专利名称：图像直方图均衡电路及方法
技术领域：
本发明涉及一种基于累积分布函数(CDF)计算区域的直方图均衡(histogram equalization)电路及其方法，尤其是涉及一种用于通过选择图像的预定部分作为该CDF计算区域而得到CDF值并依据该CDF值对具有预定周期的图像信号进行直方图均衡的电路及其方法。
直方图均衡的基本操作是根据输入图像的直方图变换给定的输入图像。该直方图是所给定图像的灰度级分布。直方图提供了该图像外形的总体描述。相应于给定图像的得到适当控制的灰度级改善了该图像的外形及其对比度。
直方图均衡是一种根据图像的样本分布增强给定图像对比度的方法。在诸如[1]J.S.Lim，“二维信号和图像处理(Two-Dimensional Signal and ImageProcessing)”，Prentice Hall，Englewood Cliffs，新泽西，1990，和[2]R.C.Gonzalez and P.Wints，“数字图像处理(Digital Signal Processing)”，Addison-Wesley，Reading，马萨诸塞，1997，的文献中所叙述的用于增强对比度的各种方法中，直方图均衡方法是最广为熟知的。
直方图均衡方法的实用性应用，包括医学图像处理和雷达图像处理在内，在下列文献中描述[3]J.Zimmerman，S.Pizer，E.Staab，E.Perry，W.McCartney，and B.Brenton“用于对比度增强的自适应图像均衡的效果评估(Evaluation of the Effectiveness of Adaptive Histogram Equalization For ContrastEnhancement)”，IEEE Transaction on Medical Imaging，304-312页，1988年12月；和[4]Y，Li，W.Wang，and D.Y.Yu，“应用于X光胸部图像的自适应直方图均衡(Application of Adaptive Histogram Equalization to X-Ray ChestImage”，Proceedings.of the SPIE，513-514页，2321卷，1994年春。
通常，直方图均衡使图像的灰度级分布平坦，因此通过增大动态范围增强了图像的对比度。
在下文中，将简单描述一种典型的直方图均衡方法。
一个给定图像{X}用L个离散的灰度级{X0，X1，…，XL-1}来描述，其中X0和XL-1分别表示黑电平和白电平。
概率密度函数(PDF)定义为p(Xk)＝nk/n，其中k＝0，1，…L-1(1)这里，nk表示灰度级Xk在图像{X}中出现的次数，n表示图像{X}中的样本总数。此时，CDF定义如下c(Xk)=Σj=0kp(Xj)----(2)]]>根据该CDF值，相应于所给定图像的输入样本Xk的典型直方图均衡的输出Y表示为Y＝c(Xk)XL-1(3)因此，通过根据该CDF将输入图像的灰度级映射(mapping)到新的灰度级，图像质量因增强了整个画面的对比度而得以改善。
图1A表示一个特定图像的PDF的例子。在接收其亮度在最小灰度级“0”和最大灰度级MAX“100”之间的亮度信号时对各个灰度级的像素数计数，然后把该数除以全部像素数，结果就是PDF。图1A中示出的输入图像集中在灰度级“30”和灰度级“90”之间。
CDF用基于图1A所示的PDF的公式(2)来获得。在执行采用该CDF作为变换函数的直方图均衡之后的输出由公式(3)表示。经过均衡的图像的PDF如图1B所示。因此，当如图1A所示的集中在“30-90”范围内的输入图像被进行直方图均衡时，它被映射为如图1B所示的“10-100”的灰度级。因此，对比度得到增强，提供了一个清晰的图像。
硬件的数量与如何根据PDF设置CDF计算区域以得到CDF密切相关。换句话说，当通过对多个输入像素相加得到该CDF值时，输入和输出图像的相关性得以改善，但对硬件数量的要求也提高了。因此，有必要设置一个恰当的CDF计算区域以提高输入数据与所均衡的数据的相关性，并简化硬件。
本发明的一个目的是提供一种用于通过选择图像的预定部分作为CDF计算区域来得到CDF并基于此CDF值对具有预定周期的图像信号进行直方图均衡的电路。
本发明的另一个目的是提供一种用于通过选择图像的预定部分来得到CDF并基于此CDF对具有预定周期的图象进行直方图均衡的方法。
为了实现第一个目的，提供了一种直方图均衡电路，在该电路中，通过对用预定数目灰度级表示的图像信号进行灰度级控制来增强对比度；该电路包括计算装置，用于通过对不多于各灰度级的像素的数量计数并将计数结果除以对应于输入图像的样本总数来对与具有预定周期的区域信号相对应的输入图像计算各灰度级的累积分布函数(CDF)值；和映射装置，用于根据各灰度级的CDF值将具有预定周期的输入图像映射到新的灰度级。
为了实现第二个目的，提供了一种用于通过对由预定数目灰度级表示的图像信号进行灰度级控制来增强对比度的直方图均衡方法，该方法包括如下步骤(1)通过对不多于各灰度级的像素的数量计数并将计数结果除以样本总数来对与具有预定周期的区域信号相对应的输入图像计算各灰度级的累积分布函数(CDF)值；(2)根据各灰度级的CDF值将具有预定周期的输入图像映射成新的灰度级。
通过参照附图详细描述优选实施例，本发明的上述目的和优点将变得更加明显，在这些附图中图1A表示一个特定图像的PDF的例子；图1B表示根据如图1A所示的PDF执行直方图均衡之后的图像的PDF；图2是基于本发明的直方图均衡电路的一个实施例的框图；图3是基于本发明的直方图均衡电路的另一实施例的框图；图4是基于本发明的直方图均衡电路的又一实施例的框图；图5是用于图2和3所示电路中的CDF计算器的一个实施例的详细电路图；图6是用于图2和4所示电路中的CDF计算器的另一实施例的详细电路图；图7是用于图4所示电路中的CDF计算器的又一实施例的详细电路图；图8A-8J是表示用于本发明的诸区域信号和表示直方图均衡周期的时序图。
下文中，将参照附图描述本发明的基于CDF计算区域的直方图均衡电路的优选实施例及其方法。
图2中，CDF计算器110直接计算具有预定位宽(例如，8位)的输入图像的CDF值。换句话说，通过将处于灰度级＝0，灰度级≤1，…，灰度级≤254，和灰度级≤255的各情况下的值除以样本总数来得到各灰度级的CDF值。在本发明中，由于该CDF是从输入像素直接计算的，因此有可能省去PDF计算器。
帧存储器120将该输入图像延迟一帧，这里，该输入图像被帧存储器120延迟一帧以便对在CDF计算器110中得到其统计特性(CDF值)的帧数据自身执行直方图均衡。
根据由CDF计算器110计算的对应于从帧存储器120输出的该输入图像的灰度级的CDF值，映射器130将该输入图像的灰度级映射成新的灰度级。这里，映射器130更新由CDF计算器110以一帧为单位计算的CDF值，并构造一个用于读出对应于输入图像灰度级的CDF值的查询表。
图3是根据本发明的直方图均衡电路的另一实施例的框图，其中省去了帧存储顺120。由于先前帧与当前帧的相关性大于0.95(95％)，没有使用图2中所示的由大量硬件构成的帧存储器120。从先前帧得到的CDF施加到图3中的当前帧。
图4是根据本发明的直方图均衡电路的又一实施例的框图，它与图2的结构的不同之处在于采用场存储器320来替代帧存储器120。
图5是可用于图2和3所示电路中的CDF计算器110的一个实施例的详细电路图。比较器112.1-112.256将输入图像的灰度级与“0”到“255”的灰度级进行比较。例如，当输入具有小于“255”的灰度级的像素时，比较器112.1-112.255的输出将变成逻辑值“1”；当输入具有小于“127”的灰度级的像素时，比较器112.1-112.128的输出变成逻辑值“1”；以及当输入具有“0”灰度级的像素时，比较器112.1的输出变成逻辑值“1”。
在根据时钟信号CLK而输入到选通端EN的比较器112.1-112.256的输出是“1”的情况下，累加器114.1-114.256将其累加值增一。累加值被输出，当帧同步信号FRAME SYNC输入到累加器(ACC)的保持和清零端(HOLD & CLR)时，累加值被清除为“0”。例如，累加器114.256的输出信号是一帧中灰度级不大于“255”的像素数量，累加器114.128的输出信号是一帧中灰度级不大于“127”的像素数量，累加器114.1的输出信号是一帧中灰度级为“0”的像素数量。当除法器116.1-116.256将累加器114.1-114.256的输出除以每帧样本总数“n”时，就输出“0”至“255”灰度级的CDF值。
输入到累加器14.1-144.256的时钟信号CLK是通过对系统时钟信号SYS CLK和区域信号AREA1执行“与”(AND)操作而得到的与门G1的输出，它在代表CDF计算区域的帧周期间有效。换句话说，只有当该第一区域信号AREA1是“高”时，比较器112.1-112.256的输出才在累加器114.1-114.256中累加。
这里，各累加器114.1-114.256均包括一个计数器，用于只有当比较器112.1至112.256变成逻辑值“1”时，才根据通过对第一区域信号AREA1和系统时钟信号SYS CLK执行“与”操作而得到的时钟信号CLK，对其相应比较器112.1-112.256的输出进行计数，然后根据帧同步信号FRAMESYNC将它们清零；还包括一个锁存器，用于将帧同步信号FRAME SYNC作为保持信号输入，对该计数器的输出进行锁存，并根据帧同步信号FRAMESYNC将被锁存的输出结果输出到对应的除法器116.1-116.256。这里，根据代表CDF计算周期的区域信号的直方图均衡周期来运行的计数器增加了与样本数目一样大的硬件的复杂性。
图6是一个用于图2至4中所示的直方图均衡电路的CDF计算器的另一实施例的详细电路图。
当图6所示的CDF计算器用于图2和3所示的直方图均衡电路中时，采用了仅具有构成一个帧的两场中的一场作为CDF计算区域的第二区域信号AREA2。在各累加器214.1-214.256中，根据场同步信号FIELD SYNC进行累加的比较器212.1-212.256的输出被输出到各除法器216.1-216.256。通过将各累加器214.1-214.256的输出除以各除法器216.1-216.256的每场样本总数“n1”，输出其每个场的灰度级为“0”到“255”的CDF值。
当图6中所示的CDF计算器被用于图4中所示的直方图均衡电路时，第三区域信号AREA3使每场的周期与该CDF计算区域相等。在各累加器214.1-214.256中，根据场同步信号FIELD SYNC，由各比较器212.1-212.256累加的输出结果被输出到各除法器216.1-216.256。通过在各除法器216.1-216.256中将各累加器214.1-214.256的输出除以样本总数“n1”，输出其每场灰度级为“0”到“255”的CDF值。
图7是可用于图4中所示直方图均衡电路的CDF计算器的又一实施例的详细电路图。
图7中，根据场同步信号FIELD SYNC，各个开关311.1-311.256选择构成一帧的两场中的第一场(下文中将称作“奇数场”)的输入图像，并将其输入到比较器312.1-312.256的第一输入端“A”。它们还选择第二场(下文中称作“偶数场”)的输入图像并将其输入到比较器313.1-313.256的第一输入端“A”。这里，各开关可由多路分解器构成。
各比较器312.1-312.256和各比较器313.1-313.256把由各开关选通的输入图像的灰度级与各灰度级进行比较。
当各比较器312.1-312.256的输出为逻辑值“1”时，根据时钟信号CLK1，累加器314.1-314.256将输入到使能端EN的各比较器312.1-312.256的输出增一；当代表奇数场的控制信号FIELD1输入到保持和清零端HOLD & CLR时，累加器314.1-314.256输出所累加的数值，然后将所累加的数值清除为“0”。此外，当各比较器313.1-313.256的输出的逻辑值为“1”时，根据时钟信号CLK2，各累加器315.1-315.256将输入到使能端EN的各比较器313.1-313.256的输出增一；当代表偶数场的控制信号CLK2输入到保持和清零端HOLD & CLK时，各累加器315.1-315.256输出所累加的数值，并将所累加的结果清除为“0”。
加法器316.1-316.256将累加器314.1-314.256的输出加到累加器315.1-315.256的输出，并将它们输出到D触发器(DFF)317.1-317.256。根据场同步信号FIELD SYNC，各D触发器的输出被输出到除法器318.1-318.256。各除法器将各D触发器的输出除以每场的样本总数“n1”，并输出该场的各灰度级的CDF值。
通过在与门G21对系统时钟SYS CLK和代表奇数场的CDF计算区域的第四区域信号AREA4执行“与”操作，得到输入至各累加器314.1-314.256时钟信号CLK1。通过在与门G22对系统时钟SYS CLK和代表偶数场的CDF计算区域的第五区域信号AREA5执行“与”操作，得到输入至各累加器315.1-315.256的时钟信号CLK2。
因此，根据由第(m-1)场的CDF值加上第m场的CDF值而得到的CDF值，图7中所示的CDF计算器被用来将第m场的输入图像映射到新的灰度级。
本发明最重要的方面是选择CDF计算区域的范围以建立输入数据与被映射数据之间的高度相关性并简化硬件。
图8A-8J是表示用于本发明的诸信号及直方图均衡周期的时序图。
图8A表示垂直同步信号。图8B表示由该垂直同步信号同步的输入图像数据。图8C表示用于采用帧周期作为该CDF计算区域的第一区域信号AREA1。图8D表示用于在一帧期间采用图8C中所示的第一区域信号AREA1而得到CDF值并根据所得到的CDF值将一帧的图像信号映射到新的灰度级的直方图均衡周期。
这里，第一区域信号AREA1被输入到图5中所示的CDF计算的与门G1，通过将图5的CDF计算器应用于图2或3所示的直方图均衡电路，该CDF计算器根据当前帧的CDF值将当前帧的图像信号映射到新的灰度级，或者根据先前帧的CDF值将当前帧的图像信号映射到新的灰度级。
图8E表示在一帧的一场期间具有CDF计算区域的第二区域信号AREA2。图8F表示用于在一场期间根据图8E中所示的第二区域信号AREA2而得到CDF值并根据所得到的CDF值将一帧的图像信号映射到新的灰度级的直方图均衡周期。
第二区域信号AREA2被输入到图6中所示的CDF计算器的与门G12。通过将图6的CDF计算器应用于图2或3所示的直方图均衡电路，该CDF计算器根据一场期间的CDF值将当前帧的图像信号映射到新的灰度级，或者根据在先前帧的一个场期间的CDF值将当前帧的图像信号映射到新的灰度级。
图8G表示在每场期间具有CDF计算区域的第三区域信号AREA3。图8H表示用于根据图8G所示的第三区域信号AREA3而得到每场CDF值并根据所得到的CDF值将每场图像信号映射到新的灰度级的直方图均衡周期。
第三区域信号AREA3被输入到图6中所示的CDF计算器的与门G12。通过将图6的CDF计算器应用于图4中所示的直方图均衡电路，该CDF计算器根据在每场中将得到的CDF值将每场图像映射到新的灰度级。
与通过采用8C中所示的第一区域信号(AREA1)而以帧为单位地计算CDF值来执行的直方图均衡相比，由于采用图8E或8G中所示的第二或第三区域信号(AREA2或AREA3)而以场为单位地计算CDF值来执行直方图均衡，各累加器的计数器的内部结构得到简化。
图8I和8J分别表示第四区域信号(AREA4)和第五区域信号(AREA5)。第四区域信号和第五区域信号(AFEA4和AREA5)被分别输入到图7中所示的CDF计算器的与门(G21和G22)。图7的CDF计算器被应用于图4中所示的直方图均衡电路。
换句话说，通过采用下述得到的结果，图8B中B部分的场图像被映射到新的灰度级，该结果是通过将由采用图8I中所示的第四区域信号(AREA4)而得到的图8B中所示的A部分的CDF值加到由采用图8J中所示的第五区域信号(AREA5)得到的图8B中所示的B部分的CDF值而得到的。
通过采用由将B部分的CDF值加到C部分的CDF值而得到的结果，C部分的场图像被映射到新的灰度级。
图5、6、和7中所示的CDF计算器的构造用来计算全部灰度级的各CDF值。然而，为了简化硬件，可将其构造为计算预定的少于全部灰度级数目的灰度级的CDF值。此时，在该CDF计算器后端提供CDF内插器。
如上所述，根据由选择场或帧周期作为CDF计算区域而得到的CDF值，通过对该场或帧周期期间的图像信号的直方图均衡，可提高输入数据和已均衡数据之间的相关性并减少硬件数量。
权利要求
1.一种直方图均衡电路，其中通过对用预定数目的灰度级表示的图像信号进行灰度级控制来增强对比度，所述直方图均衡电路包括计算装置，用于通过对不多于所述各灰度级的像素的数量计数并将计数结果除以输入图像的样本总数来计算与具有预定周期的区域信号相对应的输入图像的各灰度级的累积分布函数(CDF)值；和映射装置，用于根据所述各灰度级的CDF值将具有预定周期的输入图像映射到新的灰度级。
2.如权利要求1所述的直方图均衡电路，进一步包括帧存储器，所述帧存储器用于把所述输入图像延迟一帧以便把在与所述计算装置中所产生的CDF值相同的帧中的输入图像输入到所述映射装置。
3.如权利要求1所述的直方图均衡电路，进一步包括用于把所述输入图像延迟一场的场存储器。
4.如权利要求1所述的直方图均衡电路，其特征在于所述计算装置包括多个比较器，用于将所述输入图像的灰度级与所述各灰度级进行比较；多个累加器，用于根据所述区域信号累加所述多个比较器的各自输出，并输出不多于所述各灰度级的像素的数量；和多个除法器，用于将所述多个累加器的各自输出除以所述具有预定周期的所述输入图像的样本总数，并输出所述各灰度级的CDF值。
5.如权利要求4所述的直方图均衡电路，其特征在于具有预定周期的所述区域信号是具有帧周期的CDF计算区域。
6.如权利要求5所述的直方图均衡电路，其特征在于具有预定周期的所述输入图像是所述帧图像。
7.如权利要求4所述的直方图均衡电路，其特征在于具有预定周期的所述区域信号是具有场周期的CDF计算区域。
8.如权利要求7所述的直方图均衡电路，其特征在于具有预定周期的所述输入图像是所述帧图像。
9.如权利要求3所述的直方图均衡电路，其特征在于所述计算装置包括多个比较器，用于将所述输入图像的灰度级与所述各灰度级进行比较；多个累加器，用于根据所述区域信号累加所述多个比较器的各自输出，并输出不多于所述各灰度级的像素的数量；和多个除法器，用于将所述多个累加器组的各自输出除以具有所述预定周期的所述输入图像的样本总数，并输出所述各灰度级的CDF值。
10.如权利要求9所述的直方图均衡电路，其特征在于具有预定周期的所述区域信号是场周期的CDF计算区域。
11.如权利要求10所述的直方图均衡电路，其特征在于具有预定周期的所述输入图像是所述场图像。
12.如权利要求3所述的直方图均衡电路，其特征在于所述计算装置包括选择装置，用于根据场同步信号选择奇数场输入图像和偶数场输入图像中的一个；第一比较装置，包括多个比较器，用于将由所述选择装置所选择的奇数场输入图像的灰度级与各灰度级进行比较；第二比较装置，包括多个比较器，用于将由所述选择装置所选择的偶数场输入图像的灰度级与各灰度级进行比较；第一累加装置，包括多个累加器，用于根据第一区域信号累加所述第一比较装置的输出，并输出不多于各灰度级的像素的数量；第二累加装置，包括多个累加器，用于根据第二区域信号累加所述第二比较装置的输出，并输出不多于各灰度级的像素的数量；加法装置，包括多个加法器，用于分别将所述第一累加装置的各累加器的输出加到所述第二累加装置的各累加器的输出；锁存装置，包括多个锁存器，用于锁存所述多个加法器的各自输出，并根据所述场同步信号输出所述锁存信号；和除法装置，包括多个除法器，用于将所述多个锁存器的各自输出除以具有所述预定周期的输入图像的样本总数，并输出所述各灰度级的CDF值。
13.如权利要求12所述的直方图均衡电路，其特征在于所述第一区域信号代表所述奇数场周期的CDF计算区域，所述第二区域信号代表所述偶数场周期的CDF计算区域。
14.如权利要求13所述的直方图均衡电路，其特征在于所述计算装置通过将第(m-1)场的CDF值加到第m场的CDF值而输出所得到的CDF值，所述映射装置根据所述已相加的CDF值将所述第m场图像信号映射到新的灰度级，并且m是预定数。
15.一种直方图均衡方法，用于通过对用预定数目的灰度级表示的图像信号进行灰度级控制来增强对比度，所述直方图均衡方法包括如下步骤(a)通过对不多于各灰度级的像素的数量进行计数来计算各灰度级的累积分布函数(CDF)值，并将计数结果除以相应于具有预定周期的区域信号的输入图像的样本总数；和(b)根据所述各灰度级的CDF值将预定周期的输入图像映射到新的灰度级。
16.如权利要求15所述的直方图均衡方法，其特征在于所述具有预定周期的所述区域信号是帧周期的CDF计算区域。
17.如权利要求16所述的直方图均衡方法，其特征在于具有所述预定周期的所述输入图像是所述帧图像。
18.如权利要求15所述的直方图均衡方法，其特征在于所述预定周期的所述区域信号是场周期的CDF计算区域。
19.如权利要求18所述的直方图均衡方法，其特征在于具有所述预定周期的所述输入图像是所述场图像。
20.如权利要求18所述的直方图均衡方法，其特征在于具有所述预定周期的所述输入图像是所述帧图像。
21.如权利要求18所述的直方图均衡方法，其特征在于在所述步骤(a)中，通过将第(m-1)场的CDF值加到第m场的CDF值而得到的CDF值被输出，并且m是预定数。
22.如权利要求21所述的直方图均衡方法，其特征在于在所述(b)中，根据所述已相加的CDF值把所述第m场的图像信号映射到新的灰度级。
全文摘要
一种直方图均衡电路,包括计算器,用于对相应于具有预定周期的区域信号的输入图像计算各灰度级的累积分布函数(CDF)值;和映射器,用于根据各灰度级的CDF值将具有预定周期的输入图像映射到新的灰度级。本发明通过选择场周期或帧周期作为CDF计算区域来得到CDF值,并根据该CDF值对该场周期或帧周期的输入图像执行直方图均衡。因此,有可能得到该输入数据和该已均衡数据之间的高度相关性和有可能减少硬件数量。
文档编号G06T5/00GK1170175SQ9711382
公开日1998年1月14日 申请日期1997年6月24日 优先权日1996年6月27日
发明者朴世雄 申请人:三星电子株式会社