CN1121780C

CN1121780C - 处理图像信号中过渡区域的方法

Info

Publication number: CN1121780C
Application number: CN98108375A
Authority: CN
Inventors: 卡洛斯·科雷亚
Original assignee: Deutsche Thomson Brandt GmbH
Current assignee: Deutsche Thomson Brandt GmbH
Priority date: 1997-05-28
Filing date: 1998-05-13
Publication date: 2003-09-17
Anticipated expiration: 2018-05-13
Also published as: DE69823095D1; DE69823095T2; EP0881827A2; DE19722358A1; CN1200521A; EP0881827B1; US6181385B1; EP0881827A3; JPH10334232A

Abstract

一种处理图像信号中过渡区域的方法。图像信号包括数字像素值序列。包含处理像素值(Y14，C04)的一些相邻的像素值(Y04，Y10-Y18，Y24；C00-C08)被结合形成一处理块。为处理像素值计算校正像素值(YER，CTIO)。为此，首先在处理块中确定最大和最小像素值(Y6，Y0；C4，C0)以定义过渡区域。随后根据像素值幅度将过渡区域分成一些分区。最后，确定处理像素值所位于的分区。然后根据预定传递函数(11)给处理像素值(Y14，C04)分配一相应校正值以增加、减少或不改变该处理像素值。

Description

处理图像信号中过渡区域的方法

技术领域

本发明涉及一种处理数字图像信号中过渡区域的方法。

背景技术

本发明基于一种处理图像信号中过渡区域的方法。例如在德国专利说明书DE 40 39 122 C2中公开的一种图像信号边缘校正的方法。在从这个专利已知的方法的情况下，一个视频信号的数字化亮度信号在四个串行连接的延迟电路中被延迟。在下一级即减法电路、绝对值电路、比较器和乘法电路中处理延迟的亮度信号。这些处理级用于定义一个边缘的开始和一个边缘的结束。当识别出一个边缘的开始时，产生控制信号使得延迟的亮度信号之一而不是输出未延迟的亮度信号。这导致了图像信号中过渡区梯度的增加，因为实际上输出从一个采样值到下一个采样值的过渡区的上层亮度值而不必输出中间值。

发明内容

基于上面提到的现有技术，本发明的目的是规定一种方法用于处理数字图像信号中的过渡区域，它尽可能地工作在相应的图像信号的采样时钟速率，易于利用电路实现，特别是无需复杂电路来管理以识别图像信号的过渡区(边缘)。

按照本发明的一个方面，提供一种处理图像信号中过渡区域的方法，该图像信号包括一个数字像素值序列，该方法包括下列步骤：

形成具有要相对其计算校正的像素值的处理像素值和围绕着所述处理像素值的一些相邻像素值一个处理块；

确定处理块中的最大和最小像素值；

通过在最大和最小像素值之处以及它们之间建立一组像素值，定义所述处理块中的过渡区域；

确定最大和最小像素值之间的平均值；

将过渡区域划分成至少一个上层分区和一个下层分区，其中平均值代表上层分区和下层分区之间的边界；

将处理像素值指定给上层分区和下层分区之一，或指定给所述平均值；

根据一个具有至少一个对应的上层和下层分区的预定传递函数给处理像素值分配一个相应的校正值，以便增加、减少或不改变该处理像素值。

与现有技术已知的方法形成对照，本发明方法的优点是它以正常的采样时钟速率单独地处理每个像素，并且在这样的程度上易于利用电路来实现。关于像素的处理，在一个过渡区中这个像素的位置是不相干的。对于电路元件不需要定义什么是图像信号中的一个过渡区以及检测图像中的这样一个过渡区。本方法的这个特性还提供了对于发生在图像信号中的噪声不敏感性。

根据本发明的方法，过渡区域简单地由考虑的处理块中最大和最小像素值定义。将以这种方法定义的过渡区域分成上层和下层分区使得容易分配校正值以增加过渡区的梯度。在这种情况下，如果所述处理像素值位于过渡区的上层分区的一个中，处理像素值被分配一个正的校正值，并且如果所述处理像素值是在过渡区的下层分区的一个中，因此处理像素值被分配一个负的校正值。这导致了过渡区的梯度以一种简单的方式增加。

通过确定在处理块中最小和最大像素值之间的平均值并且使用这个平均值作为上层和下层分区之间的一个边界以一种简单的方式完成将定义的过渡区域划分成上层分区和下层分区。

本方法有益地用于增加图像信号中的边缘梯度。在这种情况下，图像信号主要是视频信号的亮度信号。

对于增加亮度信号的边缘梯度的情况，如果用于处理像素值的各个校正值被选择作为最大和最小像素值之间差值的函数则是有益的。在这种情况下，如果最大和最小像素值之间的差值趋近于零则边缘梯度增加函数能够同样逐渐地趋近于零。这也使得可能使用边缘梯度增加的措施以避免视频图像中人们面对不自然动作的不希望的效果。

本发明的这样一些措施对于具体实施用于亮度信号的方法是有益的。即过渡区域被划分成六个分区，并且传递函数在第一下层分区和第三上层分区具有近似恒定的轮廓，在第二下层分区和第二上层分区的第一梯度具有线性轮廓，以及在第三下层分区和第一上层分区的第二梯度具有线性轮廓，选择第一梯度的幅度小于第二梯度的幅度。借助于特定的传递函数来校正过渡区的像素值，由于特定的传递函数具有带有不同梯度的分区，特别是实际上不同于零的两个梯度，所以在较高频率避免图像中不希望的混叠效应。

该方法还能够有益地用于改进图像信号中的彩色过渡区。在色度信号的较高的水平频率上的混叠效应较不容易被人眼看到，所以在这种情况下可能简化该方法。在易于实现的简化方法中，过渡区域被划分成四个分区，并且传递函数在第一下层分区和第二上层分区的第三梯度具有线性轮廓，以及在第二下层分区和第一上层分区的第四梯度具有线性轮廓，选择的第三梯度的幅度小于第四梯度的幅度。

使第四梯度对应于增加倍数4的未处理过渡区的梯度的措施进一步简化了下游开关单元。采样值数增加倍数2特别导致在下游电路部分中使用相同的处理时钟速率处理亮度和色度信号的能力(例如转换这些信号为相应的RGB信号)。

附图说明

在下面描述中将更详细地解释本发明的示范实施例，并且在附图中进行说明，其中：

图1示出视频信号中边缘梯度增加方法的传递函数的表示；

图2示出用于视频信号中边缘梯度增加方法的一个处理块；

图3示出用于执行视频信号中边缘梯度增加方法的设备的简略框图；

图4示出边缘梯度增加方法的第一分区的详细方框图；

图5示出边缘梯度增加方法的第二分区的详细方框图；

图6示出用于改进视频图像中彩色过渡区的方法的传递函数的表示；

图7示出用于改进视频图像中彩色过渡区的方法的一个处理块；

图8示出用于执行改进视频图像中彩色过渡区的方法的设备的概略框图；

图9示出用于改进视频图像中彩色过渡区的方法的第一分区的详细方框图；

图10示出用于改进视频图像中彩色过渡区的方法的第二分区的详细方框图，以及

图11示出用于改进视频图像中彩色过渡区的方法的第三分区详细方框图。

具体实施方式

首先根据一个图像信号边缘校正电路的例子描述本发明。在视频图像，特别是在电视图像的情况下，视频信号(复合视频信号)要被转换为一个亮度信号Y和一个色度信号C一般是公知的。在这里使用边缘校正方法的情况下，首先仍然是模拟形式的亮度信号Y通过采样和量化被数字化。然后使用数字电路实现边缘校正。因此下文中的前提是亮度信号Y以数字形式馈送到边缘校正电路。图1的标号10表示亮度信号Y中过渡区的一般形式。当亮度信号输出到彩色显象管时，最终这种过渡区导致图像中边缘的表示，也就是说可能识别出一个从图像中一个相对黑的区域到图像中一个亮的区域的突然变化。不同的像素的亮度值如图1中纵坐标所示。Y0表示最低的亮度值。Y6表示发生的最大的亮度值。图1的横坐标实际上表示一个位置坐标，也就是说一个视频行的像素数绘制在X轴上，在这种情况下，为了简化起见，不详细地说明将亮度信号分成不同的像素。所表明的过渡区10由相对少的像素元素形成(以九个像素元素的幅度次序)。亮度信号的频带限制(例如在发射的电视图像的情况下为5MHz)导致更详细发射亮度信号中若干细节能力的损失，因此该过渡区具有图1表明的线性轮廓。因此为了增加这种图像边缘的对比度要求对这种过渡区的后处理。这里用于图像边缘校正的方法通过以这样一种方式后处理亮度信号实现，即使得该过渡区具有由图1中的标号11表示的传递函数的形式。这样做的过程如下：首先，在一个相邻像素值的方块中，确定具有最小和最大亮度值的这些像素。图2示出关于这一点的处理块。在图2中，Y10表示例如一个在行1的零位置发生的像素值。因此，例如Y14表示在行1处理块中第五个位置发生的像素值。总的来说，处理块包括在一个中心线中的九个连续的像素值并且在垂直方向上像素Y04和Y24邻近于编号为Y14的像素。这样一个处理块被用于对位于中心的像素Y14计算一个校正的像素值。当计算下一个校正的像素值时，处理块实际上被移动使得现在具有数Y15的像素位于新的处理块的中心。

首先，确定处理方块中最小和最大像素值。然而，在这种情况下，仅仅考虑编号为Y10到Y18和Y04以及Y24的像素值。根据图1，Y6是像素发生的最大亮度值，而Y0是发生的最小亮度值。在下一步确定最小和最大像素值之间的平均值。这个值相应于图1中的值Y3。定义的平均值Y3将该过渡区划分成一个上层分区和一个下层分区。接着，上层和下层分区被以一种合理的方式划分成更细的分区。通过确定处理块中两个相邻像素值之间用幅度表示的最大的差值完成这一点。以这种方式获得的值还被最大像素值Y6和最小像素值Y0之间的差值减去，并且其结果除以4。这产生一个参数P，借助于它实现进一步划分过渡区的上层分区和下层分区。这导致图1所示具有极限值Y1、Y2、Y3、Y4和Y5的划分。随后确定处理像素值Y14位于的下层分区。根据这一点，这个处理像素值被分配一个或者正的或者负的校正值。如图1所示，在过渡区的上层分区的校正值是正的，相反，在下层分区是负的。最后，以这种方法获得的校正值被加到原始的处理像素值Y14。

从图1可以很清楚地看出，对于一个位于值Y5和Y6之间的分区中的亮度值，确定一个校正值，即分配一个实际上等于亮度值Y6的值为处理像素值。一种相应的情形应用于亮度值Y0和Y1之间的分区。在这种情况下，处理像素值被分配一个实际上相应于亮度值(Y0)的值。在分区Y1到Y2，处理像素值被分配一个校正值使得得到的像素值实际上位于一个线性函数上，该函数被向下移动并且具有与原始过渡区相同的梯度。一种相应的情形再一次应用于值Y4和Y5之间的分区。然而，在这种情况下，确定一个校正值，它向上移动处理像素值。如果处理像素值的亮度值位于值Y2和Y3之间的分区，则因此确定一个负的校正值，它映射处理像素值到一个线性函数，该函数具有一个比原始过渡区的线性函数的梯度大二倍的梯度。这个线性函数通过过渡区的平均值Y3。一种相应的情形应用于一个位于值Y3和Y4之间的分区的处理像素值。然而，在这种情况下，处理像素值向上移动。下面根据公式提供对于该方法的数学实现的一个具体例子。在这种情况下，借助于“if-then-else”指令描述在不同的分区中校正值的分配。来自许多计算机编程语言的这个指令对于本领域的技术人员是公知的。应该提到的是使用的值UC_ER_CTRL表示一个可以选择的参数并且可以假定为从-128到+127的整数值。对于该算法确定这里要使用的值一次。这样在产品开发期间可以对这个参数进行这种优化，例如对于一个具有特定的彩色显象管的特定的电视底盘。为了优化操作，这个参数值将通常位于值0的附近。如果选择值-128用于UC_ER_CTRL，这意味着边缘梯度增加函数被关断。这可以容易地从用于中间值ER_GAIN和YER的公式看出。在这里考虑的例子的情况中Y0和Y6的亮度值涉及从0到128的范围的整数值。

计算算法：

YI＝Y14

Y0＝MIN(Y04，Y10，Y11，Y12，Y13，Y14，Y15，Y16，Y17，Y18，Y24)

Y6＝MAX(Y04，Y10，Y11，Y12，Y13，Y14，Y15，Y16，Y17，Y18，Y24)

A＝Y11-Y10，B＝Y12-Y11，C＝Y13-Y12，D＝Y14-Y13，

E＝Y15-Y14，F＝Y16-Y15，G＝Y17-Y16，H＝Y14-Y10，

I＝Y24-Y14，J＝Y04-Y14

M＝MAX(A，B，C，D，E，F，G，H，I，J)

Y3＝(Y0+Y6)/2

N＝(Y6-Y0)

P＝(N-M)/4

Y1＝Y0+P，Y2＝Y3-P，Y4＝Y3+P，Y5＝Y6-P

If(Y0＜＝YI＜Y1) DY＝Y0-Y1 梯度0

else if(Y1＜＝YI＜Y2) DY＝Y0-Y1＝-P 梯度1

else if(Y2＜＝YI＜Y3) DY＝YI-Y3 梯度2

else if(Y3＜＝YI＜Y4) DY＝YI-Y3 梯度2

else if(Y4＜＝YI＜Y5) DY＝Y6-Y5＝P 梯度1

else DY＝Y6-Y 梯度0

ER_GAIN＝MAX(MIN(|N/2|+UC_ER_CTRL，128)，0)

最后：

YER＝YI+((ER_GAIN)*DY)/128

由视频信号接收机中之一电路实现该描述的方法。图3示出这个电路的一个概略的方框图。标号20表示对于每个处理像素值实现前面描述的计算算法的实际的校正电路。标号21表示一个输入优化参数UC_ER_CTRL的控制寄存器。标号22表示一个控制单元。这个控制单元22用于例如编程参数UC_ER_CTRL到控制寄存器21。为了这个目的，控制单元22经过一个地址、数据和控制总线23连接到校正电路20。校正电路20以采样模拟信号相同的采样时钟速率操作。因此校正的像素值以与经过输入端YIN用于读取它们到校正电路20相同的时钟速率出现在校正电路20的输出端YOUT。

使用一个图4中说明的电路在校正电路20中实现对于处理块中最大和最小亮度值的搜索和对于两个相邻的像素值之间最大差值的搜索。标号30实际上表示一个存储所有编号为Y05-Y10的像素值的移位寄存器存储器。这样，编号为Y10的像素值数出现在这个电路的输出端。在每种情况下标号31表示用于一个像素值的存储器单元。在每种情况下出现在各个级31的输出端的亮度值在例图的左边指出。所有的级30、31和30构成为移位寄存器存储器。随后像素Y24的亮度值出现在最后的移位寄存器存储器30的输出端。标号32表示最大值选择电路。最大值估计电路32的第一列表示在考虑的处理块中选择最大的亮度值Y6。标号33表示最小值选择电路。如图4中所指出的，具有最小值选择电路33的列确定最小亮度值Y0。标号34表示减法和幅度形成级。值A、B、C到J中之一在每个级中计算。借助于最后一列中最大值估计电路32确定这些值中的最大值。这样根据图4确定的值Y6、Y0、YI和M出现在电路的输出端。这些值通过到达下一个处理级。

这下一个处理级在图5中说明。图5的标号35表示倒相器。图5的加法器电路由标号36表示。另外，还表示出一个电路将输入数据相加，随后除以4。这些处理级具有标号38。标号37表示一个处理级，该级完成输入值的加法并且随后除以2。标号39表示一个处理级，其中形成输入值的幅度，并且将这个值除以2。最后，标号40表示一个处理级，其中输入值除以值128。最后，还有一标号41表示一个乘法级，该级将输入值彼此相乘。最大值选择电路32和最小值选择电路33再一次作为后级出现。所图示的电路执行前面描述的计算算法的第二部分，使得用于处理像素值Y14的校正亮度值输出到它的输出端YOUT。如果更详细地考虑图5的电路，它能够说明最大值选择电路和最小值选择电路的所示结构以“if-then-else”指令对应于前面描述的计算算法的分配过程。

接下来，使用改进视频信号中彩色过渡区的方法的例子描述本发明的方法。图6示出一个彩色过渡区。标号10以它的原始形式表示彩色过渡区。再次将一个位置坐标绘制在横坐标上。在这种情况下，像素对应的色度值在纵坐标上说明。为了简化起见，再一次省略将横坐标划分成像素值。如所知的，在色度信号的情况下频带限制甚至比亮度信号的情况下更严厉。用于电视信号的色度分区的传输带宽是例如大约1.3MHz。然而，因为人眼对于彩色过渡区以一种高度不敏感的方式反应，与亮度传输相反，彩色过渡区不需要以如此复杂的方式改进。因此这里提出的方法使用一种有些简化的传递函数。用于校正彩色过渡区的传递函数具有图6的标号11。参考符号CO表示过渡区的最小色度值。标号C4表示过渡区的最大色度值。参考值C2表示最大色度值C4和最小色度值C0之间的平均值。平均值C2再一次用于区分过渡区的上层和下层分区。在这种情况下上层分区和下层分区每一个仅仅被划分成两个分区。在一个视频行中只有一个九个连续像素值的序列在这里考虑作为处理块。相应的处理块在图7中说明。

用于改进彩色过渡区的方法实际上与前面描述的边缘校正相同。对一个相应于图7说明的处理块中的值C04的当前处理像素值，再次进行确定以寻找相关色度值的过渡区所位于的分区。如果色度值C04位于值C0和C1之间的分区，则它被分配一个负的校正值，该值映射原始的处理像素值到线性函数，该函数在图6中说明并且具有一个小的梯度。一种相应的情形应用到位于色度值C3和C4之间分区中的一处理像素值。然而，这里分配一个正的校正值。对位于色度值C1和C2之间分区的处理像素值，分配的值映射当前的处理像素值到线性函数，该函数在图6中说明并且具有与原始过渡区相比大约增加四倍一个梯度。在这个分区分配负的校正值。相反，一个相应的正的校正值分配在色度值C2和C3之间的第一上层分区中。

下文公开了根据公式用于改进彩色过渡区的所描述方法的具体数学实现。

计算算法：

CI0＝C04

CI1＝(C04+C05)/2

C0＝MIN(C00，C01，C02，C03，C04，C05，C06，C07，C08)

C4＝MAX(C00，C01，C02，C03，C04，C05，C06，C07，C08)

C2＝(C0+C4)/2

N＝(C4-C0)

P＝N/8

C1＝C0+P，C3＝C4-P

If(C0＜＝CI0＜C1) DC0＝(C0-CI0)

else If(C1＜＝CI0＜C2) DC0＝3*(CI0-C2)

else If(C2＜＝CI0＜C3) DC0＝3*(CI0-C2)

else DC0＝(C4-CI0)

If(C0＜＝CI1＜C1) DC1＝(C0-CI1)

else If(C1＜＝CI1＜C2) DC1＝3*(CI1-C2)

else If(C2＜＝CI1＜C3) DC1＝3*(CI1-C2)

else DC1＝(C4-CI1)

最后：

CTI0＝CI0+((UC_CTI_GAIN)*DC0)/64

CTI1＝CI1+((UC_CTI_GAIN)*DC1)/64

设计该算法使得两个色度值CTI0和CTI1在每种情况中计算作为输出值。因此两个校正的色度值出现在每个处理像素值的输出端。执行这种两倍的采样频率使得后面的级能够以相同的时钟频率操作。这样采样率比例以方式4∶4∶4的增加特别相应于与色差信号U、V相比的亮度信号Y的采样率的增加，因为如所知的，当今的4∶2∶2电视系统中色差信号以与亮度采样率相比一半采样速率获得。如果输出校正亮度值和色度值现在被转换为相应的RGB信号并且最后经过D/A转换器输出到彩色显象管，则这个电路被大大的简化了，因为计算转换和D/A转换能够以相同的时钟频率同时实现。

用在计算算法中的参数UC_CTI_GAIN再一次被用于对特定的电视底盘和特定的彩色显象管优化改进产品开发中彩色过渡区的方法的目的。

该方法的电路实现与前面描述的边缘校正方法的电路实现是很相似的。图8示出这种电路的概略方框图。在这种情况下相同的标号表示如图3相同的项。

图9再一次示出一个第一电路部分，它用于确定最大和最小值以及中间值CI0、CI1和平均值C2。相同的标号再一次表示如图4中相同的元件。

用于计算输出值CTI0和CTI1的电路部分在图10和11中说明。在这些图中的标号再一次取自前述附图。标号42表示一个由系数-3乘以输入值的乘法器级。标号43表示一个输入值除以系数64的处理级。在每种情况下两个电路级的操作方法能够直接从各个图中看到。每一所描述的电路实现表示根据本发明的方法的优化型式。

该方法可以用许多方式修改。例如，对于其他实现可以选择不同的处理块。这样，考虑中的像素值可以被扩展，例如在处理块中考虑5、7或9垂直的相邻像素值。当然，计算算法和相应的电路部分也必须改变。作为一个过渡区域，当然也可能考虑一个与图1和6中所示相反的过渡区，从一个具有高像素值的区域变化到一个具有低像素值的区域。

该方法能够用于多种电视信号接收机中。另一方面，它能够用于对计算机监视器等等的图像改进措施。

Claims

1.一种处理图像信号中过渡区域的方法，该图像信号包括一个数字像素值序列，该方法包括下列步骤：

确定处理块中的最大和最小像素值；

确定最大和最小像素值之间的平均值；

根据一个传递函数给处理像素值分配一个相应的校正值，以便增加、减少或不改变该处理像素值，所述传递函数含有：具有减小过渡区域的下层分区中的处理像素值的形式的至少一个对应的下层分区，以及具有增大过渡区域的上层分区中的处理像素值的形式的至少一个对应的上层分区。

2.如权利要求1所述的方法，还包括下列步骤：

当所述处理像素值在过渡区的上层分区之一中时，将一个正的校正值分配给该处理像素值，以及当所述处理像素值在过渡区的下层分区之一中时，将一个负的校正值分配给该处理像素值。

3.如权利要求1所述的方法，其中增加了图像信号的边缘梯度，并且该图像信号对应于视频信号的亮度信号。

4.如权利要求1所述的方法，其中分配一个相应的校正值的步骤包括：

确定最大和最小像素值之间的差值；

作为最大和最小像素值之间的差的函数选择校正值。

5.如权利要求1所述的方法，其中划分过渡区域的步骤包括：

将过渡区域划分成六个分区，并且传递函数在第一下层分区和第三上层分区具有近似恒定的轮廓，在第二下层分区和第二上层分区的第一梯度具有线性轮廓，以及在第三下层分区和第一上层分区的第二梯度具有线性轮廓；以及

选择第一梯度的幅度小于第二梯度的幅度。

6.如权利要求5所述的方法，其中第一梯度相应于未处理的过渡区的梯度和第二梯度相应于增加倍数2的未处理过渡区的梯度。

7.如权利要求1所述的方法，其中形成处理块的步骤包括：

从各具有九个连续像素值的三个连续视频行选择像素值矩阵，所述处理像素值位于像素值矩阵的中心。

8.如权利要求1所述的方法，其中改进了图像信号中的彩色过渡区，并且图像信号对应于视频信号的色度信号。

9.如权利要求8所述的方法，还包括下列步骤：

将所述过渡区域划分成四个分区，并且传递函数在第一下层分区和第二上层分区的第三梯度具有线性轮廓，以及在第二下层分区和第一上层分区的第四梯度具有线性轮廓；以及

选择的第三梯度的幅度小于第四梯度的幅度。

10.如权利要求9所述的方法，其中第四梯度对应于增加倍数4的未处理过渡区的梯度。

11.如权利要求8所述的方法，其中所述处理块包括视频行中九个连续的像素值并且该方法还包括步骤：

将处理像素值定位在九个像素值的中心。

12.如权利要求1所述的方法，其中还包括下列步骤：

除了处理像素值(C04)以外计算另一个像素值(CTI1)，像素值(CTI1)位于处理像素值(C04)和接下来的像素值(C05)之间，以便改进色度信号的分辨率。