CN101019414A - 增强视频信号锐度的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于修改输入图像(101)以便产生输出图像(102)的方法和系统，所述方法包括以下步骤：把所述输入图像(101)分解(103)成粗糙图像(104)和精细图像(105)；增强(106)所述粗糙图像(104)的锐度以便产生中间锐度增强图像(107)；组合(108)所述中间锐度增强图像(107)与所述精细图像(105)以便产生所述输出图像(102)。

Description

增强视频信号锐度的方法和系统
发明领域
本发明涉及一种增强视频信号锐度的方法和系统。
本发明可以用在例如视频处理的领域中。
发明背景
改善图像质量已经成为诸如电视机之类的视频产品中的重要问题。如果提高了限定所述视频的输入图像的锐度，则图像质量尤其在感知方面会得到改进。已知有多种解决方案用来提高视频信号的锐度。
第一种解决方案在于借助应用于所有连续图像的滤波器来增强输入图像的锐度。由于输入图像可能还包含噪声分量(例如模拟白噪声或者由在前的块编码和解码操作造成的数字伪像)，因此噪声成分也被增强，以至对所得到的输出图像的总体图像质量造成损害。
第二种解决方案不仅在于借助应用于所有连续图像的滤波器来增强输入图像的锐度，而且还在于依照在所述输入图像中检测到的噪声分量级来适配增强程度。如果噪声分量级较低，则所得到的输出图像的锐度被大大提高。反之，如果噪声分量级较高，则所述滤波器被关断(或被调低)以避免增强噪声分量，但是在这种情况下，所得到的输出图像的锐度不幸地接近于输入图像的锐度。所述第二种方法因此有这样的局限性：在处理噪声过多的输入图像时，该方法效率不高。
发明目的和概要
本发明的一个目的是提出一种增强视频信号锐度的方法，该方法抗噪声能力强。
为此，根据本发明的方法提出修改输入图像来产生输出图像。所述方法包括以下步骤：
-把所述输入图像分解成粗糙图像和精细图像；
-增强所述粗糙图像的锐度以便产生中间锐度增强图像；
-组合所述中间锐度增强图像与所述精细图像以便产生所述输出图像。
本方法基于如下假设：输入图像被定义为信号分量和噪声分量的总和，信号分量具有低频频谱，噪声分量具有高频频谱。因此，输入图像中的将被增强的频谱部分处于低频，而输入图像中的不需增强的频谱部分处于高频。
所述分解步骤允许产生两类图像：具有低频频谱的粗糙图像和具有高频频谱的精细图像。这一分解允许对主要包含信号分量的粗糙图像进行选择性增强。对具有低频频谱的图像执行锐度增强比起对具有高频频谱的图像进行锐度增强得到更好的结果。
由于不管输入图像中的噪声级如何在所得到的输出图像中的噪声分量都没有被增强，因此本方法抗噪声能力强。在组合之后，所得到的输出图像仍然具有接近于输入图像的噪声分量，但是总体图像质量却得到改进，因为信号分量的锐度已经得到了增强。
所述分解步骤优选地包括以下步骤：
-对所述输入图像进行低通滤波以便产生所述粗糙图像；
-从所述输入图像中减去所述粗糙图像以便产生所述精细图像。
减法步骤的运用能够实现对输入图像的完美分解，而不会丢失任何数据信息。而且，这样还会导致成本效率高的解决方案。
所述低通滤波步骤优选地自适应于从所述输入图像导出的第一噪声信号。
对应于信号分量的低频频谱与对应于噪声分量的高频频谱之间的界限是自适应地并且精确地定义的。这样允许与输入图像中的噪声级无关地对信号分量的整个频谱应用锐度增强，最终得到锐度提高的输出图像。
所述增强步骤优选地自适应于从所述输入图像中导出的第二噪声信号。
这样能够使锐度增强适配于输入图像的噪声级，例如，当噪声级高时使用更加强烈的锐度增强，当噪声级低时使用较轻微的锐度增强。
所述低通滤波步骤和增强步骤优选地自适应于从所述输入图像中导出的噪声信号。
这样能够实现与输入图像中的噪声级无关地对信号分量的整体频谱应用锐度增强，并且使锐度增强适配于输入图像的噪声级，结果得到锐度提高的输出图像。
本发明还有一个目的是提供一种用于增强视频信号锐度的系统，该系统抗噪声能力强并且包括用于实现按照本发明的方法的各个步骤的处理装置。
下面将给出对本发明的详细解释和其它方面。
附图简述
现在将参照下文中介绍的并且结合附图考虑的实施例来解释说明本发明的具体方面，在附图中，相同的部件或子步骤以相同的方式标注。
图1图示了按照本发明的方法的总体配置；
图2图示了按照本发明的方法的详细配置；
图3以举例的方式图解说明了图像的锐度增强；以及
图4图示了按照本发明的方法的优选配置。
发明的具体描述
图1图示了按照本发明对输入图像101进行修改以产生输出图像102的方法的总体配置。
该方法包括把所述输入图像101分解成粗糙图像104和精细图像105的步骤103。粗糙图像104的频谱对应于输入图像101的低频频谱，而精细图像105的频谱对应于输入图像101的高频频谱。
该方法还包括增强所述粗糙图像104的锐度以产生中间锐度增强图像107的步骤106。
本方法还包括组合所述中间锐度增强图像107与所述精细图像105以产生所述输出图像102的步骤108。该步骤108允许重建输出图像。
图2图示了基于图1的按照本发明对输入图像201进行修改以产生输出图像202的方法的详细配置。所述分解步骤203包括对所述输入图像201进行低通滤波(经由卷积运算)以产生所述粗糙图像204的步骤F。
在第一个例子中，所述低通滤波步骤F实现一个高斯滤波器，该高斯滤波器将被应用于构成所述粗糙图像204的像素。该线性滤波器可以由下列内核k1或k2来定义：
k 1 = 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0751 0.1238 0.0751 0.0 0.0 0.1238 0.2042 0.1238 0.0 0.0 0.0751 0.1238 0.0751 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0
k 2 = 0.0030 0.0133 0.0219 0.0133 0.0030 0.0133 0.0596 0.0983 0.0596 0.0133 0.0219 0.0983 0.1621 0.0983 0.0219 0.0133 0.0596 0.0983 0.0596 0.0133 0.0030 0.0133 0.0219 0.0133 0.0030
或者，低通滤波步骤F可以实现：
-非线性FIR滤波器(其例如具有取决于图像中的像素位置的内核，或者应用于像素块边缘的内核)；
-顺序统计滤波器(比如中值滤波器、等级顺序滤波器或形态滤波器)：其基于对多个像素值进行排序(或分级)以及根据其等级选择给定的经过排序的像素值。
所述分解步骤103还包括从所述输入图像201中减去所述粗糙图像204以产生所述精细图像205的步骤SUB。所述减法在输入图像201的像素与粗糙图像204的像素之间进行，相减的像素在图像中具有相同的坐标，并且对于两个图像的所有像素重复所述减法。
增强所述粗糙图像204的锐度的步骤206可以在于对粗糙图像204的各行和/或列的像素执行的非线性处理(在后面段落中描述)。锐度可以被视为两个平坦的或缓慢变化的数据区域之间的电平过渡。例如，通过对粗糙图像204应用梯度滤波器并且通过在所到的经过滤波的图像中检测具有最高电平的区域，检测出需加以增强的电平过渡。
所述组合步骤包括将所述中间锐度增强图像207与所述精细图像205相加以产生所述输出图像202的步骤208。
图3以举例的方式图解说明了沿着粗糙图像204的行的电平过渡的过渡信号T1。该过渡信号包括具有电平S1的第一平坦区域和具有电平S2的第二平坦区域。为了增强过渡信号T1，可以执行一组连续的处理运算。
第一处理运算是将过渡信号T1与导数滤波器DF的内核进行卷积，以便产生第一中间信号y1，该第一中间信号具有位于所述过渡的开头或末尾处的过冲，如下所示：
y1＝T1DF    (1)
其中，代表卷积运算，DF是滤波器内核，其例如具有[-0.25 0.5 -0.25]的形式。
第二处理运算是将过渡信号T1与所述第一中间信号y1的一个分数/倍数相加，以便产生第二中间信号y2，如下所示：
y2＝T1+α*y1    (2)
其中，α是系数，其例如等于1。
第三处理运算是抑制第二中间信号y2中的剩余过冲，以便产生得到增强的过渡信号T2，如下所示：
T2＝med(S1，S2，y2)    (3)
其中，med(S1，S2，y2)表示在信号S1、S2和y2的数据样本之间进行的中值运算。
图4图示了基于图2的按照本发明对输入图像201进行修改以产生输出图像202的方法的优选配置。
该配置与图2的不同之处在于，所述低通滤波步骤F自适应于从所述输入图像201导出的噪声信号S1。这样允许与包含在输入图像201中的噪声级无关地产生与信号分量相对应的粗糙图像204。例如，所述滤波器内核可以依照信号S1所携带的噪声级而改变。
输入图像201中的噪声级σ越高，所述低通滤波器的截止频率就必须走越低。可以做出以下决定：将前面定义的第一内核k1用于低噪声级σ1，而将前面定义的第二内核k2用于高噪声级σ2。
或者，在通过依赖于噪声级σ的函数(f1，f2，...)来定义内核k的每个系数时，所述滤波器系数可以自适应于在输入图像201中检测到的噪声级σ，如下所示：
k = f 1 ( σ ) f 2 ( σ ) f 3 ( σ ) f 4 ( σ ) f 5 ( σ ) f 6 ( σ ) f 7 ( σ ) f 8 ( σ ) f 9 ( σ ) - - - ( 4 )
函数(f1，f2...f9)例如是从基本实验导出的。
这种配置与图2的不同之处还在于，增强步骤206还自适应于从所述输入图像201中导出的噪声信号S2。这样允许与包含在输入图像201中的噪声级无关地产生具有优化的锐度的中间增强图像207。例如，可以通过引入依赖于噪声级σ的系数α来修改关系式(2)，如下所示：
y2＝T1+α(σ)*y1    (5)
输入图像201中的噪声级σ越高，α就必须越大。例如，α与σ之间可以建立线性关系。
应当注意的是，所述滤波步骤F和增强步骤206不必同时自适应于噪声级σ，并且对于噪声级σ的适配可以仅涉及这两个步骤的其中之一。
输入图像201中的噪声级σ通过步骤DET测量。该步骤产生与所述噪声级σ成比例的第一和第二信号S1和S2(这两个信号可以是相同的)。例如，噪声级σ可以通过本领域技术人员熟知的任何算法导出。例如，这种信号可以反映模拟噪声量度(例如在使用基于频谱的算法时)和/或数字噪声量度(例如在使用块状效应检测器测量8*8像素块或16*16像素块的外围的活动时)。
按照本发明的方法可以实现在用于修改输入图像101以便产生输出图像102的系统中。该系统包括用于实现前面描述的按照本发明的方法的各个步骤的处理装置。具体来说，该系统包括：
-用于把所述输入图像101分解成粗糙图像104和精细图像105的装置103。装置103可以包括用来接收所述输入图像101以便产生所述粗糙图像104的低通滤波器，以及用于从所述输入图像101中减去所述粗糙图像104以便产生所述精细图像105的减法装置SUB。装置103例如对应于存储在存储器中并且由信号处理器执行的代码指令(即计算机程序)。有利地，使低通滤波器系数适应于反映从所述输入图像101中导出的噪声级的信号S1。
-用于增强所述粗糙图像104的锐度以便产生中间锐度增强图像107的装置106。装置106例如对应于用来编码参照图3描述的锐度增强算法的代码指令(即计算机程序)，所述代码指令被存储在存储器中并且由信号处理器执行。有利地，使所述增强适应于反映从所述输入图像101中导出的噪声级的信号S2。
-组合所述中间锐度增强图像107与所述精细图像105以便产生所述输出图像102的装置108。装置108例如对应于存储器中并且由信号处理器执行的代码指令(即计算机程序)。
该系统可以被具体实现为电子卡以及被实现在视频设备(如电视机、视频广播设备等)中，所述视频设备用来接收所述图像101，并且分别在显示器上显示所述输出图像102或者在通信道上广播所述输出图像102。
本发明还涉及包括用于实现按照本发明的方法的各个步骤的代码指令的计算机程序。
应当注意的是，“包括”一词并不排除除了权利要求中所列出的元件和步骤之外的其它元件或步骤的存在。

Claims (12)

1.一种修改输入图像(101)以便产生输出图像(102)的方法，所述方法包括以下步骤：
-把所述输入图像(101)分解(103)成粗糙图像(104)和精细图像(105)；
-增强(106)所述粗糙图像(104)的锐度以便产生中间锐度增强图像(107)；
-组合(108)所述中间锐度增强图像(107)与所述精细图像(105)以便产生所述输出图像(102)。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述分解步骤(103)包括以下步骤：
-对所述输入图像(101)进行低通滤波(F)以便产生所述粗糙图像(104)；
-从所述输入图像(101)中减去(SUB)所述粗糙图像(104)以便产生所述精细图像(105)。
3.如权利要求2所述的方法，其中，所述低通滤波步骤(F)自适应于从所述输入图像(101)中导出的第一噪声信号(S1)。
4.如权利要求2所述的方法，其中，所述增强步骤(106)自适应于从所述输入图像(101)中导出的第二噪声信号(S2)。
5.如权利要求2所述的方法，其中，所述低通滤波步骤(F)和所述增强步骤(106)自适应于从所述输入图像(101)中导出的噪声信号(S1，S2)。
6.如权利要求3、4或5所述的方法，还包括测量所述输入图像(101)中的噪声级(σ)以便产生所述噪声信号(S1，S2)的步骤(DET)。
7.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述组合步骤(108)包括将所述中间锐度增强图像(107)与所述精细图像(105)相加以便产生所述输出图像(102)的步骤。
8.一种修改输入图像(101)以便产生输出图像(102)的系统，所述系统包括：
-用于把所述输入图像(101)分解成粗糙图像(104)和精细图像(105)的装置(103)；
-用于增强所述粗糙图像(104)的锐度以便产生中间锐度增强图像(107)的装置(106)；
-用于组合所述中间锐度增强图像(107)与所述精细图像(105)以便产生所述输出图像(102)的装置(108)。
9.如权利要求8所述的系统，其中，所述用于分解的装置(103)包括：
-低通滤波器(F)，其用于对所述输入图像(101)进行滤波以便产生所述粗糙图像(104)；
-用于从所述输入图像(101)中减去所述粗糙图像(104)以便产生所述精细图像(105)的装置(SUB)。
10.如权利要求9所述的系统，其中，所述低通滤波器(F)和/或所述用于增强的装置(106)自适应于从所述输入图像(101)中导出的噪声信号(S1，S2)。
11.一种用于修改输入图像(101)以便产生输出图像(102)的视频设备，所述视频设备包括：
-用于把所述输入图像(101)分解成粗糙图像(104)和精细图像(105)的装置(103)；
-用于增强所述粗糙图像(104)的锐度以便产生中间锐度增强图像(107)的装置(106)；
-用于组合所述中间锐度增强图像(107)与所述精细图像(105)以便产生所述输出图像(102)的装置(108)。
12.一种计算机程序，其包括用于实现如权利要求1、2、3、4、5、6或7所述的方法的各个步骤的代码指令。
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