CN101448075A - 转换视频和图像信号比特深度 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种技术，其包括至少部分地基于像素的邻域，将用于所述像素的与较低比特深度相关联的第一值转换成用于所述像素的与较高比特深度相关联的第二值。

Description

转换视频和图像信号比特深度
技术领域
本发明通常涉及转换视频和图像信号比特深度。
背景技术
现代显示设备(计算机监视器、电视、移动设备屏幕等)具有一直增加的能力来显示具有相对较高的动态范围的图像。一般来说，与具有相对较低的动态范围的图像相比，具有相对较高的动态范围的图像的每个像素值具有更多的比特，其被称为“比特深度”。
视频信号会具有比给定显示设备的最大比特深度能力低的相关联的比特深度。因此，为了驱动显示设备，可以处理所述视频信号来产生另一具有较高比特深度的视频信号。一种传统的用于转换比特深度的方法包括色调映射。一般来说，色调映射包括线性缩放、分段插值和查找表技术，以指定在低比特深度视频信号和高比特深度视频信号之间的逐像素映射。
产生所述低比特深度视频信号的视频编码器一般产生额外的用于描述所述色调映射的色调映射数据(诸如查找表数据)，并且在显示设备端，视频解码器接收该额外的色调映射数据以及所述低比特深度视频信号。所述视频解码器一般根据所附的色调映射数据而根据所述低比特深度信号构建所述高比特深度信号。与上述色调映射方法相关联的特定挑战是为了存储和/或传输所述色调映射数据可能消耗传输带宽和/或存储带宽。
附图说明
图1是根据本发明实施例的视频系统的方框图；
图2是根据本发明实施例的内容自适应比特深度增强器的方框图；和
图3说明了根据本发明实施例的局部像素邻域。
具体实施方式
参照图1，根据本发明的视频系统的实施例10包括视频显示设备42，其具有相关联的比特深度M(每像素值10比特，作为非限制性实例)。因而，视频显示设备42能够显示由每个具有M比特的像素值所定义的图像。换句话说，视频显示设备42能够显示这样的视频图像，其中所述图像的每个像素的颜色空间由M比特的像素值定义(每颜色空间分量一个M比特的像素值)。
虽然视频显示设备42能够显示对应于M比特的视频信号的视频，系统10的视频解码器36产生具有小于比特深度M的比特深度N(每像素值8比特，作为非限制性实例)的视频信号39，该视频解码器36产生用于视频显示设备42的视频比特流。为了将该N比特的视频信号39转换成用于显示设备42的M比特的视频信号41，视频系统10包括内容自适应比特深度增强器50。一般来说，该比特深度增强器50仅基于从所述N比特视频信号39收集的信息进行所述比特深度转换，而不用依赖于描述所述比特深度转换映射的额外信息(例如色调映射数据)。结果，与由执行比特深度转换的传统视频系统所消耗的带宽相比，视频系统10节省了传输和/或存储带宽。
一般来说，视频系统10包括视频捕获设备20，其捕获图像数据的连续帧来形成M比特视频信号21。视频预处理器24将M比特视频信号21转换成N比特视频信号25(即，具有比特深度N的信号)。视频编码器28压缩该N比特视频信号25来形成编码的视频流，该编码的视频流可保存在存储设备中和/或经由传输网络传输，如附图标记32所指示。作为实例，传输网络可以是无线网络、局域网(LAN)、广域网(WAN)、互联网、蜂窝式网络、电视广播网络等。所述编码的视频流的存储可以包括在磁盘、硬盘驱动器、CD-ROM、存储区域网络(SAN)、web服务器、服务器群等上存储所述解码的视频流。无论该特定的传输网络或存储设备如何，可以从所述传输网络/存储设备32最终接收/获取所述编码的视频流，并且将其提供给与视频显示设备42相关联并包括视频解码器36的终端设备。视频解码器36解压缩所述编码的视频流(具有比特深度N)来产生N比特视频信号39。
如下所述，通过考虑像素的局部邻域，比特深度增强器50将每个N比特像素值(来自N比特视频信号39)转换成相对应的M比特像素值(用于M比特视频信号41)。在这点上，如下面将进一步描述的，对于每个N比特像素值，比特深度增强器50确定缩放和偏移值来应用于所述N比特像素值以得到相对应的M比特像素值；并且通过检查对于相对应的像素邻域的像素值，比特深度增强器50为每个N比特像素值确定这些缩放和偏移值。
像素邻域属于N比特视频信号39，并且作为实例，像素邻域由最接近于目标像素的像素形成，该目标像素的像素值正被转换成较高的比特深度。像素邻域可替代地是先前时间的图像中目标像素的共址邻域(co-location)或者是未来时间的图像中目标像素的共址邻域。根据本发明的一些实施例，所述像素邻域的边界可以是用户定义的。参照图3，作为具体的非限制性实例，所述像素邻域可以是3×3像素的邻域100(这里将其称为“3×3邻域”)，其包括位于中心处的目标像素110(其值正被转换成较高的比特深度的像素)和8个邻近像素120(下面描述的具体的邻近像素120a-h)。对于该实例，目标像素110是3×3邻域100的中心，4个邻近像素120a、120c、120f和120h位于目标像素110的对角位置，2个邻近像素位于目标像素110的左边(像素120d)和右边(像素120e)，2个邻近像素位于目标像素110的上边(像素120b)和下边(像素120g)。如上所述，邻域100可以是当前图像中所述目标像素的邻域(即，该图像当前由N比特视频信号39表示)或者可以是先前时间的图像中或未来时间的图像中目标像素的共址邻域。因而，比特深度增强器50为了进行比特深度转换而处理当前的、先前时间的和/或未来时间的图像。
参照图3并结合图1，为了确定缩放和偏移值以应用于目标像素110的像素值，比特深度增强器50分析来自邻域100的像素值(即，来自邻域100的目标像素110和邻近像素120的像素值)。注意，目标像素值以及通常所有邻域像素值对应于给定颜色空间的相同颜色分量。因而，比特深度增强器50可以转换对应于相同像素的多个像素值的比特深度，尽管每个像素值可以对应于不同的颜色分量。
根据本发明的特定实施例，从邻域像素值中提取的并且用于比特深度转换目的的内容的特定类型可以更改。作为一具体实例，下面阐述几个因素，其可形成比特深度转换的基础。然而需要理解，根据本发明的其它实施例，内容的其它类型可以从邻域像素值中提取并且用于比特深度转换目的。
根据本发明的一些实施例，为了检测邻域中垂直、水平或对角边缘的存在，比特深度增强器50可以应用边缘检测度量。所检测到的邻域中边缘的存在可以用作基础以认为对于基于局部邻域像素值的比特深度预测来说该邻域是不充分均匀的，如下面所进一步描述的。相反，邻域中边缘的未检测到可以被用来认为对于基于局部邻域像素值的比特深度预测来说该邻域是充分均匀的。
作为更特定的实例，对于使用3×3邻域的情况来说，可使用一种将Sobel边缘算子应用于所述3×3邻域的边缘检测技术。Sobel边缘算子可在下面的等式1、2、3和4中定义如下：
E _ h = - 1 - 2 - 1 0 0 0 1 2 1 ,               等式1
E _ v = - 1 0 1 - 2 0 2 - 1 0 1 ,                 等式2
E _ P 45 = - 2 - 1 0 - 1 0 1 0 1 2 , 以及         等式3
E _ N 45 = 0 - 1 - 2 1 0 - 1 2 1 0 .              等式4
等式1是涉及检测水平边缘的边缘算子分量；等式2是涉及检测垂直边缘的边缘算子分量；等式3是涉及检测+45度边缘的边缘算子分量；以及等式4是涉及检测—45度边缘的边缘算子分量。
给定上面定义的边缘算子，可以将被称为“EM(x)”的边缘度量公式化为下述的3×3邻域中等式1、2、3和4中加权的卷积(下面将其称作“NH9(x)”)：
EM(x)＝|NH9(x)*E_h|+|NH9(x)*E_v|+|NH9(x)*E_P45|+|NH9(x)*E_N45|。等式5
在等式5中，将N比特信号中的目标像素值表示成“x”。
为了确定是否已在邻域中检测到边缘，比特深度增强器50将边缘度量EM(x)和预定义的阈值进行比较。因而，如果边缘度量EM(x)在该预定义的阈值之上，则该比特深度增强器50确定已检测到边缘。否则，该比特深度增强器50假设尚未检测到边缘。
要注意，根据本发明的其它实施例，可使用除了Sobel边缘算子之外的其它边缘算子。另外，根据本发明的其它实施例，使用水平(等式1)和垂直(等式2)边缘算子分量足以进行边缘检测，而不必使用对角(等式3和等式4)边缘分量。因而，可以设计落在所附权利要求书的范围内的许多变体。
所述邻域包含k个像素，并且k的值取决于该邻域的特定定义。例如，对于图3的3×3邻域100的实例来说，k等于9。作为另一实例，对于5×5邻域来说k个邻域像素的数目可以是25。作为再一实例，对于考虑目标像素的上边及下边这两个像素和目标像素的左边及右边这两个像素的邻域的情况，k个邻域像素的数目可以是5。因而，可以设计落在所附权利要求书的范围内的许多变体。
根据本发明的一些实施例，比特深度增强器50可以收集对于每个目标像素值的下列局部邻域统计：k个邻域像素值的平均值，将其称作“avg_k”；以及k个邻域像素值的方差，将其称作“var_k”。比特深度增强器50根据这些统计值来确定偏差度，将其称作“dev_x”，其描述如下：
dev_x＝(x-avg_k)/(var_k+C)，         等式6
其中“C”表示用户预定义的常量值。
参照图1，一般来说，比特深度增强器50根据下列关系将来自N比特信号39的N比特目标像素值x转换成M比特信号41的M比特目标像素值y：
y＝a*xΘb，                           等式7
其中“a”表示缩放因子值，“b”表示偏移值，以及“Θ”表示符号算子。如下所述，缩放因子值a和偏离值b是在相对应的邻域中像素值的函数。一般来说，由于如果没有检测到边缘(即，如果边缘度量EM(x)小于预定义的阈值)比特深度增强器50会设置缩放因子值a等于M减N(作为非限定性的实例)并且如果检测到边缘则比特深度增强器50修改该缩放因子值a，因此缩放因子值a遵循非线性函数。
作为一特定的实例，M可以等于10(对应于每像素值10比特)并且N可以等于8(对应于每像素值8比特)。因此，M具有范围1024(210)，其为N的范围256(28)的4倍大。当检测到边缘时，比特深度增强器50可以忽略局部像素邻域(由于邻域的异构性)并且将缩放因子值a设置为4(由于范围的相对比率)并且将偏离值b设置为0。然而，当没有检测到边缘时，通过将缩放因子a设置为M-N(或另一缺省值)并且将偏离值b设置为由局部邻域像素内容确定的值，比特深度增强器50调整基于该局部邻域的比特深度转换，如下面将进一步描述的。
根据本发明的一些实施例，当没有检测到边缘时(即，当边缘度量EM(x)在预定义的阈值之下时)，比特深度增强器50将偏离值b设置为被称作“dev_x”的偏差度的函数，如下所述：
b＝d*dev_x，                        等式8
其中“d”表示预定义的常量值。
等式7中的符号算子Θ可进行如下描述：
Θ＝f(x-(avg_k+TH))，                等式9
其中“TH”表示用户指定的阈值。函数“f”表示符号函数，根据本发明的一些实施例，该符号函数可由来自视频编码器28的信号进行控制。可替代地，函数f可以在解码器侧获取或者可以根据用户定义指定，正如本发明许多不同实施例中的几个实例。
根据本发明的一些实施例，比特深度增强器50可以是视频后处理器38的一部分，其可以用于额外的视频质量增强。根据应用的各种需要，该增强可以包括应用常规的高斯滤波器来平滑视频质量、应用对比度增强滤波器来增加对比度、应用图像增强滤波器来增加清晰度和/或应用颜色增强过滤器来增加色域。根据本发明的一些实施例，视频质量增强级可以在较高的M比特深度下进行操作并且可以涉及用于视频显示设备42的具体需要的增强。
可以设计落在所附权利要求书的范围内的许多变体。例如，尽管上面描述了视频信号的比特深度转换，根据本发明的其它实施例，该比特深度转换技术可同样地应用于传送静态图像的信号。
比特深度增强器50的优点可以包括下面的一种或多种。通过利用局部内容的特性，比特深度增强器50增强了较低比特深度的视频/图像的图像质量。比特深度增强器50通过从较低比特深度的信号获得的特征，根据该较低比特深度的信号来预测较高比特深度的信号，并且由于不需要在比特流中传递额外的开销，因此比特深度增强器50继承了自身构建的期望属性。比特深度增强器50通过邻域统计和局部内容而根据较低比特深度的信号来预测较高比特深度的信号。比特深度增强器50利用低比特深度信号的局部边缘检测来适应高比特深度信号的构建。比特深度增强器50利用低比特深度信号的局部内容统计来适应高比特深度信号的构建。
图2描绘了根据本发明一些实施例的比特深度增强器50的方框图。比特深度增强器50包括局部邻域内容分析器52，其收集关于每个目标像素值的局部邻域的信息。在这一点，分析器52可以包括内容分析器54，其执行诸如边缘检测的分析，并且该分析器52还可以包括局部邻域统计分析器58，其收集诸如平均像素值、偏差和方差之类的各种局部邻域统计。基于分析器52所获取的信息，比特深度增强器50的局部内容自适应比特预测器64以上述方式应用等式7来执行比特深度转换。
尽管已经参照有限数量的实施例描述了本发明，但是对于本领域的普通技术人员，通过本公开内容的优势，将根据其内容做出多种修改和变体。所附权利要求书意欲覆盖落入本发明的真实精神和范围内的所有这种修改和变体。

Claims (20)

1、一种方法，包括：
至少部分地基于像素的邻域，将用于所述像素的与较低比特深度相关联的第一值转换成用于所述像素的与较高比特深度相关联的第二值。
2、根据权利要求1所述的方法，其中，所述邻域包括与先前时间的图像相关联的共址邻域、与未来时间的图像相关联的共址邻域以及与当前图像相关联的邻域中的一个。
3、根据权利要求1所述的方法，其中，所述邻域具有与所述较低比特深度相关联的比特深度域。
4、根据权利要求1所述的方法，其中，所述转换的动作包括至少部分地基于位于所述第一像素附近的额外像素的特性而将所述第一值转换成所述第二值。
5、根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
检测由所述邻域表示的图像中的边缘，其中所述转换的动作至少部分地基于所述检测的结果。
6、根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
确定所述邻域中的像素值，其中所述转换的动作至少部分地基于所确定的像素值。
7、根据权利要求6所述的方法，进一步包括：
确定所确定的像素值的平均值，其中所述转换的动作至少部分地基于所述平均值。
8、根据权利要求6所述的方法，进一步包括：
确定所确定的像素值的方差，其中所述转换的动作至少部分地基于所述方差。
9、一种物品，其包括计算机可存取的存储介质来存储在通过基于处理器的系统执行时使该基于处理器的系统进行如下操作的指令：
至少部分地基于像素的邻域，将用于所述像素的与较低比特深度相关联的第一值转换成用于所述像素的与较高比特深度相关联的第二值。
10、根据权利要求9所述的物品，其中，所述邻域包括与先前时间的图像相关联的共址邻域、与未来时间的图像相关联的共址邻域以及与当前图像相关联的邻域中的一个。
11、根据权利要求9所述的物品，其中，所述邻域具有与所述较低比特深度相关联的比特深度域。
12、根据权利要求9所述的物品，所述存储介质存储指令，当执行所述指令时，使所述基于处理器的系统确定所述邻域中的像素值。
13、根据权利要求12所述的物品，所述存储介质存储指令，当执行所述指令时，使所述基于处理器的系统确定所确定的像素值的平均值。
14、根据权利要求12所述的物品，所述存储介质存储指令，当执行所述指令时，使所述基于处理器的系统确定所确定的像素值的方差。
15、一种装置，包括：
分析器，其响应于表示用于像素的较低比特深度值的第一信号，确定关于像素邻域的信息；以及
预测器，其基于所确定的信息，将所述较低比特深度值转换成用于所述像素的较高比特深度值以产生第二信号。
16、根据权利要求15所述的装置，其中所述分析器检测由所述邻域表示的图像中的边缘。
17、根据权利要求15所述的装置，其中，所述分析器确定对于每个邻域的平均像素值。
18、根据权利要求15所述的装置，其中，所述分析器确定对于每个邻域的像素值的方差。
19、根据权利要求15所述的装置，其中每个邻域与所述像素之一的位置相关联，并且其中所述邻域包括与先前时间的图像相关联的共址邻域、与未来时间的图像相关联的共址邻域和/或与当前图像相关联的邻域。
20、根据权利要求15所述的装置，其中所述邻域与所述较低比特深度相关联。
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