CN2838167Y - 控制数字图像平均亮度的图像增强装置 - Google Patents

Abstract

一种控制数字图像平均亮度的图像增强装置，其包含：一亮度累加器，其输入数字图像的亮度信号，并累计一帧的亮度和S；一帧内最低亮度监测器，一帧内最高亮度监测器，根据输入的数字图像的各个像素的亮度数值Xin，计算最高亮度BH和最低亮度BL；一计算平均亮度的除法器根据亮度累加器的输出，计算数字图像的平均亮度BA；一计算低位扩展的减法器计算低位扩展距离DL；一计算高位扩展的减法器计算高位扩展距离DH；一计算扩展系数的组合电路，计算线性扩展系数K：一输出亮度的组合电路计算并定义得到增强后图像的各个像素的亮度值X_out：一帧存储器顺序存储一帧输入的数字图像信号，并输出延迟了时间T的数字图像信号。

Description

控制数字图像平均亮度的图像增强装置

技术领域

本实用新型涉及一种控制数字图像平均亮度的图像增强装置，尤其是涉及一种在数字图像对比度增强的过程中，控制该数字图像平均亮度的装置，应用于静止图像处理、视频图像增强等技术领域。

背景技术

每个数字图像都是由有限的像素值构成的，这些像素值在一定的离散值域内取值，典型的离散值域为[0，255]。但对于大部分的单个图像而言，其像素值的实际取值并没有取尽该离散值域内的全部值，并且其像素值的最大值BH低于255，而最小值BL高于0；也就是说，数字图像的实际像素值的取值区间是[BL，BH]，其取值范围BH-BL的值小于255。

因此将数字图像的实际像素值的取值区间[BL，BH]按预定的方法扩大，可增加数字图像的各个像素间的视觉距离，从而达到对比度增强的效果。但在很多的实际应用场合中，在要求增强图像的同时，也会使图像的平均亮度发生很大的变化，使其整体的视觉感受受到影响，因此要寻求一种在数字图像对比度增强的过程中控制该数字图像平均亮度的装置。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种控制数字图像平均亮度的图像增强装置，其简单有效，在数字图像对比度增强的过程中，可有效控制图像的平均亮度不发生大的变化，保持图像整体的视觉感受。

为达到上述目的，本实用新型提供一种控制数字图像平均亮度的图像增强装置，其包含：

一亮度累加器，该亮度累加器输入数字图像的亮度信号，并累计一帧的亮度和S；

一帧内最低亮度监测器，一帧内最高亮度监测器，一计算平均亮度的除法器，该帧内最低亮度监测器和帧内最高亮度监测器的输入端分别输入数字图像，并根据输入的数字图像的各个像素的亮度数值Xin，计算最高亮度BH和最低亮度BL；

该计算平均亮度的除法器的输入端连接亮度累加器的输出端，其根据亮度累加器的输出，计算数字图像的平均亮度BA；

一计算低位扩展的减法器，该计算低位扩展的减法器的输入端连接帧内最低亮度监测器和计算平均亮度的除法器的输出端，系统预设可以调整的图像亮度值域为[SL，SH]，该计算低位扩展的减法器计算低位扩展距离DL，即DL＝BA-SL；

一计算高位扩展的减法器，该计算高位扩展的减法器的输入端连接帧内最高亮度监测器的输出端，其计算高位扩展距离DH，即DH＝SH-BA；

一计算扩展系数的组合电路，该计算扩展系数的组合电路的输入端连接计算高位扩展的减法器、计算平均亮度的除法器、以及计算高位扩展的减法器的输出端，并计算线性扩展系数K： $K=\min (\frac{\mathrm{DL}}{|\mathrm{BA}-\mathrm{BL}|},\frac{\mathrm{DH}}{|\mathrm{BH}-\mathrm{BA}|},K_{\max }),$ 其中，K_max为预设的最大线性扩展系数；

一输出亮度的组合电路，其输入端连接计算平均亮度的除法器和计算扩展系数的组合电路的输出端，计算并定义得到增强后图像的各个像素的亮度值Xout：

Xout＝(Xin-BA)×K+BA

并对计算得到的Xout进行限定：当Xout的值大于SH时，则使Xout等于SH；当Xout的值小于SL时，则使Xout等于SL；

同时根据输入的图像性质，还原数字图像，若输入的是彩色图像，则还原彩色图像，若输入的是灰度图像，则还原灰度图像；

一帧存储器：该帧存储器用来顺序存储一帧输入的数字图像信号，并输出延迟了时间T(T为图像输入一帧所需时间)的数字图像信号。其可使用通用的同步动态随机存储器(SDRAM)。

进一步，本实用新型还包含连接于计算平均亮度的除法器和计算扩展系数的组合电路之间的平均亮度移动补偿模块，当图像处于暗场或亮场时，其最高亮度BH或最低亮度BL会抵近系统图像亮度的极值SH或SL，即DL＝BA-SL≈|BA-BL|或DH＝SH-BA≈|BH-BA|，由此会造成线性扩展系数K为零；因此可允许一定的平均亮度移动，使图像的最高亮度BH或最低亮度BL稍稍远离系统图像亮度的极值SH或SL，由此使图像得到更好的增强效果；平均亮度移动补偿模块用以计算平均亮度移动DB，并输出移动后的平均亮度BA’，DB＝[BA-(SH+SL)/2]×r，其中：r为一预设的恒定小数，故补偿后的图像平均亮度为BA’＝BA+DB；此时，计算扩展系数的组合电路计算得到的线性扩展系数K为： $K=\min (\frac{\mathrm{DL}}{{|\mathrm{BA}}^{\′-}\mathrm{BL}|},\frac{\mathrm{DH}}{|\mathrm{BH}-{\mathrm{BA}}^{\′}|},K_{\max });$ 输出亮度的组合电路输出的增强后图像的各个像素的亮度值Xout为：Xout＝(Xin-BA)×K+BA’，对计算得到的Xout进行限定：当Xout的值大于SH时，则使Xout等于SH；当Xout的值小于SL时，则使Xout等于SL。

当(SH-BH)＜DB时，平均亮度移动补偿模块定义DB＝SH-BH；当(BL-SL)＜(-DB)时，平均亮度移动补偿模块定义DB＝-(BL-SL)；由此可使得平均亮度移动避免损失图像在极亮区域和极暗区域的层次信息。

平均亮度移动补偿模块也可设定平均亮度移动DB＝[(SH-BH)-(BL-SL)]×r，其中：r为一预设的恒定小数；如此设定平均亮度移动DB，可根据图像亮度范围自适应调整亮度区域。

平均亮度移动补偿模块还对平均亮度移动DB进行阈值限制：当DB大于预先定义的某个常数DBC时，则使DB＝DBC。

输出亮度的组合电路还可使用映射表G映射得到并输出增强后图像的各个像素的亮度值Xout：将系统亮度值域离散化为N个阶，对应为L₀，L₁，...L_N-1，映射表G为带有N个下标的数组G[x]，x＝L₀，L₁，...L_N-1，则在平均亮度未补偿时：G[x]＝(x-BA)×K+BA，在平均亮度补偿时G[x]＝(x-BA)×K+BA’，于是得到Xout＝G[Xin]，使用映射表G映射得到增强后图像的各个像素的亮度值，在保证取得等效的图像增强效果的同时，还可节省处理带宽。

帧内最高亮度监测器使用典型最高亮度替代图像最高亮度BH，定义典型最高亮度BHT，在图像中亮度数值大于BHT的像素数占图像总像素数的比例等于预先定义的值CRH，该CRH为小于1的正小数。

帧内最低亮度监测器使用典型最低亮度替代图像最低亮度BL：定义典型最低亮度BLT，在图像中亮度数值小于BLT的像素数占图像总像素数的比例等于预先定义的值CRL，该CRL为小于1的正小数。

若是彩色数字图像，则亮度累加器按颜色模型抽取其中的亮度数值，该颜色模型可以是YUV颜色空间的Y值，YCbCr空间的Y值，HSV空间的V值，也可以是HSL空间的L值，或者它们的等效表达式。

在本实用新型中，结合使用帧/场间预测技术，将当前帧/场的最大/小亮度、典型最大/小亮度等的特征值应用到下一帧/场的对比度扩展，如此可节省存储空间。

本实用新型提供的控制数字图像平均亮度的图像增强装置，简单有效，在数字图像对比度增强的过程中，可有效控制图像的平均亮度不发生大的变化，保持图像整体的视觉感受。

附图说明

图1为本实用新型提供的控制数字图像平均亮度的图像增强装置的结构示意图；

图2为本实用新型提供的另一种控制数字图像平均亮度的图像增强装置的结构示意图；

图3为使用本实用新型后，对K_max的优化示意图。

具体实施方式

下面结合图1，图2，图3，说明本实用新型的一个具体实施例，以使进一步了解本实用新型的内容：

本实用新型提供了一种控制数字图像平均亮度的图像增强装置，如图1所示，其包含：

一亮度累加器1，该亮度累加器1的输入端输入数字图像，若是彩色数字图像，则该亮度累加器1按颜色模型抽取其中的亮度数值；若是灰度图像，则该亮度累加器1直接应用灰度信息作为亮度数值；

一帧内最低亮度监测器2，一帧内最高亮度监测器3，一计算平均亮度的除法器4，该帧内最低亮度监测器2和帧内最高亮度监测器的输入端3分别输入数字图像，并根据输入的数字图像的各个像素的亮度数值Xin，计算最高亮度BH和最低亮度BL；

该计算平均亮度的除法器4的输入端连接亮度累加器1的输出端，其根据亮度累加器1的输出，计算数字图像的平均亮度BA；

一计算低位扩展的减法器5，该计算低位扩展的减法器5的输入端连接帧内最低亮度监测器2和计算平均亮度的除法器4的输出端，系统预设图像亮度值域为[0，255]，也就是SL＝0，SH＝255，该计算低位扩展的减法器5计算低位扩展距离DL，即DL＝BA-SL；

一计算高位扩展的减法器6，该计算高位扩展的减法器6的输入端连接帧内最高亮度监测器3的输出端，其计算高位扩展距离DH，即DH＝SH-BA；

一计算扩展系数的组合电路7，该计算扩展系数的组合电路7的输入端连接计算高位扩展的减法器6、计算平均亮度的除法器4，以及计算高位扩展的减法器6的输出端，并计算线性扩展系数K：

$K=\min (\frac{\mathrm{DL}}{|\mathrm{BA}-\mathrm{BL}|},\frac{\mathrm{DH}}{|\mathrm{BH}-\mathrm{BA}|},K_{\max }),$ 其中，K_max为预设的最大线性扩展系数；

一输出亮度的组合电路8，其输入端连接计算平均亮度的除法器4和计算扩展系数的组合电路7的输出端，计算并定义得到增强后图像的各个像素的亮度值Xout：

Xout＝(Xin-BA)×K+BA

并对计算得到的Xout进行限定：当Xout的值大于SH时，则使Xout等于SH；当Xout的值小于SL时，则使Xout等于SL；

同时根据输入的图像性质，还原数字图像，若输入的是彩色图像，则还原彩色图像，若输入的是灰度图像，则还原灰度图像；

一帧存储器9：该帧存储器用来顺序存储一帧输入的数字图像信号，并输出延迟了时间T(T为图像输入一帧所需时间)的数字图像信号。其可使用通用的同步动态随机存储器(SDRAM)。

当图像处于暗场或亮场时，其最高亮度BH或最低亮度BL会抵近系统图像亮度的极值SH＝255或SL＝0，即DL＝BA-SL≈|BA-BL|或DH＝SH-BA≈|BH-BA|，由此会造成线性扩展系数K为0；因此可允许一定的平均亮度移动，使图像的最高亮度BH或最低亮度BL稍稍远离系统图像亮度的极值SH＝255或SL＝0，由此使图像得到更好的增强效果；故本实用新型还包含，连接于计算平均亮度的除法器4和计算扩展系数的组合电路7之间的平均亮度移动补偿模块41，如图2所示，该平均亮度移动补偿模块41设定平均亮度移动为DB，则DB＝[BA-(SH+SL)/2]×r，其中：r为一预设的恒定小数，故补偿后的图像平均亮度为BA’＝BA+DB；则计算扩展系数的组合电路7计算得到的线性扩展系数K为： $K=\min (\frac{\mathrm{DL}}{|{\mathrm{BA}}^{\′}-\mathrm{BL}|},\frac{\mathrm{DH}}{|\mathrm{BH}-{\mathrm{BA}}^{\′}|},K_{\max });$ 输出亮度的组合电路8输出的增强后图像的各个像素的亮度值Xout为：Xout＝(Xin-BA)×K+BA’，并对计算得到的Xout进行限定：当Xout的值大于SH时，则使Xout等于SH；当Xout的值小于SL时，则使Xout等于SL。

当(SH-BH)＜DB时，平均亮度移动补偿模块41定义DB＝SH-BH；当(BL-SL)＜(-DB)时，平均亮度移动补偿模块41定义DB＝-(BL-SL)；由此可使得平均亮度移动避免损失图像在极亮区域和极暗区域的层次信息。

平均亮度移动补偿模块41也可设定平均亮度移动DB＝[(SH-BH)-(BL-SL)]×r，其中：r为一预设的恒定小数；如此设定平均亮度移动DB，可根据图像亮度范围自适应调整亮度区域。

平均亮度移动补偿模块41对平均亮度移动DB进行阈值限制：当DB大于预先定义的某个常数DBC时，则使DB＝DBC。

K_max控制图像线性增强的幅度，其是恒定值，由于图像增强后的亮度域不能超过系统亮度值域，如图3所示，亮度域幅度变化对应曲线为曲线a，该曲线一阶导数非连续，故当输入序列图像的亮度域不断增大时，则增强后图像的亮度域会在后续序列中保持恒定；可对K_max进行优化设计来解决上述问题：K_max＝c×[2-(BH-BL)/(SH-SL)]，其中c为预定的恒值。由此得到优化后的亮度域幅度变化对应的曲线b，其解决了曲线a一阶导数非连续和亮度域恒定问题。

输出亮度的组合电路8还可使用映射表G映射得到增强后图像的各个像素的亮度值Xout：将系统亮度值域离散化为N个阶，对应为L₀，L₁，...L_N-1，映射表G为带有N个下标的数组G[x]，x＝L₀，L₁，...L_N-1，则在平均亮度未补偿时：G[x]＝(x-BA)×K+BA，在平均亮度补偿时G[x]＝(x-BA)×K+BA’，于是得到Xout＝G[Xin]，使用映射表G映射得到增强后图像的各个像素的亮度值，在保证取得等效的图像增强效果的同时，还可节省处理带宽。

视频图像或序列图像中图像的最高亮度可能因为人为叠加图像或其它原因而产生帧间突变，从而产生序列播放的闪烁视觉效应，故帧内最高亮度监测器3使用典型最高亮度替代图像最高亮度BH：定义典型最高亮度BHT，在图像中亮度数值大于BHT的像素数占图像总像素数的比例等于预先定义的值CRH，该CRH为小于1的正小数。

视频图像或序列图像中图像的最低亮度可能因为噪音或其它原因而产生帧间突变，从而产生序列播放的闪烁视觉效应，故帧内最低亮度监测器2使用典型最低亮度替代图像最低亮度BL：定义典型最低亮度BLT，在图像中亮度数值小于BLT的像素数占图像总像素数的比例等于预先定义的值CRL，该CRL为小于1的正小数。

若是彩色数字图像，则亮度累加器1按颜色模型抽取其中的亮度数值，该颜色模型可以是YUV颜色空间的Y值，YCbCr空间的Y值，HSV空间的V值，也可以是HSL空间的L值，或者它们的等效表达式。

在本实用新型中，结合使用帧/场间预测技术，将当前帧/场的最大/小亮度、典型最大/小亮度等的特征值应用到下一帧/场的对比度扩展，如此可节省存储空间。

本实用新型中，亮度累加器由一个加法器电路和一个寄存器组成。它在检测到帧同步信号(VSYNC)时开始为累加寄存器清零，输入亮度信号，当判断信号有效时就累加入相关寄存器。当判断一帧的像素统计完毕后，累加器输出是一帧图像的亮度和S。

帧内最低亮度检测器由一个比较器电路和一个寄存器组成。它在检测到帧同步信号(VSYNC)时开始为寄存器赋值最高亮度值SH，输入亮度信号，当比较器判断信号是否低于寄存器值，是则将Y存入寄存器，否则保持寄存器原值。

帧内最高亮度检测器由一个比较器电路和一个寄存器组成。它在检测到帧同步信号(VSYNC)时开始为寄存器赋值最低亮度值SL，输入亮度信号，当比较器判断信号是否高于寄存器值，是则将存入寄存器，否则保持寄存器原值。

计算扩展系数电路的组合电路实现公式 $K=\min (\frac{\mathrm{DL}}{|\mathrm{BA}-\mathrm{BL}|},\frac{\mathrm{DH}}{|\mathrm{BH}-\mathrm{BA}|},K_{\max }).$ 实现该公式使用了一个比较器电路、两个减法器电路和两个除法器电路。

输出亮度的组合电路实现公式Xout＝(Xin-BA)×K+BA。实现该公式使用了一个减法器电路、一个乘法器电路和个加法器电路。

帧存储器实现数字图像信号的存储和延迟，其使用通用的同步动态随机存储器(SDRAM)。

在本实用新型中，结合使用帧/场间预测技术，将当前帧/场的最大/小亮度、典型最大/小亮度等的特征值应用到下一帧/场的对比度扩展，如此可节省存储空间。

本实用新型提供的控制数字图像平均亮度的图像增强装置，简单有效，在数字图像对比度增强的过程中，可有效控制图像的平均亮度不发生大的变化，保持图像整体的视觉感受。

Claims (10)

1、一种控制数字图像平均亮度的图像增强装置，其包含：

一亮度累加器(1)，该亮度累加器(1)的输入端输入数字图像的亮度信号，并对输入的亮度进行累计，累计结果为亮度和S；

一帧内最低亮度监测器(2)，一帧内最高亮度监测器(3)，一计算平均亮度的除法器(4)，该帧内最低亮度监测器(2)和帧内最高亮度监测器(3)的输入端分别输入数字图像的亮度信号，并根据输入的数字图像的各个像素的亮度数值Xin，计算最高亮度BH和最低亮度BL；

该计算平均亮度的除法器(4)的输入端连接亮度累加器(1)的输出端，其根据亮度累加器(1)的输出，计算数字图像的平均亮度BA；

一计算低位扩展的减法器(5)，该计算低位扩展的减法器(5)的输入端连接帧内最低亮度监测器(2)和计算平均亮度的除法器(4)的输出端，系统预设可以调整的图像亮度值域为[SL，SH]，该计算低位扩展的减法器(5)计算低位扩展距离DL，即DL＝BA-SL；

一计算高位扩展的减法器(6)，该计算高位扩展的减法器(6)的输入端连接帧内最高亮度监测器(3)的输出端，其计算高位扩展距离DH，即DH＝SH-BA；

一计算扩展系数的组合电路(7)，该计算扩展系数的组合电路(7)的输入端连接计算高位扩展的减法器(6)、计算平均亮度的除法器(4)，以及计算高位扩展的减法器(6)的输出端，并计算线性扩展系数K： $(\frac{\mathrm{DL}}{|\mathrm{BA}-\mathrm{BL}|},\frac{\mathrm{DH}}{|\mathrm{BH}-\mathrm{BA}|},K_{\max }),$ 其中，Kmax为预设的最大线性扩展系数；

一输出亮度的组合电路(8)，其输入端连接计算平均亮度的除法器(4)和计算扩展系数的组合电路(7)的输出端，计算并定义得到增强后图像的各个像素的亮度值Xout：

Xout＝(Xin-BA)×K+BA

并对计算得到的Xout进行限定：当Xout的值大于SH时，则使Xout等于SH；当Xout的值小于SL时，则使Xout等于SL；

同时根据输入的图像性质，还原数字图像，若输入的是彩色图像，则还原彩色图像，若输入的是灰度图像，则还原灰度图像；

一帧存储器(9)：该帧存储器用来顺序存储一帧输入的数字图像信号，并输出延迟了时间T的数字图像信号Xin到输出亮度的组合电路(8)，T为图像输入一帧所需时间。

2、如权利要求1所述的控制数字图像平均亮度的图像增强装置，其特征在于，还包含连接于计算平均亮度的除法器(4)和计算扩展系数的组合电路(7)之间的平均亮度移动补偿模块(41)；

平均亮度移动补偿模块(41)用以计算平均亮度移动DB，DB＝[BA-(SH+SL)/2]×r，其中：r为一预设的恒定小数，故补偿后的图像平均亮度为BA’＝BA+DB；

计算扩展系数的组合电路(7)计算得到的线性扩展系数K为：

$K=\min (\frac{\mathrm{DL}}{|{\mathrm{BA}}^{\′}-\mathrm{BL}|},\frac{\mathrm{DH}}{|\mathrm{BH}-{\mathrm{BA}}^{\′}|},K_{\max });$

输出亮度的组合电路(8)输出的增强后图像的各个像素的亮度值Xout为：Xout＝(Xin-BA)×K+BA’，并对计算得到的Xout进行限定：当Xout的值大于SH时，则使Xout等于SH；当Xout的值小于SL时，则使Xout等于SL。

3、如权利要求2所述的控制数字图像平均亮度的图像增强装置，其特征在于，当(SH-BH)＜DB时，平均亮度移动补偿模块(41)定义DB＝SH-BH；当(BL-SL)＜(-DB)时，平均亮度移动补偿模块(41)定义DB＝-(BL-SL)；使平均亮度移动避免损失图像在极亮区域和极暗区域的层次信息。

4、如权利要求3所述的控制数字图像平均亮度的图像增强装置，其特征在于，平均亮度移动补偿模块(41)可设定平均亮度移动DB＝[(SH-BH)-(BL-SL)]×r，其中：r为一预设的恒定小数；如此设定平均亮度移动DB，可根据图像亮度范围自适应调整亮度区域。

5、如权利要求3所述的控制数字图像平均亮度的图像增强装置，其特征在于，平均亮度移动补偿模块(41)还对平均亮度移动DB进行阈值限制：当DB大于预先定义的某个常数DBC时，则使DB＝DBC。

6、如权利要求3所述的控制数字图像平均亮度的图像增强装置，其特征在于，输出亮度的组合电路(8)还可使用映射表G映射得到并输出增强后图像的各个像素的亮度值Xout：将系统亮度值域离散化为N个阶，对应为L0，L1，...LN-1，映射表G为带有N个下标的数组G[x]，x＝L0，L1，...LN-1，则在平均亮度未补偿时：G[x]＝(x-BA)×K+BA，在平均亮度补偿时G[x]＝(x-BA)×K+BA’，得到Xout＝G[Xin]。

7、如权利要求3所述的控制数字图像平均亮度的图像增强装置，其特征在于，帧内最高亮度监测器(3)使用典型最高亮度替代图像最高亮度BH：定义典型最高亮度BHT，在图像中亮度数值大于BHT的像素数占图像总像素数的比例等于预先定义的值CRH，该CRH为小于1的正小数。

8、如权利要求3所述的控制数字图像平均亮度的图像增强装置，其特征在于，帧内最低亮度监测器(2)使用典型最低亮度替代图像最低亮度BL：定义典型最低亮度BLT，在图像中亮度数值小于BLT的像素数占图像总像素数的比例等于预先定义的值CRL，该CRL为小于1的正小数。

9、如权利要求1所述的控制数字图像平均亮度的图像增强装置，其特征在于，对于输入的亮度信号，若是灰度数字图像，则直接使用灰度数值做亮度信号；若是彩色数字图像，则按颜色模型抽取其中的亮度数值作为亮度信号，该颜色模型可以是YUV颜色空间的Y值，YCbCr空间的Y值，HSV空间的V值，也可以是HSL空间的L值，或者它们的等效表达式。

10、如权利要求1所述的控制数字图像平均亮度的图像增强装置，其特征在于，帧存储器(9)是通用的同步动态随机存储器。

Images