TW200416620A - Variable contrast mapping of digital images - Google Patents
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Description
200416620 玖、發明說明： I：發明戶斤屬之技術領域3 發明領域 本發明是有關數位影像之可變對比對映技術。 5 【先前 發明背景 實施影像之清晰明顯化以改變數位影像之處表形狀， 以及尤其是文件之可讀性。大部份實施影像清晰化之濾波 器使用模糊遮罩與線性清晰濾波器，其在陡峭的邊緣產生 10 尖峰與負尖峰。模糊遮罩傾向對於自然影像但並非對文件 影像產生有利的視覺效果。在文件影像中，此模糊遮罩會 產生尖峰的人為加工，其降低了充滿文件影像之影像壓縮 性。 此模糊遮罩之替代方法是根據數學表面幾何形狀方法 15 (morphology)，其經常被化約成最小鄰域渡波器與最大鄰域 濾波器之組合。此表面形狀濾波器結合了例如最小差異平 均(MLV)濾波器toggle差異對映濾波器之平滑與尖銳，傾向 於將影像強烈的均等化，即，將原來影像化約成分段之恆 定強度函數。雖然，此種效應對於純粹文件影像或醫學影 20 像而言是令人所欲的，然而它對於複合文件影像並不能產 生視覺可接收的結果，其亦可包括並不對應於分段恆定強 度分佈之照片，可變化背景以及其他影像區域。 【發明内容】 發明概要 5 之像素處理包括：將像 域之強度與最小強度以 °本發明其他之觀點與 附圖式而為明顯，其藉 根據本發明之觀點，數位影像 素強度對應為：像之素局部像素鄰 及最大強度之平滑非線性連續函數 優點，將由以下詳細說明並參考所 由舉例而說明本發明之原理。 圖式簡單說明 ^圖況明根據本發明實施例之數位影像處理方法； 弟2圖說明用於第1圖之方法之像素典範鄰域·’ 第3圖說明用於第1圖方法之典範非線性函數； 第4圖說明對比放大參數之分佈； 第5圖說㈣於第1圖方法之另1型雜性函數；以 第6圖說明用於實施第1圖方法之包括機器之數位影像 系統。 【實施方式】 較佳實施例之詳細說明 叫麥考第1圖，其說明在灰階數位影像上實施可變對比 對^方法。此可變對比對映是以—個像素〆個像素為基 礎貝靶對於各有關之像素而言，此可變對比對映包括： 決定局精素鄰域之最小與最大強度值以及局部對比範圍 110;以及將㈣像素之強度對W其強度值以及最小與最 大強度值之平滑非線性連續函數12()。此對映值保持在區部 對比範圍之中。此非線性函數被稱為“對比對映函數，，。 此有關像素之局部對比範圍（D)可以被決定為：介於相
對應最小強度值㈣與相對應最大強度值（M 因此。此範剛可隨著從像素至像素而不同: 巾朗典狀局部_。此料局部鄰域是以 ==^口描述。此鄰域較佳輕於有關像素對稱(在 二：素是以T標記)。在此處是說明％之局 ^或’然而，此局部鄰域並不受限於任何特殊的尺寸或 形狀。此局部鄰域之尺寸與形狀甚至可以動態地改變，以 容納特殊種類之影像區域(例如：文件、圖形、自然輪廊）。 在其邊界，像素與其他像素具有部份鄰域，而可 部鄰域之局部最小與最大值。 此局部對比範圍之中間（此“範圍中點，，）為局部最大 值與局部最小值和之-半。即，此中間範_ A= (M+m)/2。 _此局部鄰域可以包括有關像素，或被像素穿透。此被 牙透鄉域並不包括有關像素。此經穿透鄰域較佳用於包含 半音調雜訊之影像。 如果此鄰域被穿透，則可將有關像素值修正以確保此 有關像素值不超過局部最大值或低於局部最小值115。如果 此有關像素之值大於局部最大值，則將其值設定等於此局 部最大值。如果此有關像素之值小於局部最小值，則將此 像素之值設定等於局部最小值。 此對比對應函數可以包括對比放大參數λ(Ε〇，其為局 部對比範圍（D)之函數。此對比放大參數A(D)在範圍中點 影響此非線性函數之斜率。此對比對應函數ACO具有在第3 圖中所說明的S形狀與1+λ斜率。在第3圖中說明；1=0、入 200416620 = -0·7以及λ =0.7之效應。對於此例而言，此對比對映函 數/^(/)對於λ =〇實施恒等對映(identity mapping)，對於入<〇 實施對比壓縮對映，以及對於λ >0實施對比放大對映。因 此，此對比放大參數（λ )之符號決定是否實施對比放大或對 5 比壓縮，並且此對比放大參數之值決定對比放大或對比壓 縮之數量。負值之對比放大參數可以藉由將像素強度值推 高範圍中點而造成對比壓縮，正值之對比放大參數可以藉 由將像素強度值推離此範圍中點而造成對比放大。 此對比放大參數；I (D)為局部對比範圍之連續非遞減 10函數。它可以具有以下一般特徵。當D—0，對應 於最大對比壓縮。對於〇<〇<乃(低對比範圍），則實施對比 壓縮作為D之非遞減函數。對於，；l(D)=0，則 貝於恒等對映。對於T/DcTmax(大對比範圍），則實施對比 對應作為D之非遞減函數。此臨界值1^从對應於非常清晰 15的邊緣。在D = TmAX實施最大對比對映（λ = λΜΑχ)。對於 D>TMAX，則在又=λ ΜΑχ實施對比對映，以防止邊緣之過 度清晰突顯。
在第4圖中顯示用於對比放大參數A(D)之典型分佈。 此典型對比放大參數λ具有分段線性分佈。對比壓縮在D 20 〇至D = T〇之範圍從-λ〇增加至0。此D = T〇至D = Tl之範圍 收縮至單一點
在此點貫施怪等對映（几=〇)，對比放大從 λ(Τ〇) — 0至 λ(ΤΜΑΧ)線性增加。對kd>tmax則在人=;ιΜΑΧ 實施對比放大。 此對比對映函數h⑺具有以下限制：（1)非遞減；（2) 8 它產生過濾值其包令敕你k 正们的局部對比範圍；以及(3)它對於 · 範中點壳暗對稱，以蘇 夂於匕在範圍中點將像素恆等對映。 因為限制⑴與(2)，此局部最大值與局部最小值(m與M)對映 於，、本身此非線性函數仏⑺除了在步驟⑴所實施的修 5正之外還可實施其他修正。 此種函數t I的表達方式可以具有以下形式： I>M' Μ 、1<m·. m 其中’ /代表像素強度，以及尺⑺代表對比放大項，其 以參數方式取決於Μ、m，並遵守以下之限制： 10 (al)在二點消失： K、M) = K(A) = 0 〇 (a2)具有與(/-j)相同的符號。 (a3)在/= 乂：具有導類 尺以）=ι。 依據限制（a3)，在範圍中點⑷h(/)之導數為1+；1。 可以將函數足(/)表示為/之三次方多項式，其與從限制 · 15 (al)所導出之結果成比例。 f[(T\ = ~ Α)·(Μ -1)-(1 - m)
(W 可以使用具有類似性質之其他函數，例如，此對比放 大項可採用以下的形式：
Ύ^Τ( τ\ _ Σ) . / 一 A A(7j= · sin 2π ·—— 2κ L D - 20 此可變對比對映可以調整地實施對比放大與對比壓縮 9 而不會產生人為加工。將強的對比放大施加於清晰的邊緣 (例如，電胳產生的輪廓、文字），中等對比放大施加於柔和 的邊緣(例如’在天然輪廓中之邊緣），以及將對比壓縮施加 低對此鄰域(例如，不包含邊緣之修補）。 此可變對比對映將邊緣變得清晰明顯，而未增強依振 幅雜訊’不會增強半音調雜訊’且甚至可以使其部份地平 滑。可以避免尖峰。因此’此對比對映影像相對於原來影 像之可壓縮性並未減少，並且甚至可以增強。 … 可以修正此可變對比對映，而對例如線條與文字之窄 暗輪廓實施“選擇性的濃化”。可以實施選擇性的濃化以 補償由於過度對比放大與其他型式清晰化而產生之心理視 覺效應。此過度對比放大在Μ觀看㈣會使㈣暗輪廊 顯得較淡’因為人眼對於暗輪廓之較亮側更敏感。此清= 化’窄暗輪絲正常觀看距離顯得較淡，耗實際上它們 亚不較淡。可以使料擇性濃化使得窄暗輪雜得較粗， 並且在正常觀距離顯得具有正確的濃度。 此經修正之對比對映函數〜(/)具有與如同以上函數F :⑺相同的第一與第二限制：⑴非遞減；以及⑺產生經過 渡值其涵蓋整個局部對比範圍。然而，此經修正之对比對 映函數〜⑺遵守從〜⑷4至〜⑷)=謂產生之第三 限制’而此“亮化之逆中點，，掀界定為而^ 麟為此所給定中間範圍之水平位移。此水平中間範圍位 移△沦是與對比範圍成正比 例如，△ 卜 Dγ，而t為無 單位之濃化參數。 此種函數F〇(/)之一般表達方式採用以下之形式： Ί>Μ' Μ
Fa(I)= ：min{A/,max[m?/ + X · Kt(I)- 尺i(/)為對比放大項，其遵守以下之限制： 5 10 (bl)在三點消失： 柯m)=似⑷=0。
(b2)與/-為具有相同的符號sgn(Kt(/)=sgn([At) 〇 (b3)在/=4之導數為1 : 二1。 ((’)為粗化項，其遵守以下之限制： (cl)在兩端點消失： (c2)不為負： (c3)在/=3造成最大粗化： (c4)在/=為其導數對應於所給定水平位移：
I=At： Bt(At) = ArA= AAt〇 此等限制（bl)與（cl) 一起確保此經修正之對比對映函數 15⑺將兩端點恆等同映。限制（b2)與(c2) —起確保此經修 正之對比對映函數F〇(/)是在恆等對映（即，暗化）下一直至 亮於為之值。限制(b3)與(c3) —起造成此經修正之曲線在範 圍中點j具有與原來曲線相同之斜率，即，它們在該點平 行。限制（c4)與(bl)確保此經修正之對比對映函數卩心⑺通 20過此第三限制點= J。 此典型之對比放大與粗化項K⑺、尽(/)是如同以下所 示： 11 200416620
Ui) = (/)/2)2
第5圖說明中間範圍水平位移。以實線顯示的是典型之 未經位移之對比對應函數Fλ⑺，以虛線顯示的是用於ί二0.4 5 之典型經修正之對比對映函數h乂/)。因為中間範圍水平 位移，此經修正之對比對映函數F〇(/)並不在d的周圍相 對於亮化與暗化對稱。將此亮於範圍中點給定數量（Δ為) 之點對映於範圍中點。
因為此位移是界定於水平軸上（且並非於垂直軸上）， 10 因此在ί與在邊緣範圍中點A之位置之幾何位置位移之間 存在著對應。此中間範圍水平位移對應於濃化但非暗化。 其優點為，〖之均勻值造成對於不同對比範圍至邊緣相同 之濃化。此對比對映參數ί之均勻值造成：清晰邊緣之亮 侧上最暗化，在柔和邊緣亮側上之一些暗化，以及在低對 15 比區域中非常少之暗化。此在低對比區域中稍微暗化是非 令人所欲的，可以在當D小於臨界值時藉由設定t = 0而避 免。 此選擇性濃化參數之實際值是依應用而特定。可以選 擇用於選擇性濃化參數⑴之值，以允許更加強之對比放大 20 而不會變淡。然而，可以增加此值以致於暗的輪廓顯得較 濃，或可減少此值，以致於暗的輪廓顯得較淡，但不像素 沒有選擇性濃化那樣淡。因此，此淡化可以對介於。與tc 12 之間之t值補償不足（當t=0造成沒有濃化，以及 成補 償濃化）’或此淡化對大於t。之t值過度補償。 第6圖顯示數位影像系統610。此影像擷取裝置2將數 位影像線提供給處理器614。此處理器614可將所有數位麥 像線儲存於記憶體616中用於在較後時間處理，或可即抄 (real time)地處理數位影像。此經處理影像亦可儲存於艽产 體616中。處理器614可以使用硬體，軟體或兩者之組人: 根據第1圖之方法處理數位影像。此處理器亦可執行 處理。 在軟體之執行中，記憶體616儲存程式，其當執行時指 示處理器614執行第之方法。此處理器6 曰 =:電腦或工作站之_部份，_設置： 在硬體與軟體兩者之執行中，此處理可以只使用整數 算術與預先計算之查表項目而實施1此，非常有效 率的方式執行可變對比對映。此外，可以即時地實施可變 對比對應。 、 此可變對比對映並不受限於任何特定型式之影像，它 可以應用於：只包含文字與其他電腦產生輪廓之影像，只 μ“㈣巧像’μ包含自絲廓與電腦產生輪廓 之複合文件。 啟始 （bootstrapped)此可變 鄰域之最小與最大像素強度 人之代理人文件號碼PDN0 可以在另一處理方法上 對此對映，其決定用於像素 值。例如，可以在本案受讓 200416620 200^99344所揭示之“藉由減少而排放,，（bkedthr〇ugh reduction)方法上啟始此可變對比對映。 截止目而為止說明關於灰5自數位影像之可變對比對 映。然而，可將變數對比對映延伸應用至彩色影像。在可 5感受的顏色空間中，其輝度是與色度(例如·· Y(^Cb、γυν、 Lab)無關，可將可變對比對映應用至輝度通路。可在色度 通這上使用傳統之清晰化。然而，色度通道之清晰突顯是 可選擇的，因為人類視覺系統對色度較輝度不敏感。 可以在多個通道上實施可變對比對映，其中對比放大 1〇苓數在多個運道之間協調。作為第一個例子，可以使用可 變對比對映將除了輝度通道以外還有色度通道清晰突顯或 平滑。可將各色度通道之像素值轉換成色度強度（例如在 YcbCr彩色空間中，可將此像素之色度強度計算為 c~ 。可以計算色度強度之局部對比範圍用於各色 b 度通路中各像素。此使用於對映像素之輝度成份之對比放 大參數，亦被使用以對映該像素之色度成份，但作為色度 強度之局部對比範圍之函數。 作為第二個例子，此影像最初是在例如RGB之不可知 覺的顏色空間中（其中輝度與色度無關）。對於各像素，計算 2 0 且對應其輝度成份，並決定介於其原來之值與經對應輝度 值之間之差異。使用該差異以修正在此不可知覺顏色空間 中各成份。例如，此像素之RGB—組三個為[1〇〇, 150,200]。 如果其輝度減少5〇灰色位準，則可以藉由將各成份減少5〇 灰色位準至[50，100，150]而修正RGB值。以替代方式，可 14 200416620 對映輝度對原來輝度之比乘此r㈤成份。可對此所 f生之像素值加u修正，以確保此經轉換影像之rgb結果 疋在顏色紅圍中。可以不使用修正而實施更精密複雜 的顏色範㈣映，以維持顏色之真實度。 5 *作為第三個例子，可將可變對比對映應用至RGB顏色 :間中各通逼。料各像素確定局部對比範圍與對比放大 用於各顏色成份，並且選擇單_對比放大參數。使用 X單對tb放大參數，以對映像素之各顏色成份。此在對 映中所使用之單-蒼數可以為三個個別參數之線性組合， 10此三個參數之最大者等。使用單一參數可以避免顏色邊緣。 此&擇性之濃化並不受限於實施可變對比對映之濾波 器。可以修改模糊遮罩濾波器與其他清晰化濾波器，以實 %砥擇性濃化。可以修正此等濾波器而在此等邊緣之暗側 貝轭此等暗輪廓之更加清晰化。此在邊緣暗側與亮側之間 15所產生之不平衡，造成邊緣中心位置中知覺之移動，其造 成更濃更暗邊緣之知覺。可實施選擇性粗化作為局部對比 之非遞減函數。 考慮一種線性模糊遮罩（突顯）渡波器，其具有 心(/) = /+1(/4)之形式，而ς為清晰化因子，且L為使用空 20間低通濾波器之結果，其中心位於有關像素上。此種濾波 器可僅藉由將變數位移Δ4而實施選擇性濃化，而t為無單位 之濃化參數。因此，此經修正以實施選擇性濃化之線性清 晰濾波器可以具有匕，(/) = /-辑+ ;.(/、軏4)之形式。 在此更一般性之應用中，Δ4可與強度之空間梯度(I)成 15 200416620 正例，其中M = r 。根據此對从之定 義，在低對比(低梯度）鄰域中，此選擇性暗化是非常小甚至 可忽略。使用此對於Μ之定義，如同可變對比對映，參數 t保持它對於邊緣中心幾何位移之意義。 5 除了使得辑取決於梯度之外，此清晰化因子亦可取決 於梯度，以便避免在低梯度鄰域中雜訊之清晰，其亦類似 於可變對比對映U|W|)而非λ(Ε)))。然而，此選擇性的情 晰化與濃化獨立無關。 藉由將清晰化因子ς設定為ς = 〇,可以使用選擇性的濃 10化而不會實施清晰化。因此，KC0 = /-i · |v/卜這對於可變 對比對映亦為真，而又（D) = 〇。 本發明並不受限於以上所描述與說明之特殊實施例， 本發明可被理解為受限於以下的申請專利範圍。 【圖式簡單說明】 。 15 第1圖說明根據本發明實施例之數位影像處理方法； 第2圖說明用於第1圖之方法之像素典範鄰威； 第3圖說明用於第1圖方法之典範非線性邊數； 第4圖說明對比放大參數之分佈； 第5圖說明用於第1圖方法之另1型非線性函數；以 20 及 /第6圖說明用於實施第1圖方法之包括機器之數位影像 糸統。 16 200416620 【圖式之主要元件代表符號表】 110，115，120···步驟 Μ…局部最大值 Α…範圍中點 m···局部最小值 λ…對比放大參數 F λ t(7)…對比對映函數 610···數位影像系統 612···影像擷取裝置 614···處理器 616···記憶體
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Claims (1)
- 200416620 ίο 15 20 拾、申請專利範圍： 1度之方法，其特徵為包括將像素強度之料，非線域強度以及最小與最大強2·專利範圍第1項之方法，其中將此像素對映為局 或之局部對比範圍之函數。且專利犯圍第2項之方法，其中此鄰域被穿透，並 /、此方法更包括：如果此像素是位於局部對比範圍 之外，則將此像素修正。 士申明專利範圍第2項之方法，其中亦實施此對映作為 寸匕放大蓼數之函數，此對比放大參數決定此像素是由 對比放大、料lL广 對比壓縮、或恆等對映而對映。 申月專利範圍第4項之方法，其中此對比放大參數決 疋在fell巾點對映函數之斜率。 女申明專利範圍第4項之方法，其中對比壓縮是對於具 有小局°卩斜比範圍之局部像素鄰域實施，並且對比放大 是對於具有大局部對比範 圍之局部像素鄰域實施。 女申明專利範圍第4項之方法，其中對比放大不超過用 於大對比鄰域之給定值。 8.如申明專利範圍第4項之方法，其中對映函數具有此形 式··Μ Μ Fa (/)= I7 ^ S ~^D : min{M, max[m, / + λ · K(I)]} 18 200416620 9.如申請專利範圍第1項之方法，其中此對映函數為非遞 減，它產生過濾值其包括整個局部對比範圍，且其關於 亮化與暗化對範圍中點對稱，以致於此函數在範圍中點 十亙等對映。 5 10.如申請專利範圍第1項之方法，其中數位影像為彩色影 像；其中此對映是在彩色影像之多個通道上實施，並且 其中對比放大參數是在多個通道之間協調。19
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