CN100417190C

CN100417190C - 图像信号处理设备和方法

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Publication number: CN100417190C
Application number: CNB2004800002088A
Authority: CN
Inventors: 三浦悟司
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2003-02-27
Filing date: 2004-02-27
Publication date: 2008-09-03
Anticipated expiration: 2024-02-27
Also published as: US20050195333A1; WO2004077818A1; CN1698347A; TWI257252B; TW200425731A; KR20050105929A; JP3835692B2; US7545443B2; JP2004266387A

Abstract

传统的对比度控制电路存在这样的问题，即由于亮度信号的信号电平整体上移位而降低了亮度，由此引起峰值亮度的降低。在本发明中，按照需要的多少将亮度信号的直流成分移位，并且在直流成分已被移位的亮度信号上执行一定的扩展处理，以增加高亮部分的信号电平。

Description

图像信号处理设备和方法

技术领域

本发明涉及处理视频信号的设备和方法，该设备和方法优选用在例如彩色电视接收机中。

背景技术

传统地，彩色电视接收机采用有意降低亮度信号的直流成分的再现的方法来提高视在对比度(参考例如专利文献1)。

图7表示执行上述信号处理的传统对比度调整电路1的一个实例方框图，它包括平均亮度计算单元2和DC移位单元3。

在对比度调整电路1中，平均亮度计算单元2计算一个场周期或一个帧周期中所提供的亮度信号S1的平均值，并将所计算的平均值作为平均值检测信号S2发送给DC移位单元3。

DC移位单元3根据亮度信号S1的平均值将亮度信号S1的直流成分移位。也就是说，当它的平均值是“0”或全黑信号时，根据平均值检测信号S2，DC移位单元3完全再现亮度信号S1的直流成分DC，并且随着平均值变高而降低直流成分的再现率。

图8表示经上述信号处理的亮度信号的输入输出特性。在图8中，f₁表示当亮度信号S1的平均值是低时，通过改变几乎不影响平均值的图像的小区域部分的输入电平而获得的输入输出特性，而f₂表示当亮度信号S1的平均值是高时，通过改变几乎不影响平均值的图像的小区域部分的输入电平而获得的输入输出特性。

从图8可明显看到，当亮度信号S1的平均值是高时，图像有点变成全黑图像(当图8中的输入电平f₂在“0”到“a”之间时)，而图像的视在对比度看起来整体上提高了。

[专利文献1]

日本已公开专利申请No.10-271409(第3页上的图1)

但是，在上述传统的对比度调整电路1中，由于是基于其平均值将亮度信号S1的直流成分移位，从而提高视在对比度，所以，亮度信号S1的整个信号电平都被移位了，从图8明显看出，这就不希望地降低了峰值亮度(亮度信号的最大值)，

这种现象对于使用CRT(阴极射线管)作为显示单元的彩色电视接收机不是大问题，这种显示单元能特殊地使高亮度侧亮度的动态范围以及截断侧亮度的动态范围变大，但是导致了这样的问题，即对于使用了不能使高亮度侧亮度的动态范围以及截断侧亮度的动态范围变大的液晶板或等离子显示器作为显示单元的彩色电视接收机来说，则使得高亮度侧亮度恶化。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提供了处理视频信号的设备和方法，能提高图像质量，并且防止亮度恶化。

本发明的一个目的是通过提供一种处理视频信号的设备来克服上述缺点，所述设备包括：平均亮度计算单元，用于计算在预定时间段内作为所提供视频信号的亮度成分的第一亮度信号的平均值；直流成分移位处理装置，用于在所述亮度成分的所述平均值为高时，降低所述第一亮度信号的直流成分；以及扩展装置，用于执行预定的扩展处理，以便增加第二亮度信号的高亮部分的信号电平，该第二亮度信号是直流分量被降低了的第一亮度信号，所述信号电平对应于直流成分的降低量而增加。结果，所述处理视频信号的设备能有效防止第一亮度信号的高亮部分的信号电平因为直流成分的移位而降低。

上述目的还可以通过提供一种处理视频信号的方法来获得，所述方法包括：第一步骤，计算在预定时间段内作为所提供视频信号的亮度成分的第一亮度信号的平均值；第二步骤，在所述亮度成分的所述平均值为高时，降低所述第一亮度信号的直流成分；以及第三步骤，执行预定的扩展处理，以便增加第二亮度信号的高亮部分的信号电平，该第二亮度信号是其直流分量被降低了的第一亮度信号，所述信号电平对应于直流成分的降低量而增加。结果，所述处理视频信号的方法能有效地防止第一亮度信号的高亮部分的信号电平因为直流成分的移位而降低。

附图说明

图1表示采用本发明的彩色电视接收机的方框图。

图2表示采用本发明一个实施例的对比度调整电路的方框图。

图3是用于说明查找表中地址和扩展量之间关系的示图。

图4是用于说明亮度信号的信号电平和扩展量之间关系的示图。

图5是用于说明通过叠加一个叠加信号而执行DC移位的亮度信号的扩展的输入输出特性。

图6是用于说明限幅器的处理的输入输出特性。

图7表示传统的对比度调整电路的方框图。

图8说明在传统的对比度调整电路中，DC移位处理的输入输出特性。

具体实施方式

以下将参考附图对本发明的实施例进行说明。

(1)本发明的彩色电视接收机10的结构

图1表示本发明的彩色电视接收机10的方框图，由未示出的天线所接收的电视广播信号S10被发送给调谐器单元11。

调谐器单元11从所提供的电视广播信号S10中提取出由用户指定信道的视频信号S11，并将这样提取的视频信号S11发送给选择器12。

选择器12或者选择从调谐器单元11发送的视频信号S11，或者选择从外部设备，如视频磁带录像机，并通过排列在由用户指定的彩色电视接收机10后侧的外部输入终端而提供的视频信号S12，将所选择的信号发送给色度解码单元13，作为所选择的视频信号S13。

色度解码单元13将所提供的选择的视频信号S13分离成亮度信号(Y)和色度信号(C)，并对色度信号执行预定的色彩解调处理，以将所获得的视频信号S14发送给模拟/数字转换电路14。模拟/数字转换电路14对所提供的视频信号S14进行A/D转换，并将所获得的数字视频信号S15发送给选择器15。

同时，选择器15被提供了由模拟/数字转换器电路16对视频信号S16进行A/D转换所获得的数字视频信号S17，其中视频信号S16可以由外部设备，如DVD(数字多用盘)等，通过排列在彩色电视接收机10后侧的外部输入终端而提供。

按照这种方式，选择器15或者选择通过模拟/数字转换电路14从色度解码单元13发送的数字视频信号S15，或者选择在用户的指定下通过模拟/数字转换电路16从外部设备发送的数字视频信号S17，并且将所选择的信号发送给扫描转换器单元17，作为所选择的数字视频信号S18。

扫描转换器单元17对所提供的选择的数字视频信号S18执行预定的信号处理，如滤波处理，以使信号符合视频显示面板20的像素的数量，以及沿水平方向和垂直方向的同步处理等，并且，将所获得的扫描转换视频信号S19发送给图像品质调整单元18。

图像品质调整单元18对所提供的扫描转换视频信号S19执行各种预定的信号处理，以调整图像品质，如对比度调整处理，亮度调整处理等，并且执行矩阵处理以将信号转换成三原色信号红(R)、绿(G)和蓝(B)，然后，将这样获得的显示视频信号S20顺序地发送给面板驱动器19。

面板驱动器19根据所提供的显示视频信号S20驱动视频显示器面板20，所述显示器面板20可以是液晶面板或等离子显示器，以根据显示视频信号S20来将图像显示在视频显示面板20上。

这样，彩色电视接收机10在执行预定的信号处理之后，如对比度调整之后，将由用户指定信道的图像或根据从外部设备提供的视频信号的图像显示在视频显示器面板20上。

(2)对比度调整电路30的结构

以下，将说明排列在彩色电视接收机10的图像品质调整单元18中并执行对比度调整处理的对比度调整电路30的结构。

图2表示本实施例的对比度调整电路30的方框图，其中，与图7中相对应的单元用相同的参考数字表示。对比度调整电路30检测作为扫描转换视频信号S19的亮度成分的亮度信号S30的高亮部分，将具有与高亮部分的信号电平相对应的信号电平的信号叠加到亮度信号S30的相应部分(高亮部分)，其中亮度信号S30已经过DC电平移位处理(或后面将说明的DC移位亮度信号S36)，以便扩展已经过DC电平移位处理(DC移位亮度信号S36)的亮度信号S30的高亮部分，这样就可以防止由DC电平移位引起的峰值亮度的降低。

在对比度调整电路30的实际处理中，从图1中所示的扫描转换器单元17提供的扫描转换视频信号S19的亮度信号S30被发送给减法电路32，以检测排列在扩展量决定块31中的高亮部分。

同时，减法电路32被提供有参考信号S31，其信号电平(数据值)等于先保存在未示出的存储器中的预定阈值SL，作为变成亮度信号S30的高亮部分的最小要求信号电平(在此之后，称为高亮部分检测阈值SL)。然后，减法电路32顺序地从亮度信号S30中减去参考信号S31，并将这样获得的结果信号作为差值检测信号S32发送给扩展量决定单元33。

扩展量决定单元33具有非易失性存储器，如ROM(只读存储器)，其中保存了查找表，在查找表中，使差值检测信号S32的信号电平与亮度信号S30的一部分的扩展量相对应，在亮度信号S30的该部分中，差值检测信号S32达到该信号电平。

实际上，在查找表中，由于差值检测信号S32的信号电平(数据值)被设置成了地址，相对应的扩展量就被保存在非易失性存储器的地址中。

当使用信号的信号电平(数据值)作为地址而提供差值检测信号S32时，扩展量决定单元33根据查找表从非易失性存储器中读出与该信号电平相对应的扩展量，并将读出的扩展量作为扩展量决定信号S33发送给乘法电路34，以调整扩展量。

在该实施例中，在扩展量决定单元33中，信号电平(数据值)是“0”或更小的差值检测信号S32被设置成“0”。在查找表中，当差值检测信号S32的信号电平是“0”时，相对应的扩展量被设置成“0”(也就是，“0”被保存在非易失性存储器的其地址是“0”的位置)，而当差值检测信号S32的信号电平是“1”或更大时，相对应的扩展量被设置为“y”，而“y”由以下函数表达式获得，其中“x”是信号电平

y＝x² (1)

(换句话说，通过函数表达式(1)获得的“y”被保存在非易失性存储器中地址是“1”或更大的相应位置上，它们的地址被设置成“x”)，如图3中所示的。注意到对查找表执行归一化(normalization)处理，以便当差值检测信号S32的信号电平是最大(数据值是“255”)时，扩展量被设置为最大(扩展量的数据值被设置为“255”)。

因此，在该实施例中，如图4中所示，如果亮度信号S30的信号电平等于高亮部分检测阈值SL或更小，所述高亮部分检测阈值SL是参考信号S31的信号电平，那么，扩展量决定单元33就输出扩展量决定信号S33，其信号电平(数据值)是“0”，而如果亮度信号S30的信号电平大于高亮部分检测阈值SL，那么，扩展量决定单元33就输出扩展量决定信号S33，其信号电平等于亮度信号S30和参考信号S31的信号电平之差的平方。然后，将输出的扩展量决定信号S33发送给乘法电路34。

同时，乘法电路34被提供了第一增益系数信号S34，其信号电平(数据值)等于由电路设计者或用户设置来调整扩展量的预定的增益系数K₁(0≤K₁≤1)。因此，乘法电路34顺序地将扩展量决定信号S33乘以第一增益系数信号S34，并将这样获得的增益乘积扩展量决定信号S35发送给乘法电路35。

在另一方面，作为从图1所示扫描转换器单元17发送的图1所示扫描转换视频信号S19的亮度成分，亮度信号S30也被发送给包括平均亮度计算单元2和DC移位单元3的DC移位处理单元36，还被发送给调整增益产生模块37的减法电路38。

同时，DC移位处理单元36根据需要，依据亮度信号S30的平均值来移位亮度信号S30的直流成分，并将这样获得的DC移位亮度信号S36输出给减法电路38。

通过从亮度信号S30的信号电平中顺序地减去DC移位亮度信号S36的信号电平，减法电路38顺序地计算DC移位处理单元36对亮度信号S30的DC移位量，并将这样获得的结果信号作为移位量检测信号S37发送给乘法电路39。

同时，乘法电路39被提供了第二增益系数信号S38，其信号电平(数据值)等于预定的增益系数K₂(0≤K₂≤1)，该系数是电路设计者或用户将扩展量调整为DC移位量的增益。因此，乘法电路39顺序地将移位量检测信号S37乘以第二增益系数信号S38，并将所获得的结果信号发送给乘法电路35，作为调整增益信号S39。

乘法电路35顺序地将所提供的调整增益信号S39的数据值乘以增益乘积扩展量决定信号S35的数据值，以产生被最终叠加在已经过DC电平移位处理的亮度信号S30上的叠加信号S40，并将叠加信号S40发送给加法电路40。

同时，从DC移位处理单元36给加法电路40提供DC移位的亮度信号S36。这样，加法电路40顺序地将叠加信号S40的数据值加到DC移位的亮度信号S36的数据值上，以便顺序地将叠加信号S40叠加在DC移位的亮度信号S36上。然后，加法电路40产生扩展亮度信号S41，并将扩展的亮度信号S41发送给限幅器41，所述扩展亮度信号S41是将其亮度部分扩展了的DC移位的亮度信号S36，如图5中的实线所示。

限幅器41顺序地比较亮度信号S30的信号电平和扩展亮度信号S41的信号电平，其中亮度信号S30是从外部提供的，并且没有DC移位。然后，如图6中的实线所示，当扩展亮度信号S41的信号电平等于原始亮度信号S30的信号电平或更小时，限幅器41将扩展亮度信号S41发送给随后的电路作为对比度调整亮度信号S42。另一方面，当扩展亮度信号S41的信号电平大于原始亮度信号S30的信号电平时，限幅器41将原始亮度信号S30发送给随后的电路，作为对比度调整亮度信号S42。

按照这种方法，在对比度调整电路30中，基于亮度信号S30的信号电平可以执行DC移位处理，而不会降低亮度信号S30的高亮部分的值。

(3)实施例的操作和效果

在上述的结构中，对比度调整电路30产生信号电平与亮度信号S30的高亮度部分信号电平相对应的叠加信号S40，并且将叠加信号S40叠加在已经过DC电平移位处理的亮度信号S30(DC移位亮度信号S36)的相应部分或高亮部分，以便产生使对比度调整过的亮度信号S30(扩展亮度信号S41)。

因此，在对比度调整电路30中，即使亮度信号S30被DC移位了，也可以防止高亮部分值的降低，因此，能有效地防止由于亮度信号S30的DC移位而引起的峰值亮度的降低。

在这种情况下，在对比度调整电路30中，由于与所提供亮度信号S30的高亮部分相对应的扩展量是利用查找表而决定的，即使要获得复杂的扩展曲线，也能使电路结构很小。进一步，由于查找表被保存在非易失性存储器中，其内容可以容易地改变。

更进一步，在对比度调整电路30中，在调整增益产生模块37中产生的、具有与由DC移位处理单元36进行移位的亮度信号S30的DC移位量相对应的信号电平的调整增益信号S39，在乘法电路34中被乘以从扩展量决定模块31输出的增益乘积扩展量决定信号S35。这样，只有当DC移位处理单元36将亮度信号S30的直流成分移位时，才扩展从DC移位处理单元36输出的DC移位了的亮度信号S36的高亮部分，并且所得到的扩展量还可以被调整以对应于亮度信号S30的移位量，进一步提高了视在对比度。

更进一步，在对比度调整电路30中，当扩展亮度信号S41的信号电平等于原始亮度信号S30的信号电平或更小时，限幅器41发送扩展亮度信号S41，另一方面，当信号S41的信号电平大于信号S30的信号电平时，限幅器41发送原始亮度信号S30。这样，就可以防止对比度调整后亮度信号S42的信号电平超出原始亮度信号S30的信号电平，这也就可以防止图像中一部分颜色接近于白的全白图像被显示成白色。

在上述结构中，产生信号电平与亮度信号S30的高亮部分的信号电平相对应的叠加信号S40，并将叠加信号S40叠加在已经过DC电平移位处理的亮度信号S30上(DC移位亮度信号S36)，以产生对比度调整过的亮度信号S30(扩展亮度信号S41)。这样可以有效地防止由于亮度信号S30的DC移位而引起的峰值亮度的降低，可以实现提高图像品质的彩色电视接收机，同时，防止了亮度恶化。

(4)其它实施例

在上述实施例中，依据本发明处理视频信号的设备和方法被应用在彩色电视接收机中。但是，本发明并不局限于此，还可更广地应用于显示黑白图像或彩色图像如黑白电视接收机、个人电脑的监视器等各种图像显示设备中。

在上述实施例中，如图2所示，DC移位处理单元36由平均亮度计算单元2和DC移位单元3组成，其中，DC移位处理单元36是一个直流成分移位处理单元，根据需要移位所提供的亮度信号S30的直流成分。另一方面，本发明并不局限于该结构，还可以采用各种其它结构。

更进一步，在上述实施例中，扩展单元，其执行预定的扩展处理以增加其直流成分被移位的亮度信号S30或被DC移位的亮度信号S36的高亮部分信号电平，是由扩展量决定模块31、调整增益产生模块37、乘法电路35和加法电路40组成的。另一方面，本发明并不局限于该结构，可以采用各种其它的结构。例如，可以省略调整增益产生模块37。

在上述实施例中，扩展量决定模块31，其作为检测亮度信号S30的高亮部分并产生其信号电平与该高亮部分的信号电平相对应的叠加信号S40的叠加信号产生单元，是由减法电路32、扩展量决定单元33和乘法电路34组成的。另一方面，本发明并不局限于该结构。例如，可以省略乘法电路34。

在这种情况下，在上述实施例中，扩展量决定单元33决定DC移位亮度信号S36的高亮部分的扩展量，所述DC移位亮度信号S36是利用查找表使其直流成分移位的亮度信号S30。另一方面，本发明并不局限于该结构。例如，扩展量决定单元33可以根据差值检测信号S32的信号电平并通过执行计算处理，来计算和决定扩展量。

更进一步，在这种情况下，在上述实施例中，扩展量决定单元33使用查找表，在查找表中，当差值检测信号S32的信号电平是“1”或更大时，相对应的扩展量被设置为由函数表达式(1)所获得的“y”，表达式(1)中的“x”是信号电平。另一方面，本发明并不局限于该结构。例如，相对应的扩展量可以被设置为差值检测信号S32的信号电平“x”的线性函数，或者“y”的线性函数，其中“y”是利用信号电平“x”的三阶或多阶函数表达式来获得的。

注意到，本发明具有这样的优点，即在高亮部分检测阈值SL附近的图像的亮度改变可以是平滑的，同线性函数下被相关的情况相比较，差值检测信号S32的信号电平和相应扩展量在四次函数(quadratic function)下是相关的。

在上述实施例中，将叠加信号S40叠加在DC移位的亮度信号S36相应部分(高亮部分)上的叠加单元采用了加法电路。另一方面，本发明并不局限于这样的结构，可以采用各种其它的单元。

更进一步，在上述实施例中，调整增益产生块37，其作为利用DC移位处理单元36来检测亮度信号S30的直流成分移位量的移位量检测单元，是由减法电路38和乘法电路39组成的。另一方面，本发明并不局限于该结构，可以采用各种其它的结构，只要DC移位处理单元36可以检测到亮度信号S30的直流成分的移位量就行。例如，可以省略乘法电路39。

更进一步，在上述实施例中，使用了乘法电路35，它是一个乘法单元，将通过DC移位处理单元36并由调整增益产生模块37检测到的与亮度信号S30的直流成分的移位量相对应的增益乘以增益乘法扩展量决定信号S35。另一方面，本发明并不局限于此结构，可以采用各种其它的结构。

如上所述，本发明提供了一种用于处理视频信号的设备，包括：直流成分移位处理装置，依据需要将作为所提供视频信号亮度成分的第一亮度信号的直流成分移位，以及扩展装置，执行预定的扩展量处理，以便增加第二亮度信号的高亮部分的信号电平，该第二亮度信号是其直流分量被移位了的第一亮度信号。这样，就可以有效地防止由于直流成分移位而引起第一亮度信号的高亮部分的信号电平的降低。按照这种方式，就可以实现能提高图象质量的处理信号设备，同时防止亮度恶化。

更进一步，本发明提供一种处理视频信号的方法，包括第一步骤，依据需要将作为视频信号亮度成分的第一亮度信号的直流成分移位，以及第二步骤，执行预定的扩展处理，以便增加第二亮度信号的高亮部分的信号电平，该第二亮度信号是其直流分量被移位了的第一亮度信号。这样，就可以有效地防止由于直流成分移位而引起第一亮度信号的高亮部分的信号电平降低。按照这种方式，就可以实现能提高图象质量的处理信号方法，同时防止亮度恶化。

本发明不仅可以应用于彩色电视接收机，还可以应用于显示黑白图像或彩色图像如黑白电视接收机、个人电脑监视器等各种图像显示设备。

Claims

1. 一种用于处理视频信号的设备，包括：

平均亮度计算单元，用于计算在预定时间段内作为所提供视频信号的亮度成分的第一亮度信号的平均值；

直流成分移位处理装置，用于在所述亮度成分的所述平均值为高时，降低所述第一亮度信号的直流成分；

扩展装置，用于执行预定的扩展处理，以便增加第二亮度信号的高亮部分的信号电平，该第二亮度信号是直流分量被降低了的第一亮度信号，所述信号电平对应于直流成分的降低量而增加，其中所述扩展装置包括：

叠加信号产生装置，用于检测第一亮度信号的高亮部分，以产生一叠加信号，该叠加信号的信号电平与该第一亮度信号的高亮部分的信号电平相对应，

移位量检测装置，用于检测由直流成分移位处理装置降低的第一亮度信号的直流成分的降低量，

乘法装置，用于将所述叠加信号乘以与移位量检测装置检测到的降低量相对应的增益，

叠加装置，用于将由乘法装置输出的的叠加信号叠加在第二亮度信号的相应部分上；以及

限幅器，用于比较第一亮度信号的信号电平和已经过扩展处理的第二亮度信号的信号电平，并且当第二亮度信号的信号电平等于第一亮度信号的信号电平或更小时，输出第二亮度信号，而当第二亮度信号的信号电平大于第一亮度信号的信号电平时，输出第一亮度信号。

2. 如权利要求1所述的处理视频信号的设备，其中，所述叠加信号产生装置使用一查找表产生所述叠加信号，在该查找表中，基于第一亮度信号的高亮部分的信号电平，使得待产生的叠加信号的信号电平与所述高亮部分的信号电平相对应。

3. 如权利要求2所述的处理视频信号的设备，其中所述查找表被保存在非易失性存储器中。

4. 一种处理视频信号的方法，包括：

第一步骤，计算在预定时间段内作为所提供视频信号的亮度成分的第一亮度信号的平均值；

第二步骤，在所述亮度成分的所述平均值为高时，降低所述第一亮度信号的直流成分；

第三步骤，执行预定的扩展处理，以便增加第二亮度信号的高亮部分的信号电平，该第二亮度信号是其直流分量被降低了的第一亮度信号，所述信号电平对应于直流成分的降低量而增加，其中第三步骤包括：

高亮部分检测步骤，用于检测第一亮度信号的高亮部分，

叠加信号产生步骤，用于产生一叠加信号，该叠加信号的信号电平与在高亮部分检测步骤中检测的第一亮度信号的高亮部分的信号电平相对应，

移位量检测步骤，检测在第二步骤中降低的第一亮度信号的直流成分的降低量，

乘法步骤，将所述叠加信号乘以与在移位量检测步骤中检测的降低量相对应的增益，

叠加步骤，用于将在乘法步骤产生的叠加信号叠加在第二亮度信号的相应部分上；以及

第四步骤，比较第一亮度信号的信号电平和已经过扩展处理的第二亮度信号的信号电平，并且，当第二亮度信号的信号电平等于第一亮度信号的信号电平或更小时，输出第二亮度信号，而当第二亮度信号的信号电平大于第一亮度信号的信号电平时，输出第一亮度信号。

5. 如权利要求4所述的处理视频信号的方法，其中，在叠加信号产生步骤中，使用一查找表来产生叠加信号，在查找表中，依据第一亮度信号的高亮部分的信号电平，使得待产生的叠加信号的信号电平与所述高亮部分的信号电平相对应。

6. 如权利要求5所述的处理视频信号的方法，其中，查找表被保存在非易失性存储器中。