CN1272026A

CN1272026A - 视频信号处理方法

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Publication number: CN1272026A
Application number: CN 99105875
Authority: CN
Inventors: 陈安东
Original assignee: Winbond Electronics Corp
Current assignee: Winbond Electronics Corp
Priority date: 1999-04-22
Filing date: 1999-04-22
Publication date: 2000-11-01
Anticipated expiration: 2019-04-22
Also published as: CN1168287C

Abstract

本发明涉及一种视频信号的处理方法,其步骤包括:接收一视频输入信号,该视频输入信号包括一第一亮度信号与两个色差信号;对该第一亮度信号加以校正,产生一第二亮度信号,而该第二亮度信号可增加图像暗区的分辨率;输出第二亮度信号与原输入的色差信号,至后续的信号处理装置。本发明可减少视频信号处理中的大量计算过程,降低有关信号编码芯片的制造成本,同时也增加了图像中暗区的分辨率,从而提高了图像的质量。

Description

视频信号处理方法

本发明涉及一种视频信号处理方法，特别是涉及一种可加强视频显示黑暗部分的识辨程度的方法，同时可减少视频信号处理中的大量计算过程，降低有关信号编码芯片的制造成本。

为了适应电视等模拟式视频输出装置，数字视频信号需要经由电视编码器转换成模拟电视信号。当电视信号播放时，常因拍摄内容太暗，或因观看电视时环境光线太亮等因素，电视画面经常会出现黑暗不明区域。此类黑暗不明区域的视频信号可能是因亮度对比不足而造成。在现有技术中，例如“Vidio Demystified by Keith Jack-High Text publications1995”一书中第3章的“Gamma Correction”章节中已揭露了利用对R、G、B彩色信号的校正。一般地说，改善方法大都利用对视频信号进行所谓伽马校正(gamma correction)，来对呈现于荧光屏上的亮度进行调整。

在含阴极射线管(CRT)的显示器中发现，亮度(brightness)与视频输入电压(input voltage)并非呈现正比例。事实上，阴极射线管所产生的强度与电压呈现一种伽马指数的关系。伽马指数随不同阴极射线管而有所变化，但是通常接近2.5，这是由于电子枪(electronic gun)的静电效应会造成输出电压发生非线性增加的缘故。如图1所示，就是亮度与输入电压经标准化(normalize)后的关系图。此类因阴极射线管而造成的伽马效应会降低画面中不论在暗区中还是亮区中的亮度。由图中可以看出，由于亮度与输入电压呈现指数的关系，而非线性的关系，当输入电压为50％时，就只表现出约18％的亮度。因此会造成在暗区中亮度被减弱而影响该区域的观赏质量。

因此，在图象信号输出至荧光屏前需加以校正，亦即所谓伽马校正。若要将图1所示的非线性关系校正为线性关系，视频信号可依来源不同而加以校正以达到理想的亮度，例如，一般电脑系统中视频信号可由应用软件进行校正，再经由电脑荧光屏显示；或者是一般视频播放系统如电视机中内设的转换校正装置对输入视频信号加以校正。

图2所示为数字视频信号经由电视编码器转换至电视机荧光屏显象的信号流程图。如图2所示，数字视频源5如在个人电脑中由光盘机读取的图象信息，其中包括原始的数字信号SIG5，经由视频信号处理电路10如MPEG解压缩后输出信号。一般而言，此类输出信号包括处理后的数字亮度信号SIGl0与数字色差信号SIG20。在其它利用方面，如数字摄象机等可为数字视频源5与视频信号处理电路10的结合，且输出数字亮度信号SIGl0与数字色差信号SIG20。亮度信号SIGl0与数字色差信号SIG20为常用于电视编码器的输入视频信号的模式。由于视频本身(常见于电影转换至电影视频的信号)、或者电视荧光屏播放周围环境亮度过亮时，常会造成部分画面发生黑暗不明的区域，视频的分辨率相对地降低。

一般来说，为了解决上述问题，通常利用所谓三原色(红Red、绿Green、兰Blue)伽马校正(RGB Gamma Correction)的方法加以解决。利用图2所示的视频信号处理电路，在电视编码器之前进行信号校正处理后，再由电视编码器转换成模拟电视信号。最后输出校正后的电视信号SIG30到电视显示荧光屏30播放。

图3所示为三原色伽马校正的流程图。一般由如图2所示的数字视频源输出的数字视频信号，其常为亮度/色差模式，包括一个亮度信号SIG10与色差信号SIG20(内含两组色差信息)(S30)。在输出至电视编码器转换成模拟电视信号前，先将原先亮度SIG10与色差SIG20经矩阵运算转换为三原色RGB三种信号成分(S32)。接着进行伽马校正处理(S34)。所谓伽马校正处理即是对三原色RGB进行指数运算。例如，若以Rin、Gin、Bin表示输入经过转换后的三原色成分，Rout、Gout、Bout表示经伽马校正后的三原色成分，则两组三原色的伽马校正关系可以表示为：

Rout＝(Rin)^1/r；

Gout＝(Gin)^1/r；以及

Bout＝(Bin)^1/r；

其中，r值的大小可以按欲校正的幅度加以调整，一般都取大于1的值，以加大低强度信号的对比度，而压缩高强度信号的变化，避免发生饱和。

在上述伽马校正值得注意的是，需对每一个象素(Pixel)的三原色成分个别进行三原色RGB的校正计算，因此需消耗大量的时间与系统资源加以运算，现有技术常以查表对应方式完成上述指数运算。最后，仍然将经校正的三原色RGB信号经矩阵运算转换成为电视编码器所接受的亮度/色差信号(S36)，由电视编码器转换成模拟电视信号，再经由视频输出装置如电视机输出(S38)。

但是上述现有技术中对视频输出信号进行伽马校正的方法仍有缺点。第一，因需对每一个象素的三原色成分分别进行伽马校正，为完成所有流程所需要的计算量相当庞大；第二，视频信号需经过两次模式转换，亦即亮度/色差与三原色RGB的输入模式转换，以及经伽马校正后三原色RGB与亮度/色差的输出模式转换，这种转换需要依靠硬件设计，如电路等加以完成，增加了制造成本。

因此，本发明的一个目的，在于提供一种视频信号的处理方法，在视频输出装置显图象时，可改善上述因暗区亮度降低而造成识辨不明的现象，同时不需要现有技术所需的视频模式转换所衍生的大量计算即可增加暗区的分辨率，节省视频处理时间并降低图象显示装置的制造成本。

本发明的视频信号处理方法包括下列步骤：首先，接收由信号源提供的视频输入信号，包括第一亮度信号与色差信号；接着，对第一亮度信号施加校正产生第二亮度信号。上述校正乃以预定全亮度值标准化亮度信号。若经标准化的亮度信号大于第一预定百分比，则第二亮度信号等于第一亮度信号。若经标准化的亮度信号小于第一预定百分比，且大于第二预定百分比，则第一亮度信号经过非线性校正产生第二亮度信号；若经标准化的亮度信号小于第二预定百分比后，则第一亮度信号经过线性校正产生第二亮度信号。最后，输出第二亮度信号与原输入色差信号到后续的视频处理装置如电视编码器等。利用对亮度的非线性校正而保持色差信号不变，可加强视频暗区的分辨率。

为让本发明的上述和其它的目的、特征和优点能更明显易懂，下面将特别举出一最佳实施例，并结合附图，进行详细说明。

图1是显示显示装置显象时视频输出信号与输入电压间的关系图；

图2是表示一般由数字视频源输出视频信号经视频处理显象于显示装置的结构示意图；

图3是显示现有技术以伽马校正方法用于亮度/色差模式视频信号校正视频信号的流程图；

图4是显示利用一种提高视频整体亮度方法的原始亮度与校正亮度之关系图；以及

图5是显示根据本发明所揭示的非线性校正方法其原始亮度与校正后亮度的关系图。

为了避免在伽马校正中因视频模式转换与因校正而产生的大量运算，增加视频处理时间与制造成本。本发明的实施例中，采用另一种方法改善显示图象中暗区分辨率的问题，就是利用对原始视频输出信号中的亮度信号作校正调整以便达到本发明的目的。

一般，在比较昏暗的显示画面中，人类眼睛对彩色的敏感度较低，这时对此类图象的主要识辨依据都由亮度信号所供应。因此，若增加这种昏暗视频或一般视频中暗区的亮度将有助于提高图象的分辨率。另外，由于原始的视频输出信号包含有已经分离的亮度信号，对亮度信号作处理即可达到本发明的一个目的，不需要像现有技术中经由两次视频模式转换与大量查表计算的伽马校正。

图4所示为对原始视频输出信号中亮度作线性与非线性调整时的对照图。X为代表原始亮度信号经标准化后的相对百分比值，Y则是代表利用本发明所揭示的方法加以非线性校正后的亮度输出，与X同样地以标准化加以表示。在未进行非线性校正前，X与Y的关系应为：

Y＝X

即为图示中线40所示的关系。若为了加强视频信号亮度而作线性校正，而使X与Y的关系为：

Y＝t1×X，t1＞1

即为图4中线44所示的关系，输入视频信号的亮度就会以一定的倍率加以放大。或是利用如线42所示的指数关系：

Y＝X^t2，t2＞1

将原始视频信号中的亮度加以放大。

值得注意的是，图4中线42与线44的亮度放大方式会全面地提高整个视频画面的亮度。换句话说，视频画面中不论是亮区还是暗区的视频信号中的亮度都会被提高。这种办法虽然可提高暗区视频的分辨率，但因彩色成分未做相对的提高，颜色会有变淡的现象，且整个画面会因此而过亮，产生白蒙效应。因此，选择性地提高低亮度的视频信号的亮度，而保持高亮度的视频信号的亮度，才不致影响视频画面的整体表现。

因此，在根据本发明的实施例中，视频信号亮度超过全亮度的50％的亮度时，将保留原始的亮度特性，只对全亮度的50％以下的亮度进行非线性校正，如图5所示，X1即代表50％。X1的值可依照视频信号源或者视频显示装置的实际需要作合理的调整。图示中的A区即代表原始视频信号中的高亮度部分，将维持原来亮度不作出校正。因此X与Y的关系照样为：

Y＝X

B区则为亮度的非线性校正区域，其介于预先设定的亮度百分比值X1与X2之间，在本实施例中，X2的值为13.5％。与X1同样，X2的值可依照视频信号源或者视频显示装置的实际需要作出合理的调整。实际上，在B区中，亮度可经由任意非线性运算加以校正，例如指数关系、抛物线关系、阶跃(Step)关系等，目的就是增加视频画面中暗区的视频信号的分辨率。在本实施例中B区则是采用指数关系加以校正。X与Y的关系为：

Y＝X^t3，t3＞1

在本实施例中，t3的值为0.6。t3的值可依照视频信号源或者视频显示装置的实际需要作出合理的调整。其中，该区原始亮度经指数运算后，可提高较小亮度的对比度，并抑制较高亮度的变化。由图示中可以看出，在B区中，接近X2的X单位百分比所增加的Y值，大于接近X1的X单位百分比所增加的Y值。利用这种方法可提高亮度落入B区的视频信号的分辨率，同时又不影响落入A区中更高亮度的视频信号的显象。

C区则恢复为线性关系，但与A区不同的是，X与Y之间的关系，不再是X＝Y，而是：

Y＝t4×X，t4＞1

在本实施例中，t4的值为1.7。t4的值可依照视频信号源或者视频显示装置的实际需要作出合理的调整。该区选择X与Y为线性关系有两个目的：第一，低亮度区域如C区仍须加强其亮度以增加视频画面中暗区的分辨率；第二，若C区仍采取与B区相同的指数运算校正，会使极小亮度信号因指数性提高而同时放大噪音(Noise)，这种办法反而会干扰暗区的图象分辨率。

根据本发明所揭示的视频信号处理方法，实际需要加以非线性运算部分已缩小至如图5所示B区的亮度视频信号，与现有的伽马校正方法相比较，不需要对所有视频信号进行三原色RGB的各成分的运算而较为简便，节省大量运算时间并可简化实现的电路设计，同时也增加了图像中暗区的分辨率，从而提高了图象的质量。

虽然本发明已以最佳实施例揭示如上，但是它并非用以限定本发明，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，都可作出变更和修改，因此本发明的保护范围应以后面所附的权利要求书限定的为准。

Claims

1.一种增加图象暗区分辨率的视频信号处理方法，包括下列步骤：

接收一视频输入信号，该视频输入信号包括一第一亮度信号与两个色差信号；

对该第一亮度信号加以校正，产生一第二亮度信号，而该第二亮度信号可增加图象暗区的分辨率；

输出该第二亮度信号与原输入的色差信号，至后续的信号处理装置。

2.如权利要求1所述的方法，其特征是，校正步骤为非线性校正，并包括下列步骤：

以一预定全亮度值标准化该亮度信号；

若该经过标准化的亮度信号大于一第一预定百分比，则该第二亮度信号等于该第一亮度信号；

若该经过标准化的亮度信号小于该第一预定百分比，且大于一第二预定百分比，则该第一亮度信号经过非线性校正产生该第二亮度信号；以及

若该经过标准化的亮度信号小于该第二预定百分比，则该第一亮度信号经过线性校正产生该第二亮度信号。

3.如权利要求2所述的方法，其特征是，在该第二亮度信号等于该第一亮度信号步骤中该第一预定百分比为50％。

4.如权利要求2所述的方法，其特征是，在该第一亮度信号经过非线性校正产生该第二亮度信号的步骤中该第二预定百分比为13.5％。

5.如权利要求2所述的方法，其特征是，在该第一亮度信号经过非线性校正产生该第二亮度信号的步骤中，非线性校正是该第一亮度信号与该第二亮度信号之间与一指数具有下述关系：

该第二亮度信号＝(该第一亮度信号)该指数

其中，该指数为介于0与1之间。

6.如权利要求5所述的方法，其特征是，该指数为0.6。

7.如权利要求2所述的方法，其特征是，在该第一亮度信号经过线性校正产生该第二亮度信号的步骤中，线性校正是该第一亮度信号与该第二亮度信号之间与一系数呈下述关系：

该第二亮度信号＝该系数×(该第一亮度信号)

其中，该系数大于1。

8.如权利要求7所述的方法，其特征是，该系数为1.7。

9.一种增加图象暗区分辨率的视频信号处理方法，包括下列步骤：

接受由信号源提供的视频输入信号，包括一个第一亮度信号与两个色差信号；以及

对该第一亮度信号施加以非线性校正，产生一第二亮度信号，上述校正还包括下列步骤：

以一预定全亮度值标准化该亮度信号；

若该经过标准化的亮度信号小于该第一预定百分比，且大于一第二预定百分比，则该第一亮度信号经非线性校正产生该第二亮度信号；以及

若该经过标准化的亮度信号小于该第二预定百分比，则该第一亮度信号经过线性校正产生该第二亮度信号；

输出该第二亮度信号与该色差信号到一后续视频处理装置，例如电视编码器中。

10.如权利要求9所述的方法，其特征是，在该第二亮度信号等于该第一亮度信号的步骤中，该第一预定百分比为50％。

11.如权利要求9所述的方法，其特征是，在该第一亮度信号经过非线性校正产生该第二亮度信号的步骤中，该第二预定百分比为13.5％。

12.如权利要求9所述的方法，其特征是，在该第一亮度信号经过非线性校正而产生该第二亮度信号的步骤中，非线性校正是指该第一亮度信号与该第二亮度信号之间与一指数呈下述关系：

该第二亮度信号＝(该第一亮度信号)该指数

其中，该指数为介于0与1之间。

13.如权利要求12所述的方法，其特征是，该指数为0.6。

14.如权利要求9所述的方法，其特征是，在该第一亮度信号经过线性校正产生该第二亮度信号的步骤中，线性校正是指该第一亮度信号与该第二亮度信号之间与一系数具有下述关系：

该第二亮度信号＝该系数×(该第一亮度信号)

其中，该系数大于1。

15.如权利要求14所述的方法，其特征是，该系数为1.7。