CN100534202C - 图像色彩的增强处理装置和处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及图像色彩的增强处理装置，包括色彩空间区域参数存储模块、数个色彩空间区域判断及强度计算模块和色彩空间分量增强模块，所述色彩空间区域参数存储模块和色彩空间分量增强模块均与数个色彩空间区域判断及强度计算模块相连接。本发明还涉及图像色彩的增强处理方法，包括以下步骤：1、色彩空间区域判断及强度计算模块根据色彩空间区域参数存储模块配置的各色彩空间区域的色彩增强参数，计算象素点的色彩增强幅度，并发送与色彩空间分量增强模块；2、色彩空间分量增强模块根据该象素点的色彩增强幅度，计算所在色彩空间的各个色彩增强分量，然后将该色彩增强分量与象素点原色彩分量叠加输出。本发明可实现对特定色彩区域的色彩增强。

Description

图像色彩的增强处理装置和处理方法

技术领域

本发明涉及一种图像色彩的增强处理装置和处理方法，尤其是一种可以将图像进行区域化色彩增强处理的处理装置和处理方法。

背景技术

在图像/视频采集、显示与打印中，人们对图像/视频色彩的真实性、纯度等指标的要求越来越高；与此同时，显示时摄取、显示图像摄取设备中的感光器件与显示/打印设备中的发光/颜料器件的非线性特征与不匹配性决定必须对这些数据进行相应的后处理才能在现有的物理器件水平下最大可能地恢复自然的色彩并规避不适合人眼的色彩分量。人眼在不同外界环境对色彩的不同偏好要求实际的图像/视频采集和显示设备应该具有相应的色彩增强、校正和调节等功能；例如，在摄像机和电视机中具有图像饱和度、色相调整、特定色彩的增强和校正等。

现有的显示设备中已经具备了对图像/视频色彩及色调的整体调整功能：如饱和度，色相/色调等。一种最常用且最简单的装置和采用的方法是，首先利用色彩空间转换模块将图像/视频从RGB或CMYK等色彩空间转换到YUV或YCbCr等空间，然后利用坐标转换模块把颜色分量分解成相对独立的分量，如饱和度、色相/色调，接着需要调整饱和度分量时，利用饱和度调整模块使饱和度分量乘以一个分量α：当α>1时，整个图像/视频颜色饱和度增强；需要调整图像/视频的色调时，利用色调调整模块调整其UV平面的相位，使之加上一个色度分量θ，从而使得整个图像/视频的色调发生变化。

但是，这些调整功能只能针对整个色彩空间，而不是色彩空间中的特定区域，因此这些整体方法具有以下缺点：

1、可能将图像/视频整体饱和度调整得过强，使得灰度条及无色物体上也出现颜色，甚至使某些物体的颜色越过原来的区域，变成另外一种不能接受的颜色，例如，人脸变成红色。

2、色饱和度的简单调整可能造成部分数据超过最大表示范围，从而使得实际表示的色彩空间减小，从某种程度上反而降低图像/视频质量。

3、为了校正某些颜色的色调，可能同时错误地改变了其他颜色的色调，而这恰恰是需要避免的。

发明内容

本发明的目的是提供一种图像色彩的增强处理装置，可以对色彩空间的某些特定色彩区域进行色彩增强处理。

本发明的另一目的是针对上述图像色彩的增强处理方法的缺陷，提供一种图像色彩的增强处理方法，可以针对色彩空间的某些特定区域进行色彩增强处理。

为实现上述目的，本发明提供了一种图像色彩的增强处理装置，其中包括一色彩空间区域参数存储模块，用于存储色彩空间区域的配置参数；数个色彩空间区域判断及强度计算模块，与所述色彩空间区域参数存储模块均相连接，用于计算象素点的色彩增强幅度；一色彩空间分量增强模块，与所述数个色彩空间区域判断及强度计算模块均相连接，用于计算所述象素点增强幅度在所在色彩空间的分量，并与原象素点的色彩分量叠加后输出。

还包括用于将象素点处在的其他色彩空间转换为YUV色彩空间，并且将YUV色彩空间转换为极坐标系的色彩空间转换模块，所述色彩空间转换模块与所述数个色彩空间区域判断及强度计算模块均相连接。还包括用于将YUV色彩空间转换为非YUV色彩空间的色彩空间反转换模块，所述色彩空间反转换模块与所述色彩空间分量增强模块相连接。所述色彩空间分量增强模块包括互相连接的RGB分量区域自适应增强模块和局部修正模块，所述RGB分量区域自适应增强模块与所述数个色彩空间区域判断及强度计算模块均相连接。

为实现另一目的，本发明提供了一种图像色彩的增强处理方法，其中包括以下步骤：

步骤1、色彩空间区域判断及强度计算模块，根据色彩空间区域参数存储模块配置的各色彩空间区域的色彩增强参数，计算象素点的色彩增强幅度，并发送与色彩空间分量增强模块；

步骤2、色彩空间分量增强模块根据该象素点的色彩增强幅度，计算所在色彩空间的各个色彩增强分量，然后将这些色彩增强分量与象素点原色彩分量叠加输出。

所述步骤1之前还包括：色彩空间转换模块将YUV色彩空间转换为极坐标系。所述色彩空间转换模块将YUV色彩空间转换为极坐标系的步骤之前还包括：色彩空间转换模块将象素点处在的色彩空间转换为YUV色彩空间。

所述步骤2之后还包括：色彩空间反转换模块将YUV色彩空间转换为非YUV色彩空间。

所述步骤1具体为，色彩空间区域判断及强度计算模块对象素点的色彩分量进行判别，如果所述色彩分量为该色彩空间区域判断及强度计算模块所在区域，则根据色彩空间区域参数存储模块配置的各色彩空间区域的色彩增强参数，计算象素点的色彩增强幅度，并该色彩增强幅度和象素点色彩分量发送与色彩空间分量增强模块。

所述步骤1还可以具体为，色彩空间区域判断及强度计算模块不对象素点的色彩分量进行判别，根据色彩空间区域参数存储模块配置的各色彩空间区域的色彩增强参数，计算象素点的色彩增强幅度，并将色彩增强幅度和象素点色彩分量发送与色彩空间分量增强模块。所述计算象素点的色彩增强幅度为联合校正。

因此，本发明具有以下优点：

1、实现了根据图像/视频中像素点在色彩空间中的位置和参数确定的增强/校正区域，计算出需要增强/校正的强度和分量方向，从而最终有效地实现在该色彩分量上的增强/校正。

2、由于该增强/校正算法基于色彩空间的部分区域，因此能够准确地计算区域内的增强/校正并有效地避免和控制因为色彩校正而出现的缺陷。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明图像色彩的增强处理装置的一个实施例的结构示意图。

图2为本发明图像色彩的增强处理方法的一个实施例的流程图。

图3为本发明图像色彩的增强处理方法的增强幅度计算的示意图。

图4为经过图像增强处理的图像。

图5为未经图像增强处理的图像。

图6为本发明图像色彩的增强处理装置的另一个实施例的结构示意图。

图7为本发明图像色彩的增强处理方法的另一个实施例的流程图。

具体实施方式

本发明是首先将图像/视频中像素(图像点)个体及集合变换到相应的色彩表示空间(如RGB、CMY、YUV或CIE，甚至是自定义的色彩空间)以及扩展的坐标空间(笛卡尔坐标和极坐标等)。根据由参数定义的需要增强的色彩区域，计算是否需要增强(校正)以及增强的方向和幅度等，然后对其进行相应的增强处理并转换到相应的色彩空间。

如图1所示，为本发明图像色彩的增强处理装置的一个实施例的结构示意图，包括n个色彩空间区域判断及强度计算模块2-1～2-n，和与这些模块均连接的色彩空间转换模块1、色彩空间区域参数存储模块3和色彩空间分像素所在原始色彩空间坐标(X₁，X₂，…X_n)通过色彩空间转换模块1转换成色彩增强所需的色彩空间得到坐标(Y₁，Y₂，…Y_n)，原始的色彩空间可以是CMY、HIS或YIQ等，也可以是自定义的色彩空间，只要能有效表示色彩空间集合，即可以作为有效的色彩空间。色彩空间转换模块1块根据不同的空间转换会有很大不同，例如，从RGB到YUV(YCbCr)的空间转换可以简单地用矩阵方式实现，而对于YUV到极坐标(Y，r，θ)的转换则会引入相应的迭代逼近算法。

根据色彩空间区域参数存储模块3配制的(Y₁，Y₂，…Y_n)空间的区域参数集合以及衰减定义，由色彩空间区域判断及强度计算模块2-1～2-n计算得到该像素所对应的增强区域和增强幅度(Δ₁，Δ₂，…Δ_n)，并且考虑增强区域边缘内外的平缓过渡。

根据增强幅度计算得到的各个分量的增强分量，色彩空间各分量增强模块4实现对各分量方向的(Δ₁，Δ₂，…Δ_n)调整，这一调整包括对亮度补偿以及数据边界限制等处理。

增强完成的各分量经过色彩空间反转换模块5变换到相应的后续处理所需要的色彩空间中得到(Z₁，Z₂，…Z_n)。

如图2所示，为本发明图像色彩的增强处理方法的一个实施例的流程图，本实施例分别对蓝色，绿色，红色，黄色以及皮肤色进行了增强和校正处理；

步骤101、色彩空间转换模块将需要处理的图像元素(像素、图像点个体或者集合)转换到进行增强/校正的色彩空间；

如果图像元素本来就与增强处理处在同一个空间，则不需要转化，本实施例中需要处理的图像和视频像素在YUV域的坐标为(Y，U，V)，像素原本处在其它色彩空间，先进行相应的色彩空间转换，转换为YUV色彩空间。同时，由于需要在饱和度和色调(色相)方向进行准确灵活的调整，将YUV空间进一步转换到极坐标系(Y，r，θ)；

步骤102、色彩空间区域判断及强度计算模块，根据色彩空间区域参数存储模块配置的各色彩空间区域的色彩增强参数，计算象素点的色彩增强幅度，并发送与色彩空间分量增强模块；

根据色彩空间区域参数存储模块配置的各色彩空间区域的参数集合p划分的需要进行色彩增强的(Y，r，θ)空间的区域Ω_i，例如，对(Y，r，θ)空间中分别定义三维区间 ${\mathrm{\Ω}}_i\stackrel{\·}{=}\{Y\∈(Y_{s,i},Y_{t,i}),r\∈(r_{s,i},r_{t,i}),\mathrm{\θ}\∈({\mathrm{\θ}}_{s,i},{\mathrm{\θ}}_{t,i})\},$ i＝1，…，n，n即为区域个数，区域可以是一个也可以是多个；并同时考虑到YUV色彩空间分布、显示设备物理特性以及人眼的视觉特性。每个色度增强区域都对应一个Ω_i，本实施例即为五个区域，即为五个Ω。

计算象素点的色彩增强幅度时，考虑像素点(Y，r，θ)在划定区域Ω_i内的位置有两种处理方法，一种是先对(Y，r，θ)进行判别，然后针对其所落入的区域计算其需要增强的方向(如附图3所示)，如：

Δ＝f(Y，r，θ，p)(Y，r，θ)∈Ω_i             (1)

其中，(Y，r，θ)∈Ω_i表示所作的区域判断结果，从而减小增强/校正幅度的计算量，p表示该区域的衰减系数。这里Δ的调整量也由Ω_i的边界参数(Y_s，i，Y_t，i)，(r_s，i，r_t，i)，(θ_s，i，θ_t，i)以及区域衰减系数p同时决定；一般来讲，(Y，r，θ)离区域Ω_i的边界越近，则增强强度越小，越远则越强，p决定了强弱过渡的速度，但总的增强强度不会超过设定的峰值。

另一种方式是不对所在增强区域进行判别，采用串行或者并行的方式分别计算像素(Y，r，θ)在各个区域Ω_i内的增强/校正幅度，

Δ_i＝f(Y，r，θ，p)(Y，r，θ)∈Ω_i         (2)

f(.)可以有不同的表达式，例如其中一种，Δ_i＝f(Y，r，θ，p)(Y，r，θ)∈Ω_i，Δ_i＝min(p*Dist((Y，r，θ)，Ω_i边界)，H₁)，其中Dist((Y，r，θ)，Ω_i边界)表示被增强像素距离对应所属区域Ω_i边界(Y_s，i，Y_t，i)，(r_s，i，r_t，i)，(θ_s，i，θ_t，i)的最小距离。p表示相应的衰减系数，然后对各个Δ_i进行相应的联合校正(例如：插值)获得该像素进行增强和校正的强度Δ。所谓联合校正指调整量在各分量(如Y，r，θ)方向的同时调整；在串行结构中，区域Ω_i的划分可以有所重叠，但也可以通过控制Ω_i的调整；在串行结构中，区域Ω_i的划分可以有所重叠，但也可以通过控制Ω_i的区域设定参数来保证各个区域的不重叠性。一般来讲，靠近参数p决定的增强区域边界的像素的调整幅度的过渡系平缓的，以避免因为越变带来的风险，越是靠近区域Ω_i边缘的点的增强强度越小，从而使得区域边缘内外点的增强强度变化不是跃变的，实现平缓过渡。

本实施例中对蓝色、绿色、红色、黄色和皮肤色进行校正，增强幅度为Δ_i＝min(0.8*Dist((Y，r，θ)，Ω_i边界)，H₁)，i＝蓝色，绿色...皮肤色，Ω_i和H1由表1中值决定。(Ω_i以(Y_s，i，Y_t，i)，(r_s，i，r_t，i)，(θ_s，i，θ_t，i)为边界)

表1：色彩范围表。

 

区域颜色	Y<sub>s，i</sub>	Y<sub>t，i</sub>	r<sub>s，i</sub>	r<sub>t，i</sub>	θ<sub>s，i</sub>	θ<sub>t，i</sub>	H<sub>1，i</sub>
								蓝色	0	150	10	120	270°	10°	100
绿色	0	160	10	120	180°	270°	100
								红色	0	120	60	120	80°	170°	80
黄色	160	255	80	128	140°	225°	60
								皮肤色	80	200	20	60	70°	160°	20

当然，根据具体的色彩调整目标，除了校正强度还需要给出相应校准方向信息；这个方向信息在同一个区域内可以是一致变化，也可以是朝着区域内某个点或者线方向的。

步骤103、色彩空间分量增强模块根据该象素点的色彩增强幅度，计算所在色彩空间的各个色彩增强分量，然后将这些色彩增强分量与象素点原色彩分量叠加输出；

根据步骤102中计算的区域内色彩信息调整信息，(包括调整强度Δ和调整方向)，计算出在三分量(Y，r，θ)上的调整量(Δ_Y，Δ_r，Δ_θ)，这三个分量的调整量计算是由函数g(.)决定：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ}}_Y=g_1(\mathrm{\Δ},{\mathrm{\α}}_Y)\\ {\mathrm{\Δ}}_r=g_2(\mathrm{\Δ},{\mathrm{\α}}_r)\\ {\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{\θ}}=g_3(\mathrm{\Δ},{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\θ}})\end{array}\right.---\left(3\right)$

g_i(.)函数可以是调整强度Δ和参数α的线性变换也可以是非线性变换函数，(α_R，α_G，α_B)分别表示RGB三个方向的调整度权系数。g(.)的表达式可以多种形式，最简单的例如Δ_Y＝g₁(Δ，α_Y)＝α_Y·Δ；

在本实施例中对于皮肤色校正中，在θ方向的调整要用到非线性的表达式

在Y和r方向的调整的表达式为：

对于红色校正，在Y，r和θ方向的调整的表达式为：

对于蓝色、绿色和黄色等校正，在Y，r和θ方向的调整的表达式采用与上面红色校正表达式类似，当然在θ方向也可以根据需要采用与皮肤色校正类似的方法。

得到调整后的色彩分量：

$\left\{\begin{array}{c}Y\′=Y+{\mathrm{\Δ}}_Y\\ r\′=r+{\mathrm{\Δ}}_r\\ \mathrm{\θ}\′=\mathrm{\θ}+{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{\θ}}\end{array}\right.---\left(4\right)$

当然，调整前后的(Y，r，θ)和(Y′，r′，θ′)应尽量保持单调一致变化，而避免非一致性和不连续性。

如图4和图5所示，为经过图像增强和未经过图像增强的效果对比图。

步骤104、如果有需要，将(Y′，r′，θ′)所在的YUV色彩空间重新变换回需要进行其他处理或者输出的色彩空间，如(Y′，U′，V′)；而且，可以在该坐标反变换之前进行全局的色饱和度和色调等分量的调整。

如图6所示，为本发明图像色彩的增强处理装置的另一个实施例的结构示意图，包括n个色彩空间区域判断及强度计算模块2-1～2-n，和色彩空间分量增强模块4，色彩空间分量增强模块4包括互相连接的RGB分量区域自适应增强模块41和局部修正模块42，所述RGB分量区域自适应增强模块41与所述数个色彩空间区域判断及强度计算模块2-1～2-n均相连接。

本实施例选择在RGB色彩空间，并且同时考虑调整之后的局部调整，以尽量减少风险，本实施例与上一实施例的步骤基本相同，在RGB色彩空间，不但可以对红(Red)绿(Green)蓝(Blue)三种颜色分量进行调整，而且可以对其互补色青色(Cyan)粉色(Magnet)黄色(Yellow)进行相应的增强。如图7所示，为本实施例的方法流程图。

步骤201、色彩空间区域判断及强度计算模块，根据色彩空间区域参数存储模块配置的各色彩空间区域的色彩增强参数，计算象素点的色彩增强幅度，并发送与RGB分量区域自适应增强模块；

步骤202、局部修正模块根据输入的原始像素信息，进行例如数据边界限制等的局部调整，然后将调整信息发送与RGB分量区域自适应增强模块；

步骤203、RGB分量区域自适应增强模块根据该象素点的色彩增强幅度，和调整信息，计算所在色彩空间的各个色彩增强分量，然后将这些色彩增强分量与象素点原色彩分量叠加输出。

三份量Δ_R，Δ_G和Δ_B是与上例中(Δ_Y，Δ_r，Δ_θ)的计算类似 $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ}}_R=g_1(\mathrm{\Δ},{\mathrm{\α}}_R)\\ {\mathrm{\Δ}}_G=g_2(\mathrm{\Δ},{\mathrm{\α}}_G)\\ {\mathrm{\Δ}}_B=g_3(\mathrm{\Δ},{\mathrm{\α}}_B)\end{array}\right.,$ 其中g(.)的表达式与上一实施例中类似，可以有多种形式，而对应的(α_R，α_G，α_B)分别表示RGB三个方向的调整度权系数，色度增强可以写成：(R′，G′，B′)＝f(R，G，B，p，α)；

参数p，α决定了增强的强度和方向。例如，对于(p_i，α_i)＝红色，则p_i，α_i所划区域中像素点的R分量会明显高于GB分量，调整时Δ_R增大，Δ_G，Δ_B尽量减小，从而使得红色变纯，并补偿亮度的变化。同样，与实施例1类似，增强区域能增强强度的方向的连续单调性也由函数f(.)、g(.)和参数(Δ_R，Δ_G，Δ_B)得到很好的保证。

最后输出调整后的色彩分量 $\left\{\begin{array}{c}R\′=R+{\mathrm{\Δ}}_R\\ G\′=G+{\mathrm{\Δ}}_G\\ B\′=B+{\mathrm{\Δ}}_B\end{array}\right..$

由于RGB区域的调整可能影响到整个图像亮度的变化，对于需要保持两度的应用，需要对调整量对亮度的影响进行补偿。例如，Δ_Luma，601＝0.299Δ_R+0.587Δ_G+0.114Δ_B，则最终的RGB调整量可以写成 $\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ}\′}_R={\mathrm{\Δ}}_R-\mathrm{\κ}\·{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{Luma},601}\\ {\mathrm{\Δ}\′}_G={\mathrm{\Δ}}_G-\mathrm{\κ}\·{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{Luma},601}\\ {\mathrm{\Δ}\′}_B={\mathrm{\Δ}}_B-\mathrm{\κ}\·{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{Luma},601}\end{array},$ 其中κ系相应的调整衰减系数，处在0-1之间。当然，这个过程并非必须，因为有些应用对亮度的变化并没有严格要求。

本发明根据图像/视频中像素点(集合)在色彩空间中的位置和参数确定的增强/校正区域，计算出需要增强/校正的强度和分量方向，从而最终有效地实现在该色彩分量上的增强。由于该增强/校正算法基于色彩空间的部分区域，因此能够准确地计算区域内的增强/校正并有效地避免和控制风险和副作用。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (11)

1、一种图像色彩的增强处理装置，其中包括

一色彩空间区域参数存储模块，用于存储色彩空间区域的配置参数；

数个色彩空间区域判断及强度计算模块，与所述色彩空间区域参数存储模块均相连接，用于计算象素点的色彩增强幅度；

一色彩空间分量增强模块，与所述数个色彩空间区域判断及强度计算模块均相连接，用于计算所述象素点增强幅度在所在色彩空间的分量，并与原象素点的色彩分量叠加后输出。

2、根据权利要求1所述的图像色彩的增强处理装置，其中还包括用于将象素点处在的其他色彩空间转换为YUV色彩空间，并且将YUV色彩空间转换为极坐标系的色彩空间转换模块，所述色彩空间转换模块与所述数个色彩空间区域判断及强度计算模块均相连接。

3、根据权利要求1所述的图像色彩的增强处理装置，其中还包括用于将YUV色彩空间转换为非YUV色彩空间的色彩空间反转换模块，所述色彩空间反转换模块与所述色彩空间分量增强模块相连接。

4、根据权利要求1所述的图像色彩的增强处理装置，其中，所述色彩空间分量增强模块包括互相连接的RGB分量区域自适应增强模块和局部修正模块，所述RGB分量区域自适应增强模块与所述数个色彩空间区域判断及强度计算模块均相连接。

5、一种图像色彩的增强处理方法，其中包括以下步骤：

步骤1、色彩空间区域判断及强度计算模块，根据色彩空间区域参数存储模块配置的各色彩空间区域的色彩增强参数，计算象素点的色彩增强幅度，并发送与色彩空间分量增强模块；

步骤2、色彩空间分量增强模块根据该象素点的色彩增强幅度，计算所在色彩空间的各个色彩增强分量，然后将这些色彩增强分量与象素点原色彩分量叠加输出。

6、根据权利要求5所述的图像色彩的增强处理方法，其中所述步骤1之前还包括：色彩空间转换模块将YUV色彩空间转换为极坐标系。

7、根据权利要求6所述的图像色彩的增强处理方法，其中所述色彩空间转换模块将YUV色彩空间转换为极坐标系的步骤之前还包括：色彩空间转换模块将象素点处在的色彩空间转换为YUV色彩空间。

8、根据权利要求5所述的图像色彩的增强处理方法，其中所述步骤2之后还包括：色彩空间反转换模块将YUV色彩空间转换为非YUV色彩空间。

9、根据权利要求5所述的图像色彩的增强处理方法，其中所述步骤1具体为，色彩空间区域判断及强度计算模块对象素点的色彩分量进行判别，如果所述色彩分量为该色彩空间区域判断及强度计算模块所在区域，则根据色彩空间区域参数存储模块配置的各色彩空间区域的色彩增强参数，计算象素点的色彩增强幅度，并将该色彩增强幅度和象素点色彩分量发送与色彩空间分量增强模块。

10、根据权利要求5所述的图像色彩的增强处理方法，其中所述步骤1具体为，色彩空间区域判断及强度计算模块不对象素点的色彩分量进行判别，根据色彩空间区域参数存储模块配置的各色彩空间区域的色彩增强参数，计算象素点的色彩增强幅度，并将色彩增强幅度和象素点色彩分量发送与色彩空间分量增强模块。

11、根据权利要求10所述的图像色彩的增强处理方法，其中所述计算象素点的色彩增强幅度为联合校正。

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