CN101296338A

CN101296338A - 图像缩放方法与装置

Info

Publication number: CN101296338A
Application number: CNA2008103021023A
Authority: CN
Inventors: 韩大强; 金莹
Original assignee: Sichuan Hongwei Technology Co Ltd
Current assignee: Sichuan Hongwei Technology Co Ltd
Priority date: 2008-06-11
Filing date: 2008-06-11
Publication date: 2008-10-29
Anticipated expiration: 2028-06-11
Also published as: CN100596173C

Abstract

本发明属于数字图像处理技术，提供一种基于滤波器原理结合分段函数的思想实现图像缩放的方法及装置。图像缩放方法与装置，通过确定原始图像中相邻两原始像素点的像素值的差值，判断该差值属于低频段、中频段或高频段；不同频段采用不用的缩放算法。属于低频段时，当前插值点参考最接近左/上相邻原始像素点与最接近左/下相邻原始像素点的像素值；属于中频段时，当前插值点的像素值参考从左至右/从上至下相邻4个的原始像素点的像素值；属于高频段时，当前插值点的像素值为最近邻原始像素点的像素值。本发明对于图像整个频域范围都有很好的跟踪特性，处理后的图像光滑、轮廓清晰且节省硬件资源实现电路简单。

Description

图像缩放方法与装置

技术领域

本发明属于数字图像处理技术。

背景技术

图像缩放是数字电视不可缺少的一部分，放大后的图像如何保证视觉效果显得尤为重要。常用的放大算法有最近邻插值、双线性插值、双三次插值算法。最近邻插值(nearestneighbor interpolation)是最简单的一种插值算法，但放大后的图像容易出现马赛克或锯齿现象；双线性插值(bilinear interpolation)极大地消除了锯齿现象，但会退化图像的高频部分，造成图像的模糊；双三次插值算法(Bicubic Interpolation)它是上双线性插值的改进，但算法比较复杂，参数运算量。

对原始图像进行放大是对图像插值的过程，图像缩小处理是对原始图像抽取的过程，利用滤波器原理采用内插实现图像缩放，缩放效果由滤波系数与滤波掩膜区域相应像素的卷积和决定，通过调节滤波系数滤波控制每个掩膜区域效果，最终可实现比较好的整体效果，滤波系数可固定为多组参数，以便节省传统方法中大量参数计算，大大节省硬件资源与功耗。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于滤波器原理结合分段函数的思想实现图像缩放的方法及装置。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是，图像缩放方法，包括以下步骤：

设目标图像中相邻两原始像素点之间的距离为1，再确定目标图像中相邻两新像素点之间的距离；

确定原始图像中相邻两原始像素点的像素的差值，判断该差值属于低频段、中频段或高频段；

属于低频段时，当前插值点的像素值newpix＝(1-p)×x_i+p×x_i+1；当作行缩放时，p为当前插值点与最接近左相邻原始像素点的距离，x_i为最接近左相邻原始像素点的像素值，x_i+1为最接近右相邻原始像素点的像素值；当作列缩放时，p为当前插值点与最接近上相邻原始像素点的距离；x_i+1为最接近上相邻原始像素点的像素值；x_i+1为最接近下相相邻原始像素点的像素值；

属于中频段时，当前插值点的像素值newpix＝c1×x_i-1+c2×x_i+c3×x_i+1+c4×x_i+2；c1、c2、c3、c4为滤波系数，当作行缩放时，x_i-1、x_i、x_i+1、x_i+2为从左至右与当前插值点相邻的原始像素点的像素值，当前插值点位于x_i、x_i+1对应的原始像素点之间；当作列缩放时，x_i-1、x_i、x_i+1、x_i+2为从上至下与当前插值点相邻的原始像素点的像素值，当前插值点位于x_i、x_i+1对应的原始像素点之间；属于高频段时，当前插值点的像素值newpix为最近邻原始像素点的像素值。

相邻两原始像素点的像素的差值在0至第一阈值之间，则属于低频段；相邻两原始像素点的像素值的差值在第一阈值至第二阈值之间，则属于中频段；相邻两原始像素点的像素值的差值在第二阈值至255之间，则属于高频段。所述滤波系数c1、c2、c3、c4根据当前插值点与最接近左相邻原始像素点的距离p确定；当作列缩放时，所述滤波系数c1、c2、c3、c4根据当前插值点与最接近上相邻原始像素点的距离p确定；距离p越大，滤波系数c2越小，滤波系数c3越大。

图像缩放装置，包括行缩放模块、列缩放模块、行存储器、行模块写地址控制器、列模块读地址控制器；行缩放模块、行模块写地址控制器分别与行存储器相连，行存储器分别与列模块读地址控制器、列缩放模块相连；

行缩放模块，用于确定目标图像每行中相邻两新像素点之间的距离，判断原始图像每行中相邻两原始像素点的像素值的差值属于低频段、中频段或高频段；属于低频段时，当前插值点的像素值newpix＝(1-p)×x_i+p×x_i+1；属于中频段时，当前插值点的像素值newpix＝c1×x_i-1+c2×x_i+c3×x_i+1+c4×x_i+2；属于高频段时，当前插值点的像素值newpix为该行最近邻原始像素点的像素值；其中，x_i-1、x_i、x_i+1、x_i+2为从左至右与当前插值点相邻的原始像素点的像素值，当前插值点位于x_i、x_i+1对应的原始像素点之间，p为当前插值点与最接近左相邻原始像素点的距离，x_i为最接近左相邻原始像素点的像素值，x_i+1为最接近右相邻原始像素点的像素值，c1、c2、c3、c4为滤波系数；

行模块写地址控制器，用于控制行缩放后的数据写入对应行存储器中；

行存储器，用于存放行缩放后的数据；

列模块读地址控制器，用于控制列缩放模块并行从行存储器中读出相邻4行数据进行列缩放；

列缩放模块，用于确定目标图像每列中相邻两新像素点之间的距离，判断原始图像每列中相邻两原始像素点的像素值的差值属于低频段、中频段或高频段；属于低频段时，当前插值点的像素值newpix＝(1-p)×x_i+p×x_i+1；属于中频段时，当前插值点的像素值newpix＝c1×x_i-1+c2×x_i+c3×x_i+1+c4×x_i+2；属于高频段时，当前插值点的像素值newpix为该列最近邻原始像素点的像素值；其中，x_i-1、x_i、x_i+1、x_i+2为从上至下与当前插值点相邻的原始像素点的像素值，当前插值点位于x_i、x_i+1对应的原始像素点之间，p为当前插值点与最接近上相邻原始像素点的距离，x_i+1为最接近上相邻原始像素点的像素值；x_i+1为最接近下相邻原始像素点的像素值，c1、c2、c3、c4为滤波系数。

本发明的有益效果是，对于图像整个频域范围都有很好的跟踪特性，处理后的图像光滑、轮廓清晰且节省硬件资源实现电路简单。

附图说明

图1为图像缩放装置的结构图。

具体实施方式

对图像放缩的过程，实际上就是对图像像素进行重采样的过程。可以将原图像像素作为采样点来构造插值函数，并用此插值函数对放缩所需的重采样点进行插值计算，求得重采样点的颜色值，进而得到相应放缩后的图像像素。图像内容是千变万化的，属于非线性函数，所以要想在插值后得到效果比较好的新图像，就用一个代数式实现任意比例、任意大小、任意图像的缩放。可以利用分段函数的思想，根据相邻2个原始像素点值差的绝对值大小来分段，对于不同的段采用不同的算法：

首先设目标图像(缩放后图像)中相邻两原始像素点之间的纵向或横向的距离为1，再确定目标图像中相邻两新像素点之间的距离d；

确定原始图像(缩放前图像)中相邻两原始像素点的像素值差属于第一区间、第二区间或第三区间：

第一个区间[0 50]，该段属于低频段，出现在该区域的图像相邻像素点值连续。当前插值点的像素值newpix采用式2比较适合，该算法对于变换缓慢的图像插值效果比较好，且计算量小，节省硬件资源只需2个乘法器实现；

第二个区间[50 225]，该段属于中频段，出现在该段的图像由一组非连续小幅跳变的象素序列组成。当前插值点的像素值newpix采用滤波掩膜(式3)方法实现，该算法能对中频段图像有很好的跟踪特；

第三个区间[225 255]，该段处于高频段(图像高频信息代表图像的细节纹理)，在高频段不需要插值，插值后会使图片灰度变淡，丢失一些细节纹理；对于这类由阶跃跳变的图像，需要增加轮廓，当前插值点的像素值newpix采用最临近点(式1)来替代新插入的点，实现图像边沿检测。

mewpox = \begin{matrix} \{\begin{matrix} x_{i} & p < 1 - p \\ x_{i + 1} & p > 1 - p \end{matrix} \end{matrix}

.......................................式1

newpix＝(1-p)×x_i+p×x_i+1.......................................式2

newpix＝c1×x_i-1+c2×x₁+c3×x_i+1+c4×x_i+2...........................式3

作行缩放时，x_i-1、x_i、x_i+1、x_i+2为从左至右与当前插值点相邻的原始像素点的像素值，当前插值点位于x_i、x_i+1对应的原始像素点之间，p为当前插值点与最接近左相邻原始像素点的距离，1-p为当前插值点与最接近右相邻原始像素点的距离，x_i为最接近左相邻原始像素点的像素值，x_i+1为最接近右相邻原始像素点的像素值，c1、c2、c3、c4为滤波系数；作列缩放时，x_i-1、x_i、x_i+1、x_i+2为从上至下与当前插值点相邻的原始像素点的像素值，当前插值点位于x_i、x_i+1对应的原始像素点之间，p为当前插值点与最接近上相邻原始像素点的距离，1-p为当前插值点与最接近下相邻原始像素点的距离，xi+1为最接近上相邻原始像素点的像素值；x_i+1为最接近下相邻原始像素点的像素值，c1、c2、c3、c4为滤波系数。

图像缩放实现电路如图1所示，包括行缩放模块、列缩放模块、行存储器、行模块写地址控制器、列模块读地址控制器；行缩放模块、行模块写地址控制器分别与行存储器相连，行存储器分别与列模块读地址控制器、列缩放模块相连。

行缩放模块：根据行缩放因子(行缩放时所需要的原始图像中的原始像素点)对每行的数据进行插值或抽取运算；

列缩放模块：根据列缩放因子(列缩放时所需要的原始图像中的原始像素点)对每列的数据进行插值或抽取运算；

行存储器：用于存放行缩放后的数据，由4片RAM组成，每片容量为2行，每行的大小由实际图像大小决定；

行模块写地址控制器：控制行缩放后的数据写入对应行存储器中；当下一个next_dx大于i时，则i＝i+1，并同时产生一个读信号和相应的地址信号，预读取一个新数据，为下一次运算做准备，且数据右移一位。next_dx表示下一个新像素点对应原始坐标系的位置信息，next_dx＝next_dx+d，next_dx由相邻新像素点间距离d迭代累计得到，每个时钟周期累加一次，每行结束后自动清零，消除累计误差，i表示原始第i个原始像素点的位置信息，每行结束后自动清零；

列模块读地址控制器：控制列缩放模块并行从行存储器中读出相邻4行数据；行模块随时应当为列缩放模块准备好4行以上数据，当行模块写地址控制器检测到行存储器中数据小于4行时，行模块写地址控制器请求行缩放模块产生新数据并写入到对应的行存储器中。j对8进行求模操作，模表示对应的行存储器，j表示当前对原始图像的j行，每帧结束后j由帧复位信号清零。

将串行数据经过行缩放后存入行存储器中，再由列缩放模块从行存储器中同时并行读出相邻4行数据进行列缩放。

行缩放模块与列缩放模块根据公式1、公式2、公式3实现对图像的缩放，整个算法采用多级流水线实现，所以在行消隐期间需要提前多个周期产生读信号以及相应地址信息，提前运算，保证缩放后的图像与视频信号同步，在帧消隐期间将行存储器中的数据以及各控制模块中的状态清除，以免当前帧数据或状态影响下一帧数据。

将串行数据由行缩放模块根据行缩放因子对原始图像行进行缩放后存入行存储器中，再由列缩放模块从行存储器中同时并行读出相邻4行数据根据列缩放因子进行列缩放后输出。由于图像像素是行、列排列整齐的二维离散点，所以在插值时，可以采用先行后列分别在行、列进行两次一维插值的方法来实现，简化实现难度。本发明采用先行后列的方式还可节省功耗，特别针对放大倍数比较大的情况下，列模块每次需要同时参考四行数据，如果先对行进行插值，将行插值后的结果存入到行存储器中，每行数据只需一次行运算，不需要对同一行数据进行重复行运算，该方案可以节约2倍以上的功耗。这样，在放大倍数越大的时候节省功耗越明显，而且可以保证功耗基本恒定，不随放大倍数增加而增加。

在硬件中为了避免小数运算，将所有的参数都乘以1024，最后再取运算结果的高10位。如在计算目标图像中行相邻两新像素点之间的距离d时，

加0.5表示四舍五入。

为简化硬件设计，降低产品功耗，将相关系数p乘以1024，将1024分成33个等级，每个p对应相应的C1、C2、C3、C4(C1、C2、C3、C4为滤波系数c1、c2、c3、c4乘以1024得到的系数)，在同一个区间内的参数近似相等，所以取相同的参数值，如下表：

Claims

1.图像缩放方法，其特征在于，包括以下步骤：

确定原始图像中相邻两原始像素点的像素值差，判断该差值属于低频段、中频段或高频段；

属于低频段时，当前插值点的像素值newpix＝(1-p)×xi+p×xi+1；当作行缩放时，p为当前插值点与最接近左相邻原始像素点的距离，xi为最接近左相邻原始像素点的像素值，xi+1为最接近右相邻原始像素点的像素值；当作列缩放时，p为当前插值点与最接近上相邻原始像素点的距离；xi+1为最接近上相邻原始像素点的像素值；xi+1为最接近下相相邻原始像素点的像素值；

属于中频段时，当前插值点的像素值newpix＝c1×xi-1+c2×xi+c3×xi+1+c4×xi+2；c1、c2、c3、c4为滤波系数，当作行缩放时，xi-1、xi、xi+1、xi+2为从左至右与当前插值点相邻的原始像素点的像素值，当前插值点位于xi、xi+1对应的原始像素点之间；当作列缩放时，xi-1、xi、xi+1、xi+2为从上至下与当前插值点相邻的原始像素点的像素值，当前插值点位于xi、xi+1对应的原始像素点之间；

属于高频段时，当前插值点的像素值newpix为最近邻原始像素点的像素值。

2.如权利要求1所述图像缩放方法，其特征在于，相邻两原始像素点的像素值的差值在0至第一阈值之间，则属于低频段；相邻两原始像素点的像素值的差值在第一阈值至第二阈值之间，则属于中频段；相邻两原始像素点的像素值的差值在第二阈值至255之间，则属于高频段。

3.如权利要求2所述图像缩放方法，其特征在于，所述第一阈值为50，第二阈值为225。

4.如权利要求1所述图像缩放方法，其特征在于，当作行缩放时，所述滤波系数c1、c2、c3、c4根据当前插值点与最接近左相邻原始像素点的距离p确定；当作列缩放时，所述滤波系数c1、c2、c3、c4根据当前插值点与最接近上相邻原始像素点的距离p确定；距离p越大，滤波系数c2越小，滤波系数c3越大。

5.如权利要求4所述图像缩放方法，其特征在于，将当前插值点与最接近左/上相邻原始像素点的距离p乘以1024后，所述滤波系数c1、c2、c3、c4乘以1024得到的系数C1、C2、C3、C4通过查表得到：

6.图像缩放装置，其特征在于，包括行缩放模块、列缩放模块、行存储器、行模块写地址控制器、列模块读地址控制器；行缩放模块、行模块写地址控制器分别与行存储器相连，行存储器分别与列模块读地址控制器、列缩放模块相连；

行缩放模块，用于确定目标图像每行中相邻两新像素点之间的距离，判断原始图像每行中相邻两原始像素点的像素值的差值属于低频段、中频段或高频段；属于低频段时，当前插值点的像素值newpix＝(1-p)×xi+p×xi+1；属于中频段时，当前插值点的像素值newpix＝c1×xi-1+c2×xi+c3×xi+1+c4×xi+2；属于高频段时，当前插值点的像素值newpix为该行最近邻原始像素点的像素值；其中，xi-1、xi、xi+1、xi+2为从左至右与当前插值点相邻的原始像素点的像素值，当前插值点位于xi、xi+1对应的原始像素点之间，p为当前插值点与最接近左相邻原始像素点的距离，xi为最接近左相邻原始像素点的像素值，xi+1为最接近右相邻原始像素点的像素值，c1、c2、c3、c4为滤波系数；

行存储器，用于存放行缩放后的数据；

列缩放模块，用于确定目标图像每列中相邻两新像素点之间的距离，判断原始图像每列中相邻两原始像素点的像素值的差值属于低频段、中频段或高频段；属于低频段时，当前插值点的像素值newpix＝(1-p)×xi+p×xi+1；属于中频段时，当前插值点的像素值newpix＝c1×xi-1+c2×xi+c3×xi+1+c4×xi+2；属于高频段时，当前插值点的像素值newpix为该列最近邻原始像素点的像素值；其中，xi-1、xi、xi+1、xi+2为从上至下与当前插值点相邻的原始像素点的像素值，当前插值点位于xi、xi+1对应的原始像素点之间，p为当前插值点与最接近上相邻原始像素点的距离，xi+1为最接近上相邻原始像素点的像素值；xi+1为最接近下相邻原始像素点的像素值，c1、c2、c3、c4为滤波系数。

7.如权利要求6所述图像缩放装置，其特征在于，所述列模块读地址控制器在行消隐期间提前多个周期产生读信号以及地址信息。

8.如权利要求6所述图像缩放装置，其特征在于，相邻两原始像素点的像素值的差值在0至第一阈值之间，则属于低频段；相邻两原始像素点的像素值的差值在第一阈值至第二阈值之间，则属于中频段；相邻两原始像素点的像素值的差值在第二阈值至255之间，则属于高频段。

9.如权利要求8所述图像缩放装置，其特征在于，所述第一阈值为50，第二阈值为225。

10.如权利要求6所述图像缩放装置，其特征在于，当作行缩放时，所述滤波系数c1、c2、c3、c4根据当前插值点与最接近左相邻原始像素点的距离p确定；当作列缩放时，所述滤波系数c1、c2、c3、c4根据当前插值点与最接近上相邻原始像素点的距离p确定；距离p越大，滤波系数c2越小，滤波系数c3越大。