TWI383665B - 對比強化系統及方法 - Google Patents

Description

對比強化系統及方法

本發明係有關影像處理，特別是關於一種不會提高雜訊的影像對比強化（contrast enhancement）處理。

一般人於觀看影像時，對於對比的敏感度往往會比影像絕對數值來得大，因此，對比強化（contrast enhancement）經常被用來作為增進影像品質的方法之一。然而，在對影像進行對比強化時，原始影像中的雜訊也會同時受到放大（amplify）或提高（boost），如第一圖A所示。此現象使得對比強化處理不適於某些應用當中，例如，一般的電視信號大都含有雜訊，因此不適於進行對比強化。

為了改善此問題，可以在對比強化之前進行雜訊的降低，如第一B圖所示。然而，傳統雜訊降低處理雖然可壓制雜訊，但也模糊了影像細節，因此對於影像細節而言，造成影像品質的降低。Kim於美國專利公開第2006/0013503號揭露一種影像對比強化時，用以防止雜訊提高及影像模糊的方法，如第二圖所示。

如第二圖所示，Kim使用變換比例（transform ratio）方塊38以計算得到變換比例γ：
γ(x,y)=f(i(x,y))/i(x,y)　(1)
其中，i(x,y)為第(x,y)個像素值，f為方塊34之對比強化函數。

第（1）式中的除法運算由方塊38或除法器來執行，其實施通常需要相當大數量的電晶體。由於電晶體數目是決定整體成本的一個重要因素，因此，Kim的變換比例方塊38不適合使用於消費性電子產品內。

再者，Kim需要使用一記憶體32或緩衝器，用以針對一區域視窗W_p (x,y)之輸入像素的變換比例予以低通濾波（low pass filtering），以計算得到區域平滑（locally smoothed）之變換比例。接著，將方塊38所得到的區域平滑變換比例乘以輸入像素i(x,y)。上述的記憶體32也造成額外的成本增加。

鑑於上述傳統方法或系統無法於影像對比強化時，有效且經濟地壓制雜訊之提高，因此亟需提出一種新穎的影像對比強化系統及方法，其不但可壓制雜訊的提高，且能經濟地實施執行。

鑑於上述，本發明實施例的目的之一在於提出一種系統及方法，於影像對比強化時，可以有效且經濟地防止雜訊的提高。

根據本發明實施例，對比強化單元以對比強化函數處理輸入像素，藉以產生對比強化像素。差值單元自對比強化像素減去輸入像素，藉以產生一差值。延遲單元產生相對於差值的多個延遲差值。低通濾波器根據差值及至少部分的延遲差值，用以產生一精化差值。加法單元將精化差值加回至輸入像素，藉以產生一輸出像素。

第三圖顯示本發明實施例之影像對比強化系統1，可用以防止雜訊的提高。第四圖顯示本發明實施例之影像對比強化方法，用以防止雜訊的提高。本發明書中”影像（image）”一詞可泛指靜態圖像、動態視訊或電腦產生圖形。輸入影像可以是擷取影像，例如由影像感測器所擷取之影像，也可以是經由其他影像處理後的處理影像，或者是由電腦產生的影像。

如第三圖所示，首先將輸入影像像素（或取樣）Y(x,y)饋至影像對比強化單元（簡稱為對比強化單元）10，其中，Y(x,y)代表輸入圖像Y的第(x,y)個像素值。對比強化單元10對影像像素進行對比強化處理（步驟41），用以輸出產生對比強化影像像素f(Y(x,y))，其中，f代表對比強化單元10所提供的對比強化函數，其可以為固定函數，也可以為可適性（adaptive）函數。在本實施例中，對比強化單元10可以由灰階至灰階（gray-to-gray）轉換查表（LUT）來實施執行。第五圖例示一灰階至灰階轉換查表之轉換曲線102，其相對於原始曲線100。轉換曲線102將一灰階（例如Y(x1,y1)）映射至一（對比強化）灰階（例如f(Y(x1,y1))）。第五圖還顯示了影像分佈圖（histogram）104，用以顯示每一灰階所對應的像素數目。轉換曲線102可根據影像分佈圖104的分佈情形來決定。如第五圖所例示，由於大部分的灰階都屬於低數值（或較暗）灰階，因此轉換曲線102將高數值（或較亮）灰階予以提高，其提高量如106所示；此外，轉換曲線102將低數值（或較暗）灰階予以降低，其降低量如108所示。

接下來，於步驟42，以差值（delta）單元12自對比強化像素f(Y(x,y))中減去輸入像素Y(x,y)，因而得到一差值δ(x,y)：
δ(x,y)=f(Y(x,y))-Y(x,y)　(2)

於步驟43，以延遲單元14產生相對於差值δ(x,y)的多個延遲差值。第六A圖顯示本發明實施例的延遲單元14，其產生相對於差值δ(x,y)的多個延遲差值，亦即，δ_-5 (x,y) 、δ_-4 (x,y) 、δ_-3 (x,y) 、δ_-2 (x,y) 、δ_-1 (x,y) 、δ₁ (x,y) 、δ₂ (x,y) 、δ₃ (x,y) 、δ₄ (x,y)及δ₅ (x,y)，其中，δ_i (x,y)=δ(x+i,y)。更詳細來說，δ_-5( x,y) 、δ_-4 (x,y) 、δ_-3 (x,y) 、δ_-2 (x,y)及δ_-1 (x,y)係前進於δ(x,y)，而δ₁ (x,y) 、δ₂ (x,y) 、δ₃ (x,y) 、δ₄ (x,y)及δ₅ (x,y)則延遲於δ(x,y)。換句話說，這裡使用一維延遲單元14以得到δ(x,y)之多個前進（advanced）及延遲差值。

接著，於步驟44，該多個延遲差值被饋至一低通濾波器16，用以產生一精化（refined）差值（或平滑差值）Rδ(x,y)。在本實施例中，低通濾波器16可以使用如下所示的一維低通濾波器來實施：
Rδ(x,y) = [δ(x,y)*6 + δ_-1 (x,y)*5 + δ_-2 (x,y)*3 + δ_-3 (x,y)*2 + δ_-4 (x,y)*2 + δ_-5 (x,y)*1 + δ₁ (x,y)*5 + δ₂ (x,y)*3 + δ₃ (x,y)*2 + δ₄ (x,y)*2 + δ₅ (x,y)*1]/32　(3)

一般來說，精化差值Rδ(x,y)可以表示如下：
Rδ(x,y) = [δ(x,y)*w₀ + δ_-1 (x,y)*w_-1 + δ_-2 (x,y)*w_-2 + …+ δ_-n (x,y)*w_-n + δ₁ (x,y)*w₁ + δ₂ (x,y)*w₂ + …+ δ_m (x,y)*w_m ]/W　(4)

其中，w_-n 至w_m 代表多個延遲差值的權重，而W為這些權重的和，亦即，W=w₀ +w_-1 +…+w_-n +w₁ +…+w_m ，m和n為整數。

第六B圖顯示低通濾波，其中，加法器160將加權之延遲差值予以加總，以得到一總和，而平均單元162則用以得到該總和的平均值，作為精化差值Rδ(x,y)。

最後，於步驟45，以加法單元18將精化差值Rδ(x,y)加回到輸入像素Y(x,y)，因而產生一輸出像素，其受到對比強化處理卻不會提高雜訊。

根據本發明實施例，精化差值Rδ(x,y)可抵抗雜訊，其受到低通濾波器16的壓制。相較於傳統機制（例如Kim所提出者），本實施例不再需要除法器。藉此，實施所需的電晶體數目或者成本將可大大降低。再者，相較於Kim所提出者，本實施例不再需要計算區域平滑變換比例所需之記憶體或緩衝器。藉此，將可節省更多的成本。

以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範圍；凡其它未脫離發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍內。

1‧‧‧影像對比強化系統
10‧‧‧對比強化單元
12‧‧‧差值（delta）單元
14‧‧‧延遲單元
16‧‧‧低通濾波器
160‧‧‧加法器
162‧‧‧平均單元
18‧‧‧加法單元
32‧‧‧記憶體
34‧‧‧對比強化函數
38‧‧‧變換比例
41-45‧‧‧影像對比強化步驟
100‧‧‧原始曲線
102‧‧‧轉換曲線
104‧‧‧影像分佈圖
106‧‧‧灰階提高量
108‧‧‧灰階降低量
i(x,y)‧‧‧第(x,y)個輸入像素值
f(．)‧‧‧對比強化函數
W_p (x,y)‧‧‧區域視窗
Y(x,y)‧‧‧第(x,y)個輸入像素值
f(Y(x,y))‧‧‧對比強化影像像素
δ(x,y)‧‧‧差值
Rδ(x,y)‧‧‧精化差值

第一A圖顯示傳統對比強化處理之概念，其中，雜訊也被放大。
第一B圖顯示傳統對比強化處理之概念，其首先進行雜訊的降低。
第二圖顯示Kim揭露的系統，於進行影像對比強化時，用以壓制雜訊提高效應。
第三圖顯示本發明實施例之影像對比強化系統，可用以防止雜訊的提高。
第四圖顯示本發明實施例之影像對比強化方法，用以防止雜訊的提高。
第五圖例示一灰階至灰階轉換查表之轉換曲線。
第六A圖例示第三圖的延遲單元。
第六B圖例示第三圖的低通濾波器。

1‧‧‧影像對比強化系統

10‧‧‧對比強化單元

12‧‧‧差值(delta)單元

14‧‧‧延遲單元

16‧‧‧低通濾波器

18‧‧‧加法單元

Y(x,y)‧‧‧第(x,y)個輸入像素值

f(Y(x,y))‧‧‧對比強化影像像素

δ(x,y)‧‧‧差值

Rδ(x,y)‧‧‧精化差值

Claims (12)

1. 一種對比強化系統，包含：
   一對比強化單元，以一對比強化函數處理一輸入像素，藉以產生一對比強化像素；
   一差值單元，自該對比強化像素減去該輸入像素，藉以產生一差值；
   一延遲單元，用以產生相對於該差值的複數延遲差值；
   一低通濾波器，根據該差值及至少部分該延遲差值，用以產生一精化差值；及
   一加法單元，用以將該精化差值加回至該輸入像素，藉以產生一輸出像素。
2. 如申請專利範圍第1項所述之對比強化系統，其中上述之對比強化單元包含一灰階至灰階轉換查表，其將該輸入像素之一灰階映射至該對比強化像素的另一灰階。
3. 如申請專利範圍第2項所述之對比強化系統，其中上述之灰階至灰階轉換查表包含一轉換曲線，其係根據複數該輸入像素的影像分佈而決定。
4. 如申請專利範圍第1項所述之對比強化系統，其中上述之延遲單元包含一維延遲單元，用以產生該複數延遲差值，其包含相對該差值的複數延遲差值及複數前進差值。
5. 如申請專利範圍第1項所述之對比強化系統，其中上述之低通濾波器包含：
   一加法器，用以將加權之延遲差值加總以得到一總和；及
   一平均單元，用以產生該總和之平均，藉以產生該精化差值。
6. 如申請專利範圍第5項所述之對比強化系統，其中上述之精化差值Rδ(x,y)係藉由以下得到：
   Rδ(x,y) = [δ(x,y)*w₀ + δ_-1 (x,y)*w_-1 + δ_-2 (x,y)*w_-2 + …+ δ_-n (x,y)*w_-n + δ₁ (x,y)*w₁ + δ₂ (x,y)*w₂ + …+ δ_m (x,y)*w_m ]/W
   其中，δ(x,y)、δ_-1 (x,y) …δ_-n (x,y)、δ₁ (x,y)…δ_m (x,y)為該複數延遲差值，w_-n 至w_m 代表該複數延遲差值的權重，而W為該複數權重的和W=w₀ +w_-1 +…+w_-n +w₁ +…+w_m ，m和n為整數。
7. 一種對比強化方法，包含：
   以一對比強化函數處理一輸入像素，藉以產生一對比強化像素；
   自該對比強化像素減去該輸入像素，藉以產生一差值；
   產生相對於該差值的複數延遲差值；
   根據該差值及至少部分該延遲差值，以低通濾波而產生一精化差值；及
   將該精化差值加回至該輸入像素，藉以產生一輸出像素。
8. 如申請專利範圍第7項所述之對比強化方法，其中上述之對比強化函數包含一灰階至灰階轉換查表，其將該輸入像素之一灰階映射至該對比強化像素的另一灰階。
9. 如申請專利範圍第8項所述之對比強化方法，其中上述之灰階至灰階轉換查表包含一轉換曲線，其係根據複數該輸入像素的影像分佈而決定。
10. 如申請專利範圍第7項所述之對比強化方法，其中上述產生複數延遲差值之步驟係執行：
    一維延遲，用以產生該複數延遲差值，其包含相對該差值的複數延遲差值及複數前進差值。
11. 如申請專利範圍第7項所述之對比強化方法，其中上述之低通濾波步驟包含：
    將加權之延遲差值加總以得到一總和；及
    產生該總和之平均，藉以產生該精化差值。
12. 如申請專利範圍第11項所述之對比強化方法，其中上述之精化差值Rδ(x,y)係藉由以下得到：
    Rδ(x,y) = [δ(x,y)*w₀ + δ_-1 (x,y)*w_-1 + δ_-2 (x,y)*w_-2 + …+ δ_-n (x,y)*w_-n + δ₁ (x,y)*w₁ + δ₂ (x,y)*w₂ + …+ δ_m (x,y)*w_m ]/W
    其中，δ(x,y)、δ_-1 (x,y) …δ_-n (x,y)、δ₁ (x,y)…δ_m (x,y)為該複數延遲差值，w_-n 至w_m 代表該複數延遲差值的權重，而W為該複數權重的和W=w₀ +w_-1 +…+w_-n +w₁ +…+w_m ，m和n為整數。