zweierlei Weise ab. Erstens ist dabei nur notwendig, daß man mit dem Histogramm der 2* Ausgangspegeln bekannt ist zum Berechnen der erforderliehen nicht-linearen Übertragungsfunktion. Da vorzugsweise 8 Bit-Eingangsvideosignale auf 5 Bit komprimiert werden, bedeutet dies, daß eine Verringerung um einen Faktor von maximal 8 erwartet werden kann bei den Anforderungen zum Speichern der Histogrammzählstellung. Zweitens kann jeder Änderungsplantyp, d. h. Histogrammhyperbolisierung - Entzerrung und Exponentiation -, angewandt werden, wobei die Flexibilität und Wirtschaftlichkeit des Operators weitgehend vergrößert werden.

Ein Blockschaltbild des Systems ist in Fig. 2 dargestellt Das System ist zum Anbringen von Korrekturen nur innerhalb des Schlüsselloches 22 des vollständigen Rasters 20 bestimmt, dessen Lage durch eine »Scüiüsseilcchanzeige« elektronisch bezeichnet ist. Diese Anzeige zeigt auf die genaue Art und Weise, wann derjenige Teil des zu dem betreffenden Augenblick abgetasteten Rasters innerhalb des Schlüssellochbereiches liegt, der 1K bis 16 K Bildelemente enthalten würde. Normalerweise würde das Histogramm innerhalb dieses Schlüssellochbereiches gezählt und die Korrektur nur auf diesem Bereich durchgeführt werden.

Die schematische Ausführungsform des Systems nach Fig. 2 enthält drei Hauptblöcke, und zwar einen 256 x 5 »Kode-RAM« 24, eine logische Umkodierungsund Steuerschaltung 26 und eine Histogrammzählschaltung 28. Auch gibt es zwei 8-Bit-Multiplexer 30,32 zur Signalsteuerung. Einfachheitshalber wird die Anzahl Leiter in jeder Verbindung bzw. Leitung durch die einer kurzen schrägen Linie zugeordnete Zahl bezeichnet, die bei jedem Leiter bzw. jeder Leitung gegeben ist. Das digitalisierte Videosignal am Eingang 34 wird über 8 Leitungen dem Eingang B des Multiplexers 30 und über ein Verzögerungselement 36 dem Eingang A des Multiplexers 32 zugeführt. Ein K-Ausgang 38 des Multiplexers 30 ist mit einem Eingang A des »Code-RAM« 24 verbunden, von dem ein !/„„,-Ausgang 40 mit einem ß-Eingang des Multiplexers 32 verbunden ist. Ein 8-Bit-Ausgangsvideosignal wird dem y-Ausgang 42 des Multiplexers 32 entnommen. Der £>_01i,-Ausgang 40 des »Code-RAM« 42 ist auch mit einem »Video-/Mr-Eingang 44 der Histogrammzählschaltung 28 verbunden. Ein »Zähl«-Ausgang 46 der Schaltung 28 ist mit einem Eingang 48 der logischen Umkodierungs- und Steuerschaltung 26 verbunden. Die Schaltung 26 hat vier Ausgänge 30, 52, 54 und 56. Der Ausgang 50 dient für die umkodierte Adresse und ist mit dem Eingang A des Multiplexers 30 verbunden. Der Ausgang 52 dient für ein »Schreib«-Signal, das einernJWahleingang SEL des Multiplexers 30 und einem Jf^Eingang des »Kode RAM« 24 zugeführt wird, dem auch Umkodierungsinformation über den Ausgang 54 und einen D_/n-Eingang 60 des »Code-RAM« zugeführt wird. Der Ausgang 56 ist ein Pegeladressenausgang, der mit einem Pegeladresseneingang 58 der Histogrammzählschaltung 28 verbunden ist. Das System enthält eine Taktimpulssignalleitung 62, die mit Taktimpulseingängen CK der Schaltungen 26, 28 und des Multiplexers 32 verbunden ist. Eine Schlüssellochanzeigesignalleitung 64 ist mit den »Schlüsselloch«-Eingängen KFAtx Schaltungen 26 und 28 und mit dem S£L-Eingang des Multiplexers 32 verbunden.

Im Betrieb wird, wenn das Schlüssellochanzeigesignal unrichtig ist, d. h., daß ein Teil des Rasters 20, das nicht das Schlüsselloch 22 enthält, zeilenweise abgetastet wird, das digitalisierte Videosignal an dem Eingang 34 ungeändert übertragen über das Verzögerungselement 36 zu dem Eingang A des Multiplexers 32.

Wenn die Abtastung mit einer Zeile anfangt, die das Schlüsselloch 22 enthält (Fig. 1)_Λ ist das Schlüssellochanzeigesignal richtig, und das Änderungssystem ist wirksam. Das digitalisierte Eingangsvideosignal vom Eingang 34 wird über den Multiplexer 30 den Eingängen A des »Code-RAM« 24 zugeführt Dieser RAM 24, der als Suchtabelle wirksam ist, wird zum Komprimieren des eintreffenden Videosignals von 8 Bits, d. h. 256 Graupegel, auf 5 Bits, d h. 32 Pegel entsprechend dem Stromkodierungsverfahren, das durch die logische Umkodierungs- und Steuerschaltung 26 bestimmt wird, verwendet Bei der ersten Abtastung des Rasters kann das Kodierungsverfahren linear sein, d. h., daß die ersten acht Eingangsgraupegel als Pegel I, die zweiten acht als Pegel 2 usw. kodiert werden, bis die letzten acht als Pegel 32 kodiert werden. Die kodierte Information an dem Ausgang 40 wird zunächst dem Eingang 44 der Histogrammzählschaltung 28 und danach zusammen

mit drei von einer Bezugsquelle 66 abgeleiteten Bits dem Eingang B des Multiplexers 32 zugeführt. Wenn das Schlüssellochanzeigesignal richtig ist, erscheint das geänderte Signal im Gegensatz zu dem ungeänderten Signal an dem Ausgang 42 des Multiplexers 32.

In der Histogrammzählschaltung 28 wird die kodierte Information analysiert und als Auftrittstabelle jedes Aui₆angspegels innerhalb des spezifizierten Schlüsselloches gespeichert. Eine Form der Histogrammzählschaltung wird untenstehend an Hand der Fig. 3 beschrieben.

Wenn das Schlüsselloch 22 völlig abgetastet ist, erscheint an der Leitung, die den Ausgang 46 mit dem Eingang 48 verbindet, ein Zählsignal, während die logische Umkodierungs- und Steuerschaltung 46 den »Code-RAM« 24 und die Histogrammzählschaltung 28 steuert. Unter Anwendung der in der Histogrammzählschaltung 28 gespeicherten Information bestimmt die Ümkodierungs- und Steuerschaltung 2» ein neues Kodierungsverfahren, das durch die Umkodierungsadressenleitungen von dem Ausgang 50 in dem Multiplexer 30 und durch die Umkodierungsinformationsleitungen von dem Ausgang 54 im »Code-RAM<; 24 geschrieben wird.

Während der nachfolgenden Abtastung des Schlüsselloches wendet der »Code-RAM« 24 das neue Kodierungsverfahren an, und der Zyklus wird wiederholt. Abermals bestimmt, wenn die Histogrammzählschaltung 28 das Zählen der kodierten Information beendet, die Schaltung 26 ein neues Umkodierungsverfahren. Die iterative Bestimmung des Umkodierungsverfahrens erfolgt jeweils nach dem Abtasten des Schlüssellochs 22 (Fig. 1). Abhängig von bestimmten Faktoren, die an Hand der Beschreibung der Fig. 7 noch näher erläutert werden, kann eine gute Histogrammänderung eines Bildes in der Praxis nach 20 Abtastungen erreicht werden und wenn keine schnellen Änderungen in der Szene auftreten, die durch das Schlüsselloch detektiert werden, kann das System den meisten Änderungen in der Szene mit einer nicht spürbaren Verzögerung von 1 bis 5 Raster folgen.

Fig. 3 zeigt die Histogrammzählschaltung 28, die das Histogramm der Anzahl Bildelemente in jedem Ausgangsgraupegel zählt und speichert. Die Schaltung 28 enthält einen Multiplexer 70, der Eingänge A und B und einen Ausgang Y aufweist, der über eine Fünfwegverbindung mit dem obengenannten Eingang A eines 32 x 12-Zähl-RAM 72 verbunden ist. Ein Ausgang D₀ des RAM 72 ist mit der Ausgangsklemme 46 und mit einem Eingang A eines Addierers 74 verbunden, von dem ein zweiter Eingang B mit einer Quelle eines binären »1 «-Signals verbunden ist Ein Summenausgang des Addierers 74 ist mit einer Verriegelungsschaltung verbunden, die mit Vorteil ß-Flip-Flop-Schaltungen 76 (d. h. eine Flip-Flop-Schaltung je Leitung) enthält Die Q-Ausgänge der Flip-Flop-Schaltungen 76 sind mit einem n-Weg-fl^-Eingang 77 des RAM 72 verbunden. Die Schlüssellochanzeigeleitung 62 und die Taktimpulsleitung 64 sind mit Eingängen eines NAND-Gliedes 78 verbunden, dessen Ausgang mit einem Schreibeingang W des RAM 72 und mit dem Taktimpulseingang der Flip-Flop-Schaltung 76 verbunden ist Die Leitung η ist auch mit einem SEL-Eingang des Multiplexers 70 verbunden, dessen Eingang A mit dem Pegelausgang 56 der logischen Umkodierungs- und Steuerschaltung 26 (F i g. 2) über den Eingang 58 verbunden ist und dessen Eingang B mit dem Eingang 44 der Schaltung 28 verbunden ist

Der RAM 72 kann 32 Worte speichern, und zwar eins für jeden der komprimierten Graupegel zu je 12 Bits. Die Bits jedes dieser Worte werden dazu benutzt, die Anzahl Male, daß dieses Wort (Grauwert) auftritt, anzuzeigen, während das Schlüsselloch 22 (Fig. 1) abgetastet wird. Jedes Mal, daß ein Grauwert, d. h. eine Adresse, an dem Eingang A des RAM 72 auftritt, ist es notwendig, das Wort in dieser Adresse um ein Inkrement von »1« zu erhöhten. Dies erfolgt dadurch, daß das

ίο Ausgangssignal des RAM 72 dem Eingang A des Addierers 74 zugeführt wird. Da der Eingang B ständig einer binären »1« entspricht, zählt der Addierer »1« zu den 12-Bit-Worten, wonach eine neue Summe an dem Ausgang Σ des Addierers 74 erscheint. Ein neues Summensignal wird verriegelt und in den RAM 72 geschrieben, und zwar dadurch, daß der Taktimpulseingang der Z)-Flip-Flop-Schaltung 76 und der Schreibeingang W des RAM 72 niedrig werden; dies erfolgt, wenn die Taktimpuisieiiung 62 hoch ist.

Wenn das Abtasten des Schlüsselloches 22 (Fig. 1) beendet ist, wird das Schlüssellochanzeigesignal unrichtig bzw. niedrig, wobei das Pegeladressensignai der Schaltung 26 (Fig. 2) bewirkt, daß der RAM 72, wie erwünscht, die Gesamtzählstellung P_k (n) in dem adressierten Pegel k liest.

Obschon nicht dargestellt, gibt es Mittel, um am Ende eines Zähl/Umkodierungszyklus den RAM 72 rückzustellen.
F i g. 4 zeigt detailliert eine Ausführungsform der logi-

jo sehen Umkodierungs- und Steuerschaltung 26. Zum besseren Verständnis des Aufbaues der Schaltungsanordnung und der Wirkungsweise derselben wird der Zweck der logischen Umkodierungs- und Steuerschaltung 26 beschrieben. Im Grunde wird eine Zählstellung D_k (n) eines Pegels k in der Histogrammzählschaltung 28 mit einer theoretischen idealen Häufigkeitszählstellung M_k verglichen und. wenn die Differenz innerhalb gewisser Grenzen (als »Fenster« bezeichnet) liegt, wird dem »Code RAM« 24 (Fig. 2) mitgeteilt, daß, insofern es diesen Pegel k anbelangt, das Umkodierungsverfahren richtig ist. Auch kann, wenn die Differenz außerhalb des Fensters liegt, abhängig davon, ob die Differenz zu groß oder zu klein ist, der »Code RAM« 24 derart umkodiert werden, daß mindestens einer der Graupegel in dem Eingangsvideosignal mehr oder weniger in dem Pegel k kodiert werden.

In der Ausführungsform nach Fig. 4 wird die Zählstellung P_k (n) in dem gewählten Pegel des RAM 72 (F i g. 3) über den Eingang 48 einem Eingang A einer

so Subtrahierschaltung 80 zugeführt. Dem anderen Eingang B der Subtrahierschaltung 80 wird ein Signal zugeführt, das die ideale Häufigkeit M_k in dem Pegel k darstellt. Das Signal M_k wird einem programmierbaren Auslesespeicher (PROM) 82 entnommen. Bei der Histogrammentzerrung ist M_k ein konstanter Wert, aber bei anderen Formen von Histogrammänderung kann M_k abhängig von der Adresse des betreffenden Pegels k variieren. Ein Differenzsignal A, das (PicM-MJ darstellt, wird einem neuen Breitengenerator 84 zugeführt Auch wird dem Generator 84 ein Fenstersignal W_k zugeführt, das einem PROM 86 entnommen wird, während demselben zugleich ein Signal s_k (n) zugeführt wird, das die Anzahl Eingangsvideosignalpegel darstellt, die in dem gewählten Pegel k komprimiert ist, wobei dieses Signal einem RAM 88 entnommen wird. Die Größe des Fensters W_k kann fest sein, aber kann auch von Hand aus einem Bereich von Größen, beispielsweise 4 Größen, gewählt werden, und zwar unter

Verwendung eines Schalters 90, der in Fig. 4 auf schematische Weise dargestellt ist. In dem Generator 84, der eine FPLA (= Field Programmable Logic Array) enthalten kann, wird das DifTerenzsignal A mit dem Fenster W_k verglichen, wobei, abhängig von dem Ergebnis, ein

"neuer Wert s_k (n+1) in dem RAM 88 gespeichert und als Eingangssignal einem Steuerblock 92 zugeführt wird, von woraus dieses Signal zum Umkodieren der nachfolgenden s_k(n -t 1) Worte des »Code RAM« auf dem Pegel k benutzt wird. Wie obenstehend erwähnt, kann die Anzahl s_k(n+l) größer, kleiner oder gleich s_k(n) sein, und war abhängig von dem Ergebnis des Vergleiches von s_k(n) und A in einem Generator 84.
Wie in Fig.4 dargestellt, sind die Taktimpuls- und

' Schlüssellochanzeigeleitungen 62 und 64 mit einem Steuerblock 92 verbunden, der Verbindungen mit den Ausgängen 50, 52, 54 und 56 hat.

Obschon nur eine Ausführungsform der Erfindung beschrieben worden ist, können Abwandlungen entwickelt werden, wobei der iterative Algorithmus benutzt wird, der normalerweise von einer linearen Kodierung zu der spezifizierten, an die Szene anpaßbaren, nicht linearen Kodierung konvergiert und eine maximale Verzögerung von etwa 20 Rastern hat und den meisten Änderungen mit einer nicht spürbaren Verzögerung von 1 bis 5 Rastern folgen kann. Ein Flußdiagramm für diesen Algorithmus ist in Fig. 5 dargestellt, wobei die nachfolgende Notierung benutzt wird:

n: die Anzahl Stromiterationen,

p, r: die Anzahl Eingangs- und Ausgangspegel,

/, k: Indexparameter, die die Eingangs- und Ausgangspegel umfassen, d. h.:0</ <p-l;0 <k<r-l,

M_k: die theoretische Häufigkeit des fc-ten Ausgangspegels entsprechend der gegebenen Schlüssellochgröße und der gewählten Aufteilung. Die Sammlung von Häufigkeiten (MJ definiert auf diese Weise die hypothetische ideale Aufteilung, zu der das Umkodierungsverfahren konvergiert,

s_k(n): die Anzahl Eingangspegel, die in dem Ausgangspegel k bei der η-ten Iteration s_k(n) notwendigerweise > 0 für alle Werte k und η komprimiert sind,

P_k: »Fensterwert« für den /c-ten Pegel, der die Toleranz gibt, die für den Unterschied zwischen der theoretischen Häufigkeit M_k und der gemessenen Häufigkeit P_k(n) für die als befriedigend betrachtete Anpassung ist. So hat, wenn [M_k-PJn)] < W_k für alle Ar-Pegel in 0 < k < r-1 ist, eine gute Anpassung zwischen den Soll- und den Ist-Ausgangsverteilungen nach der «-ten Iteration stattgefunden. Die Sammlung von Werten (WJ kann gegebenenfalls von k abhängig sein, und zwar abhängig von der erforderlichen Ausgangsverteilung, und diese Werte können auch unter bestimmten Umständen zeitabhängig sein, wobei sie als W_k(n) geschrieben werden,

A: der Unterschied zwischen P_k(n) und M_h d.h. A=PJn)-M_1n

B: Φ eine Summenveränderliche, die beim Um-

- kodieren des »Code RAM« angewandt wird. Zu

jedem Zeitpunkt während des Umkodierungszyklus enthält B die Adresse der nachfolgenden Ausgangswertänderung.

Bei Betrachtung des ganzen Verfahrens wird der Anfang des Algorithmus durch einen Kreis IGC bezeichnet Zunächst muß eine Entscheidung über die Startfaktoren wie [Λ/J, [W^ und [S_k(0)] entschieden werden, die kollektiv durch den Block 102 dargestellt werden. Nachdf/ni diese Faktoren bestimmt sind, kann zum ersten Mal das Video-Eingangssignal bearbeitet werden, wobei beispielsweise eine lineare Kompression

s angewandt wird. Der Block 104 bezeichnet das Verfahren zum Bilden einer Histogrammzählstellung (vergleiche die Histogrammzählschaltung28 in Fig. 2) und zum Erhalten einer Sammlung [PJn)] der Häufigkeitszahlen. Der Block 106 bezeichnet das Verfahren zum

ίο Anwenden dieser Sammlung von Häufigkeitszahlen [P_k(n)], um das neue Umkodierungsverfahren, d.h. [S*(/i + l)] zu bestimmen (vergleiche die logische Umkodierungs- und Steuerschaltung 26 nach Fig. 4). Der Block 108 bezeichnet das Verfahren zum Umkodieren des »Code-RAM« unter Anwendung von [S^n+I)], und zum Schluß bezeichnet der Block 110, daß der Zyklus für die nachfolgende Iteration wiederholt wird.

Nun wird die Expansion des Blocks 106 beschrieben, die in Fig. 5 auf der rechten Seite dargestellt ist. Die Sammlung von Häufigkeitszahlen PJn) wird bei Punkt 112 eingeführt, und der Block 114 bezeichnet den Anfangspunkt der Reihe, die auf dem Pegel K = O anfängt zum Bestimmen einer neuen Sammlung [£*(« +1)], die zusammengestellt und durch den Block 116 angegeben wird.

1): - S_t(n)-i

Wobei »Int« die ganze Zahl des Quotienten, der eingeklammert steht, darstellt.

Der Wert der Änderung in Sj^n)(würde jjprrnalerweise auf einem Wert von beispielsweise 7 in dem betreffenden Fall abgeschnitten werden, um das Oszillieren zu verringern. Die Größe des FensteiS W_k ist ein wichtiger Parameter. Wenn W_K zu klein ist, wird das System unterschiedlichen Ausgangspegeln immer wieder Eingangspegel zuordnen, sogar wenn das Videosignal ungeändert bleibt. Wenn W_K zu groß ist, kann das schlußendliche entzerrte Histogramm von der idealen rechtwinkligen Form stark abweichen.
Nachdem S_K(n+\) bestimmt ist, ist es notwendig zu

so unterscheiden, ob dieser Wert kleiner als oder gleich 0 ist. Dies wird durch den Entscheidungsblock 118 entschieden. Wenn die Antwort »ja« ist, ist es notwendig, Sk(i+1): = 1 zu machen, weil sonst der Ausgangspegel keine Bildelemente enthalten würde. Dieses Verfahren wird durch den Block 120 bezeichnet. Nachdem dies stattgefunden hait, oder wenn die Antwort des Entscheidungsblocks »nein« ist, ist es notwendig, den unmittelbar darauffolgenden höheren Pegel zu wählen, so daß K: = K+1 ist; dies erfolgt im Block 122. Zum Schluß ist es notwendig zu entscheiden, ob 1 = rist, wobei r.der höchste Ausgangspegel ist Dies erfolgt in dem Entscheidungsblock: 124. Wenn die Antwort »nein« ist, wird der Zyklus über die Blöcke 116,118,120 und 122 für den folgenden Wert von 1 wiederholt. Wenn die Antwort »ja« ist, wird dtes dem Ausgangspunkt 126 zugeführt.

Die Expansion des Blocks 188 links in Fig. 5 zeigt

einen Eingangspunkt 128, wo [S_K(n+1)] eingestellt wird und den Block 1130, in dem k, t und B zunärhst gleich

Null gemacht werden. Es ist dann notwendig, B gleich B +5_A(/i + l) zu machen (Block 132) und den »Code RAM« derart einzustellen, daß ein Eingangsvideosignaleingangspegel / umkodiert oder einem bestimmten Ausgangspegel k (Block 134) zugeordnet wird. In dem Block 136 wird der Eingangspegel /' um 1 erhöht auf einen neuen Pegel von /, d.h.: /: - i+l. Um zu überprüfen, ob die Umkodierung vollständig ist, ist es notwendig zu entscheiden, ob der neue Wert / gleich ρ ist, womit die Anzahl Eingangspegel bezeichnet wird. Diese Entscheidung erfolgt in dem Block 138 und wenn die Antwort »ja« ist, ist es notwendig, ein Signal zum Anzeigen einer völligen Umkodierung zu bilden (Block 140), das an dem Ausgangspunkt 142 erscheint.

Wenn die Entscheidung in dem Block 13* »nein« ist, ist es notwendig zu entscheiden, ob der neue Wert von i gleich B ist (Block 144). Wenn die Antwort »nein« ist, wird dem Block 134 ein geeignetes Signal abgegeben, und der Zyklus wird wiederholt, bis /' = B ist. Wenn die Antwort jedoch »ja« ist, wird der Ausgangspcgci K Um ein Inkrement »1« erhöht (Block 146), wobei der neue Wert von K benutzt wird, um den Block 132 zu instruieren.

Mit dem Algorithmus nach F i g. 5, wobei Operatoren, wie Histogrammentzerrung, -Hyperbolisation und -Exponentiation angewandt werden, fängt die Umkodierung bei Schwarz an und geht nach Weiß. Für bestimmte Ausgangsverteilungen, wie eine Gauß-Verteilung, muß jedoch die Umkodierung von der Mitte der Ausgangsverteilung statt beispielsweise von dem Maximalschwarzpegel ausgehen, wie dies der Fall wäre, wenn bei K = 0 und nach K = r (siehe F i g. 5) weitergefahren werden würde.

Der obenstehend beschriebene Algorithmus bietet nicht die Möglichkeit, zu überprüfen, ob r = 1 ist.

ES_k = p, wobei jede S unabhängig variiert wird. In der Praxis hat es sich für K = 0 herausgestellt, daß eine derartige Überpnöfung eine unnötige Verwickeltheit mit sich bringt.

Bei Anwendung dieses iterativen Algorithmus ist es ersichtlich, daß es notwendig ist, die Werte von S_x sowie die Histogrammzählstellung P_x zu speichern.

Bisher ist die Beschreibung der Zeichnungen auf Kontrastvergrößerung eines Schlüsselloches 22 eines Rasters 20 beschränkt worden (Fig. 1). Mit Hilfe von Abtasttechniken können jedoch die dem Eingang des Zähl-RAM zugeführten Bildelemente beliebig oder pseudobeliebig aus dem vollständigen Raster gewählt werden. Das resultierende Histogramm in dem Zählmodul ist dann eine Annäherung des Histogramms des ganzen Bildes. Dementsprechend kann dann eine auf den Graupegeln in dem Histogramm basierte Umkodierung auf das ganze Raster 20 angewandt werden.

Fig. 6 zeigt auf schematische Weise eine Ausfiihrungsform eines Systems zum iterativen Ändern eines »real time«-Histogramms, das unter Verwendung eines Mikroprozessors gesteuert wird.

Das System enthält einen Datenbus 2M, einen Adressenbus 202 und einen Steuerbus 2*4, mit dem ein Kodierungsmodul 206, ein Zählmodul 208, ein Mikroprozessor 210, ein Hauptspeicher 212, der aus einem RAM besteht, und ein Programmspeicher 214, der aus einem PROM besteht, verbunden sind. Das Kodierungsmodul 206 besteht vorzugsweise aus einer Kombination der Multiplexer 30 und 32 und dem »Code-RAM« 24 nach Fig. 2, und das Zählmodul besteht vorzugsweise aus der Histogrammzählschaltung nach Fig. 3. Deswegen wird die Wirkungsweise desselben nicht detailliert beschrieben.

Die Programmierung des Mikroprozessors 210 wird durch die in den Programmspeicher 214 gespeicherte Programmatur bestimmt. Diese Programmatur enthält den allgemeinen iterativen Histogrammänderungsalgorithmus nach Fig. 5 sowie die Operateuren, die zum Erhalten der jeweiligen erwünschten Szenenvergrößerungen, wie entzerrte hyperbolische, exponentieüe und Gauß-Histogramme erforderlich sind.
ίο Damit mit dem Mikroprozessor 210 und dem Pru· grammspeicher 214 zusammengearbeitet werden kann, speichert der Hauptspeicher 212 Information, wie die theoretische Häufigkeit des k-ten Ausgangspegels M_k, die Anzahl in dem Ausgangspegel k bei der «-ten Iteij ration S_x (η) komprimierten Eingangspegel und einen Fensterwert für den fc-ten Pegel W_x.

Durch Verwendung eines auf geeignete Weise programmierten Mikroprozessors 210 kann das System nach Fig. 6 flexibler und vielseitiger gemacht werden als aas System nach den F ί g. 2 bis 4.

Dadurch, daß beispielsweise die zusätzliche Flexibilität des Mikroprozessors 21Θ benutzt wird, kann die Statistik des Ausgangsbildes, das hier durch [M_x] dargestellt ist, von der Szene abhängig gemacht werden, d. h., daß mehrere typische Eingangshistogramme, beispielsweise mit zwei Maximen im wesentlichen schwarz oder im wesentlichen weiß detektiert und benutzt werden können, um unterschiedliche »ideale« Histogramme zu wählen. Das »ideale« Histogramm kann auch abhängig vom Vorhandensein von Objekten einer bestimmten Form, beispielsweise Punkttargets, innerhalb des Schlüsselloches geändert werden, wie dies durch ein Musterdetektionssystem, das sich außerhalb des in diesem Zusammenhang beschriebenen Systems zum Ändern von Histogrammen befindet, angegeben ist. Außerdem können mehrere Formen von Bildvergrößerung Vorteil haben bei einer von der Zeit und der Szene abhängigen Wan! des »idealen« Histogramms [M_k(n)], wobei die Parameter derart gewählt werden können, daß sie auf iterative Weise von der neuen Bildstatistik [P_K(n+\)] sowie von der alten Norm [M_K(n)] abhängig sind.

Durch Verwendung eines Mikroprozessors ist eine zeitabhängige Bestimmung der FensterfaKtoren [W₁] möglich, die erhalten werden müssen. Dies bedeutet einen sehr zweckmäßigen Ausbau, weil für ein bestimmtes Ausgangshistogramm und eine bestimmte Schlüssellochgröße die idealen Fensterfaktoren nicht einzeln bestimmt werden, weil sie auch in gewissem so Maße von der Bildstatistik abhängig sind. Es könnten vier unterschiedliche Sammlungen von Fensterwerten von Hand gewählt werden in dem System nach Fig. 4, aber das Vorhandensein des Mikroprozessors ermöglicht eine viel feinere und mehr szenenabhängige Be-Stimmung der optimalen Sammlung [W_x]. Dies ist beispielsweise beim Erhöhen der Konvergenzgeschwindigkeiten des Algorithmus nach starken Störungen durch die Wahl einer Sammlung [W_K] mit zunächst einem geringen mittleren Wert von Bedeutung. In F i g. 5 war ersichtlich, daß

ist, d. h., daß die Änderung in S_K(n) dem Wert W_x umgekehrt proportional ist Nachdem das System fast zu dem Optimum konvergiert ist, wird im Betrieb der Rauschpegel herabgesetzt, und zwar dadurch, daß der

mittlere Wert der Sammlung [IPjJ vergrößert wird. Wenn für einen der ΛΓ-Pegel W_x zu klein ist, wird ja das Umkodierungsrauschen eingeführt, während die Eingangspegel ständig zu einem Ausgangspegel addiert bzw. von demselben substrahiert werden, und zwar in einem fruchtlosen Versuch, dem Kriterium [Pi/n) -AfjJ < W_K zu entsprechen.

Ein Schlüsselloch mit veränderlicher Größe kann leicht bei Verwendung eines Mikroprozessors verwirklicht werden, wodurch ein »Zoom«-Element angeordnet werden kann. Die Algorithmenparameter [Afc] und

[W_x] sind von der Schlüssellochgröße abhängig. Ein Mikroprozessor ermöglicht es, diese Parameter jeweils zu berechnen, wenn die Schlüssellochgröße durch den Operator geändert wird.

Zum Schluß kann die beliebige Wahl von Szenerabtastungen, die obenstehend genannt wurde und dazu verwendet wird, die Teilrasterschlüssellochhistogrammänderung in einen pseudo vollständigen Rasteroperator umzuwandeln, programmiert und bei Verwendung eines Mikroprozessors leicht geändert werden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zum Umwandeln eines originalen Bildes, das aus einem Raster von Bildelementen besteht, deren Grauwerts digital kodiert sind, in ein modifiziertes Bild, das ebenfalls aus einem Raster von Bildelementen besteht, deren modifizierte Grauwerte eine vorgegebene Häufigkeitsverteilung (Histogramm) aufweisen,

mit einer Zählschaltung, die die Häufigkeit verschiedener Grauwerte getrennt zählt
mit einem Quantisierer mit einer Anzahl Quantisierstufen, von denen jede einer Anzahl benachbarter Grauwerte des originalen Bildes zugeordnet ist, wobei der Quantisierer für jeden Grauwert des originalen Bildes einen modifizierten Grauwert entsprechend der zugeordneten Quantisierstufe erzeugt, mit einer Steuerschaltung, die im Quantisierer abhängig von den Zählstellungen in der Zählschaltung die Zuordcoig der Grauwerte zu den Quantisierstufen steuert,

dadurch gekennzeichnet, daß die Zählschaltung (28) die modifizierten Grauwerte zählt und daß die Steuerschaltung (2i) eine Vergleichsschaltung (80) enthält die die Zählstellungen mit einem vorgegebenen Bereich, Fenster genannt, vergleicht und die Steuerschaltung (26) tn dem Quantisierer (24) die Zuordnung der Grauwerte zu den Quantisierstufen ändert, wenn eine dieser Zählstellungen außerhalb des Fensters liegt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Speicher (86) vorgesehen ist der eine Anzahl Fenster unterschiedlicher Größe enthält von denen ein Fenster auswählbar ist.

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, unter Anwendung optischer Techniken und unter Verwendung digitaler Rechenanlagen indirekte Bildkontrastvergrößerung zu erhalten. Bei Verwendung von Rechenanlagen wird eine Eingangsgraupegelinformation durch Anwendung mehrerer Umwandlungen bzw. Operatoren wie Histogrammglättung und Histogrammhyperbolisierung verarbeitet, bevor die umgewandelte Information einem Signalausgang zugeführt wird. Eine Histogrammglättungstechnik ist beschrieben worden von R. Hummel: Image Enhancement by Histogram Transformation, Computer Graphics and Image Processing 6, Seiten 184-195 (1977), und eine Histogrammhyperbolisierungstechnik ist beschrieben worden von We?ner Frei: Image Enchancement by Histogram Hyperpolisation, Computer Graphics and Image Processing 6, Seiten 286-294 (1977).

Zwei Techniken für Bildkontrastvergröflerung in »real time« sind beschrieben worden von David J.Ketcham: Real Time Image Enhancement Techfliques/SPIE/ OSA-Teil 74 (1976). Bildverarbeitung und diese Techniken sind in den US-Patentschriften 39 83 320 und 96 421 eingehend beschrieben worden. Eine dieser Techniken bezieht sich auf örtliche Histogramm Entzerrung (LAHE = Local Area Histogram Equalisation), und die andere Technik betrifft örtliche Kcntrastvergrößerung durch Einsstellung von Bildverstärkung und

-leuchtdichte. Die LAHE-Technik eignet sich zum Gebrauch in Situationen, in denen es erwünscht ist, Kontrastdämpfung in Bildbereicben auszuschalten, die einen statistisch kleinen, aber wichtigen Teil eines Graupegelhistogramms darstellen. Bei dieser Technik wird ein Histogramm der Intensitätswerte eines Bereiches von beispielsweise 32 X 32 Bildelementen berechnet, und es wird ein Umkodierungsverfahren auf Basis von Histogrammentzerrung ermittelt; dieses Verfahren wird bei den mittleren 4X4 Bildelementen des betreffenden Bereiches angewandt Der Bereich, der als Fenster oder Schlüsselloch bezeichnet wird, wird über vier Bildelemente längs derselben Linie bewegt, und das Verfahren wird wiederhol*, wobei der neue, in dem Konirast vergrößerte Bereich von 4x4 Bildelementen neben dem ersten Bereich liegt Dieses Verfahren wird mit jeweils vier Bildelementen längs einer Linie fortgesetzt, bis keine weitere horizontale Bewegung mehr möglich ist Das System läßt dann vier Bildelemente fallen, und das Verfahren wird schrittweise horizontal fortgesetzt Zum Schluß hat mit Ausnahme eines peripheren Bandes mit einer Tiefe von 14 Bildeiementen der restliche Teil des Bildes eine örtliche Histogrammentzerrung erfahren. Obschon die Technik an sich befriedigend ist, ist das System in der Struktur verwickelt und erfordert eine Vielzahl von Schaltungsanordnungen, insbesondere Speichern. Bei der VerstSrkung/Leuchtdichtetechnik (US-PS 39 96 421) wird ein kleineres Gleitfenster von 8X8 Bildelementen gewählt, und der Intensitätswert von nur einem Bildelement wird geregelt

Eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art ist aus der US-PS 39 79 555 bekannt. Diese Anordnung geht aus von einem gespeicherten Bild, von dem das vollständige Histogramm gebildet wird, und anhand dieses ermittelten Histogramms wird die Umwandlung in das modifizierte Bild, d. h. die Anfangs- und Endpunkte der Quantisierstufen, bestimmt. Eine Echtzeit-Bildverarbeitung von aufeinanderfolgenden Bildern, wie diese beispielsweise in einem Feroseh-Videosignal auftreten, kann damit nicht durchgeführt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrune, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art anzugeben, die mit geringem Schaltungsaufwand die Grauwerte der Bildpunkte von sich langsam ändernden Fernsehbildern in Echtzeit derart abändert, daß die dadurch erhaltenen abgeänderten Fernsehbilder ein vorgegebenes Histogramm der Grauwerte aufweisen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Durch eine interative Technik zum Bestimmen des Umkodierungsverfahrens, wobei Bildelemente in dem zu ändernden Eingangssignal entsprechend einem Kodierungsvefahren kodiert werden, das durch die Verteilung der Bildelemente in den Ausgangsgrauwerten der wiederzugebenden Information bestimmt wird, ist der Strukturaufbau des Systems einfacher und preisgünstiger als das System entsprechend der US-PS 39 83 320. Die iterative Technik weist jedoch im Vergleich zu der direkten Technik, die ein Histogramm der Eingangs» information bildet, das danach entzerrt wird, einen Nachteil auf, der darin besteht, daß von dem Startpunkt aus etwa 20 Raster erforderlich sind zum Ändern der Szene auf die gewünschte Weise, wobei alle Änderungen innerhalb 1 bis 5 Raster ermittelt werden, während bei der direkten Technik die gewünschte Änderung der Szene und das Ermitteln der Änderungen im allgemei-