CN1193399A

CN1193399A - 运动图像对比度增强的直方图均衡装置及其方法

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Publication number: CN1193399A
Application number: CN97190490A
Authority: CN
Inventors: 朴永�
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 1996-06-20
Filing date: 1997-06-17
Publication date: 1998-09-16
Anticipated expiration: 2017-06-17
Also published as: US6259472B1; GB2321817A; JP3046079B2; KR100189922B1; CN1093669C; GB9800222D0; JPH10510939A; GB2321817B; WO1997049064A1; KR980007494A; DE19780478T1

Abstract

一种运动图像对比度增强的直方图均衡装置,包括:CDF计算器,以帧为单位对输入图像从灰度级的最小值到最大值或小于最大值计算一个灰度级的像素数目,以计算每个灰度级的累积分布函数(CDF)值;查找表,根据每个灰度级的CDF值,以帧为单位,更新对应于输入运动图像的每个灰度级的直方图均衡过的灰度级,并根据输入运动图像的一个灰度级输出相应的直方图均衡过的灰度级。因此,该直方图均衡装置能以简单的硬件对运动图像进行实时直方图均衡,而不使用帧存贮器、概率密度函数(PDF)计算器和用于累积分布函数(CDF)计算的除法器。

Description

运动图像对比度增强的直方图均衡装置及其方法

本发明涉及运动图像对比度增强的直方图均衡装置及其方法，特别涉及具有简单硬件的直方图均衡装置及其方法。

灰度级直方图提供一幅图像外貌的完整描述。合理控制给定图像的灰度级能增强该图像的外貌或对比度。

在对比度增强方法中，直方图均衡使用最广泛，且众所周知。根据图像的样本分布来增强给定图像的对比度的方法公开在下列参考文献中：[1]J.S.Lim，“二维信号和图像处理”，Prentice Hall，Englewood Cliffs，New Jersey，1990，[2]R.C.Gonzalez和P.Wints，“数字图像处理”，Addison-Wesley，Reading，Massachusetts，1977。

通常，因直方图均衡(所谓的“分布均衡”)有扩展动态范围的效果，故直方图均衡使结果图像的灰度级分布变得平坦，从而增强图像的对比度。

特别是在医学工程领域中，直方图均衡作为使采集的不清晰的图像像素间的对比度更清晰的方法，在图像识别方面是非常重要的。

这里简述一种典型的直方图均衡方法。

已知图像{X}由L个离散灰度级(X₀，X₁，...，X_L-1}组成。这里，X₀=0代表黑色电平，而X_L-1代表白色电平。

概率密度函数(PDF)用下式(1)定义：

p (X_{k}) = \frac{n_{k}}{n}, for k = 0,1, . . ., L 1 - - - - (1)

式中，n_k表示图像(X)中灰度级{X_k}的频率，n代表图像{x}中的总样本(像素)数。此外，累积分布函数(CDF)用下式(2)定义。

c (X_{k}) = Σ_{j - 0}^{k} p (X_{j}) - - - (2)

根据CDF，对于给定图像的输入样本(X_k)，典型直方图均衡的输出(Y)利用下述公式(3)得到。

Y＝c(X_k)X_L-1 …(3)

以下参照图1到图3，详细描述直方图均衡方法。

图1示出了一幅具体图像的PDF的例子。即，输入亮度为0～255灰度级的亮度信号，然后计算每个灰度级的像素数目，将该结果除以像素总数，所得结果如图1所示。

图2所示是根据图1的PDF所得到的CDF曲线。例如，在P点对应于灰度级“100”的CDF的值是0.875，这说明对应于灰度级100或小于100的像素数目占输入图像的87.5％。

图3所示为根据图2所示的CDF经直方图均衡后的图像的PDF。即，对输入像素Y_IN进行直方图均衡后的输出信号(Y)的灰度级由下述公式(4)映射为一灰度级。

Y＝对应于Y_IN的CDF值×最大灰度级(X_L-1) …(4)

例如，具有灰度级“100”的输入像素经直方图均衡后的输出灰度级被映射为灰度级224(≈0.875×255)。

如果输入图像信号是模拟信号，则在整个区间上新的PDF为具有约0.004(＝1/256)量级的一条直线(均匀分布曲线)，如图3中的Q。然而，若输入图像是数字信号，则直方图均衡的结果为一量化的灰度级，并得到图3的结果。即，假设当输入灰度级是“51”时，根据图2的CDF值(0.37)得到的输出灰度级被映射为约“95”，而当输入灰度级是“52”时，根据图2的CDF值(0.47)得到的输出灰度级被映射为约“120”，则具有灰度级在“51”和“52”之间的输入图像信号的输出灰度级应被映射为约95和120之间。然而，若进行量化，则“51”和“52”之间的灰度级不存在，从而不能得到均匀分布曲线。

因此，从图1和图3可以看出，集中在灰度级“50”和“100”之间的输入图像的亮度级被映射为具有10和200之间灰度级的扩展亮度级，所以增强了对比度。

然而，上述直方图均衡方法仅被应用于静止图像，以改善静止图像的图像识别能力和对比度，这是由于获取PDF和CDF值所需的处理时间及其硬件等问题，若应用到运动图像，则需要存贮一帧图像的帧存贮器和需要很多硬件的除法电路以进行实时处理。

为了解决上述问题，本发明的一个目的就是提供一种使用简单硬件的运动图像对比度增强的直方图均衡装置。

本发明的另一个目的是提供一种通过对运动图像、如TV或VCR视频信号进行实时直方图均衡来增强对比度的方法。

为了实现第一个目的，提供一种用预定数目的灰度级表示的运动图像的对比度增强的直方图均衡装置。在此直方图均衡装置中，一计算器以帧为单位，对输入图像，从灰度级的最小值到最大值或小于最大值，计算具有一个灰度级的像素的数目，以计算每一灰度的累积分布函数(CDF)值，一存贮器根据每一灰度级的CDF值，以帧为单位，更新对应于输入运动图像每一灰度级的直方图均衡过的灰度级，且根据输入运动图像的灰度级输出相应的直方图均衡过的灰度级。

为实现第二个目的，提供一种用预定数目的灰度级表示的运动图像的对比度增强的直方图均衡方法，包括以下步骤：(a)以帧为单位，对输入运动图像，从灰度级的最小值到最大值或小于最大值，计算具有一个灰度级的像素的数目，以输出每个灰度级的CDF值；(b)用最大灰度级乘以对应于输入运动图像的该灰度级的CDF值，以输出直方图均衡过的灰度级。

以下结合附图说明本发明的优选实施例，其中：

图1为一具体图像的概率密度函数(PDF)的例图。

图2为根据图1的PDF得到的累积分布函数(CDF)的曲线图。

图3为根据图2的CDF直方图均衡过的图像的PDF图。

图4为运动图像对比度增强的传统直方图均衡装置的电路图。

图5为图4的PDF计算器和CDF计算器的详细电路图。

图6A为一帧NTSC图像的简图，图6B是图4中所示电路的时序图。

图7为根据本发明一优选实施例的运动图像对比度增强的直方图均衡装置的框图。

图8为图7的CDF计算器的详细电路图。

图9为图8的累加器的详细电路图。

图10为用于本发明的一帧NTSC图像中的一个CDF计算区域的简图。

在描述本发明的实施例之前，参照图4到图6B描述运动图像对比度增强的传统直方图均衡装置。

图4的传统直方图均衡装置包括：概率密度函数(PDF)计算器110、累积分布函数(CDF)计算器120、查找表130、和帧存贮器140。

在图4中，若输入经过A/D转换的8比特信号，则PDF计算器110通过在一帧有效画面区域(在NTSC制中为720个像素×480行)计算具有0到255间的一个灰度级的输入像素的数目，以计算PDF。

CDF计算器120根据计算出的PDF计算CDF，并包括多个加法器和多个除法器。

图5是图4的PDF计算器110和CDF计算器120的详图。

在图5中，PDF计算器110的每个比较器112.1～112.256将输入像素与最小值“0”到最大值“255”的每个灰度级作比较。

例如，比较器112.1将输入像素与灰度级“0”比较，如果输入像素等于此灰度级则输出“高(1)”信号，并在累加器114.1中累加此输出。比较器112.2把输入像素同灰度级“1”作比较，如果输入像素等于灰度级“1”，则输出“高(1)”信号，并在累加器114.2中累加此输出。上述比较和累加由每个比较器和累加器重复。最后，比较器112.256将输入像素同灰度级“255”作比较，如果输入像素等于灰度级“255”，则输出“高(1)”信号，并在累加器114.256中累加此输出。

因此，在输入帧图像的有效画面区域，从“0”到“255”的每个灰度级的输入像素的计数数目，也即一帧图像的每个灰度级上像素的存在概率，在每个累加器114.1～114.256中被累加，这样每个累加器114.1～114.256的输出乘以总像素数目就成了PDF。

另一方面，CDF计算器120的每个加法器122.1～122.255分别输出对应于每帧从具有灰度级“1”或小于“1”直到具有灰度级“255”或小于“255”的像素的数目的值。

例如，加法器122.1把累加器114.1的输出和累加器114.2的输出相加，输出“0”和“1”之间的灰度级的乘积(PDF×总像素数目)之和。同样，加法器122.254将累加器114.255的输出和加法器122.253的输出相加，这对应于“0”到“254”之间的灰度级的乘积(PDF×总像素数目)之和。加法器122.255将累加器114.256的输出与加法器122.254的输出相加，这对应于“0”到“255”之间的灰度级的乘积(PDF×总像素数目)之和。灰度级“0”到“255”的CDF值从每个除法器124.1～124.256输出。

例如，除法器124.1用总像素数目n除累加器114.1输出的具有灰度级“0”的像素的数目，除法器124.2用总像素数目n除加法器122.1输出的每帧具有灰度级“1”或小于“1”的像素的数目，除法器124.256用总像素数目n除加法器124.255输出的每帧具有灰度级“255”或小于“255”的像素的数目。

结果，将每个除法器124.1～124.255输出的一帧的新CDF，即对应于输入灰度级的CDF，乘以最大灰度级“255”，所得的值存贮在图4的查找表130中。

图6A给出了大小为858个像素×525行的NTSC CCIR 601的NTSC模式中的标准图像格式。在该帧图像格式中，用在PDF计算器110和CDF计算器120中的有效画面区域，大小为720个像素×480行，故其总像素数目n等于720×480。

另一方面，根据图4所示的查找表130中的帧同步信号(FRAMESYNC)，更新CDF计算器120计算出的新帧的CDF值的时段对应于图6B的“d”。这里，时段“d”是真实图像信号的垂直消隐时段，它不在屏幕上显示。这样，即使存贮在查找表130中的值用新帧的CDF值在时段“d”更新，此帧也不受影响。图6B中时段“a”和“b”是PDF和CDF计算的采样时段和同步直方图均衡时段，时段“c”是无操作时段。这里，输入到查找表130的帧同步信号FRAME SYNC是表示第一场垂直消隐时段“d”的控制信号。

对应于帧存贮器140输出的输入像素的灰度级的CDF值，乘以最大灰度级所得到的值从查找表130输出，该查找表130存贮有已更新的CDF值乘以最大灰度级所得到的值。

这里，为了对PDF计算器110和CDF计算器120统计处理过的帧数据进行直方图均衡，输入图像信号由帧存贮器140延时一帧。

然而，考虑到运动图像的特性，前帧与当前帧之间的相关性应在0.95以上，这样，即使在前帧中所获得的CDF原封不动地应用到当前帧而不使用需要很多硬件的帧存贮器，执行直方图均衡也不会有问题。

若帧突然变化，则不进行直方图均衡。然而，从实验中可以看到，由于人眼的残留图像效应，约一帧(1/30秒)的图像失真不会被察觉到。

因此，本发明提出了具有简单硬件的直方图均衡装置，其中，直接从输入像素计算CDF而不计算PDF，使得帧存贮器、PDF计算器和需要很多硬件的CDF计算器的除法器可被省略掉。

图7是根据本发明的优选实施例的运动图像对比度增强的直方图均衡装置的电路图。

本发明的直方均衡装置包括CDF计算器210和查找表220。

在图7中，CDF计算器对于每一灰度级＝0、灰度级≤1、...、灰度级≤128、...、和灰度级≤255，从输入图像信号中直接计算CDF值。

CDF计算器210的详细电路图如图8所示。

在图8中，每个比较器212.1～212.256将输入像素与从“0”到“255”的相应灰度级作比较。即，若输入像素为灰度级“255”或小于“255”，则比较器212.256输出信号“1”，若输入像素为灰度级“254”或小于254，则比较器212.255输出信号“1”，若输入像素为灰度级“0”，则比较器212.1输出信号“1”。

每当时钟信号(CLK)输入时，如果每个比较器212.1～212.256输入到每个使能端口ENA的输出等于“1”，则每个累加器214.1～214.256就增加1，并在帧同步信号(FRAME SYNC)输入到每个保持和清除端口、以将累加值清“0”时，输出当前的累加值。

在“与”门216中，系统时钟信号(SYS CLK)和表示CDF计算区域的区域控制信号(AREA)进行“与”操作，得到输入到每个累加器214.1～214.256的时钟信号(CLK)。

例如，累加器214.256的输出信号表示每帧具有灰度级“255”或小于“255”的像素的数目，累加器214.255的输出信号表示每帧具有灰度级“254”或小于“254”的像素的数目，累加器214.1的输出信号表示每帧具有灰度级“0”的像素数目。

每个累加器214.1～214.256的详细结构如图9所示。这里，作为一个例子将描述累加器214.256的结构。

如图9中所示，加法器241将作为使能信号ENA输入的比较器212.256的输出“1”和反馈信号相加，相加后的信号经“与”门242锁存到第一锁存器244。经“非”门243输入的帧同步信号(FRAME SYNC)对“与”门242清零。

在“或”门245中，经帧同步信号(FRAME SYNC)和时钟信号(CLK)的“或”操作所获得的信号，输入到第一锁存器244的时钟端口，每当“或”门245的输出等于“1”时，第一锁存器244将锁存输出作为反馈信号反馈到加法器241，并同时将该锁存输出输出到第二锁存器246。

第二锁存器246在其时钟端口接收帧同步信号(FRAME SYNC)作为保持信号，并输出通过保持第一锁存器245的输出所得到的值，即根据帧同步信号RFAME SYNC，在CDF计算区域内每帧具有灰度级“255”或小于“255”的像素的数目。

这里，在用于本发明的CDF计算区域中，图10的NTSC CCIR 601的NTSC标准图像(858个像素×525行)的720个像素×480行有效像素内，每场仅640个像素×204.8行用作直方图均衡的CDF计算区域。

此外，如果每帧仅使用2¹⁸(640×204.8×2)个像素，即，令总像素数目n为2^m(m为整数)来计算CDF，则图5中所示的CDF计算器120的除法器124.1～124.256就不需要了。因难以设计除法器的逻辑，若省掉了除法器，则电路的设计就简化了。

在图5中，720个像素×480行的整幅图像被用作CDF计算区域，所以，总像素数目n等于720×480。即，总像素数目不能用2^m来表示，这样，具有复杂设计的除法器是必需的。

然而，为了使用本发明的CDF计算器计算每个灰度级的CDF值，累加器214.1～214.256的所有输出，即从每帧具有灰度级“0”的像素的数目到每帧具有灰度级“255”或小于“255”的像素的数目，均应分别除以总像素的数目。但是，除以2^m的总像素数目n的真实意义就是移位，从而，除法器就不需要了。

因此，对CDF计算器210的所有输出，即每帧从具有灰度级“0”的像素的数目到具有灰度级“255”或小于“255”的像素的数目，根据基2的幂的数目移位的值，分别乘以最大灰度级，结果存贮在图7的查找表220中。

这里，如参照图6B所述，根据帧同步信号(FRAME SYNC)更新查找表220的新帧的CDF值的时段，对应于第一场的垂直消隐时段“d”。因此，对应于输入像素的均衡输出可通过选择对应于输入像素的存贮在查找表中的值得到。

本发明能应用到比图7的CDF计算器210结构更简单的电路中，根据具有该简单结构的电路，计算量化的灰度级的各CDF，而不是从最小到最大计算每个灰度级的CDF，再内插所得到的量化的灰度级的各CDF，然后输出结果。

如上所述，在本发明的直方图均衡装置中，帧存贮器、PDF计算器和用于CDF计算的除法器被省掉，使得原来使用程序操作、仅能用于静止图像的直方图均衡功能，现在能够以简单结构被应用到运动图像的实时处理中。

Claims

1.一种由预定数目的灰度级表示的运动图像的直方图均衡装置，包括：

计算器，对一个屏幕单位内的输入图像，从灰度级的最小值到最大值或小于最大值，计算具有一个灰度级的像素的数目，以计算每个灰度级的累积分布函数值；和

存贮器，根据每个灰度级的CDF值，更新对应于一个屏幕单位内的输入运动图像的每一灰度级的直方图均衡过的灰度级，并根据输入运动图像的一个灰度级输出相应直方图均衡过的灰度级。

2.根据权利要求1所述的直方图均衡装置，其中所述屏幕单位是帧。

3.根据权利要求1所述的直方图均衡装置，其中所述计算器包括：

多个比较器，将输入运动图像的灰度级与每个灰度级作比较；和

多个累加器，累加所述多个比较器的每个输出，以输出每一屏幕单位从最小值到最大值或小于最大值的各个灰度级的CDF值。

4.根据权利要求3所述的直方图均衡装置，其中每个累加器每当输入一个时钟信号时就累加每个比较器的输出，并根据帧同步信号输出累加值，同时清除所述累加值。

5.根据权利要求4所述的直方图均衡装置，其中所述时钟信号是根据系统时钟信号和表示CDF计算区域的区域控制信号产生的。

6.根据权利要求5所述的直方图均衡装置，其中CDF计算区域的总像素数目等于2^m，此处m为整数。

7.根据权利要求1所述的直方图均衡装置，其中所述输入图像是根据前一图像的CDF值被直方图均衡的。

8.根据权利要求1所述的直方图均衡装置，其中存贮在所述存贮器中的所述CDF值，按照帧同步信号，根据所述计算器计算出的一帧的CDF值被更新。

9.根据权利要求8所述的直方图均衡装置，其中所述帧同步信号是表示所述帧的垂直消隐期间的控制信号。

10.根据权利要求1所述的直方图均衡装置，其中存贮在所述存贮器中的所述直方图均衡过的灰度级，是通过所述计算器计算出的每个灰度级的CDF值与最大灰度级相乘得到的。

11.根据权利要求6所述的直方图均衡装置，其中通过从灰度级的最小值到最大值或小于最大值对每个灰度级的数值作对应于基2的幂的数目(m)次移位，然后，将每个移位结果与最大灰度级相乘，得到存贮在所述存贮器中的所述直方图均衡过的灰度级。

12.一种由预定数目的灰度级表示的运动图像的直方图均衡方法，包括以下步骤：

(a)对一个屏幕单位中的输入运动图像，从灰度级的最小值到最大值或小于最大值，计算具有一个灰度级的像素的数目，以输出每个灰度级的CDF值；和

(b)将对应于输入运动图像灰度级的CDF值与最大灰度级相乘，以输出直方图均衡过的灰度级。

13.根据权利要求12所述的直方图均衡方法，其中CDF计算区域的总像素数目等于2^m，此处，m为整数。

14.根据权利要求12所述的直方图均衡方法，其中步骤(a)包括以下子步骤：

(a1)将输入图像的灰度级与最小值到最大值或小于最大值的各个灰度级作比较；和

(a2)累加一个屏幕单位中的步骤(a1)的比较结果，从灰度级的最小值到最大值或小于最大值，输出每屏具有一个灰度级的像素的数目的所有数值。

15.根据权利要求12所述的直方图均衡方法，其中所述屏幕单位为帧。

16.根据权利要求12所述的直方图均衡方法，其中所述输入图像是根据前一图像的CDF值被直方图均衡的。

17.根据权利要求13所述的直方图均衡方法，其中从灰度级的最小值到最大值或小于最大值，对各个灰度级的值作相应于基2的幂的数目(m)次移位，然后将每个移位结果乘以最大灰度级，得到步骤(b)的直方图均衡过的灰度级。