CN101399910A - 进行伽马校正的信号处理装置和信号处理方法 - Google Patents

Abstract

伽马校正设备的差值采样数据保持器将校正的信号电平与仍待校正的信号电平之间的差值保持为差值采样数据以便在输入视频信号可允许的最小及最大电平之间以等间隔设置多个采样点中的每个。校正执行单元使用在差值采样数据保持器中保持的差值采样数据进行三次插值操作，并将操作结果与输入视频信号的信号电平相加以获得校正的视频信号的信号电平。

Description

进行伽马校正的信号处理装置和信号处理方法

技术领域

本发明涉及信号处理，更具体而言，涉及用于对输入视频信号进行伽马校正的信号处理技术。

背景技术

为使视频显示设备显示视频信号，对视频信号执行伽马校正使得视频信号的伽马特性可以与视频显示设备的伽马特性相匹配，因为视频显示设备根据视频显示设备的类型来变化伽马特性。例如，假定可用的显示器为布朗管(CRT)显示器，当前电视广播在发送端处对CRT显示器的伽马特性进行伽马校正。

另一方面，近来视频显示设备种类越来越多，且除CRT显示器外，液晶显示器(LCD)、等离子体显示板(PDP)等也变得普遍。当除CRT显示器外的视频显示设备，如LCD或PDP，显示当前电视广播的视频信号时，视频信号需要进行用于撤消在发送端对视频信号进行的伽马校正和用于将视频信号的伽马特性与使用中的视频显示设备的伽马特性相匹配的过程。

用于撤消先前对视频信号执行的伽马校正的过程，也称其为“反伽马校正”，本质上等价于伽马校正，因为所述过程将改变视频信号的伽马特性。除非另外说明，不管是伽马校正或是反伽马校正，本文中都将用于改变视频信号的伽马特性的过程通称为“伽马校正”。

基于伽马校正曲线来进行伽马校正。例如，通过包括基于伽马校正曲线的转换数据的描述来创建查询表(LUT)，并预存储在诸如ROM(只读存储器)的存储设备中。然后，通过使用该LUT进行伽马校正。然而，需要对伽马校正曲线高精度逼近使得视频可以尽可能清晰、自然地显示。这需要LUT中有数量巨大的数据使得存储LUT的存储设备应具有大容量且伽马校正设备也应具有大的电路规模。特别地，如果需要支持不同伽马特性的多个视频显示设备，则需要与视频显示设备种类的数目相同的LUT数目，因此该问题变得更加引人注意。

第2004-140702号日本专利早期公开申请案公开了一种用于抑制伽马校正设备的电路规模增加的方法。该方法包括：首先通过在视频信号的最小与最大信号电平之间均等地分割视频信号来设置多个采样点；以及在每个采样点上保持彼此相关的仍待校正的信号电平与校正的信号电平(采样数据)。假定仍待校正的信号电平与校正的信号电平分别由X轴及Y轴上的值表示，则由坐标(采样点处的信号电平及采样数据)所表示的点位于伽马校正曲线上。因此，此方法使用先前以此方式保持的用于三次插值校正的数据，从而获得与输入视频信号的信号电平相对应的校正的信号电平。

图7示出在专利文献的图5中示出为功能、为了简化的目的而表示为设备的结构组件。如图7所示，伽马校正设备11包括存储采样数据的采样数据寄存器21、采样数据选择器22、核系数存储器23、系数选择器24和插值操作单元25。

插值操作单元25基于被称为“核函数”的三阶多项式方程进行三次插值操作，且为进行插值操作使用从采样数据选择器22馈入的采样数据及从系数选择器24馈入的系数(即，核系数)。

采样数据选择器22根据输入视频信号的信号电平来选择插值操作所需的采样数据，并将采样数据提供到插值操作单元25。在图7所示的伽马校正设备11的示例中，选择X轴上的输入视频信号电平左侧及右侧上的每两个采样点处的采样数据。

系数选择器24获得输入视频信号电平与采样数据选择器22所选择的四个采样数据的采样点之间的距离(电平差)，从核系数存储器23读取针对所获得的电平差的核系数并将核系数输出到插值操作单元25。

插值操作单元25在使用来自系数选择器24的四个核系数作为权重系数时对来自采样数据选择器22的四个采样数据进行权重相加，从而获得伽马校正的输入视频信号的信号电平。

此方法使用具有小规模电路或具有少量操作的结构取代使用大规模LUT或进行高阶操作来使能伽马校正。

发明内容

现在参考图8来做关于图7中所示的伽马校正设备11的采样数据寄存器21的容量的讨论。

在图8中，横轴X表示伽马校正前的信号电平(下文中称为“输入电平”)，纵轴Y表示伽马校正后的信号电平(下文中称为“输出电平”)。在图8中，就位于伽马校正曲线上的白色圆圈来说，X值代表采样点处的信号电平，Y值代表采样数据。同样地，就位于伽马校正曲线上的黑色圆圈来说，X值代表输入视频信号的电平，Y值代表通过对输入视频信号的电平进行插值操作所获得的输出电平。

针对一个输入电平确定输出电平，使用四个采样数据。图8中由虚线围绕的四个白色圆圈代表在信号电平A处用于获得输出电平而选择的采样数据。

如图8中箭头α所示，如果视频信号的输入电平和输出电平的最大值设为L，则需要将采样数据的覆盖范围设为0至L。因此，采样数据的位宽度N需要等于或大于“log2(L+1)”，且存储采样数据的采样数据寄存器21需要具有与位宽度“N×采样点数目m”相对应的数目的寄存器。

如果所需存储采样数据的采样数据寄存器的容量很大，那么这会导致的问题是用专利文献1中所公开的技术抑制电路规模增长的效果减弱。

同样，对四个采样数据进行权重相加的插值操作单元25需要四个进行“采样数据×权重系数”操作的乘法器，以及三个将乘法器的相乘结果相加的加法器。如果采样数据的位宽度很大，那么这会导致的问题是乘法器和加法器的电路规模变大。

本发明的一示例性方面是用于对输入视频信号进行伽马校正的视频信号处理装置。视频信号处理装置包括采样数据保持器和校正执行单元。

采样数据保持器将校正的信号电平与仍待校正的信号电平之间的差值保持为差值采样数据以便在输入视频信号可允许的最小及最大电平之间以等间隔设置多个采样点中的每个。

校正执行单元使用在差值采样数据保持器中保持的差值采样数据进行三次插值操作，并将操作结果与输入视频信号的信号电平相加以获得校正的视频信号的信号电平。

请注意，上述装置当被实现为方法、系统或使计算机工作为上述装置的程序时作为本发明的一方面也是有效的。

根据本发明的技术在的确抑制电路规模增长的同时使能对视频信号的高精度伽马校正。

附图说明

结合附图，根据对特定示例性实施例的描述将使本发明的上述及其他示例性方面、优点和特征变得显而易见，其中：

图1是示出根据本发明的第一示例性实施例的伽马校正设备100的视图；

图2是用于说明三次插值操作的曲线图；

图3示出核函数的曲线图的示例；

图4是用于说明存储在图1所示伽马校正设备100的核系数存储器142中的核系数的曲线图；

图5是示出根据本发明的第二示例性实施例的伽马校正设备200的视图；

图6是示出根据本发明的第三示例性实施例的伽马校正设备300的视图；

图7是示出相关技术的伽马校正设备11的视图；以及

图8是用于说明通过图7所示伽马校正设备11进行处理的曲线图。

具体实施方式

图1是根据本发明的第一示例性实施例的伽马校正设备100的示意图。伽马校正设备100包括差值采样数据寄存器120和校正执行单元130，所述校正执行单元130对通过输入端子110输入的视频数据进行伽马校正。

差值采样数据寄存器120存储校正后的信号电平与校正前的信号电平之间的差值作为采样数据以便在输入视频信号可允许的最小及最大电平之间等间隔地设置多个采样点中的每个。此采样数据将在下文中称为“差值采样数据”。

关于采样数据细节的描述将参考图2给出。顺便提及，在下文描述中，“采样点”和“采样点的输入电平”以相同意义使用。

在图2中，横轴X和纵轴Y分别表示校正前的信号电平(输入电平)和校正后的信号电平(输出电平)。L表示输入视频信号可允许的最大电平。作为示例，在6位输入视频信号中，其最小电平为“000000”，其最大电平为“111111”。

位于伽马校正曲线上的白色圆圈的X和Y值满足以下方程(1)。

(X，Y)＝(采样点，采样点的输出电平)(1)

作为示例，假定通过由3位宽度(000-111)分割输入视频信号的动态范围来设置采样点。因而，采样点的数目将是9，从0至8，即“000000”、“001000”、“010000”、“011000”、“100000”、“101000”、“110000”、“111000”和“1000000”。

差值采样数据是采样点的输出电平与采样点之间的差值，并且是如图2中箭头β所示的采样点的输出电平与直线Y＝X(输出电平＝输入电平)上与采样点相对应的Y值之间的差值。此后，此差值由d表示。

差值采样数据寄存器120保持与每个采样点相对应的差值d。

校正执行单元130使用差值采样数据进行三次操作，并且将操作结果与视频信号的输入电平相加以获得视频信号的输出电平。

三次插值操作是使用三阶多项式方程的插值算法，且其核函数h(x)由下列方程(2)给出。

$h\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}(a+2){\left|x\right|}^3-(a+3){\left|x\right|}^2+1& 0\&le;\left|x\right|<1\\ a{\left|x\right|}^3-5a{\left|x\right|}^2+8a\left|x\right|-4a& 1\&le;\left|x\right|<2\\ 0& 2\&le;|x|\end{array}\right.---\left(2\right)$

在方程(2)中，a表示用于控制插值函数特性的常数，且通常使用约-0.5与-2间的值。图3是示出当a＝-0.5时由方程(2)代表的核函数h(x)的曲线图。顺便提及，核函数h(x)的值称为核系数。

在方程(2)中，“x”代表视频信号的输入电平与采样点之间的距离。以给定输入电平获得输出电平的三次操作所需的采样点包括距离x范围为-2≤x<-1内的一个采样点、距离x范围为-1≤x<0内的一个采样点、距离x范围为0≤x<1内的一个采样点以及距离x范围为1≤x<2内的一个采样点。

现在给出关于校正执行单元130的说明，将图2所示的以输入电平“A”获得输出电平的过程作为示例。

校正执行单元130包括差值采样数据选择器150、核系数存储器142、系数选择器140、插值操作单元160以及加法器170。

差值采样数据选择器150接收输入电平“A”处的三个最高有效位输入。差值采样数据选择器150为待输入的3位“j”值(j表示0和7间的自然数，包括0和7)选择与采样点“j-1”、“j”、“j+1”和“j+2”相对应的差值采样数据。具体地说，例如，如果输入电平A为“100011”，则三个最高有效位的值为4。因而，选择与采样点“3”(011000)、“4”(100000)、“5”(101000)和“6”(110000)相对应的差值采样数据。换句话说，如图2所示，为输入电平“A”选择的是分别与位于“A”附近其输入电平比“A”低的两个采样点B1和B2以及位于“A”附近其输入电平比“A”高的两个采样点B3和B4相对应的差值采样数据d1和d2、d3和d4。差值采样数据选择器150将所选的四个差值采样数据片输出到插值操作单元160。

插值操作单元160对差值采样数据选择器150所选的四个差值采样数据片进行权重相加，从而获得与输入电平“A”相对应的差值dA。用于此权重相加的权重系数是由上述方程(2)表示的核函数h(x)的值，即核系数，且由系数选择器140从核系数存储器142中选择。

核系数存储器142存储彼此对应的方程(2)所表示的核函数h(x)和x的值。x值由相邻采样点之间的距离来归一化，如本文中使用111(二进制数)。因此，输入核函数的变量x最初采用范围-2≤x≤2。因而，如果x由111(二进制数)来归一化，则如图4所示，x将采用范围-1000(二进制数)≤x≤1000(二进制数)。顺便提及，图4也示出了当a＝-0.5时的核系数。

同样，对于以输入视频信号的量化位为单位的每一步获得存储在核系数存储器142中的核系数。因而，核系数存储器142总共存储32个核系数。

系数选择器140接收输入电平“A”处的三个最低有效位的输入。系数选择器140从核系数存储器142中选择四个核系数h1、h2、h3和h4，并将核系数输出到插值操作单元160。具体地说，系数选择器140基于待输入的3位的值来计算从输入电平“A”至与由差值采样数据选择器150选择的四个差值采样数据相对应的采样点B1到B4的距离x1到x4，并选择分别与四个距离相对应的核系数h1到h4。更具体地说，系数选择器140为待输入的3位的值k(k表示0和7之间的一个自然数，包含0和7)选择四个核系数，即，x＝(k-16)、x＝(K-8)、x＝k和x＝(k+8)。例如，如果输入电平“A”为“100011”，则三个最低有效位的数值为3。因此，选择与四个x值“-13”、“-5”、“3”和“11”相对应的核系数。

插值操作单元160对由差值采样数据选择器150选择的四个差值采样数据片d1至d4进行由下列方程(3)表示的权重相加，使用由系数选择器140选择的四个核系数h1至h4作为权重系数。

dA＝h1×d1+h2×d2+h3×d3+h4×d4     (3)

如图2所示，插值操作单元160的操作结果dA是输入电平A的伽马校正电平(输出电平)与输入电平A的差值。

加法器170接收输入视频信号和插值操作单元160的操作结果的输入。加法器170根据方程(4)将输入视频信号的电平和插值操作单元160的操作结果相加，并将相加后的结果作为输出数据输出至输出端子180。

输出电平＝输入视频信号的电平+dA        (4)

其中dA表示插值操作单元的操作结果。

以此方式，本实施例的伽马校正设备100为待输入视频信号获得伽马校正视频信号。

现在将考虑本实施例的伽马校正设备100中的差值采样数据寄存器120的容量。将以下列情况为例给出描述：本实施例的伽马校正设备100应用于在发送端对用于电视广播的视频信号做出撤消伽马校正的过程，这被称为反伽马校正。

在接收端，用来在发送端撤消伽马校正的反伽马校正曲线可由下列方程(5)表示：

Y＝L×(X/L)γ           (5)

其中Y表示校正电平；X，仍待校正的电平；L，输入视频信号的最大值；以及γ，反伽马校正的伽马值。

虽然伽马值γ根据面板类型而改变，但是CRT显示器的伽马值γ通常为2.2，且液晶显示器(LCD)或等离子体显示板(PDP)的伽马值γ通常在2.0附近。在约1≤γ≤4范围内用于反伽马校正的伽马值γ可在发送端处对进行过伽马校正的视频信号进行反伽马校正，使得视频信号的伽马特性可与这些显示设备的伽马特性匹配。

在方程(5)中，如果γ在1和4之间，则满足方程(6)：

X-Y＝X-L×(x/L)γ<L/2        (6)

其中L表示输入视频信号的最大值；X，待校正的电平；Y，校正的电平；以及γ，反伽马校正的伽马值。

换句话说，待校正的电平(输入电平)和校正的电平(输出电平)小于输入视频信号最大值的1/2。

伽马校正设备100中使用的差值采样数据是采样点与对应于采样点的输出电平之间的差值。因此，如可从方程(6)看出，设置范围可在1和L/2之间。

因此，差值采样数据的位宽度为Log₂((L+1)/2)。另一方面，如上所述，专利文献1公开的方法中使用的采样数据的位宽度N为Log₂(L+1)，从而，本实施例中使用的差值采样数据的位宽度为(N-1)。因此，在第一实施例中，与专利文献1公开的方法相比，每采样点可减少1位。

因此，本实施例的伽马校正设备100中差值采样数据寄存器120所需要的仅仅是具有寄存器，其数目对应于“N-1×采样点数目m”的位宽度。因此，与图7所示的伽马校正设备11的采样数据寄存器21相比，差值采样数据寄存器120可减少m位。

同样，对于方程(3)所表示的操作，差值采样数据的位宽度为(N-1)。因此，假定核系数的位宽度设为n，四个乘法器进行乘法“(N-1)位×n位”。结果，与图7所示的伽马校正设备11相比，每个乘法器可减少1位，且总共减少4位。同样，将四个相乘后的结果相加的三个加法器也可减少4位。

与图7所示的伽马校正设备11相比，本实施例的伽马校正设备100还具有N位加法器170。然而，乘法器减少1位意味着左移(N-1)位且加法器减少(N+n)位。因此，即使考虑到增加加法器170引起电路规模的增加，也可以看到与图7所示的伽马校正设备11相比电路规模减小。

如上所述，本实施例的伽马校正设备100用于插值操作的差值采样数据比图7所示伽马校正设备11所使用的采样数据位宽小。因此，即使采样点数目和核系数的位宽度为提高校正精度而增加，伽马校正设备100仍可以减小存储用于插值的数据的寄存器的位宽度及插值操作单元的电路规模，并且可以减小对用于插值操作的寄存器数目和电路规模的影响。

图5示出根据本发明的第二示例性实施例的伽马校正设备200。伽马校正设备200能够有选择地校正具有不同伽马特性的视频信号的多个伽马值，且将减法器218加入到图1所示伽马校正设备100。请注意，在图5中，具有与图1所示伽马校正设备100的结构组件功能相同的结构组件由相同的附图标记表示，且将省略对这些结构组件的详细描述。

伽马校正设备200通过伽马特性选择器端子216接收用于伽马校正的采样数据输入(采样点的输出电平)，使得视频信号的伽马特性与所期望的伽马特性匹配。同样，伽马校正设备200通过输入端子212接收采样点的信号电平输入。减法器218在每个采样点处获得采样点的信号电平与采样数据之间的差值，并且将差值作为差值采样数据输出到差值采样数据寄存器120。由此，用于伽马校正以使视频信号的伽马特性可以与所期望的伽马特性匹配的差值采样数据存储在差值采样数据寄存器120中。

核系数存储器142存储通过系数群组输入端子214输入的核系数。

校正执行单元130对通过输入端子212输入的视频信号进行伽马校正。因为此过程与图1所示的伽马校正设备100进行的相应过程一样，所以省略对其的描述。

尽管与图7所示的伽马校正设备11相比本实施例的伽马校正设备200具有添加在其上的减法器218和加法器170，但是如图1所示的伽马校正设备100的情况，即使由添加减法器218和加法器170引起的电路规模的增加量被减掉，与图7所示伽马校正设备11相比插值操作单元160的乘法器的位减少使得电路规模减小。

图6示出根据本发明第三示例性实施例的伽马校正设备300。现在将主要关于符号确定单元380来给出说明，因为除校正执行单元330在其上添加了符号确定单元380之外，伽马校正设备300与伽马校正设备200相同，其中符号确定单元380插入在图5所示的伽马校正设备200的校正执行单元130的插值操作单元160与加法器170之间。

伽马校正有两个类型：用于校正视频信号以产生硬调的硬调校正；用于校正视频信号以产生软调的软调校正。对于硬调校正，伽马校正曲线位于“输出电平＝输入电平”即“Y＝X”所表示的直线以上，而对于软调校正，伽马校正曲线位于此直线以下。描述上述伽马校正设备100和伽马校正设备200所使用的伽马校正曲线(图2所示)是用于软调校正的曲线的示例。顺便提及，用于撤消对视频信号所做的伽马校正且用于将视频信号的伽马特性与CRT显示器的伽马特性相匹配的反伽马校正对应于软调校正。

可使用为存储在差值采样数据寄存器中的差值采样数据分配符号的方法以便伽马校正设备100和伽马校正设备200对应于硬调校正和软调校正。本实施例的伽马校正设备300提供有符号确定单元380以便不引起差值采样数据在插值操作单元160完成插值操作之前具有符号位。

具体地说，对于硬调校正，符号确定单元380为插值操作单元160的操作结果分配“+”符号并将结果输出至加法器170，而对于软调校正，符号确定单元380为插值操作单元160的操作结果分配“—”符号并将结果输出至加法器170。

如果符号被分配给差值采样数据，那么差值采样数据寄存器也需要符号位，且针对采样点数目增加m位。同样，插值操作单元160的每个乘法器增加1位，并因此4个乘法器总共增加4位。同样地，插值操作单元160的加法器增加4位。如上所述，乘法器的位的增加对电路规模增加的影响很大。因此，当期望与硬调校正和软调校正相对应时，本实施例的伽马校正设备300可抑制电路规模增加。

上文基于本实施例已给出关于本发明的伽马校正技术的描述。应该理解，实施例用于例示的目的且可作出各种改变而不背离本发明的精神和范围。本领域的技术人员应理解在其中具有作出的改变的修改可包括进本发明的范围内。

此外，请注意即使在以后的审查期间作出修正，申请人的意图也在于包含所有权利要求项的等价物。

Claims (9)

1.一种用于对输入视频信号进行伽马校正的信号处理装置，包括：

差值采样数据保持器，对于在所述输入视频信号的可允许的最小及最大电平之间以等间隔设置的多个采样点中的每个，其将校正的信号电平与仍待校正的信号电平之间的差值保持为差值采样数据；以及

校正执行单元，其使用在所述差值采样数据保持器中保持的差值采样数据进行三次插值操作，并将操作结果与所述输入视频信号的信号电平相加以获得校正的视频信号的信号电平。

2.如权利要求1所述的信号处理装置，其中：

所述校正执行单元包括符号确定单元，所述符号确定单元将符号分配给所述三次插值操作的操作结果，所述符号取决于所述伽马校正包括用于校正所述输入视频信号以产生硬调的硬调校正还是用于校正所述输入视频信号以产生软调的软调校正，以及

所述校正执行单元将具有由所述符号确定单元分配的符号的操作结果与所述输入视频信号的信号电平相加。

3.如权利要求1所述的信号处理装置，其中：

所述差值采样数据保持器接收所述差值采样数据。

4.如权利要求3所述的信号处理装置，还包括：

减法器，其基于所述输入视频信号和伽马特性选择信号输出差值采样数据。

5.一种对输入视频信号进行伽马校正的信号处理方法，包括：

对于在所述输入视频信号的可允许的最小及最大电平之间以等间隔设置的多个采样点中的每个，将校正的信号电平与仍待校正的信号电平之间的差值保持为差值采样数据；以及

使用保持的差值采样数据进行三次插值操作，并将操作结果与所述输入视频信号的信号电平相加以获得校正的视频信号的信号电平。

6.如权利要求5所述的信号处理方法，其中：

符号被分配给所述三次插值操作的操作结果，所述符号取决于所述伽马校正包括用于校正所述输入视频信号以产生硬调的硬调校正还是用于校正所述输入视频信号以产生软调的软调校正；以及

操作结果与所述输入视频信号的信号电平相加，其中所述操作结果具有分配给它的所述符号。

7.一种信号处理装置，包括：

系数选择器，其基于视频数据的第一部分在多个核系数中选择一组核系数；

差值采样数据选择器，其基于所述视频数据的第二部分在多个差值采样数据中选择一组差值采样数据；

插值操作单元，其基于所述一组核系数及所述一组差值采样数据进行三次插值操作以产生插值数据；以及

加法器，其将所述视频数据与所述插值数据相加以产生伽马校正视频信号。

8.如权利要求7所述的信号处理装置，还包括：

差值采样数据寄存器，其存储所述多个差值采样数据；以及

减法器，其接收所述视频信号和伽马特性选择信号以产生所述差值采样数据。

9.如权利要求7所述的信号处理装置，还包括：

符号确定单元，其在第一校正模式中给所述插值数据添加正值符号且在第二校正模式中给所述插值数据添加负值符号，

其中所述加法器接收添加有符号的插值数据作为所述插值数据。

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