способ автоматического увеличения контраста полутонового изображения преобразованием яркостной гистограммы

Формула изобретения

Способ автоматического увеличения контраста полутонового изображения преобразованием яркостной гистограммы, заключающийся в том, что на яркостной гистограмме исходного изображения выбирают равновесный уровень распределения значений яркости R=X_max ·Y_max/I_max, где Х_max - размер изображения по горизонтали, Y_max - размер изображения по вертикали, I_max - максимально возможное значение яркости, рассчитывают площадь яркостной гистограммы SH под равновесным уровнем R и определяют площадь равновесной яркостной гистограммы SR на тех же интервалах яркости, на которых определили SH, исходя из их отношения (SH/SR) находят значение функции выбора порога C(SH/SR), при этом значения яркостной гистограммы меньше него игнорируют, составляют яркостную гистограмму 2 из исходной яркостной гистограммы, на которой имеются лишь те уровни, значения которых больше, чем значение функции выбора порога C(SH/SR), определяют первую функцию преобразования уровней яркости элементов изображения f₁(i), где i - уровень яркости, составляют яркостную гистограмму 3 из яркостной гистограммы 2 путем сжатия интервалов яркости на яркостной гистограмме 2, на которых значения яркостной гистограммы 2 равны нулю, определяют минимальное i _min и максимальное i_max значения яркости, при которых значение яркостной гистограммы 3 отлично от нуля, определяют конечную функцию преобразования уровней яркости элементов изображения f₂(i), которая интервал яркости [i_min, i_max ] растягивает на весь диапазон возможных значений яркости.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам цифровой обработки изображений.

Для решения задач улучшения изображений необходимо решить задачу повышения контраста изображения.

Известен способ повышения контраста изображения, называемый амплитудным разрезом (см., например, Ярославский Л.П. Введение в цифровую обработку изображений. - М.: Сов. радио, 1979, с.251-252). Суть его заключается в том, что некоторый интервал яркости растягивается на весь диапазон значений яркости, добиваясь того, что точки изображения с близкими уровнями яркости разделяются по яркости некоторым интервалом. Недостатком этого способа является необходимость подбора яркостных интервалов в интерактивном режиме.

Еще известен способ повышения контраста изображения, основанный на приведении яркостной гистограммы к заданному виду (см., например, Прэтт У. Цифровая обработка изображений. - М.: Мир, 1982, с. 325-330). Суть его заключается в приведении яркостной гистограммы к виду, который наиболее соответствует восприятию человеческого глаза. Недостатком этого способа является необходимость подбора яркостных интервалов в интерактивном режиме, а также яркостная гистограмма исходного изображения должна иметь унимодальный вид.

Задачей настоящего изобретения является автоматизация процесса повышения контраста любого полутонового изображения, в том числе и видеоизображения в реальном времени.

Указанная задача решается тем, что на яркостной гистограмме исходного изображения выбирается порог разделения мод. Межмодовые интервалы яркости сжимают, уменьшая интервал яркостей, отвечающий точкам изображения. Яркостную гистограмму на этом интервале яркости способом амплитудного разреза преобразуют на весь диапазон значений яркости изображения.

Весь процесс повышения контраста можно представить следующей совокупностью шагов.

Шаг 1. Для исходной яркостной гистограммы определяют равновесный уровень распределения R, то есть такой уровень, при котором все значения яркости распределены по точкам изображения равновероятно (фиг.1).

где x_max - размер изображения по горизонтали, y_max - размер изображения по вертикали, I_max - максимально возможное значение яркости.

Шаг 2. Производят следующим образом: определяют количество точек изображения, количество которых меньше R (это площадь яркостной гистограммы под равновесным уровнем) - SH; определяют площадь равновесной гистограммы SR на тех же интервалах яркости, на которых определили SH (фиг.2); находят отношение SH/SR, которое является аргументом функции выбора порога C(SH/SR). Отношение SH/SR принимает значения от 0 до 1.

Функции выбора порога:

где - коэффициент, определяющий экспоненциальную функцию выбора порога.

Шаг 3. Составляют яркостную гистограмму 2 из исходной яркостной гистограммы, на которой имеются лишь те уровни, значения которых больше, чем значение функции выбора порога C(SH/SR) (фиг.3).

Шаг 4. Составляют яркостную гистограмму 3 (фиг.4) из яркостной гистограммы 2 (фиг.3) и одновременно определяют первую функцию преобразования уровней яркости элементов изображения f ₁(i) (фиг.5), где i - уровень яркости. Для этого, начиная с наименьших уровней яркостей, сжимают интервал яркости на яркостной гистограмме 2, на котором значения яркостной гистограммы 2 равны нулю, сжатый интервал яркости перемещают в сторону меньших уровней яркости вплотную к нулевому значению уровня яркости или интервалу яркости, на котором значения яркостной гистограммы 2 отличны от нуля (фиг.3, интервал яркости [0, i₁ ]). Функция f₁(i) на интервале яркости, на котором значения яркостной гистограммы 2 равны нулю, представляет собой часть прямой имеет угол наклона, тангенс которого равен коэффициенту сжатия (фиг.5, интервал яркости [0, i ₁]). Далее интервал яркости, на котором значения яркостной гистограммы 2 отличны от нуля, перемещают в сторону меньших уровней яркости вплотную к сжатому интервалу яркости (фиг.3, интервал яркости [i₁, i₂]). Функция f₁(i) на интервале яркости, на котором значения яркостной гистограммы 2 отличны от нуля, имеет тангенс угла наклона, равный единице, причем функция f ₁(i) в точках соединения интервалов яркости непрерывна (фиг.5, интервал яркости [i₁, i ₂]). Затем действия повторяются до тех пор, пока не будет пройден весь диапазон значений яркости [0, I_max ].

Шаг 5. Определяют минимальное i_min и максимальное i_max значение яркости, при котором значение яркостной гистограммы 3 отлично от нуля (фиг.4).

Шаг 6. Определяют конечную функцию преобразования уровней яркости элементов изображения f₂ (i) (фиг.6), где i - уровень яркости, которая интервал яркости [i_min, i_max] растягивает на весь диапазон возможных значений яркости. Тем самым, решается задача повышения контраста полутонового изображения за счет увеличения разности яркостей между соседними элементами изображения, которое обеспечивается действием функции f₂(i) на диапазон значений яркости [i_min, i _max].

Конечная функция преобразования уровней яркости:

Предложенный способ позволяет получить положительный эффект, заключающийся в повышении контраста полутонового изображения, при этом позволяет существенно улучшить визуальное качество изображения с бимодальной исходной гистограммой.

Апробирование этого способа показало его высокую эффективность при обработке любых изображений как в условиях дневной, так и ночной съемок.