JP2008271316A - Image processing apparatus and method - Google Patents
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Images
Abstract
Description
本発明は、画像処理技術に係わり、特に暗部の再現性向上に関する。 The present invention relates to an image processing technique, and more particularly to improvement in reproducibility of a dark part.
デジタルテレビやパソコンにおいて、表示画像の暗部の階調再現性を向上させるニーズがある。従来、暗部の階調再現性を向上させる方法としては、一つには輝度信号をガウシアンフィルタを用いて照明成分と反射成分に分け処理するレチネックスという方法が用いられている。しかしこのレチネックスという方法では、暗部の階調再現性の拡大には優れてはいるものの、画素単位でガウシアンフィルタ演算が必要であり、非常に演算処理が多いという欠点があった。 There is a need to improve the gradation reproducibility of dark areas of display images in digital televisions and personal computers. Conventionally, as a method for improving gradation reproducibility in a dark part, a method called Retinex is used in which a luminance signal is divided into an illumination component and a reflection component using a Gaussian filter. However, this Retinex method is excellent in expanding the gradation reproducibility in the dark part, but has a drawback in that it requires a Gaussian filter operation for each pixel and requires a large amount of arithmetic processing.
また、演算処理がより少ない方法として、ヒストグラムを用いて暗部の階調を引き伸ばす方法や、暗部の面積に応じて固定的な範囲で暗部の階調を広げる方法が用いられてきた。例えば、特許文献1に記載されている方法は、映像信号の階調位置頻度数分布を求め、その頻度数が多い分布の個所ほど階調位置分布を広く設定した画素変換を行なうというものである。
Further, as a method with less arithmetic processing, a method of extending a dark portion gradation using a histogram or a method of expanding a dark portion gradation within a fixed range according to the area of the dark portion has been used. For example, the method described in
しかしながら、ヒストグラムや暗部の面積に応じて固定的な範囲で暗部階調再現する方法では、小さな範囲で暗部の階調を広げることが出来るが、大きな範囲の暗部の階調拡大を行うことは出来なかった。分布の形状の変化に対して安定な大局的な処理を簡単に見出すことが困難だったからである。
本発明は、簡単な演算処理でより広い範囲の暗部の階調再現性の向上を行う画像処理技術を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an image processing technique for improving gradation reproducibility in a wider dark area with simple arithmetic processing.
上記課題を解決するために、本発明の画像処理方法は、画像内の画素値の平均値を算出し、前記画像内の画素値の最大値を算出し、前記画像内の画素値の最小値を算出し、前記最大値から前記平均値を引いた値と前記最小値との間の区間の画素値を取る画素に対して、前記区間外の画素よりも輝度を増加する階調変換特性を用いて前記画像内の画素値を置換することを特徴とする。 In order to solve the above problems, an image processing method of the present invention calculates an average value of pixel values in an image, calculates a maximum value of pixel values in the image, and calculates a minimum value of pixel values in the image. And a gradation conversion characteristic that increases the luminance of pixels that take a pixel value in a section between a value obtained by subtracting the average value from the maximum value and the minimum value as compared with a pixel outside the section. Used to replace pixel values in the image.
また本発明の画像処理装置は、画像内の画素値の平均値を算出する手段と、前記画像内の画素値の最大値を算出する手段と、前記画像内の画素値の最小値を算出する手段と、前記最大値から前記平均値を引いた値と前記最小値との間の区間の画素値を取る画素に対して、前記区間外の画素よりも輝度を増加する階調変換特性を用いて前記画像内の画素値を置換する手段とを備えたことを特徴とする。 The image processing apparatus according to the present invention calculates a mean value of pixel values in the image, a means for calculating a maximum value of the pixel values in the image, and a minimum value of the pixel values in the image. And a gradation conversion characteristic that increases the luminance of a pixel having a pixel value in a section between a value obtained by subtracting the average value from the maximum value and the minimum value as compared with a pixel outside the section. And means for replacing pixel values in the image.
本発明によれば、簡単な演算処理でより広い範囲の暗部の階調再現性の向上を行う画像処理技術が得られる。 According to the present invention, it is possible to obtain an image processing technique for improving the gradation reproducibility of a darker area in a wider range by simple arithmetic processing.
以下、本発明の実施例を説明する。 Examples of the present invention will be described below.
本発明による実施例1を図1乃至図3を参照して説明する。
図1は、この発明の一実施例を示すブロック構成図である。パソコンに応用する場合の実施例である。適用ブロックとしては後述のGPUの中の画質調整回路1620の後に適用する場合について示すが、周辺構成は従来構成と変わらないので要所のみを記載する。
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of the present invention. This is an embodiment when applied to a personal computer. As an application block, a case where it is applied after an image
画質調整回路1620からの出力信号1621は、YUVフレームメモリ10とY信号画素取り込み回路20に入る。Y信号画素取り込み回路20で取りこまれた信号は、平均値算出回路30、最大値と最小値検出回路40、低階調画素数カウント回路50、全画素数カウント回路60に至る。平均値算出回路30で算出された平均値算出結果31と、最大値と最小値算出回路40で算出された最大値と最小値の検出結果41と、低階調画素数カウント回路50で算出された低階調画素数カウント結果51と、全画素数カウント回路60で算出された全画素数カウント結果61は、それぞれY階調変換特性作成回路70に至る。Y階調変換特性作成回路70では、画像全体の画素値の平均値と最大値と最小値から変換カーブ特性を作成する。Y階調変換特性作成回路70で作成されたY階調変換指示信号71は、UV階調変換特性作成回路90と画素置換処理回路100に至る。UV階調変換特性作成回路90では、Y信号の階調の変化応じてUV信号の階調も同様に変化させるような変換特性を作成する。UV階調変換特性作成回路90で作成されたUV階調変換指示信号91は、画素値間処理回路100に至る。画素値間処理回路100では、YUVフレームメモリ10からの出力信号11に対して、Y階調変換指示信号71とUV階調変換指示信号91により画素置換処理が行われる。
An
図2に図1中のY階調変換特性作成回路70で作成されるカーブ特性の一例を示す。図2の一例では、画素値の最小値O点と(最大値−平均値)B点の間を上側に凸となるようなカーブ特性としてある。上側に凸となるカーブ特性の例は、例えば入力画素値をx、出力画素値をyとした場合に最小値と(最大値−平均値)の前半の中間地点、即ち(最小値+最大値−平均値)÷2の地点まではy=x+√x(xの平方根、以下同様)となる関数で表現でき、中間地点から後半はその関数を中間地点からy=x上に引いた垂直線に対して図2のA点で接続し線対称な関数とすれば容易に表現できる。
FIG. 2 shows an example of a curve characteristic created by the Y gradation conversion
式を変形すると、(y−x)^2=x、但しxは非負となる(^2は二乗の意、以下同様)。これは円錐曲線の範疇にある。中間地点からy=x上に引いた垂直線に対してy=x+√xと線対称な関数は、xy座標に対して+45°回転したuv座標で求めて、逆変換するとx=y−√(L−y)なる逆関数であることが導ける。この逆関数上のyの値が求め難い場合には、y=x+√x上で線対称な位置のx、y座標を通るy=xに平行な線を補助線として考え求めて When the equation is modified, (y−x) ^ 2 = x, where x is non-negative (^ 2 means square, and so on). This is in the category of conic curves. A function symmetric with y = x + √x with respect to a vertical line drawn on y = x from the middle point is obtained by uv coordinates rotated by + 45 ° with respect to the xy coordinates, and when inversely transformed, x = y−√ It can be derived that the inverse function is (L−y). If it is difficult to determine the value of y on the inverse function, consider a line parallel to y = x passing through the x and y coordinates at a line-symmetrical position on y = x + √x as an auxiliary line.
この上側に凸となる基本関数をy=f(x)とし、上側に凸となる区間長((最大値−平均値)−最小値)をL、低階調画素数のカウント結果による凸の振幅の大小に影響を与える係数をAとすると、y=f(x)の関数に対して、振幅の変化と区間長の変化(区間長が大きくなると振幅を抑圧する)を考慮した関数を Y=A×f(x)÷L と表現できる。ここで、g階調以下の低階調画素数のカウント数をn、全画素数をALLとするとA=k×(n÷g)÷(ALL÷Dmax) と表現でき、低階調域の画素数に応じてY=f(x)の関数の振幅を変化させることができる。後ろの(n÷g)を(ALL÷Dmax)の部分は、言わば低階調域の画素数密度を全領域の画素数密度で正規化していることになる。なお、Dmaxはダイナミックレンジの最大値(8bitの階調表現では 255 の値)で、kは定数である。例えばk=αLと置くと、大まかにはY≒αf(x)となり、αがLに反比例して凸を強める、あるいはLに比例して凸量を抑圧するという性質を持たせていると言える。なおDmaxの代わりにDmaxに近い値または画面内で計算した輝度の最大値または画面内で計算した輝度の最大値に近い値を用いてもよい。また、ダイナミックレンジの最小値(8bitの階調表現では0の値)と画面内で計算した輝度の最小値との関係は図2では煩瑣になるため省略しているが、同様に4通りの考え方で適するものを利用すればよい。 The upward convex basic function is y = f (x), the upward convex section length ((maximum value−average value) −minimum value) is L, and the convexity by the count result of the number of low gradation pixels is Assuming that the coefficient that affects the magnitude of the amplitude is A, a function that considers the change in amplitude and the change in interval length (suppresses the amplitude as the interval length increases) for the function y = f (x). = A × f (x) ÷ L Here, if the number of low gradation pixels below g gradation is n and the total number of pixels is ALL, it can be expressed as A = k × (n ÷ g) ÷ (ALL ÷ Dmax). The amplitude of the function of Y = f (x) can be changed according to the number of pixels. In the latter part (n ÷ g) (ALL ÷ Dmax), the pixel number density in the low gradation region is normalized by the pixel number density in the entire region. Note that Dmax is the maximum value of the dynamic range (255 in 8-bit gradation representation), and k is a constant. For example, when k = αL is set, roughly, Y≈αf (x), and α has a property of increasing the convex in inverse proportion to L or suppressing the convex amount in proportion to L. . Instead of Dmax, a value close to Dmax, a maximum brightness value calculated in the screen, or a value close to the maximum brightness value calculated in the screen may be used. In addition, the relationship between the minimum value of the dynamic range (0 value in the 8-bit gradation expression) and the minimum value of the brightness calculated in the screen is omitted in FIG. Whatever suits the way of thinking should be used.
また、UV階調変換特性90は、UVのオフセット(±128階調表示)を考慮した図2と同様の特性を持たせることにより、Y信号の変化に応じてUV信号を変化させることができる。なお、本説明ではYUV信号として説明を行ったがRGB信号として処理しても同様の効果が得られることは言うまでもない。
Further, the UV
さらには、本説明ではGPUの中の画質調整の次段の処理として説明を行ったが、CPUとNorth Bridge、Main Memoryで構成されるソフトウエアによる処理でも同様の効果が得られることも言うまでもない。例えば、図3は従来同様のパソコンの映像信号のフローを示したものである。 Furthermore, in this description, the processing was described as the next stage of image quality adjustment in the GPU, but it goes without saying that the same effect can be obtained by processing using software including the CPU, North Bridge, and Main Memory. . For example, FIG. 3 shows the flow of a video signal of a personal computer as in the prior art.
図3の構成を簡単に説明する。アナログ放送受信部からの映像信号出力1000 と映像信号入力1001 はスイッチ1010 で切り替えられてA/D&ビデオデコーダ回路1100 でベースバンド信号(YUV)としてデジタル化され、PCIバス1101 を経由してSouth Bridge1500 に入る。South Bridge1500 にはODD1510 やHDD1520 が接続されている。South Bridge1500 から出た信号はNorth Bridge1400 とCPU1200 、Main Memory1300 によりソフトウエア処理が施され、GPU1600 に至る。GPU1600 に入った信号は、正方スケーラ回路1610 でピクセル形状を整えられ、次に画質調整回路1620 にて画質バランスを整えられ、YUV->RGB変換回路1630 で信号変換され、αブレンド&スケーラ回路1640 でディスプレーサイズに画像サイズを変更された後、8->6bit削減&ディザ回路1650 にて6bitにデータサイズを変更された後ディザが施される。画質調整回路1620では、一般的なブライトネス調整、コントラスト調整がなされる。
The configuration of FIG. 3 will be briefly described. The
このソフトウエアによる処理では、必要に応じスケーラや画質調整の処理が後に来ることを考慮した処理を行う。ソフトウエアによる処理の効果はGPUが汎用チップで構成できることがある。 In the processing by this software, processing that takes into account that scaler and image quality adjustment processing will come later is performed as necessary. The effect of processing by software is that the GPU may be configured with a general-purpose chip.
本発明による実施例2を図2及び図4乃至図5を参照して説明する。実施例1と共通する部分は説明を省略する。図4はデジタルテレビの映像信号のフローを示したものである。 A second embodiment according to the present invention will be described with reference to FIG. 2 and FIGS. Description of the parts common to the first embodiment is omitted. FIG. 4 shows the flow of a video signal of a digital television.
図4の構成を簡単に説明する。アナログ放送受信部1000 からの映像信号出力と映像信号入力1001 はスイッチ1010 で切り替えられてA/D&ビデオデコーダ回路1100 でベースバンド信号(YUV)としてデジタル化されバックエンドプロセッサ2300 に送られる。デジタル放送受信部2100 で受信されたデジタル放送信号も、MPEG2-TSデコーダ回路2200 で信号が復調された後同じくバックエンドプロセッサ2300 に送られる。バックエンドプロセッサ2300 に入ったそれぞれの信号は、スケーラ回路2310 で画像サイズが調整され、画質調整回路2320 で画質が調整される。
The configuration of FIG. 4 will be briefly described. The video signal output from the analog
次に、階調変換部2325において、曲線による階調変換が行われる。その後は、YUV-RGB変換回路2330 でRGB信号に変換された後、10->8変換&階調補正回路2340 で2bit削減された後、階調補正回路にてFRC(フレームレートコントロール)される。階調補正された信号はD/A回路2400 でD/A変換された後、ディスプレー部2500 に送られる。 画質調整回路2320 では、コントラスト調整及びブライトネス調整の他に暗部階調再現回路を搭載しているのが一般的である。
Next, the
図5に本実施例をデジタルテレビに応用した場合の構成例を示す。画質調整回路2320からの出力信号2321は、破線で囲った階調変換部2325のYUVフレームメモリ10とY信号画素取り込み回路20に入る。図5は本実施例で、デジタルテレビへ適用した場合の例であるが、ブロック構成、アルゴリズムは実施例1の図1のパソコンへ適用した場合と同様なので説明は省略する。
FIG. 5 shows a configuration example when this embodiment is applied to a digital television. The
また、f(x)−xとして実施例1の√xに代わって対数関数を用いると例えば、図2の曲線OAをv=a*ln(u+1)とすると(lnは自然対数)、曲線ABはa*ln(√2L−u+1)となる。これをxy座標に変換したときにおけるyの数値解が簡単には求め難い場合には、予め例えばY階調変換特性作成回路70に図示せぬROM等で、L毎に数値テーブルを設けてそれを引くようにしておけばよい。
Further, when a logarithmic function is used as f (x) −x instead of √x in the first embodiment, for example, if the curve OA in FIG. 2 is v = a * ln (u + 1) (ln is a natural logarithm), the curve AB Is a * ln (√2L−u + 1). If it is difficult to find a numerical solution of y when this is converted into xy coordinates, a numerical table is provided for each L by using a ROM (not shown) in the Y gradation conversion characteristic creating
本発明による実施例3を図6及び図7を参照して説明する。実施例1、2と共通する部分は説明を省略する。実施例1で触れた円錐曲線の代表的なものとしては、楕円と放物線と双曲線があり、以下にf(x)として各曲線を用いた例を示す。 A third embodiment according to the present invention will be described with reference to FIGS. Description of parts common to the first and second embodiments is omitted. Typical conic curves mentioned in the first embodiment include an ellipse, a parabola, and a hyperbola, and an example in which each curve is used as f (x) is shown below.
楕円の式は、uv座標で(u−L/√2)^2/a^2+(v+c)^2/b^2=1である(a、b、cは正定数)。u=0,√2Lでv=0となるように設定できる。xy座標で第一象限に入れるためには、u=0における接線の傾きが45°未満になるように定数を定めれば良い。 The formula of the ellipse is (u−L / √2) ^ 2 / a ^ 2 + (v + c) ^ 2 / b ^ 2 = 1 in uv coordinates (a, b, and c are positive constants). It can be set so that v = 0 when u = 0, √2L. In order to enter the first quadrant in the xy coordinates, a constant may be determined so that the slope of the tangent line at u = 0 is less than 45 °.
放物線の式は、uv座標でv=−a(u−L/√2)^2+bである(a、bは正定数)。u=0,√2Lでv=0となるように設定でき、やはりxy座標で第一象限に入れるためにはu=0における接線の傾きが45°未満になるように定数を定めれば良い。 The parabolic equation is v = −a (u−L / √2) ^ 2 + b in uv coordinates (a and b are positive constants). It can be set so that v = 0 when u = 0, √2L, and in order to enter the first quadrant with xy coordinates, a constant may be set so that the tangent slope at u = 0 is less than 45 °. .
双曲線の式は、(x+a)(y−b)=−cである(a、b、cは正定数)。x=0,Lでy=xとなるように設定できる。図6はL=128のときの描画例である。a=16、b=144、c=2304の場合で、横軸がx、縦軸がyである。 The hyperbolic equation is (x + a) (y−b) = − c (a, b and c are positive constants). x = 0, L and y = x can be set. FIG. 6 is a drawing example when L = 128. In the case of a = 16, b = 144, and c = 2304, the horizontal axis is x and the vertical axis is y.
図7は数値を整数テーブルとしたものである。xに対しa=4、b=36、c=144とした場合のL=32(y32)の全部と、図6のL=128(y128)の一部の数値を代表として表してある。各Lに応じて適切なa、b、cの関数について揃えておけばよい。 FIG. 7 shows an integer table of numerical values. The whole L = 32 (y32) when a = 4, b = 36, and c = 144 with respect to x, and some numerical values of L = 128 (y128) in FIG. 6 are represented as representatives. What is necessary is just to arrange about the function of appropriate a, b, and c according to each L.
本例では共通してf(x)が垂直線上での継ぎ目がなく滑らかである。
以上の実施例では、Y階調変換特性作成回路において、画像の平均値、最大値、最小値、低階調領域の量を用いて変換カーブ特性を作成し、それに基づいて画素置換処理を行なうことにより、暗部の階調再現性向上を図った。以上述べてきたように、従来並の簡単な演算処理を行うだけで、大幅な暗部の階調再現性向上を容易に行うことが可能となる。例えば、逆光のシーンの映像では、画素の最大値は余り低くならないが比して平均値はかなり低くなることが多い。このようなときに広範囲な暗部の階調再現性向上を図れるものである。
In this example, f (x) is common and smooth on the vertical line.
In the above embodiment, the Y gradation conversion characteristic creation circuit creates the conversion curve characteristic using the average value, maximum value, minimum value, and amount of the low gradation region of the image, and performs pixel replacement processing based on the conversion curve characteristic. As a result, the tone reproducibility of the dark part was improved. As described above, it is possible to easily improve the gradation reproducibility of a dark part easily only by performing a simple arithmetic process similar to the conventional one. For example, in an image of a backlight scene, the maximum value of the pixel is not so low, but the average value is often considerably low. In such a case, it is possible to improve gradation reproducibility in a wide range of dark areas.
なお、この発明は上記実施例に限定されるものではなく、この外その要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、階調変換曲線ではなく階調変換直線を用いても良い。上記整数テーブルは、256本程度の線分からなる区分的階調変換直線とも言えよう。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. For example, a gradation conversion line may be used instead of the gradation conversion curve. The integer table can be said to be a piecewise gradation conversion straight line composed of about 256 line segments.
また、上記した実施の形態に開示されている複数の構成要素を適宜に組み合わせることにより、種々の発明を形成することができる。例えば、実施の形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除しても良いものである。さらに、異なる実施の形態に係る構成要素を適宜組み合わせても良いものである。 Various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the above-described embodiments. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, constituent elements according to different embodiments may be appropriately combined.
10…YUVフレームメモリ、20…Y信号画素取り込み回路、30…平均値算出回路、40…最大値と最小値検出回路、50…低階調画素数カウント回路、70…Y階調変換特性作成回路、90…UV階調変換特性作成回路、100…画素置換処理回路、2325…階調変換部。
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記画像内の画素値の最大値を算出し、
前記画像内の画素値の最小値を算出し、
前記最大値から前記平均値を引いた値と前記最小値との間の区間の画素値を取る画素に対して、前記区間外の画素よりも輝度を増加する階調変換特性を用いて前記画像内の画素値を置換することを特徴とする画像処理方法。 Calculate the average pixel value in the image,
Calculating the maximum pixel value in the image;
Calculating the minimum pixel value in the image;
For the pixel that takes a pixel value in a section between the value obtained by subtracting the average value from the maximum value and the minimum value, the image is converted using a gradation conversion characteristic that increases the luminance as compared with a pixel outside the section. An image processing method characterized by replacing a pixel value in the image processing method.
画素値の採り得る最大値から前記平均値を引いた値と前記画像内の画素値の最小値との間の区間の画素値を取る画素に対して、前記区間外の画素よりも輝度を増加する階調変換特性を用いて前記画像内の画素値を置換することを特徴とする画像処理方法。 Calculate the average pixel value in the image,
Increases the luminance of pixels that take the pixel value in the interval between the maximum value that can be taken from the pixel value and the minimum value of the pixel value in the image, compared to the pixels outside the interval. An image processing method comprising replacing a pixel value in the image by using a gradation conversion characteristic to perform.
前記画像内の全画素数に対する前記所定階調以下の画素数の割合に応じて前記増加量を単調増加することを特徴とする請求項1に記載の画像処理方法。 Calculating the number of pixels below the predetermined gradation in the image;
The image processing method according to claim 1, wherein the increase amount is monotonously increased according to a ratio of the number of pixels equal to or less than the predetermined gradation to the total number of pixels in the image.
前記画像内の画素値の最大値を算出する手段と、
前記画像内の画素値の最小値を算出する手段と、
前記最大値から前記平均値を引いた値と前記最小値との間の区間の画素値を取る画素に対して、前記区間外の画素よりも輝度を増加する階調変換特性を用いて前記画像内の画素値を置換する手段とを
備えたことを特徴とする画像処理装置。 Means for calculating an average value of pixel values in the image;
Means for calculating a maximum value of pixel values in the image;
Means for calculating a minimum pixel value in the image;
For the pixel that takes a pixel value in a section between the value obtained by subtracting the average value from the maximum value and the minimum value, the image is converted using a gradation conversion characteristic that increases the luminance as compared with a pixel outside the section. An image processing apparatus comprising: means for replacing a pixel value in the image processing apparatus.
前記画像内の画素値の最大値を算出する手段と、
前記画像内の画素値の最小値を算出する手段と、
前記最大値から前記平均値を引いた値と前記最小値との間の区間の画素値を取る画素に対して、前記区間外の画素よりも輝度を増加する階調変換特性を用いて前記画像内の画素値を置換する手段と、
この置換された画素値の画像を表示する手段とを
備えたことを特徴とする画像処理装置。 Means for calculating an average value of pixel values in the image;
Means for calculating a maximum value of pixel values in the image;
Means for calculating a minimum pixel value in the image;
For the pixel that takes a pixel value in a section between the value obtained by subtracting the average value from the maximum value and the minimum value, the image is converted using a gradation conversion characteristic that increases the luminance as compared with a pixel outside the section. Means for replacing pixel values in
An image processing apparatus comprising: means for displaying an image of the replaced pixel value.
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