CN101133430A - 图像对比度和锐度增强 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于图像增强的方法。可以通过以下操作来防止在具有边缘的区域内的图像提升的过冲：把图像分解成至少三个子图像，其中每个子图像表示该图像的相应的空间频率范围；至少根据另一个频率范围的像素细节信号来计算至少其中一个所述子图像的像素细节信号；根据相应的像素细节信号来计算所述子图像内的像素的像素改变值；通过根据相应的像素改变值改变所述子图像内的像素值来计算改变后的子图像；以及把所述改变后的子图像组合成输出图像。

Description

图像对比度和锐度增强
技术领域
本公开内容总体涉及改变图像内的像素值，例如改变静止图像或视频图像内的像素值。
背景技术
从当前的应用中可以获知通过利用局部对比度提升或者其他算法的图像增强。例如，可以通过“提升”图像特征来增强图像内容，所述图像特征比如是在除了最低频率之外的空间频谱的所有频率上的像素值。已经开发了多种用于对信号进行处理和滤波的技术，所述信号例如表示二维图像(比如静止图像或视频图像)。由于传输噪声或其他因素，可能需要改进图像的清晰度、对比度和锐度。还有可能出现的情况是原始图像本身不够清楚并且需要被锐化。可以通过增强图像的高频空间分量来增强模糊的图像或者感知上模糊的图像。例如，在传输期间，高频分量的质量通常比低频分量下降得更厉害。因此，在补偿于传输期间损失的高频分量方面，增强高频分量可能是有效的。迄今为止，已经开发了对图像的高空间频率分量进行修改或补充的图像处理技术。
例如在US 5,717,789中提到的用于增强图像的一个可能的例子是Burt金字塔算法，其允许在不引入由于混叠而造成的乱真信号频率的情况下从分量子谱图像合成原始高分辨率图像。该Burt金字塔算法允许按照单独分量图像的分级结构把原始图像分解成多个子图像。每一个子图像可以是包括原始图像的不同空间频率范围的拉普拉斯图像加上残余的高斯图像。
所述提升可以导致改变相应的频率范围内的像素值。原始图像G0可以通过下式被增强成增强图像G0’：
G0’＝g0D0+g1D1+g2D2+...+gn-1Dn-1+Gn，
其中gn≥1，g是像素改变值，并且Dn是在原始图像的相应的谱频率范围内的子图像或所导出的子图像。Dn可以被理解为从“主”子图像Gn导出的一组子图像。在本公开内容的上下文中，Dn和Gn都可以被理解为子图像，其中Dn是从Gn导出的，这在下面将进行更加详细的描述。与通常仅仅对表示边缘的最高空间频率进行操作的锐化技术相对，对于除了最低频率范围之外的所有频率下的像素值的所述提升可以在具有很小对比度的平滑图像区域内同时增强锐度和对比度。
然而，在不管图像内容的情况下改变所有频率范围内的像素值可能会导致过冲，即在具有边缘的区域内提升像素值的程度高于所期望的程度，从而导致较差的图像质量。在具有低对比度的区域内，所述增强可能会导致图像改进，但是具有高对比度和边缘的区域可能被改变成使得它们导致“发光”效应，即像素值在某些区域内过高从而无法得到图像改进。在邻近边缘的区域内，像素值可能会被提升得过多，从而导致这些像素看起来太亮。
因此，本发明的一个目的是提供一种考虑到不同图像区域内的不同对比度的图像增强。本发明的另一个目的是提供仅仅在必要的情况下才改变像素值的图像增强。本发明的另一个目的是提供图像增强，其中在计算较低频率范围内的像素改变值时考虑到较高频率范围的像素改变值。本发明的另一个目的是减轻局部对比度提升技术的“发光”效应。
发明内容
根据实施例，上述和其他目的是通过一种改变图像内的像素值的方法而实现的，该方法包括：把图像分解成至少三个子图像，其中每个子图像表示该图像的相应的空间频率范围；至少根据另一个频率范围的像素细节信号来计算至少其中一个所述子图像的像素细节信号；根据相应的像素细节信号来计算所述子图像内的像素的像素改变值；通过根据相应的像素改变值改变所述子图像内的像素值来计算改变后的子图像；以及把所述改变后的子图像组合成输出图像。
所述子图像例如可以通过利用卷积滤波器进行卷积和抽样来产生。所述卷积滤波器可以是FIR滤波器。例如，利用具有1d系数的可分离FIR滤波器来增强5×5或7×7图像段是有可能的。所述滤波器系数可以例如是(1，4，6，4，1)/16或(1，6，15，20，15，6，1)/64。例如在经过了因数为2的水平和垂直下采样之后，这种滤波器的输出可以被反馈到输入。例如，原始的256×256图像给出128×128的经过滤波和下采样的图像，而不是64×64的图像等等。所述FIR滤波器的输出可以被反馈到其输入，从而导致具有较小对比度的图像序列，这是由于高频分量的数量被减少。
根据实施例，所述子图像可以表示处在相应的空间频率范围内的所述原始图像的单独分量图像。对于每一个子图像，可以计算至少取决于另一个频率范围内的子图像的像素细节信号的像素细节信号。这样允许产生已经考虑了在更高频率的子图像内检测到的像素细节的像素细节信号。因此就已经能够考虑到更高频率下的像素提升。
可以从相应的像素细节信号来计算允许改变对应的频率范围内的像素值的像素改变值。利用所述像素改变值，可以改变相应的频率范围(例如相应的子图像)内的像素值。改变后的子图像可以被组合成具有增强的锐度和对比度特性的输出图像。
根据一个实施例，所述像素细节信号可以是至少取决于相邻频率范围的像素细节信号的累积像素细节信号。例如，在计算所述像素细节信号时，可以产生一个环路来输入更高频率的像素细节信号，以便计算下一个频率范围的像素细节信号。这样允许考虑到更高频率范围内的所检测到的像素细节。
在计算所述像素细节信号时，实施例可以包括计算另一个频率范围内的像素细节信号的K×L像素的孔径内的最大像素值，该孔径围绕所述相应的像素。K和L可以表示整数。例如，该孔径可以表示一个5×5像素滤波器。在围绕先前频率范围的像素细节信号中的对应像素的5×5像素的区域内，可以获得所述最大值。
由于每个较低频率具有更大的工作区域，因此必须利用一个在类似的更大区域上散步所述值的函数把来自更高频段的像素细节信号累加到该工作区域。例如，在计算所述最大像素值之前对所述像素细节信号进行上采样。所述上采样可以通过例如把像素数增大1倍来实施，这例如是通过内插进行的。
针对在利用经过上采样的像素细节信号计算了所述最大像素值之后计算相应的频率范围内的像素细节信号，实施例可以规定：在计算了所述最大像素值之后对所述像素细节信号进行下采样。所述下采样的数量可以与先前的上采样相同。
针对提升较高频率下的像素值，实施例可以规定：计算所述像素改变值包括随着增大的累积像素细节信号而减小所述像素改变值。所述像素细节信号考虑到所述像素改变值。
根据实施例，所述像素改变值被计算为：
g 1 = 1 + ( f - 1 ) MAX ( T - CATS i T , 0 )
其中，g是像素改变值，f是增益因数，T是阈值，CATS是像素细节信号，i是表示相应的频率范围的整数。MAX()导致在
Figure A20068000682700082
与0之间的最大值，从而仅仅具有正数值。如果CATS值是0，即尚未检测到累积像素细节信号，则可以用完全增益因数f来提升该频段。随着CATS增大，所述增益过渡到1，其中当该CATS值超出阈值T时该增益到达1。全局增益因数f例如可以在2到3之间。所述阈值可以典型地在64附近。
根据实施例，可以对于所述至少三个子图像的至少其中之一计算导出的子图像。所述导出的子图像可以例如是高斯差分(DOGS)图像。可以从下一个更高频率范围的子图像中减去所述子图像，从而产生所述高斯差分图像。
根据一个实施例，所述像素细节信号可以被计算为CATSi＝absDi(x，y)+max CATSi-1。较高频率范围的像素细节信号(CATS)的最大像素值(max)可以被加到所导出的子图像(D)的绝对值上，从而获得相应的频率范围的像素细节信号(CATS)。整数i可以表示相应的频率范围。
根据实施例，对应于最高频率范围的像素细节信号是第一导出子图像的绝对值。这说明对于该最高频率范围将没有更高频率范围的像素细节信号被用作用于计算所述像素细节信号的输入。
实施例可以规定：把图像分解成至少三个子图像包括至少迭代地应用空间低通滤波。所述空间低通滤波可以是FIR滤波器。该低通滤波器的输出可以被反馈到输入，以便获得低通滤波的一次迭代。
实施例可以规定：在低通滤波之后对经过低通滤波的图像进行下采样。在经过下采样的子图像被用于计算所导出的子图像的情况下，对这些经过下采样的子图像进行内插，以便允许从下一个更高频率范围的子图像中减去所述子图像。
实施例可以规定：通过计算所述改变后的子图像与最低频率范围内的子图像的求和值把所述改变后的子图像组合成输出图像。这例如可以通过计算下式来进行：
G 0 , ( x , y ) = G N ( x , y ) + Σ i = 0 N - 1 g i D i ( x , y )
其中，G0’是输出图像，GN是最低频率范围内的子图像，gi是像素改变值，Di是所导出的子图像。N表示子图像的绝对数目，i表示相应的频率范围。
通过把所导出的子图像的提升后的值与所述像素改变值相加来计算增强后的输出图像涉及到在不同的栅格内对像素进行内插。频率范围i的所导出的子图像具有M/2i×N/2i的栅格，因此，在将其相加之前需要对所导出的子图像进行上采样。
本发明的另一方面是一种图像增强设备，其包括：第一滤波器装置，其用于把图像分解成至少三个子图像，其中每个子图像表示该图像的相应的空间频率范围；第一组合装置，其用于至少根据另一个频率范围的像素细节信号来计算至少其中一个所述子图像的像素细节信号；第二组合装置，其用于根据相应的像素细节信号来计算所述子图像内的像素的像素改变值；计算装置，其用于通过根据相应的像素改变值改变所述子图像内的像素值来计算改变后的子图像；以及第三组合装置，其用于把所述改变后的子图像组合成输出图像。
本发明的另一方面是一种具体包含在信息载体内的计算机程序产品，该计算机程序产品包括指令，当执行所述指令时，其使得至少一个处理器执行以下操作：把图像分解成至少三个子图像，其中每个子图像表示该图像的相应的空间频率范围；至少根据另一个频率范围的像素细节信号来计算至少其中一个所述子图像的像素细节信号；根据相应的像素细节信号来计算所述子图像内的像素的像素改变值；通过根据相应的像素改变值改变所述子图像内的像素值来计算改变后的子图像；以及把所述改变后的子图像组合成输出图像。
本发明的另一方面是在图像处理和视频处理中使用这种方法。
附图说明
参照附图，本发明的这些和其他方面将变得显而易见。
图1示出了用于获得子图像、所导出的子图像以及像素细节信号的方框图；
图2示出了另一个实施例的方框图；
图3示出了根据实施例把像素细节值、所导出的子图像和子图像组合成输出图像。
具体实施方式
图1示出了一种用于获得增强的图像的方法的方框图。在图1-3中，G表示子图像，i表示对应的频率范围，G0表示原始图像，D表示所导出的子图像，CATS表示像素细节信号，g表示像素改变值，gD表示改变后的子图像。
输入图像G0被输入到高斯低通滤波器2。该高斯低通滤波器2可以是FIR滤波器。该高斯低通滤波器2的输入与一个滤波器函数卷积，从而获得经过低通滤波的子图像。该图像的像素范围是M×N，其中整数M和N表示像素范围的大小。该高斯低通滤波器2的输出被输入到滤波器4，以便在垂直和水平方向上减少样本的数目。滤波器4的滤波器因数例如可以是2。输出子图像具有M/2×N/2个样本。在反馈环路(未示出)中，该子图像是用于该算法的下一次迭代的输入。由此可以获得不同的子图像，其具有不同数目的样本并且处在不同的频率范围内。例如，G0具有M×N个样本，G1具有M/2×N/2个样本，G2具有M/4×N/4个样本，G3具有M/8×N/8个样本，后面依此类推。
每个子图像被馈送到内插器6，在该处，样本数目被增加对应的因数。当所述样本在滤波器4中被减少1倍时，在内插器6中对所述样本进行内插，以便获得具有两倍样本数目的图像。该内插器6的输出被馈送到减法器8。在减法器8中，从下一个更高频率范围内的图像中减去该子图像。在第一次迭代中是从输入图像G0中减去第一子图像G1，在第二次迭代中是从G1中减去子图像G2，后面依此类推。该减法器8的输出是对应的频率范围i内的所导出的子图像D。
如图2中所示，所述减法器还可以被设置成从输入图像Gi中直接减去所述高斯低通滤波器2的输出。这将允许省略所述内插器6。所有其他元件与图1中相同。在这种情况下，滤波器4可以被设置在到减法器8的分支之后。
滤波器12提供了获得对应的所导出的子图像的绝对值。
为了获得像素细节信号CATSi，把前一个频率范围CATSi-1的像素细节信号馈送到最大值滤波器10。前一频率CATSi-1的像素细节信号可以首先被施加到上采样滤波器9，以便考虑不同频率范围的图像段内的不同孔径。对于i＝0的第一次迭代，到最大值滤波器10的输入是0，因此CATS0值被设置成等于所导出的子图像D0的绝对值，其通过滤波器12在加法器14中被加到CATSi信号上。
对于每一次后续迭代，前一个频率范围CATSi-1的像素细节信号被通过具有K×L孔径的最大值滤波器10。该K×L孔径可以是5×5孔径，其允许找到在输入信号中的相应像素的5×5像素附近的最大像素值。在滤波器10中，相应的频率范围内的像素细节信号CATSi的值被设置到下一个更高频率范围内的像素细节信号CATSi-1在位置x，y处的像素周围的5×5邻域内的最大值。此后，在滤波器16中对来自最大值滤波器10的该CATSi信号输出进行下采样，并且将其馈送到加法器14。在加法器14中，把该CATSi信号与相应的频率范围内的所导出的子图像的绝对值相加。在获得了每一个频段的像素细节信号之后，该信号可以被用来获得像素改变值，该像素改变值可以被计算成使得所述像素细节信号越高，该像素改变值就越低。
从图3中可以看到产生像素改变值gi、改变后的子图像giDi以及产生输出图像G’0。
所述像素细节信号CATS可以是累积信号，其考虑到相邻频率范围内的像素细节信号的最大值。因此，在每一次迭代期间用前一个频率范围的像素细节信号的相应像素周围的最大值来增大像素细节信号CATS。
把每一个频率范围i的像素细节信号CATSi作为输入，并且还输入增益值f和阈值T，可以在组合装置22内把所述像素改变值计算为：
g i = 1 + ( f - 1 ) MAX ( T - CATS i T , 0 )
通过在频率范围i内使用该像素改变值gi，所述计算器20可以在对应的频率范围内对所导出的子图像Di执行乘法，以便获得改变后的所导出的子图像giDi。在该计算器20内对于每个频率范围i将所导出的子图像Di与像素改变值gi相乘。
改变后的所导出的子图像giDi可以被馈送到加法器24，在该处，在除了由N表示的最低频率范围之外的所有频率范围i内产生所有改变后的所导出的子图像giDi的和。
利用从i＝0到N-1的giDi的和，所述增强的输出图像G’0在加法器24内可以被计算为：
g o ′ ( x , y ) =
G N ( x , y ) + Σ i = 0 N - 1 g i D i ( x , y ) = G N ( x , y ) + Σ i = 0 N - 1 1 + ( f - 1 ) MAX ( T - CATS i ( x , y ) T , 0 ) D i ( x , y ) ′
为了获得最后一个子图像GN，可以提供一个保持元件18，其仅仅把最低频率子图像GN馈送到该加法器24。
为了获得所述输出图像，在必要时把所导出的子图像放大到原始分辨率。所述放大可以是线性的、双线性的、双三次的或者任何其他内插机制。
计算所述像素改变值的效果在于，一旦已经通过更高频率范围内的像素改变值提升了对应的区域，就对于较低的频率减小所述频率提升。如果在给定的图像位置处存在例如由于硬边缘而造成的较高频率范围内的像素细节信号(或者所谓的活动)，则后面的较低频率将不再被提升。每个频段包含来自前一个频率范围的在更大区域上延伸的信号加上来自该频段自身的活动。例如具有边缘的区域从一开始就具有高像素细节值，从而减小了在后面的频率下的提升。
所述方法可以应用于电视机或视频处理软件(或者一般来说是任何视频设备)中的图像增强。

Claims (18)

1.用于改变图像内的像素值的方法，该方法包括：
-把图像分解成至少三个子图像，其中每个子图像表示该图像的相应的空间频率范围；
-至少根据另一个频率范围的像素细节信号来计算至少其中一个所述子图像的像素细节信号；
-根据相应的像素细节信号来计算所述子图像内的像素的像素改变值；
-通过根据相应的像素改变值改变所述子图像内的像素值来计算改变后的子图像；以及
-把所述改变后的子图像组合成输出图像。
2.权利要求1的方法，其中，计算所述像素细节信号包括：至少根据相邻频率范围的像素细节信号来计算累积像素细节信号。
3.权利要求1的方法，其中，计算像素细节信号包括：计算另一个频率范围内的像素细节信号的KxL像素的孔径内的最大像素值，该孔径围绕所述相应的像素。
4.权利要求3的方法，其中，在计算所述最大像素值之前对所述像素细节信号进行上采样。
5.权利要求3的方法，还包括：在计算了所述最大像素值之后对所述像素细节信号进行下采样。
6.权利要求1的方法，其中，计算所述像素改变值包括：随着增大的累积像素细节信号而减小所述像素改变值。
7.权利要求6的方法，其中，计算所述像素改变值包括计算下式：
g i = 1 + ( f - 1 ) MAX ( T - CAT S i T , 0 )
其中，g是所述像素改变值，f是增益因数，T是阈值，CATS是所述像素细节信号，i是表示相应的频率范围的整数。
8.权利要求1的方法，还包括：对于所述至少三个子图像的至少其中之一计算所导出的子图像。
9.权利要求8的方法，其中，计算所导出的子图像包括：组合不同频率范围内的至少两个子图像。
10.权利要求8的方法，其中，把所述像素细节信号计算为：
CATSi＝absDi(x，y)+maxCATSi-1
其中，CATS是所述像素细节信号，D是所述所导出的子图像，x、y是像素坐标，i是表示相应的频率范围的整数。
11.权利要求8的方法，其中，最高频率范围的像素细节信号是第一导出子图像的绝对值。
12.权利要求1的方法，其中，把所述图像分解成至少三个子图像包括至少迭代地应用空间低通滤波。
13.权利要求12的方法，还包括：在低通滤波之后对所述经过低通滤波的图像进行下采样。
14.权利要求1的方法，其中，把所述改变后的子图像组合成输出图像包括：计算所述改变后的子图像与最低频率范围内的子图像的求和值。
15.权利要求1的方法，其中，把所述改变后的子图像组合成输出图像包括：把所述改变后的子图像上采样到所述输入图像的像素栅格。
16.图像增强设备，包括：
-第一滤波器装置，其用于把图像分解成至少三个子图像，其中每个子图像表示该图像的相应的空间频率范围；
-第一组合装置，其用于至少根据另一个频率范围的像素细节信号来计算至少其中一个所述子图像的像素细节信号；
-第二组合装置，其用于根据相应的像素细节信号来计算所述子图像内的像素的像素改变值；
-计算装置，其用于通过根据相应的像素改变值改变所述子图像内的像素值来计算改变后的子图像；以及
-第三组合装置，其用于把所述改变后的子图像组合成输出图像。
17.一种具体包含在信息载体内的计算机程序产品，该计算机程序产品包括指令，当执行所述指令时，其使得至少一个处理器执行以下操作：
-把图像分解成至少三个子图像，其中每个子图像表示该图像的相应的空间频率范围；
-至少根据另一个频率范围的像素细节信号来计算至少其中一个所述子图像的像素细节信号；
-根据相应的像素细节信号来计算所述子图像内的像素的像素改变值；
-通过根据相应的像素改变值改变所述子图像内的像素值来计算改变后的子图像；以及
-把所述改变后的子图像组合成输出图像。
18.在图像处理、视频处理、电视显示器、计算机显示器中使用权利要求1的方法。
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