CN1770847B - 自适应对比度增强方法及设备 - Google Patents

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Abstract

公开了一种产生用于自适应对比度增强的传递曲线的方法。给定一个输入图像，基于一组预定的输入亮度范围产生一幅亮度直方图。接着，所述亮度直方图被表示为一组预定的“原始”直方图的加权和。每个原始直方图具有一个相关的参考传递曲线。产生一个最终传递曲线以作为相关参考传递曲线的对应加权和。然后，可以根据最终传递曲线调整所述图像的亮度，从而导致增强的图像对比度。所公开的方法可以在不增加亮度范围的数量的条件下扩展可用参考传递曲线的数量。

Description

自适应对比度增强方法及设备
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利用原始传递(transfer)曲线生成用于自适应对比度增强的传递曲线的方法。
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，当在已经具有良好对比度的图像上增加对比度时会得到差的结果，以及当图像具有大部分为非常亮或非常暗的像素时也会得到差的对比度。类似地，降低对比度将通常“消隐(black out)”已经具有差的对比度的图像。
因此，需要改善的对比度增强的技术。
发明内容
因此，提供了一种自适应对比度增强的方法，该方法允许在不增加亮度范围的数量的条件下扩展可用参考传递曲线的数量。给定一幅输入图像，产生一个亮度直方图。接着，所述亮度直方图被表示为一组预定的“原始”直方图的加权和。每个原始直方图具有一个相关的参考传递曲线。产生最终传递曲线以作为相关参考传递曲线的一个对应加权和。然后，可以根据最终传递曲线来调整所述图像的亮度，从而导致增强的图像对比度。
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)图像以及该图像的直方图。
图1c示出根据本发明实施例的三个示例的亮度范围。
图2a示出一幅示例图像，以及图2b示出基于所述示例的三个亮度范围所产生的示例图像的亮度直方图。
图3示出根据本发明实施例的示例的一组9个原始直方图H1，...，H9。
根据本发明的一个实施例，图4a示出一幅示例的输入图像和相关直方图，以及图4b示出该图像的对比度增强形式和相关直方图。
根据本发明的一个实施例，图5a、5b和5c说明与3个原始直方图H7、H8和H9对应的三个示例的参考传递曲线TF7(x)、TF8(x)和TF9(x)。
图6是根据本发明实施例说明一种用于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，但可以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的替换、修改和等同物。为了显示而预备一幅图像时
当例如在诸如液晶显示器(LCD)、有机发光二极管(OLED)屏幕、数字光处理器(DLP)、阴极射线管(CRT)、等离子板或其它类型的显示器之类的显示器上准备显示一幅图像时，期望通过调整像素的亮度级来增强该图像的对比度。可以利用传递曲线来描述输入亮度级(luminance level)与输出亮度级之间的映射。由于不同图像具有不同的亮度直方图，所以期望使该传递曲线适合手边的特定图像以便获得最佳的对比度增强。
一种方法是把亮度光谱(spectrum)分成多个亮度范围，每个亮度范围与一个参考传递曲线相关，将与图像中它们的亮度范围的表示成比例的参考传递曲线求和，并用该和作为传递曲线来处理图像亮度。虽然该方法工作良好，但是通过扩展可用参考传递曲线的数量来改善对比度增强需要亮度范围的数量的增加，从而在淡入淡出的过程中(例如在视频流中)增添边缘情形(boundarycase)并产生不均匀的对比度增强。因此期望在不增加预定亮度范围的数量的条件下扩展可用参考传递曲线的数量。
因此，本发明在不增加预定亮度范围的数量的条件下扩展可用参考传递曲线的数量。首先为手边的图像生成亮度直方图。其次，该亮度直方图被表示为一组预定的“原始”直方图的加权和。虽然原始直方图的数量大于亮度范围的数量，但是所需的足够近似亮度直方图的原始直方图的数量一般小于可用的原始直方图的总数。每个原始直方图具有一个相关的参考传递曲线。产生最终的传递曲线以作为相关参考传递曲线的对应加权和。根据最终传递曲线可以处理图像的亮度，从而导致图像对比度的增强。
图1a示出一幅示例的中等亮度的图像以及该图像的直方图，以及图1b示出示例的暗(低亮度)图像以及该图像的直方图。直方图的水平轴表示亮度值，而垂直轴表示具有给定亮度值的像素的数量。例如，对于图1b中的暗场景，亮度直方图表明大部分像素具有低亮度，而对于图1a中中等亮度场景，亮度直方图表明具有较多的较亮的像素。
现在将利用划分图像亮度光谱的三个亮度范围的实例来描述本发明。然而应该注意的是，下面的描述实际上是示例性的，并且因此不应该解释为限制本发明的范围或目的。
在本说明中，使用了三个示例的亮度范围：低亮度范围、中等亮度范围和高亮度范围。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。所述亮度范围是用户可定义的，且可以被选择重叠以提供平滑的对比度增强。作为例子，已经发现0％-40％的低亮度范围、30％-70％的中等亮度范围和60％-100％的高亮度范围工作良好。
一旦定义了亮度范围，就本发明来说，产生一个亮度直方图来对应于每个亮度范围内的图像像素的数量的计数。在三个亮度范围的示例情形中，这种直方图可以用三个条来显示，每个条表示在一个特定亮度范围内的图像像素的比例。图2a示出一幅示例的图像，以及图2b示出基于所述三个亮度范围所产生的该示例图像的亮度直方图。图像亮度直方图的产生优选以硬件来进行，尽管应该认识到它还可以部分或全部地以软件或其它计算层来进行。
在为输入图像产生亮度直方图(下文称为源直方图)之后，目的是用一组预定的原始直方图的加权和来表示源直方图。，图3示出根据本发明实施例的示例的一组9个原始直方图H1，...，H9。H1可被描述为具有单调下降的暗度的暗色，H2为具有单调上升的亮度的亮色，H3为均匀的亮色，H4为没有明显亮色细节的暗色，H5为没有明显暗色细节的亮色，H6为明显的暗色和亮色区域，H7为深暗色，H8为中亮色，以及H9为高亮色。
源直方图可以表示为两个或更多个原始直方图的加权和(具有正的加权)。加权和可以不与源直方图精确匹配，但是它将与源直方图非常类似。一种产生上述加权和的贪婪算法(greedy algorithm)是选择第一原始直方图，所述直方图在利用最大的正加权进行适当加权时与源直方图的差别最小。接着，通过选择第二原始直方图来类似地缩小源直方图与第一加权原始直方图之间的剩余差别(如果有的话)，其中，当利用最大的正加权进行适当加权并与第一加权原始直方图相加时，所述直方图使得在加权和与源直方图之间的差别最小。
作为例子，假设H1和H5是从所有原始直方图中选出以用作上述算法中的第一和第二原始直方图，那么它们的加权和可以写成w1·H1+w2·H5，其中w1和w1表示适当选择的正加权。可选地，上述算法可以继续包括用于产生三个或更多原始直方图的加权和的附加原始直方图。可知两个或三个原始直方图的加权和将与源直方图足够接近，以至于能够实现高度增强的图像对比度。
产生图像的原始直方图的加权和的另一个试探法(heuristic)是首先只用两个方块(bin)产生该图像的一个初步直方图，其中第一方块表示亮度光谱中较低的一半，以及第二方块表示较高的一半。接着，该初步直方图被用于表明该图像是否具有低亮度(第一方块包含比第二方块明显更多的像素)、中等亮度(第一和第二方块包含大约相同数量的像素)或高亮度(第二方块包含比第一方块明显更多的像素)。可以明确地定义阈值。例如，如果代表较少的方块包含45％的像素，那么该图像被宣称为具有中等亮度，否则该图像被宣称为低亮度或高亮度。对低亮度图像来说，对于加权和不予考虑高亮度原始直方图H2和H9。对高亮度图像来说，低亮度直方图H1和H7被排除。对中等亮度图像来说，低亮度和高亮度原始直方图H2、H9、H1和H7被排除。然后，利用上述贪婪算法将源直方图表示为未排除的原始直方图的加权和。
优选地，原始直方图通过固件来选择并添加以便改善性能，尽管应该认识到它还可以全部或部分地以软件或其它计算层来进行。
一旦得到了原始直方图的一个适当的加权和，则产生了一个最终传递曲线。对应于原始直方图H1，...，H9的是用户定义的参考传递曲线TF1(x)，...，TF9(x)，其中TFi(x)表示产生的适合于增强图像对比度的参考传递曲线，所述图像的直方图类似于原始直方图Hi。
作为例子，图5a、5b和5c是根据本发明的一个实施例来说明与三个原始直方图H7、H8和H9对应的三个示例的参考传递曲线TF7(x)、TF8(x)和TF9(x)。注意，TF7(x)在图像的暗区域中降低亮度而基本上不改变中等和高亮度区域的亮度；TF9(x)在图像的亮区域中增加亮度而基本上不改变中等和低亮度区域的亮度；以及TF8(x)在高亮度区域中增加亮度并在低亮度区域中降低亮度，而基本上不改变图像中等亮度范围的亮度。
产生最终传递曲线T(x)以作为对应的参考传递曲线的加权和：T(x)＝w1·TF1(x)+w2·TF2(x)。用于产生最终传递曲线的加权与用于原始直方图的加权对应。然后可以用最终传递曲线T(x)调整图像的像素亮度，从而增强图像的对比度。
通常，用于加权和的原始直方图的数量以及因此用于对应加权和的参考传递曲线的数量可被限制为每个加权和两个或三个。然而上述例子仅用于说明的目的。可以有用于选择的任意数量的原始直方图Hi和对应的参考传递曲线Ti(x)，可以选择任意数量的原始直方图以包含在加权和中来近似源直方图，以及可以选择任意的对应数量的参考传递曲线以包含在代表最终传递曲线T(x)的加权和中。
根据本发明的一个实施例，图6是说明一种用于自适应地增强图像的对比度的方法的流程图。给定一个输入图像，产生101直方图，并将该直方图表示102为原始直方图的加权和。接着产生103最终传递曲线以作为与原始直方图相关的参考传递曲线的对应加权和。一旦产生了最终传递曲线，就可以相应地调整104图像亮度。
对于在图像序列中(比如在视频流中)平滑的对比度增强，可以基于最近帧的累积图像内容来产生最终传递函数。该技术的一个实施方式包括累积最近一组帧的直方图并计算它们的平均值。然后用原始直方图的加权和来表示所得的平均直方图，从而产生如上所述的最终传递函数。当执行这种平均技术时，已经发现5至15帧的缓冲器工作良好。
本发明的一个优点是加快了参考传递曲线的开发。一个与给定原始直方图对应的给定参考传递曲线只需要对具有与给定原始直方图相似亮度的直方图的图像进行验证。在上述示例组的9个原始直方图中，只需要设计并从而验证9个对应的传递曲线。这显著地削减了开发时间，因为与包含很多不同原始直方图以便发现副作用的材料所需的许多小时相比，由于参考传递曲线的相互依赖，所以参考传递曲线不需要被验证和优化。
本发明的另一个优点是减少了对硬件资源的需求。采用上述仅仅三个亮度直方图范围(或直方图“方块”)的例子，有可能实现可与在传统增强对比度方法中采用8或16个方块相比或更好的对比度增强的性能。
本发明的另一个优点是在不牺牲图像分辨率的条件下改善对比度的动态范围。作为例子，图4a示出输入的原始图像以及相关直方图，以及图4b示出增强的输出图像以及相关直方图。注意，在增强图像的亮度直方图中，暗色和亮色像素被进一步展开(即提高了动态范围)，而中等亮度像素大部分未受影响。
虽然本发明在数字显示设备上显示图像的背景下进行了描述，但应当理解的是同样的技术可以用于自适应对比度增强被限于显示器中的一个区域的环境中。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或屏幕的上部和下部的黑带排除在外。作为例子，自适应对比度的增强可限制在显示器的用户可定义区域，例如显示器的窗口或物理区域。
本发明的上述实施例是作为描述和说明来提供的。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也是可能的，并且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 (12)

1.一种用于产生传递函数以增强数字图像的对比度的方法，该方法包括：
产生(101)数字图像的像素亮度值处于多个亮度范围(11，12，13)的亮度直方图；
通过选自一组预定义的原始直方图(H1，...，H9)的原始直方图的加权和来近似(102)所产生的亮度直方图，其中每个原始直方图定义像素亮度值在所述多个亮度范围的预定义分布，以及其中每个原始直方图与来自一组参考传递函数的对应参考传递函数(TF1(x)，...，TF9(x))相关；
产生(103)一个最终传递函数，所述最终传递函数被表示为参考传递函数的加权和，其中在该和中的参考传递函数是根据用于近似所产生的亮度直方图的相关的原始直方图的加权来加权的；以及
对像素亮度值应用(104)所述最终传递函数以增强数字图像的对比度。
2.如权利要求1所述的方法，其中来自所述组参考传递函数中的每个参考传递函数被选择以增强图像的对比度，所述图像具有的亮度值是根据与参考传递函数相关的原始直方图进行分布的。
3.如权利要求1所述的方法，其中来自所述组参考传递函数中的第一参考传递函数在基本上不改变中等亮度和高亮度图像区域的亮度的条件下，降低暗图像区域中的亮度，以及其中所述第一参考传递函数与表明主要为暗图像的原始直方图相关。
4.如权利要求1所述的方法，其中来自所述组参考传递函数中的第二参考传递函数在基本上不改变中等亮度和低亮度图像区域的亮度的条件下，增加亮图像区域中的亮度，以及其中所述第二参考传递函数与表明主要为亮图像的原始直方图相关。
5.如权利要求1所述的方法，其中原始直方图的加权和包括至多两个具有正加权的原始直方图，以及其中参考传递函数的加权和包括至多两个具有对应相等正加权的参考传递函数。
6.如权利要求1所述的方法，其中原始直方图的加权和包括至多三个具有正加权的原始直方图，以及其中参考传递函数的加权和包括至多三个具有对应相等正加权的参考传递函数。
7.一种用于产生传递函数以增强数字图像的对比度的设备，包括：
用于产生(101)数字图像的像素亮度值处于多个亮度范围(11，12，13)的亮度直方图的装置；
用于通过选自一组预定义的原始直方图(H1，...，H9)的原始直方图的加权和来近似(102)所产生的亮度直方图的装置，其中每个原始直方图定义像素亮度值在所述多个亮度范围的预定义分布，以及其中每个原始直方图与来自一组参考传递函数的对应参考传递函数(TF1(x)，...，TF9(x))相关；
用于产生(103)一个最终传递函数的装置，所述最终传递函数被表示为参考传递函数的加权和，其中在该和中的参考传递函数是根据用于近似所产生的亮度直方图的相关的原始直方图的加权来加权的；以及
用于对像素亮度值应用(104)所述最终传递函数以增强数字图像的对比度的装置。
8.如权利要求7所述的设备，其中来自所述组参考传递函数中的每个参考传递函数被选择以增强图像的对比度，所述图像具有的亮度值是根据与参考传递函数相关的原始直方图进行分布的。
9.如权利要求7所述的设备，其中来自所述组参考传递函数中的第一参考传递函数在基本上不改变中等亮度和高亮度图像区域的亮度的条件下，降低暗图像区域中的亮度，以及其中所述第一参考传递函数与表明主要为暗图像的原始直方图相关。
10.如权利要求7所述的设备，其中来自所述组参考传递函数中的第二参考传递函数在基本上不改变中等亮度和低亮度图像区域的亮度的条件下，增加亮图像区域中的亮度，以及其中所述第二参考传递函数与表明主要为亮图像的原始直方图相关。
11.如权利要求7所述的设备，其中原始直方图的加权和包括至多两个具有正加权的原始直方图，以及其中参考传递函数的加权和包括至多两个具有对应相等正加权的参考传递函数。
12.如权利要求7所述的设备，其中原始直方图的加权和包括至多三个具有正加权的原始直方图，以及其中参考传递函数的加权和包括至多三个具有对应相等正加权的参考传递函数。
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