CN1310188C - 用于图像转换的单元和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于将具有第一分辨率的第一图像(101)转换成具有第二分辨率的第二图像(103)的图像转换单元(100、200、300)，第二分辨率高于第一分辨率。图像转换单元(100、200、300)包括用于产生噪声的噪声发生器(106)和设置成将该噪声加到第二图像(103)中的合并单元(104)。最好加入的噪声包括在第一图像的奈奎斯特频率之上的频谱的部分中的频谱分量。可选地，图像转换单元包括一个噪声测量单元(302)来控制噪声发生器(106)。

Description

用于图像转换的单元和方法
技术领域
本发明涉及一种用于将具有第一分辨率的第一图像转换为具有第二分辨率的第二图像的图像转换单元，第二分辨率高于第一分辨率。
本发明还涉及一种图像处理设备，其包括：
一接收相应于第一图像的信号的接收装置；和
一用于将该第一图像转换为第二图像的上述图像转换单元。
本发明还涉及一种将具有第一分辨率的第一图像转换为具有第二分辨率的第二图像的方法，第二分辨率高于第一分辨率。
背景技术
HDTV的出现加强了对于使得标准清晰度(SD)视频素材能够在高清晰度(HD)电视(TV)显示器上观看的空间向上转换技术的需要。传统技术是诸如双线性内插的线性内插方法以及使用多相位低通内插滤波器的方法。前者由于其低品质在电视应用中并不普遍，而后者在商业上可用的IC中是可得到的。
除了传统的线性技术，也已提议多个非线性算法去实现该向上转换。有时这些技术称为基于内容或依赖边缘的空间向上转换。这些技术中的一些在消费者电子市场中已经是可得到的。
使用已知的向上转换方法，帧中的像素数量增多，但是图像的感觉的清晰度没有或者几乎不增加。虽然非线性方法执行得比线性方法好，但是在这方面，许多向上转换的图像通常看起来单调或者不自然。换句话说，没有充分地利用显示器的性能。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种在开头段描述的图像转换单元，其被设置成产生看起来自然、清晰的图像。
本发明的目的是通过将该图像转换单元设置成将噪声加到第二图像来实现的。加入的噪声可以通过该图像转换单元包含的一个随机发生器产生，但是可替换地，该噪声也可以在外部产生并且通过图像转换单元的输入连接器提供给图像转换单元。最好该加入的噪声包括第一图像的奈奎斯特频率之上的频谱的一部分中的频谱分量，也就是，该频谱分量具有在第一图像的奈奎斯特频率之上的频率。本发明者已经观察到一个向上尺度变换的图像，也就是，没有加入噪声的具有第二分辨率的向上转换图像，在第一图像的奈奎斯特频率之上的二维频谱中几乎不包含能量。假定第一图像是以两倍于模拟输入图像的奈奎斯特频率的采样频率来采样模拟输入图像而实现的数字图像。还假定第二分辨率是第一分辨率的两倍，也就是，第一图像以因数2尺度变换得到第二图像。在这种情况下，第二图像的频谱具有同样由于因数2而高于第一图像的奈奎斯特频率的上边界。然而当检查第二图像的频谱中的频率分量时，发现大部分能量处于频谱的较低部分，也就是在第一图像的奈奎斯特频率以下的范围中。通常，在第一图像的奈奎斯特频率之上的第二图像的频谱中的新创建的频谱分量在现有的边缘附近与第一图像中的区域一致。通过增加这些边缘的斜度，产生典型地在第一图像的奈奎斯特频率之上的频谱分量。然而那几乎没有任何“高频率”频谱分量，也就是，通过向上转换创建的、相当于第一图像的平坦区域的属于第一图像的奈奎斯特频率之上的第二图像的频谱的频谱分量。通过加入“高频率”噪声到向上转换的中间图像中，根据本发明的该图像转换单元的最终输出图像是看起来自然、清晰的图像。
原则上，加入的噪声可以是白噪声，但最好是有色噪声。加入有色噪声(意指选择性加入预定频率分量)的优点是：由于增强的清晰度，图像的品质提高了；同时另一方面，由于可观察的噪声特性，图像的品质没有降低。根据本发明的图像转换单元的一个实施例的特征在于：加入的噪声还包括低于第一图像的奈奎斯特频率的频谱的另一个部分中的频谱分量，属于第一图像的奈奎斯特频率之上的频谱的频谱分量的总能量高于该另一频谱分量的总能量。换句话说，加入的噪声主要包括第一图像的奈奎斯特频率之上的分量。
在根据本发明的图像转换单元的一个实施例中，加入的噪声的量是基于噪声测量的。最好基于第一图像执行噪声测量。可以通过图像转换单元包含的噪声测量单元执行噪声测量，但是可替换地，通过设置在外部的噪声测量单元测量当前噪声的量。在后者的情况下，图像转换单元具备指示噪声量，也就是当前噪声级别的噪声控制信号。根据本发明的实施例的优点在于，增强的量适合图像内容。例如，在第一图像具有相对低噪声量的情况下，加入的噪声的量，也就是增强的量应该相对小以防止第二图像有太多噪声。
根据本发明的图像转换单元的一个实施例包括一个用于增强中间图像的结构的空间增强滤波器，该中间图像是基于第一图像并具有第二分辨率，增强的结果变成第二图像。除了通过加入噪声来增强外，应用其它的增强方法也是有益的。这些其它的增强方法包括用于使用线性滤波方法增加高频/或中频的幅度的算法，通常是短FIR滤波器。但是，它们也包括非线性技术以增加边缘的斜度，也称为亮度瞬态改进(LTI)。这些其它的增强方法被设置成增强当前在第一图像中的结构，同时噪声的加入所起的主要作用在于增强了几乎不具有任何纹理的区域。
本发明的另一个目的是提供一种在开头段描述的用于产生看起来自然、清晰的图像的方法。
本发明的这一目的通过在根据本发明的方法中将噪声加到第二图像来实现。
本发明的再一个目的是提供一种在开头段描述的、其中的图像转换单元设置成产生看起来自然清晰图像的图像处理设备。
本发明的这一目的是通过将图像处理设备的图像转换单元设置成加入噪声到第二图像中来实现的。图像处理设备可选地包括一个用于显示第二图像的显示装置。图像处理设备例如可以是TV、机顶盒、VCR(盒式磁带录像机)播放器或DVD(数字化视频光盘)播放器。
图像转换单元的改进和其变化可以与上述的图像处理设备和方法的改进和变化相一致。
附图说明
参照附图以及关于以下描述的执行和实施例，根据本发明的图像处理设备和方法以及图像转换单元的这些和其它的方面将变得明显并被阐明，其中：
图1示意地示出根据本发明的图像转换单元的一个实施例；
图2示意地示出根据本发明、包括一个空间增强滤波器的图像转换单元的实施例；
图3示意地示出根据本发明、包括一个噪声测量单元的图像转换单元的实施例；
图4示意地示出根据本发明的图像处理设备的实施例；
图5A示意地示出输入SD图像的频谱；
图5B示意地示出中间HD图像的频谱；以及
图5C示意地示出输出HD图像的频谱。
在附图中相同的附图标记表示类似的部件。
具体实施方式
图1示意地示出根据本发明的图像转换单元100的实施例。图像转换单元100在输入连接器108处被提供一个表示标准清晰度(SD)图像的视频信号，例如101，并且在输出连接器110处提供高清晰度(HD)图像，例如103。图像转换单元100包括：
-向上尺度变换单元102，其被设置成通过插入从输入SD图像中提取的像素值来计算一个中间图像；
-一个产生噪声信号的噪声发生器106。该噪声信号可以是以亮度值的二维矩阵的形式，该矩阵的维数等于该中间图像的维数。为噪声发生器106提供SD图像的分辨率以及HD图像的分辨率。以这两个分辨率为基础，分别确定该噪声的频谱的优选的下边界和上边界；以及
-一个合并单元104，其被设置成组合来自向上尺度变换单元102的中间图像和噪声发生器106产生的噪声信号。合并单元104可以是一个直接相加单元，其设置成将中间图像的像素值与噪声发生器106提供的二维矩阵的各个值相加。
向上尺度变换单元102设置成通过固定的内插系数执行插入。可替换地，以图像内容为基础确定内插系数。这样的非线性向上尺度变换方法的例子例如是Meng Zhao等人于2002年9月23-26日在德国爱尔福特的SCE 2002的学报中发表的文章“Towards an overview of spatialup-conversion techniques(空间上变换技术概述)”所描述的。
很清楚，加入的噪声是故意创建的。这意味着利用加入噪声是一个要求噪声创建作为附加操作的明确动作。某种操作固有地引入噪声，例如由于量化、切断或物理现象。关于加入噪声，指的不是这种固有引入的噪声。
向上尺度变换单元102、噪声发生器106以及合并单元104可以使用一个处理器实现。通常，这些功能在软件程序产品的控制下实现。在执行中，软件程序产品通常装载在一个存储器中，类似RAM，并从那里执行。该程序可以从一个后台存储器中加载，类似ROM、硬盘或磁和/或光存储器，或可以通过类似因特网的网络加载。任意地，一个专用集成电路提供所公开的功能。
图2示意地示出根据本发明、包括一个空间增强滤波器202的图像转换单元200的实施例。由向上尺度变换单元102计算的中间图像被提供给空间增强滤波器202。空间增强滤波器202的输出与来自噪声发生器106的噪声信号合并。空间增强滤波器202设置成执行一种清晰度改进方法，该方法在艾恩德霍芬大学出版社出版的作者是G.deHaan的“Video Processing for multimedia systems”一书中的第二章中描述。任意地，关于叙述的框图，处理步骤的顺序不同于上面所描述的。例如，空间增强滤波器202可以连接到合并单元104的输出而不是输入。
图3示意地示出根据本发明、包括一个噪声测量单元302的图像转换单元300的实施例。噪声测量单元302设计成控制噪声产生单元108。这意味着噪声信号的幅度是以测量的噪声量为基础的。在视频数据的情况下，噪声级别可以根据图像数据流中的无信息时间段(消隐)来计算。由于在这些时间段中的信号只是噪声，可以直接测量噪声。参见T.Grafe等人在关于消费者电子设备的IEEE学报的1988年八月第3期第34卷402-408页发表的文章“Interfield noise and cross colorreduction IC for flicker free TV receivers”。可替换地，噪声量可以根据图像计算，例如通过计算图像中大量区域的变化。这一方法在艾恩德霍芬大学出版社出版的作者是G.de Haan的“Video Processing formultimedia systems”一书中的第三章中详细的描述了。应注意，也有可能在一系列输入图像的一幅图像中测量噪声级别，并且随后用于控制在该系列输入图像的其它图像中加入噪声。
通常，噪声发生器106的控制是这样的，以便于如果测量的噪声级别相对较高，则加到中间图像的噪声量也相对较高。然而这两个量之间的关系不必是线性的。除此之外，测量的噪声级别也可能用于控制加入的噪声的频谱。任意地，执行多次噪声级别测量，每一次都集中在第一图像的频谱的不同部分。通过这样做，可以进一步改进对加入的噪声的频谱的控制。
图4示意地示出根据本发明的图像处理设备400的实施例，其包括：
-用于接收一个表示SD图像的信号的接收装置402。该信号可以是通过天线或电缆接收的广播信号，但是也可以是来自像VCR(盒式磁带录像机)或数字化视频光盘(DVD)的存储装置的信号。在输入连接器408处提供该信号；
-参考图1-3任何一个描述的图像转换单元404；以及
-用于显示图像转换单元404的HD输出图像的显示装置406。该显示装置406是任选的。
图像处理设备400例如可以是TV。可替换地，图像处理设备400不包括任选地显示装置，但是提供HD图像到包括显示装置406的一个设备。在那种情况下，图像处理设备400可以是例如机顶盒、卫星调谐器、VCR播放器或DVD播放器。但是它也可以是影片-播音室或广播电台应用的系统。
现在，将通过例子说明向上转换和噪声加入在频域中的影响。参看图5A、5B和5C。图5A示意地示出输入SD图像的频谱|F(f)|。如所看到的，没有在输入SD图像的奈奎斯特频率fNyquist l之上的频谱分量。图5B示意地示出基于输入SD图像的中间HD图像的频谱。中间HD图像已通过从输入SD图像中提取的像素值的插入而被计算出。虽然该中间HD的分辨率高于它导出的输入SD图像的分辨率，但几乎不存在任何在输入SD图像的奈奎斯特频率fNyquist l之上的频谱分量。在该例子中，非线性向上尺度变换单元102与空间增强滤波器202结合应用。图5C示意地示出包括加入的噪声的输出HD图像的频谱，加入的噪声具有在输入SD图像的奈奎斯特频率fNyquist l之上的范围中的频谱分量。
应注意，上述实施例是说明而不是限制本发明，并且本领域的技术人员能够设计不脱离所附权利要求范围的可替换的实施例。在权利要求中，任何放置在括号中的附图标记都不会限制权利要求。单词‘包含’不排除在权利要求中没有列出的元件或步骤的存在。在一个元件前面的单词“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以通过包含几个不同元件的硬件以及合适的程式化的计算机实现。在该设备中要求列举的几个装置，这些装置中的一些可以通过硬件的同一个部件实现。

Claims (9)

1、一种图像转换单元，用于将具有第一分辨率的第一图像转换成具有第二分辨率的第二图像，第二分辨率高于第一分辨率，其特征在于该图像转换单元设置成将噪声加入该第二图像，
所述图像转换单元包括一个设置成产生噪声的噪声发生器，并且该噪声包括在第一图像的奈奎斯特频率之上的频谱的部分中的频谱分量。
2、如权利要求1所要求的图像转换单元，其特征在于该噪声发生器设置成产生有色噪声。
3、如权利要求2所要求的图像转换单元，其特征在于该噪声发生器设置成产生有色噪声，该噪声包括在第一图像的奈奎斯特频率之下的频谱的另一部分中的另外的频谱分量，上述频谱分量的总能量高于该另外的频谱分量的总能量。
4、如权利要求1所要求的图像转换单元，其特征在于加入的噪声的量是以噪声测量为基础的。
5、如权利要求1所要求的图像转换单元，其特征在于包括一个用于增强一个中间图像的结构的空间增强滤波器，该中间图像是基于该第一图像的并且具有第二分辨率，增强的结果变成第二图像。
6、一种将具有第一分辨率的第一图像转换成具有第二分辨率的第二图像的方法，第二分辨率高于第一分辨率，其特征在于噪声加入到第二图像中并且该噪声包括在第一图像的奈奎斯特频率之上的频谱的一部分中的频谱分量。
7、一种图像处理设备，其包括：
-用于接收对应于第一图像的信号的接收装置；以及
-如权利要求1中所要求的用于将第一图像转换成第二图像的图像转换单元。
8、如权利要求7所要求的图像处理设备，其特征在于还包括用于显示该第二图像的显示装置。
9、一种包括如权利要求8所要求的图像处理设备的TV。
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