CN101097707A - 积分直方图的自适应对比度控制 - Google Patents

Abstract

本发明规定了计算构成整个图像的多个区域的每一个区域中所有像素的亮度值的和。接着用每个帧末尾的全部亮度求和来创建直方图。该直方图被重新调节使得亮度范围被规格化。一旦已经创建了直方图，就使用每个帧的积分的亮度直方图来创建适当的传递函数。以这种方式，图像中显著对象内的细节可以增强，因为图像中对象的平均亮度被加权的要比提供更实际的传递函数的各个像素的亮度要多。

Description

积分直方图的自适应对比度控制

技术领域

本发明总的涉及提高视频和图形质量。

背景技术

显示设备将输入数据作为二维图像在颜色或灰度上进行渲染。输入数据本质上可以是图形的。这种设备的一个例子是PC显示监视器。输入数据可以是视频信号。这种设备的一个例子是TV或视频监视器。输入数据可以是图形和嵌入式视频的组合。这种设备的一个例子是PC显示监视器，其在窗口中显示具有一个或多个应用显示视频的图形，或者是具有两个或更多个的输入端口的PC/TV显示设备，其显示图形或全屏视频或图形和视频的组合，例如画中画。

观看者通常手工控制显示设备的颜色和对比度。手工控制的问题在于，对于所有可能的输入数据来说不能达到最佳的显示质量。例如，设置对比度控制以增加褪色图像的对比度，这对于普通图像来说将导致对比过度。使高度饱和图像的颜色饱和设置下降是最佳的，但是如果输入变化为饱和度减少的图像，则该设置现在会是次最佳的。观看者不断改变显示设置以适应输入图像的性质是不可行或不方便的，尤其是当输入是视频序列时。

手工控制对比度和颜色的另一个问题是，其对于输入数据性质不敏感。手工对比度控制向输入的1uma分量施加乘法因子。由于1uma值的有限动态范围，因此为了能够看到阴影细节而增加暗图像的对比度导致了亮区中的信息丢失。该控制的乘法性质还意味着不可能增加特别亮的图像的对比度。

为了向图形或视频图像应用图像改进效果，就需要知道图像内容的性质。为了在平板显示屏上正确显示图形或视频材料，就必须测量各种材料质量。为这些测量的每一个实现数字电子装置可能是浪费的。

例如，图1a示出了典型的中等亮的图像和该图像的基于单个像素的直方图。图1b示出了示例暗(低亮度)图像和该图像的基于单个像素的直方图。在所示的直方图中，水平轴表示亮度值并且垂直轴表示具有给定亮度值的各像素的数量。例如，对于图1b中的暗景物，亮度直方图指明大部分的像素具有低亮度，而对于图1a中的中亮度景物，亮度谱更宽，这指明更多数量的更亮像素。此外，暗图像的直方图在图2a中所示，并且用于增强这个图像的对比度的传递曲线在图2b中所示。该直方图指明大部分的像素是在低亮度的范围中。传递函数增加了图像高亮度区域中的亮度而基本上没有改变图像的中亮度和低亮度区域中的亮度。

但是不幸的是，由于传递函数基于的是从各个像素的亮度值导出的直方图，所以像素亮度值的小变化(其不太可能由观看者观察到)对于传递函数和所得的图像可造成不成比例的影响。

由此，所需要的是一种解决上面认识的问题的系统和方法。本发明解决了这一需要。

发明内容

广泛地说，本发明涉及增加在图像的显著区域中出现的亮度级的对比度。本发明可以用许多方式来实现，包括方法、系统、设备、装置或计算机可读介质。下面讨论本发明的若干实施例。

在一个实施例中，一种自适应对比度控制的方法包括下列操作：接收由多个像素形成的视频帧，每个像素具有关联的像素数据；为所接收的视频帧数据生成积分的亮度直方图；根据积分的亮度直方图来生成传递函数；和使用传递函数来更新视频帧数据。

在另一个实施例中，可由计算机处理器执行的用于自适应对比度控制的计算机程序产品包括：用于接收由多个像素形成的视频帧的计算机代码，每个像素具有关联的像素数据；用于为所接收的视频帧数据生成积分的亮度直方图的计算机代码；用于根据积分的亮度直方图来生成传递函数的计算机代码；用于使用传递函数来更新视频帧数据的计算机代码；和用于存储计算机代码的计算机可读介质。

在又另一个实施例中，描述了一种提供自适应对比度控制的设备，该设备包括：被设置为接收由多个像素形成的视频帧的接口，每个像素具有关联的像素数据；直方图生成器，用于为所接收的视频帧数据生成积分的亮度直方图；传递函数生成器，用于根据积分的亮度直方图来生成传递函数；和用于使用传递函数来更新视频帧数据的装置。

从下面的详细描述并结合附图，本发明的其它方面和优点将变得明显。

附图说明

图1示出根据本发明的一个实施例的示例中亮度图像和该图像的直方图。

图2示出根据本发明的一个实施例的示例暗(低亮度)图像和该图像的直方图。

图3示出用于增强图1所示图像中对比度的传递曲线。

图4示出用于增强图2所示图像中对比度的传递曲线。

图5图形说明本发明的实现。

图6示出根据本发明的一个实施例细化用于基于积分的亮度直方图来生成传递函数的过程的流程图。

具体实施方式

现在详细参考本发明的一个特殊实施例，该实施例的一个例子在附图中示出。尽管结合该特殊实施例描述了本发明，将理解的是，这不旨在将本发明限制于所描述的实施例。相反，这旨在覆盖可替换方式、修改和等效物，就如包括在由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内一样。

本发明的目的是利用有些受限的LCD亮度范围来以最可能的方式来渲染源图像。目的是为了使可视细节最大化并且在添加最少伪像的情况下增加图像的生动性。本发明规定了增加在图像的显著区域中出现的各亮度级的对比度。

当准备图像以供在例如诸如液晶显示器(LCD)、有机发光二极管(OLED)屏幕、数字光处理器(LCD)、阴极射线管(CRT)、等离子面板的显示器或其它类型的显示器上呈现时，所期望的是通过调整像素亮度级别来增强图像的对比度。传递曲线可用于描述输入亮度级别和输出亮度级别之间的映射。由于不同图像具有不同亮度直方图，所以所期望的是使传递曲线适应所讨论的特殊图像以便获得最佳的对比度增强。

本发明规定了计算构成整个图像的多个区域的每一个区域中所有像素的亮度值的和。接着用每个帧末尾的全部亮度求和来创建直方图。该直方图被重新调节使得亮度范围被规格化。例如，对于总共220个亮度箱(luminance bin)来说，亮度范围可以从16到235，其中亮度箱的平均值是256。一旦已经创建了直方图，就使用每个帧的积分的亮度直方图来创建适当的传递函数。以这种方式，图像中显著对象内的细节可以增强，因为图像中对象的平均亮度被加权的要比提供更实际的传递函数的各个像素的亮度要多。

在如图5所示的特殊实现中，视频帧F_s被分成总共P个像素(即，P＝M×N)的M个像素乘N个像素的区域R_i，每个像素具有特殊的亮度值Y_i，j，该Y_i，j是如等式1中所示的G(绿色)/2加上R(红色)/4加上B(蓝色)/8而计算的(是RGB转化为YUV的Y部分的近似值)，如等式1所示。

Y_i，j＝(0.257*R_i，j)+(0.504*G_i，j)+(0.098*B_i，j)    (等式1)

一旦计算了区域R_i中每个像素的亮度值，则使用等式(2)来计算区域R_i中所有像素的所有亮度值的平均值：

$Y_{\mathrm{reg}}=\underset{i,j=1}{\overset{M,N}{\mathrm{\Σ}}}{Y}_{i,j}/(M\×N)$                 (等式2)

接着使用积分的亮度值Y_reg来生成视频帧F_s的积分的亮度直方图H_int，根据如下描述的过程600从积分的亮度值Y_reg提供传递函数T_s并逐帧地应用。

图6示出了细化根据本发明的一个实施例的过程600的流程图。过程600在602通过接收以像素数据形式的视频帧而开始。如果在604像素数据不是YUV格式，则在606将像素数据转换成YUV格式。在任何情况下，在608，视频帧被分成多个区域，而在610，可以基于每个区域的所有像素亮度值的求和来计算每个区域的亮度值。在612，生成包括所有区域的亮度直方图。接着，在614，通过求特殊直方图值和为一(“1”)的平坦直方图之差来生成直方图差值。在616，接着将直方图差值乘以强度因素S_F，接着将被加回到平坦值。以这种方式，如此调节直方图使得为零(“0”)的强度值导致平坦线条，而为一(“1”)的强度值导致原始直方图。在618，接着如此限制调节的直方图值(由此限制在最终传递函数中任意点处的最大斜率)使得该限制之上的任何直方图值都通过将它们均匀地均分而被加回到直方图中。在620，通过积分所调节的直方图来创建传递函数，所述积分是通过在为0的点开始传递函数并接着对于每个后续位置，加进来自直方图的对应值，使得平坦线条的直方图给出直线的传递函数(其中输出值将等于输入值)。接着在622应用该传递函数。

应当注意，在所述的实施例中，为每个帧更新传递函数，使得如果有足够存储器可用(比如帧缓冲器)，则可以将更新的传递函数应用于生成传递函数的该帧。否则，如果没有足够的存储器可用，则将更新的传递函数应用于该帧之后的生成它的适当数量的帧(比如随后的一个或两个帧)。

包括在这里公开的设备的本发明的实施例可以在数字电子电路或以计算机硬件、固件、软件或它们的组合来实现。本发明的设备实施例可以在计算机可读存储设备中有形体现以供可编程处理器执行的计算机程序产品中实现；并且本发明的方法步骤可以由运行指令程序的可编程处理器执行，以便通过对输入数据进行操作并生成输出来执行本发明的功能。本发明的实施例可以有利地在一个或多个计算机程序中执行，这些计算机程序可在可编程系统中执行，所述可编程系统包括至少一个耦合的可编程处理器，用于从数据存储系统、至少一个输入设备、和至少一个输出设备接收数据和指令，并向它们发送数据和指令。每个计算机程序可以在高级过程或面向对象程序设计语言，或者如果需要以汇编或机器语言来实现；并且在任何情况下，该语言可以是编译的或解释的语言。

适合的处理器例如包括通用和专用微处理器。通常，处理器将从只读存储器和/或随机访问存储器接收指令和数据。通常，计算机将包括一个或多个用于存储数据文件的大容量存储设备；这种设备包括磁盘、比如内部硬盘和可移除磁盘；磁光盘；和光盘。适合于有形地体现计算机程序指令和数据的存储设备包括所有形式的非易失性存储器，例如包括半导体存储器件，比如EPROM、EEPROM和闪速存储器件；磁盘，比如内部硬盘和可移除盘；磁光盘；和CD-ROM盘。任何前述内容可以由ASIC(特定用途集成电路)补充或合并于其中。

已经描述了多个本发明的实施方式。然而，将会理解，在不偏离本发明的精神和范围的情况下可以作出各种修改。由此，其它实施例也在随后权利要求的范围内。

Claims (18)

1.一种自适应对比度控制的方法，包括：

接收由多个像素形成的视频帧，每个像素具有关联的像素数据；

为所接收的视频帧数据生成积分的亮度直方图；

根据积分的亮度直方图来生成传递函数；并且

使用传递函数来更新视频帧数据。

2.如权利要求1所述的方法，其中生成积分的亮度直方图，包括：

将视频帧分成多个区域，每个区域具有数量大致相同的像素；

为每个区域的每个像素生成亮度值；

对每个区域中像素的亮度值求和；

将每个区域的求和亮度值除以每个区域中的像素数量，以生成区域亮度值；并且

使用视频帧的区域亮度值来生成积分的亮度直方图。

3.如权利要求1所述的方法，还包括：

根据Y_i，j＝(0.257*R_i，j)+(0.504*G_i，j)+(0.098*B_i，j)来提供像素P_ij的像素亮度值Y_i，j，其中R_i，j，G_i，j，B_i，j是像素P_ij的RGB颜色分量。

4.如权利要求1所述的方法，还包括：

调节积分的亮度直方图。

5.如权利要求1所述的方法，还包括在显示器上显示更新的视频帧。

6.如权利要求5所述的方法，其中从包括LCD屏幕、OLED屏幕、DLP屏幕、CRT屏幕和等离子面板的组中选择所述显示器。

7.可由计算处理器执行的用于自适应对比度控制的计算机程序产品，包括：

用于接收由多个像素形成的视频帧的计算机代码，每个像素具有关联的像素数据；

用于为所接收的视频帧数据生成积分的亮度直方图的计算机代码；

用于根据积分的亮度直方图来生成传递函数的计算机代码；

用于使用传递函数来更新视频帧数据的计算机代码；和

用于存储计算机代码的计算机可读介质。

8.如权利要求7所述的方法，其中生成积分的亮度直方图，包括：

用于将视频帧分成多个区域，每个区域具有数量大致相同的像素的计算机代码；

用于为每个区域的每个像素生成亮度值的计算机代码；

用于对每个区域中像素的亮度值求和的计算机代码；

用于将每个区域的求和亮度值除以每个区域中的像素数量，以生成区域亮度值的计算机代码；并且

用于使用视频帧的区域亮度值来生成积分的亮度直方图的计算机代码。

9.如权利要求7所述的计算机程序产品，还包括：

用于根据Y_i，j＝(0.257*R_i，j)+(0.504*G_i，j)+(0.098*B_i，j)来提供像素P_ij的像素亮度值Y_i，j的计算机代码，其中R_i，j，G_i，j，B_i，j是像素P_ij的RGB颜色分量。

10.如权利要求7所述的计算机程序产品，还包括：

用于调节积分的亮度直方图的计算机代码。

11.如权利要求7所述的计算机程序产品，还包括：

用于在显示器上显示更新的视频帧的计算机代码。

12.如权利要求11所述的计算机程序产品，其中从包括LCD屏幕、OLED屏幕、DLP屏幕、CRT屏幕和等离子面板的组中选择所述显示器。

13.一种用于提供自适应对比度控制的设备，包括：

被设置为接收由多个像素形成的视频帧的接口，每个像素具有关联的像素数据；

直方图生成器，用于为所接收的视频帧数据生成积分的亮度直方图；

传递函数生成器，用于根据积分的亮度直方图来生成传递函数；和

用于使用传递函数来更新视频帧数据的装置。

14.如权利要求13所述的设备，其中生成积分的亮度直方图，包括：

用于将视频帧分成多个区域的装置，每个区域具有数量大致相同的像素；

用于为每个区域的每个像素生成亮度值的装置；

用于对每个区域中像素的亮度值求和的装置；

用于将每个区域的求和亮度值除以每个区域中的像素数量以生成区域亮度值的装置；和

用于使用视频帧的区域亮度值来生成积分的亮度直方图的装置。

15.如权利要求13所述的设备，还包括：

用于根据Y_i，j＝(0.257*R_i，j)+(0.504*G_i，j)+(0.098*B_i，j)来提供像素P_ij的像素亮度值Y_i，j的装置，其中R_i，j，G_i，j，B_i，j是像素P_ij的RGB颜色分量。

16.如权利要求13所述的设备，还包括：

用于调节积分的亮度直方图的装置。

17.如权利要求13所述的设备，还包括：

用于在显示器上显示更新的视频帧的装置。

18.如权利要求17所述的设备，其中从包括LCD屏幕、OLED屏幕、DLP屏幕、CRT屏幕和等离子面板的组中选择所述显示器。

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