图像质量增强电 路及其方法 本发明涉及图像质量增强，尤其涉及具有例如降噪、基于直方图均衡的对比度增强、局部对比度增强和彩色补偿等功能的图像质量增强电路及其方法。
通常，视频信号的图像质量会由于各种因素而恶化。低对比度可能是图像质量降低的许多代表因素中的一个因素。作为校正图像质量降低的方法，有伽马校正(用于根据亮度变化进行校正)和直方图均衡等。
直方图均衡的主要工作原理是根据输入图像的直方图转换给定的输入图像。这里，直方图表示一幅给定输入图像的灰度级分布。这种灰度级直方图提供一幅图像外观的完整描述。根据图像的样本分布适当地调整灰度级能增强图像的外观及对比度。
根据图像的样本分布进行直方图均衡以增强给定图像的对比度是各种对比度增强方法中最广为人知地一种，该方法被公开于下述文件中：[1]J.S.Lim，“Two-Dimensional Signal and Image Processing(二维信号和图像处理)”，Prentice Hall，Englewood Cliffs，New Jersey，1990；及[2]R.C.Gonzalez and P.Wints，“Digital Image Processing(数字图像处理)”，Addison-Wesley，Reading，Massachusetts，1977。
另外，包括医学图像处理和雷达图像处理的直方图均衡的有益应用被公开于下述文件中：[3]JZimmerman，S.Pizer，E.staab，E.Perry，W.McCartney，andB.Brenton，“Evaluation of the effectiveness of adaptive histogram equalizationfor contrast enhancement(对用于对比度增强的自适应直方图均衡效率的评价)”，IEEE Tr.on Medical Imaging，PP.304-312，Dec.1998；及[4]Y.Li，W.Wang，and D.Y.Yu，“Application of adaptive histogram equalization to x-ray chest image(自适应直方图均衡在X射线胸部图像中的应用)”Proc.oftheSPIE，pp.513-514，Vol.2321，1994。因此，采用给定图像的直方图的技术已有效地应用于各种领域中，如医学图像处理、红外线图像处理、及雷达图像处理中。
通常，由于直方图均衡具有扩展动态范围的作用，它使得结果图像的密度分布变得平坦。因此，增强了图像的对比度。直方图均衡的这种熟知的特性在某些实际情况中成为一个缺点。这就是说，因为直方图均衡的这一特性使输出密度变得平坦，使输出图像的平均亮度接近一个中间灰度级。实际上，对于模拟图像的直方图均衡，直方图均衡的输出图像的平均亮度正好为中间灰度级，而与输入图像的平均亮度无关。显然，上述特性在实际应用中是不希望的。例如，会产生夜间拍摄的景物在直方图均衡后太亮的问题。
图像质量降低的另一个因素是存在脉冲噪声。独立的脉冲噪声在一个频率范围内是均匀分布的。其结果是，应用简单的线性滤波器会使图像的细节变得模糊，而且脉冲噪声的高频分量不能被有效去除。
图像质量降低还有一个因素是用于增强低对比度的伽马校正或直方图均衡增强了视频信号的整个对比度，但并不能有效增强作为视觉上更重要的信息的细节部分的对比度，即局部对比度。
图像质量降低的还有另一个因素是，如果不按照对亮度信号进行预定的增强对比度的亮度处理(如直方图均衡)时发生的亮度变化对彩色信号进行彩色补偿，则基色信号将失真。
因此，本发明的目的是提供一种图像质量增强电路，这种电路具有降噪、基于均值分离(mean-seperaton)直方图均衡的对比度增强、局部对比度增强、及彩色补偿等功能。
本发明的另一目的是提供一种图像质量增强方法，这种方法具有降噪、基于均值分离直方图均衡的对比度增强、局部对比度增强、及彩色补偿等功能。
为实现第一个目的，在本发明的图像质量增强电路中，降噪装置在每个输入亮度信号和输入彩色信号中检测一个脉冲。当检测到此脉冲时，输出预定尺寸窗口的调整的均值，否则旁路该输入信号而不作改变。对比度增强装置通过获得按亮度信号均值划分所得的各个子图像的直方图来独立地均衡由降噪器输出的一个图像单位的亮度信号，并输出增强的亮度信号。局部对比度增强装置检测局部对比度(该局部对比度定义为关于增强的亮度信号的一个输入样本值和对包含该输入样本的预定尺寸窗口中的样本进行低通滤波所得到的每个值之差)，根据检测到的局部对比度自适应地对输入样本值进行加权，并输出一个改变的亮度信号。另外，彩色补偿装置根据改变的亮度信号，对降噪装置输出的彩色信号进行补偿。
为实现第二个目的，本发明的图像质量增强方法包括以下步骤：在每个输入亮度和彩色信号中检测一个脉冲，当检测到此脉冲时，输出预定尺寸窗口调整的均值，当未检测到此脉冲时则旁路该输入信号，从而输出降噪的亮度和彩色信号；在图像单元中接收降噪的亮度信号，利用按降噪的亮度信号的均值划分所得的各个子图像的直方图独立地均衡该降噪的亮度信号，并输出增强的亮度信号；检测局部对比度(该局部对比度定义为关于增强的亮度信号的输入样本值和对包含该输入样本的预定尺寸窗口中的样本进行低通滤波所得到的每个值之差)，并输出根据检测到的局部对比度自适应地对输入样本值进行加权而改变的亮度信号；及根据改变的亮度信号对降噪的彩色信号进行补偿并输出补偿的彩色信号。
通过参照附图对本发明的优选实施例进行详细说明，本发明的上述目的及优点将会变得更明显，其中：
图1是本发明一实施例的图像质量增强电路的方框图；
图2是图1所示的第一降噪器的详细方框图；
图3是图2所示的窗口发生器的详细方框图；
图4是图1所示的具有增益控制和亮度补偿的基于均值分离直方图均衡的对比度增强器的详细方框图；
图5a和图5b示出用于图4所示的亮度补偿器的亮度校正函数的例子；
图6a和图6b分别示出由图5a和图5b所示亮度校正函数补偿的平均级与输入图像的平均级之间的关系；
图7是图1所示的局部对比度增强器的详细方框图；
图8是图7所示的M×N窗口发生器的详细电路图；
图9示出用于图7所示的加权单元的加权函数的特性；
图10是说明根据亮度变化进行的彩色补偿的视图；
图11示出防止彩色饱和的彩色补偿线；
图12是根据本发明一实施例的示于图1的彩色补偿器的详细电路图；及
图13是根据本发明另一实施例的示于图1的彩色补偿器的详细电路图。
参考图1，第一彩色转换器100接收用Rin、Gin和Bin表示的基带数字彩色信号，并把它们转换成用Yin、Uin及Vin表示的数字亮度信号和制式定义的彩色信号。
这里，R、G及B信号按照信号处理方法可转换成各种不同的彩色信号，像(Y，I，Q)、(Y，U，V)及(Y，R-Y，B-Y)等彩色制式。R、G和B信号和新彩色信号Y、U和V之间的关系可用下面的方程式1来表示。YUV=a1a1a1b1b2b3c1c2c3RGB----(1)]]>
在本发明中，(Y，U，V)由彩色制式定义，Y表示亮度信号，U和V表示制式定义的彩色信号。
图像质量增强电路的第一个功能是除去脉冲噪声。第一到第三降噪器200、220和240分别根据样本的统计检测分离样本(outlier)值并调整该结果，以便除去脉冲噪声。换言之，当从一个输入样本中检测出脉冲时，第一到第三降噪器200、220和240输出给定窗口的调整的均值，否则旁路该输入样本。
另外，用不同尺寸的两个窗口计算的样本的统计对降低脉冲的漏检是有用的。漏检可能是视频信号细节模糊的主要因素。分离样本值的检测度由参数k确定。
因此，具有独立而相同的结构的降噪器200、220和240被用来降低Yin、Uin和Vin信号的脉冲噪声。
然而，因为典型的数字标准图像有4∶2∶0格式或4∶2∶2格式，所以单个降噪器可被用来代替用于Uin和Vin信号的第二和第三降噪器220和240。为了用单个降噪模块，在降噪模块前可安装一个用于选择Uin或Vin信号的多路选择器，而在降噪模块后可提供一个用于分离降噪的Uin或Vin信号的多路分配器。
图像质量增强电路的一个主要作用是利用具有增益控制和亮度补偿的基于均值分离直方图均衡的对比度增强器300(以后称作对比度增强器)来增强对比度。
根据本发明提出的均值分离直方图均衡的基本概念，一给定图像根据该给定图像的均值，被分成独立的两个组，而对分得的子图像独立进行均衡。
如果应用该提出的均值分离直方图均衡，则可以有效地防止亮度突变和赝象，当输入图像有一集中分布的直方图时，在一般直方图均衡后，可能产生所述的亮度突变和赝象。另外，增益控制和亮度补偿的功能可与均值分离直方图均衡结合。然而，直方图均衡的其它实施方案及提出的均值分离直方图均衡也能用于本发明中。
通过在均值分离直方图均衡期间把当前均值映射为希望的输出均值，能简单地实现亮度补偿。另外，增益控制的作用是根据输入信号电平，控制通过均值分离直方图均衡增强了的信号的增益，来防止过度的对比度增强。
用于锐化增强的局部对比度增强器400检测局部对比度(该局部对比度定义为输入样本值和包含该输入样本的预定尺寸窗口内相应的一个低通滤波过的样本值之差)，并根据检测到的局部对比度的幅度用依赖于该局部对比度的加权函数的权值自适应地加权输入样本。
彩色补偿器500根据第一降噪器200输出的亮度信号Y和局部对比度增强器400输出的已改变的亮度信号Y′，对第二和第三降噪器220和240输出的彩色信号U和V进行适当的补偿。彩色补偿器500把放在给定亮度平面上的当前彩色信号映射为在RGB空间按一彩色方向移动直到与一增强的亮度平面相交所得到的彩色信号。从而，用与亮度信号变化的比例相同的比例改变彩色信号U和V来输出补偿的彩色信号U′和V′。
第二彩色转换器600接收由局部对比度增强器400输出的信号Y′和由彩色补偿器500输出的信号U′和V′，并通过第一彩色转换器100执行的转换的逆处理输出Rout、Gout和Bout。
图1所示的外部参数是有用的，并刻划了图像质量增强电路的全部功能的特性。其中参数(k)为降噪度，参数(S)用于选择递归/非递归降噪模式，增益控制参数(Yu，YL)输入给对比度增强器300，锐化控制参数(β)输入给局部对比度增强器400，而彩色控制参数(α)输入给彩色补偿器500。
图2是图1所示的第一降噪器200的详细方框图。这里，由于第二和第三降噪器220和240具有同样的结构，因而仅对除去Yin信号的脉冲噪声的第一降噪器予以说明。
参考图2，窗口发生器202输出用下面方程表达的两个窗口及当前的输入样本Y[i][j]。WL=WL1L2···W-L10···W-L1L2W0-L2···W00···W0L2WL1-L2···WL10···WL1L2···(2)]]>WM=W-M1-M2···W-M10···W-M1M2W0-M2···W00···W0M2WM1M2···WM10···WM1M2···(3)]]>这里，WL和WM分别称为大窗口和小窗口。也就是说L1大于M1。由窗口发生器202输出的大窗口和小窗口的合成样本随递归/非递归降噪模式信号(S)而变化。为了说明，采用L1＝L2＝2及M1＝M2＝1的例子。
也就是说，在非递归降噪模式情况中，由窗口发生器202产生的5×5大窗口(WL)和3×3小窗口(WM)如下所示。WL=Y[i-2][j-2],Y[i-2][j-1],Y[i-2][j],Y[i-2][j+1],Y[i-2][j-2]Y[i-2][j-2],Y[i-1][j-1],Y[i-1][j],Y[i-1][j+1],Y[i-1][j+2]Y[i][j-2],Y[i][j-1],Y[i][j],Y[i][j-1],Y[i][j+2]Y[i+1][j-2],Y[i+1][j-1],Y[i+1][j],Y[i+1][j+1],Y[i+1][j+2]Y[i+2][j-2],Y[i+2][j-1],Y[i+2][j],Y[i+2][j+1],Y[i+2][j+2]...(4)]]>WM=Y[i-1][j-1],Y[i-1][j],Y[i-1][j+1]Y[i][j-1],Y[i][j],Y[i][j-1]Y[i+1][j-1],Y[i+1][j],Y[i+1][j+1]···(5)]]>
另外，在递归降噪模式中，由窗口发生器202产生的5×5大窗口(WL)和3×3小窗口(WM)如下所示。WL=YN[i-2][j-2],YN[i-2][j-1],YN[i-2][j],YN[i-2][j+1],YN[i-2][j+2]YN[i-2][j-2],YN[i-1][j-1],YN[i-1][j],YN[i-1][j+1],YN[i-1][j+2]YN[i][j-2],YN[i][j-1],Y[i][j],Y[i][j+1],Y[i][j+2]Y[i+1][j-2],Y[i+1][j-1],Y[i+1][j],Y[i+1][j+1],Y[i+1][j+2]Y[i+2][j-2],Y[i+2][j-1],Y[i+2][j],Y[i+2][j+1],Y[i+2][j+2]...(6)]]>WM=YN[i-1][j-1],YN[i-1][j],YN[j-1][j+1]YN[i][j-],Y[i][j],Y[i][j+1]Y[i+1][j-1],Y[j+1][j],Y[i+1][j+1]···(7)]]>
这里，YN[ ][ ]表示本发明图2中所示的降噪器200输出的一信号，即经滤波的信号。
如图3所示，窗口发生器202的详细电路图包括多个样本延迟器261到280，4个线延迟器281到284，及一个多路选择器285。这里，多路选择器285根据外部递归/非递归降噪模式信号(S)，在非递归降噪模式时选择输入样本Y[i][j]，在递归降噪模式时选择由选择器216输出的最终输出信号YN[i][j]。此外，D和H分别表示样本延迟器和线存贮器。
第一均值和偏差计算器204接收由窗口发生器202产生的大窗口(WL)的样本，用下面方程8得到大窗口(WL)的平均样本值(AL)，并用下面方程9计算该大窗口(WL)的样本绝对偏差的均值(DL)。AL=1(2L1+1)(2L2+1)Σl=L1L1Σm=L2L2Wjm...(8)]]>DL=1(2L1+1)(2L2+1)Σl=L1L1Σm=L2L2|Wjm-AL|...(9)]]>
当输入样本Y[i][j]和大窗口(WL)的平均样本值(AL)之间的绝对差大于绝对偏差乘以预定参数(k)的均值(kDL)，即|Y[i][j]-AL|＞kDL时，第一分离样本值检测器206通过确定一个脉冲分量包含在输入样本Y[i][j]中来输出一个第一分离样本值检测信号。这里，k表示降噪参数。
第二均值和偏差计算器208接收由窗口发生器202产生的小窗口(WM)的样本，用下面方程10得到小窗口(WM)的平均样本值(AM)，并用下面方程11计算小窗口(WM)的样本的绝对偏差的均值(DM)。AM=1(2M1+1)(2M2+1)Σl=M1M1Σm=M2M2Wlm...(10)]]>DM=1(2M1+1)(2M2+1)Σl=-M1M1Σm=-M2M2|Wlm-AM|...(11)]]>
当输入样本Y[i][j]和小窗口(WM)的平均样本值A(M)之间的绝对差大于绝对偏离乘以参数(k)的均值(kDM)，即|Y[i][j]-AM|＞kDM时，第二分离样本值检测器210通过确定一个脉冲分量包含在输入样本Y[i][j]中来输出一个第二分离样本值检测信号。
当第一和第二分离样本值检测器206和210产生的第一和第二分离样本值检测信号均产生时，选择控制信号发生器212产生一个选择控制信号，以选择调整的均值滤波器214的输出，否则旁路该输入样本而不作改变。
同时，调整的均值滤波器214用下面方程12调整由窗口发生器202产生的小窗口WM的样本，并通过取残留样本的均值来输出一个输出信号ytr[i][j]。ytr[i][j]1|TM|Σl=-M1M1Σm=-M2M2WimTjm]]>其中，且|TM|=Σl=-M1M1Σm=-M2M2Tlm...(12)]]>|TM|表示未调整的样本数或未被确定为分离样本值的样本数。本发明的实施例用小窗口作为调整窗口，而调整窗口的尺寸是可变化的。
仅当分离样本值在第一和第二分离样本值检测器206和210中均被检测到时，选择器216根据选择控制信号发生器212产生的选择控制信号，选择调整的均值滤波器214的输出信号ytr[i][j]。否则，选择器216通过旁路由窗口发生器202输出的未加改变的输入样本Y[i][j]来输出一个输出信号(Y＝YN[i][j])。该输出信号(Y＝YN[i][j])被反馈到窗口发生器202，并同时输出到对比度增强器300和彩色补偿器500。
图4是图1所示的对比度增强器300的详细方框图。参考图4，帧直方图计算器302接收图1所示的第一降噪器200输出的亮度信号(Y)，并以一幅图像为单位计算直方图。即，计算一帧图像的灰度级的分布。图像单位可以是一场，但这里设为一帧。这时，输入图像信号{Y}由{X0，X1，...，XL-1}表示的L个离散级组成。
帧均值计算器304以帧为单位计算第一降噪器200输出的亮度信号的平均级(Xm)。这时Xm∈{X0，X1，...，XL-1}。分割器306根据帧均值计算器304计算的均值电平(Xm)把帧直方图计算器302计算的灰度级分布分成预定数目(在此为2)的子图像{X}L和{X}U，并输出两个子图像的概率密度函数pL(Xk)和pU(Xk)。概率密度函数pL(Xk)和pU(Xk)可用下面方程13和14计算。PL(Xk)=nkLnL,fork=0,1...,m...(13)]]>pu(Xk)=nkunu,fork=m+1,m+2,...,L-1...(14)]]>这里L是级数，pL(Xk)是子图像{X}L中第k级灰度(Xk)的概率，pU(Xk)是子图像{X}U中第k级灰度(Xk)的概率，nkL和nkU表示级Xk出现在每个子图像中的次数，而nL和nU是在子图像{X}L和{X}U中相应的全部样本数。
第一CDF计算器308从分割器306接收一个子图像(以后称第一子图像)的概率密度函数pL(Xk)，所述子图像具有的样本均低于或等于平均级(Xm)，并用下面方程15计算累积密度函数(CDF)cL(Xk)。CL(Xk)=Σj=0kPL(Xl)...(15)]]>
第二CDF计算器310从分割器306接收一个子图像(以后称第二子图像)的概率密度函数pU(Xk)，所述子图像具有的样本均大于平均级(Xm)，并用下面方程16计算累积密度函数cU(Xk)。Cu(Xk)=Σj=m-lkPu(Xj)...(16)]]>
CDF存贮器312根据一个同步信号(SYNC)来更新以帧为单位由第一和第二CDF计算器308和310计算的累积密度函数cL(Xk)和cU(Xk)。并在更新期间分别提供前面存贮的一帧之前(prior-to-one-frame)的累积密度函数cL(Xk)和cU(Xk)给第一和第二映射器316和318。这里，当图像单位是场时，所述同步信号为场同步信号，当图像单位是帧时，所述同步信号为帧同步信号。CDF存贮器312用作缓冲器。
同时，亮度补偿器314接收由帧均值计算器304输出的平均级(Xm)，根据输入到对比度增强器300的平均亮度，如下面方程17所示，把校正值(Δ)加到平均级(Xm)上，并输出补偿的平均级(Bm)。
Bm＝Xm+Δ …(17)
即，当Bm是补偿的平均级，而Δ是根据平均亮度用预定的校正函数得到的校正值时，补偿后的平均级(Bm)成为校正值(Δ)加平均级(Xm)所得的结果。这时，Bm{X0，X1，...，XL-1}。
校正值(Δ)由图5a和5b所示的校正函数确定。本发明并不限于如图5a和5b所示的校正函数的例子，也可以有其它的应用例子。
增强的信号(Yo)的亮度由图5a和5b所示的校正函数决定的校正值来控制。也就是当平均级(Xm)很小时，即当图像很暗时，大于零的校正值(Δ)被加到平均级(Xm)上，然后进行本发明提出的均值分离直方图均衡，从而，增强的信号(Yo)的平均亮度变高。
另外，当平均级(Xm)很大时，即当图像很亮时，小于零的校正值(Δ)被加到平均级(Xm)上，然后进行本发明提出的均值分离直方图均衡。从而，增强的信号(Yo)的平均亮度变低。所以，当根据平均级(Xm)利用按预定的合适的校正值(Δ)补偿的平均级(Bm)进行均值分离直方图均衡时，输入图像的图像质量能显著增强。
图6a和6b示出平均级(Xm)和补偿的平均级(Bm)之间的关系，由图5a和5b所示的亮度校正函数决定的校正值(Δ)被加到所述补偿的平均级上。
同时，图4所示的第一映射器316接收由第一CDF计算器308计算的累积密度函数cL(Xk)、从第一降噪器200输出的信号(Xk)、及由亮度补偿器314输出的补偿的平均级(Bm)，并根据累积密度函数，把第一子图像的样本{X}L映射到范围从0到Bm的灰度级。
第二映射器318接收由第二CDF计算器310计算的累积密度函数cU(Xk)、由第一降噪器200输出的信号(Xk)、及由亮度补偿器314输出的补偿的平均级(Bm)，并根据累积密度函数把第二子图像的样本值{X}U映射到范围从B′m到XL-1的灰度级。
由第一和第二映射器316和318映射的输出用下面方程18来表示，B′m用下面方程19来表示。B′m＝Bm+XLl/(L-1) ...(19)
这里，B′m表示映射在比补偿的平均级(Bm)更高的区域中的第一灰度级。
因而方程18显示了当输入样本等于或小于平均级(Xm)时将输入样本映射到(0，Bm)及当输入样本大于平均级(Xm)时，将输入样本映射到(B′m，XL-1)的结果。
另外，当校正值大于0(即Δ＞0)时，均衡过的输出(Yo)变亮，而当它小于0(即Δ＜0)时，均衡过的输出(Yo)变暗。当Δ增加时，低区域上的动态范围增强，当Δ减小时，高区域上的动态范围增强。取决于平均级(Xm)的预定的合适的补偿的平均级(Bm)大大地增强了输入图像的图像质量。
比较器320把第一降噪器200输出的信号(Xk)同帧均值计算器304输出的平均级(Xm)比较，并产生一个选择控制信号。当第一降噪器200输出的信号(Xk)低于平均级(Xm)时，第一选择器322选择第一映射器316，否则，选择第二映射器318。
这里，输入给第一和第二映射器316和318的信号(Xk)是这样一个帧的信号，该帧紧接着对应于CDF存贮器312输出累积密度函数值的帧。因此，可另外提供一个将第一降噪器200输出的信号延迟一帧的帧存贮器，以便将与CDF存贮器312输出的累积密度函数的帧相同的帧的信号输入给第一和第二映射器316和318。而且，利用相邻帧之间存在高度相关性的特性，可省略帧存贮器，从而减少硬件。
而且，不用分别使用帧直方图计算器302和CDF计算器308和310，用没有帧直方图计算器302的CDF计算器308和310可计算每个子组的图像信号的灰度级分布，且基于该结果可计算CDF。
同时，减法器324和加法器334实现控制增强的信号(Yo)的增益的作用。这里增益控制的一个基本概念是，当用均值分离直方图均衡增强对比度时，按照对比度增强的程度限制输入信号(Y)的最大灰度级的变化。
首先，输入信号(Y＝Xk)和增强的信号(Yo)之间的关系可用下面方程20或21来表示；
Yo＝Xk+Δk ...(20)或
Yo-Xk＝Δk ...(21)其中Δk是当输入样本是Xk，即输入信号(Y＝Xk)的电平和由均值分离直方图均衡映射到新灰度级的级(Yo)之差时，由均值分离直方图均衡形成的变化量(增强度)。
为了防止由于直方图均衡造成的过度增强，根据本发明的变化量Δk作如下限制。
|Δk|≤γ·g(Xk) …(22)其中g(Xk)表示最大限定函数，g(Xk)是输入信号(Y＝Xk)的函数且通常为正值(即g(Xk)≥0)，而γ(γ≥0)是增益控制参数。上面方程22可用下面方程23表示为同一方程。
-r·g(Xk)≤Δi≤r·g(Xk) …(23)
如方程22表示的限制变化量Δk的概念涉及Weher系数。事实上，若g(Xk)等于Xk，从上面方程22可得到下面的方程24。|Δk|Xk≤γ...(24)]]>其中是对应于Weber系数的量。Weber系数是人感觉到的实验事实，当X1用γX1替换，X2用γX2替换时，变化度相同。因此，用于本发明的增益控制概念是用具有基于Weber系数的亮度补偿功能的均值分离直方图来控制增益，即增强的信号的增强度。
图4中所示的减法器324从第一选择器322输出的增强的信号(Yo)中减去第一降噪器200输出的输入信号(Y＝Xk)，得到由具有亮度补偿功能的均值分离直方图均衡形成的变化量(Δk)。
增益特征确定器326通过输出作为输入信号(Xk)的函数的最大限定函数g(Xk)来限制输入信号(Xk)的增强。例如，当g(Xk)是K1且K1是常数时，g(Xk)以同一量限制输入增强，而不管输入灰度级值为何。最大限定函数g(Xk)可等于aXk或(这里a是常数)，且根据输入灰度级值，有区别地限制输入图像的增强量。
第二选择器328把输入信号(Xk)同帧均值计算器304输出的平均级(Xm)进行比较，当输入信号(Xk)低于或等于于均级(Xm)时选择第一增益控制参数(γL)，否则,选择第二增益控制参数(γU)。这里，第一增益控制参数(γL)是用于第一子图像信号的参数，而第二增益控制参数(γU)是用于第二子图像信号的参数。这里，第一和第二增益控制参数(γL)和(γU)可以以同样值给予输入信号，这与为每个子图像提供不同的增益控制参数形成对比
乘法器330把增益特征确定器326输出的最大限定函数g(Xk)的值乘以第二选择器328选择的增益控制参数(γ)并输出限制值γ-g(Xk)这里，限制值γ-g(Xk)是本发明的增益控制的特性。
限制器332把减法器324输出的变化量(Δk)同乘法器330输出的限制值γ·g(Xk)相比较，限制变化量(Δk)，并按下面方程25输出一个受限的变化量(Δ′k)。
也就是说，当变化量(Δk)的绝对值等于或小于γ·g(Xk)时，变化量(Δk)用作受限变化量(Δ′k)。当变化量(Δk)大于γ·g(Xk)时，变化量(Δk)被限制为γ·g(Xk)。当变化量(Δk)小于-γ·g(Xk)时，变化量(Δk)被限制为-γ-g(Xk)，由此控制增强的信号(Yo)的增益。
加法器334把输入信号(Xk)加至限制器332输出的受限变化量(Δ′k)上，并输出一个如下面方程26所示的输出信号(YH)。因此，对比度增强器300的最终输出信号(YH)可如下表达。
YH＝Xk+Δk′ ...(26)
图7是图1所示的局部对比度增益器400的详细方框图，其中M×N窗口发生器402接收图1所示的对比度增益器300的输出(YH)，产生可用下面方程27表达的M×N窗口(W)，并把它输出到M×N低通滤波器(LPF)404中。W=W11,W12,···,W1NW21,W22,···,W2NWM1,WM2,···,WMN...(27)]]>
另外，M×N窗口(W)的中心线的中间样本(x)被输入到减法器406和加法器416。这里，中心线的中间样本(x)是用于改进对比度的输入样本。
图8是当M和N都等于3时，M×N窗口发生器402的详细电路图。参考图8，D和H分别表示样本延迟器和线存贮器。图7表示的M×NLPF404的输出信号(m)，可用下面方程28来表示。m-Σi=1MΣj=1NbijWij...(28)]]>其中bij是预定的系数，而b11,···,b1N············bM1,···,bMN]]>相当于M×NLPF404的脉冲响应。
减法器406从中间样本值(x)中减去M×NLPF404的输出信号(m)。绝对值计算器408计算减法器406输出的绝对值，加权单元410输出一个用预定的加权函数f(|x-m|)对绝对值计算器408的输出进行加权而得到的值。第一乘法器412把预定参数(β)乘以加权单元410的输出。
第二乘法器414把减法器406的输出同第一乘法器412的输出相乘并输出乘得的结果β·f(|x-m|)(x-m)。加法器416把乘得的结果加到M×N窗口发生器402的中间样本(x)上。
这时，M×N窗口发生器402的中间样本(x)和M×NLPF404的输出信号(m)之差能用人视觉感觉的对比度即局部对比度来定义。换句话说，值|x-m|大的地方，可被称为有高对比度的区域，值|x-m|小的地方，可被称为有低对比度的区域。根据上面定义的局部对比度，把值|x-m|放大为f(|x-m|)并把结果加到原始信号(x)中来增强局部对比度。加法器416的输出(Y′)用下面方程29来表示。
Y′＝x+β·f(|x-m|)(x-m) …(29)其中，加权函数f()是|x-m|的函数。通过适当地选择加权函数，能实现用于局部对比度的各种类型增强特性。另外，β是用来调节整个局部对比度的增强量的参数。
例如，当f(|x-m|)等于0时，Y′等于x，也就是无对比度增强作用。因此，如果当|x-m|比T小时f(|x-m|)为K2，并且当|x-m|比T大时，f(|x-m|)为0，(这里，T和K2是常数)，则在局部对比度小(即，|x-m|＜T)的区域，局部对比度被扩大K2倍。另一方面，在已经确定局部对比度大的区域中，进行旁路输入样本的自适应局部对比度增强。
图9显示了根据|x-m|确定局部对比度的加权值的加权函数的例子。通过使用(a)和(b)表示的加权函数能得到各种对比度增强特性。
同时，在说明图1中所示的彩色补偿器500以前，先参照图10和11来说明一种彩色补偿方法。
彩色信号C用R、G和B信号给出，方程1中所示的亮度信号Y用a1R+a2G+a3B给出，通过对比度增强器300和局部对比度增强器400将Y转换成Y′。这时，彩色补偿的目标是根据Y到Y′的变化，适当地变化原始彩色信号C＝(R，G，B)。
本发明的彩色补偿的基本概念是把给定的彩色变成(R，G，B)空间中的彩色方向。
首先，在Y等于a1R+a2G+a3B的地方，均具有一常数值Y的R、G和B在(R，G，B)空间中形成一平面。即，Y等于a1R+a2G+a3B的平面上的每个彩色信号具有相同亮度值。从Y到Y′的亮度变化涉及如下事实，即所给的彩色C被移到图10所示的Y′平面上的一个位置。这时，在本发明中，假设彩色C和C′具有同一彩色方向。这里，当C′等于(R′，G′，B′)时，这意味着直线OC同直线0C′重合。因此，在Y′平面上经补偿的彩色C′通过检测直线OC′和Y′平面的交点而得到。简言之，当亮度值从Y变成Y′时，图10所示的原始彩色信号C被映射为新的彩色信号C′，它是直线OC和Y′平面的交点。
现在，为了得到彩色C′，(l，m，n)被定义为给定彩色C的方向余弦，它将用下面方程30来表示；
l＝R/r，m＝G/r，n＝B/r …(30)其中r等于。类似地，输出彩色信号R′、G′和B′的方向余弦l′、m′、n′可用下面方程31来表示；
l′＝R′/r′，m′＝G′/r′，n′＝B′/r′ …(31)其中r′等于为使这两类彩色具有相同的彩色方向，应该满足下面方程32和33所示的关系。
l＝l′，m＝m′，n＝n′ ...(32)
R′/r′＝R/r，G′/r′＝G/r，B′/r′＝B/r …(33)因此，得到了下面方程34、35和36。R′=r′rR...(34)]]>G′=r′rG...(35)]]>B′=r′rB...(36)]]>当用方程34、35和36给出的关系代入Y′＝a1R′+a2G′+a3B′时，得到下面方程37、38和39；Y′=a1r′rR+a2r′rG+a3r′rB...(37)]]>Y′=r′r(a1R+a2G+a3B)...(38)]]>y′=r′rY...(39)]]>因此，得到如下面方程40的结果。Y′Y=r′r...(40)]]>
同时，利用方程40的结果，方程34到36亦可以表示成如下面方程41到43。R′=Y′YR....(41)]]>G′=Y′YG...(42)]]>B′=Y′YB...(43)]]>从而，C′能如下得到C′＝(R′，G′，B′) ...(44)C′＝(qR，qG，qB) ...(45)其中q等于Y′/Y，它是原始亮度信号和结果亮度信号之比。由于这意味着亮度变化的比例等于彩色变化的比例，所以本发明通过按照亮度变化改变彩色值来实现彩色补偿。
利用方程45的结果，在其它彩色制式中能很容易地实现彩色补偿。也就是说例如方程1中给出的(Y，U，V)信号(它是方程45给出的彩色补偿的结果)应当被转换成(qY，qU，qV)，如方程46到51所示：
U′＝b1R′+b2G′+b3B′ ...(46)
U＝q(b1R+b2G+b3B) ...(47)
U＝qU ...(48)和，
V′＝c1R′+c2G′+c3B′ ...(49)
V＝q(c1R+c2G+c3B) ...(50)
V＝qV ...(51).
接着将进行彩色补偿，以防止由上述图像质量增强方法引起的彩色饱和。
亮度比用q给出，当用图11所示的补偿线(R′，G′，B′)＝q(R，G，B)进行彩色补偿时，在b(＝Max/q)电平和最大(Max)电平之间的彩色信号被补偿到一最大值(Max)，这样就引起饱和。这是因为参考上面所述的补偿方法，在b和Max之间的彩色由此映射为Max，彼此之间无法区别。
为了防止彩色饱和，对a(＝αb)电平和最大电平(Max)之间的彩色信号，补偿线(R′，G′，B′)＝q(R，G，B)被近似为补偿线(R′，G′，B′)＝A(R，G，B)+K。这里参数(α)大于或等于0且低于或等于1，而A和K可用下面方程52和53来表示；A=q(1-α)(q-1)...(52)]]>和，K=(q-1)αq-1Max...(53)]]>
图12是按照本发明一实施例的图1所示的彩色补偿器500的详细电路图，其中，运算器502运算由图1的第一降噪器200输出的信号Y和局部对比度增强器400输出的信号Y′之间的比率(q)，即Y′/Y。
第一乘法器504把图1的第二降噪器220输出的信号U乘以运算器502输出的比率(q)并输出信号U′。第二乘法器506把图1的第三降噪器240输出的信号V乘以运算器502输出的比率(q)并输出信号V′。
图13是按照本发明另一实施例的图1所示的彩色补偿器500的详细电路图，其中运算器512运算由图1的第一降噪器200输出的信号Y和局部对比度增强器400输出的信号Y′之间的比率(q)，即Y′/Y。
第一近似值调节器514和516用图11所示的近似补偿线来防止彩色饱和。第一近似值调节器514接收由图1的第二降噪器220输出的信号U、由运算器512输出的比率(q)、及参数(α)，并且，当输入信号U在最小电平和a(＝αb)电平之间时，输出经补偿线(R′，G′，B′)＝q(R，G，B)补偿的信号U′，而当输入信号U在“a”电平和最大电平(Max)之间时，输出经近似补偿线(R′，G′，B′)＝A(R，G，B)+K补偿的信号U′。
这时，信号U既可通过补偿线(R′，G′，B′)＝q(R，G，B)补偿，也可通过近似补偿线(R′，G′，B′)＝A(R，G，B)+K补偿，这取决于参数值(α)。即，当参数值(α)为1时，信号U用补偿线(R′，G′，B′)＝q(R，G，B)补偿。当参数值(α)大于0且小于1时，在最小电平和“a”(＝αb)电平之间的信号U由补偿线(R′，G′，B′)＝q(R，G，B)补偿，而在“a”电平和最大电平之间的信号U由近似补偿线(R′，G′，B′)＝A(R，G，B)+K补偿。
第二近似值调节器516接收图1的第三降噪器240输出的信号Y、运算器512输出的比率(q)、及参数(α)，并且，当输入信号V在最小电平和“a”电平之间时，输出用补偿线(R′，G′，B′)＝q(R，G，B)补偿的信号V′，而当输入信号V在“a”电平和最大电平(Max)之间时，输出用近似补偿线(R′，G′，B′)＝A(R，G，B)+K补偿的信号V′。
因此，本发明可用于同图像信号的图像质量增强有关的范围很宽的领域。即，本发明可用在广播设备、雷达信号处理系统、医用设备、家用电器等。
如上所述，本发明根据输入图像的平均亮度考虑校正值，用具有增益控制功能的均值分离直方图均衡来防止过量增强，有效地减少了亮度突变和在传统直方图均衡期间产生的赝象，从而增强了对比度，并大大地改进了输入图像的图像质量。而且，本发明通过双脉冲检测方法来增加可靠性，从而有效地除去脉冲噪声，因此，改进了图像质量。通过局部对比度的增强也能提高图像质量。另外，当预定的对比度增强处理改变了亮度时，本发明根据该变化来改变彩色值，由此提供一种不失真的彩色信号。