СПОСОБ УЛУЧШЕНИЯ ЦИФРОВЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ
METHOD OF ENHANCING DIGITAL IMAGES

Изобретение относится к области цифровой обработки изображений и может быть использовано для улучшения цифрового цветного или полутонового изображения.
Из уровня техники известен способ коррекции темных оттенков на цифровых фотографиях (патент №2298223, опубликовано 27.04.2007, МПК: G06K 9/40(2006.01), включающий следующие операции: коррекцию глобального контраста изображения, конвертирование контрастированного изображения из цветовой системы RGB в трехкомпонентную цветовую систему, одна из составляющих которой является яркостью изображения, а две другие кодируют цвет, определение коэффициента усиления темных оттенков изображения, выполнение билатеральной фильтрации яркости изображения, коррекцию темных оттенков изображения, конвертирование изображения из трехкомпонентной цветовой системы в цветовую систему RGB. Определяют коэффициент усиления темных оттенков изображения путем анализа признаков, вычисляемых из глобальной гистограммы яркостей изображения. Вычисляют изображение деталей, являющееся функцией отношения яркости изображения и результата билатеральной фильтрации. Корректируют темные оттенки в канале яркости путем добавления к каналу яркости произведения разности изображения деталей и яркости на инверсию яркости изображения и коэффициент усиления темных оттенков. В результате получают скорректированные значения яркости изображения, которые конвертируют в исходную цветовую систему RGB.
К недостаткам данного способа можно отнести отсутствие улучшения изображения по средним тонам.
Наиболее близким к предлагаемому является способ улучшения цифровых изображений (патент RU №2298226, опубликовано 27.04.2007 г., MПK:G06T 5/00(2006.01); H04N 1/409(2006.01), состоящий из следующих операций: выполняют фильтрацию шумов, осуществляют коррекцию глобального контраста, извлекают из цветного изображения яркостную компоненту как максимальную из R, G, В составляющих, определяют параметры локальной коррекции темных и светлых тонов, выполняют билатеральную фильтрацию яркости изображения, корректируют темные и светлые тона в канале яркости. При этом коррекцию темных тонов изображения осуществляют за счет добавления к каналу яркости произведения разности изображения деталей в темных тонах и яркости, инверсии результата билатеральной фильтрации, возведенной в степень, которая определяет ширину тонового диапазона, и коэффициента усиления темных тонов, а изображение деталей в темных тонах является функцией отношения яркости исходного изображения и фильтрованного изображения. При этом коррекцию светлых тонов изображения осуществляют за счет вычитания из канала яркости произведения разности яркости и изображения деталей в светлых тонах, результата билатеральной фильтрации яркости, возведенного в степень, которая определяет ширину тонового диапазона, и коэффициента ослабления светлых тонов, а изображение деталей в светлых тонах является функцией отношения фильтрованного изображения и яркости исходного изображения, конвертируют результат коррекции в изображение в цветовую систему RGB. Недостатком данного способа является то, что он применяется к темным и светлым тонам и не затрагивает средние тона изображений.
Технический результат заявляемого технического решения заключается в усилении локального контраста в светлых, темных и средних тонах изображения.
Технический результат достигается тем, что способ улучшения цифровых изображений состоит из следующих операций: получают исходное RGB изображение, выполняют фильтрацию шумов RGB изображения, осуществляют коррекцию глобального контраста RGB изображения, извлекают из цветного изображения яркостную компоненту из R, G, В составляющих путем преобразования RGB в трехкомпонентную цветовую систему, одна из составляющих которой является яркостью изображения, а две другие кодируют цвет, определяют параметры локальной коррекции темных и светлых тонов, выполняют билатеральную фильтрацию яркости изображения, корректируют темные и светлые тона в канале яркости, конвертируют результат коррекции изображения в цветовую систему RGB.
При этом он отличается от прототипа тем, что коррекцию темных тонов изображения осуществляют путем 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. Изображение деталей в темных тонах является функцией отношения значений яркости пикселей исходного изображения и фильтрованного изображения.
При этом 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. Изображение деталей в светлых тонах является функцией отношения значений яркости фильтрованного изображения и яркости пикселей исходного изображения.
При этом дополнительно определяют параметр локальной коррекции средних тонов и корректируют средние тона в канале яркости. Причем 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.
Сущность изобретения поясняется Фиг.1- Фиг.9,
где Фиг.1 - структурная схема (алгоритм) способа улучшения цифровых изображений;
Фиг.2 - структурная схема блока обработки изображений;
Фиг.3 - исходное изображение 1;
Фиг.4 - преобразованное по способу прототипа изображение 1;
Фиг.5 - преобразованное по предлагаемому способу изображение 1;
Фиг.6 - исходное изображение 2;
Фиг.7 - преобразованное по способу прототипа изображение 2;
Фиг.8 - преобразованное по предлагаемому способу изображение 2;
Фиг.9 - таблица параметров изображений: исходных, преобразованных по способу прототипа и преобразованных по предлагаемому способу.
Способ улучшения цифровых изображений (Фиг.1) включает следующие этапы:
- получают исходное изображение в системе RGB;
- выполняют фильтрацию шумов в системе RGB;
- осуществляют коррекцию глобального контраста изображения в системе RGB;
- конвертируют контрастированное изображение из цветовой системы RGB в трехкомпонентную цветовую систему, одна из составляющих которой является яркостью изображения, а две другие кодируют цвет;
- определяют параметры локальной коррекции темных, средних и светлых тонов в диапазоне яркости изображения;
- выполняют билатеральную фильтрацию яркости изображения;
- корректируют темные, средние и светлые тона в канале яркости;
- 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;
- конвертируют результат коррекции изображения обратно в цветовую систему RGB.
Способ улучшения цифровых изображений осуществляется следующим образом.
Получают исходное RGB изображение путем оцифровки аналогового сигнала от датчика цветного изображения, осуществляют фильтрацию шумов и глобальное контрастирование изображения по трем каналам R, G, В, вычисляют яркостную компоненту из R, G, В составляющих любым известным способом, например по одной из формул преобразования RGB в цветовую модель HSV (V - яркость) или HLS (L - яркость), определяют коэффициенты усиления темных и средних тонов и коэффициент ослабления светлых тонов на основе анализа глобальной гистограммы значений яркости пикселей изображения, осуществляют билатеральную фильтрацию яркости изображения, корректируют темные, средние и светлые тона изображения, корректируют R, G, В составляющие изображения.
При этом корректируют темные тона изображения в темной половине диапазона яркости изображения путем добавления к каналу яркости I(х, у) значения выражения (далее для упрощения выражений полагаем диапазон значений яркости изображения равным от 0 до 1):
где I(х,у) - исходное изображение,
1
I(х,у) - результат билатеральной фильтрации изображения,
s
D - изображение деталей в темных тонах (функция отношения яркости пикселей исходного изображения и фильтрованного изображения),
s
K - коэффициент усиления темных тонов изображения,
s
t - ширина тонового диапазона для темных тонов,
х, у - номер строки и столбца изображения.
При этом коррекцию светлых тонов изображения осуществляют в светлой половине диапазона яркости изображения путем вычитания из канала яркости I(х,у) значения выражения:
h
где 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 определяют коэффициент усиления средних тонов на основе анализа гистограммы значений яркости пикселей изображения и осуществляют коррекцию средних тонов изображения путем добавления к каналу яркости I(х,у) значения выражения:
n
f
где I (х,у) - нормализованный результат билатеральной фильтрации изображения в средних тонах изображения,
Кр - 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 интервалов диапазона яркости. Таким образом, значения выражений (1), (2) и (3) добавляются или вычитаются из яркости пикселей исходного изображения 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 способа улучшения цифровых изображений является его использование в блоке обработки изображений для улучшения качества выходного изображения.
На Фиг.2 показана структурная схема блока обработки изображений, включающая последовательно соединенные датчик цветного изображения (ДЦИ) 1, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 2, блок улучшения изображений (БУ) 3, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 4. Входное телевизионное изображение с ДЦИ 1, поступает на аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 2, где преобразуется в последовательность цифровых значений RGB сигналов, после чего поступает в блок улучшения изображений (БУ) 3, который фильтрует шумы изображения и осуществляет коррекцию глобального контраста изображения в системе RGB, конвертирует изображение из системы RGB в трехкомпонентную, 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 4, который преобразует цифровые значения яркости скорректированного изображения RGB в аналоговую форму сигнала, поступающего на вход цветного видеосмотрового устройства.
Сравнительные результаты, полученные при проведении экспериментальных работ, приведены на Фиг.3 - Фиг.9.
На Фиг.3 представлено первое исходное изображение, на котором имеются совершенно темные, практически без деталей, участки в левой и нижней частях изображения.
На Фиг.4 представлено изображение той же сцены, обработанное по способу, описанному в прототипе. Изображение имеет проработанные детали в темных местах, но в средних тонах изображения локальный контраст практически не изменился.
На Фиг.5 представлено изображение той же сцены, полученное предлагаемым способом. Хорошо видны проработанные детали в темных местах, в средних тонах локальный контраст усилен, что приводит к более резкой и четкой картине в целом.
На Фиг.6 представлено второе исходное изображение, на котором имеются светлые, без деталей облака, темные горы без деталей на заднем плане, домик с темными участками и светлый снег на переднем плане изображения.
На Фиг.7 представлено изображение той же сцены, обработанное по способу, описанному в прототипе. Изображение имеет проработанные детали в темных и светлых местах, но в средних тонах изображения локальный контраст практически не изменился.
На Фиг.8 представлено изображение той же сцены, полученное предлагаемым способом. 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 снежного покрова.
На Фиг.9 представлена таблица параметров изображений - исходных, обработанных способом прототипа и обработанных предлагаемым способом, 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 предлагаемым способом, по сравнению с характеристиками исходных и обработанных способом прототипа изображений.
Полученные данные, а также визуальное сравнение позволяют сделать вывод, что предлагаемый способ улучшения цифровых изображений позволяет повысить качество цифровых изображений за счет существенного повышения локального контраста в темных, светлых и средних тонах изображения.