專利名稱：一種視頻圖像亮度瞬態(tài)增強(qiáng)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種增強(qiáng)數(shù)字視頻圖像亮度的方法，具體涉及一種對數(shù)字視頻圖像的亮度進(jìn)行瞬態(tài)增強(qiáng)的方法。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的電視傳送的是模擬信號，模擬信號在傳輸過程中不可避免的會損失高頻分量，造成的后果就是圖像輪廓模糊，層次不清。圖1是亮度邊緣的示意圖。Y1代表一種亮度值，Y2代表另一種不同的亮度值，點A為Y1的邊界點，點C為Y2的邊界點，從A點經(jīng)過B點逐漸上升到C點的這一段稱為亮度信號的過渡帶。這一過渡帶的寬窄直接影響到圖像的畫質(zhì)過渡帶越窄，圖像中兩種亮度的邊界就越清楚，圖像越清晰。而在實際接收到的電視信號中，由于高頻分量的丟失，這一過渡帶通常是比較寬的，造成了圖像亮度層次不鮮明、清晰度不高。隨著PC機(jī)顯示器的廣泛使用以及數(shù)字電視的出現(xiàn)，人們對視頻圖像的清晰度要求越來越高，將隔行的模擬信號轉(zhuǎn)換成逐行的數(shù)字信號后，仍需采用一些畫質(zhì)增強(qiáng)技術(shù)改善圖像質(zhì)量。亮度瞬態(tài)增強(qiáng)就是要恢復(fù)亮度信號中的高頻分量，使過渡帶變窄，邊緣變陡，表現(xiàn)在圖像就是圖像的清晰度增強(qiáng)，更加亮麗。
常用的亮度瞬態(tài)增強(qiáng)的方法有疊加勾邊信號法和移位法。疊加勾邊信號法是通過在原始輸入信號上疊加參數(shù)化增益的校正信號來實現(xiàn)，其校正信號通過對亮度信號求二階導(dǎo)數(shù)得到。移位法的原理如圖2所示，在原始的亮度信號中找到過渡帶的三個特征點A、B、C，B點保持不變，A點、C點同時往中間靠，取A1、C1點的值，對于AC之間除B點之外的點，分別取A1、C1之間的對應(yīng)值來替代原來點的值。移位法實現(xiàn)起來并不容易，一種可行的方法是用亮度信號的二階導(dǎo)數(shù)與一個增益因子的乘積來控制該用哪個點的亮度值來代替當(dāng)前像素點的亮度值，這個方法對大面積物體之間的邊緣陡度提升效果很好，但對于所占像素寬度極小的細(xì)小物體之間的邊緣來說，容易發(fā)生替代過度，丟失本來的細(xì)節(jié)成分。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明基于移位法的思路提出了一種亮度瞬態(tài)增強(qiáng)算法，該算法對大面積物體之間的邊緣和細(xì)小物體之間的邊緣分別采用不同的邊緣陡度提升方法，該方法既增強(qiáng)了圖像的清晰度，又很好地保留了物體的細(xì)節(jié)。
為了更好的闡述本發(fā)明所述方法，首先對以下全文使用的數(shù)字符號進(jìn)行如下定義設(shè)Y(i，j)是圖像中第i行第j列位置處的像素點的亮度值，Y(i，j-1)是第i行第j-1列位置處的像素點的亮度值，Y(i，j+1)是第i行第j+1列位置處的像素點的亮度值…，則(i，j)像素點的一階導(dǎo)數(shù)由下式計算得到y(tǒng)′(i,j)=Σl=-nnalY(i,j+l)]]>一種視頻圖像亮度瞬態(tài)增強(qiáng)的方法，該方法包含如下幾個步驟步驟1對輸入視頻圖像的亮度信號作一階導(dǎo)數(shù)及二階導(dǎo)數(shù)，檢測圖像的亮度邊緣；步驟2將二階導(dǎo)數(shù)與一個數(shù)值可調(diào)的增益相乘，并將乘積(設(shè)為r)限定在一個閾值范圍(設(shè)為Limit)內(nèi)；步驟3利用一階導(dǎo)數(shù)及二階導(dǎo)數(shù)的值，決定處于亮度邊緣的像素點的亮度值是用它之前還是之后的像素點的亮度值來代替；步驟4檢測亮度邊緣是屬于大面積物體之間的邊緣還是細(xì)小物體之間的邊緣，若是大面積物體之間的邊緣像素點，則用該像素點之前(或之后)第r個像素點的亮度值代替，若是細(xì)小物體之間的邊緣像素點則用另外的替換方法。
本發(fā)明描述的方法不僅適用于水平方向的亮度瞬態(tài)增強(qiáng)，也適用于豎直方向的亮度瞬態(tài)增強(qiáng)。
對輸入視頻圖像的亮度信號取一階導(dǎo)數(shù)的絕對值，并且標(biāo)志一階導(dǎo)數(shù)，然后對一階導(dǎo)數(shù)的絕對值再作一次一階導(dǎo)數(shù)，得到圖像的二階導(dǎo)數(shù)。進(jìn)行步驟2時將二階導(dǎo)數(shù)與一個增益因子相乘，設(shè)乘積為r，設(shè)Limit是一個可以預(yù)先設(shè)定的正整數(shù)閾值，Limit用來控制替代路徑的最大范圍。若|r|≤Limit，則代替邊緣像素的像素點由r決定；|r|＞Limit，則代替的路徑由Limit決定。
步驟3中還需判斷將要代替的邊緣像素點的亮度值(當(dāng)前點)是否為一階導(dǎo)數(shù)絕對值的最大值，如果當(dāng)前像素點的亮度值是一階導(dǎo)數(shù)最大值點，且當(dāng)此像素點的亮度值比左右兩像素點的亮度值都小或都大時，則保持當(dāng)前像素點的亮度值不變；否則，當(dāng)前像素點的亮度值用它左右兩點中與它的亮度值最接近的像素點的亮度值代替。
如果當(dāng)前像素點亮度值不是一階導(dǎo)數(shù)最大值點，且當(dāng)此像素點的二階導(dǎo)數(shù)大于零時，當(dāng)前點的亮度值用它之前的像素點的亮度值來代替，如果小于零，則用它之后的像素點的亮度值來代替。
步驟4中當(dāng)二階導(dǎo)數(shù)大于零時，采用如下亮度瞬態(tài)增強(qiáng)的方法從當(dāng)前像素點往前數(shù)的第r個像素點開始(這里|r|≤Limit，若|r|＞Limit則是往前第Limit個像素點)搜索至當(dāng)前像素點處，若其間沒有另外的一階導(dǎo)數(shù)最大值點，則表明此像素點是處于大面積物體的邊界，那么此點的亮度值用其之前的第r個(|r|≤Limit，若|r|＞Limit則是用它之前第Limit個點)的亮度值來替代；若其間有另外的一階導(dǎo)數(shù)最大值點(記為k點)，表明此像素點是處于細(xì)小物體的邊界，則使用以下替代方法如果當(dāng)前點的亮度值比它后一點的亮度值大，則從k點開始循環(huán)搜索到當(dāng)前點，當(dāng)前點的亮度值用這些像素點中的最大亮度值代替；如果當(dāng)前點的亮度值比它后一點的亮度值小，則從k點開始循環(huán)搜索到當(dāng)前點，當(dāng)前點的亮度值用這些像素點中的最小亮度值代替。
同樣地，步驟4中如果當(dāng)前像素點不是一階導(dǎo)數(shù)最大值點且當(dāng)此像素點的二階導(dǎo)數(shù)小于零時，采用如下的亮度瞬態(tài)增強(qiáng)方法，從當(dāng)前像素點搜索至當(dāng)前像素點往后第r個像素點(這里|r|≤Limit，若|r|＞Limit則是往后第Limit個像素點)處，若其間沒有另外的一階導(dǎo)數(shù)最大值點，則表明此像素點是處于大面積物體的邊緣，那么此點的亮度值用其之后的第r個(|r|≤Limit，若|r|＞Limit則是用它之后第Limit個點)的亮度值來替代；若其間有另外的一階導(dǎo)數(shù)最大值點(記為k點)，表明此像素點是處于細(xì)小物體的邊界，則使用以下替代方法如果當(dāng)前點的亮度值比它后一點的亮度值大，則從當(dāng)前點開始循環(huán)搜索到k點，當(dāng)前點的亮度值用這些像素中的最大亮度值代替；如果當(dāng)前點的亮度值比它后一點的亮度值小，則從當(dāng)前點開始循環(huán)搜索到k點，當(dāng)前點的亮度值用這些像素中的最小亮度值代替。


圖1是亮度邊緣的示意圖；圖2是移位法的原理圖；圖3描述了一種可行的亮度瞬態(tài)增強(qiáng)思想，在本發(fā)明中用來針對大面積物體之間的邊界進(jìn)行亮度瞬態(tài)增強(qiáng)；圖4是本發(fā)明的具體流程圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合對附圖的詳細(xì)說明2本發(fā)明的實施例圖3描述了一種亮度瞬態(tài)增強(qiáng)思想。圖像的一階導(dǎo)數(shù)可以用于檢測圖像中的一個點是否為邊緣的點，二階導(dǎo)數(shù)的符號可以用于判斷一個邊緣像素點是在邊緣亮的一邊還是暗的一邊。因此本發(fā)明先對圖像的亮度信號作一階導(dǎo)數(shù)，檢測出圖像中的亮度邊緣，如圖3(b)所示；然后取一階導(dǎo)數(shù)的絕對值，并對其再進(jìn)行一次一階導(dǎo)數(shù)，得到圖像的二階導(dǎo)數(shù)，如圖3(c)所示。如果當(dāng)前像素點的二階導(dǎo)數(shù)大于零時，表明此點的亮度值跟它前面點的亮度值更接近，因此用它之前點的亮度值來替代此點的亮度值；如果當(dāng)前像素點的二階導(dǎo)數(shù)小于零時，表明此點的亮度值跟它后面的點亮度值更接近，因此用它之后點的亮度值來替代此點的亮度值。這樣替代的結(jié)果使邊緣明顯變陡了，如圖3(d)所示。
圖4詳細(xì)描述了本發(fā)明的具體算法流程。首先計算圖像的一階導(dǎo)數(shù)，計算方法如下設(shè)Y(i，j)是圖像中第i行第j列位置處的像素點的亮度值，Y(i，j-1)是第i行第j-1列位置處的像素點的亮度值，Y(i，j+1)是第i行第j+1列位置處的像素點的亮度值，則(i，j)像素點的一階導(dǎo)數(shù)由下式計算得到
Y′(i,j)=Σl=-nnalY(i,j+l)]]>然后對一階導(dǎo)數(shù)的絕對值再用同樣的公式作一次一階導(dǎo)數(shù)，得到圖像的二階導(dǎo)數(shù)。將二階導(dǎo)數(shù)與一個增益因子相乘，設(shè)乘積為r，設(shè)Limit是一個可以預(yù)先設(shè)定的正整數(shù)閾值，Limit用來控制替代路徑的最大范圍。若|r|≤Limit，則替代邊緣像素的像素點由r決定；若|r|＞Limit，則替代邊緣像素的像素點由Limit決定。
首先進(jìn)入第一個判斷，如圖4中401所示，判斷當(dāng)前像素點是否為一階導(dǎo)數(shù)最大值點。如果是，則進(jìn)入第二個判斷，如圖4中402所示，當(dāng)此像素點的亮度值比左右兩點的亮度值都小或都大時，保持當(dāng)前像素點的亮度值不變；否則，當(dāng)前像素點用左右兩點中與它的亮度值最接近的點的亮度值代替。
如果當(dāng)前像素點不是一階導(dǎo)數(shù)最大值點，則進(jìn)入第三個判斷，如圖4中403所示，判斷此點的二階導(dǎo)數(shù)是大于零還是小于零。
當(dāng)此像素點的二階導(dǎo)數(shù)大于零時，則進(jìn)入第四個判斷，如圖4中404所示，從當(dāng)前像素點往前的第r個像素點(這里|r|≤Limit，若|r|＞Limit則是往前的第Limit個像素點)搜索至當(dāng)前像素點處，判斷其間是否有另外的一階導(dǎo)數(shù)最大值點。
若其間沒有另外的一階導(dǎo)數(shù)最大值點，則表明此像素點是處于大面積物體的邊界，那么此點的亮度值用其之前的第r個(|r|≤ Limit，若|r|＞Limit則是用它之前第Limit個點)的亮度值來替代；若其間有另外的一階導(dǎo)數(shù)最大值點(記為k點)，表明此像素點是處于細(xì)小物體的邊界，則進(jìn)入第五個判斷，如圖4中405所示。
如圖4中405所示，如果當(dāng)前點的亮度值比它后一點的亮度值大，則從k點開始循環(huán)搜索到當(dāng)前點，當(dāng)前點的亮度值用這些像素點中的最大亮度值代替；如果當(dāng)前點的亮度值比它后一點的亮度值小，則從k點開始循環(huán)搜索到當(dāng)前點，當(dāng)前點的亮度值用這些像素點中的最小亮度值代替。
當(dāng)當(dāng)前像素點的二階導(dǎo)數(shù)小于零時，則進(jìn)入第六個判斷，如圖4中406所示，從當(dāng)前像素點搜索至當(dāng)前像素點處之后的第r個像素點(這里|r|≤Limit，若|r|＞Limit則是之后的第Limit個像素點)，判斷其間是否有另外的一階導(dǎo)數(shù)最大值點。
若其間沒有另外的一階導(dǎo)數(shù)最大值點，則表明此像素點是處于大面積物體的邊界，那么此點的亮度值用其之后的第r個(|r|≤Limit，若|r|＞Limit則是用它之后第Limit個點)的亮度值來替代；若其間有另外的一階導(dǎo)數(shù)最大值點(記為k點)，表明此像素點是處于細(xì)小物體的邊界，則進(jìn)入第七個判斷，如圖4中407所示。
如果當(dāng)前點的亮度值比它后一點的亮度值大，則從當(dāng)前點開始循環(huán)搜索到k點，當(dāng)前點的亮度值用這些像素點中的最大亮度值代替；如果當(dāng)前點的亮度值比它后一點的亮度值小，則從當(dāng)前點開始循環(huán)搜索到k點，當(dāng)前點的亮度值用這些像素點中的最小亮度值代替。
權(quán)利要求
1.一種視頻圖像亮度瞬態(tài)增強(qiáng)的方法，其特征在于，該方法包含如下幾個步驟步驟1對輸入視頻圖像的亮度信號作一階導(dǎo)數(shù)及二階導(dǎo)數(shù)，檢測圖像的亮度邊緣；步驟2將二階導(dǎo)數(shù)與一個數(shù)值可調(diào)的增益相乘，并將乘積(設(shè)為r)限定在一個閾值范圍(設(shè)為Limit)內(nèi)；步驟3利用一階導(dǎo)數(shù)及二階導(dǎo)數(shù)的值，決定處于亮度邊緣的像素點的亮度值是用它之前還是之后的像素點的亮度值來代替；步驟4檢測亮度邊緣是屬于大面積物體之間的邊緣還是細(xì)小物體之間的邊緣，若是大面積物體之間的邊緣像素點，則用該像素點之前(或之后)第r個像素點的亮度值代替，若是細(xì)小物體之間的邊緣像素點則用另外的替換方法。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，本方法不僅適用于水平方向的亮度瞬態(tài)增強(qiáng)，還可適用于豎直方向的亮度瞬態(tài)增強(qiáng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟1中還包括如下的步驟步驟1.1設(shè)Y(i，j)是圖像中第i行第j列位置處的像素點的亮度值，Y(i，j-1)是第i行第j-1列位置處的像素點的亮度值，Y(i，j+1)是第i行第j+1列位置處的像素點的亮度值……，則(i，j)像素點的一階導(dǎo)數(shù)根據(jù)下式計算得到Y(jié)′(i,j)=Σl=-nnα1Y(i,j+l)]]>其中，n是自然數(shù)，αl，l是整數(shù)；步驟1.2取一階導(dǎo)數(shù)的絕對值，標(biāo)記一階導(dǎo)數(shù)絕對值的最大值點；步驟1.3對一階導(dǎo)數(shù)結(jié)果再按步驟1.1所述的方法作一次一階導(dǎo)數(shù)，得到二階導(dǎo)數(shù)值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟2中還包括如下的步驟將二階導(dǎo)數(shù)與一個增益因子相乘，設(shè)乘積為r，設(shè)一個閾值為Limit，它是可以預(yù)先設(shè)定的正整數(shù)，用來控制代替路徑的最大范圍，若|r|≤Limit，則代替邊緣像素的像素點由r決定；若|r|＞Limit，則代替邊緣像素的像素點由Limit決定。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟3中還包括如下的步驟步驟3.1判斷將要代替的邊緣像素點的亮度值(當(dāng)前點)是否為一階導(dǎo)數(shù)絕對值的最大值，如果是最大值，則再看該點的亮度值是否比它左右兩點的亮度值都大或都小，如果是都大或都小，那么當(dāng)前點的亮度值保持不變，否則，當(dāng)前點的亮度值用左右兩點中亮度值與它最接近的代替；如果當(dāng)前點亮度值不是一階導(dǎo)數(shù)絕對值的最大值時，則進(jìn)入步驟3.2中判斷；步驟3.2判斷當(dāng)前點亮度值的二階導(dǎo)數(shù)是大于零還是小于零，如果大于零則當(dāng)前點的亮度值用它之前的像素點的亮度值來代替，如果小于零則用它之后的像素點的亮度值來代替。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟4中還包含如下的步驟步驟4.1當(dāng)二階導(dǎo)數(shù)大于零時，采用如下亮度瞬態(tài)增強(qiáng)的方法步驟4.1.1從當(dāng)前點往前的第r個點(這里|r|≤Limit，若|r|＞Limit則是往前的第Limit個點)搜索至當(dāng)前點處，判斷其間是否有另外的一階導(dǎo)數(shù)最大值點；步驟4.1.2如果其間沒有另外的一階導(dǎo)數(shù)最大值點，則表明此像素點是處于大面積物體的邊緣，那么此點的亮度值用之前的第r個(這里|r|≤Limit，若|r|＞Limit則是用它之前第Limit個點)點的亮度值來代替；步驟4.1.3如果其間有另外的一階導(dǎo)數(shù)最大值點(記為k點)，表明此像素點是處于細(xì)小物體的邊界，此時轉(zhuǎn)入步驟4.1.4；步驟4.1.4如果當(dāng)前點的亮度值比它后一點的亮度值大，則從k點開始循環(huán)搜索到當(dāng)前點，當(dāng)前點的亮度值用這些像素點中的最大亮度值代替；如果當(dāng)前點的亮度值比它后一點的亮度值小，則從k點開始循環(huán)搜索到當(dāng)前點，當(dāng)前點的亮度值用這些像素點中的最小亮度值代替；步驟4.2當(dāng)二階導(dǎo)數(shù)小于零時，采用如下亮度瞬態(tài)增強(qiáng)的方法步驟4.2.1從當(dāng)前點搜索至當(dāng)前點之后的第r個像素點(這里|r|≤Limit，若|r|＞Limit則是之后的第Limit個像素點)，判斷其間是否有另外的一階導(dǎo)數(shù)最大值點；步驟4.2.2如果其間沒有另外的一階導(dǎo)數(shù)最大值點，則表明此像素點是處于大面積物體的邊緣，那么此點的亮度值用其之后的第r個(|r|≤Limit，若|r|＞Limit則是用它之前第Limit個點)的亮度值來替代；步驟4.2.3如果其間有另外的一階導(dǎo)數(shù)最大值點(記為k點)，表明此像素點是處于細(xì)小物體的邊界，則進(jìn)入步驟4.4；步驟4.2.4如果當(dāng)前點的亮度值比它后一點的亮度值大，則從當(dāng)前點開始循環(huán)搜索到k點，當(dāng)前點的亮度值用這些像素點中的最大亮度值代替；如果當(dāng)前點的亮度值比它后一點的亮度值小，則從當(dāng)前點開始循環(huán)搜索到k點，當(dāng)前點的亮度值用這些像素點中的最小亮度值代替。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種視頻圖像的亮度瞬態(tài)增強(qiáng)方法，該方法包括了四個步驟，先利用一階導(dǎo)數(shù)及二階導(dǎo)數(shù)檢測出圖像中的邊緣像素點，然后判斷該邊緣像素點是處于大面積物體之間的邊緣還是細(xì)小物體之間的邊緣，對大面積物體之間的邊緣像素點，由二階導(dǎo)數(shù)控制用來替代該點亮度值的像素的位置；對于細(xì)小物體之間的邊緣像素點，則用該點及左右兩點中的最大亮度值或最小亮度值代替。經(jīng)過以上的步驟，能夠明顯地提升邊緣的陡度，增強(qiáng)亮度瞬態(tài)特性。
文檔編號H04N5/208GK1984241SQ20051010227
公開日2007年6月20日 申請日期2005年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月12日
發(fā)明者李琛, 常軍鋒, 劉芳, 鄭磊, 劉波, 嚴(yán)衛(wèi)健, 石嶺, 劉云 申請人:深圳艾科創(chuàng)新微電子有限公司