DE4215094A1

DE4215094A1 - Bildverarbeitungsverfahren und -vorrichtung

Info

Publication number: DE4215094A1
Application number: DE4215094A
Authority: DE
Inventors: Greg A Degi; Dean C Buck
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 1991-05-14
Filing date: 1992-05-07
Publication date: 1993-01-28
Anticipated expiration: 2012-05-08
Also published as: DE4215094C2; US5185817A; JP3076147B2; JPH05210730A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bildverarbeitung, und insbesondere eine Bildverarbei tungsvorrichtung und ein -verfahren zum Umsetzen einer Eingangsmatrix aus Eingangs-Bildelementen in eine Ausgangs matrix aus Ausgangs-Bildelementen, wobei die Anzahl der Eingangsbildelemente größer ist als die Anzahl der Ausgangs- Bildelemente.

Ein Abtastgerät (Scanner) ist ein Eingabegerät für einen Rechner. Das Abtastgerät erzeugt eine n-dimensionale, digi tale Darstellung eines n-dimensionalen Bildes. In der Regel ist n gleich 2. Die digitale Darstellung umfaßt eine n- dimensionale Matrix von Bildelementen (Pixeln). Der Wert jedes Pixels gibt die Lichtmenge an, die von dem Teil des Bildes, das durch das Pixel dargestellt ist, reflektiert wird.

Die Auflösung gibt die Anzahl von Pixeln an, die zum Dar stellen eines Bildes eingesetzt sind. Die Auflösung einer Matrix ist also die Pixel-Anzahl einer Matrix.

Fig. 4 zeigt ein Beispiel einer Matrix für ein zweidimensio nales Bild. Das Eingangsbild 402 besteht aus zwei zueinander senkrechten Balken. Aus dem Eingangsbild 402 würde das Abtastgerät eine Eingangsmatrix 404 bilden. In diesem Bei spiel sind binäre Pixel gewählt. Viel reflektiertes Licht wird durch Nullen und kein oder wenig reflektiertes Licht durch Einsen dargestellt.

Die Auflösung der Eingangsmatrix 404 ist häufig größer als die Auflösung von Druckern, Monitoren (CRTs) und anderen Geräten, die diese verarbeiten. Für solche Geräte muß zu nächst ein Bildübersetzer oder Bildprozessor die Auflösung vermindern. Ein Bildprozessor erzeugt eine Ausgangsmatrix, die eine digitale Darstellung des Eingangsbildes ist, aber eine geringere Auflösung (weniger Pixel) hat.

Ein erster, herkömmlicher Bildprozessor führt mit jeder Eingangszeile der Eingangsmatrix eine sogenannte Binärwert- Multiplikation durch, um die Ausgangszeilen der Ausgangsma trix mit der niedrigeren Auflösung zu erzeugen. Alternativ oder zusätzlich dazu könnte auf ähnliche Weise die Auflösung in vertikaler Richtung durch Vermindern der Zeilenanzahl verringert werden.

Binärwert-Multiplikation ist ein Verfahren, bei dem eine Menge oder Gruppe von Elementen mehrere sich gegenseitig ausschließende Untermengen oder Untergruppen aufgeteilt wird, die jede eine andere Anzahl von Elementen haben. Die Ausgangszeile mit geringerer Auflösung wird aus der einzigen Kombination von Untermengen gebildet, bei der die Gesamtan zahl der Pixel gleich der Soll-Auflösung ist. (Die Soll- Auflösung ist die Pixel-Anzahl in der ersten herkömmlichen Ausgangszeile 512. (Fig. 5)).

Die erste Untermenge besteht aus jedem zweiten Element der Menge, die zweite Untermenge besteht aus jedem vierten Element der Menge und die i-te Untermenge besteht im allge meinen aus jedem 2 ^(-i)ten Element der Menge. Das erste Element einer Untermenge ist das erste Element der Menge, das in keiner größeren Untermenge enthalten ist.

Fig. 1 zeigt eine Menge 102 von Elementen und die Untermen gen, in die diese durch Binärwert-Multiplikation geteilt würde. Die Menge 102 besteht aus acht Elementen. Die erste Untermenge 104 besteht aus dem ersten, dritten, fünften und siebten Element der Menge 102. Eine zweite Untermenge 106 besteht aus dem zweiten und sechsten Element der Menge 102. Eine dritte Untermenge 108 besteht aus dem vierten Element der Menge 102. Eine vierte Untermenge 110 besteht aus dem achten Element der Menge 102.

Beim ersten herkömmlichen Bildprozessor ist die Menge von Elementen eine Eingangszeile. Eine Ausgangszeile umfaßt eine Untermenge dann, wenn die Pixelanzahl in der Untermenge plus die Summe der Pixelanzahlen in allen größeren Unter mengen die gewünschte Ausgangsauflösung nicht überschreitet.

Fig. 5 zeigt eine Eingangsmatrix 504 mit vier Zeilen und vier Spalten und eine Ausgangsmatrix 502 mit vier Zeilen und drei Spalten eines ersten herkömmlichen Bildprozessors.

Das durch die Eingangsmatrix 504 dargestellte Bild ist ähnlich dem Eingangsbild 402, abgesehen davon, daß die Dunkelheit des horizontalen Balkens von links nach rechts abnimmt. Die Größe jedes Pixels ist umgekehrt proportional zur reflektierten Lichtmenge des durch das Pixel dargestell ten Bildbereichs.

Der erste herkömmliche Bildprozessor erzeugt eine erste herkömmliche Ausgangszeile 512 der ersten herkömmlichen Ausgangsmatrix 502 aus einer Eingangszeile 510 der Eingangs matrix 504, indem er eine Binärwert-Multiplikation zur Aufteilung der Eingangszeile 510 in sich gegenseitig aus schließenden Untermengen durchführt. Die erste Untermenge besteht aus dem ersten und dem dritten Pixel 106 und 108 der Eingangszeile 510. Da die Pixelanzahl in der Untermenge (zwei) plus der Summe der Pixelanzahlen in allen größeren Untermengen (null) die gewünschte Ausgangsauflösung (drei) nicht überschreitet, enthält die erste herkömmliche Aus gangszeile 512 die erste Untermenge.

Die zweite Untermenge besteht aus dem zweiten Pixel 114 der Eingangszeile 510. Die Pixelanzahl in dieser Untermenge (eins) plus der Summe der Pixelanzahlen in allen größeren Untermengen (zwei) ist gleich der gewünschten Ausgangsauf lösung (drei). Die erste herkömmliche Ausgangszeile 512 besteht daher aus der ersten und der zweiten Untermenge.

Ein Nachteil dieses ersten herkömmlichen Bildprozessors liegt darin, daß dann, wenn die Binärwert-Multiplikation zum Eliminieren von mehr als einem geringen Prozentsatz der Pixel in der Eingangsmatrix eingesetzt ist, die Ausgangsma trix das Eingangsbild erheblich verzerrt.

Ein zweiter herkömmlicher Bildprozessor erzeugt eine Zwi schenmatrix mit einer Auflösung, die ein ganzzahliges Viel faches der Auflösung sowohl der Eingangs- als auch der Ausgangsmatrix ist, durch Pixel-Wiederholung und zweidimen sionale Faltung. Er bildet dann die Ausgangsmatrix, indem aus der Zwischenmatrix eine Untermenge von Pixeln ausgewählt wird, die mit gleichem Abstand zueinander angeordnet sind. Die Anzahl der Pixel zwischen jedem Pixel der Untermenge ist um 1 kleiner als das Verhältnis der Auflösung der Zwi schenmatrix zur Auflösung der Ausgangsmatrix.

In dem Aufsatz "Digital Image Processing" von Rafael C. Gonzales und Paul Wintz in Addison-Wesely Publishig Co., 1977, Seiten 136-154 ist die zweidimensionale Faltung im einzelnen näher beschrieben.

Fig. 6 zeigt ein Beispiel, wie der zweite herkömmliche Bildprozessor eine Ausgangsmatrix 602 mit drei Zeilen und drei Spalten aus der Eingangsmatrix 504 von Fig. 5 mit vier Zeilen und vier Spalten erzeugt. Zunächst führt der zweite, herkömmliche Bildprozessor eine Pixel-Wiederholung oder -Replikation der Eingangsmatrix 504 durch, um eine Zwischen matrix 604 mit zwölf Zeilen und zwölf Spalten zu bilden. Im Beispiel wird bei der Pixel-Wiederholung jedes Eingangspixel (wie das erste Eingangspixel 106) durch eine Untermatrix mit drei Zeilen und drei Spalten (wie die Untermatrix 610) ersetzt. Jedes Pixel der Untermatrix 610 hat den Wert des Eingangspixels 106. Dann führt der zweite herkömmliche Bildprozessor eine zweidimensionale Faltung durch, um die Pixelwerte der Zwischenmatrix 604 zu modifizieren und so die Übergänge zwischen den Untermatrizen zu glätten. Schließlich erzeugt der zweite herkömmliche Bildprozessor die Ausgangsmatrix 602, indem er die Untermenge der Zwi schenmatrix 604 auswählt, die aus jedem vierten Pixel in jeder Zeile und jedem vierten Pixel in jeder Spalte der Zwischenmatrix 604 besteht. Die Untermenge besteht also aus den Pixeln, die voneinander durch drei Pixel getrennt sind.

Der zweite herkömmliche Bildprozessor erzeugt genauere Ausgangsmatrizen als der erste herkömmliche Bildprozessor. Die zweidimensionale Faltung erfordert jedoch eine ganz erhebliche Rechenzeit. Der zweite herkömmliche Bildprozessor ist daher für viele Anwendungen unzweckmäßig.

Es besteht also der Bedarf für einen hochgenauen Hochlei stungs-Bildprozessor bzw. -Bildübersetzer.

Die Erfindung betrifft einen Bildprozessor oder einen Bild übersetzer zum Umsetzen einer Eingangsmatrix aus Eingangs pixeln in einer Ausgangsmatrix aus Ausgangspixeln, wobei die Anzahl der Eingangspixel von der Anzahl der Ausgangs pixel abweicht. Aus der Eingangsmatrix erzeugt der Bildpro zessor eine Zwischenauflösung-Matrix. Die Pixelanzahl in einer einzelnen Dimension wie Zeile oder Spalte der Zwi schenauflösungs-Matrix ist ein ganzzahliges Vielfaches der Ausgangspixel-Sollanzahl in eben dieser Dimension. Dadurch kann der Bildprozessor Ausgangspixel aus der Zwischenauflö sungs-Matrix auswählen, die in derselben Dimension einen gleichmäßigen Abstand zueinander aufweisen.

Da ein wesentlicher Teil der Umsetzung im Auswählen von Pixel besteht, die gleichmäßig voneinander entfernt sind, kann der Bildprozessor mit einer minimalen Verzerrung und minimaler Rechenzeit arbeiten.

Die Erfindung ist im folgenden anhand bevorzugter Ausfüh rungsbeispiele mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Elementenmenge und die Untermengen, in die diese durch Binärwert-Multiplikation geteilt würde,

Fig. 2 eine Eingangsmatrix, eine Hochauflösungsmatrix, eine Zwischenauflösungsmatrix und eine verbesserte Ausgangsmatrix, die von dem verbesserten Bildpro zessor von Fig. 8 erzeugt ist,

Fig. 3 eine Eingangszeile der Eingangsmatrix von Fig. 2, eine Hochauflösungs-Zeile der Hochauflösungs Matrix von Fig. 2, eine Zwischenauflösungs-Zeile der Zwischenauflösungs-Matrix von Fig. 2 und eine verbesserte Ausgangszeile der verbesserten Aus gangsmatrix von Fig. 2, die von dem verbesserten Bildprozessor von Fig. 8 erzeugt ist,

Fig. 4 ein Eingangsbild und eine das Eingangsbild dar stellende Eingangsmatrix,

Fig. 5 die Eingangsmatrix von Fig. 2 und eine erste herkömmliche Ausgangsmatrix, die von dem ersten herkömmlichen Bildprozessor erzeugt ist,

Fig. 6 die Eingangsmatrix von Fig. 2 und eine Zwischen matrix und eine zweite herkömmliche Ausgangsma trix, die von dem zweiten herkömmlichen Bildpro zessor erzeugt sind,

Fig. 7 die Eingangszeile von Fig. 1, ein Bezugspixel, die verbesserte Ausgangszelle von Fig. 3, eine erste herkömmliche Ausgangszeile der ersten her kömmlichen Ausgangsmatrix von Fig. 5 und eine ideale Ausgangszeile und

Fig. 8 ein Funktions-Blockdiagramm des verbesserten Bildprozessors nach der Erfindung.

Die Erfindung bezieht sich auf einen präzisen Hochleistungs- Bildprozessor zum Umsetzen einer Eingangsmatrix aus Ein gangspixeln in einer Ausgangsmatrix aus Ausgangspixeln, wobei die Eingangspixelanzahl größer als die Ausgangspixel anzahl ist.

Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung vermin dert der verbesserte Bildprozessor oder Bildübersetzer 800 die Auflösung in der horizontalen Richtung durch Reduzieren der Spaltenanzahl in einer Eingangsmatrix. Es sei bemerkt, daß auf ähnliche Weise stattdessen oder zusätzlich die Auflösung in vertikaler Richtung durch Vermindern der Zei lenanzahl verringert werden kann.

Fig. 8 zeigt die Haupt-Funktionsblöcke des erfindungsgemäßen Bildprozessors 800. Die Eingaben in den Bildprozessor 800 sind eine Eingangszeile 510 einer Eingangsmatrix 504 (erste Matrix) und eine Soll-Auflösung 803. Die Ausgabe ist eine verbesserte Ausgangszeile 216 einer verbesserten Ausgangs matrix 202 (zweite Matrix). Der Bildprozessor 800 weist einen Auflösungs-Vergleicher (vierte Vorrichtung) 804, einen Interpolator (dritte Vorrichtung) 802, einen Binär wert-Multiplizierer (erste Vorrichtung) 806 und einen Pixel- Selektor 808 für alternierende Pixel (zweite Vorrichtung) auf.

Der verbesserte Bildprozessor 800 kann mit handelsüblich erhältlichen Elektronikbausteinen aufgebaut sein. Er kann aus standardmäßig integrierten Schaltkreisen (IG), bei spielsweise TTL-Chips oder ASIC bestehen. Die einzelnen Schaltungen der Funktionsblöcke sind dem Fachmann bekannt.

Fig. 2 zeigt ein Beispiel einer Eingangsmatrix 504, Zwi schen-Matritzen und einer Ausgangsmatrix 202, die von dem Bildprozessor 800 der Erfindung erzeugt sind. Die Eingangs matrix 504 ist die Fig. 5 gezeigte vierzeilige und fünfspal tige Martrix. Die Zwischenmatritzen sind einerseits eine vierzeile und achspaltige Hochauflösungs-Matrix 206 (vierte Matrix) und andererseits eine vierzeilige und sechsspaltige Zwischenauflösung-Matrix 208 (dritte Matrix). Die Ausgangs matrix ist eine verbesserte vierzeilige und dreispaltige Ausgangsmatrix 202.

Fig. 3 zeigt eine Eingangszeile 510 der Eingangsmatrix 504 mit vier Pixeln, eine Hochauflösungs-Zeile 212 der Hochauf lösungs-Matrix 206 mit acht Pixeln und eine Zwischenauflö sungs-Zeile 214 der Zwischenauflösungs-Matrix 208 mit sechs Pixeln sowie eine verbesserte Ausgangszeile 216 der verbes serten Ausgangsmatrix 220.

Die grundsätzliche Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Bild prozessors 800 ist im folgenden beschrieben. Der Auflösungs- Vergleicher 404 bestimmt das Verhältnis der Soll-Auflösung 803 zur Eingangsauflösung. Dieses Verhältnis erlaubt es, ein erstes Steuersignal 805 für den Binärwert-Multiplizierer 806 und ein zweites Steuersignal 810 für den Pixel-Selektor 808 zu berechnen. Der Interpolator 802 führt eine Interpola tion der Eingangszeile 510 durch, um die Hochauflösungs- Zeile 212 zu bilden. Die Hochauflösungs-Zeile 212 hat die doppelte Auflösung der Eingangszeile 510. Der Binärwert- Multiplizierer 806 führt dann eine Binärwert-Multiplikation der Hochauflösungs-Zeile 212 durch, um die Zwischenauf lösungs-Zeile 214 mit der geringeren Auflösung zu erzeugen. Das erste Steuersignal 805 stellt der Verhältnis der Hoch auflösungs-Zeile 212 zur Zwischenauflösungs-Zeile 214 dar. Der Pixel-Selektor 808 bildet schließlich die verbesserte Ausgangszeile 216, indem er Pixel aus der Zwischenauflö sungs-Zeile 214 auswählt, die gleich weit voneinander ent fernt sind. Das zweite Steuersignal 810 gibt die Anzahl der Pixel zwischen jedem ausgewählten Pixel der Zwischenauf lösungs-Zeile 214 an.

Sinn des Auflösungs-Vergleichers 804 ist es, ein erstes Steuersignal 805 zum Steuern des Binärwert-Multiplizierers 806 und ein zweites Steuersignal 810 zum Steuern des Pixel- Selektors 808 zu erzeugen. Die Eingabe für den Auflösungs- Vergleicher 804 ist die Soll-Auflösung 803 (die für die Ausgabe gewünschte Pixelanzahl). Bei der bevorzugten Ausge staltung ist die Eingangsauflösung eine Konstante, die dem Auflösungs-Vergleicher zur Verfügung steht. Bei einer Aus führung, bei der die Eingangsauflösung veränderlich ist, könnte die Eingangszeile 510 in den Auflösungs-Vergleicher 804 eingegeben werden.

Das erste Steuersignal 805 ist ein binärer Bruch oder Dual bruch, der das angenäherte Verhältnis der Ausgangszeile des Binärwert-Multiplizierers 806 zu dessen Eingangszeile dar stellt. Die Ausgabe des Binärwert-Multiplizierers 806 ist die Zwischen-Auflösungszeile 214. Die Eingabe ist die Hoch auflösungs-Zeile 212. Die Auflösung der Hochauflösungs- Zeile 212 ist doppelt so groß wie die Auflösung der Ein gangszeile 510. Die Auflösung der Zwischenauflösungs-Zeile 214 ist im allgemeinen doppelt so groß wie die Soll-Auflö sung 803.

Diese allgemeine Regel wird natürlich in solchen Fällen, in denen der Bildprozessor 800 die Auflösung nicht vermindert, nicht angewendet. Die Vorrichtung kann die Auflösung um den Faktor 2 erhöhen. In diesem Fall ist die Auflösung der Zwischenauflösungs-Zeile 214 gleich der Soll-Auflösung 803.

Das erste Steuersignal 805 wird also auf das Verhältnis der Soll-Auflösung 803 zur doppelten Eingangsauflösung einge stellt. Wenn dieses Verhältnis kleiner als einhalb ist (woraus sich ergibt, daß die Soll-Auflösung 803 kleiner als die Eingangsauflösung ist), wird das erste Steuersignal 805 verdoppelt.

Das zweite Steuersignal 810 gibt die Pixelanzahl zwischen jeweils zwei ausgewählten Pixeln der Zwischenauflösungs- Zeile 214 an. Die Eingabe für den Pixel-Selektor 808 ist die Zwischenauflösungs-Zeile 214. An seinem Ausgang wird die verbesserte Ausgangszeile 216 ausgegeben. Die Auflösung der verbesserten Ausgangszeile 216 ist die Ausgangs- oder Soll- Auflösung 803. Wenn das Verhältnis der Soll-Auflösung 803 zur doppelten Eingangsauflösung kleiner als einhalb ist, ist, wie bereits ausgeführt, die Soll-Auflösung 803 kleiner als die Eingangsauflösung wird und die Auflösung der Zwi schenauflösungs-Zeile 214 doppelt so groß wie die Soll- Auflösung 803. In diesem Fall ist das zweite Steuersignal 810 Eins, was bedeutet, daß zwischen den ausgewählten Pixeln der Zwischenauflösungs-Zeile 214 jeweils ein Pixel liegt. Der Pixel-Selektor 808 würde dann also jedes zweite Pixel der Zwischenauflösungs-Zeile 214 auswählen.

Wenn andererseits die Auflösung der Zwischenauflösungs- Zeile 214 gleich der Soll-Auflösung 803 ist, wird das zweite Steuersignal 810 Null, was bedeutet, daß zwischen den aus gewählten Pixeln der Zwischenauflösungs-Zeile 214 keine Pixel liegen. Der Pixel-Selektor 808 würde also jedes Pixel der Zwischenauflösungs-Zeile 214 auswählen.

Beim Beispiel von Fig. 3 ist die Soll-Auflösung 803 Drei und die Eingangsauflösung Vier. Das Verhältnis von Soll- Auflösung 803 zur doppelten Eingangsauflösung ist drei achtel. Da dreiachtel kleiner als einhalb ist, wird das Verhältnis verdoppelt. Der Auflösungs-Vergleicher 804 setzt also das erste Steuersignal 805 auf sechsachtel (dreivier tel). Da das Verhältnis der Soll-Auflösung 803 zur doppelten Eingangsauflösung kleiner als einhalb ist, setzt der Auflö sungsvergleicher 804 das zweite Steuersignal 810 auf Eins.

Der erfindungsgemäße Bildprozessor 800 kann so ausgelegt sein, daß er keine Interpolation durchführt, wenn die Ein gangsauflösung mindestens doppelt so groß wie die Soll- Auflösung 803 ist. Wenn die Eingangszeile 510 nicht interpo liert wird, entspricht das erste Steuersignal 805 dem Ver hältnis der Soll-Auflösung 803 zur Eingangsauflösung. Das zweite Steuersignal 810 wäre dann Eins.

Weiter kann der Bildprozessor 800 so ausgelegt sein, daß er eine Zwischenauflösungs-Matrix 214 mit einer größeren Auflö sung als der doppelten Soll-Auflösung 803 erzeugt, wenn die Eingangsauflösung sehr viel größer als die Soll-Auflösung 803 ist. Der Binärwert-Multiplizierer 806 kann insbesondere eine Zwischenauflösungs-Zeile 214 erzeugen, deren Auflösung gleich dem größten ganzzahligen Vielfachen der Soll-Auf lösung 803 ist, welches nicht größer als die Eingabe in den Binärwert-Multiplizierer 806 ist. Wenn eine Interpolation durchgeführt wird, ist diese Eingabe die Hochauflösungs- Zeile 212. Andernfalls ist diese Eingabe die Eingangszeile 510.

Bei einer solchen Ausgestaltung entspricht das erste Steuer signal 805 dem Verhältnis des oben genannten größten ganz zahligen Vielfachen der doppelten Auflösung der Eingabe in den Binärwert-Multlplizierer 806. Das zweite Steuersignal 810 wäre dann um Eins kleiner als das Verhältnis dieses größten ganzzahligen Vielfachen zur Soll-Auflösung 803.

Die Realisierung des Auflösungs-Vergleiches 804 bereitet dem Fachmann keine Schwierigkeiten. Beispielsweise könnte ein Dividierer zum Bestimmen des erforderlichen Verhältnis ses eingesetzt sein. Ob dieses Verhältnis größer als einhalb ist, kann aufgrund des Wertes des höchstwertigen Bits des Verhältnisses bestimmt werden. Zum Verdoppeln der Eingangs auflösung und des Verhältnisses könnte ein Schieberegister eingesetzt sein. Bei der bevorzugten Ausgestaltung ist das zweite Steuersignal 810 das höchstwertige Bit (most signi ficant bit) des Verhältnisses. Das größte ganzzahlige Viel fache der Soll-Auflösung, das nicht größer als die Auflösung der Eingabe in den Binärwert-Multiplizierer 806 ist, kann mit einem Dividierer und einem Vergleicher bestimmt werden.

Sinn des Interpolators 802 ist es, die Auflösung der Ein gangszeile 510 wirksam zu verdoppeln. Im folgenden ist die Funktion des Interpolators 802 genauer beschrieben. Der Interpolator 802 erzeugt eine Hochauflösungs-Zeile 212 aus den Eingangspixeln der Eingangszeile 510 und interpolierten Pixeln zwischen jedem aufeinanderfolgenden Eingangspixelpaar und nach dem letzten Eingangspixel. Der Wert jedes interpo lierten Pixels ist in der Regel der Mittelwert aus den Werten des diesem vorhergehenden Eingangspixels und des nachfolgenden Eingangspixels. Der Wert des letzten interpo lierten Pixels entspricht dagegen dem Wert des letzten Eingangspixels.

Bei dem Beispiel von Fig. 3 besteht die Hochauflösungs-Zeile 212 aus dem ersten Eingangspixel 106, dem ersten interpo lierten Pixel 318, dem zweiten Eingangspixel 114, dem zwei ten interpolierten Pixel 320, dem dritten Eingangspixel 108, dem dritten interpolierten Pixel 322, dem vierten Eingangspixel 118 und dem vierten interpolierten Pixel 324. Der Wert des ersten interpolierten Pixels 318 (vierzehn) ist der Mittelwert der Werte des ersten Eingangspixels 106 (sechzehn) und des zweiten Eingangspixels 114 (zwölf). Der Wert des zweiten interpolierten Pixels 320 (zehn) ist der Mittelwert der Werte des zweiten Eingangspixels 114 (zwölf) und des dritten Einganspixels 108 (acht). Der Wert des dritten interpolierten Pixels 322 (sechs) ist der Mittelwert der Werte des dritten Eingangspixels 108 (acht) und des vierten Eingangspixels 118 (vier). Der Wert des vierten interpolierten Pixels 324 (vier) entspricht dem Wert des vierten Eingangspixels 118 (vier).

Die Implementierung des Interpolators 802 bereitet dem Fachmann keine Schwierigkeiten. Beispielsweise können zwei Pixel mit einem Addierer summiert werden. Zum Teilen dieser Summe durch zwei kann ein Schieberegister eingesetzt sein.

Die Verzögerung der Ausgabe des zweiten Eingangspixels bis nach der Ausgabe des interpolierten Pixels kann durch ein Verzögerungselement erfolgen.

Sinn des Binärwert-Multiplizierers 806 ist es, die Auflösung der Hochauflösungs-Zeile 212 auf einen ganzzahligen Faktor der Soll-Auflösung 803 zu vermindern. Im folgenden ist der Betrieb des Binärwert-Multiplizierers 806 mit weiteren Einzelheiten beschrieben. Der Binärwert-Multiplizierer 806 setzt eine Binärwert-Multiplikation zum Teilen der Hochauf lösungs-Zeile 212 in sich gegenseitig ausschließende Unter mengen ein. So wie beim ersten herkömmlichen Bildprozessor haben keine zwei Untermengen dieselbe Elementenanzahl. Die Zwischenauflösungs-Zeile 214 besteht aus der einzigen Unter mengenkombination, deren gesamte Pixelanzahl gleich der Soll-Auflösung 803 ist.

Die Zwischenauflösungs-Zeile 214 besteht aus der durch das erste Steuersignal 805 bestimmten Untermenge. Das erste Steuersignal 805 entspricht dem Dualbruch, der das ange näherte Verhältnis der Auflösung der Zwischenauflösung-Zeile 214 zur Auflösung der Hochauflösungs-Zeile 212 darstellt. Wenn das erste Bit des ersten Steuersignals 805 Eins ist, weist die Zwischenauflösungs-Zeile 214 eine erste Untermenge der Hochauflösungs-Zeile 212 auf. Wenn das zweite Bit des ersten Steuersignals 805 Eins ist, weist die Zwischenauf lösungs-Zeile 214 eine zweite Untermenge auf. Allgemein gilt, daß, i-te Bit des ersten Steuersignals 805 Eins ist, die Zwischenauflösungs-Zeile 214 eine i-te Untermenge um faßt. Wie bereits ausgeführt, besteht die i-te Untermenge aus jedem 2^(-i)-ten Element der Hochauflösungs-Zeile 212.

Beim Beispiel von Fig. 3 ist die Auflösung der Hochauflö sung-Zeile 212 Acht und das erste Steuersignal 805 der dem Wert dreiviertel entsprechende Dualbruch. Nur das erste und das zweite Bit des Bruches sind eins. Die erste Unter menge enthält das erste, das zweite, das dritte und das vierte Eingangspixel 106, 114, 108 bzw. 118. Die zweite Untermenge enthält das erste und das dritte interpolierte Pixel 318 bzw. 322. Die Zwischenauflösung-Zeile 214 besteht daher aus dem ersten Eingangspixel 106, dem ersten interpo lierten Pixel 318, dem zweiten Eingangspixel 114, dem drit ten Eingangspixel 108, dem dritten interpolierten Pixel 322 und dem vierten Eingangspixel 118.

Die Umsetzung des Binärwert-Multiplizierers 806 ist für den Fachmann offensichtlich. Er könnte beispielsweise mit einem Texas Instruments SN 7597 Synchron 6-Bit Binärwert-Multipli zierer realisiert sein.

Sinn des Pixel-Selektors 808 für alternierende Pixel ist es, die verbesserte Ausgangszeile 216, deren Auflösung gleich der Soll-Auflösung 803 ist, aus einer Matrix zu erzeugen, deren Auflösung ein ganzzahliges Vielfaches der Soll-Auf lösung 803 ist. Im folgenden ist der Betrieb des Pixel- Selektors 808 für alternierende Pixel im einzelnen beschrie ben. Dieser erzeugt die Ausgangszeile 216 durch Auswählen von Pixeln aus der Zwischenauflösungs-Zeile 214, die einen gleichmäßigen Abstand zueinander aufweisen. Das zweite Steuersignal 810 gibt die Pixelanzahl zwischen den jeweils ausgewählten Pixeln der Zwischenauflösungs-Zeile 214 an.

Beim Beispiel von Fig. 3 ist das zweite Steuersignal 810 Eins. Der Pixel-Selektor 808 wählt also jedes zweite Pixel aus der Zwischenauflösungs-Zeile 214 aus, um die verbesserte Ausgangszeile 216 zu erzeugen. Die Ausgangszeile 216 besteht also aus dem ersten Eingangspixel 106, dem zweiten Eingangs pixel 114 und dem dritten interpolierten Pixel 322.

Für den Fachmann ist die Umsetzung des Pixel-Selektors 808 naheliegend. Beispielsweise kann er mit einem Flip-Flop und einem UND-Gatter realisiert werden. Alternativ kann als Pixel-Selektor auch ein Texas Instruments SN 7497 Synchro 6-Bit Binärwert-Multiplizierer eingesetzt sein.

Fig. 7 zeigt einen Vergleich der Eingangszeile 510 von Fig. 1 und 3, der verbesserten Ausgangszeile 216 von Fig. 3, der ersten herkömmlichen Ausgangszeile 512 von Fig. 1, ein Bezugspixel 720 und eine ideale Ausgangszeile 706. Die letztere entspricht der idealen Ausgangszeile mit drei Pixeln, die aus der Eingangszeile 510 mit vier Pixeln gebil det ist. Sie umfaßt das erste, zweite und dritte ideale Pixel 708, 710 bzw. 712. Das Bezugspixel 720 zeigt die Lage und den Wert des Pixels rechts von der Eingangszeile 510.

Die idealen Pixel sind gleichmäßig über die Länge der Ein gangszeile 510 angeordnet. Die Lage des ersten idealen Pixels 708 ist gleich der des ersten Eingangspixels 106. Das zweite ideale Pixel 710 liegt mit einem Abstand von einem Drittel der Länge der Eingangszeile 510 rechts vom ersten idealen Pixel 708. Das dritte ideale Pixel 712 liegt mit einem Abstand von zwei Dritteln der Länge der Eingangs zeile 510 rechts vom ersten idealen Pixel 708.

Da die Werte der Eingangszeile 510 linear abnehmen, nehmen auch die Werte der idealen Pixel linear ab. Der Wert des ersten idealen Pixels 708 entspricht dem des ersten Ein gangspixels 106. Der Wert des zweiten idealen Pixels 710 entspricht dem Wert des ersten idealen Pixels 708 weniger einem Drittel der Differenz zwischen dem ersten Eingangs pixel 106 und dem Bezugspixel 720. Man beachte dabei, daß der Wert des Bezugspixels 720 dem Wert am rechten Ende der Eingangszeile 510 entspricht. Der Wert des zweiten idealen Pixels 710 ist also:
16-(16-0)/3 = 10 2/3.

Der Wert des dritten idealen Pixels 712 entspricht dem Wert des ersten idealen Pixels 708 weniger zwei Dritteln der Differenz zwischen dem ersten Eingangspixel 106 und dem Bezugspixel 720. Der Wert des zweiten idealen Pixels 710 ergibt sich also zu
16-2 (16-0) / 3 = 5 i/3.

Das erste Eingangspixel 106 ist sowohl in der verbesserten Ausgangszeile 216 als auch in der ersten herkömmlichen Ausgangszeile 512 das erste Pixel. Das Pixel hat dieselbe Lage und denselben Wert wie das erste ideale Pixel 708.

Das zweite Eingangspixel 114 ist sowohl in der verbesserten Ausgangszeile 216 als auch in der ersten herkömmlichen Ausgangszeile 512 das zweite Pixel. Beide sind um einen durch die erste Positionsfehler-Linie 714 angegebenen Wert gegenüber dem zweiten idealen Pixel 710 nach links verscho ben. Weiterhin sind beide um 1 1/3 größer als das zweite ideale Pixel 710. Diese Unterschiede der Lage und der Größe deuten die Verzerrung an, die sowohl vom ersten herkömmli chen Unter-Abtaster als auch vom verbesserten Bildprozessor 800 erzeugt wird.

Das dritte Pixel der verbesserten Ausgangszeile 216 ent spricht dem dritten interpolierten Pixel 322. Dieses Pixel ist um den durch die zweite Positionsfehlerzeile 216 ange gebenen Wert gegenüber dem dritten idealen Pixel 712 nach links verschoben. Der Wert des dritten interpolierten Pixels 322 (sechs) ist um zwei Drittel größer als der Wert des dritten idealen Pixels 712 (5 1/3).

Das dritte Pixel der herkömmlichen Ausgangszeile 512 ist das dritte Eingangspixel 108. Dieses Pixel ist gegenüber dem dritten idealen Pixel 712 um einen durch die dritte Positionsfehlerlinie 718 angegebenen Wert nach links ver schoben. Der Wert des dritten Eingangspixels 108 (acht) ist um 2 2/3 größer als der Wert des dritten idealen Pixels 712 (5 1/3).

Der Unterschied der Position zwischen dem dritten Pixel des verbesserten Bildprozessors 800 und dem dritten idealen Pixel 712 (der durch die zweite Positionsfehlerlinie 716 angedeutet ist) ist wesentlich geringer als der Positions unterschied zwischen dem dritten Pixel des ersten herkömm lichen Bildprozessors und dem dritten idealen Pixel 712 (der durch die dritte Positionsfehlerlinie 708 angedeutet ist). Auch der Größenunterschied zwischen dem dritten Pixel der verbesserten Ausgangszeile 216 und dem dritten idealen Pixel 712 (2/3) ist wesentlich kleiner als der Größenunter schied zwischen dem dritten Pixel der herkömmlichen Aus gangszeile 512 und dem dritten idealen Pixel 712 (2 2/3). Der Bildprozessor 800 der Erfindung erzeugt als eine ge nauere Ausgangsmatrix als der erste herkömmliche Bildpro zessor.

Darüber hinaus erfordert der erfindungsgemäße Bildprozessor 800 wesentlich weniger Rechenzeit zum Bilden einer Ausgangs matrix als der zweite herkömmliche Bildprozessor. Für den Fachmann ist es offensichtlich, daß die vom erfindungsge mäßen Bildprozessor 800 benötigte Rechenzeit zum parallelen Durchführen der eindimensionalen Interpolation und der Binärwert-Multiplikation mit entsprechender Hardware wesent lich geringer ist als die vom zweiten herkömmlichen Bildpro zessor benötigte Rechenzeit zum Durchführen der zweidimen sionalen Faltung.

Claims

1. Bildverarbeitungsverfahren zum Bilden einer Ausgangs matrix (202) mit Ausgangs-Bildelementen (Pixeln) und einer Soll-Auflösung aus einer Eingangsmatrix (504) mit Eingangs-Pixeln und einer Eingangs-Auflösung, mit den folgenden Verfahrensschritten:

a) Interpolieren der Eingangsmatrix (504), um eine Hochauflösungs-Matrix (206) mit Hochauflösungs- Pixeln zu erzeugen;
b) Multiplizieren der Hochauflösungs-Matrix (206) mit einem binären Wert, um eine Zwischenauf lösungs-Matrix (208) mit Zwischenauflösungs-Pixeln zu erzeugen, und
c) Auswählen einiger der Zwischenauflösungs-Pixel, zwischen denen eine bestimmbare Anzahl von Zwi schenauflösungs-Pixeln liegen, um die Ausgangsma trix (202) zu bilden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt (a) die folgenden Schritte umfaßt:

(i) Berechnen des Mittelwertes von Größen, die einem ersten und einem zweiten Eingangspixel zugeordnet sind, wobei das erste Eingangspixel und das zweite Eingangspixel in der Eingangsmatrix (504) einander benachbart sind, und
(ii) Zuordnen des berechneten Mittelwertes zu einem interpolierten Pixel, wobei das erste Eingangspixel, das interpolierte Pixel und das zweite Eingangspixel einander in der Hochauflösungs-Matrix (206) benachbart sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Schritt b) die folgenden Schritte umfaßt:

(i) Einteilen der Hochauflösungs-Pixel, die in einer Zeilen- oder einer Spaltenbeziehung stehen, in mehrere sich gegenseitig ausschließende Untermengen, von denen jede eine andere Pixelanzahl hat, und
(ii) Auswählen aller Hochauflösungs-Pixel in einigen der Untermengen als Zwischenauflösungs-Pixel, bis die Anzahl der ausgewählten Hochauflösungs-Pixel ein ganzzahliges Vielfaches der Soll-Auflösung ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Schritt (c) die folgenden Schritte umfaßt:

(i) Teilen einer Auflösung der Zwischenauflösungs-Matrix (208) durch die Soll-Auflösung und
(ii) Subtrahieren von 1 von einem in Schritt (c) (i) berechneten Quotienten, um die bestimmbare Anzahl von Zwischenauflösungs-Pixeln zu berechnen.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der Schritt (a) die folgenden Schritte umfaßt:

(i) Teilen der Auflösung der Eingangsmatrix (504) durch die Auflösung der Ausgangsmatrix (202) und
(ii) Unterdrücken der Interpolation, wenn ein im Schritt (a)(i) bestimmter Quotient größer oder gleich 2 ist.

6. Bildverarbeitungsvorrichtung (800) zum Empfangen einer Eingangsmatrix (504) mit Eingangspixeln und einer Eingangsauflösung und Übertragen einer Ausgangsmatrix (202) mit Ausgangspixeln und einer Soll-Auflösung, mit:

a) einer Interpolationseinrichtung (802) zum Empfan gen und Interpolieren der Eingangsmatrix (504) und abwechselnd Übertragen eines Eingangspixels und eines interpolierten Pixels als Hochauflö sungs-Pixel einer Hochauflösungs-Matrix (206),
b) einem Binärwert-Multiplizierer (806) zum Empfangen der Hochauflösungs-Matrix (206) und Multiplizieren dieser Matrix mit einem binären Wert, und Über tragen einer Untermenge der dabei erzeugten Hoch auflösungs-Pixel als eine Zwischenauflösungs Matrix (208) mit Zwischenauflösungs-Pixeln und einer Auflösung, die ein ganzzahliges Vielfaches der Soll-Auflösung ist, und
c) einer Pixel-Wahleinrichtung (808) zum Empfangen der Zwischenauflösungs-Matrix (208), Auswählen einiger der Zwischenauflösungs-Pixel, zwischen denen eine bestimmbare Anzahl von Zwischenauflö sungs-Pixeln liegen, und Übertragen der ausgewähl ten Zwischenauflösungs-Pixel als Ausgangsmatrix (202).

7. Vorrichtung (800) nach Anspruch 6, bei der die Inter polationseinrichtung (802)

a) eine Vorrichtung zum Berechnen eines Mittelwertes von Größen, die einem ersten und einem zweiten Eingangspixel zugeordnet sind, aufweist, wobei die ersten und zweiten Eingangspixel in der Ein gangsmatrix (504) einander benachbart sind, sowie
b) eine Vorrichtung zum Zuordnen des berechneten Mittelwertes zu einem interpolierten Pixel und
c) eine Vorrichtung zum sequentiellen Übertragen des ersten Eingangspixels, des interpolierten Pixels und des zweiten Eingangspixels als die Hochauflö sungs-Pixel.

8. Vorrichtung (800) nach Anspruch 6 oder 7, bei der der Binärwert-Multiplizier (806) eine Vorrichtung zum Übertragen eines (m·i^-2)ten der Hochauflösungs-Pixel als Zwischenauflösungs-Pixel aufweist, wenn ein i-tes Bit eines ersten Steuersignals (805) 1 ist, wobei m eine ganze Zahl ist.

9. Vorrichtung (800) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, mit einem Auflösungs-Vergleicher (804), der folgende Merkmale aufweist:

a) Eine Vorrichtung zum Erzeugen des ersten Steuer signals (805) durch Berechnen eines Verhältnisses der Soll-Auflösung zur doppelten Eingangs-Auflö sung und
b) eine Vorrichtung zum Übertragen des ersten Steuer signals (805) zu dem Binärwert-Multiplizierer (806).

10. Vorrichtung (800) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, mit einem Auflösungs-Vergleicher (804), der folgende Merkmale aufweist:

a) eine Vorrichtung zum Erzeugen eines zweiten Steuersignals (810) durch Subtrahieren von 1 von einem Verhältnis einer Auflösung der Zwischen auflösungs-Matrix (208) zur Soll-Auflösung und
b) eine Vorrichtung zum Übertragen des zweiten Steuersignals (810) zur Pixel-Wahleinrichtung (808), um die bestimmbare Anzahl von Zwischenauf lösungs-Pixeln anzuzeigen.