一種顏色恒常的彩色圖像清晰度增強(qiáng)方法
【專利摘要】一種顏色恒常的彩色圖像清晰度增強(qiáng)方法，包括根據(jù)圖像的紅綠藍(lán)三個波段計算亮度圖像；設(shè)定鄰域半徑，計算亮度圖像在每個像素鄰域上的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，得到鄰域均值圖像和鄰域標(biāo)準(zhǔn)差圖像；根據(jù)鄰域均值圖像和鄰域標(biāo)準(zhǔn)差圖像，自適應(yīng)計算每個像素點的權(quán)重；根據(jù)鄰域均值圖像和權(quán)重，重新計算新的亮度圖像；根據(jù)顏色恒常性的原理，基于新的亮度圖像和原始亮度圖像，對原始圖像的三個波段進(jìn)行同比增強(qiáng)，得到顏色恒常的清晰度增強(qiáng)結(jié)果圖像。本發(fā)明方法能夠在大幅提高圖像清晰度的同時，盡可能地減少色彩失真，保持顏色恒常性，有效提高增強(qiáng)圖像的視覺效果。
【專利說明】
一種顏色恒常的彩色圖像清晰度増強(qiáng)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于圖像處理技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種顏色恒常的彩色圖像清晰度增強(qiáng)方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于彩色成像設(shè)備在數(shù)碼設(shè)備，多媒體，生物醫(yī)學(xué)和互聯(lián)網(wǎng)中的廣泛使用，彩色圖 像處理技術(shù)越來越受到人們的重視。由于各方面的因素制約或條件限制，往往得到的彩色 圖像質(zhì)量可能會不理想，出現(xiàn)圖像模糊、清晰度不高等情況，因此在后續(xù)圖像處理前，常常 需要對彩色圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理，以提供有效的特征信息，或者改善其質(zhì)量來獲得令人滿意 的視覺效果。
[0003] 彩色圖像是由灰度圖像組成的，通過灰度圖像的增強(qiáng)，可以達(dá)到彩色圖像增強(qiáng)的 目的?；叶葓D像增強(qiáng)的主要方法如:對比度拉伸、限幅、直方圖均衡化等在很多文獻(xiàn)資料中 有詳細(xì)的討論，但是這些方法不能直接用于彩色圖像增強(qiáng)，主要在于增強(qiáng)彩色圖像的時候 像素的色度值不能被改變，不然，圖像的視覺效果會發(fā)生變化。彩色圖像增強(qiáng)技術(shù)遠(yuǎn)沒有灰 度圖像處理技術(shù)成熟。彩色圖像的紅、綠、藍(lán)三基色存在著很高的相關(guān)性，在增強(qiáng)處理中必 須保持或恢復(fù)，否則就會引起彩色失真。
[0004] 對于保持色彩增強(qiáng)圖像的問題，已經(jīng)有一系列的算法提出，其中牽涉到小波變換、 Retinex理論等，這些算法較好地增強(qiáng)了圖像，并且色彩保持良好，但同時，由于牽涉到小波 變換、與多個高斯函數(shù)的卷積等運算，在實現(xiàn)良好的處理效果的同時，作為代價付出較大的 計算量和較長的運算時間，不太適用于實際工作中的實時處理。
[0005] 顏色恒常性是指不因外界環(huán)境變化而對客體顏色知覺趨于穩(wěn)定的心理傾向。對于 彩色圖像而言，保持圖像的顏色恒常性，是保證圖像增強(qiáng)后不失真的有效手段。前期研究發(fā) 現(xiàn)，通過對彩色圖像三個波段進(jìn)行同比增強(qiáng)，能夠滿足顏色恒常性的需求，因此，本發(fā)明提 出了一種顏色恒常的圖像清晰度增強(qiáng)方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明旨在解決現(xiàn)有彩色圖像容易出現(xiàn)清晰度不夠等問題，以及在清晰度增強(qiáng)過 程中容易出現(xiàn)顏色失真的問題，提供一種顏色恒常的彩色圖像清晰度增強(qiáng)方法。
[0007] 本發(fā)明的實施例提供一種顏色恒常的彩色圖像清晰度增強(qiáng)方法，包括:包括，
[0008] 根據(jù)圖像的紅綠藍(lán)三個波段計算亮度圖像；
[0009] 計算亮度圖像在鄰域上的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，得到鄰域均值圖像和鄰域標(biāo)準(zhǔn)差圖像； [0010]根據(jù)鄰域均值圖像和鄰域標(biāo)準(zhǔn)差圖像，計算每個像素點的權(quán)重；
[0011] 計算新的亮度圖像；
[0012] 計算清晰度增強(qiáng)的結(jié)果圖像。
[0013] 根據(jù)圖像的紅綠藍(lán)三個波段計算亮度圖像的具體方法為：
[0014] I = (R+G+B)/3
[0015] 其中，R，G，B分別為圖像的紅綠藍(lán)三個波段。
[0016] 進(jìn)一步地，計算鄰域均值圖像和鄰域標(biāo)準(zhǔn)差圖像的具體步驟為：
[0017] 對于亮度圖像上的每一個像素，設(shè)鄰域半徑為N，則鄰域大小為(2N+1M2N+1)，取 出其鄰域像素的值，計算該鄰域的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，賦值給該像素，分別得到與原始亮度圖像 相同大小的鄰域均值圖像和鄰域標(biāo)準(zhǔn)差圖像；
[0018] 為提高計算速度，先將亮度圖像進(jìn)行下采樣M倍，然后基于下采樣亮度圖像計算鄰 域均值圖像和鄰域標(biāo)準(zhǔn)差圖像，再將鄰域均值圖像和鄰域標(biāo)準(zhǔn)差圖像進(jìn)行上采樣1/M倍，其 中MS 1，上采樣和下采樣方法可使用最鄰近法、雙線性內(nèi)插法、雙三次卷積法等方法。
[0019] 進(jìn)一步地，根據(jù)鄰域均值圖像和鄰域標(biāo)準(zhǔn)差圖像，計算每個像素點的權(quán)重的具體 方法為：
[0021] 其中i和j表示像素坐標(biāo)，w(i，j)表示像素（i，j)的權(quán)值，mean(I)表示計算亮度圖 像的均值，S(i，j)表示鄰域標(biāo)準(zhǔn)差圖像在像素（i，j)處的值，S_max和S_min表示鄰域標(biāo)準(zhǔn)差 圖像的最大值和最小值。
[0022] 進(jìn)一步地，所述計算新的亮度圖像的方法為：
[0023] I_new(i，j)=Ave(i，j)+w(i，j)*[I(i，j)_Ave(i，j)]
[0024] 其中Ave(i，j)表示鄰域均值圖像在像素（i，j)處的值，I(i，j)表示亮度圖像在像 素(i，j)處的值，w(i，j)表示像素(i，j)處的權(quán)重。
[0025] 進(jìn)一步地，所述計算清晰度增強(qiáng)的結(jié)果圖像的具體方法為： R _ new{i, j) =-R(i, j) *1 _ new(i, j) / I(i, j)
[0026] ^ G mw{L j) = G(i, j) * I new(i, j) /I(i, j) B _ new{i, j) = B(i, j)* I _ new{i, j)! l(i, j)
[0027] 其中R_neW，G_neW，B_new為清晰度增強(qiáng)后的紅綠藍(lán)三個波段。
[0028]以上技術(shù)方案中，通過計算亮度圖像鄰域均值和鄰域標(biāo)準(zhǔn)差，能夠捕捉圖像上每 個像素區(qū)域的紋理強(qiáng)度特征，據(jù)此自適應(yīng)地計算每個像素的增強(qiáng)權(quán)重，能夠?qū)崿F(xiàn)每個像素 的自適應(yīng)清晰度增強(qiáng);計算鄰域均值和鄰域標(biāo)準(zhǔn)差的過程中，對圖像進(jìn)行先下采樣再上采 樣，能夠在保證計算效果的同時，有效地降低運算量;根據(jù)顏色恒常性原理，對每個像素進(jìn) 行同比增強(qiáng)，從而能夠有效地避免色彩失真，取得良好的清晰度增強(qiáng)效果。
【附圖說明】
[0029]圖1是大山圖像的原始圖像；
[0030] 圖2是大山圖像的直方圖均衡法增強(qiáng)圖像；
[0031] 圖3是大山圖像的MSRCR方法增強(qiáng)圖像；
[0032]圖4是大山圖像的本發(fā)明方法增強(qiáng)圖像；
[0033]圖5是蓮花圖像的原始圖像；
[0034]圖6是蓮花圖像的直方圖均衡法增強(qiáng)圖像；
[0035]圖7是蓮花圖像的MSRCR方法增強(qiáng)圖像；
[0036] 圖8是蓮花圖像的本發(fā)明方法增強(qiáng)圖像；
[0037] 圖9是本發(fā)明實施例的顏色恒常的彩色圖像增強(qiáng)方法工作流程示意圖。
【具體實施方式】
[0038] 為了使本發(fā)明所解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案及有益效果更加清楚明白，以下結(jié)合 附圖及實施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用 以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0039]本發(fā)明主要包括以下幾個步驟：
[0040] (1)計算亮度圖像
[0041] 圖像的亮度反應(yīng)了圖像的整體明暗程度，在多種色彩空間中，都有計算亮度圖像 的方法，這里用最簡單的方式來計算，取彩色圖像三個波段的均值：
[0042] I = (R+G+B)/3
[0043]其中，R，G，B分別為圖像的紅綠藍(lán)三個波段。
[0044] (2)計算鄰域均值圖像和鄰域標(biāo)準(zhǔn)差圖像
[0045]對于亮度圖像上的每一個像素，設(shè)鄰域半徑為N，則鄰域大小為(2N+1M2N+1)，取 出其鄰域像素的值，計算該鄰域的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，賦值給該像素，分別得到與原始亮度圖像 相同大小的鄰域均值圖像和鄰域標(biāo)準(zhǔn)差圖像；
[0046]均值計算公式為：
[0048]標(biāo)準(zhǔn)差計算公式為：
[0050] 其中i和.j表示像素坐標(biāo)，N為鄰域半徑，Ave為鄰域均值圖像，S為鄰域標(biāo)準(zhǔn)差圖 像。
[0051] 為提高計算速度，先將亮度圖像進(jìn)行下采樣M倍，然后基于下采樣亮度圖像計算鄰 域均值圖像和鄰域標(biāo)準(zhǔn)差圖像，再將鄰域均值圖像和鄰域標(biāo)準(zhǔn)差圖像進(jìn)行上采樣1/M倍，其 中MS 1，上采樣和下采樣方法可使用最鄰近法、雙線性內(nèi)插法、雙三次卷積法等方法。
[0052] (3)計算每個像素點的權(quán)重
[0053]鄰域的均值和標(biāo)準(zhǔn)差反應(yīng)了圖像的局部紋理特征，能夠間接反映圖像的清晰度。 在鄰域均值圖像和鄰域標(biāo)準(zhǔn)差圖像的基礎(chǔ)上，計算每個像素點的權(quán)值，用于計算每個像素 點的清晰度增強(qiáng)程度：
[0055]其中i和j表示像素坐標(biāo)，w(i，j)表示像素（i，j)的權(quán)值，mean(I)表示計算亮度圖 像的均值，S(i，j)表示鄰域標(biāo)準(zhǔn)差圖像在像素（i，j)處的值，S_max和S_min表示鄰域標(biāo)準(zhǔn)差 圖像的最大值和最小值。
[0056] (4)計算新的亮度圖像
[0057] 在清晰度權(quán)值的基礎(chǔ)上，新的亮度圖像可以通過下面的公式來計算：
[0058] I_new(i，j)=Ave(i，j)+w(i，j)*[I(i，j)_Ave(i，j)]
[0059] 其中Ave(i，j)表示鄰域均值圖像在像素（i，j)處的值，I(i，j)表示亮度圖像在像 素(i，j)處的值，w(i，j)表示像素(i，j)處的權(quán)重。
[0060] 通過上述計算，可以得到清晰度更高的亮度影像。
[0061] (5)計算清晰度增強(qiáng)的結(jié)果圖像 [0062]在HSV空間中，H和S分量的計算方法為：
[0064] 其中
X〇=min(R，G，B)，I = (R+G+B)/3,設(shè)處理前某像 素點的顏色向量為乂=(1?，6,8)，比例伸縮參數(shù)為(1，平移參數(shù)為0，則經(jīng)過平移和比例伸縮變 換后的顏色向量為：
[0065] X7 =(aR+0,aG+0,aB+0)=aX+0 (2)
[0066] 將X'代入（1)式計算可知，皆'=供，因此把=H。
[0067]另外，計算S分量可知，
(3)
[0069] 如果在此像素點上的平移量則可以近似認(rèn)為該像素點的飽和度也不 變。在這種情況下，色調(diào)和飽和度都沒有變化，則處理后圖像的顏色信息將得到最大限度的 保留。也就是說，通過對彩色圖像每個像素進(jìn)行同比增強(qiáng)，即能夠很好地保持色彩的恒常 性。
[0070] 因此，本發(fā)明中，通過新的亮度圖像和原始亮度圖像的比值，計算最終的清晰度增 強(qiáng)圖像： R.... new{i, j) = R(i, j) * I __ new(i, j)! I(i, j)
[0071 ] G_new(i, j) = G(i, j)*I_new(i,j)/1(i, j) B_new{iJ)=B{iJ) *1 _new(i.J)/
[0072] 其中R_new，G_new，B_new為清晰度增強(qiáng)后的紅綠藍(lán)三個波段。
[0073] 為了驗證本發(fā)明所述的增強(qiáng)方法的有效性，本發(fā)明的實施例給出了多組對比實 驗，同時將本發(fā)明的方法與直方圖均衡、多尺度Retinex色彩增強(qiáng)法(MSRCR)進(jìn)行比較。圖1 為大山圖像的增強(qiáng)結(jié)果，圖2為蓮花圖像的增強(qiáng)結(jié)果。可以看出，在圖1中，直方圖均衡的結(jié) 果呈現(xiàn)出明顯的色彩失真，而MSRCR的結(jié)果顯得更模糊。在圖2中，直方圖均衡結(jié)果的對比度 明顯失衡，而MSRCR存在色彩過亮的問題。
[0074] 為了客觀評價各方法的有效性，本實施例采用通用的圖像質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行評價。
[0075] 采用清晰度指標(biāo)來評價增強(qiáng)圖像的清晰度：
[0077]為客觀評價各算法的結(jié)果圖像的對比度和亮度，采用現(xiàn)有研究中常用的依據(jù)圖像 的均值和局部方差均值的評價方法：
[0080]其中M和N為圖像的長度和寬度，C和L表示均值和方差。為了評價色彩失真程度，依 據(jù)上述指標(biāo)，采用以下的色調(diào)和飽和度偏差來評價：
[0083] 其中H和S分別為圖像的色調(diào)和飽和度。
[0084]根據(jù)評價指標(biāo)，D越高，圖像清晰度越高;C、L、H、S越小，圖像色彩還原度越高。
[0085]評價結(jié)果如下表所示：
[0086]表1.圖1的評價結(jié)果
[0089] 表2.圖2的評價結(jié)果
[0091 ]從表1可以看出，雖然直方圖均衡方法的清晰度最高，但是C、L、H、S的指標(biāo)值均遠(yuǎn) 大于本發(fā)明的方法，從結(jié)果圖像上可以看出，直方圖均衡方法的高清晰度是以色彩失真為 代價，而本發(fā)明方法除清晰度低于直方圖均衡法之外，其余指標(biāo)均遠(yuǎn)優(yōu)與直方圖均衡法和 MSRCR。同樣地，在表2中，本發(fā)明方法在清晰度、C、L、H、S等指標(biāo)上均遠(yuǎn)優(yōu)與直方圖均衡法和 MSRCR。綜合表1和表2的結(jié)果可以看出，本發(fā)明方法具有非常高的清晰度，同時色彩失真度 均遠(yuǎn)小于直方圖均衡和MSRCR方法，表明本發(fā)明方法在提高圖像清晰度的同時，能夠有效地 避免色彩失真。
[0092]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精 神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種顏色恒常的彩色圖像清晰度增強(qiáng)方法，其特征在于:包括， 根據(jù)圖像的紅綠藍(lán)三個波段計算亮度圖像； 計算亮度圖像在鄰域上的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，得到鄰域均值圖像和鄰域標(biāo)準(zhǔn)差圖像； 根據(jù)鄰域均值圖像和鄰域標(biāo)準(zhǔn)差圖像，計算每個像素點的權(quán)重； 計算新的亮度圖像； 計算清晰度增強(qiáng)的結(jié)果圖像。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的顏色恒常的彩色圖像清晰度增強(qiáng)方法，其特征在于:所述根據(jù) 圖像的紅綠藍(lán)三個波段計算亮度圖像的具體方法為： I = (R+G+B)/3 其中，R，G，B分別為圖像的紅綠藍(lán)三個波段。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的顏色恒常的彩色圖像清晰度增強(qiáng)方法，其特征在于:計算鄰域 均值圖像和鄰域標(biāo)準(zhǔn)差圖像的具體步驟為： 對于亮度圖像上的每一個像素，設(shè)鄰域半徑為N，則鄰域大小為(2N+1M2N+1)，取出其 鄰域像素的值，計算該鄰域的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，賦值給該像素，分別得到與原始亮度圖像相同 大小的鄰域均值圖像和鄰域標(biāo)準(zhǔn)差圖像； 為提高計算速度，先將亮度圖像進(jìn)行下采樣M倍，然后基于下采樣亮度圖像計算鄰域均 值圖像和鄰域標(biāo)準(zhǔn)差圖像，再將鄰域均值圖像和鄰域標(biāo)準(zhǔn)差圖像進(jìn)行上采樣1/M倍，其中M < 1，上采樣和下采樣方法可使用最鄰近法、雙線性內(nèi)插法、雙三次卷積法等方法。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的顏色恒常的彩色圖像清晰度增強(qiáng)方法，其特征在于:根據(jù)鄰域 均值圖像和鄰域標(biāo)準(zhǔn)差圖像，計算每個像素點的權(quán)重的具體方法為：其中i和j表示像素坐標(biāo)，w(i，j)表示像素（i，j)的權(quán)值，mean(I)表示計算亮度圖像的 均值，S(i，j)表示鄰域標(biāo)準(zhǔn)差圖像在像素（i，j)處的值，S_max和S_min表示鄰域標(biāo)準(zhǔn)差圖像 的最大值和最小值。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的顏色恒常的彩色圖像清晰度增強(qiáng)方法，其特征在于:所述計算 新的亮度圖像的方法為： I_new(i, j)=Ave(i, j)+w(i, j)*[I(i, j)-Ave(i, j)] 其中Ave(i，j)表示鄰域均值圖像在像素（i，j)處的值，I(i，j)表示亮度圖像在像素（i， j)處的值，w(i，j)表示像素(i，j)處的權(quán)重。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的顏色恒常的彩色圖像清晰度增強(qiáng)方法，其特征在于:所述計算 清晰度增強(qiáng)的結(jié)果圖像的具體方法為：其中R_new，G_new，B_new為清晰度增強(qiáng)后的紅綠藍(lán)三個波段。
【文檔編號】G06T5/00GK105931206SQ201610305917
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年5月10日
【發(fā)明人】李勤儉, 陳勇, 陳波, 胡詩帥
【申請人】深圳市和天創(chuàng)科技有限公司