FI89227B - Foerfarande foer att dubblera taetheten i en ortogonaliskt samplad bild - Google Patents

Description

1 89227

Menetelmä ortogonaalisesti näyttelstetyn kuvan näytetihey-den kaksinkertaistamiseksi - Förfarande för att dubblera tätheten i en ortogonaliskt sampled bild 5

Keksintö koskee menetelmää, jossa kuva-alkioista koostuva ortogonaalisesti näytteistetty videosignaali konvertoidaan digitaalisen signaalinkäsittelyn keinoin videosignaaliksi, jonka näytetiheys vaaka- ja pystysuunnassa on kaksinkertai-10 nen.

Nykyinen PAL-järjestelmän televisiokuva koostuu 625 juovasta, joista 576 juovaa on aktiivisia, kuvapinnalla näkyviä juovia. Kuvan koostuminen juovista ei sinänsä haittaa sil-15 loin kun kuvakoko on kohtuullinen, pienempi kuin 30", jolloin kuvan suuretessa katseluetäisyyskin kasvaa eikä silmä vielä koe kuvan juovarakennetta liian häiritsevänä. Nykyään valmistajat tuovat tarjolle kuvakooltaan suuria, yli 33" kuvaputkella varustettuja televisioita ja näin suuressa 20 kuvakoossa tulevat juovat selvästi ja häiritsevästi näkyviin. Ongelma on vielä suurempi käytettäessä erittäin suurten kuvien aikaansaamiseksi projektionäyttöä, jossa esim. takaprojektiotelevisiossa kuva projisoidaan kuvapinnan takaa peilin kautta kuvapinnalle. Tulevaisuudessa tulee käyttöön 25 teräväpiirtotelevisio HDTV (High Definition Television), jossa juovia on 1250 ja jokaisella juovalla on 1440 aktiivista kuva-alkioä (luminanssille). Teräväpiirtotelevisiolla on kyettävä vastaanottamaan myös nykyisin käytössä olevien järjestelmien mukaista signaalia Ja jotta HDTV:n tarkkuutta 30 16:9 voitaisiin täysin hyödyntää, on normaalitarkkuuden televisiokuva muutettava digitaalisen signaalinkäsittelyn keinoin kuvaksi, jonka kuvapisteiden tiheys on sekä vaaka-että pystysuunnassa kasvatettu kaksinkertaiseksi. Suuren kuvapinnan ja siihen nähden alhaisen juovaluvun aiheuttaman 35 ongelman poistamiseksi on luonnollinen ratkaisu suurentaa juovalukua jollain sopivalla tavalla. Koska lähetysjärjestelmään ei voida vaikuttaa, käytetään normaalitarkkuuden televisiovastaanottimissa IDTV (Improved Definition Tele- 2 89227 vision) -toimintoja, joissa vastaanotettua kuvaa muokataan digitaalisen signaalinkäsittelyn keinoin itse vastaanotti-messa ennen kuin kuvapintaa pyyhkäistään. IDTV-toiminnolla on sopivalla laskenta-algoritmilla mahdollista nostaa koko-5 naisjuovaluku 625 juovaluvuksi 1250, josta aktiivisia kuvapinnalla näkyviä juovia on 1152 kpl. Kun tämä juovamäärä pyyhkäistään suurellekin kuvapinnalle, ovat yksittäiset juovat pystysuunnassa korkeudeltaan vain puolet siitä, mitä ne olisivat vastaavankokoisessa 625 juovan kuvassa. Tämän 10 vuoksi kuvan juovarakenne ei enää vaikuta katsojasta haitalliselta. IDTV-televisioissa digitalisoidun kuvan näytteiden lukumäärä kaksinkertaistetaan pystysuunnassa, mutta näytteiden lukumäärä juovalla säilyy. Tulevaisuudessa käyttöön otettava teräväpiirtotelevisio HDTV joutuu ainakin alussa 15 käyttämään laajasti jo olemassa olevia nauhureita ja muita ohjelmalähteitä, joissa kuva on taltioitu 625 juovan järjestelmässä. Koska HDTV-juovaluku on 1250 ja kuvasuhde 9:16, joudutaan digitalisoidun normaalitarkkuuden kuvan näyteti-heyttä kasvattamaan myös vaakasuunnassa.

20

Juovaluvun konversiossa LRU (Line Rate Upconversion) käytetään interpolaatioalgoritmeja, joilla alkuperäisten juovien väliin lisätään uusia juovia, joten juovaluvun konversion suurin ongelma onkin sopivan interpolaatioalgoritmin kehit-25 täminen. On konstruoitu vastaanottimia, joissa juovaluku konvertoidaan yksinkertaisesti siten, että juovat kahdennetaan, jolloin väliin lisättävä uusi juova on täsmälleen sama kuin alkuperäinen. Käytettävät algoritmit ovat yksinkertaisia ja ne voidaan toteuttaa helposti käyttämällä joko 30 juova- tai kenttämuistia. Voidaan myös menetellä siten, että käytetään juovan keskiarvotusta, jolloin interpoloitava uusi juova on kuvan kahden peräkkäisen juovan keskiarvo.

Tämä on hieman parempi kuin juovan kahdentaminen, mutta kuvan resoluutio vähenee liikkumattomissa osissa. Lisättäes-35 sä näytteiden lukumäärää vaakatasossa voidaan käyttää samantapaisia algoritmeja kuin juovaluvun konversiossa. Niinpä normaalitarkkuuden kuvaa muutettaessa HDTV-kuvaksi menetel-läänkin siten, että näytetiheys kasvatetaan erikseen vaaka- 3 89227 ja pystysuunnassa. Alkuperäinen ortogonaalinen kuva säilyy siten ortogonaalisena myös välivaiheessa. Menetelmän haittana on vaikeus säilyttää kapeat diagonaaliviivat muuttumattomina.

5

Suomalaisessa patenttihakemuksessa Fl-904717, joka sisällytetään viittauksena tähän hakemukseen, on kuvattu menetelmää, jossa quincunx-alinäytteistetty kuvio muutetaan orto-gonaalisesti näytteistetyksi kuvioksi. Menetelmässä inter-10 poloitavan kuva-alkion ympärillä sijaitsevia kuva-alkioita edustavat signaalit viedään tarpeellisten viive-elimien kautta suodattimen sisäänmenoihin sekä yhdistetään siinä määrätyllä tavalla painotettuina. Suodattimen ulostulosignaali sekä interpoloitavan kuvapisteen välittömät naapuri-15 pisteet viedään epälineaarisen suodattimen sisäänmenoihin ja yhdistetään epälineaarisessa suodattimessa interpoloita-vaa kuva-alkiota edustavan signaalin muodostamiseksi. Suodattimen ulostulo voidaan rajata siten, että se on välittömien naapuripisteiden joukosta kahden keskimmäisen välillä, 20 tai siten, että mainitusta pisteiden joukosta kulloinkin kahden toisaalta pystysuunnassa otetun kuva-alkion keskiarvon ja toisaalta vaakasuunnassa otetun kuva-alkion keskiarvon välillä. Interpolaattori säilyttää kapeat viivat ehyenä ja yksityiskohdat terävinä. Kuvattu menetelmä sopii sekä 25 temporaaliseen että spatiaaliseen interpolointiin.

Edellä kuvatun hakemuksen mukaista menetelmää voidaan käyttää osana sen ongelman ratkaisua, miten voitaisiin muuttaa ortogonaalinen näytteistys sekä pysty- että vaakasuunnassa 30 kaksinkertaisen näytetiheyden omaavaksi ortogonaaliseksi näytteistykseksi. Tämä tehtävä ratkaistaan patenttivaatimuksen 1 mukaisesti siten, että ensin muutetaan ortogonaalinen näytteistys tiheämpään quincunx-näytteistyskuvioon niin, että interpoloidaan olemassa olevien näytteiden keskelle 35 uudet kuva-alkiot. Toisena vaiheena muutetaan aikaansaatu quincunx-näytteistyskuvio tiheämmäksi ortogonaaliseksi näytteistyskuvioksi interpoloimalla sekä vaaka- että pystysuorassa suunnassa kuva-alkioiden välille uudet kuvapis- 4 89227 teet. Tässä toisessa vaiheessa voidaan käyttää hakemuksessa FI-904717 kuvattua interpolaattoria. Lopputuloksena on näytetiheydeltään alkuperäiseen nähden kaksinkertainen ortogonaalinen kuvio. Menetelmän mukainen kaksinkertaistami-5 nen voidaan tehdä sekä kentän sisällä että kuvan sisällä. Kuvan sisällä käytettäessä lomiteltu kuva muutetaan ensin progressiivisiksi lomittelemattomiksi kuviksi käyttäen jotain tunnettua tapaa.

10 Keksintöä selostetaan yksityiskohtaisemmin viitaten oheisiin kuviin, joissa kuva 1 esittää näytteistyskuvioita eri vaiheissa, kuva 2 esittää erästä kytkentää ensimmäisen vaiheen toteuttamiseksi, ja 15 kuva 3 esittää erästä kytkentää toisen vaiheen toteuttamiseksi.

Kuvan 1 näytekuviot esittävät havainnollisesti keksinnön ajatuksen. Lähtötilanne on kuvion a mukainen ortogonaalises-20 ti järjestetty näytekuvio. Näytteet, joita on merkitty mustalla pisteellä, voivat olla digitalisoidusta normaali-tarkkuuden televisiokuvasta, jolloin näytteet on otettu jokaiselta juovalta tasavälein. Näytteet voivat olla peräisin myös muusta lähteestä eikä niiden lukumäärä ole oleelli-25 nen keksinnön kannalta. Ensimmäisessä vaiheessa, vaihe I, interpoloidaan olemassaolevien näytteiden väliin uudet kuvapisteet, joita on merkitty kuviossa b kolmioilla. Näin saadaan kuvion b esittämä quincunx-kuvio, jossa kuvapistei-den lukumäärä on kasvanut kuvioon a nähden.

30

Vaiheessa I suoritettava kuvapisteiden interpolointi voidaan suorittaa edellä mainitussa patenttihakemuksessa esitetyn kaltaisella interpolaattorilla. Eräs mahdollinen interpo-laattorin lohkokaavio on esitetty kuvassa 2. Ortogonaalisen 35 näytekuvion näytteet tulevat interpolaattorin tuloon IN

näytejonomuodossa juovittain. Juovaviive-elimen 10 ja näyte-viive-elinten 20 avulla valitaan interpolointiin käytettävät kuvapisteet, tässä tapauksessa neljä kuvapistettä peräkkäi- 5 89227 siltä juovilta. Lineaarisella suodattimena 30 interpoloi-daan kuvan 1 quincunx-kuviossa b kolmiolla merkitty näyte-ehdokas. Näyte-ehdokas viedään lohkoon 40, jonka sisään-menoina on myös näyte-ehdokkaan välittömät neljä alkuperäi-5 seen kuvapistejoukkoon kuuluvaa näytettä. Näyte-ehdokasta verrataan näihin alkuperäisiin näytteisiin ja, mikäli on tarvetta, sitä korjataan jollakin sopivalla epälineaarisella operaatiolla. Vertailu ja mahdolllinen korjaus suoritetaan lohkossa 40 ja sen lähdöstä OUT saadaan uusi interpoloitu 10 kuvapiste.

Vaiheessa II (kuva 1) suoritetaan quincunx-näytekuvion muunnos tiheämmäksi ortogonaaliseksi näytekuvioksi. Nyt on pysty- ja vaakasuunnassa interpoloitu uudet kuvapisteet 15 kuviossa b esitettyjen pisteiden väliin. Pisteet on kuviossa c esitetty kärki ylöspäin osoittavilla kolmioilla. Tähän muunnokseen voidaan käyttää samaa menetelmää, joka on jo kuvattu mainitussa suomalaisessa patenttihakemuksessa FI-904717, mutta luonnollisesti mitä tahansa sopivaa menetelmää 20 voidaan käyttää. Tässä yhteydessä selostetaan lyhyesti mainittua menetelmää kuvaan 3 viitaten. Viitenumerot ovat samat kuin kuvassa 2. Kuvan 3 mukaisessa interpolaattorissa kaksiulotteinen suodatinmaski muodostetaan juovaviive-elimen 10' ja näyteviive-elimen 20' avulla. Quincunx-kuvion b kuva-25 alkiot, jotka käsittävät esimerkiksi kuvion c pilkkuvii-vaympyrällä merkittyä pistettä interpoloitaessa kuvion b kolmen ylimmän rivin kuvapisteet (siis kahdeksan näytettä), ohjataan lineaarisen suodattimen 30' sisäänmenoiksi. Esimerkin lineaarisella suodattimena on vain kahdeksan 30 sisäänmenoa, mutta suodatinmaski voi olla myös suurempi. Epälineaarisessa operaatiossa 40' lineaarisen suodattimen 30' ulostuloa ensin rajoitetaan neljästä muusta sisäänmenos-ta (® neljä interpoloitavan kuvapisteen välitöntä naapuriku-vapistettä) lukuarvoltaan kahden keskimmäisen väliin. Tämä 35 toteutetaan 5 pisteen mediaanilla. Tämän jälkeen ulostulo vielä rajataan kahden arvon väliin, joista toinen on pystysuunnassa sijaitsevien välittömien naapuripisteiden keskiarvo ja toinen on vaakasuunnassa sijaitsevien välittömien 6 89227 naapuripisteiden keskiarvo. Tähän tarkoitukseen tarvitaan 3 pisteen mediaani. Peräkkäiset mediaanit voidaan korvata myös yhdellä suuremmalla 7 pisteen mediaanilla, mutta tämä toteutus on yleensä monimutkaisempi.

5

Kuvatulla menetelmällä kuvapisteiden kaksinkertaistamiseksi sekä vaaka- että pystysuunnassa saavutetaan se etu, että näytetyssä kuvassa ovat diagonaaliset reunat ja viivat tasaisen näköiset. Menetelmä sopii erityisesti käytettäväksi 10 silloin, kun normaalitarkkuuden televisiokuva on näytettävä HDTV-näytössä, jolla on kaksinkertainen resoluutio sekä vaaka- että pystysuunnassa.

Claims (5)

7 89227

1. Menetelmä näytejonomuodossa tulevan videosignaalin kuva-alkioiden lukumäärän kaksinkertaistamiseksi sekä vaaka-että pystysuunnassa, kun kuva-alkiot muodostavat ortogonaa- 5 lisen näytekuvion, tunnettu siitä, että - ortogonaalinen näytekuvio muunnetaan quincunx-näytekuviok-si interpoloimalla ensimmäisessä interpolaattorissa ensimmäiset uudet kuva-alkiot alkuperäisten juovien väliin, jolloin mainitut kuva-alkiot muodostavat uusia vaillinaisia 10 juovia, - saatu quincunx-näytekuvio muunnetaan ortogonaaliseksi näytekuvioksi interpoloimalla toisessa interpolaattorissa toiset uudet kuva-alkiot sekä alkuperäisten juovien että uusien juovien kuva-alkioiden väliin, jolloin kuva-alkioiden 15 tiheys on sekä vaaka- että pystysuunnassa kaksinkertaistunut .

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ensimmäiseen interpolaattoriin 20 (30) tuodaan ainakin kahdeksan interpoloitavan kuva-alkion lähintä alkuperäistä kuva-alkiota, joista neljä sijaitsee edellisellä alkuperäisellä juovalla ja neljä seuraavalla alkuperäisellä juovalla, interpoloidaan näistä uusi kuva-alkio uudelle juovalle, verrataan sitten saatua uutta kuva-25 alkiota epälineaarisessa suodattimessa (40’ ) neljään lähimpään alkuperäiseen kuva-alkioon ja korjataan sitä tarvittaessa epälineaarisella operaatiolla.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, 30 tunnettu siitä, että toiseen interpolaattoriin (30') tuodaan joukko interpoloitavan kuva-alkion ympärillä sijaitsevia alkuperäisiä kuva-alkioita, yhdistetään ne siinä määrätyllä tavalla painotettuina, viedään saatu tulos epälineaariseen suodattimeen (40’), jonka sisäänmenoihin on 35 viety ainakin interpoloitavan kuva-alkion välittömät alkuperäiset viereiset kuva-alkiot, jolloin epälineaarisen suodattimen (40') ulostulosignaali edustaa interpoloitavaa kuva-alkiota. 8 39227

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä, tunnet -t u siitä, että epälineaarisessa suodattimessa {40') rajataan ulostulo kahden arvon väliin, joista toinen on pystysuunnassa sijaitsevien välittömien naapuripisteiden keskiar- 5 vo ja toinen on vaakasuunnassa sijaitsevien välittömien naapuripisteiden keskiarvo.

5. Patenttivaatimuksen 2 tai 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ensimmäinen interpolaattori 10 (30) ja toinen interpolaattori (30') ovat epälineaarisia digitaalisia suodattimia.