TWI408619B - 影像對比提昇裝置及其方法 - Google Patents

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Description

影像對比提昇裝置及其方法
本發明是有關於影像對比提昇(image contrast enhancement)的裝置與方法，且特別是有關於一種使用適應性直條柱調整(adaptive histogram adjustment)之影像對比提昇裝置及其方法。
目前在周圍亮度不穩定的環境下，例如：夜晚、傍晚或有霧的狀況下，所拍攝的影像容易出現局部性明暗不清楚的情況。目前有數種方法提出來解決此對比不明顯之影像的問題。例如，美國第7,573,533 B2專利證號的技術針對全影像中個別像素的亮度(高、中、低)比率分佈，設計一個全影像的轉換曲線來解決上述之問題。又例如美國第7,453,524 B2,專利證號的技術，將全影像中YUV訊號做位移、統計、灰階值顏色補強，來解決上述之問題。但是，以上這兩種運用全影像做整體提升的技術，其共同的缺點就是僅做綜合性的考量，無法作局部性對比的提昇。
另外，美國第7,386,186 B2專利證號的技術利用影像的邊緣，針對這些邊緣作非線性轉換，以達成影像增強的目的，來解決上述之問題。又例如，美國第7,102,697 B2專利證號的技術藉由統計影像的頻譜分布(spectrum distribution)，並進一步保留頻率高的像素來解決上述之問題。但是，以上這兩種方法的缺點是影像部分的內紋(texture)會消失。
再者，台灣第0490974B專利申請號的技術在正式捕捉映像之前，利用調整電子訊號的方式，達成影像增強的效果，來解決上述之問題。但是，此類方法僅考慮影像擷取設備個別像素之光學吸收的特性，而忽略影像整體的內容。
其他嘗試上述之方法的技術，例如採用本領域習知的橡皮圈功能(rubber band function)來調整直條柱與改變影像的強度。還有直條柱等化(histogram equalization)方法也被提出以改善在不同應用下的影像對比。再者，適應性直條柱等化方法以及利用灰階組合(gray-level grouping)之非線性基於直條柱的方法來達成自動化提昇影像對比的目的。然而，上述這些方法容易在圖像顯現時出現區塊效應(block effect)的問題。
承上所述，根據本發明之示範實施例，本發明提供一種影像對比提昇裝置及其方法，使用適應性直條柱調整的原理，採用分離直條柱、調整直條柱、局部對比增強技術以及影像解析技術來彈性化運用大小區塊，以達成自動增強局部影像的特徵或對比，同時可避免區塊效應的發生。
根據本發明的示範實施例，本發明提出一種影像對比提昇裝置。上述之影像對比提昇裝置包括影像解析模組、局部對比提昇模組以及對比合成模組。影像解析模組，對 M個運算視窗之每一運算視窗的多個像素值進行一統計分析以產生多個直條柱，並將這些直條柱組成一個直條柱子群組，其中M為正整數，上述之M個運算視窗的尺寸不相同，且每一直條柱代表對應至一個像素值的像素總合。局部對比提昇模組，對M個運算視窗中的每一運算視窗提昇至少一局部對比，並產生M個已提昇強度的影像。另外，局部對比提昇模組包括直條柱分離單元(histogram separation unit)、直條柱調整單元以及局部對比增強單元。直條柱分離單元，將每一運算視窗的多個直條柱逐次依照一樹狀結構(tree structure)分離為L個分離階層，在每一分離階層中，將每一直條柱子群組分離為下一分離階層的兩個直條柱子群組，並拉大或縮小每一直條柱子群組的一基底寬度，使得兩個直條柱子群組各自的群組密度實質上相同，其中L為一分離階層數，L為正整數。直條柱調整單元，在每一直條柱子群組中，重新分配多個直條柱，或整合此直條柱子群組的的一部份直條柱。此外，局部對比增強單元，藉由多個運算視窗來提昇原始影像的至少一局部對比，並產生多個已提昇強度的影像。
根據本發明的示範實施例，上述之影像對比提昇裝置還包括色像空間轉換模組、視窗決定模組、分割階層決定模組以及色像空間反轉換模組。色像空間轉換模組，將原始影像之多個像素的多個自然色數值經色彩空間的轉換，對應至優化後的多個像素值。視窗決定模組，依據原始影像之原始影像尺寸決定多個運算視窗之一個視窗總合。分割階層決定模組，依據多個運算視窗中之轉換成多個子直條柱的基底總數決定一個分離階層數。對比合成模組，將多個已提昇強度的影像合成為一個合成影像。此外，色像空間反轉換模組，將上述之合成影像轉換為一個輸出影像。
根據本發明的示範實施例，上述之影像對比提昇裝置的直條柱分離單元在每一分離階層中，將每一直條柱子群組分離為下一分離階層的兩個直條柱子群組，且這兩個直條柱子群組對應至一個相同分隔點，而此分隔點是依據以下等式(1)所決定的：
，其中，τ為分隔點，S為多個直條柱的維度(dimension)，r為這些直條柱的索引值，argmin(j)為選取變數j為最小數值所對應之索引值的函數，Y為分隔點設定參數，Y大於0且小於1的實數，m為每一視窗區塊之多個像素的像素總合，H(k)為第k個直條柱所對應之像素總合。
根據本發明的示範實施例，上述之影像對比提昇裝置的直條柱分離單元在一分離階層中，更進一步同時依據以下等式(2)與等式(3)同時拉大或縮小對應一個相同分隔點之兩個直條柱子群組的各自基底寬度，使得此兩個直條柱子群組各自的群組密度實質上相同，而群組密度的密度比率可依照等式(1)的Y值、以下等式(2)與等式(3)所決定，此時，等式(1)中的Y值等於0.5：
t 0 ＋t 1 =S 　…等式(2)，
，其中，t0為一直條柱子群組的基底寬度，t1為對應相同分隔點之另一直條柱子群組的另一基底寬度，m0為一直條柱子群組的像素總合，m1為對應相同分隔點之另一直條柱子群組的的像素總合，而分數mq/tq為第q個直條柱子群組的一群組密度。
根據本發明的示範實施例，上述之影像對比提昇裝置的直條柱分離單元與直條柱調整單元相互之間採用遞迴方式進行以下動作：直條柱分離單元，將每一視窗區塊的每一直條柱子群組分離為下一分離階層的兩個直條柱子群組，且同時拉大或縮小對應相同分隔點之兩個直條柱子群組的各自基底寬度，使得這兩個直條柱子群組各自的群組密度實質上相同；以及直條柱調整單元，針對對應相同分隔點且具有相同群組密度的這兩個直條柱子群組，重新分配其中一個直條柱子群組的多個子直條柱或整合另一直條柱子群組的其中一部份子直條柱，使得對應相同分隔點之這兩個直條柱子群組各自的基底寬度實質上相同。
根據本發明的示範實施例，上述之影像對比提昇裝置，在一個分離階層中，在同時拉大或縮小對應相同分隔點之兩個直條柱子群組的各自基底寬度之後，若一個直條柱子群組具有非零像素值之多個直條柱的總數小於等於此直條柱子群組的維度，則直條柱調整單元拉大此直條柱子群組的基底寬度以重新分配基底寬度。反之，在一個分離階層中，在每一直條柱子群組的基底寬度以及對應相同分隔點之另一直條柱子群組的另一基底寬度被拉大或縮小之後，若一個直條柱子群組具有非零像素值之多個直條柱的總數大於直條柱子群組的維度，則直條柱調整單元整合此直條柱子群組的其中一部份子直條柱以縮小基底寬度。
根據本發明的示範實施例，本發明提出一種影像對比提昇方法，包括以下步驟。首先，對M個運算視窗之每一運算視窗的多個像素值進行一統計分析以產生多個直條柱，並將這些直條柱組成一個直條柱子群組，其中，M為正整數，且這些運算視窗的尺寸不相同。每一直條柱代表對應至一個像素值的像素總合。將每一運算視窗的多個直條柱逐次依照一樹狀結構(tree structure)分離為L個分離階層，其中L為一分離階層數，L為正整數。在每一分離階層中，將每一直條柱子群組分離為下一分離階層的兩個直條柱子群組，並拉大或縮小每一直條柱子群組的基底寬度，使得兩個直條柱子群組各自的群組密度實質上相同。接著，重新分配在每一直條柱子群組中多個子直條柱，或整合每一直條柱子群組的之一部份子直條柱。然後，藉由多個運算視窗來提昇原始影像的至少一個局部對比，並產生多個已提昇強度的影像。
根據本發明的示範實施例，上述之影像對比提昇方法更包括以下步驟。首先，將原始影像之多個像素的多個自然色數值經色彩空間的轉換，對應至優化後的多個像素值。接著，依據原始影像之原始影像尺寸決定多個運算視窗的視窗總合M。然後，依據多個運算視窗中之轉換成多個子直條柱的基底總數來決定分離階層數L。再者，將多個已提昇強度的影像合成為一個合成影像。此外，將合成影像轉換為輸出影像。
基於上述，本發明之示範實施例提供一種影像對比提昇裝置及其方法，使用適應性直條柱調整的原理，在分離直條柱方法與調整直條柱方法之間遞迴式運作，並採用局部對比增強技術以及影像解析技術來彈性化運用大小區塊，以達成自動增強局部影像的特徵或對比。另外，利用鄰近區域像素共同增強圖像之對比，可以避免圖像強度整體提昇的缺點。同時，還可以避免區塊效應的發生，以保留圖像內部內文區域，亦可以達到圖像平滑化的效果。
下文特舉本發明之示範實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下，以讓上述特徵和優點能更明顯易懂。
現在將詳細參照所揭露之示範實施例，所述之示範實施例多繪示於附圖中，附帶一提的是，整個附圖中相同的參考標記用於表示相同或相似的元件。
根據本發明之示範實施例，本發明提供一種影像對比提昇裝置及其方法。影像對比提昇裝置及其方法，使用適應性直條柱調整的原理，在分離直條柱方法與調整直條柱方法之間遞迴式運作，並採用局部對比增強技術以及影像解析技術來彈性化運用大小區塊，以達成自動增強局部影像的特徵或對比。另外，利用鄰近區域像素共同增強圖像之對比，可以避免圖像強度整體提昇的缺點。同時，還可以避免區塊效應的發生，以保留圖像內部內文區域，亦可以達到圖像平滑化的效果。以下將以圖1~圖3介紹影像對比提昇裝置，並以圖4介紹影像對比提昇的方法。
圖1是根據本發明之一示範實施例所繪示一種影像對比提昇裝置100的系統方塊圖。請參照圖1，在本示範實施例中，影像對比提昇裝置100，包括色像空間轉換模組(colorspace transformation module)112、視窗決定模組114、分割階層決定模組116、影像解析模組120、局部對比提昇模組(local contrast enhancement module)130、對比合成模組(contrast synthesis module)140、色像空間反轉換模組150以及記憶體模組160。影像對比提昇裝置100由包括色像空間轉換模組112接收原始影像，經過適當影像對比提昇之處理後，藉由色像空間反轉換模組150輸出合成影像。
請繼續參照圖1，在本示範實施例中，色像空間轉換模組112，用以將原始影像之多個像素的多個自然色數值經過一種色彩空間的轉換，對應至優化後的多個像素值。例如，將原始影像之像素的自然色數值(以紅色、綠色與藍色等三元色所構成的RBG系統)，轉換為以亮度(hue)、飽和度(saturation)以及強度(intensity)的HUV系統。因此，轉換之後的像素值至少具有亮度特徵值、飽和度特徵值與強度特徵值。然而本發明並不限定於此，還可以將原始影像之像素的自然色數值轉換為本領域之人士所熟知的其他影像特徵值表示系統，色彩轉換方式例如為NTSC、YCbCr、HSI、CMY&CMYK等等。
請繼續參照圖1，視窗決定模組114，用以依據原始影像的原始影像尺寸決定多個運算視窗(computation window)的一個視窗總合M ，其中M 為正整數。在本示範實施例中，例如，可以選取6個尺寸大小不同的運算視窗，其各自尺寸為100像素×100像素、200像素×200像素、300像素×300像素、400像素×400像素、500像素×500像素、600像素×600像素。因此在本示範實施例中，視窗總合M 為6個。然而本發明並不限定於此，在本發明之其他實施例中，若是原始影像的原始影像尺寸比較小時，每一運算視窗的尺寸可以適度地縮小，且可以選取較少數量的運算視窗，此即視窗總合M 可能少於6個，而最小運算視窗的尺寸可以小於100像素×100像素。另外，運算視窗也可選擇長寬不等的長方形框，例如：50像素x100像素。在本發明之其他實施例中，若是原始影像的原始影像尺寸比較大時，每一運算視窗的尺寸可以適度地增加，且可以選取較多數量的運算視窗，此即視窗總合M 可能多於6個，而最小運算視窗的尺寸可以大於100像素×100像素。
請繼續參照圖1，分割階層決定模組116，其設計的目的是為了要決定色彩增強後內部紋理須保留的細緻程度，所以分割階層決定模組116用來決定每個運算視窗內多個直條柱(histogram bins)疊代分離的層數L (或簡稱為分離階層數L )。在本示範實施例中，由於每個運算視窗所統計出來的直條柱總基底個數皆為固定，且為了減少運算複雜度，在這決定一個分離階層數L 為3。
請繼續參照圖1，影像解析模組120，對M 個運算視窗之每一運算視窗的多個像素值進行一個統計分析以產生多個直條柱(histogram bins)，並將這些直條柱組成一個直條柱子群組(sub-histogram)，其中每一直條柱代表對應至一個像素值的像素總合。影像解析模組120所進行的統計分析包括：針對每一運算視窗內之每一像素，取得多個鄰近像素之多個強度特徵值的一平均值(mean)與一變異值(variance)，並將對應每一像素的該平均值與該變異值紀錄至一像素值統計表(未繪示)，其中這些鄰近像素被包括在一個統計視窗(statistic window)內。另外，影像解析模組120依據運算視窗之一最小運算視窗尺寸與分離階層數來決定上述之統計視窗的統計視窗尺寸。在本示範實施例中，最小運算視窗尺寸為100像素×100像素，且分離階層數L 為3，因此可以對應地選擇統計視窗的統計視窗尺寸為21像素×21像素。
局部對比提昇模組130用以對M 個運算視窗中的每一運算視窗提昇至少一個局部對比，並產生M 個已提昇強度的影像。然而本發明可以應用於具有多個對比區域不清晰的原始影像，且經由影像對比提昇裝置100處理後，對比區域不清晰的地方會自動地變為較清晰，而不需要人為手動選取要增強對比的區域。局部對比提昇模組130包括直條柱分離單元(histogram separation unit)132、直條柱調整單元134以及局部對比增強單元136。直條柱分離單元132，用以將每一運算視窗的多個直條柱逐次依照一種樹狀結構(tree structure)分離為L 個分離階層，其中L 為分離階層數，L 為正整數。當上述之分離完成時，第i 層分離階層具有2i 個直條柱子群組。另外，直條柱分離單元132從第1分離階層直到第L -1分離階層，在每一分離階層中，將每一直條柱子群組分離為下一分離階層的兩個直條柱子群組。
更進一步說明，直條柱分離單元132在每一分離階層中，將每一直條柱子群組分離為下一分離階層的兩個直條柱子群組，且這兩個直條柱子群組對應至一個相同分隔點，而此分隔點是依據以下等式(1)所決定的：
，其中，τ為分隔點，S 為多個直條柱的維度(dimension)，r 為這些直條柱的索引值，argmin(j )為選取變數j 為最小數值所對應之索引值的函數，Y 為分隔點設定參數，Y 大於0且小於1的實數，m 為每一視窗區塊之多個像素的像素總合，H(k )為第k 個直條柱所對應之像素總合。舉例說明，請參照圖2A，圖2A是影像對比提昇裝置100分離一個直條柱子群組的示意圖。在本示範實施例中，分隔點設定參數Y 被設定為1/2，而直條柱分離單元132將原本的直條柱子群組210分離為下一階層的直條柱子群組220與直條柱子群組230。在此直條柱子群組210、直條柱子群組220與直條柱子群組230皆以直條圖來代表，其各自的縱軸座標為像素數目(number of pixels)，而各自的橫軸座標為直條柱索引值(histogram bin index)。另外，請參照圖2A，直條柱子群組220與直條柱子群組230兩者之間的分隔點τ為50。然而，本發明並不限定於此，分隔點設定參數Y 可以設定為介於0與1之間的實數，且分隔點τ會依據原始影像之強度特徵值分佈狀態以及分隔點設定參數Y 而有所不同。
圖2B是影像對比提昇裝置100逐步分離一個直條柱子群組為多個分離階層的邏輯示意圖。換言之，圖2B是每一運算視窗的多個直條柱逐次依照樹狀結構分離為L 個分離階層後所呈現的狀況。請參照圖2B，在本示範實施例中，若分離階層數L被設定為3時，當上述之分離完成後，如圖2B所示，第0分離階層具有20 個直條柱子群組，此即最初由影像解析模組120，對每一運算視窗的多個像素值進行統計分析而產生多個直條柱，並由這些直條柱組成的輸入直條圖，亦即第0分離階層的直條柱子群組H 。接著，直條柱分離單元132將第0分離階層的直條柱子群組H 分離為第1分離階層的直條柱子群組H 1,0 、H 1,1 。此時，如圖2B所示，第1分離階層具有21 個直條柱子群組。然後，直條柱分離單元132將第1分離階層之直條柱子群組H 1,0 、H 1,1 各自分離為第2分離階層的直條柱子群組H 2,0 、H 2,1 以及直條柱子群組H 2,2 、H 2,3 。此時，第2分離階層具有22 個直條柱子群組。最後，依照上述相類似的分離方式，直條柱分離單元132將第2分離階層的直條柱子群組H 2,0 、H 2,1 、H 2,2 、H 2,3 各自再分離為第3分離階層的直條柱子群組H 3,0 、H 3,1 、直條柱子群組H 3,2 、H 3,3 、直條柱子群組H 3,4 、H 3,5 以及直條柱子群組H 3,6 、H 3,7 。到此，第3分離階層具有23 個直條柱子群組。然而本發明並不限定於此，在本發明之其他實施例中，每一運算視窗的多個直條柱逐次依照樹狀結構分離為L 個分離階層後，可以具有少於3個分離階層或多於3個分離階層。
另外，直條柱分離單元132在同一個分離階層中，還進一步同時依據以下等式(2)與等式(3)拉大或縮小每一直條柱子群組的基底寬度以及對應相同分隔點之另一直條柱子群組的另一基底寬度，使得此兩個直條柱子群組各自的群組密度(group density)實質上相同，而群組密度的密度比率可依照等式(1)的Y值、以下等式(2)與等式(3)所決定，：
t 0 ＋t 1 =S 　…等式(2)，
，其中，t 0 為一直條柱子群組的基底寬度，t 1 為對應相同分隔點之另一直條柱子群組的另一基底寬度，m 0 為一直條柱子群組的像素總合，m 1 為對應相同分隔點之另一直條柱子群組的的像素總合，而分數m q /t q 為第q 個直條柱子群組的一群組密度。舉例說明，請參照圖2A，直條柱子群組210的基底寬度為255，而分離後的直條柱子群組220的基底寬度為205，直條柱子群組230的基底寬度為50，且此兩個直條柱子群組220、230對應至同一個分隔點，此即為直條柱索引值50。經由直條柱分離單元132拉大或縮小每一直條柱子群組的基底寬度後，對應相同分隔點之兩個直條柱子群組220、230應具有實質上相同的群組密度。
請繼續參照圖1，直條柱調整單元134，用以在每一運算視窗中，重新分配(re-distribute)每一直條柱子群組的多個直條柱，或整合(merge)每一直條柱子群組的的一部份直條柱。更進一步說明，直條柱調整單元134在一個分離階層中，在每一直條柱子群組的一基底寬度以及對應相同分隔點之另一直條柱子群組的另一基底寬度被拉大或縮小之後，若一個直條柱子群組具有非零像素值之多個直條柱的總數小於等於此直條柱子群組的維度，則直條柱調整單元會拉大此直條柱子群組的基底寬度以重新分配基底寬度。反之，在一個分離階層中，在每一直條柱子群組的基底寬度以及對應相同分隔點之另一直條柱子群組的另一基底寬度被拉大或縮小之後，若一個直條柱子群組具有非零像素值之多個直條柱的總數大於直條柱子群組的維度，則直條柱調整單元會整合此直條柱子群組的其中一部份子直條柱以縮小基底寬度。
以圖3舉例進一步說明直條柱調整單元134，圖3是根據本發明之一示範實施例所繪示重新分配與整合直條柱的示意圖。請參照圖3，假設直條柱子群組310(此即經過直條柱分離單元132拉大或縮小基底寬度的直條柱子群組G L,j ，L 為分離階層數，而j 為在第L 分離階層中的第j 個直條柱子群組)具有非零像素值之多個直條柱的總數為4，而直條柱子群組310的維度為7時，則直條柱調整單元134會將直條柱子群組310插入填零的直條柱。經過重新分配(re-distribution)後，直條柱子群組310被轉化為直條柱子群組320(此即被調整後的直條柱子群組)。假設直條柱子群組310具有非零像素值之多個直條柱的總數為4，而直條柱子群組310的維度為3時，則直條柱調整單元134會將直條柱子群組310之一部份直條柱整合，經過整合(merging)後，直條柱子群組310被轉化為直條柱子群組330(此即被調整後的直條柱子群組)。
在本示範實施例中，影像對比提昇裝置100的直條柱分離單元132與直條柱調整單元134相互之間還採用遞迴方式進行以下動作：直條柱分離單元132，將每一視窗區塊的每一直條柱子群組分離為下一分離階層的兩個直條柱子群組，且同時拉大或縮小每一直條柱子群組的基底寬度以及對應相同分隔點之另一直條柱子群組的另一基底寬度，使得這兩個直條柱子群組各自的群組密度實質上相同；以及直條柱調整單元134，針對對應相同分隔點且具有相同群組密度的這兩個直條柱子群組，重新分配其中一個直條柱子群組的多個子直條柱或整合另一直條柱子群組的其中一部份子直條柱，使得對應相同分隔點之這兩個直條柱子群組各自的基底寬度實質上相同。在本示範實施例中，由於圖2A中原直條柱子群組210的基底寬度為256，因此分離後的直條柱子群組220與直條柱子群組群組230的基底都應調整為128(亦即，256除以2)。依據同理，直條柱子群組220的基底寬度原本為206將縮小為128，而直條柱子群組230的基底寬度則由50拉大為128。
局部對比增強單元136將每一運算視窗中每一分離階層之多個直條柱子群組的多個像素值紀錄至一個直條柱子群組對照表(未繪示)內，並對這些直條柱子群組的這些像素值進行一平均化處理以產生多個已提昇強度的影像，其中每一個已提昇強度的影像對應到上述之一個運算視窗。例如在本示範實施例中，影像對比提昇裝置100選定了6個運算視窗以進行區域性的影像對比提升，則局部對比增強單元136會產生對應之6個已提昇強度的影像。此時，每一直條柱子群組與其對應相同之分隔點的另一直條柱子群組具有實質上相同之群組密度與基底寬度，所以平均化處理像素值的運算可以更順利進行。換言之，平均化處理效率較沒有調整群組密度或調整基底寬度之前的情況更好。上述之平均化處理像素值的方法可以為對這些像素值進行一種聯集運算(union computation)或一種交集運算(intersection computation)，且平均化處理像素值的方法為本領域之人士所熟知，故在此不詳細說明。記憶體模組用以紀錄像素值統計表、直條柱子群組對照表，並同時紀錄視窗總合M 、分離階層數L 以及分隔點設定參數Y 等參數。
影像對比提昇裝置100的對比合成模組140，用以將多個已提昇強度的影像合成為一個合成影像。更精確地說，對比合成模組140，藉由像素值統計表中對應每一像素之平均值與變異值，決定每一已提昇強度的影像的一權重，並將每一已提昇強度的影像依據所對應之權重加總以產生一個合成影像。此時，合成影像同時被轉換以符合人眼睛可以接受的色彩與對比分佈狀況。因為上述之權重決定方法以及所對應之加總已提昇強度影像的方法為本領域之人士所熟知，故在此不詳細說明。此外，影像對比提昇裝置100的色像空間反轉換模組150，用以將上述之合成影像轉換為一個輸出影像。此時輸出影像被轉換為原始影像的自然色系統。介紹完影像對比提昇裝置100的各主要元件與運作方法後，以下將以圖4繼續介紹影像對比提昇方法。
圖4是根據本發明之一示範實施例所繪示一種影像對比提昇方法400的流程圖。請同時參照圖1以及圖4，在本示範實施例中，影像對比提昇方法400從步驟S402開始，並接續進行步驟S404。在步驟S404中，將原始影像之多個像素的自然色數值經色彩空間的轉換，對應至優化後多個像素值。步驟S404後，接續進行步驟S406。在步驟S406中，依據原始影像之一原始影像尺寸決定多個運算視窗之總數。步驟S406後，接續進行步驟S408。在步驟S408中，依據運算視窗中的一最大視窗區塊尺寸決定分離階層數。步驟S408後，接續進行步驟S410。在步驟S410中，對每一運算視窗的多個像素值進行一統計分析以產生多個直條柱，並將這些直條柱組成一直條柱子群組。步驟S410後，接續進行步驟S412。在步驟S412中，將每一運算視窗的多個直條柱逐次依照一種樹狀架構分離為多個分離階層，並產生多個直條柱子群組。步驟S412後，接續進行步驟S414。
請繼續參照圖4，在步驟S414中，在每一直條柱子群組中，重新分配多個直條柱或整合此直條柱子群組之一部份直條柱。步驟S414後，接續進行步驟S416。在步驟S416中，藉由上述之多個運算視窗區塊來提昇原始影像的局部對比，並產生多個已提昇強度的影像，其中每一個已提昇強度的影像對應到運算視窗。步驟S416後，接續進行步驟S418。在步驟S418中，將上述之多個已提昇強度的影像合成為一個合成影像，此時合成影像同時被轉換以符合人眼睛可以接受的色彩與對比分佈狀況。步驟S418後，接續進行步驟S420。在步驟S420中，將合成影像轉換為一個輸出影像，此時輸出影像被轉換為原始影像的自然色系統。步驟S420後，接續進行步驟S422，影像對比提昇方法400至此結束。在此值得一提的是，上述之步驟S404至步驟S420可以同時進行，且上述之順序可以視實際應用之狀況作適當之掉換。
綜上所述，根據本發明之示範實施例，本發明提供一種影像對比提昇裝置及其方法。影像對比提昇裝置及其方法，使用適應性直條柱調整的原理，在分離直條柱方法與調整直條柱方法之間遞迴式運作，並採用局部對比增強技術以及影像解析技術來彈性化運用大小區塊，以達成自動增強局部影像的特徵或對比。另外，利用鄰近區域像素共同增強圖像之對比，可以避免圖像強度整體提昇的缺點。同時，還可以避免區塊效應的發生，以保留圖像內部內文區域，亦可以達到圖像平滑化的效果。
雖然已以示範實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明之可實施方式，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離所揭露實施例之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧影像對比提昇裝置
112‧‧‧色像空間轉換模組
114‧‧‧視窗決定模組
116‧‧‧分割階層決定模組
120‧‧‧影像解析模組
130‧‧‧局部對比提昇模組
132‧‧‧直條柱分離單元
134‧‧‧直條柱調整單元
136‧‧‧局部對比增強單元
140‧‧‧對比合成模組
150‧‧‧色像空間轉換模組
160‧‧‧記憶體模組
210、220、230、310、320、330‧‧‧直條柱子群組
S402~S422‧‧‧本發明之一示範實施例所繪示一種影像對比提昇方法的各步驟
圖1是根據本發明之一示範實施例所繪示一種影像對比提昇裝置的系統方塊圖
圖2A是影像對比提昇裝置分離一個直條柱子群組的示意圖。
圖2B是影像對比提昇裝置逐步分離一個直條柱子群組為多個分離階層的邏輯示意圖。
圖3是根據本發明之一示範實施例所繪示重新分配與整合直條柱的示意圖。
圖4是根據本發明之一示範實施例所繪示一種影像對比提昇方法的流程圖。
100．．．影像對比提昇裝置
112．．．色像空間轉換模組
114．．．視窗決定模組
116．．．分割階層決定模組
120．．．影像解析模組
130．．．局部對比提昇模組
132．．．直條柱分離單元
134．．．直條柱調整單元
136．．．局部對比增強單元
140．．．對比合成模組
150．．．色像空間轉換模組
160．．．記憶體模組

Claims (20)

  1. 一種影像對比提昇裝置，適用於處理一原始影像，該影像對比提昇裝置包括：一影像解析模組，對M 個運算視窗中每一運算視窗的多個像素值進行一統計分析以產生多個直條柱，並將該些直條柱組成一直條柱子群組，其中，M 為正整數，該些運算視窗的尺寸不相同，且每一直條柱代表對應至一像素值的一像素總合；以及一局部對比提昇模組，對每一運算視窗提昇至少一局部對比，並產生M 個已提昇強度的影像，其中，該局部對比提昇模組包括：一直條柱分離單元(histogram separation unit)，將每一運算視窗的該些直條柱逐次依照一樹狀結構(tree structure)分離為L 個分離階層，在每一分離階層中，將每一直條柱子群組分離為下一分離階層的兩個直條柱子群組(sub-histograms)，並拉大或縮小每一直條柱子群組的一基底寬度，使得該兩個直條柱子群組各自的群組密度實質上相同，其中L 為一分離階層數，L 為正整數；一直條柱調整單元，在每一直條柱子群組中，重新分配多個子直條柱，或整合此直條柱子群組之一部份子直條柱；以及一局部對比增強單元，藉由該些運算視窗來提昇該原始影像的該至少局部對比，並產生該些已提 昇強度的影像。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之影像對比提昇裝置更包括：一色像空間轉換模組，將該原始影像之多個像素的多個自然色數值藉由一色彩空間轉換，對應至優化後的該些像素值；一視窗決定模組，依據該原始影像之一原始影像尺寸決定該些運算視窗之一視窗總合；一分割階層決定模組，依據該些視窗區塊中之轉換成該些子直條柱的一基底總數決定該分離階層數；一色像空間反轉換模組，將該合成影像轉換為一輸出影像；以及一對比合成模組，合成該些已提昇強度的影像為一合成影像。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之影像對比提昇裝置，其中該些像素值至少具有一亮度特徵值、一飽和度特徵值與一強度特徵值。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之影像對比提昇裝置，其中該影像解析模組之該統計分析包括：針對每一運算視窗內之每一像素，取得多個鄰近像素之多個強度特徵值的一平均值(mean)與一變異值(variance)，並將對應每一像素的該平均值與該變異值紀錄至一像素值統計表，其中該些鄰近像素被包括在一統計視窗內，而該影像解析模組依據該些運算視窗之一最小運 算視窗尺寸與該分離階層數來決定該統計視窗的一統計視窗尺寸。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之影像對比提昇裝置，其中該局部對比增強單元將每一運算視窗中每一分離階層之多個直條柱子群組的多個像素值紀錄至一直條柱子群組對照表內，並對該些直條柱子群組的該些像素值進行一平均化處理以產生該些已提昇強度的影像。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之影像對比提昇裝置，其中，該對比合成模組，藉由該像素值統計表中對應每一像素之該平均值與該變異值，決定每一已提昇強度的影像的一權重，並將每一已提昇強度的影像依據所對應之該權重加總以產生該合成影像。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之影像對比提昇裝置，其中該直條柱分離單元在每一分離階層中，將每一直條柱子群組分離為該下一分離階層的該兩個直條柱子群組，且該兩個直條柱子群組對應至一相同分隔點，而該分隔點是依據以下等式(1)所決定的： ，其中，τ為該分隔點，S 為該些直條柱的一維度(dimension)，r 為該些直條柱的一索引值，argmin(j )為一選取變數j 為最小數值所對應之索引值的函數，Y 為一分隔點設定參數，Y 大於0且小於1的實數，m 為每一運算視窗之多個像素的一像素總合，H(k )為第k 個直條柱所對 應之該像素總合。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之影像對比提昇裝置，其中在一分離階層中，該直條柱分離單元更進一步同時依據以下等式(2)與等式(3)同時拉大或縮小對應一相同分隔點之兩個直條柱子群組的各自基底寬度，使得該兩個直條柱子群組各自的群組密度實質上相同，而該群組密度的密度比率可依照等式(1)中的Y值、以下等式(2)與等式(3)決定：t 0 +t 1 =s …等式(2)， ，其中，t 0 為一直條柱子群組的一基底寬度，t 1 為對應相同分隔點之另一直條柱子群組的另一基底寬度，m 0 為一直條柱子群組的一像素總合，m 1 為對應該相同分隔點之另一直條柱子群組的的一像素總合，而分數m q /t q 為第q 個直條柱子群組的一群組密度。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之影像對比提昇裝置，其中，該直條柱分離單元與該直條柱調整單元相互之間採用遞迴方式執行以下步驟：該直條柱分離單元，將每一運算視窗的每一直條柱子群組分離為該下一分離階層的該兩個直條柱子群組，以及同時拉大或縮小對應該相同分隔點之兩個直條柱子群組的各自基底寬度，使得該兩個直條柱子群組各自的群組密度實質上相同；以及 該直條柱調整單元，針對對應該相同分隔點且具有相同群組密度的該兩個直條柱子群組重新分配其中之一直條柱子群組的多個子直條柱，或整合另一直條柱子群組中的一部份子直條柱，使得對應相同分隔點之該兩個直條柱子群組各自的該基底寬度實質上相同。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之影像對比提昇裝置，其中，在同時拉大或縮小對應該相同分隔點之兩個直條柱子群組的各自基底寬度之後，若一直條柱子群組具有非零像素值之該些直條柱的一總數小於等於該直條柱子群組的一維度，則該直條柱調整單元拉大該直條柱子群組的一基底寬度以重新分配該基底寬度；以及若一直條柱子群組具有非零像素值之該些直條柱的一總數大於該直條柱子群組的一維度，則該直條柱調整單元整合該直條柱子群組的其中一部份直條柱以縮小該基底寬度。
  11. 一種影像對比提昇方法，適用於處理一原始影像，該影像對比提昇方法包括：對M 個運算視窗之每一運算視窗的多個像素值進行一統計分析以產生多個直條柱，並將該些直條柱組成一直條柱子群組，其中，M 為正整數，該些運算視窗的尺寸不相同，且每一直條柱代表對應至一像素值的一像素總合；將每一運算視窗的該些直條柱逐次依照一樹狀結構(tree structure)分離為L 個分離階層，其中L 為一分離階層 數，L 為正整數；在每一分離階層中，將每一直條柱子群組分離為下一分離階層的兩個直條柱子群組(sub-histograms)，並拉大或縮小每一直條柱子群組的一基底寬度，使得該兩個直條柱子群組各自的群組密度實質上相同；在每一直條柱子群組中，重新分配多個子直條柱，或整合此直條柱子群組之一部份子直條柱；以及藉由該些運算視窗來提昇該原始影像的該至少局部對比，並產生該些已提昇強度的影像。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之影像對比提昇方法更包括：將該原始影像之多個像素的多個自然色數值藉由一色彩空間轉換，對應至優化後的該些像素值；依據該原始影像之一原始影像尺寸決定該些運算視窗之一視窗總合；依據該些運算視窗區塊中之轉換成該些子直條柱的一基底總數決定該分離階層數；將該合成影像轉換為一輸出影像；以及合成該些已提昇強度的影像為一合成影像。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之影像對比提昇方法，其中該些像素值至少具有一亮度特徵值、一飽和度特徵值與一強度特徵值。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之影像對比提昇方法，該統計分析包括： 針對每一運算視窗內之每一像素，取得多個鄰近像素之多個強度特徵值的一平均值(mean)與一變異值(variance)，並將對應每一像素的該平均值與該變異值紀錄至一像素值統計表，其中該些鄰近像素被包括在一統計視窗區塊內，並依據該些運算視窗之一最小運算視窗尺寸與該分離階層數來決定該統計視窗區塊的一統計視窗尺寸。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之影像對比提昇方法，其中，該藉由該些視窗區塊來提昇該原始影像的該至少局部對比的步驟包括：將每一運算視窗中每一分離階層之多個直條柱子群組的多個像素值紀錄至一直條柱子群組對照表內，並對該些直條柱子群組的該些像素值進行一平均化處理以產生該些已提昇強度的影像。
  16. 如申請專利範圍第14項所述之影像對比提昇方法，其中該合成該些已提昇強度的影像為一合成影像的步驟包括：藉由該像素值統計表中對應每一像素之該平均值與該變異值，決定每一已提昇強度的影像的一權重，並將每一已提昇強度的影像依據所對應之該權重加總以產生該合成影像。
  17. 如申請專利範圍第11項所述之影像對比提昇方法，其中在每一分離階層中，由每一直條柱子群組分離為該下一分離階層的該兩個直條柱子群組對應至相同分隔 點，而該分隔點是依據以下等式(1)所決定的： ，其中，τ為該分隔點，S 為該些直條柱的一維度(dimension)，r 為該些直條柱的一索引值，argmin(j )為一選取變數j 為最小數值所對應之索引值的函數，Y 為一分隔點設定參數，Y 大於0且小於1的實數，m 為每一視窗區塊之該些像素的一像素總合，H(k )為第k 個直條柱所對應之該像素總合。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之影像對比提昇方法，其中在一分離階層中，該影像對比提昇方法同時依據以下等式(2)與等式(3)同時拉大或縮小對應一相同分隔點之兩個直條柱子群組的各自基底寬度，使得該兩個直條柱子群組各自的群組密度實質上相同，而該群組密度的密度比率可依照等式(1)的Y值、以下等式(2)與等式(3)所決定：t 0 +t 1 =s …等式(2)， ，其中，t 0 為一直條柱子群組的一基底寬度，t 1 為對應該相同分隔點之另一直條柱子群組的另一基底寬度，m 0 為一直條柱子群組的一像素總合，m 1 為對應該相同分隔點之另一直條柱子群組的的一像素總合，而分數m q /t q 為第q 個直條柱子群組的一群組密度。
  19. 如申請專利範圍第17項所述之影像對比提昇方法，更包括採用遞迴方式執行以下步驟：在每一運算視窗中，將每一直條柱子群組分離為該下一分離階層的該兩個直條柱子群組，以及同時拉大或縮小對應一相同分隔點之兩個直條柱子群組的各自基底寬度，使得該兩個直條柱子群組各自的群組密度實質上相同；以及針對對應該相同分隔點且具有相同群組密度的該兩個直條柱子群組，重新分配其中一個直條柱子群組的該些直條柱或整合另一個直條柱子群組之部份子直條柱，使得對應該相同分隔點之該兩個直條柱子群組各自的該基底寬度實質上相同。
  20. 如申請專利範圍第18項所述之影像對比提昇方法，其中，在同時拉大或縮小對應該相同分隔點之兩個直條柱子群組的各自基底寬度之後，若一直條柱子群組具有非零像素值之該些直條柱的一總數小於等於該直條柱子群組的一維度，則該直條柱調整單元拉大該直條柱子群組的一基底寬度以重新分配該基底寬度；以及若一直條柱子群組具有非零像素值之該些直條柱的一總數大於該直條柱子群組的一維度，則該直條柱調整單元整合該直條柱子群組的其中一部份直條柱以縮小該基底寬度。
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