(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像のコントラストを高めるための方法であって、該画像が固有の明度を有する多数のピクセルからなる方法において、該方法は、
（ａ）  該画像（Ｘ）の個々のピクセルの平均明度値を定める過程と、
（ｂ）  該平均明度と同等以下の明度を有する該画像（Ｘ）のピクセルの明度値を第１変換関数に従って処理する過程と、
（ｃ）  該平均明度よりも大きい明度を有する該画像（Ｘ）のピクセルの明度値を第２変換関数に従って処理する過程と、
（ｄ）  上記の各過程（ｂ），（ｃ）において明度値が処理されたピクセルを変換された出力画像（Ｙ）の形に出力する過程と、
を有しており、
上記過程（ｂ）において、該第１変換関数として、可変勾配係数を有する第１直線関数が用いられると共に、上記過程（ｃ）において、該第２変換関数として、可変勾配係数を有する第２直線関数が用いられており、
該第１直線関数の勾配係数及び該第２直線関数の勾配係数は、該変換された出力画像（Ｙ）の明度分布を解析することにより定められていることを特徴とする画像のコントラストを高める方法。
【請求項２】
請求項１において、
上記過程（ｂ）において、該第１変換関数として関数ｆＬ（ｘｋ）＝ｘｍ＋（ｘｋ−ｘｍ）×ａＬが用いられると共に、上記過程（ｃ）において、該第２変換関数として関数ｆＵ（ｘｋ）＝ｘｍ＋（ｘｋ−ｘｍ）×ａＵが用いられており、
ｘｍは上記過程（ａ）により定められた平均明度値を示しており、ｘｋは処理すべき各明度値を示しており、ａＬは該第１変換関数ｆＬ（ｘｋ）の勾配係数を示しており、ａＵは該第２変換関数ｆＵ（ｘｋ）の勾配係数を示していることを特徴とする画像のコントラストを高める方法。
【請求項３】
請求項１又は２において、
上記過程（ｂ）において、該第１変換関数によって処理された明度値は、該第１変換関数によって処理された後に下限値（ＹＬＯＷ）よりも小さい明度値が生じた場合には、該下限値に規制されると共に、
上記過程（ｃ）において、該第２変換関数によって処理された明度値は、該第２変換関数によって処理された後に上限値（ＹＨＩＧＨ）よりも大きい明度値が生じた場合には、該上限値に規制されることを特徴とする画像のコントラストを高める方法。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項において、
上記過程（ａ）において、該平均明度は、該画像（Ｘ）のピクセルの数を減じると共に、ピクセルが減じられた画像に関し量子化されたヒストグラムを計算することによって定められ、該平均明度の値は、該ヒストグラムに由来するものであることを特徴とする画像のコントラストを高める方法。
【請求項５】
請求項４において、
該画像（Ｘ）のピクセルの数は、ローパスフィルターにかけられた後分割サンプリングされることを２度繰り返すことにより減じられていることを特徴とする画像のコントラストを高める方法。
【請求項６】
請求項５において、各分割サンプリングに伴い、ピクセルの数は因子８により減じられることを特徴とする画像のコントラストを高める方法。
【請求項７】
請求項４ないし６のいずれか１項において、
該平均明度値は、関数ｘｍ＝（ｑｍａｘ×Ｌ／ｑ）＋Ｌ／２ｑに従い、量子化されたヒストグラムを用いて計算されており、
該ｘｍは平均明度値を示しており、Ｌは表示可能な明度値の総数を示しており、ｑは量子化されたヒストグラムの量子化レベルの総数を示しており、ｑｍａｘは量子化されたヒストグラムの最大値を有する量子化レベルの番号を示しており、０≦ｑｍａｘ≦ｑ−１であることを特徴とする画像のコントラストを高める方法。
【請求項８】
請求項７において、
該量子化されたヒストグラムが、該最大値を有する量子化レベルを複数備えている場合には、該ｑｍａｘの値として、該最大値を有する量子化レベルの番号の平均値の切り下げられた値を用いることを特徴とする画像のコントラストを高める方法。
【請求項９】
請求項４ないし８のいずれか１項において、該量子化されたヒストグラムは、２５６個の表示可能な明度値に対し、８段階の量子化レベルを有していることを特徴とする画像のコントラストを高める方法。
【請求項１０】
請求項４ないし９のいずれか１項において、
上記の如き手順で求められた画像（Ｘ）の平均明度の値（ｘｍ（Ｔ））は、先行する画像の平均明度値（ｘｍ（Ｔ−１））と比較されると共に、この比較の結果に基づいて、不連続の複数のオフセット値を含む集合から１つのオフセット値（Ｏｆｆ）が選択され、さらに該オフセット値が該先行する画像の平均明度の値に加算され、このようにして計算された累積値が最終的に上記過程（ｂ）及び（ｃ）の平均明度値（ｘｍ）として用いられることを特徴とする画像のコントラストを高める方法。
【請求項１１】
請求項１０において、
前記集合は、不連続なオフセット値−１，０，１を含んでいることを特徴とする画像のコントラストを高める方法。
【請求項１２】
請求項１ないし１１のいずれか１項において、
該変換された出力画像（Ｙ）の明度分布を解析するための関数として、前記第１及び第２直線関数の勾配関数に関してオフセット値（ＯｆｆＵ；ＯｆｆＬ）が示され、且つ該オフセット値が先行する画像（Ｘ）に関して定められた勾配係数に加算され、これにより、過程（ｂ）及び（ｃ）に従って瞬間的な画像（Ｘ）を処理するための勾配係数が得られることを特徴とする画像のコントラストを高める方法。
【請求項１３】
請求項１２において、
前記出力画像の解析に応じて、オフセット値（ＯｆｆＵ；ＯｆｆＬ）の値として−ＯＦＦＳＥＴ，０，又は＋ＯＦＦＳＥＴが任意に用いられ、該ＯＦＦＳＥＴは、オフセット値（ＯｆｆＵ；ＯｆｆＬ）の大きさを示していることを特徴とする画像のコントラストを高める方法。
【請求項１４】
請求項１３において、
ＯＦＦＳＥＴ＝１／１２８であることを特徴とする画像のコントラストを高める方法。
【請求項１５】
請求項１３又は１４において、
該変換された出力画像（Ｙ）の明度分布を解析するために、該変換された出力画像（Ｙ）に含まれており、且つ下限値（ＢＬＡＣＫ＿ＴＨ）と同等以下の明度値を有するピクセルの個数である第１ピクセル数（ＮＢ）が定められ、
該変換された出力画像に含まれており、且つ上限値（ＷＨＩＴＥ＿ＴＨ）と同等以上の明度値を有するピクセルの個数である第２ピクセル数（ＮＷ）が定められ、
該第１ピクセル数（ＮＢ）及び第２ピクセル数（ＮＷ）は、対応するさらなる上限値及び下限値（ＢＬＡＣＫ＿ＬＥＶＥＬ＿Ｕ，ＢＬＡＣＫ＿ＬＥＶＥＬ＿Ｌ；ＷＨＩＴＥ＿ＬＥＶＥＬ＿Ｕ，ＷＨＩＴＥ＿ＬＥＶＥＬ＿Ｌ）と比較され、これにより、前記勾配係数のオフセット値（ＯｆｆＵ；ＯｆｆＬ）に関する比較結果に依存して値−ＯＦＦＳＥＴ，０又は＋ＯＦＦＳＥＴが選択されることを特徴とする画像のコントラストを高める方法。
【請求項１６】
請求項１５において、
該第１及び第２ピクセル数（ＮＢ；ＮＷ）がそれぞれ該対応するさらなる上限値（ＢＬＡＣＫ＿ＬＥＶＥＬ＿Ｕ；ＷＨＩＴＥ＿ＬＥＶＥＬ＿Ｕ）よりも大きい場合には、前記第１及び第２直線関数の勾配係数のオフセット値（ＯｆｆＵ、ＯｆｆＬ）として値−ＯＦＦＳＥＴが選択され、
該第１及び第２ピクセル数（ＮＢ；ＮＷ）がそれぞれ該対応するさらなる下限値（ＢＬＡＣＫ＿ＬＥＶＥＬ＿Ｌ；ＷＨＩＴＥ＿ＬＥＶＥＬ＿Ｌ）よりも小さい場合には、前記第１及び第２直線関数の勾配係数のオフセット値（ＯｆｆＵ、ＯｆｆＬ）として値＋ＯＦＦＳＥＴが選択され、
その他の場合には、前記第１及び第２直線関数の勾配係数に関するオフセット値（ＯｆｆＵ、ＯｆｆＬ）として値０が選択されることを特徴とする画像のコントラストを高める方法。
【請求項１７】
請求項１５又は１６において、
前記下限値（ＢＬＡＣＫ＿ＴＨ）として１６が選択され、前記上限値（ＷＨＩＴＥ＿ＴＨ）として２４０が選択されることを特徴とする画像のコントラストを高める方法。
【請求項１８】
請求項１ないし１７のいずれか１項において、
前記第１及び第２の直線関数の勾配係数は、それぞれ最大勾配係数値１．５と最小勾配係数値１とに規制されることを特徴とする画像のコントラストを高める方法。
【請求項１９】
画像のコントラストを高めるための回路配置であって、
該画像は固有の明度値を有する多数のピクセルからなり、
該画像（Ｘ）の個々のピクセルの平均明度の値を定める平均値決定装置（１）と、
該平均明度と同等以下の明度を有する画像（Ｘ）の第１ピクセル群を加工する第１変換関数を定めるための第１変換関数決定装置（２）と、
該平均明度よりも大きい明度を有する画像（Ｘ）の第２ピクセル群を加工する第２変換関数を定めるための第２変換関数決定装置（３）と、
該第１変換関数に従って画像（Ｘ）の該第１ピクセル群の明度値を加工すると共に、該第２変換関数に従って画像（Ｘ）の該第２ピクセル群の明度値を加工し、加工されたピクセルを変換された出力画像（Ｙ）の形に出力するための画像加工装置（４）と、
を備えた回路配置において、
前記第１変換関数決定装置（２）は、ピクセル数決定装置（１３）が割り当てられており、該ピクセル数決定装置は、該変換された出力画像（Ｙ）に含まれており且つ下限値（ＢＬＡＣＫ＿ＴＨ）と同等以下の明度値を有するピクセルの個数である第１ピクセル数（ＮＢ）を定めるものであり、
前記第２変換関数決定装置（３）は、ピクセル数決定装置（１３）が割り当てられており、該ピクセル数決定装置は、該変換された出力画像（Ｙ）に含まれており且つ上限値（ＷＨＩＴＥ＿ＴＨ）と同等以上の明度値を有するピクセルの個数である第２ピクセル数（ＮＷ）を定めるものであり、
該第１及び第２変換関数決定装置（２，３）は、オフセット値決定手段（１６，１７）を含んでおり、該オフセット値決定手段は、該第１ピクセル数（ＮＢ）と第２ピクセル数（ＮＷ）をそれぞれ対応するさらなる制限値（ＢＬＡＣＫ＿ＬＥＶＥＬ＿Ｕ，ＢＬＡＣＫ＿ＬＥＶＥＬ＿Ｌ；ＷＨＩＴＥ＿ＬＥＶＥＬ＿Ｕ，ＷＨＩＴＥ＿ＬＥＶＥＬ＿Ｌ）と比較し、これにより、それぞれ比較結果に依存して第１及び第２の各直線関数の勾配係数に関する第１及び第２の各オフセット値（ＯｆｆＵ；ＯｆｆＬ）を定めるものであり、
該第１及び第２変換関数決定装置（２，３）は、それぞれ、加算手段（２９，３０）を有しており、該加算手段は、該第１及び第２の各オフセット値を前記先行画像（Ｘ）に関し定められた対応する勾配係数に加算し、これにより、目下加工される第１及び第２の直線関数の画像（Ｘ）に関する勾配係数を得るものであることを特徴とする回路配置。
【請求項２０】
請求項１９の回路配置において、
前記第１変換関数決定装置（２）は、該第１変換関数として関数ｆＬ（ｘｋ）＝ｘｍ＋（ｘｋ−ｘｍ）×ａＬを定め、前記第２変換関数決定装置（３）は、該第２変換関数として関数ｆＵ（ｘｋ）＝ｘｍ＋（ｘｋ−ｘｍ）×ａＵ
を定め、
上記関数において、ｘｍは平均値決定装置（１）により定められた平均明度値を示しており、ｘｋは加工される各明度値を示しており、ａＬは第１変換関数ｆＬ（ｘｋ）の勾配関数を示しており、ａＵは第２変換関数ｆＵ（ｘｋ）の勾配係数を示していることを特徴とする回路配置。
【請求項２１】
請求項１９又は２０において、
前記平均値決定装置（１）は、画像（Ｘ）のピクセル数を減少させるための分解サンプリング手段（６，８）を含んでおり、
また、該平均値決定装置（１）は、ピクセル数が減少された画像の量子化されたヒストグラムを計算すると共に関数ｘｍ＝（ｑｍａｘ×Ｌ／ｑ）＋Ｌ／２ｑに従って平均明度の値を定めるための平均値計算ユニット（９）含んでおり、
該関数において、ｘｍは平均明度の値を示しており、Ｌは表示可能な明度値の総数を示しており、ｑは量子化されたヒストグラムの量子化レベルの総数を示しており、ｑｍａｘは量子化されたヒストグラムの最大値を有する量子化レベルの番号を示しており、なおかつ０≦ｑｍａｘ≦ｑ−１であることを特徴とする回路配置。
【請求項２２】
請求項２１において、
前記量子化されたヒストグラムにおいて該最大値を有する量子化レベルが複数ある場合には、該平均値計算ユニット（９）は、該最大値を有する複数の量子化レベルの番号の切り下げられた平均値をｑｍａｘの値として用いることを特徴とする回路配置。
【請求項２３】
請求項２１において、
前記平均値決定装置（１）は、オフセット値計算ユニット（１０）を含んでおり、該オフセット値計算ユニット（１０）は、前記平均値計算ユニット（９）により定められる画像（Ｘ）の平均明度値（ｘｍ（Ｔ））と、先行する画像の平均明度値（ｘｍ（Ｔ−１））とを比較すると共に、この比較結果に基づいて、複数の不連続なオフセット値群から１個のオフセット値（Ｏｆｆ）を選択し、それを該先行画像の平均明度値に加算し、このようにして計算された累積値が最終的に平均明度値（ｘｍ）として前記第１及び第２変換関数決定装置（２，３）に入力されることを特徴とする回路配置。
【請求項２４】
請求項１９ないし２３のいずれか１項において、
該オフセット値決定手段（１６，１７）は、それぞれ、前記比較結果に依存してオフセット値として値−ＯＦＦＳＥＴ，０又は＋ＯＦＦＳＥＴを任意に選択することを特徴とする回路配置。
【請求項２５】
請求項２４において、
ＯＦＦＳＥＴ＝１／１２８であることを特徴とする回路配置。
【請求項２６】
請求項１９ないし２５のいずれか１項において、
前記第１及び第２変換関数決定装置（２，３）は、それぞれ勾配係数規制手段（２０，２１）を有し、該手段は前記第１及び第２直線関数の定められる各勾配係数を最大勾配係数値１．５と最小勾配係数値１とに規制するものであることを特徴とする回路配置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は請求項１及び１９の各前段部分に係り、画像のコントラストを自動的に高める方法及び回路配置に関する。
【０００２】
画像をデジタル化する場合には、しばしば利用可能なダイナミックレンジがすべて、例えば明度分解能の最大許容分解能まで利用されないことがある。このことは画像のコントラストを低下させる。例えば、このことはより古い画像の原盤（白黒フィルム等）に特にあてはまる。この結果、再生されたときに画像がぼやけ、暗く且つくすんだ感じに見える。
【０００３】
公知の画像のコントラストを高める方法は、画像中の画素の密度分布に基いており、画像のダイナミックレンジを広げるものであり、これにより、対応する画像はより鮮明でよりシャープなものとなる。その一例がいわゆるヒストグラム分布法である。この方法は、画像中に最も単調な許容密度分布を作り出すことを目的としており、これは、比較的大きなコントラストに対応する。
【０００４】
数学的には、この場合、分散／偏差が増大し、コントラストは、この分散／偏差に比例する。ヒストグラム分布法は、特に医学の分野やレーダー画像の加工に見うけられるものである。
【０００５】
ヒストグラム分布法の原理を以下により詳しく説明する。各画像はｉ行ｊ列からなり、これにより各ピクセルはＸ（ｉ，ｊ）と表わせるようになっている。なお、このＸ（ｉ，ｊ）は、局所的な地点（ｉ，ｊ）における画像の強度を個々の明度の形で表すようになっている。従って、画像全体は｛Ｘ（ｉ，ｊ）｝で表すことができる。８ビットの分解能の場合には、合計Ｌ＝２５６の異なる明度レベルが得られる。以下、各明度レベルをｘ０，ｘ１，………………………………ｘＬ−１と表す。
【０００６】
画像Ｘが与えられると、その密度関数ｐ（ｘｋ）は以下のように定義される。
【０００７】
【数１】
0003750604.tif 000002
【０００８】
この場合、ｋ＝０，１，２，……………………Ｌ−１であり、Ｎは入力画像Ｘにおける全ピクセルの数を示している。一方、ｎ（ｘｋ）は、入力画像Ｘにおいて個々の明度ｘｋを有するピクセルの数を示している。
【０００９】
ｘｋに対する密度関数ｐ（ｘｋ）が表すものは画像Ｘのヒストグラムと呼ばれる。画像Ｘの密度関数が図６Ａに例示されている。
【００１０】
画像Ｘの累積密度関数は次のように定義される。
【００１１】
【数２】
0003750604.tif 000003
【００１２】
定義により、ｃ（ｘＬ−１）＝１である。当然ながら、累積密度関数ｃ（ｘｋ）は密度関数ｐ（ｘｋ）の積分値と一致する。
【００１３】
ヒストグラム分布法においては、入力画像はその後累積密度関数を用いて出力画像に転換又は変換され、ダイナミックレンジ全体が利用される。この際に用いられる変換関数は、次のように定義される。
【００１４】
【数３】
0003750604.tif 000004
【００１５】
この変換により得られた変換後の出力画像Ｙ＝ｆ（Ｘ）は、コントラストが高められている。この方法で加工処理された出力画像の密度関数が図６Ｂに示されている。この図６Ｂにより、特に、出力画像はより大きな明度偏差を有していることが明らかとなっている。言い換えると、ヒストグラム分布法はより単調で且つより広い明度密度分布となる。
【００１６】
ヒストグラム分布法によって変換された画像は、コントラストが高められているだけでなく、さらに、明らかに入力画像よりも明るいものとなっている。このことは、図６Ｂに示した出力画像の密度関数からも推察されるであろう。この事実は、個々の入力値とは無関係に累積密度関数を用いて入力値を対応する出力値に転換又は変換するヒストグラム分布法の結果である。この不自然なコントラストの高さは、例えば画像の地面や空の部分において特に顕著となり、これは、出力画像の明度範囲の過度の変調に対応するものである。この結果、コントラストがヒストグラム分布法によって高められていても、画像全体の印象はオリジナルの入力画像よりも悪くなる。この理由は、特に、画像の平均明度が計算上全く考慮されていないという事実に基づいている。このような不都合により、上に紹介したヒストグラム分布法は、消費者向け電子工業製品、例えばテレビのようなものには極めてまれにしか用いられていない。
【００１７】
１９９７年２月の消費者向けの電子工業に関するＩＥＥＥ会報Ｖｏｌ．４３、Ｎｏ．１のＹ．Ｔキム著「明度を保つ２重ヒストグラム均等化を用いたコントラストの向上」では、ヒストグラム分布法に基づいてさらに発展させたコントラスト向上法が提案されており、この方法は、請求項１の前段に関する先行技術に対応している。この文献に記載された方法は、入力画像をその平均明度よりも高い明度又は低い明度を有するピクセルに分解することにより得られた２つの異なる分割画像用の２つの異なるヒストグラム分布を用いるものである。以下に、この方法の詳細を簡単に説明する。
【００１８】
まず、ｘｍは入力画像Ｘの平均明度を示していると仮定する。入力画像Ｘは、これに応じて２つの分割画像ＸＬとＸＵとに分解できる。なお、Ｘ＝ＸＬ∪ＸＵ、ＸＬ＝｛Ｘ（ｉ，ｊ）｜Ｘ（ｉ，ｊ）≦ｘｍ，∀Ｘ（ｉ，ｊ）∈Ｘ｝、ＸＵ＝｛Ｘ（ｉ，ｊ）｜Ｘ（ｉ，ｊ）＞ｘｍ、∀Ｘ（ｉ，ｊ）∈Ｘ｝である。従って、分割画像ＸＬは、入力画像Ｘの平均明度ｘｍと同等以下の明度を有する該画像Ｘのすべてのピクセルから構成されており、一方、分割画像ＸＵは該平均明度ｘｍよりも大きな明度を有する該入力画像Ｘのすべてのピクセルから構成されている。この２つの分割画像に関し、次の密度関数が定義できる。
【００１９】
【数４】
0003750604.tif 000005
【００２０】
この場合には、ＮＬは分割画像ＸＬ中のピクセルの合計の数を示しており、ｎＬ（ｘｋ）は、分割画像ＸＬにおいて明度値ｘｋを有したピクセルの数を示している。なお、このＸＬに関し、ｋ＝０，１，……………………ｘｍが当てはまる。
【００２１】
【数５】
0003750604.tif 000006
【００２２】
分割画像ＸＵに関しては同じように、ＮＵは画像ＸＵ中のピクセルの合計の数を示しており、ｎＵ（ｘｋ）は、分割画像ＸＵにおいて明度値ｘｋを有したピクセルの数を示している。なお、このＸＵに関しては、ｋ＝ｘｍ＋１，……………………ｘＬ−１が当てはまる。同様にこの２つの分割画像ＸＬ，ＸＵに関し、対応する累積密度関数は次のように定義できる。
【００２３】
【数６】
0003750604.tif 000007
【００２４】
【数７】
0003750604.tif 000008
【００２５】
定義により、ｃＬ（ｘｍ）＝１及びｃＵ（ｘＬ−１）＝１が満たされる。この２つの分割画像に関し、ここで別々の変換関数ｆＬ（ｘｋ）とｆＵ（ｘｋ）が定義される。
【００２６】
【数８】
0003750604.tif 000009
【００２７】
【数９】
0003750604.tif 000010
【００２８】
これにより、２つの分割画像ＸＬ、ＸＵの明度値は、異なる変換関数を用いて加工又は変換され、変換された分割画像を組み合わせると、コントラストが高められた所望の出力画像Ｙが作り出される。
【００２９】
【数１０】
0003750604.tif 000011
【００３０】
この方法は、次の境界条件を満たして入力画像Ｘをダイナミックレンジ［ｘ０，ｘＬ−１］全体に分散させる。：平均明度値ｘｍと同等以下の明度値を有するピクセルは、［ｘ０，ｘｍ］のレンジに分散され、平均明度値ｘｍよりも大きい明度値を有するピクセルは［ｘｍ＋１，ｘＬ−１］のレンジに分散される。
【００３１】
この方法を実現するための回路配置が図７に示されており、入力画像Ｘがヒストグラム計算用ユニット２２に入力される。さらに、入力画像Ｘの平均明度値ｘｍを計算するためのユニット２４が設けられている。入力画像Ｘに関して定められたヒストグラムは、さらなるユニット２３において、計算された平均明度値ｘｍの関数として、分割画像ＸＬ及びＸＵに分割される。各分割画像ＸＬ及びＸＵに関し、対応する累積密度関数ｃＬ（ｘｋ）及びｃＵ（ｘｋ）をそれぞれ計算するために計算ユニット２６及び２７が設けられている。マッピング装置２８において、その作用として前述の変換関数ｆＬ（ｘｋ）及びｆＵ（ｘｋ）がそれぞれ計算されると共に、これにより変換された分割画像が結合されて、変換された出力画像Ｙが形成される。個々の計算は、１つの画像が継続している間中行われなければならないので、画像メモリ２５が必要となる。しかしながら、２つの直接連続する画像の間には高い相関関係があるので、図７に示すような画像メモリ２５は省略されることもある。同様に、ヒストグラムの量子化も可能である。
【００３２】
しかしながら、上に述べた文献には、現時の画像において生じる様々な問題、即ち、例えばコントラストや変換関数が著しく早く変化する場合や著しくゆっくりと変化する場合に、画像をバウンスさせるアーティファクト或いは画像をスイッチングさせるアーティファクトの問題等を如何にすれば解決できるかということに関しては全く述べられていない。同様に、既に良好なコントラストを有する画像を如何に取扱うかについての議論がなされていない。また同様に、平均明度値ｘｍの計算を実際に行うための提案も全くなされていない。
【００３３】
それゆえ、本発明は、複数のピクセルからなる画像のコントラストを高めるための改良された方法と、これに対応する回路配置を提案するという目的に基づいている。特に、その企図するところは、とりわけ画像に既に存在するコントラストの作用として画像のコントラストが高められ、それでいて加工された出力画像の全体の印象が少なくともオリジナルの入力画像とちょうど同じくらい優れたものであることを保証すると共に、さらに上述の問題点を解消することを可能にすることである。
【００３４】
本発明の目的は、請求項１の特徴を有する方法と、請求項１９の特徴を有する回路配置の各々を用いた発明により達成される。従属する請求項は、それぞれ本発明の好適且つ有利な実施の形態を定義している。
【００３５】
また、本発明によると、入力画像は２つの分割画像に分割される。第１分割画像は、入力画像の平均明度と同等以下の明度を有するピクセルから構成され、一方、第２分割画像は、該平均明度よりも高い明度を有するピクセルから構成される。上述の先行技術と同様に、２つの分割画像の明度値は、別々の変換関数に従って加工され、次いで、このようにして変換された明度値が結合され、これによりコントラストが高められた出力画像が形成される。
【００３６】
しかしながら、本発明によると、可変勾配係数を有する直線関数が変換関数として用いられ、この勾配係数は、出力画像の解析に基づいて定められる。このようにすると、変換関数を定義するときに瞬間的な画像に含まれるコントラストを考慮することができる。特に、第１分割画像の変換関数として関数ｆＬ（ｘｋ）＝ｘｍ＋（ｘｋ−ｘｍ）×ａＬが用いられ、一方、第２分割画像の変換関数として関数ｆＵ（ｘｋ）＝ｘｍ＋（ｘｋ−ｘｍ）×ａＵが用いられる。なお、ｘｍは平均明度値を示し、ｘｋは加工される各明度値を示す。また、ａＬは変換関数ｆＬ（ｘｋ）の勾配係数を示し、ａＵは変換関数ｆＵ（ｘｋ）の勾配係数を示す。従って、導入部分で述べた先行技術には不可欠とされる複雑な累積密度関数の計算の代りに、本発明ではこの２つの勾配係数を計算するだけで済む。
【００３７】
入力画像の平均明度の値や２つの勾配係数を計算している間に、連続した画像が入力画像をバッファ記憶するための画像メモリを省略することが可能なほど高度の相関関係を有しているかどうかが考慮される。平均明度値及び勾配係数の計算結果は、それぞれ後の画像のためにマッピング装置に利用できる。
【００３８】
平均明度の計算ならびに２つの変換関数の勾配係数の計算という提案がなされ、これにより、平均明度が維持されると共に、コントラストが高められた後も画質が入力画像のものと少なくともちょうど同じくらい良いものとなることが保証される。過度の変調アーティファクトやスイッチングアーティファクト、バウンスアーティファクトは、本発明によってコントラストを高めた場合には確実に回避される。
【００３９】
以下、図面を参照し、好ましい代表的な実施の形態を用いて本発明をより詳細に説明する。
【００４０】
本発明にあっても、平均明度は維持される。即ち、入力画像の平均明度と一致する明度を有するピクセルは、本発明によりコントラストが高められても、その明度を変えない。本発明では、可変勾配係数を有する直線関数が変換関数として用いられる。この場合、２つの直線関数は特に平均明度値ｘｍにおいて交わる。また、この２つの直線関数は、次式により定義できる。
【００４１】
【数１１】
0003750604.tif 000012
【００４２】
なお、ｘｍは平均明度値を示し、ｘｋは分割画像ＸＬ及びＸＵの加工されるべき各明度値を示し、ａＬは変換関数ｆＬ（ｘｋ）の勾配係数を示し、ａＵは変換関数ｆＵ（ｘｋ）の勾配係数を示す。変換関数ｆＬ（ｘｋ）は平均明度値ｘｍと同等以下の明度値（ｘｋ≦ｘｍ）を有するピクセルのみからなる分割画像ＸＬのピクセルに対してのみ適用される。また、変換関数ｆＵ（ｘｋ）は平均明度値ｘｍより大きな明度値（ｘｋ≧ｘｍ）を有するピクセルのみからなる分割画像ＸＵのピクセルに対してのみ適用される。分割画像ＸＬ及びＸＵの定義に関しては、先行技術と同一の定義が本発明に適用されるので、繰り返し説明するのを避けるために、先行技術の説明が参照されてもよい。
【００４３】
図２は２つの変換関数を描いた図である。それぞれの勾配を傾角とする直角三角形も描かれており、変換関数ｙ＝ｆＬ（ｘｋ）の勾配ａＬは、ａＬ＝ｂｌ／ａｌによって求められる。また、変換関数ｙ＝ｆＵ（ｘｋ）の勾配ａＵは、ａＵ＝ｂＵ／ａＵによって求められる。同様に、図２は２つの変換関数が交点（ｘｍ，ｘｍ）において交わることも明らかにしている。変換された明度ｙは、上限値ＹＨＩＧＨと下限値ＹＬＯＷとに制限されており、出力画像の変換された明度値Ｙ＝ｆ（Ｘ）＝ｆＬ（ｘｋ）∪ｆＵ（ｘｋ）は、［ＹＬＯＷ，ＹＨＩＧＨ］の範囲の値のみ想定し得る。
【００４４】
関数（１０）及び（１１）に対応する上記の関数は、次の関係を考えると、原則として、それぞれ関数（８）及び（９）からも導き出せる。
【００４５】
【数１２】
0003750604.tif 000013
【００４６】
【数１３】
0003750604.tif 000014
【００４７】
しかしながら、累積密度関数ｃＬ（ｘｋ）及びｃＵ（ｘｋ）を計算する代りに、本発明では、２つの勾配係数ａＬ及びａＵを計算するだけでよく、計算の複雑さが明らかに軽減される。
【００４８】
図１は、上述の方法を実現するための回路配置のブロック図を示している。加工される入力画像Ｘは、平均明度値の計算のためにユニット１に入力される。このユニット１は、詳しく後述するアルゴリズムに従って入力画像の平均明度値ｘｍを定める。さらに、ユニット２，３が設けられており、これらは、平均明度値ｘｍ及び出力画像Ｙ固有の特性の関数として、各勾配係数ａＬ及びａＵ即ち各変換関数ｆＬ（ｘｋ）及びｆＵ（ｘｋ）を定めると共に、これらをマッピング装置４に伝達する。勾配係数ａＬ及びａＵは、このようにして出力画像Ｙから計算される。このことは閉ループ制御に相当する。変換関数ｆＬ（ｘｋ）及びｆＵ（ｘｋ）に従い、マッピング装置４は入力画像Ｘの明度値と分割画像ＸＬ及びＸＵの明度値をそれぞれ変換に供し、変換された出力画像Ｙを出力する。
【００４９】
ユニット１による平均明度値ｘｍの計算を以下に説明する。図３はユニット１がこの平均値ｘｍの計算を達成する一つの可能な形態を示している。
【００５０】
平均値の計算においては、空間的平均値と時間的平均値とが区別される。空間的平均値は、各入力画像Ｘに関し、ローパスフィルターにかけられた後、因数（因子、ファクター）８により分割サンプリングされた入力画像によって計算される。これは、図３に従って２回繰り返され、このために２個のローパスフィルター５，７と、２個の分割サンプリング装置６，８とが設けられている。この手順は、因数６４により全体的にピクセルの数を減少させる。このようにした結果残されたピクセルから、対応するユニット９を用いて量子化されたヒストグラムが計算される。即ち、このユニット９は、減少した入力画像の量子化された明度分布を定める。この際、ユニット９は次の量子化密度関数ｐＱ（ｘｑ）を用いる。なお、この式の中で、ｘｑは種々の量子化された明度値を示し、ｑはそれぞれの量子化レベルの番号を示している。また、各量子化レベルは３２の明度値ｘｋを含むものと仮定する。
【００５１】
【数１４】
0003750604.tif 000015
【００５２】
図４Ａは２５６個（Ｌ＝２５６）の異なる明度値と８段階（ｑ＝０，１，………………７）の異なる量子化レベルを有した８ビットの分解能の場合に対応する量子化されたヒストグラムの一例を示している。
【００５３】
量子化されたヒストグラムは、次に、関数ｘｍ（Ｔ）＝ｑｍａｘ×３２＋１６（又は、一般的にはｘｍ（Ｔ）＝ｑｍａｘ×（Ｌ／ｑ）＋Ｌ／（２ｑ）。）に従って空間的平均値を計算するのに用いられる。これに関し、ｑｍａｘは、量子化されたヒストグラムにおいて最大値を有するバー（グラフ棒）を備えた量子化レベルを示している。従って、図４Ａに例示した量子化されたヒストグラムにおいては、ｑｍａｘ＝２であり、これにより、空間的平均値ｘｍ（Ｔ）として８０という値が得られる。一方、仮に複数のバーが最大値を有する場合には、対応する複数の量子化レベルの番号の平均値を切り下げた値を使ってｘｍ（Ｔ）を計算する。即ち、図４Ｂに示す例では、上記のｘｍ（Ｔ）を求めるための式において、ｑｍａｘとしてＩＮＴ（（２＋５）／２）＝３という値を用いる。
【００５４】
図３に示すように、空間的平均値ｘｍ（Ｔ）を定めた後、この値と先行する画像の時間的平均値とを比較することにより、オフセット値Ｏｆｆが求められる。このためにユニット１０が設けられている。このユニット１０は、瞬間的な画像の空間的平均値ｘｍ（Ｔ）と先行する画像の時間的平均値ｘＴｍ（Ｔ−１）の関数として、ｘｍ＝ｘＴｍ（Ｔ）＝ｘＴｍ（Ｔ−１）＋Ｏｆｆを満たすようにオフセット値を選択する。この際、ユニット１０は、オフセット値を集合｛−ＯＦＦＳＥＴ，………………，−１，０，１，………………，ＯＦＦＳＥＴ｝から選択する。なお、パラメータＯＦＦＳＥＴは、自由にプログラム可能であると共に、時間的平均値が常に現時点の空間的平均値の方向に動くように選択される。特に、ＯＦＦＳＥＴ＝１と選択するのがよく、これにより、−１，０，１だけがオフセット値Ｏｆｆとして考慮される。このようにして新たに計算された瞬間的な画像の時間的（及び空間的）平均値ｘＴｍ（Ｔ）は、所望の平均明度値ｘｍとして出力される。
【００５５】
スイッチングアーティファクトやバウンスアーティファクトは、一方では上記のヒストグラムの量子化により、また他方では平均値の時間的変化の規制により回避される。
【００５６】
本発明のコントラストを高める方法を達成するために要求されるさらなるパラメータ、即ち勾配係数ａＬ及びａＵは、図１に示されるマッピング装置４により形成された出力画像Ｙを解析することによって得られる。これは、これらの勾配係数の閉ループ制御に相当する。対応する回路配置が図５に示されている。なお、この回路配置の機能性は図１に示されるユニット２，３に割当てられている。
【００５７】
図５に示される出力側の制御ループの目的は、入力画像のダイナミックレンジが小さい場合に、ダイナミックレンジを広げてコントラストを高めることになければならないが、このことは、対応する変換関数の勾配係数を増大させることと相関関係を示すものである。コントラストが高まったときには、ただちに、勾配はできる限り維持されるべきである。一方、「良好な」コントラストを得たならば、即ち、入力画像がダイナミックレンジを十分に利用可能ならば、勾配は、できるだけ値を１とすべきであり、また、瞬間的な勾配が１よりも大きい場合には、制御により１まで引き下げられるべきである。
【００５８】
上記目的を達成するために、マッピング装置４の出力画像の量子化されたヒストグラムを計算するためのユニット１３が設けられている。しかしながら、この量子化されたヒストグラムのうち、関心があるのは２つの値だけ、即ち値ＮＢ及びＮＷであり、該ＮＢは、出力画像Ｙ中の明度が下限値ＢＬＡＣＫ＿ＴＨと同等以下のピクセルの数を示し、一方、ＮＷは、出力画像Ｙ中の明度が上限値ＷＨＩＴＥ＿ＴＨと同等以上のピクセルの数を示している。この好適な実施の形態では、ＢＬＡＣＫ＿ＴＨ＝１６であり、ＷＨＩＴＥ＿ＴＨ＝２４０である。ＮＢとＮＷの値は、その値の範囲の上限と下限のそれぞれにおいてダイナミックレンジが利用可能である範囲の測定値である。ユニット１３の下流側に接続された回路要素は、勾配係数ａＬ及びａＵの増加と減少をそれぞれ決めるためにこれらの値を評価する役目を負っている。このことを以下により詳しく説明する。
【００５９】
ＮＢ及びＮＷの値は、それぞれ、オフセット値を定めるためのユニット１７及び１６により、さらなる下限値ＢＬＡＣＫ＿ＬＥＶＥＬ＿Ｌ及びＷＨＩＴＥ＿ＬＥＶＥＬ＿Ｌ並びに上限値ＢＬＡＣＫ＿ＬＥＶＥＬ＿Ｕ及びＷＨＩＴＥ＿ＬＥＶＥＬ＿Ｕのそれぞれと比較され、これらの関数として、それぞれ対応するオフセット値ＯｆｆＬ及びＯｆｆＵが定められる。なお、ＯｆｆＬ及びＯＦＦＵの値は、それぞれ集合｛−ＯＦＦＳＥＴ，０，ＯＦＦＳＥＴ｝から選択され、それぞれ、加算ユニット３０，２９を用いて、対応する先行画像の勾配値に加算される。これらは、それぞれ各遅延要素（ディレイ要素）１９，１８を経由して加算ユニット３０，２９に入力され、その結果次式が新しい勾配係数として成立する。
【００６０】
【数１５】
0003750604.tif 000016
【００６１】
この方法において、オフセット値が十分低くなるように選択される場合は、スイッチングアーティファクトとバウンスアーティファクトを回避することができる。本実施の形態では、例えばＯＦＦＳＥＴ＝１２８が選択される。
【００６２】
仮にＮＢ及びＮＷの値がそれぞれ対応する下限値ＢＬＡＣＫ＿ＬＥＶＥＬ＿Ｌ及びＷＨＩＴＥ＿ＬＥＶＥＬ＿Ｌよりも小さければ、ＯｆｆＬ及びＯｆｆＵの値としてそれぞれ＋ＯＦＦＳＥＴが選択され、これにより勾配が増大する。これに対し、ＮＢ及びＮＷの値がそれぞれ対応する上限値ＢＬＡＣＫ＿ＬＥＶＥＬ＿Ｕ及びＷＨＩＴＥ＿ＬＥＶＥＬ＿Ｕよりも大きければ、ＯｆｆＬ及びＯｆｆＵの値としてそれぞれ−ＯＦＦＳＥＴが選択され、これにより勾配が減少する。これ以外のすべての場合には、ＯｆｆＬ及びＯｆｆＵの値としてそれぞれ０が選択され、これにより、対応する変換関数の勾配が変化せずに維持される。
【００６３】
出力画像の画質とコントラストとが入力画像のものよりも悪くなることは決してないので、各勾配を規制するためのユニット２１，２０がそれぞれユニット２，３の出力径路に設けられている。これらのコントラストを規制するためのユニット２１，２０は、それぞれ対応する勾配係数を最小値１に規制する。これにより、出力画像のコントラストが入力画像と比べて決して悪化することがないよう保証される。さらに、対応する勾配係数は、最大値１．５に規制され、コントラストが過度に高められることが防止されると共に、これにより、コントラストが何もしない状態よりも優れたものとなる。
【００６４】
従って、本発明を用いると、入力画像のコントラストを全体の印象を損なうことなくはっきりと高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  入力画像のコントラストを高めるための好ましい実施の形態と一致する本発明の回路配置の簡略化されたブロック図である。
【図２】  図１において用いられた変換関数を説明するための概念図である。
【図３】  図１に示す平均明度値を計算するためのユニットの構成図である。
【図４】  図４Ａ及び４Ｂは、図３に示す平均明度値を計算するためのユニットを操作する方法を示す概念図である。
【図５】  図１に示す変換関数の勾配係数を定めるためのユニットの構成図である。
【図６】  図６Ａ及び６Ｂは、従来のヒストグラム分布の操作方法を示す概念図である。
【図７】  従来技術に係る入力画像のコントラストの向上を実現するための回路配置の簡略化されたブロック図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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