CN101072333B - 胶片颗粒的产生和添加 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及图像信号中胶片颗粒的产生和添加，并且提供了用于向数字图像帧提供胶片颗粒的系统和方法。为数字视频信号产生近似传统“胶片颗粒”观感的高频噪声。通过加入相对小量的胶片颗粒噪声，可以使视频影片看起来更加自然并且更加令人类观众喜欢。数字胶片颗粒生成可以用于在压缩视频的情况下遮蔽数字视频中诸如“方块效应”和“轮廓现象”这样的不自然的平滑伪像和/或用于为任何数字视频流提供视觉增强或特技效果。数字胶片颗粒产生器能够控制颗粒大小和所要加入的胶片颗粒的数量。

Description

胶片颗粒的产生和添加
技术领域
本发明总体来讲涉及图像和视频处理，并且更具体地讲，涉及图像信号中的胶片颗粒生成。
背景技术
存储未经压缩的90分钟长的运动图片特征胶片(即电影)所需要的存储量通常为90吉比特左右。不过，DVD介质通常具有4.7吉比特的存储容量。因此，将一部完整的电影存储到单独一张DVD上需要约为20∶1的压缩率。对数据进行进一步压缩，以便将音频数据容纳在同一存储介质上。例如通过使用MPEG2压缩标准，可以实现相对较高的压缩率。不过，在解码和重放电影时，通常会看到诸如“方块效应(blockiness)”和“飞蚊噪声(mosquito noise)”这样的压缩伪像(artifact)。
本发明的增值之处及其改进之处可以通过参考下面简要概述的附图、下文中的所图示本发明实施例的详细说明及所附权利要求来获得。
发明内容
根据本发明第一方面，提供了一种为数字图像帧提供胶片颗粒的方法，包括：接收传入视频数据流的与所述数字图像帧相关联的像素；使用高通滤波器来产生独立于所述传入视频数据流的噪声值掩码，其中所述掩码代表胶片颗粒；从所述噪声值的掩码中选择条目；将所选择的条目与所接收到的像素相结合，从而将胶片颗粒加到所述数字图像帧上，以产生有颗粒感的数字图像帧。
根据本发明第二方面，提供了一种为数字图像帧提供胶片颗粒的系统，包括：输入端，该输入端配置为用来接收传入视频数据流的与所述数字图像帧相关联的像素；高通滤波器，该高通滤波器配置为用来产生独立于所述传入视频数据流的噪声值掩码，其中所述掩码代表胶片颗粒；掩码存储器，该掩码存储器配置为用来存储所述代表胶片颗粒的噪声值掩码；配置为用来从所述掩码存储器中选取条目的电路；以及配置为用来将所选择的条目与所接收到的像素相结合，从而将胶片颗粒加到数字图像帧上，以产生有颗粒感的数字图像帧的电路。
根据本发明第三方面，提供了一种为数字图像帧提供胶片颗粒的系统，包括：用于接收传入视频数据流的与所述数字图像帧相关联的像素的装置；用于使用高通滤波器来产生独立于所述传入视频数据流的噪声值掩码的装置，其中所述掩码代表胶片颗粒；用于从所述噪声值掩码中选择条目的装置；以及用于将所选择的条目与所接收到的像素相结合、从而将胶片颗粒加到所述数字图像帧上，以产生有颗粒感的数字图像帧的装置。
附图说明
图1是实例胶片颗粒产生系统的框图。
图2是实例胶片颗粒产生器和用于将胶片颗粒数据添加到传入的视频数据上的机制的框图。
图3是图解说明用于胶片颗粒产生器的掩码数据产生的实例处理步骤的流程图。
图4是图解说明用于对伪随机数据进行滤波来实现胶片颗粒产生的实例高通滤波器的频率响应的曲线图。
图5是图解说明用集成电路实现的实例视频处理电路中的胶片颗粒产生器的简化框图。
具体实施方式
在下文中的本发明的示范性实施例的详细介绍中，将对构成说明书一部分并且为了图解说明而示出的附图、可以实施本发明的具体示范性实施例进行说明。这些实施例得到了充分详细的介绍，足以使得本领域技术人员能够实施本发明，并且将会理解，可以采用其它的实施方式，并且可以进行其它的改变，而不会脱离本发明的精神或范围。因此不要从限定的角度看待下面的详细介绍，本发明的范围仅仅是由所附的权利要求限定的。
在整个说明书和权利要求书中，下列术语通篇采用这里明确关联的含义，除非上下文清楚地表明有其它含义。“一”、“一个”和“该”的含义包括多数的引用，“在...内”的含义包括“在...内”和“在...上”。术语“连接”意思指的是相连接项目之间的直接电连接，没有任何处于中间的装置。术语“耦合”意思指的是相连接项目之间的直接电连接，或者经由一个或多个无源或有源中间装置的间接相连。术语“电路”意思是耦合在一起提供所需功能的有源和/或无源的单个组件或多个组件。术语“信号”意思指的至少一个电流、电压或者数据信号。在所有的图中，相同的附图标记指代相同的部分。本发明可以具体实施在诸如2005年12月7日提交的名称为《Color Management Unit》的美国专利申请11/296,185中介绍的那样的系统中，该美国专利申请以引用的方式并入本文。
本发明致力于为数字视频信号产生接近传统“胶片颗粒”观感的高频噪声。通过加入相对小量的胶片颗粒噪声，可以使得视频看起来更加自然并且更加令人类观众喜欢。数字胶片颗粒生成可以用于在压缩视频的情况下遮蔽数字视频中诸如“方块效应”和“轮廓现象(contouring)”这样的不自然平滑伪像和/或用于为任何数字视频流提供视觉增强或特技效果。数字胶片颗粒产生器能够控制颗粒大小和所要加入的胶片颗粒的数量。
许多电影摄影师都有这样的意见：胶片会产生比数字视频在美学上更加令人喜欢的观感，即使在使用非常高分辨率的数字传感器的时候也是如此。“胶片观感”有时被描述为比数字视频的比较“生硬”的观感更加“细润柔和”。胶片的这种美学上令人喜欢的属性(至少部分地)是由随机出现、连续运动的高频胶片颗粒造成的(与数字传感器的固定像素栅格相比)。因此，产生具有“胶片颗粒”视觉属性的高频噪声可以用于屏蔽压缩视频的情况下的象“方块效应”和“轮廓现象”这样的不自然的平滑伪像。而且，简单地添加胶片颗粒状高频噪声就能够为任何数字视频流提供视觉增强或特技效果。
某些环内(in-loop)和后处理(post-processing)算法可以用来减少“方块效应”和“飞蚊噪声”。在压缩、解压缩和伪像消除的处理中，视频信号经常会失去看起来很自然的外观，取而代之可能获得“拼接状(patchy)”的外观。通过加入相对小量的胶片颗粒噪声，可以使得音频影片看起来更自然并且更加令人类观众喜欢。加入胶片颗粒噪声还能够为图像中看起来为拼接状的区域提供质地略显粗糙的观感。
图1是实例胶片颗粒产生系统的框图。胶片颗粒产生系统100包括数字视频信号源(110)、可选的MPEG方块效应和飞蚊噪声减低器(120)、可选的复用器(130)、胶片颗粒产生器(140)和最终显示装置(150)。数字视频信号源可以是用于对DVD上的经MPEG编码的数据进行解码的MPEG解码器。将解码流(具有数字格式)馈送到MPEG方块效应和飞蚊噪声减低器120。提供该MPEG噪声减低器是为了减少存在于解码流中的方块效应和飞蚊噪声伪像。然后将经过噪声减低的数据馈送到胶片颗粒产生器(140)。旁路路径表明也可以将胶片颗粒数据直接加到MPEG解码数据上。在旁路操作模式下，胶片颗粒数据仍然能够加到解码流上，这也可以起到创造遮蔽方块效应伪像的作用。
在一个实施例中，将胶片颗粒噪声加到亮度数据路径上，同时还对亮度数据路径进行MPEG噪声减低处理。为了补偿额外的处理延迟，可以据此对色度数据路径进行延时均衡(以保持例如亮度和色度信息同步)。在另一种可选的实施例中，也可以将胶片颗粒产生加到色度路径上。如图所示，进入胶片颗粒产生器140的输入因此可以包括亮度和/或色度信息。
为了帮助控制胶片颗粒产生的程度(例如使任何给定数字视频流的美学质量最佳)，可以对胶片颗粒的属性(例如颗粒的大小和需要加入的胶片颗粒量)进行控制。
图2是实例胶片颗粒产生器和用于将胶片颗粒数据加到流入Y数据(例如亮度数据)上的实例加法器的框图。胶片颗粒产生器200包括地址产生器210、存储器220、缩放器230、舍入逻辑240、求和节点250和饱和逻辑260。在各种不同的实施例中，进入胶片颗粒添加模块的传入数据可以来自MPEG噪声减低器(120)或者直接输入(110)(比如来自集成在同一系统内或者位于远程的MPEG解码器)。一开始可以借助主机处理器将胶片颗粒数据写入到存储器220中。(胶片颗粒数据的产生将在下面针对图3进行讨论。)存储器220可以是片载静态RAM，从而客户可以供应用户专用的胶片颗粒条目并且具有在以后改变这些条目的灵活性。
地址产生器210访问存储器220，以提供存储在静态RAM中的胶片颗粒数据。胶片颗粒数据可以使用大小为32×32的2D(二维)数据掩码导出。存储器中的2D掩码数据可以通过将各个传入像素映象映射到存储器中的唯一地址并且通过运行水平和垂直计数器计算地址来以1D(一维)格式存储。计数器可以响应于控制信号(hde和vde)进行循环。计算存储器220地址的公式由下列等式(1)给出：
sram_address＝32×(vcount modulo 32)+(hcount modulo 32)(1)
响应于像素位置，从存储器中选择相应的条目，并且在由缩放器230进行适当缩放之后将其在求和节点250处加到传入像素值上。静态RAM中的胶片颗粒条目可以为正或者为负，并且可以从-127变化到127。
除了来自存储器的胶片颗粒数据(提供关于胶片颗粒大小的信息)，还要使用一种机制来控制需要加入多大量的胶片颗粒噪声。为了实现这一控制，使用了一个乘法器(例如缩放器230)，该乘法器具有胶片颗粒数据作为第一输入和缩放系数作为第二输入，该缩放系数可以借助寄存器来加以程控。缩放系数的位精确度是(例如)“1.7”，从而该缩放系数包括一个整数位和七个小数位。在缩放了胶片颗粒数据之后，乘法器的输出具有9.7位的格式。该9.7位格式由限制(bounding)逻辑240通过限制转换为8.0位格式。
在求和节点250处，将经过缩放和限制的条目加到传入像素上。通过将受控制的胶片颗粒噪声(可以是正和负)加到传入Y数据(在本例中有8位精度)上，留意到了使数据的上溢和下溢不会发生。饱和(或者限幅箝位)逻辑260可以用于使不希望有的数据上溢和下溢问题最小化。
胶片颗粒数据或者掩码的产生在典型情况下是脱机处理的。所述产生可以使用诸如“Matlab”这样的可普遍得到的数学程序来实现。为了设计二维高通滤波器(hpf)的滤波器系数，在本例中使用了可在数学程序Matlab中得到某些函数。
图3是图解说明用于掩码数据产生的实例处理步骤的流程图。在步骤310中，从频率具体要求出发设计出一维滤波器。使用称为“ftrans2”的函数将该一维滤波器变换为二维系数组。下面在表1中给出了用于设计实例高通滤波器的具体要求。用户可以改变通带频率具体要求来实现不同的胶片颗粒大小。在本例中，如果空间采样频率较小，则胶片颗粒尺寸较大(如果空间采样频率较大，则胶片颗粒尺寸较小)。
表1
  参数   具体要求   单位
  空间采样频率(Fs)   512   周期数/宽度
  阻带频率(fs)   0.1*Fs   周期数/宽度
  通带频率(fp)   0.5*Fs   周期数/宽度
  通带波动(Ap)   0.01   分贝
  阻带衰减(As)   60   分贝
按照表1列出的频率具体要求，所述一维滤波器是六阶的并且总共具有七个系数。(Matlab)函数“ftrans2”用于将所述一维滤波器变换为二维圆对称滤波器。下面在表2中列出了二维圆对称滤波器的系数组出。
表2
  Hc0   Hc1   Hc2   Hc3   Hc4   Hc5   Hc6
  Vc0   -0.0003   -0.0017   -0.0042   -0.0057   -0.0042   -0.0017   -0.0003
  Vc1   -0.0017   0.0027   0.0263   0.0437   0.0263   0.0027   -0.0017
  Vc2   -0.0042   0.0263   -0.0537   -0.1685   -0.0537   0.0263   -0.0042
  Vc3   -0.0057   0.0437   -0.1685   0.5642   -0.1685   0.0437   -0.0057
  Vc4   -0.0042   0.0263   0.0537   -0.1685   -0.0537   0.0263   -00042
  Hc0   Hc1   Hc2   Hc3   Hc4   Hc5   Hc6
  Vc5   -0.0017   0.0027   0.0263   0.0437   0.0263   0.0027   -0.0017
  Vc6   -0.0003   -0.0017   -0.0042   -0.0057   -0.0042   -0.0017   -0.0003
在步骤320中，生成512字乘512字的伪随机(或“随机”)数据的二维矩阵。在步骤330中，将所述数据施加给二维滤波器(在步骤310中确定的二维滤波器)。该二维滤波器对传入数据运用高通整形函数，这将在下面在附图4中加以介绍。
图4是图解说明实例高通滤波器的频率响应(幅度响应)的曲线图。图400演示的是相对原点圆对称并且对传入数据提供高通整形函数的滤波器。具有平坦频谱的伪随机数据因此依照高通滤波器传输函数而被修改。
再次参照图3，在步骤340中，从512字乘512字的经过滤波的数据组中部选取出32字乘32字的数据条目的掩码。选取数据组中部的数据是为了使经过滤波的数据中的边界误差最小。在步骤350中，将所选择的胶片颗粒数据掩码存储到例如1024×8位静态RAM中，从而以后可以取回存储在该静态RAM中的胶片颗粒数据来与图象数据流进行组合。
图5是图解说明用集成电路实现的实例视频处理电路中的胶片颗粒产生器的简化框图。为了清楚简明，将图中的模块图示为在单独一个模块内具有不止一项功能。(在各种不同的实施例中，这些功能可以使用单独一个模块实现，或者甚至将这些功能散布在几个模块中。)此外，图中的各种不同的模块都具有旁路功能，从而可以绕过模块内的功能，以致能够绕过对于应用来说不希望有的处理。
模块510允许从例如标准清晰度视频(NTSC或者PAL)和高清晰度视频之间选择视频数据流。模块520实现彩色空间转换并且能够对视频输入流进行下采样。模块520还能够根据需要提供MPEG噪声减低。模块530可以用来提供三维高斯噪声减低并且此外还可以用来对图像帧进行去交织。模块540可以用来缩放视频信号内的图像帧和提供帧频转换。模块550可以用来进行视频信号中的边缘增强，同时还执行上采样任务。
胶片颗粒产生可以在模块560中进行，以致将胶片颗粒加到正在加以处理的视频信号的亮度部分上。模块570提供彩色处理功能，比如彩色增强和保持。模块580可以用来使送给例如具有比输出视频数据低的分辨率的显示器的输出视频数据发生颤动。模块590可以用来(如果希望的话)将与输出视频数据相关联的帧进行交织。
本发明的各种不同的实施方式都是可行的，而不会脱离本发明的思想和范围。前面的说明书、实例和数据给出了本发明的组成部分的制造和使用的完整介绍。例如，体系结构可以使用硬件、软件或者两者的组合来实现。由于可以做出本发明的很多实施方式而不会脱离本发明的思想和范围，因此本发明就在于后附的权利要求。

Claims (20)

1.一种为数字图像帧提供胶片颗粒的方法，包括：
接收传入视频数据流的与所述数字图像帧相关联的像素；
使用高通滤波器来产生独立于所述传入视频数据流的噪声值掩码，其中所述掩码代表胶片颗粒；
从所述噪声值掩码中选择条目；
将所选择的条目与所接收到的像素相结合，从而将胶片颗粒加到所述数字图像帧上，以产生有颗粒感的数字图像帧。
2.如权利要求1所述的方法，其中将所选择的条目和与所接收到的像素相关联的亮度信号相结合。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述传入视频数据流包含已经被解压缩的图像信息。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述高通滤波器是二维滤波器。
5.如权利要求4所述的方法，其中胶片颗粒的大小是通过改变所述二维滤波器的系数来加以控制的。
6.如权利要求1所述的方法，其中要被结合的胶片颗粒的量是响应于缩放系数来选择的。
7.如权利要求1所述的方法，其中结合在一起的所选择条目和所接收到的像素包括由最小阈值和最大阈值限制的值。
8.如权利要求1所述的方法，其中使用计数器来确定与所述像素的位置相关联的地址。
9.一种为数字图像帧提供胶片颗粒的系统，包括：
输入端，该输入端配置为用来接收传入视频数据流的与所述数字图像帧相关联的像素；
高通滤波器，该高通滤波器配置为用来产生独立于所述传入视频数据流的噪声值掩码，其中所述掩码代表胶片颗粒；
掩码存储器，该掩码存储器配置为用来存储所述代表胶片颗粒的噪声值掩码；
配置为用来从所述掩码存储器中选取条目的电路；以及
配置为用来将所选择的条目与所接收到的像素相结合，从而将胶片颗粒加到数字图像帧上，以产生有颗粒感的数字图像帧的电路。
10.如权利要求9所述的系统，其中所选择的条目是和与所接收到的像素相关联的亮度信号相结合的。
11.如权利要求9所述的系统，其中所述传入视频数据流包含已被解压缩的图像信息。
12.如权利要求9所述的系统，其中所述高通滤波器是二维滤波器。
13.如权利要求12所述的系统，其中胶片颗粒的大小是通过改变所述二维滤波器的系数来控制的。
14.如权利要求9所述的系统，其中要被结合的胶片颗粒的量是响应于缩放系数来选择的。
15.如权利要求9所述的系统，其中结合在一起的所选择的条目和所接收到的像素包括由最小阈值和最大阈值限制的值。
16.如权利要求9所述的系统，其中使用计数器来确定与像素位置相关联的地址。
17.一种为数字图像帧提供胶片颗粒的系统，包括：
用于接收传入视频数据流的与所述数字图像帧相关联的像素的装置；
用于使用高通滤波器来产生独立于所述传入视频数据流的噪声值掩码的装置，其中所述掩码代表胶片颗粒；
用于从所述噪声值掩码中选择条目的装置；以及
用于将所选择的条目与所接收到的像素相结合、从而将胶片颗粒加到所述数字图像帧上，以产生有颗粒感的数字图像帧的装置。
18.如权利要求17所述的系统，其中所选择的条目是和与所接收到的像素相关联的亮度信号相结合的。
19.如权利要求17所述的系统，其中所述传入视频数据流包含已被解压缩的图像信息。
20.如权利要求17所述的系统，其中所述高通滤波器是二维滤波器。
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