(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力映像の平均及び標準偏差を計算する第１演算部と、
前記入力映像の平均及び標準偏差に基づき目標映像の平均及び標準偏差を計算する第２演算部と、
前記第１演算部及び前記第２演算部から前記入力映像及び前記目標映像の平均及び標準偏差を入力され生成したマッピング関数によって前記入力映像のピクセル値を変換して出力映像のピクセル値を出力するマッピング部と、
前記入力映像のピクセル値に対する上限値（threshold_high）及び下限値（threshold_low）を前記マッピング部に提供するマッピング範囲指定部と、を備え、
前記マッピング部は、前記入力映像の平均を基準に前記上限値及び前記下限値の間のマッピング領域を分割して形成されたそれぞれの下位領域について、次のような式により複数の前記マッピング関数のうちから選択された前記マッピング関数によって、前記入力映像のピクセル値に対する変換を行う
ことを特徴とするコントラスト向上装置。
【数１】
0003824590.tif 000011
また、ｘは入力映像のピクセル値、ｙは出力映像のピクセル値、σａは入力映像の標準偏差、σｂは目標映像の標準偏差、Ｐａは入力映像の平均、それからＰｂは目標映像の平均である。
【請求項２】
前記第２演算部は次のような式によって前記目標映像の標準偏差を計算することを特徴とする請求項１に記載のコントラスト向上装置。
【数２】
0003824590.tif 000012
ここで、σａは前記入力映像の標準偏差、Ｐａは前記入力映像の平均、ｍは所定の可変標準偏差、ｋは０と１との間に存在し、前記入力映像の平均がガウス分布の平均である１２８に近づくほど０に収斂し、前記入力映像の平均が前記ガウス分布の平均である１２８から遠ざかるほど１に収斂する媒介変数、それからｇ（ ）は前記ｋを決める関数である。
【請求項３】
入力映像の平均及び標準偏差を計算する第１演算段階と、
前記入力映像の平均及び標準偏差に基づき目標映像の平均及び標準偏差を計算する第２演算段階と、
前記入力映像の平均及び標準偏差と前記目標映像の平均及び標準偏差に基づきマッピング関数を生成するマッピング関数生成段階と、
生成された前記マッピング関数によって前記入力映像のピクセル値を変換して出力映像のピクセル値を出力するマッピング段階と、
前記マッピング段階の前に、前記入力映像のピクセル値に対する上限値（threshold_high）及び下限値（threshold_low）を設定する段階と、を備え、
前記マッピング段階は、前記入力映像の平均を基準に前記上限値及び前記下限値の間のマッピング領域を分割して形成されたそれぞれの下位領域について、次のような式により複数の前記マッピング関数のうちから選択された前記マッピング関数によって、前記入力映像のピクセル値に対する変換を行う
ことを特徴とするコントラスト向上方法。
【数３】
0003824590.tif 000013
また、ｘは入力映像のピクセル値、ｙは出力映像のピクセル値、σaは入力映像の標準偏差、σｂは目標映像の標準偏差、Ｐaは入力映像の平均、それからＰｂは目標映像の平均である。
【請求項４】
前記第２演算段階は次の式によって前記目標映像の標準偏差を計算することを特徴とする請求項３に記載のコントラスト向上方法。
【数４】
0003824590.tif 000014
ここで、σａは前記入力映像の標準偏差、Ｐａは前記入力映像の平均、ｍは所定の可変標準偏差、ｋは０と１との間に存在し、前記入力映像の平均がガウス分布の平均である１２８に近づくほど０に収斂し、前記入力映像の平均が前記ガウス分布の平均である１２８から遠ざかるほど１に収斂する媒介変数、それからｇ（ ）は前記ｋを決める関数である。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はヒストグラムマッチングを用いたコントラスト向上装置及び方法に係り、さらに詳しくは入力映像と目標映像の分布度に基づき作成されたマッピングテーブルを用いて出力映像のコントラストを向上させる装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ヒストグラムは映像内のピクセルに対する明暗値の分布を示したものである。すなわち１映像に存在する暗い点と暗い点に対する分布の範囲と値を表現したものである。ヒストグラム平滑化は明暗値の分布が一方に偏ったり不均一な画像について明暗値の分布を均一化することによって映像を向上させる方法である。ヒストグラム平滑化を通して暗い映像は明るくなり、明るすぎる映像は次第に暗くなって適当な明度値を維持する。すなわち、変換後の明度値分布を修正することによって映像の全体的なコントラストバランスが改善される。
【０００３】
図１Ａは従来のヒストグラム平滑化装置のブロック図である。
【０００４】
図１Ａを参照すれば、従来のヒストグラム平滑化装置１００は分布演算部１１０及び平滑化部１２０を有する。
【０００５】
分布演算部１１０は入力映像から輝度レベルを計数してヒストグラム値または確率密度関数を求め、これより累積分布関数を算出する。平滑化部１２０は分布演算部１１０で算出された累積分布関数を用いて与えられた映像のヒストグラムを均一化する。従って、累積分布関数を与えられた映像に非線形マッピングすることによって映像のコントラストが向上される。
【０００６】
図１Ｂは従来のコントラストストレッチング装置のブロック図である。
【０００７】
図１Ｂを参照すれば、従来のコントラストストレッチング装置１５０は、分布演算部１６０及びストレッチング部１７０を有する。
【０００８】
分布演算部１６０は入力映像から輝度レベルを計数してヒストグラム値または確率密度関数を求める。ストレッチング部１７０は分布演算部１６０で求められた確率密度関数を用いて最低値と最高値を有する画素値を求め、求められた画素値を用いて入力映像の明暗値分布を最大限活用するようヒストグラムを広げる。映像において最低値を有する画素値を用いて引き算演算を行えばヒストグラムは左側に移動するが、この際映像の有している各画素値が全体明暗値を含むよう拡張される。従って、映像は０から２５５までの明暗値を有し映像のコントラストが増加する。
【０００９】
しかし、従来の技術に係るヒストグラム平滑化はコントラスト向上の程度を調整し難い問題点がある。従来の技術は与えられた映像から求められた確率密度関数及び累積分布関数をコントラスト向上のためのマッピングとして使用する。従って、与えられた映像の性質が特異であるか雑音によって映像が損傷された場合に所望の結果が得難い。
【００１０】
また、従来の技術に係るヒストグラム平滑化において相対的な明るさが維持されない。ヒストグラム平滑化を通して得られる映像の明るさは与えられた映像の明るさと関連無くてビデオシーケンスに適用される場合明るい場面と暗い場面の区別が消え去る。ヒストグラム平滑化は映像が暗い領域で細密な部分を有する場合は効果的に行われるが、良質の映像はかえって悪化する場合がある。従って、これらを克服するためには複雑なアルゴリズムを追加すべきであり、よって装置の具現に困難がある。
【００１１】
一方、従来の技術に係るコントラストストレッチングの場合、映像に明るいか暗い箇所があればストレッチングできる余裕がなくて良好な効果を期することができない。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は前述した問題点を解決するために案出されたもので、その目的はコントラスト向上の程度を調節することができ、コントラスト調節時に相対的な明るさを維持できるコントラスト向上装置及び方法を提供する。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前述した技術的課題を達成するための本発明に係るコントラスト向上装置は、入力映像の平均及び標準偏差を計算する第１演算部と、前記入力映像の平均及び標準偏差に基づき目標映像の平均及び標準偏差を計算する第２演算部、及び前記第１演算部及び前記第２演算部から前記入力映像及び前記目標映像の平均及び標準偏差を入力され生成したマッピング関数によって前記入力映像のピクセル値を変換して出力映像のピクセル値を出力するマッピング部と、を有する。
【００１４】
望ましくは、前記入力映像のピクセル値に対する上限値及び下限値を前記マッピング部に提供するマッピング範囲指定部をさらに具備し、前記マッピング部は前記入力映像のピクセル値のうちの前記上限値及び前記下限値の間に存在する前記入力映像のピクセル値について前記マッピング関数による変換を行う。
【００１５】
前記マッピング部は前記入力映像の平均を基準に前記上限値及び前記下限値間のマッピング領域を分割して形成されたそれぞれの下位領域について複数の前記マッピング関数のうちから選択された前記マッピング関数によって前記入力映像のピクセル値に対する変換を行う。
【００１６】
この際、前記マッピング部は次のような式によって複数の前記マッピング関数のうちから前記入力映像のピクセル値に対する変換に使用される前記マッピング関数を選択する。
【数７】
0003824590.tif 000002
【００１７】
一方、前記マッピング関数は次のような式で表現される。
【数８】
0003824590.tif 000003
ここで、ｘは入力映像のピクセル値、ｙは出力映像のピクセル値、σａは入力映像の標準偏差、σｂは目標映像の標準偏差、Ｐａは入力映像の平均、それからＰｂは目標映像の平均である。
【００１８】
前記第２演算部は次の式によって前記目標映像の標準偏差を計算する。
【数９】
0003824590.tif 000004
ここで、σａは入力映像の標準偏差、Ｐａは入力映像の平均、ｍは所定の可変標準偏差、ｋは０と１との間に存在し前記入力映像の平均がガウス分布の平均である１２８に近づくほど０に収斂し、前記入力映像の平均が前記ガウス分布の平均である１２８から遠ざかるほど１に収斂する媒介変数、そしてｇ(  )は前記ｋを決める関数である。
【００１９】
前述した他の技術的課題を達成するための本発明に係るコントラスト向上方法は、入力映像の平均及び標準偏差を計算する第１演算段階と、前記入力映像の平均及び標準偏差に基づき目標映像の平均及び標準偏差を計算する第２演算段階と、前記入力映像の平均及び標準偏差と前記目標映像の平均及び標準偏差に基づきマッピング関数を生成するマッピング関数生成段階、及び生成された前記マッピング関数によって前記入力映像のピクセル値を変換して出力映像のピクセル値を出力するマッピング段階を含む。
【００２０】
望ましくは、前記マッピング段階の前に、前記入力映像のピクセル値に対する上限値及び下限値を設定する段階をさらに含み、前記マッピング段階は前記入力映像のピクセル値のうちの前記上限値及び前記下限値の間に存在する前記入力映像のピクセル値について前記マッピング関数による変換を行う。
【００２１】
この場合、前記マッピング段階は前記入力映像の平均を基準に前記上限値及び前記下限値の間のマッピング領域を分割して形成されたそれぞれの下位領域について複数の前記マッピング関数のうちから選択された前記マッピング関数によって前記入力映像のピクセル値に対する変換を行うことが望ましい。
【００２２】
この際、前記マッピング段階は次のような式によって複数の前記マッピング関数のうちから前記入力映像のピクセル値に対する変換に使用される前記マッピング関数を選択する。
【数１０】
0003824590.tif 000005
【００２３】
前記マッピング関数は次のような式で表現される。
【数１１】
0003824590.tif 000006
ここで、ｘは入力映像のピクセル値、ｙは出力映像のピクセル値、σａは入力映像の標準偏差、σｂは目標映像の標準偏差、Ｐａは入力映像の平均、Ｐｂは目標映像の平均である。
【００２４】
前記第２演算段階は次のような式によって前記目標映像の標準偏差を計算する。
【数１２】
0003824590.tif 000007
ここで、σａは入力映像の標準偏差、Ｐａは入力映像の平均、ｍは所定の可変標準偏差、ｋは０と１との間に存在し、前記入力映像の平均がガウス分布の平均である１２８に近づくほど０に収斂し、前記入力映像の平均が前記ガウス分布の平均である１２８から遠ざかるほど１に収斂する媒介変数、それからｇ(  )は前記ｋを決める関数である。
【００２５】
本発明によれば、コントラスト向上装置の具現が容易であり、目標映像のパラメータ修正を通して映像全体のコントラスト向上程度を調節することができ、ひいては複数のマッピング関数を使用することによって映像によって暗い箇所と明るい箇所が強調されすぎるようになる現象を防止することができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、添付した図面に基づき本発明に係るコントラスト向上装置及び方法を詳述する。
【００２７】
図２は本発明に係るコントラスト向上装置に対する望ましい実施例の構成を示したブロック図である。
【００２８】
図２を参照すれば、本発明に係るコントラスト向上装置２００は第１演算部２１０、第２演算部２２０、マッピング部２３０、及びマッピング範囲指定部２４０を有する。
【００２９】
第１演算部２１０は入力映像の平均及び標準偏差を計算する。第２演算部２２０は入力映像の平均及び標準偏差に基づき目標映像の平均及び標準偏差を計算する。第２演算部２２０は次の数式を用いて目標映像の標準偏差を計算する。
【数１３】
0003824590.tif 000008
ここで、σａは入力映像の標準偏差、Ｐａは入力映像の平均である。
【００３０】
一方、ｍは可変標準偏差であって、ｍ値を変更することによってコントラストの調整が可能である。実験によればｍ値が５６の時に最も望ましい映像が出力される。ｍ値はユーザの好みによって外部で変更可能にすることができる。
【００３１】
入力イメージから得たヒストグラムの標準偏差値が小さいということは全体ヒストグラム領域においてピクセルの分布が一地点に多く集中されていることを意味し、これは全体的なイメージのコントラストが高くないこと意味する。従って、ヒストグラムマッチングによって目標映像の標準偏差を高めればピクセルの分布を均一に広げる効果を得る。
【００３２】
また[数１３]によれば、目標映像の標準偏差は関数ｇ(  )によって計算されるｋ値によって変化する。ｋは入力映像の平均がガウス分布の平均である１２８に近接できるよう０に収斂し、入力映像の平均がガウス分布の平均である１２８から遠ざかるほど１に収斂する。ｋが０の場合、媒介標準偏差が目標映像の標準偏差として決定され、ｋが１の場合、入力映像の標準偏差が目標映像の標準偏差として決定される。図３にはこのような関係を示すために使用される関数ｇ(  )の一例が示されている。
【００３３】
マッピング部２３０は第１演算部２１０及び第２演算部２２０から入力された入力映像及び目標映像の平均及び標準偏差に基づき生成したマッピング関数によって入力映像のピクセル値を変換して出力映像のピクセル値を出力する。
【００３４】
ピクセル値変換部２３０は次の数式で表現されるマッピング関数によって入力映像を出力映像に変換する。
【数１４】
0003824590.tif 000009
ここで、σａは入力映像の標準偏差、σｂは目標映像の標準偏差、Ｐａは入力映像の平均、Ｐｂは目標映像の平均である。
【００３５】
[数１４]によれば入力映像が(Ｐａ、σａ)のガウス分布を有すると、出力映像は(Ｐb、σb)のガウス分布を有することになる。
【００３６】
また、[数１３]及び[数１４]によれば、目標映像の平均は入力映像の平均をそのまま使用するが、目標映像の明るさを増加させるためには目標映像の平均を増加させ、コントラストのレベルを増加させるためには目標映像の標準偏差を増加させれば良い。
【００３７】
マッピング範囲指定部２４０はマッピング関数が適用される入力映像のピクセル値に対する上限値及び下限値をマッピング部２３０に提供する。装置によって極めて暗い箇所と極めて明るい箇所のピクセル値を変更しないことが望ましい場合がある。この場合、マッピング範囲指定部２４０は暗い箇所と明るい箇所の二つの範囲を示す臨界値(threshold_low、threshold_high)を設定し、設定された臨界値をマッピング部２３０に提供する。マッピング部２３０は提供された臨界値を越える値についてはマッピングを適用しない。
【００３８】
一方、マッピング部２３０で利用されるマッピングの場合、多くのピクセル値が一つの値にマッピングされる場合が発生するので、次のような方法を用いてこれを防止する。すなわち、マッピング関数を示す三本のラインを、そしてそれぞれの領域で使用される関係式によって一本のラインを選択してマッピング関数に利用する。図４にはこのような関係を示す具現例が示されている。
【００３９】
図４を参照すれば、ピクセル値ｘが入力映像の平均Ｐａより小さいか等しければライン１とライン２のうち大きい方を選択し、ピクセル値ｘが入力映像の平均Ｐａより大きければライン２とライン３のうち小さい方を選ぶ。これを数式で表現すれば次の通りである。
【数１５】
0003824590.tif 000010
【００４０】
マッピング部２３０では以上の方法で求められたマッピング関数を入力映像のピクセル値に適用することによって映像のコントラストが高められる。
【００４１】
図５は本発明に係るコントラスト向上方法に対する望ましい実施例の遂行過程を示した流れ図である。
【００４２】
図５を参照すれば、第１演算部２１０は入力映像のピクセル値に対する平均及び標準偏差を計算する(Ｓ５００)。第２演算部２２０は入力映像のピクセル値及び平均に基づき目標映像の平均及び標準偏差を計算する(Ｓ５１０)。Ｓ５１０段階において目標映像の平均は入力映像の平均をそのまま使用する。
【００４３】
マッピング部２３０は第１演算部２１０から入力された入力映像に対する平均及び標準偏差値と第２演算部２２０から入力された目標映像に対する平均及び標準偏差に基づきマッピング関数を生成する(Ｓ５２０)。一方、マッピング範囲指定部２４０はマッピング関数が適用される入力映像のピクセル値に対する上限値及び下限臨界値を設定してマッピング部に提供する(Ｓ５３０)。マッピング部２３０は入力映像のピクセルのうちマッピング範囲指定部２４０から提供された上限及び下限臨界値の間に存在するピクセルについてマッピング関数を適用して出力映像を生成する(Ｓ５４０)。
【００４４】
【発明の効果】
以上述べた通り、本発明によればコントラスト向上装置の具現が容易であり、目標映像のパラメータ修正を通して映像全体のコントラスト向上程度を調節することができ、ひいては複数のマッピング関数を使用することによって映像によって暗い部分と明るい箇所が強調されすぎるようになる現象を防止することができる。
【００４５】
以上代表的な実施例を通して本発明について詳述したが、本発明の属する技術分野において通常の知識を持つ者は前述した実施例について本発明の範疇から逸脱しない限度内で多様な変形が可能なことが理解できるであろう。従って、本発明の権利範囲は説明された実施例に限られず、特許請求の範囲だけではなくこの特許請求の範囲と均等なものによって定められるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】  従来のヒストグラム平滑化装置のブロック図。
【図１Ｂ】  従来のコントラストストレッチング装置のブロック図。
【図２】  本発明に係るコントラスト向上装置に対する望ましい実施例の構成を示したブロック図。
【図３】  入力映像の平均によって適切な標準偏差値に近接させるための媒介変数値を決定するために使用される関数ｇ(  )の一例を示した図。
【図４】  数多くのピクセル値が一つの値にマッピングされることを防止するためにマッピング関数を示す複数の線のうちから一本の線を選択してマッピング関数に用いる方法を示した図。
【図５】  本発明に係るコントラスト向上方法に対する望ましい実施例の遂行過程を示した流れ図である。
【符号の説明】
２００：コントラスト向上装置          ２１０：第１演算部
２２０：第２演算部                  ２３０：マッピング部
２４０：マッピング範囲指定部
【図１Ａ】
0003824590.tif 000015
【図１Ｂ】
0003824590.tif 000016
【図２】
0003824590.tif 000017
【図３】
0003824590.tif 000018
【図４】
0003824590.tif 000019
【図５】
0003824590.tif 000020