CN1108694C - 低分辨率视频设备字符显示清晰度的增强方法 - Google Patents

Abstract

低分辨率视频设备字符显示清晰度的增强方法，其过程为：考察所接收的每一个字符的点阵颜色，对于与字型点紧邻的各背景点，将其颜色设置成与字型点的颜色接近的过渡颜色，从而在字型点的四周形成一个过渡色框。本发明通过对字符显示数据进行软件的处理和变换，提高在模拟电视机屏幕上小字符显示的清晰度，特别适于用电视机机顶盒上网时，提高低分辨率电视机显示网页文本字符的清晰度。

Description

低分辨率视频设备字符显示清晰度的增强方法

技术领域

本发明涉及一种在低分辨率视频设备上增强字符显示清晰度的方法。

背景技术

有线电视网和互联网是完全兼容的，可以经过简单的改造而相互接入，而且比中国现行大多数终端用户接入网络时使用的电话线具有更宽的信号通频带，可以大大提高网络数据的传输速度。但以计算机技术为基础的互联网信息是数字式多媒体信号，而以传统的电视技术为基础的电视广播信息为模拟式的视频信号。目前数字式视频和模拟式视频显示质量的度量指标，由于历史原因和习惯而不一致，数字视频的显示质量指标为颜色位数、光点直径和行列点阵数，模拟视频显示质量取为电视线。如最为普遍的计算机显示器VGA模式的分辨率为640×480，而模拟视频显示设备的分辨率则差别较大，广播质量级的视频监视器的清晰度分辨率为600-800电视线，专业质量级的视频监视器及高清晰度电视接收机显象管的清晰度为550-600电视线，约相当于计算机显示器VGA模式的分辨率。对于普通民用视频接收设备则主要考虑降低成本，所以一般家用电视接收显象管的清晰度不超过500线，有的低档电视机的清晰度甚至小于350线。相对于计算机显示器，当前普通民用模拟电视接收机的显示清晰程度的确较低。

据专家们的分析，中国现有的模拟电视发射装置、差转装置及其它模拟电视信号的传送、制作装置数万台，普通模拟电视接收机3亿多台，要将中国的整个电视播放和接收体系改变成为数字式电视系统至少需要10-15年的时间。在数码式电视还未普及的情况下，利用现有已普及的模拟电视显示网络数字式信息自然成为经济可行的方案，能为模拟电视机提供与网络连接的机顶盒应运而生。机顶盒实际上是一种简化了的专用网络计算机，它可以通过有线电视网络与互联网连接、接收互联网的数字式信息，将数字式信息变换成普通电视的模拟信号在模拟式电视机上显示；并可以利用机顶盒专用键盘或经过改造的电视机遥控器等设备输入中文信息传送到网络中，进行视频节目点播、发送电子邮件及网上浏览等，实现与互联网上信息的交换。采用这种互联网-机顶盒-模拟电视机技术体系，将成为普通家庭使用互联网进入信息时代、实现信息及网络时代生活方式的最经济、最可行的技术方案。

要真实地再现图象信息就需要清晰地再现图象所具有的细节。清晰度的判断有专业的数值标准，但清晰程度的心理感觉认识是最普通和最根本的标准。为了观察和认识连续运动画面，人眼和人脑的处理能力必须要在时间和空间上进行有效的分配，由于注意力的集中(即人脑处理能力的集中)和人眼视觉暂留效应的影响，往往只能提取运动物体整体的运动或变形的形态以及高亮度色彩区域的变化，常常可能会忽略或无暇顾及由于位置变化而引起的物体光影色彩渐变的真实、轮廓边沿的清晰及背景物景变化等图象清晰程度的各种细节，以及电视机本身显示电路质量引起的画面跳动、扫描线弯曲等问题。而对于静止画面，注意力仅需要在空间上进行分配，人们就可能对画面的各种细节加以更大的注意以及较为轻松地对再现画面的物体及环境的细节进行鉴别。在观看传统的模拟式电视节目时，电视机一般显示连续的活动画面，而通过机顶盒及电视机进行上网时，显示的内容是以静止画面为主要形式的网页信息。较之电视节目，人们对电视机网页画面清晰度的心理感觉认识也会大大降低，活动画面中容易被忽略的细节，在静止画面上将会变得特别明显。要普及通过机顶盒-电视上网，必须要考虑提高电视屏幕显示的清晰度。

使用机顶盒上网时，机顶盒从网络上接收到的一般是HTML格式文件信息，文件中包括图象(包括各种格式的静止图象或动画图象)信息、矢量图形信息、文字字符、格式符信息和音频信息，经机顶盒浏览器程序解释后，在机顶盒的显示缓存里生成相应的位图，机顶盒内部的电视视频变换电路或其它电视显示数模转换硬件对缓存位图数据进行采样和数模转换，生成为相应电视制式的模拟视频调制信号送入模拟电视机视频放大线路，通过电视机的显示电路解码处理、放大后在电视机屏幕上显示网络信息。由于电视机显象管的可分辨率程度远低于标准的网页位图的分辨率，因此在数模转换阶段采样中需要在扫描时对缓存数据按间隔进行抽取，这又将进一步降低在电视机屏幕上显示的图象的清晰度。根据显示的要求不同，数模转换装置采样算法和硬件线路设计可能不同，数据的抽取方法也可能不同，但经过这样的处理后，都会降低缓存数据的显示清晰度。

与电视节目不同，网络的网页信息中大量是小字符文本信息。字符显示的清晰度，特别是小字符的显示清晰度是实现互联网-机顶盒-模拟电视机技术方案的技术关键。当前推出的机顶盒大多采用28×28点阵以上的大号字体或在数码电视或高清晰度电视上进行显示，这样才能基本上做到可以读取网络信息。在机顶盒-电视机上显示原为计算机浏览而设计的网页时，由于机顶盒使用了大号字体，一屏显示的字符信息量要减少，格式也会发生相应变化，致使互联网信息服务商考虑准备设计制作专为机顶盒浏览的特殊网页。为使机顶盒方式也能浏览为计算机设计制作的网页，统一网页格式以及普及机顶盒-模拟电视机技术，互联网-机顶盒-模拟电视机技术方案要首先解决造成字符显示色度变化和清晰度降低的技术问题。

在小字符(如汉字的点阵在16×16-20×20)字型点阵中，构成字符字体笔划的宽度通常只有一个光点。传输显示一个光点的脉冲信号所要求的频率范围大多超过了普通电视机的通频带。如果取最为普通的VGA模式显示器为例，计算机显示器上显示的一个彩色光点相对于背景颜色可以简化为相对三基色R、G、B三个正跳或负跳的矩形脉冲，脉冲高度为彩色光点RGB值与背景的RGB值之差。在计算机显示器上显示的一个彩色光点的脉冲的通频带宽度大于10.35M，但通过传统的电视机视频通道显示时，这个频率范围超过了普通模拟信号电视机内部线路设计的6M的通频带宽度。超出通频带的信号高频分量将被衰减，高频部分信号电压值、波形和相角就会发生变化，合成的再现模拟电视视频色度、亮度的信号电压值和波形及相角将发生畸变。色度电压值和波形的变化致使不能正确再现原信号的色度和亮度，引起色差的变化。相角的变化将引起色散和显示位置的变化，如果每一次扫描时，相角的变化不稳定，就会引起屏幕显示字符的闪烁。视频信号的电压正比于彩色光点的色度和亮度，为此在高亮度和高饱和度的字符及背景时，常常出现显示色散模糊和闪烁现象。

所以，除计算机显示器与普通模拟电视机显象管显示分辨率不同所引起的显示清晰度不同外，普通模拟信号电视机的视频线路的通频带宽度过窄，也是影响显示质量的重要原因之一。

发明内容

鉴于上述，本发明的目的是提供一种增强视频字符显示清晰度的方法，它针对互联网-机顶盒-模拟电视机系统，以不改变使用的有关硬件设备为前提，通过对字符显示数据进行软件层次的处理和变换，提高在模拟电视机屏幕上小字符显示的清晰度。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种在互联网-机顶盒-模拟视频接收设备系统中使用的低分辨率视频设备字符显示清晰度的增强方法，其过程为：

针对所接收的每一个字符的点阵颜色，对于与字型点紧邻的各背景点，将其颜色设置成与字型点的颜色接近的过渡颜色，使之成为过渡色点，从而在字型点的四周形成一个过渡色框。

对于与过渡色点紧邻的背景点，将其颜色设置成与背景颜色接近的过渡颜色。

对于四周被字型点包围、或两侧被字型点夹持的背景点，将其颜色设置成比背景颜色的亮度和色度更低的过渡颜色。

本发明的优点：

1.由于增加的过渡色光点可使原字符光点信号的脉冲宽度展宽，即压缩了字符光点数据的通频带宽度，因而可适应模拟电视机视频线路通频带宽度较窄的情况，从而可减少视频信号的畸变、避免色差和闪烁、提高小字符在电视机屏幕上的显示清晰度；

2.由于增加的过渡色光点，因而可对视频信号调制采样中产生的失真进行补偿，避免了字符显示时掉点、断点或字符色度偏移的现象；

3.由于信号脉冲的宽度加宽，即压缩了视频信号的频带，因而减少了视频信号在电视机视频通道内的传输失真，改善了视频信号传输的条件和传输质量。

附图说明

图1为字体色光点及对应的矩形脉冲波形图；

图2为字体色光点、过渡色光点及对应的三阶梯脉冲波形图；

图3为字体色光点、过渡色光点及对应的五阶梯脉冲波形图；

图4为矩形和阶梯脉冲的频谱分布曲线；

图5为增加一个过渡色光点的字型点阵图象；

图6表示对字符点阵密集位置上的特殊处理效果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明。

本发明是一种在互联网-机顶盒-模拟视频接收设备系统中使用的低分辨率视频设备字符显示清晰度的增强方法。首先，我们来了解模拟电视机的图像重现色度域及色度JND。

显象管是重现图像器件，它主要由电子枪和荧光屏组成。电子枪阴极发出的电子束，受到偏转场作用按一定规律以高速轰击荧光屏。荧光屏上涂有一层荧光粉，它在电子的冲击下接收能量、激活发光，发光的强度正比于电子束所携带的能量。由于在光电能量转换过程中不可避免会产生“白噪音”效应，彩色荧光粉在激发彩色光的同时，产生的噪音白光会与彩色光合成，从而降低了彩色光的饱和度。理论证明，显象管方式产生的色彩频率并不能包含可见光的全部光谱，丢失了高饱和度自然光的光谱段，显象色度仅占据了CIE色度图的色度舌形轨迹内部的一个三角形区域。也就是说，显象管不能完全真实地再现缤纷璀璨的自然色彩世界。

在CIE色度图上，色彩是连续渐变过渡的。色度坐标向某一方向稍微移动，颜色并不会出现突变。人眼分辨颜色变化能力也是有限的，并随颜色利类及其变化趋势的不同而有所不同。把人眼能够判断颜色发生变化的色度差距定义为色差判别变差，简写为JND(Just-Noticeable Difference)，而人眼不能判别颜色发生变化的区域称为等色差域。根据对整个彩色范围所作的实验，等色差域在CIE色度图上是一个个的椭圆区域，即如果色度坐标在一个椭圆区域内移动，人眼是不能分辨颜色是否发生变化的。

根据色度学原理，可以得出这样的结论：对色度信号值或波形进行一定范围的改造和调整，不会影响信号的色度再现。

根据信号传输原理，可以得出这样的结论：改变信号的波形，将可以改变信号频率特性及传输的频带宽度。

根据以上两个结论，本发明采用了在字型点的四周增加过渡色点的方法，来改造彩色数字脉冲波形，压缩电视机视频信号的传输频带，提高在普通模拟电视机屏幕上小字符显示的清晰度。概括地说就是：针对所接收的每一个字符的点阵颜色，对于与字型点紧邻的各背景点，将其颜色设置成与字型点的颜色接近的过渡颜色，使之成为过渡色点，从而在字型点的四周形成一个过渡色框。过渡色选择既与字型点的颜色有关，也与背景颜色有关。

请参阅图1，单独的彩色光点可以认为是一个矩形信号脉冲，图中白色表示字体光点，黑色表示背景光点。按三基色原理，任何色彩都可以用R(红)、G(绿)、B(蓝)三基色合成。彩色矩形信号脉冲分解为三个分别由R、G、B值表示的矩形脉冲，如果在光点的左右两边加上两个接近字型光点颜色的过渡色光点，如图2所示那样，这里以等量RGB的白色及黑色为例，光点信号脉冲变成了原脉冲三倍宽度的阶梯脉冲。图中的白色表示字体光点，深灰色表示过渡色光点，黑色表示背景光点。

请参阅图3。如果在两个过渡色光点的两边，即右边过渡色光点的右边，左边过渡色光点的左边，再加上接近背景颜色的另一过渡色光点，或说对于与过渡色光点紧邻的背景点，将其颜色设置成与背景的颜色接近的过渡颜色，这样，光点信号脉冲就变成了原脉冲五倍宽度的阶梯脉冲。光点脉冲宽度的增加，降低了彩色光点R、G、B分色脉冲的频率。

过渡色的选择依据是：以显示电视机视频通道通频带宽度为条件，通过对分色阶梯脉冲的频谱分析，计算各过渡色R、G、B分色阶梯脉冲的基色分量，再将三个分色阶梯脉冲的基色分量合成为过渡颜色。经过这样的变换，使彩色光点数据传输需要的通频带宽度能够压缩到模拟电视机视频放大线路规定的不失真频带的范围内，可以减少视频信号的畸变，避免色差和闪烁，提高小字符在电视机屏幕的显示清晰度。

图4表示了对矩形脉冲、三阶梯脉冲和五阶梯脉冲进行频谱分析计算后得到的各种脉冲频谱分布曲线。水平轴表示频率，垂直轴是该频率的比例，虚线曲线、细线曲线、粗线曲线分别是矩形脉冲、三阶梯脉冲、五阶梯脉冲的频谱分布曲线。按照信号的通频带定义，频谱分布曲线与水平轴的第一交点为该信号的通频带上限(下限为0频率)。从图中可以看出，经过阶梯化处理的脉冲信号的通频带宽度逐渐减小，而信号在通频带宽度内的频率积分，即第一交点右边水平轴与曲线之间的面积，逐渐上升。这个面积与整个面积之比，表示了能够被电视机水平通道线性放大的频率比例，比值越大，失真越小，显示效果也就越好。图中右上角图例后的频带宽度数字值是在标准VGA显示模式下，一个光点的矩形脉冲和对这个脉冲进行三阶梯变换及五阶梯变换后计算的通频带宽度的数值。

图5表示了经过增加一个过渡色光点后，字型点阵图像的实例。左边是16×16点阵的“中”字的图像，右边是经过增加了一个过渡色(浅灰色)变换后的图像。过渡色按图4及以下说明的频谱分析计算而决定，在本例中，由于字型颜色为高亮点白色RGB＝0X0FFF(取24位RGB为例)，背景为纯黑RGB＝0X0000，为保持通频带在4M范围，通过计算，过渡色应为字型色的65％，即过渡色取值为RGB＝0X0AAA。

如再将与过渡色光点紧邻的背景点的颜色设置成与背景的颜色接近的过渡颜色，便可进一步压缩视频信号的通频带。

通过增加过渡色光点的方法，不但能够压缩视频信号的通频带，还可以对抽取采样造成的缺陷进行补偿。RGB值数字图像需要调制为模拟视频信号才能在电视机上显示。在进行数模转换时，需要对计算机图像数据进行采样。由于计算机图像数据的水平和垂直分辨率都高于普通模拟电视机的水平分辨率(即电视机显象管荫罩板光孔列数)和垂直分辨率(即扫描线数)。在扫描图像数据、调制电视信号时，对图像的行列数据不能按列按行顺序采样，而按某种方式跳跃抽取相邻两列或两行对应点的RGB数值。抽取的方法一般是简单抽取或取相应点和相邻点RGB数值的加权平均值。无论是对于简单抽取还是加权平均方法，增加了过渡色光点，都能够改善采样的效果。对简单抽取方法，若没有过渡色光点，间隔采样时，如果跳过字型点，而字型点旁边的点(对于行扫描)或下一行的对应点(对应列扫描)是背景色时，抽取的RGB值是背景的颜色，字符显示就会出现掉点或断点的现象；有了过渡色光点，即使在字型点上跳跃采样，旁边的点或下一行的对应点也是接近字符颜色的过渡色，这样抽取的RGB值不会是背景的颜色，而是接近字型颜色的过渡色，字符显示便避免了掉点或断点现象。对加权平均算法，如果没有过渡色光点，抽取的RGB值是字型RGB和背景RGB颜色值的加权平均值。由于字型颜色和背景颜色在网页设计时可以自由设定，一般为了使网页文本醒目，选择的文本颜色和背景颜色无论是色度、亮度和饱和度差距较大，采样后平均计算的结果极有可能成为与文本和背景颜色无关的颜色，在屏幕上显示后出现字符色度偏移。特别是显示中文文本信息时，由于汉字较英文数字等其它字符具有更为复杂的结构，在水平方向和垂直方向字型点阵的组合变化激烈，常常会出现色彩斑斓的汉字显示；而有了过渡色光点，在加权平均采样时，需要取用相邻点的RGB值，所以即使采样点是过渡色点，字型点的色度数值会被取用，用于平均计算，计算的结果包含了字型点的颜色，避免了色度过大偏差。

通过增加过渡色光点的方法，可以提高网页文本在模拟电视机上显示的清晰程度。但是在一些情况下，特别是字符点阵密集区域，过渡色相互重叠，可能会造成字符显示笔划相连或框形结构内部无背景色显示等字体显示粗化问题。为了达到更好的字符显示效果，在进行过渡色处理时，可以根据字型点阵疏密程度和分布情况来决定不同的处理方法及改变过渡色亮度、色度的选择。例如中间只有一个空格背景的两平行笔划，如果将两笔划之间的背景色改为接近字型颜色的过渡色，两笔划容易相连显示成为宽度增加的一笔划，使字符显示失真。这时需要调整为接近背景色的过渡色或选择有利于清晰显示的其它的过渡颜色。汉字中还有大量的小形封闭框形笔划结构，这是影响小字符显示清晰程度的关键。特别是当选用了高亮度的字型色和低亮度的背景色时，即使不加过渡色，由于电子束在这些字型点上轰击能量较高，能量扩散使相邻点也连带发光，框内中空背景部分形成所谓“热区”，背景颜色也会接近字符颜色，致使框结构显示模糊，如果不加区别地在框内再加上接近字符颜色的过渡色，框形结构将显示为色块。在这种情况下，应改变这些点的背景颜色，选择比背景色亮度和色度更低的颜色作为过渡色，实现“热区冷却”，才能比较清晰地显示小框结构。也就是说，对于四周被字型点包围、或两侧被字型点夹持的背景点，可将其颜色设置成比背景颜色的亮度和色度更低的过渡颜色。

图6显示了经过这种特殊处理的汉字点阵的细部，左边是未经处理的字型图像，右边是进行了三阶梯脉冲化变换和局部“热区冷却”处理的图像。从图中可以看出，由于框结构仅有一个背景光点，而相邻八个光点都为高亮度的字型点，在电视机上显示时，上部“田”字会连成一个方形色块，无法显示字型的细节。经过处理后，与背景色比较，降低了左边图像框形结构内部背景光点的亮度和色度，使上部“田”字容易判读。

Claims (4)

1.一种在互联网-机顶盒-模拟视频接收设备系统中使用的低分辨率视频设备字符显示清晰度的增强方法，其过程为：针对所接收的每一个字符的点阵颜色，对于与字型点紧邻的各背景点，将其颜色设置成与字型点的颜色接近的过渡颜色，使之成为过渡色点，从而在字型点的四周形成一个过渡色框。

2.如权利要求1所述的在互联网-机顶盒-模拟视频接收设备系统中使用的低分辨率视频设备字符显示清晰度的增强方法，其特征在于：对于与过渡色点紧邻的背景点，将其颜色设置成与背景颜色接近的过渡颜色。

3.如权利要求1或2所述的在互联网-机顶盒-模拟视频接收设备系统中使用的低分辨率视频设备字符显示清晰度的增强方法，其特征在于：对于四周被字型点包围、或两侧被字型点夹持的背景点，将其颜色设置成比背景颜色的亮度和色度更低的过渡颜色。

4.如权利要求1或2所述的在互联网-机顶盒-模拟视频接收设备系统中使用的低分辨率视频设备字符显示清晰度的增强方法，其特征在于：

所述过渡色的选择依据是：以显示电视机视频通道通频带宽度为条件，通过对分色阶梯脉冲的频谱分析，计算各过渡色R、G、B分色阶梯脉冲的基色分量，再将三个分色阶梯脉冲的基色分量合成为过渡颜色。

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