CN109936679B - 影像梯度提升方法与影像梯度提升电路 - Google Patents

影像梯度提升方法与影像梯度提升电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种影像梯度提升方法与影像梯度提升电路。影像梯度提升方法包括：传送一输入影像；对该输入影像进行一滤波处理，以产生一滤波信号；以及，对该滤波信号进行一梯度处理，以产生一输出影像。

Description

影像梯度提升方法与影像梯度提升电路
技术领域
本发明涉及一种影像处理方法与影像提升电路，特别是涉及一种影像梯度提升方法与影像梯度提升电路。
背景技术
边缘锐化(edge sharpening)常被使用于影像处理流程中，以提升影像边缘区域的对比度，让影像在人眼视觉上的表现更清晰、更立体。一般来说，边缘锐化是透过增强影像的高频成分，来达到影像锐利化的效果。现有技术主要包括：对二阶微分(secondderivative)部分的增强、非锐化滤波器(unsharp mask filter)的使用以及对频率空间的高频部分进行撷取。
上述现有技术中，对二阶微分部分的增强与非锐化滤波器的使用两方法，分别是透过拉普拉斯滤波器与高斯滤波器的参数控制来进行影像锐化，而撷取频率空间的高频部分的方法是将空间域(spatial domain)转换频域(frequency domain)，如离散傅立叶转换(discrete Fourier transform)或离散余弦转换(discrete cosine transform)，并只保留高频的方式以取得高频影像资讯，再将此高频影像资讯从频域转回空间域，加回原本影像达到锐化效果。
然而，上述现有技术大多只针对特定种类的影像边缘有较好的效果，且也会有硬体成本需求高的缺点。因此，需要提出一种适用于不同影像边缘，具有显着提升效果并且具较低硬体需求的影像提升方法。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出一种能同时锐化不同影像边缘，具有显着提升效果并且具较低硬体需求的影像提升方法。为了解决上述的技术问题，本发明所采用的其中一技术方案是提供一种影像梯度提升方法，其包括：传送一输入影像；对该输入影像进行一水平滤波处理，以产生一水平滤波信号；对该输入影像进行一垂直滤波处理，以产生一垂直滤波信号；对该水平滤波信号进行一水平梯度处理，以产生一水平后续信号；对该垂直滤波信号进行一垂直梯度处理，以产生一垂直后续信号；以及，将该水平后续信号与该垂直后续信号合成，以产生一输出影像。该水平滤波处理与该垂直滤波处理是将该输入影像的相邻像素相减，该水平梯度处理给予该水平滤波信号中的每一像素一对应水平权重，且该垂直梯度处理给予该垂直滤波信号中的每一像素一对应垂直权重，使该输出影像的边缘梯度是该输入影像的边缘梯度的一特定倍数。
为了解决上述的技术问题，本发明所采用的另外一技术方案是，提供一种影像梯度提升电路，其包括：一传送器、一水平滤波器电路、一垂直滤波器电路、一水平梯度电路、以及一垂直梯度电路。传送器传送一输入影像。水平滤波器电路电性连接至该传送器，以对该输入影像进行一水平滤波处理，并产生一水平滤波信号。垂直滤波器电路电性连接至该传送器，以对该输入影像进行一垂直滤波处理，并产生一垂直滤波信号。水平梯度电路电性连接至该水平滤波器电路，以对该水平滤波信号进行一水平梯度处理，并产生一水平后续信号。垂直梯度电路电性连接至该垂直滤波器电路，以对该垂直滤波信号进行一垂直梯度处理，并产生一垂直后续信号。该水平后续信号与该垂直后续信号形成一输出影像，该水平滤波处理与该垂直滤波处理是将该输入影像的相邻像素相减，该水平梯度处理给予该水平滤波信号中的每一像素一对应水平权重，且该垂直梯度处理给予该垂直滤波信号中的每一像素一对应垂直权重，使该输出影像的边缘梯度是该输入影像的边缘梯度的一特定倍数。
本发明的其中一有益效果在于能简化须设定的变数的数量，并能限制梯度的变化幅度(影像梯度变化必须适应特定边界点)，以避免过度的提升所造成的影像不连续，且能同时锐化不同影像边缘。
为使能更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与图式，然而所提供的图式仅用于提供参考与说明，并非用来对本发明加以限制。
附图说明
图1为本发明一实施例的影像梯度提升电路方块图。
图2为本发明一实施例的最佳设定电路方块图。
图3为本发明一实施例的影像梯度提升方法流程图。
图4为本发明影像梯度提升结果示意图。
图5为本发明一实施例的影像区域示意图。
【符号说明】
1 影像梯度提升电路
2 最佳设定电路
10 传送器
11 水平滤波器电路
12 垂直滤波器电路
13 水平梯度电路
14 垂直梯度电路
21 水平处理电路
22 垂直处理电路
23 最佳化电路
P_h 水平滤波参数
P_v 垂直滤波参数
S_Dh 水平梯度信号
S_Dv 垂直梯度信号
S_Fh 水平滤波信号
S_Fv 垂直滤波信号
S_gh 水平后续信号
S_gv 垂直后续信号
S_imagein 输入影像
S_imageout 输出影像
具体实施方式
以下是通过特定的具体实施例来说明本发明所公开有关“影像梯度提升方法与影像梯度提升电路”的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所公开的内容了解本发明的优点与效果。本发明可通过其他不同的具体实施例加以施行或应用，本说明书中的各项细节也可基于不同观点与应用，在不悖离本发明的构思下进行各种修改与变更。另外，本发明的附图仅为简单示意说明，并非依实际尺寸的描绘，事先声明。以下的实施方式将进一步详细说明本发明的相关技术内容，但所公开的内容并非用以限制本发明的保护范围。
应理解，虽然本文中可能使用术语第一、第二、第三等来描述各种元件或信号等，但这些元件或信号不应受这些术语限制。这些术语乃用以区分一元件与另一元件，或者一信号与另一信号。另外，如本文中所使用，术语“或”视实际情况可能包括相关联的列出项目中的任一个或者多个的所有组合。
请参照图1，图1为本发明一实施例的影像梯度提升电路1方块图。如图1所示，该影像梯度提升电路1包括一传送器10、一水平滤波器电路11、一垂直滤波器电路12、一水平梯度电路13、以及一垂直梯度电路14。该传送器10传送一输入影像S_imagein。该水平滤波器电路11电性连接至该传送器10，以对该输入影像S_imagein进行一水平滤波处理，并产生一水平滤波信号S_Fh。该垂直滤波器电路12电性连接至该传送器10，以对该输入影像S_imagein进行一垂直滤波处理，并产生一垂直滤波信号S_Fv。该水平梯度电路13电性连接至该水平滤波器电路11，以对该水平滤波信号S_Fh进行一水平梯度处理，并产生一水平后续信号S_gh。该垂直梯度电路14电性连接至该垂直滤波器电路12，以对该垂直滤波信号S_Fv进行一垂直梯度处理，并产生一垂直后续信号S_gv。该水平后续信号与该垂直后续信号形成一输出影像。该水平滤波处理与该垂直滤波处理是将该输入影像S_imagein的相邻像素相减，该水平梯度处理给予该水平滤波信号S_Fh中的每一像素一对应水平权重S_wh，且该垂直梯度处理给予该垂直滤波信号S_Fv中的每一像素一对应垂直权重S_wv。
在其他实施例中，上述的该水平滤波器电路11与该垂直滤波器电路12可被整合为一滤波器电路，而该水平梯度电路13与该垂直梯度电路14可被整合为一后续处理电路。
请参照图2，图2为本发明一实施例的最佳设定电路2的方块图。该最佳设定电路2包括一水平处理电路21、一垂直处理电路22、以及一最佳化电路23。该水平处理电路21电性连接至该传送器10，以对该输入影像S_imagein进行一水平处理，并产生一水平梯度信号S_Dh。该垂直处理电路22电性连接至该传送器10，以对该输入影像S_imagein进行一垂直处理，并产生一垂直梯度信号S_Dv。该最佳化电路23对该水平梯度信号S_Dh与该垂直梯度信号S_Dv进行一最佳化处理，以产生一水平滤波参数P_h与一垂直滤波参数P_v，该水平滤波参数P_h被用于设定该水平滤波器电路11，而该垂直滤波参数P_v被用于设定该垂直滤波器电路12。
基于图1、图2的实施例，在此对该影像梯度提升电路1对于影像的处理进行进一步说明。本发明目的是要让影像梯度较为平缓部分的变化更明显。举例来说，透过一个最佳化的方法使该输出影像的边缘梯度是输入影像的边缘梯度的一特定倍数，针对该输入影像对应产生该输出影像。上述最佳化方法可以由以下公式1表示：
x＝arg minx(||ghDhy-Dhx||2+||gvDvy-Dvx||2) (公式1)
其中，y为该输入影像S_imagein、x为该输出影像S_imageout、Dh与Dv分别为水平与垂直梯度运算参数，分别对应于上述的该水平处理电路21与该垂直处理电路22的设计；而gh与gv分别为水平与垂直梯度控制参数，分别对应于上述的该水平梯度电路13与该垂直梯度电路14的设计。此处梯度运算参数与梯度控制参数被依据水平与垂直分开，这样的好处是有调整的弹性，在其他实施例中，可以让上述的后续处理电路进行后续程序，像是边缘方向估计、边缘强度侦测...等，且该后续处理电路可视需要包括其他不同的模组，水平梯度控制参数gh与垂直梯度控制参数gv可针对影像中不同方向的边缘被设定，而公式1可以线性方程式求解并列出其矩阵向量，如以下公式2：
Figure BDA0001513842870000071
如图5所示，本实施例针对5×5的影像区域(长与宽均为5个像素的影像区域)进行运算，则上式中的x及y可表示如下：
x＝[x0，x1，x2...，x22，x23，x24]T；
y＝[y0，y1，y2...，y22，y23，y24]T (公式3)
其中，x0，x1，...x24，y0，y1，...y24为像素值。
Dh与Dv即为25×25的矩阵：
Figure BDA0001513842870000072
以及
Figure BDA0001513842870000081
此处Dh与Dv的梯度计算方式是由相邻像素值相减，本实施例中的方法只是用于举例，并非对本发明限制，在其他实施例中，可以更改计算方式或范围，像是只计算中间三列或三行的梯度，以让方程式有解，如拉普拉斯、索贝尔(Sobe1)...等计算方式。
如果上述变数
Figure BDA0001513842870000082
(N＝5)数量多于方程式的数量，则需要加入边界条件限制以避免无解情形发生，如以下公式4：
Cx＝Cy (公式4)
其中，C为边界点的判断矩阵，公式4可被表示为：
Figure BDA0001513842870000091
如此一来，能在让方程式为可解的条件下，有效地限制变数的数量。同时，影像变化也受边界点的限制，因此也可以限制梯度的变化幅度，避免过度剧烈造成严重的影像不连续感。
将上述最佳化方程式与边界条件限制结合后，即可列出公式5：
Figure BDA0001513842870000092
其中z可为任意的变数，因为不会影响输出影像x的求解过程，且可以进一步改写如下：
Figure BDA0001513842870000101
其中，令
Figure BDA0001513842870000102
使方程式可进一步简化为公式6：
Figure BDA0001513842870000103
由于在滑动窗(Sliding window)机制中，只需要计算当前影像窗(Image window，即图5之5x5的影像区域)中心点的值，U矩阵只需要计算第
Figure BDA0001513842870000104
列(即
Figure BDA0001513842870000105
)，其中N＝5，因此公式6可改写成：
Figure BDA0001513842870000111
令
Figure BDA0001513842870000112
最后可得到公式7：
Figure BDA0001513842870000113
Fh及Fv即对应图2之最佳设定电路所计算的P_h及P_v，并分别用于设定该水平滤波器电路11及该垂直滤波器电路12。由于Fh/Fv是由已知矩阵得到，因此也可以离线计算。
请参照图3，图3为本发明一实施例的影像梯度提升方法流程图，且能对应使用于图1中的该影像梯度提升电路1。如图3所示，该影像梯度提升方法包括以下步骤：S300：传送一输入影像；S301：对该输入影像进行一水平滤波处理，以产生一水平滤波信号；S302：对该输入影像进行一垂直滤波处理，以产生一垂直滤波信号；S303：对该水平滤波信号进行一水平梯度处理，以产生一水平后续信号；S304：对该垂直滤波信号进行一垂直梯度处理，以产生一垂直后续信号；以及S305：将该水平后续信号与该垂直后续信号合成，以产生一输出影像。该水平滤波处理与该垂直滤波处理是将该输入影像的相邻像素相减，该水平梯度处理给予该水平滤波信号中的每一像素一对应水平权重，且该垂直梯度处理给予该垂直滤波信号中的每一像素一对应垂直权重。
在其他实施例中，例如图2中的该最佳设定电路2，该影像梯度提升方法，还进一步包括：对该输入影像进行一水平处理，以产生一水平梯度信号；对该输入影像进行一垂直处理，以产生一垂直梯度信号；以及，对该水平梯度信号与该垂直梯度信号进行一最佳化处理，以产生一水平滤波参数与一垂直滤波参数。该水平滤波参数被用于进行该水平滤波处理，而该垂直滤波参数被用于进行该垂直滤波处理。
如上述在其他情形中，该水平滤波器电路11与该垂直滤波器电路12可被整合为一滤波器电路，而该水平梯度电路13与该垂直梯度电路14可被整合为一后续处理电路，此时所执行的步骤包括：传送一输入影像；对该输入影像进行一滤波处理，以产生一滤波信号；以及，对该滤波信号进行一梯度处理，以产生一输出影像。
请参照图4，图4为本发明一实施例的影像梯度提升结果示意图。可看出在梯状边缘、斜坡边缘与屋顶状边缘经过提升后，在转折处的变化有明显较原始更为剧烈，达到影像梯度的提升。
本发明的有益效果在于能同时锐化不同影像边缘，且由于能进行部分的离线(offline)计算，硬体成本能被有效节省，另外，也可透过降低影像的梯度，达到噪声移除(noise removal)的效果。
以上所公开的内容仅为本发明的优选可行实施例，并非因此局限本发明的申请专利范围，所以凡是运用本发明说明书及图式内容所做的等效技术变化，均包含于本发明的申请专利范围内。

Claims (2)

1.一种影像梯度提升方法，包括：
传送一输入影像；
对该输入影像进行一水平滤波处理，以产生一水平滤波信号；
对该输入影像进行一垂直滤波处理，以产生一垂直滤波信号；
对该水平滤波信号进行一水平梯度处理，以产生一水平后续信号；
对该垂直滤波信号进行一垂直梯度处理，以产生一垂直后续信号；以及
将该水平后续信号与该垂直后续信号合成，以产生一输出影像；
其中，该水平滤波处理与该垂直滤波处理是将该输入影像的相邻像素相减，该水平梯度处理给予该水平滤波信号中的每一像素一对应水平权重，且该垂直梯度处理给予该垂直滤波信号中的每一像素一对应垂直权重，使该输出影像的边缘梯度是该输入影像的边缘梯度的一特定倍数,
所述影像梯度提升方法还进一步包括：
对该输入影像进行一水平处理，以产生一水平梯度信号；
对该输入影像进行一垂直处理，以产生一垂直梯度信号；以及
对该水平梯度信号与该垂直梯度信号进行一最佳化处理，以产生一水平滤波参数与一垂直滤波参数；其中，该水平滤波参数被用于设定该水平滤波处理，该垂直滤波参数被用于设定该垂直滤波处理；
其中该最佳化处理可以由以下公式表示：
Figure FDF0000015506340000021
其中，y为该输入影像，x为该输出影像，Dh与Dv分别为水平梯度运算参数与垂直梯度运算参数，该水平梯度运算参数与该垂直梯度运算参数分别对应于该水平处理与该垂直处理；且gh与gv分别为水平梯度控制参数与垂直梯度控制参数，该水平梯度控制参数与该垂直梯度控制参数分别对应于该水平梯度处理与该垂直梯度处理。
2.一种影像梯度提升电路，包括：
一传送器，传送一输入影像；
一水平滤波器电路，电性连接至该传送器，该水平滤波器电路以对该输入影像进行一水平滤波处理，并产生一水平滤波信号；
一垂直滤波器电路，电性连接至该传送器，该垂直滤波器电路以对该输入影像进行一垂直滤波处理，并产生一垂直滤波信号；
一水平梯度电路，电性连接至该水平滤波器电路，该水平梯度电路以对该水平滤波信号进行一水平梯度处理，并产生一水平后续信号；以及
一垂直梯度电路，电性连接至该垂直滤波器电路，该垂直梯度电路以对该垂直滤波信号进行一垂直梯度处理，并产生一垂直后续信号；
其中，该水平后续信号与该垂直后续信号形成一输出影像，该水平滤波处理与该垂直滤波处理是将该输入影像的相邻像素相减，该水平梯度处理给予该水平滤波信号中的每一像素一对应水平权重，且该垂直梯度处理给予该垂直滤波信号中的每一像素一对应垂直权重，使该输出影像的边缘梯度是该输入影像的边缘梯度的一特定倍数，
所述影像梯度提升电路还进一步包括一最佳设定电路，该最佳设定电路包括：
一水平处理电路，电性连接至该传送器，该水平处理电路以对该输入影像进行一水平处理，并产生一水平梯度信号；
一垂直处理电路，电性连接至该传送器，该垂直处理电路以对该输入影像进行一垂直处理，并产生一垂直梯度信号；以及
一最佳化电路，对该水平梯度信号与该垂直梯度信号进行一最佳化处理，以产生一水平滤波参数与一垂直滤波参数；其中，该水平滤波参数被用于设定该水平滤波处理，该垂直滤波参数被用于设定该垂直滤波处理；
其中该最佳化处理可以由以下公式表示：
Figure FDF0000015506340000031
其中，y为该输入影像，x为该输出影像，Dh与Dv分别为水平梯度运算参数与垂直梯度运算参数，该水平梯度运算参数与该垂直梯度运算参数分别对应于该水平处理电路与该垂直处理电路；而gh与gv分别为水平梯度控制参数与垂直梯度控制参数，该水平梯度控制参数与该垂直梯度控制参数分别对应于该水平梯度电路与该垂直梯度电路。
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