CN1081870C - 采用量化的均值匹配直方图均衡的图像增强方法和电路 - Google Patents

Abstract

一种图像增强电路和其所用的方法，包括步骤：量化一输入图像信号；针对量化的图像信号，以一屏幕单元的灰度电平分布为基础获得一累积密度函数，输出一量化的累积密度函数值；并对其进行内插，输出一内插的累积密度函数值；以屏幕为单元计算一输入图像信号的平均电平；控制一传输函数，利用该内插的累积密度函数作为传输函数，使输入图像信号能被变换成一灰度电平，且该平均电平能被变换成其自身，根据预定的校正函数把校正值加到平均电平而输出一个补偿的平均电平。

Description

采用量化的均值匹配直方 图均衡的图像增强 方法和电路

本发明涉及量化图像的增强，尤其是涉及到采用量化的均值匹配(mean-matching)直方图均衡的图像增强方法和电路。

直方图均衡(histogram equalization)的基本的操作是根据输入图像的直方图为基础转换一个输入图像，其中的直方图表示输入图像的灰度电平分布。

灰度电平(gray level)的直方图提供了一个图像外观(appearance)的总体描述。根据一个图像的取样分布而正确控制灰度电平将改进一个图像的外观和对比度。

根据图像的取样分布而作为用于增强给定图像的对比度的方法，直方图均衡是各种增强图像对比度方法中最为公知的方法，该方法在下列的文件中公知：[1]J.S.Lim的二维信号和图像处理(1990年在美国的新泽西州的Englewood Cliffs的Prentice Hall出版)，和[2]R.C.Gonzalze和P.Wints的“数字图像处理”(在美国的麻萨诸塞州的Reading Addison-Wesley出版)。

而且，直方图均衡方法在医学成像处理和雷达图像处理中的有效应用在下列的文件中公开：[3]J.Zimmerman，S.Pizer，E.Staab，E.Perry，W.McCatney和B.Brenton的“自适应直方图均衡用于对比度增强的有效性的评价”(见1988年12月出版的IEEE学报关于医学成像的第304-312页)，和[4]Y.Li，W.Wang和D.Y.Yu的“对于X-射线胸部成像的自适应直方图均衡的应用”(1994年SPIE文献第2321卷的第513-514页)。

因此，使用给定图像的直方图的技术已经有益地应用到各种场合，例如医学图像处理，红外图像处理和雷达图像处理等。

通常，由于直方图均衡具有延展一个动态范围的效果，因此能够使得生成图像的分布密度平坦化，从而增强图像的对比度。这种公知的直方图均衡的特征在实际的应用中变成了一个缺陷。即由于直方图均衡的输出的密度是恒定的，所以输出图像的平均亮度接近一个中间的灰度电平。在实际中，为实现针对模拟图像的直方图均衡，在直方图均衡中输出图像的平均亮度是一个确切的中间灰度电平，而不论一个输入图像的平均亮度如何。很显然，对于实际的应用，这种特性是不希望的。例如，在夜间摄影的场景在经过直方图均衡之后显现出特别亮。

而且，传统的直方图均衡电路需要对于每一个灰度电平产生的频率进行存储的一个构型(configuration)，这就增加了硬件的造价。例如，如果灰电平(L)是256，则就需要256个存储器装置存储每一个灰电平产生的频率和需要256个累加器来累加每一个灰电平产生的频率。

本发明的目的是提供用于控制一个传输函数的图像增强方法，以便在利用通过内插一个量化的给定图像的累积密度函数而获得的一个累积密度函数的直方图均衡过程中，使得给定图像的平均电平被变换到它本身。

本发明的另一个目的是提供用于控制一个传输函数的图像增强方法，以便利用通过内插一个量化的输入图像的累积密度函数而获得的一个累积密度函数作为传输函数在直方图均衡过程中，使得输入图像的平均电平被变换成希望的输出均值。

本发明的又一个目的是提供用于控制一个传输函数的图像增强电路，以便利用通过内插一个量化的给定图像的累积密度函数而获得的一个累积密度函数作为传输函数在直方图均衡过程中，使得给定图像的平均电平被变换为它本身。

本发明的再一个目的是提供用于控制一个传输函数的图像增强电路，以便利用通过内插一个量化的输入图像的累积密度函数而获得的一个累积密度函数作为传输函数在直方图均衡过程中，使得输入图像的平均电平被变换成希望的输出均值。

为了实现第一个目的，提供了根据本发明的一种图像增强方法，它包括以下的步骤：对于一个输入图像信号的电平进行量化并输出一个量化的图像信号；针对量化的图像信号，以一个屏幕单元的灰度电平分布为基础而获得一个累积的密度函数，并输出一个量化的累积密度函数值；对于该量化的累积密度函数值进行内插，并输出一个内插的累积密度函数值；以屏幕为单元计算一个输入图像信号的平均电平；以及，控制一个传输函数，通过利用该内插的累积密度函数作为传输函数，以便使得输入图像信号能够被变换成一个灰度电平，且该平均电平能够被变换成其自身。

为了实现第二个目的，提供了根据本发明的一种图像增强方法，它包括以下的步骤：对于一个输入图像信号的电平进行量化并输出一个量化的图像信号；针对该量化的图像信号，以一个屏幕单元的灰度电平分布为基础而获得一个累积的密度函数，并输出一个量化的累积密度函数值；对于该量化的累积密度函数值进行内插，并输出一个内插的累积密度函数值；以屏幕为单元计算一个输入图像信号的平均电平；根据以该输入的图像信号的平均亮度为基础的一个预定的校正函数，将一个校正的值加到该平均电平，并输出一个已经补偿的平均电平；以及，控制一个传输函数，通过利用该内插的累积密度函数作为传输函数，以便使得输入图像信号能够根据一个内插的累积密度函数值为基础而被变换成一个新的灰度电平，且该均值电平能够被变换成补偿后的平均电平。

为了实现本发明的第三目的，根据本发明的一个图像增强电路包括：一个量化器，对于输入的图像信号电平进行量化并输出一个量化的图像信号；第一计算器，针对该量化的图像信号，以一个屏幕单元的灰度电平分布为基础计算累积的密度函数并输出一个量化的累积密度函数值；第二计算器，计算以屏幕为单元的输入图像信号的平均电平；一个内插器，对于量化的累积密度函数值进行内插并输出内插的累积密度函数值；一个变换器，控制该传输函数，通过利用该内插的累积密度函数作为传输函数，以便使得输入图像信号能够被变换成一个灰度电平，且由第二计算器计算的该均值电平能够被变换成其自身。

为了实现本发明的第四目的，根据本发明的一个图像增强电路包括：一个量化器，对于输入的图像信号电平进行量化并输出一个量化的图像信号；第一计算器，针对该量化的图像信号，以一个屏幕单元的灰度电平分布为基础计算累积的密度函数并输出一个量化的累积密度函数值；第二计算器，计算以屏幕为单元的输入图像信号的平均电平；一个亮度补偿器，把根据以输入图像信号的平均亮度为基础的预定校正函数的一个校正值加到平均电平，而输出一个补偿的平均电平；一个内插器，对于量化的累积密度函数值进行内插并输出内插的累积密度函数值；一个变换器，控制该传输函数，通过利用该内插的累积密度函数作为传输函数，以便使得输入图像信号能够被变换成一个新的灰度电平，且该均值电平能够被变换成该补偿后的平均电平。

通过参考附图对于本发明的最佳实施例的描述，将会使得本发明的上述的目的和优点变得显见。

图1是用于说明根据本发明的量化概念将一个L电平离散信号量化成一个Q电平离散信号的实例；

图2是用于说明应用于本发明的内插概念的曲线；

图3是根据本发明的一个实施例的图像增强电路的框图；

图4是根据本发明的另一个实施例的图像增强电路的框图；

图5是根据本发明的又一个实施例的图像增强电路的框图；

图6A和6B是应用于图5示出的亮度补偿器的亮度校正函数的一个实例；

图7A和7B是表示在由图6A和6B中示出的亮度校正函数所补偿的平均电平和输入图像的平均电平之间的关系的曲线；和

图8是根据本发明的又一个实施例的图像增强电路的框图。

首先描述使用本发明提出的利用量化的均值匹配直方图均衡的一个图象增强方法。

{X}表示一个给定的图像，而X_m表示该给定图像{X}的均值电平。

给定的图像{X}包括L个离散的灰度电平{X₀，X₁，…，X_L-1}，其中X₀＝0表示一个黑电平，而X_L-1＝1表示一个白电平，而且假设，X_m∈{X₀，X₁，…，X_L-1}。

原始的离散输入电平{X₀，X₁，…，X_L-1}被量化成Q个被定义成{Z₀，Z₁，…，Z_Q-1}的离散电平，其中假设Z_Q-1是等于X_L-1，Q是小于或等于L的一个值，而且{Z₀，Z₁，…，Z_Q-1}{X₀，X₁，…，X_L-1}。

L个电平的离散信号量化成Q个电平的离散信号的实例在图1中示出。而且，Q[X_k]是下一个由下式定义的量化操作。

            Q[X_k]＝Z_q，如果Z_q-1＜X_k＜Z_q

其中{Z}是被设置成Q[{X}]，{Z}表示一个量化的输入图像。

量化的输入图像{Z}的概率密度函数(PDF)能够用下式(1)表示： $P\left(Z_q\right)=\frac{N_q}{N}---\left(1\right),$

其中的P(Z_q)是第q个量化的灰度电平(Z_q)的概率，N_q表示该电平(Z_q)出现在量化的图像{Z}中的次数，而N表示量化图像{Z}的整个取样的数目。

在此，量化的输入图像{Z}的累积密度函数(CDF)可以用等式(2)表示。 $C\left(Z_q\right)=\underset{j=0}{\overset{q}{\mathrm{\Σ}}}P\left(Z_j\right)---\left(2\right),$

其中的C(Z_q-1)是等于1。

在被量化之前取样的一个累积密度函数C(X_k)可以通过在图2所示的线性的内插而从量化的取样累积密度函数C(Z_q)中近似地计算。

当着Q[X_k]是Z_q时，假设Z_-1是0，该C(X_k)是按照公式3被线性地内插。 $C\left(X_k\right)=C\left(Z_{q-1}\right)+[C\left(Z_q\right)-C\left(Z_{q-1}\right)]\frac{X_k-Z_{q-1}}{Z_q-Z_{q-1}}---\left(3\right).$

而且，C(X_m)可以从公式(3)近似地计算。

直方图均衡的最严重的问题是，在输入和输出信号之间的平均亮度会根据被用作传输函数的一个累积密度函数而显著地改变。

为了解决这一个问题，本发明提出了下面的变换操作，根据线性内插获得的累积密度函数与输入图像的平均值相组合：其中，低于或等于均值电平(X_m)的输入取样通过一个传输函数

被变换成X₀到X_m的一个灰度电平，并且高于该平均电平(X_m)的输入取样通过一个传输函数 $X_m+(X_{L-1}-X_m)\frac{c\left(X_k\right)-c\left(X_m\right)}{1-c\left(X_m\right)}$ 被变换成从X_m+1到X_L-1的一个灰度电平。从等式(4)可以看到，该X_m被变换到X_m本身。

因此，当一个给定的图像根据通过一个量化累积密度函数的线性内插所计算的一个内插累积密度函数而被直方图均衡时，其给定图像的平均亮度通过直方图均衡而被防止改变，通过根据示出在公式(4)的内插累积密度函数而控制传输出函数，以便使得给定图像的平均电平能够被变换回为其自身，这被称之为“量化的平均值-匹配直方图均衡”。

而且，本发明提出了下面的变换操作，当给定图像的平均电平是过暗或过亮时，通过与由线性内插获得的一个累积密度的组合，该公式能够执行亮度的补偿。

其中的B_m＝X_m+Δ…(6)

其中的B_m是补偿后的平均电平，而且如果Δ被设置成根据平均亮度通过预定的校正函数获得的一个校正值的话，则补偿后的平均电平(B_m)将变成通过将校正的值(Δ)加到一个给定图像的平均电平(X_m)而获得的结果。其中假设B_m {X₀，X₁，…，X_L-1}而且，

B_m′＝B_m+X_L-1/L-1…(7)

其中的B_m′表示一个在高于补偿后的平均电平(B_m)的一个电平区域中变换的第一灰度电平。

因此，当校正值大于0时(Δ＞0)，改进的输出(Y_H)的平均亮度增加，而当该校正值小于0时(Δ＜0)，改进的输出(Y_H)的平均亮度减小。随着Δ的增加，在较低的灰度电平区域中的动态范围增加。随着Δ的减小，在较高的灰度电平区域中的动态范围减小。

结果是，低于或等于一个平均电平(X_m)的输入取样被利用一个传输函数

′变换为从X₀到X_m的一个灰度电平，而高于该平均电平(X_m)的输入取样则利用一个传输函数 $B_m+(X_{L-1}-B_m^{\′})\frac{c\left(X_k\right)-c\left(X_m\right)}{1-c\left(X_m\right)}$ 变换为从B_m′到X_L-1的一个灰度电平。从公式(5)可以看出，X_m被变换回到B_m。

根据给定图像的该平均电平(X_m)即根据是过暗或是过亮，而利用该平均电平(B_m)正确补偿后的量化的平均-匹配直方图均衡，能够极大地增强输入图像的质量。

现参照图3到图8来描述根据本发明的图像增强电路的实施例。

图3是根据本发明的实施例使用量化的均值匹配直方图均衡的一个图像增强电路的框图。参考图3，量化器102把一个L电平的输入图像(X_k′s)量化成一个Q电平，并输出量化的图像(Z_q′s)。以屏幕为单元，帧直方图计算器104计算针对量化图像(Z_q′s)的灰度电平的分布，并利用公式(1)计算一个概率密度函数(P(Z_q)′s)的分布。其中的屏幕单元可以是一场，但在此是设置成一帧。

以帧直方图计算器104计算的量化图像(Z_q′s)的概率密度函数(P(Z_q)′s)为基础，CDF计算器106利用公式(2)计算一个量化的累积密度函数(C(Z_q)′s)。以量化图像(Z_q′s)的累积密度函数(C(Z_q)′s)为基础，CDF内插器108利用公式(3)执行一个线性的内插，并输出一个内插的累积密度函数值(C(X_k)′s)。其中K是在0和L-1之间的一个整数。

同时，帧均值计算器110计算一个帧单元输入图像(X_k′s)的均值电平(X_m)，并根据一个同步信号(在此是一个帧同步信号SYNC)把计算的均值电平(X_m)输出到CDF存储器114和第一变换器116和第二变换器118。

帧存储器112以一个图像帧为单元存储一个输入图像信号(X_k′s)。其中，该内插的累积密度函数值(C(X_k)′s)通过与当前输入的图像信号(X_k′s)相比，是被延迟了一帧的图像信号的累积密度函数值。所以，为了把具有与内插的累积密度函数值(C(X_k)′s)相同的帧的一个图像信号输入到第一变换器116和第二变换器118，帧存储器112就将输入图像信号(X_k′s)延迟一帧。

根据一个同步信号(SYNC)，CDF存储器114以帧为单元更新由CDF内插器108内插的累积密度函数值(C(X_k)′s)并且把在更新期间存储的该内插的累积密度函数值(C(X_k)′s)和相对于均值电平(X_m)由帧均值计算器110输出的一个累积密度函数值(C(X_m))输出。其中，该CDF存储器被用作一个缓冲器，而K是在0和L-1之间的一个整数。

第一变换器116接收相对于由CDF存储器114输出的均值电平的内插累积密度函数值C(X_k)和累积密度函数值C(X_m)、由帧均值计算器110输出的均值电平(X_m)和由帧存储器112输出的延迟一帧的图像信号(X_k)，并利用公式(4)将小于或等于均值电平(X_m)的一个延迟的输入图像信号变换成从X₀到X_m的范围内的一个灰度电平。

第二变换器118接收相对于由CDF存储器114输出的均值电平的内插累积密度函数值C(X_k)和累积密度函数值C(X_m)、由帧均值计算器110输出的均值电平(X_m)和由帧存储器112输出的延迟一帧的图像信号(X_k)，并利用公式(4)将大于均值电平(X_m)的一个延迟的输入图像信号变换成从X_m+1到X_L-1的范围内的一个灰度电平。

比较器120把由帧存储器112输出的图像信号(X_k)和由帧均值计算器110输出的均值电平(X_m)相比较，并产生一个选择控制信号。根据该选择控制信号，选择器122选择第一变换器116或第二变换器118，并输出一个增强的图像信号(Y_H)。就是说，当由帧存储器112输出的图像信号(X_k)是小于或等于均值电平(X_m)时，第一变换器116被选择，反之第二变换器118被选择。

其中，不是采用单独的帧直方图计算器104和单独的CDF计算器106，能够用一个单独的电路模块以一个屏幕为单元计算相对于量化的图像信号(Z_q′s)的一个灰度电平分布并以所计算的灰度电平分布为基础计算经量化的图像信号(Z_q′s)的CDF。

图4是根据本发明的另一个实施例的采用量化的均值匹配直方图均衡的图像增强电路的框图，参考图4，量化器202把一个L电平的输入图像(X_k′s)量化成一个Q电平，并输出所量化的图像(Z_q′s)。以帧为单元，帧直方图计算器204计算针对量化图像(Z_q′s)的灰度电平的分布，并利用公式(1)计算该量化图象(Z_q′s)的一个概率密度函数(P(Z_q)′s)。

以帧直方图计算器204计算的量化图像(Z_q′s)的概率密度函数(P(Z_q)′s)为基础，CDF计算器206利用公式(2)计算一个量化的累积的密度函数(C(Z_q)′s)。以量化图像(Z_q′s)的累积密度函数(C(Z_q)′s)为基础，CDF内插器208利用公式(3)执行一个线性的内插，并输出一个经内插的累积密度函数值(C(Z_k)′s)。其中K是在0和L-1之间的一个整数。

同时，帧均值计算器210计算一个帧单元输入图像(X_k′s)的均值电平(X_m)，并根据一个帧同步信号(SYNC)把计算的均值电平(X_m)输出到CDF存储器212和第一变换器214和第二变换器216。

根据一个帧同步信号(SYNC)，CDF存储器212以帧为单元更新由CDF内插器206内插的累积密度函数值(C(X_k)′s)并且把在更新期间存储的该内插的累积密度函数值(C(X_k)′s)和相对于均值电平(X_m)由帧均值计算器210输出的一个累积密度函数值(C(X_m))输出，其中K是在0和L-1之间的一个整数。

第一变换器214接收相对于由CDF存储器212输出的均值电平的内插累积密度函数值C(X_k)和累积密度函数值C(X_m)、由帧均值计算器210输出的均值电平(X_m)和输入的图像信号(X_k)，并利用公式(4)将小于或等于均值电平(X_m)的一个输入图像信号变换成从X₀到X_m的范围内的一个灰度电平。

第二变换器216接收相对于由CDF存储器212输出的均值电平的内插累积密度函数值C(X_k)和累积密度函数值C(X_m)、由帧均值计算器210输出的均值电平(X_m)和输入的图像信号(X_k)，并利用公式(4)将大于均值电平(X_m)的一个输入图像信号变换成从X_m+1到X_L-1的范围内的一个灰度电平。

此时，与该CDF存储器212输出的内插累积密度函数值(C(X_k))相比，输入到第一变换器214和第二变换器216的图像信号(X_k)是下一帧的图像信号。但是，根据这样的事实，即相邻帧之间存在的高度的相关性，使得帧存储器能被省略，从而降低硬件的规模。

比较器218把由帧均值计算器210输出的均值电平(X_m)和输入图像信号(X_k)相比较，并产生一个选择控制信号。根据该选择控制信号，选择器220选择第一变换器214或第二变换器216，并输出由公式(4)表示的一个增强的图像信号(Y_H)。就是说，当输入的图像信号(X_k)是小于或等于均值电平(X_m)时，第一变换器214被选择，反之第二变换器216被选择。

图5是根据本发明的又一个实施例的采用量化的均值匹配直方图均衡的图像增强电路的框图。除去本实施例的电路之外，还包括一个亮度补偿器316，该电路与图3示出的电路完全相同。

参考图5，该亮度补偿器316接收由帧均值计算器310输出的一个均值电平(X_m)，根据输入图像的平均亮度将一个校正值(Δ)加到均值电平(X_m)，如公式(6)所示，并输出一个经补偿的均值电平(B_m)。

校正值(Δ)是由图6A和6B中示出的校正函数确定的。本发明并不局限于图6A和6B中的校正函数的实例，其它的校正函数仍然是可能的。

根据图6A和6B示出的校正函数的校正值控制该增强信号(Y_H)的亮度。就是说，当输入图像的均值电平(X_m)是非常小时，即当输入的图像是很暗时，一个大于0的校正值(Δ)就被加到均值电平(X_m)并且利用公式(5)实现本发明提出的量化的均值匹配直方图均衡，从而增加增强信号(Y_H)的平均亮度。

而且，当输入图像的均值电平(X_m)是非常大时，即当输入的图像是很亮时，一个小于0的校正值(Δ)就被加到均值电平(X_m)并且利用公式(5)实现本发明提出的量化的均值匹配直方图均衡，从而减小增强信号(Y_H)的平均亮度。因此，当根据均值电平(X_m)利用由预定的充足校正值(Δ)所补偿的一个均值电平(B_m)执行量化的均值匹配直方图均衡时，输入图像的图像质量能够被显著地改善。

图7A和7B示出了在加有根据图6A和6B示出的校正函数的校正值(Δ)所补偿的平均值电平(B_m)和输入图像的平均值电平(X_m)之间的关系。

同时，第一变换器318接收相对于由CDF存储器314输出的均值电平的内插累积密度函数值C(X_k)和累积密度函数值C(X_m)、由亮度补偿器316输出的补偿的均值电平(B_m)和由帧存储器312输出的延迟一帧的图像信号(X_k)，并利用公式(5)将小于或等于均值电平(X_m)的输入图像信号变换成从X₀到B_m的范围内的一个灰度电平。

第二变换器320接收相对于由CDF存储器314输出的均值电平的内插累积密度函数值C(X_k)和累积密度函数值C(X_m)、由亮度补偿器316输出的补偿的均值电平(B_m)和由帧存储器312输出的一帧延迟的图像信号(X_k)，并利用公式(5)将大于均值电平(X_m)的一个输入图像信号变换成从B_m′到X_L-1的范围内的一个灰度电平。第一变换器318和第二变换器320的各输出是由公式(5)表示的，而B_m′是由公式(7)表示的。

比较器322把由帧存储器312输出的输入图像信号(X_k)和由帧均值计算器310输出的均值电平(X_m)相比较，并产生一个选择控制信号。根据该选择控制信号，选择器324选择第一变换器318或第二变换器320，并输出一个增强的图像信号(Y_H)。就是说，当由帧存储器322输出的图像信号(X_k)是小于或等于均值电平(X_m)时，第一变换器318被选择，反之第二变换器320被选择。

图8是根据本发明的又一个实施例的利用量化的均值匹配直方图均衡的一个图像增强电路的框图。与图4的电路相比，图8的电路还包括一个亮度补偿器414。对于本实施例的描述将围绕亮度补偿器414进行。

参考图8，亮度补偿器414接收由帧均值计算器410输出的一个平均电平(X_m)按照公式(6)，根据输入图像的平均亮度而将一个校正值加到平均电平(X_m)，并输出一个补偿的平均电平(B_m)。

第一变换器416接收相对于由CDF存储器412输出的均值电平的内插累积密度函数值C(X_k)和累积密度函数值C(X_m)、由亮度补偿器414输出的补偿的均值电平(B_m)和输入图像信号(X_k)，并利用公式(5)将小于或等于均值电平(X_m)的一个输入图像信号变换成从X₀到B_m的范围内的一个灰度电平。

第二变换器418接收相对于由CDF存储器412输出的均值电平的内插累积密度函数值C(X_k)和累积密度函数值C(X_m)、由亮度补偿器414输出的补偿的均值电平(B_m)和输入的图像信号(X_k)，并利用公式(5)将大于均值电平(X_m)的一个输入图像信号变换成从B_m′到X_L-1的范围内的一个灰度电平。第一变换器416和第二变换器418输出是用公式(5)表示的，而B_m′是由公式(7)表示的。

此时，与CDF存储器412输出的内插累积密度函数值(C(X_k))相比，输入到第一变换器416和第二变换器418的图像信号(X_k)是下一帧的图像信号。但是在图8中，由于相邻帧之间存在的高度的相关性，使得帧存储器被省略，从而降低硬件的规模。

比较器420把由帧均值计算器410输出的均值电平(X_m)和输入图像信号(X_k)相比较，并产生一个选择控制信号。根据该选择控制信号，选择器422选择第一变换器416或第二变换器418，并输出由公式(5)表示的一个增强的图像信号(Y_H)。就是说，当输入的图像信号(X_k)是小于或等于均值电平(X_m)时，第一变换器416被选择，反之第二变换器418被选择。

本发明可应用到与图像信号的图像增强相关的宽的范围领域中，例如广播设备、雷达信号处理系统、医疗技术和家用设备等。

如上述，本发明控制一个传输函数，以便当着根据由线性内插从给定图像信号的量化的累积密度函数而近似的一个累积密度函数来执行直方图均衡时，将一个给定的图像的平均灰度电平变换为其自身。所以，对比度被增强且给定图像的平均亮度被连续地保持。

而且，本发明控制了一个近似的累积密度函数，用作一个变换函数，以便当根据由线性内插从给定图像信号量化的累积密度函数中近似的一个累积密度函数来执行直方图均衡时，将给定图像的一个平均灰度电平变换为一个输出的平均电平。因此使得对比度增强，且给定图像的平均亮度被连续地保持。

而且，为了在直方图均衡期间计算一个CDF，根据本发明的电路量化一个输入图像信号时，只存储和累积量化电平产生的频率，从而简化硬件并降低造价。

Claims (26)

1.一种用图像信号直方图均衡的图像增强方法，该图像信号由灰度电平的一个预定的数目表示，该方法包括量化一个输入图像信号的电平的步骤和将所说的输入图像信号变换成一个灰度电平的步骤，所说的方法还包括以下的步骤：

(a)针对所说的量化的图像信号，以一个屏幕单元的灰度电平分布为基础获得一个累积的密度函数，并输出一个量化的累积密度函数值；

(b)对于所说的量化的累积密度函数值进行内插，并输出一个内插的累积密度函数值；

(c)以屏幕为单元计算一个输入图像信号的平均电平；

(d)控制一个传输函数，通过利用所说的内插的累积密度函数作为传输函数，以便使得所说输入图像信号能够被变换成一个灰度电平，且在所说的步骤(c)中计算的均值电平能够被变换成其自身。

2.根据权利要求1的图像增强方法，其中，还包括有步骤(e)，以一个屏幕单元延迟所说的输入图像信号，并将所说的延迟的图像信号输出到步骤(d)。

3.根据权利要求1的图像增强方法，其中，内插步骤(b)是一个线性内插。

4.根据权利要求1的图像增强方法，其中，所说的步骤(a)还包括子步骤：

(a1)获得以屏幕为单元的量化的图像信号的灰度电平分布；和

(a2)通过计算以所说量化的图像信号的灰度电平分布为基础的累积密度函数，输出所量化的累积密度函数值。

5.根据权利要求1的图像增强方法，其中，所说的步骤(d)包括以下的子步骤：

(d1)当所说的输入图像信号小于或等于所说的平均电平时，根据对应于所说的输入图像信号的一个内插的累积密度函数值而将一个输入图像信号变换成范围从一个最小灰度电平(X₀)到一个平均电平(X_m)的一个灰度电平，并且把所说的平均电平变换成其自身；

(d2)当所说的输入图像信号大于所说的平均电平时，根据对应于所说的输入图像信号的一个内插的累积密度函数值而将一个输入图像信号变换成范围从一个相邻于所说的均值电平的灰度电平(X_m+1)到一个最大灰度电平(X_L-1)的一个灰度电平。

6.根据权利要求1的图像增强方法，在步骤(d)之前还包括以下步骤：

(c+)根据以所说的输入图像信号的平均亮度为基础的一个预定的校正函数把一个校正值加到所说的平均电平并将补偿的平均电平输出；并且

其中的步骤(d)控制一个传输函数，通过利用所说的内插的累积密度函数作为传输函数，以便使得所说的输入图像信号能够根据一个内插的累积密度函数值为基础而被变换成一个新的灰度电平，且所说的均值电平能够被变换成所说的补偿的均值电平。

7.根据权利要求6的图像增强的方法，还包括步骤(e)，以一个屏幕单元延迟所说的输入图像信号，并将所说的延迟的图像信号输出到步骤(d)。

8.根据权利要求6的图像增强的方法，其中，所说的步骤(a)还包括子步骤：

(a1)获得以屏幕为单元的所说的量化的图像信号的灰度电平分布；和

(a2)通过以所说的量化图像信号的所说灰度电平分布为基础计算累积密度函数，输出量化的累积密度函数值。

9.根据权利要求6的图像增强方法，其中，步骤(b)的内插是一个线性内插。

10.根据权利要求6的图像增强方法，其中，所说的步骤(c+)中，当所说的均值电平是很小的值时，即当所说图像是非常暗时，通过将一个大于0的校正值加到所说的平均电平而输出一个补偿的均值电平，而当所说的均值电平是很大的值时，即当所说的图像是非常亮时，通过将一个小于0的校正值加到所说的平均电平而输出一个补偿的均值电平。

11.根据权利要求6的图像增强方法，其中，所说的步骤(d)包括以下的子步骤：

(d1)当所说的输入图像信号小于或等于所说的平均电平时，根据对应于所说的输入图像信号的一个内插的累积密度函数值而将一个输入图像信号变换成范围从一个最小灰度电平(X₀)到一个补偿的平均电平(B_m)的一个灰度电平，并且把所说的平均电平变换成所说的补偿的均值电平；

(d2)当所说的输入图像信号大于所说的平均电平时，根据对应于所说的输入图像信号的一个内插的累积密度函数值而将一个输入图像信号变换成范围从一个灰度电平(B_m′)到一个最大灰度电平(X_L-1)的一个灰度电平，其中所说的B_m′是等于B_m+X_L-1/(L-1)。

12.一种采用图像信号的直方图均衡的图像增强电路，该图像信号由灰度电平的一个预定的数目表示，该电路包括一个用于量化一个输入图像信号的电平并输出一个量化的图像信号的量化器、用于计算密度函数并输出一个量化的密度函数值的第一计算器、以及用于将所说的输入图像信号变换成一个灰度电平的变换器，其特征在于所说的电路还包括：

第二计算器，以屏幕为单元计算所说的输入图像信号的平均电平；

内插器，利用一种预定的内插对所说的量化的累积密度函数值进行内插，并输出一个内插的累积密度函数值；

并且其中：

所说的第一计算器，针对所说的量化的图像信号，以一个屏幕单元的灰度电平分布为基础而计算一个累积的密度函数，并输出一个量化的累积密度函数值；

所说的变换器，用于控制所说的传输函数，通过利用所说的内插的累积密度函数作为传输函数，以便使得输入图像信号能够被变换成一个灰度电平，且由所说的第二计算器计算的均值电平能够被变换成其自身。

13.根据权利要求12的图像增强电路，其中，还包括一个屏幕存储器，用于以屏幕为单元显示所说的输入图像信号，以便把与所说的内插累积密度函数值相同的帧图像信号输入到所说的变换器。

14.根据权利要求12的图像增强电路，其中，所说的第一计算器包括：

第一帧直方图计算器，用于以屏幕为单元计算所说的量化的图像信号的灰度电平分布；和

CDF计算器，以计算的量化的图像信号灰度电平分布为基础计算一个累积的密度函数，并输出一个量化的累积密度函数(CDF)值。

15.根据权利要求12的图像增强电路，其中，所说的内插是线性内插。

16.根据权利要求12的图像增强电路，其中，还包括一个缓冲器，用于以屏幕为单元更新所说的内插的累积密度函数值，并且输出在更新期间存储的所说内插累积密度函数值和相对于所说的平均值的一个累积密度函数值。

17.根据权利要求16的图像增强电路，其中所说的变换器包括：

第一变换器，用于把所说的平均值电平变换成其自身，并根据对应于所说的输入图像信号的内插累积密度函数值和相对于所说的平均电平的一个累积密度函数值，把低于或等于所说的平均电平的输入图像信号变换成具有第一范围的一个灰度电平；

第二变换器，用于根据对应于所说的输入图像信号的内插累积密度函数值和相对于所说的平均电平的一个累积密度函数值，把高于所说的平均电平的输入图像信号变换成具有第二范围的一个灰度电平；

比较器，用于将所说的输入图像信号与所说的平均电平比较并产生一个选择控制信号；和

选择器，用于当一个输入图像信号低于或等于所说平均电平时依据选择控制信号选择所说的第一变换器，否则就选择所说的第二变换器。

18.根据权利要求13的图像增强电路，其中，所说的变换器包括：

第一变换器，用于把由所说的第二计算器计算的所说的平均电平变换成其自身，并根据对应于所说的输入图像信号的内插累积密度函数值和相对于所说的平均电平的一个累积密度函数值，把具有低于或等于由所说的屏幕存储器输出的平均电平的电平的输入图像信号变换成具有第一范围的一个灰度电平；

第二变换器，用于根据对应于所说的输入图像信号的内插累积密度函数值和相对于所说的平均电平的一个累积密度函数值，把具有由所说的屏幕存储器输出的高于所说的平均电平的电平的输入图像信号变换成具有第二范围的一个灰度电平；

比较器，用于把由所说的屏幕存储器输出的所说的图像信号与所说的平均电平比较并产生一个选择控制信号；和

选择器，用于当所说的屏幕存储器的输出图像信号低于或等于所说平均电平时依据所说的选择控制信号选择所说的第一变换器，否则就选择所说的第二变换器。

19.根据权利要求12的图像增强电路，还包括：

亮度补偿器，根据以所说的输入图像信号的平均亮度为基础的一个预定的校正函数而将一个校正值加到所说的平均电平，输出一个补偿的平均电平；并且

其中所说的变换器控制所说的传输函数，通过利用所说的内插的累积密度函数作为传输函数，以便使得输入图像信号能够被变换成一个新的灰度电平，且所说的平均电平能够被变换成所说的补偿的平均电平。

20.根据权利要求19的图像增强电路，其中，还包括一个屏幕存储器，用于以屏幕为单元显示所说的输入图像信号，以便把与所说的内插累积密度函数值相同帧的图像信号输入到所说的变换器。

21.根据权利要求19的图像增强电路，其中，所说的第一计算器包括：

第一直方图计算器，用于以屏幕为单元计算所说的量化的图像信号的灰度电平分布；和

CDF计算器，以所计算的量化图像信号灰度电平分布为基础计算一个累积的密度函数，并输出一个量化的累积密度函数(CDF)值。

22.根据权利要求19的图像增强电路，其中，所说的亮度补偿器当所说的平均电平是很小的值时，即当所说的图像是非常暗时，是通过将一个大于0的校正值加到所说的平均电平而输出一个补偿的平均电平的，而当所说的平均电平是很大的值时，即当所说的图像是非常亮时，是通过将一个小于0的校正值加到所说的平均电平而输出一个补偿的平均电平的。

23.根据权利要求19的图像增强电路，其中，所说的内插是线性内插。

24.根据权利要求19的图像增强电路，其中，还包括一个缓冲器，用于以屏幕为单元更新所说的内插的累积密度函数值，并且输出在更新期间存储的所说的内插累积密度函数值和相对于所说的平均电平的一个累积密度函数值。

25.根据权利要求19的图像增强电路，其中，所说的变换器包括：

第一变换器，根据对应于所说的输入图像信号的内插累积密度函数值，把低于或等于所说的平均电平的输入图像信号变换成从最小灰度电平(X₀)到补偿的平均电平(B_m)的灰度电平范围的一个灰度电平，并将所说的平均电平变换成所说的补偿的平均电平；

第二变换器，用于根据对应于所说的输入图像信号的内插累积密度函数值，把高于所说平均电平的输入图像信号变换成具有从B_m′到最大灰度电平(X_L-1)的灰度电平范围的一个灰度电平，其中所说的B_m′是等于B_m+X_{L- 1}/(L-1)；

比较器，用于将所说的输入图像信号与所说的平均电平比较并产生一个选择控制信号；和

选择器，根据所说的选择控制信号，用于当一个输入图像信号低于或等于所说平均电平时选择所说的第一变换器，否则就选择所说的第二变换器。

26.根据权利要求20的图像增强电路，其中，所说的变换器包括：

第一变换器，用于根据对应于所说的输入图像信号的内插累积密度函数值，把具有把低于或等于由所说的屏幕存储器输出的平均电平的电平的输入图像信号变换成具有从最小的灰度电平(X₀)到补偿的平均电平(B_m)范围的一个灰度电平，并将所说的平均电平变换成所说的补偿的平均电平；

第二变换器，用于根据对应于所说的输入图像信号的内插累积密度函数值，把由所说的屏幕存储器输出的具有高于所说的平均电平的电平的输入图像信号变换成具有从B_m′到最大灰度电平(X_L-1)范围的一个灰度电平其中所说的B_m′是等于B_m+X_L-1/(L-1)；

比较器，用于把由所说的屏幕存储器输出的所说的图像信号与所说的平均电平比较并产生一个选择控制信号；和

选择器，根据所说的选择控制信号，用于当所说的屏幕存储器的输出图像信号低于或等于所说平均电平时选择所说的第一变换器，否则就选择所说的第二变换器。

Images