JP2007300162A

JP2007300162A - 画像信号用エンハーサ回路

Info

Publication number: JP2007300162A
Application number: JP2006123861A
Authority: JP
Inventors: Maki Nakano; 真樹中野
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2006-04-27
Filing date: 2006-04-27
Publication date: 2007-11-15

Abstract

【課題】画像信号の解像感を向上させるために高域の周波数成分を強調する方式のエンハーサ回路に於いて、一律に高域の周波数成分を強調し一律にコアリング処理を施してしまうと、画像信号源の種類や特性の違いにより、本来の高周波成分だけでは無くノイズまでも強調してしまったり、反対に充分な高域強調が為されない場合も発生してしまう。
【解決手段】垂直ブランキング期間等の非有効画像期間に於ける画像信号のノイズレベル特性を検知し、その検知結果に基づいて高域強調処理の特性を制御する。更には複数の周波数帯ごと個別に制御する。また、有効画像領域に於ける高周波成分を各周波数帯ごとに検知し、画像信号にその周波数成分が含まれているか否かも判断して、高域強調処理の周波数特性を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、画像信号の解像感を向上させる為のエンハーサに関するものである。

近年HD化が進み、従来からのNTSC信号等は解像感を向上させて画面に表示させる事が求められている。そして従来から画像信号の解像感をアップさせる目的で、様々の方式が考えられている。その中のひとつの方式として、エンハーサと呼ばれる高域強調回路がある。これは元の画像信号に含まれている高周波成分のゲインをアップすることにより、輝度レベルの変化量を強調するものであり、特に水平走査方向の解像感アップには有効な手法である。

しかしながら画像信号、特にアナログの系を通された画像信号の高域の周波数成分には画像そのものの高周波成分だけでなく、ノイズ成分も含んでいる。そこで例えば特開2005-101949の様に、所定レベル以下の高域成分はノイズとみなし切り捨ててしまうコアリング処理が用いられている。
特開2005-101949公報

しかし画像信号に重畳されているノイズ成分も、その発生原因により様々なタイプがある。例えば、アナログ放送やアナログ磁気記録装置であれば、FM変復調に伴う三角ノイズや変調信号のC/Nに伴うS/N劣化が発生する。またフルデジタルと称される、撮影から描画まで全ての処理をデジタル信号として扱われたものであっても、撮影に用いられた撮像素子固有のノイズが含まれている。

また、本来の画像信号が持つ周波数成分の帯域にも様々なケースがあり得る。

図６は、画像信号とノイズ成分がどの様な周波数帯に存在するかを模式的に表したものである。例えば図６の（Ｉ）はアナログ地上波放送の場合であり、画像信号の帯域は放送局側で4.2MHzに抑えられている。そして4.5MHzには音声信号のキャリアが、4.75MHz以上には隣接チャンネルの成分があり、これは受信している画像信号にとってはノイズとなる。そして図には示していないが、4.2ＭHz以下の帯域にもFM変復調や送信波C/Nに伴うノイズ成分も含まれている。

また図６の（II）はVHS方式の家庭用ビデオ録画再生装置からの再生信号であり、磁気記録フォーマットの都合上、画像信号の帯域はFM変調前に約3MHzの帯域に制限されている。そして3.4MHzから4.4MHzにかけては磁気記録時のFM変調の残留キャリア成分がノイズとして存在し、3MHz以下にも僅かながら種々のノイズが含まれている。

図６の（III）は、最近のデジタルビデオ機器類からの出力で、13.5MHzサンプルの場合である。この場合、エイリアスによる妨害を防ぐ目的で、画像信号は5.5MHz以下の帯域に制限されている場合が多い。そしてサンプリング周波数の1/2（6.75MHz）以上の帯域にはエイリアスと呼ばれる折り返しノイズが存在する。

これら以外にも画像信号の特性やノイズの発生原因は多種多様であり、それらが幾つかの組み合わせと成っている事の方が多い。であるからこそ画像信号ごとに異なる履歴により、それぞれ異なる画像信号成分とノイズ成分とを含んでいる事になる。よって、一律に高域の周波数成分を強調し、一律にコアリング処理を施してしまうと、本来の高周波成分だけでは無くノイズ成分も強調してしまったり、反対に充分な高域強調が為されない場合も発生してしまう。

本発明は、垂直ブランキング期間等の非有効画像期間に於ける画像信号ノイズレベル特性を検知し、その検知結果に基づいて高域強調処理の特性を制御するものである。

ノイズレベルとして許容出来る範囲内での高域強調処理が可能と成る。また、画像信号には含まれていない周波数帯のノイズレベル増加を防ぐ事が出来る。

次に、本発明の詳細を実施例の記述に従って説明する。

（第１の実施例）
図１は本考案を用いた第１の実施例によるNTSC信号入力段の回路ブロック図である。

同図に於いて、100はアナログ画像信号入力端子、101はこれを量子化するA/Dコンバーター、102は遅延回路、104はデータ加算器、105はノイズレベル検知回路、106はデジタルアッテネータ制御ブロック、107は同期分離回路、110はデジタル画像データ出力端子、112はデジタル演算によるバンドパスフィルタ（以降、BPFと称す。）、113はデジタルアッテネータ、である。

A/Dコンバーター101にて量子化された画像データは遅延回路102とBPF112に供給される。BPF112は画像信号中の高域成分（2~3MHz近辺）を抜き出し、次段のアッテネータ113にて乗算処理が為された後、加算器104にて遅延回路102からの出力にミックスされる。この遅延回路102は、BPF112とアッテネータ113にて遅延する時間と同等の時間分、A/Dコンバーター101の出力を遅延させる。加算器104の出力は量子化されたオリジナルの画像データ（遅延回路102出力）に高域成分（アッテネータ113出力）を加えたものとなり、本回路ブロックの出力であるデジタル画像データ出力端子110から出力される。加算器104の出力はまた、ノイズレベル検知回路105にも供給される。ノイズレベル検知回路105ではデジタル画像データ出力の出力振幅を検知し、その結果をノイズレベル信号としてデジタルアッテネータ制御ブロック106に伝える。デジタルアッテネータ制御ブロック106は同期分離回路107からのタイミング信号のもと、垂直帰線期間に於けるノイズレベル検知回路105からのノイズレベル信号に基づき、デジタルアッテネータ113でのゲインを指示する。

図２はこのデジタルアッテネータ制御ブロック106の働きを示すもので、同図中ａ）はアナログ画像信号入力端子100での入力信号波形、ｂ）はデジタルアッテネータ113へのゲイン指示値、ｃ1）〜ｃ3）はデジタル画像データ出力端子110での画像データをアナログ信号に変換したと仮定した場合のノイズを、そしてｃ1）〜ｃ3）の点線はノイズ許容限界レベルを表す。

垂直方向スキャン終了後の所定のタイミングｔ0に於いて、先ずデジタルアッテネータ113へのゲイン指示値を“0”にする。そして垂直同期信号終了後の所定のタイミングｔ1から徐々にデジタルアッテネータ113へのゲイン指示値を増やして行く。これに伴い、デジタル画像データ出力端子110での画像データは高域成分が増えて来るが、もともと非有効画像期間であり画像信号は含まれていないはずである。その為、この時にデジタル画像データ出力端子110で増加してくる信号は、入力されたアナログ画像信号中のノイズ成分に他ならない。このノイズレベル振幅をノイズレベル検知回路105は検知し、デジタルアッテネータ制御ブロック106に伝える。デジタルアッテネータ制御ブロック106は、ノイズレベル振幅がノイズ許容限界レベルに達した時点で、デジタルアッテネータ113へのゲイン指示値の増加をストップし固定する。

入力されたアナログ画像信号中のノイズレベルが大きい場合にはその限界に早く達し、ノイズレベルが小さい場合にはなかなか達しない。（ｂ1）〜（ｂ3）とｃ1）〜ｃ3）は、それぞれノイズレベルが小さい場合、中程度の場合、大きい場合の例である。もしノイズレベルが小さく限界に達しない場合には、高域強調処理に充分なレベルに達した時点でゲイン指示値を固定する。これが（ｂ1）とｃ1）に示す例であり、ｔ4のタイミングに至ってもノイズレベルは限界に達せず、ここでデジタルアッテネータ113へのゲイン指示値の増加をストップし固定する。（ｂ2）とｃ2）に示す例はノイズが多少含まれていた場合の例で、ｔ3にてノイズレベル限界に達する。そしてこの時点に於けるゲイン指示値を固定する。同様に（ｂ3）とｃ32）に示す例はノイズが多く含まれている場合の例で、早くもｔ2にてノイズレベル限界に達する。

いずれの場合でも、垂直帰線期間中に決定されたデジタルアッテネータ113へのゲイン指示値は次の垂直帰線期間まで維持される。尚、ここでデジタルアッテネータ113へのゲイン指示値は毎回判定した値を用いる様に説明したが、デジタルアッテネータ制御ブロック106に於いて、過去数フレーム〜数十フレーム、或いは数百フレームにわたる判定結果の平均値をデジタルアッテネータ113へのゲイン指示値に用いる等、急激な変化とならない様な工夫が為されても良い。

（第２の実施例）
図３は本考案を用いた第２の実施例であり、アナログ信号処理回路に用いた場合の例である。

同図に於いて、200はアナログ画像信号入力端子、202は遅延回路、203は第１の可変利得アンプ、204は信号加算器、205はノイズレベル検知回路、206は電位保持回路、207は同期分離回路、208は基準電圧源、209は差動増幅器、210はアナログ画像データ出力端子、212はローパスフィルタ（以降、LPFと称す。）、213は第２の可変利得アンプ、である。

また図４は、この回路ブロックの動作を説明するための信号波形であり、同図中ａ）はアナログ画像信号入力端子200からの入力画像信号、ｄ）は同期分離回路207から電位保持回路206に対し出力される保持制御信号、ｅ）は電位保持回路206から第１及び第２の可変利得アンプ203、213に出力されるゲイン設定電圧である。

アナログ画像信号入力端子200から入力された画像信号は、遅延回路202とLPF 212に供給される。LPF 212はカットオフ周波数2MHz程度のフィルターで、遅延回路202はLPF 212と時間合わせを行なう為のディレィラインである。遅延回路202とLPF 212からの画像信号は、それぞれ第１第2の可変利得アンプ203及び213にてそれぞれ電位保持回路206からのゲイン設定電圧にてゲインを制御され、信号加算器204にて減算処理される。この減算出力がアナログ画像データ出力端子210から出力され、またノイズレベル検知回路205にも供給される。ノイズレベル検知回路205では高周波成分のみを抜き出した上で、その振幅をDCレベルに変換して差動増幅器209の反転入力に供給する。一方、差動増幅器209の非反転入力には所定の基準電位が基準電圧源208より供給され、差動増幅器209の出力は電位保持回路206を介して第１第2の可変利得アンプ203及び213へのゲイン設定電圧に用いられる。電位保持回路206は、差動増幅器209の出力に基づいて出力するスルーモードと、直前の出力レベルを維持し続けるホールドモードの両機能を具備し、その切り換え制御を行なうのが同期分離回路207からの保持制御信号である。

さて、遅延回路202の出力はベースとなるオリジナル画像信号、LPF 2１2の出力はアンシャープネスマスク用画像信号である。両画像信号はそれぞれ第１第２の可変利得アンプ203及び213にてゲインを制御された後、信号加算器204にて減算処理される。ここで第２の可変利得アンプ213での設置ゲインを×α（0≦α）とすると、第１の可変利得アンプ203での設置ゲインは×（1+α）とする。すると信号加算器204の出力として得られる画像信号は、第１の可変利得アンプ203の出力信号である1+α倍されたベース信号から、第２の可変利得アンプ213の出力信号であるα倍されたアンシャープネスマスク信号を減ずる事になる。その結果、アナログ画像データ出力端子210からの出力は、低域でのゲインは常に×1、高域でのゲインは×（1+α）と成り、高周波成分のみゲインがアップされた事に成る。

電位保持回路206が差動増幅器209の出力をそのまま出力するスルーモードの場合、差動増幅器209は、第１第2の可変利得アンプ203及び213、信号加算器204、ノイズレベル検知回路205から成る閉ループによりフィードバック制御が働き、ノイズレベル検知回路205の出力電位と基準電圧源208からの電位が等しく成る様に機能する。その結果として、常に等しい振幅の高周波成分が出力される事に成る。

次に、図４を用いて、このブロック全体の動作説明を行なう。アナログ画像信号入力端子202から入力された画像信号の垂直同期信号が終わった時点ｔ20から、有効画像期間が始まる少し前の時点ｔ21にかけて、同期分離回路207は電位保持回路206に対し、スルーモードを指示する。これが図４のｄ）に示す信号で、“L”期間がスルーモード期間である。すると先に説明した様に、第１第2の可変利得アンプ203及び213、信号加算器204、ノイズレベル検知回路205から成る閉ループによりフィードバック制御が働き、アナログ画像データ出力端子210には一定の振幅の高周波信号が出力される。しかしｔ20〜ｔ21の期間は非有効画像期間であり、画像信号は一切含まれていない。つまりここで出力される「一定の振幅の高周波信号」とは、入力された画像信号のノイズ成分に他ならない。その振幅が許容出来る最大の値と成る様、先の基準電圧源208は設定されている。

さてｔ21のタイミングにて同期分離回路207は、電位保持回路206をホールドモードに切り換える。すると第１第2の可変利得アンプ203及び213は直前のフィードバック制御状態に於けるゲイン設定に固定され、次の垂直同期信号まで維持される。図４のｅ）が、ゲイン設定電位である。ｔ20〜ｔ21の期間はフィードバック制御が機能するため、ゲイン設定電位は逐一変化するが、ｔ21以降は一定の値に維持されている。

（第３の実施例）
図５は本考案を用いた第３の実施例であり、周波数帯域ごとに分割処理する場合の例である。

同図に於いて、300はアナログ画像信号入力端子、301はこれを量子化するＡ/Ｄコンバータ、302は遅延回路、304はデータ加算器、307は同期分離回路、310はデジタル画像データ出力端子、312はデジタル演算による第１のBPF、313は第１のデジタルアッテネータ、315は第１のノイズレベル検知回路、316は第１のデジタルアッテネータ制御ブロック、322は第２のBPF、323は第２のデジタルアッテネータ、325は第２のノイズレベル検知回路、326は第２のデジタルアッテネータ制御ブロック、332は第３のBPF、333は第３のデジタルアッテネータ、335は第３のノイズレベル検知回路、336は第３のデジタルアッテネータ制御ブロック、である。

アナログ画像信号入力端子から入力された画像信号は、Ａ/Ｄコンバータ301と同期分離回路307に供給される。Ａ/Ｄコンバータ301にて量子化されたデジタル画像データは遅延回路302を経てデータ加算器304に供給されるとともに、第１ないし第２、第３のBPF 312, 322, 333及びデジタルアッテネータ313, 323, 333を介して、やはりデータ加算器304に供給され、ここで全て加算される。各デジタルアッテネータ313, 323, 333は、それぞれ第１ないし第２、第３のデジタルアッテネータ制御ブロック316, 326, 336が、第１ないし第２、第３のノイズレベル検知回路315, 325, 335からのデータを基に指示し、減衰量を変化させる。

ここで各BPF 312, 322, 333の特性を示したものが図７である。第１のBPF 312は図７のBPF-Lの如く2〜3MHzの帯域を、第２のBPF 322はBPF-Mの如く3〜4.2MHzの帯域を、そして第３のBPF 332はBPF-Hの如く4.2〜5.5MHzの帯域をそれぞれ通過させる。これは先に「発明が解決しようとする課題」にて説明した図６の様に、様々なアナログ画像信号入力に対応する為である。尚、各BPF 312, 322, 333と遅延回路302は、同一の遅延時間を有する。

この実施例の場合も先の「第１の実施例」と同様、垂直帰線期間に於いて許容出来る範囲で最大の高周波成分強調量を決定し、1垂直走査期間これを維持する。「第１の実施例」では、高周波成分を全てひとつのBPFにてまとめて処理していたのに対し、本実施例では第１ないし第２、第３のBPF 312, 322, 333に分けて処理する点が異なる。

（第４の実施例）
図８は本考案を用いた第４の実施例であり、これも周波数帯域ごとに分割処理する場合の例である。

同図に於いて、400はアナログ画像信号入力端子、401はこれを量子化するＡ/Ｄコンバータ、402は遅延回路、404はデータ加算器、407は同期分離回路、410はデジタル画像データ出力端子、412はデジタル演算による第１のBPF、413は第１のデジタルアッテネータ、415は第１のノイズレベル検知回路、422は第２のBPF、423は第２のデジタルアッテネータ、425は第２のノイズレベル検知回路、432は第３のBPF、433は第３のデジタルアッテネータ、435は第３のノイズレベル検知回路、499はこのブロック全体を制御するCPU、である。

この実施例の場合でも第３の実施例の場合と同様、Ａ/Ｄコンバータ401にて量子化されたデジタル画像データは遅延回路402を経てデータ加算器404に供給されるとともに、第１ないし第２、第３のBPF 412, 422, 433及びデジタルアッテネータ413, 423, 433を介して、やはりデータ加算器404に供給され、ここで全て加算される。但しこの実施例の場合には、各デジタルアッテネータ413, 423, 433にて減衰される前の画像信号を、第１ないし第２、第３のノイズレベル検知回路415, 425, 435に供給する。そして各ノイズレベル検知回路415, 425, 435にて検知された高周波成分レベルはCPU499に伝えられる。CPUは同期分離回路407からのタイミング情報に基づき垂直帰線期間の各ノイズレベルをチェックし、その結果を各デジタルアッテネータ413, 423, 433への設定指示値に反映させる。

また更なる処理としてCPU499は、垂直帰線期間に於いて取り込んだ各高周波成分を記憶しておき、有効画像期間に於ける各高周波成分もノイズレベル検知回路415, 425, 435にて検知させる。もし有効画像期間と垂直帰線期間に於ける各高周波成分との差異が少なければ、画像信号としての周波数成分は存在しないと判断し、各デジタルアッテネータ413, 423, 433での減衰量を最大に設定してミュートさせる。この場合、それぞれ上位側周波数帯を受け持つノイズレベル検知回路425, 435からの判定結果をも参考にする等の方法が考えられる。そして一旦ミュートさせた場合でも、垂直帰線期間のたびに高周波成分強調量を測定し直し、その値が大きく変化しない限り同質の画像信号と判断しミュートを維持する。或いは、同期信号の不連続が発生した際にアナログ画像信号入力が切り換えられたと判断し、ミュートを解除する。

第１の実施例による高域強調処理回路ブロック図。第１の実施例に於ける信号波形図。第２の実施例による高域強調処理回路ブロック図。第２の実施例に於ける信号波形図。第３の実施例による高域強調処理回路ブロック図。画像信号の周波数成分特性。第３の実施例に於ける各BPF特性例。第４の実施例による高域強調処理回路ブロック図。

符号の説明

101、301、401 A/Dコンバータ
102、202、302、302 遅延回路
112、312、322、332、412、422、432 BPF
212 LPF
113、313、323、333、413、423、433 デジタルアッテネータ
203、213 可変利得増幅器
104、204、304、404 加算器
105、205、315、325、335、415、425、435 ノイズレベル検知ブロック
106、316、326、336、416、426、436 アッテネータ制御ブロック
206 電位保持回路
107、207、307、407 同期分離回路
208 基準電圧源
209 差動増幅器
499 CPU

Claims

高周波成分の振幅レベルを検知する事により画像信号中のノイズレベルを検出するノイズレベル検知手段と、画像信号の高周波成分を強調する高域強調手段と、高域強調手段での高周波成分強調度を変化させる強調可変手段と、強調可変手段での強調度を決定する強調度判定手段とを具備した画像信号用エンハーサ回路であって、
強調度判定手段は非有効画像期間に於けるノイズレベル検知手段での検知結果を基に強調度を決定する事を特徴とする画像信号用エンハーサ回路。
請求項１に記載の画像信号用エンハーサ回路において、
ノイズレベル検知手段は高域強調後の画像信号に於けるノイズレベルを検出する事を特徴とする画像信号用エンハーサ回路。
請求項１に記載の画像信号用エンハーサ回路において、
高域強調手段は、入力画像信号から高周波成分を抜き出す強調成分抽出手段と、強調成分抽出手段にて抽出された高周波成分を入力画像信号に加算する加算手段から成り、
ノイズレベル検知手段は強調成分抽出手段にて抽出された高周波成分に含まれるノイズレベルを検出する事を特徴とした画像信号用エンハーサ回路。
請求項１〜請求項３のいずれかに記載の画像信号用エンハーサ回路であって、
非有効画像期間中、強調可変手段での強調度を徐々に上昇または下降させ、ノイズレベル検知手段での検知結果が予め定めた値と成った時点での強調度を、強調度判定手段での決定値とする事を特徴とする画像信号用エンハーサ回路。
請求項１〜請求項３のいずれかに記載の画像信号用エンハーサ回路であって、
非有効画像期間中の予め定めた期間、ノイズレベル検知手段での検知結果を強調可変手段にフィードバック制御をかけ、
有効画像期間に移行する前の予め定めたタイミングに於ける強調度を、強調度判定手段での決定値とする事を特徴とした画像信号用エンハーサ回路。
請求項１〜請求項５のいずれかに記載の画像信号用エンハーサ回路であって、
入力画像信号を複数の周波数帯域に分割する帯域分割手段と、帯域分割手段にて分割された各周波数帯域ごとにノイズレベル検知手段と、高域強調手段と、強調可変手段を１組づつ具備し、
強調度判定手段での決定値は各周波数帯域ごとに決定される事を特徴とする画像信号用エンハーサ回路。
請求項６に記載の画像信号用エンハーサ回路であって、
各周波数帯域ごとに設けられたノイズレベル検知手段は有効画像期間も高周波成分の振幅レベルを検知し、この検知結果と非有効画像期間に於ける検知結果との差が予め定めた範囲以内であった場合には、入力画像信号はその帯域の信号成分を含んではいないと判断し、該当する帯域用の強調可変手段での強調度を最低レベルに設定する事を特徴とする画像信号用エンハーサ回路。
請求項６に記載の画像信号用エンハーサ回路であって、
各周波数帯域ごとに設けられたノイズレベル検知手段は有効画像期間も高周波成分の振幅レベルを検知し、この検知結果と非有効画像期間に於ける検知結果との差が予め定めた範囲以内であった場合には、入力画像信号はその帯域の信号成分を含んではいないと判断し、該当する帯域用の高域強調手段での強調処理を停止する事を特徴とする画像信号用エンハーサ回路。