DE69714191T2 - Betriebssteuerungsgerät und Initialisationsverfahren dafür - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf das Vergrößern eines digitalen Bildes und insbesondere auf das Vergrößern eines digitalen Bildes unter Verwendung einer Randdarstellung.
• Die starke Verbreitung digitaler Bilddarstellung ruft nach besseren Wegen und Möglichkeiten, um ein Bild zu vergrößern. Bei einem herkömmlichen Vergrößerungsprozeß werden zusätzliche Pixel in die ursprünglichen Pixel hinzugefügt. Dann wird die Größe des Bildes vergrößert, so daß der Abstand zwischen benachbarten Pixeln beibehalten wird, um gleich zu sein wie bei dem ursprünglichen digitalen Bild.
• Es sind unterschiedliche Verfahren zum Hinzufügen der zusätzlichen Pixel verfügbar. Ein Verfahren reproduziert einfach Pixel - fügt eine Anzahl von Pixeln hinzu, die jedes bestehende Pixel umgeben, um einen Block von Pixeln mit den gleichen Pegeln zu bilden. Fig. 1 zeigt ein Bild vor der Vergrößerung und Fig. 2 zeigt das Bild nach der Vergrößerung mit einer solchen Methode. Zu beobachten sind die kleinen quadratischen Blöcke von ungewünschten Pixeln, etwa 0,5 mm breit, die das Bild ausmachen, und die gezackten Kanten, wie z. B. die Kanten der Blütenblätter der Blumen.
• Ein anderes Verfahren erzeugt die zusätzlichen Pixel durch Interpolieren der Pegel von benachbarten ursprünglichen Pixeln. Fig. 3 zeigt ein vergrößertes Bild, das durch ein solches bilineares Interpolierungsverfahren gebildet ist. Dieses Verfahren entfernt im wesentlichen die Blöcke von unerwünschten Pixeln und die gezackten Kanten. Die scharf konturierten Kanten des ursprünglichen Bildes sind jedoch aufgrund des mittelwertbildenden Effekts unscharf.
• Third International Conference On Image Processing And Its Applications, Warwick, UK, 18. - 20. Juli 1989, Seiten 664 bis 668, Atwood G. H. u. a., "Image expansion using interpolation and heuristic edge following" bezieht sich auf Techniken zum Ausdehnen digitaler Bilder unter Verwendung von Kanteninformationen, das heißt, scharfen Änderungen im Graupegel. Das Ausdehnungsverfahren soll Kanteninformationen erhalten, ohne eine aufwendige Vorverarbeitung zu erfordern, und ohne die Kanten unscharf zu machen. Zu diesem Zweck wird gelehrt, daß eine Bildanalyse durchzuführen ist, um Rißkanten, d. h. scharfe Änderungen im Graupegel, zu identifizieren. Aus den Rißkanten werden Sequenzen gebildet, sogenannte Striche, die einen verbundenen Weg durch das Bild bilden. Danach werden die Striche auf das ausgedehnte Bild abgebildet. Dieses Abbilden wird durch Brechen der Striche in stückweise lineare Teilstriche erreicht.
• Schließlich wird eine Interpolation durchgeführt, um die Graupegelwerte der dazwischengehenden Pixel in dem ausgedehnten Bild zu finden. Wenn diese Interpolation durchgeführt wird, wurde Interpolation über eine Rißkante in dem ausgedehnten Bild nicht erlaubt.
• Rosenfeld A., Kak A., "Digital Picture Processing", 1982 Academic Press, Orlando, Florida, Seiten 84 bis 97, lehrt verschiedene Verfahren zur Kantenerfassung.
• In Proceedings of the 4the International Joint Conference on Pattern Recognition, Kyoto, Japan, 7. - 10. November 1978, Seiten 946 bis 950, Triendl E. E., "How to Get the Edge into the Map", sind Verfahren für Kantenerfassung und zum Reproduzieren der erfaßten Kanten in einem Bild beschrieben.
• Die EP-A-0645736 bezieht sich auf eine Bildverarbeitungsvorrichtung zum Umwandeln von Niedrigauflösungsinformatio nen in Hochauflösungsinformationen unter Verwendung von Interpolation und Quantisierung. Die Informationen, die durch die Interpolation und Quantisierung erhalten werden, werden in einer arithmetischen Einheit verbunden, um ein Niedrigauflösungsbild in ein Hochauflösungsbild umzuwandeln, und um eine hohe Bildqualität zu erhalten.
• Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Vergrößern eines digitalen Bildes zu schaffen, das die scharf konturierten Kanten beibehält.
• Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.
• Andere Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in der folgenden detaillierten Beschreibung offensichtlich werden, die, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen betrachtet wird, beispielhaft die Prinzipien der Erfindung darstellt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Fig. 1 zeigt ein Bild vor der Vergrößerung.
• Fig. 2 zeigt das Bild vergrößert durch eine Pixelreproduktion einer herkömmlichen Pixelreproduktionstechnik.
• Fig. 3 zeigt das Bild vergrößert durch eine herkömmliche Bilinearinterpolationstechnik.
• Fig. 4 zeigt ein bevorzugtes Verfahren zum Vergrößern eines digitalen Bildes bei der vorliegenden Erfindung.
• Fig. 5 zeigt ein bevorzugtes Verfahren zum Auswählen von Positionen mit signifikanten Änderungen der Pegel.
• Fig. 6 zeigt ein bevorzugtes Verfahren zum Auswählen von Positionen von Nulldurchgängen.
• Fig. 7 zeigt eine Grenze mit ursprünglichen Pixeln und Zwischenpixeln für die vorliegende Erfindung.
• Fig. 8 zeigt eine Grenze mit ursprünglichen Pixeln, Zwischenpixeln und Zielpixeln für die vorliegende Erfindung.
• Fig. 9 zeigt ein weiteres bevorzugtes Verfahren zum Auswählen von Positionen mit signifikanten Änderungen der Pegel.
• Fig. 10 zeigt ein Beispiel einer Randdarstellung der vorliegenden Erfindung.
• Fig. 11 A-E zeigen zwei Beispiele von Interpolationsverfahren bei der vorliegenden Erfindung.
• Fig. 12 A-B zeigen ein Verfahren zum Korrigieren für Abnormitäten in der Nähe der Grenzen.
• Fig. 13 zeigt ein vergrößertes Bild, das unter Verwendung einer Randdarstellung erzeugt wurde.
• Fig. 14 zeigt ein weiteres bevorzugtes Verfahren zum Vergrößern eines digitalen Bildes bei der vorliegenden Erfindung.
• Fig. 15 zeigt das Rückkopplungsverfahren bei der vorliegenden Erfindung.
• Fig. 16 zeigt ein zweidimensionales Beispiel eines herkömmlichen Mittelwertbildungsprozesses.
• Fig. 17 zeigt ein Beispiel des Schritts des Modifizierens bei der vorliegenden Erfindung.
• Fig. 18 zeigt ein vergrößertes Bild, das mit dem Rückkopplungsverfahren erzeugt wurde.
• Gleiche Bezugszeichen in den Fig. 1 bis 18 sind ähnlichen Elementen in allen den Figuren zugeteilt. Die Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend mit Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 18 erörtert.
• Der Fachmann auf diesem Gebiet würde jedoch ohne weiteres anerkennen, daß die hierin gegebene detaillierte Beschreibung hinsichtlich der Figuren nur Beispielszwecken dient, da sich die Erfindung über diese beschränkten Ausführungsbeilspiele hinaus erstreckt.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
• Fig. 4 zeigt ein bevorzugtes Verfahren 100 zum Vergrößern eines digitalen Bildes mit vielen ursprünglichen Pixeln. Die Pixel sind mit einer bestimmten Auflösung angeordnet, beispielsweise 300 Bildpunkte oder Pixel pro Zoll. Jedes Pixel weist einen Pegel auf, der die Intensität an diesem Pixel beschreibt. Für ein Bild mit kontinuierlichem Ton kann der Intensitätspegel von 0 bis 255 schwanken. Ein Bild mit nicht kontinuierlichem Ton, wie z. B. ein Halbtonbild, wird vorzugsweise in ein Bild mit kontinuierlichem Ton umgewandelt, bevor es vergrößert wird; dieser Prozeß wird später in der detaillierten Beschreibung näher erklärt werden.
• In dem Bild ist jede Region mit einer scharf konturierten Kante eine Region mit einer signifikanten Änderung des Pegels. Der erste Schritt bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel 100 ist es, das Bild zu analysieren, 102, so daß es alle Positionen mit signifikanten Änderungen des Pegels auswählt. Dies kann visuell oder analytisch durchgeführt werden.
• Man kann alle Regionen mit deutlichen Änderungen der Intensität visuell identifizieren. Dies kann jedoch eine mühevolle Aufgabe sein.
• Fig. 5 zeigt ein bevorzugtes analytisches Verfahren, 200, zum Auswählen von Positionen mit signifikanten Änderungen der Pegel. Jedes Pixel wird durch eine Impulsfunktion dargestellt, 202, deren Größe der Pegel an diesem Pixel ist. Danach wird eine kontinuierliche Funktion mit einer einzelnen Spitze ausgewählt, 204. Dies kann beispielsweise eine normierte Gaußsche Funktion mit einer zweiten Standardabweichung sein, die die Breite von drei ursprünglichen Pixeln abdeckt. Da das Bild zweidimensional ist, ist die ausgewählte Funktion eine zweidimensionale Oberfläche. Die ausgewählte kontinuierliche Funktion wird zweimal abgeleitet bzw. differenziert, 206. Falls die Funktion eine Gaußsche Funktion ist, dann ist die zweite Ableitung bekannt als der Laplace-Operator der Gaußschen Funktion. Das Ergebnis des Ableitungsschritts wird mit allen Impulsfunktionen gefaltet, 208, und die Ausgangssignale werden räumlich überlagert, um ein Faltungsergebnis zu erzeugen. Danach werden alle Positionen ausgewählt, 212, die im wesentlichen Nullwerte von dem Faltungsergebnis aufweisen. Alle scharf konturierten Kantenpositionen in dem Bild vor der Vergrößerung entsprechen Positionen in den Faltungsergebnissen mit im wesentlichen Nullwerten.
• Fig. 6 zeigt ein bevorzugtes Verfahren, 250, zum Auswählen von Positionen, die im wesentlichen Nullwerte aufweisen oder zum Auswählen der "Nulldurchgänge" von den Faltungsergebnissen. Es gibt einige Möglichkeiten zum Auswählen der "Nulldurchgänge". Man kann das Faltungsergebnis analytisch lösen, um alle Positionen mit Nullen zu finden. Diese Berechnung kann sehr mühsam sein. Ein weiterer bevorzugter Weg ist es, das Faltungsergebnis an ausgewählten Positionen zu lösen, wie in Fig. 6 in Kombination mit Fig. 7 gezeigt.
• Angenommen, man möchte das Bild N-mal vergrößern, und der Minimalabstand zwischen benachbarten ursprünglichen Pixeln beträgt D. Bei dem vorliegenden Beispiel, das in Fig. 7 gezeigt ist, ist N2, und D ist 3, 3 Tausendstel Zoll für ein Bild mit einer Auflösung von 300 Bildpunkten/Zoll. Beim Auswählen, 250, von Positionen mit im wesentlichen Nullwert, werden zunächst an Positionen, die von den ursprünglichen Pixeln versetzt sind, Zwischenpixel gebildet, 252, wobei der Minimalabstand zwischen benachbarten Zwischenpixeln D/N beträgt. In Fig. 7 stellen die Kreuze die Positionen der ursprünglichen Pixel bei 300 Bildpunkten pro Zoll dar, die Kreise stellen die Zwischenpixel dar, und die Linie, die mit KANTE markiert ist, stellt die theoretischen Positionen mit signifikanten Änderungen der Pegel dar. Der Minimalabstand zwischen benachbarten Kreisen in Fig. 4 beträgt D/N oder 1,67 Tausendstel Zoll, was eine Auflösung von 600 Bildpunkten pro Zoll ergibt. Die Kreise sind von den Kreuzen versetzt. Der Betrag des Versatzes ist sowohl in der X- als auch der Y-Richtung D/(2N), wobei N 2 ist.
• Das Faltungsergebnis wird an den Zwischenpixeln ausgewertet, 254. Die Pegel von benachbarten Zwischenpixeln werden verglichen, 256, um die Paare von benachbarten Zwischenpixeln, deren Pegel das Vorzeichen wechseln, auszuwählen, 254. Beispielsweise gibt es einen Vorzeichenwechsel zwischen den Pegeln an den Kreisen 272 und 274, und zwischen den Pegeln an den Kreisen 274 und 276. Es ist anzumerken, daß bei der vorliegenden Anwendung das Ändern des Vorzeichens das Ändern von Null zu entweder einem positiven oder negativen Wert umfaßt.
• Von jedem ausgewählten Paar wird die Position eines Zwischenpixels, dessen Pegel näher bei Null liegt, ausgewählt, 262. Unter erneuter Bezugnahme auf Fig. 7 wird für das Paar 274 und 276 die Position des Zwischenpixels 276 ausgewählt.
• Das Verfahren 250 kann in Verbindung mit Fig. 8 verwendet werden, als ein weiteres Schema zum Auswählen von Positionen, die im wesentlichen Nullwerte aufweisen, oder um die "Nulldurchgänge" von dem Faltungsergebnis auszuwählen. Dieses Schema reduziert die Menge der erforderlichen Berechnungen und ist besonders geeignet für eine geradzahlige Vergrößerung von mehr als 2. Zunächst werden nicht nur Zwischenpixel gebildet, 252, deren Positionen als Kreise gezeigt sind, sondern auch Zielpixel, deren Positionen als Dreiecke gezeigt sind. Die Positionen der Zwischenpixel weisen eine Auflösung auf, die doppelt so hoch ist wie die ursprüngliche Auflösung, wobei einige von Ihnen nicht von den ursprünglichen Pixeln verschoben sind. Die Positionen der Zielpixel weisen eine Auflösung auf, die viermal so hoch ist wie die ursprüngliche Auflösung, und sind von den Zwischenpixeln um D/(2N) sowohl in die X- als auch in die Y-Richtung verschoben, wobei N für das in Fig. 8 gezeigte Beispiel 4 ist. Die Pegel werden an den Zwischenpixeln erneut ausgewertet 254, mit benachbarten Zwischenpixeln ver glichen, 256, um die Paare mit Vorzeichenwechsel in ihren Pegeln auszuwählen, 258.
• Aus jedem ausgewählten Paar von Zwischenpixeln wird die Position eines benachbarten Zielpixels ausgewählt. Ein Auswahlprozeß ist wie folgt: Für ein ausgewähltes Paar von Zwischenpixeln entlang der X-Richtung mit einer bestimmten Y-Koordinate betrachtet man das Paar des Zielpixels mit einer kleineren Y-Koordinate, und für ein ausgewähltes Paar entlang der Y-Richtung mit einer bestimmten X-Koordinate betrachtet man das Paar von Zielpixeln mit einer größeren X-Koordinate. Für die betrachteten Zielpixel wählt man die Position des Zielpixels, das näher zu einem der Zwischenpixel liegt, dieses Zwischenpixel weist einen Pegel auf, der näher bei Null liegt als das andere Zwischenpixel. Falls beide Zwischenpixel den gleichen Pegel aufweisen, wählt man irgendeines der Zielpixel. Dieses Schema reduziert die erforderliche Menge an Berechnung im Vergleich zu dem in Fig. 7 beschriebenen Schema.
• Als Beispiel bildet man in der Nähe der ursprünglichen Pixel 280 und 284 die Zwischenpixel 281, 282 und 283 die Zielpixel 286, 288. Die Vorzeichen der Pegel der Zwischenpixel 282 und 283 sind unterschiedlich, wobei der Pegel von 283 näher bei Null liegt. Da das Zielpixel 288 physikalisch näher zu dem Zwischenpixel 283 liegt, wird das Zielpixel 288 ausgewählt.
• Fig. 9 zeigt ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel 300 zum Auswählen von Positionen mit signifikanten Änderungen der Pegel. Jedes Pixel wird wieder durch eine Impulsfunktion dargestellt, 302, deren Größe der Pegel an diesem Pixel ist. Dann wird erneut eine kontinuierliche Funktion mit einer einzelnen Spitze ausgewählt, 304, wie z. B. die gleiche Gaußsche Funktion, die in dem vorhergehenden Aus führungsbeispiel 200 ausgewählt wurde. Die ausgewählte Funktion wird mit allen Impulsfunktionen gefaltet, 306, und die Ausgangssignale werden miteinander überlagert, um ein Faltungsergebnis zu erzeugen.
• Das Faltungsergebnis wird zweimal abgeleitet, 310, um ein abgeleitetes Ergebnis zu erhalten. Nach dem Ableitungsschritt werden alle die Positionen ausgewählt, 312, die von dem abgeleiteten Ergebnissen im wesentlichen Null aufweisen. Alle scharf konturierten Kantenpositionen weisen Werte auf, die im wesentlichen Null sind.
• Erneut kann man das Verfahren in Fig. 6 in Verbindung mit Fig. 7 oder 8 verwenden, um Positionen auszuwählen, die im wesentlichen Nullwerte oder die "Nulldurchgänge" von dem abgeleiteten Ergebnis aufweisen. Der Hauptunterschied liegt bei dem Schritt 254. Statt dem Auswerten des Faltungsergebnisses wird das abgeleitete Ergebnis ausgewertet.
• Aufgrund von Rauschen in jedem System kann es Positionen geben, die im wesentlichen Nullwerte durch den Faltschritt in dem Ausführungsbeispiel 200 oder den Ableitungsschritt in dem Ausführungsbeispiel 300 ergeben, die keine scharf konturierten Kantenregionen sind. Folglich wird bevorzugt, die ausgewählten Positionen einer Schwellenwertbewertung zu unterziehen, 214 oder 314. Das Unterziehen einer Schwellenwertbewertung 214 oder 314, bedeutet das Entfernen einiger der ausgewählten Positionen, falls die lokalen Pegelschwankungen der ausgewählten Positionen geringer sind als ein vorgewählter Wert. Man kann lokale Schwankungen durch Finden der Neigungen oder Änderungen der Pegel bei den ausgewählten Positionen berechnen. Falls die Neigung geringer ist als ein bestimmter vorgewählter Wert, werden die ausgewählten Positionen fallengelassen. Der vorgewählte Wert sollte klein sein, da es zulässig ist, mehr Positionen zu haben, die als "Nulldurchgänge" wahrgenommen werden. Fehlende Nulldurchgänge wären jedoch nicht vorteilhaft. Bei einem Beispiel ist der vorgewählte Wert 0,03.
• Erneute Bezugnahme auf Fig. 4. Nachdem die Positionen mit signifikanten Änderungen der Pegel ausgewählt wurden, 102, sollten die Positionen verbunden werden, 104, um Grenzen für eine Randdarstellung zu bilden. Es sollten jedoch nicht alle Positionen verbunden werden. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel verbindet man beliebige zwei ausgewählten Positionen, um eine Grenze zu bilden, falls der Abstand zwischen den Positionen wenig oder gleich ist wie 1,414-mal (oder die Quadratwurzel von 2) der Minimalabstand zwischen zwei benachbarten ursprünglichen Pixeln. Für ein digitales Bild mit 300 Bildpunkten pro Zoll beträgt der Minimalabstand 3, 3 Tausendstel Zoll, und 1,414 mal 3, 3 ist gleich 4,7 Tausendstel Zoll. Fig. 10 zeigt ein Beispiel einer zweidimensionalen Randdarstellung, die durch den oben beschriebenen Prozeß auf dem in Fig. 1 gezeigten ursprünglichen Bild gebildet ist. Diese Tabelle ist auf die Größe des gewünschten vergrößerten Bildes vergrößert.
• Nachdem die Randdarstellung gebildet ist, wird sie auf das digitale Bild projiziert, 106. Dann erzeugt, 108, man viele zusätzliche Pixel in Positionen zwischen den ursprünglichen Pixeln, durch Manipulieren der ursprünglichen Pixel ohne irgendwelche Grenzen zu überqueren, die durch die Randdarstellung gesetzt sind. Die Anzahl von zusätzlichen Pixeln, die gebildet werden, hängt von der gewünschten Vergrößerung ab. Falls M-mal Vergrößerung in einer Dimension und N-mal in einer anderen Dimension gewünscht ist, muß man die Anzahl von Pixeln in dem Bild um M mal N erhöhen, was das Bilden einer zusätzlichen Anzahl von Pixeln in geeigneten Positionen bedeutet.
• Zwei unterschiedliche Beispiele werden verwendet, um die Verfahren zum Erzeugen zusätzlicher Pixel darzustellen. Beide von ihnen hängen vom Interpolieren der Pegel von einem oder mehreren ursprünglichen Pixeln ab.
• Die Fig. 11 A-D stellen das erste Beispiel dar, das besonders für geradzahlige Vergrößerungen geeignet ist. Die Kreuze stellen die Positionen von ursprünglichen Pixeln dar, beispielsweise 379 und 383. Die Dreiecke stellen die Positionen von zusätzlichen Pixeln dar, beispielsweise 385. Beim Berechnen des Pegels des zusätzlichen Pixels 385 interpoliert man die Pegel der ursprünglichen Pixel 377, 379, 381, aber man verwendet nicht den Pegel des ursprünglichen Pixels 383, weil dies das Überqueren einer Grenze, KANTE1 in der Randdarstellung bedeuten würde.
• Zahlreiche Verfahren können verwendet werden, um die Pegel an den zusätzlichen Pixeln zu finden. Ein Verfahren ist die Verwendung von bilinearer Interpolation, das dem Durchschnittsfachmann auf diesem Gebiet gut bekannt ist, und hier nicht näher beschrieben wird. Die Fig. 11 B-D zeigen einige bevorzugte Verfahren zum Finden der Pegel an den zusätzlichen Pixeln unter Verwendung der Randdarstellung.
• Fig. 11 B zeigt ein Beispiel des Findens des Pegels an dem zusätzlichen Pixel 385 auf der Basis der Pegel an drei ursprünglichen Pixeln 377, 379 und 381. Zunächst findet man das Durchschnittspixel der Pegel bei 377 und 381. Dies ergibt den Pegel eines fiktiven Pixels bei 384. Danach extrapoliert man auf der Basis der Pegel bei 384 und 379, um den Pegel eines weiteren fiktiven Pixels 382 zu erzeugen. Das fiktive Pixel 382 ist an der Position des ursprünglichen Pixels 383 positioniert. Von den Pegeln der Pixel 377, 379, 381 und 382 berechnet man den Pegel des zusätzlichen Pixels 385 unter Verwendung bilinearer Interpolation. Die obigen Berechnungen verwenden Proportionalität auf der Basis von Abstand und werden hier nicht näher erörtert.
• Fig. 11 C zeigt Beispiele des Findens des Pegels an den zusätzlichen Pixeln 392 auf der Basis von zwei ursprünglichen Pixeln 383, 387. Es werden zwei Situationen beschrieben, die erste Situation betrifft nur eine Grenze in der Nähe der ursprünglichen Pixel und die zweite Situation betrifft die ursprünglichen Pixel, die von zwei Grenzen umgeben sind. Bei der ersten Situation, nur mit KANTE2, aber ohne KANTE3 ist es ein bevorzugtes Verfahren, auf der Basis der Nachbarn der ursprünglichen Pixel zu extrapolieren. Der Wert an dem fiktiven Pixel 390 wird extrapoliert von den Pegeln in den ursprünglichen Pixeln 381 und 383, während der Wert an dem fiktiven Pixel 391 von den Pegeln in den ursprünglichen Pixeln 389 und 387 extrapoliert wird. In der zweiten Situation, sowohl mit KANTE2 als auch KANTE3 ist es ein bevorzugtes Verfahren, den Wert des Pegels bei den ursprünglichen Pixeln 383 und 387 jeweils zu den fiktiven Pixeln 390 und 391 zu kopieren. Die Positionen der fiktiven Pixel 390 und 391 sind jeweils die Positionen der ursprünglichen Pixel 388 und 386. Von den Pegeln der Pixel 383, 390, 387 und 391 berechnet einer den Pegel des zusätzlichen Pixels 392 unter Verwendung von bilinearer Interpolation.
• Fig. 11 D zeigt ein Beispiel des Findens des Pegels an dem zusätzlichen Pixel 394, auf der Basis eines ursprünglichen Pixels, 381. Ein Verfahren ist es, den Pegel des ursprünglichen Pixels, 381, an den Positionen der fiktiven Pixel 393, 395 und 397 zu duplizieren, die jeweils die Positionen der ursprünglichen Pixel 383, 396 und 398 sind. Von den Pegeln der Pixel 381, 393, 395 und 397 berechnet man den Pegel des zusätzlichen Pixels 394 unter Verwendung von bilinearer Interpolation.
• Obwohl die obigen Berechnungen auf bilinearer Interpolation basieren, können auch andere Interpolationstechniken verwendet werden, wie zum Beispiel andere Interpolationsschemata höherer Ordnung.
• Fig. 11E stellt das zweite Beispiel zum Finden der Pegel an zusätzlichen Pegeln dar, was besonders für ungeradzahlige Vergrößerungen geeignet ist. Der Hauptunterschied zwischen diesem Beispiel und dem zweiten Beispiel liegt darin, daß einige zusätzliche Pixel an den ursprünglichen Pixelpositionen positioniert sind. Die Verfahren zum Erzeugen der Pegel der zusätzlichen Pixel können ähnlich sein wie die Verfahren, wie sie in den Fig. 11B-D beschrieben sind.
• Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel gibt es einen zusätzlichen Schritt zum Verbessern des vergrößerten Bildes. Man nehme an, daß die tatsächliche Grenze, an der sich die Pegel des Bildes wesentlich ändern, einen kleinen Abstand entfernt von der gefundenen Grenze liegt. Dann können die Pegel von einigen zusätzlichen Pixeln, die in geringer Entfernung von der gefundenen Grenze liegen, Werte aufweisen, die ziemlich unterschiedlich sind zu denen ihrer unmittelbar benachbarten Pixel. Dies kann an dem Unschärfeeffekt der Detektoren liegen, die das ursprüngliche Bild messen. Solche Anormalitäten können durch die in Fig. 12A gezeigten Verfahren 450 korrigiert werden, in Kombination mit einer grafischen Darstellung, die in Fig. 12B gezeigt ist. Zunächst wird eine Größe eines Fensters 475 ausgewählt, 452. Ein Beispiel ist eine Größe, die 2 mal 2 ursprüngliche Pixel abdeckt. Dann wird das Fenster bei jedem zusätzlichen Pixel in der Nähe einer gefundenen Grenze zentriert, 454. Beispielsweise wird das Fenster 475 an dem zusätzlichen Pixel 477 zentriert. Wenn das Fenster zentriert ist, wird der durchschnittliche Pegel der ursprünglichen Pixel auf der Seite der Grenze des zusätzlichen Pixels innerhalb des Fensters berechnet, 456. Beispielsweise wird der durchschnittliche Pegel der ursprünglichen Pixel 479, 481 und 483 berechnet. Falls der durchschnittliche Pegel um mehr als ein voreingestellter Wert von dem Pegel des zusätzlichen Pixels abweicht, wird der Pegel des zusätzlichen Pixels mit dem durchschnittlichen Wert ersetzt, 458. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der voreingestellte Wert eine Standardabweichung der Pegel der ursprünglichen Pixel. Dieser Prozeß wird bei jedem Pixel in geringer Entfernung von einer Grenze durchgeführt. Falls ein zusätzliches Pixel durch zwei Grenzen begrenzt ist, dann wird nur von den ursprünglichen Pixeln innerhalb des Fensters auf der Seite des zusätzlichen Pixels und innerhalb der beiden Grenzen ein Mittelwert gebildet.
• Nach der Bildung von allen den zusätzlichen Pixeln werden die Abstände zwischen den Pixeln ausgedehnt, 112, so daß die Auflösung der Positionen der Pixel gleich sind wie die der ursprünglichen Pixel. Beispielsweise weisen alle Kreuze in dem digitalen Bild in Fig. 11A eine Auflösung von 300 Pixel pro Zoll auf. Nach der Bildung der zusätzlichen Pixel weisen die Dreiecke eine Auflösung von 600 Pixel pro Zoll auf. Die Größe des Bildes wird dann durch Ausdehnen der Abstände zwischen den zusätzlichen Pixeln ausgedehnt, so daß die Auflösung der Positionen der zusätzlichen Pixel auf 300 Pixel pro Zoll zurückgeht. Dies bedeutet das Ausdehnen des Bildes zweimal in jeder Dimension.
• Fig. 13 zeigt das vergrößerte digitale Bild auf der Basis des oben beschriebenen Verfahrens. Mit der Randdarstellung ist das vergrößerte Bild schärfer konturiert als beispielsweise das Bild in Fig. 3, wie bei den Staubgefäßen der gebrochen weißen Lilie auf der rechten Seite der Figur oder in den Zwischenräumen zwischen den Blumen.
• Bei der obigen Beschreibung werden die Abstände zwischen den Pixeln am Ende ausgedehnt. Fig. 14 zeigt ein modifiziertes bevorzugtes Ausführungsbeispiel 498, bei dem die Abstände zwischen den Pixeln am Anfang ausgedehnt werden. Zunächst wird das ursprüngliche digitale Bild vergrößert, 490, durch proportionales Ausdehnen der Abstände zwischen den ursprünglichen Pixeln. Dann wird durch eines der oben beschriebenen bevorzugten Verfahren eine Randdarstellung erzeugt, 492. Die erzeugte Randdarstellung wird auf das vergrößerte Bild projiziert, 494, um durch Verfahren, wie sie oben beschrieben sind, zusätzliche Pixel zu erzeugen, 496. Nach dem Schritt des Erzeugens wird die Auflösung der Positionen der Pixel die gleiche wie die der ursprünglichen Pixel, und das digitale Bild ist vergrößert.
• Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Bild in Fig. 13 durch ein Rückkopplungsverfahren, 500, das in Fig. 15 gezeigt ist, weiter verbessert. Bei diesem Rückkopplungsverfahren wird das ursprüngliche digitale Bild dupliziert, 502, um ein dupliziertes Bild zu bilden. Das duplizierte Bild wird dann R-mal vergrößert, 404. Dieser Vergrößerungsprozeß kann auf dem Randdarstellungnverfahren, wie es oben beschrieben ist, oder auf anderen Verfahren basieren. Der Vergrößerungsprozeß ist jedoch vorzugsweise nicht der Pixelreproduktionsprozeß, der das in Fig. 2 gezeigte Bild erzeugt. Das vergrößerte Bild wird dann R-mal verkleinert, 506.
• Der Verkleinerungsprozeß basiert auf Mittelwertbildung. Jede feste Anzahl von Pixeln wird ersetzt mit einem Pixel, dessen Pegel der durchschnittliche Pegel der festen Anzahl von Pixeln ist. Fig. 16 zeigt ein zweidimensionales Beispiel des mittelwertbildenden Prozesses für eine Zweifachverkleinerung. Jeweils vier Pixel werden durch ein Pixel ersetzt, beispielsweise die Pixel 550, 552, 454 und 556 in dem vergrößerten Bild 570 werden durch das Pixel 558 in dem verkleinerten Bild 572 ersetzt. Der Pegel des Pixels 558 ist gleich wie der Mittelwert der Pegel der vier Pixel in dem vergrößerten Bild 570, Die Position der Pixel 558 befindet sich in der Mitte der vier Pixel 550, 552, 554 und 556. Der Verkleinerungsschritt ist vorzugsweise nicht die Umkehrung des Vergrößerungsschritts. In anderen Worten, der Vergrößerungsschritt ist vorzugsweise kein Pixelreproduktionsprozeß.
• Dann wird die Differenz zwischen dem verkleinerten Bild und dem ursprünglichen digitalen Bild an jedem Pixel berechnet, 508. Dies ist ein Pixel-um-Pixel-Vergleichsverfahren. Auf der Basis der gefundenen Differenzen wird das duplizierte Bild modifiziert, 512. Dieser Modifizierungsschritt umfaßt das Modifizieren jedes Pixels des duplizierten Bildes durch ein ausgewähltes vielfaches der Differenz, die an dem Pixel von dem Schritt der Berechnung, 508 gefunden wurde. Fig. 16 zeigt ein Beispiel des Modifizierungsschritts. Das ursprüngliche Bild umfaßt ein Pixel 600 mit einem Graupegel von 200. Dieses Pixel wird mit dem Pixel, 602, an der entsprechenden Position in dem verkleinerten Bild verglichen. Das Pixel 602 weist einen Graupegel von 240 auf. Der Differenzwert beträgt 40. Ein Mehrfaches des Differenzwertes wird verwendet, um das entsprechende Pixel, 604, in dem duplizierten Bild zu modifizieren. Falls das Mehrfache zu groß ist, kann man eine "Oszillation" bekommen. Falls das Mehrfache zu klein ist, kann es sehr lange Zeit dauern, bis man zufriedenstellende Ergebnisse erzielt. Der mehrfache Wert kann experimentell gefunden werden. Es ist außerdem anzumerken, daß die drei Pixel 600, 602 und 604 für die beschriebene Pixel-um-Pixel-Operation alle im wesentlichen in der gleichen Position sind.
• Nach der Modifikation des duplizierten Bildes überprüft man die Differenzen, die in dem Berechnungsschritt, 508, gefunden wurden. Falls der Mittelwert des Absolutwerts der gefundenen Differenzen größer ist als der vorgewählte Wert wiederholt man, 514, von dem Schritt des Vergrößerns, 504, das duplizierte Bild R-mal. Dieser vorgewählte Wert hängt von der gewünschten Genauigkeit ab. Man ist nicht darauf beschränkt, die absoluten Werte der Differenzen zu verwenden. Andere Werte können verwendet werden, wie z. B. das Quadrat der Differenzen. Falls jedenfalls die gefundenen Differenzen geringer sind als der vorgewählte Wert endet, 516, der Rückmeldeprozeß, und das vergrößerte duplizierte Bild wird zum Endergebnis der Vergtößerung.
• Fig. 18 zeigt ein Beispiel des Anwendens der Rückmeldemethode auf dem in Fig. 13 gezeigten Bild, wobei der vorgewählte Wert als 2,5 und der mehrfache Wert als 1 eingestellt ist. Der mehrfache Wert sollte vorzugsweise zwischen 0 und 2 liegen. Das vergrößerte Bild, das nach dem Rückkopplungsverfahren gebildet wurde, weist wesentlich bessere Pegelkonsistenz auf. Außerdem sind viele Einzelheiten von dem ursprünglichen Bild in dem vergrößerten Bild beibehalten, man vergleiche beispielsweise die Adern auf den Blütenblättern der Blumen in Fig. 13 und Fig. 17.
• Dieser Rückmeldeprozeß ist nicht nur auf zweidimensionale Bilder anwendbar. Er ist gleichermaßen zum Vergrößern von Bildern mit anderen Dimensionen anwendbar, wie z. B. ein- oder dreidimensionale Bilder. Die Differenz ist die feste Anzahl von Pixeln, von denen der Mittelwert gebildet werden muß. Für eine eindimensionale Vergrößerung von R-mal ist die feste Anzahl R. Für eine dreidimensionale Vergrößerung von R-mal ist die feste Anzahl R·R·R. Das obige bevorzugte Ausführungsbeispiel beschreibt die Vergrößerungsfaktoren als für alle Dimensionen gleich. Bei anderen bevorzugten Ausführungsbeispielen sind die Vergrößerungsfaktoren für unterschiedliche Dimensionen unterschiedlich in anderen Worten ausgedrückt, die zweidimensionale Vergrößerung kann beispielsweise R·N sein, wobei R nicht gleich N ist.
• Die vorliegende Erfindung ist nicht nur auf Bilder mit kontinuierlichem Ton anwendbar. Sie kann ebenfalls bei Bildern mit nicht kontinuierlichem Ton angewendet werden, wie z. B. Halbtonbildern. Beispielsweise werden bei Halbtonbildern die Bilder zunächst auf der Basis von Umkehr- Halbtonbildungstechniken in Bilder mit kontinuierlichem Ton umgewandelt. Dann werden die Bilder wie oben beschrieben vergrößert. Nach dem Vergrößerungsprozeß werden die Bilder mit einer Halbtonbildung bearbeitet, um Halbtonbilder zu erzeugen. Umkehr-Halbtonbildungs- und Halbtonbildungstechniken sind für den Durchschnittsfachmann auf diesem Gebiet offensichtlich und werden in der vorliegenden Offenbarung nicht weiter beschrieben.
• Aus dem Vorhergehenden sollte offensichtlich sein, daß eine Randdarstellung die scharf konturierten Kantenmerkmale eines vergrößerten Bildes beibehält, und das Rückkopplungsverfahren die Qualität des vergrößerten Bildes weiter verbessert. Die Erfindung ist in vielen anderen Bereichen außer den eben beschriebenen anwendbar. Beispielsweise ist die Erfindung auf dreidimensionale Bilder anwendbar, wie z. B. ein holographisches Bild, in diesem Fall wäre die Randdarstellung nicht nur Linien, sondern Oberflächen. Ein weiteres Beispiel ist es, die Erfindung auf Farbbilder anzuwenden. Bei Schwarz-Weiß-Bildern ist der Pegel jedes Pixels die Intensität an diesem Pixel. Bei Farbbildern kann der Pegel jedes Pixels durch die Intensitäten ihrer Primärfarben, wie z. B. rot, grün und blau, identifiziert werden, die vorliegende Erfindung wird für jede Farbe einzeln angewendet und dann werden die Ergebnisse der drei Farben an jedem Pixel kombiniert, um die Farbbilder wieder zu erzeugen. Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel bei Farbbildern ist es, den Pegel von jedem Pixel als seinen Lichtwert an diesem Pixel zu identifizieren. Dann wird die vorliegende Erfindung, wie oben beschrieben, an dem Lichtwert angewendet.
• Diese Erfindung kann bei eindimensionalen Bildern angewendet werden. In diesem Fall ist das Bild ein eindimensionaler Signalverlauf oder ein Signal, wie z. B. ein Sprachsignal Ein weiterer Bereich der Anwendung ist bei Video. In diesem Fall werden zweidimensionale Bilder Rahmen um Rahmen vergrößert, wobei die dritte Dimension, die Zeit, ausgelassen wird.

Claims (1)

1. Ein Verfahren (450) zum Vergrößern eines digitalen Bildes mit einer Mehrzahl von ursprünglichen Pixeln, um ein vergrößertes Bild zu bilden, wobei jedes Pixel einen Pegel aufweist, der die Intensität dieses Pixels beschreibt, und wobei die Pixel an Positionen angeordnet sind, die eine Auflösung definieren, wobei das Verfahren folgende Schritte umfaßt:

Erzeugen (102, 104, 492) einer Randdarstellung mit einer Mehrzahl von Grenzen aus dem digitalen Bild;

Projizieren (106, 494) der Randdarstellung auf das digitale Bild;

Erzeugen (108, 496) von einem oder mehreren zusätzlichen Pixeln in Positionen zwischen den ursprünglichen Pixeln durch Durchführen einer Interpolation unter Verwendung der Pegel von einem oder mehreren ursprünglichen Pixeln, die zwischen sich keine durch die Randdarstellung eingestellten Grenzen aufweisen, um die Pegel der zusätzlichen Pixel zu bestimmen;

gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

Auswählen (452) einer Fenstergröße;

für jedes zusätzliche Pixel in der unmittelbaren Nachbarschaft der Grenzen,

Zentrieren (454) des Fensters bezüglich des zusätzlichen Pixels,

Berechnen des Mittelwertpegels der ursprünglichen Pixel innerhalb des Fensters und auf der gleichen Seite der Grenze wie das zusätzliche Pixel; und

Ersetzen (458) des Pegels des zusätzlichen Pixels mit dem Mittelwertpegel, falls der Pegel des zusätzlichen Pixels um mehr als einen bestimmten Wert von dem Mittelwert abweicht; und

Ausdehnen (112) des Abstands zwischen allen Pixeln nach dem Schritt des Erzeugens (108, 496), um das vergrößerte Bild zu erzeugen, so daß die Auflösung der Positionen aller Pixel in dem vergrößerten Bild gleich wird wie diejenige der ursprünglichen Pixel in dem digitalen Bild;

derart, daß die Gesamtanzahl der zusätzlichen Pixel proportional ist zu der Anzahl von ursprünglichen Pixeln und der Vergrößerung.