TWI463879B - 調變式影像處理方法及其系統 - Google Patents

Description

調變式影像處理方法及其系統

本發明是有關於一種調變式影像處理方法，且特別是有關於一種影像亮度的處理方法。

顯著的影像對比與感知是決定影像屬性的基礎。在日常生活裡我們常在不同的場景拍攝而獲取影像，依據其影像對比分佈可分為五種類型：過暗(dark)的影像、過亮(bright)的影像、背光(back-lighted)影像、低對比度(low contrast)的影像及高對比度(high contrast)的影像，其中過暗的影像、過亮的影像、背光影像、低對比度的影像被視為品質不佳的影像。也就是說，這些類型的影像在人類視覺系統中是不被接受的，而造成影像品質不佳的主要原因，多數是因為拍攝環境光源不足或過強所造成。

以往在改善影像的對比分佈過程中，容易導致影像不平滑失真、方塊效應、色差及細節失真等不自然的現象，且使得影像的品質反而變得更差。

因此，本發明之一態樣是在提供一種調變式影像處理方法，其將適應性反雙曲線正切函數及對比限制調適之直方圖等化函數以線性結合成一新的影像函數，以修正拍攝影像的對比分佈，提升影像的品質。

依據本發明一實施方式，提供一種調變式影像處理方法，包含下列步驟：首先，進行步驟a，從一輸入影像中取出一原始亮度資料。接著，同步進行步驟b1及步驟b2，其中步驟b1為根據原始亮度資料之平均值與標準差，設定一適應性反雙曲線正切函數AIHT，而步驟b2為根據該原始亮度資料之複數個灰階值，設定一對比限制調適之直方圖等化函數CLAHE。然後，進行步驟c，將適應性反雙曲線正切函數AIHT與對比限制調適之直方圖等化函數CLAHE線性結合成一適應性影像函數MHE，其中MHE=α×AIHT+β×CLAHE，α+β=1。再者，進行步驟d，利用適應性影像函數MHE修正原始亮度資料，以產生一適應性亮度資料。最後，進行步驟e，利用適應性亮度資料修正輸入影像，以產生一輸出影像。

依據上述之調變式影像處理方法，其中步驟a係將輸入影像之三原色資料格式(RGB)轉換為色度、飽和度、亮度資料格式。

依據上述之調變式影像處理方法，其中步驟e係以適應性亮度資料取代原始亮度資料。

依據上述之調變式影像處理方法，其中步驟b2將原始亮度資料分割為複數個像素區塊，各像素區塊之大小相同，其中灰階值分別分佈於各像素區塊。再者，將各像素區塊之灰階值之間的區域對比比值限制於0到1之間，並透過灰階值產生一灰階度機率分佈函數，以設定該對比限制調適之直方圖等化函數CLAHE。

依據上述之調變式影像處理方法，其中步驟b1係根據原始亮度資料之平均值計算一適應性偏差參數，且根據原始亮度資料之標準差計算一適應性增益參數，再利用適應性偏差參數及適應性增益參數設定適應性反雙曲線正切函數。

依據上述之調變式影像處理方法，其中步驟b1係將原始亮度資料分割為複數個頻段亮度資料，再藉由各別頻段亮度資料之平均值與標準差產生多刻度參數，以相應設定複數個適應性反雙曲線正切函數來逐一對應該複數個頻段亮度資料。接著，根據每一頻段亮度資料之平均值計算一適應性偏差參數，且根據每一頻段亮度資料之標準差計算一適應性增益參數，再利用適應性偏差參數及適應性增益參數設定適應性反雙曲線正切函數，以對應頻段亮度資料。

依據本發明另一實施方式，提供一種調變式影像處理系統，一輸入單元、一影像處理單元以及一輸出單元。輸入單元用以取得一影像；影像處理單元，用以接收該影像，並執行上述之調變式影像處理方法；輸出單元用以輸出調變式影像處理方法處理後的輸出影像。

藉此，上述實施方式之調變式影像處理方法及其系統，可以修正影像的亮度對比，並避免影像產生歪曲或失真的現象。

請參照第1圖，係繪示依照本發明一實施方式的一種調變式影像處理方法之流程圖。由第1圖可知，本實施方式之調變式影像處理方法包含下列步驟：首先，如步驟110，從一輸入影像中取出一原始亮度資料。接著，如步驟120，根據原始亮度資料之平均值與標準差，設定一適應性反雙曲線正切函數AIHT；且可同時進行步驟130，根據原始亮度資料之複數個灰階值，設定一對比限制調適之直方圖等化函數CLAHE。再者，如步驟140，將適應性反雙曲線正切函數AIHT與對比限制調適之直方圖等化函數CLAHE線性結合成一適應性影像函數MHE，其中MHE=α×AIHT+β×HE，α+β=1。然後，如步驟150，利用適應性影像函數MHE修正原始亮度資料，以產生一適應性亮度資料。最後，如步驟160，利用適應性亮度資料修正輸入影像，以產生一輸出影像。

具體而言，步驟110中，輸入影像可做色彩空間的轉換，如原為三原色資料格式(RGB)可轉換為HSV或HSI，轉換後再由其中將原始亮度資料與原始彩度資料(如色度與飽和度)分離。其中，本發明係針對原始亮度資料進行處理，在處理過程中，先行將原始彩度資料分離可避免處理過程所產生的色差。

步驟120中，根據原始亮度資料之平均值與標準差計算適應性偏差與適應性增益，定義出一適應性反雙曲線正切函數曲線AIHT。配合參照第2圖，係繪示第1圖步驟120的詳細步驟流程圖。如步驟121及122所示，本實施方式先計算出原始亮度資料之平均值與標準差，也就是意味著找出原始亮度資料在光譜上分布的類型。然後，如步驟123及124所示，分別利用平均值計算一適應性偏差參數(bias )，且利用標準差計算一適應性增益參數(gain )。最後，再如步驟125所示，利用適應性偏差參數(bias )及適應性增益參數(gain )設定適應性反雙曲線正切函數AIHT曲線，也就是產生最適合此種亮度分布類型的對比度轉換曲線。

為了增強影像的對比度，我們使用反雙曲線正切函數如下列方程式(1)所示。其演算法中添加了適應性偏差函數bias (x )和適應性增益函數gain (x )的參數，來控制反雙曲線正切函數的曲線形狀，如下列方程式(2)所示：

繼續由第1圖可知，同步進行步驟130，根據原始亮度資料之複數個灰階值，設定對比限制調適之直方圖等化函數CLAHE。詳細來說，先將原始亮度資料分割為複數個像素區塊，各像素區塊之大小相同，其中灰階值分別分佈於各像素區塊；本實施方式中，原始亮度資料約分割為64(8×8)個像素區塊。

接著，將各像素區塊之灰階值以直方圖統計，其中將各像素區塊之灰階值之間的區域對比比值(Clip Limit)限制於0到1之間，因此，比值越大，區域對比越明顯。

再來，將各像素區塊之灰階值正規化，並重新分配一累計直方圖，其中各像素區塊之灰階值不超過區域對比比值(Clip Limit)。

將累計直方圖透過一灰階度機率分布函數轉換為一對比限制調適之直方圖等化函數CLAHE，其中灰階度機率分布函數如下方程式(3)所示：

，其中為原始亮度資料之灰階值j之機率密度函數。

由對比限制調適之直方圖等化函數CLAHE可產生各像素區塊對應之新的灰階值。

繼續參照第1圖，如步驟140，適應性反雙曲線正切函數AIHT與對比限制調適之直方圖等化函數CLAHE線性結合成一適應性影像函數MHE，其中MHE=α×AIHT+β×CLAHE，α+β=1。也就是說，α及β的範圍分別為0≦α≦1及0≦β≦1。

當α較大時，可強化影像中亮區與暗區的對比；而當β較大時，影像灰階值的重新分配而增強影像對比的效果會較為明顯。

藉由α、β分別分配及調整適應性反雙曲線正切函數AIHT與對比限制調適之直方圖等化函數CLAHE的比重，結合成適應性影像函數MHE以產生適應性亮度資料，並直接取代原始亮度資料以修正輸入影像的亮度，可避免單純用適應性反雙曲線正切函數AIHT來修正影像亮度時，所產生的影像對比不足現象，或是單純用對比限制調適之直方圖等化函數CLAHE修正影像亮度時，所造成的影像不平滑失真、方塊效應、色差及細節失真等不自然的現象。

根據本發明另一實施方式之調變式影像處理方法中的步驟120，另可將原始亮度資料分割為複數個頻段亮度資料，再藉由各別頻段亮度資料之平均值與標準差產生多刻度參數，以相應設定複數個適應性反雙曲線正切函數來逐一對應複數個頻段亮度資料。接著，根據每個頻段亮度資料之平均值計算適應性偏差參數，且根據每個頻段亮度資料之標準差計算適應性增益參數，再利用適應性偏差參數及適應性增益參數設定適應性反雙曲線正切函數，以對應頻段亮度資料。

換句話說，進一步將原始亮度資料分成多個刻度後，找出多個平均值及標準差，以分別計算其適應性偏差參數及適應性增益參數。藉此，可以更加細膩的方式調整影像光線的對比度。

另外，本發明另一實施方式提出一種調變式影像處理系統，包含一輸入單元、一影像處理單元以及輸出單元。輸入單元用以取得一影像。影像處理單元用以接收影像，並執行第1圖之調變式影像處理方法。輸出單元則輸出處理後的輸出影像。

最後，請參考附圖一、附圖二以及附圖三，係分別是在黎明、下午及夜晚時，所拍攝之原始影像(Original)、單獨透過適應性反雙曲線正切函數修正之影像(AIHT)、單獨透過對比限制調適之直方圖等化函數修正之影像(CLAHE)以及經過上述調變式影像處理方法處理後之影像。由附圖一、二及三中可知，原始影像(Original)之對比度明顯不足，無法清晰的分辨出欲拍攝之人、物與背景。而單獨透過CLAHE處理之影像，較為失真，而透過AIHT處理之影像則無法達到預設的對比效果。透過本發明提供之調變式影像處理方法，可依據使用者的需求，調整AIHT與CLAHE之比例，來達到預設的影像對比度，且可避免影像失真、對比不足的問題。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

110-160．．．步驟

121-125．．．步驟

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：

第1圖繪示依照本發明一實施方式的一種調變式影像處理方法之流程圖。

第2圖係繪示第1圖步驟120的詳細步驟流程圖。

110-160．．．步驟

Claims (10)

1. 一種調變式影像處理方法，包含：步驟a：從一輸入影像中取出一原始亮度資料；步驟b1：根據該原始亮度資料之平均值與標準差，設定一適應性反雙曲線正切函數AIHT；步驟b2：根據該原始亮度資料之複數個灰階值，設定一對比限制調適之直方圖等化函數CLAHE；步驟c：將該適應性反雙曲線正切函數AIHT與該對比限制調適之直方圖等化函數CLAHE線性結合成一適應性影像函數MHE，其中MHE=α×AIHT+β×CLAHE，α+β=1；步驟d：利用該適應性影像函數MHE修正該原始亮度資料，以產生一適應性亮度資料；以及步驟e：利用該適應性亮度資料修正該輸入影像，以產生一輸出影像。
2. 如請求項1所述之調變式影像處理方法，其中步驟a係將該輸入影像之三原色資料格式(RGB)轉換為色度、飽和度、亮度資料格式。
3. 如請求項1所述之調變式影像處理方法，其中步驟e係以該適應性亮度資料取代該原始亮度資料。
4. 如請求項1所述之調變式影像處理方法，其中步驟b2將該原始亮度資料分割為複數個像素區塊，各該像素區塊之大小相同，其中該些灰階值分別分佈於各該像素區塊。
5. 如請求項4所述之調變式影像處理方法，其中步驟b2將各該像素區塊之灰階值之間的區域對比比值限制於0到1之間。
6. 如請求項4所述之調變式影像處理方法，其中步驟b2透過該些灰階值產生一灰階度機率分佈函數，以設定該對比限制調適之直方圖等化函數CLAHE。
7. 如請求項1所述之調變式影像處理方法，其中步驟b1係根據該原始亮度資料之平均值計算一適應性偏差參數，且根據該原始亮度資料之標準差計算一適應性增益參數，再利用該適應性偏差參數及該適應性增益參數設定該適應性反雙曲線正切函數。
8. 如請求項1所述之調變式影像處理方法，其中步驟b1係將該原始亮度資料分割為複數個頻段亮度資料，再藉由各別頻段亮度資料之平均值與標準差產生多刻度參數，以相應設定複數個適應性反雙曲線正切函數來逐一對應該複數個頻段亮度資料。
9. 如請求項8所述之調變式影像處理方法，其中步驟b1係根據每一該些頻段亮度資料之平均值計算一適應性偏差參數，且根據每一該些頻段亮度資料之標準差計算一適應性增益參數，再利用該適應性偏差參數及該適應性增益參數設定該適應性反雙曲線正切函數，以對應該頻段亮度資料。
10. 一種調變式影像處理系統，包含：一輸入單元，用以取得一影像；一影像處理單元，用以接收該影像，並執行如請求項1-9所述之調變式影像處理方法；以及一輸出單元，用以輸出該輸出影像。