CN1259795C - 高动态范围的数字视讯信号处理电路及其中的电路元件 - Google Patents

Abstract

一种高动态范围的数字视讯信号处理电路及其中的电路元件，是在数字视讯信号处理电路中，应用增加无限脉冲响应滤波器及放大器的光学黑阶箝位电路元件，及应用增加斜率控制与高亮度信号强化器的伽玛校正电路元件，来改善数字视讯信号处理电路的影像动态范围，以大幅提升影像的品质。

Description

高动态范围的数字视讯信号处理电路及其中的电路元件

技术领域

本发明是有关于一种数字视讯信号处理电路，且特别是有关于一种高动态范围的数字视讯信号处理电路及其中的电路元件。

背景技术

近年来，随着数字科技的大幅进步，再加上网际网络与多媒体技术的高度发展，许多影像均希望可以转换为数字影像来加以处理。于是，利用数字相机(Digital Camera)及数字摄影机(Video Camera)等来直接撷取实物景象，并将其转换为数字影像资料输出，以利于使用者在计算机或其它电子产品上，进行数字影像档案的显示、辨识(OCR)、编辑、储存及输出等动作。

由于使用数字相机及数字摄影机来直接撷取实物景象，较诸于传统装置底片的相机及装置影带的摄影机而言，除了可以使用数字方式来储存与编辑之外，更因为电子科技的急速发展，使得其可拍摄容量愈来愈大，其拍摄的影像品质也愈来愈精致，且其价位也日趋普及。因此，近来数字相机及数字摄影机已有逐渐取代传统相机及摄影机，而为使用者普遍接受的趋势。

在数字摄影机中，除了需要应用影像传感器来撷取目标物的影像，以及应用模拟/数字转换器来将撷取的影像转换为数字视讯信号外，更需要专用的数字电路以进行必要的视讯信号处理，使得输出的影像可以更为真实。其中，能否提供高动态范围的影像信号输出，更是数字摄影机中的数字视讯信号处理电路不可或缺的课题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种高动态范围的数字视讯信号处理电路及其中的电路元件，其在光学黑阶箝位电路元件(Optical BlackClamping Circuit Unit)中，应用无限脉冲响应滤波器(Infinite ImpulseResponse Filter，简称IIR Filter)及放大器，而在伽玛校正电路元件(Gamma Correction Circuit Unit)中，应用增加斜率控制(GradientControl)与高亮度信号强化器，以改善数字视讯信号的动态范围，大幅提升影像的品质。

为达上述及其它目的，本发明提供一种高动态范围的数字视讯信号处理电路，以及其中的光学黑阶箝位电路元件与伽玛校正电路元件，以改善数字视讯信号的动态范围，大幅提升影像的品质。

本发明所提供的高动态范围的数字视讯信号处理电路包括有影像传感器、模拟/数字转换器、光学黑阶箝位电路元件、传感器坏点校正元件(Sensor Defect Correction Unit)、彩色滤波阵列插补元件(Color Filter Array Interpolation Unit)、色彩校正元件(ColorCorrection Unit)、色域转换元件(Color Space Conversion Unit)及伽玛校正电路元件。

其中，影像传感器用以经由一个光学系统取得目标物的影像。模拟/数字转换器耦接影像传感器，用以将取得的模拟影像信号转换为数字信号。光学黑阶箝位电路元件耦接模拟/数字转换器，用以接收前述的数字视讯信号，并将数字视讯信号的黑阶消除后输出。传感器坏点校正元件耦接光学黑阶箝位电路元件，用以校正影像传感器的坏点，并输出坏点校正后的数字视讯信号。彩色滤波阵列插补元件耦接传感器坏点校正元件，用以接收坏点校正后的数字视讯信号，并以插补法还原色彩讯号后，输出RGB数字视讯信号。色彩校正元件耦接彩色滤波阵列插补元件，用以校正RGB数字视讯信号的色彩偏差。色域转换元件耦接色彩校正元件，用以将RGB数字视讯信号转换为YUV信号。而伽玛校正电路元件则耦接色域转换元件，用以校正影像传感器在光电转换时，所存在的非线性特性，以输出校正后的YUV色差信号。

为了可以改善数字视讯信号处理电路所处理的数字视讯信号的动态范围，本发明选择性地应用增加无限脉冲响应滤波器及放大器的光学黑阶箝位电路元件，及增加斜率控制与高亮度信号强化器的伽玛校正电路元件，以大幅提升影像处理的品质。

其中，光学黑阶箝位电路元件包括有无限脉冲响应滤波器、加法器、放大器及增益暂存器。无限脉冲响应滤波器用以接收数字视讯信号，并取出数字视讯信号中水平扫描线的黑阶平均值。加法器耦接无限脉冲响应滤波器，用以自数字视讯信号减去无限脉冲响应滤波器取得的黑阶平均值，并输出已消除黑阶的数字视讯信号。放大器耦接加法器，用以将已消除黑阶的数字视讯信号放大一个增益后输出。而增益暂存器则耦接放大器，用以储存与调整放大器的增益。因此光学黑阶箝位电路元件可精确地先行消除数字视讯信号的黑阶，再以放大器来放大数字视讯信号，故可改善数字视讯信号的动态范围。

在一个实施例中，光学黑阶箝位电路元件使用的无限脉冲响应滤波器的Z转换函数为：

             H(Z)＝0.5Z^-2/(1-0.5Z^-2)

在一个实施例中，光学黑阶箝位电路元件更包括耦接加法器的一个准位暂存器，用以依据使用者的需求，来调整数字视讯信号的黑阶设定值。

而伽玛校正电路元件则包括有伽玛转换表、临限开关、高通滤波器、放大器及加法器。伽玛转换表用以储存YUV信号输入与输出的转换对应表，且转换对应表的斜率控制关闭点大于百分之一百七十的输入值。临限(Threshold)开关用以接收YUV信号，且当YUV信号高于临限值时，输出接收的YUV信号。高通滤波器耦接临限开关，用以取得YUV信号的高频成份值。放大器耦接高通滤波器，用以将高频成份值放大一个增益。而加法器则耦接伽玛转换表与放大器，用以求取伽玛转换表输出的YUV信号与高频成份值的和，以输出影像边缘强化的YUV信号。

在一个实施例中，此伽玛校正电路元件的高通滤波器的Z转换函数为：

              H(Z)＝(-1+Z^-1+Z^-2-Z^-3)/4

在一个实施例中，此伽玛校正电路元件的转换对应表的斜率控制关闭点为百分之二百五十的输入值。由于此伽玛校正电路元件的转换对应表的斜率控制关闭点，已延长为百分之二百五十的输入值，且应用临限开关、高通滤波器及放大器等以强化高亮度信号的边缘，使输出影像的锐利度增加，因此，可有效地改善影像的动态范围。

为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特地以较佳的实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

附图说明

图1是显示根据本发明较佳实施例的一种高动态范围的数字视讯信号处理电路方块示意图。

图2是显示一种称为Bayer彩色滤波阵列的图样。

图3是显示根据本发明较佳实施例的一种光学黑阶箝位电路元件方块示意图。

图4是显示影像传感器的感测区域示意图。

图5是显示根据本发明较佳实施例的一种伽玛校正电路元件方块示意图。

图6是显示根据本发明较佳实施例的伽玛转换表的输入/输出转换对应示意图。

图7是显示根据本发明较佳实施例的一种高动态范围的数字视讯信号处理电路的测试结果比较图。

符号说明

100                 高动态范围的数字视讯信号处理电路

110                 光学系统

120                   影像传感器

130                   模拟/数字转换器

140                   光学黑阶箝位电路元件

141                   无限脉冲响应滤波器

143、199              加法器

145                   准位暂存器

147、197              放大器

149                   增益暂存器

150                   传感器坏点校正元件

160                   彩色滤波阵列插补元件

170                   色彩校正元件

180                   色域转换元件

190                   伽玛校正电路元件

191                   伽玛转换表

193                   临限开关

195                   高通滤波器

410                   有效感测区

420                   黑色罩幕区

具体实施方式

请参考图1所示，其为根据本发明较佳实施例的一种高动态范围的数字视讯信号处理电路方块示意图。如前所述，为了可以改善数字视讯信号的动态范围，以大幅提升数字视讯信号处理电路所处理的影像的品质，此实施例中的光学黑阶箝位电路元件(Optical BlackClamping Circuit Unit)140与伽玛校正电路元件(Gamma CorrectionCircuit Unit)190等电路方块，可以依需求而选择性地使用后述本实施例提供的电路方块来实现。

如图所示，此高动态范围的数字视讯信号处理电路100包括有影像传感器120、模拟/数字转换器130、光学黑阶箝位电路元件140、传感器坏点校正元件(Sensor Defect Correction Unit)150、彩色滤波阵列插补元件(Color Filter Array Interpolation Unit)160、色彩校正元件(Color Correction Unit)170、色域转换元件(Color Space ConversionUnit)180及伽玛校正电路元件190。

其中，影像传感器120用以经由例如是透镜组成的光学系统110取得目标物(未绘示)的影像，然后将影像信号输入至模拟/数字转换器130，模拟/数字转换器130则将取得的模拟影像信号转换为数字视讯信号，以便后续的数字电路予以处理。

由于经由光学系统110撷取影像的影像传感器120，例如是使用电荷耦合组件(Charge Coupled Device，简称CCD)的影像传感器120，在没有光线或仅有极低的光线输入时，仍然会因为半导体的暗电流而输出信号，以致经由影像传感器120取得的影像信号均含有黑阶值，如不予以消除将会影响到显示影像的动态范围。因此，如图所示地使用光学黑阶箝位电路元件140，来接收模拟/数字转换器130输出的数字视讯信号，以将数字视讯信号的黑阶动态地消除后输出。

在消除数字视讯信号的黑阶后，数字视讯信号被输入至传感器坏点校正元件150中，以便可以校正影像传感器的坏点，并输出坏点校正后的数字视讯信号。由于影像传感器120的成本一般均颇为高昂，并无法在发现影像传感器120中有例如是黑点或白点的坏点时，即废弃不用，因此，必须应用图中的传感器坏点校正元件150，近似的得到还原该坏点所在的影像信号。

然后，数字视讯信号被输入至彩色滤波阵列插补元件160中，以便接收坏点校正后的数字视讯信号，并使用插补法来还原色彩，产生RGB数字视讯信号输出。一般而言，影像传感器120会包含一个彩色滤波阵列图样(color filter array pattern)，此图样可以是例如图2所示称为Bayer彩色滤波阵列的图样。在图2中显示，影像传感器120的每一个受光元件依据图样而分别取得红色R、绿色G或蓝色B等其中的一个的资料值，故需应用彩色滤波阵列插补元件160，以使用插补法来还原色彩，产生包含红色R、绿色G及蓝色B等的RGB数字视讯信号(Ri/Gi/Bi)输出，而提供包含目标物的色彩的影像显示。

在彩色滤波阵列插补元件160还原色彩后，RGB数字视讯信号(Ri/Gi/Bi)被输入至色彩校正元件170中。由于光学系统110与影像传感器120的感色特性与人眼的感色特性不同，以致经由光学系统110与影像传感器120撷取的影像，其色彩并无法达到真实，故需应用色彩校正元件170来校正RGB数字视讯信号(Ri/Gi/Bi)的色彩的偏差，以输出色彩校正后的RGB数字视讯信号(Ro/Go/Bo)。其校正方法例如是使用如下的3×3色彩校正阵列来执行转换：

         Ro＝a11*Ri+a12*Gi+a13*Bi

          Go＝a21*Ri+a22*Gi+a23*Bi

          Bo＝a31*Ri+a32*Gi+a33*Bi

其中aij为执行转换的转换系数。

为了压缩或其它应用的目的，通常也会应用如图1中的色域转换元件180，以将RGB数字视讯信号(Ro/Go/Bo)转换为YUV信号(Yi/Ui/Vi)。其转换方程式例如下式所示：

           Yi＝0.297Ro+0.592Go+0.111Bo

           Ui＝-0.172Ro-0.328Go+0.5Bo

           Vi＝0.5Ro-0.442Go-0.078Bo

当色域转换元件180将RGB数字视讯信号(Ro/Go/Bo)转换为YUV信号(Yi/Ui/Vi)后，便可使用图中的伽玛校正电路元件190，以校正影像传感器120在光电转换时，所存在的非线性特性，而输出校正后的YUV信号(Y/U/V)。

请参看图3所示，其为根据本发明较佳实施例的一种光学黑阶箝位电路元件方块示意图。图中显示，此光学黑阶箝位电路元件140包括有无限脉冲响应滤波器(Infinite Impulse Response Filter，简称IIRFilter)141、加法器143、准位暂存器145、放大器147及增益暂存器149。

请一并参看图4，其为影像传感器的感测区域示意图。在图4中，影像传感器的感测区域包括中间部分的有效感测区410，及周围部分的黑色罩幕区420，有效感测区410是撷取目标物影像的感测区，而黑色罩幕区420则包含涂布黑色罩幕的受光元件，用以输出受光元件的暗电流产生的黑阶值。因此，光学黑阶箝位电路元件140应用图中的无限脉冲响应滤波器141，来接收数字视讯信号并动态地取出数字视讯信号的水平扫描线的黑阶平均值，以在加法器143中，自数字视讯信号减去无限脉冲响应滤波器141取得的黑阶平均值，而可输出已消除黑阶的数字视讯信号。其中，使用的无限脉冲响应滤波器的Z转换函数例如为：

              H(Z)＝0.5Z^-2/(1-0.5Z^-2)

如图3所示，由加法器143输出的已消除黑阶的数字视讯信号并经放大器147放大一个增益，以改善数字视讯信号的动态范围。其中，放大器147的增益是储存在增益暂存器149中，以供自动曝光控制器依据曝光情形来调整，也就是说，当影像传感器120取得的影像亮度较低时，可将增益暂存器149储存的增益值调高。因此，光学黑阶箝位电路元件140可借由无限脉冲响应滤波器141取得的黑阶平均值，而动态地先行消除数字视讯信号的黑阶，再以放大器147来放大数字视讯信号，因而有效地改善了数字视讯信号的动态范围。

此外，在图3中，此光学黑阶箝位电路元件140也包括耦接加法器143的准位暂存器145，此准位暂存器145是用以调整数字视讯信号的黑阶设定值，使显示的影像可以更贴近使用者的需求。

请参看图5所示，其为根据本发明较佳实施例的一种伽玛校正电路元件方块示意图。图中显示，此伽玛校正电路元件190包括有伽玛转换表191、临限开关193、高通滤波器195、放大器197及加法器199。

其中，伽玛转换表191是用以储存YUV色差信号输入与输出的转换对应表，此伽玛转换表191的转换对应值可参考图6所示，其斜率控制关闭(Gradient Control off)点A为百分之二百五十的输入值，与虚线部分的习知的斜率控制关闭点B相较，其斜率控制关闭点已由百分之一百七十延长为百分之二百五十的输入值。

另外，图5中的临限(Threshold)开关193是用以接收输入的YUV信号，且当输入的YUV信号高于设定的临限值时，才将接收的YUV信号予以输出。故知，通过临限开关193的YUV信号，必为高亮度的信号，而由图6中的输入/输出转换曲线可知，在输入为高亮度信号时所转换的输出差异较小，为了易于区别高亮度信号，因此，使用图5中的高通滤波器195，以取得YUV信号的高频成份值，再以放大器197来将高频成份值放大增益K，然后经由加法器199求取伽玛转换表191输出的YUV信号与高频成份值的和，因而可输出强化边缘的YUV信号。其中，使用的高通滤波器195的Z转换函数例如为：

               H(Z)＝(-1+Z^-1+Z^-2-Z^-3)/4

请参考图7所示，其为根据本发明较佳实施例的一种高动态范围的数字视讯信号处理电路的测试结果比较图。图中的(a)为习知数字视讯信号处理电路的测试结果，其高亮度信号已因电路进入饱和而被切除，因此，扫描的步阶变化仅有9步(step)。而图中的(b)则为根据本发明较佳实施例的一种高动态范围的数字视讯信号处理电路的测试结果，其高亮度信号仍可清楚地显示，因此，扫描的步阶变化已提升为11步(step)，大幅度改善了高亮度信号的显示品质，而提升了电路的动态范围。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视上述的权利要求所界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种高动态范围的数字视讯信号处理电路，其特征在于包括：

一个影像传感器，用以经由一个光学系统取得目标物的一个影像；

一个模拟/数字转换器，耦接该影像传感器，用以将该影像转换为一个数字视讯信号；

一个无限脉冲响应滤波器，耦接该模拟/数字转换器，用以取出该数字视讯信号中水平扫描线的一个黑阶平均值；

一个第一加法器，耦接该模拟/数字转换器与该无限脉冲响应滤波器，用以自该数字视讯信号减去该黑阶平均值，并输出已消除黑阶的该数字视讯信号；

一个第一放大器，耦接该第一加法器，用以将已消除黑阶的该数字视讯信号放大一个增益后输出；

一个增益暂存器，耦接该放大器，用以储存与调整该第一放大器的该增益；

一个传感器坏点校正元件，耦接该第一放大器，用以校正该影像传感器的坏点，并输出坏点校正后的该数字视讯信号；

一个彩色滤波阵列插补元件，耦接该传感器坏点校正元件，用以接收坏点校正后的该数字视讯信号，并以插补法还原色彩后，输出一个RGB数字视讯信号；

一个色彩校正元件，耦接该彩色滤波阵列插补元件，用以校正该RGB数字视讯信号的色彩偏差；

一个色域转换元件，耦接该色彩校正元件，用以将该RGB数字视讯信号转换为一个YUV信号；以及

一个伽玛校正电路元件，耦接该色域转换元件，用以校正该影像传感器在光电转换时，所存在的非线性特性，以输出校正后的该YUV信号。

2.如权利要求1所述的高动态范围的数字视讯信号处理电路，其特征在于该伽玛校正电路元件包括：

一个伽玛转换表，用以储存该YUV信号输入与输出的一个转换对应表，且该转换对应表的斜率控制关闭点大于百分之一百七十的输入值；

一个临限开关，用以接收该YUV信号，且当该YUV信号高于一个临限值时，输出该YUV信号；

一个高通滤波器，耦接该临限开关，用以取得该YUV信号的一个高频成分值；

一个第二放大器，耦接该高通滤波器，用以将该高频成分值放大一个增益；以及

一个第二加法器，耦接该伽玛转换表与该第二放大器，用以求取该伽玛转换表输出的该YUV信号与该高频成分值的和，以强化该YUV信号的边缘。

3.如权利要求2所述的高动态范围的数字视讯信号处理电路，其特征在于其中该高通滤波器的Z转换函数为：

             H(Z)＝(-1+Z^-1+Z^-2-Z^-3)/4

4.如权利要求2所述的高动态范围的数字视讯信号处理电路，其特征在于其中该转换对应表的斜率控制关闭点为百分之二百五十的输入值。

5.如权利要求1所述的高动态范围的数字视讯信号处理电路，其特征在于其中该无限脉冲响应滤波器的Z转换函数为：

              H(Z)＝0.5Z^-2/(1-0.5Z^-2)

6.如权利要求1所述的高动态范围的数字视讯信号处理电路，其特征在于其中更包括耦接该第一加法器的一个准位暂存器，以调整该数字视讯信号的黑阶设定值。

7.一种光学黑阶箝位电路元件，其特征在于包括：

一个无限脉冲响应滤波器，用以接收一个数字视讯信号，并取出该数字视讯信号的水平扫描线的一个黑阶平均值；

一个加法器，耦接该无限脉冲响应滤波器，用以自该数字视讯信号减去该黑阶平均值，并输出已消除黑阶的该数字视讯信号；

一个放大器，耦接该加法器，用以将已消除黑阶的该数字视讯信号放大一个增益后输出；以及

一个增益暂存器，耦接该放大器，用以储存与调整该放大器的该增益。

8.如权利要求7所述的光学黑阶箝位电路元件，其特征在于其中该无限脉冲响应滤波器的Z转换函数为：

              H(Z)＝0.5Z^-2/(1-0.5Z^-2)

9.如权利要求7所述的光学黑阶箝位电路元件，其特征在于其中更包括耦接该加法器的一个准位暂存器，以调整该数字视讯信号的黑阶设定值。

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