專利名稱：利用平均值分離直方圖均衡的圖像增強(qiáng)方法及其電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用均值分離直方圖均衡(MSHE)的圖像增強(qiáng)方法及其電路。本發(fā)明尤其涉及根據(jù)給定圖像的平均電平把該圖像分割成預(yù)定個數(shù)的子圖像并獨(dú)立地對各個子圖像進(jìn)行直方圖均衡的圖像增強(qiáng)方法及其電路。
灰度電平的直方圖提供了對圖像外觀的總體描述。正確地調(diào)整給定圖像的灰度電平能夠增強(qiáng)圖像的外觀或?qū)Ρ榷取?br> 多種對比度增強(qiáng)方法中最廣為人知的一種是直方圖均衡，即按照給定圖像的樣值分布增強(qiáng)該圖像的對比度。在文獻(xiàn)[1]J.S.Lim的“二維信號及圖像處理”(Prentice Hall，Englewood Cliffs，New Jersey，1990)和[2]R.C.Gonzalez和P.Wints的“數(shù)字圖像處理”(Addison-Wesley，Reading，Massachusetts，1977)中描述了這種方法。
還有，在[3]J.Zimmerman、S.P izer、E.Staab、E.PPerry、W.McCartney和B.Brenton的“自適應(yīng)直方圖均衡對對比度增強(qiáng)的有效性的估算”(IEEE醫(yī)學(xué)成像，1988年12月，304-312頁)以及[4]Y.Li、W.Wang和D.Y.Yu的“自適應(yīng)直方圖均衡對X射線胸部圖像的作用”(SPIE匯編，1994年2321卷，513-514頁)描述了直方圖均衡方法對于醫(yī)學(xué)圖像處理和雷達(dá)圖像處理的有效作用。
一般來說，由于直方圖均衡造成圖像動態(tài)范圍擴(kuò)大，所以造成合成圖像密度分布均衡，因此增強(qiáng)了圖像的對比度。
但是，直方圖均衡的這種廣為人知的特點(diǎn)在某些實際情形中變成了缺點(diǎn)。就是說，隨著直方圖均衡的輸出密度變得均勻，輸出圖像的平均亮度趨于中間灰度電平值。實際上，對于模擬圖像的直方圖均衡，輸出圖像的平均亮度正是與輸入圖像的平均亮度無關(guān)的中間灰度電平。顯然，這一特點(diǎn)在某些實際應(yīng)用中是不希望有的。例如，在已進(jìn)行了直方圖均衡之后，在夜間攝取的圖像看起來會象是在白天攝取的圖像。與此同時，太暗或太亮的圖像信號在被均衡之后，對比度將較低。
為了解決上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種圖像增強(qiáng)方法，該方法根據(jù)給定圖像的平均電平把該圖像分割成預(yù)定個數(shù)的子圖像并獨(dú)立地對各個子圖像進(jìn)行直方圖均衡，以便在保持該給定圖像的平均亮度的同時增強(qiáng)其對比度。
本發(fā)明的另一目的是提供一種圖像增強(qiáng)方法，該方法根據(jù)給定圖像的平均電平把輸入圖像分割成預(yù)定個數(shù)的子圖像并根據(jù)子圖像的灰度電平分布和通過把亮度補(bǔ)償值與平均電平值相加得到的補(bǔ)償平均電平獨(dú)立地對各個子圖像進(jìn)行直方圖均衡。
本發(fā)明的還一目的是提供一種圖像增強(qiáng)電路，該電路根據(jù)給定圖像的平均電平把該圖像分割成預(yù)定個數(shù)的子圖像并獨(dú)立地對各個子圖像進(jìn)行直方圖均衡，以便在保持該給定圖像的平均亮度的同時增強(qiáng)其對比度。
本發(fā)明的再一目的是提供一種圖像增強(qiáng)電路，該電路根據(jù)給定圖像的平均電平把輸入圖像分割成預(yù)定個數(shù)的子圖像并根據(jù)子圖像的灰度電平分布和把亮度補(bǔ)償值與平均電平相加得到的補(bǔ)償平均電平獨(dú)立地對各個子圖像進(jìn)行直方圖均衡。
為了實現(xiàn)以上目的中的一個目的，提供了通過對用預(yù)定數(shù)目的灰度電平表示的圖像信號進(jìn)行直方圖均衡來增強(qiáng)圖像的方法，所述方法包括以下步驟(a)逐個圖像單元地計算輸入圖像信號的平均電平；(b)按照平均電平逐個圖像單元地把該輸入圖像信號分成預(yù)定個數(shù)的子圖像；(c)計算每一子圖像的累積密度函數(shù)；以及(d)通過根據(jù)該累積密度函數(shù)將每一子圖像樣值變換為新的灰度電平來獨(dú)立地對每一子圖像進(jìn)行直方圖均衡。
為了實現(xiàn)以上目的中的另一個目的，提供了通過對用預(yù)定數(shù)目的灰度電平表示的圖像信號進(jìn)行直方圖均衡來增強(qiáng)圖像的方法，所述方法包括以下步驟(a)逐個圖像單元地計算輸入圖像信號的平均電平；(b)逐個圖像單元地獲取輸入圖像信號的灰度電平分布；(c)把該灰度電平分布分成預(yù)定個數(shù)的子圖像；(d)根據(jù)該灰度電平分布計算每一子圖像的累積密度函數(shù)；(e)通過把與基于輸入圖像平均亮度的預(yù)定校正函數(shù)一致的亮度補(bǔ)償值與所述平均電平相加來獲得補(bǔ)償平均電平；以及(f)通過根據(jù)累積密度函數(shù)和補(bǔ)償平均電平將每一子圖像樣值變換為新的灰度電平來獨(dú)立地對每一子圖像進(jìn)行直方圖均衡。
為了實現(xiàn)以上目的中的還一個目的，提供了通過對用預(yù)定數(shù)目的灰度電平表示的圖像信號進(jìn)行直方圖均衡來增強(qiáng)圖像的電路，所述電路包括逐個圖像單元地計算輸入圖像信號的灰度電平分布的第一計算裝置；逐個圖像單元地計算輸入圖像信號的平均電平的第二計算裝置；根據(jù)該平均電平把灰度電平分布分成預(yù)定個數(shù)的子圖像以及計算每一子圖像的累積密度函數(shù)的第三計算裝置；把輸入圖像信號延遲一個圖像單元的圖像存儲器；根據(jù)累積密度函數(shù)將所述圖像存儲器輸出的每一子圖像的每一輸入樣值變換成多個灰度電平的變換裝置；以及將輸入樣值與平均電平作比較和選擇所述變換裝置輸出的被變換灰度電平之一以輸出被選電平的輸出裝置。
為了實現(xiàn)以上目的中的再一個目的，提供了通過對用預(yù)定數(shù)目的灰度電平表示的圖像信號進(jìn)行直方圖均衡來增強(qiáng)圖像的電路，所述電路包括逐個圖像單元地計算輸入圖像信號的灰度電平分布的第一計算裝置；逐個圖像單元地計算輸入圖像信號的平均電平的第二計算裝置；通過把與預(yù)定校正函數(shù)相應(yīng)的亮度補(bǔ)償值與基于輸入圖像平均亮度的平均電平相加來計算補(bǔ)償平均電平的補(bǔ)償裝置；根據(jù)平均電平把灰度電平分布分成預(yù)定個數(shù)子圖像以及計算每一子圖像的累積密度函數(shù)的第三計算裝置；根據(jù)累積密度函數(shù)和補(bǔ)償平均電平將所述圖像存儲器輸出的每一子圖像的每一輸入樣值變換為多個灰度電平的變換裝置；以及將輸入樣值與平均電平作比較和選擇所述變換裝置輸出的被變換灰度電平之一以輸出被選電平的輸出裝置。
通過參看附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的最佳實施例將更加清楚本發(fā)明的上述目的和優(yōu)點(diǎn)，附圖中

圖1是本發(fā)明第一實施例的圖像增強(qiáng)電路的方框圖；圖2是本發(fā)明第二實施例的圖像增強(qiáng)電路的方框圖；圖3是本發(fā)明第三實施例的圖像增強(qiáng)電路的方框圖；圖4A和4B是表示適用于本發(fā)明的亮度校正函數(shù)的例子的圖形；圖5A和5B是表示輸入圖像的平均電平和分別被圖4A和4B所示亮度校正函數(shù)補(bǔ)償?shù)钠骄娖街g的關(guān)系的例子的圖形；圖6是本發(fā)明第四實施例的圖像增強(qiáng)電路的方框圖。
現(xiàn)在描述本發(fā)明的利用均值分離直方圖均衡(MSHE)的圖像增強(qiáng)方法。
在此用{X}表示給定圖像，Xm表示的平均亮度電平(以后將簡稱為“平均電平”)。給定圖像{X}由用{X0，X1，……，XL-1}表示的L個離散灰度電平組成，其中X0＝0表示黑電平而XL-1＝1表示白電平。還假定Xm∈{X0，X1，……，XL-1}。
根據(jù)平均電平Xm把輸入圖像分成用{X}L和{X}U表示的兩個子圖像組，{X}L中的所有樣值等于或小于平均電平Xm，而{X}U中的所有樣值大于平均電平Xm。
每一子圖像{X}L和{X}U的概率密度函數(shù)(PDF5)分別用以下公式(1)和(2)來定義。PL(Xk)=nkLnL,k=0,1,......m----(1)]]>PU(Xk)=nkUnU,k=m+1,m+2,....,L-1----(2)]]>其中L代表灰度電平數(shù)目，PL(Xk)代表子圖{X}L的第k個灰度電平Xk的概率，PU(Xk)代表子圖像{X}U的第k個灰度電不Xk的概率，nLk和nUk分別代表子圖像{X}L和{X}U中的具有灰度電平Xk的樣值的出現(xiàn)次數(shù)，nL和nU代表每一子圖像{X}L和{X}U的樣值總數(shù)。
每一子圖像{X}L和{X}U的累積密度函數(shù)(CDF)分別用以下公式(3)和(4)來定義。CL(Xk)=Σj=0kPL(xj),k=0,1,2...,m----(3)]]>CU(Xk)=Σj=m+1kPU(Xj),k=m+1,m+2,.....,L-1----(4)]]>根據(jù)以上CDF，對于給定的輸入樣值Xk，本發(fā)明提出的MSHE的輸出YH由以下公式(5)給出。
即{X}L的樣值按照公式(3)的CDF被變?yōu)?O，Xm)，而{X}U的樣值被變?yōu)?Xm+1，XL-1)。于是每一子圖像按照本發(fā)明的均值分離直方圖均衡(MSHE)被獨(dú)立地均衡。
還可以容易的看出均值分離直方圖均衡(MSHE)的平均輸出在灰度電平數(shù)目L足夠大時將等于(0.5+Xm)/2，輸入圖像X的PDF是關(guān)于輸入圖像的平均電平對稱的。即所提出的均值分離算法的平均輸出是中間灰度電平(0.5)和理想平均電平(0.5)的算術(shù)平均，而普通直方圖的平均輸出是0.5。
在本發(fā)明的另一圖像增強(qiáng)方法中，該方法執(zhí)行亮度補(bǔ)償，同時增強(qiáng)了對比度，對于給定的輸入樣值Xk，所提出的MSHE的輸出YH由以下公式(6)給出。
其中Bm＝Xm+Δ (7)Bm是補(bǔ)償平均電平，Δ是亮度補(bǔ)償值，根據(jù)亮度電平利用預(yù)定補(bǔ)償函數(shù)來預(yù)置亮度補(bǔ)償值Δ。于是補(bǔ)償平均電平Bm是通過把亮度補(bǔ)償值Δ與平均電平Xm相加而得到的。在此同樣假定Bm∈{X0，X1，……，XL-1}。
同時公式(6)中的B′m由以下公式(8)確定B′m＝Bm+XL-1/(L-1) (8)代表較高子圖像組中的第一個灰度電平，即與補(bǔ)償平均電平Bm相鄰的灰度電平。
因此，根據(jù)公式(6)，等于或小于平均電平Xm的輸入樣值被映射至從O至Bm(O，Bm)的灰度電平，大于平均電平Xm的樣值被映入從B′m至XL-1(B′m，XL-1)的灰度電平。
于是，當(dāng)亮度補(bǔ)償值大于0(Δ＞0)時，均衡輸出YH變得較亮，而當(dāng)亮度補(bǔ)償值小于0(Δ＜0)時，均衡輸出YH變得較暗。隨著Δ增大，圖像下部的動態(tài)范圍被增強(qiáng)，隨著Δ減小，上部的動態(tài)范圍被增強(qiáng)。按照給定圖像信號的平均電平Xm、即按照圖像的亮暗被恰當(dāng)?shù)匮a(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償平均電平Bm利用均值分離直方圖均衡大大地增強(qiáng)了輸入圖像的質(zhì)量。
以下將參看圖1至6描述本發(fā)明的利用MSHE的圖像增強(qiáng)電路的最佳實施例。
圖1是本發(fā)明一最佳實施例的圖像增強(qiáng)電路的方框圖。
在圖1中，幀直方圖計算器102根據(jù)公式(1)逐個圖像單元地計算表示輸入圖像{X}的灰度電平分布的概率密度函數(shù)P(Xk)。在此，一個圖像單元是一幀。但也可以用一場作為圖像單元。
幀平均值計算器104以幀單元計算輸入圖像{Xk}的平均電平Xm。
分離器106根據(jù)平均電平Xm把直方圖計算器102計算的灰度電平分布分成預(yù)定個數(shù)(在此為兩個)的子圖像分布，并輸出兩個子圖像{X}L和{X}U的概率密度函數(shù)PL(Xk)和PU(Xk)。
第一CDF計算器108接收由分離器106輸出的其內(nèi)所有圖像樣值等于或小于平均電平Xm的子圖像{X}L(此后稱為“第一子圖像”)的概率密度函數(shù)PL(Xk)，并利用公式(3)計算CDF CL(Xk)。
第二CDF計算器11O接收由分離器106輸出的其內(nèi)所有圖像樣值大于平均電平Xm的子圖像{X}U(此后稱為“第二子圖像”)的概率密度函數(shù)PU(Xk)，并利用公式(4)計算CDF CU(Xk)。
CDF存儲器112以逐幀地存儲由CDF計算器108和110計算的累積密度函數(shù)CL(Xk)和CU(Xk)、按照同步信號更新存儲值、以及輸出相應(yīng)于幀存儲器100輸出的樣值Xk的累積密度函數(shù)值C(Xk)和相應(yīng)于幀平均值計算器104輸出的平均電平Xm的累積密度函數(shù)值C(Xm)。CDF存儲器110在此時用作為緩沖器。在這里，當(dāng)圖像單元是場時，同步信號就是場同步信號，而當(dāng)圖像單元是幀時，同步信號就是幀同步信號。
幀存儲器100逐個幀單元地存儲輸入圖像{X}。由于第一和第二CDF計算器108和11O輸出的累積密度函數(shù)CL(Xk)和CU(Xk)是與當(dāng)前輸入圖像{X}相比較被延遲了一幀的圖像的累積密度函數(shù)，所以輸入圖像{X}被幀的存儲器108延遲了一幀，于是相應(yīng)于累積密度函數(shù)CL(Xk)和CU(Xk)的幀的圖像信號被輸入給第一和第二變換器114和116。
第一變換器114接收第一CDF計算器108的累積密度函數(shù)值CL(Xk)、幀平均值計算器104的平均電平Xm以及幀存儲器100的被延遲一幀的輸入樣值Xk，并根據(jù)公式(5)的第一個表達(dá)式把第一子圖像{X}L的被延遲一幀的輸入樣值Xk變換成從O至Xm的灰度電平。
第二變換器116接收第二CDF計算器110的累積密度函數(shù)值CU(Xk)、幀平均值計算器104的平均電平Xm以及幀存儲器100的被延遲一幀的輸入樣值Xk，并根據(jù)公式(5)的第二個表達(dá)式把第二子圖像{X}U的被延遲一幀的輸入樣值Xk變換成從Xm+1至XL-1的灰度電平。
比較器118將幀存儲器100輸出的輸入樣值Xk與幀平均值計算器104輸出的平均電平Xm作比較，并根據(jù)比較結(jié)果輸出選擇控制信號。
選擇器120根據(jù)選擇控制信號選擇第一變換器114輸出的信號或第二變換器116輸出的信號。具體來說，如果選擇控制信號指出輸入樣值Xk屬于第一子圖像{X}L，選擇器120就選擇第一變換器114輸出的信號。如果選擇控制信號指出輸入樣值Xk屬于第二子圖像{X}U，選擇器120就選擇第二變換器116輸出的信號。
在本發(fā)明中，直方圖計算器102和CDF計算器104可被包括在一個單獨(dú)塊內(nèi)，用于計算灰度電平分布以及還根據(jù)在輸入圖像{X}的一個圖像單元內(nèi)的灰度電平分布計算CDF。
圖2是本發(fā)明另一最佳實施例的圖像增強(qiáng)電路的方框圖。
在圖2中，幀直方圖計算器202根據(jù)公式(1)逐個圖像單元地計算表示輸入圖像{X}的灰度電平分布的概率密度函數(shù)P(Xk)。
幀平均值計算器204逐個幀單元地計算輸入圖像{Xk}的平均電平Xm。
分離器206根據(jù)平均電平Xm把直方圖計算器202計算的灰度電平分布分成兩個子圖像分布，并輸出兩個子圖像{X}L和{X}U的概率密度函數(shù)PL(Xk)和PU(Xk)。
第一CDF計算器208接收第一子圖像{X}L的概率密度函數(shù)PL(Xk)，并利用公式(3)計算CDF CL(Xk)第二CDF計算器210接收第二子圖像{X}U的概率密度函數(shù)PU(Xk)，并利用公式(4)計算CDF CU(Xk)。
CDF存儲器212以一幀為單位地存儲CDF計算器208和210計算的累積密度函數(shù)CL(Xk)和CU(Xk)、按照同步信號更新存儲值、以及輸出相應(yīng)于樣值Xk的累積密度函數(shù)值C(Xk)和相應(yīng)于幀平均值計算器204輸出的平均電平Xm的累積密度函數(shù)值C(Xm)。
第一變換器214接收第一CDF計算器208的累積密度函數(shù)值CL(Xk)、幀平均值計算器204的平均電平Xm以及輸入樣值Xk，并根據(jù)公式(5)的第一個表達(dá)式把第一子圖像{X}L的輸入樣值Xk映射至從O至Xm的灰度電平。
第二變換器216接收第二CDF計算器210的累積密度函數(shù)值CU(Xk)、幀平均值計算器204的平均電平Xm以及輸入樣值Xk，并根據(jù)公式(5)的第二個表達(dá)式把第二子圖像{X}U的輸入樣值Xk變換為從Xm+1至XL-1的灰度電平。
比較器218將輸入樣值Xk與幀平均值計算器204輸出的平均電平Xm作比較，并根據(jù)比較結(jié)果輸出選擇控制信號。
選擇器220根據(jù)選擇控制信號選擇第一變換器214輸出的信號或第二變換器216輸出的信號。具體來說，如果選擇控制信號指出輸入樣值Xk屬于第一子圖像{X}L，選擇器220就選擇第一變換器214輸出的信號。如果選擇控制信號指出輸入樣值Xk屬于第二子圖像{X}U，選擇器220就選擇第二變換器216輸出的信號。
在圖2的這一實施例中，考慮到相鄰幀之間存在的強(qiáng)相關(guān)，所以與本發(fā)明的第一實施例相比，幀存儲器已被省略。因此，輸入給第一和第二變換器214和216的樣值Xk屬于與CDF存儲器212的輸出信號有關(guān)的幀相鄰的幀。這樣就減少了硬件。
圖3是本發(fā)明還一最佳實施例的圖像增強(qiáng)電路的方框圖。除亮度補(bǔ)償器314以及第一和第二變換器316和318外，圖3所示電路的元件與圖1所示電路的元件相同。因此將集中描述亮度補(bǔ)償器314，以及第一和第二變換器316和318。
在圖3中，亮度補(bǔ)償器314接收幀平均值計算器304輸出的平均電平Xm、如公式(7)所描述那樣增加相應(yīng)于輸入圖像平均亮度的亮度補(bǔ)償值(Δ)、以及輸出補(bǔ)償平均電平Bm。
利用預(yù)定補(bǔ)償函數(shù)、例如如圖4A和4B所示的補(bǔ)償函來確定亮度補(bǔ)償值Δ。但是，圖4A和4B所示的補(bǔ)償函數(shù)只是例示性的，還可以使用不同形狀的其它函數(shù)。
按照圖4A和4B所示的補(bǔ)償函數(shù)利用亮度補(bǔ)償值來控制均衡輸出的亮度。具體來說，當(dāng)輸入圖像的平均電平Xm非常低時，即對于較暗的圖像，由于給平均電平Xm增加了大于“0”的亮度補(bǔ)償值Δ，所以本發(fā)明的均值匹配直方圖均衡方法使被均衡輸出變得較亮。
相反地，當(dāng)輸入圖像的平均電平Xm非常高時，即對于相當(dāng)亮的圖像，由于給平均電平Xm增加了小于“0”的亮度補(bǔ)償值Δ，所以本發(fā)明的均值匹配直方圖均衡方法使被均衡輸出變得較暗。這樣一來，被根據(jù)平均電平Xm以合適的亮度補(bǔ)償值Δ補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償平均電平Bm就顯著地改善了輸入圖像的質(zhì)量。
圖5A和5B表示被根據(jù)圖4A和4B的亮度補(bǔ)償函數(shù)以被補(bǔ)償?shù)牧炼妊a(bǔ)償值Δ補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償平均電平Bm和輸入圖像平均電平Xm之間的關(guān)系。
第一變換器316接收第一CDF計算器308的累積密度函數(shù)值CL(Xk)、亮度補(bǔ)償器314的補(bǔ)償平均電平Bm以及幀存儲器300的被延遲一幀的輸入樣值Xk，并根據(jù)公式(6)的第一個表達(dá)式把第一子圖像{X}L的被延遲一幀的輸入樣值Xk變換成從O至Bm的灰度電平。
第二變換器318接收第二CDF計算器310的累積密度函數(shù)值CU(Xk)、亮度補(bǔ)償器314的補(bǔ)償平均電平Bm以及幀存儲器300的被延遲一幀的輸入樣值Xk，并根據(jù)公式(6)的第二個表達(dá)式把第二子圖像{X}U的被延遲一幀的輸入樣值Xk變換成從B’m至XL-1的灰度電平。B′m由公式(8)給出。
圖6是本發(fā)明再一最佳實施例的圖像增強(qiáng)電路的方框圖。除亮度補(bǔ)償器414以及第一和第二變換器416和418外，圖6所示電路的元件與圖2所示電路的元件相同。因此將集中描述亮度補(bǔ)償器414，以及第一和第二變換器416和418。
在圖6中，亮度補(bǔ)償器414接收幀平均值計算器404輸出的平均電平Xm、如公式(7)所描述那樣增加相應(yīng)于輸入圖像平均亮度的亮度補(bǔ)償值(Δ)、以及輸出補(bǔ)償平均電平Bm。
第一變換器416接收第一CDF計算器408的累積密度函數(shù)值CL(Xk)、亮度補(bǔ)償器414的補(bǔ)償平均電平Bm以及輸入樣值Xk，并根據(jù)公式(6)的第一個表達(dá)式把第一子圖像{X}L的輸入樣值Xk變換成從O至Bm的灰度電平。
第二變換器418接收第二CDF計算器410的累積密度函數(shù)值CU(Xk)、亮度補(bǔ)償器414的補(bǔ)償平均電平Bm以及輸入樣值Xk，并根據(jù)公式(6)的第二個表達(dá)式把第二子圖像{X}U的輸入樣值Xk變換成從Bm至XL-1的灰度電平。Bm由公式(8)給出。
如圖2的圖像增強(qiáng)電路一樣，考慮到相鄰幀之間的亮度高度相關(guān)特性，省略了幀存儲器，這樣就減少了硬件。
利用MSHE的圖像增強(qiáng)方法和應(yīng)用該方法的電路有效地減輕了亮度的突然變化以及普通直方圖均衡所產(chǎn)生的任何人工痕跡，所以能夠既保持整個圖像的亮度又增強(qiáng)了圖像的對比度。
還有，根據(jù)本發(fā)明利用MSHE的圖像增強(qiáng)方法和應(yīng)用該方法的電路，MSHE的執(zhí)行考慮了與輸入圖像平均亮度一致的亮度補(bǔ)償值，所以增強(qiáng)了過暗或過亮的輸入圖像信號的對比度，由此改善了圖像質(zhì)量。
因此，本發(fā)明可被應(yīng)用于與圖像增強(qiáng)有關(guān)的各種領(lǐng)域，例如廣播、雷達(dá)信號處理、醫(yī)學(xué)工程和家用電器。
權(quán)利要求
1.對用預(yù)定數(shù)目的灰度電平表示的圖像信號進(jìn)行直方圖均衡來增強(qiáng)圖像的方法，所述方法包括以下步驟(a)逐個圖像單元地計算輸入圖像信號的平均電平；(b)按照平均電平逐個圖像單元地把輸入圖像信號分成預(yù)定個數(shù)的子圖像；(c)計算每一子圖像的累積密度函數(shù)；以及(d)根據(jù)累積密度函數(shù)把子圖像的每一樣值變換成新的灰度電平來獨(dú)立地對每一子圖像進(jìn)行直方圖均衡。
2.如權(quán)利要求1所述的增強(qiáng)圖像的方法，其中，輸入圖像信號在所述步驟(b)中被分成兩個子圖像。
3.如權(quán)利要求2所述的增強(qiáng)圖像的方法，其中，所述步驟(d)包括以下步驟(d1)利用由一個累積密度函數(shù)定義的第一變換函數(shù)把輸入樣值變換為第一范圍的灰度電平；(d2)利用由另一個累積密度函數(shù)定義的第二變換函數(shù)把輸入樣值變換為第二范圍的灰度電平；(d3)比較輸入樣值和平均電平；以及(d4)根據(jù)所述步驟(d3)的結(jié)果分別選擇所述步驟(d1)和(d2)的兩個被變換的灰度電平中的一個。
4.對用預(yù)定數(shù)目的灰度電平表示的圖像信號進(jìn)行直方圖均衡來增強(qiáng)圖像的方法，所述方法包括以下步驟(a)逐個圖像單元地計算輸入圖像信號的平均電平；(b)逐個圖像單元地獲取輸入圖像信號的灰度電平分布；(c)把灰度電平分布分成預(yù)定個數(shù)的子圖像；(d)根據(jù)灰度電平分布計算每一子圖像的累積密度函數(shù)；以及(e)根據(jù)累積密度函數(shù)把子圖像的每一樣值變換為新的灰度電平來獨(dú)立地對每一子圖像進(jìn)行直方圖均衡。
5.如權(quán)利要求4所的增強(qiáng)圖像的方法，其中，灰度電平分布在所述步驟(b)中被分成兩個子圖像。
6.如權(quán)利要求5所述的增強(qiáng)圖像的方法，其中，所述步驟(e)包括以下步驟(e1)利用由一個累積密度函數(shù)定義的第一變換函數(shù)把輸入樣值變換成第一范圍的灰度電平；(e2)利用由另一個累積密度函數(shù)定義的第二變換函數(shù)把輸入樣值變換成第二范圍的灰度電平；(e3)比較輸入樣值和平均電平；以及(e4)根據(jù)所述步驟(e3)的結(jié)果分別選擇所述步驟(e1)和(e2)的兩個被變換灰度電平的一個。
7.如權(quán)利要求6所述的增強(qiáng)圖像的方法，其中，所述步驟(e1)的第一范圍包括從最小電平X0至平均電平Xm的灰度電平，而所述步驟(e2)的第二范圍包括從與平均電平相鄰的灰度電平Xm+1至最大電平XL-1的灰度電平。
8.對用預(yù)定數(shù)目的灰度電平表示的圖像信號進(jìn)行直方圖均衡來增強(qiáng)圖像的方法，所述方法包括以下步驟(a)逐個圖像單元地計算輸入圖像信號的平均電平；(b)逐個圖像單元地獲取輸入圖像信號的灰度電平分布；(c)把灰度電平分布分成預(yù)定個數(shù)的子圖像；(d)根據(jù)灰度電平分布計算每一子圖像的累積密度函數(shù)；(e)給所述平均電平增加與基于輸入圖像平均亮度的預(yù)定校正函數(shù)一致的亮度補(bǔ)償值來獲得補(bǔ)償平均電平；以及(f)根據(jù)累積密度函數(shù)和補(bǔ)償平均電平把子圖像的每一樣值變換成新的灰度電平來獨(dú)立地對每一子圖像進(jìn)行直方圖均衡。
9.如權(quán)利要求8所述的增強(qiáng)圖像的方法，其中，灰度電平分布在所述步驟(c)中按照平均電平被分成兩個子圖像。
10.如權(quán)利要求9所述的增強(qiáng)圖像的方法，其中，所述步驟(f)包括以下步驟(f1)按照輸入樣值的累積密度函數(shù)值把等于或小于平均電平的相應(yīng)的輸入樣值變換成從最小電平X0至補(bǔ)償平均電平Bm的灰度電平；以及(f2)按照輸入樣值的累積密度函數(shù)值把大于平均電平的相應(yīng)的輸入樣值變換成從B′m至最大灰度電平XL-1的灰度電平，B′m＝Bm+XL-1/(L-1)。
11.如權(quán)利要求8所述的增強(qiáng)圖像的方法，其中，在所述步驟(e)中，當(dāng)平均電平小于第一閾值時，亮度補(bǔ)償值大于零，而當(dāng)平均電平大于第二閾值時，亮度補(bǔ)償值小于零。
12.對用預(yù)定數(shù)目的灰度電平表示的圖像信號進(jìn)行直方圖均衡來增強(qiáng)圖像的電路，所述電路包括第一計算裝置，其逐個圖像單元地計算輸入圖像信號的灰度電平分布；第二計算裝置，其逐個圖像單元地計算輸入圖像信號的平均電平；第三計算裝置，其根據(jù)平均電平把灰度電平分布分成預(yù)定個數(shù)的子圖像以及計算每一子圖像的累積密度函數(shù)；圖像存儲器，其將輸入圖像信號延遲一個圖像單元；變換裝置，其根據(jù)累積密度函數(shù)把所述圖像存儲器輸出的每一子圖像的每一輸入樣值變換為多個灰度電平；以及輸出裝置，其比較輸入樣值和平均電平并選擇所述變換裝置輸出的被變換灰度電平之一以輸出被選電平。
13.如權(quán)利要求12所述的增強(qiáng)圖像的電路，其中，圖像單元是幀，預(yù)定數(shù)目是2。
14.如權(quán)利要求13所述的增強(qiáng)圖像的電路，其中，所述變換裝置包括第一變換器，其按照由一個累積密度函數(shù)定義的第一變換函數(shù)把輸入樣值變換為從最小電平X0至平均電平Xm的灰度電平；以及第二變換器，其按照由另一個累積密度函數(shù)定義的第二變換函數(shù)把輸入樣值變換為從與平均電平相鄰的電平Xm+1至最大電平XL-1的灰度電平。
15.如權(quán)利要求14所述的增強(qiáng)圖像的電路，其中，所述輸出裝置包括比較器，其將平均電平與所述圖像存儲器的輸入樣值作比較以輸出選擇控制信號；以及選擇器，其根據(jù)選擇控制信號選擇所述第一和第二變換器的輸出電平的一個。
16.如權(quán)利要求12所述的增強(qiáng)圖像的電路，其中，還包括緩沖器，其存儲所述第三計算裝置計算的累積密度函數(shù)、逐個圖像單元地更新所存儲的函數(shù)以及把預(yù)定個數(shù)的累積密度函數(shù)值提供給所述變換裝置。
17.對用預(yù)定數(shù)目的灰度電平表示的圖像信號進(jìn)行直方圖均衡來增強(qiáng)圖像增強(qiáng)的電路，所述電路包括第一計算裝置，其逐個圖像單元地計算輸入圖像信號的灰度電平分布；第二計算裝置，其逐個圖像單元地計算輸入圖像信號的平均電平；第三計算裝置，其根據(jù)平均電平把灰度電平分布分成預(yù)定個數(shù)的子圖像以及計算每一子圖像的累積密度函數(shù)；變換裝置，其根據(jù)對就在當(dāng)前圖像之前的圖像計算的累積密度函數(shù)把所述每一子圖像的每一輸入樣值變換為多個灰度電平；以及輸出裝置，其比較輸入樣值和平均電平并選擇所述變換裝置輸出的被變換灰度電平之一以輸出被選電平。
18.如權(quán)利要求17所述的增強(qiáng)圖像的電路，其中，圖像單元是幀，預(yù)定數(shù)目是2。
19.如權(quán)利要求18所述的增強(qiáng)圖像的電路，其中，所述變換裝置包括第一變換器，其按照由一個累積密度函數(shù)定義的第一變換函數(shù)把輸入樣值變換為從最小電平X0至平均電平Xm的灰度電平；以及第二變換器，其按照由另一個累積密度函數(shù)定義的第二變換函數(shù)把輸入樣值變換為從與平均電平相鄰的電平Xm+1至最大電平XL-1的灰度電平。
20.如權(quán)利要求19所述的增強(qiáng)圖像的電路，其中，所述輸出裝置包括比較器，其將輸入樣值與平均電平比較以輸出選擇控制信號；以及選擇器，其根據(jù)選擇控制信號選擇所述第一和第二變換器的輸出電平的一個。
21.如權(quán)利要求17所述的增強(qiáng)圖像的電路，其中，還包括緩沖器，其存儲所述第三計算裝置計算的累積密度函數(shù)、逐個圖像單元地更新所存儲的函數(shù)以及把預(yù)定個數(shù)的累積密度函數(shù)值提供給所述變換裝置。
22.對用預(yù)定數(shù)目的灰度電平表示的圖像信號進(jìn)行直方圖均衡來增強(qiáng)圖像的電路，所述電路包括第一計算裝置，其逐個圖像單元地計算輸入圖像信號的灰度電平分布；第二計算裝置，其逐個圖像單元地計算輸入圖像信號的平均電平；補(bǔ)償裝置，其通過給基于輸入圖像的平均亮度的平均電平增加與預(yù)定校正函數(shù)的一致的亮度補(bǔ)償值來計算補(bǔ)償平均電平；第三計算裝置，其根據(jù)平均電平把灰度電平分布分成預(yù)定個數(shù)的子圖像以及計算每一子圖像的累積密度函數(shù)；圖像存儲器，其將輸入圖像信號延遲一個圖像單元；變換裝置，其根據(jù)累積密度函數(shù)和補(bǔ)償平均電平把所述圖像存儲器輸出的每一子圖像的每一輸入樣值變換成多個灰度電平；以及輸出裝置，其比較輸入樣值和平均電平并選擇所述變換裝置輸出的被變換灰度電平之一以輸出被選電平。
23.如權(quán)利要求22所述的增強(qiáng)圖像的電路，其中，圖像單元是幀，預(yù)定數(shù)目是2。
24.如權(quán)利要求23所述的增強(qiáng)圖像的電路，其中，所述變換裝置包括第一變換器，其按照由一個累積密度函數(shù)定義的第一變換函數(shù)把輸入樣值變換為從最小電平X0至補(bǔ)償平均電平Bm的灰度電平；第二變換器，其中B′m＝Bm+XL-1/(L-1)，其按照由另一個累積密度函數(shù)定義的第二變換函數(shù)把輸入樣值變換為從B′m至最大電平XL-1的灰度電平。
25.如權(quán)利要求24所述的增強(qiáng)圖像的電路，其中，所述輸出裝置包括比較器，其將平均電平與所述圖像存儲器的輸入樣值作比較以輸出選擇控制信號；以及選擇器，其根據(jù)選擇控制信號選擇所述第一和第二變換器的輸出電平中的一個。
26.如權(quán)利要求22所述的增強(qiáng)圖像的電路，其中，還包括緩沖器，其存儲所述第三計算裝置計算的累積密度函數(shù)、逐個圖像單元地更新所存儲的函數(shù)以及把預(yù)定個數(shù)的累積密度函數(shù)值提供給所述變換裝置。
27.如權(quán)利要求22所述的增強(qiáng)圖像的電路，其中，在該電路中，當(dāng)平均電平小于第一閾值時，所述補(bǔ)償裝置給平均電平增加大于零的亮度補(bǔ)償值，而當(dāng)平均電平大于第二閾值時，所述補(bǔ)償裝置給平均電平增加小于零的亮度補(bǔ)償值。
28.對用預(yù)定數(shù)目的灰度電平表示的圖像信號進(jìn)行直方圖均衡來增強(qiáng)圖像的電路，所述電路包括第一計算裝置，其逐個圖像單元地計算輸入圖像信號的灰度電平分布；第二計算裝置，其逐個圖像單元地計算輸入圖像信號的平均電平；補(bǔ)償裝置，其通過給基于輸入圖像的平均亮度的平均電平增加與預(yù)定校正函數(shù)一致的亮度補(bǔ)償值來計算補(bǔ)償平均電平；第三計算裝置，其根據(jù)平均電平把灰度電平分布分成預(yù)定個數(shù)的子圖像以及計算每一子圖像的累積密度函數(shù)；變換裝置，其根據(jù)累積密度函數(shù)和補(bǔ)償平均電平把每一子圖像的每一輸入樣值變換成多個灰度電平；以及輸出裝置，其比較輸入樣值和平均電平并選擇所述變換裝置輸出的被變換灰度電平之一以輸出被選電平。
29.如權(quán)利要求28所述的增強(qiáng)圖像的電路，其中，圖像單元是幀，預(yù)定數(shù)目是2。
30.如權(quán)利要求29所述的增強(qiáng)圖像的電路，其中，所述變換裝置包括第一變換器，其按照由一個累積密度函數(shù)定義的第一變換函數(shù)把輸入樣值變換為從最小電平X0至補(bǔ)償平均電平Bm的灰度電平；第二變換器，其中，B′m＝Bm+XL-1/(L-1)，其按照由另一個累積密度函數(shù)定義的第二變換函數(shù)把輸入樣值變換成從B′m至最大電平XL-1的灰度電平。
31.如權(quán)利要求30所述的增強(qiáng)圖像的電路，其中，所述輸出裝置包括比較器，其將平均電平與輸入樣值作比較以輸出選擇控制信號；以及選擇器，其根據(jù)選擇控制信號選擇所述第一和第二變換器的輸出電平中的一個。
32.如權(quán)利要求28所述的增強(qiáng)圖像的電路，其中，還包括緩沖器，其存儲所述第三計算裝置計算的累積密度函數(shù)、逐個圖像單元地更新所存儲的函數(shù)以及把預(yù)定個數(shù)的累積密度函數(shù)值提供給所述變換裝置。
33.如權(quán)利要求28所述的增強(qiáng)圖像的電路，其中，在該電路中，當(dāng)平均電平小于第一閾值時，所述補(bǔ)償裝置給平均電平增加大于零的亮度補(bǔ)償值，而當(dāng)平均電平大于第二閾值時，所述補(bǔ)償裝置給平均電平增加小于零的亮度補(bǔ)償值。
34.對用預(yù)定數(shù)目(L)的灰度電平表示的圖像信號進(jìn)行直方圖均衡來增強(qiáng)圖像的電路，所述電路包括第一計算裝置，其逐個圖像單元地計算輸入圖像信號的灰度電平分布；第二計算裝置，其逐個圖像單元地計算輸入圖像信號的平均電平；補(bǔ)償裝置，其通過給基于輸入圖像的平均亮度的平均電平增加與預(yù)定校正函數(shù)一致的亮度補(bǔ)償值來輸出補(bǔ)償平均電平；第三計算裝置，其根據(jù)平均電平把灰度電平分布分成預(yù)定個數(shù)的子圖像以及計算每一子圖像的累積密度函數(shù)；變換裝置，其根據(jù)累積密度函數(shù)和補(bǔ)償平均電平把每一子圖像的樣值變換為多個灰度電平；以及輸出裝置，其根據(jù)比較輸入圖像信號和平均電平的結(jié)果選擇輸出所述變換裝置輸出的被變換樣值之一作為增強(qiáng)的信號。
35.如權(quán)利要求34所述的增強(qiáng)圖像的電路，其中，所述變換裝置包括第一變換器，其按照輸入圖像信號相應(yīng)的累積密度函數(shù)值把等于或小于平均電平的相應(yīng)的輸入圖像信號變換為從最小電平X0至補(bǔ)償平均電平Bm的灰度電平；以及第二變換器，B′m＝Bm+XL-1/(L-1)，其按照輸入圖像信號相應(yīng)的累積密度函數(shù)值把大于平均電平的相應(yīng)的輸入圖像信號變換為從B′m至最大電平XL-1的灰度電平。
36.如權(quán)利要求35所述的增強(qiáng)圖像的電路，其中，所述輸出裝置包括比較器，其將輸入圖像信號的電平與平均電平作比較以輸出選擇控制信號；以及選擇器，根據(jù)選擇控制信號選擇所述第一和第二變換器的輸出電平中的一個。
37.如權(quán)利要求34所述的增強(qiáng)圖像的電路，其中，還包括緩沖器，其更新所述累積密度函數(shù)和把以前存儲的累積密度函數(shù)提供給所述變換裝置。
38.如權(quán)利要求34所述的增強(qiáng)圖像的電路，其中，在該電路中，當(dāng)平均電平非常低、即輸入圖像非常暗時，所述補(bǔ)償裝置就給該平均電平增加大于零的亮度補(bǔ)償值，而當(dāng)平均電平非常高、即輸入圖像非常亮?xí)r，所述補(bǔ)償裝置就給該平均電平增加小于零的亮度補(bǔ)償值，由此輸出對被增強(qiáng)信號的亮度進(jìn)行控制的補(bǔ)償平均電平。
39.如權(quán)利要求34所述的增強(qiáng)圖像的電路，其中，所述圖像單元是幀，子圖像的預(yù)定個數(shù)是2。
全文摘要
利用均值分離直方圖均衡的圖像增強(qiáng)方法，根據(jù)輸入圖像信號的平均電平逐個圖像單元地把輸入圖像信號分成兩個子圖像。然后計算每一子圖像的累積密度函數(shù)。接著分別利用由累積密度函數(shù)定義的第一和第二變換函數(shù)把輸入圖像變換為兩個灰度電平，這兩個灰度電平分別屬于第一范圍和第二范圍。最后，根據(jù)輸入樣值的大小選擇兩個被變換的電平中的一個。于是既能保持給定圖像的亮度，又能增強(qiáng)對比度。
文檔編號H04N5/57GK1168049SQ9710259
公開日1997年12月17日 申請日期1997年3月7日 優(yōu)先權(quán)日1996年3月9日
發(fā)明者金永澤, 曹庸熏 申請人:三星電子株式會社