CN102214357A - 一种图像增强方法及系统 - Google Patents

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CN102214357A CN2011101700341A CN201110170034A CN102214357A CN 102214357 A CN102214357 A CN 102214357A CN 2011101700341 A CN2011101700341 A CN 2011101700341A CN 201110170034 A CN201110170034 A CN 201110170034A CN 102214357 A CN102214357 A CN 102214357A
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王洪剑
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Abstract

本发明公开了一种图像增强方法及系统，该方法包括：A.使用梯度计算滤波器对输入的图像亮度分量
Figure 2011101700341100004DEST_PATH_IMAGE002
进行滤波以产生梯度矩阵；B.使用带通、高通滤波器将输入的图像亮度分量
Figure 814709DEST_PATH_IMAGE002
中的中频、高频部分滤波出来，分别产生中频信号及高频信号；C.根据梯度矩阵产生中频信号的增益系数及高频信号的增益系数；D.根据下面公式产生叠加信号：
Figure 2011101700341100004DEST_PATH_IMAGE004
；E.根据下面公式产生增强信号：。实施本发明的技术方案，能使图像信号中的中频和高频部分强化，进而使处理后的视频图像比原始图像更适用。

Description

一种图像增强方法及系统
技术领域
本发明涉及图像处理技术，尤其涉及一种图像增强方法及系统。
背景技术
图像信号在传输过程中，由于多种多样的原因，不可避免地会造成中频和高频信号的衰减，使得图像的清晰度下降，因此，如何对中频和高频部分强化，使处理后的视频图像比原始图像更适用，成为人们一直渴望解决的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述图像信号在传输过程中会衰减的缺陷，提供一种图像增强方法，能使图像信号中的中频和高频部分强化，进而使处理后的视频图像比原始图像更适用。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种图像增强方法，包括：
A.使用梯度计算滤波器对输入的图像亮度分量                                                
Figure 2011101700341100002DEST_PATH_IMAGE001
进行滤波以产生梯度矩阵，且所述梯度计算滤波器包含奇数个系数，且相对中心系数呈左右对称；
B.使用带通、高通滤波器将输入的图像亮度分量
Figure 978710DEST_PATH_IMAGE001
中的中频、高频部分滤波出来，分别产生中频信号
Figure 833534DEST_PATH_IMAGE002
及高频信号
Figure 2011101700341100002DEST_PATH_IMAGE003
，其中，
Figure 49489DEST_PATH_IMAGE004
表示卷积，为带通滤波器，
Figure 320065DEST_PATH_IMAGE006
为高通滤波器；
C. 根据所述梯度矩阵产生中频信号的增益系数
Figure 2011101700341100002DEST_PATH_IMAGE007
及高频信号的增益系数
Figure 72120DEST_PATH_IMAGE008
；
D.根据公式1产生叠加信号
Figure 2011101700341100002DEST_PATH_IMAGE009
：
Figure 268484DEST_PATH_IMAGE010
   公式1；
E. 根据公式2产生增强信号
Figure 2011101700341100002DEST_PATH_IMAGE011
：
Figure 473200DEST_PATH_IMAGE012
       公式2。
在本发明所述的图像增强方法中，所述步骤A包括：
A1.将梯度计算滤波器分解成两个滤波器，且这两个滤波器均包含奇数个系数，且相对中心系数非对称；
A2.使用所产生的两个滤波器分别对输入的图像亮度分量
Figure 672101DEST_PATH_IMAGE001
进行滤波，且对两个滤波器滤波后的值取绝对值，再将两个绝对值相加得到梯度矩阵。
在本发明所述的图像增强方法中，在所述步骤D 和步骤E之间，还包括：
F. 对叠加信号进行核化（coring）降噪处理，以减弱噪声。
在本发明所述的图像增强方法中，在所述步骤，还包括：
G.将增强信号的尖峰去除，并输出尖峰处理后的图像信号。
在本发明所述的图像增强方法中，所述步骤G包括：
G1.以输入的图像亮度分量
Figure 278662DEST_PATH_IMAGE001
的当前点为中心，开一个窗口，该窗口包含奇数个依次相邻的亮度点，并找出该奇数个亮度点的最大值和最小值；
G2.将增强信号分别与所述最大值和最小值进行比较，若在最大值和最小值之间，则输出该增强信号；若大于最大值或小于最小值，则输出该最大值或最小值。
在本发明所述的图像增强方法中，所述步骤F为：根据公式3对增强信号进行核化降噪处理：
Figure 2011101700341100002DEST_PATH_IMAGE013
              公式3
其中，
Figure 708244DEST_PATH_IMAGE014
为设置的阈值，为核化降噪处理所输入的叠加信号，
Figure 337940DEST_PATH_IMAGE016
为核化降噪处理后的输出信号。
本发明还构造一种图像增强系统，包括：
梯度计算滤波器，用于对输入的图像亮度分量
Figure 74952DEST_PATH_IMAGE001
进行滤波以产生梯度矩阵，且所述梯度计算滤波器包含奇数个系数，且相对中心系数呈左右对称；
带通、高通滤波器，用于将输入的图像亮度分量
Figure 402597DEST_PATH_IMAGE001
中的中频、高频部分滤波出来，分别产生中频信号
Figure 770125DEST_PATH_IMAGE002
及高频信号
Figure 949433DEST_PATH_IMAGE003
，其中，
Figure 660775DEST_PATH_IMAGE004
表示卷积，
Figure 304246DEST_PATH_IMAGE005
为带通滤波器，为高通滤波器；
增益系数计算模块，用于根据所述梯度矩阵产生中频信号的增益系数
Figure 306017DEST_PATH_IMAGE007
及高频信号的增益系数
Figure 322515DEST_PATH_IMAGE008
；
叠加信号产生模块，用于根据公式1产生叠加信号
Figure 820492DEST_PATH_IMAGE009
：
Figure 592139DEST_PATH_IMAGE010
   公式1；
增强信号产生模块，用于根据公式2产生增强信号：
       公式2。
在本发明所述的图像增强系统中，所述梯度计算滤波器被分解成两个滤波器，且这两个滤波器均包含奇数个系数，且相对中心系数非对称，所述两个滤波器分别对输入的图像亮度分量
Figure 157528DEST_PATH_IMAGE001
进行滤波，且对两个滤波器滤波后的值取绝对值，再将两个绝对值相加得到梯度矩阵。
在本发明所述的图像增强系统中，所述系统还包括：
核化降噪模块，用于对叠加信号进行核化降噪处理，以减弱噪声。
在本发明所述的图像增强系统中，所述系统还包括：
尖峰处理模块，用于将增强信号的尖峰去除，并输出尖峰处理后的图像信号。
实施本发明的技术方案，能使图像信号中的中频和高频部分强化，进而使处理后的视频图像比原始图像更适用。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例一的图像增强方法的流程图；
图2是本发明实施例二的图像增强方法的流程图；
图3是本发明增益系数与梯度的曲线图；
图4是核化降噪处理中输入信号和输出信号的曲线图；
图5是输入的图像亮度分量、增强信号及尖峰处理后的输出信号的曲线图；
图6是本发明实施例一的图像增强系统的逻辑图；
图7是本发明实施例二的图像增强系统的逻辑图。
具体实施方式
如图1所示，在本发明实施例一的图像增强方法的流程图中，该图像增强方法包括：
S10. 使用梯度计算滤波器对输入的图像亮度分量
Figure 100076DEST_PATH_IMAGE001
进行滤波以产生梯度矩阵，且所述梯度计算滤波器包含奇数个系数，且相对中心系数呈左右对称，例如，所选用的梯度计算滤波器的滤波系数为[-1  2  -1]；
S20. 使用带通、高通滤波器将输入的图像亮度分量
Figure 538010DEST_PATH_IMAGE001
中的中频、高频部分滤波出来，分别产生中频信号
Figure 896311DEST_PATH_IMAGE002
及高频信号
Figure 368880DEST_PATH_IMAGE003
，其中，
Figure 420013DEST_PATH_IMAGE004
表示卷积，
Figure 345244DEST_PATH_IMAGE005
为带通滤波器，
Figure 569551DEST_PATH_IMAGE006
为高通滤波器；
S30. 根据所述梯度矩阵产生中频信号的增益系数
Figure 568731DEST_PATH_IMAGE007
及高频信号的增益系数
Figure 853082DEST_PATH_IMAGE008
；
S40.根据公式1产生叠加信号：
   公式1；
S50. 根据公式2产生增强信号
Figure 911409DEST_PATH_IMAGE011
：
Figure 38765DEST_PATH_IMAGE012
       公式2。
在上述实施例中，若采用步骤S10中的滤波器对倾斜度低的直线处理，就会出现扭曲现象，效果非常不好，有时加强后的图像甚至比原图像还要糟糕。为了解决该问题，上述实施例的步骤S10优选包括：S11. 将梯度计算滤波器分解成两个滤波器，且这两个滤波器均包含奇数个系数，且相对中心系数非对称，例如，将步骤A中的梯度计算滤波器分解成两个滤波器，该两个滤波器的滤波系数分别为：[-1  1  0]、[0  1  -1]；S12. 使用所产生的两个滤波器分别对输入的图像亮度分量
Figure 938588DEST_PATH_IMAGE001
进行滤波，且对两个滤波器滤波后的值取绝对值，再将两个绝对值相加得到梯度矩阵。在该优选方案中，解决了倾斜度低的直线的扭曲的问题。
图2是本发明实施例二的图像增强方法的流程图，该方法相比图1所示的实施例一，步骤S10-S40及步骤S50相同，可参照前面的实施例，在此不再赘述。所不同的是，还包括步骤S60、S70。因为在图1所示的实施例中，虽然基本实现了图像的增强，但除了中、高频段的信号被大幅度的增强外，一些特高频信号，如噪声等，也被大幅度的增强，这样就使得噪声变得很多，画面很不干净，因此需要对噪声等一些不需要的信号进行削减，使画质变得相对清晰。另外，在信号传输过程中，图像轮廓也会变得模糊、不清晰、层次感不强。因此，为解决以上两个问题，在图1所示的实施例一的步骤S40和步骤S50之间，还包括：
S60.对叠加信号进行核化降噪处理，以减弱噪声；
在步骤S50之后，还包括：
S70. 将增强信号的尖峰去除，并输出尖峰处理后的图像信号。
在上述实施例的步骤S30中，如果增益系数太小，则达不到增强的效果，反之则增的太强，尤其是一些频率本身就比较高的信号如果增益系数过大，则增强后的图像效果特别不适合人们的视觉特性。为达到对不同的像素点计算出不同的增益系数，进而达到自适应的目的，可通过以下方法确定中频信号和高频信号的增益系数：首先说明的是，一般来讲，图像的梯度最能反映图像的各种信息，在局部区域中，梯度强度比较大的地方基本上是属于中高频的信号，反之则是低频信号，故可根据梯度对原始图像信号的亮度分量设计出自适应的增益系数。下面以中频信号的增益系数为例进行说明，结合图3，首先设置一个最大增益系数
Figure 2011101700341100002DEST_PATH_IMAGE017
，然后中频信号的增益系数可以设置为该最大增益系数，高频段的增益系数可以为零，低频段的增益系数可以设置较小。图中g1点为将低频到中频的梯度临界点，g2点为中频到高频的梯度临界点，另外，根据实际需要，选择低频到中频过渡的斜率及中频到高频过渡的斜率，这样，由图3可知，低频到中频、中频到高频就有一个平滑的过渡，而不是急剧上升或下降。同样地，对于高频信号的增益系数的确定也是同样的道理，只是所选的参数不一样。还应当说明的是，不管是确定中频信号还是高频信号的增益系数，其中的参数都是可调的，人们可以根据自己的感觉来进行相应的调整。
在另一个实施例中，上述实施例的步骤S60优选为：根据公式3对叠加信号进行核化降噪处理：
Figure 442381DEST_PATH_IMAGE013
              公式3
其中，
Figure 744050DEST_PATH_IMAGE014
为设置的阈值，
Figure 42307DEST_PATH_IMAGE015
为核化降噪处理所输入的叠加信号，
Figure 429426DEST_PATH_IMAGE016
为核化降噪处理后的输出信号。结合图4，其中，图中曲线L1（虚线）为叠加信号，也即核化降噪处理的输入信号（
Figure 799227DEST_PATH_IMAGE015
），M点为设置的正阈值（
Figure 126041DEST_PATH_IMAGE014
），N点为负阈值（
Figure 923096DEST_PATH_IMAGE018
），曲线L2（实线）为核化降噪处理后的输出信号
Figure 469615DEST_PATH_IMAGE016
。结合公式3及图4，当输入信号大于阈值时，输出信号为输入信号减去阈值；当输入信号小于负阈值时，输出信号为输入信号加上阈值；当输入信号的绝对值小于阈值时，输出信号为0。经过核化降噪处理，可减弱一些特高频的信号，如噪声，从而使画面更加清晰。
在另一个实施例中，上述实施例的步骤S70优选包括：
S71. 以输入的图像亮度分量
Figure 643107DEST_PATH_IMAGE001
的当前点为中心，开一个窗口，该窗口包含奇数个依次相邻的亮度点，并找出该奇数个亮度点的最大值和最小值。在此应当说明的是，由于亮度增强处理都是逐个亮度点进行的，输入的图像亮度分量
Figure 653789DEST_PATH_IMAGE001
的当前点也即原始的图像亮度分量的当前点，例如，开一个包含相邻五点的窗口，其中，中心点即为原始图像亮度分量的当前点，左右两边各两个亮度点，然后找出这五个相邻亮度点的最大值和最小值；
S72.将增强信号分别与所述最大值和最小值进行比较，若在最大值和最小值之间，则输出该增强信号；若大于最大值或小于最小值，也即在窗口之外，则输出该最大值或最小值。另外，对于一些特殊的区域，如边缘处只有一两个像素点，还可使最大值加一个权值，最小值减一个权值，这样就能起到很好的保护效应，达到最终的增强目的。
结合图5，其中，曲线L4为原始的图像亮度分量，曲线L5为增强信号，曲线L6为尖峰处理后的信号。比对曲线L5、L6，发现尖峰处理后的图像信号的轮廓边界更加清晰。
图6是本发明实施例一的图像增强系统的逻辑图，该图像增强系统包括：梯度计算滤波器10、带通、高通滤波器11、增益系数计算模块12、叠加信号产生模块13和增强信号产生模块14。在此应当说明的是，本申请中所提及的算法处理都是在YCbCr空间中对亮度分量Y进行的，而不是RGB空间进行的。在该实施例中，梯度计算滤波器10用于对输入的图像亮度分量
Figure 559428DEST_PATH_IMAGE001
进行滤波以产生梯度矩阵，且梯度计算滤波器包含奇数个系数，且相对中心系数呈左右对称；带通、高通滤波器12用于将输入的图像亮度分量
Figure 655560DEST_PATH_IMAGE001
中的中频、高频部分滤波出来，分别产生中频信号
Figure 367164DEST_PATH_IMAGE002
及高频信号
Figure 170035DEST_PATH_IMAGE003
，其中，
Figure 308892DEST_PATH_IMAGE004
表示卷积，
Figure 328538DEST_PATH_IMAGE005
为带通滤波器，
Figure 578254DEST_PATH_IMAGE006
为高通滤波器；增益系数计算模块12用于根据所述梯度矩阵产生中频信号的增益系数
Figure 563528DEST_PATH_IMAGE007
及高频信号的增益系数；叠加信号产生模块13用于根据下面公式产生叠加信号
Figure 881694DEST_PATH_IMAGE009
：；增强信号产生模块14用于根据下面公式产生增强信号
Figure 712563DEST_PATH_IMAGE011
：
Figure 193223DEST_PATH_IMAGE012
。       在一个优选实施例中，梯度计算滤波器10被分解成两个滤波器，且这两个滤波器均包含奇数个系数，且相对中心系数非对称，所述两个滤波器分别对输入的图像亮度分量
Figure 423348DEST_PATH_IMAGE001
进行滤波，且对两个滤波器滤波后的值取绝对值，再将两个绝对值相加得到梯度矩阵。
图7是本发明实施例二的图像增强系统的逻辑图，该实施例相比图6所示的实施例一，梯度计算滤波器10、带通、高通滤波器11、增益系数计算模块12、叠加信号产生模块13和增强信号产生模块14的逻辑结构均与图6中的相应模块是相同的，在此不再赘述，以下仅说明不同的部分：该系统还包括：核化降噪模块15用于对叠加信号进行核化降噪处理，以减弱噪声。尖峰处理模块16用于将增强信号的尖峰去除，并输出尖峰处理后的图像信号。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种图像增强方法，其特征在于，包括：
A.使用梯度计算滤波器对输入的图像亮度分量                                               
Figure 2011101700341100001DEST_PATH_IMAGE002
进行滤波以产生梯度矩阵，且所述梯度计算滤波器包含奇数个系数，且相对中心系数呈左右对称；
B.使用带通、高通滤波器将输入的图像亮度分量
Figure 318127DEST_PATH_IMAGE002
中的中频、高频部分滤波出来，分别产生中频信号
Figure 2011101700341100001DEST_PATH_IMAGE004
及高频信号
Figure 2011101700341100001DEST_PATH_IMAGE006
，其中，
Figure 2011101700341100001DEST_PATH_IMAGE008
表示卷积，
Figure 2011101700341100001DEST_PATH_IMAGE010
为带通滤波器，
Figure 2011101700341100001DEST_PATH_IMAGE012
为高通滤波器；
C. 根据所述梯度矩阵产生中频信号的增益系数
Figure 2011101700341100001DEST_PATH_IMAGE014
及高频信号的增益系数
Figure 2011101700341100001DEST_PATH_IMAGE016
；
D.根据公式1产生叠加信号
Figure 2011101700341100001DEST_PATH_IMAGE018
：
Figure 2011101700341100001DEST_PATH_IMAGE020
   公式1；
E. 根据公式2产生增强信号
Figure 2011101700341100001DEST_PATH_IMAGE022
：
Figure 2011101700341100001DEST_PATH_IMAGE024
       公式2。
2.根据权利要求1所述的图像增强方法，其特征在于，所述步骤A包括：
A1.将梯度计算滤波器分解成两个滤波器，且这两个滤波器均包含奇数个系数，且相对中心系数非对称；
A2.使用所产生的两个滤波器分别对输入的图像亮度分量
Figure 314613DEST_PATH_IMAGE002
进行滤波，且对两个滤波器滤波后的值取绝对值，再将两个绝对值相加得到梯度矩阵。
3.根据权利要求1所述的图像增强方法，其特征在于，在所述步骤D 和步骤E之间，还包括：
F. 对叠加信号进行核化降噪处理，以减弱噪声。
4.根据权利要求3所述的图像增强方法，其特征在于，在所述步骤E之后，还包括：
G.将增强信号的尖峰去除，并输出尖峰处理后的图像信号。
5.根据权利要求4所述的图像增强方法，其特征在于, 所述步骤G包括：
G1.以输入的图像亮度分量
Figure 32033DEST_PATH_IMAGE002
的当前点为中心，开一个窗口，该窗口包含奇数个依次相邻的亮度点，并找出该奇数个亮度点的最大值和最小值；
G2.将增强信号分别与所述最大值和最小值进行比较，若在最大值和最小值之间，则输出该增强信号；若大于最大值或小于最小值，则输出该最大值或最小值。
6.根据权利要求3所述的图像增强方法，其特征在于,所述步骤F为：根据公式3对增强信号进行核化降噪处理：
Figure 2011101700341100001DEST_PATH_IMAGE026
              公式3
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE028
为设置的阈值，
Figure DEST_PATH_IMAGE030
为核化降噪处理所输入的叠加信号，
Figure DEST_PATH_IMAGE032
为核化降噪处理后的输出信号。
7.一种图像增强系统，其特征在于，包括：
梯度计算滤波器，用于对输入的图像亮度分量
Figure 801144DEST_PATH_IMAGE002
进行滤波以产生梯度矩阵，且所述梯度计算滤波器包含奇数个系数，且相对中心系数呈左右对称；
带通、高通滤波器，用于将输入的图像亮度分量
Figure 615516DEST_PATH_IMAGE002
中的中频、高频部分滤波出来，分别产生中频信号
Figure 437979DEST_PATH_IMAGE004
及高频信号，其中，表示卷积，
Figure 385840DEST_PATH_IMAGE010
为带通滤波器，为高通滤波器；
增益系数计算模块，用于根据所述梯度矩阵产生中频信号的增益系数
Figure 569752DEST_PATH_IMAGE014
及高频信号的增益系数
Figure 306763DEST_PATH_IMAGE016
；
叠加信号产生模块，用于根据公式1产生叠加信号
Figure 767832DEST_PATH_IMAGE018
：
Figure 197676DEST_PATH_IMAGE020
   公式1；
增强信号产生模块，用于根据公式2产生增强信号
Figure 439302DEST_PATH_IMAGE022
：
Figure 652108DEST_PATH_IMAGE024
       公式2。
8.根据权利要求7所述的图像增强系统，其特征在于，所述梯度计算滤波器被分解成两个滤波器，且这两个滤波器均包含奇数个系数，且相对中心系数非对称，所述两个滤波器分别对输入的图像亮度分量
Figure 295579DEST_PATH_IMAGE002
进行滤波，且对两个滤波器滤波后的值取绝对值，再将两个绝对值相加得到梯度矩阵。
9.根据权利要求7所述的图像增强系统，其特征在于，所述系统还包括：
核化降噪模块，用于对叠加信号进行核化降噪处理，以减弱噪声。
10.根据权利要求9所述的图像增强系统，其特征在于，所述系统还包括：
尖峰处理模块，用于将增强信号的尖峰去除，并输出尖峰处理后的图像信号。
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