一種自適應彩色圖像處理方法及系統的製作方法

2023-11-04 11:50:32 1

專利名稱：一種自適應彩色圖像處理方法及系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及圖像處理領域，更具體的說，涉及一種自適應彩色圖像處理方法及系 統。
背景技術：
目前在大多數情況下，在彩色圖像的獲取過程中，由於成像傳感器的動態範圍有 限導致採集的圖像局部曝光不足、色彩暗淡、對比度低及細節損失，這極大限制和影響了後 續圖像分析與理解的研究工作。因此，有必要對採集到的圖像進行增強處理，來改善圖像的 視覺效果、突出圖像的特徵。現有技術中常見的灰度圖像增強技術有伽瑪校正、自動色階 (autolevels)、USM銳化(UnSharp Masking, USM)、直方圖均衡化等全局增強算法，以及局 部直方圖均衡化、同態濾波等局部增強算法。但是，由於彩色圖像具有顏色信息，現階段研 究人員尚未完全了解大腦的顏色處理機制，因此，彩色圖像的處理遠比灰度圖像複雜，很多 針對灰度圖像的處理方法不能直接推廣到彩色圖像處理。因此，在研究HVS (Human Visual System，人眼視覺系統)特性的基礎上，已經提出了許多彩色圖像增強算法。現有技術中主 要包括兩類基於視覺感知的彩色圖像增強方法第一類，從人眼對顏色的感知特性出發，提 出了基於顏色恆常性的Retinex算法和ACE (Automatic Color Equalization,自動顏色均 衡化)算法。其中，Retinex算法是一類應用最為廣泛的方法。Retinex算法能夠同時實現圖 像的全局和局部對比度增強、動態範圍壓縮以及基於灰度假設(gray world assumption) 的顏色恆常性。ACE算法綜合了 GW(Gray World)和WP (White Patch)顏色校正機制。第二 類，基於HVS的全局和局部自適應特性，提出了仿生(bio-inspired)彩色圖像增強方法，用 於增強圖像的全局和局部對比度，而不考慮顏色恆常性的問題。但是，採用上述現有技術中基於視覺感知的方法對彩色圖像進行處理，仍然存在 以下缺點其一，採用Retinex算法，當圖像整體或者局部區域違背灰度假設時，處理後的 顏色將變為灰色調，從而產生灰化(graying out)效應，此外，沿圖像邊緣會產生Halo效 應；其二，採用第二類中的一種仿生彩色圖像增強方法，在全局自適應亮度調整過程中利用 冪指數小於1的冪函數，雖然能夠增強了圖像中暗區域的對比度，但是降低了亮區域的對 比度；而且利用雙邊濾波計算鄰域像素的加權平均值，仍不可避免地在圖像邊緣處產生的 過增強現象。

發明內容
有鑑於此，本發明提供了一種自適應彩色圖像處理方法及系統，解決了現有技術 中在對圖像進行處理時，造成的圖像亮區域對比度降低、圖像邊緣處產生的過增強現象、以 及沿圖像邊緣產生的Halo效應和灰化效應的問題。為實現上述目的，本發明提供如下技術方案一種自適應彩色圖像處理方法，包括讀取一幀待處理圖像；
利用非線性反S型函數對所述待處理圖像的亮度分量進行全局自適應變換，得到 全局增強亮度圖像；依據所述全局增強亮度圖像中的中心像素與鄰域像素的亮度的對應關係，對所述 全局增強亮度圖像的局部對比度進行調整，獲得局部增強亮度圖像；利用所述局部增強亮度圖像與所述待處理圖像的亮度分量兩者之間的比值，對所 述待處理圖像進行線性顏色恢復，獲取彩色增強圖像。優選的，所述利用非線性反S型函數對所述待處理圖像的亮度分量進行全局自適 應變換，得到全局增強亮度圖像的過程具體為確定非線性映射的區間範圍，將所述亮度分量的灰度範圍映射到所述區間範圍 內，獲取灰度級壓縮的圖像；利用非線性反S型函數對所述灰度級壓縮的圖像進行非線性灰度級變換，獲得反 S型變換圖像；將所述反S型變換圖像的值歸一化，獲取全局自適應變換後的所述全局增強亮度 圖像。優選的，所述依據所述對應關係對所述全局增強亮度圖像的局部對比度進行調 整，獲得局部增強亮度圖像的過程為獲取全局增強亮度圖像；利用所述增強函數對所述全局增強亮度圖像進行處理，得到所述局部增強亮度圖像。優選的，獲取所述增強函數的過程包括確定所述中心像素與所述鄰域像素的亮度差值；獲取所述亮度差值在飽和函數範圍內的對應值；確定所述中心像素與所述鄰域像素的空間距離；獲取以所述中心像素為中心的小鄰域內，所述亮度差值在飽和函數範圍內的對應 值與所述空間距離之間的比值之和，得到所述增強函數。優選的，對所述待處理圖像進行線性顏色恢復的過程為利用局部增強亮度圖像與所述待處理圖像的亮度分量兩者之間的比值，獲得顏色 復原函數；利用獲取到的所述顏色復原函數等比例乘以所述待處理圖像中的各顏色分量，得 到所述彩色增強圖像。優選的，所述非線性映射的區間範圍為[Smin，smax]，其中，Smin為S(Vmin), Smax為 S(Vfflax)，S(V)為S型函數，Vmin值的取值範圍為"6 -3，Vfflax值的取值範圍為1 6。優選的，所述飽和函數的取值範圍為0 1，所述飽和函數的斜率為_3。一種自適應彩色圖像處理系統，包括讀取單元，用於讀取一幀待處理圖像；全局亮度調整單元，用於利用非線性反S型函數對所述待處理圖像的亮度分量進 行全局自適應變換，得到全局增強亮度圖像；局部亮度調整單元，用於依據所述全局增強亮度圖像中的中心像素與鄰域像素的 亮度的對應關係，對所述全局增強亮度圖像的局部對比度進行調整，獲得局部增強亮度圖像；顏色恢復單元，用於利用所述局部增強亮度圖像與所述待處理圖像的亮度分量兩 者之間的比值，對所述待處理圖像進行線性顏色恢復，獲取彩色增強圖像。優選的，所述全局亮度調節單元中主要包括灰度級壓縮單元，用於確定非線性映射的區間範圍，將所述亮度分量的灰度範圍 映射到所述區間範圍內，獲取灰度級壓縮的圖像；非線性映射單元，用於利用非線性反S型函數對所述灰度級壓縮的圖像進行非線 性灰度級變換，獲得反S型變換圖像；歸一化單元，用於將所述反S型變換圖像的值歸一化，獲取全局自適應變換後的 所述全局增強亮度圖像。優選的，所述局部亮度調整單元中主要包括增強函數獲取單元，用於獲取所述亮度差值在飽和函數範圍內的對應值，以及確 定所述中心像素與所述鄰域像素的亮度差值和空間距離，並依據獲取以所述中心像素為 中心的小鄰域內，所述亮度差值在飽和函數範圍內的對應值與所述空間距離之間的比值之 和，得到所述增強函數；局部調整單元，用於利用所述增強函數對所述全局增強亮度圖像進行處理，得到 所述局部增強亮度圖像。經由上述的技術方案可知，與現有技術相比，本發明公開了一種自 適應彩色圖像處理方法及系統，基於HVS的亮度適應機理，利用神經元的非線性反S型函數 對彩色降質視頻中的待處理圖像進行全局自適應變換，並獲取全局增強亮度圖像；然後再 基於HVS的側抑制機理對全局增強亮度圖像的局部對比度進行增強，並獲取局部增強亮度 圖像；利用所述局部增強亮度圖像與待處理圖像的亮度分量兩者之間的比值，對所述待處 理圖像進行線性顏色恢復，獲取彩色增強圖像。通過本發明的方法與系統，能夠自適應地調 節待處理圖像的亮度，並同時調節暗區域和亮區域的對比度和亮度，而且能夠有效地增強 待處理圖像的局部對比度，並抑制待處理圖像邊緣產生的過增強現象，且較好地保持了圖 像的顏色。此外也不會產生灰化效應和Halo效應，在圖像處理的過程中取得更好的增強效^ ο


為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現 有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本 發明的實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據 提供的附圖獲得其他的附圖。圖1為本發明實施例一公開的一種自適應彩色圖像處理方法的流程圖；圖2為非線性S型函數；圖3為本發明實施例二公開的一種自適應彩色圖像處理方法的流程圖；圖4為用於全局亮度自適應變換的非線性映射曲線；圖5為增強函數中所用到的飽和函數；圖6a為本發明公開的方法與現有技術中的方法進行比較時的原圖的亮度分量直方圖；圖6b為採用現有技術對圖6a進行彩色增強處理後的亮度分量直方圖；圖6c為採用本發明對圖6a進行彩色增強處理後的亮度分量直方圖；圖7a為本發明公開的方法與現有技術中的方法進行比較時的原圖的R、G、B分量 直方圖；圖7b為採用現有技術對圖7a進行彩色增強處理後的R、G、B分量直方圖；圖7c為採用本發明對圖7a進行彩色增強處理後的R、G、B分量直方圖；圖8為本發明實施例二公開的一種自適應彩色圖像處理的系統結構示意圖。
具體實施例方式下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於 本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他 實施例，都屬於本發明保護的範圍。本發明公開了一種自適應彩色圖像處理方法及系統，通過利用非線性反S型函數 對降質彩色視頻中的待處理圖像進行全局自適應變換，獲取全局增強亮度圖像；然後再對 所述全局增強亮度圖像的局部對比度進行增強，並獲取增強後的局部增強亮度圖像；利用 所述局部增強亮度圖像與所述待處理圖像的亮度分量兩者之間的比值，對所述待處理圖像 進行線性顏色恢復，獲取彩色增強圖像。下面對本發明的方法下面將進行詳細說明。實施例一如圖1所示，本發明的方法主要包括以下步驟步驟S101，讀取一幀待處理圖像。執行步驟S101，從彩色降質視頻序列中讀取一幀視頻圖像I(X) = (IE (x), Ig (χ), Ib(x))T，該視頻圖像即為待處理圖像，是具有R、G、B三個分量的彩色圖像。其中，該待處理 圖像寬為W個像素、高為H個像素，由於圖像是二維空間，因此上式中的χ代表向量，χ也可 用(m,n)表示，其中，0彡m彡W-1，0彡η彡H-l，m、n、W、H均為非負整數。步驟S102，利用 非線性反S型函數對所述待處理圖像的亮度分量進行全局自適應變換，得到全局增強亮度 圖像La(X)。人眼具有對高動態範圍和明暗亮度適應的特性，雖然能夠響應的照度範圍高達13 個對數單位，但是並不能同時在這個範圍內工作；對於人眼所具有的明暗亮度適應主要指， 人眼能夠根據環境光照的變化，自動調節對亮度的適應過程，而人眼的適應明暗條件變化 的過程稱為亮度適應。其中，從亮到暗的過程稱為暗適應，從暗到亮的過程稱為亮適應。基於上述HVS的亮度適應機理，執行步驟S102，利用非線性反S型函數對待處理圖 像中的亮度進行全局自適應變換，即利用非線性反S型函數進行灰度級映射，從而完成全 局自適應調節待處理圖像亮度的過程，得到全局增強亮度圖像La(X)。在本發明中只對待處理圖像的亮度分量L(X)進行處理，在HSV顏色空間中，彩色 圖像的亮度分量L(X)具體為L(x) = max {Ικ (χ)，IG(x)，Ib (χ)} ； (1)在(1)式中，所述Ik(X)、Ie(x)和Ib(X)分別代表顏色空間中點χ處像素的R(Red，紅色)、G (Green，綠色)和B (Blue，藍色)。因此可以避免現有技術中分別處理R、G、B通道 易導致顏色失真，且增加計算量帶來的功耗問題。即僅對待處理圖像的亮度分量進行處理， 降低了執行該步驟時產生的功耗。本發明公開的實施例一中，在HSV顏色空間的亮度分量是計算各顏色分量的最大 值，但是，本發明並不僅限於此，在HSI顏色空間的亮度分量是計算3個顏色分量的平均值， 也可以用PCA變換後的第一主成分。另外，也可以採用其他顏色空間轉換方法。需要說明的是，S型函數定義為
權利要求
一種自適應彩色圖像處理方法，其特徵在於，包括讀取一幀待處理圖像；利用非線性反S型函數對所述待處理圖像的亮度分量進行全局自適應變換，得到全局增強亮度圖像；依據所述全局增強亮度圖像中的中心像素與鄰域像素的亮度的對應關係，對所述全局增強亮度圖像的局部對比度進行調整，獲得局部增強亮度圖像；利用所述局部增強亮度圖像與所述待處理圖像的亮度分量兩者之間的比值，對所述待處理圖像進行線性顏色恢復，獲取彩色增強圖像。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述利用非線性反S型函數對所述待處理 圖像的亮度分量進行全局自適應變換，得到全局增強亮度圖像的過程具體為確定非線性映射的區間範圍，將所述亮度分量的灰度範圍映射到所述區間範圍內，獲 取灰度級壓縮的圖像；利用非線性反S型函數對所述灰度級壓縮的圖像進行非線性灰度級變換，獲得反S型 變換圖像；將所述反S型變換圖像的值歸一化，獲取全局自適應變換後的所述全局增強亮度圖像。
3.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述依據所述對應關係對所述全局增強 亮度圖像的局部對比度進行調整，獲得局部增強亮度圖像的過程為獲取全局增強亮度圖像；利用所述增強函數對所述全局增強亮度圖像進行處理，得到所述局部增強亮度圖像。
4.根據權利要求3所述的方法，其特徵在於，獲取所述增強函數的過程包括確定所述中心像素與所述鄰域像素的亮度差值；獲取所述亮度差值在飽和函數範圍內的對應值；確定所述中心像素與所述鄰域像素的空間距離；獲取以所述中心像素為中心的小鄰域內，所述亮度差值在飽和函數範圍內的對應值與 所述空間距離之間的比值之和，得到所述增強函數。
5.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，對所述待處理圖像進行線性顏色恢復的 過程為利用局部增強亮度圖像與所述待處理圖像的亮度分量兩者之間的比值，獲得顏色復原 函數；禾IJ用獲取到的所述顏色復原函數等比例乘以所述待處理圖像中的各顏色分量，得到所 述彩色增強圖像。
6.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於，所述非線性映射的區間範圍為[smin， SmaJ，其中，Smin為S (vmin)，Smax為S (vmax)，s (ν)為S型函數，Vmin值的取值範圍為_6 -3， Vmax值的取值範圍為1 6。
7.根據權利要求4所述的方法，其特徵在於，所述飽和函數的取值範圍為0 1，所述 飽和函數的斜率為_3。
8.一種自適應彩色圖像處理系統，其特徵在於，包括讀取單元，用於讀取一幀待處理圖像；全局亮度調整單元，用於利用非線性反S型函數對所述待處理圖像的亮度分量進行全 局自適應變換，得到全局增強亮度圖像；局部亮度調整單元，用於依據所述全局增強亮度圖像中的中心像素與鄰域像素的亮度 的對應關係，對所述全局增強亮度圖像的局部對比度進行調整，獲得局部增強亮度圖像；顏色恢復單元，用於利用所述局部增強亮度圖像與所述待處理圖像的亮度分量兩者之 間的比值，對所述待處理圖像進行線性顏色恢復，獲取彩色增強圖像。
9.根據權利要求8所述的系統，其特徵在於，所述全局亮度調節單元中主要包括灰度級壓縮單元，用於確定非線性映射的區間範圍，將所述亮度分量的灰度範圍映射 到所述區間範圍內，獲取灰度級壓縮的圖像；非線性映射單元，用於利用非線性反S型函數對所述灰度級壓縮的圖像進行非線性灰 度級變換，獲得反S型變換圖像；歸一化單元，用於將所述反S型變換圖像的值歸一化，獲取全局自適應變換後的所述 全局增強亮度圖像。
10.根據權利要求8所述的系統，其特徵在於，所述局部亮度調整單元中主要包括增強函數獲取單元，用於獲取所述亮度差值在飽和函數範圍內的對應值，以及確定所 述中心像素與所述鄰域像素的亮度差值和空間距離，並依據獲取以所述中心像素為中心的 小鄰域內，所述亮度差值在飽和函數範圍內的對應值與所述空間距離之間的比值之和，得 到所述增強函數；局部調整單元，用於利用所述增強函數對所述全局增強亮度圖像進行處理，得到所述 局部增強亮度圖像。全文摘要
本發明公開了一種自適應彩色圖像處理方法及系統，其方法為讀取一幀待處理圖像；利用非線性反S型函數對待處理圖像的亮度分量進行全局自適應變換，得到全局增強亮度圖像；依據全局增強亮度圖像中的中心像素與鄰域像素的亮度的對應關係，對全局增強亮度圖像的局部對比度進行調整，獲得局部增強亮度圖像；利用局部增強亮度圖像與待處理圖像的亮度分量兩者之間的比值，對待處理圖像進行線性顏色恢復，獲取彩色增強圖像。通過本發明的方法與系統，能夠自適應地調節待處理圖像亮度，同時增強暗區域和亮區域的對比度，且能夠有效地增強待處理圖像的局部對比度，並抑制圖像邊緣產生的過增強現象，且較好地保持了圖像的顏色，取得更好的增強效果。
文檔編號G09G5/02GK101951523SQ20101029011
公開日2011年1月19日 申請日期2010年9月21日 優先權日2010年9月21日
發明者李大鵬, 禹晶, 肖創柏 申請人:北京工業大學