DE69812800T2

DE69812800T2 - Verfahren und Gerät zur Bildverbesserung

Info

Publication number: DE69812800T2
Application number: DE69812800T
Authority: DE
Inventors: Daniel R. Tretter
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 1997-08-12
Filing date: 1998-07-31
Publication date: 2004-02-12
Anticipated expiration: 2018-08-01
Also published as: US5867606A; JPH11150669A; EP0898244B1; DE69812800D1; EP0898244A2; EP0898244A3

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Bildverbesserung. Insbesondere bezieht sich diese Erfindung auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen des geeigneten Schärfungsbetrags für ein Bild.
Wie bekannt ist, verbessert eine Bildschärfung das Erscheinungsbild eines digitalen Bildes. Unter Verwendung dieser Technik kann veranlaßt werden, daß ein Bild schärfer erscheint, durch Erhöhen der Hochfrequenzkomponenten des Bildes, um Kanten und Texturen des Bildes zu betonen. Es bestehen allgemein zwei unterschiedliche Lösungsansätze für eine Bildschärfung, die üblicherweise als globales Schärfen und adaptives Schärfen bezeichnet werden. Der Lösungsansatz des globalen Schärfens wendet üblicherweise denselben Schärfungsbetrag über das gesamte Bild an, üblicherweise unter Verwendung eines linearen oder nicht-linearen Filters. Der Lösungsansatz des adaptiven Schärfens wendet üblicherweise unterschiedliche Schärfungsbeträge an unterschiedliche Bildregionen des Bildes an. Der Betrag des Schärfens für eine Bildregion basiert auf den Bildeigenschaften in dieser Region.
Es besteht eine Anzahl von bekannten adaptiven Schärfungsverfahren. Bei bestimmten derselben wird das Schärfungsfilter aus einem Satz von direktionalen Schärfungsfiltern auf einer Pixel-Für-Pixel- oder einer Region-Für-Region-Basis gemäß lokalen Bilddatencharakteristika ausgewählt. Bei anderen wird das Schärfungsfilter basierend auf der Ausgabe eines Kantendetektors adaptiv angepaßt, der lokale Raummerkmale in dem Bild betrachtet. Wiederum andere schlagen das Anwenden einer Einzelwertzersetzung an Blöcken von Bilddaten vor und modifizieren die Einzelwerte, um die Bildschärfe zu verbessern. Der Lösungsansatz des adaptiven Schärfens ist üblicherweise komplexer als der Lösungsansatz des globalen Schärfens. Dies liegt an der Tatsache, daß das adaptive Schärfen den Betrag der Schärfung über das Bild adaptiv einstellt.
Eine typische Implementierung des Lösungsansatzes der globalen Schärfung erzeugt zuerst eine verschwommene Version des Originalbildes, das geschärft werden soll. Das verschwommene Bild wird dann von dem ungeschärften Originalbild abgezogen, um die Hochfrequenzkomponenten des Originalbildes zu isolieren. Diese Hochfrequenzkomponenten des Originalbildes werden dann gewichtet und zurück zu dem Originalbild addiert, um ein geschärftes Bild S zu erzeugen. Das geschärfte Bild S kann daher als eine Funktion des Originalbildes I und eines verschwommenen Bildes B gemäß der folgenden Gleichung beschrieben werden
S = I + λ(I – B)
wobei λ ein skalarer Parameter ist.
Die oben genannte Schärfungsoperation wird üblicherweise durch ein lineares Filter implementiert, wie z. B. ein Unschärfe-Maskierungsfilter. Der skalare Parameter λ wird in dem Filter verwendet, um die Hochfrequenzkomponenten zu gewichten. Wie aus der Gleichung ersichtlich ist, gilt je größer der Wert des skalaren Parameters λ, desto schärfer wird das geschärfte Bild.
Die Bestimmung des skalaren Parameters λ ist der Schlüssel zu der globalen Bildschärfung. Wenn der skalare Parameter λ übermäßig hoch ist, kann das Bild überschärft werden. Wenn dies auftritt, wird das Bild ein rauschbehaftetes Bild, das viele scharfe Kanten aufweist. Wenn der skalare Parameter λ unerwünscht niedrig ist, kann das Bild unterschärft sein. Wenn dies auftritt, ist das geschärfte Bild weiterhin ein verschwommenes Bild, das ein weiteres Schärfen erfordert.
Bekannte Vorschläge wurden gemacht, um den geeigneten Wert des skalaren Parameters λ zu bestimmen, um den angemessenen Betrag der Schärfung entweder basierend auf Aspekten des Originalbildes oder der gewünschten Verwendung des Bildes zu bestimmen. Ein solcher Vorschlag wählt den Parameterwert basierend auf den lokalen Kontrastwerten der Bildpixel derart aus, daß der maximale lokale Kontrastwert des geschärften Bildes ein vorbestimmtes Ziel erfüllt und alle anderen lokalen Kontrastwerte zu einem gewissen Ausmaß proportional zu demselben sind.
Nachteile sind jedoch einer solchen bekannten Technik zugeordnet. Ein Nachteil ist, daß dieselbe eine nicht-lineare Berechnung an jeder Pixelposition erfordert. Dies umfaßt üblicherweise einen großen Betrag von nicht-standardmäßiger Berechnung, die eine zweckgebundene Hardware erfordert. Ein anderer Nachteil ist, daß dieselbe rauschanfällig ist. Der Grund dafür ist, daß die Technik den maximalen lokalen Kontrast auf einen vorbestimmten Zielwert erhöht.
Die US-A-5 524 162 offenbart eine weitere Möglichkeit für die Bestimmung des Schärfungsparameters, der aus der maximalen Raumfrequenz des Eingangsbildes hergeleitet wird.
Ein Merkmal der vorliegenden Erfindung ist es, zu ermöglichen, daß ein Bild angemessen verbessert wird.
Ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung ist es, den geeigneten Schärfungsbetrag für ein Bild derart zu bestimmen, daß das Bild angemessen geschärft werden kann.
Ein wiederum anderes Merkmal der vorliegenden Erfindung ist das Verwenden eines expliziten Modells der Frequenzverteilung eines Originalbildes, um den Schärfungsbetrag des Originalbildes zu steuern.
Ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung ist es, ein Originalbild derart zu schärfen, daß die Frequenzverteilung des Originalbildes nach dem Schärfen ähnlich zu der einer Niedrigauflösungsversion des Originalbildes ist.
Eine Bildverbesserungsvorrichtung ist beschrieben, die ein Filter umfaßt. Das Filter verbessert die Schärfe eines Originalbildes gemäß einem Schärfungsparameter. Ein Schärfungsparameter-Auswahlsystem ist mit dem Filter gekoppelt. Das Schärfungsparameter-Auswahlsystem bestimmt den Schärfungsparameter für das Filter derart, daß die Frequenzverteilung eines geschärften Bildes des Originalbildes durch den Filter ähnlich zu der eines Niedrigauflösungsbildes des Originalbildes ist.
Ein Verfahren zum Schärfen eines Originalbildes ist ebenfalls beschrieben. Das Verfahren wählt zuerst einen Schärfungsparameter derart aus, daß die Frequenzverteilung eines geschärften Bildes des Originalbildes unter Verwendung des ausgewählten Schärfungsparameters ähnlich zu der Frequenzverteilung eines Niedrigauflösungsbildes des Originalbildes ist. Dann wird der ausgewählte Schärfungsparameter an ein Filter angewendet, um das Originalbild zu schärfen.
Andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung offensichtlich, in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen, die die Prinzipien der Erfindung beispielhaft darstellen.
1 zeigt das Blockdiagramm eines Bildschärfungssystems, das ein Schärfungsfilter, einen Niedrigauflösungsbilderzeuger, einen Fourier-Transformationserzeuger, einen parametrisierten Fourier-Transformationserzeuger und eine Parameterauswahlvorrichtung aufweist.
2 zeigt das Filterfenster des Schärfungsfilters aus 1.
3 zeigt die Struktur des parametrisierten Fourier-Transformationserzeugers aus 1.
4 ist ein Flußdiagramm der Parameterauswahlvorrichtung aus 1.
5 zeigt ein Originalbild, das durch das Schärfungssystem aus 1 geschärft werden soll.
6 zeigt ein Niedrigauflösungsbild des Originalbildes, das durch den Niedrigauflösungsbilderzeuger aus 1 erzeugt wurde.
7 zeigt die Frequenzverteilung des Niedrigauflösungsbildes aus 6.
8A–8C zeigen die Frequenzverteilung von drei geschärften Bildern des Originalbildes basierend auf drei vorbestimmten Schärfungsparametern.
9 zeigt das geschärfte Bild, das durch das Bildschärfungssystem aus 1 erzeugt wurde.
1 zeigt die Struktur eines Bildschärfungssystems 1, das ein Originalbild schärft oder verbessert. Bei einem Ausführungsbeispiel ist das Originalbild ein digitales Bild. Dies bedeutet, daß das Bild im Hinblick auf Bildpixel definiert ist, die in einer Matrix angeordnet sind. Alternativ kann das Originalbild in anderen Formen vorliegen. Das Originalbild ist in, seiner Eigenschaft üblicherweise bildhaft. Dies bedeutet, daß das Originalbild eine natürliche Szene darstellt. 5 zeigt ein solches Originalbild 50 beispielhaft.
Das Bildschärfungssystem 10 ist entworfen, um monochrome Bilder zu schärfen. Farbbilder können ferner durch das Bildschärfungssystem 10 auf analoge Weise verarbeitet werden, wobei jede Farbebene separat verarbeitet wird. Alter nativ können mehrere Einheiten des Bildschärfungssystems 10 verwendet werden, um die individuellen Farbebenen eines Farbbildes separat und gleichzeitig zu verarbeiten. Ein Farbbild kann ferner durch Umwandeln des Bildes in eine Luminanz-Chrominanz-Darstellung geschärft werden, wobei die Luminanzkomponente als ein monochromes Bild unter Verwendung des Bildschärfungssystems 10 geschärft wird und dann zurück in die Originalfarbebenendarstellung umgewandelt wird.
Bei einem Ausführungsbeispiel wird das Bildschärfungssystem 10 bei einem Bild-Erfassungs- und -Anzeige-System verwendet. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel wird das Bildschärfungssystem 10 bei einem Abtast-Zu-Druck-System verwendet. Alternativ kann das Bildschärfungssystem 10 bei anderen Bilderzeugungssystemen verwendet werden.
Das Originalbild 50 kann von einer Bilderfassungsvorrichtung (nicht gezeigt) oder einem Speicher eines Computersystems (ebenfalls nicht gezeigt) erhalten werden. Bekannte Techniken können verwendet werden, um das Originalbild 50 zu erhalten. Das Originalbild 50 kann z. B. durch eine Abtastvorrichtung oder eine Digitalkamera erzeugt werden, und richtet sich darauf, durch einen Drucker gedruckt zu werden (z. B. einen Laser- oder Tintenstrahl-Drucker) oder durch eine Anzeige angezeigt zu werden (z. B. eine CRT-, LCDoder Flachbildschirm-Anzeige).
Bei einem Ausführungsbeispiel ist das Originalbild 50 ein 512 Pixel × 512 Pixel-Bild. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist das Originalbild 50 ein 1024 Pixel × 1024 Pixel-Bild. Alternativ kann das Originalbild 50 größer als 1024 Pixel × 1024 Pixel oder kleiner als 512 Pixel × 512 Pixel sein.
Das Bildschärfungssystem 10 erzeugt eine ähnliche Ausgabeschärfe für Eingangsbilder mit einer Anzahl von unterschiedlichen Unschärfen. Ferner schärft das Bildschärfungs- System 10 die rauschbehafteten Bilder weniger als rauscharme Bilder, da das Rauschen Hochfrequenzinformationen zu dem Originalbild hinzufügt. Dies ist ein wünschenswerter Effekt, da ein Bildschärfen ferner das Erscheinungsbild des Rauschens erhöht.
Wie aus 1 ersichtlich ist, umfaßt das Bildschärfungssystem 10 ein Schärfungsparameter-Auswahlsystem 11 und ein Schärfungsfilter 16. Das Schärfungsfilter 16 schärft das Originalbild gemäß einem Schärfungsparameter λ. Das Schärfungsparameter-Auswahlsystem 11 bestimmt und/oder wählt den Schärfungsparameter λ aus, um an das Schärfungsfilter 16 angewendet zu werden. Der Schärfungsparameter λ steuert das Schärfungsfilter 16, um den gewünschten oder geeigneten Schärfungsbetrag an das Originalbild anzuwenden. Für positive große Werte des Schärfungsparameters λ vergrößert das Schärfungsfilter 16 hohe Frequenzen in dem Bild, wodurch ein schärferes Ausgabebild erzeugt wird. Die höheren λ-Werte können jedoch auch Rauschen erhöhen und verursachen, daß andere Artefakte in dem Ausgabebild erscheinen. Für kleine negative Werte des Schärfungsparameters λ glättet das Schärfungsfilter 16 das Bild, wodurch das Bild verschwimmt. Die kleinen λ-Werte helfen jedoch, Rauschen in dem Bild zu reduzieren. Alternativ kann der Schärfungsparameter λ durch einen Satz von Parametern ersetzt werden.
Das Schärfungsfilter 16 ist ein digitales Filter. Bei einem Ausführungsbeispiel ist das Schärfungsfilter 16 ein 3 × 3-Unsschärfemarkierungsfilter, das ein Filterfenster 30 aufweist, das in 2 gezeigt ist. Alternativ kann das Schärfungsfilter 16 aus 1 durch andere Typen von Filtern implementiert werden und kann komplexer sein als das 3 × 3-Unschärfemaskierungsfilter. Zusätzlich dazu kann sich das Filterfenster des Schärfungsfilters 16 von dem Filterfenster 30 aus 2 unterscheiden. Das Schärfungsfilter 16 kann unter Verwendung von bekannten Hardware-, Softwareoder Firmware-Anwendungen implementiert sein.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet das Schärfungsparameter-Auswahlsystem 11 eine selbstähnliche Annahme, um den geeigneten Wert des Schärfungsparameters λ für ein gegebenes Bild derart zu bestimmen, daß der geeignete Schärfungsbetrag an das Originalbild angewendet werden kann. Wie nachfolgend detaillierter beschrieben wird, umfaßt das Schärfungsparameter-Auswahlsystem 11 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung einen Niedrigauflösungsbilderzeuger 12 zum Erzeugen einer Niedrigauflösungsversion des Originalbildes, das geschärft werden soll. Zusätzlich dazu umfaßt das Schärfungsparameter-Auswahlsystem 11 einen Fourier-Transformationserzeuger 13, der die Frequenzverteilung des Niedrigauflösungsbildes des Originalbildes bestimmt. Das Schärfungsparameter-Auswahlsystem 11 umfaßt ferner einen parametrisierten Fourier-Transformationserzeuger 14 und eine Parameterauswahlvorrichtung 15. Der parametrisierte Fourier-Transformationserzeuger 14 erzeugt eine Anzahl von geschärften Bildern des Originalbildes basierend auf einem Satz von vorbestimmten Schärfungsparametern λ_i(i = 1, 2, ... n), und bestimmt dann die Frequenzverteilung von jedem der geschärften Bilder. Die Parameterauswahlvorrichtung 15 vergleicht die Frequenzverteilung des Niedrigauflösungsbildes mit der von jedem der geschärften Bilder, um herauszufinden, welches der geschärften Bilder eine Frequenzverteilung aufweist, die der des Niedrigauflösungsbildes am ähnlichsten ist. Das geschärfte Bild wird dann identifiziert und der vorbestimmte Schärfungsparameter für dieses geschärfte Bild wird durch die Parameterauswahlvorrichtung 15 als der Schärfungsparameter λ ausgewählt.
Der Grund, warum das Schärfungsparameter-Auswahlsystem 11 den geeigneten Schärfungsparameter λ für ein gegebenes Bild bestimmen oder auswählen kann ist, daß unter der Selbst-Ähnlich-Annahme ein gewünschtes „scharfes^„ Bild einer natürlichen Szene selbst-ähnlich im Maßstab ist. Diese Eigenschaft, die häufig als Fraktaleigenschaft bezeichnet wird, bedeutet, daß der Betrag von feinen Details in einer Szene unabhängig von der Betrachtungsdistanz ist. Wenn z. B. ein Wald von einer Distanz betrachtet wird, kann das feine Detail der Szene aus separaten und unterschiedlichen Baumstämmen bestehen. Wenn sich der Betrachter näher an den Wald bewegt, werden die Baumstämme grobere Details und die kleineren Zweige und die Rindentextur wird ein feines Detail. Wiederum näher werden die Maserungen der Blätter als feines Detail sichtbar. Bei vielen natürlichen Szenen ist der Betrag von grobem Detail über dem Betrag von feinem Detail über einen breiten Bereich von Skalen relativ stabil. Bei digitalen Bildern kann diese Fraktaleigenschaft in der Frequenzdomäne ausgedrückt werden. Wenn die Szene selbstähnlich im Maßstab ist, bleibt die Frequenzverteilung eines ordnungsgemäß geschärften Bildes der Szene über einen Bereich von Auflösungen hin ungefähr gleich.
Anders ausgedrückt, wenn ein Niedrigauflösungsbild eines ordnungsgemäß geschärften Originals einen bestimmten Betrag von Hochfrequenzkomponenten aufweist, weist das ordnungsgemäß geschärfte Originalbild ungefähr den selben Betrag von Hochfrequenzkomponenten auf. Dies bedeutet, daß das Niedrigauflösungsbild eines Originalbildes unter der Selbst-Ähnlich-Annahme verwendet werden kann, um den geeigneten Schärfungsbetrag des Originalbildes zu bestimmen.
Somit wählt das Schärfungsparameter-Auswahlsystem 11 unter der Selbst-Ähnlich-Annahme gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung den Schärfungsparameter λ derart aus, daß die Frequenzverteilung des Originalbildes nach dem Schärfen ähnlich zu der einer Niedrigsauflösungsversion des Originalbildes ist. Diese Auswahl ermöglicht es dem Bildschärfungssystem 10, den geeigneten Schärfungsbetrag an das Originalbild anzuwenden.
Um dies zu erreichen, erzeugt der Niedrigauflösungs-Bilderzeuger 12 des Schärfungsparameter-Auswahlsystems 11 ein Niedrigauflösungsbild des gegebenen Originalbildes. Wenn das Originalbild das Bild 50 ist, ist das Niedrigauf lösungsbild das Bild 60 (gezeigt in 6). Es sei angenommen, daß das Niedrigauflösungsbild 60 die richtige Schärfe für den dargestellten Maßstab aufweist. Weil sogar die feinsten Details, die in dem Niedrigauflösungsbild eines Originalbildes sichtbar sind, den groben Merkmalen in dem Originalbild entsprechen, ist die Annahme vernünftig, sogar wenn das Originalbild relativ verschwommen ist. Somit dient dieses Niedrigauflösungsbild 60 als die Schärfungsreferenz für das Originalbild 50. Anders ausgedrückt zeigt das Niedrigauflösungsbild 60 des Originalbildes 50 an, wie viel Schärfen an das Originalbild 50 angewendet werden sollte.
Dann wird das Niedrigauflösungsbild 60 an den Fourier-Transformationserzeuger 13 angewendet, um die Frequenzverteilung des Niedrigauflösungsbildes 60 zu bestimmen. Die Frequenzverteilung des Niedrigauflösungsbildes 60 wird dann an die Parameterauswahlvorrichtung 50 angewendet. 7 zeigt die Frequenzverteilung 70 des Niedrigauflösungsbildes 60.
In der Zwischenzeit erzeugt der parametrisierte Fourier-Transformationserzeuger 14 eine Anzahl von geschärften Bildern des Originalbildes 50 basierend auf einer Anzahl von vorbestimmten Schärfungsparametern λ₁ bis λ_n. Der parametrisierte Fourier-Transformationserzeuger 14 berechnet ferner die Frequenzverteilung von jedem der geschärften Bilder. 8A bis 8C zeigen die Frequenzverteilung der drei geschärften Bilder als ein Beispiel. In der Praxis werden viel mehr geschärfte Bilder durch viel mehr vorbestimmte Schärfungsparameter erzeugt.
8A zeigt die Frequenzverteilung 80 eines geschärften Bildes, das gemäß einem ersten vorbestimmten Schärfungsparameterwert (z. B. Null) geschärft ist. 8B zeigt die Frequenzverteilung 81 eines anderen geschärften Bildes, das gemäß einem zweiten vorbestimmten Schärfungsparameterwert (z. B. Eins) geschärft ist. 8C zeigt die Frequenzver teilung 82 eines anderen geschärften Bildes, das gemäß einem dritten vorbestimmten Schärfungsparameterwert (z. B. Fünf) geschärft ist. Die Struktur des parametrisierten Fourier-Transformationserzeugers 14 ist in 3 gezeigt, die nachfolgend detaillierter beschrieben wird.
Bezug nehmend wiederum auf 1 vergleicht die Parameterauswahlvorrichtung 15 dann die Frequenzverteilung 70 des Niedrigauflösungsbildes 60 mit der Frequenzverteilung (z. B. jede der Frequenzverteilungen 80 bis 82) von jenen geschärften Bildern aus dem parametrisierten Fourier-Transformationserzeuger 14. Dies dient zum Identifizieren, welche Frequenzverteilung welches geschärften Bildes mit der des Niedrigauflösungsbildes 60 übereinstimmt oder sehr ähnlich zu derselben ist. Sobald die Parameterauswahlvorrichtung 15 das bestimmte geschärfte Bild unter den geschärften Bilder findet, wird der vorbestimmte Schärfungsparameter, der zum Schärfen dieses geschärften Bildes verwendet wurde, als der Schärfungsparameter λ ausgewählt.
Damit die Parameterauswahlvorrichtung 15 die Frequenzverteilung von zwei Bildern vergleichen kann, sollte für den Vergleich ein Maß spezifiziert werden. Bei einem Ausführungsbeispiel ist das Maß, das spezifiziert ist, um die Differenz der Frequenzverteilung zwischen zwei Bildern zu messen, die Abweichung der Frequenzverteilung. Alternativ kann die Parameterauswahlvorrichtung 15 andere bekannte Mittel verwenden, um die Frequenzverteilung von zwei Bildern zu vergleichen. Die Parameterauswahlvorrichtung 15 kann z. B. die Frequenzverteilungen als Wahrscheinlichkeitsmassefunktionen behandeln und ein statistisches Entfernungsmaß verwenden, wie z. B. die Bhattacharrya-Distanz, um die Frequenzverteilung von zwei Bildern zu vergleichen, um zu bestimmen, welche Frequenzverteilung welches geschärften Bildes von dem parametrisierten Fourier-Transformationserzeuger 14 der Frequenzverteilung 70 des Niedrigauflösungsbildes 60 am meisten ähnelt. Andere Techniken könnten die Fourier-Transformationen als digitale Bilder behandeln und den mittleren quadratischen Fehler oder ein bestimmtes anderes Distanzmaß verwenden, um die Differenz zwischen zwei Frequenzverteilungen zu bestimmen. 4 zeigt den Prozeß der Parameterauswahlvorrichtung 15, der nachfolgend detaillierter beschrieben wird in der Form eines Flußdiagramms.
Bezug nehmend wiederum auf 1 kann der Niedrigauflösungs-Bilderzeuger 12 durch einen bekannten Niedrigauflösungs-Bilderzeuger 12 implementiert sein. Der Niedrigauflösungs-Bilderzeuger 12 kann z. B. ein Niedrigpaßfilter gefolgt durch eine Teilabtastoperation sein. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Niedrigauflösungs-Bilderzeuger 12 ein ¼-Niedrigauflösungs-Bilderzeuger. Dies bedeutet, daß das Niedrigauflösungsbild 60 eine vertikale und horizontale -Auflösung des Originalbildes 50 enthält. Alternativ kann der Niedrigauflösungs-Bilderzeuger 12 unterschiedliche Auflösungsmaßstäbe aufweisen.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Fourier-Transformationserzeuger 13 ein diskrete Fourier-Transformation-Erzeuger (ebenfalls bekannt als schnelle Fourier-Transformation-Erzeuger). Bei anderen Ausführungsbeispielen kann der Fourier-Transformationserzeuger 13 durch einen anderen Typ einer Frequenzanalysevorrichtung implementiert sein.
3 zeigt die Struktur des parametrisierten Fourier-Transformationserzeugers 14 aus 1 in der Form eines Blockdiagramm. Wie aus 3 ersichtlich ist, umfaßt der parametrisierte Fourier-Transformationserzeuger 14 ein Schärfungsfilter 35 und einen Fourier-Transformationserzeuger 36 gekoppelt mit dem Schärfungsfilter 35. Das Schärfungsfilter 35 empfängt die vorbestimmten Schärfungsparameter λ₁ bis λ_n. Das Schärfungsfilter 35 schärft das Originalbild 50 gemäß den vorbestimmten Schärfungsparametern λ₁ bis λ_n, um die geschärften Bilder zu erzeugen. Die geschärften Bilder werden dann an den Fourier-Transformationserzeuger 36 angewendet, um ihre jeweiligen Frequenz verteilungen zu berechnen. Die berechneten Frequenzverteilungen werden dann an die Parameterauswahlvorrichtung 15 aus 1 angewendet, um den geeignedsten Schärfungsparameter aus den vorbestimmten Schärfungsparametern λ₁ bis λ_n zu identifizieren.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist das Schärfungsfilter 35 ferner ein 3 × 3-Unschärfemaskierungsfilter. Alternativ kann das Schärfungsfilter 35 durch andere Typen von Filtern implementiert sein. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Fourier-Transformationserzeuger 36 ein diskrete Fourier-Transformation-Erzeuger. Alternativ kann der Fourier-Transformationserzeuger 36 durch einen anderen Typ von Frequenzanalyse- oder Berechnungs-Vorrichtungen implementiert sein.
Bezug nehmend auf 4 beginnt das Verfahren der Parameterauswahlvorrichtung 15 aus 1 bei Schritt 100. Bei Schritt 101 empfängt die Parameterauswahlvorrichtung 15 die Frequenzverteilung des Niedrigauflösungsbildes erzeugt durch den Fourier-Transformationserzeuger 13. Bei Schritt 102 empfängt die Parameterauswahlvorrichtung 15 die Frequenzverteilung von jedem der geschärften Bilder unter Verwendung der vorbestimmten Schärfungsparameter λ₁ bis λ_n. Bei dem Schritt 103 bestimmt die Parameterauswahlvorrichtung 15 die Differenz bei der Frequenzverteilung zwischen dem Niedrigauflösungsbild 60 und jedem der geschärften Bilder. Bei dem Schritt 104 identifiziert die Parameterauswahlvorrichtung 15 eines der geschärften Bilder, dessen Frequenzverteilung die geringste Differenz von der des Niedrigauflösungsbildes als Übereinstimmungs-Bild aufweist. Alternativ dazu kann die Parameterauswahlvorrichtung 15 das Vergleichsverfahren stoppen, wenn dieselbe entdeckt, daß die Frequenzverteilung von einem der geschärften Bilder innerhalb eines vorbestimmten Werts α von der des Niedrigauflösungsbildes 60 liegt. In diesem Fall wird das geschärfte Bild als das Übereinstimmungs-Bild betrachtet.
Bei dem Schritt 105 wählt die Parameterauswahlvorrichtung 15 den vorbestimmten Schärfungsparameter für das Übereinstimmungs-Bild als den Schärfungsparameter λ aus. Das Verfahren endet dann bei Schritt 106.
Bezug nehmend wiederum auf 1 und wie oben beschrieben wurde, kann das Maß, das durch die Parameterauswahlvorrichtung 15 verwendet wird, um die Differenz bei der Frequenzverteilung zwischen zwei Bildern zu messen, die Abweichung der Frequenzverteilung sein. In diesem Fall, wenn F(ω₁, ω₂) die Frequenzverteilung eines Bildes darstellt (d. h. Frequenztransformation), ist die Abweichung wie folgt definiert

wobei |F(ω₁, ω₂)| den absoluten Wert von F(ω₁, ω₂) darstellt. In diesem Fall vergleicht die Parameterauswahlvorrichtung 15 die Abweichungen von zwei Bildern, um zu bestimmen, ob dieselben übereinstimmen oder sehr ähnlich sind.
Ferner, in Anbetracht der obigen Gleichung und anderer Annahmen, kann der Schärfungsparameter λ als eine Funktion der Frequenztransformation des Originalbildes ausgedrückt werden. Wenn das Schärfungsfilter 16 aus 1 z. B. das Filterfenster 30 aus 2 verwendet, kann λ wie folgt ausgedrückt werden
Bei der obigen Gleichung sei angenommen, daß die Integrale durch Summierungen angenähert werden und das Niedrigauflösungsbild bei ¼ der Auflösung eines MxN-Originalbildes durch einen idealen Niedrigpaßfilter aufgebaut ist. Zusätzlich dazu stellt F[k₁, k₂] die Frequenzverteilung (oder Frequenztransformation) des Originalbildes dar.
Wie aus der obigen Gleichung ersichtlich ist, obwohl die obige Gleichung dem Verfahren des Schärfungsparameter-Auswahlsystems 11 aus 1 folgt, wird die Frequenzverteilung des Niedrigauflösungsbildes nie ausdrücklich berechnet. Das Schärfungsparameter-Auswahlsystem 11 berechnet den Schärfungsparameter λ bei einem Schritt ohne ausdrückliches Bestimmen der Frequenzverteilung des Niedrigauflösungsbildes des Originalbildes. In diesem Fall ist die Operation von jeder der Komponenten 12-15 in die Gleichung integriert.
Die oben ausgedrückte Gleichung zum Berechnen des Schärfungsparameters λ kann jedoch in der Praxis manchmal instabil sein. Das Filterfenster 30 weist eine sehr geringe Stützregion auf, und die Abweichung nach der Schärfung nähert sich an eine asymptotische Grenze an, wenn sich der Schärfungsparameter λ erhöht. Somit muß die obige Gleichung leicht modifiziert werden, um eine Stabilität sicherzustellen. Eine solche Modifikation ist wie folgt gezeigt

für ein von einem Benutzer ausgewählts α ∊ (0,1).
In der vorangehenden Beschreibung wurde die Erfindung unter Bezugnahme auf spezifische Ausführungsbeispiele derselben beschrieben. Für Fachleute auf dem Gebiet ist es jedoch offensichtlich, daß verschiedene Modifikationen und Änderungen an derselben durchgeführt werden können, ohne von dem Schutzbereich der Erfindung abzuweichen, der in den beigefügten Ansprüchen definiert ist. Die Beschreibung und die Zeichnungen müssen dementsprechend auf eine darstellende und nicht eine einschränkende Weise betrachtet werden.

Claims

Eine Bildverbesserungsvorrichtung (10), die folgende Merkmale aufweist: (A) ein Filter (16), das die Schärfe eines Originalbildes (50) gemäß einem Schärfungsparameter (λ) verbessert; (B) ein Schärfungsparameterauswahlsystem (11), das mit dem Filter (16) gekoppelt ist, wobei das Schärfungsparameterauswahlsystem (11) den Schärfungsparameter (λ) für das Filter (16) derart bestimmt, daß die Frequenzverteilung eines geschärften Bildes (90) des Originalbildes (50) durch das Filter (16) ähnlich zu derjenigen eines Niedrigauflösungsbildes (60) des Originalbildes (50) ist.
Die Bildverbesserungsvorrichtung (10) gemäß Anspruch 1, bei der das Schärfungsparameterauswahlsystem (11) ferner folgende Merkmale aufweist: (a) einen Niedrigauflösungsbilderzeuger (12), der das Niedrigauflösungsbild (60) des Originalbildes (50) erzeugt; (b) einen ersten Fourier-Transformationserzeuger (13), der mit dem Niedrigauflösungsbilderzeuger (12) gekoppelt ist, um die Frequenzverteilung des Niedrigauflösungsbildes (60) zu bestimmen; (c) ein parametrisierter Fourier-Transformationserzeuger (14), der (1) eine Mehrzahl von geschärften Bildern des Originalbildes (50) basierend auf einer Mehrzahl von vorbestimmten Schärfungsparametern (λ_i) erzeugt und (2) die Frequenzverteilung von jedem der geschärften Bilder bestimmt; (d) eine Parameterauswahlvorrichtung (15), die mit dem ersten Fourier-Transformationserzeuger (13) und dem parametrisierten Fourier-Transformationserzeuger (14) gekoppelt ist, um zu bestimmen, welches der geschärften Bilder eine Frequenzverteilung ähnlich zu der des Niedrigauflösungsbildes (60) aufweist, um den Schärfungsparameter (λ) aus den vorbestimmten Schärfungsparametern (λ_i) auszuwählen.
Die Bildverbesserungsvorrichtung (10) gemäß Anspruch 2, bei der der parametrisierte Fourier-Transformationserzeuger (14) ferner folgende Merkmale aufweist: (I) ein Schärfungsfilter (35), das die Mehrzahl von geschärften Bildern gemäß den vorbestimmten Schärfungsparametern erzeugt; (II) einen zweiten Fourier-Transformationserzeuger (36), der die Frequenzverteilung von jedem der geschärften Bilder bestimmt.
Die Bildverbesserungsvorrichtung (10) gemäß Anspruch 2, bei der die Parameterauswahlvorrichtung (15) bestimmt, welches der geschärften Bilder eine Frequenzverteilung ähnlich zu jener des Niedrigauflösungsbildes (60) aufweist, durch Vergleichen der Abweichung der Frequenzverteilung des Niedrigauflösungsbildes (60) mit der der geschärften Bilder.
Bildverbesserungsvorrichtung (10) gemäß Anspruch 3, bei der sowohl der erste als auch der zweite Fourier-Transformationserzeuger (13, 36) ein Diskrete-Fourier-Transformationserzeuger ist.
Die Bildverbesserungsvorrichtung (10) gemäß Anspruch 3, bei der sowohl das Filter (16) als auch das Schärfungsfilter (35) ein Unscharf-Maskierungsfilter ist.
Ein Verfahren zum Schärfen eines Originalbildes (50), das folgende Schritte aufweist: (A) Auswählen eines Schärfungsparameters (λ), derart, daß die Frequenzverteilung eines geschärften Bildes (90) des Originalbildes (50) unter Verwendung des ausgewählten Schärfungsparameters (λ) ähnlich zu der Frequenzverteilung eines Niedrigauflösungsbildes (60) des Originalbildes (50) ist; (B) Anwenden des ausgewählten Schärfungsparameters (λ) an einem Filter (16), um das Originalbild (50) zu schärfen.
Das Verfahren gemäß Anspruch 7, bei dem der Schritt (A) ferner folgende Schritte aufweist: (I) Erzeugen des Niedrigauflösungsbildes (60) des Originalbildes (50); (II) Durchführen einer Fourier-Transformationsoperation bezüglich des Niedrigauflösungsbildes (60), um die Frequenzverteilung des Niedrigauflösungsbildes (60) zu bestimmen; (III) Erzeugen einer Mehrzahl von geschärften Bildern des Originalbildes (50) basierend auf einer Mehrzahl von vorbestimmten Schärfungsparametern (λ_i); (IV) Durchführen der Fourier-Transformationsoperation bezüglich jedes der geschärften Bilder, um die Frequenzverteilung von jedem der geschärften Bilder zu bestimmen; (V) Bestimmen, welches der geschärften Bilder eine ähnliche Frequenzverteilung zu der des Niedrigauflösungsbildes (60) aufweist, um den Schärfungsparameter (λ) aus den vorbestimmten Schärfungsparametern (λ_i) auszuwählen.
Das Verfahren gemäß Anspruch 8, bei dem der Schritt (V) ferner den Schritt des Vergleichens der Abweichung der Frequenzverteilung des Niedrigauflösungsbildes (60) mit der des geschärften Bildes aufweist, um zu bestimmen, welches der geschärften Bilder eine zu der des Niedrigauflösungsbildes (60) ähnliche Frequenzverteilung aufweist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 8, bei dem der Schritt (V) ferner folgende Schritte aufweist: (a) Bestimmen der Abweichung der Frequenzverteilung des einen der geschärften Bilder, das die geringste Differenz von der des Niedrigauflösungsbildes (60) aufweist; (b) Auswählen des einen der vorbestimmten Schärfungsparameter (λ_i), der dem einen der geschärften Bilder zugeordnet ist, um der ausgewählte Schärfungsparameter (λ) zu sein.