CN101472113B - 一种数字图像亮度对比度增强装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种数字图像亮度对比度增强装置，该装置包括亮度信息统计模块、第一延迟模块、第二延迟模块、第三延迟模块、第四延迟模块、亮度映射曲线生成模块、场间亮度关系判断模块以及亮度调整模块，本发明将图像按亮度分成三个部分分别调整，可以根据不同亮度区域的亮度分布特点有针对性地调整，既使整幅图像的对比度得到很好的提升，又避免了在不需要调整的地方调整时导致的失真；本发明在实现中处处考虑到硬件的可实现性，降低其复杂度，节省存储空间，因此便于集成到芯片中；另外所述装置还包括近似饱和度计算模块和第五延迟模块，增加对图像饱和度的考虑使本发明所述的对比度调整装置对彩色图像的调整效果更好。

Description

一种数字图像亮度对比度增强装置

技术领域

本发明涉及一种数字视频信号处理装置，特别涉及一种对数字视频信号的增强处理装置。 

背景技术

在信息化的今天，人们对视频图像的显示要求越来越高，当前很多数字视频系统中，除了从视频信号的信噪比和分辨率方面做出很大改善外，更发展出许多针对人眼视觉特征改善图像质量的方法，从增强图像亮度、对比度、清晰度等方面考虑，有效改善视频图像的显示质量。 

一般来说，视频图像的增强处理不会增加视频数据中固有的信息内容，也不要求对其数学模型化，而是对一个给定的图像序列进行处理，以改善其在一个显示媒介上的表象。要对图像增强规定一个量化的标准往往是很困难的，因此现有的视频增强技术一般根据研发人员的经验设计。 

图像的亮度对比度增强是一种重要的视频增强技术，因为人类的眼睛对于亮度的差异感知更敏感，远胜于对亮度绝对值本身的感知，因此增强图像的对比度可以更好的提高图像的视觉效果，视频图像的对比度已经成为很多电子设备一个基本的也是重要的性能指标。与轮廓增强和细节增强不同，对比度增强技术更注重于一个给定图像的整体表象，而不是诸如边缘的突出和锐化等局部表象。 

对比度增强有多种实现方式，目前常用的方法是通过手动配置某些固定亮度区域的亮度映射曲线的斜率来达到这些亮度区域的对比度提升；也有根据图像的亮度特征统计数据以及场景的检测信号，确定用于进行亮度映射的曲线，然后对图像进行亮度映射，从而动态调整对比度的方法。 

在2003年5月20日申请的美国专利US6826310中，提出了一种自动对比度增强方法，它利用直方图统计图像的亮度特征，选择一定弧度的S曲线作为亮度映射曲线的对比度调整方法，这种方法针对不同的亮度特征选择不同的曲线，对图像的调整更符合实际情况，但是由于曲线的实现是通过查找表来实现，  对整个亮度范围的曲线存取不仅耗费大量的存储空间，而且当一幅图像不同亮度区域的亮度特征不同时，只采用一条S曲线则不够灵活准确。 

在1995年10月30日申请的美国专利US6463173中，提出了一种基于图像直方图的对比度增强系统及方法，将图像的直方图分成多段，每段进行直方图拉伸的方法来调整图像的对比度，该方法可以根据图像的不同亮度特征段分开调整，效果更好，但是没有采用曲线映射的方法，直接进行直方图均衡化，不适用于硬件代码的实现，且很复杂。 

发明内容

本发明针对上述现有技术存在的问题，提出了一种数字图像亮度对比度增强装置，根据亮度直方图的形状特点，将整幅图像按亮度分成三个部分：高亮度段、中亮度段、低亮度段，生成可以对直方图产生拉伸效果的亮度映射曲线来调整图像亮度，达到增强图像对比度的方法。 

一种数字图像亮度对比度增强装置，该装置包括亮度信息统计模块101、第一延迟模块1031、第二延迟模块1032、第三延迟模块1033、第四延迟模块1034、亮度映射曲线生成模块104、场间亮度关系判断模块105以及亮度调整模块106； 

其中，亮度信号Y_in输入到亮度信息统计模块(101)得到当前第k场的直方图统计信息及亮度平均值， 

所述直方图统计信息经第一延迟模块1031延迟后输入到亮度映射曲线生成模块104，初步生成当前第k场的亮度映射曲线L1， 

第k-1场的亮度平均值依次经第二延迟模块1032和第三延迟模块1033延迟后，与经过第二延迟模块1032的第k场的亮度平均值同时输入到场间亮度关系判断模块105，得到比例系数R_new和R_old并与由亮度映射曲线生成模块104得到的曲线L1和由第四延迟模块1034得到的上一场的亮度映射曲线L_delay进行加权，则得到所需的亮度映射曲线L_valid， 

所述亮度映射曲线L_valid输入到亮度调整模块，对下一场第k+1场的亮度信号Y_in进行调整即得到对比度调整过的图像。 

所述装置还包括以下模块：近似饱和度计算模块102和第五延迟模块1035，所述近似饱和度计算模块102的输入信号为图像的色差信号。 

所述近似饱和度计算模块102输出的图像平均近似饱和度经第五延迟模块1035延迟后输入到亮度映射曲线生成模块104，配合图像直方图信息从曲线列表中选择合适的曲线。 

所述亮度映射曲线生成模块104将所述亮度信息统计模块101得到的直方图分为三段，每段均根据形状近似成三角形模版1： 或三角形模版2： 

或三角形组合模版3： 或三角形组合模版4： 

所述四种模版： 

分别对应的四种直方图拉伸曲线为： 

形、 

形、 

形、 

形。 

所述亮度映射曲线生成模块104根据三段直方图得到三段拉伸曲线，并将所述的三段拉伸曲线合成为一条完整的数字图像亮度对比度拉伸曲线。 

所述四种直方图拉伸曲线可以有不同的幅度。 

所述不同幅度的直方图拉伸曲线通过查找曲线列表，由曲线列表中存储的点依次连接得到；所述查找曲线列表的依据是直方图梯度的大小。 

所述四种直方图拉伸曲线每种至少有一条存储于所述的曲线列表中。 

所述曲线列表的值可以通过I²C配置寄存器的方式进行调整。 

所述亮度信息统计模块101和近似饱和度计算模块102中涉及的由参数win_x1、win_x2、win_y1、win_y2确定的统计窗，其中，所述win_x1、win_x2、win_y1、win_y2的值可以通过I²C配置寄存器的方式进行调整。 

所述亮度信息统计模块101和近似饱和度计算模块102中可以不设置由参数win_x1、win_x2、win_y1、win_y2确定的统计窗，而取整幅图像参与计算。 

所述第一延迟模块1031、第二延迟模块1032、第三延迟模块1033、第四延迟模块1034、第五延迟模块1035为完全相同的模块。 

本发明的有益效果在于：传统的对比度调整方法多只用一条曲线对整幅图像进行调整，难免顾此失彼，提升图像对比度的同时，图像亮度高的区域和亮度很低的区域细节丢失，而本发明将图像按亮度分成三个部分分别调整，可以根据不同亮度区域的亮度分布特点有针对性地调整，既使整幅图像的对比度得到很好的提升，又避免在不需要调整的地方调整时导致的失真。 

本发明的有益效果还在于：图像的直方图反映了图像亮度分布情况，根据直方图统计信息调整图像的对比度，更能够反映图像的对比度信息，调整更加准确。 

另外，由于直方图的统计、拉伸操作一般用于软件程序，在硬件描述语言中不便于实现，且需要较大的存储空间，本发明所述的对比度调整装置在设计中处处考虑到硬件的可实现性，降低实现复杂度，节省存储空间，因此便于集成到芯片中。 

值得注意的是，本发明在选择对比度的调整曲线时，还考虑到图像饱和度的影响，使本发明所述的对比度调整装置对彩色的图像调整效果更好；且对于直方图统计窗口以及饱和度计算窗口均采用I2C配置寄存器的方法改变，使调整更加方便灵活。 

附图说明 

图1是本发明具体实现方式的整体结构框图。 

图2是本发明具体实施例一采用的七段直方图的示意图。 

图3是本发明具体实施方式中将直方图近似为一组三角形组合的示意图。 

图4是本发明具体实施方式中将直方图近似为三角形后不同形状的三角形所对应的拉伸曲线。 

图5是本发明具体实施方式中亮度对比度增强模块102的结构框图。 

图6是本发明具体实施方式中小曲线生成模块502的流程图。 

图7是本发明具体实施方式中生成亮度映射曲线的过程示意图。 

图8是本发明具体实施方式中将七点拟合成曲线的示意图。 

图9是曲线生成模块中相邻两段小曲线的组合方法。 

图10是本发明具体实施例二的整体结构框图。 

图11为本发明具体实施例一的曲线列表。 

图12为本发明具体实施例二的曲线列表。 

具体实施方式 

以下结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述。由于本发明所述一种数字图像亮度对比度增强装置中输入视频信号的位数不同导致本发明具体实施中所需参数的范围，本发明选择标准的8位视频输入信号的情况为例进行说明。 

具体实施例一 

图1为本实施例的整体结构框图，包括亮度信息统计模块101、第一延迟模块1031、第二延迟模块1032、第三延迟模块1033、第四延迟模块1034、亮度映射曲线生成模块104、场间亮度关系判断模块105以及亮度调整模块106，其中，四个延迟模块1031至1034为相同的模块。 

本具体实施例中亮度信号Y_in输入到亮度信息统计模块101得到当前场的直方图统计信息及亮度平均值；所述直方图统计信息经过第一延迟模块1031后得到延迟的直方图信息His_d输入到亮度映射曲线生成模块104，初步生成当前场的亮度映射曲线L_1。同时，所述亮度平均值依次经过第二延迟模块1032和第三延迟模块1033后输入到场间亮度关系判断模块105，得到比例系数R_new和R_old，与由亮度映射曲线生成模块104得到的曲线L_1和由第四延迟模块1034得到的上一场的亮度映射曲线L_delay加权，则得到所需的亮度映射曲线L_valid，将该亮度映射曲线L_valid输入到亮度调整模块中，对下一场的亮度信号Y_in调整即得到对比度调整过的图像，同时，所述亮度映射曲线L_valid经过第四延迟模块1034作为下一场涉及的亮度映射曲线L_delay；所述当前场的直方图统计信息经过第二延迟单元1032作为下一场涉及的延迟直方图信息His_d。 

以下分别描述各模块的功能。 

亮度信息统计模块101负责两个任务，其一为计算当前场图像的亮度平均值输入到第二延迟模块1032；其二为统计当前场图像亮度的分布，得到图像的直方图分布，在本实施例中，采用归一化的七段直方图来代替完整的直方图；附图2描述了一般直方图和本发明使用的七段直方图的关系。在亮度信息统计模块101中只统计16～47，48～79，80～111，112～143，144～175，176～207，208～235七段亮度范围内的亮度点数H1，H2，H3，H4，H5，H6，H7，将所述七段亮度范围的7个统计值都归一化到0～15，排列起来作为一个七段直方图，如附图2(b)中所示。所得7个归一化数值均由一个4位寄存器存储。 

图像直方图分布的另一种计算方法是采用归一化的九段直方图来代替完整的直方图，与所述七段直方图的统计方法相似，将视频图像的亮度范围分为九段，分别为16～39，40～63，64～87，88～111，112～135，136～159，160～  183，184～207，208～235。统计所述九个范围内的亮度点数h1到h9，同理归一化到0～15，排列起来为一个九段直方图，由九个4位寄存器存储。 

本发明不局限于上述七段和九段直方图统计方法，其它满足反映图像直方图信息的统计方法均属于本发明的范围。 

本实施例中，亮度信息统计模块101根据四个统计窗控制参数win_x1，win_x2，win_y1，win_y2控制统计窗的大小。统计只涉及win_x1到win_x2行，win_y1到win_y2列的亮度数据。win_x1，win_x2，win_y1，win_y2的数值可以通过I²C配置寄存器的方式调整，用户在调试时可以根据实际情况配置统计窗的大小，可以为整幅图像的大小，也可以为整幅图像的一部分。 

值得注意的是，所述直方图统计模块的统计窗的设置方法不局限于本发明所述方法，不设置统计窗而直接取整幅图像的大小也属于本发明的范围。 

四个延迟模块1031到1034的结构完全相同，负责将输入信号延迟一场的时间。所述延迟模块均由一个场信号Vsyn控制，当检测到场信号Vsyn时，各延迟模块更新输出，当还处于一场数据中时，各延迟模块维持当前输出不变。由于直方图统计及亮度平均值的计算需要整幅图像的信息，因此对比度的调整是采用第k-1场和第k-2场图像的统计信息生成的亮度映射曲线调整第k场图像的亮度，对于连续场景的视频信号，这是可行的，虽然在场景变化时会出现瞬间的闪烁，但基本不影响观赏效果。 

亮度映射曲线生成模块104根据亮度信息统计模块101得到的直方图信息生成适合当前图像的亮度映射曲线。 

本发明中，亮度对比度的增强是通过拉伸亮度直方图实现的，图3和图4描述了本发明所依据的直方图拉伸的原理。其中，如图3所示，直方图的形状可以近似成由两种基本形状或其组合构成，其中两种基本形状为如图6模版1和模版2所示的两种直角三角形，其组合为如图6模版3和模版4所示的两种直角三角形的组合。而从图4可以看到，对于其中任何一种三角形，如果要对其拉伸，则只需一个弧线型的亮度映射曲线就可以。本发明中，将直方图划分为若干个三角形，然后根据图4的原理设计亮度转换曲线，并将所有的小三角形对应的曲线组合，则得到整个亮度空间的转换曲线，根据所述曲线修改图像亮度，实现直方图拉伸。 

附图5为本实施例中亮度映射曲线生成模块104的结构框图。亮度映射曲线生成模块104由直方图分段模块501、小曲线生成模块502、小曲线合成模块503组成。本实施例中，直方图分段模块501将直方图分为低亮度区、中亮度区和高亮度区3段。则小曲线生成模块502根据每段的亮度统计结果，通过查找曲线列表(Curve_LUT)，生成所述曲线列表对应范围内的三条亮度映射曲线。小曲线合成模块503将三段亮度范围的亮度映射曲线组合成对应全部亮度区域的完整的亮度映射曲线。 

附图7为本实施例中七段直方图时亮度映射曲线的形成原理示意图，得到附图2(b)所示的7段直方图后，直方图分段模块501将直方图的七段H1到H7分为三部分，其中H1、H2、H3为低亮度段，H3、H4、H5为中亮度段，H5、H6、H7为高亮度段。对所述三部分中的任何一部分，都可以根据H_i、H_i+1、H_i+2这3个值的高度排列来判断该部分直方图可以用哪种类型的三角形或者三角形的组合。小曲线生成模块502根据每段亮度区域的三角形的形状特征，在曲线列表中选择适当的曲线作为该亮度段的亮度映射曲线。小曲线合成模块503把低、中、高三个亮度段的曲线组合起来，生成整个亮度空间的亮度映射曲线。 

若所述亮度信息统计模块101得到的直方图为九段时，同七段直方图时唯一区别的是，将直方图的九段G1到G9分为三部分时，其中G1、G2、G3为低亮度段，G4、G5、G6为中亮度段，G7、G8、G9为高亮度段，而七段直方图分为三部分时，H3和H5被重复使用。 

图6描述了小曲线生成模块502的流程结构。取某段直方图的三个值分别为H_i、H_i+1、H_i+2，由直方图分段模块501得到的直方图信息经过模版生成模块601，得到的模版在比较模块602中与H_i、H_i+1、H_i+2进行比较，选择适合的模版后进入曲线选择模块603得到该段直方图对应的转换曲线。以下对图6中各个模块进行详细描述。 

本发明中，采用如图6所示的四种模版来近似直方图的一部分。模版生成模块601按如下步骤生成对应的四种类型的模版： 

步骤一：对H_i、H_i+1、H_i+2由小到大排序，分别用A，B，C表示。其中： 

A＝min(H_i、H_i+1、H_i+2)                    (1) 

C＝max(H_i、H_i+1、H_i+2)                    (2) 

B＝H_i+H_i+1+H_i+2-A-C                  (3) 

步骤二：model1＝[C，B，A]，如附图6所示模版1； 

model2＝[A，B，C]，如附图6所示模版2； 

model3＝[(C+B)/2，A，(C+B)/2]，如附图6所示模版3； 

model4＝[(A+B)/2，C，(A+B)/2]，如附图6所示模版4； 

比较模块602分别计算每段直方图中H_i、H_i+1、H_i+2的和model1、model2、model3、model4差的绝对值，选出绝对值最小的模版类型，作为当前段直方图的类型，所述类型决定了曲线选择模块603中曲线选择的类别以及曲线形成方式。 

曲线选择模块603根据得到的模版，在相应的曲线查找表中，根据该段直方图的变化梯度从曲线列表中选择合适的曲线，作为该段直方图的小亮度转换曲线。 

所述曲线列表中曲线的条数不是唯一的，可以根据所述曲线幅度分为N条，其中N为自然数。存储的曲线条数越多，则曲线精度越高，但占据的存储空间也比较大；同样，存储的曲线条数越少，存储空间减小的同时精度也越低，综合精度及存储空间两个因素的考虑，本实施例中，以曲线列表存放着两种极性、3种幅度共6条曲线为例。两种极性，是指模版1型和模版2型对应的左弧曲线和右弧曲线这两种基本曲线，而模版3型和模版4型对应的反S曲线和正S曲线，可由所述两种基本曲线左弧曲线和右弧曲线组合而成。 

本实施例中，为了便于硬件实现，取低亮度段为16～112，中亮度段为80～176，高亮度段为144～240，使每个亮度段都对应一个0～96的长度，方便统一设计曲线。曲线列表只用七个点依次连接形成的折线来构成曲线，而两点之间的其他值由插值得到，在曲线列表中，每条曲线都是对应坐标[0，16，32，48，64，80，96]的七个高度值，如图8所示。 

值得注意的是，图像高、中、低亮度的分段标准不局限于本实施例提出的分段方式，其它16到235之间任意的分段都是可以的；另外，曲线列表的长度和坐标也不局限于本实施例中0～96的长度及对应坐标[0，16，32，48，64，80，96]，对应长度内也可以选择任意多点依次相连拟合成曲线，比如[0，8，16，24，32，48，64，80，96]，本实施例中的选择是基于降低硬件代码的实现复杂度以及设计曲线的方便统一。 

图11给出了本实施例中曲线列表的具体值，而且所述具体值可以通过I²C适时地配置，因此可以根据具体情况配置合适的值，更加灵活准确。 

本实施例中，设曲线表的三条曲线按幅度由大到小依次为Curve_a，Curve_b，Curve_c，曲线选择模块603根据当前段直方图的三角形梯度来选择曲线，梯度越大，选择的曲线调整幅度越大，以下选择一种梯度划分方式对附图6所述的四种模版对应的曲线的选择分别作详细说明，其中，设定h1、h2、h3为当直方图特征符合模版1型和模版2型计算中的标志值，h11、h12、h13、h21、h22、h23为当直方图特征符合模版3型和模版4型时的计算中的标志值。 

(1)模版1型和模版2型： 

若C/4＞(B+A)/2或C/8＞A时，h1＝1，否则h1＝0； 

若C/3＞(B+A)/2或者C/6＞A时，h2＝1，否则h2＝0； 

若C/2＞(B+A)/2或者((C＞＝B)&&(C＞A+10))时，h3＝1，否则h3＝0； 

若h1+h2+h3＝3，则选择幅度最大的Curve_a；如果h1+h2+h3＝2，则选择幅度适中的Curve_b；如果h1+h2+h3＝1，则选择幅度最小的Curve_c；如果h1+h2+h3＝0，则选择默认曲线，即没有任何调整的曲线。 

其中，模版1型在左弧曲线组中选择，模版2型在右弧曲线组中选择。 

值得注意的是，本发明不局限于所述梯度划分方式，任何只要满足区分了直方图的梯度的计算方法均属于本发明的范围；本发明也不局限于将梯度分为三个等级，当需要从N条曲线中按照梯度选择一条曲线时，可以将梯度划分为N个等级，其中，N为自然数。 

(2)模版3型 

所述模版3的反S形曲线可以由左弧形曲线和右弧形曲线组合而成，其中，前半段为左弧形，后半段为右弧形。 

所述反S曲线前半段： 

若H_i/4＞H_i+1，h11＝1，否则h11＝0； 

若H_i/2＞H_i+1，h12＝1，否则h12＝0； 

若H_i/3*2＞H_i+1，h13＝1，否则h13＝0； 

与(1)中的选择方法相同，根据h11+h12+h13的值，在Curve_a，Curve_b，Curve_c中选择一条曲线，设其对应的七个点的值为Curve_temp1＝[C11，C12，C13，C14，C15，C16，C17]。 

所述反S曲线后半段： 

若H_i+2/4＞H_i+1，h21＝1，否则h21＝0； 

若H_i+2/2＞H_i+1，h22＝1，否则h22＝0； 

若H_i+2/3*2＞H_i+1，h23＝1，否则h23＝0； 

与(1)中的选择方法相同，根据h21+h22+h23的值，在Curve_a，Curve_b，Curve_c中选择一条曲线，设其对应的七个点的值为Curve_temp2＝[C21，C22，C23，C24，C25，C26，C27]。 

由于两段曲线都是对应[0，16，32，48，64，80，96]，因此将Curve_temp1映射到[0，8，16，24，32，40，48]，而把Curve_temp2映射到[48，56，64，72，82，88，96]，由公式(4)和(5)得到两条新的曲线列表值，将两条曲线结合到0到96的范围内： 

curve_new1＝Curve_temp1/2       (4) 

curve_new2＝48+Curve_temp2/2    (5) 

而图11和图12所示的曲线列表中，为节省存储空间，只存储中间5个点，首尾点取默认值：C11＝0；C17＝96；C21＝0；C27＝96。 

因此，得到[0，C12/2，C13/2，C14/2，C15/2，C16/2，48，48+C22/2，48+C23/2，48+C24/2，48+C25/2，48+C26/2，96]为对应[0，8，16，24，32，40，48，56，64，72，82，88，96]的点，为了和其他类型的曲线一致，选择抽取[0，16，32，48，64，80，96]对应的点，最终得到所需的曲线： 

[0，C13/2，C15/2，48，48+C23/2，48+C25/2，96]。 

(3)模版4型 

本发明中正S形曲线和反S形曲线的形成方法相同，区别在于前半段选右弧形曲线，后半段选左弧形曲线。 

每段的小曲线生成后，小曲线合成模块503将3条小曲线合成为一条完整的大曲线。由于低亮、中亮、高亮每段曲线都是由7个点组成，都有0～96的  范围，且三段曲线之间相互有长度为32的重合区域(即3个重合点)。图9描述了相邻两段曲线的组合方法。 

假设查图11所示曲线列表得到三段亮度对应的曲线分别为： 

ori_CL＝[CL1，CL2，CL3，CL4，CL5，CL6，CL7]， 

ori_CM＝[CM1，CM2，CM3，CM4，CM5，CM6，CM7]， 

ori_CH＝[CH1，CH2，CH3，CH4，CH5，CH6，CH7]。 

由于曲线列表是在0～96亮度范围内建立的，且分别对应16～112，80～176，144～240，所以需要将曲线修正为： 

new_CL＝ori_CL+16     (6) 

new_CM＝ori_CL+80     (7) 

new_CH＝ori_CL+144    (8) 

对曲线重合的3个点，则按一定原则加权平均，本实施例中对重合点取平均值。最后得到的曲线共有15个点，分别为：[CL1+16，CL2+16，CL3+16，CL4+16，CL5+16，((CL6+16)+(CM2+80))/2，CM3+80，CM4+80，CM5+80，((CM6+80)+(CH2+144))/2，CH3+144，CH4+144，CH5+144，CH6+144，CH7+144]，分别对应的亮度原始值为[16，32，48，64，80，96，112，128，144，160，176，192，208，224，240]。所述15个相邻间距为16的点顺序相连则得到一条由折线近似组成的曲线。 

另外，视频信号的范围一般是确定的，以8位的系统为例，亮度信号的范围为16～235，所以在曲线的生成过程中需要使曲线经过亮度的极限值，从而防止高低亮度区域的信号损失。 

得到所述三段合成的亮度转换曲线后，由于在同一场景的相邻图像，可能会因为图像亮度分布的轻微差异，使得映射曲线生成模块104对前后两场连续场景图像生成差异较大的亮度映射曲线。如果直接将生成的调整曲线作用于图像，会导致同一场景中的所述两场相邻图像出现较大的亮度调整差异，若所述情况连续出现，则会导致画面闪烁，因此本发明增加场间亮度关系判断模块105。 

场间亮度关系判断模块105根据前后两场的平均亮度值来判断是否出现场景切换，以决定如何组合由亮度映射曲线生成模块104生成的新的亮度映射曲线和当前场的最终调整曲线以得到下一场的最终调整曲线。若场间亮度平均值差异很大，则认为发生场景切换，下一场的最终调整曲线完全采用104生成的新的亮度映射曲线，否则下一场的最终调整曲线取104生成的新的亮度映射曲线和当前场的最终调整曲线的加权平均，使在同一场景中的相邻图像，亮度映射曲线是渐变的，从而避免在相邻近似场景中出现由于曲线差异造成的闪烁现象。 

场间亮度关系判断模块105的具体判断方法是基于被判断关系的两场图像的平均亮度值Av_Y_k-1和Av_Y_k，将其带入公式(9)，得到相邻两场图像的亮度平均值差的绝对值： 

dif_Av_Y＝|Av_Y_k-1-Av_Y_k|                     (9) 

若dif_Av_Y＞Y_th，则R_new＝1，R_old＝0； 

否则R_new＝dif_Av_Y/Y_th，R_old＝1-R_new。 

其中，以输入信号为8位的系统为例，Y_th为小于50亮度阈值，具体的实现中可以根据实际情况配置。如图1所示，R_new与当前计算出的亮度映射曲线L_1相乘，R_old与经第四延迟模块1034延迟的上一场计算出的最终的亮度映射曲线L_delay相乘，两个乘积之和，则为当前场所得到的最终的亮度映射曲线L_valid，用于调整下一场的图像亮度对比度，所述亮度映射曲线由[16，32，48，64，80，96，112，128，144，160，176，192，208，224，240]各点依次相连的折线拟合得到。 

亮度调整模块106根据所述得到的16～235整个亮度范围内的亮度映射曲线修改图像每个像素的亮度，由此实现了图像的亮度对比度的调整。对应[16，32，48，64，80，96，112，128，144，160，176，192，208，224，240]上各点的转换亮度值可  直接替换，其他亮度的转换需要由其左右两个已知亮度转换值插值计算得出。 

具体实施例(二) 

本实施例的整体结构框图如附图10所示，与所述具体实施例一的整体结构框图相同的是，包括亮度信息统计模块101、第一延迟模块1031、第二延迟模块1032、第三延迟模块1033、第四延迟模块1034、亮度映射曲线生成模块104、场间亮度关系判断模块105以及亮度调整模块106；不同的是，本实施例中还包括近似饱和度计算模块102和第五延迟模块1035。 

由于增加所述近似饱和度计算模块102，本具体实施例中输入数据为亮度信号Y_in，以及色差信号Cb_in和Cr_in，其中色差信号Cb_in和Cr_in输入到近似饱和度计算模块102中得到图像的平均近似饱和度。 

近似饱和度计算模块102负责统计图像色度信息，计算当前图像的色彩平均近似饱和度，饱和度的计算公式如公式(10)，本实施例中，将公式(10)简化为公式(11)，近似计算图像中每个点的色彩近似饱和度S，将所有统计点的色彩近似饱和度S求均值则得到整幅图像的色彩平均近似饱和度Av_S。 

$S=\sqrt{{\mathrm{Cb}}^2+{\mathrm{Cr}}^2}---\left(10\right)$

S＝|Cb-128|+|Cr-128|    (11) 

本实施例中，近似饱和度计算模块102选择参与计算的图像范围和亮度信息统计模块101的统计窗相同，选择win_x1行到win_x2行，win_y1列到win_y2列的统计窗内的色差信号和Cb_in和Cr_in参与计算图像的平均近似饱和度。其中win_x1，win_x2，win_y1，win_y2的数值可以通过I²C配置寄存器的方式调整，用户在调试时可以根据实际情况配置统计窗的大小，可以为整幅图像的大小，也可以为整幅图像的一部分。 

基于所述由图像近似饱和度对曲线进行初步筛选的原理，本实施例与具体实施例一不同的地方还在于，曲线列表存放着两种极性、5种幅度共10条曲线，如图12所示，首先由曲线平均近似饱和度从五条曲线中选择所需的三条，再按照具体实施例一所述的方法根据直方图的梯度信息选择本发明所需的调整图像对比度的曲线。相应的，曲线选择步骤分为两步，相比具体实施例一附图6曲线选择模块603中增加了一个步骤。所述增加的步骤为步骤一： 

将所述色彩平均近似饱和度Av_S按阈值TS1和TS2分成三个区域，首先根据图像的色彩平均近似饱和度Av_S缩小曲线选择的范围，其中，TS1和TS2为寄存器可配置的值，具体的方法分以下三种情况S1、S2、S3： 

S1：当图像的色彩平均近似饱和度Av_S大于TS1时，曲线选择范围缩小为Curve3～Curve5这3组幅度最小的曲线； 

S2：当图像的色彩平均近似饱和度Av_S小于TS1且大于TS2时，曲线选择范围缩小为Curve2～Curve4这3组幅度适中的曲线； 

S3：当图像的色彩平均近似饱和度Av_S小于TS2时，曲线选择范围缩小为Curve1～Curve3这3组幅度最大的曲线。 

得到所述三条曲线后，进入步骤二，所述步骤二为具体实施例一中曲线选择模块603中的步骤一。 

表2 

以下的处理与具体实施例一中完全相同。 

本实施例增加亮度近视饱和度模块102的有益效果在于在曲线选择模块中，首先由图像的平均近似饱和度在曲线查找表中缩小选择范围，由于颜色鲜艳的图像，色彩平均近似饱和度Av_S往往很大，此类图像不需要大幅度的亮度拉伸， 若采用饱和度作初步筛选，则可以防止所述颜色鲜艳的图像被大幅度拉伸反而使图像显示效果变差的现象发生。 

值得注意的是，本发明具体实施例二和具体实施例一中情况相同，所述直方图统计模块不局限于所述七段和九段直方图统计方法，其它满足反映图像直方图信息的统计方法均属于本发明的范围；所述近似饱和度计算模块的统计窗的设置方法也不局限于本发明所述方法，不设置统计窗而直接取整幅图像的大小也属于本发明的范围。 

另外，本发明实施例一和实施例二均以8位系统为例，若输入信号为其它位数n时，实施例中所涉及到得数据为本发明实施例中数的2^8-n倍，其中，n为自然数。 

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。 

Claims (14)

1.一种数字图像亮度对比度增强装置，其特征在于：该装置包括亮度信息统计模块(101)、第一延迟模块(1031)、第二延迟模块(1032)、第三延迟模块(1033)、第四延迟模块(1034)、亮度映射曲线生成模块(104)、场间亮度关系判断模块(105)以及亮度调整模块(106)；

其中，亮度信号Y_in输入到亮度信息统计模块(101)得到当前第k场的直方图统计信息及亮度平均值，

所述直方图统计信息经第一延迟模块(1031)延迟后输入到亮度映射曲线生成模块(104)，初步生成当前第k场的亮度映射曲线L_1，

第k-1场的亮度平均值依次经第二延迟模块(1032)和第三延迟模块(1033)延迟后，与经过第二延迟模块(1032)的第k场的亮度平均值同时输入到场间亮度关系判断模块(105)，得到比例系数R_new和R_old并与由亮度映射曲线生成模块(104)得到的曲线L_1和由第四延迟模块(1034)得到的上一场的亮度映射曲线L_delay进行加权，则得到所需的亮度映射曲线L_valid，

所述亮度映射曲线L_valid输入到亮度调整模块，对下一场第k+1场的亮度信号Y_in进行调整即得到对比度调整过的图像。

2.根据权利要求1所述的一种数字图像亮度对比度增强装置，其特征在于：所述装置还包括以下模块：近似饱和度计算模块(102)和第五延迟模块(1035)，所述近似饱和度计算模块(102)的输入信号为图像的色差信号。

3.根据权利要求2所述的一种数字图像亮度对比度增强装置，其特征在于：所述近似饱和度计算模块(102)输出的图像平均近似饱和度经第五延迟模块(1035)延迟后输入到亮度映射曲线生成模块(104)，配合图像直方图信息从曲线列表中选择合适的曲线。

4.根据权利要求1或2所述的一种数字图像亮度对比度增强装置，其特征在于：所述亮度映射曲线生成模块(104)将所述亮度信息统计模块(101)得到的直方图分为三段，每段均根据形状近似成三角形模版1：或三角形模版2：或三角形组合模版3：

或三角形组合模版4：

5.根据权利要求4所述的一种数字图像亮度对比度增强装置，其特征在于：所述四种模版：

分别对应的四种直方图拉伸曲线为：

形、

形、

形、形。

6.根据权利要求5所述的一种数字图像亮度对比度增强装置，其特征在于：所述亮度映射曲线生成模块(104)根据三段直方图得到三段拉伸曲线，并将所述的三段拉伸曲线合成为一条完整的数字图像亮度对比度拉伸曲线。

7.根据权利要求5所述的一种数字图像亮度对比度增强装置，其特征在于：所述四种直方图拉伸曲线可以有不同的幅度。

8.根据权利要求7所述的一种数字图像亮度对比度增强装置，其特征在于：所述不同幅度的直方图拉伸曲线通过查找曲线列表，由曲线列表中存储的点依次连接得到；所述查找曲线列表的依据是直方图梯度的大小。

9.根据权利要求8所述的一种数字图像亮度对比度增强装置，其特征在于：所述四种直方图拉伸曲线每种至少有一条存储于所述的曲线列表中。

10.根据权利要求8所述的一种数字图像亮度对比度增强装置，其特征在于：所述曲线列表的值可以通过I²C配置寄存器的方式进行调整。

11.根据权利要求1或2所述的一种数字图像亮度对比度增强装置，其特征在于：所述亮度信息统计模块(101)和近似饱和度计算模块(102)中涉及的由参数win_x1、win_x2、win_y1、win_y2确定的统计窗，其中，所述win_x1、win_x2、win_y1、win_y2的值可以通过I2C配置寄存器的方式进行调整。

12.根据权利要求1或2所述的一种数字图像亮度对比度增强装置，其特征在于：所述亮度信息统计模块(101)和近似饱和度计算模块(102)中可以不设置由参数win_x1、win_x2、win_y1、win_y2确定的统计窗，而取整幅图像参与计算。

13.根据权利要求1所述的一种数字图像亮度对比度增强装置，其特征在于：所述第一延迟模块(1031)、第二延迟模块(1032)、第三延迟模块(1033)、第四延迟模块(1034)为完全相同的模块。

14.根据权利要求2所述的一种数字图像亮度对比度增强装置，其特征在于：所述第一延迟模块(1031)、第二延迟模块(1032)、第三延迟模块(1033)、第四延迟模块(1034)、第五延迟模块(1035)为完全相同的模块。

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