[发明专利]高感光速度噪声的消除方法及数字图像处理设备

说明书

技术领域

本发明涉及数字图像处理技术，特别涉及数字图像处理中的噪声消除技术。

背景技术

随着电荷耦合器件(Charge Coupled Device，简称“CCD”)和互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，简称“CMOS”)数字图像传感器的工艺的不断改良，数码照相正逐步取代传统的胶片照相。这一趋势不仅体现在职业的新闻记者和照相师的领域，而且也发生在普通大众的日常生活照相中。这一趋势促进了数码相机制造厂商将传统胶片照相中的一些经典技术，如高胶片感光速度(或称ISO速度，ISO为国际标准化组织(International Organization for Standardization)的英文缩写)，推广到数码照相中。

在传统胶片照相中，由国际标准化组织制定的ISO标准用于表达基于银类化合物的胶片的感光速度。在数码照相领域，ISO速度被推广用以表达数字图像传感器的感光速度。与胶片照相类似，低ISO速度的图像传感器需要更多的光入射用以曝光；在低亮度的场景下，这就需要长时间曝光。然而这往往会是获取的图像变得模糊不清，除非被拍摄的景象是完全静止的。所以提高图像传感器的ISO速度在低亮度和动态场景中是必须的。常见的数码照相中的图像传感器的ISO速度调节范围从100到1600，甚至到3200或更高，其中的ISO值每增加一倍，表明感光速度提高一倍。

通常的数字图像传感器在低亮度场景中通过提高电信号增益来提高ISO速度，传感器的感光速度提高的同时往往引入很多随机噪声；这种噪声叫做高ISO速度噪声。通常，在ISO速度提高到400以上时，高ISO速度噪声就极易出现，特别是在图像的阴影区域和大片的同质区域。高ISO速度噪声一般有如下的特点：

(1)冲激性：在低亮度和高ISO速度情况下，一些图像传感器单元因发生过饱和从而只保留了完全单一的颜色信息，这样在获取的图像中形成一些明亮的冲激性的噪点。

(2)色彩通道不均一性：通常的数字图像传感器对某些色彩通道(如蓝色)敏感度较其他色彩弱，所以对这类色彩的补偿增益会较大。在低亮度和高ISO速度情况下，这往往会引入在这些色彩通道上更多的噪点。

由于高ISO速度噪声极大的降低了图像质量，并且由于增加了无关的细节信息，提高了数字图像的后续处理(例如压缩，分割和边缘检测)的复杂性。虽然降低传感器温度可以减少高ISO速度噪声的发生(例如大型的天文照相器材就采用了外围制冷装置)，但是这种方法在便携式数码相机领域是难以实现的。所以，通过数字图像处理来消除高ISO速度就成为迫切需求

目前广泛使用的数字图像处理中的噪声消除技术有固定窗口的维纳滤波器，均值滤波器和中值滤波器等方式。然而，这些滤波器的最优性是基于信号稳态的假设的，对于一般在整幅图像甚至固定窗口内呈现暂态特性的自然图像，很可能破坏图像的高频细节部分，所以不适用。而改进过的适应性窗口的维纳滤波器虽然考虑了图像的暂态特性，但是牺牲了图像细节附近的高频噪声的消除能力，对于像高ISO速度噪声的冲激性噪声的消除能力也较弱。另外，传统的噪声消除方法总是假设噪声在(R，G，B)色彩空间是均匀分布的，这与高ISO速度噪声的特性是矛盾的，因此这些滤波器的噪声消除效果往往并不理想。传统的噪声消除方法不是难于消除特别是色度通道的高ISO速度噪声，就是对亮度通道过平滑而使图像失去部分细节。

目前还提出了一种通过混合的均值滤波器和加权中值滤波器来消除高ISO速度噪声的方法(具体请参见文献“T.Rabie，″Adaptive hybrid mean and median filtering of high-ISO long-exposure sensor noise for digital photography″，Journal of Electronic Imaging 13(2)，264-277，April2004”)，在该方法中将高ISO速度噪声假设为高斯噪声，具体实现方案简述如下：

(1)将图像由(R，G，B)色彩空间转换为(L，a，b)空间，对亮度通道(L)和色度通道(a，b)分别进行步骤(2)-(4)的操作；

(2)选择一个较为平滑的区域，计算出噪声的方差σ_n²方差，然后对每个像素进行步骤(3)-(4)操作；