CN101478689B - 一种基于色域映射的图像光照校正系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于色域映射的图像光照校正系统，将输入图像的亮度信号和色彩空间分解后的R、G、B信号分开进行处理，然后，将亮度调节计算得到的亮度信号的亮度值乘以色彩空间分解后的R分离色彩信号、G分离色彩信号、B分离色彩信号，恢复得到光照校正后图像，这种新的色彩空间分解和亮度调节能够在提高图像对比度的同时更好地保持原始图像的色彩、不会增加图像的噪声。同时，本发明所采用的光照校正系统在亮度调节计算模块中，将暗光部分增强，高光部分进行压制，能处理含有高光和暗光的图像。

Description

一种基于色域映射的图像光照校正系统

技术领域

本发明涉及图像处理技术领域，具体来讲，涉及一种处理明、暗场景光照下图像色彩校正和增强的基于色域映射的图像光照校正系统。

背景技术

许多图像、视频采集设备，如数码相机、摄像机等，在进行图像信号的采集时，由于图像是由光的反射形成的，常出现光源在景物上照射不均匀的现象，至使光照强的部分较亮，光照弱的部分较暗，导致环境光照不均匀的情况，或者光线较暗，或者光线比较明亮。

为了避免这种光照较暗或者较亮的现象，可以通过调节曝光时间来进行弥补。而现有的图像信号采集设备，对于同一场景，每次获得的曝光时间只能有一个，因此在同一副图像中不能同时捕捉不同光照下的物体的细节，往往造成场景中，有的地方光照较昏暗，有的地方光照较明亮，使得图像信号的对比度降低。而图像的对比度对于人类视觉的影响是至关重要的，因此亟需解决图像信号在不同光照环境下的色彩校正技术，以满足人类视觉感官需要。

此外，对于显示设备而言，为了能够更好的显示视频原始信号，提供更多的图像细节层次，也需要对原始图像、视频信号进行色彩和亮度的校正，以提高显示图像的对比度，增强更多的层次细节。

此外随着高动态范围，即HDR，High Dynamic Range技术的发展，也需要解决如何在低动态范围，即LDR，Low Dynamic Range设备上显示高动态范围图像信号的问题。目前大多数采用数字摄像和显示设备都属于低动态范围设备，为了使获取的影像具有更广的亮度范围和更多的色彩层次，高动态范围成像和显示设备已经出现。由于成本价格等因素的原因，为了能够在低动态范围设备上显示高动态范围影像，需要进行高动态范围影像到低动态范围影像的转换。而该问题的关键也在于如何保持图像在不同光照下色彩的映射和校正问题。

因此，为了提高图像的对比度，使图像能够呈现更多的层次细节，增强用户体验，需要对输入图像进行自动调整光照的处理。

目前对于不同光照下图像信号的校正有主要有：直方图均衡、同态滤波、伽马校正等较为常用的方法，这些方法在一定程度上达到图像对比度增强和光照平衡的目的。

直方图均衡是一种经典的图像视频增强的方法，其基本原理是，通过统计一幅图像的直方图，将该图像的直方图重新按照某种分布进行调整，比如均匀分布，然后再将亮度值按照重新赋予的新值映射回去。

直方图均衡方法对于背景和前景都太亮或者太暗的图像比较有效，这种方法的主要缺点是它对处理的数据不加选择，在增强的同时会增加背景噪声的对比度并且降低有用信号的对比度。对直方图均衡也产生了许多改进方法，但这些方法都会在增强图像的同时增加背景噪声。为了解决图像局部对比度增强的问题，产生了自适应直方图均衡；为了消弱平滑区域的噪声，产生了对比度限制自适应直方图均衡方法等。

同态滤波是一种把频率过滤和灰度变换结合起来的一种处理方法。它是把图像的照明反射模型作为频域处理的基础，利用压缩灰度范围和增强对比度来改善图像的一种处理技术。假定一幅图像的照明分量通常用慢变化来表征，而反射分量则倾向于急剧变换。图像取对数后得傅立叶变换的低频部分主要对应照度分量，而高频部分主要对应反射分量。适当的选择滤波器函数将会对傅立叶变换中的低频部分和高频部分产生不同的响应。处理结果会使像元灰度的动态范围或图像对比度得到增强。

同态滤波方法对于处理同时具有明亮区域和黑暗区域的图像比较有效。但这种方法，从是基于傅立叶变换的，而在频率域进行处理，不仅花费大量的计算时间，而且最终的处理结果也会出现伪色彩和纹理。此外，这种方法对于单一的光照较暗或者较亮的情况处理效果不好。

伽马校正是一种经典的色彩校正方法，该方法通过将原始图像的亮度进行变换映射，提高局部亮度的对比度。它一般通过对亮度值的指数变换来完成，公式描述如下：

$L_{\mathrm{output}}=L_{\mathrm{input}}^r---\left(1\right)$

其中L_input表示图像的亮度值，L_output为伽马校正后图像的亮度值，r为校正系数。

伽马校正方法能够将较亮图像的亮度进行压制，将较暗图像的亮度进行拉伸。对于较暗的图像进行亮度增强时，取r<1；对于较亮的图像进行亮度压制时，r>1。其缺点在于，但每次处理都是针对图像整体进行亮度映射的，并且每次只能处理一种情况，不能同时满足处理含有高光和暗光的图像。

发明内容

本发明的目的在于克服现有图像光照校正方法的不足，提供一种能很好保持原始图像色彩、不会增加图像噪声，并能处理含有高光和暗光图像的基于色域映射的图像光照校正系统。

为达到上述发明目的，本发明的基于色域映射的图像光照校正系统，包括：

一色彩分解模块，用于将输入图像信号按色彩通道分解为R通道信号、G通道信号、B通道信号；

一亮度计算模块，用于根据分解出的R通道信号、G通道信号、B通道信号计算输出亮度信号；

一色彩空间分解计算模块，用于将分解出的R通道信号、G通道信号、B通道信号分别除以亮度计算模块计算出的亮度信号的亮度值，进行色彩空间分解，输出R分离色彩信号、G分离色彩信号、B分离色彩信号；

一亮度调节计算模块，用于亮度计算模块输出亮度信号的亮度调节计算，将暗光部分增强，高光部分进行压制，输出亮度调节后的亮度信号；

一图像合成模块，用于将亮度调节后的亮度信号与R分离色彩信号、G分离色彩信号、B分离色彩信号进行相乘，合成光照校正后的图像信号。

本发明将输入图像的亮度信号和色彩空间分解后的R、G、B信号分开进行处理，然后，将亮度调节计算得到的亮度信号的亮度值乘以色彩空间分解后的R分离色彩信号、G分离色彩信号、B分离色彩信号，恢复得到光照校正后图像，这种新的色彩空间分解和亮度调节能够在提高图像对比度的同时更好地保持原始图像的色彩、不会增加图像的噪声。同时，本发明所采用的光照校正系统在亮度调节计算模块中，将暗光部分增强，高光部分进行压制，能处理含有高光和暗光的图像。

本发明给出的图像光照校正系统，能够同时处理具有暗光和高光等多种复杂光照条件下的图像信号。

附图说明

图1是本发明图像光照校正系统的一种具体实施方式框图；

图2是图1所示亮度调节计算模块的色域映射曲线；

具体实施方式

为更好地理解本发明，下面结合具体实施方式对本发明进行更为详细描述。在以下的描述中，当已有的现有技术的详细描述也许会淡化本发明的主题内容时，这些描述在这儿将被忽略。

图1是本发明图像光照校正系统的一种具体实施方式框图。在本实施例中，当输入图像101进入光照校正系统后，首先在色彩分解模块102中将该输入图像101按照色彩通道分解为R通道信号103、G通道信号104以及B通道信号105；然后分别通过亮度计算模块106进行图像亮度计算，得到亮度信号I115；对亮度信号I115通过亮度调节计算模块116进行调节计算，获得调节后新的亮度信号I′117；通过色彩空间分解计算模块107，将分解出的R通道信号103、G通道信号104、B通道信号105分别除以亮度计算模块计算出的亮度信号I115的亮度值，进行色彩空间分解，输出R分离色彩信号R′108、G分离色彩信号G′109以及B分离色彩信号B′110，并将分离色彩信号108、109、110在高斯滤波计算模块111进行高斯滤波计算，获得新的R分离色彩信号R_gauss112、G分离色彩信号G_gauss113以及B分离色彩信号B_gauss114。将调节后的亮度信号I′117亮和R分离色彩信号R_gauss112、G分离色彩信号G_gauss113以及B分离色彩信号B_gauss114在图像合成模块118中进行相乘，合成光照校正后的图像信号119。

在本实施例中，亮度计算模块106采用如下公式计算亮度：

I＝0.27×R+0.67×G+0.06×B                 (1)

其中，R，G，B分别为输入图像各通道上的亮度值。

色彩空间分解计算模块107采用如下公式计算分离色彩信号R′108、G分离色彩信号G′109以及B分离色彩信号B′110：

R′＝R/I

G′＝G/I                          (2)

B′＝B/I

得到亮度信号I115后，经亮度调节计算模块116进行亮度调节计算，获得调节后新的亮度信号I′117。亮度信号I115经过调节后形成的曲线，在本实施例中称为色域映射曲线，相应的函数为色域映射函数。

对于色域映射曲线的设计，要满足两点性质：1)色域映射曲线应该保证单值并且单调递增；2)色域变化曲线应该保证在[0,255]范围内变化。条件1)保证了图像亮度的映射是从最暗到最亮的顺序增加，并且要求满足映射是一一对应，从而使图像的亮度变化满足人眼的视觉特性；条件2)保证了在映射前后图像的亮度保持在原有范围内，不会引入超出图像表示范围的错误数据。

图2是图1所示亮度调节计算模块的色域映射曲线。在本实施例中，色域映射曲线由三部分组成，暗光增强部分、高光压制部分以及平滑过渡部分。由于人眼对暗光和高光的敏感程度不同，因此可以根据人眼视觉敏感点来确定暗光和高光的截止范围。

图2中，S₁描述了对暗光的视觉敏感点，该位置表明了对于大于S₁的亮度，人眼可以分辨和接受，而小于S₁的亮度，需要进行增强操作。为了获得满足人眼视觉特性的亮度增强效果，对于小于S₁的亮度，采用：

I′＝log_α(I·β·(α-1)+1)             (3)

亮度信号I进行亮度的色域变换，即亮度调节计算，得到新的亮度信号I′。

图2中，S₂描述了对高光的视觉敏感点，该位置表明了对于小于S₂的亮度，人眼可以分辨和接受，而大于S₂的亮度，需要进行压制操作。为了获得满足人眼视觉特性的亮度增强效果，对于大于S₂的亮度，采用：

$I\&prime;=\frac{{\mathrm{\&alpha;}}^I-1}{\mathrm{\&beta;}\&CenterDot;(\mathrm{\&alpha;}-1)}---\left(4\right)$

亮度信号I进行亮度的色域变换，即亮度调节计算，得到新的亮度信号I′。

视觉敏感点S₁，S₂的选取，可以预先根据统计进行设置，也可以由用户进行调节，一般而言，视觉敏感点S₁，S₂在亮度范围内具有对称性。对于亮度值在[S₁，S₂]之间的亮度，采用其他函数进行映射变换。在本实施例中，该函数描述为I′＝ω(I)。由于人眼视觉特性，要求色域映射函数曲线满足性质1)和2)。由于视觉敏感点S₁，S₂在亮度范围内具有对称性，因此，在本实施例中，考虑采用I′＝ω(I)来拟和色域映射曲线，比如I′＝A·sin(I)的函数形式，其中A表示函数的幅值。色域映射曲线由三部分组成：

暗光增强部分：I′＝log_α(I·β·(α-1)+1)

高光压制部分： $I\&prime;=\frac{{\mathrm{\&alpha;}}^I-1}{\mathrm{\&beta;}\&CenterDot;(\mathrm{\&alpha;}-1)}$

平滑过渡部分：I′＝A·sin(I)

其中，α为光照校正增益，β为光照校正比例系数，A为幅值。

因此，亮度调节计算模块116进行调节计算采用如下色域映射函数形式：

$I\&prime;=\left\{\begin{array}{cc}{\log }_{\mathrm{\&alpha;}}(I\&CenterDot;\mathrm{\&beta;}\&CenterDot;(\mathrm{\&alpha;}-1)+1)& I\&Element;[0,S_1)\\ A\&CenterDot;\sin \left(I\right)& I\&Element;[S_1,S_2)\\ \frac{{\mathrm{\&alpha;}}^I-1}{\mathrm{\&beta;}\&CenterDot;(\mathrm{\&alpha;}-1)}& I\&Element;[S_2,255]\end{array}\right.---\left(5\right)$

其中，α为光照校正增益，β为光照校正比例系数，A为幅值，S₁为暗光的视觉敏感点，S₂为高光的视觉敏感点。

在本实施例中，将分离色彩信号108、109、110在高斯滤波计算模块111进行高斯滤波计算，其计算如下式：

R_gauss＝R′*g(x，y，σ)

G_gauss＝G′*g(x，y，σ)(6)

B_gauss＝B′*g(x，y，σ)

其中，g为高斯核函数，σ为高斯核函数的方差。

在本实施例中，根据调节后的亮度信号I′117，分通道校正图像的光照。分通道校正的图像是色彩空间分解的逆过程，在图像合成模块118中进行相乘，合成光照校正后的图像信号119，其R、G、B值为R_new、G_new、B_new采用下述公式进行：

R_new＝R_gauss·I′

G_new＝G_gauss·I′              (7)

B_new＝B_gauss·I′

在本实施例中，给出了一种基于人眼视觉特性进行色域映射的方法，能够同时处理具有暗光和高光等多种复杂光照条件下的图像信号。

在本实施例中，还给出了一种色域映射曲线的设计方法，该方法可以根据人眼的视觉特征，通过调整人眼视觉敏感点，来获得适于不同用户视觉特点的色域映射曲线，增强用户的感官体验。

在本实施例中，将色域映射曲线分为暗光处理、高光处理以及平滑过度三个部分，并给出了一种平滑过度函数设计方法，使得色域映射曲线更加符合人眼视觉的连贯性，增强图像的细节的层次感。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，但应当清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种基于色域映射的图像光照校正系统，其特征在于，包括：

一色彩分解模块，用于将输入图像信号按色彩通道分解为R通道信号、G通道信号、B通道信号；

一亮度计算模块，用于根据分解出的R通道信号、G通道信号、B通道信号计算输出亮度信号；

一色彩空间分解计算模块，用于将分解出的R通道信号、G通道信号、B通道信号分别除以亮度计算模块计算出的亮度信号的亮度值，进行色彩空间分解，输出R分离色彩信号、G分离色彩信号、B分离色彩信号；

一亮度调节计算模块，用于亮度计算模块输出亮度信号的亮度调节计算，对于小于暗光的视觉敏感点亮度，进行增强操作；对于大于高光的视觉敏感点的亮度，进行压制操作，输出亮度调节后的亮度信号；

一图像合成模块，用于将亮度调节后的亮度信号与R分离色彩信号、G分离色彩信号、B分离色彩信号进行相乘，合成光照校正后的图像信号。

2.根据权利要求1所述的基于色域映射的图像光照校正系统，其特征在于，所述的亮度调节计算为：

$I^{\&prime;}=\left\{\begin{array}{cc}{\log }_{\mathrm{\&alpha;}}(I\&CenterDot;\mathrm{\&beta;}\&CenterDot;(\mathrm{\&alpha;}-1)+1)& I\&Element;[0,S_1)\\ A\&CenterDot;\sin \left(I\right)& I\&Element;[S_1,S_2)\\ \frac{{\mathrm{\&alpha;}}^I-1}{\mathrm{\&beta;}\&CenterDot;(\mathrm{\&alpha;}-1)}& I\&Element;[S_2,255]\end{array}\right.---\left(5\right)$

其中，α为光照校正增益，β为光照校正比例系数，A为幅值，S₁为暗光的视觉敏感点，S₂为高光的视觉敏感点，I为亮度计算模块输出亮度信号的亮度值，I′为增强计算后的亮度值。

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