JP2866935B2

JP2866935B2 - カラー画像の画質改善方法及びその装置

Info

Publication number: JP2866935B2
Application number: JP9101558A
Authority: JP
Inventors: 坂本　　隆; 俊一加藤
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1997-04-18
Filing date: 1997-04-18
Publication date: 1999-03-08
Anticipated expiration: 2017-04-18
Also published as: JPH10293841A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、カラー画像の画質、
特にカメラ、スキャナ装置等でカラー画像を取り込む方
式、或はディスプレイ装置等でカラー画像を出力する方
式において、それぞれの方式及び装置が有する映像信号
に関する一定ダイナミックレンジの範囲内において輝度
と色みを有効に調整して画質を改善する方法とその装置
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】画像処理、或は画像表示を必要とする視
覚技術分野ではより高精細な画像が必要とされ、それに
応じて人間の特殊な操作を介さずにできるだけ精度の高
い画像を入力、或は出力する必要が高まっている。

【０００３】この種の画質改善方法としては、画像の各
画素値を線形変換する方法、ガンマ補正に代表される指
数変換方法及び対数変換方法がある。また、極端に画像
を強調したい場合、ヒストグラム平坦化により、画像の
画素値をコントラスト強調する方法などがある。

【０００４】更に、人の輝度感度特性曲線に合わせて、
レンジを幾つかの区間に分割し、各区間毎に曲線に近似
した線分を求め、それらの線分を結合させて、画素値を
変換する区分的線形変換方法等がある（高木、下田（監
修）「画像解析ハンドブック」、東京大学出版会、1991
年) 。

【０００５】ここで、線形変換による方法では、図１に
示すように、入力画像の画素値Ｉの区間を幾つかの区分
に分けて、それぞれの区間で線分の傾きを変えることに
より、出力のダイナミックレンジを区分的に増減させ、
コントラストを強調している。

【０００６】また、対数変換による方法では、図２に示
すように、入力画像の画素値Ｉを全体に増す側に変換す
る。なお、図示するように、画素値の小さい方が大きい
増分をもつことから、主に暗部のコントラストが強調さ
せる。

【０００７】更に、指数変換による方法では、図２に示
すように、指数が１より小さい場合、対数変換同様の変
換カーブを描き、全体に画素値を増やす側に変換する。
従って、暗部のコントラストが強調される。一方、指数
が１より大きい場合、図３に示すように、全体に画素値
を減じる側に変換する。よって、明部のコントラストが
強調される。

【０００８】区分的線形変換による方法は、区間を細分
化して曲線近似度を向上させることにより、相当程度の
コントラスト強調が可能となっている。

【０００９】ヒストグラム平坦化による方法は、画素値
の分布の塊を周囲に適切に分散させて、分布に則してコ
ントラスト強調を実行する方法であり、実際に種々の画
像強調手法の中でも強調効果が著しい手法となってい
る。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、線形変
換による方法では、入力された個々の画像を利用者が観
察しながらその画質に応じて、入力画素値に対する出力
画素値の写像を一次変換式の組として定義しなければな
らず、変換式の一般性が得られない。

【００１１】対数変換による方法では、予め定義された
変換式に従って画素値を変換するが、画素値の小さい値
の区間のコントラストは強調されるが、画素値の大きい
値の区間のコントラストは劣化する。

【００１２】指数変換による方法では、予め定義された
変換式に従って画素値を変換するが、利用者が画像毎に
判断して指数を決定する手間がかかり、指数が１より小
さいとき画素値の小さい区間のコントラストは強調され
るものの、画素値の大きな区間のコントラストが抑制さ
れる問題がある。また、指数が１より大きい区間のコン
トラストは強調されるものの、画素値の小さな区間のコ
ントラストが抑制される問題がある。

【００１３】また、区分的線形変換方式は、計算量が膨
大で現実的でないという問題点がある。

【００１４】ヒストグラム平坦化による方法では、大域
的なコントラストの強調効果が著しく、一方領域内部で
の変化等を示す比較的に小さい局所的なコントラストが
抑制される問題がある。

【００１５】これらの問題を解決し、従来の変換関数で
は得られなかった非線形の補正、特に高低域での画質改
善に優れ、対応可能なコントラスト範囲の広い、入力信
号に対し適応的に処理を行う、計算の簡単な、画質改善
方法及び装置が提案されている（特公平8-21079 号公
報) 。

【００１６】また、上記非線形の補正を実現し、且つ局
所コントラストばかりでなく、大域的コントラストも強
調し、全自動的に適応的に画像を処理する画質改善方
法、エッジ強度計算方法及びその装置が提案されている
（特願平9-2773号) 。

【００１７】上記２つの方法は輝度情報を補正の対象と
するものであり、モノクロ濃淡画像（輝度画像）のコン
トラストを著しく改善するが、色度情報を考慮しないた
め、上記２つの方法をカラー画像に適用すると、Ｒ値、
Ｇ値、Ｂ値のダイナミックレンジを越えて補正してしま
い、色彩を著しく損なったり、極端に強調したり、画像
のコントラストを悪化させる事態が生じ、問題となる。
これらの理由により、上記２つの方法を、そのままカラ
ー画像に適用できない問題点がある。

【００１８】この発明の目的は、上記２つの方法の問題
を解決し、カラー画像に対し有効に画質改善することで
ある。

【００１９】この発明の他の目的は、上記２つの方法が
有する、ポジティブ画像及びネガティブ画像の対数の比
を用いて画素値の高域と低域も同時に画質改善する能力
と、入力信号に対する広範な適応的処理能力と、変換計
算の簡便性と、画像の局所並列処理を、実現することで
ある。

【００２０】

【課題を解決するための手段】以上の課題を解決するた
め、この発明では画像の各画素毎の近傍で輝度と色度の
分布を測定し、当該近傍内における輝度と色度の局所的
変域の下限値に比例する分だけ画素値であるＲ値、Ｇ
値、Ｂ値を修正したポジティブ画像を求めると共に、当
該近傍内での輝度と色度の局所的変域の上限値に比例す
る分だけをそれぞれＲ値、Ｇ値、Ｂ値を修正したネガテ
ィブ画像を求め、ポジティブ画像とネガティブ画像の比
の対数によって画像の各画素値を適応的に補正し、出力
レンジの範囲内に正規化するカラー画像の画質改善方法
を提案するものである。

【００２１】また、この発明では(a) 画像情報を入力す
るための入力機構と、(b) 前記入力機構から画像を受け
取り、画素値の変域を確定する入力変域解析機構と、
(c) 前記入力変域解析機構から画像を受け取り、各画素
毎に当該画素を含む近傍画素からＲ値、Ｇ値、Ｂ値を取
り出す近傍画像抽出機構と、(d) 前記近傍画像抽出機構
から近傍画像を受け取り、当該画素近傍の輝度の局所的
変域を測定する輝度変域解析機構と、(e) 前記近傍画像
抽出機構から近傍画像を受け取り、当該画素近傍の色度
の局所的変域を、Ｒ値、Ｇ値、Ｂ値のそれぞれについて
測定する色度変域解析機構と、(f) 前記輝度変域解析機
構と前記色度変域解析機構の結果に基づき、前記測定に
よって得られた輝度と色度の下限値に比例するように、
近傍画素のＲ値、Ｇ値、Ｂ値の補正量を計算するポジテ
ィブ画像画素変量決定機構と、(g)前記輝度変域解析機
構と前記色度変域解析機構の結果とに基づき、前記測定
によって得られた輝度と色度の上限値に比例するよう
に、近傍画素値の補正量を計算するネガティブ画像画素
変量決定機構と、(h) 前記ポジティブ画像画素変量決定
機構で得られた変量と、前記ネガティブ画像画素変量決
定機構で得られた変量によって、前記ポジティブ画像及
びネガティブ画像の画素値を修正し、これらの比の対数
によって、前記近傍中心画素のＲ値、Ｇ値、Ｂ値を補正
する画素値補正機構と、(i) 前記画素値補正機構で得ら
れたＲ値、Ｇ値、Ｂ値を正規化する画素値正規化機構
と、(j) 前記画素値補正機構から各画素のＲ値、Ｇ値、
Ｂ値を受け取り、画像全体を構成して出力するための出
力機構を備えたカラー画像の画質改善装置を提案するも
のである。

【００２２】

【作用】以上の画質改善方法及びその装置によれば、輝
度の高い領域及び低い領域、色度の偏っている部分の画
素値を補正し、画素値のダイナミックレンジを有効に活
用し、画像のコントラストを画像中の至るところで強調
し、細かい部分の観察を容易ならしめることができる。

【００２３】

【実施例】以下、図面を参照してこの発明の実施例を詳
細に説明する。

【００２４】図４は、この発明の第１の実施例に係る画
像改善方法を説明するための流れ図であり、図５は、こ
の画質改善方法を実施する装置のブロック図である。図
４及び図５を参照しながら、この実施例を説明する。

【００２５】先ず、イメージセンサ、モニタカメラ等の
入力機構５１により画像を入力する。入力変域解析機構
５２はこの入力画像の各画素値が取り得る変域を決定す
るもので、この場合Ｒ値の下限をｒ_L 、上限をｒ_U 、Ｇ
値の下限をｇ_L 、上限をｇ_U、Ｂ値の下限をｂ_L 、上限
をｂ_U で表すものとし、輝度の下限をｌ_L 、上限をｌ
_U 、色みの下限をC_L、上限をC_Uで表すものとする。

【００２６】近傍画像抽出機構５３は、入力変域解析機
構５２より画像を受け取り、この画像中の各画素毎にそ
の近傍領域を含む部分画像を抽出する。

【００２７】輝度変域解析機構５４は、近傍画像抽出機
構５３より近傍画像のＲ値、Ｇ値、Ｂ値を受け取り、各
々の画素について輝度l=f(r,g,b)を計算し、更に、輝度
l の変域を測定する（ステップ４３）。

【００２８】関数f の一例としてf=0.3r+0,6g+0.1bを挙
げることができる。近傍画像中における輝度の最大値を
ｌ_max 、最小値をｌ_min で表すものとする。近傍の一例
として、注目画素V0の８近傍を図に示す（図６）。

【００２９】色度変域解析機構５５は、近傍画像抽出機
構５３より近傍画像のＲ値、Ｇ値、Ｂ値を受け取り、各
々の画素値について色度C=h(r,g,b)を計算し、更に色度
C の変域を測定する（ステップ４４）。

【００３０】Ｒ値に関する色度C_r、Ｇ値に関する色度
C_g、Ｂ値に関する色度C_bを、それぞれ求めるための関数
h の一例として、下式を挙げることができる。

【００３１】

【数１】

【００３２】近傍画像中における色度の最大値をCmax、
最小値をCminで表すものとする。但し、Ｒ値、Ｇ値、Ｂ
値のそれぞれについて、CmaxとCminが各々定義される。

【００３３】ポジティブ画像画素値変量決定機構５６
は、輝度変域解析機構５４と色度変域解析機構５５よ
り、画素値の局所的変域の輝度の最小値ｌ_min 、色度の
最小値Cminを受け取り、下記(2a)式によって定まるポジ
ティブ画像画素値変量δ_posiを計算する（ステップ４
５）。

【００３４】ネガティブ画像画素値変量決定機構５７
は、輝度変域解析機構５４と色度変域解析機構５５よ
り、画素値の局所的変域の輝度の最大値ｌ_max 、色度の
最大値Cmaxを受け取り、下記(2b)式によって定まるネガ
ティブ画像画素値変量δ_negaを計算する（ステップ４
６）。

【００３５】

【数２】

【００３６】なお、δ_posiはＲ値、Ｇ値、Ｂ値のそれぞ
れについて各々定義される。以下、便利のためにＲ値の
ポジティブ画像変量をλ_posiと、Ｇ値のポジティブ画像
変量をξ_posiと、Ｂ値のポジティブ画像変量をη_posiと
記す。

【００３７】画素値補正機構５８は、近傍画像画素値変
域解析機構５４、５５より、注目する画素の画素値V0を
受け取り、ポジティブ画像画素値変量決定機構５６より
ポジティブ画像画素値変量δ_posiを受け取り、ネガティ
ブ画像画素値変量決定機構５７よりネガティブ画像画素
値変量δ_negaを受け取り、下記(1) 式で定義される画素
値の関数によって注目する画素の画素値V0について次式
に従ってκ（ν₀ ）を求める（ステップ４７）。

【００３８】

【数３】

【００３９】実際にはνは、Ｒ値、Ｇ値、Ｂ値の何れか
を表す。したがって上記(1) 式はＲ値、Ｇ値、Ｂ値につ
いてそれぞれ下記のように記すことができる。

【００４０】

【数４】

【００４１】上記(1) 式は、ポジティブ画像画素値変量
δ_posiによって補正されたポジティブ画像の画素値と、
ネガティブ画像画素値変量δ_negaによって補正されたネ
ガティブ画像の画素値との比の対数を求めることに相当
する。

【００４２】

【数５】

【００４３】同様に、以下の諸量、即ち各画素値が取り
得る変域の下限ν_L 及び上限ν_U についても次式に従っ
てκ（ν_L ）、κ（ν_U ）を求める。

【００４４】

【数６】

【００４６】画素値正規化機構５９は、画素値補正機構
５８より注目する画素の補正された画素値κ（ν_o ）及
びκ（ν_L ）、κ（ν_U ）を受け取り、次式によって画
素値κ（ν_o ）をν_L からν_U の範囲に正規化してＫ
（ν_o ）とする。

【００４７】

【数７】

【００４８】画像出力機構６０は、画素値正規化機構５
９よりν_L からν_U の範囲に正規化された各画素の画素
値Ｋ（ν_o ）を受け取り、画像全体を構成して出力す
る。

【００４９】なお、RGB 各色８ビットのサンプル画像を
対象に、この実施例によりカラー画像の画質改善と強調
処理を試みた。

【００５０】サンプル画像は、照度の低い電球光下で撮
影されたもので、全体的に暗く、赤みが強く感じられた
が、この実施例によって輝度及び色みを補正した結果
は、影等の暗い部分、光の当っている明るい部分、色み
の偏っている部分のコントラストを特に良く改善し、画
像の細かい部分の観察を容易ならしめた。

【００５１】次に、この発明の第２の実施例を説明す
る。図７は、同実施例に係る画質改善装置を示すもので
ある。

【００５２】この画質改善装置は、(a) 画像情報を入力
するための入力機構７１と、(b) 画素値の変域を計測す
る機構７２と、(c) 機構７２から画像を受け取り、各画
素に注目してＮ×Ｍ個（画像のサイズをＮ×Ｍとする）
の近傍の画素値を取り出す近傍画像抽出機構７３と、
(d) 近傍画像抽出機構７２から近傍画像を受け取り、そ
の輝度の分布即ち局所的な変域を測定するＮ×Ｍ個の輝
度変域解析機構７４と、(e) 色度変域解析機構７５と、
(f) 機構７４と７５の結果に基づき、局所的変域の輝度
と色度の下限値に比例して近傍中心の画素値の補正量を
計算するＮ×Ｍ個のポジティブ画像画素値変量決定機構
７６と、(g) 機構７４と７５の結果に基づき、対応する
ナガティブ画像上での局所的変域の輝度と色度の上限値
に比例して近傍中心の画素値の補正量を計算するＮ×Ｍ
個のネガティブ画像画素値変量決定機構７７と、(h) ポ
ジティブ画像画素値変量決定機構７６で得られた変量
と、前記ネガティブ画像画素値変量決定機構７７で得ら
れた変量によって、ポジティブ画像及びネガティブ画像
の画素値を修正し、これらの比の対数によって、近傍中
心画素の画素値を補正するＮ×Ｍ個の画素値補正機構７
８と、(i) 画素値補正機構７８で得られた画素値を正規
化するＮ×Ｍ個の画素値正規化機構７９と、(j)Ｎ×Ｍ
個の画素値正規化機構７９から各画素を受け取り、画像
全体を構成して出力する出力機構８０とを備えている。

【００５３】次に、この画像改善装置の動作を説明する
が、本装置において各機構の動作原理は第１の実施例と
変わらないのでこれを省略して説明すると、入力機構７
１により画像を入力する。

【００５４】入力変域解析機構７２は画素値の変域を測
定する。

【００５５】近傍画像抽出機構７３は、機構７２より画
像を受け取り、この画素毎にその近傍領域を含む部分画
像（Ｎ×Ｍ個）を抽出し、近傍ポシティブ画像とする。
近傍の範囲、形状は特に限定しない。

【００５６】輝度変域解析機構７４は、近傍画像抽出機
構７３より近傍画像を受け取り、近傍画像内での輝度の
分布を解析しその変域を測定する。

【００５７】色度変域解析機構７５は、近傍画像内での
色度の分布を解析し、その変域を測定する。

【００５８】ポジティブ画像画素値変量決定機構７６
は、機構７４と７５より、画素値の局所的変域の輝度の
最小値ｌ_min 、色度の最小値C_minを受け取り、上記(2a)
式によって定まるポジティブ画像画素値変量δ_posiを計
算する。

【００５９】ネガティブ画像画素値変量決定機構７７
は、機構７４と７５より、画素値の局所的変域の輝度の
最大値ｌ_max 、色度の最大値C_maxを受け取り、上記(2b)
式によって定まるネガティブ画像画素値変量δ_negaを計
算する。

【００６０】画素値補正機構７８は、近傍画像抽出機構
７４より、注目する画素の画素値V0を受け取り、ポジテ
ィブ画像画素値変量決定機構７６よりポジティブ画像画
素値変量δ_posiを受け取り、ネガティブ画像画素値変量
決定機構７７よりネガティブ画像画素値変量δ_negaを受
け取り、上記(1) 式で定義される画素値の関数によって
注目する画素の画素値V0について第１の実施例と同様に
κ（ν₀ ）、κ（ν_L）、κ（ν_U ）を求める。

【００６１】画素値正規化機構７９は、画素値補正機構
７８より注目する画素の補正された画素値κ（ν_o ）及
びκ（ν_L ）、κ（ν_U ）を受け取り、第１の実施例と
同様にして画素値κ（ν_o ）をν_L からν_U の範囲に正
規化してＫ（ν_o ）とする。

【００６２】画像出力機構８０は、Ｎ×Ｍ個の画素値正
規化機構７９よりν_L からν_U の範囲に正規化された各
画素の画素値Ｋ（ν_o ）を受け取り、画像全体を構成し
て出力する。

【００６３】以上説明したように、第１の実施例によれ
ば影等の暗い部分、光の当っている明るい部分、色みの
偏っている部分のコントラストを特に良く改善し、画像
の細かい部分の観察を容易ならしめることができる。

【００６４】また、第２の実施例によれば以上のような
処理を高速で行うことができ、例えば撮像素子からの映
像信号を高速且つ高精度に補正することができる。

【００６５】

【発明の効果】この発明によればカラー映像を取り込む
方式（カメラ、スキャナ装置等）、或はカラー映像を出
力する方式（ディスプレイ装置等）においてそれぞれの
方式及びその装置が有する映像信号に関する一定のダイ
ナミックレンジの範囲内で利用者の判断を要せず簡単な
計算により、色と輝度のコントラストを互いに有効に調
整し、画質を改善することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の線形変換によるコントラストの強調法
を説明するための図

【図２】従来の対数および指数変換によるコントラス
トの強調法を説明するための図

【図３】従来の指数変換によるコントラストの強調法
を説明するための図

【図４】この発明の第１の実施例に係る画質改善方法
の処理の流れを示すための図

【図５】同実施例に係る装置の機能ブロック図

【図６】画素値の補正方法を説明するための図

【図７】この発明の第２の実施例の画質改善装置の機
能ブロック図

【符号の説明】

５１，７１は入力機構５２，７２は入力変域解析機構５３，７３は近傍画像抽出機構５４，７４は輝度変域解析機構５５，７５は色度変域解析機構５６，７６はポジティブ画像画素値変量決定機構５７，７７はネガティブ画像画素値変量決定機構５８，７８は画素値補正機構５９，７９は正規化機構６０，８０は出力機構

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G06T 5/00 H04N 1/46 - 1/62 H04N 9/64 - 9/73

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】画像の各画素毎の近傍で輝度と色度の分
布を測定し、当該近傍内における輝度と色度の局所的変
域の下限値に比例する分だけ画素値であるＲ値、Ｇ値、
Ｂ値を修正したポジティブ画像を求めると共に、当該近
傍内での輝度と色度の局所的変域の上限値に比例する分
だけをそれぞれＲ値、Ｇ値、Ｂ値を修正したネガティブ
画像を求め、ポジティブ画像とネガティブ画像の比の対
数によって画像の各画素値を適応的に補正し、出力レン
ジの範囲内に正規化することを特徴とするカラー画像の
画質改善方法。
【請求項２】 (a) 画像情報を入力するための入力機構
と、(b) 前記入力機構から画像を受け取り、画素値の変
域を確定する入力変域解析機構と、(c) 前記入力変域解
析機構から画像を受け取り、各画素毎に当該画素を含む
近傍画素からＲ値、Ｇ値、Ｂ値を取り出す近傍画像抽出
機構と、(d) 前記近傍画像抽出機構から近傍画像を受け
取り、当該画素近傍の輝度の局所的変域を測定する輝度
変域解析機構と、(e) 前記近傍画像抽出機構から近傍画
像を受け取り、当該画素近傍の色度の局所的変域を、Ｒ
値、Ｇ値、Ｂ値のそれぞれについて測定する色度変域解
析機構と、(f) 前記輝度変域解析機構と前記色度変域解
析機構の結果に基づき、前記測定によって得られた輝度
と色度の下限値に比例するように、近傍画素のＲ値、Ｇ
値、Ｂ値の補正量を計算するポジティブ画像画素変量決
定機構と、(g) 前記輝度変域解析機構と前記色度変域解
析機構の結果とに基づき、前記測定によって得られた輝
度と色度の上限値に比例するように、近傍画素値の補正
量を計算するネガティブ画像画素変量決定機構と、(h)
前記ポジティブ画像画素変量決定機構で得られた変量
と、前記ネガティブ画像画素変量決定機構で得られた変
量によって、前記ポジティブ画像及びネガティブ画像の
画素値を修正し、これらの比の対数によって、前記近傍
中心画素のＲ値、Ｇ値、Ｂ値を補正する画素値補正機構
と、(i) 前記画素値補正機構で得られたＲ値、Ｇ値、Ｂ
値を正規化する画素値正規化機構と、(j) 前記画素値補
正機構から各画素のＲ値、Ｇ値、Ｂ値を受け取り、画像
全体を構成して出力するための出力機構を備えたことを
特徴とするカラー画像の画質改善装置。