CN1770254A - 为自适应对比度增强产生传递曲线的方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种为自适应对比度增强产生传递曲线的方法。产生传递曲线以便在大部分为暗的图像中增强亮像素以及在大部分为亮的图像中增强暗像素。对于一幅暗图像，产生在图像的高亮度区域增加亮度而基本上不改变在图像的中等和低亮度区域的亮度的传递曲线。对于一幅亮图像，产生在图像的暗区域降低亮度而基本上不改变在图像的中等和高亮度区域的亮度的传递曲线。对于一幅中等亮度的图像，产生在直方图的高亮度范围增加亮度并在低亮度范围降低亮度、而基本上不改变图像的中等亮度范围的亮度的传递曲线。

Description

为自适应对比度增强产生传递曲线的方法

技术领域

本发明总体涉及对比度增强，并且更特别地涉及一种为自适应对比度增强产生传递曲线(transfer curve)的方法。

背景技术

在显示器和电视中传统的对比度调整方法没有考虑输入图像的内容，并导致无意的平均亮度偏移以及饱和或削波。例如，当在已经具有好的对比度的图像上增加对比度时会获得差的结果，以及当图像具有大部分为非常亮或非常暗的像素时也会获得差的对比度。类似地，以一种非自适应的方式降低对比度将会“消隐(black out)”已经具有差的对比度的图像。

因此，需要的是一种考虑输入图像的内容并避免上述问题的对比度增强的方法。

发明内容

因此提供了一种考虑输入图像的内容并使用传递曲线来改变像素亮度的自适应对比度增强方法。该方法产生在大部分是暗的图像中增强亮的像素并在大部分是亮的图像中增强暗的像素的传递曲线。

对于一幅暗图像，产生在图像的高亮度区域增加亮度而基本上不改变在图像的中等和低亮度区域的亮度的传递曲线。对于一幅亮图像，产生在图像的暗区域降低亮度而基本上不改变在图像的中等和高亮度区域的亮度的传递曲线。对于一幅中等亮度的图像，产生在直方图的高亮度范围增加亮度并在低亮度范围降低亮度、而基本上不改变图像的中等亮度范围的亮度的传递曲线。

附图说明

本发明通过在附图的图中的实例而不是作为限制来说明，其中类似的附图标记指的是类似的单元，以及其中：

图1a示出根据本发明实施例的一幅示例的中等亮度的图像以及该图像的直方图。

图1b示出根据本发明实施例的一幅示例的暗(低亮度)图像和该图像的直方图。

图1c示出根据本发明实施例的三个示例的亮度范围。

根据本发明的一个实施例，图2a示出一幅暗图像的直方图，以及图2b示出用于在这种图像中增强对比度的传递曲线。

图2c是根据本发明实施例示出穿着暗的外套和亮的衬衫的两个男演员的一幅低亮度图像。

根据本发明的一个实施例，图3a示出一幅亮图像的直方图，以及图3b示出在这种图像中增强对比度的传递曲线。

根据本发明的一个实施例，图4a和4c示出中等亮度的图像的直方图，以及图4b和4d示出用于在这种图像中增强对比度的对应的传递曲线。

图5是根据本发明实施例说明自适应增强图像的对比度的方法的流程图。

具体实施方式

现在将详细参考本发明的特定实施例，其中的例子由附图说明。虽然本发明将结合特定实施例进行描述，但应当理解的是并不打算将本发明限于所描述的实施例。相反地，其打算覆盖如由所附权利要求书限定的本发明的精神和范围内可以包括的替换、修改和等同物。

当诸如基于液晶显示器(LCD)的显示器或基于阴极射线管(CRT)的显示器之类的数字显示装置接收输入图像时，期望的是在图像被显示以进行观看之前增强输入图像的对比度。自适应对比度增强指的是一种通用的方法，其分析输入图像的亮度光谱(spectrum)，并在特定的亮度范围内增加或降低亮度以便增强输出图像的对比度。为了完成这个任务，首先通过对在输入亮度范围(亮度光谱)上分布的对应于亮度级(luminance level)的像素数量计数来对输入图像构造亮度直方图。然后根据传递曲线来指定输出亮度级，其中传递曲线是在输入亮度级和输出亮度级之间的一个映射。

自适应对比度增强的一种方法包括产生用于增强对应于图像直方图中数量最多的方块(bin)的那些图像像素的亮度的传递曲线。使用这种方法，在大部分是亮的图像中亮像素被变亮，以及在大部分是暗的图像中暗像素被变亮。

在此公开了一种新颖的自适应对比度增强的方法。基本的思想是产生用于在大部分是暗的图像中使亮像素变亮以及在大部分是亮的图像中使暗像素变暗的传递曲线。该方法利用了这样的事实，即图像直方图中数量最少的方块代表小图像区域，其通常在整个图像区域上分散和统计地分布，以及人眼不会被对这种区域的小亮度调节所干扰。本发明的优点包括大大改善了图像对比度，图像对眼睛的显示更清晰，减小了由于使用传递函数而导致的噪声和轮廓伪像(contouring artifact)的代价，并且极大地降低了在视频流的淡入和淡出期间不均匀的亮度变化。

图1a示出一幅示例的中等亮度的图像和该图像的直方图。图1b示出一幅示例的暗(低亮度)图像和该图像的直方图。在所示的直方图中，水平轴代表亮度值，而垂直轴代表具有给定亮度值的像素的数量。例如在图1b的暗的场景中，亮度直方图表明大部分像素具有低的亮度，而对于图1a的中等亮度的场景，亮度光谱更宽，从而表明有更多的较亮的像素。

在以下的描述中，三个亮度范围用来将图像分类：低亮度、中等亮度以及高亮度。图1c示出根据本发明实施例的三个示例的亮度范围11、12和13。亮度范围是用户可定义的，并且可被选择重叠以便提供平滑的对比度增强。作为例子，已经发现0％到40％的低亮度范围、20％到70％的中等亮度范围以及60％到100％的高亮度范围工作良好。给定亮度范围的一个特定选择，如果“大部分”的图像像素落在对应的亮度范围内，那么图像被描述为低亮度(或低亮)、中等亮度(或中亮)或高亮度(或高亮)，其中“大部分”由一个预定的阈值百分率来量化。作为例子，已经发现阈值百分率在大约50％到95％的范围内工作良好。例如，给定一个0％到40％的低亮度范围以及一个设置为70％的阈值百分率，具有至少70％的像素在0％到40％亮度范围的一幅图像被量化为低亮度图像。实验允许对于要增强的特定领域的图像优化亮度范围和阈值百分率。

根据本发明的一个实施例，图2a示出一幅暗图像的直方图，以及图2b示出用于在这种图像中增强对比度的传递曲线。直方图表明大部分像素在低亮度范围。传递函数在图像的高亮度范围增加亮度而基本上不改变图像的中等和低亮度区域的亮度。如果由上述亮度增加导致的图像的亮的区域累积地包括整个图像相对较小的一部分，正如直方图中小数量的亮像素所表明的，那么眼睛对这些区域中相对较小的细节损失并不敏感。传递曲线基本上不改变暗区域的亮度，因为：

(a)在暗区域中增加亮度导致了一幅图像看起来就像透过“雾”来观察，从而表明差的对比度；

(b)在较暗的区域中降低亮度会导致在这些区域中的细节损失，这对于较暗的图像是不可接受的，因为较暗的像素通常代表大部分相关的图像内容；以及

(c)增加较暗区域中的增益不必要地突出了(在大部分图像中存在的)较暗像素的相对较小的像素值干扰，从而放大了图像中的固有噪声并导致一幅有噪且是颗粒状的(grainy)图像。

然而，当所用的显示器包括背光时，比如在基于LCD或DLP(数字光处理器)的显示器中，在低亮度区域中降低亮度(如图2b所示)有助于补偿背光并传送一个更像CRT(CRT-like)的图像。当所用的显示器不包括背光时，比如在基于CRT或等离子体的显示器中，就不大需要降低在低亮度区域中的亮度，因为在这样的显示器中，暗区域是由于光的缺乏而不是由于阻碍背光(如在LCD或DLP中)并可能在该过程中漏光的过程造成的。

作为例子，图2c是示出穿着暗的外套和亮的衬衫的两个男演员的一幅低亮度图像。注意，当增加相对较小数量的亮像素的亮度(比如白色衣领，其累积地包括整个图像的小部分)可能造成这些图像区域中细节的损失(即衣领的纹理)时，人眼把减小的整体亮度以及相关的白色伸展看作增强的图像对比度。

根据本发明的另一个实施例，图3a示出一幅亮图像的直方图，以及图3b示出用于在这种图像中增强对比度的传递曲线。该直方图表明大部分的图像内容落在直方图的高亮度范围内。因此，传递函数被设置在图像的暗区域中降低亮度而基本上不改变在图像的中等和高亮度区域中的亮度。如果图像的暗区域累积地包括整个图像相对较小的一部分，正如直方图中小数量的暗像素所表明的，那么眼睛对这些区域中相对较小的细节损失并不敏感。传递曲线不改变图像的亮区域的亮度，因为：

(a)在亮区域中降低亮度导致了一幅由于降低了整个图像的亮度而对于人眼有较少吸引力的图像；

(b)在亮区域中增加亮度在这些区域中导致由于削波造成的细节损失，这对于亮图像是不可接受的，因为较亮的像素通常代表大部分相关的图像内容；以及

(c)增加在较亮区域中的增益放大了图像中的固有噪声并导致一幅有噪且是颗粒状的图像。

作为例子，亮图像可描述一项冰上运动赛事的场景(比如曲棍球比赛)，其中选手穿着具有暗的细节的制服。在这样的图像中，图像中暗区域的细节(比如制服的纹理)对于观看者来说不像跟踪比赛的动作以及黑色冰球的运动那样相关。对于这种亮图像，诸如图3b中所示的之类的传递函数将降低相对较小数量的较暗像素(比如冰球、选手制服的暗的细节以及观众)的亮度，因而将观众的注意力引向对于视觉跟踪运动更相关的场景的那些部分。虽然这样的对比度增强可能导致在暗区域中的一些细节损失，但是总的来说人眼观察到了增强的图像对比度。

对于一幅中等亮度的图像，该技术是在图像的高亮度范围中增加亮度并且在低亮度范围中降低亮度，而基本上不改变图像的中等亮度范围的亮度。注意，中等亮度图像包括各种亮度分布，如图4a和4c的示例的直方图所示：虽然二者都表示中等亮度图像，但是图4a的直方图具有较大的变化，而图4c的直方图具有较小的变化。本发明优选地如下来区别这样的变化。

图4b是根据本发明实施例用于增强具有如图4a所示的直方图的图像的对比度的传递曲线。因为图4a的直方图示出像素亮度集中在一个相对较窄的范围内，并且因此表明暗和亮的像素共同占据了一个较小的总面积，所以传递曲线在由大部分像素占据的亮度范围内通常保持线性(即具有大约是1的斜率并表示恒等映射)，而在传递曲线的每一端使用“S”形状的曲线来降低低亮度像素的亮度并增加高亮度像素的亮度。结果是增加了图像的总的对比度和动态范围。

图4d是根据本发明实施例用于增强具有如图4c所示的直方图的图像的对比度的传递曲线。与前面图4a和图4b所示的情况相比，图4c的直方图示出像素亮度在一个较宽亮度范围上扩展，并因此表明暗和亮的像素共同占据了一个较大的总面积。所以与前面的情况对比，传递曲线在传递曲线的每一端使用稍微更细长的“S”曲线来降低低亮度像素的亮度并增加高亮度像素的亮度，并且在两个“S”曲线之间包括一个更陡的过渡。结果是增加了图像的总的对比度和动态范围。

图5是根据本发明实施例说明自适应增强图像的对比度的方法的流程图。首先，对输入图像建立101一个亮度直方图。如果直方图表明102大部分像素具有低亮度，则使用增加103图像的高亮度像素的亮度并且基本上不改变图像的中等和低亮度像素的亮度的传递曲线，例如图2b所示的传递曲线。否则，如果直方图表明104大部分像素具有高亮度，则使用降低105图像的低亮度像素的亮度并且基本上不改变图像的高和中等亮度像素的亮度的传递曲线，例如图3b所示的传递曲线。否则，如果直方图表明106大部分像素具有中等水平的亮度，则使用增加107图像的高亮度像素的亮度、降低低亮度像素的亮度并且基本上不改变图像的中等像素的亮度的传递曲线，例如图4b所示的传递曲线。如果输入图像没有落在低、高或中等亮度这三类中，那么就不改变108输入图像像素的亮度级。

本发明的一个有利方面是大大改善了图像对比度。虽然输出图像的平均亮度可以稍微更低，但输出图像对于眼睛显示得更清晰。在大部分是暗的图像中增加亮度时在亮像素上的聚焦(focus)允许亮像素的过补偿。虽然这会导致细节的小损失，其限于由少量的亮像素所表示的相对较小的图像区域，但结果是图像改善了对比度。在大部分应用中，并且尤其是在运动图像(比如视频流)中，这样的细节损失对于眼睛并不显著，并且因此可对改善的图像对比度进行折衷。类似地，在大部分为亮的图像中降低较暗像素的亮度级会导致细节的小损失，其限于由暗像素所表示的小区域，但是对这种暗像素的抑制导致改善的图像对比度。

本发明的另一有利方面是由于使用上述传递函数导致的噪声和轮廓伪像的小的代价。虽然该技术可导致一些噪声放大和轮廓伪像，但这样的副作用由于以下事实而保持为小的，即该技术基本上不改变最重要代表的像素群的亮度，即在大部分是暗的图像中的暗像素的亮度以及在大部分是亮的图像中的亮像素的亮度。

本发明的另一有利方面是大大降低了在视频流的淡入和淡出期间不均匀的亮度变化。这也是因为该技术基本上不改变在大部分是暗的图像中的暗像素的亮度级以及在大部分是亮的图像中的亮像素的亮度级。

对于在图像序列中(比如在视频流中)的平滑的对比度增强，可以基于最近的帧的图像内容来自适应地应用传递函数。这个技术的一种实现方式包括累积最近组的帧的亮度并计算它们的平均值。基于所得到的平均直方图，选择一个合适的传递函数来用于对比度增强。当实现这种平均技术时，已经发现5到15帧的缓冲器工作良好。

本发明已经在数字显示装置上显示内容的背景下进行了描述。应当理解的是同样的技术可以用来限制对显示器的一个区域的自适应对比度增强。作为例子，用于电影的自适应对比度增强可将水平跨过显示器的上部和下部黑条排除在外。作为另一个例子，自适应对比度增强可限制在显示器上用户可定义的区域，比如显示器的一个窗口或一个物理区域。

本发明的前述实施例是作为示例和描述来提供的。它们不打算将本发明限制到所描述的精确形式。根据上述教导，其它的变形和实施例是可能的，因此打算本发明的范围不由此具体实施方式来限制，而是由后面的权利要求书来限定。

Claims (14)

1.一种用于图像的自适应对比度增强的方法，包括：

确定图像是否包括大部分为低亮度的像素；以及

当该图像包括大部分为低亮度的像素时增加图像中高亮度像素的亮度级。

2.如权利要求1所述的方法，进一步包括为图像产生一个亮度直方图来表明该图像是否包括大部分为低亮度的像素。

3.如权利要求1所述的方法，进一步包括通过数字或模拟信号来接收图像。

4.如权利要求1所述的方法，进一步包括在显示器上显示该图像。

5.如权利要求4所述的方法，其中显示器是从包括LCD屏幕、OLED屏幕、DLP屏幕、CRT以及等离子板的组中选择的。

6.一种用于图像的自适应对比度增强的方法，包括：

确定图像是否包括大部分为高亮度的像素；以及

当该图像包括大部分为高亮度的像素时降低图像中低亮度像素的亮度级。

7.如权利要求6所述的方法，进一步包括为图像产生一个亮度直方图来表明该图像是否包括大部分为高亮度的像素。

8.如权利要求6所述的方法，进一步包括通过数字或模拟信号来接收图像。

9.如权利要求6所述的方法，进一步包括在显示器上显示该图像。

10.如权利要求9所述的方法，其中显示器是从包括LCD屏幕、OLED屏幕、DLP屏幕、CRT以及等离子板的组中选择的。

11.一种用于自适应对比度增强的设备，包括：

一个控制器，用于：

(a)接收图像；

(b)根据图像的亮度直方图来选择传递曲线；以及

(c)根据传递曲线增强图像的对比度，该图像曲线用于

a.当图像中包括大部分为低亮度的像素时，增加图像的高亮度像素的亮度级而基本上不改变中等和低亮度像素的亮度级；

b.当图像中包括大部分为高亮度的像素时，降低图像的低亮度像素的亮度级而基本上不改变中等和高亮度像素的亮度级；以及

c.当图像中包括大部分为中等亮度的像素时，增加图像的高亮度像素的亮度级并降低低亮度像素的亮度级而基本上不改变中等亮度像素的亮度级。

12.如权利要求11所述的设备，该控制器进一步用于：

(d)产生图像的亮度直方图。

13.如权利要求12所述的设备，进一步包括用于显示该图像的显示器。

14.如权利要求13所述的设备，其中显示器是从包括LCD屏幕、OLED屏幕、DLP屏幕、CRT以及等离子板的组中选择的。

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