JP2010511322A - 鮮明さを保持したビデオデータのコントラスト強調 - Google Patents

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Abstract

画像またはビデオデータのコントラストを強調する方法は、コントラスト引き上げ伝達関数を基準画像に適用して強調画像を生成する段階を含んでよい。基準画像に変換が適用されて基準高周波成分が生成され、同じく強調画像にも適用されて強調高周波成分が生成されてよい。基準画像内の画素について、強調高周波成分が対応する基準高周波成分より高いエネルギーを有しているかどうかが決定されてよい。また、方法は、強調高周波成分が対応する基準高周波成分より高いエネルギーを有している場合、基準画像内の画素を強調画像内の画素と置換する段階も含む。
【選択図】図4

Description

請求の範囲に記載されている発明の実施態様は、概して画像またはビデオ情報の強調方式に関し、より詳しくは、画像またはビデオ情報のコントラストを強調する方式に関する。
ビデオシーケンスにおける画像は、例えば、水平および垂直の両方向でサンプリングされる3つの信号(例えば赤/緑/青(RGB)、または、輝度およびクロミナンス(YUV))で表現されうる。YUV色空間におけるそれらの画像では、コントラストは、画像における異なる輝度(Y)値の間のエネルギー分布を示す特長として概念化されることもできる。一般的に、コントラスト強調すると、画像のダイナミックレンジが拡大する一方で、当該画像におけるエネルギーが輝度値の範囲の両端(例えば最高値および最低値)に再配分されうる。
画像の鮮明さは、画像の高周波成分に比較的高いエネルギーが集中することにより生じる知覚的な印象である。コントラスト強調の中には、画像の細部を強調することにより、知覚される鮮明さを向上させるものもある。
しかしながら、コントラストを強調しすぎると、画像の細部が消え、それに応じて鮮明さも損なわれることがある。これは、エネルギーが画像の高周波成分に再配分されずに、画像の輝度値に再配分される場合があるからである。
本願明細書に組み込まれてその一部となる添付の図面は、本発明の原理と一致する1つ以上の実施態様を記載を伴い示すと共に、そのような実施態様を説明する。図面は必ずしも一定の比率であるというわけでなく、本発明の原理を示すために強調されることもある。
コントラスト強調システムの一例を示す。
コントラスト強調伝達関数の一例を示す。
周波数抽出の前後の画像の一例を示す。 周波数抽出の前後の画像の一例を示す。
画像のコントラスト強調プロセスの一例を示す。
以下の詳細な説明では、本発明が実施される特定の実施形態を示す添付の図面への参照がなされる。異なる図面で同じ参照符号が用いられる場合、同じまたは同様の構成要素を示す。以下の記載では、請求の範囲に記載されている発明のさまざまな側面の完全なる理解をもたらすべく、限定ではなく説明の目的で、特定の詳細が特定の構造、設計、インターフェース、技法などとして記載される。しかしながら、本開示の恩恵に与る当業者であれば、請求の範囲に記載されている発明のさまざまな側面は、これらの詳細な説明から逸脱する他の例においても実施できることが理解できよう。特定の例では、よく知られたデバイス、回路、および、方法の説明は、不要な詳細によって本発明の記載をあいまいにすることを避けるべく省略される。
図1は、コントラスト強調システム100の一例を示す。システム100は、さまざまな伝送および/または記憶媒体を含むがこれらに限定されない任意の適切な媒体からビデオ情報を受信する。説明を簡単にすべく別々の機能構成要素として図示されているが、システム100の構成要素のいずれかまたはすべては、同じ場所に配置される、および/または、共通のグループのゲートおよび/またはトランジスタによって実装されてよい。さらにシステム100は、ソフトウェア、ファームウェア、ハードウェア、または、それらのいかなる適切な組合せによって実装されてよい。
コントラスト強調システム100は、第1のメモリ110、コントラストエンハンサ120、第2のメモリ130、周波数抽出器140、第3のメモリ150、第4のメモリ160、および、比較ロジック170を有する。図には個別の機能構成要素として示されているが、構成要素110から170のうちの特定のものは、共通して実装されてよい。例えば、いくつかの実施形態では、メモリ110、130、150、160は、再利用の有無に関わらず、単一のメモリの一部として実装されてよい。また、いくつかの実施形態では、コントラストエンハンサ120、周波数抽出器140、および/または、比較ロジック170は、ソフトウェアおよび/またはファームウェアを実行する汎用または特定用途プロセッサにより実装されてよい。構成要素110から170についての他の特定の実装も可能であり、考慮される。
第1のメモリ110は、さまざまなフォーマットの基準画像データを受信して格納する。データのフォーマットは、MPEG−1、MPEG−2、MPEG−4、Advanced Video Coding (AVC) (例えば、MPEG−4、part10およびITU−T Recommendation、H.264)、Windows(登録商標) Media Video 9(WMV−9)、SMPTEのVC−1などを含むがこれらに限定されない。いくつかの実施態様では、第1のメモリ110は、基準画像全体の輝度値(Yなど)を格納してよい。しかしながら、いくつかの実施態様では、第1のメモリ110は、画像全体のある部分、または、2つ以上の画像の輝度値を格納してよい。また、いくつかの実施態様では、第1のメモリ110は、格納している基準画像における個々の画素を必要に応じて上書きできるようなRAM(ランダムアクセスメモリ)を含んでよい。
コントラストエンハンサ120は、第1のメモリ110における基準画像のコントラストを強調し、強調されたコントラストを有する強調画像を第2のメモリ130に出力してよい。コントラストエンハンサ120は、現在知られている、または、後に開発された多数の技法のいずれを用いて第1のメモリ110における基準画像のコントラストを強調してよい。いくつかの実施態様では、例えば、コントラストエンハンサ120は、基準画像の画像特性(例えば基準画像の輝度ヒストグラム)を決定してよい。そして、コントラストエンハンサ120は、任意のコントラスト強調伝達関数(基準画像の特性に基づいても基づかなくてもよい)を基準画像の輝度値に適用して強調画像を生成してよい。
図2は、コントラストエンハンサ120が用いることができるコントラスト強調伝達関数230の一例を含むプロット200である。参照の目的で、伝達関数230は、単一ゲインライン210と、関数230に近い連続したコントラスト強調伝達曲線220とに関連付けて示されている。連続曲線220がいくつかの実施態様で用いられうることはもちろんだが、他の実施態様では、4点伝達関数230などの区分線形曲線が簡単に実装されうる。
伝達関数230に着目すると、図示されているような暗い領域、中間領域、明るい領域における異なる輝度入力値に対して異なる性質を示す。これらの領域の境界は、基準画像の輝度特性に基づき、コントラストエンハンサ120により設定されてよい。たとえば、いくつかの実施形態では、関数230の「暗い」部分と「明るい」部分との境界は、フルスケール輝度の5%で設定されることにより、ノイズによる出力におけるコアリングの発生を防ぐことができるが、他の閾値も可能であり、考慮される。別の例としては、関数230の「中間」部分と「明るい」部分との境界は、フルスケール輝度の75%で設定されてよいが、他の閾値も可能であり、考慮される。
中間領域内では、関数230は、例えば、基準画像の輝度中央値または平均値で傾きを変化させてよい。明るい領域内では、伝達関数230は、明るい領域の始まりにおける輝度値(例えばフルスケールの75%)、および、フルスケール(例えば最大限可能な)値の平均で傾きを変化させてよい。上記特定の例では、明るい領域における関数230の屈曲点または切れ目は、フルスケールの約87.5%で生じうる。中間領域および明るい領域の両方において、関数230は、互いにわずかに大きいおよび/または小さい異なるラインセグメントに対する傾斜を有してよい。いくつかの実施形態では、例えば、伝達関数230の少なくともいくつかのセグメントは、ある比較的小さい値δに対し(1±δ)であってよい。
いくつかの実施形態では、コントラストエンハンサ120は、伝達関数230を用いて第1のメモリ110における基準画像のコントラストを強調し、その結果の強調画像を第2のメモリ130に出力してよい。コントラストは、伝達関数230によって、画像の輝度分布を「引き伸ばす」(例えば明るい画素をより明るくし、暗い画素をより暗くする)ことにより強調されてよい。しかしながら、コントラストエンハンサ120は、基準画像にいかなるコントラスト強調伝達関数を適用して強調画像を生成してもよく、請求の範囲に記載されている発明は、図2に示される、単に例として挙げられている特定の伝達関数230に限定されないことに留意されたい。
図1に戻ると、第2のメモリ130は、画像エンハンサ120から強調画像(輝度データなど)を受信して格納する。エンハンサ120の伝達関数が適用された後、第2のメモリ130内の強調画像は、第1のメモリ110内の基準画像とサイズおよび他の特徴が一致してよい。いくつかの実施形態では、第2のメモリ130は、第2のメモリ130内の強調画像における個々の画素が必要に応じて読み出せるようなRAM(ランダムアクセスメモリ)または同様にアドレス指定可能なメモリを含んでよい。
周波数抽出器140は、第1のメモリ110における基準画像から少なくともいくつかの高周波成分を抽出し、抽出された基準周波数成分を第3のメモリ150に格納してよい。周波数抽出器140は、第2のメモリ120における強調画像から少なくともいくつかの高周波成分を抽出し、抽出された強調周波数成分を第4のメモリ160に格納してもよい。いくつかの実施態様では、周波数抽出器140は、基準画像および強調画像に略同時に動作を実行してよい。しかしながら、いくつかの実施態様では、周波数抽出器140は、まず基準画像に動作を実行し、その間に、例えば、コントラストエンハンサ120が強調画像を生成してもよい。
いくつかの実施態様では、周波数抽出器140は、基準画像および強調画像に対して二次元(2D)変換を実行してよい。高周波成分を抽出するために周波数抽出器140によって実装されうるさまざまな変換は、フーリエ変換、離散コサイン変換(DCT)、アダマール変換、ウェーブレット変換、および/または、画像から高周波成分を生成することが可能ないかなる一次元または二次元変換も含みうるが、これらに限定されない。いくつかの実施形態では、周波数抽出器140は、二次元離散ウェーブレット変換(DWT)を基準画像に対して実行することにより、第3のメモリ150に基準周波数成分を生成し、また、二次元離散ウェーブレット変換(DWT)を強調画像に対して実行することにより、第4のメモリ160に強調周波数成分を生成してよい。
図3Aは、周波数抽出器140による周波数抽出前の典型的な画像310を示す。説明の目的で、画像310は、基準画像または強調画像であってよく、例えば、輝度(Y)値を有してよい。
図3Bは、抽出器140による二次元離散ウェーブレット変換(DWT)後の画像310の典型的な成分を示す。二次元DWTは、画像310を水平方向(すなわち水平成分330)、垂直方向(すなわち垂直成分340)、および、斜め方向(すなわち斜め成分350)において1つの低細度成分320と3つの高細度成分(例えば高周波情報を含む)に分解してよい。DWTに精通している当業者であれば、図3Bは第1レベルの分解を示し、低細度成分320は、第2、第3などの段階的な分解で連続的に分解されうることがわかるだろう。請求の範囲に記載されている発明は、第1レベルのウェーブレット分解による成分を用いて実行されているが、それに限定されず、より高いレベルのウェーブレット分解を用いて実行されてもよく、および/または、他のタイプの変換により例えば高周波成分330から350、あるいは、同様の高周波情報を抽出してもよい。
図3Bの典型的な成分を参照すると、周波数抽出器140は、第1のメモリ110における基準画像から生成された一組の成分320から350(例えば基準成分)を第3のメモリ150に格納してよい。同様に、周波数抽出器140は、第2のメモリ130における強調画像から生成されたもう一組の成分320から350(例えば強調成分)を第4のメモリ160に格納してよい。特定の二次元変換の特性によれば、水平、垂直、斜め成分320から350それぞれの数が、基準画像または強調画像における画素数と一致(または既知の方法で相関)してよい。
図1に戻り、第3のメモリ150は、周波数抽出器140から基準成分(例えば、基準画像の高周波成分を含む)を受信して格納してよい。いくつかの実施態様では、第3のメモリ150は、第3のメモリ150内の個々の成分(例えば、対応する基準画像における画素に対応する)が必要に応じて読み出せるようなRAM(ランダムアクセスメモリ)または同様のアドレス指定可能なメモリを含んでよい。
4つのメモリ160は、周波数抽出器140から強調された成分(例えば、強調画像の高周波成分を含む)を受信して格納してよい。いくつかの実施態様では、第4のメモリ160は、第4のメモリ160内の個々の成分(例えば、対応する強調画像における画素に対応する)が必要に応じて読み出せるようなRAM(ランダムアクセスメモリ)または同様のアドレス指定可能なメモリを含んでよい。
比較ロジック170は、第3および第4のメモリ150および160における対応する基準成分および強調成分の比較に基づき、第1のメモリ110における基準画像の画素を第3のメモリ130における強調画像の対応する画素と選択的に置換してよい。一般的に、比較ロジック170は、高周波強調成分のエネルギーが高周波基準成分のエネルギーより大きい場合に、基準画素を強調画素と置換してよい。所定の画素について、強調成分のエネルギーのほうが大きくない場合、比較ロジック170は、第1のメモリ110における基準画像の画素を置換しなくてよい。
比較ロジック170は、メモリ150および160における基準成分および強調成分の1つ、いくつか、またはすべてを用いて、所定の画像画素について、高周波エネルギーを増大または減少させる決定をしてよい。図3Bにおける特定の例を参照すると、比較ロジックは、水平成分330、垂直成分340、および、斜め成分350の1つ、いくつか、またはすべてを比較のために用いてよい。例えば、比較ロジック170は、以下の和を求めてよい。
Figure 2010511322
ここで、「enh」および「ref」は、高周波強調および基準成分を示し、さまざまなfactorは、重み係数または尺度係数であり、1つの成分(例えば水平成分)を他より多く、少なく、または、同じに重み付けするのに用いられる。そして、比較ロジック170は、この重み付けされた合計をゼロと比較して絶対エネルギーの増加を識別するか、または、ゼロでない数と比較して特定の量より多いエネルギーの増加を識別してよい。
いくつかの実施形態では、比較ロジック170は、重み係数の有無に関わらず、周波数成分(330から350など)の1つまたは2つだけを比較してよい。例えば、比較ロジックは、水平成分330だけ、垂直成分340だけ、斜め成分350だけ、または、それらの組合せを比較してよい。また、比較ロジック170は、終了条件が満たされた後、第1のメモリ110に基準画像を出力させてよい。終了条件の例は、基準画像全体を所定数(例えば1、2、3、4など)の画素だけ移動したときであってよく、または、コントラストエンハンサ120による連続的なコントラスト強調を含む強調画像の高周波成分におけるエネルギーが減り始めたときであってよい。
図4は、基準画像のコントラストを強調する典型的なプロセス400を示す。図4は、説明を簡単にするために図1のコントラスト強調システム100について説明されてよいが、プロセス400は、他のハードウェアおよび/またはソフトウェアの実装によっても実行されてよいことを理解されたい。
処理は、コントラストエンハンサ120によって基準画像のコントラストを強調して強調画像を生成することから始まる[動作410]。強調画像を生成するために図2の関数230などのいかなるコントラスト強調伝達関数を用いてもよい。いくつかの実施形態では、動作410は、輝度値を有する画像に対して実行されてよい。動作410と同時に、基準画像および強調画像がメモリ110および130に格納されてよい。
処理は、周波数抽出器140によって続けられ、基準画像および強調画像の高周波成分が計算されることにより、基準成分および強調成分がそれぞれ生成される[動作420]。高周波成分を計算するためには一次元および二次元のいずれの変換を用いてもよいが、いくつかの実施形態では、第1のレベルの二次元DWTを用いて基準画像および強調画像の水平、垂直、および/または斜めの高周波成分を決定してよい。動作420と同時に、これら基準成分および強調成分はメモリ150および160に格納されてよい。
比較ロジック170は、基準および強調高周波成分を画素毎に比較し、強調高周波成分におけるエネルギーが十分大きい場合、基準画像における画素を強調画像の対応する画素と置換してよい[動作430]。互いに異なる1つ以上の成分を重み付けする重み付けおよびまたは尺度係数の有無に関わらず、強調画像の水平、垂直、および/または、斜めの高周波成分と、基準画像の水平、垂直、および/または、斜めの高周波成分とのいかなる組合せが比較されてよい。
動作430において、比較ロジック170は、強調画像の高周波成分のエネルギーが基準画像の高周波成分のエネルギーより大きい(絶対的に、または、予め決められた差だけ)と決定した場合のみ、基準画像における問題の画素を強調画像の対応する画素と置換してよい。比較ロジック170は、第1のメモリ110における基準画像のすべての画素に対して、このような比較および選択的な置換動作を実行してよい。
基準画像におけるすべての画素(あるいはサブサンプリングされた画素のセット)に対し動作430を実行した後、終了条件に達しなかった場合[動作440]、修正された基準画像(いくつかの画素が置換された)が再び動作410で強調され、動作420および430が繰り返されてよい。いくつかの終了条件も可能であり、考慮される。いくつかの実施態様では、動作410から430は、基準画像における高周波エネルギー成分より大きい高周波エネルギー成分を有する画素が強調画像内になくなるまで繰り返されてよい。いくつかの実施態様では、終了条件は、基準画像内の画素の置換数が十分に少なくなることである(例えば5、10、50、100など)。すなわち、動作410から430は、動作430で置換される画素が予め決められた数より少なくなるまで繰り返されてよい。
いくつかの実施態様では、終了条件は、予め決められた回数基準画像を移動することであってもよい(例えば、動作430が1回、2回、5回、10回など実行された後)。しかしながら、予め決められた回数の基準画像の移動を初期に行い、次に強調画像を生成し(5回繰り返し)、基準画像内で予め決められた回数画素の置換を行う(例えば50以下の画素置換)などの他の例も可能である。
比較ロジック170は、終了条件に達したことを決定すると[動作440]、第1のメモリ110に基準画像を出力するよう指示してよい[動作450]。選択的な画素置換の後、基準画像は、高周波エネルギーを保持しつつ(鮮明さが認められるなど)、コントラストは強調されてよい。このように、コントラスト強調の前後の基準画像の周波数成分に注意することにより、コントラスト強調によって画像の細部が消えることを抑止することができる。このような周波数分析により、画像のコントラストを強調しつつ、画像(またはその一部が画像であるビデオ)の細部が失われることを避けることができる。
上記1つ以上の実施態様の図示および説明は、包括的であるよう、あるいは、本発明の範囲を開示される正確な形態に限定するよう意図されていない。上記教示に照らした修正および変更も可能であるか、または、本発明のさまざまな実施態様の実施により修正および変更がなされてもよい。
例えば、上記方式は、画素毎の比較および選択的な置換を含み、いくつかの実施態様において、高周波成分に基づくこのような比較/置換は、画像内の交互の画素、画素のグループなどに対して実行されてよい。本願明細書中および請求の範囲に記載される方式は、コントラストを強調しつつ、細部の鮮明さを保持するいかなるタイプの周波数分析を用いるいかなるコントラスト強調技法も含みうる。さらに、本願明細書中で用いられる「高周波」とは、対象の画像のコンテキスト全体における「微細な」空間的細部に対応するいかなる周波数または周波数レンジを含んでよい。
さらに、図4における動作は、図に示すとおりの順序で実行される必要はなく、必ずしもすべての動作が実行される必要もない。また、これらの動作は互いに独立しており、他の動作と同時に行われてもよい。さらに、図4における少なくともいくつかの動作は、機械可読媒体に実装された命令または命令のグループとして実行されてよい。
特に明確に記載しない限り、本出願の記載に用いられるいかなる構成要素、動作、または、命令も本発明にとって欠くことのできないもの、あるいは、必須であると解釈されないものとする。また、本願明細書中に用いられる冠詞「a」は、1つ以上のアイテムを含むことを意図している。本発明の趣旨および原理から実質的に逸脱することなく、請求の範囲に記載されている発明の上記実施態様には変更および修正がなされうる。このような修正および変更は、本開示の範囲内に収まり、以下の請求項により保護されることが意図される。

Claims (20)

  1. 基準画像のコントラストを高めて強調画像を生成する段階と、
    前記基準画像の少なくとも1つの周波数成分と、前記強調画像の少なくとも1つの周波数成分とを比較する段階と、
    前記比較する段階に基づき、前記基準画像の一部を、前記強調画像の対応する部分と選択的に置換する段階と、
    を備える方法。
  2. 前記基準画像と前記強調画像とをメモリに格納する段階をさらに備える、請求項1に記載の方法。
  3. 前記基準画像に対して変換を実行することにより、前記基準画像の前記少なくとも1つの周波数成分を生成する段階と、
    前記強調画像に対して前記変換を実行することにより、前記強調画像の前記少なくとも1つの周波数成分を生成する段階と、
    をさらに備える、請求項1に記載の方法。
  4. 前記変換は、二次元ウェーブレット変換である、請求項3に記載の方法。
  5. 前記比較する段階は、前記強調画像の前記少なくとも1つの周波数成分が、前記基準画像の前記少なくとも1つの周波数成分より大きいエネルギーを有するかどうかを決定する段階を含む、請求項1に記載の方法。
  6. 第1の画像にコントラスト強調伝達関数を適用して第2の画像を生成するコントラストエンハンサと、
    前記第1の画像から第1の周波数成分を抽出し、前記第2の画像から第2の周波数成分を抽出する周波数抽出器と、
    前記第1の周波数成分と前記第2の周波数成分とを比較し、前記比較の結果に基づいて、前記第1の画像の画素を前記第2の画像の画素に選択的に置換する比較ロジックと、
    を備えるシステム。
  7. 前記コントラストエンハンサに結合され、前記第1の画像を格納する第1のメモリと、
    前記コントラストエンハンサに結合され、前記第2の画像を格納する第2のメモリと、
    をさらに備える、請求項6に記載のシステム。
  8. 前記周波数抽出器に結合され、前記第1の周波数成分を格納する第3のメモリと、
    前記周波数抽出器に結合され、前記第2の周波数成分を格納する第4のメモリと、
    をさらに備える、請求項6に記載のシステム。
  9. 前記周波数抽出器は、前記第1の画像および前記第2の画像に対して、フーリエ変換、コサイン変換、または、ウェーブレット変換を実行する、請求項6に記載のシステム。
  10. 前記比較ロジックは、前記第2の周波数成分の結合が前記第1の周波数成分の結合より大きいかどうかを決定する、請求項6に記載のシステム。
  11. コントラスト強調伝達関数を基準画像に適用して強調画像を生成する段階と、
    前記基準画像に対して変換を実行して基準高周波成分を生成し、前記強調画像に対して前記変換を実行して強調高周波成分を生成する段階と、
    前記基準画像内の画素について、一の強調高周波成分は、対応する基準高周波成分より高いエネルギーを有するかどうかを決定する段階と、
    前記強調高周波成分が前記対応する基準高周波成分より高いエネルギーを有する場合、前記基準画像内の前記画素を、前記強調画像内の対応する画素と置換する段階と、
    を備える方法。
  12. 前記コントラスト強調伝達関数は、区分線形関数である、請求項11に記載の方法。
  13. 前記変換は、ウェーブレット変換を含む、請求項11に記載の方法。
  14. 前記決定する段階は、前記強調高周波成分または前記基準高周波成分をスケーリングする段階を含む、請求項11に記載の方法。
  15. 前記強調高周波成分が前記対応する基準高周波成分より高いエネルギーを有さない場合、前記基準画像内の前記画素を置換しない段階をさらに備える、請求項11に記載の方法。
  16. 第1の画像から、コントラストが強調された第2の画像を生成する段階と、
    前記第1の画像および前記第2の画像の周波数成分を分析し、前記第1の画像の細部を保持しつつ前記第1の画像のコントラストを高める段階と、
    を備える方法。
  17. 終了条件に達するまで、前記生成する段階および前記分析する段階を繰り返す段階をさらに備える、請求項16に記載の方法。
  18. 前記分析する段階は、画素について、前記第2の画像の前記周波数成分の組み合わせが、前記第1の画像の前記周波数成分の同様の組合せより大きい場合のみ、前記第1の画像における前記画素の前記コントラストを強調する段階を含む、請求項16に記載の方法。
  19. 前記第1の画像における前記画素の前記コントラストを高める段階は、前記第1の画像における前記画素を前記第2の画像における対応する画素と置換する段階を含む、請求項18に記載の方法。
  20. 前記第1の画像および前記第2の画像に対しウェーブレット変換を実行し、前記第1の画像の前記周波数成分、および、前記第2の画像の前記周波数成分を生成する段階をさらに備える、請求項16に記載の方法。
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