JP2008122423A - ヒストグラム調整装置 - Google Patents

Abstract

【課題】オシロスコープに表示する画像用に形成するヒストグラムを作成し連続的に調整する。
【解決手段】ラスタ化入力画像を受ける手段と；装置の構成要素とデータの授受を行えるマイクロプロセッサと；ラスタ化入力画像を蓄積するラスタ・プレーンとしてのメモリ（３２）と；ラスタ・プレーン内に含まれる画像データを、マップ・プレーン（６５）としてのメモリに蓄積する画像データに変換する変換手段（６１）と；マップ・プレーンに蓄積された画像データのヒストグラムを作成するヒストグラム収集器と；マップ・プレーンのピクセル輝度がヒストグラム内に略均等に分布するようにヒストグラム特性を調整するヒストグラム均等化関数手段（２０１）とを具えている。
【選択図】図７

Description

本発明は、一般に、オシロスコープの表示装置に関し、特に、ヒストグラムを用い且つ表示するオシロスコープ用のヒストグラムの調整装置に関する。

従来のオシロスコープは、ピクセル輝度のダイナミック・レンジが大きい内部画像から得た波形画像を表示できる。すなわち、オシロスコープが取り込んだ信号を処理して得た内部画像を、更に表示用に処理して、波形画像として表示している。内部画像のピクセル輝度の変動が大きいかもしれないが、この画像の実際の表示は、輝度範囲を制限しているので、内部画像内に含まれる情報の総てを完全に反映していない。かかる問題を有するオシロスコープの一例は、イゼリッジ等の米国特許第５９８６６３７号「強調したデューティ・サイクルで信号を観察するデジタル・オシロスコープ・アーキテクチャ」に記載されている。この米国特許に記載された装置では、まれで、異常で、非繰り返しの事象を検出し、最終的に表示するために、入力信号をアクティブにモニタする時間の割合を増やしている。

上述の米国特許は、取込み技術を改善するために、信号波形画像に組み込むための信号取込みの数を増やして、内部画像輝度のダイナミック・レンジをより広くすることを示している。しかし、既存の表示技術の制限から、この向上させたダイナミック・レンジを表示することができない。現在のオシロスコープは、ユーザに示す輝度のダイナミック・レンジは、典型的には、わずか１６レベルである。これからのオシロスコープは、たぶん、６４レベル以上（例えば、２５６レベル）の輝度レンジとなるであろう。

表示可能なダイナミック・レンジが制限されているので、望ましい目標は、内部波形画像から最大輝度変動及び最大信号情報を抽出することである。理想的には、利用可能だが限定された表示のダイナミック・レンジを自動的に且つ完全に用いる方法と、この方法を実現する機構とが必要である。ヒストグラムを均等化することは、画像のコントラストを増やして、ダイナミック・レンジを用いる既知の画像処理方法である。かかる画像処理の一例は、キムによる米国特許第５９９５６５６号「ロウパス・フィルタ及びヒストグラム均等化を用いた画像強調方法及びそのための装置」に記載されている。画像輝度のヒストグラムを平坦にするために画像の輝度を調整することにより、画像内に存在する輝度の全ダイナミック・レンジを最高に表すことができる。

輝度調整を行うことにより、同様な方法で従来表示していた類似の輝度の多くのピクセルを異なる輝度で表すことができる。ヒストグラムは、画像に現れる輝度の相対分布を表す。例えば、図１は、テレビジョン掃引信号から得た典型的な入力ヒストグラム３５を示す。このヒストグラムは、横軸がピクセルの輝度値を表し、縦軸が各輝度値のピクセル数を表す。このヒストグラム３５は、領域１７、１８、１９及び２０の如き一連の区切り、即ち、列（縦行）から成る。これら領域の各々は、画像内に存在し、可能性のあるピクセル輝度のサブセット又は範囲を示す。各ピクセルの輝度を試験し、適切なヒストグラム列、即ち「ビン」に割り当てる。これは、検出した輝度に一致する。画像内に輝度の分布が一様ならば、ビンのカウント値が同じなので、ヒストグラムは、「一様」又は「均等」である。図１で判るように、典型的なヒストグラム３５は、不均一であり、測定したピクセルの輝度のほとんどは、ビン１７、１８及び１９の付近でグループ分けされ、実際的には、領域２０及びその先には、画像要素が存在しない。

図２は、図１の生の入力画像ヒストグラムに適用できる伝達関数３２を表す。この伝達関数３２は、多くのブレークポイント、即ち、遷移点２１、２２、２３、２４、２５、２６、２７、３８、３０及び３１を有する。この場合、これらの遷移点は、変化する傾斜の一連の線形伝達関数となる。入力画像を伝達関数３２に適用することにより、図３に示す出力ヒストグラム３３が得られる。輝度の分布を改善する一方、４、５、１４及び１５の如き領域が依然あり、これらは、比較的大きな量のデータを含む。一方、領域６、１１、１２及び１６は、比較的小さな画像データを含んでいる。よって、略平坦な出力ヒストグラムが得られない。これは、個別のヒストグラム均等システムを用いる場合の典型である。図１１は、典型的な従来のオシロスコープが表示する代表的な画像２３０を示す。例えば、領域２３３は、主として青色であり、領域２３４は、主として緑色である。また、わずかであるが、他の色も存在する。画像２３０が実際の被観察波形を表しているか、又は、主としてオシロスコープの信号処理回路のアーティファクトであるかについて、かかる画像の観察者が疑問を感じる。

広いダイナミック・レンジの画像を狭いダイナミック・レンジの表示に変換するために利用できるプログラマブル・マッピング機構が存在する。かかる技術は、例えば、ワックスマン等の米国特許第５９０９２４４号「低い可視光画像を含む画像のダイナミック・レンジ再マッピング用実時間適応デジタル画像処理」に記載されている。この装置は、線形マッピング又はガンマ補正マッピングを実現できる。

米国特許第５９８６６３７号明細書 米国特許第５９９５６５６号明細書 米国特許第５９０９２４４号明細書

本発明は、ヒストグラム均等化をオシロスコープの波形表示に適用する際の問題を改善したヒストグラム調整装置を提供することである。

本発明は、オシロスコープに表示する画像用に形成するヒストグラムを作成し連続的に調整する装置であって；ラスタ化入力画像を受ける手段と；装置の構成要素とデータの授受を行えるマイクロプロセッサと；ラスタ化入力画像を蓄積するラスタ・プレーンとしてのメモリ（３２）と；ラスタ・プレーン内に含まれる画像データを、マップ・プレーン（６５）としてのメモリに蓄積する画像データに変換する変換手段（６１）と；マップ・プレーンに蓄積された画像データのヒストグラムを作成するヒストグラム収集器と；マップ・プレーンのピクセル輝度がヒストグラム内に略均等に分布するようにヒストグラム特性を調整するヒストグラム均等化関数手段（２０１）とを具えている。

本発明においては、表示輝度のダイナミック・レンジをより完全に利用する。これにより、ユーザは、ラスタ化画像（ラスタ化した画像；単に、ラスタ画像と呼ぶこともある）データの周波数又は大きさを示す複数ピクセルの間の輝度差をより簡単に識別できる。

本発明により、典型的には、ユーザは、表示スクリーン上に現れる安定状態の波形の総てを観察できる。本発明によらないで一層典型的な線形表示機能を用いた場合、表示スクリーン上の波形が不明瞭になる。広いダイナミック・レンジのラスタ化画像（ラスタ化された画像）から、表示装置のより狭いダイナミック・レンジにマッピングする際、ヒストグラム均等化アルゴリズムを適用する。

ダイナミック・レンジを小さくするマッパー（マッピング手段）用ハードウェアも用いて、入力画像及び既存のマッピング関数に基づいて表示出力画像のヒストグラムを計算する。発生されたヒストグラムは、出力画像の複数の輝度レベルと同じ多さの領域、即ち、ビンを有する。この技術は、ヒストグラムの情報内容を制限するが、入力画像のヒストグラムを取るよりも一層高速の計算が可能である。これは、本発明の顕著な特徴である。その限りにおいては、既存のヒストグラムを試験し、オリジナル画像に適用する新たなマッピング関数を計算して、ヒストグラム均等化を行う。オリジナルのマッピング関数は、最大入力画像ピクセル値に基づいた入力画像の線形マッピングとしてプログラムできる。出力画像のヒストグラムは、入力画像のヒストグラムの総ての情報を完全に表すことができないので、出力画像から発生した任意のマッピング関数は、ヒストグラムを正確に均等化できない。この理由により、多数のパスにおいて実行できるヒストグラム均等化関数調整アルゴリズムを開発した。各時点において、この関数は、新たな出力画像ヒストグラムを発生する。調整アルゴリズムは、オリジナルのマッピング関数を調整して、ヒストグラムを更に均等化しようとする。

入力画像を狭いダイナミック・レンジにマッピングすることは、ヒストグラム・データの収集と同時に行える。または、メモリへの書き込みを行うことなく、マッピングを行う。または、ヒストグラム情報の収集のみが生じる。ヒストグラム均等化関数調整アルゴリズムをオシロスコープ画像に適用して、マッピング関数の均等化特性を改善する。次に、新たなマッピング関数を、マッピングする次の画像に適用する。次の画像は、前の画像よりも小さいか、少なくとも同じ入力ヒストグラム特性を有していると仮定する。この仮定や、その後の画像のヒストグラム特性の予測により、処理時間を節約できる。これは、別のヒストグラム収集関数を実行する必要がないためである。典型的には、現在の画像のヒストグラム収集を行う一方、現在の画像を表示用にマッピングする。

表示用の一連の画像のヒストグラム特性が変化するとき、典型的には、画像から画像へのこれら変化は、非常にわずかである。ヒストグラム均等化関数調整アルゴリズムが、これら変化に続くので、表示すべきほとんどの出力画像に対して、適切なヒストグラム均等化関数を維持する。画像から画像に対して、画像の大きな変化があると（例えば、信号を付加したり、信号を除去したりすると）、このアルゴリズムは、完全に調整するために、いくつかの連続した画像を必要とする。

オシロスコープ画像用に用いる多くの他の一般の画像処理アルゴリズムと一緒に、本発明を良好に用いることができる。かかるアルゴリズムの例には、ヒストグラム特定、局部的ヒストグラム強調、画像減算、ハイ・ブースト（高周波補償）フィルタ、及びメディアン（中間周波数選択）フィルタがある。

図５は、本発明の第１実施例のブロック図である。ラスタ化された入力画像（ラスタ化入力画像）６４は、画像マッパー（マッピング手段：変換手段）１６０により処理される。このマッパー１６０は、単位ピクセル当たりのビット数を、典型的には、３２から８（又はそれ未満）に減らす。なお、ラスタ化画像は、ビット・マップ・プレーンの形式で蓄積されている。マッパー１６０は、入力ラスタ化画像６４に現れる輝度のＮビット／ピクセル（単位ピクセル当たりＮビット）を、出力画像１４８の表示に利用できるｎビット／ピクセル（ｎはＮ未満）に変換又は移す。マッピングされたラスタ化画像１４８をヒストグラム収集器１１０に供給する。コンピュータ・プログラム（ヒストグラム均等化関数手段）１５０は、コンピュータ（又はマイクロプロセッサ：図示せず）を制御して、画像の輝度レベルを処理して、画像内のピクセル分布を均等化する。本発明を主にソフトウェアで実現する場合、ヒストグラム収集器１１０は、コンピュータ・プログラム１５０と相互作用する適切なマイクロプロセッサと、メモリとにより主に構成されている。

図６は、本発明の第１実施例におけるソフトウェア（プログラム１５０を含む）の一部を説明する流れ図である。以下、この流れ図を参照して、図５の動作を説明する。プログラム１５０は、ステップ４０にて開始し、出力ラスタ化画像１４８の輝度データを収集する。ステップ４１において、出力画像１４８内に存在する最大輝度Ｉを識別する。ラスタ化画像１４８内に存在するマッピングされない輝度Ｐの総ては、しきい値レジスタ７８に蓄積された複数のビンに分割される。なお、各ビンは、可能な表示輝度の領域を表す。ステップ４２において、用いる各輝度ビンの大きさを最適化するために、最大輝度ピクセル及びゼロの間の輝度の数を、輝度の最大可能数として利用する。ステップ４３において、各輝度ビンの所望輝度分解能、又は、そのレンジＲを選択する。

可能な表示輝度の総てを捕獲するのに必要な輝度ビンの最大数Ｍは、ラスタ化画像１４８内で見つかった最大輝度Ｉの値と、各輝度ビンの所望輝度分解能又はレンジＲとに応じて決まる。ステップ４４では、式Ｍ＝Ｐ／Ｒに応じて、輝度ビンの最大数を計算する。したがって、輝度ビンの分解能は、最大ピクセル輝度及びゼロの間の輝度の数を輝度ビンの総数で除算したものに等しい。ステップ４５で、画像内に存在する非ゼロ輝度（ゼロでない輝度）の総数Ｚを測定（計算）する。各表示可能な輝度レベルに対してマッピングする可能な又は期待される輝度の数Ｅは、画像６４内の非ゼロ輝度の総数を表示可能な輝度レベルの数（例えば、１５と仮定する）で除算したものである。よって、ステップ４６では、式Ｅ＝Ｚ／１５を求める。

ステップ４７は、各画像輝度要素（ラスタ画像ピクセル）を輝度ビンに割り当てる。この点において、画像輝度の実際の分布は未知である。各輝度ビンの実際のしきい値又は境界を決めるために、プログラムは、先ず、ステップ４８にて、最大数のデータ要素（ピクセル）を含む輝度ビンを試験する（求める）。ステップ４９において、プログラムは、次に少ない数のデータ要素を含む第１輝度ビンを検索する。ステップ５０にて、表示可能な輝度レベル毎の輝度の期待数に遭遇したか、即ち、Ｅ個のピクセルを計数したかの判断の後にも、このステップ４９が生じる。この輝度ビンに関連した輝度Ｂは、第１しきい値Ｔ1を確立する。代わりに、表から又は設計されたプロトコルに応じてしきい値Ｔを割り当てて、所望の形状又は特性を有するヒストグラムを作成できる（ステップ５１）。マッピングするように残った利用可能輝度レベルＰの総てを確立したしきい値Ｔに割り当てるまで（ステップ５２）、又は、輝度ビン８０（図５）に含まれる最終データに達するまで（ステップ５３）、上述の検索を継続する。ステップ５４で完成したヒストグラムは、次の連続する入力画像６４に適用できる。最小から最大の輝度ビンまでを検索する際、輝度の期待数又は有望な数Ｅを１個の輝度ビンにわたって複数回見つけるか、又は、そのためにいくつかの輝度ビンが必要なことに留意されたい。

このしきい値定義方法の１つの欠点は、マッピングすべき画像ピクセルの最大するに対する不釣り合いに大きい値により、輝度ビンが比較的粗い出力画像１４８を形成するかもしれないことである。さらに、大きな数のピクセルが非常に類似した輝度レベルを有すると、単一の輝度ビンがこれらピクセルの総てを吸収するかもしれない。

これら２つの条件のいずれかにより、表示可能な輝度レベルの数に適切なより少ないしきい値を作成できる。上述の欠点を補償するために、コンピュータ・プログラム１５０は、大きな数の輝度ビンを用いなければならない。例えば、１５個の表示可能な輝度レベルを効果的にマッピングすると共に、合理的なヒストグラム均等化を行うために、プログラム１５０は、５万個の輝度びんのオーダで作成できる。必要なメモリの実質的な容量により、本発明のこのソフトウェアを常時実現できない。

図４は、本発明の原理を適用したオシロスコープに用いる回路のブロック図を示す図である。本発明の実施例１０５は、ヒストグラム収集器１１０が用いるハードウェア上に大きな部分を占める。一方、簡単なソフトウェアにより、輝度ヒストグラムに基づいた補間輝度ビンしきい値を計算できる。このハードウェアに基づいた方法は、出力画像１４８をマッピングする度に実行する３つの段階に分割できる。第１段階は、輝度アルゴリズムを作成するためにマッピングすべき入力ラスタ画像６４をプリマッピング（予めのマッピングの）走査をする。最大検出ピクセル輝度から得たデフォルト値により、輝度ビン境界を定義する。第２段階は、１５個（例として）の初期マッピングしきい値のソフトウェア計算である。これらしきい値をプリマッピング・ハードウェアに送って、輝度ビットしきい値の次の繰り返しを改善できる。第３段階は、３２ビットから８ビットまでにラスタ画像をマッピングできる。さらに、マッピング期間中、輝度ヒストグラムを再計算して、輝度ビンしきい値を再度改善できる。

ヒストグラム・データ収集及び均等化システム１０５は、オシロスコープのスクリーン上に表示を行うために、信号源６４からの任意の適切なラスタ化データ（入力信号）により動作する。この信号データをアナログ・デジタル（Ａ／Ｄ）変換器（ＡＤＣ）２３１に供給する。デマルチプレクサ（ＤＥＭＵＸ）２３２は、Ａ／Ｄ変換器２３１からのデータを信号路１０８を介して受け、バス１０３を介してシステム１０５の残りの下流の構成要素に向けてデータを送る。本発明の第２実施例のブロック図である図７に示す如く、並列データ処理機能は、デシメータ（間引き手段：ＤＭＡ）６２、メモリ制御器１０７及び平面グラフィック・アダプタ３６により実行される。メモリ制御器１０７は、ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ（ＤＲＡＭ）６６に対するインタフェースである。このメモリ６６は、Ａ／Ｄ変換器２３１からのＡＤＣデータ・サンプル６３を蓄積するのに用いる。なお、データ・サンプル６３は、ブロックとして示す。デシメータ６２は、Ａ／Ｄ変換器２３１からの入力サンプル・ストリームを取り込んで、これらサンプルのいくつかを放棄して、必要なデータ・サンプル６３を得る。

ラスタライザ（ラスタ化手段）６０は、メモリ６６内の循環バッファ内に蓄積されたデータ６３のサンプル・ストリームから画像を導出する。データの各収集は、取込みと呼ばれる。ラスタライザ６０は、記録ビューの圧縮により画像を作成する。この技術は、点の値を入力として求め、これら点の間に垂直ベクトルを描く。これを繰り返し実行するので、多くのサンプルを単一の列に圧縮する。図７に示すマッパー６１が適用する伝達関数の効果を説明する図８に示すように、記録ビュー圧縮処理によって、これら列の出力の総てを収集を行って、ラスタ・プレーン３２を生成する。先ず、画像の上から下まで、次に、画像の左から右までのラスタ・プレーン３２をメモリ６６内に設ける。この特定順序のプロトコルは、陰極線管や液晶表示器などの表示装置と両立性がない。それは、これら技術が左から右にと、上から下にスクリーンを走査する電子ビームの概念用に開発されたためである。マッパー（変換手段）６１は、メモリ６６内のラスタ・プレーン３２を、列が主要なフォーマットから、行が主要なフォーマットに置き換える。

ラスタライザ６０は、Ａ／Ｄサンプル・データ６３の２次元図形表現をランダム・アクセス・メモリ６６の区画（ラスタ・プレーン３２）に描く。なお、各ピクセル６７（図７）の深さは、３２ビットである。本発明に用いる粗いしきい値決定関数に用いるマッピングしきい値ロジックを説明する図１０を参照する。マッパー６１は、非線形マッピング関数（ヒストグラム均等化関数手段）２０１を適用してラスタ・プレーン・データ３２を処理する。ここで、３２ビット・ピクセル（例えば、ピクセル６７）が８ビット・ピクセル（例えば、ピクセル６８）にビット数を減らされる。この処理期間中、同様な輝度のピクセルは、ヒストグラム均等化の処理により分離され、新たな画像領域、即ち、マップ・プレーン６５が形成される。３２ビットのラスタ輝度領域７０が、４ビット、６ビット又は８ビットのマップ輝度領域７２になる。図４に示すように、デマルチプレックサ２３２は、画像データを、グラフィック・アダプタ（ＧＡ）３６の如き画像履歴蓄積装置に転送する。グラフィック・アダプタ３６は、マイクロプロセッサ及び表示ドライバ３７と通信を行うのに用いるロジック装置である。メモリ制御器１０７（図７）は、ＤＲＡＭ６６へのインタフェースである。必要なデータ帯域幅を維持する作用において、メモリ制御器１０７は、ＤＲＡＭ６６に対するプリチャージ、チャージ保持及びリフレッシュの処理を行う。

次に、図９、図１２、図１３、図１４及び図１５を参照する。なお、図９は、図７に示すマッパーのブロック図であり、図１２は、本発明が処理する画像に適用される粗い及び細かいしきい値決定関数の関係を説明するブロック図であり、図１３は、図７に示すマッパーの詳細なブロック図であり、図１４は、本発明で用いる粗いニブル・マッパー・ロジックのブロック図であり、図１５は、本発明に用いる細かいニブルしきい値決定関数用のマッピングしきい値ロジックを説明する図である。マッパー６１の主要機能は、ラスタ・プレーン３２からの信号路に現れる単位ピクセル当たり３２ビットの輝度しきい値を、マップ・プレーン６５の２５６通りの利用可能な輝度レベルの各々にマッピングされる単位ピクセル輝度値当たり４ビット、６ビット又は８ビットの等しい数に変換することである。マッパー６１は、常に、８ビット値を発生するが、この８ビット値から所望数の下位ビットを切り捨てて、結果的に４ビットや６ビットにする。これは、３２ビット対８ビットの輝度ピクセルのマッピング処理期間中に、最大輝度変動及び最大利用可能な情報を抽出する。マッパー６１は、マッピングされた総てのラスタ化入力画像６４用のマッピングしきい値を計算する。図８は、ラスタ・プレーン３２（ソース・プレーン）と、マップ・プレーン６５（作成したプレーン）のグラフィック表現である。ラスタ・プレーン３２及びマップ・プレーン６５の比較により、マップ・プレーン６５がメモリ６６内で９０度だけ回転されたことが判る。この９０度の回転は、ラスタ・プレーン３２において実行された伝達関数２０１の結果である。

３２ビット対８ビットのマッピング操作は、２重ランクしきい値手段（２重ランク（マップ）ロジック手段）１５７が行う。マッパー６１の２重ランク・ロジック手段１５７は、しきい値データを信号経路１５５に沿ってマッパー出力インタフェース１５８に伝送する。このマッパー出力インタフェース１５８は、任意の８ビット・データを４ビットに圧縮又はコンパクトにまとめて、この８ビット（又は４ビット）データを、信号経路１６３及び１６４を介して再整理バッファ１６１及び１６２に夫々書き込む。しきい値手段１５７は、マップ点読み出し手段２２６（図１３）を含んでおり、このマップ点読み出し手段２２６は、メモリ制御器１０７を介してＤＲＡＭ６６から１つ又は２つの３２ビット・ピクセル画像を受ける。この画像データは、粗いしきい値伝達関数手段２０１に伝送される。軸２０２（図１０）の入力ピクセル６７の３２ビットの値は、８ビットの出力ピクセル６８に変換され、この出力ピクセル６８は、例えば、粗いニブル（マッピング）伝達関数２０１により軸２００上の点２０９及び２１０の間に現れる。粗いマッピング関数２０１は、１５個のプログラマブルしきい値を定義して、１６個の可能な粗いニブル・コード２２０が、例えば、軸２０２上の遷移点（ブレークポイント：ＢＰ）２０３、２０４、２０５、２０６及び２０７を含む。本発明で用いる粗いニブル・マッパー・ロジックのブロック図である図１４から判る如く、列２３０に現れる上側（上位ビット側）の４ビットは、非線形であり、木構造７１の出力である。ヒストグラムしきい値２０３〜２０７及び３２ビットのピクセル６７は、関数２０１の入力となり、列２３０に現れる値をインデックスとして用いて、ヒストグラム・ビン・カウンタを増分する。各遷移点（例えば、ＢＰ７、ＢＰ３、ＢＰ１１）は、マイクロプロセッサ又はデジタル信号プロセッサによりプログラムされた値と比較される。

図１０に示す如く、残存値２０８は、演算子手段２２１（図１２）により得られる。この手段２２１は、次の３２ビットのピクセル値から、次の３２ビット数よりも小さい最大の遷移点２０６を減算する。次に、線形関数手段２１２（図１３）を用いて粗い余り２０８をマッピングして、軸に沿って現れる１６個の導出した遷移点を用いて、細かいニブル・コード２２２を発生する。細かいニブル関数手段２１２用の１６個の導出した遷移点は、例えば、選択した粗い遷移点２０６及び次に大きい粗い遷移点２０７の間のしきい値範囲を等しく分割することにより求める。

粗い伝達関数の手段２０１がゼロでないピクセルを処理する際は常に、マップ・プリマップ・カウンタ２２７（図１３）は、そのピクセルによりどのしきい値領域が使用できるかを観察し、この計数値をマップ・レジスタ２２５に送る。細かいニブルしきい値関数手段２１２が処理した総ての非ゼロのピクセルは、８ビット・ピクセルの形式であり、これらピクセルは、マップ再整理バッファ段２２８により処理され（必要ならば、４ビットに切り捨てられ）、この値は、再整理バッファ１６１及び１６２に書き込まれる。再整理バッファ・ポッパー又はカウンタ２２９は、グラフィック・アダプタ３６に関連したバス通信手段からのプロンプトを受け、このプロンプトに応答して、ポインタを空の再整理バッファ１６１又は１６２に進める。ポッパー又はカウンタ２２９は、２つのピクセル・モード設定に基づいて動作する。第１設定は、４、６又は８ビット・ピクセルのいずれかを選択し、第２モード設定は、４又は８ビット・パッキングのいずれかを選択する。ピクセルをグラフィック・アダプタ３６に伝送する際に、ピクセル・モードは、各ピクセル６７内のデータの大きさを決定し、ビット・パッキングは、ピクセルが何ビットを用いるかを決定する。

最初に、最大ピクセル輝度（ＭＰＩ）に基づいて、１６個のピクセル輝度しきい値又はビン（BIN０〜BIN１５）の各々のレンジを次のようにプリセットする。
BIN15輝度レンジ=(14/15×MPI)<輝度<=MPI
BIN14輝度レンジ=(13/15×MPI)<輝度<=(14/15×MPI)
BIN13輝度レンジ=(12/15×MPI)<輝度<=(13/15×MPI)
BIN12輝度レンジ=(11/15×MPI)<輝度<=(12/15×MPI)
BIN11輝度レンジ=(10/15×MPI)<輝度<=(11/15×MPI)
BIN10輝度レンジ=(9/15×MPI)<輝度<=(10/15×MPI)
BIN9輝度レンジ=(8/15×MPI)<輝度<=(9/15×MPI)
BIN8輝度レンジ=(7/15×MPI)<輝度<=(8/15×MPI)
BIN7輝度レンジ=(6/15×MPI)<輝度<=(7/15×MPI)
BIN6輝度レンジ=(5/15×MPI)<輝度<=(6/15×MPI)
BIN5輝度レンジ=(4/15×MPI)<輝度<=(5/15×MPI)
BIN4輝度レンジ=(3/15×MPI)<輝度<=(4/15×MPI)
BIN3輝度レンジ=(2/15×MPI)<輝度<=(3/15×MPI)
BIN2輝度レンジ=(1/15×MPI)<輝度<=(2/15×MPI)
BIN1輝度レンジ=(0×MPI)<輝度<=(1/15×MPI)
BIN0輝度レンジ=(総て非ゼロの輝度)

プリセット・ビンしきい値によりラスタ化画像データ６４をマッピングした後、次のステップでは、輝度ビン番号ＢＩＮ１５〜ＢＩＮ１の実際の内容に基づいて、所望輝度レンジを計算する。輝度レンジの計算は、マップ・プリマップ（mapPreMap）カウンタ２２７（図１３）が実行するプリマッピング・ステップにより開始する。このプリマッピング・ステップでは、全画像６４内の３２ビット輝度の総てを試験する。各輝度ビンは、その定義された輝度レンジ内に入る輝度の数を表す１７ビット計数を維持する。１ビン内に画像の総てのピクセルが入った最悪の場合の計数から、１７ビット値を得る。マップ・プリマップ・カウンタ２２７は、平均ビン計数値を決定する。この計数値は、［ビン０の計数］／１５に等しく、ビン０計数は、非ゼロ輝度のピクセル数に等しい。マップ・レジスタ２２５内に存在する既存のヒストグラム輝度ビン計数値を平均ビン計数値と比較して、新たな輝度ビン・レンジを計算する。新たなしきい値の計算における目的は、各輝度ビン内に含まれるデータ点（ピクセル）の数を等しくすることである。ビン計数値を最適化できるＣコードのサブルーチンの一例を以下に示す。

k = 0;
j = 0;
thrsh[0] =0;
thrsh[l5] = maxPix;
binSum =0;
for(i=l;i<16;i++) {
binSum += binCount[i];
while (binSum >= avgBinCnt) {
binSum = binSum - avgBinCnt;
newThrsh[j+l] = thrsh[k]
+ ((( binCount[i] - binSum)/binCount[i]) * (thrsh[k+l] - thrsh[k] ));
j++
}
k++;
}

ビン１〜ビン１５のレンジは、マッピングしきい値により定義される。よって、１４個のマッピングしきい値と、１５個の輝度レンジとが存在する。ビン１用の下側レンジの境界は、ピクセル輝度の１単位である。ビン１５用の上側レンジ境界は、ピクセル輝度のＩ単位の現在の最大ピクセル輝度である。上述のサブルーチンに示すように、このサブルーチンで生じるしきい値は、そのしきい値に関連した輝度ビン用の上側しきい値である。例えば、newThrsh[2]は、ビン２用のピクセル輝度の上側限界である。マッパー６１は、上述の計算から得た１４個のマッピングしきい値を抽出するので、その結果、１組の最適化したビンしきい値を粗いしきい値変換関数２０１として適用する。すなわち、このアルゴリズムは、ディフォルト・マッピングにより開始し、このディフォルト・マッピングは、ラスタ化入力画像６４から、出力画像１４８用の１５個（一例）の利用可能な表示カラーまでである。そして、このアルゴリズムは、３２から８ビットに画像６４をマッピングするが、各利用可能なカラー又は輝度を用いる回数を計数する。各ビンのカラーの数を用いてディフォルト・マッピングを調整するので、次の繰り返し期間中、各カラー又は輝度を、出力画像１４８内の回数と同じ数だけ用いる。

２重ランク・ロジック・プログラム手段１５７が実行するマッピング動作が生じると同時に、他の輝度ヒストグラムを計算する。最新の計算したヒストグラムから得たビン計数値を用いて、マップ・レジスタ２３７の輝度ビン・レンジを再度最適化する。結局、各プリマッピング又はマッピング段階の前に輝度ビン・レンジを設定し、以前のピクセル輝度ヒストグラム結果からビン・レンジを計算する。初期状態又は停止状態から開始する際、常にデフォルト値を用いる。本発明の別の実施例においては、ソフトウェア・プログラムがヒストグラム等級プロトコルを呼び出して、プリマッピングを再度繰り返し、ヒストグラムの作用により、以前の読み出しから、大きな最大ピクセル変化の如き予め定めた基準を達成する。本発明のヒストグラム均等化原理を用いたオシロスコープが表示する画像の図１６に示すように、画像６９を観察し、図１１に示す画像２４０と比較することにより、本発明のヒストグラム均等化システムの作用が判る。青２３３及び緑２３４のピクセルが依然存在するが、赤２４１及び黄色１５１の如き追加のカラーが存在し、分解能及び精度が高まる。

上述の如く、本発明は、オシロスコープが表示する画像におけるピクセル輝度の分布を均一化する。主にソフトウェアを実行する際に、最大ピクセル輝度（Ｉ）がラスタ化入力画像内に存在し、最大利用可能な表示輝度（Ｐ）及び所望画像分解能（Ｒ）が入力変数となり、各ピクセルが割り当てられるビン又はしきい値の計算が可能となる。既存のピクセル輝度及びビンしきい値を繰り返し分析することにより、各ビン内のピクセルの数を最適化して、均等化したヒストグラムを形成する。ヒストグラム均等化システムの他の実施例では、ソフトウェアを用いて、ハードウェアに基づいたヒストグラム収集器を最適化している。単位ピクセル当たりＮビットのラスタ化入力画像を、Ｎ対ｎのマッパー（Ｎビットをｎビットにマッピングする手段）により処理する（Ｎ＞ｎ）。２重ランク・マップ・ロジック・サブルーチン手段は、粗いヒストグラム・ビン又はしきい値の第１組と、細かいしきい値又はニブルの第２組を形成する。細かいニブルの各々は、単一の粗いしきい値又はビン内に存在する１６個の等間隔のビンである。ヒストグラム均等化関数調整アルゴリズムは、粗いしきい値の分布を連続的に試験し、遷移点を調整して、適正化されたヒストグラムを作成する。

上述の如く、本発明によれば、表示器に利用できる輝度の範囲にわたって既存の出力画像ピクセル輝度が略均等に分布するように、ヒストグラム内に存在する出力画像ピクセル輝度分布の境界を再定義することにより、表示の分解能及び精度を改善できる。

テレビジョン掃引信号の入力画像のヒストグラムの例を示す図である。 図１に示すヒストグラムにヒストグラム均等化を適用する入力対出力伝達関数の例を示す図である。 図２に示す伝達関数を適用した後のテレビジョン掃引心の出力画像のヒストグラムの例を示す図である。 本発明の原理を適用したオシロスコープに用いる手段のブロック図を示す図である。 本発明の第１実施例を用いたオシロスコープの一部のブロック図である。 本発明の第１実施例におけるソフトウェアの一部を説明する流れ図である。 本発明の第２実施例のブロック図である。 図７に示すマッパーが適用する伝達関数の効果を説明する図である。 図７に示すマッパーのブロック図である。 本発明に用いる粗いしきい値決定関数に用いるマッピングしきい値ロジックを説明する図である。 従来のオシロスコープの表示を示す図である。 本発明が処理する画像に適用される粗い及び細かいしきい値決定関数の関係を説明するブロック図である。 図７に示すマッパーの詳細なブロック図である。 本発明で用いる粗いニブル・マッパー・ロジックのブロック図である。 本発明に用いる細かいニブルしきい値決定関数用のマッピングしきい値ロジックを説明する図である。 本発明のヒストグラム均等化原理を用いたオシロスコープが表示する画像を示す図である。

符号の説明

３２ 伝達関数
３４ デマルチプレックサ
３６ グラフィック・アダプタ
３７ 表示ドライバ
６０ ラスタライザ
６１ マッパー（変換手段）
６２ デシメータ
６３ データ・サンプル
６４ ラスタ化画像データ
６５ マップ・プレーン
６６ ＤＲＡＭ
７８ しきい値レジスタ
８０ 輝度ビン
１０５ ヒストグラム・データ収集及び均等化システム
１０７ メモリ制御器
１１０ ヒストグラム収集器
１４８ 出力画像
１５０ コンピュータ・プログラム（ヒストグラム均等化関数手段）
１５７ ２重ランク・ロジック・プログラム手段
１５８ マッパー出力インタフェース
１６０ マッパー（変換手段）
１６１ 再整理バッファ
１６２ 再整理バッファ
２０１ 非線形マッピング関数（ヒストグラム均等化関数手段）
２１２ 細かいニブル関数手段
２２１ 演算子手段
２２５ マップ・レジスタ
２２６ マップ点読み出し手段
２２７ マップ・プリマップ・カウンタ
２２８ マップ再整理バッファ段
２２９ 再整理バッファ・ポッパー又はカウンタ
２３１ Ａ／Ｄ変換器
２３２ デマルチプレックサ

Claims (2)

1. オシロスコープに表示する画像用に形成するヒストグラムを作成し連続的に調整する装置であって、
   ラスタ化入力画像を受ける手段と、
   上記装置の構成要素とデータの授受を行うマイクロプロセッサと、
   上記ラスタ化入力画像を蓄積するラスタ・プレーンとしてのメモリと、
   上記ラスタ・プレーン内に含まれる画像データを、マップ・プレーンとしてのメモリに蓄積する画像データに変換する変換手段と、
   上記マップ・プレーンに蓄積された画像データのヒストグラムを作成するヒストグラム収集器と、
   上記マップ・プレーンのピクセル輝度が上記ヒストグラム内に略均等に分布するようにヒストグラム特性を調整するヒストグラム均等化関数手段と
   を具えたヒストグラム調整装置。
2. 複数のピクセル輝度ビンを更に具え、上記変換手段により、各ビンが略均等な数のマップ・プレーンのピクセルを含むことを特徴とする請求項１のヒストグラム調整装置。

Images