CN102215323A - 图像划痕损伤的修复 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种图像划痕损伤的修复。一种用于修复划痕损伤的方法，其中：在划痕修复处理中，修改在损伤输入图像的与预期的划痕方向对准的窄区域内的一组点的亮度值；并且依赖于损伤亮度值与对应的修改后亮度值之间的关系来控制划痕修复处理。

Description

图像划痕损伤的修复
技术领域
本发明涉及图像处理，并且具体涉及诸如划痕之类的线性损伤的修复。
背景技术
英国专利GB 2361133描述了用于减少诸如由照相胶片的划痕所引起的图像损伤之类的图像损伤的可见性的技术。通常这些方法形成视频信号处理的一部分，视频信号处理被应用于扫描胶片帧以创建视频磁带或文件的电视电影处理的输出。
通常，当在电视电影中对划伤的胶片进行扫描以找出像素的亮度值时，由于划痕会将用于对胶片进行分析的光散布到扫描处理中(经常)不会测量的意外方向，因此会发现接近划痕的像素的亮度较低。可以对负片或者正片进行扫描，因此在显示图像时划痕也会导致像素较亮。
为了理解本发明的改进处理，回顾以上所引用的现有专利的原理是有帮助的；图1示出所引用的现有专利的原理。该图假设了实时的流系统，但是处理延迟被忽略；假设在对来自图中不同块的结果进行结合时，相对时序被调整为使得来自等效图像区域的数据被结合。以下描述还假设图像被表示为像素的阵列，并且处理作用于像素值。(这些假设适用于整个说明书。)
图1的系统修复竖直划痕。输入视频数据(1)被传递到水平中值滤波器(2)，水平中值滤波器(2)将每个像素的值与其水平相邻的邻居的值进行比较，如果每个像素的值不是一组比较值的中间等级成员，则水平中值滤波器(2)以中间等级值替换每个像素的值。该处理去除了由于划痕而导致的竖直的暗或亮线，但也去除了想要的画面信息和噪声。
来自中值滤波器(2)的输出在减法器(3)中从视频数据(1)中被减去。结果是表示划痕、某些水平画面细节和噪声的信号。该信号被施加到竖直低通滤波器(4)，竖直低通滤波器(4)去除大多数噪声和某些画面细节，留下相对“干净的”划痕表示。
竖直滤波器(4)的输出被施加到限幅器(5)，限幅器(5)对于接近控制参数的值的信号值具有单位增益，而对于其它值具有低增益。该限幅器的目的在于从划痕表示中去除残余的画面细节。典型的划痕沿其长度具有几乎恒定的值，而典型的画面细节会在竖直方向上变化。如果限幅器的控制参数等于划痕的水平，则限幅器会去除与该水平不同的画面细节。
限幅器控制参数的设置由竖直平均器(6)来确定，竖直平均器(6)对减法器(3)的输出进行竖直平均，从而获得与图像中的每个水平位置相对应的平均像素值。例如，在像素的数字有源线的正交阵列的典型情况下，会有N个平均值的组，其中N为每条数字有源线的像素数目。由于划痕很可能在图像的重要部分上竖直延伸，因此划痕位置处的平均值很可能等于划痕的值。画面信息影响平均值的可能性更小。
在图像中的每个水平位置处，限幅器(5)的控制参数等于来自竖直平均器(6)的相应平均值。因此，限幅器(5)传递划痕表示，但是使剩余的画面细节衰减；因而其输出(7)基本上是出现在输入视频数据(1)中的任意划痕的无噪声表示。
划痕表示(7)在减法器(8)中从输入视频数据(1)中被减去，从而获得“修复后”视频数据(9)。
存在可以提高该现有技术的划痕修复处理的性能的若干余地。以下列出在确定划痕时的某些误差源，即会从输入数据(1)中被减去以便修改划痕的信号(7)。
·通过中值滤波器(2)的非线性来矫正输入数据(1)中的噪声和胶片颗粒(grain)。得到的错误低频分量可以穿过处理链，并且与修改后的数据(9)结合。
·划痕不会总是与沿其长度的像素值的固定改变相对应。由于胶片表面上的划痕而导致的光损耗(在扫描胶片帧时为了找到像素值已经测量的光损耗)，经常依赖于在划痕附近由胶片透射的光的量。在这种情况下，经过竖直低通滤波后的差值信号不能与划痕相匹配。
·划痕会沿其长度在“深度”上变化。这些变化无法由经过竖直低通滤波后的差值信号跟踪到。
·限幅不能从画面细节中去除差值信号的所有成分。
·划痕不会总是精确竖直的。
现有技术的这些或其它缺陷中的一些或全部可以通过本发明的技术避免或改进。
发明内容
本发明在于一种用于修复对输入图像的划痕损伤的方法和设备，该方法和设备提供修复后输出图像，其中：
在划痕修复处理中，修改在损伤输入图像的与预期的划痕方向对准的窄区域内的一组点的亮度值；
针对该组点，评估损伤亮度值与对应的修改后亮度值之间的关系的测量值；
并且依赖于所述测量值控制提供所述修复后输出图像的划痕修复处理。
适当地，将所述关系的测量值与一组划痕损伤点的预期关系测量值进行比较；并且在所述比较的结果与预期结果不同时，应用于所述图像区域的划痕修复被禁止。
有利的是，所述关系的测量值用于预测由于图像中的点的划痕而导致的预期亮度误差；并且依赖于所预测的亮度误差来限制对所述点处的划痕损伤进行修复的亮度改变。
在某些实施例中，损伤亮度值与对应的修改后亮度值之间的关系由数学模型来表示。
并且，所述模型的参数通过该组亮度值的统计分析来推导出。
在优选实施例中，所述模型是线性模型，并且模型的参数通过线性回归来推导出。
并且，提供修复后输出图像的所述划痕修复处理通过以下步骤创建与输入图像结合起来以创建修复后输出图像的校正信号：
对输入图像进行噪声减少；
对噪声减少后的输入图像应用划痕损伤处理；
将划痕修复处理的输入与输出之间的差作为所述划痕校正信号。
附图说明
现在将参照附图描述本发明的示例，附图中：
图1示出现有技术的划痕修复系统的框图。
图2示出根据本发明实施例的划痕修复系统的框图。
图3示出噪声减少滤波器的框图。
图4示出由于像素的划痕而导致的亮度误差与该像素的无误差亮度之间的关系的线性模型的图。
图5示出用于找出拟合由于像素的划痕而导致的亮度误差与该像素的无误差亮度之间的关系的线性模型的参数的系统的框图。
图6示出推导图2的系统中所使用的控制信号的系统的框图。
具体实施方式
图2示出根据本发明实施例的示例性改进的划痕修复系统的框图。某些块与图1中现有技术系统中的块具有类似或相同的功能；这些块具有相应的附图标记，使得图1中的(1)对应于图2中的(201)等。
参见图2，噪声减少滤波器块(210)被放置在通向改进的划痕修复信号(207)的推导的信号路径的输入处。减法器(3)输出处的噪声消除是图1的系统中滤波器(4)的功能之一；在图2的改进系统中，该位置处不存在滤波器。通过由噪声减少代替窄带宽竖直滤波器，复杂划痕的更精确表示可用于修复系统。例如，可以分离出幅度依赖于附近的画面内容而变化或者深度沿其长度而变化的划痕，并且通过从输入图像数据中减去分离出的划痕来修复划痕。
噪声减少滤波器块(210)可以使用噪声减少的任意已知方法，然而图3示出尤其适用于本申请的噪声减少处理。滤波器输入(30)在竖直低通滤波器(31)中被滤波，并且结果在减法器(32)中从输入(30)中被减去，以获得高竖直频率分量。该结果在水平滤波器(33)中被水平滤波，并且在第二减法器(34)中从减法器(32)的输出中被减去，以便获得高对角频率。结果被传递给“反核位(inverse-coring)”块(35)，“反核位”块(35)对低幅度信号具有统一的增益，但使较大幅度信号衰减。
反核位高频对角分量在第三减法器(36)中从滤波器输入(30)中被减去。结果是噪声减少的输出(37)。
滤波器(31)和(33)具有低截止频率，并且可以方便地分别是对竖直对准的像素进行平均的动求和滤波器(针对竖直滤波器(31))和对水平对准的像素进行平均的动求和滤波器(针对水平滤波器(33))。得到的滤波后输出(36)精确地再现划痕(该划痕是高且窄的图像特征)，但缺少高频噪声。
参见图2，现有技术的限幅器(5)已由更复杂的幅度限制处理来代替，该幅度限制处理仅允许很可能表示划痕的像素值传递到减法器(208)。划痕表示信号(207)通过在门(211)中限制来自减法器(203)的输出的幅度而形成。该门由进行如下操作的划痕检测处理(212)来控制：
输入视频数据(201)在竖直低通滤波器(213)中被滤波。合适的滤波器是对竖直相邻的像素进行平均的“动求和”竖直滤波器。滤波后的视频数据被输入到水平中值(或其它划痕去除)滤波器(214)，并且在减法器(215)中形成中值滤波器(214)的输入与输出之间的差值。减法器输出(216)是划痕表示以及高水平频率的画面细节。水平中值滤波器(214)具有窄的滤波器孔径，使得该滤波器的输出包含与任意划痕的中央部分的检测相一致的尽可能少的画面细节。
相关块(217)在对其各个输入值之间的关系进行评估的统计处理中将减法器输出(216)与水平中值滤波器(214)的输出(218)进行比较。相关处理(217)的输出是与该关系的模型有关的数据。对图像中的每个水平位置进行单独的评估，并且在每幅图像中的每个水平位置处对来自所有竖直位置的信息进行分析。在包括720列竖直对准的像素的标准定义电视图像的典型情况下，每幅图像会有720个相关结果。如果使用了像素的非正交布置，则必须定义合适的像素列以在每个分析中包括。
来自相关处理的与当前像素的水平位置有关的数据被输入到门控制块(219)，门控制块(219)结合来自中值滤波器(202)的输出(220)使用该数据以推导每个图像像素的门控制信号(221)。该信号依赖于来自减法器(203)的输出表示划痕的可能性而变化。后面将参照图5描述示例性相关块的操作，并且后面将参照图6描述示例性门控制块的操作。
来自门(211)的输出(207)表示由于输入数据(201)的每个像素的划痕损伤而导致的像素值误差。误差值在减法器(208)中从各个像素值中被减去，以便获得修复后视频数据(209)。由于划痕信号(207)还没有进行竖直滤波，因此该信号能够表示沿其长度而变化的划痕；并且相关块(217)中的统计处理使得门(211)能够从校正信号(207)中去除画面细节，从而保证画面细节在输出(209)处不被损伤。
发明人已理解到，可以预期特定像素所损耗(或增益)的光的量与该像素的区域中图像的亮度成比例。因此，划痕假象的表示应当具有与局部亮度有关的幅度。
针对一组像素的、由于特定划痕而导致的像素值误差与该像素的无误差值之间的预期关系的合适模型是线性关系，例如如图4所示(40)。该图示出亮度误差E相对于未损伤亮度B的图。关系可以由三个参数来表征：平均未损伤亮度Bavg、对应的平均亮度误差Eavg；和关系的斜率(ΔE÷ΔB)。E轴的正方向对应于像素变暗；并且B轴的正方向对应于较亮的像素。因此该图表示由于划痕而使较亮的像素变得比较暗的像素更暗的“暗”划痕。可以看出，像素的预期误差由以下方程给出：
E＝Eavg+S×(B-Bavg)                            [1]
其中：E是具有未损伤亮度B的像素的误差；
S是模型的斜率参数(ΔE÷ΔB)；以及
Eavg和Bavg是模型的其它两个参数。
该模型的参数可以通过已知的线性回归处理被拟合为一组像素的E和B值。合适的系统被示出在图5中。参见该图，来自图2中减法器(215)的一列像素的一组输出(216)在端子(501)处被输入第一均值和方差确定处理(502)。这些输入值是以下量之间的相应差值：由中值滤波器(214)估计的不存在划痕时的局部亮度；和由减法器(215)确定的由于划痕而导致的亮度误差。因此，这些输入值是该列像素的一组E值。
来自图2中中值滤波器(214)的同一列像素的对应一组输出在端子(503)处被输入第二均值和方差确定处理(504)。这些输入值是该列像素的局部亮度值B。
各个平均器(505)和(506)计算输入值(501)的均值Eavg和输入值(503)的均值Bavg；这些均值分别是端子(507)和(508)处的输出。并且，通过从输入值的平方的相应均值和中减去相应均值的平方来计算该组E值和该组B值的相应方差。E值的方差在端子(516)处从处理(502)输出；并且B值的方差在端子(517)处从处理(504)输出。
协方差确定处理(509)计算该组E值(501)和该组B值(503)的协方差。这通过以下处理来进行：在乘法器(510)中求取相应对E值和B值的乘积，在平均器(511)中对结果进行平均；在乘法器(512)中形成Eavg和Bavg的乘积；并且在减法器(513)中从乘积的均值中减去均值的乘积。结果是协方差值(514)。
斜率参数S在除法器(515)中确定，除法器(515)将协方差值(514)除以处理器(504)计算的B值的方差(517)。斜率参数S在端子(518)处输出。
模型对输入的E值和B值的拟合质量通过根据E值的方差对斜率加权的协方差的盈余计算“剩余能量值”或“残留参数”来确定。协方差(514)在乘法器(519)中乘以S参数(518)，并且结果在减法器(520)中从E方差(516)中被减去。结果是残留参数R，残留参数R在端子(521)处被输出。残留参数使得能够将划伤的像素列与未划伤的列区分开来。
划伤的像素会适合该模型，而未划伤的像素不会适合，从而可以禁止对图像的未划伤区域错误地应用修复处理。
图6中示出使用模型参数和相关联的残留参数来推导用于处理像素的门控制信号。当前像素的未损伤亮度(由来自图2中水平中值滤波器(202)的输出(220)来表示)在端子(601)处输入到图示的门控制信号推导处理。注意，由于已应用于该输入值的竖直处理仅仅是只衰减低幅度对角频率分量的噪声减少滤波器(210)，因此该输入值会精确地表示竖直画面细节。
从图5的系统输出的模型参数Bavg、S和Eavg分别被输入到减法器(602)、乘法器(603)和加法器(604)，以便根据以上方程[1]在加法器(604)的输出(605)处获得当前像素的像素值误差E。相关模型参数是针对包括当前像素的竖直像素列所评估的那些参数。这需要在端子(601)处处理每个输入像素值之前评估并存储图像中每个水平位置的模型参数。
当前像素的水平位置的残留参数R被输入到置信处理器(607)中以确定置信信号(608)，置信信号(608)在乘法器(609)中乘以E信号(605)。当参数R小时，置信信号较大于一；在这种情况下，门会允许至少与建模的误差E一样大的划痕校正信号通过。然而，当参数R大时，置信信号小；在这种情况下，仅允许低幅度划痕校正信号通过该门。置信处理器(607)还可以利用Eavg或其它信号，以便计算置信信号(608)。
来自乘法器(609)的输出在扩张处理(610)中被水平扩张，以形成在端子(611)处输出的门控制信号。(这是图2的门控制信号(221)。)水平扩张处理通过求取小的水平扩张孔径上的最大值来结合水平相邻像素的控制值。这是必须的，原因在于分析处理(212)使用不会对划痕的水平边缘做出响应的窄中值滤波器(214)。扩张还有助于校正不完全竖直的划痕。
门控制信号的水平扩张量可以在图像的不同竖直位置处变化。例如，小的或零扩张可以应用在图像的竖直中心处，并且扩张可以以与当前像素距通过图像中心的水平线的竖直距离成比例地增大。这使得能够对非竖直或轻微弯曲的划痕进行最优处理。
对非竖直划痕的修复进行改进的另一方法是“放宽”相关处理(217)的输入处的E信号(216)。对于正信号，放宽对应于扩张。对于负信号，放宽对应于冲蚀(erosion)，其中最小值取自信号的水平偏移版本。
门(211)可以通过将其输入与正和负阈值进行比较，并使用相关阈值代替位于这些阈值所定义的范围之外的输入值来实现。这两个阈值的幅度可以等于门控制信号的值。或者，阈值之一可以等于控制信号的一部分，使得门所定义的“窗口”的中心不位于零幅度处。例如，如果已知划痕是暗的，则门可以对正校正信号进行比负信号更大的限制。还可以使用分别根据正和负亮度误差值推导出的不同统计模型参数来独立地确定正和负门阈值。
一般来说，用于推导划痕校正信号的中值滤波器(例如滤波器(210))会具有比“分析和控制”路径中的滤波器(例如滤波器(214))更宽的滤波器孔径。宽的中值可以通过将两个或更多个窄的中值滤波器进行级联来实现。
在某些应用中，将来自使用具有较宽和较窄滤波器孔径的中值滤波器的处理的、针对不同类型的划痕被优化的结果结合起来是有帮助的。一个以上校正信号可以根据在不同宽度的中值滤波器的两端做减法来推导出；并且一个以上控制信号可以根据在不同宽度的中值滤波器两端做减法而推导出的E值和B值的统计处理中推导出。适于宽划痕的校正信号可以由适于宽划痕的统计结果来控制，然后与适于窄划痕的校正信号结合在一起，其中窄划痕已由适于窄划痕的统计结果所控制。
存在实现本发明的诸多其它方法。可以进行简化，使得相关处理被应用到用于形成门的输入的减法器的输入和输出，从而避免对第二中值滤波器和减法器的需要。不需要应用到实时的流数据。可以对视频数据文件进行处理，并且修复划痕损伤。可以使用由于划痕而导致的像素值误差与像素亮度之间的关系的更复杂统计模型。结合来自相邻场或帧的信息有助于更好地对亮度和由于特定位置处的划痕而导致的亮度误差之间的关系进行建模。
本发明可以应用于视频信号或文件的场或帧。在典型的交织视频中，划痕会以帧速率“移动”，因此通常优选将交织的场结合到帧中用于进行处理。
通常，本发明应用于像素的亮度值，然而，本发明可以应用于表示图像的其它值，例如红色、绿色或蓝色值。
尽管在前述描述中已假设划痕近似竖直，但是本发明可以等同地应用在水平方向上。

Claims (15)

1.一种用于修复对输入图像的划痕损伤的方法，该方法提供修复后输出图像，其中：
在划痕修复处理中，修改在损伤输入图像的与预期的划痕方向对准的窄区域内的一组点的亮度值；
针对该组点，评估损伤亮度值与对应的修改后亮度值之间的关系的测量值；并且
依赖于所述测量值控制提供所述修复后输出图像的划痕修复处理。
2.根据权利要求1所述的方法，其中：
将所述关系的测量值与一组划痕损伤点的预期关系测量值进行比较；并且
在所述比较的结果与预期结果不同时，禁止应用于所述图像区域的划痕修复。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中：
所述关系的测量值用于预测由于图像中的点的划痕而导致的预期亮度误差；并且
依赖于所预测的亮度误差来限制对所述点处的划痕损伤进行修复的亮度改变。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中损伤亮度值与对应的修改后亮度值之间的关系优选由线性数学模型来表示，其中所述模型的参数优选通过诸如线性回归之类的统计分析来推导出。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中提供修复后输出图像的所述划痕修复处理通过以下步骤创建与输入图像结合起来以创建修复后输出图像的校正信号：
对输入图像进行噪声减少；
对噪声减少后的输入图像应用划痕修复处理；并且
将划痕修复处理的输入与输出之间的差作为所述划痕校正信号。
6.一种用于修复划痕损伤的设备，该设备通过修改输入图像的损伤亮度值来提供修复后输出图像，该设备包括：
用于产生检测划痕信号的至少一个划痕检测电路；
对所述检测划痕信号进行操作以产生门控划痕信号的门；
从输入图像中减去所述门控划痕信号以提供修复后输出图像的减法器；以及
接收未损伤亮度的测量值并依赖于所述未损伤亮度向所述门提供门控制信号的门控制单元。
7.根据权利要求6所述的设备，其中所述门控制单元从所述划痕检测电路或所述划痕检测电路之一接收所述未损伤亮度的测量值。
8.根据权利要求6或7所述的设备，包括相关单元，所述相关单元用于将未损伤亮度值与对应的修改后亮度之间的关系和预期关系测量值进行比较，并且其中所述门优选被配置为在所述关系偏离所述预期关系时减少所述门控划痕信号。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的设备，其中：
所述关系用于预测由于图像中的点的划痕而导致的预期亮度误差；并且
依赖于所预测的亮度误差来限制对所述点处的划痕损伤进行修复的亮度改变。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的设备，包括：
向所述减法器提供输入图像的第一路径；
包含第一所述划痕检测电路和所述门的第二路径。
11.根据权利要求10所述的设备，进一步包括位于所述第二路径中所述划痕检测电路上游的噪声减少器。
12.根据权利要求10或11所述的设备，进一步包括第三路径，所述第三路径被连接以与所述第一路径和所述第二路径并行地接收输入图像，所述第三路径包含第二所述划痕检测电路。
13.根据权利要求12所述的设备，其中所述第三路径包含相关单元，所述相关单元用于将未损伤亮度值与对应的修改后亮度值之间的关系和预期关系测量值进行比较。
14.根据权利要求12或13所述的设备，其中所述第三路径包含位于所述第二划痕检测电路上游的竖直滤波器。
15.一种计算机程序产品，包括使可编程设备实现根据权利要求1至5中任一项所述的方法的代码。
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