專利名稱：一種快速視頻圖像雙邊濾波的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及視頻圖像處理技術(shù)領(lǐng)域，特別是在視頻圖像增強(qiáng)處理系統(tǒng)中，對視頻圖像進(jìn)行快速雙邊濾波的方法。

背景技術(shù)：
大多數(shù)視頻圖像處理技術(shù)需要相當(dāng)多的計算功耗，不管圖像處理技術(shù)是否以互動式或自動式使用，為完成任務(wù)都需要計算處理時間，特別時當(dāng)有大量數(shù)據(jù)需要處理時。為加快視頻圖像處理速度一個方法是通過實現(xiàn)更快的電子芯片或增加處理任務(wù)的處理器數(shù)目，然而該方案特別的昂貴。另一個增加處理速度方法是利用別的更快的處理方法以產(chǎn)生與現(xiàn)存方法相同的結(jié)果，典型的來說，通過改進(jìn)視頻圖像處理技術(shù)所需要的關(guān)鍵算法的執(zhí)行時間，來完成這一目標(biāo)。
視頻圖像處理中常用的一個技術(shù)是雙邊濾波器，是一個能在保持圖像邊緣細(xì)節(jié)的同時平滑圖像的非迭代方法。雙邊濾波器實質(zhì)是一個加權(quán)卷積運(yùn)算，它每個像素相關(guān)的權(quán)重系數(shù)不只依賴于到中心像素的距離，也依賴于它相對的像素密度值距離。經(jīng)典雙邊濾波核一般公式是 fclassic(s，s0)＝gspatial(s-s0)·gtone(I(s)-I(s0)) (1) 其中，s0表示濾波核中心位置，s表示濾波核元素位置，I(s0)表示濾波位置像素某通道的灰度值，I(s)表示濾波核其他位置上像素某通道的灰度值。
兩個權(quán)重函數(shù)都是高斯函數(shù)。
gspatial(s)＝g(x，σs)·g(y，σs)(2) gtone(I)＝g(I，σt)(3) 其中σs為雙邊濾波空間方差參數(shù)，σt為像素值域控制參數(shù)，x，y為像素坐標(biāo)， 我們應(yīng)該關(guān)注的本質(zhì)屬性是每個像素的運(yùn)行時間，而這個運(yùn)行時間是雙邊濾波器核的函數(shù)。當(dāng)調(diào)節(jié)濾波器核大小γ，即核半徑時用戶會體驗到相應(yīng)的性能變化，而這是雙邊濾波器技術(shù)主要的特征差異。
現(xiàn)有雙邊濾波是結(jié)合了空間域與像素值域的濾波，所以它計算量要求非常大。一個標(biāo)準(zhǔn)雙邊濾波器的實現(xiàn)計算每個輸出像素的復(fù)雜度是O(γ2)，隨著濾波器參數(shù)調(diào)節(jié)濾波核半徑變大會非常緩慢。
另外有一種快速雙邊濾波技術(shù)，其思路是通過在空間域和像素值域上進(jìn)行下采樣，隨后在圖像下采樣后的版本上進(jìn)行濾波處理，隨后使用線性插值重新組合起濾波處理的結(jié)果，以近似逼近標(biāo)準(zhǔn)雙邊濾波處理結(jié)果而達(dá)到顯著減少計算需求量的目標(biāo)。換句話說，該方法把密度圖像看作是3D空間向量，隨后對該向量空間應(yīng)用高斯光滑濾波，隨后再插值重構(gòu)濾波后的圖像。3D向量空間有更多的下采樣則濾波核半徑越小，所以濾波處理速度越快。然而該方法的缺點(diǎn)是濾波處理的結(jié)果依賴于下采樣階段以及上采樣的插值重構(gòu)階段，也丟失了一部分精確度。
另外還有一種快速雙邊濾波技術(shù)，使用層次式分布直方圖方法能獲得運(yùn)行時間收斂到O(logγ)。然而，盡管其運(yùn)行復(fù)雜度減少，因為對特定實現(xiàn)所需要的濾波器大小和直方圖記數(shù)等，丟失了標(biāo)準(zhǔn)雙邊濾波技術(shù)原來的簡潔性。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有快速視頻圖像雙邊濾波方法的不足，提供一種濾波計算結(jié)果近似于標(biāo)準(zhǔn)雙邊濾波計算的結(jié)果，計算復(fù)雜度顯著降低的快速視頻圖像雙邊濾波方法。
為達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明的快速視頻圖像雙邊濾波的方法，其特征在于，包括以下步驟 (1)、定義一個大小由雙邊濾波空間方差參數(shù)σs決定的矩形區(qū)域作為濾波滑動窗，其中心像素P0是當(dāng)前平滑濾波計算的像素； (2)、計算圖像像素累積直方圖； (3)、計算當(dāng)前濾波滑動窗內(nèi)像素直方圖，方法為 hs＝H(x-，y-)-H(x，y-)-H(x-，y)+H(x，y) 其中，P(x-，y-)，P(x，y-)，P(x-，y)，P(x，y)分別表示濾波滑動窗內(nèi)左上、右上、左下、右下四個角點(diǎn)像素，其對應(yīng)的累積直方圖為H(x-，y-)，H(x，y-)，H(x-，y)，H(x，y)，根據(jù)步驟(2)的計算結(jié)果可以得到； (4)、將當(dāng)前濾波滑動窗執(zhí)行常數(shù)空間濾波平面分解 當(dāng)前濾波滑動窗的寬度，即高斯濾波核寬度為kw＝2*r+1，相應(yīng)的高斯核gspatial(s-s0)系數(shù)共有r+1個不同值，從內(nèi)到外系數(shù)依次表示為co0，co1，co2，...，cor，并依據(jù)以下公式計算出c0，c1，c2，...，cr等r+1個空間濾波常數(shù)系數(shù) c0＝co0； c1＝co1-co0； c2＝co2-c1-c0＝co2-co1； c3＝co3-c2-c1-c0＝co3-co2； …… cr＝cor-co(r-1)； 得到c0，c1，c2，...，cr等r+1個空間濾波常數(shù)系數(shù)后，將r+1個常數(shù)空間濾波平面分別表示為S(0)，S(1)，S(2)，…，S(r)； (5)、對分解后的常數(shù)空間濾波平面計算其像素值直方圖 按步驟(3)所述的方法計算分解后的r+1個常數(shù)空間濾波平面像素值直方圖 hS(r)＝H(x-，y-)-H(x，y-)-H(x-，y)+H(x，y)； hS(r-1)＝H((x-)+1，(y-)+1)-H((x)-1，(y-)+1)-H((x-)+1，(y)-1)+H((x)-1，(y)-1)； hS(r-2)＝H((x-)+2*1，(y-)+2*1)-H((x)-2*1，(y-)+2*1) -H((x-)+2*1，(y)-2*1)+H((x)-2*1，(y)-2*1)； …… hS(0)＝H((x)-r*1，(y)-r*1)； 這里2r+1表示雙邊濾波核的寬度，hS(0)，hS(1)，...，hS(r-2)，hS(r-1)，hS(r)分別表示r+1個常數(shù)空間濾波平面所對應(yīng)的像素值直方圖。
(6)、對標(biāo)準(zhǔn)雙邊濾波的圖像平滑濾波近似計算 通過求和分別計算出S(0)，S(1)，S(2)，…，S(r)等r+1個常數(shù)空間濾波的中間雙邊計算結(jié)果依次是I(s0)0，I(s0)1，I(s0)2，...，I(s0)r，隨著在由這些中間雙邊計算結(jié)果I(s0)0，I(s0)1，I(s0)2，...，I(s0)r計算出圖像的最終平滑濾波結(jié)果I(s0)， I(s0)＝k-1·(I(s0)0+I(s0)1+…+I(s0)r) 其中中間雙邊計算結(jié)果為 I(s0)0＝c0·∑i∈S(0)i·hS(0)(i)·gtone(i-I(s0))； I(s0)1＝c1·∑i∈S(1)i·hS(1)(i)·gtone(i-I(s0))； …… I(s0)r＝cr·∑i∈S(r)i·hS(r)(i)·gtone(i-I(s0))； 歸一化算子為 k＝k0+k1+…+kr k0＝c0·∑i∈S(0)hS(0)(i)·gtone(i-I(s0))； k1＝c1·∑i∈S(1)hS(1)(i)·gtone(i-I(s0))； …… kr＝cr·∑i∈S(r)hS(r)(i)·gtone(i-I(s0))； 本發(fā)明濾波滑動窗分解出多個重疊的常數(shù)空間濾波平面，而同時對每個常數(shù)空間濾波平面進(jìn)行像素密度值的直方圖統(tǒng)計，在直方圖統(tǒng)計結(jié)果的基礎(chǔ)上把像素值域的濾波處理以常規(guī)的加權(quán)求和來實現(xiàn)。因為不必再逐像素的計算像素值域上濾波核系數(shù)，因此濾波處理的時間復(fù)雜度顯著降低。在累積直方圖計算的基礎(chǔ)上，以逐像素掃描的方式進(jìn)行滑動窗直方圖更新，而不是針對每個濾波處理像素都要構(gòu)建一個獨(dú)立的直方圖，從而避免了大量的直方圖統(tǒng)計計算復(fù)雜度。



圖1是本發(fā)明濾波滑動窗示意圖； 圖2是當(dāng)前像素灰度值直方圖統(tǒng)計示意圖； 圖3是當(dāng)前像素灰度值直方圖統(tǒng)計的之字形掃描方式示意圖； 圖4是本發(fā)明濾波滑動窗組成情況示意圖； 圖5是本發(fā)明一種具體實施方式
流程圖； 圖6是濾波滑動窗所有像素的累積直方圖掃描存儲示意圖； 圖7是r+1個常數(shù)空間濾波平示意圖。

具體實施例方式 為更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明進(jìn)行更為詳細(xì)描述。在以下的描述中，當(dāng)已有的現(xiàn)有技術(shù)的詳細(xì)描述也許會淡化本發(fā)明的主題內(nèi)容時，這些描述在這兒將被忽略。
本發(fā)明意欲提供一種創(chuàng)新技術(shù)，在視頻圖像增強(qiáng)處理系統(tǒng)中，以一種基于滑動濾波窗直方圖統(tǒng)計的處理技術(shù)來近似標(biāo)準(zhǔn)雙邊濾波器的處理效果，卻能獲得處理時間復(fù)雜度上的顯著優(yōu)化效果。
為了實現(xiàn)這一快速雙邊濾波器的創(chuàng)新技術(shù)，本發(fā)明的基本思路是使用一個矩形滑動窗在待濾波處理圖像上滑動，該滑動窗覆蓋了雙邊濾波在空間域上濾波核所覆蓋到的圖像像素區(qū)域。在這個矩形滑動窗內(nèi)分解出多個重疊的常數(shù)空間濾波平面，而同時對每個常數(shù)空間濾波平面進(jìn)行像素密度值的直方圖統(tǒng)計，在直方圖統(tǒng)計結(jié)果的基礎(chǔ)上把像素值域的濾波處理以常規(guī)的加權(quán)求和來實現(xiàn)。因為不必再逐像素的計算像素值域上濾波核系數(shù)，因此濾波處理的時間復(fù)雜度顯著降低。在累積直方圖計算的基礎(chǔ)上，以逐像素掃描的方式進(jìn)行滑動窗直方圖更新，而不是針對每個濾波處理像素都要構(gòu)建一個獨(dú)立的直方圖，從而避免了大量的直方圖統(tǒng)計計算復(fù)雜度。
為達(dá)到本發(fā)明的目標(biāo)，實現(xiàn)本發(fā)明的核心思想，本發(fā)明主要內(nèi)容的一個方面是提供一種近似標(biāo)準(zhǔn)雙邊濾波效果的圖像平滑濾波方法框架和裝置，處理流程如圖5所示意。進(jìn)一步具體來說，標(biāo)準(zhǔn)雙邊濾波在每個像素位置首先計算濾波核如式(1)，隨后進(jìn)行加權(quán)積分計算如式(5)。
I(s0)＝k(s0)-1·∫∫s∈kernelfclassic(s，s0)·I(s)ds (5) k(s0)＝∫∫s∈kernelfclassic(s，s0)ds(6) 式(2)空間濾波核gspatial(s-s0)是線性濾波器，它只依賴于參數(shù)σs。在其方差參數(shù)σs確定后，空間濾波核gspatial(s-s0)可被視為恒定常數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)的雙邊濾波計算可以變形為 I(s0)＝k-1·∫∫s∈kernelgspatial(s-s0)·gtone(I(s)-I(s0))·I(s)ds (7) ＝k-1·∫∫s∈kernelkerspatial(s-s0)·gtone(I(s)-I(s0))·I(s)ds k＝∫∫s∈kernelkerspatial(s-s0)·gtone(I(s)-I(s0))ds (8) kerspatial(x)是根據(jù)空間濾波核gspatial(s-s0)計算出來后的濾波參數(shù)依據(jù)當(dāng)前點(diǎn)到中心點(diǎn)的距離|s-s0|進(jìn)行索引的函數(shù)。
設(shè)若高斯濾波核寬度為kw＝2*r+1，那么相應(yīng)的高斯核gspatial(s-s0)系數(shù)共有r+1個，從中心位置依次到外圍系數(shù)依次表示為co0，co1，co2，...，cor。據(jù)此計算出c0，c1，c2，...，cr等r+1個空間濾波常數(shù)系數(shù)。具體計算方法為 c0＝co0； c1＝co1-co0； c2＝co2-c1-c0＝co2-co1； c3＝co3-c2-c1-c0＝co3-co2； …… cr＝cor-co(r-1)； (9) 得到c0，c1，c2，...，cr等r+1個空間濾波常數(shù)系數(shù)后，對應(yīng)了如圖7所示意的r+1個常數(shù)空間濾波平面，分別表示為S(0)，S(1)，S(2)，…，S(r)。如此，便可把(7)，(8)的雙邊濾波計算分解為r+1個常數(shù)空間濾波的雙邊計算，如下 I(s0)0＝c0·∫∫s∈S(0)gtone(I(s)-I(s0))·I(s)ds I(s0)1＝c1·∫∫s∈S(1)gtone(I(s)-I(s0))·I(s)ds …… I(s0)r＝cr·∫∫s∈S(r)gtone(I(s)-I(s0))·I(s)ds I(s0)＝k-1·(I(s0)0+I(s0)1+…+I(s0)r) (10) 相應(yīng)的分解后歸一化算子計算為 k0＝c0·∫∫s∈S(0)gtone(I(s)-I(s0))ds k1＝c1·∫∫s∈S(1)gtone(I(s)-I(s0))ds …… kr＝cr·∫∫s∈S(r)gtone(I(s)-I(s0))ds k＝k0+k1+…+kr(11) 本發(fā)明主要內(nèi)容的另一個方面是提供一種數(shù)字圖像像素累積直方圖計算、掃描、存儲與讀取方法和裝置，如圖2、圖3以及圖6所示意。進(jìn)一步具體來說，如圖2所示在數(shù)字圖像200上，當(dāng)前像素為P(x，y)，其左上像素P(x-1，y-1)，上像素為P(x，y-1)，左像素為P(x-1，y)。每個像素都將對應(yīng)一個累積直方圖H，將其定義為按圖3所示意的之字形掃描方式，從圖像最左上像素到當(dāng)前像素依據(jù)如此掃描所能走過最少的像素集合的像素值直方圖統(tǒng)計。設(shè)若當(dāng)前像素P(x，y)緊鄰的前置像素(左，上，左上)分別對應(yīng)的累積直方圖為H(x-1，y)，H(x，y-1)，H(x-1，y-1)等。那么當(dāng)前像素的累積直方圖計算方法為 H(x，y)＝H(x-1，y)+H(x，y-1)-H(x-1，y-1)+H(I(x，y)) (12) H(I(x，y))表示當(dāng)前像素灰度值的直方圖統(tǒng)計。H(x-1，y)，H(x，y-1)，H(x-1，y-1)分別對應(yīng)圖2所示意中H(x-1，y)，H(x，y-1)，H(x-1，y-1)所指示的幾個矩形區(qū)域所覆蓋像素值的直方圖統(tǒng)計。
為了計算隨后可能的滑動窗內(nèi)的像素直方圖，需要把如圖6中601所示意的從滑動窗左上像素P(x-，y-)到滑動窗右下像素P(x，y)的圖像掃描線所覆蓋所有像素的累積直方圖都存儲到如602所示意的鏈表存儲區(qū)。602是一個先進(jìn)先出的單鏈表存儲區(qū)，存儲方法如圖6中602所示意。鏈表尾存儲最老的像素P(x-，y-)的累積直方圖，一個濾波核寬度kw的偏移存儲當(dāng)前滑動窗右上角像素P(x，y-)，而鏈表頭存儲最新的當(dāng)前像素P(x，y)的累積直方圖，向后一個濾波核寬度kw的偏移存儲當(dāng)前滑動窗左下角像素P(x-，y)。
本發(fā)明主要內(nèi)容的另一個方面是提供一種數(shù)字圖像濾波核滑動窗建立，滑動，以及滑動窗內(nèi)圖像像素灰度值直方圖的計算方法和裝置，如圖1、圖4以及圖6所示意。進(jìn)一步具體來說，滑動窗定義為如圖4所示401是大小由雙邊濾波空間方差參數(shù)σs所決定的矩形區(qū)域，其濾波核區(qū)域中心像素P0是當(dāng)前平滑濾波計算的像素，而滑動窗內(nèi)最右下像素P(x，y)就是濾波滑動窗當(dāng)前像素。隨著平滑濾波核區(qū)域的移動，該滑動窗隨之移動。如圖1所示中100是當(dāng)前待濾波數(shù)字圖像，101表示當(dāng)前濾波滑動窗，而P(x-，y-)，P(x，y-)，P(x-，y)，P(x，y)分別表示濾波滑動窗內(nèi)左上、右上、左下、右下四個角點(diǎn)像素。當(dāng)這四個角點(diǎn)累積直方圖H(x-，y-)，H(x，y-)，H(x-，y)，H(x，y)都已知時，那么當(dāng)前滑動窗所覆蓋的區(qū)域S像素值直方圖的計算方法是 hs＝H(x-，y-)-H(x，y-)-H(x-，y)+H(x，y) (13) 濾波滑動窗在數(shù)字圖像上的移動方法如圖6中601所示意。設(shè)若完成當(dāng)前像素的濾波后，濾波滑動窗隨之右移一個像素位置，則圖6中像素累積直方圖存儲鏈表尾P(x-，y-)被移除，鏈表尾指針指向其右緊鄰存儲位置，鏈表頭指針指向剛被置空的存儲位置，在該空存儲位置存入滑動窗滑動后的右下新像素P(x，y)所對應(yīng)的累積直方圖。
本發(fā)明主要內(nèi)容的另一個方面是提供一種分解多個常數(shù)空間濾波平面后的雙邊濾波計算方法和裝置，如圖7所示意。進(jìn)一步具體來說，設(shè)若當(dāng)前濾波核滑動窗所對應(yīng)的最大的常數(shù)空間濾波平面是S(r)，其寬度應(yīng)為當(dāng)前像素濾波核寬度kw，該常數(shù)空間濾波平面四個頂角所對應(yīng)的像素分別是P(x-，y-)，P(x，y-)，P(x-，y)，P(x，y)如圖1所示意。而常數(shù)空間濾波平面S(r-1)，其寬度為kw-2，相應(yīng)的其四個頂角像素分別應(yīng)該是P((x-)+1，(y-)+1)，P((x)-1，(y-)+1)，P((x-)+1，(y)-1)，P((x)-1，(y)-1)。同理常數(shù)空間濾波平面S(r-2)，其寬度為kw-2*2，相應(yīng)的其四個頂角像素分別應(yīng)該是P((x-)+2*1，(y-)+2*1)，P((x)-2*1，(y-)+2*1)，P((x-)+2*1，(y)-2*1)，P((x)-2*1，(y)-2*1)。依次類推，直至常數(shù)空間濾波平面S(0)，此時寬度為1，四個頂角像素完全重合，也即P((x-)+r*1，(y-)+r*1)＝P((x)-r*1，(y-)+r*1)＝P((x-)+r*1，(y)-r*1)＝P((x)-r*1，(y)-r*1)。依據(jù)本發(fā)明前述的矩形區(qū)域內(nèi)圖像像素灰度值直方圖的計算方法，分解后的r+1個常數(shù)空間濾波平面所對應(yīng)的像素值直方圖均能計算出來，如下 hS(r)＝H(x-，y-)-H(x，y-)-H(x-，y)+H(x，y)； hs(r-1)＝H((x-)+1，(y-)+1)-H((x)-1，(y-)+1)-H((x-)+1，(y)-1)+H((x)-1，(y)-1)； hS(r-2)＝H((x-)+2*1，(y-)+2*1)-H((x)-2*1，(y-)+2*1)-H((x-)+2*1，(y)-2*1)+H((x)-2*1，(y)-2*1)； …… hS(0)＝H((x)-r*1，(y)-r*1)； (14) 這里2r+1表示雙邊濾波核的寬度。隨后就可以把r+1個常數(shù)空間濾波平面上的雙邊濾波運(yùn)算(10)和(11)應(yīng)用(14)式所計算的r+1個相應(yīng)的直方圖統(tǒng)計進(jìn)行改寫如下 I(s0)0＝c0·∑i∈S(0)i·hS(0)(i)·gtone(i-I(s0))； I(s0)1＝c1·∑i∈S(1)i·hS(1)(i)·gtone(i-I(s0))； I(s0)r＝cr·∑i∈S(r)i·hS(r)(i)·gtone(i-I(s0))； I(s0)＝k-1·(I(s0)0+I(s0)1+…+I(s0)r)(15) 相應(yīng)的分解后歸一化算子計算為 k0＝c0·∑i∈S(0)hS(0)(i)·gtone(i-I(s0))； k1＝c1·∑i∈S(1)hS(1)(i)·gtone(i-I(s0))； …… kr＝cr·∑i∈S(r)hS(r)(i)·gtone(i-I(s0))； k＝k0+k1+…+kr (16) 這樣就實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)雙邊濾波的快速近似。
實施例 本發(fā)明的具體實施過程以下步驟進(jìn)行 (1)、如圖5所示意執(zhí)行濾波滑動窗定義以及掃描501過程。進(jìn)一步具體來說，滑動窗定義為如圖4所示401是大小由雙邊濾波空間方差參數(shù)σs所決定的矩形區(qū)域，其濾波核區(qū)域中心像素P0是當(dāng)前平滑濾波計算的像素，而滑動窗內(nèi)最右下像素P(x，y)就是濾波滑動窗當(dāng)前像素。隨著平滑濾波核區(qū)域的移動，該滑動窗隨之移動。如圖1所示中100是當(dāng)前待濾波數(shù)字圖像，101表示當(dāng)前濾波滑動窗，而P(x-，y-)，P(x，y-)，P(x-，y)，P(x，y)分別表示濾波滑動窗內(nèi)左上、右上、左下、右下四個角點(diǎn)像素。
(2)、如圖5所示意執(zhí)行圖像像素累積直方圖統(tǒng)計502過程。進(jìn)一步具體來說，如圖2所示在數(shù)字圖像200上，當(dāng)前像素為P(x，y)，其左上像素P(x-1，y-1)，上像素為P(x，y-1)，左像素為P(x-1，y)。每個像素都將對應(yīng)一個累積直方圖H，將其定義為按圖3所示意的之字形掃描方式，從圖像最左上像素到當(dāng)前像素依據(jù)如此掃描所能走過最少的像素集合的像素值直方圖統(tǒng)計。設(shè)若當(dāng)前像素P(x，y)緊鄰的前置像素(左，上，左上)分別對應(yīng)的累積直方圖為H(x-1，y)，H(x，y-1)，H(x-1，y-1)等。那么當(dāng)前像素的累積直方圖計算方法為 H(x，y)＝H(x-1，y)+H(x，y-1)-H(x-1，y-1)+H(I(x，y)) (12) H(I(x，y))表示當(dāng)前像素灰度值的直方圖統(tǒng)計。H(x-1，y)，H(x，y-1)，H(x-1，y-1)分別對應(yīng)圖2所示意中(x-1，y)，H(x，y-1)，H(x-1，y-1)所指示的幾個矩形區(qū)域所覆蓋像素值的直方圖統(tǒng)計。
為了計算隨后的滑動窗內(nèi)的像素直方圖，需要把如圖6中601所示意的從滑動窗左上像素P(x-，y-)到滑動窗右下像素P(x，y)的圖像掃描線所覆蓋所有像素的累積直方圖都存儲到如602所示意的鏈表存儲區(qū)。602是一個先進(jìn)先出的單鏈表存儲區(qū)，存儲方法如圖6中602所示意。鏈表尾存儲最老的像素P(x-，y-)的累積直方圖，一個濾波核寬度kw的偏移存儲當(dāng)前滑動窗右上角像素P(x，y-)，而鏈表頭存儲最新的當(dāng)前像素P(x，y)的累積直方圖，向后一個濾波核寬度kw的偏移存儲當(dāng)前滑動窗左下角像素P(x-，y)。
(3)、如圖5所示意執(zhí)行圖像濾波核滑動窗內(nèi)像素直方圖統(tǒng)計計算503過程。如圖1所示中100是當(dāng)前待濾波數(shù)字圖像，101表示當(dāng)前濾波滑動窗，而P(x-，y-)，P(x，y-)，P(x-，y)，P(x，y)分別表示濾波滑動窗內(nèi)左上、右上、左下、右下四個角點(diǎn)像素。當(dāng)這四個角點(diǎn)像素的累積直方圖H(x-，y-)，H(x，y-)，H(x-，y)，H(x，y)都已知時，那么當(dāng)前滑動窗所覆蓋的區(qū)域S像素值直方圖的計算方法是 hs＝H(x-，y-)-H(x，y-)-H(x-，y)+H(x，y)(13) 濾波滑動窗在數(shù)字圖像上的移動方法如圖6中601所示意。設(shè)若完成當(dāng)前像素的濾波后，濾波滑動窗隨之右移一個像素位置，則圖6中像素累積直方圖存儲鏈表尾P(x-，y-)被移除，鏈表尾指針指向其右緊鄰存儲位置，鏈表頭指針指向剛被置空的存儲位置，在該空存儲位置存入滑動窗滑動后的右下新像素P(x，y)所對應(yīng)的累積直方圖。
(4)、如圖5所示意執(zhí)行常數(shù)空間濾波平面分解504過程，以對標(biāo)準(zhǔn)雙邊濾波效果的圖像平滑濾波進(jìn)行近似計算。設(shè)若高斯濾波核寬度為kw＝2*r+1，那么相應(yīng)的高斯核gspatial(s-s0)系數(shù)共有r+1個不同值，從中心位置依次到外圍系數(shù)依次表示為co0，co1，co2，...，cor。據(jù)此計算出c0，c1，c2，...，cr等r+1個空間濾波常數(shù)系數(shù)。具體計算方法為 c0＝co0； c1＝co1-co0； c2＝co2-c1-c0＝co2-co1； c3＝co3-c2-c1-c0＝co3-co2； …… cr＝cor-co(r-1)； (9) 得到c0，c1，c2，...，cr等r+1個空間濾波常數(shù)系數(shù)后，對應(yīng)了如圖7所示意的r+1個常數(shù)空間濾波平面，分別表示為S(0)，S(1)，S(2)，…，S(r)。
(5)、如圖5所示意執(zhí)行對分解后常數(shù)空間濾波平面計算其像素直方圖統(tǒng)計505過程，設(shè)若當(dāng)前濾波核滑動窗所對應(yīng)的最大的常數(shù)空間濾波平面是S(r)，其寬度應(yīng)為當(dāng)前像素濾波核寬度kw，該常數(shù)空間濾波平面四個頂角所對應(yīng)的像素分別是P(x-，y-)，P(x，y-)，P(x-，y)，P(x，y)如圖1所示意。而常數(shù)空間濾波平面S(r-1)，其寬度為kw-2，相應(yīng)的其四個頂角像素分別應(yīng)該是P((x-)+1，(y-)+1)，P((x)-1，(y-)+1)，P((x-)+1，(y)-1)，P((x)-1，(y)-1)。同理常數(shù)空間濾波平面S(r-2)，其寬度為kw-2*2，相應(yīng)的其四個頂角像素分別應(yīng)該是P((x-)+2*1，(y-)+2*1)，P((x)-2*1，(y-)+2*1)，P((x-)+2*1，(y)-2*1)，P((x)-2*1，(y)-2*1)。依次類推，直至常數(shù)空間濾波平面S(0)，此時寬度為1，四個頂角像素完全重合，也即P((x-)+r*1，(y-)+r*1)＝P((x)-r*1，(y-)+r*1)＝P((x-)+r*1，(y)-r*1)＝P((x)-r*1，(y)-r*1)。依據(jù)本發(fā)明前述的矩形區(qū)域內(nèi)圖像像素灰度值直方圖的計算方法，分解后的r+1個常數(shù)空間濾波平面所對應(yīng)的像素值直方圖均能計算出來，如下 hS(r)＝H(x-，y-)-H(x，y-)-H(x-，y)+H(x，y)； hS(r-1)＝H((x-)+1，(y-)+1)-H((x)-1，(y-)+1)-H((x-)+1，(y)-1)+H((x)-1，(y)-1)； hS(r-2)＝H((x-)+2*1，(y-)+2*1)-H((x)-2*1，(y-)+2*1) -H((x-)+2*1，(y)-2*1)+H((x)-2*1，(y)-2*1)； …… hS(0)＝H((x)-r*1，(y)-r*1)；(14) 這里2r+1表示雙邊濾波核的寬度，hS(0)，hS(1)，...，hS(r-2)，hS(r-1)，hS(r)分別表示r+1個常數(shù)空間濾波平面所對應(yīng)的像素值直方圖。
(6)、如圖5所示意執(zhí)行對標(biāo)準(zhǔn)雙邊濾波效果的圖像平滑濾波近似計算的506過程，隨后就可以把r+1個常數(shù)空間濾波平面上的雙邊濾波運(yùn)算(10)和(11)應(yīng)用(14)式所計算的r+1個相應(yīng)的直方圖統(tǒng)計進(jìn)行改寫，用如下計算進(jìn)行快速近似實現(xiàn) I(s0)0＝c0·∑i∈S(0)i·hS(0)(i)·gtone(i-I(s0))； I(s0)1＝c1·∑i∈S(1)i·hS(1)(i)·gtone(i-I(s0))； …… I(s0)r＝cr·∑i∈S(r)i·hS(r)(i)·gtone(i-I(s0))； I(s0)＝k-1·(I(s0)0+I(s0)1+…+I(s0)r)(15) 也就是說先通過求和分別計算出S(0)，S(1)，S(2)，…，S(r)等r+1個常數(shù)空間濾波的中間雙邊計算結(jié)果依次是I(s0)0，I(s0)1，I(s0)2，...，I(s0)r，隨著在由這些中間雙邊計算結(jié)果I(s0)0，I(s0)1，I(s0)2，...，I(s0)r計算出圖像的最終平滑濾波結(jié)果I(s0)。相應(yīng)的分解后歸一化算子k計算為 k0＝c0·∑i∈S(0)hS(0)(i)·gtone(i-I(s0))； k1＝c1·∑i∈S(1)hS(1)(i)·gtone(i-I(s0))； …… kr＝cr·∑i∈S(r)hS(r)(i)·gtone(i-I(s0))； k＝k0+k1+…+kr(16) 也就是說先通過求和分別計算出S(0)，S(1)，S(2)，…，S(r)等r+1個常數(shù)空間濾波所對應(yīng)的歸一化算子k0，k1，…，kr，然后由之求和得到歸一化算子k。
這樣就實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)雙邊濾波的快速近似實現(xiàn)。
在本實施例中，本發(fā)明的顯著特點(diǎn)是提供了一個近似標(biāo)準(zhǔn)雙邊濾波效果的圖像平滑濾波方法框架和系統(tǒng)裝置。進(jìn)一步來說使用一個矩形滑動窗在待濾波處理圖像上滑動，該滑動窗覆蓋了雙邊濾波在空間域上濾波核所覆蓋到的圖像像素區(qū)域。在這個矩形滑動窗內(nèi)分解出多個重疊的常數(shù)空間濾波平面，而同時對每個常數(shù)空間濾波平面進(jìn)行像素密度值的直方圖統(tǒng)計，在直方圖統(tǒng)計結(jié)果的基礎(chǔ)上把像素值域的濾波處理以常規(guī)的加權(quán)求和來實現(xiàn)。
在本實施例中，本發(fā)明的另一個特點(diǎn)是提供一種數(shù)字圖像像素累積直方圖計算、掃描、存儲與讀取的方法和裝置。該方法與裝置能利用圖像濾波的掃描順序方便的依次計算出掃描線上像素點(diǎn)的累積直方圖，而且使用一個固定長度的鏈表存儲必要的一段掃描線上像素的累積直方圖數(shù)據(jù)，就能滿足隨后計算的需要。
在本實施例中，本發(fā)明的再一個特點(diǎn)是提供一種分解多個常數(shù)空間濾波平面后的雙邊濾波計算方法和裝置。在分解后的多個常數(shù)空間濾波平面上可以便利計算出相應(yīng)的像素值直方圖，隨后可以方便的計算出近似標(biāo)準(zhǔn)雙邊濾波的濾波后像素值。
因此，盡管上面對本發(fā)明說明性的具體實施方式
進(jìn)行了描述，但應(yīng)當(dāng)清楚，本發(fā)明不限于具體實施方式
的范圍，對本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來講，只要各種變化在所附的權(quán)利要求限定和確定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，這些變化是顯而易見的，一切利用本發(fā)明構(gòu)思的發(fā)明創(chuàng)造均在保護(hù)之列。
權(quán)利要求
1、一種快速視頻圖像雙邊濾波的方法，其特征在于，包括以下步驟
(1)、定義一個大小由雙邊濾波空間方差參數(shù)σs決定的矩形區(qū)域作為濾波滑動窗，其中心像素P0是當(dāng)前平滑濾波計算的像素；
(2)、計算圖像像素累積直方(3)、計算當(dāng)前濾波滑動窗內(nèi)像素直方圖，方法為
hs＝H(x-，y-)-H(x，y-)-H(x-，y)+H(x，y)
其中，P(x-，y-)，P(x，y-)，P(x-，y)，P(x，y)分別表示濾波滑動窗內(nèi)左上、右上、左下、右下四個角點(diǎn)像素，其對應(yīng)的累積直方圖為H(x-，y-)，H(x，y-)，H(x-，y)，H(x，y)，根據(jù)步驟(2)的計算結(jié)果可以得到；
(4)、將當(dāng)前濾波滑動窗執(zhí)行常數(shù)空間濾波平面分解
當(dāng)前濾波滑動窗的寬度，即高斯濾波核寬度為kw＝2*r+1，相應(yīng)的高斯核gspatial(s-s0)系數(shù)共有r+1個不同值，從內(nèi)到外系數(shù)依次表示為co0，co1，co2，...，cor，并依據(jù)以下公式計算出c0，c1，c2，...，cr等r+1個空間濾波常數(shù)系數(shù)
c0＝co0；
c1＝co1-co0；
c2＝co2-c1-c0＝co2-co1；
c3＝co3-c2-c1-c0＝co3-co2；
......
cr＝cor-co(r-1)；
得到c0，c1，c2，...，cr等r+1個空間濾波常數(shù)系數(shù)后，將r+1個常數(shù)空間濾波平面分別表示為S(0)，S(1)，S(2)，…，S(r)；
(5)、對分解后的常數(shù)空間濾波平面計算其像素值直方圖
按步驟(3)所述的方法計算分解后的r+1個常數(shù)空間濾波平面像素值直方圖
hS(r)＝H(x-，y-)-H(x，y-)-H(x-，y)+H(x，y)；
hS(r-1)＝H((x-)+1，(y-)+1)-H((x)-1，(y-)+1)-H((x-)+1，(y)-1)+H((x)-1，(y)-1)；
hS(r-2)＝H((x-)+2*1，(y-)+2*1)-H((x)-2*1，(y-)+2*1)
-H((x-)+2*1，(y)-2*1)+H((x)-2*1，(y)-2*1)；
.....
hS(0)＝H((x)-r*1，(y)-r*1)；
這里2r+1表示雙邊濾波核的寬度，hS(0)，hS(1)，...，hS(r-2)，hS(r-1)，hS(r)分別表示r+1個常數(shù)空間濾波平面所對應(yīng)的像素值直方圖。
(6)、對標(biāo)準(zhǔn)雙邊濾波的圖像平滑濾波近似計算
通過求和分別計算出S(0)，S(1)，S(2)，…，S(r)等r+1個常數(shù)空間濾波的中間雙邊計算結(jié)果依次是I(s0)0，I(s0)1，I(s0)2，...，I(s0)r，隨著在由這些中間雙邊計算結(jié)果I(s0)0，I(s0)1，I(s0)2，...，I(s0)r計算出圖像的最終平滑濾波結(jié)果I(s0)，
I(s0)＝k-1·(I(s0)0+I(s0)1+…+I(s0)r)
其中中間雙邊計算結(jié)果為
I(s0)0＝c0·Σi∈S(0)i·hS(0)(i)·gtone(i-I(s0))；
I(s0)1＝c1·Σi∈S(1)i·hS(1)(i)·gtone(i-I(s0))；
.....
I(s0)r＝cr·Σi∈S(r)i·hS(r)(i)·gtone(i-I(s0))；
歸一化算子為
k＝k0+k1+…+kr
k0＝c0·Σi∈S(0)hS(0)(i)·gtone(i-I(s0))；
k1＝c1·Σi∈S(1)hS(1)(i)·gtone(i-I(s0))；
.....
kr＝cr·Σi∈S(r)hS(r)(i)·gtone(i-I(s0))；。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速視頻圖像雙邊濾波的方法，其特征在于，所述的圖像像素累積直方圖計算為
H(x，y)＝H(x-1，y)+H(x，y-1)-H(x-1，y-1)+H(I(x，y))
其中，H(I(x，y))表示當(dāng)前像素灰度值的直方圖統(tǒng)計，H(x-1，y)、H(x，y-1)、H(x-1，y-1)之字形掃描方式，從圖像最左上像素到當(dāng)前像素依據(jù)如此掃描所能走過最少的像素集合的像素值直方圖統(tǒng)計。
3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速視頻圖像雙邊濾波的方法，其特征在于，所述的步驟(3)計算當(dāng)前濾波滑動窗內(nèi)像素直方圖時，須需要從滑動窗左上像素P(x-，y-)到滑動窗右下像素P(x，y)的圖像掃描線所覆蓋所有像素的累積直方圖都存儲到鏈表存儲區(qū)，鏈表存儲區(qū)是一個先進(jìn)先出的單鏈表存儲區(qū)，鏈表尾存儲最老的像素P(x-，y-)的累積直方圖，一個濾波核寬度kw的偏移存儲當(dāng)前滑動窗右上角像素P(x，y-)，而鏈表頭存儲最新的當(dāng)前像素P(x，y)的累積直方圖，向后一個濾波核寬度kw的偏移存儲當(dāng)前滑動窗左下角像素P(x-，y)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種快速視頻圖像雙邊濾波的方法，通過將濾波滑動窗分解出多個重疊的常數(shù)空間濾波平面，而同時對每個常數(shù)空間濾波平面進(jìn)行像素密度值的直方圖統(tǒng)計，在直方圖統(tǒng)計結(jié)果的基礎(chǔ)上把像素值域的濾波處理以常規(guī)的加權(quán)求和來實現(xiàn)。因為不必再逐像素的計算像素值域上濾波核系數(shù)，因此濾波處理的時間復(fù)雜度顯著降低。在累積直方圖計算的基礎(chǔ)上，以逐像素掃描的方式進(jìn)行滑動窗直方圖更新，而不是針對每個濾波處理像素都要構(gòu)建一個獨(dú)立的直方圖，從而避免了大量的直方圖統(tǒng)計計算復(fù)雜度。
文檔編號G06T5/00GK101488219SQ20081014792
公開日2009年7月22日 申請日期2008年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月19日
發(fā)明者袁梓瑾, 吳亞東, 李慧然 申請人:四川虹微技術(shù)有限公司