CN102244782A - 信号处理设备和信号处理方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种信号处理设备，包括：测量值获取单元，配置为获取特征量的测量值，所述特征量对输入视频信号的每帧中出现的运动的估计有影响；确定单元，配置为基于由测量值获取单元获取的测量值，确定要应用到输入视频信号的滤波器的特性；以及滤波单元，配置为通过向输入视频信号应用具有由确定单元确定的特性的滤波器，生成用于在运动的估计中使用的视频信号。

Description

信号处理设备和信号处理方法
技术领域
本发明涉及信号处理设备和信号处理方法。
背景技术
已知如由块匹配方法为代表的运动矢量估计技术，所述块匹配方法用于估计在视频信号的每帧中出现的人或物体的运动作为运动矢量。估计的运动矢量例如用于在隔行扫描-至-逐行扫描转换或帧率转换中补偿运动和插值帧(或场)。运动矢量估计技术还是对于帧间预测不可缺少的技术，所述帧间预测用于提高运动图像压缩编码中的压缩效率。然而，运动矢量估计技术典型地易受视频信号中包含的重复模式或噪声的影响。例如，当视频信号的单个帧包含多个类似模式时，将难以精确地确定之前帧中的给定模式已经移动到多个类似模式的哪个。
参照图17，示出了在时间T的帧Im01(左侧示出)和在时间T+Δt的帧Im02(右侧示出)。帧Im01包含具有通过条状阴影示出的重复模式的块B1。同时，帧Im02包含每个具有通过条状阴影示出的重复模式的块B2和B3。当将块匹配方法应用到这样的输入视频信号时，得到块B1和块B2之间的相关基本等于块B1和块B3之间的相关。因此，在时间T的块B1可以解释为已经移动到块B2或在时间T+Δt的块B3。
结果，当视频信号包含多个高频重复模式或噪声时，因为相同帧中存在多个类似模式，所以应当对于各个像素指引的运动矢量的方向可能以各种方式改变。这可能由于如矢量中的变化而导致图像破坏。即，因为运动矢量中的误差可能频繁出现，所以例如存在这样的问题：用户可能感觉到在对其插值帧后，图像可能变坏。
作为用于减少运动矢量中的这种误差的方法，JP 2009-266170A提出了一种方法，其将已经计算的运动矢量与相邻矢量比较，并且以这样的方式校正矢量以便抑制矢量中的空间或时间变化。此外，在MPEG(运动图像专家组)压缩的领域中，已知这样的方法，其根据输入视频信号的内容适应性地对输入视频信号应用低通滤波器，从而抑制如飞蚊噪声的噪声分量(例如，见JP2001-231038A)。
发明内容
然而，JP 2009-266170A中提出的方法需要存储过去已经计算的多个矢量以用于之后的比较目的，因此需要如大帧存储器的资源。因此，该技术已经不可能满足例如设备的尺寸和成本降低的要求。此外，虽然用滤波输入视频信号的方法(如JP 2001-231038A中公开的方法)可以抑制噪声分量，但是该技术不能简单地应用于运动矢量的估计。例如，如果低通滤波器应用到视频信号，则输出视频的图像质量(例如，锐度)可能依赖于滤波器的强度而劣化。然而，如果旨在估计运动矢量，则将仅需要从用作运动矢量的估计的基础的信息移除可能导致噪声的分量。然而，应当避免影响输出视频的图像质量。可能导致误差的分量例如是包含多个高频重复模式或噪声的视频信号的高频分量。在此情况下，预期可通过在提取或相对强调低频分量之后估计运动矢量来获得更有利的估计结果。
有鉴于上述，期望提供一种新颖的和改进的信号处理设备和信号处理方法，其可以以较高精度提供用于估计在输入视频信号的每帧中出现的运动的视频信号，而不影响输出视频的图像质量。
根据本发明实施例，提供了一种信号处理设备，包括：测量值获取单元，配置为获取特征量的测量值，所述特征量对输入视频信号的每帧中出现的运动的估计有影响；确定单元，配置为基于由测量值获取单元获取的测量值，确定要应用到输入视频信号的滤波器的特性；以及滤波单元，配置为通过向输入视频信号应用具有由确定单元确定的特性的滤波器，生成用于在运动的估计中使用的视频信号。
根据上述配置，基于对输入视频信号的每帧中出现的运动的估计有影响的特征量的测量值，确定要应用到输入视频信号的滤波器的特性，并且将具有由此确定的特性的滤波器应用到输入视频信号。然后，作为滤波处理的结果生成的视频信号用于运动的估计。
对运动的估计有影响的特征量可包括依赖于输入视频信号的每帧的水平方向或垂直方向的高频分量的幅度的特征量。
依赖于高频分量的幅度的特征量可包括第一特征量，所述第一特征量表示输入视频信号的每帧的水平方向或垂直方向的每频带的直方图。
依赖于高频分量的幅度的特征量可包括第二特征量，所述第二特征量表示输入视频信号的每帧中包含的相邻像素的像素值之间的差的和。
确定单元可根据输入视频信号的每帧中的高频分量的幅度，改变作为滤波器的特性的高频频带的衰减级别，所述幅度通过由测量值获取单元获取的测量值指示。
确定单元可根据指示每频带的直方图中的最大频率的频带的频率，改变作为滤波器的特性的阻挡频带。
对运动的估计有影响的特征量可包括依赖于输入视频信号的每帧中包含的噪声分量的强度的第三特征量。
滤波器的特性可通过要乘以输入视频信号的每个信号值的滤波器系数、以及每个信号值的偏移量表示。确定单元可根据输入视频信号的每帧中的噪声分量的强度改变偏移量，所述强度通过由测量值获取单元获取的测量值指示。
所述信号处理设备还可包括测量单元，配置为测量输入视频信号的每帧的特征量。
所述信号处理设备还可包括运动估计单元，配置为基于由滤波单元生成的视频信号的第一帧和第二帧之间的信号相关，估计每帧中出现的运动。
所述信号处理设备还可包括插值处理单元，配置为根据通过运动估计单元估计的运动，在输入视频信号的第一帧和第二帧之间插值另一帧。
根据本发明另一实施例，提供了一种用于用信号处理设备处理输入视频信号的信号处理方法，所述方法包括以下步骤：获取特征量的测量值，所述特征量对输入视频信号的每帧中出现的运动的估计有影响；基于获取的测量值，确定要应用到输入视频信号的滤波器的特性；以及通过向输入视频信号应用具有确定的特性的滤波器，生成用于在运动的估计中使用的视频信号。
如上所述，根据按照本发明的信号处理设备和信号处理方法，可以以较高精度提供用于估计在输入视频信号的每帧中出现的运动的视频信号，而不影响输出视频的图像质量。
附图说明
图1是示出根据一个实施例的信号处理设备的整体配置的示例的框图；
图2是示出根据一个实施例的测量单元的更详细配置的示例的框图；
图3是示出根据一个实施例的频带测量单元的更具体配置的示例的框图；
图4是示出根据一个实施例的相邻差测量单元的更具体配置的示例的框图；
图5是示出根据一个实施例的噪声测量单元的更具体配置的示例的框图；
图6是示出根据一个实施例的确定单元的更详细配置的示例的框图；
图7A是示出每频带直方图的第一数据示例的说明图；
图7B是示出每频带直方图的第二数据示例的说明图；
图8是示出强度选择表的数据示例的说明图；
图9是示出根据一个实施例的、基于每频带直方图执行的滤波器强度确定处理的示例性流程的流程图；
图10是示出根据一个实施例的、基于相邻差的和执行的滤波器强度确定处理的示例性流程的流程图；
图11是示出根据一个实施例的特性确定单元的更具体配置的示例的框图；
图12是示出根据一个实施例的强度步进控制处理的示例性流程的流程图；
图13是用于图示根据一个实施例的滤波器系数的说明图；
图14是用于图示根据一个实施例的偏移量的偏置的说明图；
图15是示出根据一个实施例的滤波单元的更详细配置的示例的框图；
图16是示出根据一个变体的信号处理设备的示例性配置的框图；以及
图17是用于图示输入帧中包含的重复模式对运动矢量的估计的影响的说明图。
具体实施方式
以下，将参照附图详细描述本发明的优选实施例。注意，在本说明书和附图中，具有基本相同功能和结构的结构元件用相同的参考标号描述，并且省略这些结构元件的重复说明。
将按照以下列出的顺序给出“具体实施方式”。
1.根据一个实施例的信号处理设备的整体配置
2.每个部分的描述
2-1.测量单元
2-2.测量值获取单元
2-3.确定单元
2-4.滤波单元
2-5.帧存储器
2-6.运动估计单元
2-7.插值处理单元
3.有利效果的描述
4.变体
<1.根据一个实施例的信号处理设备的整体配置>
图1是示出根据本发明一实施例的信号处理设备100的示例性配置的框图。参照图1，信号处理设备100包括测量单元110、测量值获取单元130、确定单元140、滤波单元150、帧存储器160、运动估计单元170和插值处理单元180。除信号处理设备100的帧存储器160以外的组件可用如集成电路(如ASIC(专用集成电路)、系统LSI(大规模集成)等)或CPU(中央处理单元)的处理器与辅助存储介质实现。帧存储器160可以用如RAM(随机存取存储器)或闪存的存储介质实现。
在该实施例中，信号处理设备100获取外部输入视频信号Vin，并处理输入视频信号Vin，然后输出输出视频信号Vout，其中，对所述输入视频信号Vin插值(各)帧。用于信号处理中的(各)帧的插值的运动矢量是使用运动估计视频信号Vex估计的矢量。本发明的一个优点在于，运动估计视频信号Vex独立于对其插值(各)帧的输入视频信号Vin而提供。下面的部分将提供对于信号处理设备100的每个部分的配置的更具体描述，所述信号处理设备100生成前述运动估计视频信号Vex，估计运动，并插值(各)帧。
<2.每个部分的描述>
[2-1.测量单元]
测量单元110测量对输入视频信号Vin的每帧中出现的运动的估计有影响的特征量。由该实施例中的测量单元110测量的特征量包括依赖于输入视频信号Vin的每帧的水平方向和垂直方向上的高频分量的幅度的特征量、和依赖于输入视频信号Vin的每帧中包含的噪声分量的强度的特征量。此外，依赖于高频分量的幅度的特征量可包括对于输入视频信号Vin的每帧的水平方向和垂直方向的每频带直方图、以及输入视频信号Vin的每帧中包含的相邻像素的像素值之间的差的和(以下，称为“相邻差和”)。
图2是示出根据该实施例的测量单元110的更详细配置的示例的框图。参照图2，测量单元110包括频带测量单元112、相邻差测量单元114和噪声测量单元118。输入到测量单元110的输入视频信号Vin输入到频带测量单元112、相邻差测量单元114和噪声测量单元118的每个。然后，频带测量单元112输出每帧的每频带直方图M1作为上述特征量之一。相邻差测量单元114输出每帧的相邻差和M2。噪声测量单元118输出表示每帧中包含的噪声分量的强度的噪声级别M3。
注意，其他实施例中的测量单元110不需要配置为测量或输出前述三种测量值：M1、M2和M3的一个或多个。此外，测量单元110可配置为测量输入视频信号Vin的每帧的水平方向和垂直方向之一的特征量。
(频带测量单元)
频带测量单元112测量输入视频信号Vin的每帧的水平方向和垂直方向的各个频带的重复分量的强度，并生成水平方向的每频带直方图和垂直方向的每频带直方图。各个频带的重复分量的强度可通过使用作为适于各个频带的带通滤波器的水平滤波器和垂直滤波器测量。
图3是示出根据该实施例的频带测量单元112的更具体配置的示例的框图。参照图3，频带测量单元112包括M个水平带通滤波器Fh1到FhM、N个垂直带通滤波器Fv1到FvN、以及直方图生成单元113。
第一水平带通滤波器Fh1分离输入视频信号Vin的水平方向上的第一频带分量。第二水平带通滤波器Fh2分离输入视频信号Vin的水平方向上的第二频带分量。类似地，第M水平带通滤波器FhM分离输入视频信号Vin的水平方向上的第M频带分量。即，在该实施例中，单个帧中包含的水平方向上的重复分量分离为要测量的M个频带分量。
同时，第一垂直带通滤波器Fv1分离输入视频信号Vin的垂直方向上的第一频带分量。第二垂直带通滤波器Fv2分离输入视频信号Vin的垂直方向上的第二频带分量。类似地，第N垂直带通滤波器FvN分离输入视频信号Vin的垂直方向上的第N频带分量。即，在该实施例中，单个帧中包含的垂直方向上的重复分量分离为要测量的N个频带分量。
直方图生成单元113对单个帧上的从水平滤波器Fh1到FhM和垂直滤波器Fv1到FvN输入的各个频带分量的幅度积分，从而生成每频带直方图M1。每频带直方图M1包括水平方向上的M个频带的每个的频率(滤波器输出的积分值)和垂直方向上的N个频带的每个的频率。
(相邻差测量单元)
相邻差测量单元114对于水平方向和垂直方向的每个，测量输入视频信号Vin的每帧中包含的相邻差和。
图4是示出根据该实施例的相邻差测量单元114的更具体配置的示例的框图。参照图4，相邻差测量单元114包括延迟单元115a、减法器115b、绝对值计算单元115c和积分器115d；以及延迟单元116a、减法器116b、绝对值计算单元116c和积分器116d。在这些当中，延迟单元115a、减法器115b、绝对值计算单元115c和积分器115d计算输入视频信号Vin的每帧中包含的水平方向的相邻差和。同时，延迟单元116a、减法器116b、绝对值计算单元116c和积分器116d计算输入视频信号Vin的每帧中包含的垂直方向的相邻差和。
延迟单元115a将处理输入视频信号Vin的每个像素的定时延迟一像素(1Pixel)，并将延迟的像素值输出到减法器115b。减法器115b计算已经输入到相邻差测量单元114的输入视频信号Vin的每个像素的像素值、和从延迟单元115a输入的延迟像素值之间的差。绝对值计算单元115c计算由减法器115b计算的差的绝对值。然后，积分器115d将单个帧上的由绝对值计算单元115c计算的差的绝对值积分。因此，计算输入视频信号Vin的每帧中包含的水平方向的相邻差和。
同时，延迟单元116a将处理输入视频信号Vin的每个像素的定时延迟一条线(1 Line)，并将延迟的像素值输出到减法器116b。减法器116b计算已经输入到相邻差测量单元114的输入视频信号Vin的每个像素的像素值、和从延迟单元116a输入的延迟像素值之间的差。绝对值计算单元116c计算由减法器116b计算的差的绝对值。然后，积分器116d将单个帧上的由绝对值计算单元116c计算的差的绝对值积分。因此，计算输入视频信号Vin的每帧中包含的垂直方向上的相邻差和。
(噪声测量单元)
噪声测量单元118测量表示输入视频信号Vin的每帧中包含的噪声分量的强度的噪声级别。
图5是示出根据该实施例的噪声测量单元118的更具体配置的示例的框图。参照图5，噪声测量单元118包括帧存储器119a和噪声级别检测单元119b。
帧存储器119a暂时存储输入视频信号Vin的每帧。噪声级别检测单元119b将输入视频信号Vin的每帧与帧存储器119a中存储的之前帧比较，并且基于比较结果检测每帧的噪声级别。用噪声级别检测单元119b进行的噪声级别的检测用例如JP 2009-3599A中公开的已知方法执行。噪声级别的值可以是通过例如使用预定位数(例如，10位)表示标准偏差、方差等的量获得的值。
测量单元110向测量值获取单元130输出测量值作为通过上述频带测量单元112、相邻差测量单元114和噪声测量单元118获得的测量结果，即，每频带直方图M1、相邻差和M2和噪声级别M3。
[2-2.测量值获取单元]
测量值获取单元130从测量单元110获取对输入视频信号Vin的每帧中出现的运动的估计有影响的特征量的测量值。在该实施例中，通过测量值获取单元130获取的测量值是前述每频带直方图M1、相邻差和M2和噪声级别M3。然后，测量值获取单元130将获取的测量值输出到确定单元140。
[2-3.确定单元]
确定单元140基于通过测量值获取单元130获取的测量值，确定要应用到输入视频信号Vin的滤波器的特性。要应用到输入视频信号Vin的滤波器是滤波单元150(下面描述)中的滤波器。在该实施例中，要应用到输入视频信号Vin的滤波器的特性通过要乘以输入视频信号Vin的每个信号值的滤波器系数和每个信号值的偏移量(也称为“缩放参数”)来表示。因此，确定单元140基于通过测量值获取单元130获取的测量值，确定如下所述要应用到输入视频信号Vin的滤波器的滤波器系数和偏移量。
图6是示出根据该实施例的确定单元140的更详细配置的示例的框图。参照图6，确定单元140包括第一确定单元142、强度选择表143、第二确定单元144、特性确定单元146和滤波器系数表148。在这些当中，第一确定单元142和第二确定单元144的每个根据输入视频信号Vin的每帧中的高频分量的幅度，执行用于改变作为滤波器特性的高频频带的衰减级别的处理。
(第一确定单元)
第一确定单元142根据从测量值获取单元130输入的每频带直方图M1，改变要应用到输入视频信号Vin的水平方向的滤波器强度和垂直方向的滤波器强度。如本说明书中使用的，“滤波器强度”指包括输入信号的衰减级别和阻挡频带的宽度的概念。在下述图8所示的示例中，滤波器强度通过五个以下级别(Lv0到Lv4)的任一来表示。滤波器强度与包括每个滤波器抽头的系数值的一组滤波器系数相关联。该组滤波器系数组基本定义了输入信号的衰减级别和阻挡频带的宽度。
更具体地，第一确定单元142对于垂直方向和水平方向的每个选择指示每频带直方图中的最大频率的频带。接下来，第一确定单元142将选择的频带的频率与阈值比较。这里，如果选择的频带的频率高于预定阈值，则确定在输入帧中具有该频带的重复模式是显著的。在此情况下，选择的频带的频率越高，由第一确定单元142选择的滤波器强度越高。同时，如果选择的频带的频率不高于预定阈值，则确定在输入帧中具有任何频带的重复模式都不非常显著。在此情况下，第一确定单元142选择最低的滤波器强度。
图7A和图7B是每个示出每频带直方图的数据示例的说明图。
参照图7A，每频带直方图包括已经对于八个频带测量的编号为一到八的频率。在图7A的示例中，指示最大频率的频带是第八频带，并且第八频带的频率高于阈值Th1。在此情况下，确定在输入帧中具有第八频带的频率的重复模式是显著的。因此，第一确定单元142参照强度选择表143，根据第八频带的频率设置滤波器强度。
同时，在图7B的示例中，指示最大频率的频带是第四频带，并且第四频带的频率低于阈值Th1。在此情况下，确定在输入帧中具有任何频率的重复模式都不显著。因此，第一确定单元142选择最低滤波器强度。
图8是示出强度选择表143的数据示例的说明图。参照图8，强度选择表143包含作为选择的频带和确定的强度值的两个数据项。图8的示例中的第二行示出当第七(#7)或第八(#8)频带选择为指示最大频率的频带时，滤波器强度可设置为最高强度级别Lv4。第三行示出当第五(#5)或第六(#6)频带选择为指示最大频率的频带时，滤波器强度可设置为第二强级别Lv3。第四行示出当第三(#3)或第四(#4)频带选择为指示最大频率的频带时，滤波器强度可设置为第三强级别Lv2。第五行示出当第一(#1)或第二(#2)频带选择为指示最大频率的频带时，滤波器强度可设置为第四强级别Lv1。注意到，如上所述，如果选择的频带的频率低于阈值Th1，则第一确定单元142将要应用到输入视频信号Vin的滤波器强度设置为最低强度级别Lv0，而不管强度选择表143中的频带的频率和确定的强度值。
第一确定单元142对于水平方向和垂直方向的每个执行上述滤波器强度确定处理。然后，第一确定单元142向特性确定单元146输出水平方向的滤波器强度S1htmp和垂直方向的滤波器强度S1vtmp作为确定结果。注意，滤波器强度S1htmp和S1vtmp中的下标“tmp”意味着通过该实施例中的第一确定单元142确定的滤波器强度是临时值。然而，本发明不限于该实施例，并且通过第一确定单元142确定的滤波器强度可以处理为最终值。
图9是示出根据该实施例的第一确定单元142的滤波器强度确定处理的示例性流程的流程图。
参照图9，第一确定单元142从水平方向的每频带直方图选择指示最大频率的频带(步骤S102)。接下来，第一确定单元142确定选择的频带的频率是否高于预定阈值(S104)。这里，如果选择的频带的频率确定为高于预定阈值，则第一确定单元142参照强度选择表143，并且根据选择的频带的频率设置水平方向的滤波器强度S1htmp(步骤S106)。同时，如果在步骤S104中选择的频带的频率确定为不高于预定阈值，则第一确定单元142将水平方向的滤波器强度S1htmp设置为最低级别Lv0(步骤S108)。
接下来，第一确定单元142从垂直方向的每频带直方图选择指示最大频率的频带(步骤S112)。接下来，第一确定单元142确定选择的频带的频率是否高于预定阈值(S114)。这里，如果选择的频带的频率确定为高于预定阈值，则第一确定单元142参照强度选择表143，并且根据选择的频带的频率设置垂直方向的滤波器强度S1vtmp(步骤S116)。同时，如果在步骤S114中选择的频带的频率确定为不高于预定阈值，则第一确定单元142将垂直方向的滤波器强度S1vtmp设置为最低级别Lv0(步骤S118)。
注意，步骤S104中与水平方向的每频带直方图的频率相比的阈值可以是与步骤S114中与垂直方向的每频带直方图的频率相比的阈值相同的值或不同的值。
(第二确定单元)
第二确定单元144根据从测量值获取单元130输入的相邻差和M2，改变要应用到输入视频信号Vin的水平方向的滤波器强度和垂直方向的滤波器强度。更具体地，第二确定单元144将水平方向和垂直方向的每个的相邻差和M2与预定阈值比较。如果相邻差和M2的值高于阈值，则第二确定单元144选择最高滤波器强度，而如果相邻差和M2不高于阈值，则第二确定单元144选择最低滤波器强度。第二确定单元144对于水平方向和垂直方向的每个执行这样的滤波器强度确定处理。然后，第二确定单元144向特性确定单元146输出水平方向的滤波器强度S2htmp和垂直方向的滤波器强度S2vtmp作为确定结果。
图10是示出根据该实施例的第二确定单元144的滤波器强度确定处理的示例性流程的流程图。
参照图10，第二确定单元144确定水平方向的相邻差和是否高于预定阈值(步骤S152)。这里，如果相邻差和确定为高于预定阈值，则第二确定单元144将水平方向的滤波器强度S2htmp设置为最高级别Lv4(步骤S154)。同时，如果在步骤S152中相邻差和确定为不高于预定阈值，则第二确定单元144将水平方向的滤波器强度S2htmp设置为最低级别Lv0(步骤S156)。
接下来，第二确定单元144确定垂直方向的相邻差和是否高于预定阈值(步骤S162)。这里，如果相邻差和确定为高于预定阈值，则第二确定单元144将垂直方向的滤波器强度S2vtmp设置为最高级别Lv4(步骤S164)。同时，如果在步骤S162中相邻差和被确定为不高于预定阈值，则第二确定单元144将垂直方向的滤波器强度S2vtmp设置为最低级别Lv0(步骤S166)。
注意，步骤S152中与水平方向的相邻差和比较的阈值可以是与步骤S162中与垂直方向的相邻差和比较的阈值相同的值或不同的值。
(特性确定单元)
特性确定单元146基于从第一确定单元142输入的水平方向的滤波器强度S1htmp和从第二确定单元144输入的水平方向的滤波器强度S2htmp，确定要应用到输入视频信号Vin的水平方向上的滤波器的滤波器系数。特性确定单元146还基于从第一确定单元142输入的垂直方向的滤波器强度S1vtmp和从第二确定单元144输入的垂直方向的滤波器强度S2vtmp，确定要应用到输入视频信号Vin的垂直方向上的滤波器的滤波器系数。此外，特性确定单元146基于从测量值获取单元130获取的噪声级别M3，确定要应用到输入视频信号Vin的滤波器的偏移量。
图11是示出根据该实施例的特性确定单元146的更具体配置的示例的框图。参照图11，特性确定单元146包括强度确定单元147a、强度步进控制单元147b、噪声级别步进控制单元147c和参数输出单元147d。
(1)滤波器系数的确定
强度确定单元147a根据从第一确定单元142输入的水平方向的滤波器强度S1htmp和从第二确定单元144输入的水平方向的滤波器强度S2htmp，计算单个滤波器强度Sh。滤波器强度Sh可以是滤波器强度S1htmp和S2htmp的平均值。替代地，滤波器强度Sh可以通过例如将滤波器强度S1htmp和S2htmp的每个乘以预定加权因子并对于加权的滤波器强度S1htmp和S2htmp求平均而计算。注意，如果计算的平均值具有小数点以下的分数，则这样的分数例如可舍去。类似地，强度确定单元147a根据从第一确定单元142输入的垂直方向的滤波器强度S1vtmp和从第二确定单元144输入的垂直方向的滤波器强度S2vtmp，计算单个滤波器强度Sv。然后，强度确定单元147a将由此计算的滤波器强度Sh和Sv输出到强度步进控制单元147b。
强度步进控制单元147b控制强度的输出值，使得滤波器强度以步进方式改变，以防止否则由于滤波器强度的突然改变而可能出现的矢量误差。例如，如果之前帧的强度的输出值是Lv0并且从强度确定单元147a输入的最后强度是Lv4，则强度步进控制单元147b以逐帧为基础控制强度的输出值，使得输出到参数输出单元147d的强度是Lv0→Lv1→Lv2→Lv3→Lv4。
图12是示出根据该实施例的强度步进控制处理的示例性流程的流程图。
参照图12，强度步进控制单元147b从强度确定单元147a获取滤波器强度(Sh或Sv)(步骤S202)。接下来，强度步进控制单元147b确定获取的滤波器强度是否等于之前强度的输出值(S204)。这里，如果获取的滤波器强度确定为等于之前强度的输出值，则强度步进控制单元147b将滤波器强度输出到参数输出单元147d(步骤S206)。同时，如果确定获取的滤波器强度不等于之前强度的输出值，则强度步进控制单元147b进一步确定获取的滤波器强度是否高于之前强度的输出值(步骤S210)。这里，如果确定获取的滤波器强度高于之前强度的输出值，则处理进行到步骤S212。同时，如果确定获取的滤波器强度不高于之前强度的输出值，则处理进行到步骤S222。
在步骤S212，强度步进控制单元147b将通过将预定变化加到之前强度的输出值而获得的值代入滤波器强度(步骤S212)。例如，如果之前强度的输出值是Lv0并且变化定义为级别1，则新滤波器强度是Lv1。接下来，强度步进控制单元147b确定新滤波器强度是否在滤波器强度的上限值之上(步骤S214)。这里，如果确定新滤波器强度在滤波器强度的上限值之上，则强度步进控制单元147b将滤波器强度的上限值(例如，Lv4)输出到参数输出单元147d(步骤S216)。同时，如果确定新滤波器强度不在滤波器强度的上限值之上，则强度步进控制单元147b将新滤波器强度输出到参数输出单元147d(步骤S218)。
在步骤S222，强度步进控制单元147b将通过从之前强度的输出值减去预定变化而获得的值代入滤波器强度(步骤S222)。例如，如果之前强度的输出值是Lv4并且变化定义为级别1，则新滤波器强度是Lv3。接下来，强度步进控制单元147b确定新滤波器强度是否在滤波器强度的下限值之下(步骤S224)。这里，如果确定新滤波器强度在滤波器强度的下限值之下，则强度步进控制单元147b将滤波器强度的下限值(例如，Lv0)输出到参数输出单元147d(步骤S226)。同时，如果确定新滤波器强度不在滤波器强度的下限之下，则强度步进控制单元147b将新滤波器强度输出到参数输出单元147d(步骤S228)。
强度步进控制单元147b的上述步进控制处理对于水平方向的滤波器强度Sh和垂直方向的滤波器强度Sv的每个并行执行。
参数输出单元147d从滤波器系数表148获取与从强度步进控制单元147b输入的滤波器强度Sh和Sv相关联的滤波器系数组。然后，参数输出单元147d将获取的滤波器系数组输出到滤波单元150。
图13是用于图示根据该实施例的滤波器系数作为示例的说明图。滤波器系数表148存储多个预定义的滤波器强度和对应于各个滤波器强度的滤波器系数组，同时将它们彼此相关。在图13中，通过特性曲线图示出通过对应于各个滤波器强度的滤波器系数组定义的滤波器特性。
首先，当滤波器强度是Lv0(左上曲线图)时，滤波器特性是在0到最高频率(采样速率fs的1/2)的范围上的特性。即，在此情况下，滤波器按原样通过所有信号。当滤波器强度是Lv1到Lv4时，滤波器特性展现低通滤波器的特性。因此，滤波器强度越高，高频频带的衰减级别越高。此外，滤波器强度越高，阻挡频带的最低频率越低。例如，当滤波器强度是Lv1(中上曲线图)时，仅接近最高频率(fs/2)的频带的信号被阻挡，而fs/4周围的频带的信号很少衰减。相反，当滤波器强度是Lv4(右下曲线图)时，下到fs/4的频率之下的频带的较宽频带的信号被阻挡。
注意，图13所示的滤波器特性仅是示例性的。即，可提供更多种类或更少种类的滤波器系数组，或可提供展现与图13的特性不同的特性的滤波器系数组。
参数输出单元147d根据从强度步进控制单元147b输入的滤波器强度，对于水平方向和垂直方向的每个获取展现上述滤波器特性的滤波器系数组，并将获取的滤波器系数组输出到滤波单元150。
注意，滤波器系数表148进一步存储偏移量的预设值，同时将其与滤波器系数组相关。偏移量的预设值用于参数输出单元147d如下所述确定偏移量。
(2)偏移量的确定
在该实施例中，“偏移量”指通过由滤波单元150执行的偏移操作而偏移的位数，偏移操作用于防止最大滤波器输出值超过输出动态范围。由于通过偏移操作移除信号值的较低阶位，因此如果偏移量大，则帧的锐度可以降低，同时可以更多地移除帧中包含的噪声。
噪声级别步进控制单元147c控制噪声级别的输出值，使得噪声级别以步进方式改变，以减轻基于噪声级别确定的偏移量的突然改变。例如，噪声级别步进控制单元147c修改(加或减)从噪声测量单元118输出的噪声级别M3的值，使得噪声级别M3的值通过恒定量以逐帧为基础改变。噪声级别步进控制单元147c可通过与图12所示的强度步进控制处理类似的逻辑处理或通过使用IIR(无限脉冲响应)实现。
参数输出单元147d参照滤波器系数表148，并且获取与从噪声级别步进控制单元147c输入的噪声级别相关联的偏移量的偏置。然后，参数输出单元147d将通过将偏移量的偏置与从滤波器系数表148获取的偏移量的预设值相加而获得的值输出到滤波单元150，作为最终要使用的偏移量。
图14是用于图示根据该实施例的偏移量的偏置作为示例的说明图。滤波器系数表148存储噪声级别值的范围和对应于每个噪声级别的偏移量的偏置，同时将它们彼此相关。
在图14的示例中，当噪声级别值是n0到n1时，偏移量的偏置是0。当噪声级别值是n1到n2时，偏移量的偏置是1。当噪声级别值是n2到n3时，偏移量的偏置是2。当噪声级别值是n3以上时，偏移量的偏置是3。注意，定义噪声级别的范围的值n0、n1、n2和n3可以根据信号处理设备100定义，并根据由信号处理设备100处理的输入视频信号来适当地改变。
假设用滤波器系数组预先定义的偏移量的预设值是Sfin，根据噪声级别获取的偏移量的偏置是Sfoffset，并且从参数输出单元147d输出的偏移量是Sfout，则Sfout可通过以下公式给出。
[公式1]
Sfout＝Sfin+Sfoffset    (1)
[2-4.滤波单元]
滤波单元150将具有已经通过确定单元140确定的特性的滤波器应用到输入视频信号Vin，从而生成运动估计视频信号Vex。
图15是示出根据该实施例的滤波单元150的更详细配置的示例的框图。参照图15，滤波单元150包括水平方向滤波器152、垂直方向滤波器154和缩放单元156。在从确定单元140输入到滤波单元150的滤波器特性数据FD当中，水平方向的滤波器系数组输入到水平方向滤波器152，垂直方向的滤波器系数组输入到垂直方向滤波器154，并且偏移量输入到缩放单元156。
水平方向滤波器152使用水平方向的滤波器系数组，滤波输入信号Vin的每帧，从而阻挡或衰减每帧中包含的水平方向上的高频分量。通过水平方向滤波器152执行的滤波操作通过以下公式表示。
[公式2]
V hout [ x , y ] = &Sigma; i = - M M Coeff h [ i + M ] &CenterDot; V in [ x + i , y ] - - - ( 2 )
这里，Vin[x，y]指示在输入视频信号的单个帧的坐标(x，y)的像素值。M指示确定水平方向滤波器152的滤波器抽头的数量的值。Coeffh[0]到Coeffh[2M]指示水平方向的滤波器系数组。Vhout[x，y]指示在水平方向滤波器152的输出信号的单个帧的坐标(x，y)的像素值。
垂直方向滤波器154使用垂直方向的滤波器系数组，从水平方向滤波器152滤波输出信号Vhout的每帧，从而阻挡或衰减每帧中包含的垂直方向上的高频分量。通过垂直方向滤波器154执行的滤波操作通过以下公式表示。
[公式3] V vout [ x , y ] = &Sigma; j = - N N Coeff v [ j + N ] &CenterDot; V hout [ x , y + j ] - - - ( 3 )
这里，N是确定垂直方向滤波器154的滤波器抽头的数量的值。Coffv[0]到Coeffv[2N]指示垂直方向的滤波器系数组。Vvout[x，y]指示垂直方向滤波器154的输出信号的单个帧的坐标(x，y)的像素值。
缩放单元156偏移垂直方向滤波器154的输出信号，使得来自滤波单元150的输出信号不超过动态范围。通过缩放单元156执行的偏移操作通过以下公式表示。
[公式4]
Vex[x，y]＝Vvout[x，y]＞＞Sfout  (4)
Vex[x，y]指示作为滤波处理的结果、在从滤波单元150输出的运动估计视频信号Vex的单个帧的坐标(x，y)的像素值。
[2-5.帧存储器]
帧存储器160临时存储从滤波单元150输出的运动估计视频信号Vex的每帧。存储在帧存储器160中的运动估计视频信号Vex的每帧用于运动估计单元170估计运动矢量。此外，帧存储器160还临时存储输入到信号处理设备100的输入视频信号Vin的每帧。此外，帧存储器160还临时存储由运动估计单元170估计的每帧的运动矢量。帧存储器160中存储的输入视频信号Vin的每帧和每帧的运动矢量用于插值处理单元180插值新的(各)帧。
[2-6.运动估计单元]
运动估计单元170基于通过滤波单元150生成的运动估计视频信号Vex的第一帧和第二帧之间的信号相关，确定表示每帧中出现的运动的运动矢量。第一帧和第二帧例如对应于当前(最近)帧和之前帧。通过运动估计单元170的运动矢量的估计可用已知方法(如块匹配方法)执行。然后，运动估计单元170将估计的运动矢量输出到插值处理单元180。
[2-7.插值处理单元]
插值处理单元180根据通过运动估计单元170估计的运动，即，从运动估计单元170输入的运动矢量，在输入视频信号Vin的第一帧和第二帧之间插值新的(各)帧。通过插值处理单元180的(各)帧的插值也可用已知方法执行。然后，插值处理单元180输出具有插值的(各)帧的输出视频信号Vout。输出视频信号Vout可直接用作经帧率转换的视频信号或用于如隔行扫描-至-逐行扫描转换的应用。
<3.有利效果的描述>
已经参照图1到图5详细描述根据本发明一实施例的信号处理设备。根据该实施例，基于对输入视频信号的每帧中出现的运动的估计有影响的特征量的测量值确定要应用到输入视频信号的滤波器的特性。具有由此确定的特性的滤波器应用到输入视频信号。然后，作为滤波处理的结果生成的视频信号用于估计运动。根据这样的配置，动态控制用于生成运动估计的视频信号的滤波器的特性。因此，如果输入视频信号包含重复模式或强噪声，则可以有效地减少这样的影响。同时，如果输入视频信号不包含重复模式或强噪声，则抑制要应用到输入视频信号的滤波器的强度。因此，可以提供这样的视频信号，从该视频信号可以以高健壮度估计输入视频信号的每帧中出现的运动。此外，根据该实施例，与为随后处理(如帧插值)输入的视频信号分离地提供用于运动估计的视频信号。因此，即使当强滤波器用于减少运动矢量中的矢量误差时，滤波处理也不可能影响输出视频的图像质量。
此外，根据该实施例，对运动的估计有影响的特征量包括依赖于输入视频信号的每帧的水平方向或垂直方向上的高频分量的幅度的特征量。即，使用水平方向或垂直方向(或两者)的高频分量的幅度作为用于确定滤波器特性的基础，使得可以识别输入帧中出现的重复模式的强度，并选择将允许移除或减轻这样的重复模式的滤波器特性。依赖于高频分量的幅度的特征量是例如输入视频信号的每帧的水平方向或垂直方向的每频带直方图。使用每频带直方图允许根据频带的数量将高频分量的幅度分类为多个级别。因此，可更灵活地控制滤波器特性。依赖于高频分量的幅度的特征量的另一示例是输入视频信号的每帧中包含的相邻像素的像素值之间的差的和。确定相邻像素的像素值之间的差的和将不需要复杂的计算处理。因此，可以以低计算成本和相对小的电路尺寸确定这样的和。
此外，根据该实施例，对运动的估计有影响的特征量包括表示输入视频信号的每帧中包含的噪声分量的强度的噪声级别。例如，如果根据噪声级别确定偏移量作为滤波器特性之一，则当噪声级别低时，可以维持帧的锐度，并且当噪声级别高时，可以移除噪声。因此，可进一步改进运动矢量估计的健壮度。
<4.变体>
前述实施例已经图示了其中信号处理设备100包括测量单元110、运动估计单元170和插值处理单元180的示例。然而，本发明不限于此。例如，可提供这样的设备，其仅包括上述测量值获取单元130、确定单元140和滤波单元150；或仅包括测量值获取单元130和确定单元140。例如，根据图16所示的一个变体的信号处理设备200仅包括测量值获取单元130和确定单元140。在此情况下，信号处理设备200连接到具有与前述测量单元110大约相等功能的测量设备210。信号处理设备200的测量值获取单元130从测量设备210获取对输入视频信号的每帧中出现的运动的估计有影响的特征量的测量值。信号处理设备200还连接到视频处理设备260。然后，信号处理设备200的确定单元140基于通过测量值获取单元130获取的测量值，确定要应用到输入视频信号Vin的滤波器的特性，并且将由此确定的滤波器特性通知视频处理设备260的滤波单元150。视频处理设备260的滤波单元150将具有通知的特性的滤波器应用到输入视频信号Vin，由此生成运动估计视频信号Vex，然后将由此生成的运动估计视频信号Vex输出到视频处理单元270。视频处理单元270使用运动估计视频信号Vex估计运动矢量，并输出通过例如对输入视频信号Vin插值新的(各)帧而或获得的输出视频信号Vout。
信号处理设备100或200不需要使用前述三种测量值(M1、M2和M3)的一个或多个以用于确定滤波器特性。例如，如果不使用相邻差和M2，则确定单元140的特性确定单元146可仅基于从第一确定单元142输入的滤波器强度S1htmp和S1vtmp来确定滤波器强度。类似地，如果不使用每频带直方图M1，则确定单元140的特性确定单元146可仅基于从第二确定单元144输入的滤波器强度S2htmp和S2vtmp来确定滤波器特性。此外，信号处理设备100或200不需要对水平方向和垂直方向之一确定滤波器特性或执行滤波处理。
注意，该说明书中描述的通过信号处理设备100和200执行的一系列处理的一些或全部可用软件实现。构成用于实现该系列处理的一些或全部的这样的软件的程序预先存储在设备的内部或外部提供的存储介质中。这样的程序当被执行时读入RAM，并由如CPU的处理器执行。
尽管已经参照附图详细描述了本发明的优选实施例，但是本发明不限于此。本领域技术人员显而易见，各种修改或变化是可能的，只要它们在权利要求或其等效的技术范围内。应当理解，这样的修改或变化也在本发明的技术范围内。
本申请包含涉及于2010年5月4日向日本专利局提交的日本优先权专利申请JP 2010-112273中公开的主题，在此通过引用并入其全部内容。

Claims (12)

1.一种信号处理设备，包括：
测量值获取单元，配置为获取特征量的测量值，所述特征量对输入视频信号的每帧中出现的运动的估计有影响；
确定单元，配置为基于由所述测量值获取单元获取的测量值，确定要应用到输入视频信号的滤波器的特性；以及
滤波单元，配置为通过向输入视频信号应用具有由所述确定单元确定的特性的滤波器，生成用于在运动的估计中使用的视频信号。
2.如权利要求1所述的信号处理设备，其中，对运动的估计有影响的特征量包括依赖于输入视频信号的每帧的水平方向或垂直方向的高频分量的幅度的特征量。
3.如权利要求2所述的信号处理设备，其中依赖于高频分量的幅度的特征量包括第一特征量，所述第一特征量表示输入视频信号的每帧的水平方向或垂直方向的每频带的直方图。
4.如权利要求2所述的信号处理设备，其中，依赖于高频分量的幅度的特征量包括第二特征量，所述第二特征量表示输入视频信号的每帧中包含的相邻像素的像素值之间的差的和。
5.如权利要求2所述的信号处理设备，其中，所述确定单元根据输入视频信号的每帧中的高频分量的幅度，改变作为滤波器的特性的高频频带的衰减级别，所述幅度通过由所述测量值获取单元获取的测量值指示。
6.如权利要求3所述的信号处理设备，其中，所述确定单元根据指示每频带的直方图中的最大频率的频带的频率，改变作为滤波器的特性的阻挡频带。
7.如权利要求1所述的信号处理设备，其中，对运动的估计有影响的特征量包括依赖于输入视频信号的每帧中包含的噪声分量的强度的第三特征量。
8.如权利要求7所述的信号处理设备，其中
滤波器的特性通过要乘以输入视频信号的每个信号值的滤波器系数、以及每个信号值的偏移量表示；并且
所述确定单元根据输入视频信号的每帧中的噪声分量的强度改变偏移量，所述强度通过由所述测量值获取单元获取的测量值指示。
9.如权利要求1所述的信号处理设备，还包括测量单元，配置为测量输入视频信号的每帧的特征量。
10.如权利要求1所述的信号处理设备，还包括运动估计单元，配置为基于由所述滤波单元生成的视频信号的第一帧和第二帧之间的信号相关，估计每帧中出现的运动。
11.如权利要求10所述的信号处理设备，还包括插值处理单元，配置为根据通过所述运动估计单元估计的运动，在输入视频信号的第一帧和第二帧之间插值另一帧。
12.一种用于用信号处理设备处理输入视频信号的信号处理方法，所述方法包括以下步骤：
获取特征量的测量值，所述特征量对输入视频信号的每帧中出现的运动的估计有影响；
基于获取的测量值，确定要应用到输入视频信号的滤波器的特性；以及
通过向输入视频信号应用具有确定的特性的滤波器，生成用于在运动的估计中使用的视频信号。
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