CN202309858U - 一种非线性图像缩放装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种非线性图像缩放装置，包括一计算垂直方向的具体插值位置电路，用于计算当前点在原图像中垂直方向的具体插值位置，一缩放因子计算模块，用于计算缩放因子k，一插值点的水平方向空间位置计算模块，用于根据各点在原图像中的不同位置并采用分段非线性的方式计算水平方向的位置，以及一插值模块，用于根据分段非线性方式的计算结果进行插值。采用本实用新型的装置在集成电路复杂度不是十分高的情况下，适用于不同的宽高比的图像缩放，采用分段非线性缩放，中间重要部分可以保持原图像的宽高比，而左右边缘地带采用不同比例的缩放因子，使得当图像变换到不同的宽高比目标屏上时，不会有很大的失真，特别适用于视频节目的播放。

Description

一种非线性图像缩放装置

技术领域

本实用新型涉及投影仪领域，具体的说，是一种非线性图像缩放装置。 

背景技术

在投影仪领域中，有的时候视频输出需要显示宽银幕的效果，由于输入图像和需要显示的输出图像的每行象素和每帧行数不同，需要SCALER来进行空间缩放。 

此外，现有技术中已经设计了大量的图像缩放算法，申请号为03111801.1的中国专利公开了一种数字图像缩放集成电路设计方法，在所述方法中向上缩放和向下缩放由单一电路实现；申请号为200410102696.5的中国专利也公开了一种图像缩放的方法，所述方法通过建立查找表进行缩放，降低了算法的复杂度。但是，以上各个方法都有个共同的特点，就是都没有考虑非线性缩放，都是采用的线性缩放方法，对于输出图像是宽银幕来说，可能导致图像数据的扁平效果，影响美观。 

申请号为200410095787.0的中国专利提出了一种受控不成比例的缩放显示方法，所述方法通过在原始图像上指定一“轿车线”来实现变换，在中间区域的轿车距离内进行拉伸缩放，在旁边区域服从于比例拉伸。所述专利适用于电子节目指南屏幕，使节目清单可以成比例地比原屏幕更宽，有效地利用了目标屏幕上的空间，但是，因为中间区域比例失真，所述方法不适合应用到视频节目播放中，因为轿车线左右的比例因子是突变的，而且中间区域是人眼比较注意的区域。 

因此，对于一些输入图像的横纵向比例和输出图像的比例不一致时，例如4∶3的源在16∶9的输出显示等场合，容易造成图像的失真，如何使图像的中间重要部分保持原图像的比例不变形以及过渡自然已成为业界亟待解决的技术问题。 

实用新型内容

本实用新型的主要目的是提供一种非线性图像缩放装置，其可以针对输入图像的横纵向比例和输出图像的比例不一致的情况，智能地调整缩放比例，从而保证整体图像的比例不变型，并且易于集成电路的实现。 

为达到上述目的，本实用新型提供一种非线性图像缩放装置，其包括：计算垂直方向的具体插值位置电路，用于计算当前点在原图像中垂直方向的具体插值位置，所述计算垂直方向的具体插值位置电路的输入为帧信息、缩放后帧的宽与高W_n，H_n，缩放前帧的宽与高Width、Height，其输出为插值点的垂直方向空间位置信息Δx，对应原图像的象素点的垂直位置x；计算水平方向的具体插值位置电路，用于根据插值点不同的区域计算插值点在水平方向上的位置；插值电路，用于根据分段非线性方式进行插值，其输入端连接至所述计算垂直方向的具体插值位置电路以及计算水平方向的具体插值位置电路的输出端，其输入为插值点空间位置信息x、y、Δx、Δy、帧信息，其输出为计算出来的插值位置的亮度信息。 

本实用新型所述的非线性图像缩放装置在集成电路复杂度不是十分高的情况下，适用于不同的宽高比的图像缩放，采用分段非线性缩放，中间重要部分可以保持原图像的宽高比，而左右边缘地带采用不同比例的缩放因子，本实用新型适用于所有视频领域，使得当图像变换到不同的宽高比目标屏上时，不会有很大的失真，特别适用于视频节目的播放。 

附图说明

通过以下对本实用新型的一个较佳实施例结合其附图的描述，可以进一步理解其实用新型的目的、具体结构特征和优点。其中，附图为： 

图1为本实用新型的较佳实施例提供的一种非线性图像缩放装置的结构图； 

图2为本实用新型的较佳实施例提供的一种非线性图像缩放装置的计算垂直方向的具体插值位置电路1的结构图； 

图3为本实用新型的较佳实施例提供的一种非线性图像缩放装置的计算缩放因子电路21的结构图； 

图4为本实用新型的较佳实施例提供的一种非线性图像缩放装置的插值点的水平方向的位置电路22的结构图； 

图5是本实用新型的较佳实施例提供的水平方向的位置电路22的第一段位置计算电路221的结构图； 

图6是本实用新型的较佳实施例提供的水平方向的位置电路22的第二段位置计算电路222的结构图； 

图7是本实用新型的较佳实施例提供的水平方向的位置电路22的第三段位置计算电路223的结构图； 

图8是本实用新型的较佳实施例提供的水平方向的位置电路22的第四段位置计算电路224的结构图； 

图9本实用新型的较佳实施例提供的一种非线性图像缩放的设计装置的插值电路3的结构图； 

图10本实用新型的较佳实施例提供的插值电路3的第一段位置计算电路301的结构图； 

图11本实用新型的较佳实施例提供的插值电路3的第二段位置计算电路302的结构图； 

图12本实用新型的较佳实施例提供的插值电路3的第三段位置计算电路303的结构图； 

图13本实用新型的较佳实施例提供的插值电路3的第四段位置计算电路304的结构图。 

具体实施方式

为了更清楚地说明本实用新型的技术方案以及技术效果，下面将结合一个具体实施例进行说明。在本实施例中，假设目标屏分成五段，能够使图像的中间重要部分保持原图像的比例不变形，旁边区域不同比例缩放，做到智能显示，当源和屏的宽和高不一样时，进行非线性 拉伸，其在水平方向的拉伸尺度随着位置的不同在变化，例如，目标屏是与原图像比是拉宽时(如由4∶3变为16∶9)，或者当目标屏与原图像比是变窄时(如由16∶9变为4∶3)。 

以下结合图1～图13来具体说明本实用新型提供的五段非线性的图像缩放的设计装置的最佳实施方式。 

为了达到智能缩放的目的，如图1所示，本实用新型提供的一种非线性图像缩放装置，其包括计算垂直方向的具体插值位置电路1、计算缩放因子电路21、插值点的水平方向的位置电路22、插值电路3。所述的计算垂直方向的具体插值位置电路1，其输入端为帧信息和缩放后帧的高H_n，缩放前帧的高Height，输出为插值点空间位置信息Δx、对应原图像的象素点位置x。如图2所示，可由x计算电路、Δx计算电路组成。所述的x计算电路由一个乘法器101a，一个除法器101b、一个加法器101c、以及一个截位器101e的组合电路实现；Δx计算电路由x计算电路和一个减法器101d和一个加法器103c组成；其具体连接方式如下：当前点在缩放后的图像的位置in和缩放前帧的高Height共同输入到乘法器101a中，乘法器101a的输出和缩放后帧的高H_n共同输入到除法器101b中，除法器101b的输出和数值1共同输入到加法器101c中，加法器101c的输出输入到截位器101e中，得到对应原图像的象素点水平位置x；截位器101e的输出和除法器101b的输出共同输入到减法器101d中，减法器101d的输出和数值1共同输入到加法器103c中，得到的输出为插值点空间水平位置信息Δx；可由以下公式表示： 

x＝floor(i_n*Height/H_n+1) 

Δx＝i_n*Height/H_n-x+1； 

i_n为缩放后的新图像的象素的垂直方向的位置，x为该象素点所对应的缩放前图像点的垂直方向的位置，Δx为该缩放后的点在缩放前图像中最近的四点的垂直距离。 

本实用新型提供的一种非线性图像缩放装置，还包括计算水平方向的具体插值位置电路2，所述的计算水平方向的具体插值位置电路 2，其包含计算缩放因子电路21、插值点的水平方向的位置电路22。 

如图3所示，所述的计算缩放因子电路21，其输入端为帧信息和缩放后帧的宽与高W_n，H_n，缩放前帧的宽与高Width，Height，决定着非线性区域的大小的可调参数De₁和De。由三个乘法器21a、21b、21c，五个减法器21e、21f、21g、21h、21i以及三个除法器21k、21l、21j以及三个移位器21m、21n、21o、一个加法器21p组成。 

如图3所示，所述的计算缩放因子电路21，其具体连接如下：De输入到移位器21m，向左移一位，移位器21m的输出和W_n共同输入到减法器21e中，减法器21e的输出和Height共同输入到乘法器21a中，H_n，W_n共同输入到乘法器21b中，乘法器21a和21b的输出共同输入到减法器21f中，减法器21f的输出和H_n共同输入到除法器21k中，21k的输出输入到移位器21n中，得到非线性区域的拐点De′。移位器21n的输出输入到移位器21o中，移位器21o的输出和H_n输入到乘法器21c中，21c的输出和Height输入到除法器21l中，De₁和数值1共同输入到减法器21g中，De和减法器21g的输出共同输入到减法器21h中；De和减法器21g的输出共同输入到加法器21p中；减法器21h的输出和除法器21l的输出共同输入到减法器21i中，减法器21i的输出和加法器21p的输出共同输入到除法器21j中，除法器21j的输出即为缩放因子k。公式如下表示： 

${\mathrm{De}}^{\′}=\frac{H_n*\mathrm{Width}-(W_n-2*\mathrm{De})*\mathrm{Height}}{3*H_n}$

$k=\frac{(2*{\mathrm{De}}^{\′}*H_n/\mathrm{Height}-(\mathrm{De}-{\mathrm{De}}_1+1))}{\mathrm{De}+{\mathrm{De}}_1-1}$

其中，De′是De所对应的在原图像中的非线性区域的拐点。k是如图所示的一种缩放因子。在源是4∶3而屏是16∶9时是小于1的，在源是16∶9而屏是4∶3时是大于1的。H_n，W_n为缩放后图像的高和宽。Height，Width为缩放前图像的高和宽。 

如图4所示，所述的插值点的水平方向的位置电路22，其输入端接计算缩放因子电路21的输出端以及帧信息和缩放后帧的高H_n， 缩放前帧的高Height。根据插值点不同的区域，求插值点的水平方向的具体插值位置。该电路由行初始置0电路220、第一段位置计算电路221、第二段位置计算电路222、第三段位置计算电路223、第四段位置计算电路224、比较器22a、比较器22b、比较器22c、比较器22d组成。具体连接如下：首先行初始置0电路220，令y_f＝0，输出端接第一段位置计算电路221；然后j_n与De₁输入到比较器22a中，如满足条件则进入第一段位置计算电路221；否则j_n与De输入到比较器22b中，如满足条件则进入第二段位置计算电路222；否则，W_n与D_e输入到减法器22c1中，减法器22c1的输出与j_n共同输入到比较器22c2中，如满足条件则进入第三段位置计算电路223；否则W_n与De₁输入到减法器22d1中，减法器22d1的输出与j_n共同输入到比较器22d2中，如满足条件则进入第四段位置计算电路224；否则进入第一段位置计算电路221。 

如图5所示，所述的第一段位置计算电路221，由一个乘法器221a、一个除法器221b、一个累加器221c、两个加法器221d、221e和一个减法器221f、一个截位器221g组成。具体连接方式为：计算缩放因子电路21的输出和Height输入到乘法器221a中，乘法器221a的输出和H_n输入到除法器221b中，除法器221b的输出scale输入到累加器221c中，累加器221c的输出输入到截位器221g，截位器221g的输出与数值1输入到加法器221d中，得到y；累加器221c的输出与加法器221d的输出共同输入到减法器221f中，减法器221f的输出与数值1共同输入到加法器221e中，得到Δy。 

如图6所示，所述的第二段位置计算电路222，由三个乘法器222b、222c、222h、两个除法器222g、222i、三个加法器222e、222l、222n和四个减法器222a、222d、222f、222m、一个截位器222k、一个累加器222j组成。具体连接方式为：计算缩放因子电路21的输出和数值1输入到减法器222a中，减法器222a的输出和j_n输入到乘法器222b中；计算缩放因子电路21的输出和De输入到乘法器222c中，乘法器222c的输出与De₁输入到减法器222d中，减法器222d的输出 和乘法器222b的输出输入到加法器222e中，De₁和De输入到减法器222f中，加法器222e的输出和减法器222f的输出共同输入到除法器222g中。除法器222g的输出和Height输入到乘法器222h中，乘法器222h的输出和H_n输入到除法器222i中，除法器222i的输出scale输入到累加器222j中，累加器222j的输出输入到截位器222k，截位器222k的输出与数值1输入到加法器222l中，得到y；累加器222j的输出与加法器222l的输出共同输入到减法器222m中，减法器222m的输出与数值1共同输入到加法器222n中，得到Δy。 

如图7所示，所述的第三段位置计算电路223，由一个除法器223b、一个累加器223c、两个加法器223d、223e和一个减法器223f、一个截位器223g组成。具体连接方式为：Height和H_n输入到除法器223b中，除法器223b的输出scale输入到累加器223c中，累加器223c的输出输入到截位器223g，截位器223g的输出与数值1输入到加法器223d中，得到y；累加器223c的输出与加法器223d的输出共同输入到减法器223f中，减法器223f的输出与数值1共同输入到加法器223e中，得到Δy。 

如图8所示，所述的第四段位置计算电路224，由三个乘法器224b、224e、224j、两个除法器224h、224k、一个累加器224l、四个加法器224d、224i、224n、224p和五个减法器224a、224c、224f、224g、224o，一个截位器224m组成。具体连接方式为：计算缩放因子电路21的输出和数值1输入到减法器224a中，减法器224a的输出和j_n输入到乘法器224b中；W_n和De输入到减法器224c中，减法器224c的输出与数值1共同输入到加法器224d中，加法器224d和减法器224a的输出共同输入到乘法器224e中，乘法器224e的输出与乘法器224b的输出输入到减法器224f中，De₁和De输入到减法器224g中，减法器224f的输出和减法器224g的输出共同输入到除法器224h中。除法器224h的输出与数值1共同输入到加法器224i中，加法器224i的输出和Height输入到乘法器224j中，乘法器224j的输出和H_n输入到除法器224k中，除法器224k的输出scale输入到累加器224l中， 累加器224l的输出输入到截位器224m，截位器224m的输出与数值1输入到加法器224n中，得到y；累加器224l的输出与加法器224n的输出共同输入到减法器224o中，减法器224o的输出与数值1共同输入到加法器224p中，得到Δy。 

以上电路的公式表达如下： 

其中j_n为缩放后的新图像的象素的水平方向的位置，y为该象素 点所对应的缩放前图像点的水平方向的位置，Δy为该缩放后的点在缩放前图像中最近的四点的水平距离。y_f为中间变量，得到的水平方向的浮点值。根据所在区域，计算缩放比例scale，然后计算插值点在水平方向的位置Δy。 

本实用新型提供的一种非线性图像缩放装置，还包括插值电路3，采用双线性内插的插值法，其包含通过电路连接的八个乘法器、三个加法器和两个减法器。 

如图1和图9所示，所述的插值电路3，其输入端连接计算垂直方向的具体插值位置电路1、计算水平方向的具体插值位置电路2的输出端。其输入为四个参考点亮度以及Δx、Δy，输出为插值点数据。由计算电路一301、计算电路二302、计算电路三303、计算电路四304组成。它们是由3个加法器300a、300b、300c连接起来的。 

具体连接方式如下：计算电路一301的输出和计算电路二302的输出输入到加法器300a中，加法器300a的输出和计算电路三303的输出共同输入到加法器300b中，加法器300b的输出和计算电路四304的输出共同输入到加法器300c中，加法器300c的输出为本插值电路3的输出。即为缩放后的帧图像。 

如图10所示，所述的计算电路一301输入为X₁₁的亮度，以及Δx、Δy，包含减法器301a、301b、乘法器301c、301d，具体连接方式如下：数值1和Δx输入到减法器301a，输出到乘法器301c；数值1和Δy输入到减法器301b，输出到乘法器301c；减法器301a、301b的输出输入到乘法器301c中，乘法器301c的输出和X₁₁的亮度I(X₁₁)输入到乘法器301d中，乘法器301d的输出即为本电路301的输出。 

如图11所示，所述的计算电路二302输入为X₁₂的亮度，以及Δx、Δy，包含乘法器302a、302b，具体连接方式如下：减法器301a的输出和Δy输入到乘法器302a，302a的输出和X₁₂的亮度I(X₁₂)输入到乘法器302b中，乘法器302b的输出即为本电路302的输出。 

如图12所示，所述的计算电路三303输入为X₁₃的亮度，以及Δx、Δy，包含乘法器303a、303b，具体连接方式如下：减法器301b 的输出和Δx输入到乘法器303a，303a的输出和X₁₃的亮度I(X₁₃)输入到乘法器303b中，乘法器303b的输出即为本电路303的输出。 

如图13所示，所述的计算电路四304输入为X₁₄的亮度，以及Δx、Δy。包含乘法器304a、304b，具体连接方式如下：Δx、Δy输入到乘法器304a，304a的输出和X₁₄的亮度I(X₁₄)输入到乘法器304b中，乘法器304b的输出即为本电路304的输出。 

具体公式如下： 

I(x+Δx，y+Δy)＝I(X₁₁)*(1-Δx)*(1-Δy)+I(X₁₂)*(1-Δx)*Δy+I(X₂₁)*Δx′*(1-Δy)+I(X₂₂)*Δx*Δy 

需要特别说明的是，在本实施例中的非线性拉伸分为五段区域，中间一段保持与源一样的纵横比例，即为1，横坐标为屏的宽度，纵坐标为缩放比例的倒数。其中，包括恒定的缩放比例以及渐变的缩放比例。De₁和De分别为可定义的非线性区域的拐点。而k是表示一种缩放关系的系数，当图像是放大时，k＜1，当图像是缩小时，k＞1。然而，本实用新型不仅仅局限于五段非线性方法，本领域的技术人员可以进行变换，当De₁＝0时就可以演变为三段非线性方法，当De₁＝De时就可以演变为三段阶跃式非线性拉伸。 

本实用新型提出的装置在集成电路复杂度不是十分高的情况下，采用分段非线性法，得到插入点的位置，再利用任何一种插值算法，得到新的插值点的亮度，可以智能显示不同宽高比图像的缩放问题。 

Claims (18)

1.一种非线性图像缩放装置，其特征在于，包括：

计算垂直方向的具体插值位置电路，用于计算当前点在原图像中垂直方向的具体插值位置，所述计算垂直方向的具体插值位置电路的输入为帧信息、缩放后帧的宽与高W_n，H_n，缩放前帧的宽与高Width、Height，其输出为插值点的垂直方向空间位置信息Δx，对应原图像的象素点的垂直位置x；

计算水平方向的具体插值位置电路，用于根据插值点不同的区域计算插值点在水平方向上的位置；

插值电路，用于根据分段非线性方式进行插值，其输入端连接至所述计算垂直方向的具体插值位置电路以及计算水平方向的具体插值位置电路的输出端，其输入为插值点空间位置信息x、y、Δx、Δy、帧信息，其输出为计算出来的插值位置的亮度信息。

2.根据权利要求1所述的图像缩放装置，其特征在于，所述计算水平方向的具体插值位置电路更进一步包括计算缩放因子电路以及插值点的水平方向的位置电路。

3.根据权利要求2所述的非线性图像缩放装置，其特征在于，所述计算缩放因子电路，其输入为帧信息、缩放后帧的宽与高W_n，H_n以及缩放前帧的宽与高Width、Height，可调参数De₁和De，其输出端连接至所述插值点的水平方向的位置电路，其输出为缩放因子k。

4.根据权利要求2所述的非线性图像缩放装置，其特征在于，所述插值点的水平方向的位置电路，其输入端连接至所述计算缩放因子电路的输出端，以及帧信息和缩放后帧的高H_n，缩放前帧的高Height。

5.根据权利要求4所述的非线性图像缩放装置，其特征在于，所述插值点的水平方向的位置电路至少包括行初始置0电路、第一段位置计算电路、第二段位置计算电路、第三段位置计算电路、第四段位置计算电路、4个比较器，其输出端连接至所述插值电路。

6.根据权利要求1所述的非线性图像缩放装置，其特征在于，所述计算垂直方向的具体插值位置电路至少包括x计算电路以及Δx 计算电路。

7.根据权利要求6所述的非线性图像缩放装置，其特征在于，所述x计算电路至少包括乘法器、除法器、加法器以及截位器。

8.根据权利要求7所述的非线性图像缩放装置，其特征在于，所述x计算电路的连接方式为，当前点在缩放后的图像的位置i_n和缩放前帧的高Height共同输入到所述乘法器中，所述乘法器的输出和缩放后帧的高H_n共同输入到所述除法器中，所述除法器的输出和值1共同输入到所述加法器中，所述加法器的输出输入到所述截位器中，得到对应原图像的象素点水平位置x。

9.根据权利要求8所述的非线性图像缩放装置，其特征在于，所述Δx计算电路连接至所述x计算电路，其还包括减法器以及加法器。

10.根据权利要求9所述的非线性图像缩放装置，其特征在于，所述Δx计算电路的连接方式为，所述截位器的输出和所述除法器的输出共同输入到所述减法器中，所述减法器的输出和值1共同输入到所述加法器中，得到的输出为插值点空间水平位置信息Δx。

11.根据权利要求3所述的非线性图像缩放装置，其特征在于，所述计算缩放因子电路至少包括三个乘法器、五个减法器、三个除法器、三个移位器以及一个加法器。

12.根据权利要求11所述的非线性图像缩放装置，其特征在于，所述计算缩放因子电路的连接方式为，De输入到第一移位器，向左移一位，第一移位器的输出和共同输入到第一减法器中，第一减法器的输出和Height共同输入到第一乘法器中，W_n，H_n共同输入到第二乘法器中，第一以及第二乘法器的输出共同输入到第二减法器中，第二减法器的输出和H_n共同输入到第一除法器中，第一除法器的输出输入到第二移位器中，得到非线性区域的拐点De′，第二移位器的输出输入到第三移位器中，第三移位器的输出和H_n输入到第三乘法器中，第三乘法器的输出和Height输入到第二除法器中，De₁和值1共同输入到第三减法器中，De和第三减法器的输出共同输入到第四减法器中，同时De和第三减法器的输出共同输入到加法器中，第四减法器的输 出和第二除法器的输出共同输入到第五减法器中，第五减法器的输出和加法器的输出共同输入到第三除法器中，第三除法器的输出即为缩放因子k。

13.根据权利要求5所述的非线性图像缩放装置，其特征在于，所述插值点的水平方向的位置电路的连接方式为，首先行初始置0电路，令y_f＝0，输出端接第一段位置计算电路，然后j_n与De₁输入到第一比较器中，如满足条件则进入第一段位置计算电路，否则j_n与De输入到第二比较器中，如满足条件则进入第二段位置计算电路，否则，W_n与De输入到减法器中，减法器的输出与j_n共同输入到第三比较器中，如满足条件则进入第三段位置计算电路，否则W_n与De₁输入到减法器中，减法器的输出与j_n共同输入到第四比较器中，如满足条件则进入第四段位置计算电路，否则进入第一段位置计算电路。

14.根据权利要求13所述的非线性图像缩放装置，其特征在于，所述第一段位置计算电路至少包括乘法器、除法器、累加器、两个加法器、减法器、以及截位器。

15.根据权利要求13所述的非线性图像缩放装置，其特征在于，所述第二段位置计算电路至少包括三个乘法器、两个除法器、三个加法器、四个减法器、截位器以及累加器。

16.根据权利要求13所述的非线性图像缩放装置，其特征在于，所述第三段位置计算电路至少包括除法器、累加器、两个加法器、减法器以及截位器。

17.根据权利要求13所述的非线性图像缩放装置，其特征在于，所述第四段位置计算电路至少包括三个乘法器、两个除法器、累加器、四个加法器、五个减法器以及截位器。

18.根据权利要求1所述的非线性图像缩放装置，其特征在于，所述插值电路采用双线性内插，其至少包括八个乘法器、三个加法器以及两个减法器。 

Images