DE68921106T2

DE68921106T2 - Digitales Verfahren und System zur Bildveränderung.

Info

Publication number: DE68921106T2
Application number: DE68921106T
Authority: DE
Inventors: Jacques Paulin
Original assignee: Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1988-07-01
Filing date: 1989-06-26
Publication date: 1995-09-07
Anticipated expiration: 2009-06-27
Also published as: EP0349075A1; JPH0245885A; FR2633746A1; DE68921106D1; EP0349075B1; US4999711A

Description

DIGITALES VERFAHREN ZUR BILDVERÄNDERUNG

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein digitales Verfahren zur Bildveränderung, um ein Ausgangsbild aus einem Eingangsbild zu erhalten, das durch eine Menge von Bildelementen - oder Pixeln - festgelegt wird, wobei jedes Pixel mindestens einen digitalen Wert umfaßt, der die Graustufe des Elements aus einer Menge möglicher Graustufenwerte festlegt, wobei dieses Verfahren folgendes umfaßt:
- Eine erste Phase zur Festlegung des Histogramms zur Darstellung der prozentualen Verteilung der Graustufen der Pixel des Eingangsbildes;
- Eine zweite Phase, um anhand der Verteilungsmerkmale des Histogramms eine Funktion festzulegen, die die Entsprechung zwischen den Graustufen des Eingangs und des Ausgangs wiedergibt;
- Eine dritte Phase, um das Ausgangsbild aus den Pixeln des Eingangsbildes und der Entsprechungsfunktion zu erzeugen, wobei diese letztere darin besteht, jene Pixel zu 'kappen', die extreme Graustufen aufweisen, und dann linear die Graustufen der restlichen Pixel neu zu verteilen, wobei dieses Kappen nach Anspruch 1 erfolgt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ebenfalls ein digitales System nach Anspruch 7, um dieses Verfahren umzusetzen.
Das vorliegende Verfahren findet auf Bilder mit schwachem Kontrast Anwendung, vor allem auf Infrarotbilder, deren geringe Dynamik innerhalb der Luminanzskala bekannt ist. Das Histogramm eines digitalisierten Bildes mit geringem Kontrast belegt lediglich einen kleinen Teil der zur Verfügung stehenden Graustufen.
Im Hinblick auf eine Kontrastverstärkung ist es bekannt, nach Kappen der Extremwerte eine lineare Neuverteilung der Graustufen des Eingangsbildes über sämtliche zur Verfügung stehenden Graustufen vorzunehmen; diese Methode weist jedoch mindestens zwei Nachteile auf, da festgestellt wurde, daß zum ersten auch im Falle eines eher weitgestreckten Eingangs-Histogramms dennoch eine Kontrastzunahme auftritt, die überflüssig und zuweilen nachteilig ist, und daß zum zweiten im Falle bestimmter Bilder, die kleine heiße Gegenstände vor grauem Hintergrund enthalten, das Kappen eines vorher festgelegten Prozentsatzes der extremwertigen Pixel dazu führt, daß diese kleinen Gegenstände verschwinden, daß also genau das Gegenteil des angestrebten Ziels eintritt.
Die vorliegende Erfindung bezweckt, diese Nachteile zu eliminieren.
Nach der vorliegenden Erfindung ist ein digitales Verfahren zur Bildveränderung insoweit besonders bemerkenswert, als das Kappen der extremen Pixel ausgehend von einem spezifischen Eingangs-Graustufenwert für jedes Bild erfolgt, der während der erwähnten zweiten Phase festgelegt wird, wobei dieser Wert im Hinblick darauf gewählt wird, daß die Graustufe einer signifikanten Neigungsänderung der Kurve des Histogramms entspricht, wobei diese Neigungsänderung zwischen einem kumulierten ersten und zweiten Prozentsatz liegt, der zuvor auf einen Wert der Graustufe festgelegt wurde, bei dem eine Änderung des kumulierten Prozentsatzes um 0,5 % mindestens das Überschreiten von 5 Graustufen bei einer Graustufenskala mit 128 zur Verfügung stehenden Werten erfordert.
Ein solches Verfahren nutzt das Histogramm des Ursprungsbildes feiner aus, da aufgrund der Tatsache, daß der Kappwert sich von Bild zu Bild ändert, die kleinen heißen Gegenstände nicht untergehen. Die Suche nach dem Punkt, an dem die Neigungsänderung im Histogramm eintritt, ist in diesem Zusammenhang sehr bedeutsam; der Wert der Neigungsänderung zur Durchführung des Kappvorgangs ist vorteilhafterweise unter jenen Grauwerten zu suchen, die zwischen zwei kumulierten Prozentsätzen, vor allem 5% und 1 %, liegen, wobei die entsprechende Suche in Form von Schritten zu jeweils 0,5% erfolgen kann, um im Falle von 128 verfügbaren Graustufen das Überschreiten von mindestens 5 Graustufen aufzufinden, das im Hinblick auf eine Neigung, die ausreicht, um dem angestrebten Ziel zu entsprechen, statistisch signifikant ist.
Darüberhinaus werden bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mindestens die Eingangs-Pixel eines der Extremwerte anhand einer Übertragungsfunktion wiedergegeben, die den Kontrast verstarkt.
Bei den bekannten Verfahren wurde der Kontrast der extremen, gekappten Pixel nicht wiedergegeben, und zwar ganz einfach in der Absicht, den Kontrast des Gesamtbildes dadurch zu betonen, daß die Neigung der rein linearen Übertragungsfunktion verstarkt wurde. Hier kann man den Vorteil, den die vorliegende Erfindung bietet, gut erkennen, die im wesentlichen nicht darauf abzielt, den Kontrast des gesamten Bildes zu betonen, sondern die sich darum bemüht - auch auf Kosten einer leichten Kontrasteinbuße bei den Pixeln mit mittleren Graustufen -, den Kontrast der extremen Graustufen stark zu betonen; das gesuchte Ziel besteht in der Beibehaltung des Informationsgehaltes des Bildes, wobei dieser Gehalt häufig aus den Pixeln mit extremen Graustufen herrührt.
Je nach dem Typ des Bildes kann man wählen, ob entweder ein einziger Extremwert - heiß oder kalt - oder beide Extremwerte wiedergegeben werden sollen.
Im Falle von Infrarotbildern ist es vorzuziehen, lediglich den Kontrast der heißen - also der leuchtenden - Gegenstände zu verstärken; in der Tat sind vor allem bei militärischen Anwendungen (Beispiel: Nachtsichtgeräte; Nebel, usw.) die kleinen heißen Gegenstände die interessantesten, also zum Beispiel ein Infanterist oder das Rohr einer soeben abgefeuerten Kanone, usw.
Eine Übertragungsfunktion, die von Vorteil ist, um den Kontrast zu verstärken, ist die Quadratwurzelfunktion; in der Tat läßt sie sich in einem Rechner leicht programmieren.
Allgemein bietet das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil einer erheblichen Verbesserung der Bilder mit geringem Kontrast, ohne gleichzeitig jene Bilder zu beeinträchtigen, bei denen der Kontrast zufriedenstellend ist.
Darüberhinaus ist die Umsetzung der Erfindung ausreichend einfach, so daß sie für einen Einsatz in "Echtzeit" geeignet ist, also in einer Kamera oder einem Sichtglas; in diesem Falle tauchen ja die aufeinanderfolgenden Bilder mit einer ziemlich hohen Taktfrequenz auf, und die Berechnungen, die das Verfahren erfordert, dürfen keine zu hohe Verzögerung verursachen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Figur 1a und 1b bekannte Übertragungsfunktionen;
Figur 2, 2a und 2b erfindungsgemäße Übertragungsfunktionen;
Figur 3 einen Extrembereich des Histogramms.
Figur 1 und Figur 2 sind jeweils auf gleiche Weise wie folgt dargestellt:
- Die waagerechte Achse GE entspricht der Skala der Graustufen am Eingang, wobei sich der Gesamtbereich der möglichen Stufen von 0 bis PT erstreckt.
- Die senkrechte Achse GS entspricht der Skala der Graustufen am Ausgang, wobei die möglichen Stufen ebenfalls von 0 bis PT reichen.
- Als Beispiel zeigen die drei Figuren jeweils ein identisches Eingangs- Histogramm HE, um aufzuzeigen, daß man mit unterschiedlichen Übertragungsfünktionen Fxx auch unterschiedliche Ausgangs-Histogramme HSxx erhält.
- Das Histogramm HE zeigt nur einen schwachen Kontrast, da es aus der Gesamtmenge der möglichen Werte lediglich einen kleinen Bereich PP benutzt;
- Für jeden Graustufenwert 'i' weist ein Eingangsbild eine Anzahl 'ni' von Pixeln auf, die diesem Wert entsprechen; wenn das Bild zum Beispiel 512 x 512 = 262. 144 Pixel aufweist und wenn es 128 mögliche Graustufen gibt, so ist klar, daß die Summe der 'ni' dann, wenn 'i' von 1 bis 128 läuft, insgesamt 262. 144 ausmacht; dies ist durch den schraffierten Bereich in Figur 1a dargestellt.
In Figur 1a wird eine erste bekannte Übertragungsfunktion FC1 dargestellt; die Gerade FC1 legt eine Ausgangs-Graustufe 'j' fest, die jeder Eingangs-Graustufe 'i' entspricht; das Histogramm HSC1 des entstehenden Ausgangsbildes ist hierbei zur Erläuterung dargestellt, obwohl bei dem dargelegten Verfahren das Ausgangs- Histogramm nicht als solches erzeugt wird.
In Figur 1b wird eine zweite bekannte Übertragungsfunktion FC2 dargestellt; die Endflächen des Histogramms sind schraffiert; die entsprechenden Pixel des Eingangsbildes wurden gekappt und durch die entsprechenden extremen Graustufen wiedergegeben; der gesamte Prozentsatz der gekappten extremen Pixel liegt bei wenigen Prozent, zum Beispiel bei 5 %; daraus geht hervor, daß die Neigung der Geraden FC2 über der Neigung der Geraden FC1 liegt und daß daher das Ausgangsbild einen noch stärkeren Kontrast als das Eingangsbild aufweist; ebenfalls wurde das Ausgangs-Histogramm HSC2 dargestellt.
Figur 2 zeigt eine erfindungsgemäße Übertragungsfunktion FI.
Diese Übertragungsfunktion FI besteht aus drei Teilen:
- Ein geradliniger Abschnitt EC liegt zwischen den Punkten 0 und GB; dieser Teil entspricht dem Kappen der niedrigen Graustufen.
- Ein weiterer geradliniger Abschnitt DI liegt zwischen zwei Werten der Graustufen des Eingangsbildes, und zwar zwischen dem unteren Wert 'GB' und dem oberen Wert 'GO'.
- Ein gekrümmter Abschnitt RCI liegt zwischen dem Wert 'GO' und dem Maximalwert PT; die Kurve RCI ist so beschaffen, daß sie den Kontrast für die betroffenen Pixel erhöht; so entspricht sie zum Beispiel einer Kurve vom Typ der 'Quadratwuzelfunktion, was im Hinblick auf die Einfachheit der Berechnungen im binären Modus vorteilhaft ist.
Die Gerade DI wird durch die beiden Punkte GB und GA festgelegt; der Punkt GB liegt auf der waagerechten Achse, und der Punkt GA liegt auf der Neigungs-Diagonale, die 1 entspricht, also auf der neutralen Transformationsgeraden.
Die Graustufen des Eingangs GB und GO werden wie nachstehend anhand der Figur 3 beschrieben festgelegt; zunächst zählt man jene 5 % der Eingangs-Pixel ab, die die stärkste Luminanz aufweisen, bei denen also die Graustufen besonders hoch sind; hierdurch bestimmt sich die Graustufe G5; bei dem schon angegebenen Zahlenbeispiel entsprechen 5% Pixel insgesamt 5% von 262.144, also 13.107 Pixel. Ausgehend von diesem Wert GS stellt man fest, wieviele Graustufen überschritten werden müssen, um die Anzahl der Pixel 0,5% (also um 1.311 Pixel) zu verringern; dies bedeutet, daß man nach einer signifikanten Änderung der Neigung innerhalb der Kurve des Histogramms sucht; sofern es 128 mögliche Graustufen gibt, so kann das Überschreiten von 5 Stufen als eine signifikante Änderung der Neigung für den hier betrachteten Fall der Infrarotbilder angesehen werden; wenn man somit beim Übergang von 5% auf 4,5% nicht mehr als 5 Stufen überschreitet, so wird der Vorgang zwischen 4,5% und 4% in Form von 0,5%-Schritten wiederholt, bis man den gesuchten Wert GO findet; wenn bei Eintreffen am Punkt G1, der 1 % der Pixel entspricht, ein Überschreiten von mehr als 5 Stufen nicht gefunden wurde, so nimmt man G1 als Wert für den Kappvorgang; in dem hier betrachteten allgemeinen Fall eines Infrarotbildes mit geringem Kontrast wird der Punkt GO zwischen dem Wert G5 (5 %) und dem Wert G1(1 %) der Graustufen gefunden; ausgehend von GO wird der auf der Diagonale - wie oben angegeben - liegende Punkt GA bestimmt.
Der Punkt GB wird auf eine ähnliche Art und Weise bestimmt, indem man die weniger leuchtkräftigen Pixel betrachtet und indem man auf gleiche Weise nach einer signifikanten Änderung der Neigung - zwischen 5 % und 1 % - der weniger leuchtkräffigen Pixel sucht.
In Figur 2 liefert die dargestellte Übertragungsfunktion ein Ausgangsbild, das wie folgt zusammengesetzt ist:
- Die Eingangs-Pixel, die unter GB liegen, werden mit der geringsten Graustufe wiedergegeben;
- Die Eingangs-Pixel, die zwischen GB und GO liegen, werden anhand jener Transformation wiedergegeben, die durch die Gerade DI festgelegt wird;
- Die Eingangs-Pixel zwischen GO und PT werden anhand der durch die Kurve RCI festgelegten Transformation wiedergegeben; hierbei handelt es sich typischerweise um eine Quadratwurzel.
Die auf diese Art und Weise festgelegte gesamte Übertragungsfunktion FI entspricht einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform; es sind jedoch auch andere Vaaianten möglich:
- In Figur 2a wurde die Quadratwurzelfunktion ganz einfach umgekehrt (FII), und dadurch wird bei den Pixeln mit der geringsten Luminanz der Kontrast erhöht.
- In Figur 2b (FIS) wurde die Quadratwurzelfunktion an den beiden Extrempunkten eingeführt; dies führt zu einer Erhöhung des Kontrastes sowohl für die schwarzen wie für die weißen Gegenstände; im Gegenzug dafür werden die mittleren Pixel nicht verändert, da der gerade Abschnitt in diesem Falle die neutrale Transformation entlang der Diagonale bildet.
Unabhängig von der gewählten Variante der Transformierungsfunktion stellt ihre Implementierung in einem statischen System kein Problem dar; ein solches System muß offensichtlich mindestens einen Speicher zum Speichern des Eingangsbildes, Verarbeitungsmittel, um (statisch) die einzelnen Phasen des Verfahrens auszuführen, und einen Speicher, um das Ausgangsbild zu speichern, umfassen.
Bei einem dynamischen System (das auch als "Echtzeitsystem" bezeichnet wird) ist es genauso einsehbar, daß das System darüberhinaus zum einen eine Fernsehkamera und einen Analog-/Digital-Umsetzer zum Liefern des Eingangsbildes sowie andererseits einen Digital-/Analog-Umsetzer und Anzeigemittel für die Darstellung des Ausgangsbildes umfaßt; ein solches dynamisches System funktioniert auf eine bekannte Art und Weise mit der Fernsehfrequenz, also mit 25 Bildern pro Sekunde; derartige Infrarotkameras sind dem Fachmann bekannt, der auch weiß, daß - abhängig von den Verarbeitungszeiten - die Ausgangsbilder mit einer leichten Verzögerung in einer Größenordnung von 1 oder 2 Bildern dargestellt werden, wobei dies jedoch keinen Nachteil bedeutet; wie oben schon ausgeführt, erfolgt die Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausreichend schnell, um keine zusätzlichen Verzögerungen eintreten zu lassen, und die Anwendung dieses Verfahrens innerhalb eines Systems stellt für den Fachmann keine Schwierigkeit dar.
Alternativ dazu können die Eingangsbilder auch durch ein Magnetaufzeichnungsgerät oder durch ein beliebiges sonstiges geeignetes Hilfsmittel geliefert werden; die Ausgangsbilder können auf einem Bildschirm angezeigt undloder auf einem geeigneten Träger gespeichert werden.

Claims

1. Digitales Verfahren zur Bildveränderung, um ein Ausgangsbild aus einem Eingangsbild zu erhalten, das durch eine Menge von Bildelementen - oder Pixeln -festgelegt wird, wobei jedes Pixel mindestens einen digitalen Wert umfaßt, der seine Graustufe aus einer Menge möglicher Graustufenwerte festlegt, wobei dieses Verfahren folgendes umfaßt:

- Eine erste Phase zur Festlegung des Histogramms zur Darstellung der prozentualen Verteilung der Graustufen der Pixel des Eingangsbildes;

- Eine zweite Phase, um anhand der Verteilungsmerkmale des Histogramms eine Funktion festzulegen, die die Entsprechung zwischen den Graustufen des Eingangs und des Ausgangs wiedergibt;

- Eine dritte Phase, um das Ausgangsbild aus den Pixeln des Eingangsbildes und der Entsprechungsfunktion zu erzeugen, wobei diese letztere darin besteht, jene Pixel zu 'kappen', die extreme Graustufen aufweisen, und dann linear die Graustufen der restlichen Pixel neu zu verteilen, dadurch gekennzeichnet, daß das Kappen der extremen Pixel ausgehend von einem spezifischen Eingangs-Graustufenwert für jedes Bild erfolgt, der während der zweiten Phase festgelegt wird, wobei dieser Wert im Hinblick darauf gewählt wird, daß die Graustufe einer signifikanten Neigungsänderung der Kurve des Histogramms entspricht, wobei diese Neigungsänderung zwischen einem kumulierten ersten und zweiten Prozentsatz liegt, der zuvor auf einen Wert der Graustufe festgelegt wurde, bei dem eine Änderung des kumulierten Prozentsatzes um 0,5 % mindestens das Überschreiten von 5 Graustufen bei einer Graustufenskala mit 128 zur Verfügung stehenden Werten erfordert.

2. Digitales Verfahren zur Bildveränderung nach Anspruch 1, wobei die extremen Graustufen entweder leuchtend oder schwarz vorliegen, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die Eingangs-Pixel eines der Extremwerte gemäß einer Übertragungsfunktion wiedergegeben werden, die den Kontrast verstärkt.

3. Digitales Verfahren zur Bildveränderung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangs-Pixel der beiden Extremwerte gemäß einer Übertragungsfünktion wiedergegeben werden, die den Kontrast verstärkt.

4. Digitales Verfahren zur Bildveränderung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der kontrastverstärkenden Übertragungsfunktion um die "Quadratwurzel" -Funktion handelt.

5. Digitales Verfahren zur Bildveränderung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der kumulierte und vorherbestimmte erste und zweite Prozentsatz 5 % und 1 % beträgt.

6. Digitales Verfahren zur Bildveränderung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert der Graustufe auf den Wert festgelegt wird, der 1 % entspricht, sofern die Überschreitung nicht zwischen 5 % und 1 % gefunden wurde.

7. Digitales System zur Bildveränderung, um ein Ausgangsbild aus einem durch eine Menge von Bildelementen (oder Pixeln) festgelegten Eingangsbild zu erhalten, wobei jedes Pixel mindestens einen digitalen Wert umfaßt, der seine Graustufe aus einer Gesamtmenge möglicher Werte festlegt, wobei dieses System folgendes umfaßt:

- Mittel zum Erzeugen des Histogramms, das die prozentuale Verteilung der Graustufen der Pixel des Eingangsbildes darstellt;

- Mittel, um aus den Verteilungsmerkmalen des Histogramms eine Funktion für die Entsprechungen zwischen den Graustufen des Eingangs und des Ausgangs zu erstellen;

- Mittel zum Erzeugen des Ausgangsbildes anhand der Pixel des Eingangsbildes und der Entsprechungsfunktion, wobei diese Funktion darin besteht, jene Pixel zu kappen, die extreme Graustufen aufweisen, und die Graustufen der restlichen Pixel linear neuzuverteilen, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Mittel umfassen, um das Kappen der extremen Pixel anhand eines für jedes Bild spezifischen Eingangs-Graustufenwerts vorzunehmen, der während der zweiten Phase bestimmt wird, wobei dieser Wert so gewählt wird, daß die Graustufe einer signifikanten Änderung der Neigung der Kurve des Histogramms entspricht, und wobei diese Änderung der Neigung zwischen einem ersten und einem zweiten Prozentsatz liegt, die kumuliert und auf einen Graustufenwert vorherbestimmt werden, bei dem eine Änderung des kumulierten Prozentsatzes um 0,5% mindestens das Überschreiten von 5 Graustufen bei einer Grauwertskala, die 128 verfügbare Werte umfaßt, erfordert.