СИСТЕМА КОРРЕКЦИИ ТЕМНЫХ, СВЕТЛЫХ И СРЕДНИХ ТОНОВ НА ЦИФРОВЫХ ИЗОБРАЖЕНИЯХ
SYSTEM FOR CORRECTING DARK, LIGHT AND MIDDLE TONES ON DIGITAL IMAGES

Изобретение относится к области цифровой обработки изображений и может быть использовано для улучшения цифрового цветного или полутонового изображения.
Из анализа уровня техники следует, что наиболее близкой к заявляемой является система коррекции темных оттенков на цифровых фотографиях (патент RU №2298223, опубликовано 27.04.2007, МПК: G06K 9/40 (2006.01), которая выбрана в качестве прототипа. Данная система содержит модуль глобального контрастирования, модуль конвертирования из цветовой системы RGB, модуль определения коэффициента усиления темных оттенков, модуль билатеральной фильтрации, модуль коррекции темных оттенков, модуль конвертирования в цветовую систему RGB, оперативную память, в которой хранится исходное изображение, устройство отображения, на которое выводится результат коррекции. При этом выход модуля глобального контрастирования связан с входом модуля конвертирования из цветовой системы RGB. Выход для передачи канала яркости модуля конвертирования из цветовой системы RGB связан с входами модуля определения коэффициента усиления темных оттенков, модуля билатеральной фильтрации и модуля коррекции темных оттенков. Выход для передачи каналов цветности модуля конвертирования из цветовой системы RGB связан с входом модуля конвертирования в цветовую систему RGB. Выход модуля определения коэффициента усиления темных оттенков связан с входом модуля коррекции темных оттенков. Выход модуля билатеральной фильтрации связан с входом модуля коррекции темных оттенков. Выход модуля коррекции темных оттенков связан с входом модуля конвертирования в цветовую систему RGB. Выход модуля конвертирования в цветовую систему RGB связан с входом устройства отображения. При этом модуль глобального контрастирования выполнен с возможностью коррекции глобального контраста изображения. Модуль конвертирования из цветовой системы RGB выполнен с возможностью конвертирования изображения из цветовой системы RGB в трехкомпонентную цветовую систему, одна из составляющих которой является яркостью изображения, а две другие кодируют цвет. Модуль конвертирования в цветовую систему RGB выполнен с возможностью конвертирования из трехкомпонентной цветовой системы, одна из составляющих которой является яркостью изображения, а две другие кодируют цвет, обратно в цветовую систему RGB. Модуль определения коэффициента усиления темных оттенков выполнен с возможностью вычислять глобальную гистограмму яркости изображения и определять коэффициент усиления темных оттенков на основе анализа признаков, вычисленных из глобальной гистограммы яркости изображения. Модуль билатеральной фильтрации выполнен с возможностью выполнять билатеральную фильтрацию канала яркости изображения. Модуль коррекции темных оттенков выполнен с возможностью корректировать темные оттенки в канале яркости изображения.
К недостаткам данной системы можно отнести отсутствие улучшения изображения по светлым и средним тонам.
Технический результат заявляемого технического решения заключается в усилении локального контраста в темных, светлых и средних тонах изображения.
Технический результат достигается тем, что система коррекции темных, светлых и средних тонов на цифровых изображениях содержит модуль получения исходного изображения RGB, модуль глобального контрастирования, выполненный с возможностью коррекции глобального контраста изображения, модуль конвертирования из цветовой системы RGB, выполненный с возможностью конвертирования изображения из цветовой системы RGB в трехкомпонентную цветовую систему, одна из составляющих которой является яркостью изображения, а две другие кодируют цвет, модуль билатеральной фильтрации, выполненный с возможностью осуществления билатеральной фильтрации канала яркости изображения, модуль определения коэффициента усиления темных тонов, выполненный с возможностью вычисления глобальной гистограммы значений яркости пикселей изображения и определения коэффициента усиления темных тонов на основе анализа признаков, вычисленных из глобальной гистограммы значений яркости пикселей изображения, модуль коррекции темных тонов, выполненный с возможностью коррекции темных тонов в канале яркости изображения, модуль конвертирования в цветовую систему RGB, выполненный с возможностью конвертирования из трехкомпонентной цветовой системы, одна из составляющих которой является яркостью изображения, а две другие кодируют цвет, обратно в цветовую систему RGB, причем выход модуля глобального контрастирования связан с входом модуля конвертирования из цветовой системы RGB, выход модуля конвертирования из цветовой системы RGB для передачи канала яркости связан с входом модуля билатеральной фильтрации, входом модуля определения коэффициента усиления темных тонов и третьим входом модуля коррекции темных тонов, а выход модуля конвертирования из цветовой системы RGB для передачи канала цветности связан с четвертым входом модуля конвертирования в цветовую систему RGB, выход модуля определения коэффициента усиления темных тонов связан со вторым входом модуля коррекции темных тонов, выход модуля билатеральной фильтрации связан с первым входом модуля коррекции темных тонов, выход модуля коррекции темных тонов связан с первым входом модуля конвертирования в цветовую систему RGB. При этом система отличается от прототипа тем, что содержит модуль фильтрации шумов, выполненный с возможностью осуществления фильтрации шумов изображения, модуль определения коэффициента ослабления светлых тонов, выполненный с возможностью вычисления глобальной гистограммы значений яркости пикселей изображения и определения коэффициента ослабления светлых тонов на основе анализа признаков, вычисленных из глобальной гистограммы значений яркости пикселей изображения, модуль коррекции светлых тонов, выполненный с возможностью коррекции светлых тонов в канале яркости изображения, модуль определения коэффициента усиления средних тонов, выполненный с возможностью вычисления глобальной гистограммы значений яркости пикселей изображения и определения коэффициента усиления средних тонов на основе анализа признаков, вычисленных из глобальной гистограммы значений яркости пикселей изображения, модуль коррекции средних тонов, выполненный с возможностью коррекции средних тонов в канале яркости изображения. При этом выход модуля получения исходного изображения RGB связан с входом модуля фильтрации шумов, выход модуля фильтрации шумов связан с входом модуля глобального контрастирования, выход модуля конвертирования из цветовой системы RGB для передачи канала яркости связан с входом модуля определения коэффициента ослабления светлых тонов, входом модуля определения коэффициента усиления средних тонов, третьим входом модуля коррекции светлых тонов и третьим входом модуля коррекции средних тонов, выход модуля определения коэффициента ослабления светлых тонов связан со вторым входом модуля коррекции светлых тонов, выход модуля определения коэффициента усиления средних тонов связан со вторым входом модуля коррекции средних тонов, выход модуля коррекции светлых тонов связан со вторым входом модуля конвертирования в цветовую систему RGB, выход модуля коррекции средних тонов связан с третьим входом модуля конвертирования в цветовую систему RGB, выход модуля билатеральной фильтрации связан с первым входом модуля коррекции светлых тонов и первым входом модуля коррекции средних тонов.
Сущность изобретения поясняется Фиг.1-10, где
Фиг.1 - структурная схема системы коррекции светлых, темных и средних тонов на цифровых изображениях;
Фиг.2 - структурная схема этапов коррекции изображения;
Фиг.3 - структурная схема блока обработки изображений;
Фиг.4 - исходное изображение №1;
Фиг.5 - преобразованное системой прототипа изображение №1;
Фиг.6 - преобразованное предлагаемой системой изображение №1;
Фиг.7 - исходное изображение №2;
Фиг.8 - преобразованное системой прототипа изображение №2;
Фиг.9 - преобразованное предлагаемой системой изображение №2;
Фиг.10 - таблица параметров изображений: исходных, преобразованных системой прототипа и преобразованных предлагаемой системой.
На Фиг.1 показана структурная схема системы коррекции светлых, темных и средних тонов на цифровых изображениях, состоящая из модуля получения исходного изображения RGB 1, модуля фильтрации шумов 2, модуля глобального контрастирования 3, модуля конвертирования из цветовой системы RGB 4, модуля билатеральной фильтрации 5, модуля определения коэффициента усиления темных тонов 6, модуля коррекции темных тонов 7, модуля конвертирования в цветовую систему RGB 8, модуля определения коэффициента ослабления светлых тонов 9, модуля коррекции светлых тонов 10, модуля определения коэффициента усиления средних тонов 11, модуля коррекции средних тонов 12. При этом выход модуля получения исходного изображения 1 связан с входом модуля фильтрации шумов 2. Выход модуля фильтрации шумов 2 связан с входом модуля глобального контрастирования 3. Выход модуля глобального контрастирования 3 связан с входом модуля конвертирования из цветовой системы RGB 4. Выход модуля конвертирования из цветовой системы RGB 4 для передачи канала яркости связан с входом модуля билатеральной фильтрации 5, входом модуля определения коэффициента усиления темных тонов 6, третьим входом модуля коррекции темных тонов 7, входом модуля определения коэффициента ослабления светлых тонов 9, третьим входом модуля коррекции светлых тонов 10, входом модуля определения коэффициента усиления средних тонов 11, третьим входом модуля коррекции средних тонов 12. Выход модуля конвертирования из цветовой системы RGB 4 для передачи канала цветности связан с четвертым входом модуля конвертирования в цветовую систему RGB 8. Выход модуля определения коэффициента усиления темных тонов 6 связан со вторым входом модуля коррекции темных тонов 7. Выход модуля определения коэффициента ослабления светлых тонов 9 связан со вторым входом модуля коррекции светлых тонов 10. Выход модуля определения коэффициента усиления средних тонов 11 связан со вторым входом модуля коррекции средних тонов 12. Выход модуля билатеральной фильтрации 5 связан с первым входом модуля коррекции темных тонов 7, первым входом модуля коррекции светлых тонов 10, первым входом модуля коррекции средних тонов 12. Выход модуля коррекции темных тонов 7 связан с первым входом модуля конвертирования в цветовую систему RGB 8. Выход модуля коррекции светлых тонов 10 связан со вторым входом модуля конвертирования в цветовую систему RGB 8. Выход модуля коррекции средних тонов 12 связан с третьим входом модуля конвертирования в цветовую систему RGB 8. Выход модуля конвертирования в цветовую систему RGB 8 подключают к входу видеосмотрового устройства (на схеме не показано).
При этом модуль получения исходного изображения RGB 1 производит оцифровку исходного цветного изображения. Модуль фильтрации шумов 2 осуществляет фильтрацию шумов изображения в цветовой системе RGB. Модуль глобального контрастирования 3 осуществляет коррекцию глобального контраста изображения в цветовой системе RGB. Модуль конвертирования из цветовой системы RGB 4 конвертирует контрастированное изображение из цветовой системы RGB в трехкомпонентную цветовую систему, одна из составляющих которой является яркостью изображения, а две другие - кодируют цвет. Модуль билатеральной фильтрации 5 выполняет билатеральную фильтрацию яркости изображения. При этом модуль определения коэффициента усиления темных тонов 6, модуль определения коэффициента ослабления светлых тонов 9 и модуль определения коэффициента усиления средних тонов 11 определяют параметры локальной коррекции соответственно темных, светлых и средних тонов в диапазоне яркости изображения.
В модулях коррекции темных тонов 7, светлых тонов 10 и средних тонов 12 корректируют темные, светлые и средние тона в канале яркости. При этом коррекцию темных тонов изображения осуществляют за счет добавления к значениям яркости каждого пикселя изображения произведения разности значений яркости пикселя, соответствующего изображению деталей в темных тонах, и яркости пикселя изображения, инверсии удвоенного результата значений билатеральной фильтрации в темной половине диапазона яркости изображения, возведенного в степень, которая определяет ширину тонового диапазона, и коэффициента усиления темных тонов, а изображение деталей в темных тонах является функцией отношения значений яркости пикселей исходного изображения и фильтрованного изображения.
Коррекцию светлых тонов изображения осуществляют за счет вычитания из значений яркости каждого пикселя изображения произведения разности значений яркости пикселя изображения и яркости пикселя, соответствующего изображению деталей в светлых тонах, удвоенного нормализованного результата билатеральной фильтрации в светлой половине диапазона яркости изображения, возведенного в степень, которая определяет ширину тонового диапазона, и коэффициента ослабления светлых тонов, а изображение деталей в светлых тонах является функцией отношения значений яркости фильтрованного изображения и яркости пикселей исходного изображения.
Коррекцию средних тонов изображения осуществляют за счет добавления к значениям яркости каждого пикселя изображения произведения разности значений яркости пикселя изображения и результата билатеральной фильтрации изображения, коэффициента усиления резкости средних тонов и нормализованного результата билатеральной фильтрации в средней части диапазона яркости изображения. Модуль конвертирования в цветовую систему RGB 8 конвертирует результат коррекции изображения в цветовую систему RGB.
Система коррекции светлых, темных и средних тонов реализуется следующим образом (Фиг.2). Получают исходное RGB изображение путем оцифровки аналогового сигнала от датчика цветного изображения в модуле получения исходного изображения RGB 1, выполняют фильтрацию шумов изображения в модуле фильтрации шумов 2, осуществляют глобальное контрастирование изображения по трем каналам RGB в модуле глобального контрастирования 3, в модуле конвертирования из цветовой системы RGB 4 в трехкомпонентную систему вычисляют яркостную компоненту из RGB составляющих любым известным способом, например по одной из формул преобразования RGB в цветовую модель HSV (V - яркость) или HLS (L - яркость). В модулях определения коэффициента усиления темных тонов, коэффициента ослабления светлых тонов и коэффициента усиления средних тонов определяют коэффициенты усиления темных тонов 6, средних тонов 11 и коэффициент ослабления светлых тонов 9 на основе анализа глобальной гистограммы значений яркости пикселей изображения. В модуле билатеральной фильтрации 5 осуществляют билатеральную фильтрацию яркости изображения. В модулях коррекции темных 7, светлых 10 и средних 12 тонов корректируют темные, средние и светлые тона изображения. В модуле конвертирования результата коррекции в RGB 8 корректируют RGB составляющие изображения.
При этом темные тона изображения корректируют в темной половине диапазона яркости изображения путем добавления к каналу яркости I(x,y) выражения (далее для упрощения выражений полагаем диапазон значений яркости изображения равным от 0 до 1):
I(x,y) - исходное изображение,
f
I(x,y) - результат билатеральной фильтрации изображения,
s
D - изображение деталей в темных тонах (функция отношения яркости исходного изображения и фильтрованного изображения),
s
K - коэффициент усиления темных тонов изображения,
s
t - ширина тонового диапазона для темных тонов,
x, y - номер строки и столбца изображения.
Коррекцию светлых тонов изображения осуществляют в светлой половине диапазона яркости изображения путем вычитания из канала яркости I(x,y) выражения:
h
D - изображение деталей в светлых тонах (функция отношения фильтрованного изображения и яркости исходного изображения),
h
K - коэффициент ослабления светлых тонов изображения,
h
t - ширина тонового диапазона для светлых тонов.
При этом коэффициент усиления средних тонов определяют на основе анализа гистограммы яркости изображения и осуществляют коррекцию средних тонов изображения путем добавления к каналу яркости I(x,y) выражения:
- нормализованный результат билатеральной фильтрации изображения в средних тонах изображения,
p
K - коэффициент усиления резкости средних тонов изображения.
Во всех выражениях (1), (2) и (3) нормализованный результат билатеральной фильтрации используется как альфа-канал прозрачности с соответствующими коэффициентами для темного, среднего и светлого участков диапазона яркости. Таким образом, различные составляющие выражений (1), (2), (3) добавляются к исходному изображению или вычитаются из него в различных долях в соответствующих частях диапазона яркости изображения. Отметим, что отрицательные значения выражений (1), (2) и (3), которые могут иметь место на определенных участках диапазона яркостей изображения, заменяются нулем.
Примером практического применения системы коррекции светлых, темных и средних тонов на цифровых изображениях является его использование в блоке обработки изображений для улучшения качества выходного изображения.
На Фиг.3 показана структурная схема блока обработки изображений, включающая последовательно соединенные датчик цветного изображения (ДЦИ) 13, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 14, блок улучшения изображений (БУ) 15, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 16, видеосмотровое устройство (ВСУ) 17.
Входное телевизионное изображение с (ДЦИ) 13 поступает на аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 14, где преобразуется в последовательность цифровых значений RGB сигналов, после чего поступает в блок улучшения изображения (БУ) 15, который фильтрует шумы изображения и осуществляет коррекцию глобального контраста изображения в системе RGB, конвертирует изображение из системы RGB в трехкомпонентную систему, одна из которых представляет собой яркость изображения, а остальные две кодируют цвет изображения, вычисляет глобальную гистограмму значений яркости всех пикселей изображения и определяет коэффициенты усиления темных и средних тонов и коэффициент ослабления светлых тонов на основе анализа глобальной гистограммы значений яркости изображения, осуществляет билатеральную фильтрацию значений яркости изображения, корректирует темные, средние и светлые тона изображения и конвертирует результат коррекции обратно в систему RGB. Вывод результата улучшения осуществляется штатными средствами блока обработки изображений через блок ЦАП 16, который преобразует цифровые значения яркости скорректированного изображения RGB в аналоговую форму сигнала, поступающего на вход цветного видеосмотрового устройства 17.
Сравнительные результаты, полученные при проведении экспериментальных работ, показаны на Фиг.4-10.
На Фиг.4 представлено исходное изображение №1. Имеются малоконтрастные участки в нижней части изображения. Линия горизонта неразличима.
На Фиг.5 представлено изображение той же сцены, обработанное системой, описанной в прототипе. Изображение имеет проработанные детали в нижней части изображения, линия горизонта различима, но в средних тонах изображения локальный контраст недостаточен.
На Фиг.6 представлено изображение той же сцены, полученное с использованием предлагаемой системы. Хорошо видны проработанные детали в нижней части изображения, особенно линия горизонта. В средних тонах локальный контраст усилен, что приводит к более резкой и четкой картине в целом.
На Фиг.7 представлено исходное изображение №2, на котором имеются темные без деталей участки и светлые шапки снега на цветах.
На Фиг.8 представлено изображение той же сцены, обработанное системой, описанной в прототипе. Изображение имеет проработанные детали в темных местах, но в средних и светлых тонах изображения локальный контраст практически не изменился.
На Фиг.9 представлено изображение той же сцены, полученное с использованием предлагаемой системы. Хорошо видны проработанные детали в темных и светлых тонах, в средних тонах локальный контраст усилен, что приводит к более резкой и четкой картине в целом, особенно хорошо подчеркнута текстура снега на цветах.
На Фиг.10 представлена таблица параметров изображений - исходных, обработанных системой прототипа и обработанных предлагаемой системой, позволяющая сравнить качественные характеристики каждого изображения (в диапазоне яркости 0-255 для цифровых изображений). В качестве таких характеристик обычно используют общий контраст, количество уровней и отношение сигнал/шум. Изображение лучшего качества имеет максимальный контраст, равный 1, максимальное количество уровней 256 и максимальное отношение сигнал/шум. Из таблицы видно существенное улучшение основных характеристик изображений, обработанных предлагаемой системой, по сравнению с характеристиками исходных и обработанных системой прототипа изображений.
Полученные данные позволяют сделать вывод, что предлагаемая система коррекции светлых, темных и средних тонов на цифровых изображениях позволяет повысить качество цифровых изображений за счет существенного повышения локального контраста в светлых, темных и средних тонах изображения.