CN1124568C - 用量化的平均分离直方图均衡对图像进行增强的方法和电路 - Google Patents

Abstract

一种用于增强图像的直方图均衡的方法，包括步骤：量化输入图像信号的电平；以一个图像单元量化已量化的输入图像信号的平均值电平；根据量化的平均值电平将该量化的输入图像信号分解成预定数目的量化的子图像；针对每一量化的子图像计算一个累加的密度函数值；根据输入的图像信号和每一个量化的子图像的累加的密度函数值对每一个量化的子图像的累加的密度函数值进行内插；和根据针对每一个子图像的已经内插的累加的密度函数值而独立地对每一个子图像执行直方图均衡。

Description

用量化的平均分离 直方图均衡对图像进行 增强的方法和电路

技术领域

本发明涉及采用量化的平均分离的直方图均衡(MSHE)对图像进行增强的方法和电路，尤其是涉及一种方法，其中的输入图像信号被量化并分解成预定数目的子图像，且随即对每一个子图像进行独立的直方图均衡。本发明还涉及与该方法相应的电路。

背景技术

灰度电平的直方图提供了对于一幅图像外观的整体的描述。对给定图像的正确的灰度电平的调节将改善图像的外观或对比度。

在用于增强对比度的各种类型方法中，根据图像的取样分布对给定图像的对比度进行增强的直方图均衡被公知为是最广为采用的，并在下列的两篇文献中被公开：[1]J.S.Lim的“二维信号和图像处理”(J.S.Lim，“Two-Dimensional Signal and Image Processing”，Prentice Hall，Englewood CliffsNew Jersey 1990)和[2]R.C.Gonzales和P.Wints的“数字图像处理”(R.C.Gonzales and P.Wints，“Digital Image Processing”，Addition-WesleyReading，Massachusetts，1977)。

此外，包括在医学图像处理和雷达图像处理的该直方图均衡的有益应用在下列的两篇文献中有所公开：[3]J.Zimmerman，S.Pizer，E.Staab，E.Perry，W.McCartney和B.Breton的“用于对比度增强的自适应直方图均衡的有效性的评价”(J.Zimmerman，S.Pizer，E.Staab，E.Perry，W.McCartney andB.Breton，“Evaluation of the Effectiveness of Adaptive Histogram Equalizationfor Constrast Enhancement”，IEEE Tr.on Medical Imaging PP304-312，Dec.1988)和Y.Li，W.Wang和D.Y.Yu的“自适应直方图均衡对于X射线胸片的应用”(Y.Li，W.Wang and D.Y.Yu，“Application of Adaptive HistogramEqualization to X-ray Chest Image”，Proc.of the SPIE，pp.513-514，vol.2321，1994)。

通常，由于这种直方图均衡延伸了动态范围，所以，产生的图像密度的分布就被变得均匀，其结果，增强了图像的对比度。

在某些情况下，广为公知的直方图均衡存在着缺陷，即由于直方图均衡输出的密度是均匀的，输出的图像的平均亮度接近灰度电平范围的中间值。

实际对于一个模拟图像的直方图均衡来说，由于该直方图均衡产生的输出图像的平均亮度就是灰度电平的中间值，而不论输入图像的平均亮度如何。很明显，对于某些应用来说，这种特性是不希望的。例如，在夜间拍摄的图像经过直方图均衡之后看起来象是白天拍摄的图像这一事实就是一个问题。

此外，由于传统的直方图均衡器要求对于每一个灰度电平的出现的次数都进行存储，故其硬件的造价是高的。例如，如果要使用256个灰度电平(L)，则要求有256个存储装置存储所有电平出现的次数，而且还需要256个累加器用于累加每一个电平所出现的次数。

发明内容

为了克服上述的问题，本发明的目的在于提供一种用于增强图像的方法，其中将输入图像信号的电平量化，并将其分成预定数目的子图像且随后将每一个子图像独立地进行直方图均衡，从而增强对比度。

本发明的另一个目的在于提供一种用于增强图像的电路，其中将输入图像信号的电平量化，并将其分成预定数目的子图像且随后将每一个子图像独立地进行直方图均衡，从而减少硬件。

为了实现上述的第一个目的，提供了一种对被表示成预定数目灰度电平的图像信号进行直方图均衡的图像增强的方法，该方法包括如下的步骤(a)量化输入图像信号的电平并输出已量化的输入图像信号；(b)以一个图像单元量化该已量化的输入图像信号的平均值并输出量化的平均值电平；(c)根据量化的平均值电平将该量化的输入图像信号分解成预定数目的量化的子图像；(d)针对每一量化的子图像获得一个累加的密度函数值；(e)根据输入的图像信号和针对每一个量化的子图像而获得的该累加的密度函数值对每一个量化的子图像的累加的密度函数值进行内插，并输出针对每一个子图像而获得的已经内插的累加的密度函数值；和(f)根据针对每一个子图像的已经内插的累加的密度函数值而独立地对每一个子图像执行直方图均衡。

为了实现上述的第二个目的，提供了一种对被表示成预定数目灰度电平的图像信号进行直方图均衡的图像增强的电路，该电路包括：第一量化装置，用于量化输入图像信号的电平并输出已量化的输入图像信号；第一计算装置，以一个图像单元计算该已量化的输入图像信号的一个灰度电平的分布；第二计算装置，以一个图像单元计算输入图像信号的平均值电平；第二量化装置，量化该平均值电平并输出该量化的均值电平；第三计算装置，根据量化的平均值电平，通过把在第一计算装置中计算的灰度电平分布分解成预定数目的量化的子图像，来计算针对每一个量化子图像的累加的密度函数值；内插装置，根据输入图像信号和针对每一个量化的子图像而获得的该累加的密度函数值对每一个量化的子图像的累加的密度函数值进行内插，并输出针对每一个子图像的一个内插的累加密度函数值；变换装置，根据针对每一个子图像的该内插的累加密度函数值将每一个子图像的取样变换成一个灰度电平；和，输出装置，根据量化的平均值电平和输入的图像信号的比较结果，针对每一个子图像而输出变换成灰度电平的取样之一。

附图说明

通过结合附图对本发明的实施例的详细描述，本发明的上述的目的和优点将变得显见。

图1是一个实例的示意图，示出根据本发明将L个电平的离散信号量化成Q个电平的离散信号；

图2是采用本发明中的内插原理的示意图；

图3是根据本发明的实施例的用于增强图像的电路的框图。

具体实施方式

首先，描述本发明提供的量化的平均分离直方图均衡的方法(MSHE)。

假设图像{X}包括L个离散的灰度电平{X₀、X₁…X_L-1}其中，X₀＝0代表黑电平，而X_L-1＝1代表一个白电平。

原始的离散输入电平{X₀、X₁…X_L-1}被量化成确定为{Z₀、Z₁…Z_Q-1}的Q个离散电平。其中假设Z_Q-1＝X_L-1，Q≤L且{Z₀、Z₁…Z_Q-1}∈{X₀、X₁…X_L-1}。

本例中的L个电平离散信号被量化成示于图1中的Q个电平离散信号。

Q[X_k]表示如下定义的量化操作。

Q[X_k]＝Z_q，如果Z_q-1＜X_k≤Z_q

假设{Z}＝Q[{X}]和Z_m＝Q[X_m]。其中X_m表示原始输入图像的平均电平，{Z}是量化的输入图像而Z_m是量化的平均电平。根据Z_m，量化的输入图像{Z}被分解成两个子图像{Z}_L和{Z}_U。在此阶段，量化的子图像{Z}_L的全部取样是等于或小于量化的平均电平Z_m，而且量化的子图像{Z}_U的全部取样是大于量化的平均电平Z_m。

每一个子图像{Z}_L和{Z}_U的量化的概率密度函数(PDF)可以表示成下列的等式(1)和(2)。 $P_L\left(Z_q\right)=\frac{N_q^L}{N_L},$ 对于Z_q≤Z_m               (1) $P_U\left(Z_q\right)=\frac{N_q^U}{N_U},$ 对于Z_q＞Z_m               (2)

在此，P_L(Z_q)是量化的子图像{Z}_L的第q个灰度电平Z_q的概率，而P_U(Z_q)是量化的子图像{Z}_U的第q个灰度电平Z_q的概率N_q和N_q表示分别出现在量化子图像{Z}_L和{Z}_U中的灰度电平Z_q的次数，而N_L和N_U表示在量化的子图像{Z}_L和{Z}_U中的象素的总数。

量化的子图像{Z}_L和{Z}_U的每一个累加的密度函数(CDF)由下列的等式(3)和(4)所表示。 $C_L\left(Z_q\right)=\underset{j=0}{\overset{q}{\mathrm{\Σ}}}{P}_L\left(Z_j\right),$ 对于Z_q≤Z_m  ……(3) $C_U\left(Z_q\right)=\underset{j=m+1}{\overset{q}{\mathrm{\Σ}}}{P}_U\left(Z_j\right),$ 对于Z_q＞Z_m  ……(4)

其中的C_L(Z_m)＝1和C_U(Z_q-1)＝1。

内插的累加密度函数C_L(X_k)和C_U(X_k)可以利用线性内插从C_L(Z_q)和C_U(Z_q)近似地计算出来。线性的内插在图2中示出。

假设Q(X_k)＝Z_q≤Z_m，Z_q＝0和C_L(X_k)是由下面的等式(5)内插的。 $c_L\left(X_k\right)=C_L\left(Z_{q-1}\right)+\{C_L\left(Z_{q-1}\right)-C_L\left(Z_{q-1}\right)\}\frac{X_k-Z_{q-1}}{Z_q-Z_{q-1}}---\left(5\right)$ 相似地，假使Q(X_k)＝Z_q＞Z_m，C_U(X_k)是由下面的等式(6)内插的。 $c_U\left(X_k\right)=C_U\left(Z_{q-1}\right)+\{C_U\left(Z_q\right)-C_U\left(Z_{q-1}\right)\}\frac{X_k-Z_{q-1}}{Z_q-Z_{q-1}}---\left(6\right)$

最终，以内插的累加密度函数为基础，所提出的关于输入图像(X_k)的平均分离直方图均衡(MSHE)的输出Y由下面的等式(7)给出。如果X_k≤Z

             ……(7)如果X_k＞Z_m

此处的Z_m′＝Z_m+X_L-1/(L-1)是在{X₀、X₁…X_L-1}的Z_m之后的下一个灰度电平。

随后，参考附图3描述利用这种量化的平均分离直方图均衡(MSHE)的图像增强电路。

图3示出了利用这种量化的平均分离直方图均衡(MSHE)的图像增强电路。

参考图3，第一个量化器102将L个离散电平的输入图像{X}量化成Q个离散电平，并将量化的输入图像{Z}输出。

一个帧的直方图计算器104以量化的输入图像信号{Z}的一个图像为单元计算灰度电平的分布。其中的图像单元可以是一个场，但在本实施例中是一个帧。

一个帧的平均值计算器106计算以帧为单元的输入图像{X}的平均电平X_m。

一个第二量化器108对输入图像{X}的平均电平X_m进行量化，并输出量化的平均电平Z_m。

根据从量化器108输出的量化的平均电平Z_m，一个分解器110把由帧直方图计算器104计算的量化的灰度电平分布分解成预定数目的量化子图像{Z}_L和{Z}_U(在本例中是2)，并将该量化子图像的每一个概率密度函数输出。

在此的概率密度函数P_L(Z_q)和P_U(Z_q)是利用上述的等式(1)和(2)计算的。

其中的量化的子图像{Z}_L的每个取样等于或小于平均电平Z_m，而每一个量化的子图像{Z}_U的取样是大于平均电平Z_m。

一个第一累加密度函数(CDF)计算器112接收包括有等于或小于量化的平均电平Z_m的量化图象取样的量化子图像{Z}_L的概率密度函数(PDF)，并利用等式(3)计算量化子图像{Z}_L的累加密度函数(CDF)。

一个第二累加密度函数(CDF)计算器114接收包括有大于量化的平均电平Z_m的量化图象取样的量化子图像{Z}_U的概率密度函数(PDF)，并利用等式(4)计算量化子图像{Z}_U的累加密度函数(CDF)。

一个累加密度函数(CDF)存储器116对在第一和第二累加的密度函数计算器114和116中根据以帧为单元的同步信号(SYNC)计算的量化的子图像{Z}_L和{Z}_U的累加的密度函数C_L(Z_q)和C_U(Z_q)进行刷新，并在该刷新期间，将事先存储的累加的密度函数(CDF)提供到第一和第二内插器118和122。

在此，如果图像单元是场，则同步信号就是一个场同步信号，而如果是帧，同步信号就是一个帧同步信号。而且，累加的密度函数(CDF)存储器被用作一个缓存器。

该第一内插器118接收量化的子图像{Z}_L的累加密度函数(CDF)和输入的取样X_k，并将利用等式(5)线性内插的累加的密度函数C_L(X_k)输出。

第一变换器120接收内插的累加密度函数C_L(X_k)，输入的取样X_k和量化的平均电平Z_m，并根据该内插的累加的密度函数C_L(X_k)将具有等于或小于该量化的平均电平Z_m的子图像{Z}_L的取样变换成从0到Z_m的灰度电平。

第二内插器122接收量化的子图像{Z}_U的累加密度函数(CDF)和输入的取样X_k，并输出利用等式(6)线性内插的累加密度函数C_U(X_k)。

第二变换器124接收内插的累加密度函数C_U(X_k)，输入的取样X_k和量化的平均电平Z_m，并根据该内插的累加的密度函数C_U(X_k)将具有大于该量化的平均电平Z_m的子图像{Z}_U的取样变换成从Z_m′到X_L-1的灰度电平。其中的Z_m＇＝Z_m+X_L-1/(L-1)。

同时，被加到第一和第二内插器118和122的输入的取样X_k是将要由累加的密度函数C_L(Z_q)和C_U(Z_q)来进行比较和由第一和第二CDF计算器112和116来进行计算的下一个帧的图像信号。

因此，加到第一和第二内插器118和112的输入取样能够在一帧的延迟之后加入。但是通过利用相邻帧之间的高相关性的特征，将减少硬件，以便省去帧存储器。

比较器126将输入的取样X_k与从第二量化器108输出的量化的平均电平Z_m相比较，并输出一个选择控制信号，如果输入的取样是等于或小于量化平均电平Z_m，则选择第一变换器120的输出，否则选择第二变换器124的输出。

作为量化信号Y的选择输出是由等式(7)表示的。

量化的信号Y增强了图像的对比度并保持了整个图像的亮度。

在如广播设备、雷达信号处理系统、家用电子设施和医疗工程领域中，在图像的增强方面，本发明有广泛的应用。

如上所述，本发明的方法有效地改善了在传统的直方图均衡中产生的人为的失真和亮度的突变，从而增强了图像的对比度并保持了整个图像的亮度。

而且，通过量化输入的图像信号、将输入的图像信号分解成预定数目的子图像，本发明的电路只存储和累加量化电平的次数，且独立的对每一个子图像进行直方图均衡。结果是，电路的硬件被简化且制造成本降低。

Claims (14)

1、一种对被表示成预定数目灰度电平的图像信号进行直方图均衡的增强图像方法，该方法包括如下的步骤：

(a)量化输入图像信号的电平并输出已量化的输入图像信号；

(b)以一个图像单元量化该已量化的输入图像信号平均值并输出量化的平均值电平；

(c)根据量化平均值电平将该量化的输入图像信号分解成预定数目的量化的子图像；

(d)针对每一个量化的子图像获得一个累加的密度函数值；

(e)根据输入的图像信号和针对每一个量化的子图像而获得的该累加的密度函数值对每一个量化的子图像的累加的密度函数值进行内插，并输出针对每一个子图像而获得的已经内插的累加的密度函数值；和

(f)根据针对每一个子图像的已经内插的累加的密度函数值而独立地对每一个子图像执行直方图均衡。

2、根据权利要求1的增强图像的方法，其中，所说的步骤(f)包括子步骤：

(f1)根据针对每一个子图像的内插的累加密度函数值将分别的子图像的取样变换成一个灰度电平；

(f2)将输入的图像信号与所说的量化的平均电平相比较；和

(f3)根据步骤(f2)的比较结果，选择针对每一个子图像而被变换成灰度电平的信号之一。

3、根据权利要求1的增强图像的方法，其中，所说的步骤(C)中，所说的输入图像信号根据该量化的平均电平被分解成两个子图像。

4、根据权利要求1的增强图像的方法，其中，所说的步骤(e)中的所说内插是线性的。

5、一种对被表示成预定数目灰度电平的图像信号进行直方图均衡的增强图像方法，该方法包括如下的步骤：

(a)量化输入图像信号的电平并输出已量化的输入图像信号；

(b)以图像为单元计算已经量化的输入图像信号的灰度电平的分布；

(c)以一个图像单元量化该输入图像信号的平均值并输出量化的平均值电平；

(d)根据量化平均值电平将该灰度电平分布分解成预定数目的量化的子图像；

(e)根据该灰度电平分布，针对在步骤(d)中的每一个量化的子图像获得一个累加的密度函数值；

(f)根据输入的图像信号和针对每一个量化的子图像而获得的该累加的密度函数值对每一个量化的子图像的累加的密度函数值进行内插，并输出针对每一个子图像而获得的已经内插的累加的密度函数值；和

(g)根据针对每一个子图像的已经内插的累加的密度函数值而独立地对每一个子图像执行直方图均衡，并输出一个增强的信号。

6、根据权利要求5的增强图像的方法，其中，所说的步骤(g)包括子步骤：

(g1)根据针对每一个子图像的内插的累加密度函数值将分别的子图像的取样变换成一个灰度电平；

(g2)将输入的图像信号与所说的量化的平均电平相比较；和

(g3)根据步骤(g2)的比较结果，选择针对每一个子图像而被变换成灰度电平的信号之一。

7、根据权利要求5的增强图像的方法，其中，所说的步骤(d)中，所说的灰度电平分布被根据该量化的平均电平而分解成两个量化的子图像。

8、根据权利要求5的增强图像的方法，其中，所说的步骤(f)中的所说内插是线性的。

9、一种对被表示成预定数目灰度电平的图像信号进行直方图均衡的增强图像的电路，该电路包括：

第一量化装置，用于量化输入图像信号的电平并输出已量化的输入图像信号；

第一计算装置，用于以一个图像单元计算该已量化的输入图像信号的一个灰度电平的分布；

第二计算装置，用于以一个图像单元计算输入图像信号的平均值电平；

第二量化装置，用于量化该平均值电平并输出该量化的平均值电平；

第三计算装置，根据量化的平均值电平，通过把在第一计算装置中计算的灰度电平分布分解成预定数目的量化的子图像，来计算针对每一个量化子图像的累加的密度函数值；

内插装置，根据输入图像信号和针对每一个量化的子图像而获得的该累加的密度函数值对每一个量化的子图像的累加的密度函数值进行内插，并输出针对每一个子图像的一个内插的累加密度函数值；

变换装置，根据针对每一个子图像的该内插的累加密度函数值将每一个子图像的取样变换成一个灰度电平；和

输出装置，根据量化的平均值电平和输入的图像信号的比较结果，针对每一个子图像而输出变换成灰度电平的取样之一。

10、根据权利要求9的增强图像的电路，其中，所说的输出装置包括：

比较器，用于将所说的量化平均电平与所说的输入图像信号相比较，并输出一个选择控制信号；和

选择器，根据该选择控制信号，用于选择针对每一个子图像而变换成灰度电平的取样之一。

11、根据权利要求9的增强图像的电路，其中，所说的第三计算装置包括一个缓冲器，其以一个图像单元而针对每一个量化的子图像来刷新累加的密度函数值，并在该刷新期间，将预先存储的累加的密度函数值提供到所说的内插装置。

12、根据权利要求9的增强图像的电路，其中，还包括一个图像存储器，用于以一个图像单元延迟所说的输入图像信号，以便将同一图像的图像信号输入到所说的内插装置，其中所说的累加密度函数值是在所说的第三计算装置中计算的。

13、根据权利要求9的增强图像的电路，其中，所说的图像单元是一帧，且所说的预定的数目是2。

14、根据权利要求9的增强图像的电路，其中，所说的内插是线性的。