CN1115869C

CN1115869C - 采用除噪和直方图均衡的图像增强电路及其方法

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Publication number: CN1115869C
Application number: CN97113793A
Authority: CN
Inventors: 成在昇
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 1996-06-20
Filing date: 1997-06-20
Publication date: 2003-07-23
Anticipated expiration: 2017-06-20
Also published as: KR980007495A; KR100213109B1; CN1179059A

Abstract

图像增强电路包括：除噪器，用于检测存在于输入图像信号中的具有脉冲分量的噪声，修整检测到的脉冲噪声，并输出除噪信号；和直方图均衡器，用于根据一屏幕单元中的除噪信号的灰度级分布来计算累积分布函数值，并根据该累积分布函数值将该除噪信号映射到新的灰度级。该电路首先移去在输入信号中包含的噪声，然后对该除噪信号进行直方图均衡，从而增强了对比度。此外还防止了噪声放大从而改进了图像质量。

Description

采用除噪和直方图均衡的图像增强电路及其方法

本发明涉及一种用于图像增强的图像增强电路和方法，特别是涉及用于通过消除输入图像的噪声和对除噪的图像进行直方图均衡来增强图像质量的电路和方法。

由于显示装置，例如电视，变得更大，因此出现了对更高品质图像的需求。为满足这种需求，图像质量改进技术开始在处理诸如TV信号或VCR信号的运动图像信号领域中应用。这里，其基本操作为将输入图像的灰度级映射成空间区域的灰度级的直方图均衡技术正被越来越广泛地利用。

灰度级的直方图提供了图像外貌的总体描述。相应于给定图像对灰度级的适当控制增强了图像的外貌或对比度。

作为根据图像的样本分布增强给定图像对比度的方法，直方图均衡是用于对比度增强的各种方法中最为熟知的，并早已公开于下述文件中：[1]J.S.Lim，二维信号和图像处理(Two-Dimensional Signal and ImageProcessing)，Prentice Hall，Englewood Cliffs，New Jersey，1990；和[2]R.C.Gonzalez和P.Wints，数字图像处理(Digital Image Processing)，Addison-Wesley，Reading，Massachusetts，1997。

通常，由于直方图均衡具有扩展动态范围的效果，所以它使处理后的图像的灰度级平坦化，从而增强了图像的对比度。

所熟知的直方图均衡特性在某些实际情况下可能是一个缺陷。即，由于通过扩展动态范围来增强对比度的特性，当包含噪声(脉冲噪声)的图像信号被直方图均衡时，其噪声分量也被增强了，从而使得噪声被放大。这样，噪声放大的作用使图像质量降低，特别是在具有恒定灰度级的区域。

为解决上述问题，本发明的一个目的是提供一种图像增强电路，用于消除输入图像信号中所包含的噪声和对该除噪信号进行直方图均衡。

本发明的另一个目的是提供一种图像增强方法，用于消除输入图像信号中所包含的噪声和对该除噪声信号进行直方图均衡。

为实现第一个目的，在本发明的图像增强电路中，除噪器检测在输入图像信号中存在的具有脉冲分量噪声的噪声，修整检测到的脉冲噪声，并输出除噪信号。直方图均衡器根据一屏幕单元的除噪信号的灰度级分布来计算累积分布函数值，并根据该累积分布函数值将该除噪信号映射到一新的灰度级。

为实现第二个目的，根据本发明提供了一种图像增强方法，该方法包括如下步骤：检测在输入图像信号中存在的具有脉冲分量的噪声，修整检测到的脉冲噪声，并输出除噪信号；并根据一屏幕单元的除噪信号的灰度级分布来计算累积分布函数值和根据该累积分布函数值将该除噪信号映射到一新的灰度级。

参照附图对最佳实施例的详细描述，本发明的上述目的和优点将变得更为明显。这些附图中：

图1是根据本发明的图像增强电路的框图；和

图2是图1所示的图像增强电路的详细框图。

参照图1，根据本发明的图像增强电路包括除噪器100，用于检测在输入图像信号中所包含的脉冲噪声和修整所检测到的脉冲噪声；和直方图均衡器200，用于对除噪信号进行直方图均衡。

图2是图1所示的图像增强电路的详细框图，图1所示电路的操作将参照图2加以描述。

在图2中，除噪器100中的窗口发生器102输出多个(这里是两个)窗口W_L和W_M的样本和一个输入样本Y[i][j]。这里，例如，第一和第二窗口W_L和W_M的尺寸被分别设置成5×5和3×3。

此外，窗口发生器102在根据递归/非递归式噪声消除模式控制信号(S)在递归式噪声消除模式期间，用从选择器116反馈回的除噪信号Y[i][j]替代输入样本。

第一均值和偏差计算器104接收由窗口发生器102产生的第一窗口W_L的每个样本，并利用方程(1)来计算第一窗口W_L的平均样本值A_L和利用方程(2)来计算第一窗口W_L的样本的绝对偏差的均值D_L。

A_{L} = \frac{1}{({2 L}_{1} + 1) ({2 L}_{2} + 1)} Σ_{l = {- L}_{1}}^{L_{1}} Σ_{m = - L_{2}}^{L_{2}} Y [i + 1] [j + m] - - - (1)

D_{L} = \frac{1}{({2 L}_{1} + 1) ({2 L}_{2} + 1)} Σ_{l = {- L}_{1}}^{L_{1}} Σ_{m = - L_{2}}^{L_{2}} | Y [i + 1] [j + m] - A_{L} | - - - (2)

当输入样本Y[i][j]和第一窗口W_L的平均样本值A_L之间的绝对差值大于由予定参数K乘以绝对偏差的均值D_L而获得的KD_L，即|Y[i][j]-A_L|＞KD_L时，第一异常值(outlier)检测器106通过确定包含在输入样本Y[i][j]中的脉冲分量来输出第一异常值检测信号。

第二均值和偏差计算器108接收由窗口发生器102产生的第二窗口W_M的每个样本，并利用方程(3)来计算第二窗口W_M的平均样本值A_M和利用方程(4)来计算第二窗口W_M的样本的绝对偏差的均值D_M。

A_{M} = \frac{1}{({2 M}_{1} + 1) ({2 M}_{2} + 1)} Σ_{l = {- M}_{1}}^{M_{1}} Σ_{m = - M_{2}}^{M_{2}} Y [i + 1] [j + m] - - - (3)

D_{M} = \frac{1}{({2 M}_{1} + 1) ({2 M}_{2} + 1)} Σ_{l = {- M}_{1}}^{M_{1}} Σ_{m = - M_{2}}^{M_{2}} | Y [i + 1] [j + m] - A_{M} | - - - (4)

当输入样本Y[i][j]和第二窗口W_M的平均样本值A_M之间的绝对差值大于由预定参数K乘以绝对偏差的均值D_M而获得的KD_M，即|Y[i][j]-A_M|＞KD_M时，第二异常值检测器110通过确定包含在输入样本Y[i][j]中的脉冲分量来输出第二异常值检测信号。

当由第一和第二异常值检测器106和110产生的第一和第二异常值检测信号均产生时，选择控制信号发生器112选择修整均值滤波器114的输出，另外，它还产生一选择控制信号，用于将由窗口发生器102输出的输入样本Y[i][j]进行旁路。

与此同时，修整均值滤波器114利用方程(5)修整由窗口发生器102产生的第二窗口W_M的样本。虽然在本发明实施例中将修整窗口(T_M)作为第二窗口W_M，但是修整窗口的尺寸是可变的。

y_{tr} [i] [j] = \frac{1}{| T_{M} |} Σ_{l = {- M}_{1}}^{M_{1}} Σ_{m = - M_{2}}^{M_{2}} {W_{l}}^{m} T [i + 1] [j + m] - - - (5)

其中这里，当T[i+I][j+m]为0时，意味着W₁ ^m是第二窗口W_M的异常值。同样，

| T_{M} | = Σ_{l = {- M}_{1}}^{M_{1}} Σ_{m = - M_{2}}^{M_{2}} T [i + 1] [j + m] - - - (7)

表示未修整的样本数。

修整的等级由参数K来控制。例如，当K为∞时，没有经修整的样本，而当K为0时，所有样本都在修整窗口中修整。这样，通过根据通道状态适当选择参数K可获得各种噪声消除特征。

根据由选择控制信号发生器112产生的选择控制信号，即只有当在第一和第二异常值检测器106和110中检测到了所有异常值时，选择器116才选择修整均值滤波器114的输出Y_tr[i][j]，否则，选择器116通过对由窗口发生器102输出的输入样本[i][j]进行旁路来输出除噪信号Y_N[i][j]。

与此同时，当隔行图像信号被用于场内模式时，则需要水平滤波器118、绝对值电路(absolutizer)120和比较器122。

也就是说，通过对由窗口发生器102产生第一窗口W_L的中心行矢量和预定加权矢量的操作，水平滤波器118计算水平量(H)。绝对值电路ABS120计算由水平滤波器118计算出的水平量(H)的绝对值。比较器122将由绝对值电路120输出的水平量(H)与预定常数(T)进行比较，并当水平量(H)大于常数(T)时产生一比较控制信号。根据由选择控制信号产生器112产生的选择控制信号和由比较器122产生的比较控制信号，选择器116选择修整均值滤波器114的经修整的输出Y_tr[i][j]或由窗口发生器102输出的输入样本Y[i][j]。即，只在当指明所有的异常值均在第一和第二异常值检测器106和110中检测到的选择控制信号和指明由水平滤波器118计算出的水平量(H)大于预定常数(H)的比较控制信号输入时，选择器116才去选择经修整的输出Y_tr[i][j]。否则，选择器116选择输入样本Y[i][j]]和将所选择的输入样本作为除噪信号Y_N[i][j]输出。

与此同时，在帧直方图均衡器200中的帧直方图计算器202以屏幕单元接收由除噪器100输出的除噪信号(Y_N[i][j]＝X_K)以计算灰度级分布，并根据所计算出的灰度级分布来计算由方程(8)所表示的概率密度函数p(X_k)。屏幕单元可以是场，但在这里设置为帧。

p (X_{k}) = \frac{n_{k}}{n}, fork = 0,1, . . ., L - 1 - - - (8)

这里，n_k表示在给定图像{X}中的灰度级X_k出现的次数，n表示在给定图像{X}中的样本总数。

CDF计算器204接收由帧直方图计算器202输出的概率密度函数p(X_k)和利用方程(9)来计算累积分布函数c(X_k)。

c (X_{k}) = Σ_{j = 0}^{k} p (X_{j}) - - - (9)

CDF存储器206根据同步信号以屏幕单元更新由CDF计算器204计算出的累积分布函数c(X_k)，并向映射器208提供在更新期间存储的一帧之前的累积分布函数c(X_k)。这里，当屏幕单元是一场时，该同步信号是一场同步信号，而当该屏幕单元是一帧时，该同步信号是一帧同步信号。CDF存储器206被用作缓冲器。

映射器208从CDF存储器206读取相应于由除噪器100输出的除噪输入信号X_k的累积分布函数c(X_k)，并将该除噪输入图像{X_k}映射到从0到X_L-1范围的灰度级。

为了向映射器208输入对应于由CDF计算器204所计算出的累积分布函数值的相同帧的输入图像信号，还可提供用于将从除噪器100输出的除噪信号X_k延迟一帧的帧存储器。

与此同时，例如，直方图均衡器200的配置是利用典型的直方图均衡技术实现的。然而，当直方图均衡器200具有能利用直方图增强对比度的配置时，本发明可应用所有种类的直方图均衡技术。因此，本发明不限于典型的直方图均衡。

本发明可应用于与图像增强相关的各个领域，例如，广播装置，雷达信号处理系统，医学工程，家用电器，等等。

如上所述，本发明能够通过首先消除输入信号中包含的噪声，对该除噪信号进行直方图均衡来增强对比度，并能够通过防止噪声放大来增强图像质量。

Claims

1.一种用于通过控制相应于由一预定灰度级数表示的图像信号的灰度级来增强对比度的图像增强电路，所述电路包括：

噪声消除装置，用于检测输入图像信号中存在的具有的脉冲分量噪声的噪声，修整检测到的脉冲噪声，并输出除噪信号；和

直方图均衡装置，用于根据一屏幕单元中的所述除噪信号的灰度级分布来计算累积分布函数值，并根据所述累积分布函数值将所述的除噪信号映射到新的灰度级，其中所述噪声消除装置包括：

窗口发生器，用于产生多个包含输入样本的具有不同尺寸的窗口；

异常值检测器，用于检测每个窗口的平均样本值和各个样本的绝对偏差之间的均值，并用于检测所述输入样本为存在脉冲分量；

选择控制信号发生器，用于当所述输入样本在所述异常值检测器中被检测到存在脉冲分量时产生选择控制信号；

修整器，用于从所述窗口发生器产生的多个窗口中选出一个作为修整窗口，并且利用包含所述输入样本的预定尺寸的修整窗口来输出经修整的信号；和

选择器，用于当所述输入样本中存在脉冲分量时根据所述选择控制信号输出所述经修整的信号，否则，输出所述输入样本。

2.根据权利要求1所述的图像增强电路，其中所述窗口发生器根据递归/非递归式噪声消除模式的递归式噪声消除模式用所述选择器的输出信号来替代所述输入样本。

3.根据权利要求1所述的图像增强电路，进一步包括：

用于通过对包含所述输入样本的预定尺寸的水平矢量和预定加权矢量进行操作来检测水平量的装置；和

比较器，用于将所述检测的水平量与预定参数进行比较，并产生比较控制信号输入给所述选择器。

4.根据权利要求3所述的图像增强电路，其中当所述输入样本中存在脉冲分量和所述检测到的水平量大于所述预定参数时，所述选择器根据所述选择控制信号和所述比较控制信号输出所述经修整的信号，否则，就对所述输入样本照原样进行旁路。

5.根据权利要求3所述的图像增强电路，其中所述窗口发生器产生包含所述输入样本的具有不同尺寸的第一和第二窗口。

6.根据权利要求5所述的图像增强电路，其中所述异常值检测装置包括：

第一异常值检测器，用于当所述输入样本和所述第一窗口的平均样本值之间的绝对差值大于由预定参数乘以所述第一窗口的绝对偏差的均值时通过确定输入样本中存在的脉冲分量来输出第一异常值检测信号；和

第二异常值检测器，用于当所述输入样本和所述第二窗口的平均样本值之间的绝对差值大于由预定参数乘以所述第二窗口的绝对偏差的均值时通过确定输出样本中存在的脉冲分量来输出第二异常值检测信号。

7.根据权利要求1所述的图像增强电路，其中所述修整器是修整均值滤波器。

8.根据权利要求1所述的图像增强电路，其中所述修整窗口是从多个窗口中选出的一个。

9.根据权利要求1所述的图像增强电路，其中所述直方图均衡装置包括：

第一计算器，用于接收所述除噪信号，以屏幕为单元计算灰度级分布，并输出概率密度函数值；

第二计算器，用于根据所述概率密度函数值来计算累积分布函数值；和

映射器，用于根据所述计算出的累积分布函数值将所述除噪信号映射到一灰度级。

10.根据权利要求9所述的图像增强电路，其中所述直方图均衡装置进一步包括屏幕存储器，用于将所述除噪信号延迟一屏并将该结果输入给所述映射器，以便输入具有与由所述第二计算器所计算出的所述累积分布函数值的屏幕相同的屏幕的信号。

11.根据权利要求9所述的图像增强电路，其中所述直方图均衡装置进一步包括一缓冲器，用于以屏幕单元更新由所述第二计算器计算出的所述累积分布函数值，并将在更新期间存储的屏幕之前将累积分布函数值输出到所述映射器。

12.一种用于通过控制相应于由一预定灰度级数表示的图像信号的灰度级来增强对比度的图像增强方法，所述方法包括如下步骤：

(a)，检测输入图像信号中存在的具有脉冲分量的噪声，修整所述检测到的脉冲噪声，并输出除噪信号；和

(b)，根据一屏幕单元中的所述除噪信号的灰度级分布来计算累积分布函数值，并根据所述累积分布函数值将所述除噪信号映射到新的灰度级，其中所述步骤(a)包括如下子步骤：

(a1)，产生多个包含输入信号的具有不同尺寸的窗口；

(a2)，获得对应于每个窗口的平均样本值和各个样本的绝对偏差的均值；

(a3)，利用对应于每个窗口的所述获得的平均样本值和各个样本的绝对偏差的所述平均值来检测在所述输入信号中是否存在脉冲分量；和

(a4)，从在步骤(a1)中产生的多个窗口中选择修整窗口，当在所述输入信号中存在所述脉冲分量时，在包含所述输入信号的预定尺寸的修整窗口中修整各个样本，否则，则对所述输入信号照原样进行旁路。

13.根据权利要求12所述的图像增强方法，其中在所述步骤(a3)中，当在至少两个窗口中的所述输入信号中存在所述脉冲分量时，则确定在所述输入信号中存在所述脉冲分量。

14.根据权利要求12所述的图像增强方法，其中所述修整窗口是从所述多个窗口中选出的一个。

15.根据权利要求12所述的图像增强方法，其中所述步骤(a4)包括如下子步骤：

(a4-1)，通过对包含所述输入信号的预定尺寸的水平矢量和预定加权矢量的操作来检测水平量；和

(a4-2)，当在所述输入信号中存在脉冲分量和所述检测的水平量大于预定参数时，则在包含所述输入信号的预定尺寸的修整窗口中修整各个样本，否则，对所述输入信号照原样进行旁路。

16.根据权利要求12所述的图像增强方法，其中所述步骤(a4)包括如下子步骤：

(a4-11)，当在所述输入信号中存在脉冲分量时，则修整在多个窗口的一个窗口中的各样本并将经修整的信号作为输出信号输出，否则，对所述输入信号照原样作为所述输出信号进行旁路；和

(a4-12)，用所述输出信号替代所述输入信号并将所述输出信号反馈到所述步骤(a1)以输入下一个输入信号。

17.根据权利要求12所述的图像增强方法，其中所述步骤(b)包括如下子步骤：

(b1)，以屏幕单元计算所述除噪信号的灰度级分布，并输出概率密度函数值；

(b2)，根据所述概率密度函数值来计算累积分布函数值；和

(b3)，根据所述计算出的累积分布函数值将所述除噪信号映射到一灰度级。