CN1260663A - 保持输入图像亮度的图像增强装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种保持输入图像亮度的图像增强装置和方法,其装置包括:直方图均衡器,用于均衡用预定数目的灰度级表示的输入图像,以及输出均衡的输出图像;补偿器,用于提取每一个输入输出图像的平均值以及按照输入和均衡的输出图像的平均值之间的平均差补偿均衡的输出图像。该装置和方法防止了亮屏的平均亮度降低,避免因直方图均衡带来的图像质量降低,提供了稳定的图像显示。

Description

保持输入图像亮度的图像 增强装置和方法

本发明涉及基于直方图均衡(histogram Equalization)的图像增强，特别涉及通过保持输入图像的亮度改善对比度的图像增强装置和方法。

直方图均衡的基本操作是基于输入图像的直方图改变输入图像，在此，直方图代表输入图像的灰度级(grey level)。灰度级内容的直方图提供了图像特征的全部描述。合适地按照图像像素分布调整灰度级可以增强图像的对比度或图像特性。

图1是一般直方图均衡器的方框图。假定输入图像I(x，y)具有给定图像{X}在空间位置(x，y)上的表示为{X₀，X₁，...X_L-1}的L个离散灰度级之一，其中X₀＝0表示黑灰度级，X_L-1＝1表示白灰度级，以及，直方图检测器102计算对应于{X_K|K∈{0，1，2，...，L-1}}的像素的出现频率n_K，以及概率密度函数(PDF)计算器140计算像素出现频率n_K的PDF，其中PDF P(X_K)由下面公式给出：

               P(X_K)＝n^K/N         ......(1)

其中P(X_K)代表给定图像{X}的第K级灰度级X_K的概率，n^K表示第K级灰度级X_K在给定图像{X}中的出现次数以及N表示给定图像{X}的所有像素数。

PDF累积器106累积由PDF计算器104计算的PDF并且得出累加密度函数(CDF)c(X)，由下式给出： $c\left(X\right)=\underset{I=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}P\left(X_i\right)----\left(2\right)$

非线性映射器108使用PDF累积获得的CDFc(X)执行做为映射函数的非线性输入图像I(x，y)的非线性映射，并且提供具有宽动态范围的输出图像I_n(x，y)，其中对比度被增强。

图2说明CDF和当大多数输入图像的级别位于高亮区中时的使用CDF的非线性映射。在图2中集中在灰度级{X_i～X_L-1}上的输入图像的级别在一个宽范围上被重新分配，即在输出级{f(X_i)～f(X_L-1)}的范围内，在基于CDF高效使用给定动态范围映射之后，增强了对比度。

这样，基于直方图均衡的对比度增强方法通过图像信号在给定动态范围上的灰度级的平均分配增强了对比度。而且计算量小，对比度增强效果好，因此，使用直方图均衡的方法广泛用于对比度增强。

但是CDF本身用做映射函数以改变输入图像级别的分布直方图均衡中有一个严重的问题，即，输入/输出信号的平均亮度可以按照用做变换函数的CDF变化很大。

即，由于为使灰度级分布均匀而被均衡的图像信号的平均亮度集中在灰度级范围的中间级别上而不管输入图像的亮度，则一个黑级密度较低的亮屏变得稍微发黑，降低了图像质量。因此，直方图均衡的使用被限定于全是黑屏的观看，以及直方图均衡的使用在电视或摄录机中避免使用。

因此，在CDF被用做使直方图分布均匀的直方图均衡当中，平均亮度集中于灰度级范围中间级而不管输入图像的亮度。这样，整个黑屏的亮度增加，其中不可见黑区变成可见，这样，增加了图像质量，但是，亮屏的整个亮度下降以增强对比度，导致了不自然的图像显示。

本发明的目的是提供一种图像增强装置，其中可以预测使用直方图均衡均衡了的输出图像和输入图像之间的平均亮度差，并且预测结果反应在均衡的图像信号上，以此保持了输入图像的亮度。

本发明的另一个目的是提供一种图像增强方法，其中可以预测使用直方图均衡均衡了的输出图像和输入图像之间的平均亮度，并且预测的结果反应在均衡的图像信号上，以此保持了输入图像的亮度。

按照本发明的一个方面，提供了一种图像增强装置，包括：直方图均衡器，用于均衡用预定数目的灰度级表示的输入图像，以及输出均衡的输出图像；补偿器，用于提取每一个输入输出图像的平均值以及按照输入和均衡的输出图像的平均值之间的平均差补偿均衡的输出图像。

按照本发明的另一个方面，提供了一种图像增强方法，包括步骤：(a)均衡用预定数目的灰度级表示的输入图像，以及输出均衡的输出图像；(b)提取每一个输入输出图像的平均值以及按照输入和均衡的输出图像之间的平均值之间的平均差补偿均衡的输出图像。

结合附图对本发明的实施例加以说明后本发明的优点将更加明显。

图1是一般的直方图均衡器的方框图；

图2是基于图1的非线性映射器中的累加密度函数进行非线性映射的说明图；

图3是按照本发明优选实施例的图像增强装置的方框图；以及

图4是按照本发明另一优选实施例的图像增强步骤的方框图。

图3是按照本发明优选实施例的图像增强装置的方框图，图中图像增强装置包括：频率检测器202；概率密度函数(PDF)计算器204；和PDF累积器206；非线性映射器208；和输入平均值提取器210，用于使用PDF计算器204的输出提取输入图像的平均值；输出平均值提取器212，用于使用PDF计算器204的输出和PDF累积器206的输出提取非线性映射器208的输出图像的平均值以预测均衡的输出图像的平均值；平均差提取器214，用于计算输入平均值和输出平均值之间的差值，和提取差值做为平均差；加法器216，用于将平均差提取器214输出的平均差加入到非线性映射器208的输出中。在具有上述结构的图像增强装置中，输入图像和均衡图像的平均值之间的差被提取，以及可以依据提取的平均差补偿均衡的图像，这样，输出图像的亮度可以保持输入图像的亮度。

在此，直方图检测器202，PDF计算器204，和PDF累积器206以及非线性映射器208分别具有与直方图检测器102，PDF计算器104，PDF累积器106和非线性映射器108相同的结构，以及省略其相应说明。虽然在本实施例中直方图检测器202和PDF计算器204分离，但是直方图检测器202和PDF计算器204可以被构造成一个单元，其可以根据直方图分布既检测输入图像的直方图分布又计算PDF。

输入图像的平均值大多相关于宽度，做为通常的此类平均值的检测方法，输入图像被累积并且累积结果被按屏幕大小，即总像素数划分。但是本发明的输入平均提取器210可以使用PDF计算器202输出的PDF计算输入图像的平均值I_M，在此，获得的平均值I_M等于总平均值。即输入图像的平均值I_M可以在上述PDF的定义基础上由下面公式(3)计算出来： $I_M=\underset{K=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}P\left(X_K\right)\·X_K----\left(3\right)$

而且，输出平均值提取器212使用PDF计算器204输出的PDF和PDF累积器206输出的CDF提取从非线性映射器208输出的均衡图像的平均值O_M，由下式定义： $O_M=\underset{K=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}\{P\left(X_K\right)\·[(g\max -g\min )\·c\left(X_K\right)+g\min \left]\right\}---\left(4\right)$

其中P(X_k)代表PDF计算器204输出的PDF，c(X_k)代表从FDF累积器206输出的CDF，[]表示使非线性映射器208中使用的直方图分布均匀的变换函数的举例，以及gmax和gmin表示输出动态范围中的最大最小值。这样，输出平均值O_M实际上与非成线映射器208输出的平均值相同。但是，由于考虑了非线性映射器208中使用的变换函数，因此非线性映射器208的输出可以被预测。

平均差提取器214提取输入平均提取器210的输入平均和输出平均提取器212的输出平均之间的差D_M。例如，为了仅当输出图像的亮度低于输入图像时补偿平均值，若平均差(D_M＝I_M-O_M)大于0，则输出平均差D_M。否则，若平均差小于0，输出0以代替平均差。这样，加法器216将平均变化提取器214输出的平均差D_M加入到非线性映射器208输出的均衡信号I_H(x，y)上，并且输出亮度补偿图像信号I_E(x，y)。在此，加法器216的输出的平均值等于输入图像的平均值。

图4是本发明另一实施例的图像增强装置的方框图。图4的图像增强装置与图3的装置相同，差别仅在，图4的图像增强装置还包括：变换函数控制器216以依照平均值D_M控制使用在非线性映射器308中的变换函数，取代了图3的加法器216。这样，本实施例将根据变换函数控制器316来说明。

变换函数控制器316依据从平均差提取器314输出的平均差D_M控制变换函数以允许非线性映射器308输出亮度已被补偿的均衡图像I_E(x，y)。

例如，变换函数控制器316可以通过将平均差提取器314输出的平均差D_M加入到输出动态范围的最大值gmax和最小值gmin中来控制由公式(5)给出的变换函数至由公式(6)给出的变换函数。做为另一个例子，变换函数控制器316可以改变用做变换函数的CDFc(X)。

I_X＝(gmax-gmin)·C(X_k)+gmin                ……(5)

I_X＝(gmax′-gmin′)·C(X_k)+gmin′          ……(6)

在公式(6)中，gmax′＝gmax+D_M和gmin′＝gmin+D_M

结果，非线性映射器308可以通过使用由变换函数控制器316控制的变换函数映射输入图像I(x，y)，以提供亮度被补偿的均衡图像I_E(x，y)。按照本发明的图像增强装置和方法可以抑制亮屏中的平均亮度减少，这样可以防止因直方图均衡引起的图像质量下降。因此，本发明可以用于TV之类的图像装置。

可以将本发明广泛用于广播设备，雷达信号处理设备，家用电器和医疗工程设备等图像增强设备中。

如上所述，本发明提取输入图像平均值和均衡输出图像平均值的差值，并且将差值反应在均衡的输出图像中，因此防止了亮屏的平均亮度降低，避免因直方图均衡带来的图像质量降低，提供了高质量图像。

以上以实施例形式对本发明进行了说明，然而，本领域技术人员应当理解，在不脱离后附权利要求书定义的本发明精神和实质的范围内，还可以对本发明作各种修改和替代。

Claims (16)

1.一种图像增强装置，包括：

直方图均衡器，用于均衡用预定数目的灰度级表示的输入图像，以及输出均衡的输出图像；

补偿器，用于提取每一个输入输出图像的平均值以及按照输入和均衡的输出图像的平均值之间的平均差补偿均衡的输出图像。

2.如权利要求1所述的图像增强装置，其中直方图均衡器包括：

第一计算器，用于检测输入图像的直方图的分布和计算按照直方图分布计算概率密度函数(PDF)；

第二计算器，用于按照PDF计算累加密度函数(CDF)；以及

映射器，用于使用CDF作为变换函数映射输入图像以及输出均衡的输出图像。

3.如权利要求2所述的图像增强装置，其中补偿器包括：

输入平均值提取器，用于使用PDF提取输入图像平均值；

输出平均值提取器，用于使用PDF和CDF提取均衡的输出图像的平均值；

平均差提取器，用于检测输入和均衡的输出图像的平均值之间的差值，以及输出平均差；以及

加法器，用于将平均差加入到均衡的输出图像以输出亮度被补偿的均衡的输出图像。

4.如权利要求3所述的图像增强装置，其中平均差提取器仅当输入图像平均值大于均衡输出图像平均值时向加法器提供平均差。

5.如权利要求2所述的图像增强装置，其中补偿器包括：

输入平均值提取器，用于使用PDF提取输入图像平均值；

输出平均值提取器，用于使用PDF和CDF提取均衡的输出图像的平均值；

平均差提取器，用于检测输入和均衡的输出图像的平均值之间的差值，以及输出平均差；以及

变换函数控制器，用于按照平均差控制变换函数。

6.如权利要求5所述的图像增强装置，其中平均差提取器仅当输入图像平均值大于均衡输出图像平均值时向变换函数控制器提供平均差。

7.如权利要求5所述的图像增强装置，其中变换函数控制器按照平均差控制CDF。

8.如权利要求5所述的图像增强装置，其中变换函数控制器按照平均差调节均衡输出图像的动态范围。

9.一种图像增强方法，包括步骤：

(a)均衡用预定数目的灰度级表示的输入图像，以及输出均衡的输出图像；

(b)提取每一个输入输出图像的平均值以及按照输入和均衡的输出图像之间的平均值之间的平均差补偿均衡的输出图像。

10.如权利要求9所述的图像增强方法，其中步骤(a)包括子步骤：

(a1)检测输入图像的直方图的分布和计算按照直方图分布计算概率密度函数(PDF)；

(a2)按照PDF计算累加密度函数(CDF)；以及

(a3)使用CDF作为变换函数映射输入图像以及输出均衡的输出图像。

11.如权利要求10所述的图像增强方法，其中步骤(b)包括子步骤：

(b1)使用PDF提取输入图像平均值；

(b2)使用PDF和CDF提取均衡的输出图像的平均值；

(b3)检测输入和均衡的输出图像的平均值之间的差值，以及输出平均差；以及

(b4)将平均差加入到均衡的输出图像以输出亮度被补偿的均衡的输出图像。

12.如权利要求11所述的图像增强方法，其中步骤(b3)中仅当输入图像平均值大于均衡输出图像平均值时输出平均差。

13.如权利要求10所述的图像增强方法，其中步骤(b)包括子步骤：

(b1)使用PDF提取输入图像平均值；

(b2)使用PDF和CDF提取均衡的输出图像的平均值；

(b3)检测输入和均衡的输出图像的平均值之间的差值，以及输出平均差；以及

(b4)按照平均差控制变换函数。

14.如权利要求13所述的图像增强方法，其中子步骤(b3)中仅当输入图像平均值大于均衡输出图像平均值时输出平均差。

15.如权利要求13所述的图像增强方法，其中子步骤(b4)中，按照平均差控制CDF。

16.如权利要求13所述的图像增强方法，其中子步骤(b4)中，均衡输出图像的动态范围按照平均差调节。

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