專利名稱：基于廣義均衡模型的畫質增強方法
技術領域：
本發明涉及的是一種圖像和視頻處理技術領域的畫質增強方法，具體是一種基于廣義均衡模型的畫質增強方法。
背景技術：
電影藝術是人類文化的重要體現和人類文明的寶貴財富。有義務盡力去保護并傳承優秀的電影作品。電影的數字化就是其中最主要的保護方式。傳統電影以膠片的形式保存，對保存環境的要求較苛刻。隨著環境的溫度和濕度變化，膠片上的化學涂層會出現氧化現象，導致亮度和色彩失真，嚴重的還會出現霉斑。此外，膠片電影會隨著播放次數的增長出現劃痕，色彩退化的現象。相比傳統的電影膠片，數字化的電影作品，具有便于攜帶，便于網絡傳播，存儲方式對環境變化不明感，可大量反復播放等優點，極大地延長了電影的壽命。但是對于年代久遠的電影作品，其膠片上已經出現了上述退化現象。所以在數字化之后，還要對其進行進一步修復。在所有的修復工作中，對于退化圖像的畫質增強一直是一個難點。畫質增強包括圖像對比度的增強與色調的均衡兩個方面。目前常用的方法是采用簡單的直方圖均衡算法對圖像的RGB三通道或者亮度通道進行校正。例如kong-Taeg Kim在《IEEE Transactions on Consumer Electronics))(電氣與電子工程師協會消費電子類期刊)第43卷第1 期白勺第 1 頁至第 8 頁發表白勺"Contrast enhancement using brightness preserving bi-histogram equalization”就是這種方法的代表。這種方法的自動化程度高，但是由于缺乏嚴格的對比度定義，造成這種方法在實際過程中往往造成調制過度。更糟糕的是，直方圖均衡方法本質上是針對對比度增強的方法，在調整對比度的同時往往不能很好的兼顧色調的均衡。另一種方法是在RGB三通道上由人工進行校正。這種方法得到的結果符合人的主觀感受，效果好，但是勞動力成本很高。目前，老電影的對比度和色度增強基本由人工完成，采用一種自動化程度更高但是效果不遜色于人工增強的系統將極大地減少人工的工作量，節約成本。上述的兩種方法都存在缺乏理論依據，沒有良好模型作為基礎的缺點。為了更好的進行圖像畫質增強，本發明提出一種廣義均衡模型。在模型中，針對對比度，色調失真以及色調失真的非線性度建立了嚴格的數學定義。以此為依據，將畫質增強問題劃歸為一個對比度最優化問題。

發明內容
本發明針對現有技術存在的上述不足，提供一種基于廣義均衡模型的畫質增強方法，該方法根據廣義均衡模型中對對比度，色調失真以及色調失真的非線性度的定義，以最優化為基礎進行畫質增強。本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括以下步驟第一步、讀取一幅圖像或視頻中的某一幀，記為I。計算I的直方圖H。
第二步、對直方圖H進行預處理，得到新的直方圖H'。
第三步、對直方圖H'進行基于廣義均衡模型的最優化，得到優化后的直方圖互。
第四步、驗證色調失真的非線性度，若非線性程度過高，調整參數后返回第三步。 否則進行第五步。
第五步、完成#到圖像的映射，得到增強后的圖像7。
所述預處理，是指如下過程。對于直方圖H = [Pl，p2, ... , Pn]，將其劃分為凡= [P1, P2, ... , Pn72]和 Hh = [pn/2+1, Pn72t2, ... , Pn]兩部分。其中 Hl 對應低亮度區，Hh 對應高亮度區。對于^中元素，按順序進行如下操作如果Pi < T1, pi+1 = Pi+1+Pi, Pi = 0。對于 Hh中元素，按逆序進行如下操作如果Pi < T1, = Pg+Pi，Pi = 0。經過上述運算，得到新的直方圖H'。所述參數T1是一個自適應閾值。
所述廣義均衡模型，是指，對于直方圖H'對應的向量，找出非零元素[Pi，P2，...， ρκ]，κ表示非零元素的個數，以及非零元素對應的灰度級向量[Xl，&，...，&]。對于此灰度級向量，定義直方圖向量非零元素的間距向量為S= [si; S2,..., Sj0其中
S1 = X1,
Si = Xi-XH, i = 2, ... ,K
然后根據上述向量，定義圖像的對比度為如下函數
權利要求
1.一種基于廣義均衡模型的畫質增強方法，其特征在于，包括以下步驟第一步、讀取一幅圖像或視頻中的某一幀，記為I，計算I的直方圖H;第二步、對直方圖H進行預處理，得到新的直方圖H'；第三步、對直方圖H'進行基于廣義均衡模型的最優化，得到優化后的直方圖ih第四步、驗證色調失真的非線性度，若非線性程度過高，調整參數后返回第三步，否則進行第五步；第五步、完成互到圖像的映射，得到增強后的圖像 、以上第三步中，所述廣義均衡模型，是指對于直方圖H'對應的向量，找出非零元素 [Pl，p2，...，Ρκ]，K表示非零元素的個數，以及非零元素對應的灰度級向量[Xl，&，...， ]； 對于此灰度級向量，定義直方圖向量非零元素的間距向量為S = [S1, s2, ... , sK]；其中sI — xI'Si = Xi-X^1, ι = 2 j · · · j K然后根據上述向量，定義圖像的對比度為如下函數
2.根據權利要求1所述的基于廣義均衡模型的畫質增強方法，其特征是，第一步中，所述的計算I的直方圖H，是指計算I中對應灰度級的像素出現的次數，形成I中像素值在整個亮度動態范圍內的分布；其中直方圖記為一個向量H= [ρι，ρ2，，...，ρη]；該向量滿足Pi = #{(X, y) I Ioi.y) = XiI ；其中Xi表示任意灰度級；#{(x，y) |l(x,y) = xj表示I中亮度等于Xi的像素所組成的集合中元素的個數；I(x,y)表示位于坐標(χ，y)處像素的亮度值；將此集合記為\ = {(χ, y) |l(x,y) = xj ；所述亮度動態范圍是指由I中像素值的比特位數確定的所有可能的亮度值出現的范圍；若像素值為一個k比特數，則動態范圍為0到2k-l ；對于灰度圖，只需對I的亮度通道計算直方圖H ；對于彩色圖，需要分別對RGB三個通道計算出三個直方圖H。，c = R,G, B。
3.根據權利要求1所述的基于廣義均衡模型的畫質增強方法，其特征是，第二步中，所述預處理，是指如下過程對于直方圖 H = [Pl，p2, ... , Pn]，將其劃分為 Hl = [Pl，p2, ... , pn/2]和 Hh = [pn/2+1, Pn/2+2，...，pn]兩部分，其中^對應低亮度區，Hh對應高亮度區；對于凡中元素，按順序進行如下操作如果Pi < T1, pi+1 = Pi+1+Pi, Pi = 0 ；對于Hh中元素，按逆序進行如下操作如果 Pi < T1, = Pg+Pi，Pi = 0 ；經過上述運算，得到新的直方圖H'；所述參數T1是一個自適應閾值。
4.根據權利要求1-3任一項所述的基于廣義均衡模型的畫質增強方法，其特征是，第三步中，所述最優化調整，是指通過求解如下凸優化問題，得到一個的間距向量犮
5.根據權利要求1所述的基于廣義均衡模型的畫質增強方法，其特征是，第四步中，所述色調失真是指如下定義對于調整后得到的間距向量云，計算它與原有間距向量S之間的殘差向量；定義其絕對值的加權平均值為色調失真/χ無習；
6.根據權利要求1或5所述的基于廣義均衡模型的畫質增強方法，其特征是，第四步中，所述色調失真非線性度是指如下定義對于殘差向量
7.根據權利要求1或5所述的基于廣義均衡模型的畫質增強方法，其特征是，第四步中，所述若非線性程度過高，則調整參數后返回第三步是指如下過程若NL > T2，則對參數 q進行衰減，用衰減后的qnew替換q，再次對第三步所述凸優化問題進行求解，得到新的間距向量互；所述T2為判斷非線性度是否過高的閾值。
8.根據權利要求1所述的基于廣義均衡模型的畫質增強方法，其特征是，第五步中，所述#到圖像的映射是指如下過程對于直方圖H'對應的向量，找出非零元素[Pl，p2，. . .，Ρκ]，K表示非零元素的個數，以及非零元素對應的灰度級向量[Xl，X2, ... , ，得到K個集合，記為& = {(x, y) |l(x,y)= Xi}，i = 1，. . .，K ；得到新的間距向量歹，構造如下新的映射關系對于原始圖像I中任意一點(χ，y)，如果(χ，y) e Xi，則增強結果/中
全文摘要
本發明公開一種基于廣義均衡模型的畫質增強方法，步驟第一步、讀取一幅圖像或視頻中的某一幀，記為I，計算I的直方圖H。第二步、對直方圖H進行預處理，得到新的直方圖H′。第三步、對直方圖H′進行基于廣義均衡模型的最優化，得到優化后的直方圖第四步、驗證色調失真的非線性度，若非線性程度過高，調整參數后返回第三步。否則進行第五步。第五步、完成到圖像的映射，得到增強后的圖像本發明采用了更加合理的廣義均衡模型，給出了更加靈活和嚴格的對比度增強的目標函數。并通過約束對比度增強造成的色調失真的非線性度，使得對比度增強的同時，色調得到了均衡。本發明增加了畫質增強的適用范圍和靈活度，得到了更好的畫質增強效果。
文檔編號G06T5/00GK102542536SQ20111036715
公開日2012年7月4日 申請日期2011年11月18日 優先權日2011年11月18日
發明者楊小康, 翟廣濤, 許洪騰 申請人:上海交通大學