CN1921569A - 图像处理设备、图像显示装置和图像处理方法 - Google Patents

图像处理设备、图像显示装置和图像处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种图像处理设备、图像显示装置和图像处理方法，它们能够防止由于经过图像处理而带来的图像质量的不自然改变。亮度分布检测电路检测作为YUV信号的直方图分布的亮度分布。增益限制器通过将亮度直方图的频率限制为频率阈值或更小来执行拉平，以便减少集中在一个特定亮度电平区段上的分布。接下来，图像处理部中的γ校正电路通过使用被拉平的亮度分布来对YUV信号执行图像处理(对比度控制)。

Description

图像处理设备、图像显示装置和图像处理方法
相关申请的交叉参考
本发明包含于2005年8月23日向日本专利局提交的日本专利申请JP 2005-241772的主题，其全部内容结合于此作为参考。
技术领域
本发明涉及一种具有对图像信号执行图像质量校正处理的功能的图像处理设备、一种图像显示装置和一种图像处理方法。
背景技术
通常，诸如电视接收机、VTR(磁带录像机)、数码相机、电视摄像机或打印机的装置都具有能够对输入图像执行图像质量校正的图像处理功能(例如，诸如明亮度或对比度控制、和轮廓校正的功能)。这一功能主要有效地适用于全黑和低对比度图像或模糊图像。
在这些功能中，通常，对比度控制通过校正表示所谓γ特性的γ曲线来执行。在校正γ曲线时对各个亮度(信号)电平设置的校正量被称作增益。
例如，在日本未审查专利申请公开第2002-366121、2004-40808和2004-282377号中披露了图像处理技术，其中，输入图像的亮度分布被检测为直方图分布，然后，基于直方图分布对输入图像执行诸如对比度控制的图像处理。在这些技术中，特别是当对具有高频率值的亮度电平区段将增益设置得很大时，能够有效地改进总的对比度。
发明内容
然而，在日本未审查专利申请公开第2002-366121、2004-40808和2004-282377号中，例如，如图9所示，在作为直方图分布的亮度分布120A集中在特定的亮度电平区段的情况下，当其上集中了亮度分布120A的亮度电平区段如附图中的箭头P101和P102所示移动时，即使亮度电平区段只是略微移动，诸如对比度控制的图像处理都会导致发生很大的改变。换句话说，在移动其上集中了亮度分布120A的亮度电平区段以使其横跨在亮度电平区段之间的边界的情况下，当基于直方图分布执行图像处理时，例如，如图10中所示的对比度控制的情况下，经过图像处理之前的γ曲线γ101和经过图像处理之后的γ曲线γ102引起了图像质量的极大改变(参看附图中的箭头P103和P104)。图像质量的这一极大改变使得被显示图像的质量出现差错，从而会显示出一副很不自然的图像。在亮度电平区段的数目很少的情况下，这一问题变得尤其明显。
因此，在相关技术的技术中，在具有直方图分布形式的亮度分布集中在特定亮度电平区段的情况下，存在图像处理引起图像质量不自然改变的问题。
鉴于上述，需要提供能够防止由于图像处理而产生的图像质量的不自然改变发生的图像处理设备、图像显示装置和图像处理方法。
根据本发明的实施例，提供了一种图像处理设备，包括：查找装置，用于找出输入图像数据的图像帧中的亮度直方图；拉平装置(leveling means)，用于拉平所找出的亮度直方图；以及图像处理装置，通过使用被拉平装置拉平的亮度直方图，对输入图像数据执行图像处理。另外，“图像帧”指的是构成一幅画面的图像数据。
在此情况下，拉平装置可以通过将亮度直方图的频率限制为频率阈值或更小，或者通过针对亮度直方图中的各个亮度电平区段计算加权平均值、然后用计算出的加权平均值代替各个亮度电平区段上的频率值来进行拉平。
根据本发明的实施例，提供了一种图像显示装置，包括：查找装置，用于找出输入图像数据的图像帧中的亮度直方图；拉平装置，用于拉平所找出的亮度直方图；图像处理装置，通过使用被拉平装置拉平的亮度直方图，对输入图像数据执行图像处理，从而生成经过处理的图像数据；以及显示装置，基于经过处理的图像数据来显示图像。
根据本发明的实施例，提供了一种图像处理方法，包括以下步骤：找出输入图像数据的图像帧中的亮度直方图；拉平所找出的亮度直方图；以及通过使用由拉平装置所拉平的亮度直方图，对输入图像数据执行图像处理。
在根据本发明实施例的图像处理设备、图像显示装置和图像处理方法中，找出输入图像数据的图像帧中的亮度直方图，然后拉平所找出的亮度直方图。接下来，通过使用由拉平装置所拉平的亮度直方图，对输入图像数据执行图像处理。
在根据本发明实施例的图像处理设备、图像显示装置和图像处理方法中，找出输入图像数据的图像帧中的亮度直方图，然后拉平所找出的亮度直方图，接下来，通过使用由拉平装置所拉平的亮度直方图，对输入图像数据执行图像处理，这样就能够防止由于图像处理而带来的图像质量的不自然改变。
本发明的其他和另外的目标、特性和优点在以下描述中将更加全面地体现出来。
附图说明
图1是根据本发明第一实施例的图像显示装置的整体结构的电路框图；
图2是描述亮度分布的特性图；
图3A和图3B是描述图1中所示的分布限制器的功能的特性图；
图4是描述图1中所示的γ校正电路的功能的特性图；
图5是描述亮度分布中特定亮度电平区段的分布改变的特性图；
图6是根据本发明第二实施例的增益生成部的结构的电路框图；
图7A和图7B是描述图6中所示的分布滤波器的功能的特性图；
图8是根据本发明变型例的增益生成部的结构的电路框图；
图9是描述在相关技术中，图像显示的亮度分布中特定亮度电平区段的分布改变的特性图；以及
图10是描述由于图9中所示的亮度电平区段上的分布改变所引起的γ曲线的改变模式的特性图。
具体实施方式
以下将参考附图详细描述优选实施例。
【第一实施例】
图1示出了根据本发明第一实施例的图像显示装置的整体结构。该图像显示装置包括：图像处理功能部，包括调谐器11、Y/C分离电路12、色度解码器13、开关14、延迟电路15、增益生成部2和图像处理部3；以及图像显示功能部，包括矩阵电路41、驱动器42和显示器51。根据本发明第一实施例的图像处理设备和图像处理方法是通过根据该实施例的图像显示装置体现的，所以它们也将在以下进行描述。
输入到图像显示装置的图像信号除了可以是来自TV(电视机)的TV信号之外，还可以是从VCR(盒式磁带录像机)、DVD(数字化视频光盘)等的输出。近来，电视机和个人计算机已逐渐普遍开始获得来自多个种类的媒体的图像信息，并显示对应于每个媒体的图像。
调谐器11接收并解调来自TV的TV信号，然后将TV信号作为复合视频输入信号(CVBS：composite video burst signal)输出。
Y/C分离电路12将来自调谐器11的复合视频输入信号或来自VCR或DVD1的复合视频输入信号分为亮度信号Y1和色度信号C1，以将其输出。
色度解码器13输出由Y/C分离电路12所分离的亮度信号Y1和色度信号C1作为YUV信号(Y1、U1、V1)，包括亮度信号Y1和色差信号U1及V1。
YUV信号是二维数字图像的图像数据，并且是一组对应于图像上的位置的像素值。亮度信号Y表示亮度电平、并且取的振幅值处于100％白的白色电平和100％黑的黑色电平之间。此外，100％白的图像信号在表示图像信号相对比率的被称为IRE(无线电工程师协会)的单位中为100(IRE)。在日本NTSC(全国电视标准委员会)信号标准中，白色电平为100IRE，而黑色电平为0IRE。另一方面，色差信号U和V分别对应于通过从蓝色(B)中减去信号Y产生的信号B-Y、以及通过从红色(R)中减去亮度信号Y产生的信号R-Y，并且当将信号U和V与亮度信号Y结合时，就可以显示出色彩(色相、彩度、亮度)。
开关14切换来自多个种类媒体的YUV信号(在此情况下，指的是YUV信号(Y1、U1、V1)和来自DVD2的YUV信号(Y2、U2、V2))，从而输出所选择的信号作为YUV信号(Yin、Uin、Vin)。
增益生成部2生成将被输出到稍后将描述的图像处理部3中的γ校正电路31的增益数据Gout，它包括亮度分布检测电路21、分布限制器(distribution limiter)22和增益计算电路23。
亮度分布检测电路21基于从开关14输出的YUV信号(Yin、Uin、Vin)中的亮度信号Yin，来检测亮度分布作为直方图分布。
图2示出了通过亮度分布检测电路21检测的亮度分布(亮度分布20A)的实例，纵轴表示直方图分布的频率，而横轴表示亮度电平。此外，在亮度分布20A的例子中，亮度电平具有8个区段(8个灰度级)。将表示所检测出的亮度分布的亮度分布数据Hin输出到分布限制器22。此外，所产生的亮度分布数据Hout1包括(例如)当显示图像时1帧的数据或者是图像帧的数据(构成一个画面的图像数据)，它是1场的数据。
分布限制器22是用于将从亮度分布检测电路21输出的亮度分布数据Hin中的直方图的频率限制为预定阈值的电路。更具体地，例如，如图3A中示出的亮度分布20B中的P1所示，在分布集中在一个特定的亮度电平区段，并且该频率等于或大于频率阈值Lim的情况下，如图3B中示出的亮度分布20C中的P2所示，去掉等于或大于频率阈值Lim的频率值。从而，降低了直方图中集中在特定亮度电平区段的分布，并拉平了分布。这样，被拉平的亮度分布数据Hout1被输出到增益计算电路23。
增益计算电路23根据由分布限制器22拉平的亮度分布数据Hout1计算增益数据Gout，该增益数据用于图像处理部3中的γ校正电路31中的对比度控制。更具体地，关于计算增益数据Gout的方法，参考亮度分布数据Hout1，将校正量，即针对具有大频率值的亮度电平的增益数据Gout设置为大于在具有小频率值的亮度电平上的增益数据。换句话说，输出亮度电平上的变化相对于输入亮度电平上的改变是很大的(参看图4)。当以此方式设置增益数据Gout时，如稍后将描述的，会更有效地改进整体对比度。将以此方式计算的增益数据Gout输出到图像处理部3中的γ校正电路31。
延迟电路15延迟从开关14输出的色差信号Uin和Vin，并将色差信号Uin和Vin以及从增益生成部2输出的增益数据Gout同步，以将其输出到图像处理部3。
图像处理部3通过使用从增益生成部2输出的增益数据Gout，对从开关14输出并通过延迟电路15的YUV信号(Yin、Uin、Vin)执行预定的图像处理，在根据本实施例的图像显示装置中，图像处理部3包括γ校正电路31，用于对YUV信号(Yin、Uin、Vin)执行对比度改进处理。
如上所述，γ校正电路31通过使用增益数据Gout，对YUV信号(Yin、Uin、Vin)执行对比度改进处理。更具体地，例如，如图4中输入亮度电平-输出亮度电平特性曲线所示，原始γ曲线γ1的对比度以亮度电平为基础被控制为增益数据Gout(例如，附图中的增益数据Gout1、Gout2)所表示的程度。当以此方式控制对比度时，例如，可将γ曲线γ1校正为γ曲线γ2，并且可通过作出明显倾斜来使对比度尤其在具有大频率值的亮度电平周围(如图3所示，在中间亮度电平周围)得到改进。因此，可以更加有效地改进经过图像处理之后的整体YUV信号的对比度。经过图像处理(控制对比度)之后的YUV信号(Yout、Uout、Vout)被输出到矩阵电路41。
矩阵电路41由经过图像处理部3执行图像处理之后的YUV信号来再现RGB信号，然后将再现的RGB信号(Rout、Gout、Vout)输出到驱动器42。
驱动器42基于从矩阵电路41输出的RGB信号(Rout、Gout、Bout)而产生用于显示器5的驱动信号，然后将驱动信号输出到显示器5。
显示器5根据从驱动器42输出的驱动信号，基于经过图像处理部3进行图像处理之后的YUV信号(Yout、Uout、Vout)显示图像。显示器5可以是任意种类的显示装置，可使用例如，CRT(阴极射线管)51、LCD(液晶显示器)52、PDP(等离子体显示板；未示出)等。
在此情况下，YUV信号(Yin、Uin、Vin)对应于本发明中的“输入图像数据”的具体实例，YUV信号(Yout、Uout、Vout)对应于本发明中的“图像处理数据”的具体实例。此外，亮度分布检测电路21对应于本发明中“查找装置”的具体实例，而分布限制器22对应于本发明中“拉平装置”的具体实例，以及γ校正电路31对应于本发明中“图像处理装置”的具体实例。
接下来，参考图1到图5，以下将描述根据本实施例的图像显示装置的操作。
首先，将输入到图像显示装置的图像信号解调为YUV信号。更具体来说，通过调谐器11将来自TV的TV信号解调为复合视频输入信号，并将复合视频输入信号从VCR或DVD1直接输入到图像显示装置中。接下来，在Y/C分离电路12中将复合视频输入信号分离为亮度信号Y1和色度信号C1，然后，在色度解码器13中，将亮度信号Y1和色度信号C1解码为YUV信号(Y1、U1、V1)。另一方面，可将YUV信号(Y2、U2、V2)从DVD2直接输入到图像显示装置中。
接下来，在开关14中，选择YUV信号(Y1、U1、V1)或YUV信号(Y2、U2、V2)以作为YUV信号(Yin、Uin、Vin)输出。接下来，将YUV信号(Yin、Uin、Vin)中的亮度信号Yin输入到增益生成部2和图像处理部3中的γ校正电路31中，而将色差信号Uin和Vin输出到延迟电路15。
在增益生成部2中，基于所输入的亮度信号Yin执行生成增益数据Gout的以下操作过程。
具体来讲，首先，在亮度分布检测电路21中，例如，以从开关14输出的YUV信号(Yin、Uin、Vin)中的亮度信号Yin为基础检测得到如图2中示出的作为直方图分布的亮度分布，然后将亮度分布作为亮度分布数据Hin输出。接下来，在分布限制器22中，在亮度分布数据Hin中，将频率值限制为阈值或更小。具体地说，在分布集中在特定亮度电平区段，使得频率值等于或大于频率阈值Lim的情况下，去掉等于或大于频率阈值的频率值，结果，减少了集中在特定亮度电平区段的分布，并且拉平了分布。接下来，在增益计算电路23中，基于被拉平的亮度分布数据Hout1，计算增益数据Gout，从而被输出到图像处理部3中的γ校正电路31。
另一方面，在延迟电路15中，色差信号Uin和Vin被延迟，结果，它们与从增益生成部2输出的增益数据Gout同步。
接下来，在图像处理部3的γ校正电路31中，基于从开关14输出的亮度信号Yin和从开关14输出并通过延迟电路15的色差信号Uin和Vin，通过使用从增益生成部2提供的增益数据Gout，对YUV信号(Yin、Uin、Vin)执行对比度改进处理。更具体来说，以亮度电平为基础将对比度控制为增益数据Gout所表示的程度。
在此情况下，如上所述，从增益生成部2提供的增益数据Gout是以被分布限制器22拉平的亮度分布数据Hout1为基础的。因此，例如，如图5中示出的亮度分布20C的情况，甚至在分布集中于其上的亮度电平区段如附图中的箭头P3和P4所示移动的情况下，与基于亮度分布数据Hin的增益数据没有任何修改的情况相比，未被修改的YUV信号(Yin、Uin、Vin)和被修改的YUV信号(Yout、Uout、Vout)之间的改变减少了。
接下来，在矩阵电路41中，从经过对比度处理之后的YUV信号(Yout、Uout、Vout)再现RGB信号(Rout、Gout、Bout)，然后驱动器42基于RGB(Rout、Gout、Bout)信号生成驱动信号，然后基于该驱动信号，在显示器5上显示图像。
如上所述，在本实施例中，增益生成部2中的亮度分布检测电路21检测亮度分布作为从开关14输出的YUV信号(Yin、Uin、Vin)的直方图分布，然后增益限制器22通过将亮度分布的频率值限制为频率阈值Lim或更少来拉平，以减少集中在一个特定亮度电平区段的分布，然后，图像处理部3中的γ校正电路31通过使用被拉平的亮度分布数据Hout1对YUV信号(Yin、Uin、Vin)执行图像处理(对比度控制)，甚至在分布集中于一个特定亮度电平区段的情况下，仍可以防止由于图像处理而产生的图像质量的不自然改变。
【第二实施例】
接下来，将描述本发明的第二实施例。根据本实施例的图像显示装置包括分布滤波器(distribution filter)24，其取代了根据第一实施例的图像显示装置中的增益生成部2中的分布限制器22。
图6示出了根据本实施例的增益生成部2的结构。根据本实施例的增益生成部2包括亮度分布检测电路21、分布滤波器24和增益计算电路23。与第一实施例相同的部件被标以相同的数字并且不再作进一步描述。
分布滤波器24针对从亮度分布检测电路21输出的亮度分布数据Hin中的多个连续亮度电平区段中每一个计算预定加权平均值，并以该加权平均值取代原始频率值，从而输出加权平均值作为亮度分布数据Hout2。
以下分别参考(例如)图7A和图7B中所示的亮度分布20D和20E给出更加具体的描述。例如，如图7A中示出的亮度分布20D所示，某一预定亮度电平区段(左侧亮度电平区段)上的频率值是20、在该亮度电平区段右侧的亮度电平区段(中间亮度电平区段)的频率值是100、以及在中间亮度电平区段的右侧(右侧亮度电平区段)的亮度电平区段是20的情况下，也就是，在分布集中于中间亮度电平区段的情况下，通过下面的公式(1)到(3)来计算关于多个(在此情况下为3个)连续亮度电平区段中的各个亮度电平区段的加权平均值Ave(左)、Ave(中)和Ave(右)。另外，在此情况下，本例中的权数是(左∶中∶右)＝(1∶2∶1)。
Ave(左)＝(0×1+20×2+100×1)/(1+2+1)＝35...(1)
Ave(中)＝(20×1+100×2+20×1)/(1+2+1)＝60...(2)
Ave(右)＝(100×1+20×2+0×1)/(1+2+1)＝35...(3)
因此，当原始亮度电平区段上的频率值分别被通过公式(1)到(3)计算出的加权平均值Ave(左)、Ave(中)和Ave(右)所取代时，产生图7B中所示的亮度分布20E。与原始亮度分布20D相比，在亮度分布20E中，如附图中箭头P5～P7所示，左侧的亮度电平区段的频率值从20增至35，中间的亮度电平区段的频率值从100降至60，以及右侧的亮度电平区段的频率直从20增至35，所以显然减少了集中在中间的亮度电平区段的分布，并且拉平了分布。分布滤波器24对应于本发明中的“拉平装置”的具体实例。
如上所述，在本实施例中，增益生成部2包括代替第一实施例中的分布限制器22的分布滤波器24，并且在亮度分布中计算预定的加权平均值，然后用加权平均值取代原始频率值，以输出该加权平均值作为亮度分布数据Hout2，所以在存在分布滤波器24的情况下，可以通过减少集中在特定亮度电平区段的分布来拉平分布，并且可以获得与第一实施例相同的效果。换句话说，即使在分布集中在特定亮度电平区段的情况下，仍可以防止由于经过图像处理而带来的图像质量的不自然改变。
虽然参考了第一和第二实施例描述了本发明，但本发明并不限制于这些实施例，而是可以进行各种修改。
例如，在这些实施例中，描述了增益生成部2中包括分布限制器22或分布滤波器24的情况；然而，增益生成部2可以如图8中所示包括分布限制器22和分布滤波器24。更具体地，分布限制器22将作为直方图分布的亮度分布的频率值限制为频率阈值Lim或更少，然后分布滤波器24计算经过限制频率值之后的亮度分布数据的加权平均值，然后用该加权平均值取代原始频率值，以输出加权平均值。在这一结构中，通过使用分布限制器22和分布滤波器24能够进一步减少图像质量中的不自然改变。在图8中，示出了将分布滤波器24设置在分布限制器22的输出侧的实例；然而，它们也可以以相反的次序设置。换句话说，分布滤波器24可以设置在亮度分布检测电路21和分布限制器22之间。
例如，在以上实施例中，描述了亮度分布20A～20E中的亮度电平被分为8个区段(8个灰度级)的情况；然而，分布限制器22和分布限制器24可根据亮度电平区段的数目执行拉平。更具体地，在如上所述的亮度电平区段的数目很少的情况下，由于分布集中于一个特定亮度电平区段上而带来的图像质量的不自然改变尤其明显，所以仅在亮度电平区段的数目等于或少于临界数目的情况下，执行拉平处理。在这一结构中，在引起图像质量的不自然改变的亮度电平区段的数目可以忽略的情况下，可以中止通过分布限制器22或分布滤波器24进行的拉平处理，从而提高整体图像处理的处理速度。
此外，在以上实施例中，描述了图像处理部3包括γ校正电路31的情况；然而，图像处理部3的结构并不限于这种情况，图像处理部3也可包括(例如)另一个用于图像处理的电路，或可以包括多个这样的电路。
本领域技术人员应了解，只要不脱离本发明权利要求及其等效物的范围，可依据设计要求和在范围内的其他要素，作出各种修改、组合、子组合和改造。

Claims (10)

1.一种图像处理设备，包括：
查找装置，用于找出输入图像数据的图像帧中的亮度直方图；
拉平装置，用于拉平所找出的所述亮度直方图；以及
图像处理装置，用于通过使用由所述拉平装置拉平的所述亮度直方图，对所述输入图像数据执行图像处理。
2.根据权利要求1所述的图像处理设备，其中
所述拉平装置包括分布限制器，所述分布限制器将所述亮度分布的频率限制为频率阈值或更小。
3.根据权利要求1所述的图像处理设备，其中
所述拉平装置包括分布滤波器，所述分布滤波器计算所述亮度直方图中的多个连续亮度电平区段中每一个的加权平均值，然后，用计算得出的所述加权平均值取代每个亮度电平区段的频率值。
4.根据权利要求2所述的图像处理设备，其中
所述拉平装置还包括分布滤波器，所述分布滤波器计算经过所述分布限制器限制的所述亮度直方图中的多个连续亮度电平区段中每一个的加权平均值，然后，用计算得出的所述加权平均值取代每个亮度电平区段的频率值。
5.根据权利要求1所述的图像处理设备，其中
所述拉平装置在所述亮度直方图中的亮度电平区段的数目等于或小于临界数目时进行拉平。
6.根据权利要求1所述的图像处理设备，其中
所述图像处理装置包括γ校正电路，用于改进所述输入图像数据的对比度。
7.一种图像显示设备，包括：
查找装置，用于找出输入图像数据的图像帧中的亮度直方图；
拉平装置，用于拉平所找出的所述亮度直方图；
图像处理装置，用于通过使用由所述拉平装置拉平的所述亮度直方图，对所述输入图像数据执行图像处理，从而，生成经过处理的图像数据；以及
显示装置，用于基于所述经过处理的图像数据来显示图像。
8.一种图像处理方法，包括以下步骤：
找出输入图像数据的图像帧中的亮度直方图；
拉平所找出的所述亮度直方图；以及
通过使用由所述拉平装置拉平的所述亮度直方图，对所述输入图像数据执行图像处理。
9.一种图像处理设备，包括：
查找部，用于找出输入图像数据的图像帧中的亮度直方图；
拉平部，用于拉平所找出的所述亮度直方图；以及
图像处理部，用于通过使用由所述拉平部拉平的所述亮度直方图，对所述输入图像数据执行图像处理。
10.一种图像显示装置，包括：
查找部，用于找出输入图像数据的图像帧中的亮度直方图；
拉平部，用于拉平所找出的所述亮度直方图；
图像处理部，用于通过使用由所述拉平部拉平的所述亮度直方图，对所述输入图像数据执行图像处理，从而，生成经过处理的图像数据；以及
显示部，用于基于所述经过处理的图像数据来显示图像。
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