CN1221918C - 内插数据的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种在视频显示系统中的第一和第二像素之间进行内插的方法和装置,其中第一像素具有第一像素值和在一图像的一像素行上的第一座标,第二像素具有第二像素值和在该像素行上的第二座标。本发明提供该行上的第一和第二座标之间的第一中间座标,并确定用于第一中间座标的权重因子。如果第一中间座标位于第一区域中,通过将第一中间座标输入第一混合函数来确定该权重因子,如果第一中间座标位于第二区域中,通过将第一中间座标输入第二混合函数来确定该权重因子。一旦确定该权重因子,自该权重因子与第一像素值和第二像素值之间的差的乘积计算第一内插值。

Description

内插数据的方法和装置
技术领域
本发明涉及内插法,更具体地说,是关于在两个输入信号间插入数据的方法与装置。
背景技术
数学内插法用于许多技术区域中,包括例如,数字处理与类比取样应用。以前,内插法是利用诸如“最近邻域″方法与利用线性,二次与三次多项式等方法(approaches)来实现。
线性内插法为诸如0≤x≤1的区域范国逼近由
(1)y=mx+b
所提供的直线函数的两点间的值。关于上述方程式,已知点x=0与x=1用于决定斜率(slope)m与节距(intercept)b。因为使用线性函数,只需要两点即可以内插,与线性内插有关的计算成本很少。然而,由线性内插法所产生的结果,在许多应用上太不准确。例如,在影象处理应用上,线性内插法产生一些与输入信号相比较缺乏清晰度与对比度的输出信号。
普通的二次内插曲线(general quadratic interpolation curve)对0≤x≤1的区域范固,利用由下式提供的二次函数逼近两点之间的值:
(2)y=ax2+bx+c
二次内插法通常需要二点:例如,f(-1),f(0),与f(1)。为0≤x≤1的区域范围可利用二次函数获得的一内插方程式是:
(3)f=((f(-1)-2f(0)+f(1))/2)x2+(f(1)-f(-1))x+f(10)
另一个二次内插方程式是在美国专利第5,379,241号,授权给格瑞根(Greggain),其中为-0.5≤x≤0.5的区域范围提供下式:
(4)f=((f(-0.5)-2f(0)+f(0.5)/0.5)X2+(f(0.5)-f(-0.5))x+f(0)
方程式(4)也可以与方程式(1)合并起来为-0.5≤x≤0.5的区域0 范围产生下式:
(5)f=((f(-1)-2f(0)+f(1))X2+((f(1)-f(-1)/2)x+f(0)
同样地,三次或更高次的内插法在该技术中也属公知(如美国专利第4,578,612号所示),其为三次卷积内插法(cubic convolutioninterpolation)实行高次内插做为权重因子。
对于需要优选清晰度与对比度的应用,通常需要二或更高次的内插。可是,较高次内插在进行内插时会增加复杂性与资源。因此,需要一种内插法与应用,它能提供正确性而计算上不需要二次与较高次的内插法。
现有技术的上述及其他缺点将由本发明加以解决。
发明内容
本发明的一实施例提供一种在视频显示系统中的第一与第二像素间的内插方法,该第一像素具备一第一像素值与在一图像中的一像素行上的第一座标,而该第二像素具备一第二像素值与在该像素行上的第二座标,该方法包含:将该像素行上的第一和第二座标之间的一第一中间座标提供给数据处理源;在数据处理源中,为该第一中间座标确定一权重因子,其方法是如果第一中间座标位于第一区域时,则将第一中间座标输入到第一混合函数中,或如果该第一中间座标位于第二区域时,则将该第一中间座标输入到第二混合函数中;在数据处理源中由该第一中间座标的权重因子与第一像素值与第二像素值之间的差的第一乘积计算一第一内插值;在第一和第二像素之间的该像素行上的该第一中间座标中插入具有该内插值的一中间像素;及输出包含有所述中间像素的一修改行。
本发明也可以包括一种用于在一视频图像中的一像素行内的第一与第二像素之间内插数据的视频显示装置,该装置包含:一个分数产生器,用于提供对应于该行上的第一座标与第二座标之间的第一中间座标的信号;一个耦连于分数产生器以接收对应于该中间座标的信号的控制器,该控制器包括通过交互使用至少两个混合函数为第一中间座标决定一权重因子的逻辑电路,而且该控制器提供一对应于该权重因子的信号;以及一演算器,用于接收第一与第二像素,且耦连于控制器以接收对应于该权重因子的信号,该第一像素具有一第一像素值与在该行上的第一座标,而该第二像素具有一第二像素值与在该行上的一第二座标;其中该演算器包括有源,用于利用包含该第一中间座标的权重因子该第一像素值与第二像素值之间的差的乘积的一方程式计算第一内插值;并用于在该第一像素和第二像素之间的所述行上插入具有所述第一内插值的一中间像素。
在实施例的另一变形中,该控制器包括用于当第一介于两者之间的座标位于第一区域时,执行第一混合函数,以及当第一介于两者之间的座标位于第二区域时,执行第二混合函数逻辑电路。
在实施例的另一变形中,像素次序产生器(pixel ordergenerator)耦连于演算器(operator),而像素次序产生器对演算器提供第一与第二像素。像素次序产生器可以包括存储器源以接收与存储输入的像素矩阵(matrix of pixels)。
附图说明
图1为表示本发明的一优选实施例的内插法的图领域公知的线性与二次内插法方法所获得的输出的比较图。
图3为结合本发明的系统的方块图。
具体实施方式
本发明提供一种根据包含两个混合函数的内插法在已知数值之间进行近似的方法与装置。一个优选实施例的内插方法将一线性内插函数与分别的较高次混合函数相结合,其中,每一混合函数与第一与第二已知端点(endpoint)之间的不同数值区域相关连。本发明可以与已知端点代表像素的数字成象应用(digital imaging applications)共同使用。如同下面详细说明,本发明与现有技术相比提供显著的优点是,产生的效果较现有技术的线性或二次方法更为正确。此外,本发明提供正确的结果而不需与典型的第二或较高次多项式内插近似法(interpolation approximations)有关的复杂与昂贵的资源。
内插应用的例子包括授予波特(Potter)的美国专利第5,235,534号以及授予竹井(Takei)等人的美国专利第4,763,293所记载的将类比/信号采样成数字信号,该两项专利将内插法用于包括采取类比数据或信号的处理。本发明在下面所揭示的也可以用于两个或两个以上的离散的区域(discrete domain)与函数值为已知的任何内插应用上。
数字影象的取样或再取样的内插可以由硬件或软件来完成。使用内插的数位影象应用包括视频显示,视频监视器的摄影机、扫瞄器、传真机,以及摄影设备。由本发明获益的其他应用包括从一座标参考帧(reference frame)到另一座标或参考帧的二维相片(twodimensional pictures)的再取样(如美国专利第4,578,812号所记载)。在一优选实施例的一特例应用中,内插法被用于更改或按比例变更(re-size or scale)由像素数据代表的影象大小。按比例变更或更改一个影象的大小包括由一倍以上的放大因数放大原来的影象。例如,为了将具有500×300像素的输入像素放大至输出影象1000×1200,形成该影象的一行像素通过因数2变更,而一列像素通过因数3变更的。
图1表示在二维座标系统上所示的优选内插途径的说明图。点A与B代表二维影象中的像素的相邻点。对于数字影象的更改或依比例变更,x轴代表一个像素的座标位置。对于如视频传输的应用,第一座标系可以表示例如在一行被传输的数位数据上的相邻的两个像素的x座标,或在一列上相邻的两个像素的y座标。最好,图形中的y座标代表像素的一个或更多的色值(color value),但也可以包括其他参数,例如亮度或对比度。对于颜色内插,该像素可以存储代表红、蓝与绿色的参数。
如图1所显示,点A与B间的线性内插作为由下式代表的基础函数
(6)f=f(0)+(f(1)-f(0))x
图1中所示曲线4的第一混合函数以及曲线5的第二混合函数可以应用于方程式(6)的基础函数。最好第一与第二混合函数为相交于中点交点c的二次多项式。该两个二次函数的一次导数(derivatives)在点A与点B间是连续性,而且在C点相等。因此,对于由0.0≤x≤0.5所得的区域范围,一优选实施例的第一混合函数4为
(7)w=2x2
而对于0.5≤x≤1.0的范围,第二混合函数5为:
(8)w=1-2(1-x)2
第一与第二混合函数4与5分别可以代入方程式(6)以得到
(9)f=f(0)+(f(1)-f(0))w
方程式9可以通过代替D简化成如下:
(10)D=f(1)-f(0)
以为区域范围0≤x≤0.5产生:
(11)f=2Dx2+f(0)
而为区域范围0.5≤x≤1.0产生
(12)f=2Dx2+4D+f(1)
在此方法中,当该介于两者之间的点的第一座标位于已知像素的第一区域的子集合(subset)时,方程式(11)对一介于两者之间的点提供一内插像素值,对图1的实施例的子集合是大于0.5而小于或等于1.0。
本发明因为使用具有比基础函数更高的次数的混合函数而比现有技术具有进步性。内插的正确性大约与混合函数相同,但是所需要的输入数量由基础函数来决定的。对于与线性基础函数联合起来的二次混合函数,只需两个输入点或像素来产生一个或一个以上的内插点。因此,本发明的内插法保全了为内插3或更多输入点所需要的诸如临时存储装置,行缓冲器(line buffer),或源码(source code)等资源。此外,本发明所产生的内插输出影象具有更高次序混合函数的正确性。虽然一个优选实施例已经利用双重二次混合函数与线性基础函数加以说明,他种实施例也可以使用三次或更高次的混合函数。而且第一与第二混合函数的至少之一包含一二次多项式,或者包含一具有高于2阶的多项式。对于他种实施例与改变,其混合与基础函数,以及其各自的一次导数在已知的像素与终点之间是连续的。另外,其混合函数与其各自的第一导数或许在为权重函数界定邻接区域范围的交点处是相等的。
图2由一使用一优选实施例的内插方法的样品输出与现有技术的样品输出相比较,以强调本发明的进步性。图2表示输出与输入影象间的双倍放大。内插点在图2中表示于x=0.5,1.5…4.5,而已知像素点表示于x=0.0,1.0…5.0。曲线1是利用本发明的线性基础函数与二次混合函数的优选样本输出曲线。现有技术中的一样品线性内插法以输出曲线2来表示,而一格瑞根(Greggain)二次内插法以输出曲线3来表示。曲线1呈现位于第一区域1.0<x<1.5之间的第一二次混合函数,以及位于第二区域1.5<X<2.0之间的第二混合函数的特征。内插点x=1.5为第一与第二混合函数相等的一个交点。此外,优选实施例的双重二次混合函数合并起来以产生一在第一区域具备向上的凹度(concavity)而在第二区域具备向下的凹度的曲线。合并的混合函数的凹度令曲线1避免在y方向凸起(overshooting)。因此,输出曲线1表示成一平滑的曲线,如x=1.0与x=2.0之间,在像素值改变的图中区域混合或变圆形。相对地,线性输出曲线2在像素值变化的点呈锯齿状,因而在输入影象与输出影象之间交得模糊与失去对比度。同样地,二次输出曲线3在y方向凸起。
图3表示用于实施本发明的内插法的优选装置300的硬件方块图。图3的组件可以以硬连线(hardwired)方式连接至一个或更多个计算机芯片上。图3的组件表示逻辑序列线路的分别或集成配置,用于执行电脑的指定功能。装置300设置有像素的输入矩阵以及有关像素的输出矩阵大小的信息。该装置300耦连于一数学演算器(mathematicaloperator)340。像素次序产生器(pixel order generator)310接收一输入阵列数据的形式的像素数据,而且产生一像素次序做为装置300的输出。该像素次序产生器310可以包含供存储像素输入阵列的记忆装置。在一优选实施例中,像素次序产生器310由输入阵列以扫描行次序输出相邻接的第一及第二像素。装置300然后为一在第一与第二像素之间的座标插入数据。最好该第一与第二像素在输入阵列的行或列中前后排列。
分数产生器320根据一放大因数提供一增量长度,该放大因数针对输入影象放大输出影象。该分数产生器320使用输入阵列的信息及输出阵列的尺寸以为像素的输出阵列决定新像素。如上所述内插法可以用于放大一输入影象,其中输入影象的像素被映射成(mapped)输出影象的已知点,而出现在已知像素间的输出影象中的多余像素由内插法决定。分数产生器320根据期望的放大值输出一第一与第二像素之间的第一中间座标。诸如颜色与亮度值等的像素值系利用内插法为中间的座标加以决定,介于两者之间的点的第一座标处于离开像素的第一座标一个增量长度处。最好,介于两者之间的点与第一像素间之增量长度与放大因数成反比,在本说明书中标示为X1的介于两者之间的点的第一座标位置可以由分数产生器320所输出的增量长度导出。当然,分数发生器320也可提供由第一像素的第一座标顺序增量的多个中间座标。
加权控制器350产生混合函数以对基础函数加权。该加权控制器350由分数产生器320接收—相当于已知端点或像素的介于两者之间的点的第一座标位置。当分数发生器320提供由第一像素的第一座标顺序增量的多个中间座标时,加权控制器350为每一个从第一像素的第一座标顺序增量的中间座标决定其权重因子。演算器340根据一函数来计算多个中间座标中每一个的权重因子与第一像素和第二像素之间的差的乘积
同样,分数产生器320可通过对第一中间座标增加一增量长度而提供在第一与第二座标间的一第二中间座标;加权控制器350为第二中间座标确定一个权重因子,其方法是如果第二中间座标位于第一区域时,则将第二中间座标输入到第三混合函数中,或如果第二中间座标位于第二区域时,则将第二中间座标输入到第四混合函数中;以及演算器340由第二中间座标的权重因子与该第一像素值与第二像素值的之间的差的第二乘积计算一第二内插值;在第一和第二像素之间的该像素行上的该第二中间座标中插入具有该第二内插值的一第二中间像素;并输出包含有所述第二中间像素的修改行。其中该第三混合函数与第一混合函数相同,而第四混合函数与第二混合函数相同。
在一优选实施例中,第一与第二二次混合函数系由利用由分数产生器320的输入首先在加权控制器350的第一阶段305指定下列方程式:
(13)A=X1→为0≤X1≤0.5
A=1-X1→为0.5≤X1≤1.0
A所定义的方程式(13)的左侧是由第一阶段305输出至第二阶段315。在第二阶段315中,A乘以2A以产生2A2,然后将其输出至加权控制器350的第三阶段325。在一个优选实施例中,来自第二阶段315的输入连同由分数产生器320输入的介于两者之间的点的第一座标被代入方程式(13)中以选择第一及第二混合函数。于是由加权控制器350产生下式做为第一与第二二次混合函数。
(14)W=2x1 2→为0≤X1≤0.5;或
W=1-2(1-x1)2→为0.5≤X1≤1.0
由像素次序产生器320,已知的像素或端点f(0)与f(1)被传送至数学演算器(mathematical operator)340,其包含一倍加器及/或加法器,可将第二像素值加入到第一中间座标的权重因子与第一像素值与第二像素值之间的差的第一乘积以计算出第一内插值或将第二像素值加入到第二中间座标的权重因子与该第一像素值与第二像素值的之间的差的第二乘积以计算出第二内插值。该演算器340利用在加权控制器350所导出的W执行方程式(1)。因此,设b=f(0),m=f(1)-f(0),则加权控制器350与演算器340合并结果可以下式表示:
(15)f=f(0)+((f(1)-f(0))w
其中W含有一介于两者之间的点的第一座标,其在上面标示为
0≤x1≤0.5或0.5≤x1≤1.0的第一与第二已知像素之间具有两个区域范围,即第一区域范围和第二区域范围。然后由端点的第一座标所代表的边界(boundaries)之间的任何介于两者之间的点以f(x1)代表其输出。以上举例说明第一像素的第一座标为0,第二像素的第一座标为1。因此,该第一区域大于或等于零,且小于或等于第一与第二像素的第一座标之间的差的二分之一,即0-0.5;而第二区域是大于第一区域且小于或等于第二像素的第一座标,即0.5-1。本领域的技术人员可以理解,根据具体情况可以将第一像素的第一座标和第二像素的第一座标设定不同的其他值,而第一区域和第二区域则可仍通过上述关系来确定。
本发明也可以利用软件与上述的系统与应用一起执行。一个优选执行法的伪码叙述包括下述内容:
利用双重二次内插法将SizeIn输入点的比例变更为SizeOut输出点。该输入点的阵列叫做in.输出点的阵列叫做Out。*/
    ual-quadratic(in[],SizeIn,out[],SizeOut)

    /*决定增量*/

    inc=(sizeIn-1)/(SizeOut-1);

    /*起动*/

    f0=in[0];/*输入阵列中的第一像素*/

    f1=in[1];/*输入阵列中的第一像素*/

    fNext=2I/*“next pixel”的第一指标*/

    /*给每一输出点*/

    i=0;

    当(i<Siz Out){

    /*应用双重二次内插法(方块300与340)*/

    if(frac<=0.5)w=2*frac*frac;/*区块300*/

    else w=1-2*(1-frac)*(1-frac);/*区块300*/

    out[il=f0+(f1-f0)*w;/*区块300*/

    /*增加分数的量(在分数产生器,区块320中)*/

    frac=frac+inc;

    /*如果分数>=1,则载入下一个像素(区块310与320)*/

    if(frac>=1){/*如果这是真的,则320对310传送“载入下一像
素”的信号*/}

    f0=f1;/*第二像素变成第一像素(310)*/

    f1=in[fNext];/*带进一新的第二像素(“第二像素”)(310)*/

    fNext=fNext+1;/*下一像素(310)的增量指数*/

    frac=frac-1;/*内插法320只需要分数部分*/
        <!-- SIPO <DP n="10"> -->
        <dp n="d10"/>
    }

    /*进行至下一输出像素*/

    i=i+1;

       }

    }
根据优选实施例的内插法可以为一第二个座标方向的已知像素重复进行。因此,算法(algorithm)400同样可应用于根据第二像素次序所产生的输入信号。所以在第一次传送中,算法可以在相当于行方式或X方向在第一座标轴内插,而在第二次传送中,该算法可以在相当于列方式或Y方向在第二座标轴内插。
上述对本发明的优选实施例的说明业已图示说明。本发明并非毫无遗漏或限制本发明于所揭示的内容。显然地,有许多修正与变化对本专业的技术人员是显而易知的。本发明的专利范围系由下列权利要求及其等同物所界定。

Claims (31)

1.一种在视频显示系统中的第一与第二像素间的内插方法,该第一像素具备一第一像素值与在一图像中的一像素行上的第一座标,而该第二像素具备一第二像素值与在该像素行上的第二座标,该方法包含:
a.将该像素行上的第一和第二座标之间的一第一中间座标提供给数据处理源,
b.在数据处理源中,为该第一中间座标确定一权重因子,其方法是如果第一中间座标位于第一区域时,则将第一中间座标输入到第一混合函数中,或如果该第一中间座标位于第二区域时,则将该第一中间座标输入到第二混合函数中;
c.在数据处理源中由该第一中间座标的权重因子与第一像素值与第二像素值之间的差的第一乘积计算一第一内插值;
d.在第一和第二像素之间的该像素行上的该第一中间座标中插入具有该内插值的一中间像素;及
e.输出包含有所述中间像素的一修改行。
2.如权利要求1所述的方法,其中提供第一中间座标的步骤包含对第一像素的第一座标增加一增量长度,该长度与该视频显示系统的输入图像的一行的大小同输出图像的一行的大小的比成比例。
3.如权利要求2所述的方法,其中第一与第二混合函数的至少之一包含一二次多项式。
4.如权利要求2所述的方法,其中第一与第二混合函数的至少之一包含一具有高于2阶的多项式。
5.如权利要求1所述的方法,其中第一混合函数的导数与第二混合函数的导数在第一与第二像素间分别是连续的。
6.如权利要求1所述的方法,其中第一混合函数为
W=2X2,以及
第二混合函数为
W=1-2(1-x)2
7.如权利要求3所述的方法,其中另包含:
a.通过对第一中间座标增加一增量长度而提供在第一与第二座标间的一第二中间座标;
b.为第二中间座标确定一个权重因子,其方法是如果第二中间座标位于第一区域时,则将第二中间座标输入到第三混合函数中,或如果第二中间座标位于第二区域时,则将第二中间座标输入到第四混合函数中;以及
c.由第二中间座标的权重因子与该第一像素值与第二像素值的之间的差的第二乘积计算一第二内插值;
d.在第一和第二像素之间的该像素行上的该第二中间座标中插入具有该第二内插值的一第二中间像素;及
e.输出包含有所述第二中间像素的修改行。
8.如权利要求7所述的方法,其中该第三混合函数与第一混合函数相同,而第四混合函数与第二混合函数相同。
9.如权利要求7所述的方法,其中该第一区域大于或等于零,且小于或等于第一与第二像素的第一座标之间的差的二分之一;而第二区域是大于第一区域且小于或等于第二像素的第一座标。
10.如权利要求1所述的方法,其中还包含将第二像素的第二像素值加入到第一乘积。
11.如权利要求7所述的方法,其中还包含将第二像素值加入到第二乘积。
12.如权利要求1所述的方法,其中该第一与第二像素值与第一内插值代表一光的强度。
13.如权利要求1所述的方法,其中该第一与第二像素值与第一内插值代表对应像素的对比度。
14.如权利要求1所述的方法,其中该第一与第二像素值与第一内插值代表对应像素的红、绿与蓝色值之一。
15.如权利要求1所述的方法,其中该第一与第二像素位与内插值代表各自第一与第二像素的颜色内容。
16.一种用于在一视频图像中的一像素行内的第一与第二像素之间内插数据的视频显示装置,该装置包含:
a.一个分数产生器,用于提供对应于该行上的第一座标与第二座标之间的第一中间座标的信号;
b.一个耦连于分数产生器以接收对应于该中间座标的信号的控制器,该控制器包括通过交互使用至少两个混合函数为第一中间座标决定一权重因子的逻辑电路,而且该控制器提供一对应于该权重因子的信号;以及
c.一演算器,用于接收第一与第二像素,且耦连于控制器以接收对应于该权重因子的信号,该第一像素具有一第一像素值与在该行上的第一座标,而该第二像素具有一第二像素值与在该行上的一第二座标;
其中该演算器包括有子部件,用于利用包含该第一中间座标的权重因子该第一像素值与第二像素值之间的差的乘积的一方程式计算第一内插值;并用于在该第一像素和第二像素之间的所述行上插入具有所述第一内插值的一中间像素。
17.如权利要求16所述的装置,其中该控制器的逻辑电路是用于当该第一中间座标位于第一区域时执行一第一混合函数,并且用于当该第一中间座标位于第二区域时执行第二混合函数。
18.如权利要求16所述的装置,其中一个像素次序产生器耦连至演算器,且其中像素次序产生器将第一及第二像素提供给演算器。
19.如权利要求18所述的装置,其中该像素次序产生器包括用于接收与存储一输入像素矩阵的存储器源。
20.如权利要求16所述的装置,其中该分数产生器将第一中间座标发送给该控制器,其方法是将第一像素的第一座标增加一与该视频显示系统的输入图像与输出图像的大小的比值成比例的增量长度。
21.如权利妥求17所述的装置,其中该第一与第二混合函数分别为二次多项式。
22.如权利要求17所述的装置,其中该第一及/或第二混合函数为三次或四次多项式。
23.如权利要求17所述的装置,其中第一混合函数的导数与第二混合函数的导数在第一像素的第一座标与第二像素的第一座标之间是分别连续的。
24.如权利要求16所述的装置,其中该第一混合函数是:
W=2X2,以及
该第二混合函数是:
W=1-2(1-X)2
25.如权利要求16所述的装置,其中该分数产生器提供由第一像素的第一座标顺序增量的多个中间座标。
26.如权利要求17所述的装置,其中该第一区域是大于或等于零,且小于或等于第一与第二像素的第一座标之间的差的二分之一;而第二区域是大于第一区域且小于或等于第二像素的第一座标。
27.如权利要求16所述的装置,其中该方程式包含将第二像素值加入到乘积中。
28.如权利要求16所述的装置,其中该第一像素值、第二像素值以及该内插值分别代表各个第一与第二像素的光的强度。
29.如权利要求16所述的装置,其中该第一与第二像素值与该内插值分别代表各个第一与第二像素的颜色内容。
30.如权利要求16所述的装置,其中该控制器是用于为每一个从第一像素的第一座标顺序增量的中间座标决定其权重因子,且其中该演算器根据一函数来计算每一多个中间座标的内插值,该函数包含每一多个中间座标的权重因子与第一及第二像素值之间的差的乘积。
31.如权利要求18或19所述的装置,其中该像素次序产生器相对于输入矩阵以行方式为主或以列方式为主的次序提供第一与第二像素给该演算器。
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