用以調整圖像的對比度的方法及裝置的製作方法
2023-04-28 06:54:26
專利名稱：用以調整圖像的對比度的方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明是關於一種圖像處理方法與裝置，並且特別地，本發明是關於一種用於圖像對比伸張的方法與裝置。
背景技術：
圖像對比伸張是指將圖像的灰階(gray scale)範圍擴張到顯示器所能涵蓋的最大範圍。以可顯示8位灰階的顯示器為例，該顯示器的256個灰階通常被表示為灰階0～灰階255。一般而言，由於圖像信號會因信號衰減和噪聲幹擾等因素損失部分灰階，顯示器實際接收到的圖像信號的灰階數通常是小於256。圖像對比伸張的目的即為增加圖像灰階分布的範圍，藉此增強圖像對比、提升圖像質量。
請參閱圖1所繪示的已知圖像對比伸張裝置的方塊圖。圖像對比伸張裝置10主要包含統計模塊11、增益產生模塊12與對比增強模塊13三大區塊。統計模塊11又包含第一統計單元11A、第二統計單元11B、第三統計單元11C。
彩色圖像包含紅、綠、藍三種顏色的像素。第一統計單元11A、第二統計單元11B與第三統計單元11C是分別用以統計輸入圖像中紅、綠、藍三色像素各自的灰階分布狀況。統計的結果可繪製成如圖2所示的圖像特性直方圖(histogram)的範例。圖2(A)至圖2(C)是分別繪示同一張圖像中紅、綠、藍三色像素各自的灰階分布狀況，其中的水平軸代表灰階值(範圍在0～256之間)，垂直軸則代表具有某一灰階值的像素的數量。由圖像特性直方圖可了解該輸入圖像的灰階分布狀況。
根據上述的圖像特性直方圖，第一統計單元11A、第二統計單元11B與第三統計單元11C可分別找出紅、綠、藍三色像素各自對應的最大灰階值(Rmax、Gmax、Bmax)及最小灰階值(Rmin、Gmin、Bmin)。現有的某些圖像處理方法是將各個顏色對應的最大灰階值定義為圖像特性直方圖右邊算起0.5％面積處所對應的灰階值，最小灰階值則被定義為圖像特性直方圖左邊算起0.5％面積處所對應的灰階值。
接著，增益產生模塊12是由紅、綠、藍三色各自對應的最大灰階值中選出最高的一個做為該輸入圖像的最大灰階值(Max)。同樣地，該圖像的最小灰階值(Min)為紅、綠、藍三色各自的最小灰階值中的最低者。傳統的圖像對比伸張運算的方程式為G=255G-MinMax-Min,]]>……………(式一)其中的G代表某一像素的原始灰階值，G」代表經過伸張後該像素的灰階值。
式一也可以被改寫為另一個形式G″＝k×(G-Min)，…………(式二)其中，k=255Max-Min.]]>……………(式三)式三中的k一般稱為對比伸張係數或對比增益。
增益產生模塊12首先根據式三計算出對比增益(k)，再將最小灰階值(Min)與對比增益(k)傳送給對比增強模塊13。對比增強模塊13根據式二，分別對該輸入圖像中的每一個像素進行圖像對比伸張運算，藉此得出該輸出圖像。
以圖3(A)所示的圖像為例，該圖像原始的最大灰階值等於151、最小灰階值等於0。根據式三可計算出k等於1.59，而經過圖像伸張後的結果為圖3(B)。相較之下，可發現圖3(B)的明暗對比度較圖3(A)高出許多。
現有技術的缺點在於，統計紅、綠、藍三色像素各自的灰階分布狀況時需要三個統計單元(11A、11B、11C)，因此相當耗費硬體資源。
發明內容
為解決上述問題，本發明提供一種圖像處理的方法與裝置。一般而言，每個彩色畫面都可被分割為許多個各自包含有紅、綠、藍三色像素的小區塊。根據本發明的方法與裝置首先將各區塊中紅、綠、藍三色像素的灰階整合為亮度(luminance)值，接著再統計該畫面中的亮度分布狀況。根據由統計結果中選出的最大亮度值與最小亮度值，本發明即可產生對比伸張運算時需要的最小灰階值(Min)與對比增益(k)。相較於現有技術，根據本發明的圖像處理裝置僅需要一個統計單元，因此可大幅節省硬體成本。
根據本發明的一較佳具體實施例為一種用以處理目標視頻框(videoframe)的裝置。該目標視頻框是包含於視頻串流(video stream)中，並且該目標視頻框包含M個圖像單元(image unit)。每一個該圖像單元各自包含N個原始像素。M和N皆為正整數。每一個該原始像素各自具有原始灰階。在本實施例中，該裝置包含轉換模塊、增益產生模塊和對比增強模塊。該轉換模塊用以產生M個亮度，並且該轉換模塊於產生該M個亮度中的第i個亮度時，是根據該M個圖像單元中的第i個圖像單元的該N個原始像素的該等原始灰階。i為範圍在1至M之間的整數指標。該轉換模塊並且根據該M個亮度產生最大亮度與最小亮度。接著，該增益產生模塊根據該最大亮度與該最小亮度產生對比增益與最小輸入灰階。該對比增強模塊則是根據該對比增益與該最小輸入灰階調整該輸入圖像中的各原始灰階，以產生輸出視頻框。
根據本發明的另一較佳具體實施例為一種用以處理目標視頻框的方法。該方法首先產生M個亮度(luminance)，於產生該M個亮度中的第i個亮度時，是根據該M個圖像單元中的第i個圖像單元的該N個原始像素的該等原始灰階。接著，該方法根據該M個亮度產生最大亮度與最小亮度。該方法根據該最大亮度與該最小亮度產生對比增益與最小輸入灰階。根據該對比增益與該最小輸入灰階，該方法可調整該目標視頻框中該等原始像素的該等原始灰階，以產生輸出視頻框。
根據本發明的另一個方面，還提供了一種用以處理輸入圖像的裝置，該輸入圖像包含M個圖像單元，每一個該圖像單元各自包含N個原始像素，M和N皆為正整數，每一個該原始像素各自具有原始灰階，該裝置包含轉換模塊，該轉換模塊用以產生M個亮度，該轉換模塊於產生該M個亮度中的第i個亮度時，是根據該M個圖像單元中的第i個圖像單元的該N個原始像素的該等原始灰階，i為範圍在1至M之間的整數指針，該轉換模塊並且根據該M個亮度產生最大亮度(Ymax)與最小亮度(Ymin)；增益產生模塊，該增益產生模塊用以根據該最大亮度(Ymax)與該最小亮度(Ymin)產生對比增益(k)與最小輸入灰階(Min)；以及對比增強模塊，該對比增強模塊用以根據該對比增益(k)與該最小輸入灰階(Min)調整該目標視頻框中該等原始像素的該等原始灰階，以產生輸出圖像。
根據本發明的另一個方面，還提供了一種用以處理輸入圖像的方法，該輸入圖像包含M個圖像單元，每一個該圖像單元各自包含N個原始像素，M和N皆為正整數，每一個該原始像素各自具有原始灰階，該方法包含下列步驟(a)產生M個亮度，於產生該M個亮度中的第i個亮度時，是根據該M個圖像單元中的第i個圖像單元的該N個原始像素的該等原始灰階，i為範圍在1至M之間的整數指標；(b)根據該M個亮度產生最大亮度(Ymax)與最小亮度(Ymin)；(c)根據該最大亮度(Ymax)與該最小亮度(Ymin)產生對比增益(k)與最小輸入灰階(Min)；以及(d)根據該對比增益(k)與該最小輸入灰階(Min)調整該輸入圖像中該等原始像素的該等原始灰階，以產生輸出圖像。
關於本發明的優點與精神可以通過以下的發明詳述及所附圖式得到進一步的了解。
圖1是繪示已知的圖像對比伸張裝置的方塊圖。
圖2A至2C是繪示一圖像特性直方圖(histogram)的範例。
圖3A和3B是繪示一經過圖像伸張前/後的圖像的範例。
圖4是繪示根據本發明的第一較佳具體實施例的圖像處理裝置的方塊圖。
圖5A至5C是繪示轉換模塊41與增益產生模塊42的幾種可能實施方式。
圖6是繪示根據本發明的第二較佳具體實施例的圖像處理方法的流程圖。
圖7A至7C是繪示本發明的實驗結果。
10圖像對比伸張裝置 11統計模塊11A第一統計單元11B第二統計單元11C第三統計單元12增益產生模塊13對比增強模塊 40圖像處理裝置41轉換模塊 41A轉換單元41B統計單元41C平滑單元42增益產生模塊 42A產生單元42A42B平均單元43對比增強模塊S61～S64流程步驟
具體實施例方式
本發明的主要目的是提供一種增強畫面對比度的圖像處理方法與裝置。本發明可用以調整單一張獨立的圖像，亦可用以調整視頻串流中的各視頻框。
本發明假設目標視頻框包含M個圖像單元(image unit)，每一個該圖像單元又各自包含N個原始像素，其中M和N皆為正整數。該目標視頻框中的每一個原始像素各自具有原始灰階。該目標視頻框中的每一個該原始像素選擇性地為紅色像素(R)、綠色像素(G)、或藍色像素(B)。
根據本發明的第一較佳具體實施例為圖像處理裝置。請參閱圖4。圖4是繪示該圖像處理裝置40的方塊圖。圖像處理裝置40包含轉換模塊41、增益產生模塊42和對比增強模塊43。
轉換模塊41在依序或同時接收該M個圖像單元之後，用以為每一個圖像單元產生亮度Y。更明確地說，轉換模塊41根據該M個圖像單元中的第i個圖像單元的該N個原始像素的該等原始灰階，產生該M個亮度中的第i個亮度Yi。i為範圍在1至M之間的整數指標。接著，轉換模塊41利用如繪製直方圖(histogram)等統計的方式，根據該M個亮度產生最大亮度(Ymax)與最小亮度(Ymin)。增益產生模塊42根據該最大亮度(Ymax)與該最小亮度(Ymin)產生對比增益(k)與最小輸入灰階(Min)。對比增強模塊43則是根據該對比增益(k)與該最小輸入灰階(Min)調整該輸入圖像中的各原始灰階，以產生輸出視頻框。
假設該M個圖像單元中的第i個圖像單元包含紅色原始像素、綠色原始像素、與藍色原始像素，並且該紅色原始像素具有第一灰階值(Ri)，該綠色原始像素具有第二灰階值(Gi)，該藍色原始像素具有第三灰階值(Bi)。於實際應用中，轉換模塊41可根據下列方程式計算YiYi＝0.299*Ri+0.587*Gi+0.114*Bi。……………(式四)式四為已知的轉換關係式，用以表示圖像單元的亮度值與該圖像單元中紅、綠、藍三色像素的灰階值的關係。
圖5(A)是繪示轉換模塊41的一種可能實現方式。轉換單元41A用以根據該第i個圖像單元中的Ri、Gi、Bi產生Yi。統計單元41B則是利用統計的方式，由該M個亮度(Y1～YM)中選出最大亮度Ymax與最小亮度Ymin。
由於該目標視頻框在進入圖像處理裝置40之前，可能已由其它圖像處理晶片進行銳利化(sharpen)處理，為了排除銳利化處理對該等輸入灰階造成的影響，增益產生模塊41可如圖5(B)所示，選擇性地包含平滑單元(smoothingunit)41C。平滑單元41C首先針對該第i個圖像單元中的Ri、Gi、Bi進行平滑化計算(smoothing calculation)，為該第i個圖像單元產生平滑後的灰階Ri』、Gi』、Bi』。轉換單元41A接著將Ri、Gi、Bi轉換為Yi。統計單元41B同樣是利用統計的方式，由該M個亮度(Y1～YM)中選出最大亮度Ymax與最小亮度Ymin。
另一方面，由於噪聲可能會使轉換模塊41所選出的最大亮度Ymax與最小亮度Ymin有所偏差，進而使後續產生的對比增益(k)不正常地變大/變小，增益產生模塊42可能如圖5(C)所示，選擇性地包含平均單元42B。假設在該視頻串流中，該目標視頻框是鄰近於P個鄰近視頻框，其中P為正整數。圖5(C)中的產生單元42A可首先根據該最大亮度(Ymax)與該最小亮度(Ymin)以查表的方式產生初步增益(kp)與初步最小輸入灰階(Minp)。平均單元42B可接著將該初步增益(kp)與P個鄰近增益平均以產生對比增益(k)。該P個鄰近增益分別為該P個鄰近視頻框的對比增益。平均單元42B並可將該初始最小輸入灰階(Minp)與P個鄰近最小灰階平均以產生該最小輸入灰階(Min)。該P個鄰近最小灰階分別為該N個鄰近視頻框的最小輸入灰階。通過平均的方式，本發明可降低噪聲的影響、避免因噪聲造成畫面閃爍的問題。
於實際應用中，對比增強模塊43可根據式二與對比增益(k)、最小輸入灰階(Min)，分別對該輸入視頻框中的每一個像素進行圖像對比伸張運算，藉此得出該輸出視頻框。
請參閱圖6。根據本發明的第二較佳具體實施例為一種用以處理目標視頻框的方法。該方法首先執行步驟S61，產生M個亮度(luminance)。於產生該M個亮度中的第i個亮度的過程中，該方法是根據該M個圖像單元中的第i個圖像單元的該N個原始像素的該等原始灰階，i為範圍在1至M之間的整數指標。接著，該方法執行步驟S62，根據該M個亮度產生最大亮度(Ymax)與最小亮度(Ymin)。步驟S63是根據該最大亮度(Ymax)與該最小亮度(Ymin)產生對比增益(k)與最小輸入灰階(Min)。最後，該方法執行步驟S64，根據該對比增益(k)與該最小輸入灰階(Min)調整該目標視頻框中該等原始像素的該等原始灰階，以產生輸出視頻框。
請參閱圖7。圖7(A)是未經圖像伸張前的圖片範例。圖7(B)是圖7(A)經已知的圖像對比伸張技術處理過後的結果。圖7(C)則是圖7(A)經根據本發明的方法/裝置處理過後的結果。相較之下，可發現圖7(C)與圖7(B)的效果相似。
經由實驗證明，根據本發明的圖像對比伸張方法和現有技術所得的效果相似。並且，根據本發明的圖像處理裝置僅需要一個統計單元，因此可大幅節省硬體成本。舉例而言，假設每一個統計單元需要256位的存儲器，則現有技術的圖像處理裝置需要256*3位的存儲器，而本發明僅需要256位的存儲器。
通過以上較佳具體實施例的詳述，是希望能更加清楚描述本發明的特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明的範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請的權利要求範圍的範疇內。
權利要求
1.一種用以處理目標視頻框的裝置，該目標視頻框是包含於視頻串流中，該目標視頻框包含M個圖像單元，每一個該圖像單元各自包含N個原始像素，M和N皆為正整數，每一個該原始像素各自具有原始灰階，該裝置包含轉換模塊，該轉換模塊用以產生M個亮度，該轉換模塊於產生該M個亮度中的第i個亮度時，是根據該M個圖像單元中的第i個圖像單元的該N個原始像素的該等原始灰階，i為範圍在1至M之間的整數指針，該轉換模塊並且根據該M個亮度產生最大亮度(Ymax)與最小亮度(Ymin)；增益產生模塊，該增益產生模塊用以根據該最大亮度(Ymax)與該最小亮度(Ymin)產生對比增益(k)與最小輸入灰階(Min)；以及對比增強模塊，該對比增強模塊用以根據該對比增益(k)與該最小輸入灰階(Min)調整該目標視頻框中該等原始像素的該等原始灰階，以產生輸出視頻框。
2.根據權利要求1所述的裝置，其中該目標視頻框中的每一個該原始像素選擇性地為紅色像素、綠色像素、或藍色像素。
3.根據權利要求2所述的裝置，其中該M個圖像單元中的第i個圖像單元的該N個原始像素包含紅色原始像素、綠色原始像素、與藍色原始像素，該紅色原始像素具有第一灰階值(Ri)，該綠色原始像素具有第二灰階值(Gi)，該藍色原始像素具有第三灰階值(Bi)。
4.根據權利要求3所述的裝置，其中該轉換模塊根據下列方程式產生該M個亮度中的第i個亮度(Yi)Yi＝a*Ri+b*Gi+c*Bi，其中a、b、c為增益係數。
5.根據權利要求4所述的裝置，其中a等於0.299、b等於0.587、c等於0.114。
6.根據權利要求1所述的裝置，其中該轉換模塊包含轉換單元，該轉換單元用以根據該第i個圖像單元的該N個原始像素的該等原始灰階，產生該M個亮度中的第i個亮度；以及統計單元，該統計單元利用統計的方式，由該M個亮度中選出該最大亮度(Ymax)與該最小亮度(Ymin)。
7.根據權利要求1所述的裝置，其中該轉換模塊包含平滑單元，該平滑單元用以針對該第i個圖像單元的該N個原始像素的該等原始灰階進行平滑化計算，為該第i個圖像單元產生N個平滑後的灰階；轉換單元，該轉換單元用以根據對應於該第i個圖像單元的該N個平滑後的灰階，產生該M個亮度中的第i個亮度；以及統計單元，該統計單元利用統計的方式，由該M個亮度中選出該最大亮度(Ymax)與該最小亮度(Ymin)。
8.根據權利要求1所述的裝置，其中在該視頻串流中，該目標視頻框是鄰近於P個鄰近視頻框，P為正整數，並且該增益產生模塊包含產生單元，該產生單元用以根據該最大亮度(Ymax)與該最小亮度(Ymin)產生初步增益與初步最小輸入灰階；以及平均單元，該平均單元用以將該初步增益與P個鄰近增益平均以產生該對比增益(k)，該P個鄰近增益是與該N個鄰近視頻框相關，該平均單元並且將該初始最小輸入灰階與P個鄰近最小灰階平均以產生該最小輸入灰階(Min)，該P個鄰近最小灰階亦與該P個鄰近視頻框相關。
9.一種用以處理輸入圖像的裝置，該輸入圖像包含M個圖像單元，每一個該圖像單元各自包含N個原始像素，M和N皆為正整數，每一個該原始像素各自具有原始灰階，該裝置包含轉換模塊，該轉換模塊用以產生M個亮度，該轉換模塊於產生該M個亮度中的第i個亮度時，是根據該M個圖像單元中的第i個圖像單元的該N個原始像素的該等原始灰階，i為範圍在1至M之間的整數指針，該轉換模塊並且根據該M個亮度產生最大亮度(Ymax)與最小亮度(Ymin)；增益產生模塊，該增益產生模塊用以根據該最大亮度(Ymax)與該最小亮度(Ymin)產生對比增益(k)與最小輸入灰階(Min)；以及對比增強模塊，該對比增強模塊用以根據該對比增益(k)與該最小輸入灰階(Min)調整該目標視頻框中該等原始像素的該等原始灰階，以產生輸出圖像。
10.一種用以處理目標視頻框的方法，該目標視頻框是包含於視頻串流中，該目標視頻框包含M個圖像單元，每一個該圖像單元各自包含N個原始像素，M和N皆為正整數，每一個該原始像素各自具有原始灰階，該方法包含下列步驟(a)產生M個亮度，於產生該M個亮度中的第i個亮度時，是根據該M個圖像單元中的第i個圖像單元的該N個原始像素的該等原始灰階，i為範圍在1至M之間的整數指標；(b)根據該M個亮度產生最大亮度(Ymax)與最小亮度(Ymin)；(c)根據該最大亮度(Ymax)與該最小亮度(Ymin)產生對比增益(k)與最小輸入灰階(Min)；以及(d)根據該對比增益(k)與該最小輸入灰階(Min)調整該目標視頻框中該等原始像素的該等原始灰階，以產生輸出視頻框。
11.根據權利要求10所述的方法，其中該目標視頻框中的每一個該原始像素選擇性地為紅色像素、綠色像素，或藍色像素。
12.根據權利要求11所述的方法，其中該M個圖像單元中的第i個圖像單元的該N個原始像素包含紅色原始像素、綠色原始像素、與藍色原始像素，該紅色原始像素具有第一灰階值(Ri)，該綠色原始像素具有第二灰階值(Gi)，該藍色原始像素具有第三灰階值(Bi)。
13.根據權利要求12所述的方法，其中步驟(a)根據下列方程式產生該M個亮度中的第i個亮度(Yi)Yi＝a*Ri+b*Gi+c*Bi，其中a、b、c為增益係數。
14.根據權利要求13所述的方法，其中a等於0.299、b等於0.587、c等於0.114。
15.根據權利要求10所述的方法，其中步驟(a)包含下列子步驟(a1)針對該第i個圖像單元的該N個原始像素的該等原始灰階進行平滑化計算，為該第i個圖像單元產生N個平滑後的灰階；以及(a2)根據對應於該第i個圖像單元的該N個平滑後的灰階，產生該M個亮度中的第i個亮度。
16.根據權利要求10所述的方法，其中步驟(b)是利用統計的方式由該M個亮度中選出該最大亮度(Ymax)與該最小亮度(Ymin)。
17.根據權利要求10所述的方法，其中在該視頻串流中，該目標視頻框是鄰近於P個鄰近視頻框，P為正整數，並且步驟(c)包含下列子步驟(c1)根據該最大亮度(Ymax)與該最小亮度(Ymin)產生初步增益與初步最小輸入灰階；以及(c2)將該初步增益與P個鄰近增益平均以產生該對比增益(k)，該P個鄰近增益是與該N個鄰近視頻框相關，該平均單元並且將該初始最小輸入灰階與P個鄰近最小灰階平均以產生該最小輸入灰階(Min)，該P個鄰近最小灰階亦與該P個鄰近視頻框相關。
18.一種用以處理輸入圖像的方法，該輸入圖像包含M個圖像單元，每一個該圖像單元各自包含N個原始像素，M和N皆為正整數，每一個該原始像素各自具有原始灰階，該方法包含下列步驟(a)產生M個亮度，於產生該M個亮度中的第i個亮度時，是根據該M個圖像單元中的第i個圖像單元的該N個原始像素的該等原始灰階，i為範圍在1至M之間的整數指標；(b)根據該M個亮度產生最大亮度(Ymax)與最小亮度(Ymin)；(c)根據該最大亮度(Ymax)與該最小亮度(Ymin)產生對比增益(k)與最小輸入灰階(Min)；以及(d)根據該對比增益(k)與該最小輸入灰階(Min)調整該輸入圖像中該等原始像素的該等原始灰階，以產生輸出圖像。
全文摘要
本發明提供一種處理包含M個圖像單元的輸入圖像的裝置。每一該圖像單元包含N個原始像素；每一該輸入像素具有原始灰階。該裝置包含轉換模塊、增益產生模塊、對比增強模塊。該轉換模塊用以產生M個亮度。該轉換模塊於產生該M個亮度中的第i個亮度時，根據該M個圖像單元中的第i個圖像單元的該N個原始像素的該等原始灰階。該轉換模塊並根據該M個亮度產生最大亮度與最小亮度。該增益產生模塊根據該最大亮度與最小亮度產生對比增益與最小輸入灰階。該對比增強模塊根據該對比增益與最小輸入灰階調整該輸入圖像。
文檔編號G09G5/10GK101052096SQ20061007403
公開日2007年10月10日 申請日期2006年4月4日 優先權日2006年4月4日
發明者謝東霖, 黃鈺雯, 李信宏, 陳旭宏 申請人:廣達電腦股份有限公司