CN101990054B - 影像信息处理装置以及方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种影像信息处理装置以及方法，选择性地仅使影像信息中所包含的粗糙灰度变化平滑来提高画质。影像信息处理装置具有：平滑化部，其使由多个像素构成的输入影像信息平滑化来生成平滑化影像信息；减法部，其计算输入影像信息和平滑化影像信息的灰度差；混合部，其按照与灰度差相应的比例混合输入影像信息和平滑化影像信息，来生成混合影像信息；判断部，其对输入影像信息的各个像素判断包含该像素以及位于该像素周围的像素的周围像素区域是否为不包含规定以上的灰度变化的低频区域；以及输出选择部，其在判断部判断为周围像素区域是低频区域的情况下输出混合影像信息，判断为不是低频区域的情况下输出输入影像信息。

Description

影像信息处理装置以及方法
技术领域
本发明涉及一种影像信息处理装置以及方法。
背景技术
近年来，在很多国家开始进行已能够多频道化、高精细化等的数字电视广播，还有些国家进行面向便携式电话机等移动体的广播。例如在采用ISDB-T(Integrated Services Digital Broadcasting-Terrestrial：地面综合业务数字广播)方式的日本地面数字电视广播中，利用将各频道分割为十三个段中的一段来进行单波段广播(面向便携式电话机和移动体终端的单波段部分接收服务)。另外，作为面向其它移动体的数字电视广播，已知DVB-H(Digital Video Broadcasting-Handheld：手持数字视频广播)方式、T-DMB(Terrestrial-Digital Multime dia Broadcasting：地面数字多媒体广播)方式等。
上述面向移动体的数字电视广播除了能使用便携式电话机收看以外，还能使用车辆导航装置、设置于浴室等中的小型电视机等来收看。另外，还能够将接收部(调谐器)连接到模拟广播用电视机、个人计算机等来收看上述面向移动体的数字电视广播。例如，在专利文献1中公开了一种如下的单波段影像显示方法以及装置：利用装载在便携式电话机等中的单波段广播用的调谐器，能够以更大的显示画面来收看。
这样，不仅能够以便携式电话机等较小的显示画面收看面向移动体的数字电视广播，还能够以更大的显示画面来收看面向移动体的数字电视广播。
专利文献1：日本特开2009-111559号公报
发明内容
发明要解决的问题
然而，在上述面向移动体的数字电视广播中，使用H.246/MPEG-4 AVC那样的影像压缩技术，信息比特速率低于通常的面向固定接收的数字电视广播的信息比特速率。
因此，无法平滑地表现天空、人的皮肤等灰度变化(层次)，表现为层次粗糙。在使用像素变换等来放大(按比例放大)影像信息而以更大的显示画面来收看的情况下，这种粗糙的层次特别明显。另外，在以防止由于按比例放大而引起轮廓线模糊为目的进行边缘增强处理的情况下，会使粗糙的层次进一步增强。
用于解决问题的方案
解决上述问题的本发明主要是一种影像信息处理装置，其特征在于，具有：平滑化部，其使由多个像素构成的输入影像信息平滑化来生成平滑化影像信息；减法部，其计算上述输入影像信息和上述平滑化影像信息的灰度差；混合部，其按照与上述灰度差相应的比例来混合上述输入影像信息和上述平滑化影像信息，来生成混合影像信息；判断部，其对于上述输入影像信息的各个像素，判断包含该像素以及位于该像素周围的像素的周围像素区域是否为不包含规定以上的灰度变化的低频区域；以及输出选择部，其在上述判断部判断为上述周围像素区域是上述低频区域的情况下，输出上述混合影像信息，在上述判断部判断为上述周围像素区域不是上述低频区域的情况下，输出上述输入影像信息。
本发明的另一方面是一种影像信息处理方法，其特征在于具有以下步骤：使上述输入影像信息平滑化来生成平滑化影像信息；计算上述输入影像信息和上述平滑化影像信息的灰度差；按照与上述灰度差相应的比例来混合上述输入影像信息和上述平滑化影像信息，生成混合影像信息；对于上述输入影像信息的各个像素，判断包含该像素以及位于该像素周围的像素的周围像素区域是否为不包含规定以上的灰度变化的低频区域；以及在判断为上述周围像素区域是上述低频区域的情况下输出上述混合影像信息，在判断为上述周围像素区域不是上述低频区域的情况下输出上述输入影像信息。
根据附图以及本说明书的记载可明确本发明的其它特征。
发明的效果
根据本发明，通过选择性地仅使影像信息中所包含的粗糙的灰度变化平滑，能够提高画质。
附图说明
图1是表示本发明的第一实施方式中的影像信息处理装置的结构的框图。
图2是表示作为一例而使用于平滑化部1中的平均化滤波器(移动平均滤波器)的图。
图3是表示作为一例而使用于平滑化部1中的加权平均化滤波器(高斯滤波器)的图。
图4是表示混合部3中的灰度差和混合比的关系的一例的示意图。
图5是表示本发明的第二实施方式中的影像信息处理装置的结构的框图。
图6是表示使用于边缘增强部6的锐化滤波器的一例的图。
图7是表示使用于边缘增强部6的锐化滤波器的其它例的图。
图8是表示输入影像信息V0的像素位置与灰度值的关系的一例的示意图。
图9是表示对输入影像信息V0进行了边缘增强处理的情况下的像素位置与灰度值的关系的一例的示意图。
图10是表示输出影像信息V3的像素位置与灰度值的关系的一例的示意图。
图11是表示输出影像信息V4的像素位置与灰度值的关系的一例的示意图。
图12是根据输入影像信息V0而显示的影像的一例。
图13是根据输出影像信息V4而显示的影像的一例。
图14是说明用于使计算机实现平滑化部1、减法部2、混合部3、判断部4以及输出选择部5的功能的程序的动作的流程图。
附图标记说明
1：平滑化部；2：减法部；3：混合部；4：判断部；5：输出选择部(多路转接器)；6：边缘增强部。
具体实施方式
根据本说明书以及附图的记载，至少可明确如下事项。
<第一实施方式>
影像信息处理装置的结构
下面，参照图1来说明本发明的第一实施方式中的影像信息处理装置的结构。
图1示出的影像信息处理装置构成为包含平滑化部1、减法部2、混合部3、判断部4以及输出选择部(多路转接器)5。对该影像信息处理装置例如输入将单波段广播的影像信息按比例放大而得到的输入影像信息V0。
将输入影像信息V0输入到平滑化部1，从平滑化部1输出平滑化影像信息V1。另外，将输入影像信息V0和平滑化影像信息V1输入到减法部2，从减法部2输出灰度差Dv。并且，将输入影像信息V0、平滑化影像信息V1以及灰度差Dv输入到混合部3，从混合部3输出混合影像信息V2。并且，将输入影像信息V0输入到判断部4，从判断部4输出判断结果Sv。
将输入影像信息V0和混合影像信息V2输入到输出选择部5的数据输入端，将判断结果Sv输入到输出选择部5的选择控制输入端。然后，从输出选择部5输出输出影像信息V3。
影像信息处理装置的动作
接着，说明本实施方式中的影像信息处理装置的动作。
输入到影像信息处理装置的各部或者从各部输出的影像信息例如由配置成M行N列的矩阵状的多个像素构成。在下面的说明中，将影像信息的各像素的位置表示为P(m、n)(1≤m≤M、1≤n≤N)。另外，附加(P)或者(m、n)来表示各像素位置P的要素(像素的灰度值等)。例如，将输入影像信息V0的各像素位置P的灰度值表示为V0(P)或者V0(m、n)。
平滑化部1使输入影像信息V0平滑化来生成平滑化影像信息V1。通过该平滑化处理来使输入影像信息V0中所包含的天空、人的皮肤等层次粗糙部分平滑化。
例如，能够使用图2示出的平均化滤波器(移动平均滤波器)来生成平滑化影像信息V1。在此，在使用图2的3×3(三行三列)大小的平均化滤波器的情况下，当将滤波器中央的像素(中心像素)的位置设为P时，平滑化影像信息V 1的各中心像素位置P的灰度值V1(P)如下：
V1(P)
＝[V0(m-1，n-1)+V0(m-1，n)+V0(m-1，n+1)
+V0(m，n-1)+V0(m，n)+V0(m，n+1)
+V0(m+1，n-1)+V0(m+1，n)+V0(m+1，n+1)]/9。
即，灰度值V1(P)成为以输入影像信息V0的像素位置P为中心的3×3大小的局部区域的灰度值的移动平均，对于九个像素的权重都相等是1/9。同样地，在使用图2的5×5(五行五列)大小的平均化滤波器的情况下，灰度值V1(P)成为以输入影像信息V0的像素位置P为中心的5×5大小的局部区域的灰度值的移动平均，对于二十五个像素的权重都相等是1/25。
另外，例如还能够使用图3示出的加权平均化滤波器来生成平滑化影像信息V1。如图3所示，加权平均化滤波器对各像素进行不同的加权，灰度值V1(P)成为以输入影像信息V0的像素位置P为中心的局部区域的、进行该加权而得到的灰度值的移动平均。此外，图3示出的加权平均化滤波器是加权按照距中心像素位置P的距离的高斯函数变化的高斯滤波器。
减法部2算出输入影像信息V0和平滑化影像信息V1的灰度差Dv(＞0)。此外，能够将各像素位置P的灰度差Dv(P)表示为
Dv(P)＝|V1(P)-V0(P)|。
混合部3按照与灰度差Dv相应的比例混合输入影像信息V0和平滑化影像信息V1，来生成混合影像信息V2。此外，当将该混合处理中的平滑化影像信息V1的比例设为混合比R时，能够将混合影像信息V2的各像素位置P的灰度值V2(P)表示为
V2(P)＝V1(P)×R(P)+V0(P)×[1-R(P)]。
在此，图4示出混合部3中的灰度差Dv和混合比R的关系的一例。在Dv＜Dref1(第一基准值)的情况下，混合部3使R＝1、即输入影像信息V0和平滑化影像信息V1的比例分别为0％和100％来进行混合，生成混合影像信息V2。另外，在Dv≥Dref2(第二基准值)＞Dref1的情况下，混合部3使R＝0、即输入影像信息V0和平滑化影像信息V 1的比例分别为100％和0％来进行混合，生成混合影像信息V2。并且，在Dref1≤Dv＜Dref2的情况下，混合比R大致线性地变化。
如上所述，平滑化部1使输入影像信息V0中所包含的层次粗糙部分平滑化，为了使天空等层次较大的部分平滑化，期望将平均化滤波器、加权平均化滤波器的大小设得较大。然而，平滑化部1是对输入影像信息V0整体进行一样的平滑化处理，因此当使用大小较大的滤波器时，层次部分以外的细微部分的信息(细节感)会消失。因此，在混合影像信息V2中，越是灰度差Dv相对变大的细微部分，平滑化影像信息V1的比例(混合比R)越小。这样，混合部3生成保持细微部分的信息并且使层次粗糙部分平滑化的混合影像信息V2。
判断部4对输入影像信息V0的各像素判断包含该像素和位于该像素周围的像素的周围像素区域是否为不包含规定以上的灰度变化的低频区域。例如，分别算出作为判断对象的像素(对象像素)的灰度值和与对象像素周围的八个像素(周围像素)的灰度值的差(＞0)，在任一个差都小于所设定的阈值的情况下，将包含对象像素和周围像素的周围像素区域判断为是低频区域。另外，例如也可以在周围像素区域的灰度值的最大值和最小值的差小于阈值的情况下判断为是低频区域。此外，各像素位置P的判断结果Sv(P)在判断部4将周围像素区域判断为是低频区域的情况下，成为Sv(P)＝L，在判断为不是低频区域的情况下，成为Sv(P)＝H。
输出选择部5根据判断部4的判断结果Sv来选择输入影像信息V0或者混合影像信息V2中的某一个，来生成输出影像信息V3。更具体地说，关于输出影像信息V3的各像素位置P的灰度值V3(P)，在Sv(P)＝L的情况下成为V3(P)＝V2(P)，在Sv(P)＝H的情况下成为V3(P)＝V0(P)。
这样，本实施方式的影像信息处理装置根据输入影像信息V0的周围像素区域是否是低频区域的判断结果Sv来选择输出输入影像信息V0和混合影像信息V2的某一个。在周围像素区域不是低频区域的情况下，该周围像素区域包含规定以上的灰度变化而不是层次部分，因此影像信息处理装置直接输出输入影像信息V0的灰度值。另一方面，在周围像素区域是低频区域的情况下，影像信息处理装置输出保持细微部分的信息并且使层次粗糙部分平滑化的混合影像信息V2的灰度值。因而，通过选择性地仅使输入影像信息V0中所包含的粗糙层次平滑化，能够提高画质。
<第二实施方式>
影像信息处理装置的结构
下面，参照图5来说明本发明的第二实施方式中的影像信息处理装置的结构。
图5示出的影像信息处理装置构成为相对于第一实施方式的影像信息处理装置还包含边缘增强部6。另外，将输出选择部5的输出影像信息V3输入到边缘增强部6，从边缘增强部6输出输出影像信息V4。
影像信息处理装置的动作
接着，说明本实施方式中的影像信息处理装置的动作。
本实施方式中的影像信息处理装置的动作，除了边缘增强部6的动作以外，与第一实施方式的影像信息处理装置的动作相同。
边缘增强部6对输出选择部5的输出影像信息V3的边缘进行增强，生成输出影像信息V4。通过该边缘增强处理，特别是在将按比例放大后的影像信息作为输入影像信息V0而输入的情况下，使模糊的轮廓线变得清楚。
例如能够使用图6示出的锐化滤波器来生成输出影像信息V4。此外，图6示出的锐化滤波器是从所输入的输出影像信息V3中减去基于行方向和列方向的二次微分的3×3大小的拉普拉斯滤波器的输出的滤波器，输出影像信息V4的各中心像素位置P的灰度值V4(P)成为
V4(P)＝5×V3(m，n)
-[V3(m，n-1)+V3(m，n+1)
+V3(m-1，n)+V3(m+1，n)]。
另外，例如还能够使用图7示出的锐化滤波器来生成输出影像信息V4。此外，图7示出的锐化滤波器是从所输入的输出影像信息V3中减去基于行方向、列方向以及斜方向的二次微分的3×3大小的拉普拉斯滤波器的输出的滤波器，输出影像信息V4的各中心像素位置P的灰度值V4(P)成为
V4(P)＝9×V3(m，n)
-[V3(m，n-1)+V3(m，n+1)
+V3(m-1，n)+V3(m+1，n)]
+V3(m-1，n-1)+V3(m+1，n+1)
+V3(m-1，n+1)+V3(m+1，n-1)]。
影像信息处理装置的动作的具体例
下面，参照图8至图13来说明影像信息处理装置的动作的具体例。
图8示出输入影像信息V0的一例，横轴表示平面上的像素位置P的位移，纵轴表示像素位置P的灰度值V0(P)。在图8中，区域A示出层次粗糙部分，由于灰度值V0(P)的变化较小，因此由判断部4判断为是低频区域。另一方面，区域B示出边缘部分，由于灰度值V0(P)的变化较大，因此由判断部4判断为不是低频区域。
在此，在对该输入影像信息V0直接进行边缘增强处理的情况下，如图9所示，作为边缘部分的区域B的灰度值的变化被增强。然而，没有平滑地表现区域A的层次，因此通过该边缘增强处理而导致区域A的灰度值的变化也被增强。
另一方面，如图10所示，对于被判断为是低频区域的区域A，输出选择部5的输出影像信息V3输出使层次粗糙部分平滑化的混合影像信息V2的灰度值。另外，对于被判断为不是低频区域的区域B，直接输出输入影像信息V0的灰度值。
因而，如图11所示，对输出影像信息V3进行边缘增强处理而得到的输出影像信息V4，平滑地表现了区域A的层次并增强了区域B的边缘。
这样，本实施方式的影像信息处理装置选择性地仅使输入影像信息V0中所包含的粗糙层次平滑化，并且使由于按比例放大而模糊的轮廓线清楚，从而能够提高画质。作为一例，本实施方式的影像信息处理装置对于图12示出的输入影像信息V0输出图13示出的输出影像信息V4。表现天空层次的区域G在输入影像信息V0中表现得粗糙，但是在输出影像信息V4中表现得平滑。另一方面，表现山的棱线的区域E的细微部分的信息没有由于平滑化处理而消失，而是被进行了边缘增强处理。
程序的动作
上述实施方式的影像信息处理装置的各部的功能还能够利用计算机来实现。下面，参照图14来说明用于使该计算机实现相当于影像信息处理装置的各部的功能的程序的动作。
当开始程序的处理时(S1)，首先输入输入影像信息V0(S2)，接着对各像素位置P(m、n)进行从S3至S8L或者S8H的处理(循环处理)。
在循环处理中，首先使用平均化滤波器等来使输入影像信息V0(P)平滑化，生成平滑化影像信息V1(P)(S3)。
接着，算出输入影像信息V0(P)和平滑化影像信息V1(P)的灰度差Dv(P)(S4)。
接着，例如如图4所示，根据灰度差Dv(P)来算出混合比R(P)(S5)。
接着，按照混合比R(P)来混合输入影像信息V0(P)和平滑化影像信息V1(P)，生成混合影像信息V2(P)(S6)。
接着，通过上述的方法来判断像素位置P的周围像素区域是否是低频区域(S7)。
在S7中将周围像素区域判断为是低频区域的情况下(S7：L)，输出混合影像信息V2(P)作为输出影像信息V3(P)(S8L)。另一方面，在S7中将周围像素区域判断为不是低频区域的情况下(S7：H)，输出输入影像信息V0(P)作为输出影像信息V3(P)(S8H)。
通过对各像素位置P进行从S3至S8L或者S8H的循环处理，来生成输出影像信息V3整体，结束处理(S9)。此外，以帧为单位等，在每次输入输入影像信息V0时进行以上处理。另外，也可以如第二实施方式的影像信息处理装置那样对所生成的输出影像信息V3进行边缘增强处理。
如上所述，按照与灰度差Dv相应的比例来混合输入影像信息V0和平滑化影像信息V1，生成混合影像信息V2，根据输入影像信息V0的周围像素区域是否为低频区域的判断结果Sv来选择输入影像信息V0和混合影像信息V2中的某一个，生成输出影像信息V3，由此选择性地仅使输入影像信息V0中所包含的粗糙层次平滑化，从而能够提高画质。
另外，还增强输出影像信息V3的边缘而生成输出影像信息V4，由此选择性地仅使输入影像信息V0中所包含的粗糙层次平滑化，并且使轮廓线清楚，从而能够提高画质。
另外，以灰度差Dv越大平滑化影像信息V1的比例越小的方式生成混合影像信息V2，由此能够生成保持细微部分的信息并且使层次粗糙部分平滑化的混合影像信息V2。
另外，将对单波段广播的影像信息按比例放大而得到的输入影像信息V0输入到影像信息处理装置，由此能够使由于影像压缩技术而成为粗糙表现的层次平滑或者使由于按比例放大而变得模糊的轮廓线清楚。
另外，在用于使该计算机实现相当于影像信息处理装置的各部的功能的程序中，通过对各像素位置P进行如下循环处理来选择性地仅使输入影像信息V0中所包含的粗糙层次平滑，从而能够提高画质，上述循环处理为按照混合比R(P)来混合输入影像信息V0(P)和平滑化影像信息V1(P)，生成混合影像信息V2(P)，根据像素位置P的周围像素区域是否是低频区域的判断结果Sv(P)，输出输入影像信息V0(P)和混合影像信息V2(P)中的某一个作为输出影像信息V3(P)。
此外，上述实施方式是用于容易地理解本发明的内容，并不是用来限定地解释本发明。本发明在不脱离其宗旨的范围内能够进行变更、改进，并且在本发明中还包含其等价物。
在上述实施方式中，作为输入影像信息V0的一例，说明了单波段广播的影像信息的情况，但是并不限于此。本发明的影像信息处理装置以及程序能够广泛应用于难以平滑地表现层次的压缩后的数字影像信息。例如，还能够应用于其它方式的面向移动体的数字电视广播、经由因特网的运动图像发布服务等的影像信息中。
在上述实施方式中，平滑化部1使用平滑化滤波器、加权平均化滤波器来生成平滑化影像信息V1，但是并不限于此。例如，还能够通过减少对输入影像信息V0进行二维FFT(FastFourier Transform：快速傅里叶变换)而得到的空间频率成分中的高频成分并进行二维IFFT(Inverse FFT：快速傅里叶逆变换)，来生成平滑化影像信息V1。在这种情况下，平滑化部1作为相对增强较低空间频率成分的LPF(Low-Pass Filter：低通滤波器)而发挥功能。
在上述第二实施方式中，边缘增强部6使用锐化滤波器来生成输出影像信息V4，但是并不限于此。例如，还能够通过减少对输入的输出影像信息V3进行二维FFT而得到的空间频率成分中的低频成分并进行二维IFFT，来生成输出影像信息V4。在这种情况下，边缘增强部6作为相对增强较高空间频率成分的HPF(High-Pass Filter：高通滤波器)而发挥功能。

Claims (6)

1.一种影像信息处理装置，其特征在于，具有：
平滑化部，其使由多个像素构成的输入影像信息平滑化来生成平滑化影像信息；
减法部，其计算上述输入影像信息与上述平滑化影像信息的灰度差；
混合部，其按照与上述灰度差相应的比例来混合上述输入影像信息和上述平滑化影像信息，来生成混合影像信息；
判断部，其对于上述输入影像信息的各个像素，判断包含该像素以及位于该像素周围的像素的周围像素区域是否为不包含规定以上的灰度变化的低频区域；以及
输出选择部，其在上述判断部判断为上述周围像素区域是上述低频区域的情况下，输出上述混合影像信息，在上述判断部判断为上述周围像素区域不是上述低频区域的情况下，输出上述输入影像信息。
2.根据权利要求1所述的影像信息处理装置，其特征在于，
还具有边缘增强部，该边缘增强部对从上述输出选择部输出的影像信息的边缘进行增强输出。
3.根据权利要求1或2所述的影像信息处理装置，其特征在于，
在上述灰度差小于第一基准值的情况下，上述混合部使上述输入影像信息的比例为零来生成上述混合影像信息，
在上述灰度差大于等于比上述第一基准值大的第二基准值的情况下，上述混合部使上述平滑化影像信息的比例为零来生成上述混合影像信息，
在上述灰度差大于等于上述第一基准值且小于上述第二基准值的情况下，上述混合部使上述输入影像信息和上述平滑化影像信息的混合比例相对于上述灰度差线性变化来生成上述混合影像信息。
4.根据权利要求1或2所述的影像信息处理装置，其特征在于，
上述输入影像信息是放大单波段广播的影像信息而得到的影像信息。
5.根据权利要求3所述的影像信息处理装置，其特征在于，
上述输入影像信息是放大单波段广播的影像信息而得到的影像信息。
6.一种影像信息处理方法，其特征在于具有以下步骤：
使由多个像素构成的输入影像信息平滑化来生成平滑化影像信息；
计算上述输入影像信息和上述平滑化影像信息的灰度差；
按照与上述灰度差相应的比例来混合上述输入影像信息和上述平滑化影像信息，生成混合影像信息；
对于上述输入影像信息的各个像素，判断包含该像素以及位于该像素周围的像素的周围像素区域是否为不包含规定以上的灰度变化的低频区域；以及
在判断为上述周围像素区域是上述低频区域的情况下输出上述混合影像信息，在判断为上述周围像素区域不是上述低频区域的情况下输出上述输入影像信息。
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