專利名稱：自適應(yīng)對比度增強的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及對比度增強，并且更特別地涉及一種利用原始傳遞(transfer)曲線生成用于自適應(yīng)對比度增強的傳遞曲線的方法。
背景技術(shù)：
在顯示器和電視中傳統(tǒng)的對比度調(diào)整方法沒有考慮輸入圖像的內(nèi)容，并導(dǎo)致無意的平均亮度偏移以及飽和或削波。例如，當在已經(jīng)具有良好對比度的圖像上增加對比度時會得到差的結(jié)果，以及當圖像具有大部分為非常亮或非常暗的像素時也會得到差的對比度。類似地，降低對比度將通?！跋[(black out)”已經(jīng)具有差的對比度的圖像。
因此，需要改善的對比度增強的技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
因此，提供了一種自適應(yīng)對比度增強的方法，該方法允許在不增加亮度范圍的數(shù)量的條件下擴展可用參考傳遞曲線的數(shù)量。給定一幅輸入圖像，產(chǎn)生一個亮度直方圖。接著，所述亮度直方圖被表示為一組預(yù)定的“原始”直方圖的加權(quán)和。每個原始直方圖具有一個相關(guān)的參考傳遞曲線。產(chǎn)生最終傳遞曲線以作為相關(guān)參考傳遞曲線的一個對應(yīng)加權(quán)和。然后，可以根據(jù)最終傳遞曲線來調(diào)整所述圖像的亮度，從而導(dǎo)致增強的圖像對比度。


本發(fā)明通過在附圖的圖中的實例而不是作為限制來說明，其中類似的附圖標記指的是類似的單元，以及其中圖1a示出根據(jù)本發(fā)明實施例的一幅示例的中等亮度的圖像以及該圖像的直方圖。
圖1b示出根據(jù)本發(fā)明實施例的一幅示例的暗(低亮度)圖像以及該圖像的直方圖。
圖1c示出根據(jù)本發(fā)明實施例的三個示例的亮度范圍。
圖2a示出一幅示例圖像，以及圖2b示出基于所述示例的三個亮度范圍所產(chǎn)生的示例圖像的亮度直方圖。
圖3示出根據(jù)本發(fā)明實施例的示例的一組9個原始直方圖H1，...，H9。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，圖4a示出一幅示例的輸入圖像和相關(guān)直方圖，以及圖4b示出該圖像的對比度增強形式和相關(guān)直方圖。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，圖5a、5b和5c說明與3個原始直方圖H7、H8和H9對應(yīng)的三個示例的參考傳遞曲線TF7(x)、TF8(x)和TF9(x)。
圖6是根據(jù)本發(fā)明實施例說明一種用于自適應(yīng)增強圖像的對比度的方法的流程圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在將詳細參考本發(fā)明的特定實施例，其中的例子由

。雖然本發(fā)明將結(jié)合特定實施例進行描述，但可以理解的是并不打算將本發(fā)明限于所描述的實施例。相反地，其打算覆蓋如由所附權(quán)利要求書限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)可以包括的的替換、修改和等同物。為了顯示而預(yù)備一幅圖像時當例如在諸如液晶顯示器(LCD)、有機發(fā)光二極管(OLED)屏幕、數(shù)字光處理器(DLP)、陰極射線管(CRT)、等離子板或其它類型的顯示器之類的顯示器上準備顯示一幅圖像時，期望通過調(diào)整像素的亮度級來增強該圖像的對比度。可以利用傳遞曲線來描述輸入亮度級(luminance level)與輸出亮度級之間的映射。由于不同圖像具有不同的亮度直方圖，所以期望使該傳遞曲線適合手邊的特定圖像以便獲得最佳的對比度增強。
一種方法是把亮度光譜(spectrum)分成多個亮度范圍，每個亮度范圍與一個參考傳遞曲線相關(guān)，將與圖像中它們的亮度范圍的表示成比例的參考傳遞曲線求和，并用該和作為傳遞曲線來處理圖像亮度。雖然該方法工作良好，但是通過擴展可用參考傳遞曲線的數(shù)量來改善對比度增強需要亮度范圍的數(shù)量的增加，從而在淡入淡出的過程中(例如在視頻流中)增添邊緣情形(boundarycase)并產(chǎn)生不均勻的對比度增強。因此期望在不增加預(yù)定亮度范圍的數(shù)量的條件下擴展可用參考傳遞曲線的數(shù)量。
因此，本發(fā)明在不增加預(yù)定亮度范圍的數(shù)量的條件下擴展可用參考傳遞曲線的數(shù)量。首先為手邊的圖像生成亮度直方圖。其次，該亮度直方圖被表示為一組預(yù)定的“原始”直方圖的加權(quán)和。雖然原始直方圖的數(shù)量大于亮度范圍的數(shù)量，但是所需的足夠近似亮度直方圖的原始直方圖的數(shù)量一般小于可用的原始直方圖的總數(shù)。每個原始直方圖具有一個相關(guān)的參考傳遞曲線。產(chǎn)生最終的傳遞曲線以作為相關(guān)參考傳遞曲線的對應(yīng)加權(quán)和。根據(jù)最終傳遞曲線可以處理圖像的亮度，從而導(dǎo)致圖像對比度的增強。
圖1a示出一幅示例的中等亮度的圖像以及該圖像的直方圖，以及圖1b示出示例的暗(低亮度)圖像以及該圖像的直方圖。直方圖的水平軸表示亮度值，而垂直軸表示具有給定亮度值的像素的數(shù)量。例如，對于圖1b中的暗場景，亮度直方圖表明大部分像素具有低亮度，而對于圖1a中中等亮度場景，亮度直方圖表明具有較多的較亮的像素。
現(xiàn)在將利用劃分圖像亮度光譜的三個亮度范圍的實例來描述本發(fā)明。然而應(yīng)該注意的是，下面的描述實際上是示例性的，并且因此不應(yīng)該解釋為限制本在本說明中，使用了三個示例的亮度范圍低亮度范圍、中等亮度范圍和高亮度范圍。圖1c示出根據(jù)本發(fā)明實施例的三個示例的亮度范圍11、12和13。所述亮度范圍是用戶可定義的，且可以被選擇重疊以提供平滑的對比度增強。作為例子，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)0％-40％的低亮度范圍、30％-70％的中等亮度范圍和60％-100％的高亮度范圍工作良好。
一旦定義了亮度范圍，就本發(fā)明來說，產(chǎn)生一個亮度直方圖來對應(yīng)于每個亮度范圍內(nèi)的圖像像素的數(shù)量的計數(shù)。在三個亮度范圍的示例情形中，這種直方圖可以用三個條來顯示，每個條表示在一個特定亮度范圍內(nèi)的圖像像素的比例。圖2a示出一幅示例的圖像，以及圖2b示出基于所述三個亮度范圍所產(chǎn)生的該示例圖像的亮度直方圖。圖像亮度直方圖的產(chǎn)生優(yōu)選以硬件來進行，盡管應(yīng)該認識到它還可以部分或全部地以軟件或其它計算層來進行。
在為輸入圖像產(chǎn)生亮度直方圖(下文稱為源直方圖)之后，目的是用一組預(yù)定的原始直方圖的加權(quán)和來表示源直方圖。，圖3示出根據(jù)本發(fā)明實施例的示例的一組9個原始直方圖H1，...，H9。H1可被描述為具有單調(diào)下降的暗度的暗色，H2為具有單調(diào)上升的亮度的亮色，H3為均勻的亮色，H4為沒有明顯亮色細節(jié)的暗色，H5為沒有明顯暗色細節(jié)的亮色，H6為明顯的暗色和亮色區(qū)域，H7為深暗色，H8為中亮色，以及H9為高亮色。
源直方圖可以表示為兩個或更多個原始直方圖的加權(quán)和(具有正的加權(quán))。加權(quán)和可以不與源直方圖精確匹配，但是它將與源直方圖非常類似。一種產(chǎn)生上述加權(quán)和的貪婪算法(greedy algorithm)是選擇第一原始直方圖，所述直方圖在利用最大的正加權(quán)進行適當加權(quán)時與源直方圖的差別最小。接著，通過選擇第二原始直方圖來類似地縮小源直方圖與第一加權(quán)原始直方圖之間的剩余差別(如果有的話)，其中，當利用最大的正加權(quán)進行適當加權(quán)并與第一加權(quán)原始直方圖相加時，所述直方圖使得在加權(quán)和與源直方圖之間的差別最小。
作為例子，假設(shè)H1和H5是從所有原始直方圖中選出以用作上述算法中的第一和第二原始直方圖，那么它們的加權(quán)和可以寫成w1·H1+w2·H5，其中w1和w1表示適當選擇的正加權(quán)?？蛇x地，上述算法可以繼續(xù)包括用于產(chǎn)生三個或更多原始直方圖的加權(quán)和的附加原始直方圖?？芍獌蓚€或三個原始直方圖的加權(quán)和將與源直方圖足夠接近，以至于能夠?qū)崿F(xiàn)高度增強的圖像對比度。
產(chǎn)生圖像的原始直方圖的加權(quán)和的另一個試探法(heuristic)是首先只用兩個方塊(bin)產(chǎn)生該圖像的一個初步直方圖，其中第一方塊表示亮度光譜中較低的一半，以及第二方塊表示較高的一半。接著，該初步直方圖被用于表明該圖像是否具有低亮度(第一方塊包含比第二方塊明顯更多的像素)、中等亮度(第一和第二方塊包含大約相同數(shù)量的像素)或高亮度(第二方塊包含比第一方塊明顯更多的像素)?？梢悦鞔_地定義閾值。例如，如果代表較少的方塊包含45％的像素，那么該圖像被宣稱為具有中等亮度，否則該圖像被宣稱為低亮度或高亮度。對低亮度圖像來說，對于加權(quán)和不予考慮高亮度原始直方圖H2和H9。對高亮度圖像來說，低亮度直方圖H1和H7被排除。對中等亮度圖像來說，低亮度和高亮度原始直方圖H2、H9、H1和H7被排除。然后，利用上述貪婪算法將源直方圖表示為未排除的原始直方圖的加權(quán)和。
優(yōu)選地，原始直方圖通過固件來選擇并添加以便改善性能，盡管應(yīng)該認識到它還可以全部或部分地以軟件或其它計算層來進行。
一旦得到了原始直方圖的一個適當?shù)募訖?quán)和，則產(chǎn)生了一個最終傳遞曲線。對應(yīng)于原始直方圖H1，...，H9的是用戶定義的參考傳遞曲線TF1(x)，...，TF9(x)，其中TFi(x)表示產(chǎn)生的適合于增強圖像對比度的參考傳遞曲線，所述圖像的直方圖類似于原始直方圖Hi。
作為例子，圖5a、5b和5c是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例來說明與三個原始直方圖H7、H8和H9對應(yīng)的三個示例的參考傳遞曲線TF7(x)、TF8(x)和TF9(x)。注意，TF7(x)在圖像的暗區(qū)域中降低亮度而基本上不改變中等和高亮度區(qū)域的亮度；TF9(x)在圖像的亮區(qū)域中增加亮度而基本上不改變中等和低亮度區(qū)域的亮度；以及TF8(x)在高亮度區(qū)域中增加亮度并在低亮度區(qū)域中降低亮度，而基本上不改變圖像中等亮度范圍的亮度。
產(chǎn)生最終傳遞曲線T(x)以作為對應(yīng)的參考傳遞曲線的加權(quán)和T(x)＝w1·TF1(x)+w2·TF2(x)。用于產(chǎn)生最終傳遞曲線的加權(quán)與用于原始直方圖的加權(quán)對應(yīng)。然后可以用最終傳遞曲線T(x)調(diào)整圖像的像素亮度，從而增強圖像的對比度。
通常，用于加權(quán)和的原始直方圖的數(shù)量以及因此用于對應(yīng)加權(quán)和的參考傳遞曲線的數(shù)量可被限制為每個加權(quán)和兩個或三個。然而上述例子僅用于說明的目的?？梢杂杏糜谶x擇的任意數(shù)量的原始直方圖Hi和對應(yīng)的參考傳遞曲線Ti(x)，可以選擇任意數(shù)量的原始直方圖以包含在加權(quán)和 中來近似源直方圖，以及可以選擇任意的對應(yīng)數(shù)量的參考傳遞曲線以包含在代表最終傳遞曲線T(x)的加權(quán)和 中。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，圖6是說明一種用于自適應(yīng)地增強圖像的對比度的方法的流程圖。給定一個輸入圖像，產(chǎn)生101直方圖，并將該直方圖表示102為原始直方圖的加權(quán)和。接著產(chǎn)生103最終傳遞曲線以作為與原始直方圖相關(guān)的參考傳遞曲線的對應(yīng)加權(quán)和。一旦產(chǎn)生了最終傳遞曲線，就可以相應(yīng)地調(diào)整104圖像亮度。
對于在圖像序列中(比如在視頻流中)平滑的對比度增強，可以基于最近幀的累積圖像內(nèi)容來產(chǎn)生最終傳遞函數(shù)。該技術(shù)的一個實施方式包括累積最近一組幀的直方圖并計算它們的平均值。然后用原始直方圖的加權(quán)和來表示所得的平均直方圖，從而產(chǎn)生如上所述的最終傳遞函數(shù)。當執(zhí)行這種平均技術(shù)時，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)5至15幀的緩沖器工作良好。
本發(fā)明的一個優(yōu)點是加快了參考傳遞曲線的開發(fā)。一個與給定原始直方圖對應(yīng)的給定參考傳遞曲線只需要對具有與給定原始直方圖相似亮度的直方圖的圖像進行驗證。在上述示例組的9個原始直方圖中，只需要設(shè)計并從而驗證9個對應(yīng)的傳遞曲線。這顯著地削減了開發(fā)時間，因為與包含很多不同原始直方圖以便發(fā)現(xiàn)副作用的材料所需的許多小時相比，由于參考傳遞曲線的相互依賴，所以參考傳遞曲線不需要被驗證和優(yōu)化。
本發(fā)明的另一個優(yōu)點是減少了對硬件資源的需求。采用上述僅僅三個亮度直方圖范圍(或直方圖“方塊”)的例子，有可能實現(xiàn)可與在傳統(tǒng)增強對比度方法中采用8或16個方塊相比或更好的對比度增強的性能。
本發(fā)明的另一個優(yōu)點是在不犧牲圖像分辨率的條件下改善對比度的動態(tài)范圍。作為例子，圖4a示出輸入的原始圖像以及相關(guān)直方圖，以及圖4b示出增強的輸出圖像以及相關(guān)直方圖。注意，在增強圖像的亮度直方圖中，暗色和亮色像素被進一步展開(即提高了動態(tài)范圍)，而中等亮度像素大部分未受影響。
雖然本發(fā)明在數(shù)字顯示設(shè)備上顯示圖像的背景下進行了描述，但應(yīng)當理解的是同樣的技術(shù)可以用于自適應(yīng)對比度增強被限于顯示器中的一個區(qū)域的環(huán)境中。作為例子，用于電影的自適應(yīng)對比度增強可將水平跨過顯示器或屏幕的上部和下部的黑帶排除在外。作為例子，自適應(yīng)對比度的增強可限制在顯示器的用戶可定義區(qū)域，例如顯示器的窗口或物理區(qū)域。
本發(fā)明的上述實施例是作為描述和說明來提供的。它們不打算將本發(fā)明限制到所描述的精確形式。根據(jù)上述教導(dǎo)，其它的變形和實施例也是可能的，并且因此打算本發(fā)明的范圍不由此具體實施方式
來限制，而是由后面的權(quán)利要求書來限定。
權(quán)利要求
1.一種用于產(chǎn)生傳遞函數(shù)的方法，包括通過一組原始直方圖的第一加權(quán)和來近似一幅圖像的亮度直方圖，每個原始直方圖與來自一組參考傳遞函數(shù)的對應(yīng)參考傳遞函數(shù)相關(guān)；以及產(chǎn)生一個最終傳遞函數(shù)，其被表示為所述組參考函數(shù)的第二加權(quán)和；其中第二加權(quán)和中的參考函數(shù)是根據(jù)第一加權(quán)和中相關(guān)的原始直方圖來加權(quán)的。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括基于輸入圖像產(chǎn)生圖像亮度直方圖。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述組參考傳遞函數(shù)中的每個參考傳遞函數(shù)被選擇以優(yōu)化圖像對比度的增強，所述圖像具有根據(jù)與參考傳遞函數(shù)相關(guān)的原始直方圖進行分布的亮度值。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述組參考傳遞函數(shù)中的第一參考傳遞函數(shù)在基本上不改變中等亮度和高亮度圖像區(qū)域的亮度的條件下，降低暗圖像區(qū)域中的亮度，所述第一參考傳遞函數(shù)與表明主要為亮圖像的原始直方圖相關(guān)。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述組參考傳遞函數(shù)中的第一參考傳遞函數(shù)在基本上不改變中等亮度和低亮度圖像區(qū)域的亮度的條件下，增加亮圖像區(qū)域中的亮度，所述第一參考傳遞函數(shù)與表明主要為暗圖像的原始直方圖相關(guān)。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中第一加權(quán)和包括至多兩個具有正加權(quán)的原始直方圖，以及第二加權(quán)和包括至多兩個具有正加權(quán)的參考傳遞曲線。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中第一加權(quán)和包括至多三個具有正加權(quán)的原始直方圖，以及第二加權(quán)和包括至多三個具有正加權(quán)的參考傳遞曲線。
8.一種用于產(chǎn)生傳遞函數(shù)的裝置，包括一個控制器，用于(a)通過一組原始直方圖的第一加權(quán)和來近似一幅圖像的亮度直方圖，每個原始直方圖與來自一組參考傳遞函數(shù)的對應(yīng)參考傳遞函數(shù)相關(guān)；以及(b)產(chǎn)生一個最終傳遞函數(shù)，其被表示為所述組參考函數(shù)的第二加權(quán)和；其中所述第二加權(quán)和中的參考傳遞函數(shù)是根據(jù)第一加權(quán)和中相關(guān)的原始直方圖來加權(quán)的。
9.如權(quán)利要求8所述的裝置，所述控制器還包括基于輸入圖像產(chǎn)生圖像亮度直方圖。
10.如權(quán)利要求8所述的裝置，其中所述組參考傳遞函數(shù)中的每個參考傳遞函數(shù)被選擇以優(yōu)化圖像對比度的增強，所述圖像具有根據(jù)與參考傳遞函數(shù)相關(guān)的原始直方圖進行分布的亮度值。
11.如權(quán)利要求8所述的裝置，其中所述組參考傳遞函數(shù)中的第一參考傳遞函數(shù)在基本上不改變中等亮度和高亮度圖像區(qū)域的亮度的條件下，降低暗圖像區(qū)域中的亮度，所述第一參考傳遞函數(shù)與表明主要為亮圖像的原始直方圖相關(guān)。
12.如權(quán)利要求8所述的裝置，其中所述組參考傳遞函數(shù)中的第一參考傳遞函數(shù)在基本上不改變中等亮度和低亮度圖像區(qū)域的亮度的條件下，增加亮圖像區(qū)域中的亮度，所述第一參考傳遞函數(shù)與表明主要為暗圖像的原始直方圖相關(guān)。
13.如權(quán)利要求8所述的裝置，其中第一加權(quán)和包括至多兩個具有正加權(quán)的原始直方圖，以及第二加權(quán)和包括至多兩個具有正加權(quán)的參考傳遞曲線。
14.如權(quán)利要求8所述的裝置，其中第一加權(quán)和包括至多三個具有正加權(quán)的原始直方圖，以及第二加權(quán)和包括至多三個具有正加權(quán)的參考傳遞曲線。
全文摘要
公開了一種產(chǎn)生用于自適應(yīng)對比度增強的傳遞曲線的方法。給定一個輸入圖像，基于一組預(yù)定的輸入亮度范圍產(chǎn)生一幅亮度直方圖。接著，所述亮度直方圖被表示為一組預(yù)定的“原始”直方圖的加權(quán)和。每個原始直方圖具有一個相關(guān)的參考傳遞曲線。產(chǎn)生一個最終傳遞曲線以作為相關(guān)參考傳遞曲線的對應(yīng)加權(quán)和。然后，可以根據(jù)最終傳遞曲線調(diào)整所述圖像的亮度，從而導(dǎo)致增強的圖像對比度。所公開的方法可以在不增加亮度范圍的數(shù)量的條件下擴展可用參考傳遞曲線的數(shù)量。
文檔編號G06T5/40GK1770847SQ20051012494
公開日2006年5月10日 申請日期2005年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月15日
發(fā)明者C·莫爾德維 申請人:創(chuàng)世紀微芯片公司