JP2001144953A - 適応コントラスト強調によるディジタル画像の倍率変更の方法と装置 - Google Patents
適応コントラスト強調によるディジタル画像の倍率変更の方法と装置Info
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Abstract
ストを持った倍率変更された画像の鮮鋭度と一様性とを
向上させる方法と装置を提供する。 【解決手段】 予め定められた入力空間解像度を持つ入
力信号から、入力空間解像度とは異なる予め定められた
出力空間解像度を持つ高コントラストの倍率変更された
画像を生成する方法であり、入力信号の入力サンプルか
ら出力サンプルを生成する段階と、入力サンプルの中で
最も近くで起こるものから、予め定められた時間閾値超
えて起こる、出力サンプルの内の予め定められたものを
検出する段階と、入力サンプルの中で最も近くで起こる
ものにおいて、入力信号内の画像細部を検出する段階
と、画像細部と実質上並べて、それによって細部の画像
コントラストを強調するように、出力サンプルの内の予
め定められたものの場所を移す段階とを備える。
Description
一般的な倍率変更に関し、特に倍率変更された画像の鮮
鋭度と一様性とを向上させる方法と装置とに関する。
の倍率変更や大きさ変更は、ディジタル画像処理システ
ムにおいて頻繁に求められる機能である。この機能は、
入力された画素(pixel)にディジタルフィルタをかけ
て出力画素を作り出すのに使われる。人間の目は、信号
の位相の変化に敏感なので、画像の倍率変更でもっとも
普通に使用されるフィルタは、線形位相の有限インパル
ス応答(FIR)のフィルタである。倍率変更の処理
は、入力信号のサンプリング速度を変えることで得られ
る。さらに特化して、サンプリング速度は、画像を拡大
するために増やされるか、あるいは画像を縮小するため
に減らされる。
リング速度において信号をアップサンプリング(upsamp
ling)し、その後にそのアップサンプリングした信号を
異なる速度でダウンサンプリング(downsampling)し
て、必要な(可変の)画像倍率変更の係数を得ることに
よって得られる。通常、第1のアップサンプリングの段
階では、32から64のアップサンプリング係数が使用
される。効率的な実現のために、アップサンプリングと
ダウンサンプリングの動作は、普通組み合わされ、一つ
のサンプルのみが出力のために計算され、他の全てのサ
ンプルは無視される。
フーリエ変換は、
て、そのフーリエ変換は、
くいずれかの2個の入力サンプルの間にM−1個のゼロ
が挿入され、結果として得られるアップサンプリングさ
れた信号のフーリエ変換は、X(e-jMω)である。フ
ィルタ h[n] は、M個のフィルタ位相に分割され、そこ
でk番目のフィルタ位相は、hk[m]=h[k+Mn] であり、そ
のフーリエ変換は、
のは、アップサンプリングの整数係数の場合にのみ可能
である。
みの結果は、次のフーリエ変換による y[n] である。
定のフィルタ位相との間のたたみ込みの結果である。ア
ップサンプリングされた各入力に対して、M個のフィル
タ位相の全てを備えた入力サンプルの畳込みの結果であ
るM個の出力サンプルがある。M個の出力は、入力サン
プリングの時間に対応する時間間隔に渡って等しく置か
れる。出力サンプルが必要な時は、その位置が計算さ
れ、入力のたたみ込みのために適当な位相フィルタが選
択される(選ばれた位相は、出力サンプルの物理的位置
に最も近い)。
段階は、以下のように単純化される。(1)入力データ
を選択する(2)フィルタの位相を決定する(3)デー
タと、予め決定されたフィルタ位相との間のたたみ込み
を計算する。従来は、入力データとフィルタ位相は、出
力サンプルの位置に基づいて計算される。本発明の一局
面の目的は、高いコントラストを持った倍率変更された
画像を得るために、最適なフィルタ位相を決定すること
にある。
従って、ピーキング(peaking)フィルタが、高周波数
を上げるのに使用される。しかし、倍率変更の低い係数
において、高周波数を上げることは、あまり効果がな
い。他の方法は、例えば、信号の第1導関数を取ること
によって、信号内の短い遷移時間を検出し、これらの時
間を人工的に減らす。残念なことに、この技術は、信号
が通常1段階の間に最小から最大に変化するような画像
分野には適さない。
に関係する。米国特許文献。 5,767,900号 Tanji; Ichiro 1998年
6月16日 DigitalApparatus For Contour Enhanceme
nt Of Video Signals 4,030,121号 Faroudja 1977年6
月14日 VideoCrisper 3,997,772号 Ronald Eldon Crochiere 19
76年12月14日Digital Phase Shifter
更処理による、画像のコントラストを改良するための方
法と装置とが提供される。従来は、倍率変更された出力
画像は、一様なグリッドによる、入力信号のサンプリン
グによって生成された。入力と出力のサンプリング速度
の比率が整数でないと、処理は空間的にもはや一様では
ない。こうして、ある入力された細部は、入力信号内の
その細部の位置によって、異なって倍率変更される。と
きどき、入力された細部は、完全に倍率変更されるが、
よりしばしば、その細部はうまく倍率変更されない。
グで良好なコントラストが得られないような場合を検出
し、非一様なサンプリングを使用することで、個々のコ
ントラストを改善する。
記載が、ここで以下の図面を参照して提供される。図1
は、本発明の方法と装置が与えられる環境を作り、入力
と出力の一様なサンプリンググリッドの相対的な位置を
示す図である。図2は、入力画素に合わせられた出力画
素を示す図である。図3は、入力画素に合わせられてい
ない出力画素を示す図である。図4は、多相補間を示す
図である。図5は、従来技術による、一様の出力グリッ
ドに対して、いかに多相補間がなされるかを示す図であ
る。図6は、非一様な出力グリッドに対して、いかに多
相補間がなされるかを示す図である。図7は、別の時な
らばコントラストの低い細部を作るかも知れない位置に
細部が検出されたときに、出力サンプリング速度を変更
するような、本発明による装置のブロック図である。図
8は、出力における一様なサンプリング速度と非一様な
サンプリング速度との間の差を示すタイミング図であ
る。図9は、本発明の実施形態による細部検出アルゴリ
ズムを示すフローチャートである。
として表現され、一様な矩形グリッド上でサンプルされ
生成される。画像の倍率変更処理の間、データの他の配
列が計算され、一様な矩形グリッド上で同様に出力値が
与えられる。図1は、出力グリッドの矩形の4隅にマッ
プされた、入力内の矩形の4隅を示している。矩形は、
必ずしも画像の物理的な隅に一致する必要はないが、入
力/出力画像の内側あるいは外側のどこかに置くことは
可能であるということに注意したい。図1に表される表
記は、使用されうるマッピングの多くの種類の一つに過
ぎない。しかし、図1の簡単な表記は、本発明の方法と
装置が動作する環境を図示して与えられる。特に、図1
に示すように、整数でない倍率変更係数の一般的な場合
に対して、出力グリッドのいくつかのノードは、入力グ
リッドのどんなノードとも物理的に一致しないことに注
意したい。
最良の局所的コントラストが得られる。こうして、出力
ノードが入力ノードのどれとも一致しないような状況で
は、コントラストは低下する。局所的なコントラストの
低下は、それらの細部が画素に近い大きさの場合に、目
に見えるようになる(例えば、鋭い端部か、単一の線
か、単一の画素)。
入力グリッドと反対の出力グリッドの細部の配列に、一
様でないサンプリングを与えることで、倍率変更された
画像の改良されたコントラストが得られる。局所的なコ
ントラストは、出力グリッドに対して、細部の配列を良
くすることで改善する。独創的な方法は、入力グリッド
と出力グリッドの間の非配列が予め定められた閾値より
も悪いような出力グリッド内のそれらの位置を検出す
る。この検出は、幾何異性の計算を用いて行われる。こ
れに対して、出力内のノードのサブセットが、コントラ
ストの改良のために選択される。次に、選択された位置
の近くのデータが調べられ、もしデータが拡大のために
選ばれた位置からの細部(例えば、端部あるいは線ある
いは単一の画素)を示していれば(すなわちその位置に
おける信号の急速な変動により認識される)、検出され
た細部が出力グリッド上により良く表示されるように、
サンプリング位置はその場所の中で変更される。サンプ
リング位置の変更(すなわち増加か減少)の延長は、サ
ンプリング位置における変更を最小にしている間に、コ
ントラストを最大に高めることを得るという重なった要
求によって調整される。こうして、コントラスト強調の
希望する程度と、サンプリング位置を変更することによ
り引き起こされる空間的な非一様さの許容された程度と
の間の交換条件がある。
に、出力画素が入力画素に合わせられるか非常に近いと
きに、画像の歪みは発生しない。しかし、図3に示すよ
うに、出力画素が入力画素に近く合わせられるとき、画
像の細部は、異なる位置に非常に異なった形で再作成さ
れる。例えば、第1の場合(図2)、単一画素の幅広い
線が、単一画素の幅広い線としても出力され、それに対
して、第2の場合(図3)、単一画素の幅広い線が、よ
り大きい線(輝度は落ちる)として倍率変更される。
間が使用されるときの画像インパルス応答を示してい
る。補間は、1次元のみで示されているが、2次元にも
同様に適用できる。入力画素の周囲の空間は、多くの等
しい間隔を持った空間に分割され、信号位相として参照
される。出力サンプルが必要な時には、その位置が計算
され(すなわち出力画素がその中に落ちる位相)、入力
信号はその位相によってサンプルされる。
信号位相がフィルタ位相を持ったデータのたたみ込みを
通して計算されるものである。フィルタ位相と信号位相
とは、同じ番号によって数字的に認識される。図4に示
される例において、2個の続いた画素間の空間は、M個
の位相に分割される。この文脈において、“局所的コン
トラスト”は、2個の隣接する画素間のエネルギー差分
の絶対値として定義される。図5が示すように、入力は
局所的コントラストが大きな値を持つパルスであるが、
入力の倍率変更された新しいものの局所的コントラスト
は小さい場合がある。
実行され、2つの可能な結果のうちの1つが図6に示さ
れている。図6の上部は、2個の出力サンプルに対する
位相計算が、同じ量による位相の数を増やすことにより
変更される状況を示しているが、下の図は同じ量による
位相の数が減少する結果を示している。どちらを選ぶか
は、入力の細部と2個の出力サンプルの相対的位置によ
り決まる。わずか2個のサンプリング位置を変える理由
は、入力された細部のエネルギーの大部分は、コントラ
ストが改善されようとしている細部に最も近い2個のサ
ンプルに集まるからである。図6が示すように、ある場
合には、局所的なコントラストは改善されるが、他の場
合には改善されない(ことによると悪化する)。
相(H0,H1...HM-1)に分割されるフィルタを備え、フィ
ルタの各位相は入力サンプル finput から出力サンプル
fou tput を作る原因となる。細部検出器が与えられ
て、一様なサンプリングが良好なコントラストとならな
いような特別な場合を検出し、非一様なサンプリング制
御器を使用することで局所的なコントラストを改善す
る。
部検出器とは、図8のタイミング図と図9のフローチャ
ートとを参照して以下に、より詳細に始められる。図面
と以下の説明において、“特別な場合を検出する”段階
は、次の状況を検出することを意味している。
最も右側の出力サンプルであり、そして出力 y[l] は、
x[k] と x[k+1] の間の最も左側の出力サンプルであ
り、そして 閾値1<位相(y[l-1])<閾値2 そして 閾値3<位相(y[l])<閾値4 であり、
力サンプルの引数に対しても、その位相(図3に従っ
て、0からM−1の間の整数)を表しており、閾値1、
閾値2、閾値3、閾値4は、0からM−1の範囲の整数
の定数であり、これは、十分な局所的コントラストを与
えない一様なサンプリングの位置を定義する。閾値1と
閾値2とは、第1の出力サンプルの範囲を特定し、一
方、閾値3と閾値4とは、第2の出力サンプルの範囲を
特定する。閾値は、受け入れられると考えられる並べら
れない量を特定する。
次によって満たされる。 (x[k+1]-x[k])*(x[k]-x[k-1]<0, そして |x[k-1]-x[k]|>閾値5, そして |x[k]-x[k-1]|>閾値5 であり、
囲の値との間の整数であり、それによって、十分に大き
いそれらの入力パルスのみの選択を制限する。いかなる
入力サンプルにも近くなく、コントラスト強調の候補と
して以前に検出された、それらの出力サンプルにとっ
て、入力画素に対するデータは、画素がパルスを含んで
いるかどうかを見るために調べられるが、これは、現在
の値 x[k] は、前の値 x[k-1] と 次の値 x[k+1] より
大きいかあるいは小さいかである。
て満たされる。 |x[k]-x[k+1]|<閾値6 そして |x[k-1]-x[k]|>閾値7 であり、
動的範囲内の整数であり、十分に大きな端部のみを選択
する。閾値6は、1よりも大きく、これは雑音をフィル
タにかけるか、あるいは増幅される。雑音をフィルタに
かけることは、特に分離可能な処理の場合に有効であ
り、ここで本方法が最初、片方向に適用され、倍率変更
のアーチファクト(artifact)が、さらに他方向に処理
される。出力源が無雑音という理想的な場合において
も、2段階の倍率変更処理(1度に片方向)のゆえに、
第1の倍率変更の段階によってフィルタリングの性質
上、局所的細部がいくつかできてしまう。これらの細部
は、信号内の細部として解釈され、従って他方向の倍率
変更の間に増幅されることができる。それにもかかわら
ず、1段階の倍率変更処理においても、信号にはディジ
タル−アナログ変換とアナログ−ディジタル変換の間に
加えられた雑音があるために、雑音の閾値は、有効であ
る。
て満たされる。 |x[k-1]-x[k]|<閾値6, |x[k]-x[k+1]|>閾値7 である。
った場合は、位相 y[l-1] と位相 y[l] とは、x[k] に
対応する位相と比較され、これは図3の表記によればM
/2であり、位相の変化は位相M/2に最も近い位相が
さらに近づくことによって実行され、これは、もし M/2
-位相(y[l-1])<位相(y[l])-M/2 であるなら、位相(y[l-
1])+偏差は、位相(y[l-1])の代わりの出力のために計算
される。もし、上記の条件が満足されないと、位相(y[l
-1])-偏差が、位相(y[l-1])の代わりに計算される。位
相変化は、0からM−1の範囲に限定されなければなら
ない。
25だと、位相 (y[l-1])=6 かつ位相 (y[l-1])=57,閾
値1=0,閾値2=12,閾値3=52,閾値4=63 であり、状況
は (32-6)<(57-32) となりこれは偽となり、位相 y[l]
は、物理的に y[l] より x[k]により近くなることを意
味している。この場合、偏差は位相 (y[l]) から減算さ
れ、もしパルスがあれば偏差は同様に位相 (y[l]) から
減算される。“偏差”は、この倍率変更係数に対して6
に設定することができ、その結果、新しい位相はy[l-1]
に対して6−6=0また y[l] に対して57−6=5
1となる。
間の並びの程度を調整し、画像の鋭さを調整し、端部に
対して一つの値を持つことができ、パルスに対して異な
る値を持つことができる。条件に係わらず、“偏差”の
値はMを超えることはできない。実際の応用分野では、
“偏差”の値は、M/8とM/4の間であり、倍率変更
係数に依存する。
の両方は、同じ量だけ変更される。端部の場合には、端
部上の位相だけが変更される。位相変更あるいは“偏
差”の量は、数値的にパルスと端部とでは異なる。特
に、端部は、端部のそれよりも小さい“偏差”に対する
値を持つ。こうして、前述の例において、端部の“偏
差”の値は4となろう。
ば、本発明の実施形態は、水平方向に改善された細部の
強調を備えた画像倍率変更システムを始め、本発明の原
理は、垂直にあるいは水平方向と垂直方向の両方に適用
される。この実施形態あるいは他の代わりの実施形態
は、この点に関して添えられた請求の範囲の中で始めら
れた本発明の領域と範囲の中にあると思われる。
り、入力と出力の一様なサンプリンググリッドの相対的
な位置を示す図である。
ある。
す図である。
て、いかに多相補間がなされるかを示す図である。
補間がなされるかを示す図である。
かも知れない位置に細部が検出されたときに、出力サン
プリング速度を変更するような、本発明による装置のブ
ロック図である。
様なサンプリング速度との間の差を示すタイミング図で
ある。
ムを示すフローチャートである。
Claims (8)
- 【請求項1】 予め定められた入力空間解像度を持つ入
力信号から、上記の入力空間解像度とは異なる予め定め
られた出力空間解像度を持つ高コントラストの倍率変更
された画像を生成する装置であって、 上記入力信号の入力サンプルから出力サンプルを生成す
るための、位相に分割されるフィルタと、 上記入力サンプルの中で最も近くで起こるものから、予
め定められた時間閾値を超えて起こる上記出力サンプル
の内の予め定められたものを検出し、また、上記入力サ
ンプルの最近起こったものにおいて、上記入力信号の内
の画像の細部を検出するための細部検出器と、 上記画像細部と実質上並べられ、そのために上記細部の
画像コントラストを強調するように、上記出力サンプル
の内の上記の予め定められたものの場所を移すための出
力標本化回路とを備えることを特徴とする装置。 - 【請求項2】 上記の細部検出器は、上記パルス画像細
部の各端部と実質上並べられて、そこで予め定められた
振幅が上記の画像細部からの雑音にフィルタをかけるた
めの閾値として機能するように、上記の予め定められた
振幅を超えたパルス画像細部を検出し、かつ、それに応
えて上記の出力標本化回路に上記出力サンプルの2個の
隣接したものの場所を移させるための手段をさらに備え
ることを特徴とする請求項1記載の装置。 - 【請求項3】 上記の細部検出器は、上記の左端部の画
像細部と実質上並べられて、そこでさらに予め定められ
た振幅が上記の画像細部からの雑音にフィルタをかける
ための閾値として機能するように、上記の予め定められ
た振幅を超えた左端部の画像細部を検出し、かつ、それ
に応えて上記の出力標本化回路に上記の出力サンプルの
隣接したものの場所を移させるための手段を備えること
を特徴とする請求項1記載の装置。 - 【請求項4】 上記の細部検出器は、上記の右端部の画
像細部と実質上並べられて、そこで予め定められた振幅
が上記の画像細部からの雑音にフィルタをかけるための
閾値として機能するように、上記の予め定められた振幅
を超えた右端部の画像細部を検出し、かつ、それに応え
て上記の出力標本化回路に上記の出力サンプルの隣接し
たものの場所を移させるための手段を備えることを特徴
とする請求項1記載の装置。 - 【請求項5】 予め定められた入力空間解像度を持つ入
力信号から、上記の入力空間解像度とは異なる予め定め
られた出力空間解像度を持つ高コントラストの倍率変更
された画像を生成する方法であって、 上記入力信号の入力サンプルから出力サンプルを生成す
る段階と、 上記入力サンプルの中で最も近くで起こるものから、予
め定められた時間閾値を超えて起こる、上記出力サンプ
ルの内の予め定められたものを検出する段階と、 上記入力サンプルの中で最も近くで起こるものにおい
て、上記入力信号内の画像細部を検出する段階と、 上記画像細部と実質上並べて、それによって上記細部の
画像コントラストを強調するように、上記出力サンプル
の内の予め定められたものの場所を移す段階とを備える
ことを特徴とする方法。 - 【請求項6】 上記の画像細部を検出する段階は、上記
のパルスの画像細部と実質上並べられて、そこで予め定
められた振幅が上記の画像細部からの雑音にフィルタを
かけるための閾値として機能するように、予め定められ
た振幅を超えたパルス画像細部を検出し、かつ、それに
応えて上記の出力サンプルの隣接したものの場所を移さ
せるための手段をさらに備えることを特徴とする請求項
5記載の方法。 - 【請求項7】 上記の画像細部を検出する段階は、上記
の左端部の画像細部と実質上並べられて、そこで予め定
められた振幅が上記の画像細部からの雑音にフィルタを
かけるための閾値として機能するように、上記の予め定
められた振幅を超えた左端部の画像細部を検出し、か
つ、それに応えて上記の出力サンプルの隣接したものの
場所を移させるための手段を備えることを特徴とする請
求項5記載の方法。 - 【請求項8】 上記の画像細部を検出する段階は、上記
の右端部の画像細部と実質上並べられて、そこで予め定
められた振幅が上記の画像細部からの雑音にフィルタを
かけるための閾値として機能するように、上記の予め定
められた振幅を超えた右端部の画像細部を検出し、か
つ、それに応えて上記の出力サンプルの隣接したものの
場所を移させるための手段をさらに備えることを特徴と
する請求項5記載の方法。
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