CN101472053B - 一种瞬态增强数字视频图像的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种瞬态增强数字视频图像的装置及方法，该装置包括如下模块：信号产生模块、系数调整模块、乘法模块、加法模块、限幅模块，原始信号分别同时输入信号产生模块和系数调整模块；输出的信号与增益在乘法模块中相乘后产生叠加勾边信号；该信号在加法模块中与原始信号相加后经过限幅模块限幅后输出。该方法包括如下步骤：对原始信号中的图像边缘产生勾边信号；判断原始信号的高频部分产生增益调节系数；将前两步产生的结果和增益相乘后与原始信号相加得到修正值；对修正值限幅后输出。本发明在保证低频信号有明显的增强效果的同时高频信号不会出现闪烁和边缘扭曲，使图像更加亮丽。

Description

一种瞬态增强数字视频图像的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种对视频图像进行优化的硬件装置及方法，特别是嵌入式SoC增强数字视频图像的装置及方法。

背景技术

随着PC机的广泛使用以及数字电视的出现，人们对视频图像的清晰度要求越来越高，将隔行的模拟信号转换成逐行的数字信号后，仍需采用一些画质增强技术以改善图像质量。数字亮度瞬态增强(Digital LuminanceTransient Improvement，简称DLTI)技术就是通过恢复亮度信号中的高频分量，使过渡带变窄，边缘变陡，在图像上就表现为图像的清晰度增强，画面更加亮丽。

色度信号的频带压缩以及色差信号的亚采样造成了信号传输特性的改变，导致色度信号的瞬态特性变坏。为了提高彩色图像的清晰度，在大屏幕彩电中广泛采用了数字彩色瞬态改善电路(Digital Color TransientImprovement，简称DCTI)，它的作用是对色差信号(Cb、Cr)进行瞬态特性改良，使色度信号的脉冲上升沿和下降沿之间的时间缩短、边缘变陡，从而增加色彩的清晰度。

实现图像瞬态增强的方法很多，常用的方法有两种：移位法和叠加勾边法。

移位法就是找到亮度信号(或色度信号)变化曲线边界过渡的特征点，然后使用斜率更高的变化曲线替代当前的变化曲线。移位法的关键在于正确判断出亮度信号(或色度信号)边界过渡带的位置，以及替代位置，检测亮度信号(或色度信号)一阶微分可以判断图像中的一个点是否是边缘点；检测亮度信号(或色度信号)二阶微分的正负可以判断一个边缘像素处在边缘的哪一侧；并且亮度信号(或色度信号)二阶微分的零点可以准确的反映图像的边界点。因此可以使用亮度信号(或色度信号)二阶微分的符号来判断替代的方向，并且可以用亮度信号(或色度信号)二阶微分的大小和一个增益的乘积来控制移位路径的大小。

叠加勾边法，在浙江大学2004年的硕士生论文(作者：孙一飞)的论文“基于FPGA的视频后处理系统”中公开了叠加勾边法的方法和实现结构，其方法就是在原始亮度信号(或色度信号)的基础上叠加一个勾边信号，如图1所示，利用滤波器来检测边缘和产生勾边信号的方法是目前叠加勾边法的主要实现方式。

上述的移位法和叠加勾边法都能达到一定的亮度增强效果，但是因为移位法只能利用已有的像素值来代替当前点的像素值，该方法的效果不如利用滤波器产生的叠加勾边信号对细节反映敏感。叠加勾边法采用单一增益会使垂直方向在高频处出现锯齿，当多场叠加后画面会出现闪烁和扭曲。

发明内容

本发明为消除叠加勾边法使用固定的增益所带来的图像多场叠加后高频处闪烁以及边缘扭曲的问题，提出了一种瞬态增强数字视频图像的装置及方法。

一种瞬态增强数字视频图像的装置，该装置包括如下模块：

信号产生模块201，对原始信号的图像边缘产生勾边信号；

加法模块204，将输入该模块的数据信号进行相加；

限幅模块205，对输入该模块的数据信号进行限幅；

本发明所述装置还包括如下模块：

系数调整模块202，用于产生增益调整系数；

乘法模块203，将输入该模块的数据信号进行相乘；

其中，所述原始信号同时输入至所述信号产生模块201和所述系数调整模块202后分别产生勾边信号和增益调整系数输出，输出的勾边信号和增益调整系数与一个数字可调的增益在乘法模块203中进行相乘得到调整后的勾边信号输送至加法模块204与原始信号进行相加，并经限幅模块205限幅后输出。

所述信号产生模块201还包括降噪模块，所述降噪模块对产生的勾边信号进行核化降噪。

所述系数调整模块202包括高通滤波模块202A、膨胀模块202B、取反模块202C和取平方模块202D，输入的原始信号依次经过高通滤波、膨胀、取反和取平方处理后产生增益调整系数输出。

所述信号产生模块201采用9阶有限脉冲响应滤波器。

所述膨胀模块从当前待处理像素的前后分别任取n个连续像素，与当前待处理的像素组成窗口，并选择所述窗口中所有像素的最大值替换当前待处理像素值进行膨胀，其中n为整数。

所述高通滤波模块采用的滤波系数为[-12-1]。

所述9阶有限脉冲响应滤波器采用以下的滤波器系数：

[-16-31-16 33 61 33-16-31-16]*26/256。

本发明所述该装置可用于亮度信号或色度信号的瞬态增强。

一种瞬态增强数字视频图像的方法，该方法包括如下步骤：

步骤一：原始信号经信号产生模块201产生勾边信号；

步骤二：在系数调整模块中，对高频部分进行判断并产生增益调节系数；

步骤三：将所述的勾边信号、增益调节系数和一个数字可调的增益进行相乘得到调整后的勾边信号；

步骤四：将步骤三得到的调整后的勾边信号与原始信号进行相加得到一修正值；

步骤五：对步骤四得到的修正值进行限幅后输出。

所述该方法还包括对所述步骤一产生的勾边信号进行核化降噪的步骤。

所述步骤二中还包括对原始信号依次进行高通滤波处理、膨胀处理、取反处理和取平方处理的步骤。

本发明所述方法可以用于亮度信号或色度信号的瞬态增强。

本发明所述方法由于增加了高频判断和自适应增益调整步骤，从而使图像上的高频部分增益调整为零或者接近于零，而低频处的增益调整到接近预先设定的增益值，这样就可以在保证低频有明显增强效果的同时高频处不会出现闪烁和边缘扭曲的问题。

附图说明

图1是现有技术中叠加勾边法原理图；

图2是本发明具体实施方式结构示意图；

图3是本发明所述系数调整模块内部模块组成图；

图4是本发明所述限幅模块工作原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细描述。

实施例一

在对亮度信号处理时，如图2所示将原始亮度信号分别输入所述的信号产生模块201和系数调整模块202，经该两模块处理后输出的信号与一个数字可调的增益在乘法模块203中相乘，产生调整后的勾边信号，该勾边信号在加法模块204中与原始的亮度信号相加后经限幅模块205限幅后输出。

为了便于本领域的技术人员顺利实施本发明，下面将详细描述组成本发明所述装置的各模块的工作过程。

信号产生模块201中对输入信号的处理过程如下：

根据输入的原始亮度信号产生勾边信号。勾边信号一般由亮度信号的二阶导数产生，也可以采用其它方法产生，只要产生的勾边信号可以反映亮度的边缘信息即可。本优选实施例采用一种9阶有限脉冲响应滤波器(FIR滤波器)产生勾边信号。有限脉冲响应滤波器(FIR滤波器)是一种没有反馈结构的滤波器，它的输出只与输入的信号有关。因为没有反馈结构，所以不会造成信号的相位失真，本实施例优选采用以下的滤波器系数：

diff_filter＝[-16-31-16 33 61 33-16-31-16]*26/256；

降噪模块对产生的勾边信号进行核化降噪，核化降噪的主要目的就是滤除小幅度噪声，即在不损失图像轮廓的前提下，尽可能使画面的噪声更小。进行核化降噪就是将小于一定阈值的信号用零代替，而对大于或等于阈值的信号，保持不变。通过改变阈值来改变核化降噪的效果，这样就可以有效的滤除小幅度的噪声。

其次，针对高频区域出现混叠从而造成多场图像叠加后的闪烁以及边缘扭曲等问题，本发明在高频区域的处理中加入了系数调整模块202。该模块包括以下模块，如图3所示：

高通滤波模块202A，对原始的亮度信号进行高通滤波处理，得到亮度信号的高频部分，本实施例中高通滤波器的系数为[-12-1]，也可以用其它方法来实现滤波，只要滤波后得到亮度信号的高频部分即可，并将高通滤波后的信号限幅在0到255内。本模块中的限幅是把处于0到255范围外的数据分别用0和255代替，处在0到255范围内的数据不变，即若高通滤波后的信号小于0，则用0代替；大于255，则用255代替，其余的不变。

膨胀子模块202B，对经高通滤波后的亮度或色度信号进行膨胀，因为在图像的中高频区域有可能混有少量的低频分量。所以在经高通滤波后，不可避免会留下这些低频分量，本发明根据形态学中膨胀的原理来消除高频中的少量低频分量，根据膨胀的基本原理，本发明利用窗口中的最大值来代替当前被处理像素的值来实现膨胀，从而可以有效地消除高频区域中混有的少量低频分量，本实施例优选采用1*5的窗口，也可采用其他比例的窗口，但是当前被处理的像素应该处在窗口的中心。

取反模块202C，对于膨胀后的信号进行取反，因为本发明要利用膨胀后的信号对增益进行自适应的控制，即将图像上的高频部分增益调整为零，或者接近于零，而低频处的增益调整到接近预先设定的增益值，这样就可以在保证低频有明显的增强效果的同时高频处不会出现闪烁的问题。

取平方模块202D，对于取反后的信号取平方，取平方可以降低增益的衰减速度，这样可以使效果更加明显；

乘法模块203，将信号产生模块201输出的勾边信号和系数调整模块202产生的增益调节系数与预先设定的增益相乘，就得到调整后的勾边信号；

再将原始输入的亮度信号与增益后的勾边信号在加法模块204相加，就得到了亮度信号的修正值。

限幅模块205其原理如图4所示，其中对输入信号的处理包括如下两个步骤：

第一步，从当前待处理像素的前后分别任取n个连续像素，与当前待处理的像素组成窗口，其中n为整数。然后选择出窗口中所有像素的最大值和最小值。

第二步，将修正值与窗口的最大值，最小值相比较，若修正值处在最大值和最小值之间，则输出修正值，若修正值比最大值还大，则输出最大值，若修正值比最小值还要小，则输出最小值。

实施例二

本发明所述瞬态增强数字视频图像的装置及方法还可用于对图像色度信号进行增强。

在对色度信号进行处理时，如图2所示将原始色度信号分别输入至所述的信号产生模块201和系数调整模块202，从该两模块输出的信号与一个数字可调的增益在乘法模块203中相乘后产生调整后的勾边信号，所述勾边信号在加法模块204中与原始色度信号相加后经过限幅模块205限幅后输出。

在对色度信号处理时，每个模块的具体结构、功能和对亮度信号增强时相同，采用的滤波器系数也相同。

本发明加入了高频判断和自适应增益调整步骤，使图像上的高频部分增益调整为零或者接近于零，而低频处的增益调整到接近预先设定的增益的值，这样就可以在保证低频有明显的增强效果的同时高频处不会出现闪烁和边缘扭曲的问题。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种瞬态增强数字视频图像的装置，该装置包括如下模块：

信号产生模块(201)，对原始信号的图像边缘产生勾边信号；

加法模块(204)，将输入该模块的数据信号进行相加；

限幅模块(205)，对输入该模块的数据信号进行限幅；

其特征在于，该装置还包括如下模块：

系数调整模块(202)，用于产生增益调整系数，包括高通滤波模块(202A)、膨胀模块(202B)、取反模块(202C)和取平方模块(202D)，输入的原始信号依次经过高通滤波、膨胀、取反和取平方处理后产生增益调整系数输出；

乘法模块(203)，将输入该模块的数据信号进行相乘；

其中，所述原始信号同时输入至所述信号产生模块(201)和所述系数调整模块(202)后分别产生勾边信号和增益调整系数输出，输出的勾边信号和增益调整系数与一个数字可调的增益在乘法模块(203)中进行相乘得到调整后的勾边信号输送至加法模块(204)与原始信号进行相加，并经限幅模块(205)限幅后输出。

2.根据权利要求1所述的一种瞬态增强数字视频图像的装置，其特征在于，所述信号产生模块(201)还包括降噪模块，所述降噪模块对产生的勾边信号进行核化降噪。

3.根据权利要求1所述的一种瞬态增强数字视频图像的装置，其特征在于，所述信号产生模块(201)采用9阶有限脉冲响应滤波器。

4.根据权利要求1所述的一种瞬态增强数字视频图像的装置，其特征在于，所述膨胀模块从当前待处理像素的前后分别任取n个连续像素，与当前待处理的像素组成窗口，并选择所述窗口中所有像素的最大值替换当前待处理像素值进行膨胀，其中n为整数。

5.根据权利要求1至4任一所述的一种瞬态增强数字视频图像的装置，其特征在于，所述高通滤波模块采用的滤波系数为[-12-1]。

6.根据权利要求3所述的一种瞬态增强数字视频图像的装置，其特征在于，所述的9阶有限脉冲响应滤波器采用以下的滤波器系数：

[-16-31-16 33 61 33-16-31-16]*26/256。

7.根据权利要求1至4中任一所述的一种瞬态增强数字视频图像的装置，其特征在于，该装置可用于亮度信号或色度信号的瞬态增强。

8.一种瞬态增强数字视频图像的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤一：原始信号经信号产生模块(201)产生勾边信号；

步骤二：在系数调整模块中，对高频部分进行判断并产生增益调节系数，具体包括对原始信号依次进行高通滤波处理、膨胀处理、取反处理和取平方处理；

步骤三：将所述的勾边信号、增益调节系数和一个数字可调的增益进行相乘得到调整后的勾边信号；

步骤四：将步骤三得到的调整后的勾边信号与原始信号进行相加得到一修正值；

步骤五：对步骤四得到的修正值进行限幅后输出。

9.根据权利要求8所述的一种瞬态增强数字视频图像的方法，其特征在于，该方法还包括对所述步骤一所产生的勾边信号进行核化降噪的步骤。

10.根据权利要求8至9中任一所述的一种瞬态增强数字视频图像的方法，其特征在于，该方法可以用于亮度信号或色度信号的瞬态增强。

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