DE112006002075T5

DE112006002075T5 - Verfahren zur adaptiven Bildkontrastverstärkung

Info

Publication number: DE112006002075T5
Application number: DE112006002075T
Authority: DE
Inventors: Asaf Golan; Avraham Levy
Original assignee: Intel Corp
Current assignee: Intel Corp
Priority date: 2005-08-04
Filing date: 2006-08-03
Publication date: 2008-05-29
Also published as: TW200739450A; US7512269B2; US20070031055A1; CN101233539A; TWI319167B; WO2007019265A1

Abstract

Verfahren zum Anpassen der anfänglichen Luminanzwerte für ein Bild, das eine Mehrzahl von Pixeln aufweist, wobei jedes Pixel einen anfänglichen Luminanzwert und zwei anfängliche Chromawerte hat, mit den Schritten:
(a) Bilden eines Histogramms der anfänglichen Luminanzwerte von wenigstens einem Teil der Pixel;
(b) Berechnen einer Mehrzahl von anfänglichen Behälter-Indizes, die das Histogramm in eine Mehrzahl von Behältern unterteilen, die im Wesentlichen gleiche Populationen haben;
(c) Abbilden der anfänglichen Behälter-Indizes auf eine Mehrzahl von endgültigen Behälter-Indizes, die gleichmäßiger als die anfänglichen Behälter-Indizes beabstandet sind; und
(d) Anpassen der anfänglichen Luminanzwerte in Übereinstimmung mit den endgültigen Behälter-Indizes, wodurch für jedes Pixel ein Luminanzwert erhalten wird.

Description

Gebiet und Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft die digitale Bildverarbeitung und insbesondere ein Verfahren zur Kontrastverstärkung eines digitalen Bildes durch Manipulieren eines Histogramms von Pixelluminanzwerten.
Auf Histogrammausgleich basierende Kontrastverstärkung ist eine Standardtechnik bei der Bildverarbeitung. Im Gegensatz zu lokalen Techniken wie Filtern, das einen Pixelwert nur in Bezug auf die Werte benachbarter Pixel ändert, ist die Kontrastverstärkung ein globales Verfahren, das Pixelwerte auf dem Histogramm des Gesamtbildes basierend verändert. Die Kontrastverstärkung hat daher einen beachtlich hohen Einfluss auf die Gesamterscheinung eines Bildes. Kontrastverstärkung verstärkt schwache Details und kann Bildbereiche, die anfangs dunkel sind, „beleuchten".
Es gibt zwei Herausforderungen bei der Kontrastverstärkung von Videosignalen: das Vermeiden einer Rauschverstärkung und das Verstärken des Bildkontrastes in Echtzeit.
Im Hinblick auf die Rauschverstärkung wird das Rauschen, ebenso wie Signaldetails des Bildes durch Kontrastverstärkung betont werden, ebenfalls durch Kontrastverstärkung verstärkt. Besondere Sorgfalt muss walten, um solche Artefakte in verrauschten Videosignalen zu minimieren. Im Hinblick auf die Echtzeitkontrastverstärkung korrigieren Kontrastverstärkungsverfahren die Pixelwerte eines Videoframes nur nachdem das vollständige Histogramm des Frames berechnet worden ist. Daher benötigt die Echtzeitkontrastverstärkung die eine oder andere Art einer Verzögerung. Gewöhnlich wird entweder die berechnete Korrektur für jeden Frame auf einen folgenden Frame angewendet oder jeder Frame wird lange genug verzögert, um seine eigene Korrektur zu erhalten.
Kontrastverstärkungsverfahren sind in grundlegenden Büchern über Bildverarbeitung beschrieben, z.B. A.K. Jain, Fundamentals of Digital Image Processing (Prentice-Hall, 1988). Das Standard-Histogrammausgleichverfahren nach dem Stand der Technik wird wie folgt durchgeführt:

1. Berechnen des Bildhistogramms H(g): die Anzahl von Pixeln mit der Graustufe g, wobei g eine ganze Zahl im Intervall [0,N] ist.
2. Berechnen des kumulativen Histogramms
Durch F_min Bezeichnen des kleinsten positiven Wertes, das im kumulativen Histogramm erhalten wird, i.e. das erste ungleich Null H(g) geteilt durch die Summe aller H(g).
3. Transformieren der Pixel, deren Grauwert g ist, in eine „angeglichene" neue Auflösung [0, ...,L] gemäß
Um ein Bild mit einem verstärkten Kontrast zu bilden wird der Wert L = N verwendet. Zu Zwecken der dynamischen Umfangsreduzierung (Datenquantisierung), werden Werte von L verwendet, die weniger als N sind.

Das Anwenden dieses Standardverfahrens oder ähnlicher Techniken an Frames einer Videosequenz kann in temporären Diskontinuitäten resultieren und ein instabiles Verhalten auf verschieden Szenentypen, wie etwa Außenaufnahmeszenen gegenüber Innenaufnahmeszenen, entwickeln. Daher müssen die Standardverfahren zur Benutzung mit Videobildflüssen mit deren zusätzlichen Zeitdimension modifiziert werden. Zusätzlich sollte das Verfahren robust sein, es sollte gut mit einer breiten Klasse von typischen Videosequenzen funktionieren und sollte eine ausreichend geringe Komplexität haben, um in Echtzeit ausgeführt zu werden. Altere Patente, die dieses und verwandte Probleme behandelt haben, sind:

Opittek et al., US Patent Nr. 3,979,555
Ketcham et al., US Patent Nr. 3,983,320
Fitch et al., US Patent Nr. 4,231,065
Bailey et al., US Patent Nr. 4,353,092
Ackermann, US Patent Nr.4,450,482
FitzHenry et al., US Patent Nr. 5,063,607
Fujimura et al., US Patent Nr. 5,808,697
Bhaskar, US Patent Nr. 6,393,148
Bhaskar, US Patent Nr. 6,580,825
Choi, US Patent Nr. 6,771,320
Stessen, US Patent Nr. 6,781,636
Huniu, veröffentlichte US Patentanmeldung Nr. 2003/0007689
Kim, veröffentlichte US Patentanmeldung Nr. 2003/0025838
Young et al., veröffentlichte US Patentanmeldung Nr. 2003/0091222
Srinivasa, veröffentlichte US Patentanmeldung Nr. 2004/0042676

Zusammenfassung der Erfindung

[Die nächsten vier Absätze wiederholen die unabhängigen Ansprüche nahezu wortgetreu. Dieses ist etwas, das wir rein mechanisch in jeder Patentanmeldung durchführen, um sicherzustellen, dass wenn auch der Rest der Beschreibung vollständig verdreht ist, diese wenigstens eine Stütze für die unabhängigen Ansprüche enthält. Jede Kritik an diesen Absätzen sollte gegen die Ansprüche gerichtet sein.]

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird für ein Bild, das eine Mehrzahl von Pixeln aufweist, wobei jedes Pixel einen anfänglichen Luninanzwert und zwei anfängliche Chromawerte aufweist, ein Verfahren zum Einstellen der anfänglichen Luminanzwerte bereit gestellt, einschließlich der Schritte: (a) Bilden eines Histogramms der anfänglichen Luminanzwerte von wenigstens einem Teil der Pixel; (b) Berechnen einer Mehrzahl von anfänglichen Behälter-Indizes, die das Histogramm in eine Mehrzahl von Behältern unterteilen, die im Wesentlichen gleiche Populationen haben; (c) Abbilden der anfänglichen Behälter-Indizes auf eine Mehrzahl von endgültigen Behälter-Indizes, die gleichmäßiger als die anfänglichen Behälter-Indizes sind; und (d) Anpassen der anfänglichen Luminanzwerte in Übereinstimmung mit den endgültigen Behälter-Indizes, wodurch für jedes Pixel ein endgültiger Luminanzwert erhalten wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist für ein Bild, das eine Mehrzahl von Pixeln aufweist, wobei jedes Pixel einen anfänglichen Wert hat, ein Verfahren zum Anpassen der anfänglichen Werte bereitgestellt mit den Schritten: (a) Bilden eines Histogramms der anfänglichen Werte von wenigsten einem Teil der Pixel; (b) Berechnen einer Mehrzahl von anfänglichen Behälter-Indizes, die das Histogramm in eine Mehrzahl von Behältern unterteilen, die im Wesentlichen gleiche Populationen haben; (c) Abbilden der anfänglichen Behälter-Indizes auf eine Mehrzahl von endgültigen Behälter-Indizes, die gleichmäßiger als die anfänglichen Behälter-Indizes beabstandet sind; und (d) Anpassen der anfänglichen Werte in Übereinstimmung mit den endgültigen Behälter-Indizes, wodurch für jedes Pixel ein endgültiger Wert erhalten wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein System bereitgestellt mit: (a) einem Speicher zum Speichern eines Bildes, das eine Mehrzahl von Pixeln aufweist, wobei jedes Pixel einen Wert hat; und (b) einem Prozessor zum: (i) Bilden eines Histogramms der Werte von wenigstens einem Teil der Pixel, (ii) Berechnen einer Mehrzahl von anfänglichen Behälter-Indizes, die das Histogramm in eine Mehrzahl von Behältern unterteilen, die im Wesentlichen gleiche Populationen haben, (iii) Abbilden der anfänglichen Behälter-Indizes auf eine Mehrzahl von endgültigen Behälter-Indizes, die gleichmäßiger als die anfänglichen Behälter-Indizes beabstandet sind, und (iv) Anpassen der Werte in Übereinstimmung mit den endgültigen Behälter-Indizes.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein computerlesbares Speichermedium bereitgestellt, das einen computerlesbaren Code hat, das auf dem Computer lesbaren Speichermedium dargestellt ist, wobei der computerlesbare Code zum Verarbeiten eines Bildes ist, das eine Mehrzahl von Pixeln aufweist, wobei jedes Pixel einen Wert hat, wobei der computerlesbare Code aufweist: (a) einen Programmcode zum Bilden eines Histogramms der Werte von wenigstens einem Teil der Pixel; (b) einen Programmcode zum Berechnen einer Mehrzahl von anfänglichen Behälter-Indizes, die das Histogramm in eine Mehrzahl von Behältern unterteilen, die im Wesentlichen gleiche Populationen haben; (c) einem Programmcode zum Abbilden der anfänglichen Behälter-Indizes auf eine Mehrzahl von endgültigen Indizes, die gleichmäßiger als die anfänglichen Behälter-Indizes beabstandet sind; und (d) einen Programmcode zum Anpassen der Werte in Übereinstimmung mit den endgültigen Behälter-Indizes.
Die vorliegende Erfindung ist auf die Verstärkung des Kontrasts eines digitalen Bildes gerichtet, dessen Pixel anfängliche Chroma- und Luminanzwerte, einen Luminanzwert und zwei Chromawerte pro Pixel haben. Zunächst wird ein Histogramm der anfänglichen Luminanzwerte von wenigstens einem Teil der Pixel gebildet. Anfängliche „Behälter-Indizes" werden berechnet, die das Histogramm in eine Mehrzahl von Behältern unterteilen, begrenzt durch die anfänglichen Behälter-Indizes, die eine im Wesentlichen gleiche Population haben. Die anfänglichen Behälter-Indizes werden auf eine entsprechende Mehrzahl von endgültigen Behälter-Indizes abgebildet, die gleichmäßiger als die anfänglichen Behälter-Indizes beabstandet sind. Die anfänglichen Luminanzwerte werden dann in Übereinstimmung mit den endgültigen Behälter-Indizes angepasst, um endgültige Luminanzwerte bereitzustellen.
Bevorzugt wird das Histogramm unter Verwendung der Werte nur einiger der Pixel gebildet.
In einigen bevorzugten abweichenden Form der vorliegenden Erfindung sind die endgültigen Behälter-Indizes gleichmäßig beabstandet. Bevorzugt werden die anfänglichen Luminanzwerte in Übereinstimmung mit sowohl den anfänglichen Behälter-Indizes als auch den endgültigen Behälter-Indizes angepasst. Am meisten bevorzugt wird jeder anfängliche Luminanzwert durch Finden der zwei anfänglichen Behälter-Indizes, die den anfänglichen Luminanzwert einschließen und darauffolgendes Transformieren des anfänglichen Luminanzwertes in einen endgültigen Luminanzwert, der von einem korrespondierenden Paar von endgültigen Behälter-Indizes eingeschlossen ist, angepasst. Bevorzugt ist diese Transformation eine streckenweise lineare Transformation.
In einer anderen bevorzugten Variante der vorliegenden Erfindung beinhaltet das Abbilden der anfänglichen Behälter-Indizes auf endgültige Behälter-Indizes das Verändern der anfänglichen Behälter-Indizes, um eine entsprechende Mehrzahl von modifizierten Behälter-Indizes zu erhalten, die gleichmäßiger als die anfänglichen Behälter-Indizes beabstandet sind. Die korrespondierenden endgültigen Behälter-Indizes sind auch gleichmäßiger als die anfänglichen Behälter-Indizes beabstandet, aber nicht notwendigerweise gleichmäßig beabstandet. Besonders bevorzugt wird jeder anfängliche Luminanzwert durch Finden der zwei modifizierten Behälter-Indizes, die diesen anfänglichen Luminanzwert einschließen und Transformieren des anfängliche Luminanzwerts in einen endgültigen Luminanzwert, der von einem korres pondierenden Paar der endgültigen Behälter-Indizes eingeschlossen ist, angepasst. Am meisten bevorzugt ist diese Transformation eine streckenweise lineare Transformation.
Die oben angegebene Beschreibung betrifft ein Farbdigitalbild. In dem Fall eines monochromen Digitalbildes, das nur einen Wert pro Pixel hat, werden die Pixelwerte in derselben Art behandelt, wie die Pixelluminanzwerte eines Farbdigitalbildes behandelt werden.
Der Umfang der vorliegenden Erfindung beinhaltet auch ein System zum Ausführen der Verfahren der vorliegenden Erfindung und ein computerlesbares Speichermedium, auf dem ein computerlesbarer Code verkörpert ist, der ausgeführt wird (zum Beispiel durch einen Prozessor des Systems der vorliegenden Erfindung), um die Verfahren der vorliegenden Erfindung umzusetzen.
Der der Erfindung am nächsten kommende Stand der Technik sind die Patente von Opittek et al., Ackermann und FitzHenry et al. Diese Patente lehren auch Verfahren und Systeme zum Abflachen eines Histogramms von Pixelluminanz/-intensität-Werten. Opittek et al. und Fitz-Henry et al. flachen das Histogramm exakt ab. Ackermann passt das Histogramm einer gewünschten Form an, die nicht notwendigerweise flach ist. Der grundlegende Unterschied zwischen der vorliegenden Erfindung und dem Stand der Technik ist, dass der Stand der Technik anfängliche Behälter-Indizes, die das anfängliche Histogramm in gleichermaßen aufgefüllte Behälter unterteilt, explizit berechnet. Ein anderer bedeutender Unterschied zwischen dem Stand der Technik und der Ausgestaltung der Erfindung, in der die endgültigen Behälter-Indizes nicht notwendigerweise gleichmäßig beabstandet sind, ist, dass die endgültigen Behälter-Indizes der vorliegenden Erfindung a posteriori bestimmt werden, in dem Sinn, dass die Werte der endgültigen Behälter-Indizes als Ergebnis des Algorithmus zum Modifizieren der anfänglichen Behälter-Indizes bestimmt werden. Mit anderen Worten setzt die vorliegende Erfindung nicht eine a priori gewünschte Form auf das Histogramm auf, sondern akzeptiert jede Form, die der Algorithmus produziert. Im Gegenteil werden die endgültigen Behälter-Indizes nach dem Stand der Technik a priori durch die gewünschte Form (flach oder anders), an die das Histogramm angepasst wird, bestimmt. [Ich stimme immer noch nicht mit Ihnen überein, dass der grundlegende Unterschied zwischen ihrer Erfindung und dem Stand der Technik ist, dass die anfänglichen Behälter-Indizes explizit berechnet werden. Wenn dieses nicht der Unterschied ist, dann ist ihre Erfindung im Fall von gleichmäßig beabstandeten endgültigen Behälter-Indizes mit dem Stand der Technik identisch. Ich schlage vor, dass wir die unabhängigen Ansprüche so lassen, wie sie sind, und den Prüfer entscheiden lassen. Als Rückzugposition habe ich Ansprüche für a posteriori endgültige Behälter-Indizes eingefügt.]
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen lediglich exemplarisch beschrieben, wobei:
1 ein typisches Histogramm von aktiven Bereichsluminanzkomponentenwerten ist;
2 das Histogramm von 1 zeigt, das in vier gleichermaßen bevölkerte Teile unterteilt ist;
3 ein Graph der Korrekturfunktion gemäß 2 ist, mit gleichmäßig beabstandeten endgültigen Behälter-Indizes;
4 und 5 zeigen, wie die Gleichungen (3), (4) und (5) die Korrekturfunktion von 3 in eine modifizierte Korrekturfunktion transformieren;
6 ein Histogramm der aktiven Bereichsluminanzkomponentenwerte nach Transformation unter Verwendung der modifizierten Korrekturfunktion ist;
7 ein partielles High-Level Blockdiagramm eines Systems der vorliegenden Erfindung ist.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
Die vorliegende Erfindung ist ein Verfahren zur Histogrammanpassung zum Verstärken des Kontrastes von digitalen Bildern. Insbesondere kann die vorliegende Erfindung zum Verstärken des Kontrastes von Frames eines Videostreams verwendet werden.
Die Grundlagen und der Ablauf der Kontrastverstärkung gemäß der vorliegenden Erfindung kann besser mit Bezug auf die Zeichnungen und die beigefügte Beschreibung verstanden werden.
Wie oben angemerkt ist die vorliegende Erfindung sowohl auf Farbbilder als auch auf monochrome Bilder anwendbar. Nichtsdestotrotz wird die bevorzugte Ausgestaltung hier als Farbbildausführungsbeispiel beschrieben. Das Eingabebild hat drei Farbkoordinaten. Eine Luminanzkomponente und zwei Chromakomponenten. Herkömmliche Farbkoordinatensysteme, die solche Komponenten verwenden, sind das YUV-Koordinatensystem, das YPrPb-Koordinatensystem, das Luv-Koordinatensystem und das Lab-Koordinatensystem. Ein Eingabebild in einigen anderen Koordinatensystemen, wie etwa RGB, müssen in ein Luminanz-Chroma-Koordinatensystem konvertiert werden, bevor das Verfahren der vorliegenden Erfindung auf dieses Bild angewendet werden kann. Die vorliegende Diskussion verwendet YUV als ein Beispiel eines Luminanz-Chroms-Koordinatensystems. Für den Fachmann ist es klar, die vorliegende Erfindung auf jedes andere Luminanz-Chroms-Koordinatensystems anzuwenden. Die Werte der Luminanz-Komponente Y werden als ganze Zahlen im Intervall [0,N] angesehen. Im Folgenden wird die Bezeichnung „Y_ij" verwendet, um den Wert der Luminanzkomponente des Pixels an den Bildkoordinaten (i,j) anzuzeigen und „y" wird verwendet, um einen Luminanzkomponentenwert im Allgemeinen anzuzeigen.
Zusätzlich zum Eingabebild empfängt das Verfahren der vorliegenden Erfindung fünf zusätzliche Eingabeparameter: den aktiven Bereich A, einen Histogrammauflösungsparameter K und drei Kontrastverstärkungsparameter: C, α_D und α_L.
Der aktive Bereich A des Bilds ist der Teil des Bilds, dessen Pixel verwendet werden, um das Histogramm abzuleiten. Ein aktiver Bereich, der kleiner als das Gesamtbild ist, wird aus Gründen der numerischen Effizienz verwendet: von einer statistischen Probe der Pixel wird erwartet, ein ausreichend akkurates Histogramm bereitzustellen. Der aktive Bereich ist nicht notwendigerweise ein einziger zusammenhängender Teil des Bilds. Beispielsweise ist ein „aktiver Bereich", der gewöhnlich eine gute statistische Probe der Pixel liefert, jedes andere Pixel in jeder anderen Reihe.
K ist die Anzahl von Behältern in dem Histogramm.
C ist ein Parameter, der die Maximalrate der Kontrastverstärkungen begrenzt, die das Verfahren der vorliegenden Erfindung anwendet.
α_D und α_L sind Parameter, die den Pegel der Kontrastverstärkung bestimmen, der auf dunkle Bilder und auf helle Bilder angewendet wird. Der Algorithmus der vorliegenden Erfindung beinhaltet drei Hauptstufen.
In der ersten Stufe wird ein Histogramm der Luminanzkomponente Y angesammelt, für Pixel, die innerhalb des aktiven Bereichs liegen. Wie oben erwähnt sind die Werte von Y ganze Zahlen im Intervall [0,N]. Das Histogramm besteht aus K Behältern, wobei jeder Behälter n = (N + 1)/K aufeinanderfolgende Luminanzkomponentenwerte umspannt.
In der zweiten Stufe wird eine Korrekturfunktion für die Luminanzkomponente basierend auf dem Histogramm berechnet. Die Korrekturfunktion ist eingerichtet, das Histogramm „auszugleichen", das heißt, dass die Korrekturfunktion die Pixel aus dicht gepackten Regionen des Histogramms in Richtung spärlich gepackter Regionen des Histogramms drückt.
In der dritten Stufe wird die Korrekturfunktion auf die Luminanzkomponenten von allen Bildpixeln angewendet. [Was, wenn überhaupt, machen sie mit den Chroma-Komponenten?] Wenn das Verfahren der vorliegenden Erfindung auf einen Stream von Videoframes angewendet wird, wird eine Ein-Frame-Verzögerung verwendet, so dass jeder Videoframe entsprechend seinem eigenen Histogramm verstärkt wird.
Histogramm-Ansammlung
Formel 1 ist die Population des aktiven Bereichs im k-ten Bin des Histogramms
H_k = #{(i,j):(i,j) ∊ > A, Y_i,j ∊ {n(k – 1), n(k – 1) + 1, ...n(k – 1) + n – 1}}. (Die Bezeichnung „#T” bedeutet „die Anzahl von Elementen des Satzes T".) Die Gesamtanzahl von Pixeln in dem Histogramm ist
Bezugnehmend auf die Zeichnungen zeigt 1 ein Beispiel eines Histogramms der Luminanz-Komponente der aktiven Bereichspixel, die auf 128 Behältern verteilt sind.
Berechnung der Korrekturfunktion
Zunächst wird das Histogramm in p gleichmäßig gefüllte Teile unterteilt. p + 1 Indizes X₀ bis X_p werden derart gefunden, dass die akkumulierte Anzahl von Pixeln im Teil des Histogramms, das von den Indizes X_q und X_q+1 begrenzt ist, ungefähr S/p für alle Werte von q ∊ [0, p – 1] ist. Formell ist X₀ = 0, X_p = K und für 1 ≤ q < p ist
Mit anderen Worten ist X_q die kleinste Zahl k, für die die Summe der Behälterpopulationen bis zu einschließlich dem k-ten Bin qS/p übersteigt. 2 zeigt das Histogramm aus 1, das in vier gleichmäßig bevölkerte Teile unterteilt ist. Die Indizes {X_q} werden in den beigefügten Ansprüchen „anfängliche Behälter-Indizes" genannt.
Das konzeptionelle Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Luminanz-Komponente der Bildpixel in einer Weise anzupassen, die Indizes {X_q} derart bewegt, dass diese gleichmäßig beabstandet werden. So ist für jeden Index X_q der korrespondierende „konzeptionelle ideale" Index Y_qqK/p. Die Indizes {Y_q} sind Beispiele von in den beigefügten Ansprüchen genannten „endgültigen Behälter-Indizes". Die Indizes {X_q} und {Y_q} definieren eine kontinuierliche streckenweise lineare Funktion:
für X_q < y ≤ X_q+1. Diese Funktion hat die Eigenschaft, dass Y(X_q) = Y_q für alle q ∊ [0,p] ist. 3 zeigt einen Graph 10 dieser Funktion abgeleitet aus dem Histogramm von 2. Der Punkt am weitesten links unten in 3 ist bei (X₀,Y₀) = (0,0). Der Punkt am weitesten rechts oben in 3 ist bei (X₄,Y₄) = (128, 128). Die anderen drei Punkte sind bei (X₁,Y₁) = (17; 31,75), (X₂,Y₂) = (21; 63,5) und (X₃,Y₃) = (31; 95,25). Die Werte von Y₁, Y₂ und Y₃ sind nahe den Werten (32, 64, 96), die ein perfekt flaches Histogramm ergeben würden.
Modifizierte Korrektionsfunktion
Die oben beschriebenen beabstandeten Y_q-s, obwohl konzeptionell ideal, produzieren häufig Bilder, die ästhetisch nicht befriedigend sind. Daher hält die vorliegende Erfindung die Parameter C, α_D und α_L bereit, um die anfänglichen Behälter-Indizes {X_q} und die gleichmäßig beabstandeten endgültigen Behälter-Indizes {Y_q} in einer Weise zu modifizieren, die Bilder produzieren, die ästhetisch befriedigender sind. Insbesondere werden die anfänglichen Behälter-Indizes wie folgt modifiziert:
wobei Δ = min q=0,...p-1 (X_q ₊₁ – X_q), P = K/p und
Die korrespondierenden endgültigen Behälter-Indizes sind Yq = qPα + Xq(1 – α) (3)
Die korrespondierende streckenweise lineare Funktion hat flachere Gradienten als die Funktion von Gleichung (1), so dass die modifizierten Behälter-Indizes {X_q} gleichmäßiger als die anfänglichen Behälter-Indizes beabstandet sind, während die endgültigen Behälter-Indizes {Y_q}, obgleich nicht gleichmäßig beabstandet, nichtsdestotrotz gleichmäßiger beabstandet sind als die anfänglichen Behälter-Indizes.
Anwenden der Korrekturfunktion
Gleichung 1 muss modifiziert werden, um der Tatsache Rechnung zu tragen, dass der Umfang der Luminanz-Komponenten das Intervall [0,N] und nicht das Intervall [0,K] ist. Die modifizierte Gleichung zum Transformieren eines anfänglichen Luminanz-Komponentenwerts y zu einem endgültigen Luminanz-Komponentenwert ỹ ist:
für nX_q < y ≤ nX_q+1. In den beigefügten Ansprüchen ist die Beziehung zwischen X_q, y und X_q+1 das Einklammern von y durch X_q und X_q+1 genannt. Beachte dass der resultierende endgültige Luminanz-Komponentenwert ỹ von Y_q und Y_q+1 eingeklammert ist: nY_q < ỹ ≤ nY_q+1.
Die korrespondierende Gleichung zum Transformieren eines anfänglichen Luminanz-Komponentenwerts y zu einem endgültigen Luminanz-Komponentenwert ỹ unter Verwendung der modifizierten Behälter-Indizes ist:
für nX_q < y ≤ nX_q+1.
Wenn die Transformation für einen bestimmten Pixel von YUV-Koordinaten zu RGB-Koordinaten unzulässige Werte der R-, G- oder B-Komponenten produziert, werden die unzulässigen Werte auf die nächsten zulässigen Werte gesetzt.
4 zeigt, wie die Gleichung (3) den Graph 10 modifiziert, um einen modifizierten Graph 20 zu erzeugen. 5 zeigt, wie die Gleichungen (4) und (5) den Graphen 20 modifizieren, um einen weiter modifizierten Graph 30 zu ergeben. Die Werte von C, α_D und α_L, die verwendet wurden, waren C = 2,5, α_D = 0,55 und α_L = 0,65. Die drei mittleren Punkte des Graphen 20 sind bei (X 1, Y1) = (22; 31,75), (X 2, Y2) = 35; 63,5), (X 3, Y3) = (92; 95,25). Die drei mittleren Punkte von Graph 30 sind bei (2X 1, ỹ (Y1)) = (44; 55), (2X 2, ỹ (Y2)) = (70; 102,5), (2 X 3, ỹ (Y3)) = (104; 154). Beachte, dass die Graphanteile von 5 relativ zu den 3 und 4 verdoppelt sind, weil in diesem Beispiel n = 2 ist. Der Graph 20' von 5 ist der entsprechend maßstabsangepasste Graph 20. Die Transformation, die in Graph 30 abgebildet ist, modifiziert die Eingabeluminanz-Komponentenwerte sanfter als eine ähnliche Transformation dieses auf Graph 10 basierend tun würde. 6 zeigt das Histogramm der Luminanzkomponente der aktiven Bereichspixel nach Transformation gemäß Graph 30.
7 ist ein teilweises High-Level-Blockdiagramm eines Systems 40 der vorliegenden Erfindung zum Empfangen von digitalen Bildern, Verstärken des Kontrasts der digitalen Bilder und Darstellen der verstärkten Bilder. System 40 beinhaltet eine Schnittstelle 42 zum Empfangen der Bilder von einer externen Vorrichtung wie etwa einer Videokamera, einem Random Access Speicher (Random Access Memory; RAM) 46 zum Speichern der Bilder, einem Read-Only Speicher (Read-Only Memory; ROM) 48 zum Speichern ausführbaren Codes zum Ausführen des Verfahrens der vorliegenden Erfindung, wie oben beschrieben, einem Prozessor 44 zum Ausführen des im ROM 48 gespeicherten Codes zum Verstärken des Kontrasts der im RAM 46 gespeicherten Bilder und einen Monitor 50 zum Darstellen der kontrastverstärkten Bilder. Im System 40 ist die Definition des aktiven Bereichs und der Werte der Parameter C, α_D, und α_L im Code, der im ROM 48 gespeichert ist, veranlagt. Alternative Systeme der vorliegenden Erfindung enthalten Benutzerschnittstellen zum Steuern dieser Parameter.
Während die Erfindung mit Bezug auf eine begrenzte Anzahl von Ausführungsbeispielen beschrieben wurde, versteht es sich, dass viele Abweichungen, Änderungen und andere Anwendungen der Erfindung gemacht werden können.
ZUSAMMENFASSSUNG
Der Kontrast eines digitalen Bildes wird verstärkt durch Bilden eines Histogramms der Luminanzwerte eines aktiven Bereiches des Bildes, Berechnen „anfänglicher" Behälter-Indizes, die das Histogramm in Behälter mit im Wesentlichen gleicher Population unterteilen, Abbilden der „anfänglichen" Behälter-Indizes auf „endgültige" Indizes, die gleichmäßiger beabstandet sind als die „anfänglichen" Behälter-Indizes und Anpassen der Luminanzwerte aller Pixel in Übereinstimmung mit den „endgültigen" Behälter-Indizes.

Claims

Verfahren zum Anpassen der anfänglichen Luminanzwerte für ein Bild, das eine Mehrzahl von Pixeln aufweist, wobei jedes Pixel einen anfänglichen Luminanzwert und zwei anfängliche Chromawerte hat, mit den Schritten: (a) Bilden eines Histogramms der anfänglichen Luminanzwerte von wenigstens einem Teil der Pixel; (b) Berechnen einer Mehrzahl von anfänglichen Behälter-Indizes, die das Histogramm in eine Mehrzahl von Behältern unterteilen, die im Wesentlichen gleiche Populationen haben; (c) Abbilden der anfänglichen Behälter-Indizes auf eine Mehrzahl von endgültigen Behälter-Indizes, die gleichmäßiger als die anfänglichen Behälter-Indizes beabstandet sind; und (d) Anpassen der anfänglichen Luminanzwerte in Übereinstimmung mit den endgültigen Behälter-Indizes, wodurch für jedes Pixel ein Luminanzwert erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Histogramm durch Verwenden der anfänglichen Luminanzwerte nur eines Teils der Pixel gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die endgültigen Behälter-Indizes gleichmäßig beabstandet sind.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die anfänglichen Luminanzwerte in Übereinstimmung mit den anfänglichen Behälter-Indizes angepasst werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der anfängliche Luminanzwert angepasst wird durch die Schritte: (i) Bestimmen eines Paars von anfänglichen Behälter-Indizes, die den anfänglichen Luminanzwert einklammern; und (ii) Transformieren des anfänglichen Luminanzwerts in einen endgültigen Luminanzwert, der durch ein Paar von endgültigen Behälter-Indizes, die dem Paar von anfänglichen Behälter-Werten entsprechen, eingeklammert ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Transformation streckenweise linear ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die endgültigen Behälter-Indizes a posteriori bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Abbilden das Modifizieren der anfänglichen Behälter-Indizes beinhaltet, wodurch eine korrespondierende Vielzahl von modifizierten Behälter-Indizes erhalten wird, die gleichmäßiger als die anfänglichen Behälter-Indizes beabstandet sind, wobei die anfänglichen Luminanzwerte darauf in Übereinstimmung mit den modifizierten Behälter-Indizes angepasst werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der anfängliche Luminanzwert angepasst wird durch die Schritte: (i) Bestimmen eines Paars der modifizierten Behälter-Indizes, die jeden anfänglichen Luminanzwert einklammern; und (ii) Transformieren jeden anfänglichen Luminanzwerts in einen endgültigen Luminanzwert, der durch ein Paar der endgültigen Behälter-Indizes eingeklammert ist, die dem Paar von modifizierten Behälterwerten entsprechen.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Transformieren streckenweise linear ist.
Verfahren zum Anpassen der anfänglichen Werte für ein Bild, das eine Mehrzahl von Pixeln aufweist, wobei jeder Pixel einen anfänglichen Wert hat, mit den Schritten: (a) Bilden eines Histogramms der anfänglichen Werte wenigstens eines Teils der Pixel; (b) Berechnen einer Mehrzahl von anfänglichen Behälter-Indizes, die das Histogramm in eine Mehrzahl von Behältern unterteilen, die im Wesentlichen gleiche Populationen haben; (c) Abbilden der anfänglichen Behälter-Indizes auf eine Mehrzahl von endgültigen Behälter-Indizes, die gleichmäßiger als die anfänglichen Behälter-Indizes beabstandet sind; und (d) Anpassen der anfänglichen Werte in Übereinstimmung mit den endgültigen Behälter-Indizes, wodurch für jeden Pixel ein endgültiger Wert erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Histogramm unter Verwendung anfänglicher Werte nur eines Teils der Pixel gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die endgültigen Behälter-Indizes gleichmäßig beabstandet sind.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die anfänglichen Werte in Übereinstimmung mit den anfänglichen Behälter-Indizes angepasst werden.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der anfängliche Wert angepasst wird mit den Schritten: (i) Bestimmen eines Paars anfänglicher Behälter-Indizes, die jeden anfänglichen Wert einklammern; und (ii) Transformieren jedes anfänglichen Werts in einen endgültigen Wert, der durch ein Paar der endgültigen Behälter-Indizes, die dem Paar der anfänglichen Behälter-Werte entsprechen eingeklammert ist.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Transformieren streckenweise linear ist.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die endgültigen Behälter-Indizes a posteriori bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Abbilden, das Modifizieren der anfänglichen Behälter-Indizes einschließt, wodurch eine korrespondierende Mehrzahl von modifizierten Behälter-Indizes erhalten wird, die gleichmäßiger beabstandet sind als die anfänglichen Behälter-Indizes, wobei die anfänglichen Werte darauf in Übereinstimmung mit den modifizierten Behälter-Indizes angepasst werden.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass jeder anfängliche Wert angepasst wird mit den Schritten: (i) Bestimmen eines Paars von modifizierten Behälter-Indizes, die jeden anfänglichen Wert einklammern; und (ii) Transformieren des anfänglichen Werts in einen endgültigen Wert, der von einem Paar der endgültigen Behälter-Indizes, die dem Paar der modifizierten Behälter-Werte entsprechen, eingeklammert ist.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Transformieren streckenweise linear ist.
System mit: (a) einem Speicher zum Speichern eines Bildes, das eine Mehrzahl von Pixeln aufweist, wobei jedes Pixel einen Wert hat; und (b) einem Prozessor zum: (i) Bilden eines Histogramms mit Werten von wenigstens eines Teils der Pixel, (ii) Berechnen einer Mehrzahl von anfänglichen Behälter-Indizes, die das Histogramm in eine Mehrzahl von Behälters unterteilen, die im Wesentlichen gleiche Populationen haben; (iii) Abbilden der anfänglichen Behälter-Indizes auf eine Mehrzahl von endgültigen Behälter-Indizes, die gleichmäßiger als die anfänglichen Behälter-Indizes beabstandet sind; und (iv) Anpassen der Werte in Übereinstimmung mit den endgültigen Behälter-Indizes.
System nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Bild ein monochromes Bild ist.
System nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Bild ein Farbbild ist, wobei die Werte anfängliche Luminanzwerte sind.
Computerlesbares Speichermedium mit einem computerlesbaren Code, der auf dem computerlesbaren Speichermedium verkörpert ist, wobei der computerlesbare Code zum Verarbeiten eines Bildes ist, das eine Mehrzahl von Pixeln aufweist, wobei jedes Pixel einen Wert hat, wobei das computerlesbare Medium aufweist: (a) einen Programmcode zum Bilden eines Histogramms von Werten von wenigstens eines Teils der Pixel; (b) ein Programmcode zum Berechnen einer Mehrzahl von anfänglichen Behälter-Indizes, die das Histogramm in eine Mehrzahl von Behälters unterteilen, die im Wesentlichen gleiche Populationen haben; (c) ein Programmcode zum Abbilden der anfänglichen Behälter-Indizes auf eine Mehrzahl von endgültigen Behälter-Indizes, die gleichmäßiger als die anfänglichen Behälter-Indizes beabstandet sind; und (d) einen Programmcode zum Anpassen der Werte in Übereinstimmung mit den endgültigen Behälter-Indizes.