專利名稱：一種基于色域映射的圖像光照校正系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及圖像處理技術(shù)領(lǐng)域，具體來講，涉及一種處理明、暗場(chǎng)景光照 下圖像色彩校正和增強(qiáng)的基于色域映射的圖像光照校正系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
許多圖像、視頻采集設(shè)備，如數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)等，在進(jìn)行圖像信號(hào)的采 集時(shí)，由于圖像是由光的反射形成的，常出現(xiàn)光源在景物上照射不均勻的現(xiàn)象， 至使光照強(qiáng)的部分較亮，光照弱的部分較暗，導(dǎo)致環(huán)境光照不均勻的情況，或 者光線較暗，或者光線比較明亮。
為了避免這種光照較暗或者較亮的現(xiàn)象，可以通過調(diào)節(jié)曝光時(shí)間來進(jìn)行彌 補(bǔ)。而現(xiàn)有的圖像信號(hào)采集設(shè)備，對(duì)于同一場(chǎng)景，每次獲得的曝光時(shí)間只能有 一個(gè)，因此在同一副圖像中不能同時(shí)捕捉不同光照下的物體的細(xì)節(jié)，往往造成 場(chǎng)景中，有的地方光照較昏暗，有的地方光照較明亮，使得圖像信號(hào)的對(duì)比度 降低。而圖像的對(duì)比度對(duì)于人類視覺的影響是至關(guān)重要的，因此亟需解決圖像 信號(hào)在不同光照環(huán)境下的色彩校正技術(shù)，以滿足人類視覺感官需要。
此外，對(duì)于顯示設(shè)備而言，為了能夠更好的顯示視頻原始信號(hào)，提供更多的 圖像細(xì)節(jié)層次，也需要對(duì)原始圖像、視頻信號(hào)進(jìn)行色彩和亮度的校正，以提高 顯示圖像的對(duì)比度，增強(qiáng)更多的層次細(xì)節(jié)。
此外隨著高動(dòng)態(tài)范圍，即HDR， High Dynamic Range技術(shù)的發(fā)展，也需要 解決如何在低動(dòng)態(tài)范圍，即LDR， Low Dynamic Range設(shè)備上顯示高動(dòng)態(tài)范圍 圖像信號(hào)的問題。目前大多數(shù)采用數(shù)字?jǐn)z像和顯示設(shè)備都屬于低動(dòng)態(tài)范圍設(shè)備， 為了使獲取的影像具有更廣的亮度范圍和更多的色彩層次，高動(dòng)態(tài)范圍成像和 顯示設(shè)備己經(jīng)出現(xiàn)。由于成本價(jià)格等因素的原因，為了能夠在低動(dòng)態(tài)范圍設(shè)備 上顯示高動(dòng)態(tài)范圍影像，需要進(jìn)行高動(dòng)態(tài)范圍影像到低動(dòng)態(tài)范圍影像的轉(zhuǎn)換。 而該問題的關(guān)鍵也在于如何保持圖像在不同光照下色彩的映射和校正問題。
因此，為了提高圖像的對(duì)比度，使圖像能夠呈現(xiàn)更多的層次細(xì)節(jié)，增強(qiáng)用戶
3體驗(yàn)，需要對(duì)輸入圖像進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整光照的處理。
目前對(duì)于不同光照下圖像信號(hào)的校正有主要有直方圖均衡、同態(tài)濾波、 伽馬校正等較為常用的方法，這些方法在一定程度上達(dá)到圖像對(duì)比度增強(qiáng)和光 照平衡的目的。
直方圖均衡是一種經(jīng)典的圖像視頻增強(qiáng)的方法，其基本原理是，通過統(tǒng)計(jì) 一幅圖像的直方圖，將該圖像的直方圖重新按照某種分布進(jìn)行調(diào)整，比如均勻 分布，然后再將亮度值按照重新賦予的新值映射回去。
直方圖均衡方法對(duì)于背景和前景都太亮或者太暗的圖像比較有效，這種方 法的主要缺點(diǎn)是它對(duì)處理的數(shù)據(jù)不加選擇，在增強(qiáng)的同時(shí)會(huì)增加背景噪聲的對(duì) 比度并且降低有用信號(hào)的對(duì)比度。對(duì)直方圖均衡也產(chǎn)生了許多改進(jìn)方法，但這 些方法都會(huì)在增強(qiáng)圖像的同時(shí)增加背景噪聲。為了解決圖像局部對(duì)比度增強(qiáng)的 問題，產(chǎn)生了自適應(yīng)直方圖均衡；為了消弱平滑區(qū)域的噪聲，產(chǎn)生了對(duì)比度限 制自適應(yīng)直方圖均衡方法等。
同態(tài)濾波是一種把頻率過濾和灰度變換結(jié)合起來的一種處理方法。它是把 圖像的照明反射模型作為頻域處理的基礎(chǔ)，利用壓縮灰度范圍和增強(qiáng)對(duì)比度來 改善圖像的一種處理技術(shù)。假定一幅圖像的照明分量通常用慢變化來表征，而 反射分量則傾向于急劇變換。圖像取對(duì)數(shù)后得傅立葉變換的低頻部分主要對(duì)應(yīng) 照度分量，而高頻部分主要對(duì)應(yīng)反射分量。適當(dāng)?shù)倪x擇濾波器函數(shù)將會(huì)對(duì)傅立 葉變換中的低頻部分和高頻部分產(chǎn)生不同的響應(yīng)。處理結(jié)果會(huì)使像元灰度的動(dòng) 態(tài)范圍或圖像對(duì)比度得到增強(qiáng)。
同態(tài)濾波方法對(duì)于處理同時(shí)具有明亮區(qū)域和黑暗區(qū)域的圖像比較有效。但 這種方法，從是基于傅立葉變換的，而在頻率域進(jìn)行處理，不僅花費(fèi)大量的計(jì) 算時(shí)間，而且最終的處理結(jié)果也會(huì)出現(xiàn)偽色彩和紋理。此外，這種方法對(duì)于單 一的光照較暗或者較亮的情況處理效果不好。
伽馬校正是一種經(jīng)典的色彩校正方法，該方法通過將原始圖像的亮度進(jìn)行 變換映射，提高局部亮度的對(duì)比度。它一般通過對(duì)亮度值的指數(shù)變換來完成， 公式描述如下
丄，, (1)
其中4 ,,,表示圖像的亮度值，4_,,為伽馬校正后圖像的亮度值，r為校正系數(shù)。
伽馬校正方法能夠?qū)⑤^亮圖像的亮度進(jìn)行壓制，將較暗圖像的亮度進(jìn)行拉 伸。對(duì)于較暗的圖像進(jìn)行亮度增強(qiáng)時(shí)，取"l;對(duì)于較亮的圖像進(jìn)行亮度壓制時(shí)， r>l。其缺點(diǎn)在于，但每次處理都是針對(duì)圖像整體進(jìn)行亮度映射的，并且每次只 能處理一種情況，不能同時(shí)滿足處理含有高光和暗光的圖像。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有圖像光照校正方法的不足，提供一種能很好保 持原始圖像色彩、不會(huì)增加圖像噪聲，并能處理含有高光和暗光圖像的基于色 域映射的圖像光照校正系統(tǒng)。
為達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明的基于色域映射的圖像光照校正系統(tǒng)，包括 一色彩分解模塊，用于將輸入圖像信號(hào)按色彩通道分解為R通道信號(hào)、G 通道信號(hào)、B通道信號(hào)；
一亮度計(jì)算模塊，用于根據(jù)分解出的R通道信號(hào)、G通道信號(hào)、B通道信 號(hào)計(jì)算輸出亮度信號(hào)；
一色彩空間分解計(jì)算模塊，用于將分解出的R通道信號(hào)、G通道信號(hào)、B 通道信號(hào)分別除以亮度計(jì)算模塊計(jì)算出的亮度信號(hào)的亮度值，進(jìn)行色彩空間分 解，輸出R分離色彩信號(hào)、G分離色彩信號(hào)、B分離色彩信號(hào)；
一亮度調(diào)節(jié)計(jì)算模塊，用于亮度計(jì)算模塊輸出亮度信號(hào)的亮度調(diào)節(jié)計(jì)算， 將暗光部分增強(qiáng)，高光部分進(jìn)行壓制，輸出亮度調(diào)節(jié)后的亮度信號(hào)；.
一圖像合成模塊，用于將亮度調(diào)節(jié)后的亮度信號(hào)與R分離色彩信號(hào)、G分 離色彩信號(hào)、B分離色彩信號(hào)進(jìn)行相乘，合成光照校正后的圖像信號(hào)。
本發(fā)明將輸入圖像的亮度信號(hào)和色彩空間分解后的R、 G、 B信號(hào)分開進(jìn)行 處理，然后，將亮度調(diào)節(jié)計(jì)算得到的亮度信號(hào)的亮度值乘以色彩空間分解后的R 分離色彩信號(hào)、G分離色彩信號(hào)、B分離色彩信號(hào)，恢復(fù)得到光照校正后圖像， 這種新的色彩空間分解和亮度調(diào)節(jié)能夠在提高圖像對(duì)比度的同時(shí)更好地保持原 始圖像的色彩、不會(huì)增加圖像的噪聲。同時(shí)，本發(fā)明所采用的光照校正系統(tǒng)在 亮度調(diào)節(jié)計(jì)算模塊中，將暗光部分增強(qiáng)，高光部分進(jìn)行壓制，能處理含有高光和暗光的圖像。
本發(fā)明給出的圖像光照校正系統(tǒng)，能夠同時(shí)處理具有暗光和高光等多種復(fù) 雜光照條件下的圖像信號(hào)。


圖1是本發(fā)明圖像光照校正系統(tǒng)的一種具體實(shí)施方式
框圖； 圖2是圖1所示亮度調(diào)節(jié)計(jì)算模塊的色域映射曲線；
具體實(shí)施例方式
為更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更為詳細(xì)描述。 在以下的描述中，當(dāng)已有的現(xiàn)有技術(shù)的詳細(xì)描述也許會(huì)淡化本發(fā)明的主題內(nèi)容 時(shí)，這些描述在這兒將被忽略。
圖1是本發(fā)明圖像光照校正系統(tǒng)的一種具體實(shí)施方式
框圖。在本實(shí)施例中， 當(dāng)輸入圖像101進(jìn)入光照校正系統(tǒng)后，首先在色彩分解模塊102中將該輸入圖
像101按照色彩通道分解為R通道信號(hào)103、 G通道信號(hào)104以及B通道信號(hào) 105;然后分別通過亮度計(jì)算模塊106進(jìn)行圖像亮度計(jì)算，得到亮度信號(hào)/115; 對(duì)亮度信號(hào)/115通過亮度調(diào)節(jié)計(jì)算模塊116進(jìn)行調(diào)節(jié)計(jì)算，獲得調(diào)節(jié)后新的亮 度信號(hào)/'117;通過色彩空間分解計(jì)算模塊107，將分解出的R通道信號(hào)103、 G 通道信號(hào)104、 B通道信號(hào)105分別除以亮度計(jì)算模塊計(jì)算出的亮度信號(hào)/115 的亮度值，進(jìn)行色彩空間分解，輸出R分離色彩信號(hào)i '108、G分離色彩信號(hào)G'109 以及B分離色彩信號(hào)S'llO，并將分離色彩信號(hào)108、 109、 UO在高斯濾波計(jì)算 模塊111進(jìn)行高斯濾波計(jì)算，獲得新的R分離色彩信號(hào)112、 G分離色彩信 號(hào)^_113以及B分離色彩信號(hào)4_114。將調(diào)節(jié)后的亮度信號(hào)/'U7亮和R分 離色彩信號(hào)尺，112、 G分離色彩信號(hào)G，J13以及B分離色彩信號(hào)U"在 圖像合成模塊118中進(jìn)行相乘，合成光照校正后的圖像信號(hào)119。 在本實(shí)施例中，亮度計(jì)算模塊106采用如下公式計(jì)算亮度
/二0.27xi + 0.67xG + 0.06xS (1)
其中，i ，G,S分別為輸入圖像各通道上的亮度值。色彩空間分解計(jì)算模塊107采用如下公式計(jì)算分離色彩信號(hào)/ '108、 G分離 色彩信號(hào)G'109以及B分離色彩信號(hào)^'110:
G' = G// (2) 5' = 5//
得到亮度信號(hào)/115后，經(jīng)亮度調(diào)節(jié)計(jì)算模塊116進(jìn)行亮度調(diào)節(jié)計(jì)算，獲得 調(diào)節(jié)后新的亮度信號(hào)/'117。亮度信號(hào)/115經(jīng)過調(diào)節(jié)后形成的曲線，在本實(shí)施例 中稱為色域映射曲線，相應(yīng)的函數(shù)為色域映射函數(shù)。
對(duì)于色域映射曲線的設(shè)計(jì)，要滿足兩點(diǎn)性質(zhì)1)色域映射曲線應(yīng)該保證單 值并且單調(diào)遞增；2)色域變化曲線應(yīng)該保證在
范圍內(nèi)變化。條件l)保證 了圖像亮度的映射是從最暗到最亮的順序增加，并且要求滿足映射是一一對(duì)應(yīng)， 從而使圖像的亮度變化滿足人眼的視覺特性；條件2)保證了在映射前后圖像的 亮度保持在原有范圍內(nèi)，不會(huì)引入超出圖像表示范圍的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。.
圖2是圖1所示亮度調(diào)節(jié)計(jì)算模塊的色域映射曲線。在本實(shí)施例中，色域 映射曲線由三部分組成，暗光增強(qiáng)部分、高光壓制部分以及平滑過渡部分。由 于人眼對(duì)暗光和高光的敏感程度不同，因此可以根據(jù)人眼視覺敏感點(diǎn)來確定暗 光和高光的截止范圍。
圖2中，S描述了對(duì)暗光的視覺敏感點(diǎn)，該位置表明了對(duì)于大于S的亮度， 人眼可以分辨和接受，而小于《的亮度，需要進(jìn)行增強(qiáng)操作。為了獲得滿足人 眼視覺特性的亮度增強(qiáng)效果，對(duì)于小于《的亮度，采用
/' = log。(/.,(a-1) + 1) . (3)
亮度信號(hào)/進(jìn)行亮度的色域變換，即亮度調(diào)節(jié)計(jì)算，得到新的亮度信號(hào)/'。 圖2中，&描述了對(duì)高光的視覺敏感點(diǎn)，該位置表明了對(duì)于小于&的亮度，
人眼可以分辨和接受，而大于&的亮度，需要進(jìn)行壓制操作。為了獲得滿足人
眼視覺特性的亮度增強(qiáng)效果，對(duì)于大于&的亮度，采用
1亮度信號(hào)/進(jìn)行亮度的色域變換，即亮度調(diào)節(jié)計(jì)算，得到新的亮度信號(hào)/'。
視覺敏感點(diǎn)S,A的選取，可以預(yù)先根據(jù)統(tǒng)計(jì)進(jìn)行設(shè)置，也可以由用戶進(jìn)行 調(diào)節(jié)， 一般而言，視覺敏感點(diǎn)《,&在亮度范圍內(nèi)具有對(duì)稱性。對(duì)于亮度值在[S,A] 之間的亮度，采用其他函數(shù)進(jìn)行映射變換。在本實(shí)施例中，該函數(shù)描述為
/' = "(/)。由于人眼視覺特性，要求色域映射函數(shù)曲線滿足性質(zhì)i)禾n 2)。由
于視覺敏感點(diǎn)S,，&在亮度范圍內(nèi)具有對(duì)稱性，因此，在本實(shí)施例中，.考慮采用 /' = (/)來擬和色域映射曲線，比如/、isin(/)的函數(shù)形式，其中J表示函數(shù)的 幅值。色域映射曲線由三部分組成
暗光增強(qiáng)部分/' = logJ/.A( -l) + l)
高光壓制部分/' = ^\ 平滑過渡部分/' = lsin(/)
其中，"為光照校正增益，；5為光照校正比例系數(shù)，^為幅值。
因此，亮度調(diào)節(jié)計(jì)算模塊116進(jìn)行調(diào)節(jié)計(jì)算采用如下色域映射函數(shù)形式
1ogj/.;0.(a-1) + 1) /e[0,《) = <j.sin(/) /e[S,&) (5)
外-1) 2
其中，"為光照校正增益，^為光照校正比例系數(shù)，^為幅值，S為暗光的 視覺敏感點(diǎn)，^為高光的視覺敏感點(diǎn)。
在本實(shí)施例中，將分離色彩信號(hào)108、 109、 110在高斯濾波計(jì)算模塊111 進(jìn)行高斯濾波計(jì)算，其計(jì)算如下式
G『,=G'*g(x,) (6) _g 二 5'* j (;c，仏cr)
其中，g為高斯核函數(shù)，C7為高斯核函數(shù)的方差。
在本實(shí)施例中，根據(jù)調(diào)節(jié)后的亮度信號(hào)/'U7，分通道校正圖像的光照。分 通道校正的圖像是色彩空間分解的逆過程，在圖像合成模塊118中進(jìn)行相乘，
8合成光照校正后的圖像信號(hào)119，其R、 G、 B值為及^、 G_、 5_采用下述公
式進(jìn)行
<formula>formula see original document page 9</formula>(7)
在本實(shí)施例中，給出了一種基于人眼視覺特性進(jìn)行色域映射的方法，能夠同 時(shí)處理具有暗光和高光等多種復(fù)雜光照條件下的圖像信號(hào)。
在本實(shí)施例中，還給出了一種色域映射曲線的設(shè)計(jì)方法，該方法可以根據(jù)人 眼的視覺特征，通過調(diào)整人眼視覺敏感點(diǎn)，來獲得適于不同用戶視覺特點(diǎn)的色 域映射曲線，增強(qiáng)用戶的感官體驗(yàn)。
在本實(shí)施例中，將色域映射曲線分為暗光處理、高光處理以及平滑過度三個(gè) 部分，并給出了一種平滑過度函數(shù)設(shè)計(jì)方法，使得色域映射曲線更加符合人眼 視覺的連貫性，增強(qiáng)圖像的細(xì)節(jié)的層次感。
盡管上面對(duì)本發(fā)明說明性的具體實(shí)施方式
進(jìn)行了l&述，-但應(yīng)當(dāng)清楚，本發(fā) 明不限于具體實(shí)施方式
的范圍，對(duì)本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來講，只要各種 變化在所附的權(quán)利要求限定和確定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，這些變化是顯而 易見的， 一切利用本發(fā)明構(gòu)思的發(fā)明創(chuàng)造均在保護(hù)之列。
權(quán)利要求
1、一種基于色域映射的圖像光照校正系統(tǒng)，其特征在于，包括一色彩分解模塊，用于將輸入圖像信號(hào)按色彩通道分解為R通道信號(hào)、G通道信號(hào)、B通道信號(hào)；一亮度計(jì)算模塊，用于根據(jù)分解出的R通道信號(hào)、G通道信號(hào)、B通道信號(hào)計(jì)算輸出亮度信號(hào)；一色彩空間分解計(jì)算模塊，用于將分解出的R通道信號(hào)、G通道信號(hào)、B通道信號(hào)分別除以亮度計(jì)算模塊計(jì)算出的亮度信號(hào)的亮度值，進(jìn)行色彩空間分解，輸出R分離色彩信號(hào)、G分離色彩信號(hào)、B分離色彩信號(hào)；一亮度調(diào)節(jié)計(jì)算模塊，用于亮度計(jì)算模塊輸出亮度信號(hào)的亮度調(diào)節(jié)計(jì)算，將暗光部分增強(qiáng)，高光部分進(jìn)行壓制，輸出亮度調(diào)節(jié)后的亮度信號(hào)；一圖像合成模塊，用于將亮度調(diào)節(jié)后的亮度信號(hào)與R分離色彩信號(hào)、G分離色彩信號(hào)、B分離色彩信號(hào)進(jìn)行相乘，合成光照校正后的圖像信號(hào)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于色域映射的圖像光照校正系統(tǒng)，其特征在于， 所述的亮度調(diào)節(jié)計(jì)算為對(duì)于小于暗光的視覺敏感點(diǎn)亮度，進(jìn)行增強(qiáng)操作；對(duì)于大于高光的視覺敏 感點(diǎn)的亮度，進(jìn)行壓制操作。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于色域映射的圖像光照校正系統(tǒng)，其特征在于， 所述的亮度調(diào)節(jié)計(jì)算為<formula>formula see original document page 2</formula>其中，a為光照校正增益，々為光照校正比例系數(shù)，(為幅值，^為暗光的 視覺敏感點(diǎn)，52為高光的視覺敏感點(diǎn)，/為亮度計(jì)算模塊輸出亮度信號(hào)的亮度值， /'為增強(qiáng)計(jì)算后的亮度值。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于色域映射的圖像光照校正系統(tǒng)，將輸入圖像的亮度信號(hào)和色彩空間分解后的R、G、B信號(hào)分開進(jìn)行處理，然后，將亮度調(diào)節(jié)計(jì)算得到的亮度信號(hào)的亮度值乘以色彩空間分解后的R分離色彩信號(hào)、G分離色彩信號(hào)、B分離色彩信號(hào)，恢復(fù)得到光照校正后圖像，這種新的色彩空間分解和亮度調(diào)節(jié)能夠在提高圖像對(duì)比度的同時(shí)更好地保持原始圖像的色彩、不會(huì)增加圖像的噪聲。同時(shí)，本發(fā)明所采用的光照校正系統(tǒng)在亮度調(diào)節(jié)計(jì)算模塊中，將暗光部分增強(qiáng)，高光部分進(jìn)行壓制，能處理含有高光和暗光的圖像。
文檔編號(hào)H04N9/77GK101478689SQ20081014778
公開日2009年7月8日 申請(qǐng)日期2008年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月8日
發(fā)明者吳亞東, 李慧然, 袁梓瑾 申請(qǐng)人:四川虹微技術(shù)有限公司