CN1559139A - 动态视频采样 - Google Patents

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Abstract

一种采样系统，该采样系统使得用于采样模拟信号的采样速率和/或所存储的样本数量适应于该固定的或者视频图像内容，以便对于含有最高空间频率的图像或者视频段得到较高采样速率和等效的较大的样本数，而对于含有较低空间频率的图像或者视频段保留较低的样本数(较低的采样速率)。每个单个的图像段仍满足奈奎斯特原理，同时保留了对于边缘增强所必需的信息。

Description

动态视频采样
本发明在总体上涉及视频信号处理，更具体地涉及视频信号的数字采样。
图像的频率或空间频率是每单位距离上像素变化的速率，通常以周每度或周每弧度来表示。尽管区域301的空间频率低于区域300的空间频率，但是对于在图3所示的栅格(grating)的水平采样，例如正弦波变化区域300和301都具有单个空间频率。方波变化区域302具有多个空间频率，对于区域302其最低空间频率等于区域301的唯一的空间频率。对图像样本的傅立叶分析可以识别图像的空间频率或者频率。
当前的数字图像/视频系统被设计成使用至少为该图像内最高空间频率两倍的固定采样频率(奈奎斯特原理)。通过子采样可以减少对于图像所使用的和/或存储的样本数，但是这些子采样没有受到图像或视频内容的调制。此外，虽然在采样期间会偶尔违背奈奎斯特原理，但是一般该采样频率保持预定的和恒定的值。
如果在采样期间满足奈奎斯特原理，则对于被采样的图像其所有的空间频率在理论上都得以保留。当然在实际中，由于噪声使不确定性增加，其结果造成再现该原始高空间频率变得非常困难或者甚至不可能。噪声降低算法试图改进再生，但是对于最高频率仍然困难。
因此在本技术中存在根据被采样的图像或者视频内容而修改采样频率或者采样密度的需要。
为了解决上面讨论的现有技术的缺陷，本发明的主要目的在于提供一种用于视频接收机的采样系统，它使得用于采样模拟信号的采样速率和/或所存储的样本数适应于该固定的或者视频图像内容，以便对于含有较高空间频率的图像或者视频段可得到较高采样速率和等效地较大的样本数，而对于含有较低空间频率的图像或者视频段保留较小的样本数(较低采样速率)。每个单独的图像段仍满足奈奎斯特原理，同时保留了对于边缘增强所必需的信息。
上文已经相当广泛地描述了本发明的特征和技术优点，以便本领域的技术人员可以更好理解随后的本发明的详细说明。在下文中将详细地说明本发明的附加特征和优点，它们构成了本发明的权利要求书的主题。本领域的技术人员可以理解的是，他们可以容易地使用所公开的概念和特定实施例作为基础，以用于修改或者设计用于执行与本发明相同目的的其他结构。本领域的技术人员还将认识到这些等效的构建在其最宽的形式内没有偏离本发明的精神和范围。
在下面详细说明本发明之前，开始定义一些在本专利文件中通篇使用的单词和短语是有益的：术语“包括”和“包含”以及其衍生词的意思是指没有限制地包括；术语“或”是包含在内的，意为“和/或”；短语“与…相关连”和“与之相关连”以及其衍生词的含义是指包含；被包含在…之内、与…互相连接、包括、被包括在…之内、连接到或与…连接、耦合到或与…耦合、可以与…连通、与合作、交织、并置、与…接近、联接到或者与…联接、具有、具有…的性质等等；并且术语“控制器”的含义是指任何至少控制一种操作的设备、系统及其部分，而不管这些设备是否在硬件、固件、软件或者它们中的至少两个部分的组合中实施。应当指出的是，与任意特定的控制器相关的功能可以是集中的或者是分布式的，而不管是在本地还是远程。在该专利文件的通篇中给出了对于某些词和短语的定义，本领域的普通技术人员将理解，这些定义适用于许多(如果不是大多数的话)前述的例子以及将来使用这些定义的词和短语的情况。
为了更完整的理解本发明以及其中的优点，结合附图进行下面的说明，其中相同的数字表示相同的对象，并且其中：
图1说明根据本发明的一个实施例，基于视频图像内容的空间频率来采样的视频系统；
图2A到2C是根据本发明的不同的实施例，基于视频图像内容的空间频率进行图像采样的采样机构；以及
图3是说明用于图像内容的栅格，该图像内容具有不同的空间频率。
下面所讨论的图1和2A-2C以及各种实施例仅仅是说明性的而不应被视为对本发明内容的限制，图1到2A-2C以及各种实施例是用来描述在本专利文件中本发明的原理。本领域的技术人员将能理解的是可以在任意适当配置的装置中实施本发明的原理。
图1描述根据本发明的一个实施例的基于视频图像内容的空间频率进行采样的视频系统。在实例性的实施例中，在视频接收机101内实施了该视频系统100，该视频接收机101具有接收模拟视频信号的输入端102以及任选的输出端103，该输出端103用于向显示器、存储装置或者系统或者另一个设备传输相应于所接收的模拟视频的数字视频数据。
接收机101可以是具有数字显示器的数字电视机(DTV)，连接到电视机的卫星、陆地或有线广播接收机等等。本发明还可以用于任何接收机，诸如宽带无线因特网接入接收机或任何接收模拟视频信息的其他的视频设备，例如(盒式磁带)录像机(VCR)、数字录像机或数字多功能光盘(DVD)播放器。然而与该实施例无关，如在下面更详细说明的，接收机101在所获得的数字信号中使用取决于内容的采样频率或样本密度。
本领域的技术人员可以认识到图1没有明确地说明位于接收机系统内的各个部件。仅仅示出了该系统中对于本发明是独特的和/或理解本结构所需的那些部分以及操作本发明所需要的系统部分。
接收机101包括采样机构104，该采样机构104以如下的频率来采样模拟视频输入信号，该频率是由被采样内容的空间频率所调制的或者是取决于该被采样内容的空间频率。对于具有较高空间频率的图像内容，使用较高采样频率(较大采样密度)，对于具有较低空间频率的图像内容使用较低采样速率。将采样频率设置为被采样的内容之内最高空间频率的两倍，因而仍然满足奈奎斯特原理。
与固定频率采样相比较，其结果是对于具有低空间频率的内容的样本较少，而对于具有高空间频率的图像内容的样本较多。如果噪声使得图像或者视频失真，则对于具有高空间频率的区域(主要是边缘)的较大数目的样本有助于保留原始图像，从而显著地优于固定采样速率所得到的效果。对于许多清晰度增强的算法常常需要附加的样本。
图2A到2C是根据本发明的不同的实施例的基于该视频图像内容的空间频率实现图像采样的采样机构。在图2A的实施例中，采样机构104使用n个(n是任意正的、非0整数)模拟滤波器201来分隔输入信号的频谱。每个模拟滤波器201滤波用于特定空间频率带的输入信号。使用多个对应的模拟-数字(A/D)转换器202来产生具有不同的采样速率的不同的数字表示，每个模拟-数字(A/D)转换器202对于不同的滤波信号具有不同的设置。智能样本组合机构203接收滤波器201的输出和接收来自转换器202的相应的数字表示，该样本组合机构203选择用于每个输入信号段的转换器202之一的输出，并且组合所选择的表示以形成数字输出信号。
在图2B的实施例中，采样机构104包括使用高固定采样速率的单个模拟-数字转换器204。然后通过信号分析单元205分析采样的输入信号以确定样本图像数据内的最高空间频率。信号分析单元205控制接收输入样本的下采样单元206，以减少保留在具有低空间频率的图像或视频部分的样本数，并且对于具有高空间频率的图像内容保留高样本数。对于特定的图像段所保留的样本数与奈奎斯特原理以及采样图像内容中所检测的最高空间频率有关。
在图2C的实施例中，采样机构104包括第一模拟-数字转换器207，该转换器使用与所支持的最高空间频率相等的固定采样速率。信号分析单元208分析被采样的样本中的空间频率，然后基于采样内容来调制被第二模拟-数字转换器209采用的可变化的采样速率。可以使用缓冲器(没有示出)以使得采样速率与被采样的内容相关。对于转换器209使用初始的采样速率，当采样内容的空间频率高时，在采样期间增加采样速率(例如接近于当前的采样速率所选的奈奎斯特频率)，反之就降低其采样速率。确定已经以太低的速率被采样的图像段，可以高采样速率而被重新采样。
在图2A-2C的每个实施例中，为其调整采样速率的输入段的样本数或者大小可以是固定的或者是变化的。通过考虑所有的排列，对于不同的段长度可以确定样本密度的最佳值。
本发明使用了基于被采样内容的空间频率来进行调制的采样速率。对于具有高空间频率的内容使用较高采样速率和较大的样本密度，而对于具有低空间频率的内容使用较低采样速率。对于图像数据的特定段仍然满足奈奎斯特原理，并且保留了对于边缘增强所必需的信息。对于使用游程长度编码(RLE)的图像标准诸如运动图像专家组(MPEG)标准，其最终得到的样本是合适的。
要注意的是，虽然本发明在上下文中说明的是全功能的接收机，但是本领域的技术人员可以理解的是，至少本发明的部分机构可以用含有各种形式的指令的机器可使用的存储媒体的形式的来分发，并且不管用于实际执行上述分发的信号承载媒体的特定类型如何，本发明都同样适用。机器可使用的存储媒体的实例包括：非易失性的、硬编码(hard-coded)类型的媒体诸如只读存储器(ROM)或可擦除的、电可编程只读存储器(EEPROM)，可记录类型的媒体诸如软盘、硬盘驱动器和致密盘只读存储器(CD-ROM)或数字多功能盘(DVD)，以及传输类型的媒体诸如数字和模拟通信链路。
尽管已经详细地说明了本发明，但是本领域的技术人员可以理解的是，在其最宽的形式中在没有背离本发明的精神和范围的情况下，可以对此处所公开的本发明进行各种变化、替换、变型、改进、细微差别、分等级、次要的形式、改变、修订、改良和删除。

Claims (20)

1.一种用于动态采样的系统，包括：
-接收模拟视频信号的输入端；以及
-与该输入端耦合的采样机构，该采样机构使用可变的采样速率来采样模拟视频信号，其中对于模拟视频信号段，基于包含在该模拟视频信号内之图像内容中的空间频率来调制该可变的采样速率。
2.根据权利要求1的系统，其中对于包含具有第一最高空间频率的内容的该模拟视频信号的第一段使用第一采样速率，并且对于包含具有比第一最高空间频率更高的第二最高空间频率的内容的模拟视频信号段，则使用比第一采样速率更高的第二采样速率。
3.根据权利要求2的系统，其中该采样机构进一步包括：
-多个模拟滤波器，每个模拟滤波器接收模拟视频信号；
-多个模拟-数字转换器，每个模拟-数字转换器耦合到该多个模拟滤波器之一并且具有基于对应的模拟滤波器的设置，每个模拟-数字转换器采样该对应的模拟滤波器的输出；以及
-组合逻辑，对于该模拟视频信号的每个段，该组合逻辑选择该模拟-数字转换器之一的输出，并且组合所选择输出。
4.根据权利要求2的系统，其中该采样机构进一步包括：
-单个模拟-数字转换器，用于接收模拟视频信号并且以固定速率采样该模拟视频信号；
-信号分析单元，用于分析来自转换器的样本以便对于该模拟视频信号的每个段选择采样速率；以及
-下采样单元，基于信号分析单元所选择的相应的采样速率，对于该模拟视频信号的每个段保留来自转换器的样本。
5.根据权利要求2的系统，其中该采样机构进一步包括：
-用于接收模拟视频信号并且以固定速率采样该模拟视频信号的第一模拟数字转换器，该固定速率足够检测被包含在该模拟视频信号的内容中的感兴趣的所有空间频率；
-用于接收该模拟视频信号并且以可变速率采样该模拟视频信号的单个模拟-数字转换器；和
-信号分析单元，用于分析来自第一转换器的样本以便对于该模拟视频信号的每个段选择采样速率，并且调整第二转换器的采样速率。
6.根据权利要求2的系统，其中对于该模拟视频信号的每个段，采样速率至少为包含在该模拟视频信号的每个段中的内容中的最高空间频率的两倍。
7.根据权利要求2的系统，其中采样机构以第一速率采样模拟视频信号，并且对于该模拟视频信号的至少一个段以不同于第一速率的第二速率来传输样本。
8.一种视频接收机，包括：
-用于接收模拟视频信号的输入端；
-用于向显示器、存储系统或者其它设备传输数字视频信号的输出端；以及
-与该输入端耦合的采样机构，该采样机构使用可变的采样速率来采样模拟视频信号，其中对于该模拟视频信号的段，基于包含在模拟视频信号内的图像内容中的空间频率来调制该可变的采样速率。
9.根据权利要求8的视频接收机，其中对于包含具有第一最高空间频率的内容的模拟视频信号的第一段使用第一采样速率，而且对于包含具有比第一最高空间频率更高的第二最高空间频率的内容的模拟视频信号段使用比第一采样速率更高的第二采样速率。
10.根据权利要求9的视频接收机，其中该采样机构进一步包括：
-多个模拟滤波器，每个模拟滤波器接收模拟视频信号；
-多个模拟-数字转换器，每个模拟-数字转换器耦合到该多个模拟滤波器之一并且具有基于相应的模拟滤波器的设置，每个模拟-数字转换器采样该相应的模拟滤波器的输出；以及
-组合逻辑，对于该模拟视频信号的每个段，该组合逻辑选择该模拟-数字转换器之一的输出并且组合该所选择输出。
11.根据权利要求9的视频接收机，其中该采样机构进一步包括：
-单个模拟-数字转换器，用于接收模拟视频信号并且以固定速率采样该模拟视频信号；
-信号分析单元，用于分析来自转换器的样本以便对于该模拟视频信号的每个段选择采样速率；以及
-下采样单元，基于通过该信号分析单元所选择的相应采样速率，对于该模拟视频信号的每个段保留来自该转换器的样本。
12.根据权利要求9的视频接收机，其中该采样机构进一步包括：
-用于接收模拟视频信号并且以固定速率采样该模拟视频信号的第一模拟数字转换器，该固定速率足够检测被包含在该模拟视频信号之内的内容中的感兴趣的所有空间频率；
-用于接收该模拟视频信号并且以可变速率来采样该模拟视频信号的单个模拟-数字转换器；和
-信号分析单元，用于分析来自第一转换器的样本，以便对于该模拟视频信号的每个段选择采样速率，并且调整第二转换器的采样速率。
13.根据权利要求9的视频接收机，其中对于该模拟视频信号的每个段，采样速率至少为该模拟视频信号的相应的段所包括的内容中的最高空间频率的两倍。
14.根据权利要求9的视频接收机，其中采样机构以第一速率采样模拟视频信号，并且对于该模拟视频信号的至少一个段以不同于第一速率的第二速率来传输样本。
15.一种动态采样的方法，包括：
-接收模拟视频信号；以及
-使用可变的采样速率来采样该模拟视频信号，其中对于该模拟视频信号的段，基于包含在该模拟视频信号之内的图像内容中的空间频率来调制该可变的采样速率。
16.根据权利要求15的方法，其中对于包含具有第一最高空间频率的内容的该模拟视频信号的第一段使用第一采样速率，并且对于包含具有比第一最高空间频率更高的第二最高空间频率的内容的模拟视频信号段，则使用比第一采样速率更高的第二采样速率。
17.根据权利要求16的方法，进一步包括：
-在多个模拟滤波器中的每一个模拟滤波器处接收模拟视频信号；
-使用耦合到相应的模拟滤波器的模拟-数字转换器来采样每个模拟滤波器的输出，该模拟-数字转换器具有基于相应的模拟滤波器的设置；以及
-对于该模拟视频信号的每个段，选择模拟-数字转换器之一的输出并且组合该所选择的输出。
18.根据权利要求16的方法，进一步包括：
-在以固定速率采样模拟视频信号的单个模拟-数字转换器接收该模拟视频信号；
-对于该模拟视频信号的每一个段，分析来自转换器的样本以便选择采样速率；以及
-基于相应的所选择的采样速率，对于该视频信号的每个段，保留来自转换器的样本。
19.根据权利要求16的方法，进一步包括：
-在第一模拟-数字转换器接收模拟视频信号，该第一模拟-数字转换器以固定速率采样该模拟视频信号，该固定速率足够检测包含在该模拟视频信号之内的内容中的感兴趣的所有空间频率；
-在第二模拟-数字转换器接收该模拟视频信号，该第二模拟-数字转换器以可变速率来样本该模拟视频信号；以及
-分析来自第一转换器的采样以便对于该模拟视频信号的每一个段选择采样速率，并且调整第二转换器的采样速率。
20.根据权利要求16的方法，其中对于该模拟视频信号的每一个段的采样速率至少为该模拟视频信号的相应段所包括的内容中的最高空间频率的两倍。
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