CN101388950A - 用于数字图像的内容适应式对比增进方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示一种数字图像内容适应式对比增进方法。此方法包含依据数字图像的亮度统计表构建分段线性阶调映像函数。此分段线性阶调映像函数通过反复地执行第一步骤和第二步骤构建而成。第一步骤决定亮度值特定范围内的初始线性阶调映像函数。第二步骤依据初始线性阶调映像函数和亮度统计表产生前述亮度值特定范围内新的阶调映像函数。本发明亦提出用以实现上述方法的装置。

Description

用于数字图像的内容适应式对比增进方法及装置
技术领域
本发明是有关于数字图像处理，特别是关于通过内容适应式(content-adaptive)阶调映像函数(tone mapping function)以增进数字图像对比的方法及装置。
背景技术
数字图像阶调映像(tone mapping)是诸如显示器或打印机等数字图像重现装置内的视频处理单元通常会支持的功能。阶调映像函数将输入图像亮度编码值自该输入图像位分辨率(bit resolution)所定义的一特定范围，转换至与重现装置有关的另一特定范围。输入图像可以是单色图像或彩色图像。对于单色图像的情况，像素的灰阶(gray levels)本身即用以作为亮度成分。至于彩色图像的情况，输入图像的每一像素通常包含三或四个成分以定义颜色。举例而言，以RGB颜色空间为例，此等颜色成分是红色、绿色和蓝色，而每一像素的亮度成分可以自该等像素数据的红色、绿色和蓝色成分取得。
阶调映像函数可以是固定式或适应式的。固定式阶调映像函数是对所有输入图像均固定不变的转换函数。而适应式阶调映像函数则可以随输入图像的特定性质动态地调整。针对产生相对于原始场景令人满意的重现图像的问题，对比的增进通常是列入考虑的重点。由于在不同图像之间，像素分布的状态具有无法预期的差异，故其通常难以通过单一固定阶调映像函数即能满足所有图像对比增进的目的。
因此，其有实质的必要提出利用适应式阶调映像函数以增进对比的方法及装置，且最好同时简单、低成本且易于实施。
发明内容
本发明旨在提出通过内容适应式阶调映像函数以增进数字图像对比的方法及装置。
在一较佳实施例中，本发明提出一种数字图像内容适应式对比增进方法。本方法包含以下步骤：产生数字图像的亮度统计表(histogram，以下均统称为histogram)，其记录此数字图像的亮度分布；将此数字图像的像素划分为多个像素群组，此等像素群组分别涵盖彼此无交集的亮度范围；依据前述的histogram构建该数字图像的分段线性(piecewise linear)阶调映像函数，此分段线性阶调映像函数可表示为多个两两彼此相连的线段，每一线段代表前述像素群组其中之一的局部线性映像函数；以及将前述的分段线性阶调映像函数作用于该数字图像。
前述的分段线性阶调映像函数可以通过反复地执行第一步骤和第二步骤构建而成。第一步骤决定初始线性阶调映像函数，其是针对介于第一编码值和大于第一编码值的第二编码值间的特定亮度值范围，此特定亮度值范围涵盖至少二前述像素群组的亮度值。第二步骤依据初始线性阶调映像函数和前述特定亮度值范围内的像素分布状态产生针对该特定亮度值范围的新的阶调映像函数，该像素分布状态是由前述的histogram所导出。
本发明同时亦提出一种实现上述数字图像内容适应式对比增进方法的装置。此装置包含Histogram产生单元、图像划分单元、映像函数构建单元和图像转映(remapping)单元。
本发明还提供了一种数字图像内容适应式对比增进装置，包含：亮度统计表产生单元，用以产生记录数字图像亮度分布的亮度统计表；图像分析单元，用以将该数字图像的像素划分为多个像素群组，该多个像素群组分别涵盖彼此无交集的亮度范围；映像函数构建单元，用以依据该亮度统计表构建该数字图像的分段线性阶调映像函数，该分段线性阶调映像函数表示为两两彼此相连的多条线段，每一该线段代表该像素群组其中之一的局部线性映像函数；以及图像转映单元，用以将该分段线性阶调映像函数施用于该数字图像。
附图说明
图1显示一图形示意图，其表示依据本发明的原理产生的数字图像的histogram。
图2A至图2F共同例示依据本发明一实施例的逐步构建数字图像的阶调映像函数的方法的中间产出结果。
图3A概述依据本发明一实施例的利用转映数字图像亮度的内容适应式图像对比增进方法。
图3B进一步详述图3A所示的方法中的阶调映像函数构建步骤。
图4显示依据本发明一实施例的内容适应式对比增进装置的方块图。
[主要元件标号说明]
310-350 内容适应式图像对比增进方法的步骤
400 内容适应式对比增进装置
410 Histogram产生单元
420 图像划分单元
430 映像函数构建单元
440 图像转映单元
具体实施方式
以下将详述本发明的实施例，其细节亦呈现于相关的图式，不同图式中近似的记号表示近似的概念或元件。本发明实施例的说明将配合相关的图式进行。
图1显示一图形示意图，其表示依据本发明的原理产生的数字图像的histogram。图中水平坐标轴表示数字图像像素的可能亮度编码值。由图1可知，待处理数字图像中的像素亮度成分是以8位的方式编码，此将产生介于0至255的亮度编码值，如图中的水平坐标值所示。另一方面，图1中的垂直坐标轴表示像素的数目。为了简化图式，histogram的亮度值分布状况于图中绘制成一连续的曲线。本领域技术人员应能理解，此曲线是连接代表各亮度值像素数目的垂直长条的顶端所构成。依据一较佳实施例而如图1中的垂直虚线所示，数字图像的像素被划分或区分为六个群组，此六个群组并分别涵盖彼此无交集的亮度范围内的像素。换言之，任一群组内的任一像素的亮度值将异于任何其它群组内的任一像素的亮度值。具体言之，在此实施例中，上述的六个像素群组包含涵盖亮度值0至31的像素的第一群组、涵盖亮度值32至63的像素的第二群组、涵盖亮度值64至128的像素的第三群组、涵盖亮度值129至191的像素的第四群组、涵盖亮度值192至224的像素的第五群组以及涵盖亮度值225至255的像素的第六群组。其应理解，存在许多其它划分数字图像像素的方法，其均未脱离本发明的范畴。此外，表示编码值的位数可以是8以外的数。具有不同位分辨率的数字图像的像素分群数目可以彼此相同或不同。举例而言，较低位分辨率的数字图像可能区分为较少的像素群组，而较高位分辨率的数字图像则可能区分为较多的像素群组。
图2A至图2F共同例示依据本发明一实施例的逐步构建数字图像，诸如具有如图1所示的histogram者，的阶调映像函数TNN(x)的方法的中间产出结果。在以下的说明和申请专利范围的用语，若未特别指明，则“位于第一数值和第二数值间的数值”(后者大于前者)的用词是表示所有大于或等于第一数值而小于第二数值的数值。
以下说明请参见图2A和图1，其中图2A显示代表依具有单位斜率(意即1)的预设阶调映像函数T0(x)的直线，以及二条共同表示依新的阶调映像函数TN(x)的线段S1和S2。由于具有单位斜率，映像函数T0(x)将任何编码值转换至其本身，例如，0转换至0，而128转换至128。在其它实施例中，取决于输出亮度值的范围，上述的预设阶调映像函数T0(x)的斜率可能异于1。图2A所示的操作旨在针对0至255间的亮度编码值产生新的阶调映像函数TN(x)，0至255涵盖了待处理数字图像于目前位分辨率(意即8)下的所有可能编码值。首先，预设阶调映像函数T0(x)被选定为初始阶调映像函数。接着，其依据初始阶调映像函数T0(x)和数字图像的histogram决定大致位于编码值0和255中央的特定编码值(此例中是128，最好是128左右的数值，基本上可以是位于0和255间的任何数值)的新转映值MN(意即TN(128))。自图1所示的亮度分布中，由于亮度值位于0和128(前述的特定编码值)间的像素数目显然多于亮度值位于128和255(包括255)间的像素数目，特定编码值128的新转映值MN被决定为大于其原始转映值M0(即T0(128)，此例中T0(128)等于128，因为T0(x)的斜率等于1)的数值。反之，若亮度值位于0和128(前述的特定编码值)间的像素数目少于亮度值位于128和255(包括255)间的像素数目，则新转映值MN将被决定成小于其原始转映值M0的数值。当位于前述二范围(0-128和128-255)内的像素数目差异愈大，则特定编码值128的新转映值MN将更加远离其原始转映值M0。
特定编码值128的新转映值MN决定之后，前述的新阶调映像函数TN(x)随之可定义为图中二线段S1和S2分别代表的二个局部映像函数，其中线段S1连接端点(0，0)和(128，MN)，而线段S2则连接端点(128，MN)和(255，255)。以较广义的形式呈现，此例中的(0，0)和(255，255)其实分别是(0，T0(0))及(255，T0(255))。
在一较佳实施例中，所决定的特定编码值128新转映值MN使得新转映值MN和原始转映值M0间的差，大致与前述二范围(0-128和128-255)内的像素数目的比例成正比。在另一实施例中，新转映值MN可以依据该二范围像素的其它分布状态或统计量而决定，只要此等分布状态或统计量可由histogram导出，诸如其平均亮度值，部分像素的平均亮度值、或其中值(median)等等。
在另一实施例中，一上限值和一下限值被指派予特定编码值128，其使得当所决定的新转映值MN大于该上限值之时，该新转映值MN将被设为等于该上限值；反之，若所决定的新转映值MN小于该下限值之时，该新转映值MN将被设为等于该下限值。该上限值(或该下限值)可以选定为使得该上限值(或该下限值)和原始转映值M0间的差等于该原始转映值M0乘以特定系数。或者，前述的上限值及/或下限值亦可以依经验选定。
以下请参见图2B和图1，其中图2B以图形的方式例示决定亮度值介于0和128间的像素的新阶调映像函数TN1(x)的程序。为了能系统性地理解本发明，图2B使用具有不同下标的类似符号来表示和图2A中出现的类似概念，然二图中的类似符号可能是表示相异的标的。
初始阶调映像函数T01(x)被选定为图2A的说明中产生的新阶调映像函数TN(x)的一部分(具体而言，即图2A中的线段所代表的局部映像函数)。接着，依据histogram和初始阶调映像函数T01(x)决定大致位于编码值0和128中央的特定编码值(此例中是64，最好是64左右的数值)的新转映值MN1。特定编码值64经由T01(x)的转映值以下表示为M01。类似图2A所用的逻辑亦使用于决定特定编码值64的新转映值MN1。具体言之，64的转映值的增加或减少(如图2B所示，由M01变成MN1)将取决于亮度值介于0与64间的像素的亮度分布。特定编码值64的新转映值MN1决定之后，前述的新阶调映像函数TN1(x)随之可定义为图中二线段S11和S21分别代表的二个局部映像函数，其中线段S11连接端点(0，0)和(64，MN1)，而线段S21则连接端点(64，MN1)和(128，MN)。同样地，新转映值MN1可以依据其它分布状态或统计量而决定，只要此等分布状态或统计量可由histogram导出，诸如其平均亮度值，部分像素的平均亮度值、或其中值等等。
在另一实施例中，上限值和下限值被指派予特定编码值64，其使得当所决定的新转映值MN1大于该上限值之时，该新转映值MN1将被设为等于该上限值；反之，若所决定的新转映值MN1小于该下限值之时，该新转映值MN1将被设为等于该下限值。该上限值(或该下限值)可以选定为使得该上限值(或该下限值)和原始转映值M01间的差等于该原始转映值M01乘上特定系数。或者，前述的上限值及/或下限值亦可以依经验选定。
图2C例示决定亮度值介于128和255间(包含255)的像素的新阶调映像函数TN2(x)的程序，初始函数系线性映像函数T02(x)，其为图2A所决定的线段S2所代表的局部映像函数。新阶调映像函数TN2(x)可定义为图中二线段S12(连接端点(128，MN)和(192，MN2))和S22(连接端点(192，MN2)和(255，255))分别代表的二个局部映像函数的组合，其中的MN2是192通过TN2(x)的转映值，且MN2是以类似图2A和图2B所描述的方式所决定。
图2D例示决定亮度值介于0和63间像素的新阶调映像函数TN3(x)的程序，初始函数系线性映像函数T03(x)，其为图2B所决定的线段S11所代表的局部映像函数。利用类似图2A至图2C的说明所示的程序，新阶调映像函数TN3(x)可定义为图中二线段S13(连接端点(0，0)和(32，MN3))和S23(连接端点(32，MN3)和(64，MN1))分别代表的二个局部映像函数的组合，其中的MN3是通过类似图2A至图2C所描述的方式所决定的32的转映值。
图2E例示决定亮度值介于192和255间(包含255)的像素的新阶调映像函数TN4(x)的程序，初始函数是线性映像函数T04(x)，其为图2C所决定的线段S22所代表的局部映像函数。利用类似图2A至图2D的说明所示的程序，新阶调映像函数TN4(x)可定义为图中二线段S14(连接端点(192，MN2)和(224，MN4))和S24(连接端点(224，MN4)和(255，255))分别代表的二个局部映像函数的组合，其中的MN4是通过类似图2A至图2D所描述的方式所决定的224的转映值。
图2F显示分别由线段S13、S23、S21、S12、S14和S24所代表的六个局部线性映像函数共同定义的分段线性阶调映像函数TNN(x)。每一线段均代表图1所示的像素群组的局部线性映像函数。
图3A概述依据本发明一实施例的利用转映数字图像亮度的内容适应式图像对比增进方法。待处理的数字图像可以位于诸如系统存储器的适当位置。该数字图像的histogram于步骤310产生。此histogram记录数字图像像素的亮度分布。于步骤320，此数字图像的像素被划分为多个群组。每一群组间如图1所示包含彼此无交集的亮度范围。依据步骤310产生的histogram，步骤330逐步构建此数字图像的分段线性阶调映像函数。此分段线性阶调映像函数表示为多个两两彼此相连的线段，每一线段代表步骤320所定义的像素群组的局部线性映像函数此分段线性阶调映像函数接着于步骤340施用于该数字图像以转映该数字图像。于步骤350，转映后的数字图像可以输出至诸如LCD面板的显示装置。
步骤330的细节于图3B进一步说明，其包含步骤332和步骤334。步骤332决定初始线性阶调映像函数，其是针对介于第一编码值C1和大于第一编码值C1的第二编码值C2间的特定亮度值范围，此特定亮度值范围涵盖至少二前述像素群组的亮度值。举例而言，图2A至图2E所举出的例子中，特定亮度值范围分别是0至255、0至128、128至255、0至64和192至255，而初始线性阶调映像函数则分别是由连接以下端点的线段所表示：(0，0)-(255，255)、(0，0)-(128，MN)、(128，MN)-(255，255)、(0，0)-(64，MN1)和(192，MN2)-(255，255)。于步骤334，依据步骤332决定的初始线性阶调映像函数和前述特定亮度值范围内的像素分布状态或统计量产生新的阶调映像函数。此等相对于图2A至图2E所举的例子中产生的新阶调映像函数可以分别表示为以下的线段组合：(S1，S2)、(S11，S21)、(S12，S22)、(S13，S23)和(S14，S24)。前述的像素分布状态或统计量可以自步骤310产生的histogram导出，例如以图2A至图2E所示的方式。针对不同亮度范围和不同初始映像函数反复执行步骤332和334最后将构建出图2F所示的分段线性阶调映像函数。
本发明同时亦包含一装置，其实现揭示于上的方法图4显示依据本发明一实施例的内容适应式对比增进装置400的方块图。一般而言，内容适应式对比增进装置400可以是诸如显示器或打印机的图像重现系统内的数字图像处理单元。装置400包含Histogram产生单元410、图像划分单元420、映像函数构建单元430和图像转映单元440。以下说明请共同参见图4、图3A和图3B。
前述的Histogram产生单元410可以执行图3A的步骤310以产生输入数字图像的histogram。如前所述，此histogram记录数字图像像素的亮度分布。图像划分单元420可以依据数字图像位分辨率，如步骤320所示，将数字图像像素划分为多个群组。此等像素群组是映像函数构建单元430欲构建的分段线性阶调映像函数的基础。依据输出自Histogram产生单元410的histogram和图像划分单元420对像素的分群方式，映像函数构建单元430可以执行前述的步骤330以构建分段线性阶调映像函数。此分段线性阶调映像函数可以通过反复或递归式地针对不同亮度值范围和不同初始线性阶调映像函数执行前述步骤332和步骤334构建而成。例如，步骤332和步骤334的每一次执行均产生相对亮度值范围的新的局部阶调映像函数。每一新的局部阶调映像函数均可表示为一对相连的线段，如步骤334和图2A至图2E的实例和说明所示。图像转映单元440于是可以利用映像函数构建单元430产出的分段线性阶调映像函数将输入数字图像转换为已转映的输出图像。
在一较佳实施例中，图4所示的所有单元均均实作为ASIC(ApplicationSpecific Integrated Circuit；特定用途集成电路)内的逻辑元件。依据本发明的其它实施例中，此等单元亦可以实作为DSP(Digital SignalProcessing；数字信号处理)系统或微处理器系统内的软件或硬件模块。此外，前述的系统存储器通常由DRAM(dynamic random access memory；动态随机存取存储器)构成，然亦可以是任何其它适用的易失性或非易失性存储器。
以上所举实施例的目的仅在于说明和示范，并非表示本发明即限定于所揭示的形式。基于上述教示，可以衍生许多修改和变异。本发明的范畴不限于实施例的说明内容，而应以所附的权利要求范围为准。

Claims (16)

1.一种数字图像内容适应式对比增进方法，包含以下步骤：
产生记录数字图像亮度分布的亮度统计表；
将该数字图像的像素划分为多个像素群组，该多个像素群组分别涵盖彼此无交集的亮度范围；
依据该亮度统计表构建该数字图像的分段线性阶调映像函数，该分段线性阶调映像函数表示为两两彼此相连的多条线段，每一该线段代表该像素群组其中之一的局部线性映像函数；以及
将该分段线性阶调映像函数施用于该数字图像。
2.根据权利要求1所述的数字图像内容适应式对比增进方法，其中该分段线性阶调映像函数构建步骤包含：
第一步骤，用以针对介于第一编码值C1和大于该第一编码值C1的第二编码值C2间的亮度值特定范围决定初始线性阶调映像函数，该亮度值特定范围涵盖至少二该像素群组的亮度值；以及
第二步骤，用以依据该初始线性阶调映像函数和该亮度值特定范围内的像素分布状态产生针对该亮度值特定范围的新的阶调映像函数，该像素分布状态是自该亮度统计表所导出。
3.根据权利要求2所述的数字图像内容适应式对比增进方法，其特征还在于该分段线性阶调映像函数是通过反复执行该第一和第二步骤构建而成，其中于每次执行该第一和第二步骤时，是基于不同的该亮度值特定范围和该初始线性阶调映像函数。
4.根据权利要求3所述的数字图像内容适应式对比增进方法，其中于该第一步骤首次执行时，该亮度值特定范围涵盖该数字图像目前位分辨率的所有可能编码值，且该初始线性阶调映像函数是具有单元斜率的线性阶调映像函数。
5.根据权利要求3所述的数字图像内容适应式对比增进方法，其中该初始线性阶调映像函数是产生于先前执行该第二步骤产生的该新的阶调映像函数的一部分。
6.根据权利要求2所述的数字图像内容适应式对比增进方法，其中该新的阶调映像函数将大致居于该第一编码值C1和该第二编码值C2中央的特定编码值Cm转映至新的转映值MN，其中该特定编码值Cm被该初始线性阶调映像函数转映至原始转映值MO，且依据该亮度统计表，若亮度值介于该第一编码值C1和该特定编码值Cm间的像素数目大于亮度值介于该特定编码值Cm和该第二编码值C2间的像素数目，则该新的转映值MN大于该原始转映值Mn；反之，该新的转映值MN小于该原始转映值MO。
7.根据权利要求6所述的数字图像内容适应式对比增进方法，其中该新的转映值MN介于依据该特定编码值Cm指派的特定上限编码值和特定下限编码值二特别编码值之间。
8.根据权利要求6所述的数字图像内容适应式对比增进方法，其中该新的阶调映像函数是表示为连接端点(C1，M1)、(Cm，MN)和(C2，M2)的二线段，其中该第一编码值C1和该第二编码值C2通过该初始线性阶调映像函数分别至编码值M1和M2。
9.一种数字图像内容适应式对比增进装置，包含：
亮度统计表产生单元，用以产生记录数字图像亮度分布的亮度统计表；
图像分析单元，用以将该数字图像的像素划分为多个像素群组，该多个像素群组分别涵盖彼此无交集的亮度范围；
映像函数构建单元，用以依据该亮度统计表构建该数字图像的分段线性阶调映像函数，该分段线性阶调映像函数表示为两两彼此相连的多条线段，每一该线段代表该像素群组其中之一的局部线性映像函数；以及
图像转映单元，用以将该分段线性阶调映像函数施用于该数字图像。
10.根据权利要求9所述的数字图像内容适应式对比增进装置，其中该映像函数构建单元是用以执行：
第一步骤，用以针对介于第一编码值C1和大于该第一编码值C1的第二编码值C2间的亮度值特定范围决定初始线性阶调映像函数，该亮度值特定范围涵盖至少二该像素群组的亮度值；以及
第二步骤，用以依据该初始线性阶调映像函数和该亮度值特定范围内的像素分布状态产生针对该特定亮度值范围的新的阶调映像函数，该像素分布状态是自该亮度统计表所导出。
11.根据权利要求10所述的数字图像内容适应式对比增进装置，其特征还在于该映像函数构建单元通过反复执行该第一和第二步骤以构建该分段线性阶调映像函数，其中于每次执行该第一和第二步骤时，是基于不同的该亮度值特定范围和该初始线性阶调映像函数。
12.根据权利要求11所述的数字图像内容适应式对比增进装置，其中于该第一步骤首次执行时，该亮度值特定范围涵盖该数字图像目前位分辨率的所有可能编码值，且该初始线性阶调映像函数是具有单元斜率的线性阶调映像函数。
13.根据权利要求11所述的数字图像内容适应式对比增进装置，其中该初始线性阶调映像函数是产生于先前执行该第二步骤产生的该新的阶调映像函数的一部分。
14.根据权利要求10所述的数字图像内容适应式对比增进装置，其中该新的阶调映像函数将大致居于该第一编码值C1和该第二编码值C2中央的特定编码值Cm转映至新的转映值MN，其中该特定编码值Cm被该初始线性阶调映像函数转映至原始转映值MO，且依据该亮度统计表，若亮度值介于该第一编码值C1和该特定编码值Cm间的像素数目大于亮度值介于该特定编码值Cm和该第二编码值C2间的像素数目，则该新的转映值MN大于该原始转映值MO；反之，该新的转映值MN小于该原始转映值M0。
15.根据权利要求14所述的数字图像内容适应式对比增进装置，其中该新的转映值MN介于依据该特定编码值Cm指派的特定上限编码值和特定下限编码值二特别编码值之间。
16.根据权利要求14所述的数字图像内容适应式对比增进装置，其中该新的阶调映像函数是表示为连接端点(C1，M1)、(Cm，MN)和(C2，M2)的二线段，其中该第一编码值C1和该第二编码值C2通过该初始线性阶调映像函数分别至编码值M1和M2。
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