JP3976436B2 - 中央値抽出回路及びこれを用いた画像処理装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は複数の数値データの中央値(メディアン)を抽出する回路及びこれを用いたデジタル画像の画像処理装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
CCD固体撮像素子を備えたデジタルビデオカメラや、デジタル放送などに用いられるデジタル映像は、映像情報を各画素ごとに数値データとして保持している。映像情報とは、例えば各画素の輝度データや色データなどで、各画素に例えば8ビットデータの場合0〜255までの数値が割り当てられている。デジタルビデオカメラでは、プリズムなどを用いて自然光を3原色に分解し、それぞれの輝度を各画素ごとに数値として保持することで画像を記録する。
【0003】
ところで、デジタル画像を撮影したり、画像を機器間で転送したりする際に、画像情報にノイズが混ざる場合がある。アナログ映像と異なり、デジタル映像にノイズが混ざると、単一画素もしくは数個の画素に影響が現れることが多い。このようなノイズが現れた画素のデータは、一般的に周囲の正常な画素のデータとは大きく離れた値を有し、映像を表示した際に、視覚的には輝点や、暗点として認識される。
【0004】
このようなノイズを除去する手法の一つとして、メディアンフィルタという手法が提案されている。以下にメディアンフィルタについて説明する。図7(a)は、画像データの例であり、矩形一つが画素の一つに当たる。矩形の中に示された数値は画素に与えられた画像の数値データの例である。この場合、ほとんどの画素は14〜17の数値データを有するが、画素51は、数値データが150と、周囲のデータと値が大きく離れており、これはノイズである。メディアンフィルタを用いて画素51の値を修正する。画素51とその周囲3×3画素の領域(3×3マトリックス)52にある9つのデータに注目する。これらのデータを小さい順に並べると、
14 15 15 15 16 16 16 17 150
となる。このうち、5番目の値、即ちデータの中央に位置する値を中央値(メディアン)と呼び、この場合16である。画素51のデータとして、この中央値16を採用する。以上の操作を全ての画素において行う画像処理をメディアンフィルタと呼ぶ。図7(a)の映像情報にメディアンフィルタをかけた結果を図7(b)に示す。画素51’は、メディアンフィルタによって値が16に修正されている。ノイズである値150は、マトリックスの中で中央値となることはほとんどなく、除去される。
【0005】
メディアンフィルタを用いると、ノイズの除去具合、画像の輪郭の保持などの観点から、例えば画素の周囲のデータと平均を取る方法などに比較して、良好な結果を得ることができる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
メディアンフィルタは、9つの画素の数値データを読み込み、これを大きさの順にソートした後、中央値を抽出する、という複雑な処理を行う。このため、従来のメディアンフィルタを行う画像処理装置は、中央演算回路(CPU)によって制御されたデジタルシグナルプロセッサ(DSP)等を備え、これを用いて、ソフトウェア的にメディアンフィルタ処理を行っていた。従って、ビデオカメラや、デジタル放送受信機などに組み込む場合、CPUを用いなければならないため、機器のコストが上昇する問題がある。
【0007】
また、メディアンフィルタ処理は複雑であるので、画像処理時間が増大し、速度の遅いCPUを用いて、逐次メディアンフィルタ処理を施してビデオ映像を表示しようとした場合、リアルタイムで処理しきれないという問題も生じていた。
【0008】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、単純な比較回路を組み合わせることによって、9つの入力データの中央値を抽出する中央値抽出回路と、これを用いてメディアンフィルタ処理を実行する画像処理装置を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するためになされ、9個の数値データの中央値を抽出する回路であって、前記数値データから1つのデータを除いた8個の数値データから中央の2つのデータを出力する2値抽出回路と、該2値抽出回路が出力した2つのデータと、前記除いた1つのデータとを比較して、この3つのデータの中央値を出力する3値比較回路とを有する中央値抽出回路である。
【0010】
また、前記2値抽出回路は、4つの比較回路と、これらの出力のうち、それぞれ大きい方のデータを比較して、最大、最小、中央2つの出力を行う第1の4値比較回路と、それぞれ小さい方のデータを比較する第2の4値比較回路と、第1の4値比較回路の中央2つの出力を比較する第5の比較回路と、第2の4値比較回路の中央2つの出力を比較する第6の比較回路と、第5の比較回路の小さい方の出力と、第1の4値比較回路の最小の出力と、第6の比較回路の大きい方の出力と、第2の4値比較回路の最大の出力が入力され、この値を比較して、すくなくとも中央2つの出力を行う第3の4値比較回路と、4値比較回路の中央2つの出力が入力され、この値を比較する第7の比較回路を有する。
【0011】
2値比較回路は、4つの比較回路と、これらの出力のうち、それぞれ大きい方のデータを比較して、最大、最小、中央2つの出力を行う第1の4値比較回路と、それぞれ小さい方のデータを比較する第2の4値比較回路と、第1の4値比較回路の中央2つの出力を比較する第5の比較回路と、第2の4値比較回路の中央2つの出力を比較する第6の比較回路と、第5の比較回路の小さい方の出力と、第2の4値比較回路の最大の出力を比較する第7の比較回路と、第6の比較回路の大きい方の出力と、第1の4値比較回路の最小の出力を比較する第8の比較回路と、第7の比較回路の小さい方の出力と、第8の比較回路の大きい方の出力値を比較する第9の比較回路を有する。
【0012】
デジタル画像データが入力され、デジタル画像データの、画素と該画素の周囲を囲む画素のデータを出力するマトリックス作成回路と、マトリックス作成回路の出力の中央値を出力する画像処理装置である。
【0013】
【発明の実施の形態】
図1乃至図3は本発明の一実施形態を示している。図1は、8つの数値データ(入力1〜入力8)が入力され、第1乃至第19の比較回路を組み合わせて、その値が8つのデータの中央2つのデータを出力する2値抽出回路である。2値抽出回路から最終的に出力されるデータ値の、大きい方をA、小さい方をBとする。図2は、図1の抽出回路の出力A及びBと、9つ目のデータが入力され、それらの中央値を出力する3値比較回路である。図1の2値抽出回路と図2の3値比較回路とを組み合わせることによって、9つのデータの中央値を出力することができる。図3は、図1及び図2において用いられる、矩形で示された第1〜第21の比較回路に共通の具体的回路の例である。
【0014】
図1及び図2に矩形示されたそれぞれの比較回路には、二つのデータが入力され、その値を比較して大きい方を「大」と示された出力端子に出力し、小さい方を「小」と示された出力端子に出力する。比較回路は例えば図3に示したように、第1,第2の入力端子と、入力値a,bがそれぞれ入力されるコンパレータとセレクタ、第1,第2の出力端子からなる。コンパレータは第1,第2の入力値を比較し、例えば第1の入力値が大きいとハイ、第2の入力値が大きいとローを出力する。セレクタはコンパレータの出力によって切り替わり、例えば、コンパレータの出力がハイならば第1の入力値を第1の出力端子に、第2の入力値を第2の出力端子に出力し、コンパレータの出力がローならば第1の入力値を第2の出力端子に、第2の入力値を第1の出力値に出力する。この場合、第1の出力端子が「大」、第2の出力端子が「小」になる。コンパレータは、入力値が同じ場合はハイ、ローいずれかを出力するように設定されている。入力値が同じならば、「大」「小」いずれの出力端子にも同じ値が出力されるので、どちらに設定しておいてもよい。
【0015】
次に、図1の2値抽出回路について詳述する。第1の比較回路1には第1及び第2のデータ(入力1、2)が入力され、第2の比較回路2には第3及び第4のデータ(入力3、4)が入力され、第3の比較回路3には第5及び第6のデータ(入力5、6)が入力され、第4の比較回路4には第7及び第8のデータ(入力7、8)が入力される。第5の比較回路及び第6の比較回路には、それぞれ第1,2の比較回路、第3,4の比較回路の大きい方の値が入力され、第7の比較回路及び第8の比較回路には、それぞれ第1,2の比較回路、第3,4の比較回路の小さい方の値が入力される。第9の比較回路9には、第5及び第6の比較回路の大きい方の値が入力され、第10の比較回路には、その小さい方の値が入力される。第11の比較回路11には、第7及び第8の比較回路の大きい方の値が入力され、第12の比較回路には、その小さい方の値が入力される。
【0016】
さて、第5〜第8の比較回路の出力を、図中に示したように順にa〜hとすると、以下のことがいえる。ここでグループ1とは、入力1〜入力4であり、グループ2とは、入力5〜入力8であるとする。
【0017】
出力aは、グループ1の中の一番大きい値である。
【0018】
出力bは、グループ1の中に前後に少なくとも1つの値がある。
【0019】
出力cは、グループ2の中の一番大きい値である。
【0020】
出力dは、グループ2の中に前後に少なくとも1つの値がある。
【0021】
出力eは、グループ1の中の前後に少なくとも1つの値がある。
【0022】
出力fは、グループ1の中の一番小さい値である。
【0023】
出力gは、グループ1の中の前後に少なくとも1つの値がある。
【0024】
出力hは、グループ2の中の一番小さい値である。
【0025】
第9の比較回路9にはaとcが入力されるので、この「大」出力端子(以下、大きい出力と表記)から出力される、出力No.1は入力1〜入力8の中の一番大きい値である。同様に、fとhが入力される第12の比較回路12の「小」出力端子の出力(以下、小さい出力と表記)No.8は、入力1〜入力8の中の一番小さい値である。従って、出力No.1及び出力No.8は中央値ではあり得ない。
【0026】
第9〜第12の比較回路の出力のうち、出力No.1、No.8を除いた出力を図示したように順にi〜nとする。
【0027】
出力iは、グループ1もしくは2の中で一番大きい値である。
【0028】
出力jは、出力bと出力dの比較結果のうち大きい方であるので、出力jは、グループ1と2に一つずつ、より小さい値を有し、かつ出力jより小さい値が少なくとも3つある。
【0029】
第13の比較回路には、iとjが入力されるので、この「大」出力端子から出力される出力No.2は、少なくとも5つ、より小さい値を有するので、中央値ではあり得ない。
【0030】
出力nは、グループ1もしくは2の中で一番小さい値である。
【0031】
出力mは、出力eと出力gの比較結果のうち小さい方であるので、出力mは、グループ1と2に一つずつ、より大きい値を有し、かつ出力mより大きい値が少なくとも3つある。
【0032】
第14の比較回路には、mとnが入力されるので、この「小」出力端子から出力される出力No.7は、少なくとも5つ、より大きい値を有するので、中央値ではあり得ない。
【0033】
第15の比較回路15には、第10及び第13の比較回路の小さい方の値が入力される。第16の比較回路16には、第12及び第14の比較回路の大きい方の値が入力される。ここで、あらためて、第15及び第16の比較回路に入力されるデータをo〜rとする。第17の比較回路17には、第15及び第16の比較回路の大きい方の出力が、第18の比較回路18には、その小さい方の出力が、それぞれ入力されるので、出力No.3は、o〜rの最大値、出力No.6は最小値である。従って、出力No.3、出力No.6は中央値ではない。
【0034】
従って、第17の比較回路17の小さい方の出力と、第18の比較回路18の大きい方の出力が、入力1〜入力8の中央2つのデータということになる。この二つのデータは、第19の比較回路19に入力される。第19の比較回路から出力される大きい方の値をA、小さい方の値をBとする。
【0035】
次に図2を用いて3値比較回路の説明をする。2値抽出回路の大きい方の出力Aと、第9のデータ(入力9)が、第20の比較回路20に入力される。次に、第20の比較回路の小さい方の出力と、2値抽出回路の小さい方の出力Bとが、第21の比較回路21に入力される。第21の比較回路21の「大」出力端子から出力されるデータが、A、B、入力9の3つのデータの中央値であり、即ち、入力1〜入力9の中央値である。
【0036】
本発明の中央値抽出回路は、図1の2値抽出回路及び、図2の3値比較回路をあわせた回路である。9つのデータのうち、8つのデータの中央2つのデータをまず抽出し、残り1つのデータを加えた3つのデータを比較するようにしたことによって、単純な比較回路の組み合わせによって、中央値の抽出ができるようになった。
【0037】
ところで、論理回路によってデータの比較、抽出を行う場合、所定周期のクロック信号によって、種々の回路のタイミングをそろえて動作させることによって、所定の処理を行うことが多い。これに対し、本発明の中央値抽出回路は、前述したように、入力に対し、中央値を出力するまで、全ての動作を、クロック信号に関係なく行うことができる。従って、本発明の中央値抽出回路の動作時間は、回路内の抵抗等による遅延時間程度であり、クロック信号によって動作する回路や、ソフトウェア的に処理する回路に比較して、高速に中央値を出力することができる。また、そのような回路に比較して、回路構成が簡単である。
【0038】
図4は、本発明の第2の実施形態の2値抽出回路である。入力1〜入力8が入力され、その中央2つの値A、Bが出力される。データの入力及び第1〜第14の比較回路までは、図1の第1の実施形態と同様であり、説明を省略する。第1の実施形態の説明で用いた、第5〜第12の比較回路の出力に付した符号a〜rを再び使用して、第15の比較回路22以降の回路動作について説明する。
【0039】
出力iは、グループ1もしくは2の中で一番大きい値である。
【0040】
出力jは、グループ1と2に一つずつ、より小さい値を有し、かつより小さい値が少なくとも3つある。
【0041】
出力lは、出力e〜hの中の最大の値である。即ち、グループ1と2に少なくとも一つずつ、より小さい値を有し、かつより小さい値が少なくとも3つある。
【0042】
第15の比較回路22には、i、jのうちの小さい方の値と、データlが入力される。従って、比較回路22の「大」出力端子の出力No.3は、少なくとも5つ、より小さい値を有するので、中央値ではあり得ない。
【0043】
出力mは、グループ1もしくは2の中で一番小さい値である。
【0044】
出力nは、グループ1と2に一つずつ、より大きい値を有し、かつより大きい値が少なくとも3つある。
【0045】
出力kは、出力a〜dの中の最小の値である。即ち、グループ1と2に少なくとも一つずつ、より大きい値を有し、かつより大きい値が少なくとも3つある。
【0046】
第16の比較回路23には、m、nのうちの大きい方の値と、データkが入力される。従って、比較回路23の「小」出力端子の出力No.6は、少なくとも5つ、より大きい値を有するので、中央値ではあり得ない。
【0047】
比較回路22の「小」出力と、比較回路23の「大」出力は、入力1〜入力8の中央2つの値であり、これらが第17の比較回路24に入力される。比較回路24の「大」出力がA、「小」出力がBである。
【0048】
出力A、Bは、入力9とともに図2の3値比較回路に入力され、第1の実施形態と同様、中央値が出力される。
【0049】
図4の第2の実施形態は、図1の第1の実施形態よりも比較回路が2つ少ないので、回路面積が小さい。
【0050】
ところで、図1及び図2の実施形態において、例えば第5、6、9、10の比較回路を一つの回路としてとらえると、この4つの比較回路は、4つの入力がなされ、最大及び最小のデータをそれぞれ「最大」「最小」端子から出力し、中央の2つのデータを「中央」端子から出力する4値比較回路ととらえることができる。即ち、図1、図2の2値抽出回路を4値比較回路を用いて描くと、図5(a)(b)のようになる。図5(a)の第1の比較回路は、3つの4値比較回路を有するので、図5(b)の第1の比較回路よりも回路設計が簡単に行える。なお、4値比較回路は、上記動作をすれば他の構成であってももちろんよい。
【0051】
本発明の中央値算出回路を用いた画像処理装置を図6に示す。図示しないCCD固体撮像素子などから出力されるデジタル画像データが、輝度処理回路31及び色処理回路32に入力され、色処理回路の出力は、マトリックス作成回路33によって9つのデータに変換され、中央値抽出回路34に入力される。
【0052】
デジタル画像データは、例えばRGBや、CMYの強度を数値で示した各画素ごとのデジタルデータからなる画像情報である。輝度処理回路31は、デジタル画像データから輝度データを作成し、出力する。色処理回路32は、デジタル画像データから所定の1色のデータを作成し、出力する。マトリックス作成回路33は、1色の色データから、3×3画素の9つのデータを、それぞれ中央値抽出回路34に出力する。マトリックス作成回路33は、例えば図6(b)に示すように、二つの遅延回路及び、6つのラッチ回路から構成される。シリアルに伝送される1色の画像データは、第1の遅延回路35によって、1水平周期だけ遅延される。第2の遅延回路36は、第1の遅延回路35の出力をさらに1水平周期遅延させる。1色の画像データ及び遅延回路35、36の出力は、それぞれ2つずつのラッチ回路に入力される。ラッチ回路37〜42は、入力されたデータを保持し、次のデータが入力されるとそのデータを出力するとともに次のデータを保持する。これによって、縦、横、3×3画素のマトリックスデータを作成することができる。中央値抽出回路34は、図1乃至図5を用いて説明した、本発明の中央値抽出回路である。中央値抽出回路34によって、9画素のデータの中央値が出力され、これを色データとして図示しない映像表示装置に出力する。
【0053】
【発明の効果】
本発明の中央値抽出回路によれば、比較的簡単な比較回路の組み合わせによって9つのデータの中央値を抽出することができる。
【0054】
また、本発明の中央値抽出回路は、動作速度が早く、これを用いた本発明の画像処理装置によれば、画像情報にリアルタイムにメディアンフィルタ処理を施すことができる。
【0055】
また、本発明の中央値抽出回路は、CPUを必要としないので、安価に製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態の第1の中央値抽出回路を示すブロック図である。
【図2】本発明の3値比較回路を示すブロック図である。
【図3】本発明に用いる比較回路の具体的回路を例示するブロック図である。
【図4】本発明の第2の実施形態の第1の中央値抽出回路を示すブロック図である。
【図5】本発明の第1及び第2の実施形態を示すブロック図である。
【図6】本発明の画像処理装置の一例を示すブロック図である。
【図7】デジタル画像情報及びメディアンフィルタを説明するための図である。
【符号の説明】
1〜24:比較回路、31:輝度処理回路、32:色処理回路、33:マトリックス作成回路、34:中央値抽出回路、51:ノイズののった画素、52:3×3マトリックス
Claims (3)
- 9個の数値データの中央値を抽出する回路であって、
前記数値データから1つのデータを除いた8個の数値データから中央の2つのデータを出力する2値抽出回路と、
該2値抽出回路が出力した2つのデータと、前記除いた1つのデータとを比較して、この3つのデータの中央値を出力する3値比較回路と
を有し、
前記2値抽出回路は、第1のデータと第2のデータが入力され、この値を比較する第1の比較回路と、第3のデータと第4のデータが入力され、この値を比較する第2の比較回路と、第5のデータと第6のデータが入力され、この値を比較する第3の比較回路と、第7のデータと第8のデータが入力され、この値を比較する第4の比較回路と、前記第1乃至第4の比較回路の出力のうち、それぞれ大きい方のデータが入力され、この値を比較して、最大、最小、中央2つの出力を行う第1の4値比較回路と、前記第1乃至第4の比較回路の出力のうち、それぞれ小さい方のデータが入力され、この値を比較して、最大、最小、中央2つの出力を行う第2の4値比較回路と、前記第1の4値比較回路の中央2つの出力が入力され、この値を比較する第5の比較回路と、前記第2の4値比較回路の中央2つの出力が入力され、この値を比較する第6の比較回路と、前記第5の比較回路の小さい方の出力と、前記第1の4値比較回路の最小の出力と、前記第6の比較回路の大きい方の出力と、前記第2の4値比較回路の最大の出力が入力され、この値を比較して、すくなくとも中央2つの出力を行う第3の4値比較回路と、前記4値比較回路の中央2つの出力が入力され、この値を比較する第7の比較回路を有することを特徴とする中央値抽出回路。 - 9個の数値データの中央値を抽出する回路であって、
前記数値データから1つのデータを除いた8個の数値データから中央の2つのデータを出力する2値抽出回路と、
該2値抽出回路が出力した2つのデータと、前記除いた1つのデータとを比較して、この3つのデータの中央値を出力する3値比較回路と
を有し、
前記2値抽出回路は、第1のデータと第2のデータが入力され、この値を比較する第1の比較回路と、第3のデータと第4のデータが入力され、この値を比較する第2の比較回路と、第5のデータと第6のデータが入力され、この値を比較する第3の比較回路と、第7のデータと第8のデータが入力され、この値を比較する第4の比較回路と、前記第1乃至第4の比較回路の出力のうち、それぞれ大きい方のデータが入力され、この値を比較して、最大、最小、中央2つの出力を行う第1の4値比較回路と、前記第1乃至第4の比較回路の出力のうち、それぞれ小さい方のデータが入力され、この値を比較して、最大、最小、中央2つの出力を行う第2の4値比較回路と、前記第1の4値比較回路の中央2つの出力が入力され、この値を比較する第5の比較回路と、前記第2の4値比較回路の中央2つの出力が入力され、この値を比較する第6の比較回路と、前記第5の比較回路の小さい方の出力と、前記第2の4値比較回路の最大の出力が入力され、この値を比較する第7の比較回路と、前記第6の比較回路の大きい方の出力と、前記第1の4値比較回路の最小の出力が入力され、この値を比較する第8の比較回路と、前記第7の比較回路の小さい方の出力と、前記第8の比較回路の大きい方の出力が入力され、この値を比較する第9の比較回路を有することを特徴とする中央値抽出回路。 - デジタル画像データが入力され、前記デジタル画像データの、画素と該画素の周囲を囲む画素のデータを出力するマトリックス作成回路と、前記マトリックス作成回路の出力の中央値を出力する、請求項1または2のいずれかに記載の中央値抽出回路とを有することを特徴とする画像処理装置。
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