專利名稱：用于自適應亮度控制的裝置和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種亮度控制裝置和方法，特別涉及一種能夠按照圖像信號的平均亮度來自適應地控制亮度而增加很少或不增加硬件的亮度控制裝置和方法。
背景技術：
一般，在處理視頻圖像信號時，在圖像信號的亮度中不平衡或失真主要由于諸如照明、拍攝條件和視頻顯示器的特性的變化因素而頻繁地發(fā)生。事實上，在許多情況下，甚至同一圖像信號的亮度也會按照再現該圖像信號的視頻顯示器的類型而改變。例如，當同一圖像信號被輸入和通過不同的視頻顯示器被再現時，所述圖像信號按照顯示所述圖像信號的視頻顯示器的特性而在低亮度和高亮度區(qū)域中具有不同的亮度。為了控制亮度上的這種不同，視頻顯示器中通常具有自動增益控制(AGC)單元。AGC單元自動工作，或可以由用戶人為控制，以提高或降低圖像亮度。
圖1是示出了具有AGC單元的傳統(tǒng)的亮度控制裝置的方框圖。
圖1所示的亮度控制裝置具有亮度級檢測單元10、AGC單元20和映射單元30。
亮度級檢測單元10計算輸入的圖像信號的亮度的平均值。如果在亮度級檢測單元10中計算的平均亮度值大于或小于預設的亮度值，則亮度控制單元20提高或降低輸入的圖像信號的亮度的輸出增益。即，亮度控制單元20輸出一個增益函數以提高或降低輸入的圖像信號的亮度值。
映射單元30按照從亮度控制單元20輸出的增益函數來對輸入的圖像信號執(zhí)行映射以輸出。
圖2A和圖2B是示出從亮度控制單元20輸出的增益函數的圖。
如果施加到亮度控制單元20的輸入圖像信號的亮度小于預先存儲在亮度控制單元20中的亮度值，則圖2A所示的增益函數被輸出到映射單元30。相反，如果施加到亮度控制單元20的輸入圖像信號的亮度大于預先存儲在亮度控制單元20中的亮度值，則圖2B所示的增益函數被輸出到映射單元30。因此，如果輸入圖像信號總體上具有很少的變化或沒有變化但是其上具有亮或暗的部分，則發(fā)生如下的現象當輸入圖像信號被亮度控制單元20控制并在屏幕上顯示的時候圖像變得不必要地突然亮或暗。

發(fā)明內容
本發(fā)明被設計來解決上述和/或其他問題，因此本發(fā)明的一個方面是提供一種亮度控制裝置和方法，它在一種簡單的硬件結構中被實現并且自適應地將亮度與輸入圖像信號的亮度匹配。
為了實現本發(fā)明的上述和/或其他方面和特征，提供了一種用于自適應亮度控制的裝置，包括概率密度函數(PDF)計算單元，用于根據輸入圖像信號的像素的像素值的分布來計算PDF；補償值計算單元，用于計算各個像素的像素值的平均值，并且按照平均亮度值的范圍來計算具有預定斜率的函數；像素值補償單元，用于根據所計算的函數來重新建立像素值的分布。
像素值補償單元包括PDF補償單元，用于將所計算的函數的值與通過PDF計算單元獲得的PDF值相比較；累積分布函數(CDF)產生單元，用于計算用于由像素值補償單元重新建立的PDF的累積分布函數；映射單元，用于根據所述累積分布函數來重新建立輸入圖像信號的像素值。
CDF產生單元根據下面的公式來計算用于PDF的CDFCDF(K)=Σt=0tPDF(t)]]>其中CDF(K)表示累積分布函數，PDF(t)是概率密度函數，t是當在屏幕上顯示圖像信號時可以顯示的最大像素值。
還提供了累積分布函數(CDF)補償單元，它被提供在CDF產生單元和映射單元之間，用于根據下面的公式來從CDF產生單元的輸出計算補償的CDFCDF′(K)=CDF(K)-CDF(N-1)N-1K+F(K)]]>其中CDF’(K)表示被補償的累積分布函數，CDF(K)是在補償前的累積分布函數，F(K)＝(圖像信號的像素的總數/(N-1))K，N-1是最大的像素值，CDF(N-1)是在最大像素值的累積分布函數的值。
補償值計算單元包括平均值計算單元，用于計算平均像素值；平均值范圍計算單元，用于設置所計算的平均像素值的范圍；函數值輸出單元，用于向像素值補償單元輸出與所計算的平均值的范圍對應的函數。
所述函數是單調增加函數、單調下降函數和恒定函數之一。
所述像素值是下列之一亮度值，三基色R、G、B的灰度值，色差信號Y、Cb和Cr的灰度值。
按照本發(fā)明的一個方面，一種自適應亮度控制方法包括操作根據輸入圖像信號的各個像素的像素值的分布來計算概率密度函數(PDF)；計算所檢測的像素值的平均值，并且按照平均亮度值的范圍來計算具有預定斜率的函數；根據所計算的函數來重新建立像素值的分布。
用于重新建立亮度值分布的操作包括下述操作將所計算的函數的值與所計算的PDF值相比較；提高和降低PDF值的一部分；計算用于具有提高或降低的PDF值的PDF的累積分布函數；根據所述累積分布函數來重新建立輸入圖像信號的像素值。
計算累積分布函數的操作還包括下述操作根據下面的公式重新建立累積分布函數CDF′(K)=CDF(K)-CDF(N-1)N-1K+F(K)]]>其中CDF’(K)表示被補償的累積分布函數，CDF(K)是在補償前的累積分布函數，F(K)＝(圖像信號的像素的總數/(N-1))K，N-1是最大的像素值，CDF(N-1)是在最大像素值的累積分布函數的值。
計算具有預定斜率的函數的操作包括操作計算像素值的平均值；設置所計算的平均像素值的范圍；計算與所計算的平均像素值的范圍對應的函數。
所述函數是單調增加函數、單調下降函數和恒定函數之一。
所述像素值是下列之一亮度值，三基色R\G\B的灰度值，色差信號Y、Cb和Cr的灰度值。
本發(fā)明的附加方面和/或優(yōu)點將在隨后的說明書中給出，并且部分地從說明書顯而易見，或者可以通過本發(fā)明的實踐來學習。


通過下面參照附圖詳細說明本發(fā)明的方面，本發(fā)明的這些和/或其他方面將變得清楚和更容易理解，其中圖1是傳統(tǒng)亮度控制裝置的方框圖；圖2A和圖2B是示出從圖1的亮度控制單元輸出的累積分布函數的圖；圖3是按照本發(fā)明的一個方面的亮度控制裝置的方框圖；圖4是圖3的補償值計算單元的方框圖；圖5A-圖6C是用于說明圖3的亮度補償單元的操作的視圖；圖7是說明按照本發(fā)明的一個方面的自適應亮度控制方法的流程圖。
具體實施例方式
現在詳細說明本發(fā)明的各個方面，其示例被在附圖中舉例說明，其中在全部附圖中，相同的附圖標號表示相同的元件。下面說明各個方面以便通過參照附圖來解釋本發(fā)明。
圖3是示出按照本發(fā)明的一個方面的亮度控制裝置的方框圖。
圖3所示的亮度控制裝置包括概率密度函數(PDF)計算單元100、補償值計算單元200、亮度控制(或門限下比特門限上比特(BUBO)單元300、累積分布函數(CDF)產生單元400、CDF補償單元410和映射單元500。
PDF計算單元100檢測形成輸入圖像信號的每個像素的像素值，并且根據檢測的結果計算概率密度函數(PDF)。所述像素值可以是亮度值、三基色R、G、B的灰度值或色差信號Y、Cb、Cr的灰度值。而且，所述灰度值可以基于色調、飽和度或亮度。通過以8個比特表示灰度值將提供基色R、G、B和256級(即28級)的飽和度。分別地，亮度值也可以通過256級來表達，并且色差信號Y、Cb、Cr可以以8比特來表達。因此，亮度值，基色信號的灰度值和色差信號的灰度值按照輸入圖像信號的亮度值的變化而改變，并且可以計算與輸入圖像信號的亮度的變化對應的PDF。將主要針對輸入圖像信號的亮度值來說明按照本發(fā)明的亮度控制裝置。但是，應當注意，本發(fā)明可以等同地應用到三基色R、G、B和色差信號的灰度值。
補償值計算單元200根據PDF計算亮度值的平均值，并且將所計算的平均值與預定的范圍相比較。而且，補償值計算單元200中具有對應于預設范圍的函數，并且按照比較的結果來向BUBO單元300輸出不同的函數。
BUBO單元300按照從補償值計算單元200輸出的函數來轉換從PDF計算單元100輸出的PDF。所轉換的PDF與輸出到BUBO單元300的函數相比較，并且小于所述函數的值的值被映射為函數值。
CDF產生單元400依序累加和計算從BUBO單元300輸出的PDF。累積分布函數在公式1中定義如下[公式1]CDF=Σi=0nPDF,]]>其中i＝0，1，2，3，…CDF補償單元410補償在CDF產生單元400中計算的累積分布函數(CDF)的最大值以使得等于輸入圖像信號的像素的總數，并且在補償累積分布函數后，被補償的累積分布函數被歸一化。所述歸一化將亮度對像素數量的累積分布函數轉換為輸入圖像信號的亮度級對與其相對應的輸出的亮度級的函數。累積分布函數的補償和歸一化基于如下的公式2和公式3。
CDF′(K)=CDF(K)-CDF(N-1)N-1K+F(K)]]>其中CDF’(K)表示被補償的累積分布函數，CDF(K)是在補償前的累積分布函數，F(K)＝(圖像信號的像素的總數/(N-1))K，N-1是最大的像素值，CDF(N-1)是在最大像素值的累積分布函數的值。
其中F(K)表示歸一化的累積分布函數，即映射函數，并且CDF`(K)是被補償的累積分布函數。
映射單元500按照歸一化的結果映射形成輸入圖像信號的每個像素的亮度。
圖4是圖3的補償值計算單元200的詳細方框圖。圖4所示的補償值計算單元200包括平均值計算單元210、平均值范圍檢測單元220和函數值輸出單元230。
平均值計算單元210根據從PDF計算單元100施加的PDF計算輸入圖像信號的平均亮度值。補償值計算單元200檢測在平均值計算單元210中計算的平均亮度值處在哪個范圍內。表1解釋了平均值計算單元210的操作，其中在范圍0～255中的亮度值被分類為4個級，并且示出了與所述級對應的函數。


如表1所示，所述平均值依賴于0～30、31～100、101～159、159～255的級別而具有對應的函數。如果從平均值計算單元210輸出的平均值是20，則通過y＝-ax+b來表達對應的函數，如果在160～255的范圍，則對應的函數變?yōu)閥＝fx+g。表1示出了四級平均亮度值，以便解釋平均值范圍檢測單元220的操作，但是本發(fā)明不限于此。函數值輸出單元230中具有對應于平均亮度值的范圍的函數，并且向BUBO單元300輸出對應的函數。
圖5A-圖5C舉例說明BUBO單元300的操作。
首先，圖5A是示出從PDF計算單元100輸出的圖像信號的PDF的視圖。在平均值計算單元210中，所示的PDF的平均值假定具有亮度值80。
圖5B示出了當在平均值計算單元210計算的平均亮度值是80時對應的PDF和函數。此時，BUBO單元300比較從補償值計算單元200施加的函數值與PDF，并且提高小于所述函數值的PDF值。圖5C示出了當已經提高了小于所述函數值的PDF值時的結果。如圖5C所示，當在PDF中的具有低亮度值的區(qū)域中的PDF值提高時，輸入圖像信號的整體亮度按照被提高的PDF值而提高。此時，因為例如y＝-ax+b的函數單調下降，因此亮度值隨著PDF值的提高而在高和低區(qū)域中被同時補償。當在輸入屏幕的顯示器上顯示這樣的一個被補償的圖像信號時，圖像被亮度補償，防止了亮度的突變。
圖6A-圖6C是說明當在平均值計算單元210中計算的平均亮度值是170時對應的函數和PDF的視圖。對應于該平均亮度值的函數被表達為表1所示的y＝fx+g，并且BUBO單元300比較PDF和函數值，并且提高小于所述函數值的PDF值。所述PDF值在低亮度級區(qū)域中被提高，即，在PDF的黑暗區(qū)域，并且這個區(qū)域的提高的亮度值降低輸入圖像信號的整體亮度。低和高亮度區(qū)域根據諸如y＝fx+g的函數被同時補償，以便當在諸如屏幕的顯示器上顯示被補償的圖像信號時圖像被亮度補償而不會變得突然暗。即，按照本發(fā)明通過亮度控制裝置補償的圖像信號當在屏幕上顯示時不突然變亮或變暗。而且，因為可以使用依賴于每個區(qū)域而施加的函數來補償亮度值，因此即使必須另外地補償亮度值的時候也不必具有另外的用于亮度值補償的硬件。
圖7是示出按照本發(fā)明的一個方面的自適應亮度控制方法的流程圖。
首先，PDF計算單元100檢測形成輸入圖像信號的各個像素的像素值，并且根據檢測的結果來計算PDF(S100)。所述像素值可以是亮度值、三基色R、G、B的灰度值，色差信號Y、Cb和Cr的灰度值。而且，所述灰度值可以基于色調、飽和度或亮度。通過8個比特表示灰度值將提供基色R、G、B和256級(即28級)的飽和度。分別地，亮度值也可以通過256級來表達，并且色差信號Y、Cb、Cr可以以8比特來表達。因此，亮度值，基色信號的灰度值和色差信號的灰度值按照通過輸入圖像信號的亮度值的變化而改變，并且可以計算與輸入圖像信號的亮度的變化對應的PDF。在下面的說明中，將主要針對輸入圖像信號的亮度值來說明按照本發(fā)明的亮度控制裝置。但是，應當注意，本發(fā)明可以等同地應用到三基色R、G、B和色差信號的灰度值。
接著，平均值計算單元210從所計算的PDF計算平均亮度值(S200)。此時的亮度值是通過相加在PDF中分布的所有亮度值并且將其除以像素的總數而獲得的值。接著，平均值范圍檢測單元220檢測在0～255級的亮度值中的平均亮度值位于哪個范圍。此時，平均值范圍檢測單元220將0～255的亮度級分類為四到十個范圍，例如0～30、31～100、101～159和159～255等，并且該檢測平均亮度值屬于哪個范圍。接著，函數值輸出單元230根據對應于在平均值范圍檢測單元220中檢測的范圍的函數向BUBO單元300輸出函數值(S300)。在此，所述函數是單調提高的函數或單調下降的函數。BUBO單元300比較從函數值輸出單元230輸出的函數值與從PDF計算單元100輸出的PDF(S400)，在作為比較的結果PDF值小于函數值的情況下通過提高或降低PDF值來將PDF值映射為函數值，并且向CDF補償單元410輸出被映射的PDF(S500)。CDF補償單元410累加由BUBO單元300補償的PDF，并且計算累積分布函數(S600)。此時，當BUBO單元300補償PDF時，提高或降低一些特定的亮度的度數(degree)以便當根據所述提高或降低來計算累積分布函數時，所述累積分布函數的最后的累積值超過或變得小于輸入圖像信號所具有的像素值。因此，CDF補償單元410將在CDF產生單元400中計算的累積分布函數(CDF)的最大值補償為輸入圖像信號的像素的總數，并且將被補償的累積分布函數轉換為輸入亮度值對輸出亮度值的關系。歸一化是根據上述的公式3來實現的。
最后，映射單元500將輸入圖像信號映射到歸一化的累積分布函數(S700)。因此，本發(fā)明當補償亮度值時按照從補償值計算單元200輸出的函數來控制BUBO單元300，以便當增加用于補償亮度值的函數時避免附加的硬件。按照本發(fā)明的亮度控制裝置和方法可以通過改變或轉換在補償值計算單元200嵌入的函數來解決附加硬件的問題。
如上所述，本發(fā)明當需要用于補償附加的亮度值的函數時通過改變嵌入的函數值而不需要附加的硬件結構。而且，本發(fā)明向亮度區(qū)域施加至少一個或多個嵌入的函數，以便當補償圖像信號的亮度時避免亮度的突變，因此當所述亮度控制裝置被應用到圖像顯示器時圖像質量不變差。
雖然已經參照本發(fā)明的實施例具體示出和說明了本發(fā)明，本領域的技術人員會明白，在不脫離所附的權利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以進行形式和細節(jié)上的各種改變。
權利要求
1.一種用于自適應亮度控制的裝置，包括概率密度函數(PDF)計算單元，用于根據輸入圖像信號的像素的像素值的分布來計算PDF；補償值計算單元，用于計算各個像素的像素值的平均值，并且按照平均亮度值的范圍來計算具有預定斜率的函數；像素值補償單元，用于根據所計算的函數來重新建立像素值的分布。
2.按照權利要求1的裝置，其中像素值補償單元包括PDF補償單元，用于將所計算的函數的值與通過PDF計算單元獲得的PDF值相比較；累積分布函數(CDF)產生單元，用于計算用于由像素值補償單元重新建立的PDF的累積分布函數；映射單元，用于根據所述累積分布函數來重新建立輸入圖像信號的像素值。
3.按照權利要求2的裝置，其中CDF產生單元根據下面的公式來計算用于PDF的CDFCDF(K)=Σt=0tPDF(t)]]>其中CDF(K)表示累積分布函數，PDF(t)是概率密度函數，而t是當在屏幕上顯示圖像信號時可以顯示的最大像素值。
4.按照權利要求3的裝置，還包括累積分布函數(CDF)補償單元，它被提供在CDF產生單元和映射單元之間，用于根據下面的公式來轉換CDF產生單元的輸出CDF`(K)=CDF(K)-CDF(N-1)N-1K+F(K)]]>其中CDF’(K)表示被補償的累積分布函數，CDF(K)是在補償前的累積分布函數，F(K)＝(圖像信號的像素的總數/(N-1))K，N-1是最大的像素值，CDF(N-1)是在最大像素值的累積分布函數的值。
5.按照權利要求1的裝置，其中補償值計算單元包括平均值計算單元，用于計算平均像素值；平均值范圍計算單元，用于設置所計算的平均像素值的范圍；函數值輸出單元，用于向像素值補償單元輸出與所計算的像素值的范圍對應的函數。
6.按照權利要求1的裝置，其中所述函數是單調增加函數、單調下降函數和恒定函數之一。
7.按照權利要求1的裝置，其中所述像素值是下列之一亮度值，三基色R、G、B的灰度值，色差信號Y、Cb和Cr的灰度值。
8.一種自適應亮度控制方法，包括根據輸入圖像信號的各個像素的像素值的分布來計算概率密度函數(PDF)；計算所檢測的像素值的平均值，并且按照平均亮度值的范圍來計算具有預定斜率的函數；根據所計算的函數來重新建立像素值的分布。
9.按照權利要求8的自適應亮度控制方法，其中重新建立亮度值分布包括將所計算的函數的值與所計算的PDF值相比較，并提高和降低PDF值的一部分；計算用于具有提高的或降低的PDF值的PDF的累積分布函數；根據所述累積分布函數來重新建立輸入圖像信號的像素值。
10.按照權利要求9的自適應亮度控制方法，其中計算累積分布函數還包括根據下面的公式重新建立累積分布函數CDF`(K)=CDF(K)-CDF(N-1)N-1K+F(K)]]>其中CDF’(K)表示被補償的累積分布函數，CDF(K)是在補償前的累積分布函數，F(K)＝(圖像信號的像素的總數/(N-1))K，N-1是最大的像素值，CDF(N-1)是在最大像素值的累積分布函數的值。
11.按照權利要求8的自適應亮度控制方法，其中計算具有預定斜率的函數包括計算像素值的平均值；設置所計算的平均像素值的范圍；以及計算與所計算的像素值的范圍對應的函數。
12.按照權利要求8的自適應亮度控制方法，其中所述函數是單調增加函數、單調下降函數和恒定函數之一。
13.按照權利要求8的自適應亮度控制方法，其中所述像素值是下列之一亮度值，三基色R\G\B的灰度值，色差信號Y、Cb和Cr的灰度值。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種能夠按照圖像信號的平均亮度來自適應地補償亮度值的亮度控制裝置和方法。所述自適應亮度控制裝置包括概率密度函數(PDF)計算單元，用于根據輸入圖像信號的像素的像素值的分布來計算PDF；補償值計算單元，用于計算各個像素的像素值的平均值，并且按照平均亮度值的范圍來計算具有預定斜率的函數；像素值補償單元，用于根據所計算的函數來重新建立像素值的分布。亮度控制裝置自適應地對應于防止閃爍的輸入圖像信號的亮度，并且當另外需要用于補償亮度值的函數時，通過轉換被嵌入的函數值來實現所需要的函數，而不需要附加的硬件結構。
文檔編號H04N1/407GK1535000SQ20041002837
公開日2004年10月6日 申請日期2004年3月11日 優(yōu)先權日2003年3月11日
發(fā)明者梁承埈, 姜賢, 吳才煥, 樸永濬, 梁承 申請人:三星電子株式會社