CN101742080A - 一种视频图像4/3倍放大方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种视频图像4/3倍放大方法，包括下列步骤：首先判断原始图像的宽度和高度是否是3的整数倍，如果不是，则将图像的宽度和/或高度补齐到3的整数倍；然后，分别将图像水平方向和垂直方向上的每3个旧像素扩展为4个新像素，4个新像素的像素值由3个旧像素中的与新像素相邻的1个到3个旧像素的像素值取加权平均值得到。实施本发明的视频图像4/3倍放大方法，计算复杂度与零阶插值视频图像放大方法接近，而图像质量则接近于双线性一阶插值视频图像放大方法，较好地平衡了运算速度和图像质量之间的关系，可以得到较快的运算速度以及较高的图像质量，非常适用于在资源受限的系统中进行视频图像4/3倍放大操作。

Description

一种视频图像4/3倍放大方法

技术领域

本发明涉及视频图像处理领域，更具体地说，涉及一种视频图像4/3倍放大方法。

背景技术

视频图像放大要求执行2步操作：1、创立新的像素位置；2、对这些新位置赋值。假设有一幅大小为3×3像素的图像，想把它放大4/3倍，即4×4像素。一种较为容易的理解图像放大概念的方法是：在原始图像上放置虚构的4×4个栅格(显然，栅格的间隔小于1个像素)；然后，采用某种方法将栅格上的点全部赋值；最后，将这些栅格扩展到目标图像的大小。这样，就完成了图像的放大操作。

原始图像和放大图像像素位置的这种关系，可以用附图1来帮助理解。图1中，符号o表示原图像像素，符号x表示放大图像的像素，符号

表示原像素和放大后的像素在同一位置。

图像放大方法，实际上都是上述“某种方法”一词的具体例子，亦即用于解决给新位置赋值的问题。

其中，现有技术中，最简单的是最近邻插值，也称零阶插值。该方法在原图像上寻找一个最靠近的像素，将其值赋给栅格上的新像素。这种方法的优点是简单快捷，只需取值，不需任何运算；但缺点也同样明显：存在严重的棋盘格效应。

为了提高精度，现有技术中，一般采用的放大方法是一阶的双线性插值。该方法采用4个最靠近的像素进行双线性内插。令(x’，y’)代表放大图像中一点的坐标，并令v(x’，y’)代表该点被赋予的像素值。对于双线性插值来说，v(x’，y’)由下式给出：

v(x’，y’)＝ax’+by’+cx’y’+d    (式1.1)

这里，a、b、c和d等4个系数由点(x’，y’)的4个最邻近点列出的4个方程决定。

双线性一阶插值得到的图像效果较好，但该方法计算比较复杂，该通用方法需要用到浮点运算。即便是对视频图像4/3倍放大进行专门的优化后，平均生成一个新像素也需要做2.5次整数加法和2.5次移位操作。

对于手机等资源受限的移动视频终端，在需要使用视频图像4/3倍放大方法的应用中，总是面临一个两难的选择：如果采用零阶的最近邻插值视频图像放大方法，速度可以接受但是视频图像质量差；采用双线性一阶插值视频图像放大方法，视频图像质量好但是运算速度又难以接受。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述图像质量和运算速度不能兼顾的缺陷，提供一种具有较高图像质量且具有较高运算速度的视频图像4/3倍放大方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种视频图像4/3倍放大方法，包括下列步骤：

S1.判断原始图像的宽度和高度的像素点数是否是3的整数倍，如果是，则转步骤S3，否则，转步骤S2；

S2对原始图像进行边界扩展，将原图的不为3的整数倍的宽度和/或高度补齐到3的整数倍，转步骤S3；

S3.先将图像水平方向上的每3个旧像素扩展为4个新像素，然后将图像垂直方向上的每3个旧像素扩展为4个新像素，转步骤S4；

或者，先将图像垂直方向上的每3个旧像素扩展为4个新像素，然后将图像水平方向上的每3个旧像素扩展为4个新像素；转步骤S4；

S4.结束；

所述步骤S3中，4个新像素的像素值分别由3个旧像素中的与新像素相邻的1个到3个旧像素的像素值取加权平均值得到。

在本发明中，对于黑白视频图像，所述步骤S3中，4个新像素的像素值即为灰度值，如下得到：3个旧像素分布在理想的图像采样间隔0～12的位置0、位置4、位置8，4个新像素分布在理想的图像采样间隔的位置0、位置3、位置6、位置9，4个新像素的像素值即为灰度值，用下列公式计算出：

v’(0)＝2(0)                 (式2.1)

v’(6)＝(v(4)+v(8))÷2       (式2.2)

v’(3)＝(v(0)+v’(6))÷2     (式2.3)

v’(9)＝(v’(6)+v(12))÷2    (式2.4)

当v(8)处于边界时v’(9)＝v(8)，即

v’(9)＝v(8)                 (式2.5)

其中，(0)、(3)、(4)、(6)、(8)、(9)、(12)代表原始图像或放大图像的一个像素在一维采样坐标中的位置，v(0)、v(4)、v(8)、v(12)代表原始图像的像素的灰度值，v’(0)、v’(3)、v’(6)、v’(9)代表放大图像的像素的灰度值。

在本发明中，对于彩色视频图像，在所述步骤S1之前还包括下列步骤S0：将原始彩色图像分解为多幅具有各个分量灰度值的分量原始图像；然后对各个分量原始图像先后用权利要求1中的步骤S1至S3进行处理，获得各4/3倍分量放大图像；

将上述获得的4/3倍各分量放大图像合成为4/3倍放大的彩色图像，转步骤S4；

所述步骤S3中，4个新像素的像素值由3个旧像素中的与新像素相邻的1个到3个旧像素的像素值取加权平均值得到。

在本发明中，对于彩色视频图像，所述步骤S3中，3个旧像素分布在理想的图像采样间隔0～12的位置0、位置4、位置8，4个新像素分布在理想的图像采样间隔的位置0、位置3、位置6、位置9，4个新像素的像素值用下列公式计算出：

v’(0)＝v(0)                   (式2.1)

v’(6)＝(v(4)+v(8))÷2         (式2.2)

v’(3)＝(v(0)+v’(6))÷2        (式2.3)

v’(9)＝(v’(6)+v(12))÷2       (式2.4)

当v(8)处于边界时v’(9)＝v(8)，即

v’(9)＝v(8)                    (式2.5)

其中，(0)、(3)、(4)、(6)、(8)、(9)、(12)代表原始图像或放大图像的一个像素在一维采样坐标中的位置，v(0)、v(4)、v(8)、v(12)代表原始图像的像素的像素值，v’(0)、v’(3)、v’(6)、v’(9)代表放大图像的像素的像素值。

实施本发明的视频图像4/3倍放大方法，具有以下有益效果：本方法的计算复杂度与零阶插值视频图像放大接近，平均起来，生成一个新像素需要1.3125次整数加法和1.3125次移位操作，比双线性一阶插值视频图像放大方法的计算复杂度少了近一半，而图像质量则接近于双线性插值视频图像放大方法，较好地平衡了运算速度和图像质量之间的关系，可以得到较快的运算速度以及较高的图像质量，非常适用于在资源受限的系统中进行视频图像4/3倍放大操作。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是现有技术中将一幅3×3像素的图像放大4/3倍的示意图；

图2是本发明旧像素和新像素在理想采样坐标上的分布示意图；

图3是本发明的优选实施例的流程图；

图4是用于测试本发明的视频图像4/3倍放大方法的一幅实际视频截屏图像；

图5是用最近邻插值视频图像放大方法对图4放大后得到的视频的截屏图像；

图6是用双线性插值视频图像放大方法对图4放大后得到的视频的截屏图像；

图7是用本发明的视频图像4/3倍放大方法对图4放大后得到的视频的截屏图像。

具体实施方式

如图1所示的是现有技术中将一幅3×3像素的视频图像放大4/3倍的示意图。

图2是本发明旧像素和新像素在理想采样坐标上的分布示意图。本发明的方法是针对4/3倍放大中新旧像素间的相邻关系特点而提出的，在计算复杂度方面，与零阶的最近邻插值方法最接近，而在图像质量方面，则与一阶的双线性插值较为接近。图2中，水平方向的0～12表示理想的视频图像采样间隔；0、4、8、12表示实际采样间隔，也就是原始视频图像的采样间隔，坐标0、4、8处是一组旧的像素组，坐标12是下一组旧的三元像素组的第一个像素；坐标0、3、6、9处表示重新采样的间隔，亦即从原始视频图像放大而来的目标视频图像的采样间隔，即坐标0、3、6、9处的像素组成一组新的四元像素组。

令(x)代表原始视频图像或放大视频图像的一个像素在一维采样坐标中的位置(x＝0，3，4，6，8，9，12......)，并令v(x)和v’(x)分别代表原始视频图像和放大视频图像的像素灰度值。图2中4个新像素的灰度值可以用下列公式计算出：

v’(0)＝v(0)                     (式2.1)

v’(6)＝(v(4)+v(8))÷2           (式2.2)

v’(3)＝(v(0)+v’(6))÷2         (式2.3)

v’(9)＝(v’(6)+v(12))÷2        (式2.4)

对于图像在二维方向上都放大4/3倍的情况，只需将上述的式2.1～2.4先在水平方向上应用一次，后在垂直方向上再应用一次，即可生成最终的放大图像。平均起来，生成一个新像素的灰度值需要1.3125次整数加法和1.3125次移位操作，比双线性插值方法少了近一半。

上述公式是本方法的核心内容，下面是几点补充：

首先，考虑位于原始图像右边界或下边界处的3点如何插值出4点：这种情况下，采样坐标12(见图2)的位置已经超出了图像的范围，其像素值未可知。此时必须对这v(9)的求法略做调整：

v’(9)＝v(8)           (式2.5)

其次，如果原始图像的宽度或高度的像素的点数不是3的整数倍，则在进行放大操作前，必须先进行边界扩展，将原始图像的宽度和高度的像素的点数补齐到3的整数倍。另外，上述由旧像素的灰度值得到新像素的灰度值的各个公式可概括为：通过将3个旧像素中的与新像素相邻的1个到3个旧像素的灰度值(对于彩色视频图像来说，是像素值，即包括灰度值或亮度值或色度值或其他颜色空间的幅值)取加权平均值得到。

图3所示的是本发明的优选实施例的流程图。开始，步骤S1：判断原始图像的宽度和高度的像素的点数是否是3的整数倍，如果是，则转步骤S3；如果不是，则转步骤S2。S2：对原始图像进行边界扩展，将原始图像的宽度和高度的像素的点数补齐到3的整数倍；转步骤S3。S3：先将图像水平方向上的每3个旧像素扩展为4个新像素，然后将图像垂直方向上的每3个旧像素扩展为4个新像素，或者，先将图像垂直方向上的每3个旧像素扩展为4个新像素，然后将图像水平方向上的每3个旧像素扩展为4个新像素；转步骤S4。S4：结束。其中，将每3个旧像素扩展为4个新像素时，是采用式2.1～2.5计算得出新像素的灰度值，即4个新像素的灰度值由3个旧像素中的与新像素相邻的1个到3个旧像素的灰度值取加权平均值得到。

需说明的是，对彩色视频图像的4/3倍放大也很简单：只需在进行上述处理步骤之前，将原始彩色图像分解为多幅具有各个分量值的分量原始图像，然后对各个分量(此时各分量图像的像素值代表灰度值或亮度值或色度值或其他相应的颜色空间的幅值，统称为像素值)原始图像先后分别进行上述步骤，获得4/3倍各分量放大图像，最后将获得的4/3倍各分量放大图像合并成为放大后的彩色视频图像，转步骤S4。上述步骤S3中，4个新像素的像素值由3个旧像素中的与新像素相邻的1个到3个旧像素的像素值取加权平均值得到。

本方法的优点是：计算复杂度与零阶插值最接近，而图像质量则接近于一阶的双线性插值；较好地平衡了运算速度和图像质量之间的关系，非常适用于在资源受限的系统(例如，各种手机、MP4播放器等手持式设备)中进行视频图像的4/3倍放大操作。

下面给出2组实验数据来说明上述优点。

第一组数据是不同方法的运算量对比的表格，见下表1。

表1不同方法的运算量对比数据表

生成一个新像素平均需要的	最近邻插值方法	双线性插值方法	本发明方法
				整数加法操作(次)	0	2.5	1.3125
移位操作(次)	0	2.5	1.3125

第二组对比数据是用各种视频放大方法对一实际视频中的帧图像进行4/3倍放大后的视频截屏图像的对比，用于对比现有的方法和本发明方法生成的视频图像的质量，见图4～图7。其中，图4是一幅待放大的原始视频的截屏图像(大小为240×180像素)，图5是用最近邻插值放大方法对图4放大处理得到的放大后的视频的截屏图像(大小为320×240像素)，图6是用双线性插值放大方法对图4放大处理得到的放大后的视频的截屏图像(大小为320×240像素)，图7是用本发明的视频4/3倍放大方法对图4放大处理得到的放大后的视频的截屏图像(大小为320×240像素)。从上面的图4至图7的各实际图像数据不难看出，本发明的视频4/3倍放大方法的运算量只有双线性插值视频放大方法计算复杂度的一半，而得到的视频的截屏图像的整体较为平滑，不像最近邻插值视频放大方法那样导致在视频的图像边缘处有明显的噪声。

Claims (4)

1.一种视频图像4/3倍放大方法，其特征在于，包括下列步骤：

S1.判断原始图像的宽度和高度的像素的点数是否是3的整数倍，如果是，则转步骤S3，否则，转步骤S2；

S2.对原始图像进行边界扩展，将原始图像的不为3的整数倍的宽度和/或高度的像素的点数补齐到3的整数倍，转步骤S3；

S3.先将图像水平方向上的每3个旧像素扩展为4个新像素，然后将图像垂直方向上的每3个旧像素扩展为4个新像素，转步骤S4；

或者，先将图像垂直方向上的每3个旧像素扩展为4个新像素，然后将图像水平方向上的每3个旧像素扩展为4个新像素；转步骤S4；

S4.结束；

所述步骤S3中，4个新像素的像素值分别由3个旧像素中的与新像素相邻的1个到3个旧像素的像素值取加权平均值得到。

2.根据权利要求1所述的视频图像4/3倍放大方法，其特征在于，对于黑白视频图像，所述步骤S3中，4个新像素的像素值即为灰度值，如下得到：3个旧像素分布在理想的图像采样间隔0～12的位置0、位置4、位置8，4个新像素分布在理想的图像采样间隔的位置0、位置3、位置6、位置9，4个新像素的像素值即为灰度值，用下列公式计算出：

v’(0)＝v(0)                (式2.1)

v’(6)＝(v(4)+v(8))÷2      (式2.2)

v’(3)＝(v(0)+v’(6))÷2    (式2.3)

v’(9)＝(v’(6)+v(12))÷2   (式2.4)

当v(8)处于边界时v’(9)＝v(8)，即

v’(9)＝v(8)                (式2.5)

其中，(0)、(3)、(4)、(6)、(8)、(9)、(12)代表原始图像或放大图像的一个像素在一维采样坐标中的位置，v(0)、v(4)、v(8)、v(12)代表原始图像的像素的灰度值，v’(0)、v’(3)、v’(6)、v’(9)代表放大图像的像素的灰度值。

3.一种基于权利要求1的视频图像4/3倍放大方法，其特征在于，对于彩色视频图像，在所述步骤S1之前还包括步骤S0：将原始彩色图像分解为多幅具有各个分量值的分量原始图像；然后对各个分量原始图像分别先后用权利要求1中的步骤S 1至S3进行处理，获得4/3倍各分量放大图像；

将上述获得的4/3倍各分量放大图像合成为4/3倍放大的彩色图像，转步骤S4；

所述步骤S3中，4个新像素的像素值由3个旧像素中的与新像素相邻的1个到3个旧像素的像素值取加权平均值得到。

4.根据权利要求3所述的视频图像4/3倍放大方法，其特征在于，所述步骤S3中，3个旧像素分布在理想的图像采样间隔0～12的位置0、位置4、位置8，4个新像素分布在理想的图像采样间隔的位置0、位置3、位置6、位置9，4个新像素的像素值用下列公式计算出：

v’(0)＝v(0)                  (式2.1)

v’(6)＝(v(4)+v(8))÷2        (式2.2)

v’(3)＝(v(0)+v’(6))÷2      (式2.3)

v’(9)＝(v’(6)+v(12))÷2     (式2.4)

当v(8)处于边界时v’(9)＝v(8)，即

v’(9)＝v(8)                  (式2.5)

其中，(0)、(3)、(4)、(6)、(8)、(9)、(12)代表原始图像或放大图像的一个像素在一维采样坐标中的位置，v(0)、v(4)、v(8)、v(12)代表原始图像的像素的像素值，v’(0)、v’(3)、v’(6)、v’(9)代表放大图像的像素的像素值。

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