专利名称：一种自适应彩色图像处理方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及图像处理领域，更具体的说，涉及一种自适应彩色图像处理方法及系 统。
背景技术：
目前在大多数情况下，在彩色图像的获取过程中，由于成像传感器的动态范围有 限导致采集的图像局部曝光不足、色彩暗淡、对比度低及细节损失，这极大限制和影响了后 续图像分析与理解的研究工作。因此，有必要对采集到的图像进行增强处理，来改善图像的 视觉效果、突出图像的特征。现有技术中常见的灰度图像增强技术有伽玛校正、自动色阶 (autolevels)、USM锐化(UnSharp Masking, USM)、直方图均衡化等全局增强算法，以及局 部直方图均衡化、同态滤波等局部增强算法。但是，由于彩色图像具有颜色信息，现阶段研 究人员尚未完全了解大脑的颜色处理机制，因此，彩色图像的处理远比灰度图像复杂，很多 针对灰度图像的处理方法不能直接推广到彩色图像处理。因此，在研究HVS (Human Visual System，人眼视觉系统)特性的基础上，已经提出了许多彩色图像增强算法。现有技术中主 要包括两类基于视觉感知的彩色图像增强方法第一类，从人眼对颜色的感知特性出发，提 出了基于颜色恒常性的Retinex算法和ACE (Automatic Color Equalization,自动颜色均 衡化)算法。其中，Retinex算法是一类应用最为广泛的方法。Retinex算法能够同时实现图 像的全局和局部对比度增强、动态范围压缩以及基于灰度假设(gray world assumption) 的颜色恒常性。ACE算法综合了 GW(Gray World)和WP (White Patch)颜色校正机制。第二 类，基于HVS的全局和局部自适应特性，提出了仿生(bio-inspired)彩色图像增强方法，用 于增强图像的全局和局部对比度，而不考虑颜色恒常性的问题。但是，采用上述现有技术中基于视觉感知的方法对彩色图像进行处理，仍然存在 以下缺点其一，采用Retinex算法，当图像整体或者局部区域违背灰度假设时，处理后的 颜色将变为灰色调，从而产生灰化(graying out)效应，此外，沿图像边缘会产生Halo效 应；其二，采用第二类中的一种仿生彩色图像增强方法，在全局自适应亮度调整过程中利用 幂指数小于1的幂函数，虽然能够增强了图像中暗区域的对比度，但是降低了亮区域的对 比度；而且利用双边滤波计算邻域像素的加权平均值，仍不可避免地在图像边缘处产生的 过增强现象。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种自适应彩色图像处理方法及系统，解决了现有技术 中在对图像进行处理时，造成的图像亮区域对比度降低、图像边缘处产生的过增强现象、以 及沿图像边缘产生的Halo效应和灰化效应的问题。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案一种自适应彩色图像处理方法，包括读取一帧待处理图像；
利用非线性反S型函数对所述待处理图像的亮度分量进行全局自适应变换，得到 全局增强亮度图像；依据所述全局增强亮度图像中的中心像素与邻域像素的亮度的对应关系，对所述 全局增强亮度图像的局部对比度进行调整，获得局部增强亮度图像；利用所述局部增强亮度图像与所述待处理图像的亮度分量两者之间的比值，对所 述待处理图像进行线性颜色恢复，获取彩色增强图像。优选的，所述利用非线性反S型函数对所述待处理图像的亮度分量进行全局自适 应变换，得到全局增强亮度图像的过程具体为确定非线性映射的区间范围，将所述亮度分量的灰度范围映射到所述区间范围 内，获取灰度级压缩的图像；利用非线性反S型函数对所述灰度级压缩的图像进行非线性灰度级变换，获得反 S型变换图像；将所述反S型变换图像的值归一化，获取全局自适应变换后的所述全局增强亮度 图像。优选的，所述依据所述对应关系对所述全局增强亮度图像的局部对比度进行调 整，获得局部增强亮度图像的过程为获取全局增强亮度图像；利用所述增强函数对所述全局增强亮度图像进行处理，得到所述局部增强亮度图像。优选的，获取所述增强函数的过程包括确定所述中心像素与所述邻域像素的亮度差值；获取所述亮度差值在饱和函数范围内的对应值；确定所述中心像素与所述邻域像素的空间距离；获取以所述中心像素为中心的小邻域内，所述亮度差值在饱和函数范围内的对应 值与所述空间距离之间的比值之和，得到所述增强函数。优选的，对所述待处理图像进行线性颜色恢复的过程为利用局部增强亮度图像与所述待处理图像的亮度分量两者之间的比值，获得颜色 复原函数；利用获取到的所述颜色复原函数等比例乘以所述待处理图像中的各颜色分量，得 到所述彩色增强图像。优选的，所述非线性映射的区间范围为[Smin，smax]，其中，Smin为S(Vmin), Smax为 S(Vfflax)，S(V)为S型函数，Vmin值的取值范围为"6 -3，Vfflax值的取值范围为1 6。优选的，所述饱和函数的取值范围为0 1，所述饱和函数的斜率为_3。一种自适应彩色图像处理系统，包括读取单元，用于读取一帧待处理图像；全局亮度调整单元，用于利用非线性反S型函数对所述待处理图像的亮度分量进 行全局自适应变换，得到全局增强亮度图像；局部亮度调整单元，用于依据所述全局增强亮度图像中的中心像素与邻域像素的 亮度的对应关系，对所述全局增强亮度图像的局部对比度进行调整，获得局部增强亮度图像；颜色恢复单元，用于利用所述局部增强亮度图像与所述待处理图像的亮度分量两 者之间的比值，对所述待处理图像进行线性颜色恢复，获取彩色增强图像。优选的，所述全局亮度调节单元中主要包括灰度级压缩单元，用于确定非线性映射的区间范围，将所述亮度分量的灰度范围 映射到所述区间范围内，获取灰度级压缩的图像；非线性映射单元，用于利用非线性反S型函数对所述灰度级压缩的图像进行非线 性灰度级变换，获得反S型变换图像；归一化单元，用于将所述反S型变换图像的值归一化，获取全局自适应变换后的 所述全局增强亮度图像。优选的，所述局部亮度调整单元中主要包括增强函数获取单元，用于获取所述亮度差值在饱和函数范围内的对应值，以及确 定所述中心像素与所述邻域像素的亮度差值和空间距离，并依据获取以所述中心像素为 中心的小邻域内，所述亮度差值在饱和函数范围内的对应值与所述空间距离之间的比值之 和，得到所述增强函数；局部调整单元，用于利用所述增强函数对所述全局增强亮度图像进行处理，得到 所述局部增强亮度图像。经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开了一种自 适应彩色图像处理方法及系统，基于HVS的亮度适应机理，利用神经元的非线性反S型函数 对彩色降质视频中的待处理图像进行全局自适应变换，并获取全局增强亮度图像；然后再 基于HVS的侧抑制机理对全局增强亮度图像的局部对比度进行增强，并获取局部增强亮度 图像；利用所述局部增强亮度图像与待处理图像的亮度分量两者之间的比值，对所述待处 理图像进行线性颜色恢复，获取彩色增强图像。通过本发明的方法与系统，能够自适应地调 节待处理图像的亮度，并同时调节暗区域和亮区域的对比度和亮度，而且能够有效地增强 待处理图像的局部对比度，并抑制待处理图像边缘产生的过增强现象，且较好地保持了图 像的颜色。此外也不会产生灰化效应和Halo效应，在图像处理的过程中取得更好的增强效^ ο
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据 提供的附图获得其他的附图。图1为本发明实施例一公开的一种自适应彩色图像处理方法的流程图；图2为非线性S型函数；图3为本发明实施例二公开的一种自适应彩色图像处理方法的流程图；图4为用于全局亮度自适应变换的非线性映射曲线；图5为增强函数中所用到的饱和函数；图6a为本发明公开的方法与现有技术中的方法进行比较时的原图的亮度分量直方图；图6b为采用现有技术对图6a进行彩色增强处理后的亮度分量直方图；图6c为采用本发明对图6a进行彩色增强处理后的亮度分量直方图；图7a为本发明公开的方法与现有技术中的方法进行比较时的原图的R、G、B分量 直方图；图7b为采用现有技术对图7a进行彩色增强处理后的R、G、B分量直方图；图7c为采用本发明对图7a进行彩色增强处理后的R、G、B分量直方图；图8为本发明实施例二公开的一种自适应彩色图像处理的系统结构示意图。
具体实施例方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例，都属于本发明保护的范围。本发明公开了一种自适应彩色图像处理方法及系统，通过利用非线性反S型函数 对降质彩色视频中的待处理图像进行全局自适应变换，获取全局增强亮度图像；然后再对 所述全局增强亮度图像的局部对比度进行增强，并获取增强后的局部增强亮度图像；利用 所述局部增强亮度图像与所述待处理图像的亮度分量两者之间的比值，对所述待处理图像 进行线性颜色恢复，获取彩色增强图像。下面对本发明的方法下面将进行详细说明。实施例一如图1所示，本发明的方法主要包括以下步骤步骤S101，读取一帧待处理图像。执行步骤S101，从彩色降质视频序列中读取一帧视频图像I(X) = (IE (x), Ig (χ), Ib(x))T，该视频图像即为待处理图像，是具有R、G、B三个分量的彩色图像。其中，该待处理 图像宽为W个像素、高为H个像素，由于图像是二维空间，因此上式中的χ代表向量，χ也可 用(m,n)表示，其中，0彡m彡W-1，0彡η彡H-l，m、n、W、H均为非负整数。步骤S102，利用 非线性反S型函数对所述待处理图像的亮度分量进行全局自适应变换，得到全局增强亮度 图像La(X)。人眼具有对高动态范围和明暗亮度适应的特性，虽然能够响应的照度范围高达13 个对数单位，但是并不能同时在这个范围内工作；对于人眼所具有的明暗亮度适应主要指， 人眼能够根据环境光照的变化，自动调节对亮度的适应过程，而人眼的适应明暗条件变化 的过程称为亮度适应。其中，从亮到暗的过程称为暗适应，从暗到亮的过程称为亮适应。基于上述HVS的亮度适应机理，执行步骤S102，利用非线性反S型函数对待处理图 像中的亮度进行全局自适应变换，即利用非线性反S型函数进行灰度级映射，从而完成全 局自适应调节待处理图像亮度的过程，得到全局增强亮度图像La(X)。在本发明中只对待处理图像的亮度分量L(X)进行处理，在HSV颜色空间中，彩色 图像的亮度分量L(X)具体为L(x) = max {Ικ (χ)，IG(x)，Ib (χ)} ； (1)在(1)式中，所述Ik(X)、Ie(x)和Ib(X)分别代表颜色空间中点χ处像素的R(Red，红色)、G (Green，绿色)和B (Blue，蓝色)。因此可以避免现有技术中分别处理R、G、B通道 易导致颜色失真，且增加计算量带来的功耗问题。即仅对待处理图像的亮度分量进行处理， 降低了执行该步骤时产生的功耗。本发明公开的实施例一中，在HSV颜色空间的亮度分量是计算各颜色分量的最大 值，但是，本发明并不仅限于此，在HSI颜色空间的亮度分量是计算3个颜色分量的平均值， 也可以用PCA变换后的第一主成分。另外，也可以采用其他颜色空间转换方法。需要说明的是，S型函数定义为
权利要求
一种自适应彩色图像处理方法，其特征在于，包括读取一帧待处理图像；利用非线性反S型函数对所述待处理图像的亮度分量进行全局自适应变换，得到全局增强亮度图像；依据所述全局增强亮度图像中的中心像素与邻域像素的亮度的对应关系，对所述全局增强亮度图像的局部对比度进行调整，获得局部增强亮度图像；利用所述局部增强亮度图像与所述待处理图像的亮度分量两者之间的比值，对所述待处理图像进行线性颜色恢复，获取彩色增强图像。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用非线性反S型函数对所述待处理 图像的亮度分量进行全局自适应变换，得到全局增强亮度图像的过程具体为确定非线性映射的区间范围，将所述亮度分量的灰度范围映射到所述区间范围内，获 取灰度级压缩的图像；利用非线性反S型函数对所述灰度级压缩的图像进行非线性灰度级变换，获得反S型 变换图像；将所述反S型变换图像的值归一化，获取全局自适应变换后的所述全局增强亮度图像。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述依据所述对应关系对所述全局增强 亮度图像的局部对比度进行调整，获得局部增强亮度图像的过程为获取全局增强亮度图像；利用所述增强函数对所述全局增强亮度图像进行处理，得到所述局部增强亮度图像。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，获取所述增强函数的过程包括确定所述中心像素与所述邻域像素的亮度差值；获取所述亮度差值在饱和函数范围内的对应值；确定所述中心像素与所述邻域像素的空间距离；获取以所述中心像素为中心的小邻域内，所述亮度差值在饱和函数范围内的对应值与 所述空间距离之间的比值之和，得到所述增强函数。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述待处理图像进行线性颜色恢复的 过程为利用局部增强亮度图像与所述待处理图像的亮度分量两者之间的比值，获得颜色复原 函数；禾IJ用获取到的所述颜色复原函数等比例乘以所述待处理图像中的各颜色分量，得到所 述彩色增强图像。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述非线性映射的区间范围为[smin， SmaJ，其中，Smin为S (vmin)，Smax为S (vmax)，s (ν)为S型函数，Vmin值的取值范围为_6 -3， Vmax值的取值范围为1 6。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述饱和函数的取值范围为0 1，所述 饱和函数的斜率为_3。
8.一种自适应彩色图像处理系统，其特征在于，包括读取单元，用于读取一帧待处理图像；全局亮度调整单元，用于利用非线性反S型函数对所述待处理图像的亮度分量进行全 局自适应变换，得到全局增强亮度图像；局部亮度调整单元，用于依据所述全局增强亮度图像中的中心像素与邻域像素的亮度 的对应关系，对所述全局增强亮度图像的局部对比度进行调整，获得局部增强亮度图像；颜色恢复单元，用于利用所述局部增强亮度图像与所述待处理图像的亮度分量两者之 间的比值，对所述待处理图像进行线性颜色恢复，获取彩色增强图像。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述全局亮度调节单元中主要包括灰度级压缩单元，用于确定非线性映射的区间范围，将所述亮度分量的灰度范围映射 到所述区间范围内，获取灰度级压缩的图像；非线性映射单元，用于利用非线性反S型函数对所述灰度级压缩的图像进行非线性灰 度级变换，获得反S型变换图像；归一化单元，用于将所述反S型变换图像的值归一化，获取全局自适应变换后的所述 全局增强亮度图像。
10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述局部亮度调整单元中主要包括增强函数获取单元，用于获取所述亮度差值在饱和函数范围内的对应值，以及确定所 述中心像素与所述邻域像素的亮度差值和空间距离，并依据获取以所述中心像素为中心的 小邻域内，所述亮度差值在饱和函数范围内的对应值与所述空间距离之间的比值之和，得 到所述增强函数；局部调整单元，用于利用所述增强函数对所述全局增强亮度图像进行处理，得到所述 局部增强亮度图像。全文摘要
本发明公开了一种自适应彩色图像处理方法及系统，其方法为读取一帧待处理图像；利用非线性反S型函数对待处理图像的亮度分量进行全局自适应变换，得到全局增强亮度图像；依据全局增强亮度图像中的中心像素与邻域像素的亮度的对应关系，对全局增强亮度图像的局部对比度进行调整，获得局部增强亮度图像；利用局部增强亮度图像与待处理图像的亮度分量两者之间的比值，对待处理图像进行线性颜色恢复，获取彩色增强图像。通过本发明的方法与系统，能够自适应地调节待处理图像亮度，同时增强暗区域和亮区域的对比度，且能够有效地增强待处理图像的局部对比度，并抑制图像边缘产生的过增强现象，且较好地保持了图像的颜色，取得更好的增强效果。
文档编号G09G5/02GK101951523SQ20101029011
公开日2011年1月19日 申请日期2010年9月21日 优先权日2010年9月21日
发明者李大鹏, 禹晶, 肖创柏 申请人:北京工业大学