CN1857006A - 通过镶嵌预先计算的样本来模拟胶片颗粒的方法 - Google Patents

通过镶嵌预先计算的样本来模拟胶片颗粒的方法 Download PDF

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Abstract

使用来自预先建立的区块库(408)的预先建立的胶片颗粒区块(408)，在输出图像(19)中模拟胶片颗粒。通过将来自所述库中的区块的平均亮度与输入图像中的M×N个像素的组中的连续的一个相匹配，选择连续的胶片颗粒区块。一旦来自图像的所有连续的像素区块与所选择的胶片颗粒区块相匹配，所选择的胶片颗粒区块就被“镶嵌”，即被组合成映射到输入图像的较大图像。

Description

通过镶嵌预先计算的样本来模拟胶片颗粒的方法
相关申请交叉引用
此申请要求2003年9月23日提交的美国临时专利申请序列号60/505146在35U.S.C.119(e)下的优先权，其讲授内容被合并于此。
技术领域
本发明涉及一种用于模拟图像中的胶片颗粒(film grain)的技术。
背景技术
由本发明人所著并转让给本受让人的现有公开文献提出了通过在压缩之前首先从图像中滤出颗粒来模拟解码视频流中的胶片颗粒。该视频流受到压缩，并且随后与包含关于在压缩之前存在于所述流中的胶片颗粒的信息的消息一起被传送到用于接收的解码器。当接收到压缩的视频流和包含颗粒的消息时，解码器将该压缩流解码，并且随后通过基于颗粒信息消息的内容而模拟胶片颗粒来恢复图像的原始颗粒状外观。胶片颗粒消息可以采取与编码视频流相伴随的补充增强信息(SEI)消息的形式。
对于其中胶片颗粒的保持变得较为重要的高质量应用，以这一方式模拟胶片颗粒提供了大的比特率节省。然而，由于解码器必须再现胶片颗粒并将其与由所传送的胶片颗粒信息消息指定的解码视频流混合，因此这种模拟胶片颗粒的方法增大了解码器的复杂度。
因此，需要一种克服现有技术缺点的、用于模拟胶片颗粒的技术。
发明内容
简单地说，本发明提供一种用于模拟输入图像区块中的胶片颗粒的方法。该方法通过首先计算输入图像区块的至少一个图像参数的平均值开始。随后，从至少一个先前建立的胶片颗粒区块库(pool)中选择其图像参数与输入图像区块的图像参数最紧密地匹配的胶片颗粒区块。然后，将所选择的区块与输入图像区块混合。
从所述至少一个预先建立的胶片颗粒区块库中选择胶片颗粒区块以便与输入图像组合减小了与如现有方法所做的那样在解码器处模拟胶片颗粒相关联的复杂度。此外，从所述至少一个预先建立的胶片颗粒区块库中选择胶片颗粒区块减少了要不然可能会在独立生成的胶片颗粒区块之间转换时出现的伪像(artifact)。
附图说明
图1图示了用于通过镶嵌独立生成的胶片颗粒样本来进行胶片颗粒模拟的现有技术方法的步骤；
图2图示了用于生成图1的方法的胶片颗粒区块的现有技术方法的步骤；
图3图示了用于生成包含胶片颗粒的输出图像的现有技术解码器的一部分；
图4图示了根据本原理的说明性实施例的、用于通过镶嵌预先计算的胶片颗粒区块来模拟胶片颗粒的方法的步骤；
图5图示了根据本原理的说明性实施例的、用于预先建立在图4的方法中使用的胶片颗粒区块的方法的步骤；以及
图6图示了根据本原理的另一说明性实施例的、用于通过镶嵌从输入图像特性获得的胶片颗粒区块来模拟胶片颗粒的方法的步骤。
具体实施方式
根据本原理，通过镶嵌预先建立的单独胶片区块来进行图像中的胶片颗粒的模拟。术语单独胶片区块的“镶嵌”是指通过混合尺寸较小的单独胶片颗粒区块来构建复合图像。为了认识到通过镶嵌预先建立的胶片颗粒样本来进行胶片颗粒模拟的优点，对现有技术的胶片颗粒模拟过程的描述将证明是有帮助的。
图1图示了用于在逐个区块的基础上模拟胶片颗粒的现有技术方法的步骤。图1的方法通过首先在步骤10期间初始化系统变量开始。在步骤12期间，从输入图像13中读取一组N×M个像素(其中N和M每个都是大于0的整数)的区块中的连续的一个。在步骤12期间进行的区块的读取以光栅扫描的顺序发生。在步骤12之前，输入图像13典型地受到滤波以去除或者至少减少胶片颗粒，并随后被解压缩以产生N×M个像素的非重叠区块。图像的初始压缩本身可以用来去除或减少胶片颗粒。在一些实例中，由于输入图像被数字地捕捉和/或由计算机生成，因此该图像也将不具有任何初始胶片颗粒。在这种情况下，将颗粒添加到不存在颗粒的地方将增强图像。
在步骤12之后，在步骤14期间，对于刚才读取的区块计算图像亮度的数值平均。接下来，在步骤16期间进行胶片颗粒参数选择。该选择是根据在步骤14期间计算的平均亮度值而从与输入图像相伴随的胶片颗粒消息17中提供的一组胶片颗粒参数中做出的。典型地，胶片颗粒消息17采取补充增强(SEI)消息的形式，并且由于该原因，在下文中，当提及包含胶片颗粒信息的消息时，将出现术语“SEI”消息。因为胶片颗粒特征可根据亮度等级而变化，因此根据对所提取的图像区块测量的平均亮度，在步骤16期间进行的选择可产生不同的胶片颗粒参数。
使用在步骤16期间选择的胶片颗粒参数，在步骤18期间生成胶片颗粒样本的N×M个像素的区块，以便在创建胶片颗粒图像19时使用。通过此过程生成的每个胶片颗粒区块经受存储和合成，以产生映射到原始输入图像的大小的胶片颗粒图像。这一合成过程构成了如早些时候所讨论的镶嵌。在步骤18之后，在步骤20期间，对在步骤12期间选择的区块是否构成输入图像11的最后区块进行检查。如果剩余有另外的区块，则程序执行分支到步骤12以及其后的步骤。否则，进行步骤22，并且该过程结束。
图2图示了总起来包括用于生成N×M个胶片颗粒样本的区块的图1的步骤18的各个步骤。当执行在其中进行系统变量初始化的步骤200时，图2的方法开始。随后，在步骤202期间，使用从SEI消息17获得的一个或多个参数，进行N×M个随机值的区块的生成。在步骤204期间生成的区块在步骤204期间受到离散余弦变换(DCT)，以便获得对应的一组N×M频率系数。除了DCT以外，还可以使用其它变换。在步骤206期间，利用根据在SEI消息17中包含的一个或多个参数计算的滤波系数，在步骤204期间计算的系数受到频率滤波。该频率滤波控制所模拟的颗粒的大小。在步骤208期间，频率滤波后的系数受到逆离散余弦变换(IDCT)以产生胶片颗粒图像19。此过程需要规定噪声偏差以及控制频域中的滤波过程的高和低截止频率(cutfrequency)。对于视频编码应用，SEI消息17典型地传达这样的信息。在步骤208之后，该过程结束。
图3图示了实现与原始图像混合的胶片颗粒的解码器300的一部分的方框示意图。解码器300中的求和块310在第一输入处接收解码后的输入图像13。在求和块310的第二输入处进行接收之前，图2的胶片颗粒图像19在区块消除(de-blocking)滤波器314处受到区块消除。求和块310对输入图像13和胶片颗粒图像19求和，以产生包含胶片颗粒的输出图像316。由于已经独立生成了各个胶片颗粒区块，因此在区块之间转换时可以觉察到伪像。这样，区块消除滤波器314对于减少由胶片颗粒镶嵌导致的视觉伪像变得重要。
按照如此所述，用于胶片颗粒模拟的现有技术方法需要生成用于与输入图像的每个处理后的像素区块混合的胶片颗粒。相比之下，根据本原理的胶片颗粒模拟通过利用在其中计算有限数量的胶片颗粒区块的库创建过程限制胶片颗粒生成而实现了更高的效率。此方法显著减小了胶片颗粒模拟过程的计算复杂度。
图4图示了根据本原理第一实施例的用于胶片颗粒模拟的方法的步骤。如在下文中更详细地讨论的那样，图5的胶片颗粒模拟方法通过从预先计算的胶片颗粒区块库中选择单独的这种区块来有利地避免忙碌的胶片颗粒生成。图4的方法通过首先在步骤400期间初始化系统变量而开始。接下来，在步骤402期间，从输入图像13读取N×M个像素的连续区块。在步骤402期间进行的区块的读取以光栅扫描的顺序发生。如上面讨论的那样，输入图像13典型地将使其所有颗粒被去除或减少，并且将被分解为N×M个像素的不重叠区块(其中N和M每个都是大于0的整数)。图像的初始压缩本身可以用来去除或减少胶片颗粒。在一些实例中，由于输入图像被数字地捕捉和/或由计算机生成，因此该图像也将不具有任何初始胶片颗粒。在这种情况下，将颗粒添加到不存在颗粒的地方将增强图像。
在步骤402之后，在步骤404期间，对于刚才在步骤402期间读取的区块，计算图像参数的平均值、典型地为平均亮度值。接下来，在步骤406期间，从预先建立的胶片颗粒区块的至少一个库中选择胶片颗粒区块，所述胶片颗粒区块是以在下文中参考图5描述的方式而预先计算的。可以存在可根据平均图像亮度或者根据一个或多个其它图像参数而从中进行选择的多个库，而不是依赖于单个胶片颗粒区块库。当对于相同的亮度等级和颜色分量可以获得多于一个区块时，应当指定选择标准。例如，当可以获得数量减少的区块时，可以进行从所述库中的区块的伪随机选择，以避免图案(pattern)的产生。也可以使用这组可以获得的胶片颗粒区块的变换后的副本。
在步骤406期间的区块选择之后，在步骤410期间，所选择的区块典型地经受变换，以产生用于与胶片颗粒图像混合的胶片颗粒图像区块19。在步骤410之后，在步骤412期间，进行检查以确定剩余有另外的图像区块。如果剩余有另外的图像区块，则程序执行分支到步骤402以及其后的步骤。否则，在步骤414期间，程序执行结束。
图5图示了根据本原理的、用于生成图4的预先建立的胶片颗粒区块408的方法的步骤。图5的方法通过在步骤500期间执行初始化以重置所有系统变量而开始。接下来，在步骤502期间，进行从SEI消息17中选择一组胶片颗粒参数。随后，在步骤504期间，对于SEI消息17中的每组参数，生成一组K个胶片颗粒样本区块(其中K是大于0的整数)。不同的参数组将指定不同的颜色分量和不同的亮度等级。对于K＝1的特定实现导致最低的计算要求，从而每组参数仅生成一个胶片颗粒区块。然而，为了避免图案的产生，优选的是将更多数量的区块或者甚至不同数量的区块用于不同的亮度等级。
在步骤504之后，在步骤506期间进行检查以确定是否剩余有另外的参数组。如果剩余有另外的组，则程序执行分支到步骤502以及其后的步骤。否则，在步骤508期间，程序执行结束。
参考图5所述的、用于创建预先建立的胶片颗粒区块库的过程与如图3所述的、在解码器10中发生的胶片颗粒混合仍然完全分离。尽管具有预料胶片颗粒生成的计算优势，但是图4的胶片颗粒模拟方法导致了仍然不知道输入图像是否将使用存储在库中的所有区块的不便之处。
图6图示了根据本原理的、利用输入图像的特征的胶片颗粒模拟方法的替换实施例。如将在下文中变得更好地理解的那样，图6的胶片颗粒方法不会为存在于SEI消息17中的所有可能的亮度等级先验地创建胶片颗粒区块库。相反，图6的方法进行有限的胶片颗粒区块库的创建，并且根据输入图像的特征进行区块库的更新。
图6的方法通过首先在步骤600期间执行初始化以重置所有系统变量而开始。步骤602在步骤600之后，在步骤602期间，进行从输入图像13的N×M个像素的区块的选择。随后，在步骤604期间，计算先前选择的图像区块的至少一个图像参数的平均值(例如，图像亮度的平均值)。在步骤606期间，对于其平均亮度最紧密地匹配所选择的图像区块的平均亮度的胶片颗粒区块的可获得性进行检查。如果不存在这样的区块，则程序执行分支到步骤608，从SEI消息17中选择一组参数。接下来，在步骤610期间，从所选择的参数生成N×M个胶片颗粒的区块。现在，在步骤610期间生成的区块进入预先计算的胶片颗粒区块库408。步骤612跟随在步骤610之后。当确定库中的胶片颗粒区块具有最紧密地匹配所选择的图像区块的平均亮度的平均亮度时，步骤612也跟随在步骤606之后。在步骤612期间，从胶片颗粒区块库408中进行对最紧密地匹配的胶片颗粒区块的选择。接下来，在步骤614期间，所选择的区块典型地受到变换，以便与先前选择的区块拼凑以产生胶片颗粒图像19。以这一方式，将变换区块与胶片颗粒图像混合。在步骤616期间，对于在步骤602期间选择的区块是否构成最后的区块进行确定，如果不是，则程序执行分支到步骤602。否则，在步骤618期间，程序执行结束。
上述方法不仅可以估计当库408为空的时候是否可以获得区块、还可以估计最近是否已经将现有区块用于混合。还可以构想用于管理库创建和更新过程的其它标准。图6的方法可以根据输入图像的特征而逐渐地创建和/或更新预先建立的胶片颗粒区块的库408。例如，库408可以被组织为在最普遍的亮度等级中安排更多数目的区块，以避免可视图案的产生。根据这一策略，库408中的胶片颗粒区块的分布将逐渐与涉及变暗或发光的图像特征变化相匹配。
上文描述了一种用于模拟图像中的胶片颗粒的技术。

Claims (14)

1.一种用于模拟输入图像区块中的胶片颗粒的方法，包括以下步骤：
(a)计算所述区块的至少一个图像参数的平均值；
(b)从至少一个先前建立的胶片颗粒区块库中选择其图像参数最紧密地匹配输入图像区块的图像参数的胶片颗粒区块；
(c)将所选择的胶片颗粒区块与输入图像区块混合。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括在与输入图像区块混合之前对所选择的胶片颗粒区块进行区块消除的步骤。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，基于图像亮度，在所述至少一个库中组织先前建立的胶片颗粒区块。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括根据输入图像的特征更新所述至少一个库的步骤。
5.根据权利要求3所述的方法，对于至少一个不同的颜色分量，选择不同的胶片颗粒区块。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括在混合步骤之前变换所选择的区块的步骤。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括从多个胶片颗粒区块库中选择胶片颗粒区块的步骤。
8.一种用于模拟输入图像中的胶片颗粒的方法，来自所述输入图像的胶片颗粒至少已经被减少并被分解为输入图像区块，该方法包括以下步骤：
(a)选择一组输入图像区块中的连续的一个；
(b)计算该连续区块的至少一个图像参数的平均值；
(c)从至少一个先前建立的胶片颗粒区块库中，选择具有最紧密地匹配所述连续区块的至少一个图像参数的平均值的图像参数的胶片颗粒区块；
(d)对于图像中的所有像素区块重复步骤(a)-(c)；以及
(e)混合所选择的胶片颗粒区块，以产生具有胶片颗粒的输出图像。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，基于图像亮度，在所述至少一个库中组织先前建立的胶片颗粒区块。
10.根据权利要求8所述的方法，还包括根据输入图像的特征更新所述至少一个预先建立的胶片颗粒区块库的步骤。
11.根据权利要求8所述的方法，其中，对于至少一个不同的颜色分量，选择不同的胶片颗粒区块。
12.根据权利要求7所述的方法，还包括在重复步骤(c)-(d)之前变换所选择的区块的步骤。
13.根据权利要求8所述的方法，还包括从多个胶片颗粒区块库中选择胶片颗粒区块的步骤。
14.根据权利要求8所述的方法，还包括在重复步骤(c)-(d)之前对所述连续胶片颗粒区块进行区块消除的步骤。
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