专利名称：一种彩色图像增强方法
技术领域：
本发明涉及一种彩色图像增强方法，尤其是涉及适合手机平台的快速彩色图像增强方法。
背景技术：
数码相机具有高分辨率、光学变焦和自动闪光等强大功能，可以得到高质量的图像，照相手机目前无法得到如此高质量的图像，因此不可能完全代替数码相机。目前市场上现在的手机像素分辨率为三十万到一百三十万像素不等，而且不具备光学变焦和闪光等功能，成像能力较低，图像质量差，仅和一次性拍摄相机得到的图像质量接近。但是通过在像素、尺寸、灵敏度、功耗、成本和图像质量等方面的进一步提高，百万像素级的照相手机可以有效的代替中低档的数码相机，抢占数字摄像的中低端市场。
照相手机由于不能进行光学变焦和闪光等数码相机具有的功能，因此与低端数码相机相比，整体图像质量具有一定的差距，图像细节分辩不清。在镜头和感光器等硬件设备既定的条件下，如果可以为用户提供优秀的图像处理软件，对图像的色彩、影调和比例等因素进行修正，增强图像质量，与手机的便携性相配合，将代替低端数码相机，让用户感受到随处摄影的乐趣。
照相手机得到的图片由于曝光不足和色调失恒，图像质量一般感观都比较差，不适合直接打印或冲洗，最主要的问题是色调发黄或光线偏暗。
图像增强技术所要解决的问题是怎样将原来不清楚的图像变得清晰或将感兴趣的某些特征强调出来。其目的是改善图像的视觉效果或便于对增强过的图像进行其他处理，一般情况下讨论灰度图像增强较多。
图像增强可以在频域中进行，也可以在空域中进行。前者是在修改图像的傅立叶变换的基础上进行的，而后者是在图像平面中直接处理各象素的色彩值。本文所分析的方法都是在空域中进行的。
如图1所示意，图中i(x，y)代表位于源图像在(x，y)点的象素值，o(x，y)代表增强后图像在(x，y)点的象素值。从图1中可以看出，在空域中不同的图像增强方法就是寻找不同的由i(x，y)到o(x，y)的转换方法。
增强技术的关键，就是在为整个图像建立一张象素色彩值转换的查找表。即使源图像象素色彩级的每一个色彩值和目标象素的每一个色彩值对应。然后根据查找表的对应关系用目标图像的色彩值替换源图像的色彩值，从而达到增强的效果。
根据构造查找表的不同方法，可以把全图像增强技术归纳为如下两种方法(1)色彩拉伸增强，色彩拉伸使指根据直方图的分布有选择的拉伸某段色彩区间以改善输出图像，如果一幅图像色彩集中在较暗的区域而导致图像偏暗，可以用色彩拉伸功能来拉伸色彩区间以改善图像；如果图像色彩集中在较亮的区域而导致图像偏亮，也可以用色彩拉伸功能来压缩物体色彩区间以改善图像质量。
(2)直方图均衡增强，直方图描述了一个图像的整体外貌，适当调节一个给定的图像色彩级能增强该图像的外貌和对比度。一般来说，由于直方图均衡化扩展了图像的动态范围，所以，产生的图像的密度分布变得平坦，从而其结果是图像的对比度增强了。
然后，上述这两种常见方法在手机平台上应用的时候，遇到了很大的困难，不适合直接应用。首先，对于灰度图像而言，可以直接进行灰度拉伸变换得到较好的处理结果，但是对于RGB彩色图像格式需要根据不同的彩色图像格式要区别对待，一般有两种方法，一种方法是可以将图像从RGB空间转化到YUV空间，仅对亮度信息做直方图均衡；(传统的方法)。另一种做法是直接对RGB分量进行优化，但是可能会引起色度的某些不期望的变化，需要维持好色彩保真度。其次，直方图均衡增强的方法本身的计算量很大，多应用于硬件图像优化领域，在手机这种低效率的平台上，纯软件实现需要耗费大量的时间，根本无法对照相手机拍摄的图片进行实时增强优化。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有背景技术而提供一彩色图像的增强方法，用于增强图像的对比度，优化图像视觉效果，同时保持几乎一致的图像色彩保真度，在如一般的手机平台等硬件资源比较有限的环境下也能做到快速实现。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为一种彩色图像增强方法，其特征在于步骤依次为(1)对输入图像的色彩表达格式采用RGB的格式；
(2)对输入图像信号进行低通滤波以输出一低通滤波过的图像信号；(3)接着对所获得的低通滤波过的图像信号计算图像均值和方差；(4)再对低通滤波过的图像信号的RGB颜色变量进行直方图拉伸处理；(5)最后得到输出增强后的图像。
有益的是，上述的色彩表达格式步采用RGB24的格式，如果源图像的格式是RGB16格式，进行RGB格式转换，转换成RGB24的格式，便于将源图象在RGB空间中进行分析图象特征和进行三颜色的拉伸处理。
对应地，上述的输出增强后的图像采用RGB24的格式，如果硬件适合RGB16的格式，则转换成RGB16的格式后，再得到输出增强后的图像。
有益的是，上述的转换成RGB24的格式方法为将源图像的颜色分量与0xF800作“与”操作后，再向右移位15位的右移操作，将新的数字赋值于新图像的红颜色分量；将源图像的颜色分量与0x07E0作“与”操作后，再向右移位6位的右移操作，将新的数字赋值于新图像的绿颜色分量；将源图像的颜色分量与0x0x01F作“与”操作后，再向左移位10位的左移操作，将新的数字赋值于新图像的蓝颜色分量，对于16位RGB565格式显示图像，一般的需要将源图像变换到24位RGB888表示，这样每个颜色分量代表一个字节，处理起来比较方便。
而转换成RGB16的格式方法为将新图像的蓝颜色分量与0xF8作“与”操作后，再向左移位8位的左移操作，得到新的数值，将新图像的绿颜色分量与0xFC作“与”操作后，再向左移位3位的左移操作，也得到新的数值；将新图像的红颜色分量与0xF8作“与”操作后，再向右移位3位的右移操作，又得到新的数值，将上述的所有数值相加后赋给获得图像的颜色分量。
非常有益的是，上述的低通滤波采用中值低通滤波方法，对RGB三种颜色分别进行中值滤波，得到一个新的低通滤波处理后的图像，由于中值滤波是一种非线性的信号处理方法，在一定的条件下，中值滤波可以克服线性滤波器带来的图像细节模糊问题，而且对滤波脉冲干扰和图像噪声具有很好的抑制作用。
非常有益的是，上述的图像均值和方差是设随机变量X的数学期望E(X)存在，均值就为数学期望E(X)，则函数[(X-E(X))]2的数学期望为X的方差，定义为D(x)＝E[X-E(X)]2，具体计算公式D(x)=Σk=1n[xk-E(X)]2p(xk),]]>P(Xk)为随机变量X的密度函数，通过计算图像的均值和方差值，可以有效的预测和判断图像特征，有利于使用拉伸方法对图像的对比度进行改进。
非常完美的是，上述的直方图拉伸处理是基于对图像方差和均值基础上的非线性拉伸，具体方法为yi=A......................xi≤xm-2σ(B-A)×(xi-xm+2σ4σ)n+A..........xm-2σ<xi<xm+2σB......................xi≥xm+2σ]]>式中xm是图像的均值，σ是方差；[A，B]是目标图像的色彩范围，yi∈[A，B]；[a，b]是源图像的色彩范围，xi∈[a，b]；n是可改变的正数；当n＜1时，对图像低色彩范围拉伸；当n＞1时，对图像高色彩范围拉伸；当n＝1时，对图像进行线性扩展；这种算法的优点不仅在于具有非线性拉伸的灵活行和可选择性，还在于由于计算了图像的均值和方差，使该算法能够根据色彩值距均值的远近来决定扩展的倍数，由于图像中绝大部分的象素值在xm-2σ到xm+2σ之间，所以对超出这个范围的色彩区进行了压缩，而算法简单快速。
有益的是是，上述的直方图拉伸处理是对红色，蓝色和绿色分别计算方差，便于快速处理和计算，并在有限的硬件资源环境中得到应用。
最后作为改进，只是对红色和蓝色计算方差，然后取两者的平均值作为绿色的方差，可以达到分别计算三种颜色非常近似的拉伸效果，并简化计算，提高图像处理速度。
与现有技术相比，本发明的优点在于该图像增强方法是结合图像的均值和方差对R、G、B三种彩色分量分别进行色彩拉伸来实现图像增强，而针对彩色图像增强很少用RGB色彩空间的，一般都是转换到YUV(电视就是这个格式)或者YIQ空间，但是这样的变换是浮点的，我们一般的平台由于硬件资源有限所以只支持整数运算，因此浮点运算采用的是整数定点做的，时间消耗很大，而且在YUV平台处理起来仍然计算量偏大，因为图像对比度增强本身就是非常耗时的，因此，采用RGB空间直接计算可以避免使用浮点运算，采用了整数运算，所以提高了处理速度；因为RGB的方法主要是针对各个分量进行直方图拉伸，但是直接拉伸会造成明显的色彩失真，通过多次测试我发现，需要预先分析图像特征，结合图像的均值和方差，根据得到值对图像进行尺度拉伸效果好很多；综合上述，该图像增强技术具有两个优点1)快速，这种方法对实时处理系统以及平台运算速度低的系统更显得重要；2)增强后的图像能保持源图像的信息。
图1为空域图像增强的实现方法示意图；图2为RGB格式转换的示意图；图3为本发明彩色图像增强方法的示意框图。
具体实施例方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
一种新的图像增强方法，用于增强图像的对比度，优化图像视觉效果，同时保持几乎一致的图像色彩保真度，在一般的手机平台上做到快速地实现。具体包括以下步骤(1)输入图像的色彩表达格式进行RGB16到RGB24的转换，或者是直接采用RGB24的格式；(2)对输入图像信号进行低通滤波以输出一低通滤波过的信号；(3)采用快速算法计算图像均值和方差，评估待增强图像特征；(4)分别对RGB三种颜色进行各自的直方图拉伸；(5)进行RGB格式转换，得到输出增强后的图像，或者是输出采用RGB24格式的图像。
由于大多数手机平台只支持RGB16的色彩表达格式，因此需要格式转换，但是对于有些手机平台，本来具有的色彩格式为RGB24，因此就不要上述的格式转换步骤。
RGB格式转换，如图2所示，传统的手机的图像显示采用的是16位RGB565格式显示图像，一般的需要将源图像变换到24位RGB888表示，这样每个颜色分量代表一个字节，处理起来比较方便。
RGB565-＞RGB888变换公式如下RedValue＝(PixelValue & 0xF800)＞＞8+7 (1.1)GreenValue＝(PixelValue & 0x07E0)＞＞3+3(1.2)BlueValue＝(PixelValue & 0x0x01F)＜＜3+7(1.3)上述的公式中“＞＞”表示右移操作，“＜＜”表示左移操作.；RGB888-＞RGB565变换公式如下
PixelValue＝(1.4)(BlueValue & 0xF8)＜＜8+(GreenValue & 0xFC)＜＜3+(RedValue & 0xF8)＞＞3就是讲转换成RGB24的格式方法为将源图像的颜色分量与0xF800作“与”操作后，再向右移位15位的右移操作，将新的数字赋值于新图像的红颜色分量；将源图像的颜色分量与0x07E0作“与”操作后，再向右移位6位的右移操作，将新的数字赋值于新图像的绿颜色分量；将源图像的颜色分量与0x0x 01F作“与”操作后，再向左移位10位的左移操作，将新的数字赋值于新图像的蓝颜色分量。
而对应的，上述的转换成RGB16的格式方法为将新图像的蓝颜色分量与0xF8作“与”操作后，再向左移位8位的左移操作，得到新的数值，将新图像的绿颜色分量与0xFC作“与”操作后，再向左移位3位的左移操作，也得到新的数值；将新图像的红颜色分量与0xF8作“与”操作后，再向右移位3位的右移操作，又得到新的数值，将上述的所有数值相加后赋给获得图像的颜色分量。
低通中值滤波，中值滤波是一种非线性的信号处理方法，与其对应的中值滤波器也是一种非线性的滤波器。在一定的条件下，中值滤波可以克服线性滤波器带来的图像细节模糊问题，而且对滤波脉冲干扰和图像噪声具有抑制作用。
中值滤波一般采用一个含有奇数个点的滑动窗口，将窗口中各点象素值的中值来替代指定的窗口中心点的象素值。对于奇数个元素，中值是指按大小排序后，中间的数值；对于偶数个元素，中值是指排序后中间两个元素灰度值的平均值。
这里，中值滤波需要对RGB三种颜色分别进行中值滤波，得到一个新的低通滤波处理后的图像。
图像特征分析，数学期望刻画了随机变量的平均均值，方差刻画了随机变量的取值对于其数学期望的离散程度，设随机变量X的数学期望E(X)存在，则函数[(X-E(X))]2的数学期望为X的方差，定义为D(x)＝E[X-E(X)]2具体计算公式D(x)=Σk=1n[xk-E(X)]2p(xk)]]>P(Xk)为随机变量X的密度函数，这样通过计算图像的方差值，可以有效的预测和判断图像特征进行判断，有利于使用拉伸方法对图像的对比度进行改进。
方差的计算需要较多的运算时间，对于彩色图像RGB而言，需要分别进行单独的三次处理，因此计算的复杂度直接关系到整个方法的计算速度。
根据图像增强的实践经验，在实际计算中并不需要计算全部的三种颜色的方差，而只是对红色和蓝色计算方差，然后取两者的平均值作为绿色的方差，可以达到分别计算三种颜色非常近似的拉伸效果。
M-Q拉伸算法即上述的RGB色彩拉伸方法，该方法弥补了线性拉伸方法的不足之处，可以同时对图像的高低色彩进行扩展，或对给定的色彩范围进行扩展。
这种方法是基于对图像方差和均值基础上的非线性拉伸。具体表达式为yi=A......................xi≤xm-2σ(B-A)×(xi-xm+2σ4σ)n+A..........xm-2σ<xi<xm+2σB......................xi≥xm+2σ]]>式中xm是图像的均值，σ是方差；[A，B]是目标图像的色彩范围，yi∈[A，B]；[a，b]是源图像的色彩范围，xi∈[a，b]；n是可改变的正数。
当n＜1时，对图像低色彩范围拉伸当n＞1时，对图像高色彩范围拉伸当n＝1时，对图像进行线性扩展这种算法的优点不仅在于具有非线性拉伸的灵活行和可选择性，还在于由于计算了图像的均值和方差，使该算法能够根据色彩值距均值的远近来决定扩展的倍数。由于图像中绝大部分的象素值在xm-2σ到xm+2σ之间，所以对超出这个范围的色彩区进行了压缩。
因此，该方案的特点在于结合图像的均值和方差对R、G、B三种彩色分量分别进行色彩拉伸来实现图像增强，而采用的是快速算法。
权利要求
1.一种彩色图像增强方法，其特征在于步骤依次为(1)对输入图像的色彩表达格式采用RGB的格式；(2)对输入图像信号进行低通滤波以输出一低通滤波过的图像信号；(3)接着对所获得的低通滤波过的图像信号计算图像均值和方差；(4)再对低通滤波过的图像信号的RGB颜色变量进行直方图拉伸处理；(5)最后得到输出增强后的图像。
2.根据权利要求1所述的彩色图像增强方法，其特征在于所述的色彩表达格式采用RGB24的格式，如果源图像的格式是RGB16格式，进行RGB格式转换，转换成RGB24的格式。
3.根据权利要求2所述的彩色图像增强方法，其特征在于所述的输出增强后的图像采用RGB24的格式，如果硬件适合RGB16的格式，则转换成RGB16的格式后，再得到输出增强后的图像。
4.根据权利要求2或3所述的彩色图像增强方法，其特征在于所述的转换成RGB24的格式方法为将源图像的颜色分量与0xF800作“与”操作后，再向右移位15位的右移操作，将新的数字赋值于新图像的红颜色分量；将源图像的颜色分量与0x07E0作“与”操作后，再向右移位6位的右移操作，将新的数字赋值于新图像的绿颜色分量；将源图像的颜色分量与0x0x01F作“与”操作后，再向左移位10位的左移操作，将新的数字赋值于新图像的蓝颜色分量。
5.根据权利要求4所述的彩色图像增强方法，其特征在于所述的转换成RGB16的格式方法为将新图像的蓝颜色分量与0xF8作“与”操作后，再向左移位8位的左移操作，得到新的数值，将新图像的绿颜色分量与0xFC作“与”操作后，再向左移位3位的左移操作，也得到新的数值；将新图像的红颜色分量与0xF8作“与”操作后，再向右移位3位的右移操作，又得到新的数值，将上述的所有数值相加后赋给获得图像的颜色分量。
6.根据权利要求5所述的彩色图像增强方法，其特征在于所述的低通滤波采用中值低通滤波方法，对RGB三种颜色分别进行中值滤波，得到一个新的低通滤波处理后的图像。
7.根据权利要求6所述的彩色图像增强方法，其特征在于所述的图像均值和方差是设随机变量X的数学期望E(X)存在，均值就为数学期望E(X)，则函数[(X-E(X))]2的数学期望为X的方差，定义为D(x)＝E[X-E(X)]2，具体计算公式D(x)=Σk=1n[xk-E(X)]2p(xk),]]>P(Xk)为随机变量X的密度函数。
8.根据权利要求7所述的彩色图像增强方法，其特征在于所述的所述的直方图拉伸处理是基于对图像方差和均值基础上的非线性拉伸，具体方法为yi=A.........................................................xi≤xm-2σ(B-A)×(xi-xm+2σ4σ)n+A..............................................xm-2σ<xi<xm+2σB...........................................................xi≥xm+2σ]]>式中xm是图像的均值，σ是方差；[A，B]是目标图像的色彩范围，yi∈[A，B]；[a，b]是源图像的色彩范围，xi∈[a，b]；n是可改变的正数；当n＜1时，对图像低色彩范围拉伸；当n＞1时，对图像高色彩范围拉伸；当n＝1时，对图像进行线性扩展。
9.根据权利要求8所述的彩色图像增强方法，其特征在于所述的直方图拉伸处理是对红色，蓝色和绿色分别计算方差。
10.根据权利要求9所述的彩色图像增强方法，其特征在于所述的直方图拉伸处理只是对红色和蓝色计算方差，然后取两者的平均值作为绿色的方差。
全文摘要
一种彩色图像增强方法，其特征在于步骤依次为对输入图像的色彩表达格式采用RGB24的格式，如果是RGB16格式，进行RGB格式转换，转换成RGB24的格式；然后对所述的输入图像信号进行低通滤波以输出一低通滤波过的图像信号；接着对所获得的低通滤波过的图像信号计算图像均值和方差；再分别对低通滤波过的图像信号的RGB颜色变量进行直方图拉伸处理；最后得到输出增强后的图像，或者转换成RGB16的格式，再得到输出增强后的图像；它用于增强图像的对比度，优化图像视觉效果，同时保持几乎一致的图像色彩保真度，在如一般的手机平台等硬件资源比较有限的环境下也能做到快速实现。
文档编号G06T5/40GK1892697SQ20051005063
公开日2007年1月10日 申请日期2005年7月8日 优先权日2005年7月8日
发明者薛全, 王世杰, 黄美成 申请人:杭州波导软件有限公司