采用低通滤波和直方图均衡化的图像增强方法及其装置

1.一种图像增强方法，该方法通过对由一预定数量灰度级所表示的图像 信号进行直方图均衡化来实现，包括以下步骤：
(a)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；
(b)对低通滤波过的信号进行直方图均衡化以输出一对比度增强的信 号；
(c)从输入图像信号中减去低通滤波过的信号；以及
(d)通过将在所述步骤(c)中被减的值与该对比度得到增强的信号相加来 产生一信号并输出该信号，其中该输出信号和对比度增强的信号之间的差等 于输入图像信号和低通滤波过的信号之间的差。
2.如权利要求1所述的图像增强方法，其中，所述步骤(b)包括以下步 骤：
以一个图像单元计算表示在低通滤波过的信号中灰度级分布的概率密 度函数；
根据该概率密度函数计算累积密度函数；以及
根据累积密度函数将低通滤波过的信号映射到一灰度级。
3.一种图像增强装置，该装置通过对由一预定数目的灰度级所表示的图 像信号进行直方图均衡化来实现，包括：
低通滤波装置，用于对输入图像信号进行低通滤波并输出低通滤波过的 信号；
直方图均衡装置，用于对低通滤波过的信号进行直方图均衡化，并输出 一对比度增强的信号；
检测装置，用于检测输入信号和低通滤波过的信号之间的差；以及
输出装置，用于将所检测到的差值加到对比度增强信号上以输出加得的 结果作为输出信号，其中该输出信号和对比度增强的信号之间的差等于输入 图像信号和低通滤波过的信号之间的差。
4.如权利要求3所述的图像增强装置，其中所述直方图均衡装置包括：
第一计算装置，用于接收低通滤波过的信号并以一个图像单元计算表示 在低通滤波过的信号中灰度级分布的概率密度函数；
第二计算装置，用于根据概率分布函数计算累积密度函数；以及
映射装置，用于根据累积密度函数值将低通滤波过的信号映射到一个灰 度级。
5.如权利要求4所述的图像增强装置，进一步包括一图像存储器，用于 将低通滤波过的信号延迟一帧，以输出与所述第二计算装置输出的累积密度 函数处于同一帧中的信号。
6.如权利要求4所述的图像增强装置，进一步包括一缓冲器，用于以图 像单元存储由所述第二计算装置计算的累积密度函数值；响应同步信号来更 新所存储的值；以及将以前存为一帧的累积密度函数输出到所述映射装置。

本发明涉及一种图像增强方法及其装置，更具体地说涉及一种增强图像 对比度但又不会增加噪声的图像增强方法及适用于该方法的装置。
灰度级直方图描述了一个图像的整体外貌。适当调节一给定图像的灰度 级能增强该图像的外貌或对比度。
在众多对比度增强的方法中，最广为人知的是直方图均衡化，其中根据 其采样分布来增强一给定图像的对比度。该方法公开于下列文献：[1]在 Prentice Hall，Englewood cliffs，New Jersey，1990上由J.S.Lim所著的″二 维信号和图象处理(Two-dimensional Signal and Image Processing)，″以及[2] 在Addison-Wesley，Reading，Massachusetts.1977上由R.C.Gonzalez和 P.wints所著的″数字图象处理(Digital Image Processing)″。
另外，直方图均衡化方法在医学图像处理和雷达图像处理方面的有效应 用在下列文献中公开：[3]在IEEE Tr.on Medical Imaging，PP.304-312，Dec. 1988上由J.Zimmerman，S.Pizer，E.staab，E.perry，W.Mc Carteney和 B.Brenton所著的″对比度的自适应直方图均衡化的效果评估(Evaluation of the Effectiveness of Adaptive Histogram Equalization for Contrast Enhancement)″和[4]在Proc.of the SPIE，PP.513-514，vol.2321，1994上由 Y.Li，W.Wang和D.Y.Yu所著的″自适应直方图均衡化的X光胸图应用 (Application of Adaptive Histogram Equalization to x-ray chest Image)″。
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。然而，这种广 为人知的直方图均衡化方法的特性在一些实际应用中会产生问题。即，由于 是通过扩展动态范围来增强对比度的，所以通过均衡化同时也增加了背景噪 声。于是，在具有恒定电平的区域中，均衡化会使图像质量下降。
为解决上述问题，本发明的一个目的就是提供一种图像增强方法，用于 增强包括高斯噪声的图像的对比度，同时通过对输入图像进行低通滤波以及 对低通滤波后的信号进行直方图均衡化来防止噪声的增加。
本发明的另一目的是提供一种图像增强装置，用于增强包括高斯噪声的 图像的对比度同时通过对输入图像进行低通滤波以及对低通滤波过的信号进 行直方图均衡化来防止噪声的增加。
为实现上述目的之一，提供了一种通过对图像信号(该图像信号由预定数 目的灰度级表示)进行直方图均衡化的图像增强方法，包括以下步骤：(a)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；(b)对低通滤波过的信 号进行直方图均衡化以输出一对比度得到增强的信号；(c)从输入图像信号中 减去低通滤波过的信号；以及(d)通过将在步骤(c)中被减的值与对比度增强的 信号相加来产生一信号并输出该信号。
为实现上述另一目的，提供了一种对图像信号(该图像信号由预定数目的 灰度级表示)进行直方图均衡化的图像增强装置，包括：低通滤波装置，用于 对输入图像信号进行低通滤波并输出低通滤波过的信号；直方图均衡化装 置，用于对低通滤波过的信号进行直方图均衡化并输出一对比度得到增强的 信号；检测装置，用于检测输入信号和低通滤波过的信号之间的差别；以及 输出装置，用于将检测到的差值与对比度得到增强的信号相加以输出该相加 结果作为输出信号。
通过参照附图和对本发明的优选实施例的详细描述，本发明的上述目的 和优点将变得更加明了，其中：
图1是根据本发明采用低通滤波和直方图均衡化的图像增强装置的方框 图；
图2是根据本发明的一实施例的图1中图像增强装置的详细方框图。
首先，描述根据本发明的图像质量改善方法。
假定{Y(i，j)}表示由L个灰度级{X0，X1，…XL-1}所构成的一输入 图像，且{A(i，j)}表示输入图像{Y(i，j)}的经过低通滤波的图像信号。
再者，假定Aeq(i，j)表示一低通滤波过的图像信号(以下称为“改善的信 号”)，采用直方图均衡化该信号的对比度与输入图像{Y(i，j)}相比得到改 善，且YH(i，j)表示一最终输出信号。
这里，采用直方图均衡化的对比度改善方法涉及典型的直方图均衡技 术，其中一给定图像采样的累积密度函数(CDF)被用于转换函数。但是，本 发明的实施也可采用修改的直方图均衡化而不是典型的直方图均衡化方法。
最终的输出信号YH(i，j)通过从输入信号Y(i，j)中减去低通滤波过的信号 A(i，j)且将此结果与改善的信号Aeq(i，j)相加而得到，这些可用下面的方程(1) 表示。
YH(i，j)＝Aeq(i，j)+(Y(i，j)-A(i，j))…(1)
这里，Y(i，j)-A(i，j)对应于原始输入图像信号的高频分量。
通过参看下面的方程可以很容易理解本发明的基本概念和用途，该方程 是由改变方程(1)而得到的。
YH(i，j)-Aeq(i，j)＝Y(i，j)-A(i，j)…(2)
上述方程(2)意味着最终输出信号YH(i，j)和改善的信号Aeq(i，j)之间的差 等于输入信号Y(i，j)和低通滤波过的信号之间的差。
即，两个会产生相同低通滤波过的值的不同输入采样之间的差和对应两 个输入采样的两个输出信号之间的差是一样的。
换句话说，当具有恒定信号电平的图像区域中相邻两个采样由于高斯噪 声而具有不同值时，在该两个采样的低通滤波值相等的情况下，该两个采样 间的差在本发明的输出端是保持不变的。这样，本发明在通过直方图均衡化 来改善图像的对比度时防止了噪声的增加。
众所周知，如果具有一恒定信号电平的图像信号包含高斯噪声，则可以 通过对图像信号进行低通滤波来提取该恒定信号电平。
为了作进一步详细的描述，假定输入采样Y(i，j)和Y(I′，j′)产生相同的低 通滤波值。即，A(i，j)等于A(I′，j′)这使得Aeq(i，j)等于Aeq(I′，j′)。
于是，对应于Y(i，j)和Y(I′，j)的输出信号分别在下面给出。
YH(i，j)＝Aeq(i，j)+(Y(i，j)-A(i，j))…(3)
YH(I′，j′)＝Aeq(I′，j′)+(Y(I′，j′)-A(I′，j′))…(4)
由A(i，j)等于A(I′，j′)以及Aeq(i，j)等于Aeq(I′，j′)的关系，可以得到下面的 方程，
YH(i，j)-YH(I′，j′)＝Y(i，j)-Y(I′，j′)…(5)
方程(5)表明，两个输入采样间的差等于对应的输出信号间的差。因此， 在采用直方图均衡化进行对比度增强的过程中，防止了噪声的增加。
接下来将描述一个典型的直方图均衡化算法，以利于对本发明的理解。
假设给定的输入图像{A(i，j)}由L个离散灰度级{X0，X1…XL-1}组 成，其中X0＝0表示黑级，X0＝1表示白级。{A(i，j)}的概率密度函数(PDF) 定义如下： $P\left(X_k\right)=\frac{n_k}{n}---\left(6\right)$
这里P(Xk)是在输入图像{A(i，j)}中第k个灰度级Xk出现的概率，nk 表示在输入图像{A(i，j)}中灰度级Xk出现的次数，n表示{A(i，j)}中总 的采样数。
另外，累积密度函数(CDF)定义如下 $C\left(X_k\right)=\underset{j=0}{\overset{k}{\Sigma }}P\left(X_j\right)---\left(7\right)$
根据累积密度函数，对应给定输入信号A(i，j)的典型的直方图均衡化输 出Aeq(i，j)由如下方程给出
Aeq(i，j)＝c(A(i，j))XL-1              …(8)
这里，A(i，j)∈{X0，X1，…XL-1}
现在参照图1和2描述根据本发明采用低通滤波和直方图均衡化的图像 增强装置的优选实施例。
参照图1，低通滤波器100接收输入信号Y(i，j)并对这种信号进行低通 滤波以输出一低通滤波过的信号A(i，j)。
直方图均衡器200对低通滤波器100输出的低通滤波过的信号A(i，j)进 行均衡，由此增强低通滤波过的信号的图像对比度。
减法器300从输入信号Y(i，j)中减去由低通滤波器100输出的低通滤波 过的信号A(i，j)。加法器400将由直方图均衡器200输出的改善的信号Aeq(i， j)加到减法器300的输出上，并输出由方程(1)所表示的最终输出信号YH(i，j)。
图2为在图1所示的装置的详细方框图。其中运用了一典型的直方图均 衡化方法。在图2中，和图1类似的部件由相同的数字表示，将重点描述直 方图均衡器200。
直方图均衡器200包括帧直方图计算器210、CDF计算器220、CDF 存储器230以及一映射器(mapper)240。
帧直方图计算器210接收在图像单元中由低通滤波器100输出的低通滤 波过的信号A(i，j)(也可由Xk表示)，且根据公式(6)通过图像单元计算表示在 低通滤波过的信号Xk中灰度级分布的概率密度函数P(Xk)。在本实施例中， 采用一帧作为图像单元。但是，也可以采用一场作为图像单元。
CDF计算器220接收由帧直方图计算器210输出的概率密度函数P(Xk) 并根据方程(7)计算累积密度函数c(Xk)。
CDF存储器230以一帧为单元存储由CDF计算器220所计算的累积密 度函数C(Xk)；以及，输出对应于以前存储在一帧中的输入采样Xk的累积密 度函数值C(Xk)。这里，当图像单元是一场时采用场同步信号作为同步信号 SYNC，而当图像单元是一帧时采用帧同步信号作为同步信号SYNC。CDF 存储器230还用作缓冲器。
映射器240从CDF存储器230读出累积密度函数值c(Xk)，该值对应于 由低通滤波器100所输出的低通滤波过的信号Xk，但被延迟一帧，且映射器 240根据方程(8)将低通滤波过的信号Xk映射到从X0到Xm之间的一个灰度 级。
帧存储器还可包括在直方图均衡器200中，用于将低通滤波器100输出 的低通滤波过的信号Xk延迟一帧，从而将一信号输入到映射器240，该信号 和CDF计算器220所输出的累积密度函数值处于同一帧中。
本发明可以应用在许多有关改进图像信号质量的领域，诸如广播设备、 雷达信号处理、医学工程以及家用电子。
如上所述，本发明对输入信号进行低通滤波并对低通滤波过的信号进行 直方图均衡化，从而在防止增加噪声的同时改善了图像对比度。