JP3563087B2 - 非線形ビデオ信号処理装置 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
この発明は、テレビジョン信号処理システムに、特に、表示画像の明るい領域及び/または暗い領域におけるコントラスト増強を行う非線形信号処理システムに関するものである。
【0002】
【発明の背景】
ビデオ信号をそのビデオ信号範囲の選択された部分内で非線形増幅して表示画像のコントラストを改善する非線形ビデオ信号プロセッサは公知である。
【0003】
例えば、1956年8月21日付でシェード(O.H.Shade)氏に付与された米国特許第2760008号に開示されている非線形ビデオプロセッサは、表示画像の暗い領域及び明るい領域における細部を改善するための、所謂「ブラック・ストレッチ(black stretch)」及び「ホワイト・ストレッチ(white stretch)」の両方を特徴としている。「ブラック・ストレッチ(黒の引伸ばし)」とは、中間の値をとるルミナンスレベルに対してルミナンス信号利得を増加させてコントラストを改善するようにするビデオ信号のルミナンス部分の非線形処理を示す語である。同様に、ルミナンス信号利得を比較的高いレベルのビデオ信号に対して増加させて、表示画像の明るい部分の信号範囲を言わば「ストレッチ(引伸ばし)」することによって、表示画像の明るい領域内の細部を改善する。シェード氏によるシステムの利点は、ビデオ信号遷移点、即ち、「ブレークポイント」をかなり自由に選択できることであり、同様に全体的な伝達関数のブレークポイント間のビデオ信号利得レベルを自由に制御できることである。
【0004】
シェード氏のシステムによって暗い画面及び明るい画面の細部の制御は改善されるが、そのためには、調整を必要とする手動制御装置を比較的多く必要とする。これらの制御には利得設定のための制御及びしきい値即ち「ブレークポイント」設定のための制御が含まれる。システム全体の適切な調整は、多くの手動制御を必要とするため、比較的複雑である。
【0005】
最近、非線形画像増強機能を行うために集積回路が利用できるようになった。非線形画像増強機能は、ユーザの負担となる多くの個々の制御の調整を減らすための幾つかの自動制御方法を採用している。このような集積回路の一例として、ソニー社製のCX20125型「動的画像処理」集積回路がある。この集積回路は、低いレベルのビデオ信号のコントラストを改善するためにブラック・ストレッチ処理を行う。これを簡単に説明すると、ビデオ信号から同期部分を除去した後、黒ピークホールド回路で最大黒レベルを検出する。その最大黒レベルが利得制御回路の制御信号となり、帰還ループを形成して、ビデオ信号の検出された黒ピークの関数として黒の伸張を自動的に行う。
【0006】
明るい画像領域のコントラスト改善のための非線形処理の自動制御に対する別のアプローチは、表示画像の所謂「平均画像レベル(APL)」の解析に基づくものである。明るい画像領域の細部を改善する「ホワイト・ストレッチ(白の引伸ばし)」プロセッサの例は、1991年3月26日付でラゴーニ(Lagoni)氏に付与された米国特許第5003394号「自動コントラスト及び“ホワイト・ストレッチ”処理部を有する動的ビデオシステム(Dynamic Video System Including Automatic Contrast And “White Stretch” Processing Sections)」等に記述されている。ラゴーニ氏のシステムの一実施例においては、ホワイト・ストレッチ処理は表示画像の平均画像レベル(APL)の関数として実行され、コントラスト制御はユーザ制御信号源と表示画像に応答するピーク白信号検出器の両方によって行われる。
【0007】
一般的に言えば、前述の自動非線形処理システムは表示画像を相当改善できるものであるが、更に相当な改善が、特にシステムの非線形伝達関数発生器を制御するための制御信号の生成に関しての改善が可能であることがわかる。
【0008】
具体的には、視聴者テストから、視聴者は特定の輝度(明るさ)の範囲内に特定の割合のピクセルが表示されるように処理された画像を好む傾向のあることがわかった。ある画像中の暗い画素、中間の画素、及び明るい画素の相対数を制御可能にするためには、従来技術である、黒ピークの検出や平均画像レベルの検出は適切でないことがわかった。
【0009】
この発明は、1つには、1或いはそれ以上の輝度範囲内のピクセルの相対的な割合が制御可能となるように、ビデオ画像の全内容をより十分に考慮した非線形ビデオ信号処理システムが必要であるという認識に基づくものである。
【0010】
【発明の概要】
この発明によれば、ビデオ信号を処理する装置は、第1のビデオ信号の振幅範囲の少なくとも1つの部分にわたって制御信号に応答する調整可能な利得を有する非線形処理手段と、このビデオ信号に応答してこのビデオ信号に関係づけたビデオサンプルを生成するサンプリング手段とを含んでいる。このビデオサンプルに応答して、少なくともある与えられた振幅範囲内のこのビデオサンプルの数に従って上記の制御信号を生成する制御手段が設けられている。
【0011】
ここに述べる発明の実施例では、制御信号は(無条件安定性という利点を有する)「フィード・フォワード」形式及び(出力信号レベルを自動(自己)調整できるという利点を有する)「帰還(フィードバック)」形式の両方の形で供給されるものとして示されている。また、後述するように、回路はアナログ形式或いはデジタル形式により実施することができ、また、ブラック・ストレッチ処理及びホワイト・ストレッチ処理の両方を行うように非線形伝達関数を複数の異なるセグメントにわけて測定回路と制御回路のそれぞれによって制御するようにしてもよい。
【0012】
【詳細な説明】
以下、この発明を添付の図面を参照して説明するが、同様の素子には同様の参照番号が付されている。図1のシステム10は「ブラック・ストレッチ」コントラスト増強を行うもので、非線形伝達関数発生器12を含んでいる。非線形伝達関数発生器12は、ルミナンス入力信号Y1が供給される入力端子14と、制御入力18に供給される制御信号S1に従ってコントラスト増強のための非線形処理が施されるルミナンス出力信号Y2を供給する出力端子16とを有している。
【0013】
制御信号S1は、第2の制御信号である信号S2に応答して制御信号発生器30により生成される。信号S2は、ピクセル分布測定回路20の出力28に生成される。ピクセル分布測定回路20の入力22は処理された出力信号Y2が供給される出力端子16に帰還信号径路24(実線で示す)を介して結合される。或いは、入力22は「フィード・フォワード」信号径路26(点線で示す)によって、ビデオ入力信号Y1が供給される入力端子14に接続することもできる。フィード・フォワード信号径路を使用すると、全システムが無条件に安定となる利点がある。回路20の入力に対して帰還信号径路24を使用すると、画像フィールドの画素の総数に対する「黒」画素の所要の割合を維持するための、いわば「自動(自己)調整」を行うことができるという利点がある。
【0014】
動作中、非線形「プロセッサ」即ち伝達関数発生器12は、図2の伝達関数により示されるように、ビデオ入力信号Y1をその信号範囲の一部分において変化する利得で処理する。図示のように、制御信号S1が変化すると、信号Y1に与えられる利得もまた50IREユニット以下の領域で変化する。例えば、制御信号が零の場合、伝達関数は利得1を表すセグメント202−204の径路に沿ったものとなる。制御信号S1の値が高くなると、より高い利得が、セグメント206、208、210で示すように、伝達関数の下方のセグメントに加えられる。画像の暗い領域に対するこの様な利得の増加は、増幅されるピクセル(即ちセグメント206〜210の変化に従うピクセル)のコントラストを増強し、伝達関数と水平軸との交点より下にあるピクセルを強制的に黒レベルにする。例えば、0〜20IREレベルの範囲のピクセルは伝達関数210について言えば0IREレベルに変換されるが、20〜50IREユニットの範囲のピクセルは増幅されるため、表示されると、コントラストが大きくなる。点212で示す伝達関数のブレークポイントは、この例では50IREレベルにある。このレベルより上の入力信号は、点212と100IREレベル間に勾配1の線(m=1)で示すように、利得も損失もなしに線形的に増幅されたものである。
【0015】
ブラック・ストレッチ信号処理を制御する制御信号S1は、ビデオ信号(Y2もしくはY1)をサンプリングしてこのビデオ信号に関係するビデオサンプルS2を生成する回路20と、ある与えられた振幅範囲で生じるサンプルの数に従って制御信号を生成する回路30との組み合わせにより生成される。
【0016】
より詳細に述べると、ピクセル分布測定回路20はそれに供給されるビデオ入力信号(Y1、好ましくはY2)に応答して、少なくとも1つのフィールド期間であるある与えられた期間内に生じ、あるビデオ基準レベル(例えば7.5IRE、黒設定レベル)以下のビデオ信号レベルを有する画素の総数を表す計数を生成する。また、ビデオフィールド周波数Fvで動作する制御信号発生器30は、ピクセル分布測定回路20により生成された計数S2を、上記与えられた期間(1フィールド)内に生じる画素の総数のある割合(例えば10%)と比較し、その比較の結果に従って制御信号S1を生成する。その後、この制御信号S1は発生器12に供給されて、上記与えられたビデオ基準レベル(黒レベル)以下の振幅を有する所要数(例えば10%)のピクセルを含むように信号Y2の黒ピクセル量を調整する方向に発生器12の伝達特性を変化させる(図2参照)。
【0017】
図3は図1のブラック・ストレッチプロセッサのデジタル回路形の実施例を示す。図3では、非線形伝達関数発生器12、制御信号発生器30、及びピクセル分布測定回路20を、説明をわかりやすくするために、点線で囲んで示してある。
【0018】
伝達関数発生器12はサインビット反転器302及び8入力NORゲート304を含んでいる。ルミナンス入力信号Y1は8ビット信号を含み、この8ビット信号のうちLSBはNORゲート304の7つの入力に供給される。8番目のビットは反転器302で反転されてからゲート304の8番目の入力に供給される。この構成により信号Y1の正の値(50〜100IRE)が制限され、負の値(2進の−127〜−1、即ち0〜50IRE)が反転する。従って、結果として生じる信号は0〜50IREの範囲のみの信号を含み、他の範囲ではクリップされる(一定となる)。2象限乗算器306によって、この信号に制御信号S1(例えば4ビット)が乗じられ、0〜50IREの範囲の入力信号に対して可変増幅出力信号が供給される。その後この可変増幅出力信号は減算器308で元の入力信号Y1から減算される。これによって、図2の伝達特性曲線で示すように、下の部分(0〜50IRE)が信号S1により可変増幅され、上の部分(50〜100IRE)が利得1で線形に変換された出力信号が得られる。減算動作では、負の結果が得られる場合もあるため、減算器308の出力は0IRE(例えば符号付き2進数の−128)で制限するリミッタ310に供給され、その後、処理された信号Y2はシステムピクセル周波数でクロックされる出力ラッチ312に記憶される。
【0019】
図3のピクセル分布測定回路20は、ビデオサンプル(Y2)を黒レベル基準信号と比較して、信号Y2が黒レベル範囲にある時にはNORゲート332を介してカウンタ334にパルスを供給する比較器330を含んでいる。カウンタ334の計数動作は、フィールドカウンタ338とデコーダ340で制御されてフィールド基準で行われて、1フィールド中の黒ピクセルの全計数値がリセットパルス発生器350によってフィールドの終端で出力ラッチ336に記憶される。有効ビデオサンプルのみが計数されるようにするために、ゲート332に水平ブランキング信号が供給されてブランキング期間中には計数が停止するようにされている。また、カウンタ334の桁上げ出力(CO)からゲート332の別の入力への帰還によってオーバーフローを防止する。従って、各フィールドごとに、ラッチ336に記憶された計数がビデオ信号Y2(或いは、帰還径路ではなくてフィード・フォワード信号径路を用いている場合はY1)の黒ピクセルの総数を表すことになる。
【0020】
図3には、様々な機能を説明するために制御信号発生器30がブロック図形式で示されている。実際には制御信号発生器30としてはマイクロプロセッサ(図示せず)を用いることができる。発生器30は、比較器360、基準計数値源362(例えば、ROM)、及びループフィルタ364を含んでいる。回路20により生成されるピクセル計数信号S2は、比較器360で、基準計数値源362により供給される、ブラック・ストレッチを目的として、あるフィールド内のピクセル総数の10%を表す基準計数値と比較される。この比較の結果は、発生器12への制御信号S1として、ループフィルタ(例えば低域通過フィルタLP)364によって発生器12へ結合される。この比較の結果、1フィールド内の黒ピクセルが10%以下であった場合は、発生器12の利得が増加し、それにより黒ピクセルの数を増加させる。逆に、比較の結果が1フィールド内の黒ピクセルが10%以上であることを示す場合は、制御信号S1は発生器12の利得を減少させる。従って、このシステムは、1フィールド内のある与えられた割合の黒ピクセルを維持するように自動調整を行う。適度な利得限界値を越えることが無いように、制御信号の範囲を制限するリミッタ370を発生器30の出力に設けることができる。適切な範囲は0〜約20IREユニットである。或いは、必要な場合に、非線形伝達関数発生器12に制限機能を持たせてもよい。
【0021】
図4には、伝達関数発生器の別の実施例を示す。この伝達関数発生器は、入力信号Y1が供給される端子14に結合された入力と、非線形に増幅された出力信号Y2を供給する端子16に結合された出力と、(制御信号S1が供給される)減衰器406、リミッタ408、及び減算器410を介して端子14に結合された第2の入力とを有する加算器402を備えている。
【0022】
図4の発生器12の動作を図5A〜図5Eに示す。図5Aは端子14(点A)の信号Y1を示している。この信号は、図5Bに示すように減算器410によって−50IREだけレベルシフトされた後、図5Cに示すようにリミッタ408で制限される。図5Dに示すように、制御信号S1に応答する減衰器406によって可変利得が与えられる。最後に、点A(図5A)の信号と点D(図5D)の信号を加算することによって、加算器402の出力にこれらの処理の結果としての信号(図5E)が生成される。図からわかるように、図5Eに示す伝達関数は図2に示したものと同じ所要の伝達関数であり、図3のデジタル回路により生成されるものである。
【0023】
図6は、ホワイト・ストレッチ処理と中間レベル(50IRE)のブレークポイントの制御を行うための、図1のシステムを変形させたものを示す。この変形されたシステムは、更に2つのピクセル分布測定回路20’及び20”と、2つの制御信号発生器30’及び30”とを図1のシステムに加えたもので構成されている。また、伝達関数発生器12は、中間点(50IRE)とホワイト・ストレッチ利得を制御するための2つの入力18A及び18Bが付加されている。これらの変更と別のバイアスレベル及び基準レベルを使用することを除いては、動作は図1の例と殆ど同じである。この動作を図7に例示した伝達関数で示す。
【0024】
図7に示すように、ブラック・ストレッチ処理によって、0〜20IRE入力レベルの範囲で水平軸に沿って移動するブレークポイント702の位置が変化し、従って約50IREにまで及ぶブラック・ストレッチ伝達関数704の勾配(利得)が変化する。しかし、ここで中間レベルのビデオ信号の調整を自由に行えるようにするために、点50IRE(点706)が40〜60IREの範囲内で、利得1の勾配を有する径路に沿って移動するように、信号S1’によって制御される。制御信号S1”は、65〜100IREの範囲内でブレークポイント709(図7のBP709)を勾配m=0.5(6dbの減衰)の径路に沿って移動させることによって、ホワイト・ストレッチセグメント708の勾配を制御する。前述のように、ブラック・ストレッチ基準レベルが7.5IREに設定されて黒ピクセルの計数を行い、その出力は発生器30で前のフィールドあたりのピクセルの総数の10%のレベルに調節される。中央点706を制御する回路20’は50IREの基準レベルを用いてピクセルの検出及び計数を行い、また、発生器30’が中央点のビデオレベルをフィールドあたりのピクセルの総数の75%に調節する。最後に、測定回路20”には検出のために約90IREのしきい値レベルが与えられて、90IREのピクセルの数とフィールドあたりのピクセルの総数の約95%とを比較することによって制御が行われる。この3つの制御範囲に対する好ましい制限範囲は、ブラック・ストレッチ(点702)の変化に対しては0〜20IRE、中間点の値の移動に対しては40〜60IRE、ホワイト・ストレッチ制御下における点709の変化に対しては65〜100IREである。
【0025】
図6の例において、様々なセグメントとブレークポイントの制御には、前述したように非線形プロセッサ12に制御入力を付加することが必要である。図8はこの変更を加えたプロセッサの一実施例のブロック図である。図9A〜図9Kは、図8のA〜Kの符号を付けた点における信号レベルの例を示す図である。図9Aは減算器802の入力に供給される入力信号Y1を示す。この減算器802は、制御信号S1’の値に応じて入力されるビデオ信号Y1を下方にオフセットして、図9Bに示すような信号Bを生成し、ブレークポイント706(図7)を適切に変化させる。減算器802で生成されるオフセットされた信号はリミッタ804に供給される。リミッタ804は、このオフセット信号をこのリミッタに供給される定数K2で表されるように原点(0IRE)以下の値に(図9C参照)を切詰める。減衰器810はブラック・ストレッチ信号S1に応答して信号Cの勾配を乗算的に(信号Cに信号S1を乗算して)制御し、図9Eの可変勾配信号Eを生成する。従って、減衰器810によって信号S1に比例したブラック・ストレッチ処理を施す。この様にして、制御電圧(信号S1)によって、ブレークポイント702がその軌跡(0〜20IRE)に沿って間接的に決定される。
【0026】
リミッタ806の機能はBにおける信号を原点(上記の基準K2によって設定された0IRE)以上の値に切詰めることである。これを図9Dに示す。減衰器812が信号Dの勾配を乗算的に制御して可変勾配信号F(図9F参照)を生成し、従って、ホワイト・ストレッチが施される程度はこの減衰器に供給される信号S1”に応答することになる。この様にして、制御電圧S1”によりブレークポイント709(図7参照)が間接的に決まる。
【0027】
加算器814で信号Eのブラック・ストレッチ部分、信号Fのホワイト・ストレッチ部分及び元の(線形の)入力信号Y1(図9A)が加算されて、図9Gに示す和信号が生成される。ブレークポイント709の位置が制御されて移動する軌跡は、図7の0.5の勾配を設定する加算器818及び減衰器816によって決められる。この勾配は、減衰器816と加算器818に供給される定数(基準電圧)V1で決まり、オフセットされ、0.5の勾配を有する図9Iに示す信号が生成される。リミッタ820には信号G及び信号Iが供給され、値が小さくされた出力が生成される。言い換えれば、リミッタ820によって信号Gは信号I以下の値になるように切詰められる。最後に、(基準信号K1の0IRE値を基準とした)別のリミッタ830によって、信号Jが図9Kに示すように0IRE以上の値に切詰められる。
【0028】
図10は、図1の非線形ビデオ信号処理システムを、制御信号発生器30と非線形伝達関数発生器12の制御入力18との間の制御信号径路に非線形増幅器及びリミッタ1000を含むように変形した構成を示す。増幅器/リミッタ1000の伝達関数は図11の曲線1102で示されている。この伝達関数は、信号S1に対する制御信号範囲が、最低のレベルで0〜5IREユニットの範囲内の最小値に制限され、最高レベルで20IREユニットの値に制限されている。最低レベルと最高レベル間の伝達関数は、10〜20IREの範囲内の制御信号の値が強調され、また、0〜10IREの範囲の制御信号の値があまり強調されないように非直線的に増加する。20IREの制限によって、過度のブラック・ストレッチが最悪の場合の条件下(即ち、純白のラスタ)で行われないようにできる。この非線形性により、所要の割合の黒ピクセルを有する画像に適度に近い画像に対してはブラック・ストレッチを低減させるが、黒が実質的に不足する画像に対しては急速にブラック・ストレッチを増加させることができるという効果が得られる。システムのこの特別な非線形性によって、自動ストレッチの動作があまり目立たず、より滑らかになるという利点がある。図6の実施例に対し、更にホワイト・ストレッチ制御信号の非線形処理を適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明を実施したブラック・ストレッチ(非線形)ビデオ信号処理システムのブロック図である。
【図2】図1のブラック・ストレッチプロセッサの動作を説明する伝達関数の図である。
【図3】図1のブラック・ストレッチプロセッサのデジタル回路形式のものを示すブロック図である。
【図4】図1の例での使用に適した非線形関数発生器の別の実施例のブロック図である。
【図5】図4の伝達関数発生器の動作を説明する信号レベルの図である。
【図6】ビデオ信号のブラック・ストレッチ処理及びホワイト・ストレッチ処理の両方を行うためのこの発明を実施したビデオ信号処理システムのブロック図である。
【図7】図6の実施例の動作を説明する伝達関数の図である。
【図8】図6の例での使用に適した非線形伝達関数発生器のブロック図である。
【図9】図8の非線形伝達関数発生器の動作を説明する信号レベルの図である。
【図10】図1のシステムを変形した別のシステムを示すブロック図である。
【図11】図10の例の1つの素子の伝達関数の図である。
【符号の説明】
12 非線形処理手段
20 サンプリング手段
30 制御手段
Claims (1)
- テレビジョン画像再生装置において使用される、画像のコントラストを変えるためのビデオ信号処理システムであって、
ビデオ信号の少なくとも1つのフィールドの所与の時間期間内に発生しかつ所与のビデオ基準レベル以下のレベルにある上記ビデオ信号の画素の総数を表す計数値を発生する第1の手段と、
上記第1の手段の計数値を、上記所与の時間期間内に発生する画素の総数の所定の割合に対応する黒画素の数と比較して、制御信号を発生する第2の手段と、
ビデオ入力信号を受け入れるよう結合された入力と、ビデオ出力信号の出力と、制御可能な伝達特性と、上記制御信号が供給される制御入力と、を有し、上記画像の1つの輝度レベルの領域における上記ビデオ出力信号のコントラストの特性を別の輝度レベルの領域におけるものとは異なる形態に変化させることができる制御可能な非線形伝達関数発生手段と、
を具え、
上記第1の手段に供給される上記ビデオ信号を、上記非線形伝達関数発生手段によって生成された上記ビデオ出力信号から取り込んで、表示画像中に上記所定の割合の黒画素を生じさせるよう上記ビデオ信号処理システムにおいて上記ビデオ出力信号のコントラストのフィードバック制御が行われるよう構成された、
ビデオ信号処理システム。
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