JPH0821079B2

JPH0821079B2 - 画質改善方法および装置

Info

Publication number: JPH0821079B2
Application number: JP5197937A
Authority: JP
Inventors: 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: 1993-07-15
Filing date: 1993-07-15
Publication date: 1996-03-04
Anticipated expiration: 2011-03-04
Also published as: JPH0737084A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、画像の画質、特に、イ
メージセンサやモニタカメラ等で入力した画像のコント
ラストとシャープさとを改善する画質改善方法および装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】画像処理の分野、および、画像表示を利
用した視覚的インタフェース技術の分野では、高精度の
画像入力機構と共に、入力された画像を人間の視認性の
良い画質に変換する必要性が高まっている。

【０００３】このための対策として、画像の各画素値に
線形変換，指数変換あるいは対数変換のいずれかを施
し、画像のある画素値の区間でのコントラストを強調す
るという手法がある（谷内田（編）「コンピュータビジ
ョン」ｐｐ．２７−３０，丸善，１９９０年、および長
谷川：「画像光学」ｐｐ．１５２−１５７，コロナ社，
１９８３年）。

【０００４】図１は、線形変換による画像のコントラス
ト強調の手法を説明するための図であり、図２は、指数
変換による画像のコントラスト強調の手法を説明するた
めの図であり、図３は、対数変換による画像のコントラ
スト強調の手法を説明するための図である。

【０００５】図１，図２および図３を参照しながら、従
来の手法を説明する。

【０００６】線形変換による画像のコントラスト強調の
手法は、図１に見るように、入力画像の画素値ｖの区間
をｖ≦ｂ，ｂ≦ｖ≦ａ，ａ≦ｖ等の幾つかに分けて、そ
れぞれの区間で画素値を変換する１次変換式を

【０００７】

【数１】のように定義し、この線形変換によって入力画像の画素
値ｖをｆ（ｖ）に変換する。この際、利用者は強調した
い画素値の区間（例えばｂ≦ｖ≦ａ）での１次変換式の
傾きを大きく設定することが、行われている。

【０００８】指数変換による画像のコントラスト強調の
手法は、テレビジョン技術の分野ではガンマ補正と呼ば
れ、図２に見るように、指数関数に基づいて入力画像の
画素値ｖをｇ（ｖ）に変換する。この際、コントラスト
の強調の度合いは、図２の指数関数の各点における曲線
の傾きで定まり、画素値ｖの大きな範囲（図２の例では
ｂ≦ｖ≦ａ）でコントラストが強調される。この指数変
換の式は入力画像全体に対して同じ形で適用されること
が、行われている。

【０００９】対数変換による画像のコントラスト強調の
手法は、図３に見られるように、対数関数に基づいて入
力画像の画素値ｖをｈ（ｖ）に変換する。この際、コン
トラスト強調の度合いは、図３の対数関数の各点におけ
る曲線の傾きで定まり、画素値ｖの小さな範囲（図３の
例ではｂ≦ｖ≦ａ）でコントラストが強調される。この
曲線の形状すなわち対数変換の式は入力画像全体に対し
て同じ形で適用される。

【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、図１に示した折れ線のよ
うに、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、変換式の一般性は
得られない。

【００１１】指数変換による方法では、あらかじめ定義
された変換式に従って画素値を変換するが、画素値の大
きい値の区間（図２の例ではｂ≦ｖ≦ａ）のコントラス
トは強調されるが、一方、画素間の小さい値の区間（図
２の例ではｖ≦ｂ）のコントラストは劣化する。

【００１２】同様に、対数変換による方法では、あらか
じ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（図３の例ではｂ≦ｖ≦ａ）のコ
ントラストは強調されるが、一方、画素値の大きい値の
区間（図３の例ではａ≦ｖ）のコントラストは劣化す
る。

【００１３】本発明の目的は、このような問題を解決
し、画素値の小さい区間のコントラストを強調するとと
もに画素値の大きい区間のコントラストを強調すること
により画質の改善された画像を得ることにある。

【００１４】本発明の他の目的は、入力された画像の画
素値の分布に適応して、高速にコントラストを強調した
シャープな画像を得ることにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明の画質改善方法
は、画像の各画素毎に当該画素の近傍での画素値の分布
に応答する局所的な変域を測定し、ついで前記測定によ
って得られた局所的変域の下限値に比例した分だけ前記
画素値を修正したポジティブ画像を求めると共にネガテ
ィブ画像上での前記局所的変域の下限値に比例した分だ
け前記画素値を修正したネガティブ画像を求め、前記各
々修正された画素値の比の対数によって前記近傍中心の
画素値を補正し正規化することを特徴とする。

【００１６】本発明の画質改善装置は、（ａ）画像情報
を入力するための入力機構と、（ｂ）前記入力機構から
画像を受け取り、各画素毎に当該画素を含む近傍の画素
値を取り出す近傍画像抽出機構と、（ｃ）前記近傍画像
抽出機構から近傍画像を受け取り、画素値の分布に応答
する局所的な変域を測定する近傍画像画素値変域解析機
構と、（ｄ）前記近傍画像画素変域解析機構の結果に基
づき、前記局所的変域の下限値に比例して前記近傍中心
の画素値の補正量を計算するポジティブ画像画素値変量
決定機構と、（ｅ）前記近傍画像画素値変域解析機構の
結果に基づき、対応するネガティブ画像上での前記局所
的変域の下限値に比例して前記近傍中心の画素値の補正
量を計算するネガティブ画像画素値変量決定機構と、
（ｆ）前記ポジティブ画像画素値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値量決定機構で得ら
れた変量とによって、前記ポジティブ画像およびネガテ
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画素値を補正する画素値補正機
構と、（ｇ）前記画素値補正機構で得られた画素値を正
規化する画素値正規化機構と、（ｈ）前記画素値正規化
機構から各画素の画素値を受け取り、画像全体を構成し
て出力する出力機構とを備えたことを特徴とする。

【００１７】

【作用】以上の画質改善方法および装置によれば、入力
された画像の画素値の分布特性を事前に仮定することな
く、入力された画像の局所的な画素値の分布に適応して
コントラストを強調する度合いを近傍での処理のみで調
節することが可能となり、また、画素値の小さい値の区
間のコントラストが強調されると同時に、画素値の大き
い値の区間のコントラストも強調される。

【００１８】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。

【００１９】図４は、本発明の第１の実施例にかかる画
質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および図５を参照しながら、本実施例を説明する。

【００２０】まず、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。この入力画像の各
画素値が取り得る変域の下限をｖ_L 、上限をｖ_U で表す
ものとする。

【００２１】近傍画像抽出機構５２は、入力機構５１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し、近傍ポジティブ画像とする
（ステップ４１）。近傍の一例として注目する画素の８
近傍で説明する。図６において、注目する画素の画素値
をｖ₀ とし、その８近傍の画素の画素値をそれぞれｖ
₁ ，ｖ₂ ，ｖ₃ ，ｖ₄ ，ｖ₅ ，ｖ₆ ，ｖ₇ ，ｖ₈ で表す
ものとする。

【００２２】近傍画像画素値変域解析機構５３は、近傍
画像抽出機構５２より近傍画像を受け取り、近傍画像内
での画素値の分布を解析しその変域を測定する（ステッ
プ４２）。以下の説明では、画素値の分布を表す統計量
の一例として、ｖ₀ ，ｖ₁ ，ｖ₂ ，ｖ₃ ，ｖ₄ ，ｖ₅ ，
ｖ₆ ，ｖ₇ ，ｖ₈ 中の最大値ｖ_max ＝ｍａｘ（ｖ₁ ，
…，ｖ₈ ）と最小値ｖ_min ＝ｍｉｎ（ｖ₁ ，…，ｖ₈ ）
を用いて説明する。

【００２３】ポジティブ画像画素値変量決定機構５４
は、近傍画像画素値変域解析機構５３より、画素値の局
所的変域の最小値ｖ_min を受け取る。次式によってポジ
ティブ画像画素値変量δ_posiを計算する（ステップ４
３）。

【００２４】

【数２】δ_posi＝ｃ_amp ×（ｖ_min −ｖ_L ）＋ｃ_offset （ｃ_amp ，ｃ_offsetは定数）ポジティブ画像画素値変量δ_posiは、画素値の局所的変
域の最小値ｖ_min にともなって変わる量である。

【００２５】ネガティブ画像画素値変量決定機構５５
は、近傍画像画素値変域解析機構５３より、画素値の局
所的変域の最大値ｖ_max を受け取る。次式によって定ま
るネガティブ画像画素値変量δ_negaを計算する（ステッ
プ４４）。

【００２６】

【数３】δ_nega＝ｃ_amp ×（ｖ_U −ｃ_max ）＋ｃ_offset （ｃ_amp ，ｃ_offsetは定数）ネガティブ画像画素値変量δ_negaは、画素値の局所的変
域の最大値ｖ_max にともなって変わる量である。一般
に、ある画像の画素値ｖに対してｖ_U −ｖはその画像の
ネガティブ画像の画素値となるから、δ_negaはネガティ
ブ画像上でのδ_posiに相当している。

【００２７】画素値補正機構５６は、近傍画像画素値変
域解析機構５３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５４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５５よりネガティブ画像画素値変
量δ_negaを受け取る。次式で定義される画素値の関数ｋ
（ｖ）

【００２８】

【数４】によって注目する画素の画素値ｖ₀ をｋ（ｖ₀ ）に補正
する（ステップ４５）。この式は、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
に相当している。

【００２９】

【数５】同様に、以下の諸量、すなわち、各画素値が取り得る変
域の下限ｖ_L および上限ｖ_U に関してもｋ（ｖ_L ），ｋ
（ｖ₀ ）を求める。

【００３０】

【数６】画素値正規化機構５７は、画素値補正機構５６より注目
する画素の補正された画素値ｋ（ｖ₀ ）および、ｋ（ｖ
_L ），ｋ（ｖ_U ）を受け取り、次式によって、画素値ｋ
（ｖ₀ ）をｖ_L からｖ_U の範囲に正規化しＫ（ｖ₀ ）と
する（ステップ４６）。

【００３１】

【数７】画像出力機構５８は、画素値正規化機構５７よりｖ_L か
らｖ_U の範囲に正規化された各画素の画素値Ｋ（ｖ₀ ）
を受け取り、画像全体を構成して出力する。

【００３２】参考のために、図８〜図１３に本実施例で
画像のコントラストとシャープさがどのように改善され
るかを、ドットプリンタによって各々プリントした実験
例で示す。図８は医用画像の一種である眼底写真をイメ
ージセンサで読み取ってプリントアウトした原画像であ
り、図９はこれに本実施例による処理を施した結果であ
る。図１０は風景写真の一例としてガソリンスタンドの
俯瞰写真をイメージセンサで読み取ってプリントアウト
した画像であり、図１１はこれに本実施例による処理を
施した結果である。図１２は石膏のブロックの写真をイ
メージセンサで読み取ってプリントアウトした画像であ
り、図１３はこれに本実施例による処理を施した結果で
ある。

【００３３】次に、本発明の第２の実施例を説明する。
図７は、同実施例にかかる画質改善装置を示す図であ
る。

【００３４】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）入力機構７１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７２と、（ｃ）近傍画像抽出機構７２から近
傍画像を受け取り、その画素値の分布すなわち局所的な
変域を測定するＮ×Ｍ個の近傍画像画素値変域解析機構
７３と、（ｄ）近傍画像画素値変域解析機構７３の結果
に基づき、局所的変域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７４と、（ｅ）近傍画像画素値変域解析
機構７３の結果に基づき、対応するネガティブ画像上で
の局所的変域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個のネガティブ画像画素値変量決
定機構７５と、（ｆ）ポジティブ画像画素値変量決定機
構で得られた変量７４と、前記ネガティブ画像画素値変
量決定機構７５で得られた変量によって、ポジティブ画
像およ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７６と、（ｇ）画素値補正機構７
６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７７と、（ｈ）Ｎ×Ｍ個の画素値正規化機構７７
から各画素の画素値を受け取り、画像全体を構成して出
力する出力機構７８とを備えている。

【００３５】このような画質改善装置において、入力機
構７１により画像を入力する。画像の各画素値が取り得
る変域の下限をｖ_L 、上限をｖ_U で表すものとする。

【００３６】近傍画像抽出機構７２は、入力機構７１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（Ｎ×Ｍ個）を抽出し、近傍ポジティ
ブ画像とする。近傍の範囲，形状は特に限定しない。近
傍の一例として注目する画素の８近傍で説明する。図６
において、注目する画素の画素値をｖ₀ とし、その８近
傍の画素の画素値をそれぞれｖ₁ ，ｖ₂ ，ｖ₃ ，ｖ₄ ，
ｖ₅ ，ｖ₆ ，ｖ₇ ，ｖ₈ で表すものとする。

【００３７】近傍画像画素値変域解析機構７３は、近傍
画像抽出機構７２より近傍画像を受け取り、近傍画像内
での画素値の分布を解析しその変域を測定する。以下の
説明では、画素値の分布を表す統計量の一例として、ｖ
₀ ，ｖ₁ ，ｖ₂ ，ｖ₃ ，ｖ₄，ｖ₅ ，ｖ₆ ，ｖ₇ ，ｖ₈
中の最大値ｖ_max ＝ｍａｘ（ｖ₁ ，…，ｖ₈ ）と最小値
ｖ_min ＝ｍｉｎ（ｖ₁ ，…，ｖ₈ ）を用いて説明する。

【００３８】ポジティブ画像画素値変量決定機構７４
は、近傍画像画素値変域解析機構５３より、画素値の局
所的変域の最小値ｖ_min を受け取る。次式によってポジ
ティブ画像画素値変量δ_posiを計算する。

【００３９】

【数８】δ_posi＝ｃ_amp ×（ｖ_min −ｖ_L ）＋ｃ_offset （ｃ_amp ，ｃ_offsetは定数）ポジティブ画像画素値変量δ_posiは、画素値の局所的変
域の最小値ｖ_min にともなって変わる量である。

【００４０】ネガティブ画像画素値変量決定機構７５
は、近傍画像画素値変域解析機構７３より、画素値の局
所的変域の最大値ｖ_max を受け取る。次式によって定ま
るネガティブ画像画素値変量δ_negaを計算する。

【００４１】

【数９】δ_nega＝ｃ_amp ×（ｖ_U −ｖ_max ）＋ｃ_offset （ｃ_amp ，ｃ_offsetは定数）ネガティブ画像画素値変量δ_negaは、画素値の局所的変
域の最大値ｖ_max にともなって変わる量である。一般
に、ある画像の画素値ｖに対してｖ_U −ｖはその画像の
ネガティブ画像の画素値となるから、δ_negaはネガティ
ブ画像上でのδ_po _siに相当している。

【００４２】画素値補正機構７６は、近傍画像画素値変
域解析機構７３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７４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７５よりネガティブ画像画素値変
量δ_negaを受け取る。次式で定義される画素値の関数ｋ
（ｖ）

【００４３】

【数１０】によって注目する画素の画素値ｖ₀ をｋ（ｖ₀ ）に補正
する。この式は、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している。

【００４４】

【数１１】同様に、以下の諸量を求める。

【００４５】

【数１２】画素値正規化機構７７は、画素値補正機構７６より注目
する画素の補正された画素値ｋ（ｖ₀ ）および、ｋ（ｖ
_L ），ｋ（ｖ_U ）を受け取り、次式によって、画素値ｋ
（ｖ₀ ）をｖ_L からｖ_U の範囲に正規化しＫ（ｖ₀ ）と
する。

【００４６】

【数１３】画像出力機構７８は、Ｎ×Ｍ個の画素値正規化機構７７
よりｖ_L からｖ_U の範囲に正規化された各画素の画素値
Ｋ（ｖ₀ ）を受け取り、画像全体を構成して出力する。

【００４７】以上説明したように、第１の実施例によれ
ば、入力された原画像から、その各画素の近傍でのコン
トラストを改善したシャープな画像を得ることが可能と
なり、例えば撮像素子からの輝度信号を高精度に補正し
たり、コントラストの悪い画像データの画質を大幅に改
善するなどの効果がある。

【００４８】また、第２の実施例によれば、入力された
原画像から、その各画素の近傍でのコントラストを改善
したシャープな画像を高速に得ることが可能となり、例
えば撮像素子からの輝度信号を高速かつ高精度に補正し
たり、コントラストの悪い画像データの画質を大幅に改
善するなどの効果がある。

【００４９】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、例
えばイメージセンサやモニタカメラ等から入力した画像
のコントラストとシャープさとを大幅に改善することが
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
説明するための図である。

【図２】従来の指数変換によるコントラストの強調法を
説明するための図である。

【図３】従来の対数変換によるコントラストの強調法を
説明するための図である。

【図４】本発明の第１の実施例にかかる画質改善方法の
処理の流れを示すための図である。

【図５】同実施例にかかる装置の機能ブロック図であ
る。

【図６】画素値の補正方法を説明するための図である。

【図７】本発明の第２の実施例の画質改善装置の機能ブ
ロック図である。

【図８】第１の実施例の効果を説明するための原画像を
ドットプリンタによりプリントした画像を示す図である
（医用画像の一種である眼底写真）。

【図９】第１の実施例の効果を説明するための結果画像
をドットプリンタによりプリントした画像を示す図であ
る（医用画像の一種である眼底写真）。

【図１０】第１の実施例の効果を説明するための原画像
をドットプリンタによりプリントした画像を示す図であ
る（風景写真の一例としてガソリンスタンドの俯瞰写
真）。

【図１１】第１の実施例の効果を説明するための結果画
像をドットプリンタによりプリントした画像を示す図で
ある（風景写真の一例としてガソリンスタジオの俯瞰写
真）。

【図１２】第１の実施例の効果を説明するための原画像
をドットプリンタによりプリントした画像を示す図であ
る（石膏のブロック写真）。

【図１３】第１の実施例の効果を説明するための結果画
像をドットプリンタによりプリントした画像を示す図で
ある（石膏のブロックの写真）。

【符号の説明】

５１，７１入力機構５２，７２近傍画像抽出機構５３，７３近傍画像画素値変域解析機構５４，７４ポジティブ画像画素値変量決定機構５５，７５ネガティブ画像画素値変量決定機構５６，７６，画素値補正機構５７，７７画素値正規化機構５８，７８出力機構

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】画像の各画素毎に当該画素の近傍での画
素値の分布に応答する局所的な変域を測定し、ついで前
記測定によって得られた局所的変域の下限値に比例した
分だけ前記画素値を修正したポジティブ画像を求めると
共にネガティブ画像上での前記局所的変域の下限値に比
例した分だけ前記画素値を修正したネガティブ画像を求
め、前記各々修正された画素値の比の対数によって前記
近傍中心の画素値を補正し正規化することを特徴とする
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、各画素毎に当
該画素を含む近傍の画素値を取り出す近傍画像抽出機構
と、（ｃ）前記近傍画像抽出機構から近傍画像を受け取り、
画素値の分布に応答する局所的な変域を測定する近傍画
像画素値変域解析機構と、（ｄ）前記近傍画像画素変域解析機構の結果に基づき、
前記局所的変域の下限値に比例して前記近傍中心の画素
値の補正量を計算するポジティブ画像画素値変量決定機
構と、（ｅ）前記近傍画像画素値変域解析機構の結果に基づ
き、対応するネガティブ画像上での前記局所的変域の下
限値に比例して前記近傍中心の画素値の補正量を計算す
るネガティブ画像画素値変量決定機構と、（ｆ）前記ポジティブ画像画素値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値量決定機構で得ら
れた変量とによって、前記ポジティブ画像およびネガテ
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画素値を補正する画素値補正機
構と、（ｇ）前記画素値補正機構で得られた画素値を正規化す
る画素値正規化機構と、（ｈ）前記画素値正規化機構から各画素の画素値を受け
取り、画像全体を構成して出力する出力機構とを備えた
ことを特徴とする画質改善装置。