專利名稱:采用除噪和直方圖均衡的圖像增強(qiáng)電路及其方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種用于圖像增強(qiáng)的圖像增強(qiáng)電路和方法,特別是涉及用于通過消除輸入圖像的噪聲和對(duì)除噪的圖像進(jìn)行直方圖均衡來增強(qiáng)圖像質(zhì)量的電路和方法。
由于顯示裝置,例如電視,變得更大,因此出現(xiàn)了對(duì)更高品質(zhì)圖像的需求。為滿足這種需求,圖像質(zhì)量改進(jìn)技術(shù)開始在處理諸如TV信號(hào)或VCR信號(hào)的運(yùn)動(dòng)圖像信號(hào)領(lǐng)域中應(yīng)用。這里,其基本操作為將輸入圖像的灰度級(jí)映射成空間區(qū)域的灰度級(jí)的直方圖均衡技術(shù)正被越來越廣泛地利用。
灰度級(jí)的直方圖提供了圖像外貌的總體描述。相應(yīng)于給定圖像對(duì)灰度級(jí)的適當(dāng)控制增強(qiáng)了圖像的外貌或?qū)Ρ榷取?br>
作為根據(jù)圖像的樣本分布增強(qiáng)給定圖像對(duì)比度的方法,直方圖均衡是用于對(duì)比度增強(qiáng)的各種方法中最為熟知的,并早已公開于下述文件中[1]J.S.Lim,二維信號(hào)和圖像處理(Two-Dimensional Signal and ImageProcessing),Prentice Hall,Englewood Cliffs,New Jersey,1990;和[2]R.C.Gonzalez和P.Wints,數(shù)字圖像處理(Digital Image Processing),Addison-Wesley,Reading,Massachusetts,1997。
通常,由于直方圖均衡具有擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍的效果,所以它使處理后的圖像的灰度級(jí)平坦化,從而增強(qiáng)了圖像的對(duì)比度。
所熟知的直方圖均衡特性在某些實(shí)際情況下可能是一個(gè)缺陷。即,由于通過擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍來增強(qiáng)對(duì)比度的特性,當(dāng)包含噪聲(脈沖噪聲)的圖像信號(hào)被直方圖均衡時(shí),其噪聲分量也被增強(qiáng)了,從而使得噪聲被放大。這樣,噪聲放大的作用使圖像質(zhì)量降低,特別是在具有恒定灰度級(jí)的區(qū)域。
為解決上述問題,本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種圖像增強(qiáng)電路,用于消除輸入圖像信號(hào)中所包含的噪聲和對(duì)該除噪信號(hào)進(jìn)行直方圖均衡。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種圖像增強(qiáng)方法,用于消除輸入圖像信號(hào)中所包含的噪聲和對(duì)該除噪聲信號(hào)進(jìn)行直方圖均衡。
為實(shí)現(xiàn)第一個(gè)目的,在本發(fā)明的圖像增強(qiáng)電路中,除噪器檢測(cè)在輸入圖像信號(hào)中存在的具有脈沖分量噪聲的噪聲,修整檢測(cè)到的脈沖噪聲,并輸出除噪信號(hào)。直方圖均衡器根據(jù)一屏幕單元的除噪信號(hào)的灰度級(jí)分布來計(jì)算累積分布函數(shù)值,并根據(jù)該累積分布函數(shù)值將該除噪信號(hào)映射到一新的灰度級(jí)。
為實(shí)現(xiàn)第二個(gè)目的,根據(jù)本發(fā)明提供了一種圖像增強(qiáng)方法,該方法包括如下步驟檢測(cè)在輸入圖像信號(hào)中存在的具有脈沖分量的噪聲,修整檢測(cè)到的脈沖噪聲,并輸出除噪信號(hào);并根據(jù)一屏幕單元的除噪信號(hào)的灰度級(jí)分布來計(jì)算累積分布函數(shù)值和根據(jù)該累積分布函數(shù)值將該除噪信號(hào)映射到一新的灰度級(jí)。
參照附圖對(duì)最佳實(shí)施例的詳細(xì)描述,本發(fā)明的上述目的和優(yōu)點(diǎn)將變得更為明顯。這些附圖中
圖1是根據(jù)本發(fā)明的圖像增強(qiáng)電路的框圖;和圖2是圖1所示的圖像增強(qiáng)電路的詳細(xì)框圖。
參照?qǐng)D1,根據(jù)本發(fā)明的圖像增強(qiáng)電路包括除噪器100,用于檢測(cè)在輸入圖像信號(hào)中所包含的脈沖噪聲和修整所檢測(cè)到的脈沖噪聲;和直方圖均衡器200,用于對(duì)除噪信號(hào)進(jìn)行直方圖均衡。
圖2是圖1所示的圖像增強(qiáng)電路的詳細(xì)框圖,圖1所示電路的操作將參照?qǐng)D2加以描述。
在圖2中,除噪器100中的窗口發(fā)生器102輸出多個(gè)(這里是兩個(gè))窗口WL和WM的樣本和一個(gè)輸入樣本Y[i][j]。這里,例如,第一和第二窗口WL和WM的尺寸被分別設(shè)置成5×5和3×3。
此外,窗口發(fā)生器102在根據(jù)遞歸/非遞歸式噪聲消除模式控制信號(hào)(S)在遞歸式噪聲消除模式期間,用從選擇器116反饋回的除噪信號(hào)Y[i][j]替代輸入樣本。
第一均值和偏差計(jì)算器104接收由窗口發(fā)生器102產(chǎn)生的第一窗口WL的每個(gè)樣本,并利用方程(1)來計(jì)算第一窗口WL的平均樣本值A(chǔ)L和利用方程(2)來計(jì)算第一窗口WL的樣本的絕對(duì)偏差的均值DL。AL=1(2L1+1)(2L2+1)Σl=-L1L1Σm=-L2L2Y[i+l][j+m]---(1)]]>DL-1(2L1+1)(2L2+1)Σl=-L1L1Σm=-L2L2|Y[i+l][j+m]-AL|---(2)]]>當(dāng)輸入樣本Y[i][j]和第一窗口WL的平均樣本值A(chǔ)L之間的絕對(duì)差值大于由予定參數(shù)K乘以絕對(duì)偏差的均值DL而獲得的KDL,即|Y[i][j]-AL|>KDL時(shí),第一異常值(outlier)檢測(cè)器106通過確定包含在輸入樣本Y[i][j]中的脈沖分量來輸出第一異常值檢測(cè)信號(hào)。
第二均值和偏差計(jì)算器108接收由窗口發(fā)生器102產(chǎn)生的第二窗口WM的每個(gè)樣本,并利用方程(3)來計(jì)算第二窗口WM的平均樣本值A(chǔ)M和利用方程(4)來計(jì)算第二窗口WM的樣本的絕對(duì)偏差的均值DM。AM=1(2M1+1)(2M2+1)Σl=-M1M1Σm=-M2M2Y[i+l][j+m]---(3)]]>DM=1(2M1+1)(2M2+1)Σl=-M1M1Σm=-M2M2|Y[i+l][j+m]-AM|---(4)]]>當(dāng)輸入樣本Y[i][j]和第二窗口WM的平均樣本值A(chǔ)M之間的絕對(duì)差值大于由預(yù)定參數(shù)K乘以絕對(duì)偏差的均值DM而獲得的KDM,即|Y[i][j]-AM|>KDM時(shí),第二異常值檢測(cè)器110通過確定包含在輸入樣本Y[i][j]中的脈沖分量來輸出第二異常值檢測(cè)信號(hào)。
當(dāng)由第一和第二異常值檢測(cè)器106和110產(chǎn)生的第一和第二異常值檢測(cè)信號(hào)均產(chǎn)生時(shí),選擇控制信號(hào)發(fā)生器112選擇修整均值濾波器114的輸出,另外,它還產(chǎn)生一選擇控制信號(hào),用于將由窗口發(fā)生器102輸出的輸入樣本Y[i][j]進(jìn)行旁路。
與此同時(shí),修整均值濾波器114利用方程(5)修整由窗口發(fā)生器102產(chǎn)生的第二窗口WM的樣本。雖然在本發(fā)明實(shí)施例中將修整窗口(TM)作為第二窗口WM,但是修整窗口的尺寸是可變的。Ytr[i][j]=1|TM|Σl=-M1M1Σm=-M2M2WlmT[i+l][j+m]---(5)]]>其中
這里,當(dāng)T[i+I][j+m]為0時(shí),意味著W1m是第二窗口WM的異常值。同樣,|TM|=Σl=-M1M1Σm=-M2M2T[i+l][j+m]---(7)]]>表示未修整的樣本數(shù)。
修整的等級(jí)由參數(shù)K來控制。例如,當(dāng)K為∞時(shí),沒有經(jīng)修整的樣本,而當(dāng)K為0時(shí),所有樣本都在修整窗口中修整。這樣,通過根據(jù)通道狀態(tài)適當(dāng)選擇參數(shù)K可獲得各種噪聲消除特征。
根據(jù)由選擇控制信號(hào)發(fā)生器112產(chǎn)生的選擇控制信號(hào),即只有當(dāng)在第一和第二異常值檢測(cè)器106和110中檢測(cè)到了所有異常值時(shí),選擇器116才選擇修整均值濾波器114的輸出Ytr[i][j],另外,選擇器116通過對(duì)由窗口發(fā)生器102輸出的輸入樣本[i][j]進(jìn)行旁路來輸出除噪信號(hào)YN[i][j]。
與此同時(shí),當(dāng)隔行圖像信號(hào)被用于場(chǎng)內(nèi)模式時(shí),則需要水平濾波器118、絕對(duì)值電路(absolutizer)120和比較器122。
也就是說,通過對(duì)由窗口發(fā)生器102產(chǎn)生第一窗口WL的中心行矢量和預(yù)定加權(quán)矢量的操作,水平濾波器118計(jì)算水平量(H)。絕對(duì)值電路ABS 120計(jì)算由水平濾波器118計(jì)算出的水平量(H)的絕對(duì)值。比較器122將由絕對(duì)值電路120輸出的水平量(H)與預(yù)定常數(shù)(T)進(jìn)行比較,并當(dāng)水平量(H)大于常數(shù)(T)時(shí)產(chǎn)生一比較控制信號(hào)。根據(jù)由選擇控制信號(hào)產(chǎn)生器112產(chǎn)生的選擇控制信號(hào)和由比較器122產(chǎn)生的比較控制信號(hào),選擇器116選擇修整均值濾波器114的經(jīng)修整的輸出Ytr[i][j]或由窗口發(fā)生器102輸出的輸入樣本Y[i][j]。即,只在當(dāng)指明所有的異常值均在第一和第二異常值檢測(cè)器106和110中檢測(cè)到的選擇控制信號(hào)和指明由水平濾波器118計(jì)算出的水平量(H)大于預(yù)定常數(shù)(H)的比較控制信號(hào)輸入時(shí),選擇器116才去選擇經(jīng)修整的輸出Ytr[i][j]。另外,選擇器116選擇輸入樣本Y[i][j]和將所選擇的輸入樣本作為除噪信號(hào)YN[i][j]輸出。
與此同時(shí),在幀直方圖均衡器200中的幀直方圖計(jì)算器202以屏幕單元接收由除噪器100輸出的除噪信號(hào)(YN[i][i]=XK)以計(jì)算灰度級(jí)分布,并根據(jù)所計(jì)算出的灰度級(jí)分布來計(jì)算由方程(8)所表示的概率密度函數(shù)p(Xk)。屏幕單元可以是場(chǎng),但在這里設(shè)置為幀。p(Xk)nkn,for k=0,1,...,L1---(8)]]>這里,nk表示在給定圖像{X}中的灰度級(jí)Xk出現(xiàn)的次數(shù),n表示在給定圖像{X}中的樣本總數(shù)。
CDF計(jì)算器204接收由幀直方圖計(jì)算器202輸出的概率密度函數(shù)p(Xk)和利用方程(9)來計(jì)算累積密度函數(shù)c(Xk)。c(Xk)=Σj=0kp(Xj)---(9)]]>CDF存儲(chǔ)器206根據(jù)同步信號(hào)以屏幕單元更新由CDF計(jì)算器204計(jì)算出的累積密度函數(shù)c(Xk),并向映射器208提供在更新期間存儲(chǔ)的一幀之前的累積密度函數(shù)c(Xk)。這里,當(dāng)屏幕單元是一場(chǎng)時(shí),該同步信號(hào)是一場(chǎng)同步信號(hào),而當(dāng)該屏幕單元是一幀時(shí),該同步信號(hào)是一幀同步信號(hào)。CDF存儲(chǔ)器206被用作緩沖器。
映射器208從CDF存儲(chǔ)器206讀取相應(yīng)于由除噪器100輸出的除噪輸入信號(hào)Xk的累積密度函數(shù)c(Xk),并將該除噪輸入圖像{Xk}映射到從0到XL-1范圍的灰度級(jí)。
為了向映射器208輸入對(duì)應(yīng)于由CDF計(jì)算器204所計(jì)算出的累積分布函數(shù)值的相同幀的輸入圖像信號(hào),還可提供用于將從除噪器100輸出的除噪信號(hào)Xk延遲一幀的幀存儲(chǔ)器。
與此同時(shí),例如,直方圖均衡器200的配置是利用典型的直方圖均衡技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。然而,當(dāng)直方圖均衡器200具有能利用直方圖增強(qiáng)對(duì)比度的配置時(shí),本發(fā)明可應(yīng)用所有種類的直方圖均衡技術(shù)。因此,本發(fā)明不限于典型的直方圖均衡。
本發(fā)明可應(yīng)用于與圖像增強(qiáng)相關(guān)的各個(gè)領(lǐng)域,例如,廣播裝置,雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng),醫(yī)學(xué)工程,家用電器,等等。
如上所述,本發(fā)明能夠通過首先消除輸入信號(hào)中包含的噪聲,對(duì)該除噪信號(hào)進(jìn)行直方圖均衡來增強(qiáng)對(duì)比度,并能夠通過防止噪聲放大來增強(qiáng)圖像質(zhì)量。
權(quán)利要求
1.一種用于通過控制相應(yīng)于由一預(yù)定灰度級(jí)數(shù)表示的圖像信號(hào)的灰度級(jí)來增強(qiáng)對(duì)比度的圖像增強(qiáng)電路,所述電路包括噪聲消除裝置,用于檢測(cè)輸入圖像信號(hào)中存在的具有的脈沖分量噪聲的噪聲,修整檢測(cè)到的脈沖噪聲,并輸出除噪信號(hào);和直方圖均衡裝置,用于根據(jù)一屏幕單元中的所述除噪信號(hào)的灰度級(jí)分布來計(jì)算累積分布函數(shù)值,并根據(jù)所述累積分布函數(shù)值將所述的除噪信號(hào)映射到新的灰度級(jí)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像增強(qiáng)電路,其中所述噪聲消除裝置包括窗口發(fā)生器,用于產(chǎn)生多個(gè)包含輸入樣本的具有不同尺寸的窗口;異常值檢測(cè)器,用于檢測(cè)每個(gè)窗口的平均樣本值和各個(gè)樣本的絕對(duì)偏差之間的均值,并用于檢測(cè)所述輸入樣本為異常值;選擇控制信號(hào)發(fā)生器,用于當(dāng)所述輸入樣本在所述異常值檢測(cè)器中被檢測(cè)為異常值時(shí)產(chǎn)生選擇控制信號(hào);修整器,用于利用包含所述輸入樣本的預(yù)定尺寸的修整窗口來輸出經(jīng)修整的信號(hào);和選擇器,用于當(dāng)所述輸入樣本中存在脈沖分量時(shí)根據(jù)所述選擇控制信號(hào)輸出所述經(jīng)修整的信號(hào),否則,輸出所述輸入樣本。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的圖像增強(qiáng)電路,其中所述窗口發(fā)生器根據(jù)遞歸/非遞歸式噪聲消除模式的遞歸式噪聲消除模式用所述選擇器的輸出信號(hào)來替代所述輸入樣本。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的圖像增強(qiáng)電路,進(jìn)一步包括用于通過對(duì)包含所述輸入樣本的預(yù)定尺寸的水平矢量和預(yù)定加權(quán)矢量進(jìn)行操作來檢測(cè)水平量的裝置;和比較器,用于將所述檢測(cè)的水平量與預(yù)定參數(shù)進(jìn)行比較,并產(chǎn)生比較控制信號(hào)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的圖像增強(qiáng)電路,其中當(dāng)所述輸入樣本中存在脈沖分量和所述檢測(cè)到的水平量大于所述預(yù)定參數(shù)時(shí),所述選擇器根據(jù)所述選擇控制信號(hào)和所述比較控制信號(hào)輸出所述經(jīng)修整的信號(hào),否則,就對(duì)所述輸入樣本照原樣進(jìn)行旁路。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的圖像增強(qiáng)電路,其中所述窗口發(fā)生器產(chǎn)生包含所述輸入樣本的具有不同尺寸的第一和第二窗口。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的圖像增強(qiáng)電路,其中所述異常值檢測(cè)裝置包括第一異常值檢測(cè)器,用于當(dāng)所述輸入樣本和所述第一窗口的平均樣本值之間的絕對(duì)差值大于由預(yù)定參數(shù)乘以所述第一窗口的絕對(duì)偏差的均值時(shí)通過確定輸入樣本中存在的脈沖分量來輸出第一異常值檢測(cè)信號(hào);和第二異常值檢測(cè)器,用于當(dāng)所述輸入樣本和所述第二窗口的平均樣本值之間的絕對(duì)差值大于由預(yù)定參數(shù)乘以所述第二窗口的絕對(duì)偏差的均值時(shí)通過確定輸出樣本中存在的脈沖分量來輸出第二異常值檢測(cè)信號(hào)。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的圖像增強(qiáng)電路,其中所述修整器是修整均值濾波器。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的圖像增強(qiáng)電路,其中所述修整窗口是從多個(gè)窗口中選出的一個(gè)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像增強(qiáng)電路,其中所述直方圖均衡裝置包括第一計(jì)算器,用于接收所述除噪信號(hào),以屏幕為單元計(jì)算灰度級(jí)分布,并輸出概率密度函數(shù)值;第二計(jì)算器,用于根據(jù)所述概率密度函數(shù)值來計(jì)算累積分布函數(shù)值;和映射器,用于根據(jù)所述計(jì)算出的累積分布函數(shù)值將所述除噪信號(hào)映射到一灰度級(jí)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的圖像增強(qiáng)電路,其中所述直方圖均衡裝置進(jìn)一步包括屏幕存儲(chǔ)器,用于將所述除噪信號(hào)延遲一屏并將該結(jié)果輸入給所述映射器,以便輸入具有與由所述第二計(jì)算器所計(jì)算出的所述累積分布函數(shù)值的屏幕相同的屏幕的信號(hào)。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的圖像增強(qiáng)電路,其中所述直方圖均衡裝置進(jìn)一步包括一緩沖器,用于以屏幕單元更新由所述第二計(jì)算器計(jì)算出的所述累積分布函數(shù)值,并在更新期間存儲(chǔ)的屏幕之前將累積分布函數(shù)值輸出到所述映射器。
13.一種用于通過控制相應(yīng)于由一預(yù)定灰度級(jí)數(shù)表示的圖像信號(hào)的灰度級(jí)來增強(qiáng)對(duì)比度的圖像增強(qiáng)方法,所述方法包括如下步驟(a),檢測(cè)輸入圖像信號(hào)中存在的具有脈沖分量的噪聲,修整所述檢測(cè)到的脈沖噪聲,并輸出除噪信號(hào);和(b),根據(jù)一屏幕單元中的所述除噪信號(hào)的灰度級(jí)分布來計(jì)算累積分布函數(shù)值,并根據(jù)所述累積分布函數(shù)值將所述除噪信號(hào)映射到新的灰度級(jí)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的圖像增強(qiáng)電路,其中所述步驟(a)包括如下子步驟(a1),產(chǎn)生多個(gè)包含輸入信號(hào)的具有不同尺寸的窗口;(a2),獲得對(duì)應(yīng)于每個(gè)窗口的平均樣本值和各個(gè)樣本的絕對(duì)偏差的均值;(a3),利用對(duì)應(yīng)于每個(gè)窗口的所述獲得的平均樣本值和各個(gè)樣本的絕對(duì)偏差的所述平均值來檢測(cè)在所述輸入信號(hào)中是否存在脈沖分量;和(a4),當(dāng)在所述輸入信號(hào)中存在所述脈沖分量時(shí),在包含所述輸入信號(hào)的預(yù)定尺寸的修整窗口中修整各個(gè)樣本,否則,則對(duì)所述輸入信號(hào)照原樣進(jìn)行旁路。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的圖像增強(qiáng)方法,其中在所述步驟(a3)中,當(dāng)在至少兩個(gè)窗口中的所述輸入信號(hào)中存在所述脈沖分量時(shí),則確定在所述輸入信號(hào)中存在所述脈沖分量。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的圖像增強(qiáng)方法,其中所述修整窗口是從所述多個(gè)窗口中選出的一個(gè)。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的圖像增強(qiáng)方法,其中所述步驟(a4)包括如下子步驟(a4-1),通過對(duì)包含所述輸入信號(hào)的預(yù)定尺寸的水平矢量和預(yù)定加權(quán)矢量的操作來檢測(cè)水平量;和(a4-2),當(dāng)在所述輸入信號(hào)中存在脈沖分量和所述檢測(cè)的水平量大于預(yù)定參數(shù)時(shí),則在包含所述輸入信號(hào)的預(yù)定尺寸的修整窗口中修整各個(gè)樣本,否則,對(duì)所述輸入信號(hào)照原樣進(jìn)行旁路。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的圖像增強(qiáng)方法,其中所述步驟(a4)包括如下子步驟(a4-11),當(dāng)在所述輸入信號(hào)中存在脈沖分量時(shí),則修整在多個(gè)窗口的一個(gè)窗口中的各樣本并將經(jīng)修整的信號(hào)作為輸出信號(hào)輸出,否則,對(duì)所述輸入信號(hào)照原樣作為所述輸出信號(hào)進(jìn)行旁路;和(a4-12),用所述輸出信號(hào)替代所述輸入信號(hào)并將所述輸出信號(hào)反饋到所述步驟(a1)以輸入下一個(gè)輸入信號(hào)。
19.根據(jù)權(quán)利要求13所述的圖像增強(qiáng)方法,其中所述步驟(b)包括如下子步驟(b1),以屏幕單元計(jì)算所述除噪信號(hào)的灰度級(jí)分布,并輸出概率密度函數(shù)值;(b2),根據(jù)所述概率密度函數(shù)值來計(jì)算累積分布函數(shù)值;和(b3),根據(jù)所述計(jì)算出的累積分布函數(shù)值將所述除噪信號(hào)映射到一灰度級(jí)。
全文摘要
圖像增強(qiáng)電路包括:除噪器,用于檢測(cè)存在于輸入圖像信號(hào)中的具有脈沖分量的噪聲,修整檢測(cè)到的脈沖噪聲,并輸出除噪信號(hào);和直方圖均衡器,用于根據(jù)一屏幕單元中的除噪信號(hào)的灰度級(jí)分布來計(jì)算累積分布函數(shù)值,并根據(jù)該累積分布函數(shù)值將該除噪信號(hào)映射到新的灰度級(jí)。該電路首先移去在輸入信號(hào)中包含的噪聲,然后對(duì)該除噪信號(hào)進(jìn)行直方圖均衡,從而增強(qiáng)了對(duì)比度。此外還防止了噪聲放大從而改進(jìn)了圖像質(zhì)量。
文檔編號(hào)H04N5/57GK1179059SQ9711379
公開日1998年4月15日 申請(qǐng)日期1997年6月20日 優(yōu)先權(quán)日1996年6月20日
發(fā)明者成在 申請(qǐng)人:三星電子株式會(huì)社