DE69823251T2 - Verfahren zur Histogramm- und Verteilungsfunktionerzeugung in einer Bildverarbeitungsvorrichtung - Google Patents

Verfahren zur Histogramm- und Verteilungsfunktionerzeugung in einer Bildverarbeitungsvorrichtung Download PDF

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    • G06T5/40—Image enhancement or restoration by the use of histogram techniques
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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Extrahieren eines Histogramms und einer kumulativen Verteilungsfunktion (CDF) für eine Bildverbesserungsvorrichtung und eine Schaltung dafür und insbesondere eine einfache Extraktionsschaltung mit einer integrierten Struktur, die die Extraktionsperioden für ein Histogramm und einer CDF unter Verwendung eines Speichers steuert, und ein Verfahren dafür.
  • Histogrammausgleichung beinhaltet das Umwandeln eines gegebenen Eingangsbildes auf der Basis des Histogramms des Eingangsbildes. Das Histogramm ist hier eine Verteilung von Graustufen in einem gegebenen Eingangsbild. Das Histogramm der Graustufen liefert die ganze Darstellung des Aussehens eines Bildes. Durch geeignetes Einstellen der Graustufen entsprechend der Häufigkeitsverteilung eines Bildes wird das Aussehen oder der Kontrast des Bildes verbessert.
  • Histogrammausgleichung als ein Verfahren zum Steigern des Kontrasts eines gegebenen Bildes entsprechend einer Häufigkeitsverteilung des Bildes ist unter vielen Verfahren zur Kontraststeigerung das am besten bekannte Verfahren gewesen und wird in den folgenden Dokumenten offenbart: J. S. Lim, "Two-Dimensional Signal and Image Processing", Prentice Hall, Eaglewood Cliffs, New Jersey, 1990; R. C. Gonzales and P. Wints, "Digital Image Processing", Addison Weseley, Reading, Massachusetts, 1977, und Pratt: "Digital Image Processing", John Wiley & Sons, Abschnitt 12.2, Seiten 311–318.
  • Ein solches Verfahren, das das Histogramm eines gegebenen Bildes verwendet, ist auf verschiedene Gebiete wie medizinische Bildverarbeitung, Infrarot-Bildverarbeitung, Radar-Bildverarbeitung usw. vorteilhaft angewandt worden.
  • 1 zeigt eine herkömmliche Bildverbesserungsvorrichtung, die einen Histogrammausgleicher verwendet, um den Kontrast eines Bildes zu verbessern. Da die herkömmliche Bildverbesserungsvorrichtung in US-Patent Nr. 5,388,168, erteilt an Hirohiko Sakashita et al. am 7. Februar 1995, offenbart wurde, wird sie hier nur kurz beschrieben.
  • Wie in 1 gezeigt, empfängt eine kumulative Histogrammschaltung 10 ein digitales Eingangs-Luminanzsignal Y und gewinnt kumulative Histogramme M64, M128 und M192. Eine Latch-Schaltung 20 speichert vorübergend die durch die kumulative Histogrammschaltung 10 gewonnenen Histogramme M64, M128 und M192. Die gewonnenen Histogramme werden behalten, bis die kumulative Histogrammschaltung 10 die nachfolgenden Histogramme gewinnt und deren Ergebnis ausgibt. Eine Interpolationsschaltung 30 interpoliert in Echtzeit das neue Eingangs-Luminanzsignal Y auf der Basis der durch die kumulative Histogrammschaltung 10 vorher gewonnenen kumulativen Histogramme M64, M128 und M192, um das neue Eingangs-Luminanzsignal zu korrieren, und gibt dann das entstandene Signal aus.
  • 2 ist ein Blockschaltbild der in 1 gezeigten kumulativen Histogrammschaltung 10. Gemäß 2 hat die herkömmliche kumulative Histogrammschaltung 10 eine integrierte Struktur, wo Histogramm und kumulative Verteilungsfunktion (CDF) gemeinsam extrahiert werden. Das heißt, die herkömmliche kumulative Histogrammschaltung 10 enthält Komparatoren 11 bis 13 zum Vergleichen des Eingangs-Luminanzsignals Y mit Bezugspegeln 64, 128 und 192 und Zähler 14 bis 16, die entsprechend den Ausgängen der Komparatoren 11 bis 13 zählen und durch ein Rückstellsignal CLR zurückgesetzt werden.
  • Der erste Komparator 11 vergleicht das Eingangs-Luminanzsignal Y mit dem ersten Bezugspegel 64, und der erste Zähler 14 wird erhöht, wenn der Wert des Eingangs-Luminanzsignals kleiner als der erste Bezugspegel 64 ist. Der zweite Komparator 12 vergleicht das Eingangs-Luminanzsignal Y mit dem zweiten Bezugspegel 128, und der zweite Zähler 15 wird erhöht, wenn der Wert des Eingangs-Luminanzsignals kleiner als der zweite Bezugspegel 128 ist. Der dritte Komparator 13 vergleicht das Eingangs-Luminanzsignal Y mit dem dritten Bezugspegel 192, und der dritte Zähler 16 wird erhöht, wenn der Wert des Eingangs-Luminanzsignals kleiner als der dritte Bezugspegel 192 ist. Angenommen, dass der Wert des Eingangs-Luminanzsignals 100 ist, dann geben der zweite und dritte Komparator 12 und 13 jeweils ein logisches Hoch aus, Der zweite und dritte Zähler 15 und 16 erhöhen daher ihre Zählwerte jeweils um eins. Angenommen, dass der Wert des Eingangs-Luminanzsignals Y 32 ist, dann geben der erste bis dritte Komparator 11 bis 13 alle logisch Hoch aus, und der erste bis dritte Zähler 14 bis 16 erhöhen alle ihre Zählwerte um eins. Durch den obigen Prozess wird die Verteilung von Graustufen eines Eingangsbildes extrahiert.
  • Zur Bequemlichkeit der Erklärung hat die in 2 gezeigte kumulative Histogrammschaltung 10 ein 8-Bit digital codiertes Eingangs-Luminanzsignal mit einem Wert, der von 0 bis 255 reicht, und benötigt nur drei Zähler und Komparatoren durch Festlegen von drei Vergleichspegeln 64, 128 und 192. In der Praxis muss die kumulative Histogrammschaltung 10 jedoch mehr Vergleichspegel haben. Wenn z. B. die Zahl von Vergleichspegeln als 32 festgelegt wird, z. B. 8, 16, 24, 32, 40,..., 240 und 248, dann muss die Zahl von Komparatoren und Zählern ebenfalls auf 32 erhöht werden. Die Größe der benötigten Hardware nimmt daher zu. Da außerdem das Eingangs-Luminanzsignal gleichzeitig in die Vielzahl von Komparatoren, de ren Anzahl der Zahl von Vergleichspegeln entspricht, eingegeben wird, kann ein Problem, z. B. ein Fan-In-Phänomen, erzeugt werden. Außerdem, wenn das Eingangs-Luminanzsignal einen sehr kleinen Wert hat, werden alle Komparatoren freigegeben, und die mit der Vielzahl von Komparatoren kombinierten Zähler arbeiten daher ebenfalls gleichzeitig. Der Leistungsverbrauch wird daher infolge der vielen Zähloperationen erhöht. Außerdem ist die Zahl von Komparatoren und Zählern, die abhängig von dem Pegel des Eingangs-Luminanzsignals arbeiten, begrenzt, was den Leistungsverbrauch unregelmäßig macht.
  • Dokument D1, "IC Builds Real-Time Histogram and Saves Hardware", EDN Electrical Design News, Vol. 37, Nr. 18, 13. September 1992, Seiten 100, 102, offenbart ein Histogramm/CDF-Extraktionsverfahren und Schaltung entsprechend dem Oberbegriffsabschnitt von Anspruch 1 und 3.
  • EP-A-0342549 offenbart ein Bildverarbeitungsverfahren und Schaltung mit einer Dichteumwandlungstabelle, die angibt, in welche Dichten jede Dichte eines Bildpixels umzuwandeln ist, und wie viele Pixeln umzuwandeln sind. Die Dichten werden in die Adresses eines Rahmenspeichers geschrieben, aus dem die eingegebenen Pixeldaten ausgelesen werden, um so ein Bildhistogramm zu erzeugen.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein vereinfachtes Extraktionsverfahren und Schaltung bereitzustellen, mit denen die Größe des Speichers reduziert werden kann. Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand von Anspruch 1 bzw. 3 erfüllt.
  • Die obige Aufgabe und die Vorteile der vorliegenden Erfindung werden ersichtlicher werden, indem bevorzugte Ausführungen derselben mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben werden. Inhalt der Zeichnungen:
  • 1 ist ein Blockschaltbild einer herkömmlichen Bildverbesserungsvorrichtung.
  • 2 ist ein Blockschaltbild der in 1 gezeigten kumulativen Histogrammschattung.
  • 3 ist ein Schaltbild einer Ausführung einer erfindungsgemäßen Histogramm/CDF-Extraktionsschaltung.
  • 4A bis 4D sind Zeitdarstellungen, die die Arbeitsweise der in 3 gezeigten Schaltung bei der Histogramm-Extraktion zeigen.
  • 5A bis 5F sind Zeitdarstellungen, die die Arbeitsweise der in 3 gezeigten Schaltung bei der CDF-Extraktion zeigen.
  • 6A ist eine Grafik, die das Histogramm eines Eingangsbildes zeigt, um das Verstehen der vorliegenden Erfindung zu erleichtern, und 6B ist eine Grafik, die eine CDF-Kurve bezüglich der in 6A gezeigten Histogrammeigenschaften zeigt.
  • 7 ist ein Blockschaltbild einer Bildverbesserungsvorrichtung, auf die eine endungsgemäße Histogramm/CDF-Extraktionsschaltung angewandt wird.
  • 8 ist ein Blockschaltbild einer anderen Bildverbesserungsvorrichtung, auf die eine erfindungsgemäße Histogramm/CDF-Extraktionsschaltung angewandt wird.
  • Auf 3 verweisend empfängt ein erster Eingangsport A eines Multiplexers MUX 102 ein digital codiertes Luminanzsignal Y, ein zweiter Eingangsport B desselben empfängt eine Adresse ADDR von einem Adress- und Steuersignalgenerator (abgekürzt "Generator") 100, ein Auswählport SEL desselben empfängt ein Auswählsteuersignal S_CON von dem Generator 100, und eine Ausgangsport desselben ist mit einem Adresseingangsport A_IN eines Speichers 104 verbunden. Zu dieser Zeit werden durch einen Synchronsignaldetektor (nicht gezeigt) detektierte Horizontal- und Vertikal-Synchronsignale Hsync und Vsync an den Generator 100 angelegt. Ein Dateneingangsport D_IN des Speichers 104 ist mit dem Ausgangsport eines Addierers 110 verbunden. Der Speicher 104 empfängt ein erstes und zweites Schreibfreigabesignal WE1 und WE2 zur Histogramm/CDF-Extraktion, ein erstes und zweites Lesefreigabesignal RE1 und RE2 zur Histogramm/CDF-Extraktion und ein Rückstellsignal RST, alle vom Generator 100. Ein Datenausgabeport D_OUT des Speichers 104 gibt einen CDF-Wert aus und ist mit einem Eingangsport eines Datenregisters 106, einem ersten Eingangsport A eines Multiplexers MUX 108 und einem Eingangsport eines Summenregisters 114 verbunden. Das Dateneregister 106 empfängt ein Schreibfreigabesignal D_WE und ein Rückstellsignal RST vom Generator 100. Ein Ausgangsport desselben ist mit einem zweiten Eingangsport B des MUX 108 verbunden. Ein Auswählport SEL des MUX 108 empfängt das Auswählsteuersignal SEL vom Generator 100, und ein Ausgang desselben ist mit einem ersten Eingangsport des Addierers 110 verbunden. Ein erster Eingangsport A eines MUX 112 empfängt einen vorbestimmten Wert "1", ein Auswählport desselben empfängt das Auswählsteuersignal S_CON vom Generator 100, und ein Ausgangsport desselben ist mit einem anderen Eingangsport des Addierers 110 verbunden. Das Summenregister 114 empfängt ein Schreibfreigabesignal S_WE und ein Rückstellsignal RST vom Generator 100, und ein Ausgangsport desselben ist mit einem zweiten Eingangsport B des MUX 112 verbunden.
  • Im Folgenden wird die Arbeitsweise der in 3 gezeigten Schaltung zur Histogramm-Ex traktion und CDF-Extraktion getrennt beschrieben.
  • 1. Histogramm-Extraktion
  • Zuerst enthält ein Videosignal eine aktive Periode und eine Austastperiode, und die Austast periode ist wiederum in horizontale und vertikale Austastperioden geteilt. Die Histogramm-Extraktion erfolgt in der aktiven Periode eines Videosignals. Der Generator 100, der das horizontale und vertikale Sychronsignal Hsync und Vsync empfängt, legt folglich das Auswählsteuersignal S_CON, das einen Histogramm-Extraktionsmodus angibt, während der aktiven Periode an die Multiplexer 102, 108 und 112 an, und jeder der Multiplexer 102, 108 und 112 wählt dann ein über den ersten Eingangsport A angelegtes Signal aus.
  • Das heißt, ein Eingangs-Luminanzsignal wird über den ersten Eingangsport A des MUX 102 an den Adressport A_IN des Speichers 104 angelegt. DATA(N) und DATA(N + 1), gezeigt in 4A, stellen hier während der aktiven Periode eines Videosignals eingegebene beliebige N-te und (N + 1)-te Daten dar. Daten, die in einer gegenwärtigen Adresse gespeichert sind, die einem gegenwärtigen Eingangs-Luminanzsignal entspricht, werden entsprechend dem ersten Lesefreigabesignal RE1 mit einer in 4B gezeigten logisch "Tief" aktiven Periode aus dem Speicher 104 gelesen. Der MUX 108 wählt die aus dem Speicher 104 gelesenen und über den ersten Eingangsport A empfangenen Daten aus und legt die ausgewählten Daten an den Addierer 110 an. Der MUX 112 wählt die über seinen ersten Eingangsport A eingegebene "1" aus und legt die ausgewählte "1" an den Addierer 110 an. Der Addierer 110 addiert den Datenwert, der aus dem Speicher 104 gelesen und durch den MUX 108 ausgewählt wurde, zu dem durch den MUX 112 ausgewählten Wert "1" und legt das Ergebnis an den Dateneingangsport D_IN des Speichers 104 an. Zu dieser Zeit schreibt der Speicher 104 das Ergebnis des Addierers 110 während der in 4C gezeigten logisch "Tief" aktiven Periode des ersten Schreibfreigabesignals WE1 in eine momentane Adresse, die dem Eingangs-Luminanzsignal entspricht, und folglich werden die in der momentanen Adresse gespeicherten Daten um "1" erhöht. Ein solches Verfahren wird über dem eingegebenen Luminanzbild eines Schirms wiederholt, um dadurch die Histogramm-Extraktion durchzuführen. Ein Wert "+1" wird zu einem Wert, der aus der momentanen Adresse gelesen wird, die dem Wert des Eingangs-Luminanzsignals entsprichet, während der in 4D gezeigten "Tief" aktiven Periode des Schreibfreigabesignals RE1 addiert.
  • Unterdessen hat, wenn das Eingangs-Luminanzsignal ein 10-Bit Signal ist, der Speicher 104 210 Adressen. Jede der Adressen speichert ein Ein-Schirm-Histogramm, d. h. die Anzahl von durch Graustufen verteilten Proben zwischen minimalen und maximalen Graustufen 0 und 210–1.
  • Die Größe des Speichers 104 kann jedoch entsprechend dem wie viele obere signifikante Bits aus dem Eingangs-Luminanzsignal ausgewählt und von dem MUX 102 ausgegeben werden durch einem am Ausgang des MUX 102 installierten Bit-Selektor reduziert werden. Wenn z. B. das Eingangs-Luminanzsignal ein 10-Bit Signal ist und das Histogramm in 128 Stufen geteilt wird, wählt der Bit-Selektor nur die sieben oberen signifikanten Bits (entsprechend den 128 Stufen) aus und legt dann das Ergebnis als eine Adresse an den Speicher 104 an. Da der Speicher 104 27 (= 128) Adressen hat, kann man erkennen, dass der Speicher 104 kleiner ist als ein Speicher mit Adressen vollen Umfangs.
  • Wenn z. B. das gegenwärtige Eingangs-Luminanzsignal 0011111111 (= 255) ist, sind Daten der sieben oberen signifikanten Bits 0011111 (= 31), und dieser Wert 31 wird als die Adresse des Speichers 104 verwendet. Wenn der Wert in der Adresse "31" des Speichers 104 gespeicherter Daten 20 ist, wird der Datenwert 20 entsprechend dem ersten Lesefreigabesignal RE1 gelesen. Der gelesene Wert 20 wird im Addierer 110 um "1" erhöht, und der sich ergebende Wert 21 wird wieder in die Adresse "31" des Speichers 104 geschrieben.
  • Folglich wird die Anzahl von Proben, die Eingangs-Luminanzsignalwerten von 0 bis 7 entsprechen, in der Adresse "0" des Speichers 104 gespeichert, und die Anzahl von Proben, die Eingangs-Luminanzsignalwerten von 8 bis 15 entsprechen, wird in der Adresse "1" desselben gespeichert, sodass die Anzahl von Proben, die Eingangs-Luminanzsignalwerten von 1016 bis 1023 entsprechen, in der Adresse 127 desselben gespeichert wird. Die Verwendung eines Bit-Selektors am Eingang des MUX 102 resultiert daher in der Speicherung eines Histogramms von quantisierten Graustufen in dem Speicher 104.
  • II. CDF-Extraktion
  • Während das Histogramm in der aktiven Periode eines Videosignals extrahiert wird, wird die CDF in der Vertikal-Austastperiode des Videosignals extrahiert. Während der Vertikal-Austastperiode des Videosignals legt folglich der Generator 100, der die Horizontal- und Vertikal-Synchronsignale HSYNC und VSYNC empfängt, ein Auswählsteuersignal S_CON, das einen CDF-Extraktionsmodus darstellt, an die Multiplexer 102, 108 und 112 an. Jeder der Multiplexer 102, 108 und 112 wählt dann ein über seinen zweiten Eingangsport B empfangenes Signal aus.
  • Das heißt, der MUX 102 wählt die vom Generator 100 empfangene Adresse ADDR aus und legt die ausgewählte Adresse ADDR an den Adresseingangsport A_IN des Speichers 104 an. Der Generator 100 erzeugt sequentiell zunehmende Adressen. Das heißt, wenn das Eingangs-Luminanzsignal 10 Bits ist und das Histogramm in 1024 (= 210) Stufen geteilt wird, erzeugt der Generator 100 Adressen, die sequentiell von 0 bis 1023 zunehmen. Wenn das Histogramm in 128 (= 27) Stufen geteilt wird, erzeugt der Generator 100 sequentiell zunehmende Adressen von 0 bis 127.
  • Ein Histogrammwert, der in einer in 5A gezeigten vorbestimmten Adresse M gespeichert ist, wird in einer ersten logisch "Tief" Periode des vom Generator 100 erzeugen zweiten Lesefreigabesignals RE2 von 5B aus dem Speicher 104 gelesen. Der gelesene Histogrammwert wird entsprechend dem in 5E gezeigten Schreibfreigabesignal D_WE in das Datenregister 106 geschrieben. Der vorübergehend im Datenregister 106 gespeicherte Histogrammwert wird über den zweiten Eingangsport B des MUX 108 an den Addierer 110 angelegt. Der Addierer 110 addiert den vom MUX 108 ausgegebenen Histagrammwert zu einem Graustufen-CDF-Wert einer vorangehenden Adresse M-1, der im Summenregister 114 gespeichert ist und über den zweiten Eingangsport B des MUX 112 empfangen wird. Das Ergebnis der Addition im Addierer 110 wird an den Dateneingangsport D_IN des Speichers 104 angelegt. Der Speicher 104 schreibt entsprechend dem in 5C gezeigten zweiten Schreibfreigabesignal (WE2) den Ausgang des Addierers 110, d. h. einen momentanen Graustufen-CDF-Wert in die über den MUX 102 empfangene Adresse M. Die CDF-Addition des Addierers 110 wird nach einer ersten "Tief" aktiven Periode "a" des zweiten Lesefreigabesignals RE2 von 5B begonnen und vor einer ersten "Tief" aktiven Periode "c" des zweiten Schreibfreigabesignals WE2 von 5C beendet. Diese Additionsperiode wird in 5D gezeigt.
  • Der als Ergebnis der Addition des Addieres 110 in die Adresse M des Speichers 104 geschriebene, der augenblicklichen Adresse entsprechende Graustufen-CDF-Wert wird in einer zweiten "Tief" aktiven Periode "b" des in 5B gezeigten zweiten Lesefreigabesignals RE2 wieder gelesen. Dieses Mal wird der aus dem Speicher 104 gelesene CDF-Wert entsprechend dem Schreibfreigabesignal S_WE, das auf logisch "Tief" aktiviert ist, wie in 5F gezeigt, in das Summenregister 114 geschrieben. Außerdem wird der aus dem Speicher 104 gelesene CDF-Wert gleichzeitig als der Ausgangs-CDF-Wert extern ausgegeben. Zu dieser Zeit ist ein in das Summenregister 114 geschriebener Wert ein der Adresse M entsprechender Graustufen-CDF-Wert. Nachdem ein augenblicklicher Graustufen-CDF-Wert in das Summenregister 114 geschrieben ist, legt der Generator 100 die nächste Adresse M + 1 an den zweiten Eingangsport B des MUX 102 an. Durch Wiederholen eines solchen Prozesses wird ein jeder Graustufe entsprechender CDF Wert ausgegeben, oder ein jeder quantisierten Graustufe entsprechender CDF-Wert wird ausgegeben.
  • Wenn ein vom Generator 100 erzeugter Adresswert 10 ist, ein in einer Adresse "10" des Speichers 104 gespeicherter Histogrammwert 100 ist, ein im Summenregister 114 gespeicherter Wert 2000 ist, dann wird der in der Adresse "10" des Speichers 104 gespeicherte Wert 100 an das Datenregister 106 angelegt, das Ergebnis der Addition des Addierers 110 ist 2100, und das Additionsergebnis 2100 wird wieder an den Speicher 104 angelegt und in seine Adresse "10" geschrieben. Der Wert 2100 in der Adresse "10" wird aus dem Speicher 104 gelesen und in das Summenregister 114 geschrieben. Wenn die Datenwerte von Histogrammen, die den Adressen (0, 1, 2, 3,...) des Speichers 104 entsprechen, 100, 50, 30, 200, .... sind, werden kumulative Werte 100, 150, 180, 380,... als CDF-Werte erhalten. Ein augenblicklicher Graustufen-CDF-Wert wird erhalten, indem der Histogrammwert des augenblicklichen Pegels zu dem CDF-Wert basierend auf allen Graustufen bis zu der unmittelbar vorangehenden Graustufe addiert wird.
  • Nachdem die CDF-Extraktion vollendet ist, werden die extrahierten CDF-Werte an eine in 7 und 8 gezeigte LUT zur Bildverbesserungsverarbeitung gesendet. Nach dem Senden wird das Rückstellsignal an den Speicher 104, das Datenregister 106 und das Summenregister 108 angelegt, um sie zurückzustellen, um ein Histogramm in der nächsten aktiven Periode des Videosignals zu extrahieren. Obwohl der Speicher 104 in der vorliegenden Erfindung zur Bequemlichkeit der Erklärung ein Zweiport-Speicher war, kann der Zweiport Speicher durch ein Einport-RAM ersetzt werden.
  • 6A zeigt die Eigenschaften des Histogramms eines Eingangsbildes, und 6B zeigt eine CDF-Kurve, die auf der Basis des in 6A gezeigten Histogramms gewonnen wird, das heißt, eine Kurve, die durch kumulatives Integrieren des Histogramms beginnend bei der niedrigsten Graustufe null auf der X-Achse erhalten wird.
  • 7 ist ein Blockschaltbild einer Bildverbesserungsvorrichtung, auf die die in 3 gezeigte Histogramm/CDF-Extraktionsschaltung angewandt wird. Gemäß 7 enthält die Bildverbesserungsvorrichtung eine Histogramm/CDF-Extraktionsschaltung 120, eine Verweistabelle LUT 122 und einen Schirmspeicher 124. Die Histogramm/CDF-Extraktionsschaltung 120 speichert einen Histogrammwert von der minimalen bis zur maximalen Graustufe beim Extrahieren eines Histogramms unter der in 3 gezeigten Konfiguration, und der Speicher 104, der einen CDF-Wert von jeder Graustufe ausgibt, wird beim Extrahieren einer CDF benutzt. Die LUT 122 speichert einen Wert, der durch Multiplizieren eines CDF-Werts, der von jeder durch die Histogramm/CDF-Extraktionsschaltung 120 ex trahierten Eingangsgraustufe abhängt, mit einem maximalen Graustufenwert erhalten wird. Das heißt, ein verbessertes Signal YH ist, nachdem ein Eingangs-Luminanzsignal Y histogramm-ausgeglichen ist, wie in der folgenden Gleichung 1 gegeben: YH = CDF-Wert entsprechend Y × maximale Graustufe (1)
  • Zu dieser Zeit wird durch die LUT 122 ein neuer Schirm entsprechend einem Synchronsignal SYNC während der Vertikal-Austastperiode erneuert. Wenn der Schirm ein Vollbild ist, ist hier das Synchronsignal SYNC ein Vollbild-Synchronsignal, und wenn der Schirm ein Teilbild ist, ist das Synchronsignal SYNC ein Teilbild-Synchronsignal.
  • Unterdessen verzögert der Schirmspeicher 124 das Eingangs-Luminanzsignal in Einheiten eines Schirms, um eine Histogrammausgleichsoperation auf Daten durchzuführen, die zu einem Schirm gehören, dessen statistische Eigenschaften (Histogramm und CDF) durch die Histogramm/CDF-Extraktionsschaltung 120 gewonnen werden. Eine Schirmeinheit ist hier ein Teilbild oder ein Vollbild.
  • Der ausgeglichene Ausgang YH, der dem eingegebenen Luminanzsignal Y entspricht, kann somit erhalten werden, indem ein in der LUT 122 gespeicherter Wert, der dem eingegebenen Luminanzsignal Y entspricht, ausgewählt wird.
  • 8 ist ein Blockschaltbild einer anderen Bildverbesserungsvorrichtung, auf die die in 3 gezeigte integrierte Histogramm/CDF-Extraktionsschaltung angewandt wird. Gemäß 8 enthält die Bildverbesserungsvorrichtung eine Histogramm/CDF-Extraktionsschaltung 130, eine CDF-Interpolationsschaltung 132 und eine LUT 134. Das heißt, die Histogramm/CDF-Extraktionsschaltung 130 gibt einen CDF-Wert einer vollen Graustufe aus, wenn der Speicher 104 unter der Konfiguration von 3 auf 7 angewandt wird. In 8 gibt jedoch die Histogramm/CDF-Extraktionsschaltung 130 CDF-Werte von quantisierten Pegeln aus, d. h. eine vorbestimmte kleinere Zahl von Pegeln als der volle Graupegel, um die Größe des Speichers 104 zu reduzieren. Die Interpolationsschaltung 132 interpoliert linear die von der Histogramm/CDF-Extraktionsschaltung 130 ausgegebenen CDF-Werte unter Verwendung eines vorbestimmten Algorithmusses und gibt dann die interpolierten CDF-Werte aus. Hier kann ein typischer linearer Interpolationsalgorithmus als der vorbestimmte Algorithmus verwendet werden. Die LUT 134 speichert Werte, die durch Multiplizieren jedes von der CDF-Interpolationsschaltung 132 ausgegebenen interpolierten Werts mit einem maximalen Graustufenwert erhalten werden. Der CDF-Wert eines neuen Schirms wird durch die LUT 134 entsprechend dem Synchronsignal SYNC während der Vertikal-Austastperiode erneu ert. Der ausgeglichene Ausgang YH, der dem eingegebenen Luminanzsignal Y entspricht, kann daher erhalten weiden, indem ein in der LUT 134 gespeicherter Wert, der dem eingegebenen Luminanzsignal entspricht, ausgewählt wird.
  • In 8 wird die Histogramm-Ausgleichung eines aktuellen Schirms zustande gebracht, indem ein von dem unmittelbar vorangehenden Schirm erlangter CDF-Wert ohne Änderung angewandt wird. Dies ist ohne wesentlichen Verlust an Qualität möglich, weil die Korrelation zwischen vorangehenden und aktuellen Schirmen wegen der Eigenschaften eines bewegten Bildes 0.95 oder mehr beträgt. Dies vermeidet die Notwendigkeit eines Schirmspeichers großer Kapazität, was die benötigte Hardware stark verringert, Die vorliegende Erfindung ist auf einen weiten Bereich von Gebieten anwendbar, die mit der Bildqualitätsverbesserung eines Videosignals verbunden sind, d. h. Rundfunk-Anlagen, Radar-Signalverarbeitungssysteme und medizinische Technik sowie Heimgeräte wie Camcorder, TVs, VCRs usw.
  • Wie oben beschrieben, wird in der erfindungsgemäßen Schaltung die Histogramm-Extration in der aktiven Periode eines Videosignals unter Verwendung eines Speichers vorgenommen, und die CDF-Extraktion wird in der Vertikal-Austastperiode des Videosignals durchgeführt. Eine einzige Schaltung kann daher sowohl die Histogramm-Extraktion als auch die CDF-Extraktion durchführen. Die Hardwaregröße wird daher verringert, und der Leistungsverbrauch ist niedriger und regelmäßiger.

Claims (5)

  1. Verfahren zum Extrahieren eines Histogramms und einer kumulativen Verteilungsfunktion (CDF) zum Verbessern der Qualität eines Bildes durch Histogramm-Ausgleich eines Bildsignals, das entsprechend einer vorgegebenen Anzahl von Graustufen ausgedrückt ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) Zuführen von Bits eines eingegebenen digitalen Bildsignals als eine Adresse; b) Erhöhen des Wertes von Daten, die an der in Schritt a) zugeführten Adresse gespeichert sind, um "1"; c) Erzeugen eines quantisierten Histogramms, das die Anzahl von Abtastwerten anzeigt, die auf quantisierte Graustufen verteilt sind, durch Wiederholen der Schritte a) und b) über einen ersten vorgegebenen Zeitraum; d) Erzeugen einer quantisierten kumulativen Verteilungsfunktion durch kumulatives Integrieren der Anzahl von Abtastwerten von der untersten quantisierten Graustufe über einen zweiten vorgegebenen Zeitraum auf Basis des in Schritt c) erzeugten quantisierten Histogramms; dadurch gekennzeichnet, dass: die Extrahierung eines Histogramms der Schritte a) bis c) während einer aktiven Periode eines Videosignals durchgeführt wird und die Extrahierung einer quantisierten kumulativen Verteilungsfunktion im Schritt d) während der vertikalen Austastperiode des Videosignals durchgeführt wird, nur eine vorgegebene Anzahl oberer signifikanter Bits des eingegebenen digitalen Bildsignals in Schritt a) zugeführt wird, so dass die Anzahl von Graustufen des quantisierten Histogramms in Schritt c) geringer ist als die von Voll-Graustufen, e) die quantisierten Werte der kumulativen Verteilungsfunktion, die in Schritt d) erzeugt werden, linear interpoliert werden und interpolierte Werte der kumulativen Verteilungsfunktion ausgegeben werden.
  2. Verfahren zum Extrahieren eines Histogramms und einer kumulativen Verteilungsfunktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste vorgegebene Zeitraum ein Ein-Bild-Zeitraum ist.
  3. Bildverbesserungsvorrichtung, die eine Schaltung zum Extrahieren eines Histogramms und einer kumulativen Verteilungsfunktion (CDF), die ein Histogramm extrahiert, das die Anzahl von Abtastwerten anzeigt, die auf quantisierte Graustufen eines eingegebenen digitalen Bildsignals verteilt sind, und einen Wert der kumulativen Verteilungsfunktion jeder quantisierten Graustufe auf der Basis des extrahierten Histogramms berechnet, und eine Verweistabelle (122) zum Speichern eines verbesserten Signals, das erzeugt wird, indem ein maximaler Graustufenwert mit den Werten der kumulativen Verteilungsfunktion multipliziert wird und zum Auslesen eines entsprechenden verbesserten Signals umfasst, das den Stufen des eingegebenen Bildsignals entspricht, wobei die Schaltung umfasst: einen ersten Selektor, der in einem Modus zum Extrahieren eines Histogramms Bits eines digitalen Bildsignals auswählt und in einem Modus zum Extrahieren einer kumulativen Verteilungsfunktion eine Inkrement-Adresse auswählt; einen zweiten Selektor (108), der in dem Modus zum Extrahieren eines Histogramms den in dem Speicher (104) gespeicherten Histogramm-Wert auswählt und in dem Modus zum Extrahieren einer kumulativen Verteilungsfunktion den vorübergehend in dem ersten Puffer (106) gespeicherten Histogramm-Wert auswählt; einen Speicher (104), der in dem Modus zum Extrahieren eines Histogramms ein durch den ersten Selektor ausgewähltes Signal als eine Adresse empfängt und einen um "1" erhöhten Histogramm-Wert an die Adresse schreibt, und in dem Modus zum Extrahieren einer kumulativen Verteilungsfunktion einen aktuellen, eingegebenen quantisierten Wert der kumulativen Verteilungsfunktion an diese schreibt; einen ersten Puffer (106), der in dem Modus zum Extrahieren einer kumulativen Verteilungsfunktion vorübergehend einen aus dem Speicher (104) gelesenen Histogramm-Wert speichert; einen zweiten Puffer (114), der in dem Modus zum Extrahieren einer kumulativen Verteilungsfunktion einen aus dem Speicher gelesenen quantisierten Wert der kumulativen Verteilungsfunktion vorübergehend speichert und dann den vorübergehend gespeicherten Wert der kumulativen Verteilungsfunktion als einen vorhergehenden quantisierten Wert der kumulativen Verteilungsfunktion ausgibt; einen dritten Selektor (112), der in dem Modus zum Extrahieren eines Histogramms einen vorgegebenen Wert "1" auswählt und in dem Modus zum Extrahieren einer kumulativen Verteilungsfunktion den in dem zweiten Puffer gespeicherten vorhergehenden quantisierten Wert der kumulativen Verteilungsfunktion auswählt; einen Addierer (110), der in dem Modus zum Extrahieren eines Histogramms den in dem Speicher (104) gespeicherten und durch den zweiten Selektor (108) ausgewählten Histogramm-Wert zu dem durch den dritten Selektor (112) ausgewählten Wert "1" addiert und das Ergebnis der Addition dem Speicher (104) wieder zuführt und in dem Modus zum Extrahieren einer kumulativen Verteilungsfunktion den in dem ersten Puffer (106) gespeicherten und durch den zweiten Selektor (108) ausgewählten Histogramm-Wert zu dem in dem zweiten Speicher (114) gespeicherten und durch den dritten Selektor (112) ausgewählten, vorhergehenden quantisierten Wert der kumulativen Verteilungsfunktion addiert und das Ergebnis der Addition dem Speicher (104) als den aktuellen quantisierten Wert der kumulativen Verteilungsfunktion wieder zuführt; und einen Generator (100), der in dem Modus zum Extrahieren einer kumulativen Verteilungsfunktion in Abhängigkeit von dem Modus zum Extrahieren eines Histogramms und dem Modus zum Extrahieren einer kumulativen Verteilungsfunktion in Reaktion auf das Horizontal- und das Vertikalsynchronsignal des Bildsignals ein Auswähl-Steuersignal an den ersten bis dritten Selektor (102, 108, 112) anlegt und die Inkrement-Adresse entsprechend quantisierten Graustufen sequenziell er höht, um so das Ergebnis an den Speicher auszugeben, und ein Betriebs-Steuersignal zum Betreiben des Speichers (104) sowie des ersten und des zweiten Puffers (106, 114) erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass: der erste Selektor nur eine vorgegebene Anzahl oberer signifikanter Bits des eingegebenen digitalen Bildsignals auswählt, so dass die Anzahl von Graustufen des quantisierten Histogramms geringer ist als die von Voll-Graustufen, wobei die Schaltung des Weiteren durch eine Schaltung zum Interpolieren einer kumulativen Verteilungsfunktion gekennzeichnet ist, die die Werte der kumulativen Verteilungsfunktion, die aus der Schaltung zum Extrahieren eines Histogramms/einer kumulativen Verteilungsfunktion extrahiert werden, linear interpoliert und interpolierte Werte der kumulativen Verteilungsfunktion ausgibt, und die Schaltung so eingerichtet ist, dass sie die Extrahierung eines Histogramms während einer aktiven Periode eines Ein-Bild-Bildsignals durchführt, und die Extrahierung eines Wertes der kumulativen Verteilungsfunktion während einer vertikalen Austastperiode des Ein-Bild-Bildsignals durchgeführt wird.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung zum Extrahieren eines Histogramms/einer kumulativen Verteilungsfunktion einen Bild-Speicher (124) umfasst, der das eingegebene Bildsignal um Einheiten eines Bildes verzögert und das verzögerte Bildsignal der Verweistabelle (122) zuführt.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Puffer (106, 114) der Schaltung zum Extrahieren eines Histogramms/einer kumulativen Verteilungsfunktion jeweils ein Register umfassen.
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