CN100512375C - 一种视频图像对比度增强方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种视频图像对比度增强方法及装置，对于输入的一帧图像数据进行灰度直方图统计得到本帧图像的归一化灰度直方图，归一化灰度直方图数据再和归一化基础直方图按照设定的比例进行叠加得到归一化计算直方图；再对归一化计算直方图进行累加得到灰度映射函数进行缓存；同时按照上一帧图像计算得到的灰度映射函数对本帧图像进行灰度变换得到对比度增强后的视频图像数据，采用该方法可以在实现视频图像反Gamma校正的同时获得对比度增强的效果。

Description

一种视频图像对比度增强方法及装置

技术领域

本发明涉及一种视频图像显示领域，尤其涉及视频一种图像对比度增强方法和装置。

背景技术

由于阴极射线管电视(CRT)的显示特性是非线性的，目前使用的视频图像信号为了适应阴极射线管电视(CRT)显示的要求，在视频图像信号发送端都预先作了Gamma校正，所以电视接收到的视频图像信号并不是线性的。而对于等离子体电视(PDP)、液晶电视(LCD)等电视而言，其显示特性是线性的，为了显示经过预校正的视频信号，必须对视频信号进行反Gamma校正。为了增强视频图像的显示效果，对比度增强技术是提高视频图像画面显示质量的一项重要的技术手段。但对于现有的技术而言，往往两者是分开进行的，造成在进行对比度增强时灰度级损失，特别是低灰度级损失非常严重，而限制了对比度增强的效果的进一步提升。直方图均衡化是一种重要的图像对比度增强的技术手段，但其增强效果是不可控的，对于视频图像、特别是电视显示来说是不适用的，其增强效果太强引起了图像的失真。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于反Gamma校正的可控灰度直方图均衡化视频图像对比度增强方法及其实现上述方法的装置。

为了实现上述任务，本发明采取的技术方案是这样的：一种视频图像对比度增强方法，其特征在于，包括下列步骤：

接收一帧视频图像，对其进行灰度直方图统计得到归一化灰度直方图P(k)；

根据接收到的反Gamma校正系数r计算得到归一化基础直方图P_c(k)；

归一化直方图P(k)和归一化基础直方图P_c(k)根据接收到的对比度增强系数C按比例叠加得到归一化计算直方图P_a(k)；

使用归一化计算直方图P_a(k)按照直方图均衡化的方法得到灰度映射函数；同时采用上一帧图像运算得到的灰度映射函数对接收到的视频图像进行灰度变换得到对比度增强后的视频图像数据。

所述的归一化基础直方图是根据设定的反Gamma校正系数计算的，计算的方法如下：首先设定反Gamma校正的系数，反Gamma校正系数取值在1～2.5之间，设定反Gamma校正系数后，做出反Gamma校正函数，基础直方图通过对反Gamma校正函数进行差分得到。

具体处理步骤如下：

首先，根据输入的图像数据计算出一帧图像的归一化灰度直方图P(k)，(k＝0，1，2LH-1)，即灰度k在图像中出现的次数和总像数数的比值，其中k为灰度值，H为图像的灰度等级，P(k)为灰度分布的概率密度0≤P(k)≤1；

计算得到归一化基础直方图，首先设定反Gamma校正系数为r，计算得到反Gamma校正函数，G_r(k)＝(k/H)^r，其中k为灰度值，H为图像灰度等级，得归一化基础直方图为：P_c(k)＝G_r(k)-G_r(k-1)，(k＝1，2LH-1)P_c(0)＝0；

归一化计算直方图的计算过程如下：设定对比度增强系数为C，归一化计算直方图P_a(k)＝C*P(k)-(1-C)*P_c(k)，(k＝0，1，L，H-1)；其中k为灰度值，C为对比度增强系数，取值范围为0～1；

灰度映射函数的计算：最终的灰度映射函数由归一化计算直方图计算得到，计算的方法为： $G_o\left(k\right)=H*\underset{i=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Pa}\left(i\right);$ 其中G_o为输出的灰度值，k为输入的灰度值，H为图像灰度等级；灰度映射函数计算完后进行缓存，在下一帧图像变换时使用。

同时根据上一帧图像计算的到灰度映射函数对当前输入的图像进行变换得到对比度增强并经过反Gamma校正的图像。

一种实现基于反Gamma校正的对比度增强算法的装置，其特征在于，该装置至少包括灰度直方图统计电路、直方图变换电路、灰度映射函数计算电路、灰度映射变换电路；

输入视频图像信号送入灰度直方图统计电路，灰度直方图统计电路对视频图像的灰度直方图进行统计得到归一化灰度直方图，归一化灰度直方图由灰度直方图统计电路送入直方图变换电路，直方图变换电路完成归一化基础直方图的计算，归一化灰度直方图和归一化基础直方图的按比例叠加，得到归一化计算直方图；灰度映射函数计算电路接收直方图变换电路送来的归一化计算直方图，对其进行累加运算得到灰度映射函数；计算得到的灰度映射函数送到灰度映射变换电路，灰度映射变换电路包括两个灰度映射表，其中一个接收灰度映射函数，另一个灰度映射表对接收到的图像进行变换，两个灰度映射表进行乒乓操作，每帧图像轮换一次。

其中，直方图变换电路包括基础直方图计算电路、对比度增强系数处理电路、乘法器电路、加法器电路、灰度映射函数计算电路；直方图变换电路接收归一化灰度直方图P(k)、反Gamma校正系数r和对比度增强系数C，基础直方图计算电路根据反Gamma校正系数r产生归一化基础直方图；对比度增强系数处理电路根据对比度增强系数C产生两个加权系数C和(1-C)分别送给两个乘法器电路；其中一个乘法器电路完成C*P(k)的运算；另一个乘法器电路完成(1-C)*P_c(k)的运算；加法器电路完成P_a(k)＝C*P(k)-(1-C)*P_c(k)的运算；灰度映射函数计算电路完成根据归一化计算直方图计算得到灰度映射函数。

本发明的视频图像对比度增强方法和装置，采用该方法可以在进行反Gamma校正的同时对视频图像进行对比度增强。而且对比度增强是基于灰度直方图均衡化算法，可以对各种图像取得较好的增强效果。本发明的方法还可以对增强效果进行控制，以满足用户不同的需求。

附图说明

图1是一图像归一化灰度直方图示例；

图2是反Gamma校正系数为2.2时反Gamma校正函数示例；

图3是反Gamma校正系数为2.2时归一化基础直方图；

图4是归一化计算直方图示例；

图5是直接灰度直方图均衡化灰度映射函数示例；

图6是增强系数为0.5时灰度映射函数示例；

图7是增强系数为0.5时增强后归一化灰度直方图示例；

图8是本发明的对比度增强方法所实现的装置结构示意图；

图9是直方图变换电路；

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式

附图1是一帧输入图像的归一化灰度直方图示例，由图像的归一化直方图可以看出输入的这一帧图像的灰度级在50～225之间比较集中，图像对比度较差。

附图2是当反Gamma校正系数为2.2时的反Gamma校正函数示意图，横坐标为输入灰度值，纵坐标为输出灰度值。

附图3是根据图2所示的反Gamma校正函数计算的归一化基础直方图。归一化基础直方图为反Gamma校正函数的差分。

附图4是当对比度增强系数为0.5时，计算得到的归一化计算直方图，即附图1所示的归一化灰度直方图乘0.5和附图3所示的归一化基础直方图乘0.5相加得到。

附图5是根据归一化灰度直方图直接进行灰度直方图均衡化算法得到的灰度映射函数。附图6是本发明提出的方法在对比度增强系数为0.5时计算得到的灰度映射函数。由附图6可以看出，本发明提出的方法包含了灰度直方图均衡化方法和反Gamma校正的效果。

附图7是本发明提出的方法在反Gamma校正系数为2.2，对比度增强系数为0.5时，对归一化灰度直方图如附图1所示的一帧图像进行变换后的图像归一化灰度直方图，由图中可以看出，图像的归一化灰度直方图比附图1所示的归一化灰度直方图占的范围大了一些，也就是有图像对比度增强的效果，同时归一化灰度直方图向低灰度值方向有一定的偏移，这是反Gamma校正的效果。所以采用本发明提出的方法可以在进行反Gamma校正的同时取得了对比度增强的效果。

附图8是本发明提出实现对比度增强算法的装置结构示意图，视频图像输入灰度直方图统计电路110，灰度直方图统计电路110对输入的一帧视频图像进行灰度直方图进行统计计算，得到归一化灰度直方图P(k)，(k＝0，1，2LH-1)，其中k为灰度值，H为输入图像的灰度等级，归一化灰度直方图P(k)送给直方图变换电路120；灰度直方图变换电路120同时接收反Gamma校正系数r和对比度增强系数C，直方图变换电路120对归一化灰度直方图进行处理，直方图变换电路根据反Gamma校正系数r计算得到归一化基础直方图P_c(k)，然后计算得到归一化计算直方图P_a(k)＝C*P(k)-(1-C)*P_c(k)。归一化计算直方图P_a(k)送给灰度映射函数计算电路130，灰度映射函数计算电路130根据归一化计算直方图P_a(k)计算得到灰度映射函数G_o(k)。灰度映射变换电路接收灰度映射计算电路130计算得到的灰度映射函数G_o(k)并进行缓存，同时接收视频图像数据，并根据上一帧图像计算得到灰度映射函数G_o(k)对接收到的视频图像数据进行灰度变换得到增强后的视频图像数据送出，所以灰度映射计算电路130要缓存两帧图像计算得到的灰度映射函数。

附图9是直方图变换电路120的电路图，直方图变换电路包括基础直方图计算电路230，对比度增强系数处理电路220，乘法器电路240、250，加法器电路260，灰度映射函数计算电路280；直方图变换电路接收归一化灰度直方图P(k)、反Gamma校正系数r和对比度增强系数C，基础直方图计算电路230根据反Gamma校正系数r产生归一化基础直方图P_c(k)；对比度增强系数处理电路220根据对比度增强系数C产生两个加权系数C和(1-C)分别送给乘法器电路250和240；乘法器电路250完成C*P(k)的运算；乘法器电路240完成(1-C)*P_c(k)的运算；加法器电路260完成P_a(k)＝C*P(k)-(1-C)*P_c(k)的运算；灰度映射函数计算电路280完成根据归一化计算直方图计算得到灰度映射函数。

综上所述，本发明的视频图像对比度增强方法及装置，可以在进行视频图像反Gamma校正的同时获得对比度增强的效果。

Claims (6)

1、一种视频图像对比度增强方法，其特征在于，包括下列步骤：

接收一帧视频图像，对其进行灰度直方图统计得到归一化灰度直方图P(k)；

根据接收到的反Gamma校正系数r计算得到归一化基础直方图P_c(k)；归一化灰度直方图P(k)和归一化基础直方图P_c(k)根据接收到的对比度增强系数C按比例叠加得到归一化计算直方图P_a(k)；

使用归一化计算直方图P_a(k)按照直方图均衡化的方法得到灰度映射函数；同时采用上一帧图像运算得到的灰度映射函数对接收到的视频图像进行灰度变换得到对比度增强后的视频图像数据。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据反Gamma校正系数计算归一化基础直方图的方法为；首先根据反Gamma校正系数计算反Gamma校正函数，然后计算其差分即可得到归一化基础直方图。

3、如权利要求1所述的方法，其特征在于，归一化计算直方图由归一化灰度直方图和归一化基础直方图叠加得到，计算方法为，P_a(k)＝C*P(k)-(1-C)*P_c(k)。

4、如权利要求1所述的方法，其特征在于，灰度映射函数计算是按照直方图均衡化方法由归一化计算直方图P_a(k)得到，计算方法为： $G_o\left(k\right)=H*\underset{i=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{P}_a\left(i\right),$ 其中G_o为输出的灰度值，k为输入的灰度值，H为图像灰度等级。

5、一种实现权利要求1所述的视频图像对比度增强方法的装置，包括有灰度直方图统计电路、直方图变换电路、灰度映射函数计算电路、灰度映射变换电路；

输入视频图像信号送入灰度直方图统计电路，灰度直方图统计电路对视频图像的灰度直方图进行统计得到归一化灰度直方图，归一化灰度直方图由灰度直方图统计电路送入直方图变换电路，直方图变换电路完成归一化基础直方图的计算，归一化灰度直方图和归一化基础直方图的按比例叠加，得到归一化计算直方图；灰度映射函数计算电路接收直方图变换电路送来的归一化计算直方图，对其进行累加运算得到灰度映射函数；计算得到的灰度映射函数送到灰度映射变换电路，灰度映射变换电路包括两个灰度映射表，其中一个接收灰度映射函数，另一个灰度映射表对接收到的图像进行变换，两个灰度映射表进行乒乓操作，每帧图像轮换一次。

6、如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述的直方图变换电路包括基础直方图计算电路、对比度增强系数处理电路、乘法器电路、加法器电路、灰度映射函数计算电路；直方图变换电路接收归一化灰度直方图P(k)、反Gamma校正系数r和对比度增强系数C，基础直方图计算电路根据反Gamma校正系数r产生归一化基础直方图；对比度增强系数处理电路根据对比度增强系数C产生两个加权系数C和(1-C)分别送给两个乘法器电路；其中一个乘法器电路完成C*P(k)的运算；另一个乘法器电路完成(1-C)*P_c(k)的运算；加法器电路完成P_a(k)＝C*P(k)-(1-C)*P_c(k)的运算；灰度映射函数计算电路完成根据归一化计算直方图计算得到灰度映射函数。

Images