CN1649420A - 视频信号处理装置及方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种能够对应于图像的特征生成灰度等级校正曲线，对输入视频信号进行最佳的视频校正的视频信号处理装置。图像特征检测部(1)根据一个画面的输入视频信号的亮度信号成分，生成直方图数据(H[i])，并检测平均亮度。运算部(2)基于直方图数据(H[i])的分布状态、直方图数据(H[i])和平均亮度，生成多个增益，并对构成灰度等级校正曲线的值进行运算。灰度等级校正部(3)生成灰度等级校正曲线，并校正输入视频信号的灰度等级。此外，彩色增益生成部(4)根据输入视频信号和输出视频信号，生成彩色增益。乘法部(5)使用彩色增益，校正输入视频信号的彩色信号成分。

Description

视频信号处理装置及方法
技术领域
本发明涉及校正视频信号的灰度等级和彩色信号成分，能够提高视觉上的图像质量的视频信号处理装置及方法，特别是涉及能够对应于输入的视频信号的图像特征，自动调整图像质量的视频信号处理装置及方法。
背景技术
设想在显示视频信号的显示装置为阴极射线管(CRT)的电视广播等中，预先在发送侧对视频信号施加了γ特性。在使用CRT的显示装置中，在发送侧施加的γ特性与CRT所具有的反γ特性结合，以线性灰度等级来显示视频信号。
另一方面，由于等离子显示面板显示装置(PDP)或液晶显示装置(LCD)具有线性灰度等级特性，因此，要用线性灰度等级显示已施加了γ特性的视频信号，就需要进行对视频信号施加反γ特性的γ校正。
γ校正的目的不仅是使灰度等级线性化，也用于将输入亮度信号(Y输入)和输出亮度信号(Y输出)所构成的γ曲线适当地变更来校正图像质量的目的。作为校正图像质量的γ曲线的一例，如图11所示，有时设为S字特性。如图12所示，也施加(特性a)或引出(特性b)直流成分，控制黑部分和白部分的亮度，来校正灰度等级。此外，有时也适当地组合图11的特性和图12的特性。
作为现有的视频信号处理装置的一例，在特开2002-27285号公报中记载了不论动态范围的大小，都不抑制增益和γ曲线的特性的灰度等级校正处理装置。
【专利文献1】：特开2002-27285号公报。
在使用了γ校正的一般的视频信号处理装置中，γ曲线是预先设定的固定的。但是，视频信号的图像时时刻刻都在变化，在固定的视频校正中不能总是获得最佳图像质量的问题。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种能够对应于视频信号的状态(图案)最佳地校正图像质量的视频信号处理装置及方法。
本发明为了达到上述目的，提供以下的(a)至(j)的视频信号处理装置及方法。
(a)一种视频信号处理装置，对输入视频信号进行处理，其特征在于，具有：直方图生成装置(1)，基于上述输入视频信号的亮度信号成分，将画面的每个规定单位从最小亮度到最大亮度分割成多个等级，生成示出各个等级的分布的直方图数据；第一增益生成装置(2)，生成基于上述直方图数据的分布状态的第一增益；运算装置(2)，至少对上述第一增益和上述直方图数据进行运算，生成构成灰度等级校正曲线的多个值，该灰度等级校正曲线用于校正上述输入视频信号的灰度等级；灰度等级校正装置(3)，基于上述多个值，生成上述灰度等级校正曲线，基于上述灰度等级校正曲线，校正上述输入视频信号并输出。
(b)在(a)中记载的视频信号处理装置，其特征在于，具有第二增益生成装置(2)，生成在规定的亮度以上时增益递减的第二增益，上述运算装置至少对上述第一增益和上述第二增益及上述直方图数据进行运算，生成上述多个值。
(c)在(b)中记载的视频信号处理装置，其特征在于，具有平均亮度检测装置(1)，基于上述输入视频信号的亮度信号成分，对画面的每个规定单位检测图像的平均亮度，上述第二增益是基于由上述平均亮度检测装置检测出的平均亮度的增益。
(d)在(a)中记载的视频信号处理装置，其特征在于，具有：彩色增益生成装置(4)，根据上述输入视频信号和来自上述灰度等级校正装置(3)的输出视频信号，生成用于校正上述输入视频信号的彩色信号成分的彩色增益；彩色信号校正装置(5)，基于上述彩色增益，校正上述输入视频信号的彩色信号成分。
(e)在(a)中记载的视频信号处理装置，其特征在于，具有：检测装置(22)，检测上述直方图数据的变化的程度；置换装置(3、23)，在上述直方图数据变化规定程度以上时，将上述灰度等级校正曲线置换成直线。
(f)一种视频信号处理方法，对输入视频信号进行处理，其特征在于，基于上述输入视频信号的亮度信号成分，将画面的每个规定单位从最小亮度到最大亮度分割成多个等级，生成示出各个等级的分布的直方图数据，生成基于上述直方图数据的分布状态的第一增益，至少对上述第一增益和上述直方图数据进行运算，生成构成灰度等级校正曲线的多个值，该灰度等级校正曲线用于校正上述输入视频信号的灰度等级，基于上述多个值，生成上述灰度等级校正曲线，基于上述灰度等级校正曲线，校正上述输入视频信号，并作为输出视频信号进行输出。
(g)在(f)中记载的视频信号处理方法，其特征在于，生成在规定的亮度以上时增益递减的第二增益，至少对上述第一增益和上述第二增益及上述直方图数据进行运算，生成上述多个值。
(h)在(g)中记载的视频信号处理方法，其特征在于，基于上述输入视频信号的亮度信号成分，对画面的每个规定单位检测图像的平均亮度，上述第二增益是基于上述平均亮度的增益。
(i)在(f)中记载的视频信号处理方法，其特征在于，根据上述输入视频信号和上述输出视频信号，生成用于校正上述输入视频信号的彩色信号成分的彩色增益，基于上述彩色增益，校正上述输入视频信号的彩色信号成分。
(j)在(f)中记载的视频信号处理方法，其特征在于，检测上述直方图数据的变化的程度，在上述直方图数据变化规定程度以上时，将上述灰度等级校正曲线置换成直线。
发明效果
根据本发明的视频信号处理装置及方法，由于能够对应于变化的视频信号来校正灰度等级和彩色，因此总能得到最佳的图像质量。
附图说明
图1是示出本发明的实施方式1的框图。
图2是示出一个画面内的判定区域的一例的图。
图3是在本发明中使用的直方图数据的分布例。
图4是本发明中的基于直方图数据的宽度系数的宽度增益的一例。
图5是本发明中的基于平均亮度的平均亮度增益的一例。
图6是本发明中的基于直方图数据的加权的加权增益的一例。
图7是本发明中的用于生成构成灰度等级校正曲线的值的流程图的一例。
图8是用于说明本发明中的灰度等级校正曲线的生成方法的图。
图9是示出本发明的实施方式2的部分框图。
图10是示出本发明的实施方式3的部分框图。
图11是示出一般的灰度等级校正曲线的图。
图12是示出一般的灰度等级校正曲线的图。
具体实施方式
(实施方式1)
图1是示出本发明的实施方式1的框图。输入视频信号的亮度信号成分(Y输入)首先输入到图像特征检测部1中。输入的视频信号可以是交错(interlase)信号，也可以是顺序(progressive)信号。在图像特征检测部1中，如图2所示，在半帧或一帧画面f内设置规定的判定区域fa，基于判定区域fa内的亮度电平，生成直方图数据。此外，图像特征检测部1求出判定区域fa内的平均亮度(APL)。
再有，在本实施方式1中，每半帧或一帧生成一个直方图数据，但也可以每多个半帧或多个帧生成一个直方图数据，也可以对画面的每个规定单位(时间单位)生成一个直方图数据。但是，最好每半帧或一帧生成一个直方图数据。
此外，在本实施方式1中，生成直方图数据的判定区域fa与求平均亮度的判定区域fa一致，但不限定于此。但是，最好双方的判定区域一致。另外，若判定区域fa在有效视频期间内，则大小任意。
在本实施方式1中，设输入亮度信号为256个灰度等级(8位)，使用其上位的4位，生成16个等级(16个灰度等级、分布数16)的直方图数据H[i](i＝0～15)。
直方图数据H[i]如图3所示，根据输入的图像的种类其分布宽度不同。图3(a)是个人计算机等图像的直方图的例子，分布集中在特定的亮度电平上。图3(b)是一般图像(自然图像)的直方图的例子，16个直方图数据完全一样地分布。
将直方图数据H[i]的分布宽度的不同作为宽度系数(expCoef)，通过下面示出的(1)式来计算。在此，Hmax是H[i](i＝0～15)的最大值。
【公式1】
exp Coef = { H [ 0 ] × H [ 1 ] + Σ i = 1 i = 14 H [ i ] × min ( H [ i - 1 ] , H [ i + 1 ] ) } × 40 / H max / H max · · · ( 1 )
如图3(a)的分布的图像时的宽度系数由(1)式等于0，如图3(b)的完全一样的分布的图像时的宽度系数由(1)式等于600。宽度系数取0～600间的某个值。
将由图1的图像特征检测部1求得的直方图数据H[i]、平均亮度和宽度系数输入到运算部2中。运算部2基于在各画面f中输入的直方图数据H[i]、平均亮度和宽度系数，生成后述的多个增益。
且说，对于如图3(a)所示的、亮度偏向于特定等级分布的个人计算机图像，最好不进行视频校正(图像质量校正)，最好对于如图3(b)所示的亮度平均分布的自然图像进行视频校正。因此，运算部2首先基于宽度系数，生成宽度增益Gexp。
图4是基于宽度系数的宽度增益Gexp的一例。横轴表示宽度系数(expCoef)，纵轴表示增益(Gexp)。如图4所示，在宽度系数是极小值例如0到4时，设增益为0，在4到12中，使增益增加，在宽度系数是中间值例如12到300时，增益为最大的1。然后，在宽度系数是最大值例如300到600时，设为使增益减小的特性。
在图4中示出的例子中，将4、12、300设为增益的变化点，但不限定于此，可以任意地设定增益的变化点。再有，在本实施方式1中，在宽度系数是0到4时设增益为0，但也可以不是0。
下面，运算部2基于平均亮度，生成平均亮度增益Gapl。图5是平均亮度增益Gapl的一例。横轴表示平均亮度(APL)，纵轴表示增益(Gapl)。如图5所示，在平均亮度是低亮度例如0到64时，设增益为最大的1，在从中亮度到高亮度例如64到255时使增益减小。可以任意地设定增益减小的开始点(在本实施方式1中是64)和增益减小的比例。
一般地，在平均亮度高的情况下，γ曲线的倾斜在高亮度中变大，相对地，在低亮度中变小，低亮度信号产生进一步变暗的现象。该现象不太好，故将平均亮度增益Gapl设为如图5所示的特性。
另外，运算部2生成用于对所生成的直方图数据H[0]～[15]进行加权的加权增益Gw。图6是加权增益Gw的一例。横轴表示直方图数据的指数i，纵轴表示增益(Gw)。如图6所示，例如从i＝0到4的低亮度的直方图数据H[i]，将增益设为最大的1，例如i从5以上的中亮度到高亮度的直方图数据H[i]，使增益减少。
设为这样的特性的理由与基于上述平均亮度的平均亮度增益Gapl同样。最好将平均亮度Gapl和加权增益Gw设定为在规定的亮度以上时增益递减的特性。再有，关于加权增益Gw，也可以任意地设定增益减小的开始点(在本实施方式1中是i＝4)和增益减小的比例。
然后，运算部2使用直方图数据H[i]和上述的多个增益Gexp、Gapl、Gw，如图7所示，进行直方图的积分。图7中示出的积分处理的流程图，用于生成点P[i](i＝0～15)，所述点P构成校正输入亮度信号的灰度等级的灰度等级校正曲线(γ曲线)。
在图7中，首先由步骤S1，将运算部2内的i和点P[i]的积分值sum设定为0。
由下面的步骤S2，判定i是否不足16。在此，若i小于16，就进入步骤S3，若i在16以上，就进入步骤S9。
在步骤S3中，输入直方图数据H[i]。在此，i＝0时是H[0]。
接着，由步骤S4，利用(2)式中示出的计算式，用H[i](i＝0～15)的平均值Hav，对在步骤S3输入的直方图数据H[i]进行补偿。步骤S4中的计算值integ是补偿值。在此，Hav也可以使用平均亮度或用宽度系数适当校正后的值。
integ＝(H[i]-Hav)×16/Hav…(2)
然后，由步骤S5，如(3)式所示，对在步骤S4求得的补偿值integ乘以规定的固定增益G、已经由图4、5、6求得的宽度增益Gexp、平均亮度增益Gapl、加权增益Gw。固定增益G预先对运算部2设定。
integ＝integ×G×Gexp×Gapl×Gw…(3)
在步骤S6中，对在步骤S5中求得的数据加上限和下限的限幅。
在步骤S7中，将点P[i]的积分值sum和在步骤S6中求得的数据相加。在此，由于i＝0时sum＝0，故新得的sum等于在步骤S6中求得的数据。
然后，在步骤S8中，使用在步骤S7中求得的积分值sum，由(4)式求出直方图数据H[i]的点P[i]。
P[i]＝sum/16…(4)
在此求得的P[i]暂时保存在运算部2内的未图示的存储器中。步骤S8一结束，i就增加1，返回步骤S2。然后，重复进行上述的步骤S2到S8的处理，直到i＝15。
通过以上处理，生成构成图8中示出的灰度等级校正曲线的从P[0]到P[15]的各点。图8的横轴表示输入亮度信号(Y输入)，纵轴表示输出亮度信号(Y输出)。
若在图7中示出的S8中求P[15]，则i等于16。若在步骤S2判定i不小于16，则进入步骤S9的处理。
在步骤S9中，用(5)式求从规定的白色电平到当前的白色电平(P[15])的差分D。这是因为需要将当前的白色电平校正成规定的白色电平。在此，将规定的白色电平设为Lw，将规定的黑色电平设为Lb。在本实施方式1中设为Lb＝0。
D＝Lw-Lb-P[15]…  (5)
在步骤S10再次设i＝0，在步骤S11判定i是否不足16。在此，若i小于16，就进入步骤S12，若i大于等于16，则进入步骤S13。
在步骤S12中，伴随着通过由步骤S9使当前的白色电平P[15]与规定的白色电平Lw一致而产生的差分D，使用(6)式，进行变更各点P[i]的白色电平的校正。校正了白色电平的各点P[i]暂时保存在运算部2内的未图示的存储器中。
P[i]+＝D×(i+1)/16+Lb…  (6)
步骤S1 2一结束，i就增加1，返回步骤S11。然后，重复进行步骤S12的处理，直到i＝15。在步骤S12中一校正P[15]，i就等于16，由步骤S11判定为i不小于16，进入步骤S13。
在步骤S13，运算部2向灰度等级校正部3输出已校正了白色电平的新的P[0]到P[15]。再有，经过步骤S12在步骤S13输出的P[0]到P[15]，与在步骤S8求得的图8中示出的P[0]到P[15]不同，但为了方便标记相同的符号。
灰度等级校正部3如图8所示，直线插补输入的P[i](i＝0～15)，按照生成的灰度等级校正曲线，校正输入亮度信号的灰度等级，作为输出亮度信号进行输出。将输出亮度信号供给到未图示的显示装置中，作为视频进行显示。
如本实施方式1所述，对每个画面f自动生成灰度等级校正曲线(γ曲线)，通过按照该灰度等级校正曲线校正输入视频信号，总是得到最佳的图像质量。这样，能够得到比现有的使用固定的灰度等级校正曲线的校正更高的图像质量。
且说，在本实施方式1中，关于输入视频信号的亮度信号成分(输入亮度信号)，进行上述的视频校正处理。但是，若仅关于亮度信号成分进行视频校正，则彩色的浓度产生变化而不理想，因此，需要对输入视频信号的彩色信号成分也进行校正处理。
因此，图1中示出的彩色增益生成部4根据上述输入亮度信号(Y输入)和上述输出亮度信号(Y输出)，生成基于(Y输出/Y输入)＝α的彩色增益α1。彩色增益α1与α相同，或者是与α成比例的值。将彩色增益α1输入到乘法部5中。
乘法部5用乘法器51、52，分别将输入的彩色增益α1和进行校正的彩色信号成分的色差信号(R-Y、B-Y)相乘并输出。在此，进行校正的彩色信号成分也可以是R、G、B。
(实施方式2)
在图9中示出的实施方式2中，省略与图1中示出的实施方式1相同的部分，仅示出不同的部分。在图9中，将由彩色增益生成部4生成的彩色增益α1，作为由乘法器6利用与平均亮度相应的系数APL’或亮度信号成分的绝对电平适当校正后的彩色增益α2。分别将作为用乘法器51、52校正的彩色信号成分的色差信号(R-Y、B-Y)与彩色增益α2相乘，进行校正。
如实施方式2所述，通过使与平均亮度相应的系数APL’或亮度信号成分的绝对电平反映在彩色信号成分的校正处理中，能够生成与亮度的变化相应的彩色增益。从而，得到比实施方式1中的校正更高的图像质量。
(实施方式3)
图10是设置在图1中的运算部2上的泄放型积分电路的一例。若在图像中发生如场面转换(scene change)的大幅度的变化，则直方图数据的分布发生大变化。但是，若直方图数据急剧地大变化，则由灰度等级校正部3校正的亮度信号就急剧地变化而反倒变得不自然，因此，最好直方图数据分布的更新在某种程度上缓慢。
因此，在本实施方式3中，在数据更新时，在时间方向上进行泄放型的积分处理。在本实施方式3中，在直方图数据急剧变化的情况下，重新调整灰度等级校正曲线，使得暂时成为直线。
首先，与实施方式1同样地，从设置在画面f上的判定区域fa，生成16个等级的直方图数据H[i]。H[i]从i＝0开始输入到加法器21和比较器22中，在加法器21中，将从寄存器部23输出的数据与由乘法器24乘了255/256的数值相加。
从加法器21输出的H[i](i＝1～15)依次输入到寄存器部23内的16个寄存器2300到2315中。在此，若i＝0时向寄存器2300输入H[0]，i＝15时向寄存器2315输入H[15]，就更新画面f。
从更新后的画面f生成的直方图数据H[i]，同样地从i＝0开始输入到加法器21和比较器22中。这时，由于先输入的保持在寄存器2300到2315中的直方图数据H[i]是来自一个画面前的画面f的H[i]，因此，为了方便设为H[i]o。将H[i]o输出到乘法器24、25中。乘法器24对H[i]o乘以255/256并输出。乘法器25对H[i]o乘以1/256并输出。在此，将乘法器25的输出设为H[i]o’。该H[i]o’成为H[i]输出。
加法器21，将H[i]与(255/256)H[i]o相加并输出，该H[i]o是从寄存器部23内的寄存器2300～2315输出、并由乘法器24乘了255/256后的H[i]o。在此，所输入的直方图数据H[i]与从加法器21输出的直方图数据H[i]不同，但为了方便，标记相同的符号H[i]。H[i](i＝0～15)依次输入到寄存器部23内的寄存器2300到2315中。
另一方面，例如用(7)式，对输入到比较器22中的直方图数据H[i]和已由乘法器25乘了1/256的H[i]o’进行比较。
【公式2】
Σ 0 15 ( H [ i ] - H [ i ] 0 ′ ) 2 · · · ( 7 )
在比较器22预先设定规定的值，若(7)式的结果小于规定的值，则乘法器25的输出发送到图7的步骤S3中，在寄存器部23保持着的直方图数据H[i](i＝0～15)被进行积分处理。在此，保持在寄存器部23中的直方图数据H[i]与经过乘法器25发送到步骤S3中的直方图数据H[i]不同，但为了方便标记相同的符号H[i]。
另一方面，若(7)式的结果大于规定的值，则形成使灰度等级校正曲线变成直线的直线数据的i＝0～15的值发送到寄存器部23，重新设置在寄存器部23保持着的直方图数据H[i]。从而，这时，将从寄存器部23输出的直线数据的各值发送到图7的步骤S3，进行积分处理。
对每个画面f进行以上处理。
在本实施方式3中，比较器22成为检测直方图数据H[i]的变化程度的检测装置。寄存器部23和灰度等级校正部3成为置换装置，在直方图数据H[i]变化到规定程度以上时，将灰度等级校正曲线置换为直线。
利用实施方式3，在直方图数据的分布变化大的场面转换中，也通过进行泄放型积分处理，使图像缓慢地变化，能够提供更自然的图像质量。
以上说明的实施方式1至实施方式3中的各处理，可通过软件进行，也可以通过硬件进行。本发明不限定于实施方式1至实施方式3，在不脱离本发明的主旨的范围内，可做各种各样的变形。

Claims (10)

1.一种视频信号处理装置，对输入视频信号进行处理，其特征在于，具有：
直方图生成装置，基于上述输入视频信号的亮度信号成分，将画面的每个规定单位从最小亮度到最大亮度分割成多个等级，生成示出各个等级的分布的直方图数据；
第一增益生成装置，生成基于上述直方图数据的分布状态的第一增益；
运算装置，至少对上述第一增益和上述直方图数据进行运算，生成构成灰度等级校正曲线的多个值，该灰度等级校正曲线用于校正上述输入视频信号的灰度等级；
灰度等级校正装置，基于上述多个值，生成上述灰度等级校正曲线，基于上述灰度等级校正曲线，校正上述输入视频信号并输出。
2.如权利要求1所述的视频信号处理装置，其特征在于，
具有第二增益生成装置，生成在规定的亮度以上时增益递减的第二增益，
上述运算装置至少对上述第一增益和上述第二增益及上述直方图数据进行运算，生成上述多个值。
3.如权利要求2所述的视频信号处理装置，其特征在于，
具有平均亮度检测装置，基于上述输入视频信号的亮度信号成分，对画面的每个规定单位检测图像的平均亮度，
上述第二增益是基于由上述平均亮度检测装置检测出的平均亮度的增益。
4.如权利要求1所述的视频信号处理装置，其特征在于，具有：
彩色增益生成装置，根据上述输入视频信号和来自上述灰度等级校正装置的输出视频信号，生成用于校正上述输入视频信号的彩色信号成分的彩色增益；
彩色信号校正装置，基于上述彩色增益，校正上述输入视频信号的彩色信号成分。
5.如权利要求1所述的视频信号处理装置，其特征在于，具有：
检测装置，检测上述直方图数据变化的程度；
置换装置，在上述直方图数据变化规定程度以上时，将上述灰度等级校正曲线置换成直线。
6.一种视频信号处理方法，对输入视频信号进行处理，其特征在于，
基于上述输入视频信号的亮度信号成分，将画面的每个规定单位从最小亮度到最大亮度分割成多个等级，生成示出各个等级的分布的直方图数据，
生成基于上述直方图数据的分布状态的第一增益，
至少对上述第一增益和上述直方图数据进行运算，生成构成灰度等级校正曲线的多个值，该灰度等级校正曲线用于校正上述输入视频信号的灰度等级，
基于上述多个值，生成上述灰度等级校正曲线，基于上述灰度等级校正曲线，校正上述输入视频信号，并作为输出视频信号进行输出。
7.如权利要求6所述的视频信号处理方法，其特征在于，
生成在规定的亮度以上时增益递减的第二增益，
至少对上述第一增益和上述第二增益及上述直方图数据进行运算，生成上述多个值。
8.如权利要求7所述的视频信号处理方法，其特征在于，
基于上述输入视频信号的亮度信号成分，对画面的每个规定单位检测图像的平均亮度，
上述第二增益是基于上述平均亮度的增益。
9.如权利要求6所述的视频信号处理方法，其特征在于，
根据上述输入视频信号和上述输出视频信号，生成用于校正上述输入视频信号的彩色信号成分的彩色增益，
基于上述彩色增益，校正上述输入视频信号的彩色信号成分。
10.如权利要求6所述的视频信号处理方法，其特征在于，
检测上述直方图数据变化的程度，
在上述直方图数据变化规定程度以上时，将上述灰度等级校正曲线置换成直线。
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