TWI405463B - 用於數位影像之內容適應式對比增進方法及裝置 - Google Patents

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    • H04N1/4074—Control or modification of tonal gradation or of extreme levels, e.g. background level dependent on the contents of the original using histograms

Description

用於數位影像之內容適應式對比增進方法及裝置
本發明係有關於數位影像處理，特別是關於藉由內容適應式(content－adaptive)階調映射函數(tone mapping function)以增進數位影像對比之方法及裝置。
數位影像階調映射(tone mapping)係諸如顯示器或印表機等數位影像重現裝置內之視訊處理單元通常會支援之功能。階調映射函數將輸入影像亮度編碼值自該輸入影像位元解析度(bit resolution)所定義之一特定範圍，轉換至與重現裝置有關之另一特定範圍。輸入影像可以是單色影像或彩色影像。對於單色影像之情況，像素之灰階(gray levels)本身即用以做為亮度成分。至於彩色影像之情況，輸入影像之每一像素通常包含三或四個成分以定義顏色。舉例而言，以RGB顏色空間為例，此等顏色成分係紅色、綠色和藍色，而每一像素之亮度成分可以自該等像素資料之紅色、綠色和藍色成分取得。
階調映射函數可以是固定式或適應式的。固定式階調映射函數係對所有輸入影像均固定不變之轉換函數。而適應式階調映射函數則可以隨輸入影像之特定性質動態地調整。針對產生相對於原始場景令人滿意之重現影像之問題，對比之增進通常係列入考慮的重點。由於在不同影像之間，像素分佈之狀態具有無法預期之差異，故其通常難以藉由單一固定階調映射函數即能滿足所有影像對比增進之目的。
因此，其有實質之必要提出利用適應式階調映射函數以增進對比之方法及裝置，且最好同時簡單、低成本且易於實施。
本發明旨在提出藉由內容適應式階調映射函數以增進數位影像對比之方法及裝置。
在一較佳實施例中，本發明提出一數位影像內容適應式對比增進方法。本方法包含以下步驟：產生一數位影像之亮度統計表(histogram，以下均統稱為histogram)，其記錄此數位影像之亮度分布；將此數位影像之像素劃分為複數個像素群組，此等像素群組分別涵蓋彼此無交集之亮度範圍；依據前述之histogram建構該數位影像之一分段線性(piecewise linear)階調映射函數，此分段線性階調映射函數可表示為複數個兩兩彼此相連之線段，每一線段代表前述像素群組其中之一之局部線性映射函數；以及將前述之分段線性階調映射函數作用於該數位影像。
前述之分段線性階調映射函數可以藉由反覆地執行一第一步驟和一第二步驟建構而成。第一步驟決定一初始線性階調映射函數，其係針對介於一第一編碼值和一大於第一編碼值之第二編碼值間之特定亮度值範圍，此特定亮度值範圍涵蓋至少二前述像素群組之亮度值。第二步驟依據初始線性階調映射函數和前述特定亮度值範圍內之像素分布狀態產生一針對該特定亮度值範圍之新的階調映射函數，該像素分布狀態係由前述之histogram所導出。
本發明同時亦提出一種實現上述數位影像內容適應式對比增進方法之裝置。此裝置包含Histogram產生單元、影像劃分單元、映射函數建構單元和影像轉映(remapping)單元。
以下將詳述本發明之實施例，其細節亦呈現於相關之圖式，不同圖式中近似之記號表示近似之概念或元件。本發明實施例之說明將配合相關之圖式進行。
第一圖顯示一圖形示意圖，其表示依據本發明之原理產生之一數位影像之histogram。圖中水平座標軸表示數位影像像素之可能亮度編碼值。由第一圖可知，待處理數位影像中之像素亮度成分係以8位元之方式編碼，此將產生介於0至255之亮度編碼值，如圖中之水平座標值所示。另一方面，第一圖中之垂直座標軸表示像素之數目。為了簡化圖式，histogram之亮度值分布狀況於圖中繪製成一連續的曲線。習於斯藝之人士應能理解，此曲線係連結代表各亮度值像素數目之垂直長條之頂端所構成。依據一較佳實施例而如第一圖中之垂直虛線所示，數位影像之像素被劃分或區分為六個群組，此六個群組並分別涵蓋彼此無交集之亮度範圍內之像素。換言之，任一群組內之任一像素之亮度值將異於任何其他群組內之任一像素之亮度值。具體言之，在此一實施例中，上述之六個像素群組包含涵蓋亮度值0至31之像素之第一群組、涵蓋亮度值32至63之像素之第二群組、涵蓋亮度值64至128之像素之第三群組、涵蓋亮度值129至191之像素之第四群組、涵蓋亮度值192至224之像素之第五群組以及涵蓋亮度值225至255之像素之第六群組。其應理解，存在許多其他劃分數位影像像素之方法，其均未脫離本發明之範疇。此外，表示編碼值之位元數可以是8以外之數。具有不同位元解析度之數位影像之像素分群數目可以彼此相同或不同。舉例而言，較低位元解析度之數位影像可能區分為較少之像素群組，而較高位元解析度之數位影像則可能區分為較多之像素群組。
第二A圖至第二F圖共同例示依據本發明一實施例之逐步建構一數位影像，諸如具有如第一圖所示之histogram者，之階調映射函數TNN (x)之方法之中間產出結果。在以下之說明和申請專利範圍之用語，若未特別指明，則"位於一第一數值和一第二數值間之數值"(後者大於前者)之用詞係表示所有大於或等於第一數值而小於第二數值之數值。
以下說明請參見第二A圖和第一圖，其中第二A圖顯示代表依具有單位斜率(意即1)之預設階調映射函數TO (x)之直線，以及二條共同表示依新的階調映射函數TN (x)之線段S1 和S2 。由於具有單位斜率，映射函數TO (x)將任何編碼值轉換至其本身，例如，0轉換至0，而128轉換至128。在其他實施例中，取決於輸出亮度值之範圍，上述之預設階調映射函數TO (x)之斜率可能異於1。第二A圖所示之動作旨在針對0至255間之亮度編碼值產生一新的階調映射函數TN (x)，0至255涵蓋了待處理數位影像於目前位元解析度(意即8)下之所有可能編碼值。首先，預設階調映射函數TO (x)被選定為初始階調映射函數。接著，其依據初始階調映射函數TO (x)和數位影像之histogram決定一大致位於編碼值0和255中央之特定編碼值(此例中係128，最好是128左右之數值，基本上可以是位於0和255間之任何數值)之新轉映值MN (意即TN (128))。自第一圖所示之亮度分布中，由於亮度值位於0和128(前述之特定編碼值)間之像素數目顯然多於亮度值位於128和255(包括255)間之像素數目，特定編碼值128之新轉映值MN 被決定為一大於其原始轉映值MO (即TO (128)，此例中TO (128)等於128，因為TO (x)之斜率等於1)之數值。反之，若亮度值位於0和128(前述之特定編碼值)間之像素數目少於亮度值位於128和255(包括255)間之像素數目，則新轉映值MN 將被決定成一小於其原始轉映值MO 之數值。當位於前述二範圍(0－128和128－255)內之像素數目差異愈大，則特定編碼值128之新轉映值MN 將更加遠離其原始轉映值MO 。
特定編碼值128之新轉映值MN 決定之後，前述之新階調映射函數TN (x)隨之可定義為圖中二線段S1 和S2 分別代表之二個局部映射函數，其中線段S1 連接端點(0,0)和(128,MN )，而線段S2 則連接端點(128,MN )和(255,255)。以較廣義之形式呈現，此例中之(0,0)和(255,255)其實分別是(0,TO (0))及(255,TO (255))。
在一較佳實施例中，所決定之特定編碼值128新轉映值MN 使得新轉映值MN 和原始轉映值MO 間之差，大致與前述二範圍(0－128和128－255)內之像素數目之比例成正比。在另一實施例中，新轉映值MN 可以依據該二範圍像素之其他分布狀態或統計量而決定，只要此等分布狀態或統計量可由histogram導出，諸如其平均亮度值，部分像素之平均亮度值、或其中值(median)等等。
在另一實施例中，一上限值和一下限值被指派予特定編碼值128，其使得當所決定之新轉映值MN 大於該上限值之時，該新轉映值MN 將被設為等於該上限值；反之，若所決定之新轉映值MN 小於該下限值之時，該新轉映值MN 將被設為等於該下限值。該上限值(或該下限值)可以選定為使得該上限值(或該下限值)和原始轉映值MO 間之差等於該原始轉映值MO 乘以一特定係數。或者，前述之上限值及/或下限值亦可以依經驗選定。
以下請參見第二B圖和第一圖，其中第二B圖以圖形之方式例示決定亮度值介於0和128間之像素之新階調映射函數TN1 (x)之程序。為了能系統性地理解本發明，第二B圖使用具有不同下標之類似符號來表示和第二A圖中出現之類似概念，然二圖中之類似符號可能係表示相異之標的。
初始階調映射函數TO1 (x)被選定為第二A圖之說明中產生之新階調映射函數TN (x)之一部份(具體而言，即第二A圖中之線段所代表之局部映射函數)。接著，依據histogram和初始階調映射函數TO1 (x)決定一大致位於編碼值0和128中央之特定編碼值(此例中係64，最好是64左右之數值)之新轉映值MN1 。特定編碼值64經由TO1 (x)之轉映值以下表示為MO1 。類似第二A圖所用之邏輯亦使用於決定特定編碼值64之新轉映值MN1 。具體言之，64之轉映值之增加或減少(如第二B圖所示，由MO1 變成MN1 )將取決於亮度值介於0與64間之像素之亮度分布。特定編碼值64之新轉映值MN1 決定之後，前述之新階調映射函數TN1 (x)隨之可定義為圖中二線段S11 和S21 分別代表之二個局部映射函數，其中線段S11 連接端點(0,0)和(64,MN1 )，而線段S21 則連接端點(64,MN1 )和(128,MN )。同樣地，新轉映值MN1 可以依據其他分布狀態或統計量而決定，只要此等分布狀態或統計量可由histogram導出，諸如其平均亮度值，部分像素之平均亮度值、或其中值等等。
在另一實施例中，一上限值和一下限值被指派予特定編碼值64，其使得當所決定之新轉映值MN1 大於該上限值之時，該新轉映值MN1 將被設為等於該上限值；反之，若所決定之新轉映值MN1 小於該下限值之時，該新轉映值MN1 將被設為等於該下限值。該上限值(或該下限值)可以選定為使得該上限值(或該下限值)和原始轉映值MO1 間之差等於該原始轉映值MO1 乘上一特定係數。或者，前述之上限值及/或下限值亦可以依經驗選定。
第二C圖例示決定亮度值介於128和255間(包含255)之像素之新階調映射函數TN2 (x)之程序，初始函數係線性映射函數TO2 (x)，其為第二A圖所決定之線段S2 所代表之局部映射函數。新階調映射函數TN2 (x)可定義為圖中二線段S12 (連接端點(128,MN )和(192,MN2 ))和S22 (連接端點(192,MN2 )和(255,255))分別代表之二個局部映射函數之組合，其中之MN2 係192透過TN2 (x)之轉映值，且MN2 係以類似第二A圖和第二B圖所描述之方式所決定。
第二D圖例示決定亮度值介於0和63間像素之新階調映射函數TN3 (x)之程序，初始函數係線性映射函數TO3 (x)，其為第二B圖所決定之線段S11 所代表之局部映射函數。利用類似第二A圖至第二C圖之說明所示之程序，新階調映射函數TN3 (x)可定義為圖中二線段S13 (連接端點(0,0)和(32,MN3 ))和S23 (連接端點(32,MN3 )和(64,MN1 ))分別代表之二個局部映射函數之組合，其中之MN3 係透過類似第二A圖至第二C圖所描述之方式所決定之32之轉映值。
第二E圖例示決定亮度值介於192和255間(包含255)之像素之新階調映射函數TN4 (x)之程序，初始函數係線性映射函數TO4 (x)，其為第二C圖所決定之線段S22 所代表之局部映射函數。利用類似第二A圖至第二D圖之說明所示之程序，新階調映射函數TN4 (x)可定義為圖中二線段S14 (連接端點(192,MN2 )和(224,MN4 ))和S24 (連接端點(224,MN4 )和(255,255))分別代表之二個局部映射函數之組合，其中之MN4 係透過類似第二A圖至第二D圖所描述之方式所決定之224之轉映值。
第二F圖顯示分別由線段S13 、S23 、S21 、S12 、S14 和S24 所代表之六個局部線性映射函數共同定義之分段線性階調映射函數TNN (x)。每一線段均代表第一圖所示之一像素群組之局部線性映射函數。
第三A圖概述依據本發明一實施例之利用轉映數位影像亮度之內容適應式影像對比增進方法。待處理之數位影像可以位於諸如系統記憶體之適當位置。該數位影像之histogram於步驟310產生。此histogram記錄數位影像像素之亮度分布。於步驟320，此數位影像之像素被劃分為複數個群組。每一群組間如第一圖所示包含彼此無交集之亮度範圍。依據步驟310產生之histogram，步驟330逐步建構此數位影像之分段線性階調映射函數。此分段線性階調映射函數表示為複數個兩兩彼此相連之線段，每一線段代表步驟320所定義之一像素群組之局部線性映射函數此分段線性階調映射函數接著於步驟340施用於該數位影像以轉映該數位影像。於步驟350，轉映後之數位影像可以輸出至諸如LCD面板之顯示裝置。
步驟330之細節於第三B圖進一步說明，其包含步驟332和步驟334。步驟332決定一初始線性階調映射函數，其係針對介於一第一編碼值C1和一大於第一編碼值C1之第二編碼值C2間之特定亮度值範圍，此特定亮度值範圍涵蓋至少二前述像素群組之亮度值。舉例而言，第二A圖至第二E圖所舉出之例子中，特定亮度值範圍分別係0至255、0至128、128至255、0至64和192至255，而初始線性階調映射函數則分別係由連接以下端點之線段所表示：(0,0)－(255,255)、(0,0)－(128,MN )、(128,MN )－(255,255)、(0,0)－(64,MN1 )和(192,MN2 )－(255,255)。於步驟334，依據步驟332決定之初始線性階調映射函數和前述特定亮度值範圍內之像素分布狀態或統計量產生一新的階調映射函數。此等相對於第二A圖至第二E圖所舉之例子中產生之新階調映射函數可以分別表示為以下之線段組合：(S1 ,S2 )、(S11 ,S21 )、(S12 ,S22 )、(S13 ,S23 )和(S14 ,S24 )。前述之像素分布狀態或統計量可以自步驟310產生之histogram導出，例如以第二A圖至第二E圖所示之方式。針對不同亮度範圍和不同初始映射函數反覆執行步驟332和334最後將建構出第二F圖所示之分段線性階調映射函數。
本發明同時亦包含一裝置，其實現揭示於上之方法第四圖顯示依據本發明一實施例之內容適應式對比增進裝置400之方塊圖。一般而言，內容適應式對比增進裝置400可以是諸如顯示器或印表機之影像重現系統內之數位影像處理單元。裝置400包含Histogram產生單元410、影像劃分單元420、映射函數建構單元430和影像轉映單元440。以下說明請共同參見第四圖、第三A圖和第三B圖。
前述之Histogram產生單元410可以執行第三A圖之步驟310以產生一輸入數位影像之histogram。如前所述，此histogram記錄數位影像像素之亮度分布。影像劃分單元420可以依據數位影像位元解析度，如步驟320所示，將數位影像像素劃分為複數個群組。此等像素群組係映射函數建構單元430欲建構之分段線性階調映射函數之基礎。依據輸出自Histogram產生單元410之histogram和影像劃分單元420對像素之分群方式，映射函數建構單元430可以執行前述之步驟330以建構一分段線性階調映射函數。此分段線性階調映射函數可以藉由反覆或遞迴式地針對不同亮度值範圍和不同初始線性階調映射函數執行前述步驟332和步驟334建構而成。例如，步驟332和步驟334之每一次執行均產生相對亮度值範圍之新的局部階調映射函數。每一新的局部階調映射函數均可表示為一對相連之線段，如步驟334和第二A圖至第二E圖之實例和說明所示。影像轉映單元440於是可以利用映射函數建構單元430產出之分段線性階調映射函數將輸入數位影像轉換為已轉映之輸出影像。
在一較佳實施例中，第四圖所示之所有單元均均實作為一ASIC(Application Specific Integrated Circuit；特定用途積體電路)內之邏輯元件。依據本發明之其他實施例中，此等單元亦可以實作為DSP(Digital Signal Processing；數位信號處理)系統或微處理器系統內之軟體或硬體模組。此外，前述之系統記憶體通常由DRAM(dynamic random accessmemory；動態隨機存取記憶體)構成，然亦可以是任何其他適用之揮發性或非揮發性記憶體。
以上所舉實施例之目的僅在於說明和示範，並非表示本發明即限定於所揭示之形式。基於上述教示，可以衍生許多修改和變異。本發明之範疇不限於實施例之說明內容，而應以後附之申請專利範圍為準。
310－350．．．內容適應式影像對比增進方法之步驟
400．．．內容適應式對比增進裝置
410．．．Histogram產生單元
420．．．影像劃分單元
430．．．映射函數建構單元
440．．．影像轉映單元
第一圖顯示一圖形示意圖，其表示依據本發明之原理產生之一數位影像之histogram。
第二A圖至第二F圖共同例示依據本發明一實施例之逐步建構一數位影像之階調映射函數之方法之中間產出結果。
第三A圖概述依據本發明一實施例之利用轉映數位影像亮度之內容適應式影像對比增進方法。
第三B圖進一步詳述第三A圖所示之方法中之階調映射函數建構步驟。
第四圖顯示依據本發明一實施例之內容適應式對比增進裝置之方塊圖。
310－350．．．內容適應式影像對比增進方法之步驟

Claims (12)

  1. 一種數位影像內容適應式對比增進方法，包含以下步驟：產生一記錄數位影像亮度分布之亮度統計表(histogram)；將該數位影像之像素劃分為複數像素群組，該複數像素群組分別涵蓋彼此無交集之亮度範圍；依據該histogram建構該數位影像之一分段線性階調映射函數，該分段線性階調映射函數表示為兩兩彼此相連之複數線段，每一該線段代表該像素群組其中之一之局部線性映射函數，其中該分段線性階調映射函數建構步驟包含：一第一步驟，用以針對介於一第一編碼值C1和一大於該第一編碼值C1之第二編碼值C2間之一亮度值特定範圍決定一初始線性階調映射函數，該亮度值特定範圍涵蓋至少二該像素群組之亮度值；一第二步驟，用以決定一特定編碼值，該特定編碼值實質上位於該第一編碼值C1及該第二編碼值C2之中央，再依據該特定編碼值及該特定編碼值所對應之原始轉映值、該初始線性階調映射函數和該亮度值特定範圍內之像素分布狀態產生一針對該亮度值特定範圍之一新的轉映值，再藉該新的轉映值計算一新的階調映射函數，該新的階調映射函數包含該第一編碼值C1至該特定編碼值及該特定編碼值至該第二編碼值C2二個局部的階調映射函數，該像素分布狀態係自該histogram所導出；以及將該分段線性階調映射函數施用於該數位影像；其中，該分段線性階調映射函數係藉由反覆執行該第一步驟 和該第二步驟以獲得各個該像素群組之映射函數而建構而成，其中於每次執行該第一和第二步驟時，係基於不同之該亮度值特定範圍和該初始線性階調映射函數。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之數位影像內容適應式對比增進方法，其中於該第一步驟首次執行時，該亮度值特定範圍涵蓋該數位影像目前位元解析度之所有可能編碼值，且該初始線性階調映射函數係一具有單元斜率之線性階調映射函數。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之數位影像內容適應式對比增進方法，其中該初始線性階調映射函數係產生於先前執行該第二步驟產生之該新的階調映射函數之一部分。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之數位影像內容適應式對比增進方法，其中該新的階調映射函數將一大致居於該第一編碼值C1和該第二編碼值C2中央之特定編碼值Cm轉映至一新的轉映值MN ，其中該特定編碼值Cm被該初始線性階調映射函數轉映至一原始轉映值MO ，且依據該histogram，若亮度值介於該第一編碼值C1和該特定編碼值Cm間之像素數目大於亮度值介於該特定編碼值Cm和該第二編碼值C2間之像素數目，則該新的轉映值MN 大於該原始轉映值MO ；反之，該新的轉映值MN 小於該原始轉映值MO 。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之數位影像內容適應式對比增進方法，其中該新的轉映值MN 介於依據該特定編碼值Cm指派之一特定上限編碼值和一特定下限編碼值二特別編碼值之間。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之數位影像內容適應式對比增進方法，其中該新的階調映射函數係表示為連接端點(C1,M1)、 (Cm,MN )和(C2,M2)之二線段，其中該第一編碼值C1和該第二編碼值C2透過該初始線性階調映射函數分別至編碼值M1和M2。
  7. 一種數位影像內容適應式對比增進裝置，包含：一histogram產生單元，用以產生一記錄數位影像亮度分布之(histogram)；一影像分析單元，用以將該數位影像之像素劃分為複數像素群組，該複數像素群組分別涵蓋彼此無交集之亮度範圍；一映射函數建構單元，用以依據該histogram建構該數位影像之一分段線性階調映射函數，該分段線性階調映射函數表示為兩兩彼此相連之複數線段，每一該線段代表該像素群組其中之一之局部線性映射函數，其中該映射函數建構單元係用以執行一第一步驟，用以針對介於一第一編碼值C1和一大於該第一編碼值C1之第二編碼值C2間之一亮度值特定範圍決定一初始線性階調映射函數，該亮度值特定範圍涵蓋至少二該像素群組之亮度值；以及一第二步驟，用以決定一特定編碼值，該特定編碼值實質上位於該第一編碼值C1及該第二編碼值C2之中央，再依據該特定編碼值及該特定編碼值所對應之原始轉映值、該初始線性階調映射函數和該亮度值特定範圍內之像素分布狀態產生一針對該亮度值特定範圍之一新的轉映值，再藉該新的轉映值計算一新的階調映射函數，該新的階調映射函數包含該第一編碼值C1至該特定編碼值及該特定編碼值至該第二編碼值二個局部的階調映射函數，該像素分布狀態係 自該histogram所導出；一影像轉映單元，用以將該分段線性階調映射函數施用於該數位影像；其中該映射函數建構單元係藉由反覆執行該第一步驟和該第二步驟以以獲得各個該像素群組之映射函數而建構該分段線性階調映射函數，其中於每次執行該第一和第二步驟時，係基於不同之該亮度值特定範圍和該初始線性階調映射函數。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之數位影像內容適應式對比增進裝置，其中於該第一步驟首次執行時，該亮度值特定範圍涵蓋該數位影像目前位元解析度之所有可能編碼值，且該初始線性階調映射函數係一具有單元斜率之線性階調映射函數。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之數位影像內容適應式對比增進裝置，其中該初始線性階調映射函數係產生於先前執行該第二步驟產生之該新的階調映射函數之一部分。
  10. 如申請專利範圍第7項所述之數位影像內容適應式對比增進裝置，其中該新的階調映射函數將一大致居於該第一編碼值C1和該第二編碼值C2中央之特定編碼值Cm轉映至一新的轉映值MN ，其中該特定編碼值Cm被該初始線性階調映射函數轉映至一原始轉映值MO ，且依據該histogram，若亮度值介於該第一編碼值C1和該特定編碼值Cm間之像素數目大於亮度值介於該特定編碼值Cm和該第二編碼值C2間之像素數目，則該新的轉映值MN 大於該原始轉映值MO ；反之，該新的轉映值MN 小於該原始轉映值MO 。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之數位影像內容適應式對比增進裝置，其中該新的轉映值MN 介於依據該特定編碼值Cm指派之一特定上限編碼值和一特定下限編碼值二特別編碼值之間。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之數位影像內容適應式對比增進裝置，其中該新的階調映射函數係表示為連接端點(C1,M1)、(Cm,MN )和(C2,M2)之二線段，其中該第一編碼值C1和該第二編碼值C2透過該初始線性階調映射函數分別至編碼值M1和M2。
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