JP2003289452A - ヒストグラムマッチングを用いたコントラスト向上装置及び方法 - Google Patents

ヒストグラムマッチングを用いたコントラスト向上装置及び方法

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    • G06T2207/20212—Image combination
    • G06T2207/20216—Image averaging

Abstract

(57)【要約】 【課題】 コントラスト向上の程度を調節することがで
き、コントラスト調節時に相対的な明るさを維持できる
コントラスト向上装置及び方法を提供する。 【解決手段】 第１演算部は入力映像の平均及び標準偏
差を計算する。第２演算部は入力映像の平均及び標準偏
差に基づき目標映像の平均及び標準偏差を計算する。マ
ッピング部は第１演算部及び第２演算部から入力された
入力映像及び目標映像の平均及び標準偏差に基づき生成
したマッピング関数によって入力映像のピクセル値を変
換して出力映像のピクセル値を出力する。マッピング範
囲指定部はマッピング関数が適用される入力映像のピク
セル値に対する上限値及び下限値をマッピング部に提供
する。これにより、目標映像のパラメータ修正を通して
映像全体のコントラスト向上の程度を調節でき、複数の
マッピング関数を使用することによって映像によって暗
い箇所と明るい箇所が強調されすぎる現象を防止するこ
とができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はヒストグラムマッチ
ングを用いたコントラスト向上装置及び方法に係り、さ
らに詳しくは入力映像と目標映像の分布度に基づき作成
されたマッピングテーブルを用いて出力映像のコントラ
ストを向上させる装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】ヒストグラムは映像内のピクセルに対す
る明暗値の分布を示したものである。すなわち１映像に
存在する暗い点と暗い点に対する分布の範囲と値を表現
したものである。ヒストグラム平滑化は明暗値の分布が
一方に偏ったり不均一な画像について明暗値の分布を均
一化することによって映像を向上させる方法である。ヒ
ストグラム平滑化を通して暗い映像は明るくなり、明る
すぎる映像は次第に暗くなって適当な明度値を維持す
る。すなわち、変換後の明度値分布を修正することによ
って映像の全体的なコントラストバランスが改善され
る。
【０００３】図１Ａは従来のヒストグラム平滑化装置の
ブロック図である。
【０００４】図１Ａを参照すれば、従来のヒストグラム
平滑化装置１００は分布演算部１１０及び平滑化部１２
０を有する。
【０００５】分布演算部１１０は入力映像から輝度レベ
ルを計数してヒストグラム値または確率密度関数を求
め、これより累積分布関数を算出する。平滑化部１２０
は分布演算部１１０で算出された累積分布関数を用いて
与えられた映像のヒストグラムを均一化する。従って、
累積分布関数を与えられた映像に非線形マッピングする
ことによって映像のコントラストが向上される。
【０００６】図１Ｂは従来のコントラストストレッチン
グ装置のブロック図である。
【０００７】図１Ｂを参照すれば、従来のコントラスト
ストレッチング装置１５０は、分布演算部１６０及びス
トレッチング部１７０を有する。
【０００８】分布演算部１６０は入力映像から輝度レベ
ルを計数してヒストグラム値または確率密度関数を求め
る。ストレッチング部１７０は分布演算部１６０で求め
られた確率密度関数を用いて最低値と最高値を有する画
素値を求め、求められた画素値を用いて入力映像の明暗
値分布を最大限活用するようヒストグラムを広げる。映
像において最低値を有する画素値を用いて引き算演算を
行えばヒストグラムは左側に移動するが、この際映像の
有している各画素値が全体明暗値を含むよう拡張され
る。従って、映像は０から２５５までの明暗値を有し映
像のコントラストが増加する。
【０００９】しかし、従来の技術に係るヒストグラム平
滑化はコントラスト向上の程度を調整し難い問題点があ
る。従来の技術は与えられた映像から求められた確率密
度関数及び累積分布関数をコントラスト向上のためのマ
ッピングとして使用する。従って、与えられた映像の性
質が特異であるか雑音によって映像が損傷された場合に
所望の結果が得難い。
【００１０】また、従来の技術に係るヒストグラム平滑
化において相対的な明るさが維持されない。ヒストグラ
ム平滑化を通して得られる映像の明るさは与えられた映
像の明るさと関連無くてビデオシーケンスに適用される
場合明るい場面と暗い場面の区別が消え去る。ヒストグ
ラム平滑化は映像が暗い領域で細密な部分を有する場合
は効果的に行われるが、良質の映像はかえって悪化する
場合がある。従って、これらを克服するためには複雑な
アルゴリズムを追加すべきであり、よって装置の具現に
困難がある。
【００１１】一方、従来の技術に係るコントラストスト
レッチングの場合、映像に明るいか暗い箇所があればス
トレッチングできる余裕がなくて良好な効果を期するこ
とができない。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】本発明は前述した問題
点を解決するために案出されたもので、その目的はコン
トラスト向上の程度を調節することができ、コントラス
ト調節時に相対的な明るさを維持できるコントラスト向
上装置及び方法を提供する。
【００１３】
【課題を解決するための手段】前述した技術的課題を達
成するための本発明に係るコントラスト向上装置は、入
力映像の平均及び標準偏差を計算する第１演算部と、前
記入力映像の平均及び標準偏差に基づき目標映像の平均
及び標準偏差を計算する第２演算部、及び前記第１演算
部及び前記第２演算部から前記入力映像及び前記目標映
像の平均及び標準偏差を入力され生成したマッピング関
数によって前記入力映像のピクセル値を変換して出力映
像のピクセル値を出力するマッピング部と、を有する。
【００１４】望ましくは、前記入力映像のピクセル値に
対する上限値及び下限値を前記マッピング部に提供する
マッピング範囲指定部をさらに具備し、前記マッピング
部は前記入力映像のピクセル値のうちの前記上限値及び
前記下限値の間に存在する前記入力映像のピクセル値に
ついて前記マッピング関数による変換を行う。
【００１５】前記マッピング部は前記入力映像の平均を
基準に前記上限値及び前記下限値間のマッピング領域を
分割して形成されたそれぞれの下位領域について複数の
前記マッピング関数のうちから選択された前記マッピン
グ関数によって前記入力映像のピクセル値に対する変換
を行う。
【００１６】この際、前記マッピング部は次のような式
によって複数の前記マッピング関数のうちから前記入力
映像のピクセル値に対する変換に使用される前記マッピ
ング関数を選択する。
【数７】
【００１７】一方、前記マッピング関数は次のような式
で表現される。
【数８】 ここで、ｘは入力映像のピクセル値、ｙは出力映像のピ
クセル値、σａは入力映像の標準偏差、σｂは目標映像
の標準偏差、Ｐａは入力映像の平均、それからＰｂは目
標映像の平均である。
【００１８】前記第２演算部は次の式によって前記目標
映像の標準偏差を計算する。
【数９】 ここで、σａは入力映像の標準偏差、Ｐａは入力映像の
平均、ｍは所定の可変標準偏差、ｋは０と１との間に存
在し前記入力映像の平均がガウス分布の平均である１２
８に近づくほど０に収斂し、前記入力映像の平均が前記
ガウス分布の平均である１２８から遠ざかるほど１に収
斂する媒介変数、そしてｇ( )は前記ｋを決める関数で
ある。
【００１９】前述した他の技術的課題を達成するための
本発明に係るコントラスト向上方法は、入力映像の平均
及び標準偏差を計算する第１演算段階と、前記入力映像
の平均及び標準偏差に基づき目標映像の平均及び標準偏
差を計算する第２演算段階と、前記入力映像の平均及び
標準偏差と前記目標映像の平均及び標準偏差に基づきマ
ッピング関数を生成するマッピング関数生成段階、及び
生成された前記マッピング関数によって前記入力映像の
ピクセル値を変換して出力映像のピクセル値を出力する
マッピング段階を含む。
【００２０】望ましくは、前記マッピング段階の前に、
前記入力映像のピクセル値に対する上限値及び下限値を
設定する段階をさらに含み、前記マッピング段階は前記
入力映像のピクセル値のうちの前記上限値及び前記下限
値の間に存在する前記入力映像のピクセル値について前
記マッピング関数による変換を行う。
【００２１】この場合、前記マッピング段階は前記入力
映像の平均を基準に前記上限値及び前記下限値の間のマ
ッピング領域を分割して形成されたそれぞれの下位領域
について複数の前記マッピング関数のうちから選択され
た前記マッピング関数によって前記入力映像のピクセル
値に対する変換を行うことが望ましい。
【００２２】この際、前記マッピング段階は次のような
式によって複数の前記マッピング関数のうちから前記入
力映像のピクセル値に対する変換に使用される前記マッ
ピング関数を選択する。
【数１０】
【００２３】前記マッピング関数は次のような式で表現
される。
【数１１】 ここで、ｘは入力映像のピクセル値、ｙは出力映像のピ
クセル値、σａは入力映像の標準偏差、σｂは目標映像
の標準偏差、Ｐａは入力映像の平均、Ｐｂは目標映像の
平均である。
【００２４】前記第２演算段階は次のような式によって
前記目標映像の標準偏差を計算する。
【数１２】 ここで、σａは入力映像の標準偏差、Ｐａは入力映像の
平均、ｍは所定の可変標準偏差、ｋは０と１との間に存
在し、前記入力映像の平均がガウス分布の平均である１
２８に近づくほど０に収斂し、前記入力映像の平均が前
記ガウス分布の平均である１２８から遠ざかるほど１に
収斂する媒介変数、それからｇ( )は前記ｋを決める関
数である。
【００２５】本発明によれば、コントラスト向上装置の
具現が容易であり、目標映像のパラメータ修正を通して
映像全体のコントラスト向上程度を調節することがで
き、ひいては複数のマッピング関数を使用することによ
って映像によって暗い箇所と明るい箇所が強調されすぎ
るようになる現象を防止することができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】以下、添付した図面に基づき本発
明に係るコントラスト向上装置及び方法を詳述する。
【００２７】図２は本発明に係るコントラスト向上装置
に対する望ましい実施例の構成を示したブロック図であ
る。
【００２８】図２を参照すれば、本発明に係るコントラ
スト向上装置２００は第１演算部２１０、第２演算部２
２０、マッピング部２３０、及びマッピング範囲指定部
２４０を有する。
【００２９】第１演算部２１０は入力映像の平均及び標
準偏差を計算する。第２演算部２２０は入力映像の平均
及び標準偏差に基づき目標映像の平均及び標準偏差を計
算する。第２演算部２２０は次の数式を用いて目標映像
の標準偏差を計算する。
【数１３】 ここで、σａは入力映像の標準偏差、Ｐａは入力映像の
平均である。
【００３０】一方、ｍは可変標準偏差であって、ｍ値を
変更することによってコントラストの調整が可能であ
る。実験によればｍ値が５６の時に最も望ましい映像が
出力される。ｍ値はユーザの好みによって外部で変更可
能にすることができる。
【００３１】入力イメージから得たヒストグラムの標準
偏差値が小さいということは全体ヒストグラム領域にお
いてピクセルの分布が一地点に多く集中されていること
を意味し、これは全体的なイメージのコントラストが高
くないこと意味する。従って、ヒストグラムマッチング
によって目標映像の標準偏差を高めればピクセルの分布
を均一に広げる効果を得る。
【００３２】また[数１３]によれば、目標映像の標準偏
差は関数ｇ( )によって計算されるｋ値によって変化す
る。ｋは入力映像の平均がガウス分布の平均である１２
８に近接できるよう０に収斂し、入力映像の平均がガウ
ス分布の平均である１２８から遠ざかるほど１に収斂す
る。ｋが０の場合、媒介標準偏差が目標映像の標準偏差
として決定され、ｋが１の場合、入力映像の標準偏差が
目標映像の標準偏差として決定される。図３にはこのよ
うな関係を示すために使用される関数ｇ( )の一例が示
されている。
【００３３】マッピング部２３０は第１演算部２１０及
び第２演算部２２０から入力された入力映像及び目標映
像の平均及び標準偏差に基づき生成したマッピング関数
によって入力映像のピクセル値を変換して出力映像のピ
クセル値を出力する。
【００３４】ピクセル値変換部２３０は次の数式で表現
されるマッピング関数によって入力映像を出力映像に変
換する。
【数１４】 ここで、σａは入力映像の標準偏差、σｂは目標映像の
標準偏差、Ｐａは入力映像の平均、Ｐｂは目標映像の平
均である。
【００３５】[数１４]によれば入力映像が(Ｐａ、σａ)
のガウス分布を有すると、出力映像は(Ｐb、σb)のガウ
ス分布を有することになる。
【００３６】また、[数１３]及び[数１４]によれば、目
標映像の平均は入力映像の平均をそのまま使用するが、
目標映像の明るさを増加させるためには目標映像の平均
を増加させ、コントラストのレベルを増加させるために
は目標映像の標準偏差を増加させれば良い。
【００３７】マッピング範囲指定部２４０はマッピング
関数が適用される入力映像のピクセル値に対する上限値
及び下限値をマッピング部２３０に提供する。装置によ
って極めて暗い箇所と極めて明るい箇所のピクセル値を
変更しないことが望ましい場合がある。この場合、マッ
ピング範囲指定部２４０は暗い箇所と明るい箇所の二つ
の範囲を示す臨界値(threshold_low、threshold_high)
を設定し、設定された臨界値をマッピング部２３０に提
供する。マッピング部２３０は提供された臨界値を越え
る値についてはマッピングを適用しない。
【００３８】一方、マッピング部２３０で利用されるマ
ッピングの場合、多くのピクセル値が一つの値にマッピ
ングされる場合が発生するので、次のような方法を用い
てこれを防止する。すなわち、マッピング関数を示す三
本のラインを、そしてそれぞれの領域で使用される関係
式によって一本のラインを選択してマッピング関数に利
用する。図４にはこのような関係を示す具現例が示され
ている。
【００３９】図４を参照すれば、ピクセル値ｘが入力映
像の平均Ｐａより小さいか等しければライン１とライン
２のうち大きい方を選択し、ピクセル値ｘが入力映像の
平均Ｐａより大きければライン２とライン３のうち小さ
い方を選ぶ。これを数式で表現すれば次の通りである。
【数１５】
【００４０】マッピング部２３０では以上の方法で求め
られたマッピング関数を入力映像のピクセル値に適用す
ることによって映像のコントラストが高められる。
【００４１】図５は本発明に係るコントラスト向上方法
に対する望ましい実施例の遂行過程を示した流れ図であ
る。
【００４２】図５を参照すれば、第１演算部２１０は入
力映像のピクセル値に対する平均及び標準偏差を計算す
る(Ｓ５００)。第２演算部２２０は入力映像のピクセル
値及び平均に基づき目標映像の平均及び標準偏差を計算
する(Ｓ５１０)。Ｓ５１０段階において目標映像の平均
は入力映像の平均をそのまま使用する。
【００４３】マッピング部２３０は第１演算部２１０か
ら入力された入力映像に対する平均及び標準偏差値と第
２演算部２２０から入力された目標映像に対する平均及
び標準偏差に基づきマッピング関数を生成する(Ｓ５２
０)。一方、マッピング範囲指定部２４０はマッピング
関数が適用される入力映像のピクセル値に対する上限値
及び下限臨界値を設定してマッピング部に提供する(Ｓ
５３０)。マッピング部２３０は入力映像のピクセルの
うちマッピング範囲指定部２４０から提供された上限及
び下限臨界値の間に存在するピクセルについてマッピン
グ関数を適用して出力映像を生成する(Ｓ５４０)。
【００４４】
【発明の効果】以上述べた通り、本発明によればコント
ラスト向上装置の具現が容易であり、目標映像のパラメ
ータ修正を通して映像全体のコントラスト向上程度を調
節することができ、ひいては複数のマッピング関数を使
用することによって映像によって暗い部分と明るい箇所
が強調されすぎるようになる現象を防止することができ
る。
【００４５】以上代表的な実施例を通して本発明につい
て詳述したが、本発明の属する技術分野において通常の
知識を持つ者は前述した実施例について本発明の範疇か
ら逸脱しない限度内で多様な変形が可能なことが理解で
きるであろう。従って、本発明の権利範囲は説明された
実施例に限られず、特許請求の範囲だけではなくこの特
許請求の範囲と均等なものによって定められるべきであ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】 従来のヒストグラム平滑化装置のブロック
図。
【図１Ｂ】 従来のコントラストストレッチング装置の
ブロック図。
【図２】 本発明に係るコントラスト向上装置に対する
望ましい実施例の構成を示したブロック図。
【図３】 入力映像の平均によって適切な標準偏差値に
近接させるための媒介変数値を決定するために使用され
る関数ｇ( )の一例を示した図。
【図４】 数多くのピクセル値が一つの値にマッピング
されることを防止するためにマッピング関数を示す複数
の線のうちから一本の線を選択してマッピング関数に用
いる方法を示した図。
【図５】 本発明に係るコントラスト向上方法に対する
望ましい実施例の遂行過程を示した流れ図である。
【符号の説明】
２００：コントラスト向上装置 ２１０：第１
演算部 ２２０：第２演算部 ２３０：マッピ
ング部 ２４０：マッピング範囲指定部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5B057 AA20 CA08 CA12 CA16 CB08 CB12 CB16 CC01 CE11 DA17 DB02 DB09 DC23 DC30 DC36 5C021 PA53 PA56 PA76 RA07 RB03 XA35 5C077 LL04 LL19 MP01 PP15 PP52 PP53 PQ18 PQ19 PQ20 5C080 DD03 EE29 GG02 JJ02 JJ05 JJ07

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 入力映像の平均及び標準偏差を計算する
    第１演算部と、 前記入力映像の平均及び標準偏差に基づき目標映像の平
    均及び標準偏差を計算する第２演算部と、 前記第１演算部及び前記第２演算部から前記入力映像及
    び前記目標映像の平均及び標準偏差を入力され生成した
    マッピング関数によって前記入力映像のピクセル値を変
    換して出力映像のピクセル値を出力するマッピング部
    と、を備えることを特徴とするコントラスト向上装置。
  2. 【請求項２】 前記入力映像のピクセル値に対する上限
    値及び下限値を前記マッピング部に提供するマッピング
    範囲指定部をさらに含み、 前記マッピング部は前記入力映像のピクセル値のうち前
    記上限値及び前記下限値の間に存在する前記入力映像の
    ピクセル値について前記マッピング関数による変換を行
    うことを特徴とする請求項１に記載のコントラスト向上
    装置。
  3. 【請求項３】 前記マッピング部は、前記入力映像の平
    均を基準に前記上限値及び前記下限値の間のマッピング
    領域を分割して形成されたそれぞれの下位領域について
    複数の前記マッピング関数のうちから選択された前記マ
    ッピング関数によって前記入力映像のピクセル値に対す
    る変換を行うことを特徴とする請求項２に記載のコント
    ラスト向上装置。
  4. 【請求項４】 前記マッピング部は次のような式によっ
    て複数の前記マッピング関数のうちから前記入力映像の
    ピクセル値に対する変換に使用される前記マッピング関
    数を選択することを特徴とする請求項３に記載のコント
    ラスト向上装置。 【数１】
  5. 【請求項５】 前記マッピング関数は次のような式で表
    現されることを特徴とする請求項１または２に記載のコ
    ントラスト向上装置。 【数２】 ここで、ｘは入力映像のピクセル値、ｙは出力映像のピ
    クセル値、σａは入力映像の標準偏差、σｂは目標映像
    の標準偏差、Ｐａは入力映像の平均、それからＰｂは目
    標映像の平均である。
  6. 【請求項６】 前記第２演算部は次のような式によって
    前記目標映像の標準偏差を計算することを特徴とする請
    求項１または２に記載のコントラスト向上装置。 【数３】 ここで、σａは前記入力映像の標準偏差、Ｐａは前記入
    力映像の平均、ｍは所定の可変標準偏差、ｋは０と１と
    の間に存在し、前記入力映像の平均がガウス分布の平均
    である１２８に近づくほど０に収斂し、前記入力映像の
    平均が前記ガウス分布の平均である１２８から遠ざかる
    ほど１に収斂する媒介変数、それからｇ（ ）は前記ｋ
    を決める関数である。
  7. 【請求項７】 入力映像の平均及び標準偏差を計算する
    第１演算段階と、 前記入力映像の平均及び標準偏差に基づき目標映像の平
    均及び標準偏差を計算する第２演算段階と、 前記入力映像の平均及び標準偏差と前記目標映像の平均
    及び標準偏差に基づきマッピング関数を生成するマッピ
    ング関数生成段階と、 生成された前記マッピング関数によって前記入力映像の
    ピクセル値を変換して出力映像のピクセル値を出力する
    マッピング段階と、を備えることを特徴とするコントラ
    スト向上方法。
  8. 【請求項８】 前記マッピング段階の前に、前記入力映
    像のピクセル値に対する上限値及び下限値を設定する段
    階をさらに含み、 前記マッピング段階は前記入力映像のピクセル値のうち
    の前記上限値及び前記下限値との間に存在する前記入力
    映像のピクセル値について前記マッピング関数による変
    換を行うことを特徴とする請求項７に記載のコントラス
    ト向上方法。
  9. 【請求項９】 前記マッピング段階は、前記入力映像の
    平均を基準に前記上限値及び前記下限値とのマッピング
    領域を分割して形成されたそれぞれの下位領域について
    複数の前記マッピング関数のうちから選択された前記マ
    ッピング関数によって前記入力映像のピクセル値に対す
    る変換を行うことを特徴とする請求項８に記載のコント
    ラスト向上方法。
  10. 【請求項１０】 前記マッピング段階は次のような式に
    よって複数の前記マッピング関数のうちから前記入力映
    像のピクセル値に対する変換に使用される前記マッピン
    グ関数を選択することを特徴とする請求項９に記載のコ
    ントラスト向上方法。 【数４】
  11. 【請求項１１】 前記マッピング関数は次のような式で
    表現されることを特徴とする請求項７または８に記載の
    コントラスト向上方法。 【数５】 ここで、ｘは入力映像のピクセル値、ｙは出力映像のピ
    クセル値、σaは入力映像の標準偏差、σｂは目標映像
    の標準偏差、Ｐaは入力映像の平均、それからＰｂは目
    標映像の平均である。
  12. 【請求項１２】 前記第２演算段階は次の式によって前
    記目標映像の標準偏差を計算することを特徴とする請求
    項７または８に記載のコントラスト向上方法。 【数６】 ここで、σaは前記入力映像の標準偏差、Ｐaは前記入力
    映像の平均、ｍは所定の可変標準偏差、ｋは０と１との
    間に存在し前記入力映像の平均がガウス分布の平均であ
    る１２８に近づくほど０に収斂し、前記入力映像の平均
    が前記ガウス分布の平均である１２８から遠ざかるほど
    １に収斂する媒介変数、それからｇ（）は前記ｋを決め
    る関数である。
JP2003027655A 2002-02-06 2003-02-04 ヒストグラムマッチングを用いたコントラスト向上装置及び方法 Expired - Fee Related JP3824590B2 (ja)

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