CN1535000A - 用于自适应亮度控制的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种能够按照图像信号的平均亮度来自适应地补偿亮度值的亮度控制装置和方法。所述自适应亮度控制装置包括：概率密度函数(PDF)计算单元，用于根据输入图像信号的像素的像素值的分布来计算PDF；补偿值计算单元，用于计算各个像素的像素值的平均值，并且按照平均亮度值的范围来计算具有预定斜率的函数；像素值补偿单元，用于根据所计算的函数来重新建立像素值的分布。亮度控制装置自适应地对应于防止闪烁的输入图像信号的亮度，并且当另外需要用于补偿亮度值的函数时，通过转换被嵌入的函数值来实现所需要的函数，而不需要附加的硬件结构。

Description

用于自适应亮度控制的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种亮度控制装置和方法，特别涉及一种能够按照图像信号的平均亮度来自适应地控制亮度而增加很少或不增加硬件的亮度控制装置和方法。
背景技术
一般，在处理视频图像信号时，在图像信号的亮度中不平衡或失真主要由于诸如照明、拍摄条件和视频显示器的特性的变化因素而频繁地发生。事实上，在许多情况下，甚至同一图像信号的亮度也会按照再现该图像信号的视频显示器的类型而改变。例如，当同一图像信号被输入和通过不同的视频显示器被再现时，所述图像信号按照显示所述图像信号的视频显示器的特性而在低亮度和高亮度区域中具有不同的亮度。为了控制亮度上的这种不同，视频显示器中通常具有自动增益控制(AGC)单元。AGC单元自动工作，或可以由用户人为控制，以提高或降低图像亮度。
图1是示出了具有AGC单元的传统的亮度控制装置的方框图。
图1所示的亮度控制装置具有亮度级检测单元10、AGC单元20和映射单元30。
亮度级检测单元10计算输入的图像信号的亮度的平均值。如果在亮度级检测单元10中计算的平均亮度值大于或小于预设的亮度值，则亮度控制单元20提高或降低输入的图像信号的亮度的输出增益。即，亮度控制单元20输出一个增益函数以提高或降低输入的图像信号的亮度值。
映射单元30按照从亮度控制单元20输出的增益函数来对输入的图像信号执行映射以输出。
图2A和图2B是示出从亮度控制单元20输出的增益函数的图。
如果施加到亮度控制单元20的输入图像信号的亮度小于预先存储在亮度控制单元20中的亮度值，则图2A所示的增益函数被输出到映射单元30。相反，如果施加到亮度控制单元20的输入图像信号的亮度大于预先存储在亮度控制单元20中的亮度值，则图2B所示的增益函数被输出到映射单元30。因此，如果输入图像信号总体上具有很少的变化或没有变化但是其上具有亮或暗的部分，则发生如下的现象：当输入图像信号被亮度控制单元20控制并在屏幕上显示的时候图像变得不必要地突然亮或暗。
发明内容
本发明被设计来解决上述和/或其他问题，因此本发明的一个方面是提供一种亮度控制装置和方法，它在一种简单的硬件结构中被实现并且自适应地将亮度与输入图像信号的亮度匹配。
为了实现本发明的上述和/或其他方面和特征，提供了一种用于自适应亮度控制的装置，包括：概率密度函数(PDF)计算单元，用于根据输入图像信号的像素的像素值的分布来计算PDF；补偿值计算单元，用于计算各个像素的像素值的平均值，并且按照平均亮度值的范围来计算具有预定斜率的函数；像素值补偿单元，用于根据所计算的函数来重新建立像素值的分布。
像素值补偿单元包括：PDF补偿单元，用于将所计算的函数的值与通过PDF计算单元获得的PDF值相比较；累积分布函数(CDF)产生单元，用于计算用于由像素值补偿单元重新建立的PDF的累积分布函数；映射单元，用于根据所述累积分布函数来重新建立输入图像信号的像素值。
CDF产生单元根据下面的公式来计算用于PDF的CDF：
CDF ( K ) = Σ t = 0 t PDF ( t )
其中CDF(K)表示累积分布函数，PDF(t)是概率密度函数，t是当在屏幕上显示图像信号时可以显示的最大像素值。
还提供了累积分布函数(CDF)补偿单元，它被提供在CDF产生单元和映射单元之间，用于根据下面的公式来从CDF产生单元的输出计算补偿的CDF：
CD F ′ ( K ) = CDF ( K ) - CDF ( N - 1 ) N - 1 K + F ( K )
其中CDF’(K)表示被补偿的累积分布函数，CDF(K)是在补偿前的累积分布函数，F(K)＝(图像信号的像素的总数/(N-1))K，N-1是最大的像素值，CDF(N-1)是在最大像素值的累积分布函数的值。
补偿值计算单元包括：平均值计算单元，用于计算平均像素值；平均值范围计算单元，用于设置所计算的平均像素值的范围；函数值输出单元，用于向像素值补偿单元输出与所计算的平均值的范围对应的函数。
所述函数是单调增加函数、单调下降函数和恒定函数之一。
所述像素值是下列之一：亮度值，三基色R、G、B的灰度值，色差信号Y、Cb和Cr的灰度值。
按照本发明的一个方面，一种自适应亮度控制方法包括操作：根据输入图像信号的各个像素的像素值的分布来计算概率密度函数(PDF)；计算所检测的像素值的平均值，并且按照平均亮度值的范围来计算具有预定斜率的函数；根据所计算的函数来重新建立像素值的分布。
用于重新建立亮度值分布的操作包括下述操作：将所计算的函数的值与所计算的PDF值相比较；提高和降低PDF值的一部分；计算用于具有提高或降低的PDF值的PDF的累积分布函数；根据所述累积分布函数来重新建立输入图像信号的像素值。
计算累积分布函数的操作还包括下述操作：根据下面的公式重新建立累积分布函数：
CD F ′ ( K ) = CDF ( K ) - CDF ( N - 1 ) N - 1 K + F ( K )
其中CDF’(K)表示被补偿的累积分布函数，CDF(K)是在补偿前的累积分布函数，F(K)＝(图像信号的像素的总数/(N-1))K，N-1是最大的像素值，CDF(N-1)是在最大像素值的累积分布函数的值。
计算具有预定斜率的函数的操作包括操作：计算像素值的平均值；设置所计算的平均像素值的范围；计算与所计算的平均像素值的范围对应的函数。
所述函数是单调增加函数、单调下降函数和恒定函数之一。
所述像素值是下列之一：亮度值，三基色R\G\B的灰度值，色差信号Y、Cb和Cr的灰度值。
本发明的附加方面和/或优点将在随后的说明书中给出，并且部分地从说明书显而易见，或者可以通过本发明的实践来学习。
附图说明
通过下面参照附图详细说明本发明的方面，本发明的这些和/或其他方面将变得清楚和更容易理解，其中：
图1是传统亮度控制装置的方框图；
图2A和图2B是示出从图1的亮度控制单元输出的累积分布函数的图；
图3是按照本发明的一个方面的亮度控制装置的方框图；
图4是图3的补偿值计算单元的方框图；
图5A-图6C是用于说明图3的亮度补偿单元的操作的视图；
图7是说明按照本发明的一个方面的自适应亮度控制方法的流程图。
具体实施方式
现在详细说明本发明的各个方面，其示例被在附图中举例说明，其中在全部附图中，相同的附图标号表示相同的元件。下面说明各个方面以便通过参照附图来解释本发明。
图3是示出按照本发明的一个方面的亮度控制装置的方框图。
图3所示的亮度控制装置包括：概率密度函数(PDF)计算单元100、补偿值计算单元200、亮度控制(或门限下比特门限上比特(BUBO)单元300、累积分布函数(CDF)产生单元400、CDF补偿单元410和映射单元500。
PDF计算单元100检测形成输入图像信号的每个像素的像素值，并且根据检测的结果计算概率密度函数(PDF)。所述像素值可以是亮度值、三基色R、G、B的灰度值或色差信号Y、Cb、Cr的灰度值。而且，所述灰度值可以基于色调、饱和度或亮度。通过以8个比特表示灰度值将提供基色R、G、B和256级(即28级)的饱和度。分别地，亮度值也可以通过256级来表达，并且色差信号Y、Cb、Cr可以以8比特来表达。因此，亮度值，基色信号的灰度值和色差信号的灰度值按照输入图像信号的亮度值的变化而改变，并且可以计算与输入图像信号的亮度的变化对应的PDF。将主要针对输入图像信号的亮度值来说明按照本发明的亮度控制装置。但是，应当注意，本发明可以等同地应用到三基色R、G、B和色差信号的灰度值。
补偿值计算单元200根据PDF计算亮度值的平均值，并且将所计算的平均值与预定的范围相比较。而且，补偿值计算单元200中具有对应于预设范围的函数，并且按照比较的结果来向BUBO单元300输出不同的函数。
BUBO单元300按照从补偿值计算单元200输出的函数来转换从PDF计算单元100输出的PDF。所转换的PDF与输出到BUBO单元300的函数相比较，并且小于所述函数的值的值被映射为函数值。
CDF产生单元400依序累加和计算从BUBO单元300输出的PDF。累积分布函数在公式1中定义如下：
[公式1]
CDF = Σ i = 0 n PDF ,
其中i＝0，1，2，3，…
CDF补偿单元410补偿在CDF产生单元400中计算的累积分布函数(CDF)的最大值以使得等于输入图像信号的像素的总数，并且在补偿累积分布函数后，被补偿的累积分布函数被归一化。所述归一化将亮度对像素数量的累积分布函数转换为输入图像信号的亮度级对与其相对应的输出的亮度级的函数。累积分布函数的补偿和归一化基于如下的公式2和公式3。
[公式2]
CD F ′ ( K ) = CDF ( K ) - CDF ( N - 1 ) N - 1 K + F ( K )
其中CDF’(K)表示被补偿的累积分布函数，CDF(K)是在补偿前的累积分布函数，F(K)＝(图像信号的像素的总数/(N-1))K，N-1是最大的像素值，CDF(N-1)是在最大像素值的累积分布函数的值。
[公式3]
Figure A20041002837700093
其中F(K)表示归一化的累积分布函数，即映射函数，并且CDF`(K)是被补偿的累积分布函数。
映射单元500按照归一化的结果映射形成输入图像信号的每个像素的亮度。
图4是图3的补偿值计算单元200的详细方框图。图4所示的补偿值计算单元200包括平均值计算单元210、平均值范围检测单元220和函数值输出单元230。
平均值计算单元210根据从PDF计算单元100施加的PDF计算输入图像信号的平均亮度值。补偿值计算单元200检测在平均值计算单元210中计算的平均亮度值处在哪个范围内。表1解释了平均值计算单元210的操作，其中在范围0～255中的亮度值被分类为4个级，并且示出了与所述级对应的函数。
[表1]
平均亮度值     0～30     31～100     101～159     159～255
对应函数     y＝-ax+b     y＝-cx+d     Y＝e     y＝fx+g
如表1所示，所述平均值依赖于0～30、31～100、101～159、159～255的级别而具有对应的函数。如果从平均值计算单元210输出的平均值是20，则通过y＝-ax+b来表达对应的函数，如果在160～255的范围，则对应的函数变为y＝fx+g。表1示出了四级平均亮度值，以便解释平均值范围检测单元220的操作，但是本发明不限于此。函数值输出单元230中具有对应于平均亮度值的范围的函数，并且向BUBO单元300输出对应的函数。
图5A-图5C举例说明BUBO单元300的操作。
首先，图5A是示出从PDF计算单元100输出的图像信号的PDF的视图。在平均值计算单元210中，所示的PDF的平均值假定具有亮度值80。
图5B示出了当在平均值计算单元210计算的平均亮度值是80时对应的PDF和函数。此时，BUBO单元300比较从补偿值计算单元200施加的函数值与PDF，并且提高小于所述函数值的PDF值。图5C示出了当已经提高了小于所述函数值的PDF值时的结果。如图5C所示，当在PDF中的具有低亮度值的区域中的PDF值提高时，输入图像信号的整体亮度按照被提高的PDF值而提高。此时，因为例如y＝-ax+b的函数单调下降，因此亮度值随着PDF值的提高而在高和低区域中被同时补偿。当在输入屏幕的显示器上显示这样的一个被补偿的图像信号时，图像被亮度补偿，防止了亮度的突变。
图6A-图6C是说明当在平均值计算单元210中计算的平均亮度值是170时对应的函数和PDF的视图。对应于该平均亮度值的函数被表达为表1所示的y＝fx+g，并且BUBO单元300比较PDF和函数值，并且提高小于所述函数值的PDF值。所述PDF值在低亮度级区域中被提高，即，在PDF的黑暗区域，并且这个区域的提高的亮度值降低输入图像信号的整体亮度。低和高亮度区域根据诸如y＝fx+g的函数被同时补偿，以便当在诸如屏幕的显示器上显示被补偿的图像信号时图像被亮度补偿而不会变得突然暗。即，按照本发明通过亮度控制装置补偿的图像信号当在屏幕上显示时不突然变亮或变暗。而且，因为可以使用依赖于每个区域而施加的函数来补偿亮度值，因此即使必须另外地补偿亮度值的时候也不必具有另外的用于亮度值补偿的硬件。
图7是示出按照本发明的一个方面的自适应亮度控制方法的流程图。
首先，PDF计算单元100检测形成输入图像信号的各个像素的像素值，并且根据检测的结果来计算PDF(S100)。所述像素值可以是亮度值、三基色R、G、B的灰度值，色差信号Y、Cb和Cr的灰度值。而且，所述灰度值可以基于色调、饱和度或亮度。通过8个比特表示灰度值将提供基色R、G、B和256级(即28级)的饱和度。分别地，亮度值也可以通过256级来表达，并且色差信号Y、Cb、Cr可以以8比特来表达。因此，亮度值，基色信号的灰度值和色差信号的灰度值按照通过输入图像信号的亮度值的变化而改变，并且可以计算与输入图像信号的亮度的变化对应的PDF。在下面的说明中，将主要针对输入图像信号的亮度值来说明按照本发明的亮度控制装置。但是，应当注意，本发明可以等同地应用到三基色R、G、B和色差信号的灰度值。
接着，平均值计算单元210从所计算的PDF计算平均亮度值(S200)。此时的亮度值是通过相加在PDF中分布的所有亮度值并且将其除以像素的总数而获得的值。接着，平均值范围检测单元220检测在0～255级的亮度值中的平均亮度值位于哪个范围。此时，平均值范围检测单元220将0～255的亮度级分类为四到十个范围，例如0～30、31～100、101～159和159～255等，并且该检测平均亮度值属于哪个范围。接着，函数值输出单元230根据对应于在平均值范围检测单元220中检测的范围的函数向BUBO单元300输出函数值(S300)。在此，所述函数是单调提高的函数或单调下降的函数。BUBO单元300比较从函数值输出单元230输出的函数值与从PDF计算单元100输出的PDF(S400)，在作为比较的结果PDF值小于函数值的情况下通过提高或降低PDF值来将PDF值映射为函数值，并且向CDF补偿单元410输出被映射的PDF(S500)。CDF补偿单元410累加由BUBO单元300补偿的PDF，并且计算累积分布函数(S600)。此时，当BUBO单元300补偿PDF时，提高或降低一些特定的亮度的度数(degree)以便当根据所述提高或降低来计算累积分布函数时，所述累积分布函数的最后的累积值超过或变得小于输入图像信号所具有的像素值。因此，CDF补偿单元410将在CDF产生单元400中计算的累积分布函数(CDF)的最大值补偿为输入图像信号的像素的总数，并且将被补偿的累积分布函数转换为输入亮度值对输出亮度值的关系。归一化是根据上述的公式3来实现的。
最后，映射单元500将输入图像信号映射到归一化的累积分布函数(S700)。因此，本发明当补偿亮度值时按照从补偿值计算单元200输出的函数来控制BUBO单元300，以便当增加用于补偿亮度值的函数时避免附加的硬件。按照本发明的亮度控制装置和方法可以通过改变或转换在补偿值计算单元200嵌入的函数来解决附加硬件的问题。
如上所述，本发明当需要用于补偿附加的亮度值的函数时通过改变嵌入的函数值而不需要附加的硬件结构。而且，本发明向亮度区域施加至少一个或多个嵌入的函数，以便当补偿图像信号的亮度时避免亮度的突变，因此当所述亮度控制装置被应用到图像显示器时图像质量不变差。
虽然已经参照本发明的实施例具体示出和说明了本发明，本领域的技术人员会明白，在不脱离所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以进行形式和细节上的各种改变。

Claims (13)

1.一种用于自适应亮度控制的装置，包括：
概率密度函数(PDF)计算单元，用于根据输入图像信号的像素的像素值的分布来计算PDF；
补偿值计算单元，用于计算各个像素的像素值的平均值，并且按照平均亮度值的范围来计算具有预定斜率的函数；
像素值补偿单元，用于根据所计算的函数来重新建立像素值的分布。
2.按照权利要求1的装置，其中像素值补偿单元包括：
PDF补偿单元，用于将所计算的函数的值与通过PDF计算单元获得的PDF值相比较；
累积分布函数(CDF)产生单元，用于计算用于由像素值补偿单元重新建立的PDF的累积分布函数；
映射单元，用于根据所述累积分布函数来重新建立输入图像信号的像素值。
3.按照权利要求2的装置，其中CDF产生单元根据下面的公式来计算用于PDF的CDF：
CDF ( K ) = Σ t = 0 t PDF ( t )
其中CDF(K)表示累积分布函数，PDF(t)是概率密度函数，而t是当在屏幕上显示图像信号时可以显示的最大像素值。
4.按照权利要求3的装置，还包括累积分布函数(CDF)补偿单元，它被提供在CDF产生单元和映射单元之间，用于根据下面的公式来转换CDF产生单元的输出：
CDF ` ( K ) = CDF ( K ) - CDF ( N - 1 ) N - 1 K + F ( K )
其中CDF’(K)表示被补偿的累积分布函数，CDF(K)是在补偿前的累积分布函数，F(K)＝(图像信号的像素的总数/(N-1))K，N-1是最大的像素值，CDF(N-1)是在最大像素值的累积分布函数的值。
5.按照权利要求1的装置，其中补偿值计算单元包括：
平均值计算单元，用于计算平均像素值；
平均值范围计算单元，用于设置所计算的平均像素值的范围；
函数值输出单元，用于向像素值补偿单元输出与所计算的像素值的范围对应的函数。
6.按照权利要求1的装置，其中所述函数是单调增加函数、单调下降函数和恒定函数之一。
7.按照权利要求1的装置，其中所述像素值是下列之一：亮度值，三基色R、G、B的灰度值，色差信号Y、Cb和Cr的灰度值。
8.一种自适应亮度控制方法，包括：
根据输入图像信号的各个像素的像素值的分布来计算概率密度函数(PDF)；
计算所检测的像素值的平均值，并且按照平均亮度值的范围来计算具有预定斜率的函数；
根据所计算的函数来重新建立像素值的分布。
9.按照权利要求8的自适应亮度控制方法，其中重新建立亮度值分布包括：
将所计算的函数的值与所计算的PDF值相比较，并提高和降低PDF值的一部分；
计算用于具有提高的或降低的PDF值的PDF的累积分布函数；
根据所述累积分布函数来重新建立输入图像信号的像素值。
10.按照权利要求9的自适应亮度控制方法，其中计算累积分布函数还包括根据下面的公式重新建立累积分布函数：
CDF ` ( K ) = CDF ( K ) - CDF ( N - 1 ) N - 1 K + F ( K )
其中CDF’(K)表示被补偿的累积分布函数，CDF(K)是在补偿前的累积分布函数，F(K)＝(图像信号的像素的总数/(N-1))K，N-1是最大的像素值，CDF(N-1)是在最大像素值的累积分布函数的值。
11.按照权利要求8的自适应亮度控制方法，其中计算具有预定斜率的函数包括：
计算像素值的平均值；
设置所计算的平均像素值的范围；以及
计算与所计算的像素值的范围对应的函数。
12.按照权利要求8的自适应亮度控制方法，其中所述函数是单调增加函数、单调下降函数和恒定函数之一。
13.按照权利要求8的自适应亮度控制方法，其中所述像素值是下列之一：亮度值，三基色R\G\B的灰度值，色差信号Y、Cb和Cr的灰度值。
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