CN103517008B - 保持锐度不变的同时增强视频数据的对比度的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
一种增强图像或视频数据对比度的方法，可以包括：对参考图像运用对比度增高传递函数来生成增强图像。可以对该参考图像运用变换来生成参考高频分量并且还可以对增强图像运用变换来生成增强高频分量。可以针对参考图像中的像素，确定对应的增强高频分量是否具有比对应的参考高频分量高的能量。该方法还可以包括，如果对应的增强高频分量具有比对应的参考高频分量高的能量，则用参考图像中的对应像素替换参考图像中的像素。
Description
技术领域
所要求保护的发明的实现总地来说可以涉及用于增强图像或视频信息的方案，更加具体地讲，涉及用于增强图像或视频信息的对比度的方案。
背景技术
视频序列中的画面可以包括在水平和垂直两个方向上采样的三个信号(例如，红/绿/蓝(RGB)或亮度和色度(YUV))。对于那些在YUV彩色空间中的图像，可以将对比度理解为表示图像中不同亮度(Y)值当中的能量分布的特征。一般来说，对比度增强在将图像中的能量重新分配到亮度值的极值(例如，最高和最低值)上的同时，可以增加图像的动态范围。
图像的锐度可以是基于图像的高频分量中相对较高能量的集中程度的感官印象。一定程度的对比度增强可以增强图像中的细节，还造成感觉上的锐度的增高。
不过，过分的对比度增强可能造成图像中的细微细节丢失，并且造成锐度相应降低，因为可能在没有平衡或跟踪能量重新分配对图像高频分量的影响的情况下，就将能量重新分配到了图像的亮度值内。
发明内容
按照本发明的第一方面，提供了一种用于增强图像对比度的方法，包括：增大参考图像的对比度来生成增强图像；将参考图像的至少一个频率分量与增强图像的至少一个频率分量进行比较；以及根据比较用增强图像的对应部分选择性地替换参考图像的一部分。
按照本发明的第二方面，提供了一种用于增强图像对比度的系统，包括：对比度增强器，用于将对比度增强传递函数运用于第一图像来生成第一对比度增强图像；存储器；频率提取器，用于从所述第一图像中提取第一频率分量和从所述第一对比度增强图像中提取第二频率分量并将所述分量存入所述存储器中；及比较逻辑，用于从存储器中获取所述分量并且比较第一频率分量和第二频率分量，并且用于根据比较结果用来自所述第一对比度增强图像的像素选择性地替换所述第一图像中的像素以便形成第二对比度增强图像。
附图说明
结合在本说明书中并且构成本说明书的一部分的附图图解说明符合本发明原理的一种或多种实现方式，并且与说明书一起解释说明这些实现方式。附图不必按照比例绘制，重点是说明本发明的原理。在图中，
图1图解说明示范性对比度增强系统；
图2图解说明示范性对比度增强传递函数；
图3A和3B图解说明频率提取之前和之后的示范性图像；及
图4图解说明增强图像对比度的示范性处理过程。
具体实施方式
下面详细的描述参照附图。相同的附图标记可以用在不同附图中指代相同或相似的元件。在下面的描述中，为了解释说明而非限定，给出了诸如特定结构、构造、接口、技术之类的具体细节，以便提供所要求保护的发明的各个不同方面的全面理解。不过，对于获益于本公开内容的本领域技术人员而言，显而易见，所要求保护的发明的各个不同方面可以实践于超出这些具体细节的其它实例当中。在某些情况下，省略了对公知的装置、电路和方法的描述，以便不致使本发明的描述因不必要的细节而不清楚。
图1图解说明示范性对比度增强系统100。系统100可以接收来自任何适当媒介的视频信息，这些媒介包括但不限于各种传输和/或存储介质。尽管为了便于说明而图示为独立的功能单元，但是系统100的任何一个或所有单元都可以位于同一处和/或由共用的一组门电路和/或晶体管来实现。此外，系统100可以借助软件、固件、硬件或它们的任何适当组合来实现。
对比度增强系统100可以包括第一存储器110、对比度增强器120、第二存储器130、频率提取器140、第三存储器150、第四存储器160和比较逻辑170。虽然图示为分立的功能单元，但是单元110-170中的某一些可以是共同实现的。例如，在一些实现方式中，在重新使用或不重新使用的情况下可以将存储器110、130、150和160实现为单个存储器的一些部分。而且，在一些实现方式中，对比度增强器120、频率提取器140和/或比较逻辑170中的一个或多个可以由执行软件和/或固件的通用或专用处理器来实现。对于单元110-170而言，其它具体的实现方式是既可能又可预见的。
可以将第一存储器110安排成用来接收并存储多种格式的参考图像数据，这些格式可以包括但不局限于，MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、高级视频编码(AVC)(例如，MPEG-4，第10部分和ITU-T建议H.264)、Windows媒体视频9(WMV-9)、SMPTE的VC-1。在一些实现方式中，第一存储器110可以为整个参考图像存储亮度(例如，Y)值。不过，在一些实施方式中，第一存储器110可以为整个图像的某一部分或者为不止一个图像存储亮度值。在一些实现方式中，第一存储器110可以包括随机存取存储器(RAM)，从而如果需要的话，可以重写第一存储器110中参考图像内的各个像素。
可以将对比度增强器120安排成用来增强第一存储器110中参考图像的对比度并且将具有增强对比度的增强图像输出到第二存储器130。对比度增强器120可以采用多种现在已知的或今后开发的技术中的任何一种来增强第一存储器110中的参考图像的对比度。在一些实现方式中，举例来说，对比度增强器120可以确定参考图像的图像特征(例如参考图像的亮度柱状图)。然后对比度增强器120可以接着对参考图像中的亮度值应用任何对比度增强传递函数(可能基于参考图像的特征，可能不基于参考图像的特征)，来生成得到增强的图像。
图2图解说明包括一个可以由对比度增强器120使用的示范性对比度增强传递函数230的曲线图200。为了对照，传递函数230是相对于单位增益线210和该函数230逼近的连续对比度增强传递曲线220加以图解说明的。当然，连续曲线220可以用在一些实现方式中，但在其它一些实现方式中，诸如四点传递函数230这样的分段线性曲线实现起来更加容易。
借助于传递函数230，可以对不同的亮度输入值(比如图示的黑暗、中间和明亮区域中的亮度值)做出不同的反应。这些区域之间的边界可以由对比度增强器120根据参考图像的亮度特征来设定。例如，在一些实现方式中，可以将函数230的“黑暗”和“中间”部分之间的边界设定在满刻度亮度的5％处，以防止输出中的核化(coring)产生噪声，不过其它阈值既可行又可预见。作为另一个例子，可以将函数230的“中间”和“明亮”部分之间的边界设定在满刻度亮度的75％处，不过其它阈值既可行又可预见。
在中间区域内，函数230可以在例如参考图像的中值或平均亮度值处改变斜率。在明亮区域内，传递函数230可以在例如明亮区域起始点处(例如，满刻度的75％)的亮度值和满刻度(例如，最大可用)值处的亮度值的平均值处改变斜率。对于上述的具体实例，明亮区域中函数230的拐点或间断可以出现在满刻度的大约87.5％处。在中间和明亮两个区域内，函数230对于不同的线段可以具有略大于和/或略小于一的斜率。在一些实现方式中，例如，对于某个相对较小的值δ，传递函数230的至少一些线段的斜率可以是(1±δ)。
在一些实现方式中，对比度增强器120可以采用传递函数230来增强第一存储器110中参考图像的对比度并且将得到的增强图像输出到第二存储器130。对比度可以通过经由传递函数230“延展”图像的亮度分布(例如，使明亮的像素更明亮并且使黑暗的像素更黑暗)来增强。不过，应该注意，对比度增强器120可以对参考图像运用任何对比度增强传递函数来产生增强图像，并且所要求保护的发明不应局限于图2中所示的具体的、纯粹示范性的传递函数230。
回到图1，可以将第二存储器130安排成用来接收和存储来自图像增强器120的增强图像(例如亮度数据)。在由增强器120的传递函数进行操作之后，第二存储器130中的增强图像可以在尺寸和其它特征上与第一存储器110中的参考图像相对应。在一些实现方式中，第二存储器130可以包括随机存取存储器(RAM)或类似的可寻址存储器，从而如果需要的话，可以读取第二存储器130内增强图像中的各个像素。
可以将频率提取器140安排成用来从第一存储器110中的参考图像中提取至少一些高频分量并且用来将得到的参考频率分量存储到第三存储器150中。也可以将频率提取器140安排成用来从第二存储器120中的增强图像中提取至少一些高频分量并且用来将得到的增强频率分量存储到第四存储器160中。在一些实现方式中，频率提取器140可以基本上同时地对参考图像和增强图像进行操作。不过，在一些实现方式中，频率提取器140可以例如在对比度增强器120正在生成增强图像的时候首先对参考图像进行操作。
在一些实现方式中，可以将频率提取器140安排成用来对参考图像和增强图像进行二维(2D)变换。可由频率提取器140为了提取高频分量而实施的各种变换可以包括但不局限于，傅立叶变换、离散余弦变换(DCT)、阿达玛(Hadamard)变换、小波变换和/或任何能从图像中产出高频分量的一维或2D变换。在一些实现方式中，频率提取器140可以对参考图像进行2D离散小波变换(DWT)来产生第三存储器150中的参考频率分量，并且对增强图像进行2D离散小波变换(DWT)来产生第四存储器160中的增强频率分量。
图3A图解说明由频率提取器140进行频率提取前的示范性图像310。为了解释目的，图像310可以是参考图像或增强图像，并且可以包括，例如，亮度(Y)值。
图3B图解说明由提取单元140进行了2D离散小波变换(DWT)后的图像310的示范性分量。2D-DWT可以将图像310分解成低细节分量320和在水平方向上的(即水平分量330)、在垂直方向上的(即垂直分量340)及对角线方向上的(即对角线分量350)三个高细节分量(例如，包括高频信息)。熟悉DWT的人可以认识到，图3B图解说明的是第一级分解，并且可以在第二级、第三级等的分解中相继分解低细节分量320。虽然可以使用来自第一级小波分解的分量来执行所要求保护的本发明，但是不应局限于此，因为通过利用更高等级的小波分解和/或其它类型的变换来提取例如高频分量330-350或类似的高频信息，也可以执行所要求保护的发明。
参考图3B的示范性分量，频率提取器140可以将从位于第一存储器110内的参考图像生成的一组分量320-350(例如，“参考分量”)保存至第三存储器150中。相似地，频率提取器140也可以将从位于第二存储器130内的增强图像生成的另一组分量320-350(例如，“增强分量”)保存至第四存储器160中。根据某些2D变换的特性，各个水平、垂直和对角线分量320-350的数量可以与参考图像或增强图像的像素数量相对应(或以已知的方式相关联)。
回到图1，可以将第三存储器150安排成用来接收并保存来自频率提取器140的参考分量(例如，包括参考图像的高频分量)。在一些实现方式中，第三存储器150可以包括随机存取存储器(RAM)或类似的可寻址存储器，从而如果需要的话，可以读取第三存储器150中的各个分量(例如，与对应的参考图像中的像素相对应的)。
可以将第四存储器160安排成用来接收并保存来自频率提取器140的增强分量(例如，包括增强图像的高频分量)。在一些实现方式中，第四存储器160可以包括随机存取存储器(RAM)或类似的可寻址存储器，从而如果需要的话，可以读取第四存储器160中的各个分量(例如，与对应的增强图像中的像素相对应的)。
可以将比较逻辑170安排成用来根据第三和第四存储器150和160中对应的参考分量和增强分量的比较，用第三存储器130中增强图像的对应像素选择性替换第一存储器110中参考图像的像素。总地来说，比较逻辑170可以在高频增强分量的能量大于高频参考分量的能量的时候用增强像素替换参考像素。如果对于给定像素而言，增强分量的能量不够大，则比较逻辑170可以不替换第一存储器110中参考图像中的像素。
比较逻辑170可以使用存储器150和160中一个、一些或者全部的参考分量和增强分量来针对给定图像像素做出增大或降低高频能量的决定。参考图3B中的具体实例，比较逻辑可以使用一个、一些或全部水平分量330、垂直分量340和对角线分量350来进行比较。例如，比较逻辑170可以计算下列总和：
水平因子*(水平enh-水平ref)+垂直因子*(垂直enh-垂直ref)+对角线因子*(对角线enh-对角线ref)，
其中“enh”和“ref”代表高频增强和参考分量，并且其中各个因子指的是用于将一个分量(例如，水平分量)不同加权得大于、小于或者然后等于其它分量的加权或缩放因子。然后比较逻辑170可以将这一加权和与零进行比较来认定绝对能量增高，或者与某一非零数比较来认定大于某一量的能量增高。
在一些实现方式中，比较逻辑170可以仅仅对频率分量(例如330-350)中的一个或两个使用或不使用加权系数地进行比较。例如比较逻辑可以只比较水平分量330，只比较垂直分量340，只比较对角线分量350，或它们的某种组合。，比较逻辑单元170还可以在终止条件得到满足之后使第一存储器110输出参考图像。终止条件的例子可以包括在整个参考图像内每像素遍历(包括由对比度增强器120进行的相继对比度增强)的固定次数(例如，一次、二次、三次、四次，等)，或者直到增强图像的高频分量中的能量开始降低。
图4图解说明增强参考图像对比度的示范性处理的实例处理过程400。虽然为了解释起来简单明了，可以针对图1中的对比度增强系统100来描述图4，但应当理解，处理过程400可以由其它硬件和/或软件实现方式来执行。
处理可以开始于通过对比度增强器120增强参考图像的对比度来生成增强图像[动作410]。可以使用任何对比度增强传递函数来生成增强图像，比如图2中的函数230。在一些实现方式中，可以对包括亮度值的图像执行动作410。与动作410相协同地，可以将参考图像和增强图像存储在存储器110和130中。
处理可以通过频率提取器140分别计算参考图像的和增强图像的高频分量来产生参考分量和增强分量[动作420]而继续进行下去。虽然可以用任何1D或2D变换来计算高频分量，但是在一些实现方式中，可以使用第一级、2D DWT来确定参考图像的和增强图像的水平、垂直和/或对角线高频分量。与动作420相协同地，可以将这些参考分量和增强分量存储在存储器150和160中。
比较逻辑170可以执行参考和增强高频分量的每像素比较，并且如果增强高频分量的能量足够大，还可以用来自增强图像的对应像素替换参考图像中的像素[动作430]。可以在利用或不利用加权或缩放因子来对彼此不同的一个或多个分量加权的情况下，比较来自增强图像和来自参考图像的水平、垂直和/或对角线高频分量的任意组合。
仅当动作430中比较逻辑170确定增强图像的高频分量的能量大于(从绝对值角度或按照预定余量)参考图像的高频分量的能量，比较逻辑170才可以用来自增强图像的对应像素替换参考图像中涉及的像素。比较逻辑170可以对第一存储器110中的参考图像内的所有像素进行这种比较和选择性替换操作。
如果，在对参考图像中的所有像素(或交替地对像素的二次采样集合)进行动作430后，没有达到终止条件[动作440]，可以再次在动作410中增强修改的参考图像(已经替换了它的某些像素)，并且可以重复执行动作420和430。几个最终条件是即可能又可预见的。在一些实现方式中，可以重复执行动作410-430，直到增强图像中没有像素具有比参考图像中的像素更大的高频能量。在一些实现方式中，终止条件可以是在参考图像中像素替换的数量足够小(例如，5个、10个、50个、100个，等)。就是说，动作410-430迭代，直到在动作430中替换了比预定数量少的像素。
在一些实现方式中，终止条件可以是参考图像遍历的预定次数(例如，在执行动作430一次、两次、五次、十次等之后)。不过，其它的变化也是可以的，比如较早发生在参考图像中预定次数的迭代(例如，5次迭代)，并且随后生成增强图像且替换在参考图像内的预定数量像素(例如，50或更少的像素替换)。
当比较逻辑170确定达到了终止条件[动作440]时，它可以命令第一存储器110输出参考图像[动作450]。在有选择的像素替换后，参考图像可以具有增强的对比度，同时保持了高频能量(例如，感觉的锐度)。因此，通过考虑对比度增强前后的参考图像的频率分量，可以防止对比度增强消除图像中的精细细节。这样的频率分析可以避免在改善图像对比度的同时损失图像中(或图像作为其一部分的视频中)的精细细节。
前面的一个或多个实现方式的描述给出了图解和说明，但并非是想作为穷举或将本发明的范围限定于所公开的精确形式。根据上述教导可以进行修改和变化或者可以通过本发明的各种实现方式的实践来获得这些修改和变化。
例如，尽管上述设计包括每个像素的比较和选择性替换，但在一些实现方式中，可以对图像中的交替像素、像素组等执行这种基于更高频率内容的比较/替换。本文描述和要求保护的方案可以包括任何使用任何类型的频率分析来避免在增强对比度的时候损失精细细节的对比度增强技术。此外，本文使用的“高频”可以包括与所涉及的图像的整个上下文中“精细的”空间细节(例如，细的特征、小的特征、过渡、纹理，等)相对应的任何频率或频率范围。
此外，图4中的动作不需要按照示出的顺序执行；也不是所有动作都必须执行。而且，那些不依赖于其它动作的动作可以和其它动作并行地执行。此外，该图中至少一部分动作可以实现为在计算机可读介质中实现的指令或指令组。
本申请说明书中用到的单元、动作或指令都不应解释为对本发明是关键的或必要的，除非另有明确说明。并且，这里用到的“一个”意味着包括一个或多个项目。在实质上不偏离本发明的精神和原理的情况下可以对本发明的上述实施方式做出变化和修改。所有这些修改和变化包括在权利要求揭示和保护的范围内。
Claims (16)
1.一种用于增强图像的对比度的方法，包括：
增大参考绘图的对比度来生成第一对比度增强的绘图；
基于所述参考绘图的至少一个频率分量与所述第一对比度增强的绘图的至少一个频率分量的比较用所述第一对比度增强的绘图的相应像素选择性地替换所述参考绘图的像素以便形成第二对比度增强的绘图；以及
利用处理器显示所述第二对比度增强的绘图。
2.如权利要求1所述的方法，还包括：
在存储器中存储所述参考绘图和第一对比度增强的绘图。
3.如权利要求1所述的方法，还包括：
对所述参考绘图应用变换来生成所述参考绘图的至少一个频率分量；以及
对所述第一对比度增强的图像应用所述变换来生成所述第一对比度增强的图像的至少一个频率分量。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述变换是二维小波变换。
5.如权利要求1所述的方法，包括比较所述参考绘图的至少一个频率分量和所述第一对比度增强的绘图的至少一个频率分量，其中比较包括：
确定所述第一对比度增强的绘图的至少一个频率分量是否具有比所述参考绘图的至少一个频率分量更大的能量。
6.一种用于增强图像的对比度的系统，包括：
对比度增强器，用于对第一图像应用对比度增强传递函数以便生成第一对比度增强的图像；
存储器；
频率提取器，用于从所述第一图像提取第一频率分量以及从所述第一对比度增强的图像提取第二频率分量并且将所述分量存储进所述存储器；以及
比较逻辑，用于从存储器存取所述分量，比较所述第一频率分量和所述第二频率分量，基于比较的结果用来自所述第一对比度增强的图像的像素选择性地替换所述第一图像中的像素以便形成第二对比度增强的图像。
7.如权利要求6所述的系统，还包括：
第一存储器，耦合至所述对比度增强器以便存储所述第一图像；以及
第二存储器，耦合至所述对比度增强器以便存储所述第一对比度增强的图像。
8.如权利要求6所述的系统，还包括：
第三存储器，耦合至所述频率提取器以便存储所述第一频率分量；以及
第四存储器，耦合至所述频率提取器以便存储所述第二频率分量。
9.如权利要求6所述的系统，其中所述频率提取器被布置成对所述第一图像和所述第一对比度增强的图像执行傅里叶变换、余弦变换或小波变换。
10.如权利要求6所述的系统，其中所述比较逻辑被布置成确定所述第二频率分量的组合是否大于所述第一频率分量的组合。
11.一种计算机可读介质，其上存储有指令，所述指令在被执行时促使处理器执行如权利要求1至5中的任何一项所述的方法。
12.一种用于增强图像的对比度的设备，包括：
用于增大参考绘图的对比度来生成第一对比度增强的绘图的部件；
用于基于所述参考绘图的至少一个频率分量与所述第一对比度增强的绘图的至少一个频率分量的比较用所述第一对比度增强的绘图的相应像素选择性地替换所述参考绘图的像素以便形成第二对比度增强的绘图的部件；以及
用于利用处理器显示所述第二对比度增强的绘图的部件。
13.如权利要求12所述的设备，还包括：
用于在存储器中存储所述参考绘图和第一对比度增强的绘图的部件。
14.如权利要求12所述的设备，还包括：
用于对所述参考绘图应用变换来生成所述参考绘图的至少一个频率分量的部件；以及
用于对所述第一对比度增强的图像应用所述变换来生成所述第一对比度增强的图像的至少一个频率分量的部件。
15.如权利要求14所述的设备，其中所述变换是二维小波变换。
16.如权利要求12所述的设备，包括用于比较所述参考绘图的至少一个频率分量和所述第一对比度增强的绘图的至少一个频率分量的部件，其中用于比较的部件包括：
用于确定所述第一对比度增强的绘图的至少一个频率分量是否具有比所述参考绘图的至少一个频率分量更大的能量的部件。
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