專利名稱：用量化的平均分離直方圖均衡對圖像進(jìn)行增強(qiáng)的方法和電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及采用量化的平均分離的直方圖均衡(MSHE)對圖像進(jìn)行增強(qiáng)的方法和電路，尤其是涉及一種方法，其中的輸入圖像信號被量化并分解成預(yù)定數(shù)目的子圖像，且隨即對每一個子圖像進(jìn)行獨立的直方圖均衡。本發(fā)明還涉及與該方法相應(yīng)的電路。
灰度電平的直方圖提供了對于一幅圖像外觀的整體的描述。對給定圖像的正確的灰度電平的調(diào)節(jié)將改善圖像的外觀或?qū)Ρ榷取?br> 在用于增強(qiáng)對比度的各種類型方法中，根據(jù)圖像的取樣分布對給定圖像的對比度進(jìn)行增強(qiáng)的直方圖均衡被公知為是最廣為采用的，并在下列的兩篇文獻(xiàn)中被公開[1]J.S.Lim的“二維信號和圖像處理”(Prentice Hall，Englewood Cliffs New Jersey 1990)和[2]R.C.Gonzales和P.Wints的“數(shù)字圖像處理”(Addition-Wesley Reading Massachusetts)。
此外，包括在醫(yī)學(xué)圖像處理和雷達(dá)圖像處理的該直方圖均衡的有益應(yīng)用在下列的兩篇文獻(xiàn)中有所公開[3]J.Zimmerman，S.Pizer，E.Staab，E.Perry，W.McCartney和B.Breton的“用于對比度增強(qiáng)的自適應(yīng)直方圖均衡的有效性的評價”(IEEE Tr.on Medical Imaging PP304-312 Dec.1988)和Y.Li，W.Wang和D.Y.Yu的“自適應(yīng)直方圖均衡對于X射線胸片的應(yīng)用”編(Proc of the SPIEPP513-514 Vol.2321)，1994。
通常，由于這種直方圖均衡延伸了動態(tài)范圍，所以，產(chǎn)生的圖像密度的分布就被變得均勻，其結(jié)果，增強(qiáng)了圖像的對比度。
在某些情況下，廣為公知的直方圖均衡存在著缺陷，即由于直方圖均衡輸出的密度是均勻的，輸出的圖像的平均亮度接近灰度電平范圍的中間值。
實際對于一個模擬圖像的直方圖均衡來說，由于該直方圖均衡產(chǎn)生的輸出圖像的平均亮度就是灰度電平的中間值，而不論輸入圖像的平均亮度如何。很明顯，對于某些應(yīng)用來說，這種特性是不希望的。例如，在夜間拍攝的圖像經(jīng)過直方圖均衡之后看起來象是白天拍攝的圖像這一事實就是一個問題。
此外，由于傳統(tǒng)的直方圖均衡器要求對于每一個灰度電平的出現(xiàn)的次數(shù)都進(jìn)行存儲，故其硬件的造價是高的。例如，如果要使用256個灰度電平(L)，則要求有256個存儲裝置存儲所有電平出現(xiàn)的次數(shù)，而且還需要256個累加器用于累加每一個電平所出現(xiàn)的次數(shù)。
為了克服上述的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種用于增強(qiáng)圖像的方法，其中將輸入圖像信號的電平量化，并將其分成預(yù)定數(shù)目的子圖像且隨后將每一個子圖像獨立地進(jìn)行直方圖均衡，從而增強(qiáng)對比度。
本發(fā)明的另一個目的在于提供一種用于增強(qiáng)圖像的電路，其中將輸入圖像信號的電平量化，并將其分成預(yù)定數(shù)目的子圖像且隨后將每一個子圖像獨立地進(jìn)行直方圖均衡，從而減少硬件。
為了實現(xiàn)上述的第一個目的，提供了一種對被表示成預(yù)定數(shù)目灰度電平的圖像信號進(jìn)行直方圖均衡的圖像增強(qiáng)的方法，該方法包括如下的步驟(a)量化輸入圖像信號的電平并輸出已量化的輸入圖像信號；(b)以一個圖像單元量化該已量化的輸入圖像信號的平均值并輸出量化的平均值電平；(c)根據(jù)量化的平均值電平將該量化的輸入圖像信號分解成預(yù)定數(shù)目的量化的子圖像；(d)針對每一量化的子圖像獲得一個累加的密度函數(shù)值；(e)根據(jù)輸入的圖像信號和針對每一個量化的子圖像而獲得的該累加的密度函數(shù)值對每一個量化的子圖像的累加的密度函數(shù)值進(jìn)行內(nèi)插，并輸出針對每一個子圖像而獲得的已經(jīng)內(nèi)插的累加的密度函數(shù)值；和(f)根據(jù)針對每一個子圖像的已經(jīng)內(nèi)插的累加的密度函數(shù)值而獨立地對每一個子圖像執(zhí)行直方圖均衡。
為了實現(xiàn)上述的第二個目的，提供了一種對被表示成預(yù)定數(shù)目灰度電平的圖像信號進(jìn)行直方圖均衡的圖像增強(qiáng)的電路，該電路包括第一量化裝置，用于量化輸入圖像信號的電平并輸出已量化的輸入圖像信號；第一計算裝置，以一個圖像單元計算該已量化的輸入圖像信號的一個灰度電平的分布；第二計算裝置，以一個圖像單元計算輸入圖像信號的平均值電平；第二量化裝置，量化該平均值電平并輸出該量化的均值電平；第三計算裝置，根據(jù)量化的平均值電平，通過把在第一計算裝置中計算的灰度電平分布分解成預(yù)定數(shù)目的量化的子圖像，來計算針對每一個量化子圖像的累加的密度函數(shù)值；內(nèi)插裝置，根據(jù)輸入圖像信號和針對每一個量化的子圖像而獲得的該累加的密度函數(shù)值對每一個量化的子圖像的累加的密度函數(shù)值進(jìn)行內(nèi)插，并輸出針對每一個子圖像的一個內(nèi)插的累加密度函數(shù)值；變換裝置，根據(jù)針對每一個子圖像的該內(nèi)插的累加密度函數(shù)值將每一個子圖像的取樣變換成一個灰度電平；和，輸出裝置，根據(jù)量化的平均值電平和輸入的圖像信號的比較結(jié)果，針對每一個子圖像而輸出變換成灰度電平的取樣之一。
通過結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例的詳細(xì)描述，本發(fā)明的上述的目的和優(yōu)點將變得顯見。


圖1是一個實例的示意圖，示出根據(jù)本發(fā)明將L個電平的離散信號量化成Q個電平的離散信號；圖2是采用本發(fā)明中的內(nèi)插原理的示意圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于增強(qiáng)圖像的電路的框圖。
首先，描述本發(fā)明提供的量化的平均分離直方圖均衡的方法(MSHE)。
假設(shè)圖像{X}包括L個離散的灰度電平{X0、X1…XL-1}其中，X0＝0代表黑電平，而XL-1＝1代表一個白電平。
原始的離散輸入電平{X0、X1…XL-1}被量化成確定為{Z0、Z1…ZQ-1}的Q個離散電平。其中假設(shè)ZQ-1＝XL-1，Q≤L且{Z0、Z1…ZQ-1}∈{X0、X1…XL-1}。
本例中的L個電平離散信號被量化成示于圖1中的Q個電平離散信號。
Q[Xk]表示如下定義的量化操作。
Q[Xk]＝Zq，如果Zq-1＜Xk≤Zq假設(shè){Z}＝Q[{X}]和Zm＝Q[Xm]。其中Xm表示原始輸入圖像的平均電平，{Z}是量化的輸入圖像而Zm是量化的平均電平。根據(jù)Zm，量化的輸入圖像{Z}被分解成兩個子圖像{Z}L和{Z}U。在此階段，量化的子圖像{Z}L的全部取樣是等于或小于量化的平均電平Zm，而且量化的子圖像{Z}U的全部取樣是大于量化的平均電平Zm。
每一個子圖像{Z}L和{Z}U的量化的概率密度函數(shù)(PDF)可以表示成下列的等式(1)和(2)。
在此，PL(Zq)是量化的子圖像{Z}L的第q個灰度電平Zq的概率，而PU(Zq)是量化的子圖像{Z}U的第q個灰度電平Zq的概率Nq和Nq表示分別出現(xiàn)在量化子圖像{Z}L和{Z}U中的灰度電平Zq的次數(shù)，而NL和NU表示在量化的子圖像{Z}L和{Z}U中的象素的總數(shù)。
量化的子圖像{Z}L和{Z}U的每一個累加的密度函數(shù)(CDF)由下列的等式(3)和(4)所表示。
其中的CL(Zm)＝1和CU(Zq-1)＝1。
內(nèi)插的累加密度函數(shù)CL(Xk)和CU(Xk)可以利用線性內(nèi)插從CL(Zq)和CU(Zq)近似地計算出來。線性的內(nèi)插在圖2中示出。
假設(shè)Q(Xk)＝Zq≤Zm，Zq＝0和CL(Xk)是由下面的等式(5)內(nèi)插的。CL(Xk)=CL(Zq-1)+{CL(Zq)-CL(Zq-1)}Xk-Zq-1Zq-Zq-1·····(5)]]>相似地，假使Q(Xk)＝Zq＞Zm，CU(Xk)是由下面的等式(6)內(nèi)插的。CU(Xk)=CU(Zq-1)+{CU(Zq)-CU(Zq-1)}Xk-Zq-1Zq-Zq-1·······(6)]]>最終，以內(nèi)插的累加密度函數(shù)為基礎(chǔ)，所提出的關(guān)于輸入圖像(Xk)的平均分離直方圖均衡(MSHE)的輸出Y由下面的等式(7)給出。
此處的Zm′＝Zm+XL-1/(L-1)是在{X0、X1…XL-1}的Zm之后的下一個灰度電平。
隨后，參考附圖3描述利用這種量化的平均分離直方圖均衡(MSHE)的圖像增強(qiáng)電路。
圖3示出了利用這種量化的平均分離直方圖均衡(MSHE)的圖像增強(qiáng)電路。
參考圖3，第一個量化器102將L個離散電平的輸入圖像{X}量化成Q個離散電平，并將量化的輸入圖像{Z}輸出。
一個幀的直方圖計算器104以量化的輸入圖像信號{Z}的一個圖像為單元計算灰度電平的分布。其中的圖像單元可以是一個場，但在本實施例中是一個幀。
一個幀的平均值計算器106計算以幀為單元的輸入圖像{X}的平均電平Xm。
一個第二量化器108對輸入圖像{X}的平均電平Xm進(jìn)行量化，并輸出量化的平均電平Zm。
根據(jù)從量化器108輸出的量化的平均電平Zm，一個分解器110把由幀直方圖計算器104計算的量化的灰度電平分布分解成預(yù)定數(shù)目的量化子圖像{Z}L和{Z}U(在本例中是2)，并將該量化子圖像的每一個概率密度函數(shù)輸出。
在此的概率密度函數(shù)PL(Zq)和PU(Zq)是利用上述的等式(1)和(2)計算的。
其中的量化的子圖像{Z}L的每個取樣等于或小于平均電平Zm，而每一個量化的子圖像{Z}U的取樣是大于平均電平Zm。
一個第一累加密度函數(shù)(CDF)計算器112接收包括有等于或小于量化的平均電平Zm的量化圖象取樣的量化子圖像{Z}L的概率密度函數(shù)(PDF)，并利用等式(3)計算量化子圖像{Z}L的累加密度函數(shù)(CDF)。
一個第二累加密度函數(shù)(CDF)計算器114接收包括有大于量化的平均電平Zm的量化圖象取樣的量化子圖像{Z}U的概率密度函數(shù)(PDF)，并利用等式(4)計算量化子圖像{Z}U的累加密度函數(shù)(CDF)。
一個累加密度函數(shù)(CDF)存儲器116對在第一和第二累加的密度函數(shù)計算器114和116中根據(jù)以幀為單元的同步信號(SYNC)計算的量化的子圖像{Z}L和{Z}U的累加的密度函數(shù)CL(Zq)和CU(Zq)進(jìn)行刷新，并在該刷新期間，將事先存儲的累加的密度函數(shù)(CDF)提供到第一和第二內(nèi)插器118和122。
在此，如果圖像單元是場，則同步信號就是一個場同步信號，而如果是幀，同步信號就是一個幀同步信號。而且，累加的密度函數(shù)(CDF)存儲器被用作一個緩存器。
該第一內(nèi)插器118接收量化的子圖像{Z}L的累加密度函數(shù)(CDF)和輸入的取樣Xk，并將利用等式(5)線性內(nèi)插的累加的密度函數(shù)CL(Xk)輸出。
第一變換器120接收內(nèi)插的累加密度函數(shù)CL(Xk)，輸入的取樣Xk和量化的平均電平Zm，并根據(jù)該內(nèi)插的累加的密度函數(shù)CL(Xk)將具有等于或小于該量化的平均電平Zm的子圖像{Z}L的取樣變換成從0到Zm的灰度電平。
第二內(nèi)插器122接收量化的子圖像{Z}U的累加密度函數(shù)(CDF)和輸入的取樣Xk，并輸出利用等式(6)線性內(nèi)插的累加密度函數(shù)CU(Xk)。
第二變換器124接收內(nèi)插的累加密度函數(shù)CU(Xk)，輸入的取樣Xk和量化的平均電平Zm，并根據(jù)該內(nèi)插的累加的密度函數(shù)CU(Xk)將具有大于該量化的平均電平Zm的子圖像{Z}U的取樣變換成從Zm′到XL-1的灰度電平。其中的Zm′＝Zm+XL-1/(L-1)。
同時，被加到第一和第二內(nèi)插器118和122的輸入的取樣Xk是將要由累加的密度函數(shù)CL(Zq)和CU(Zq)來進(jìn)行比較和由第一和第二CDF計算器112和116來進(jìn)行計算的下一個幀的圖像信號。
因此，加到第一和第二內(nèi)插器118和112的輸入取樣能夠在一幀的延遲之后加入。但是通過利用相鄰幀之間的高相關(guān)性的特征，將減少硬件，以便省去幀存儲器。
比較器126將輸入的取樣Xk與從第二量化器108輸出的量化的平均電平Zm相比較，并輸出一個選擇控制信號，如果輸入的取樣是等于或小于量化平均電平Zm，則選擇第一變換器120的輸出，否則選擇第二變換器124的輸出。
作為量化信號Y的選擇輸出是由等式(7)表示的。
量化的信號Y增強(qiáng)了圖像的對比度并保持了整個圖像的亮度。
在如廣播設(shè)備、雷達(dá)信號處理系統(tǒng)、家用電子設(shè)施和醫(yī)療工程領(lǐng)域中，在圖像的增強(qiáng)方面，本發(fā)明有廣泛的應(yīng)用。
如上所述，本發(fā)明的方法有效地改善了在傳統(tǒng)的直方圖均衡中產(chǎn)生的人為的失真和亮度的突變，從而增強(qiáng)了圖像的對比度并保持了整個圖像的亮度。
而且，通過量化輸入的圖像信號、將輸入的圖像信號分解成預(yù)定數(shù)目的子圖像，本發(fā)明的電路只存儲和累加量化電平的次數(shù)，且獨立的對每一個子圖像進(jìn)行直方圖均衡。結(jié)果是，電路的硬件被簡化且制造成本降低。
權(quán)利要求
1.一種對被表示成預(yù)定數(shù)目灰度電平的圖像信號進(jìn)行直方圖均衡的增強(qiáng)圖像方法，該方法包括如下的步驟(a)量化輸入圖像信號的電平并輸出已量化的輸入圖像信號；(b)以一個圖像單元量化該已量化的輸入圖像信號平均值并輸出量化的平均值電平；(c)根據(jù)量化平均值電平將該量化的輸入圖像信號分解成預(yù)定數(shù)目的量化的子圖像；(d)針對每一個量化的子圖像獲得一個累加的密度函數(shù)值；(e)根據(jù)輸入的圖像信號和針對每一個量化的子圖像而獲得的該累加的密度函數(shù)值對每一個量化的子圖像的累加的密度函數(shù)值進(jìn)行內(nèi)插，并輸出針對每一個子圖像而獲得的已經(jīng)內(nèi)插的累加的密度函數(shù)值；和(f)根據(jù)針對每一個子圖像的已經(jīng)內(nèi)插的累加的密度函數(shù)值而獨立地對每一個子圖像執(zhí)行直方圖均衡。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的增強(qiáng)圖像的方法，其中，所說的步驟(f)包括子步驟(f1)根據(jù)針對每一個子圖像的內(nèi)插的累加密度函數(shù)值將分別的子圖像的取樣變換成一個灰度電平；(f2)將輸入的圖像信號與所說的量化的平均電平相比較；和(f3)根據(jù)步驟(f2)的比較結(jié)果，選擇針對每一個子圖像而被變換成灰度電平的信號之一。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的增強(qiáng)圖像的方法，其中，所說的步驟(C)中，所說的輸入圖像信號根據(jù)該量化的平均電平被分解成兩個子圖像。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的增強(qiáng)圖像的方法，其中，所說的步驟(e)中的所說內(nèi)插是線性的。
5.一種對被表示成預(yù)定數(shù)目灰度電平的圖像信號進(jìn)行直方圖均衡的增強(qiáng)圖像方法，該方法包括如下的步驟(a)量化輸入圖像信號的電平并輸出已量化的輸入圖像信號；(b)以圖像為單元計算已經(jīng)量化的輸入圖像信號的灰度電平的分布；(c)以一個圖像單元量化該輸入圖像信號的平均值并輸出量化的平均值電平；(d)根據(jù)量化平均值電平將該灰度電平分布分解成預(yù)定數(shù)目的量化的子圖像；(e)根據(jù)該灰度電平分布，針對在步驟(d)中的每一個量化的子圖像獲得一個累加的密度函數(shù)值；(f)根據(jù)輸入的圖像信號和針對每一個量化的子圖像而獲得的該累加的密度函數(shù)值對每一個量化的子圖像的累加的密度函數(shù)值進(jìn)行內(nèi)插，并輸出針對每一個子圖像而獲得的已經(jīng)內(nèi)插的累加的密度函數(shù)值；和(g)根據(jù)針對每一個子圖像的已經(jīng)內(nèi)插的累加的密度函數(shù)值而獨立地對每一個子圖像執(zhí)行直方圖均衡，并輸出一個增強(qiáng)的信號。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的增強(qiáng)圖像的方法，其中，所說的步驟(g)包括子步驟(g1)根據(jù)針對每一個子圖像的內(nèi)插的累加密度函數(shù)值將分別的子圖像的取樣變換成一個灰度電平；(g2)將輸入的圖像信號與所說的量化的平均電平相比較；和(g3)根據(jù)步驟(g2)的比較結(jié)果，選擇針對每一個子圖像而被變換成灰度電平的信號之一。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的增強(qiáng)圖像的方法，其中，所說的步驟(d)中，所說的灰度電平分布被根據(jù)該量化的平均電平而分解成兩個量化的子圖像。
8.根據(jù)權(quán)利要求5的增強(qiáng)圖像的方法，其中，所說的步驟(f)中的所說內(nèi)插是線性的。
9.一種對被表示成預(yù)定數(shù)目灰度電平的圖像信號進(jìn)行直方圖均衡的增強(qiáng)圖像的電路，該電路包括第一量化裝置，用于量化輸入圖像信號的電平并輸出已量化的輸入圖像信號；第一計算裝置，用于以一個圖像單元計算該已量化的輸入圖像信號的一個灰度電平的分布；第二計算裝置，用于以一個圖像單元計算輸入圖像信號的平均值電平；第二量化裝置，用于量化該平均值電平并輸出該量化的平均值電平；第三計算裝置，根據(jù)量化的平均值電平，通過把在第一計算裝置中計算的灰度電平分布分解成預(yù)定數(shù)目的量化的子圖像，來計算針對每一個量化子圖像的累加的密度函數(shù)值；內(nèi)插裝置，根據(jù)輸入圖像信號和針對每一個量化的子圖像而獲得的該累加的密度函數(shù)值對每一個量化的子圖像的累加的密度函數(shù)值進(jìn)行內(nèi)插，并輸出針對每一個子圖像的一個內(nèi)插的累加密度函數(shù)值；變換裝置，根據(jù)針對每一個子圖像的該內(nèi)插的累加密度函數(shù)值將每一個子圖像的取樣變換成一個灰度電平；和輸出裝置，根據(jù)量化的平均值電平和輸入的圖像信號的比較結(jié)果，針對每一個子圖像而輸出變換成灰度電平的取樣之一。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的增強(qiáng)圖像的電路，其中，所說的輸出裝置包括比較器，用于將所說的量化平均電平與所說的輸入圖像信號相比較，并輸出一個選擇控制信號；和選擇器，根據(jù)該選擇控制信號，用于選擇針對每一個子圖像而變換成灰度電平的取樣之一。
11.根據(jù)權(quán)利要求9的增強(qiáng)圖像的電路，其中，所說的第三計算裝置包括一個緩沖器，其以一個圖像單元而針對每一個量化的子圖像來刷新累加的密度函數(shù)值，并在該刷新期間，將預(yù)先存儲的累加的密度函數(shù)值提供到所說的內(nèi)插裝置。
12.根據(jù)權(quán)利要求9的增強(qiáng)圖像的電路，其中，還包括一個圖像存儲器，用于以一個圖像單元延遲所說的輸入圖像信號，以便將同一圖像的圖像信號輸入到所說的內(nèi)插裝置，其中所說的累加密度函數(shù)值是在所說的第三計算裝置中計算的。
13.根據(jù)權(quán)利要求9的增強(qiáng)圖像的電路，其中，所說的圖像單元是一幀，且所說的預(yù)定的數(shù)目是2。
14.根據(jù)權(quán)利要求9的增強(qiáng)圖像的電路，其中，所說的內(nèi)插是線性的。
全文摘要
一種用于增強(qiáng)圖像的直方圖均衡的方法，包括步驟量化輸入圖像信號的電平；以一個圖像單元量化已量化的輸入圖像信號的平均值電平；根據(jù)量化的平均值電平將該量化的輸入圖像信號分解成預(yù)定數(shù)目的量化的子圖像；針對每一量化的子圖像計算一個累加的密度函數(shù)值；根據(jù)輸入的圖像信號和每一個量化的子圖像的累加的密度函數(shù)值對每一個量化的子圖像的累加的密度函數(shù)值進(jìn)行內(nèi)插；和根據(jù)針對每一個子圖像的已經(jīng)內(nèi)插的累加的密度函數(shù)值而獨立地對每一個子圖像執(zhí)行直方圖均衡。
文檔編號G06T5/00GK1164803SQ97102590
公開日1997年11月12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 申請人:三星電子株式會社