УСТРОЙСТВО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЯРКОСТИ ЦИФРОВОГО ТЕЛЕВИЗИОННОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ

Полезная модель относится к устройствам цифровой обработки изображений и может быть использована для цифровых цветных или полутоновых изображения.
В настоящее время в цифровых телевизионных системах достаточно часто возникают задачи увеличения контраста, преобразования яркости и согласования динамических диапазонов яркостей изображения и воспроизводящего устройства. Для решения этих задач часто применяются устройства, выполняющие линейные и степенные преобразования яркости, что обусловлено простотой и вычислительной эффективностью таких преобразований (Грузман И.С., Киричук B.C., Косых В.П., Перетягин Г.И., Спектор А.А. Цифровая обработка изображений в информационных системах: учебное пособие. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2002. 352 с.).
Однако применение устройств, выполняющих степенных преобразований, ограничивается гамма-коррекцией и интерактивным улучшением изображений. При этом выбор величины показателя степени функции преобразования яркости основывается на качественной оценке улучшения изображения, что затрудняет автоматизацию обработки.
Техническим результатом полезной модели является преобразование яркости изображений в устройстве за счет сжатия динамического диапазона изображений, для достижения которого осуществляется такое степенное преобразование яркости изображения, при котором выбор показателя степени основывается на анализе количественных параметров изображения.
Технический результат достигается за счет ввода в устройство цветного или полутонового цифрового изображения, определения цветности изображения, представления изображения в градациях серого, вычисления нормированной гистограммы яркости и интегральной функции распределения яркости изображения, определения поддиапазонов яркости, которым соответствует определенный процент от общего количества пикселей изображения, выбора вида степенного преобразования, определения коэффициента сжатия поддиапазона яркости, расчета показателя степени преобразования, формирования функции преобразования яркости, применения функции преобразования яркости к цветовым каналам цифрового изображения, вывода обработанного изображения.
Сущность полезной модели поясняется на фиг. 1-4, где
Фиг. 1 - структурная схема устройства преобразования яркости цифрового телевизионного изображения;
Фиг. 2 - исходное изображение, большая часть пикселей которого имеет яркости в диапазоне малых яркостей;
Фиг. 3 - обработанное предлагаемым устройством изображение;
Фиг. 4 - диаграмма с графиками функции линейного контрастирования, функции степенного преобразования яркости, нормированной к максимальному значению гистограммы исходного изображения, нормированной к максимальному значению гистограммы обработанного изображения и интегральной функции распределения яркости исходного изображения;
Фиг. 5 - исходное изображение, большая часть пикселей которого имеет яркости в диапазоне больших яркостей;
Фиг. 6 - обработанное предлагаемым устройством изображение;
Фиг. 7 - диаграмма с графиками функции линейного контрастирования, функции степенного преобразования яркости, нормированной к максимальному значению гистограммы исходного изображения, нормированной к максимальному значению гистограммы обработанного изображения и интегральной функции распределения яркости исходного изображения.
На фиг. 1 показана структурная схема устройства преобразования яркости цифрового телевизионного изображения, состоящая из блока ввода цифрового изображения 101, блока определения цветности изображения 102, блока представления изображения в градациях серого 103, блока вычисления нормированной гистограммы яркости 104, блока вычисления интегральной функции распределения яркости 105, блока определения процента от общего количества пикселей 106, блока определения поддиапазонов яркости изображения, подлежащих сжатию 107, блока выбора вида степенного преобразования 108, блока определения коэффициента сжатия поддиапазона яркости 109, блока расчета показателя степени преобразования 110, блока формирования функции преобразования яркости 111, блока применения функции преобразования яркости к цветовым каналам изображения 112 и блока вывода обработанного изображения 113.
Преобразование яркости с целью увеличения контраста осуществляется предлагаемым устройством посредством работы следующих блоков:
101. Блок ввода цифрового изображения осуществляет формирование массива значений яркостей пикселей в каналах цветности цифрового изображения.
102. Блок определения цветности изображения осуществляет сравнение количества каналов цветности изображения с единицей и формирует управляющий сигнал для блока преобразования из RGB в градации серого.
103. Блок преобразования из RGB в градации серого осуществляет преобразование значений яркостей изображения из цветового пространства RGB в градации серого (значения яркости I).
104. Блок вычисления нормированной гистограммы яркости р(I) осуществляет вычисление и нормировку гистограммы яркости изображения к числу пикселей изображения.
105. Блок вычисления интегральной функции распределения яркости производит расчет интегральной функции распределения яркости F(I) по формуле 1
где р(I) - нормированная гистограмма яркости I; L - число градаций яркости.
106. Блок определения процента от общего количества пикселей изображения осуществляет определение порогового значения Δ, характеризующего процентное соотношение пикселей поддиапазона, подлежащего сжатию, к общему числу пикселей изображения;
min
max
*
*
107. Блок определения поддиапазонов яркости, подлежащих сжатию, определяет границы I, I поддиапазонов по формулам 2 и 3 следующим образом
min
min
max
max
*
*
108. Блок выбора вида степенного преобразования осуществляет сравнение величин поддиапазонов I…I и I…I.
c
min
min
max
max
*
*
109. Блок определения коэффициента сжатия поддиапазона яркости 9 осуществляет определение коэффициента сжатия k диапазона I…I или I…I.
min
min
max
max
min
min
*
*
*
110. Блок расчета показателя степени преобразования 10 осуществляет расчет показателя степени γ преобразования яркости, который основан на результатах работы блока выбора вида степенного преобразования 8. При I…I<I…I сжатию подлежит диапазон больших яркостей I…I и показатель степени γ рассчитывается по формуле 4
лин
где Т(I) - функция преобразования яркости линейного контрастирования.
min
min
max
max
min
min
*
*
*
При I…I≥I…I сжатию подлежит диапазон малых яркостей I…I и показатель степени γ рассчитывается по формуле 5
111. Блок формирования функции преобразования яркости осуществляет вычисление значений функции степенного преобразования яркости Т(I) по формулам 6 и 7:
min
min
max
max
*
*
- при I…I<I…I:
min
min
max
max
*
*
- при I…I≥I…I:
112. Блок применения функции преобразования яркости осуществляет применение функции степенного преобразования яркости Т(I) к каждому из каналов цветности изображения.
113. Блок вывода обработанного изображения осуществляет вывод обработанного изображения на воспроизводящее устройство или сохранение обработанного изображения в виде файла.
Блоки 101-113, составляющие устройство преобразования яркости цифрового телевизионного изображения, могут быть выполнены с использованием логических ячеек в программируемой логической интегральной схеме, либо с использованием процессорного устройства, исполняющего программу, записанную в запоминающее устройство.
На фиг. 2 показано исходное изображение, большая часть пикселей которого имеет яркости в диапазоне малых яркостей.
c
На фиг. 3 показано обработанное предлагаемым устройством изображение. В результате преобразования яркости с γ=0,23 поддиапазон больших яркостей, которому соответствует 5% (Δ=0,05) от общего количества пикселей, сжат в 2 раза (k=2). За счет сжатия поддиапазона больших яркостей увеличен контраст и различимость деталей объектов, имеющих малую яркость.
лин
На фиг. 4 показаны функция линейного контрастирования Т(I), функция степенного преобразования яркости Т(I), нормированная к максимальному значению гистограмма исходного изображения Н(I), нормированная к максимальному значению гистограмма обработанного изображения H(s) и интегральная функция распределения яркости исходного изображения F(I).
На фиг. 5 показано исходное изображение, большая часть пикселей которого имеет яркости в диапазоне больших яркостей.
c
На фиг. 6 показано обработанное предлагаемым устройством изображение. В результате преобразования яркости с γ=2,23 поддиапазон малых яркостей, которому соответствует 5% (Δ=0,05) от общего количества пикселей, сжат в 2 раза (k=2). За счет сжатия поддиапазона малых яркостей увеличен контраст и различимость деталей объектов, имеющих большую яркость.
лин
На фиг. 7 показаны функция линейного контрастирования Т(I), функция степенного преобразования яркости Т(I), нормированная к максимальному значению гистограмма исходного изображения H(I), нормированная к максимальному значению гистограмма обработанного изображения H(s) и интегральная функция распределения яркости исходного изображения F(I).
Таким образом, в результате преобразования яркости предлагаемым устройством за счет сжатия поддиапазона больших яркостей увеличен контраст и различимость деталей объектов, имеющих малую яркость.
c
c
c
c
Поскольку выбор поддиапазона яркости, подлежащего сжатию, в предлагаемом устройстве осуществляется на основе количественного анализа интегральной функции распределения яркости обрабатываемого изображения, обработка изображения может выполняться автоматически. Диапазоны значений параметров Δ и k равны Δ=0…1 и k=1…N, где N - число градаций яркости изображения. В качестве значений Δ и k по умолчанию могут использоваться значения Δ=0,01 и k=2.
Предложенное устройство преобразования яркости цифрового телевизионного изображения может применяться в составе различных телевизионных систем, систем видеонаблюдения и удаленного управления объектами и транспортными средствами, включая беспилотные суда.