JPH03506088A - 行列乗算を行うためのプログラム可能なディジタル回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ′−１乗　を′−゛ためのプログラム可２なディジ　ルロ主所Ω背屡 発盟Ω公野 この発明はディジタル信号処理の分野に、且つ特に、カラービデオ信号処理に使 用される形式の係数行列による複数のディジタル信号の行列乗算に関係している 。

背員Ω技街 補正マトリックスは種種のカラービデオ応用において有用である。例えば、赤、 緑及び青のビデオ信号をＹ（輝度）及び■、Ｑ（クロミナンス）信号に変換する ために変換マトリックスが使用される。使用されている特定の表示装置の蛍光物 質組の色度に対するビデオカメラのスペクトル感度を補正するためにカラー補正 マトリックスが使用される。別の用途はフィルム−ビデオ変換についての過程で あって、これにおいてはカラー補正マトリンクスがフィルム走査信号について動 作してビデオ表示に対するフィルム測定を補正する。

マトリックスを一つ又はユニの集積回路で実現することは空間及び効率の理由の ために望ましい。通常の方策は乗算器、例えば九つの乗算器の配列を用いて３× ３マトリツクスを実現することである。これは（集積回路において）非常に多量 の回路面積を使用する。乗算器はＲＯＭ（固定記憶装置）探索表で置き換えられ ることができる。これもやはりあまりにも多量の面積を必要とする。別の方策は 簡単な移動演算によって行列（マトリックス）係数を近位するが、これは１／３ ２１／１６．１／８．１／４．１／２．１２などのような「二進」行列係数級数 を与えるレジスタ間の「配線式」右（又は左）送り接続によってディジタル的に 実現されることができる。そのような良（ない係数確度は選択された係数を加え 合わせることによって改善され得るが、これは多くの加算器及び多くのシフトを 必要とする。

やはり又、あまりにも多量の面積が必要とされる。

米国特許第４５０７６７６号には、各係数を二つの部分、すなわち二進値部分及 び残り部分に分割する妥協解決策が開示されている。二進値部分は「配線式」右 送りによって実現され且つ残り部分はＲＯＭ探索表によって実現される。そのよ うな方策は付加的な確度を与えるが、ＲＯＭ探索表を全く除去することが望まし いであろう。更に、ビデオマトリックスに対する異種の応用を考慮して、最小限 の設計変更で種種の応用に対して使用され得る万能マトリックスチップを持つこ とは大いに望ましいであろう。

発皿Ω要約 この発明は、確度の増大及びマトリックス実現の容易さのために縦続接続に向い ている簡単な面積節約形態においてシフト及び演算関数をマスクプログラムする ことによって従来の技術から外れている。この取組み方の基礎は、二つの「配線 式」シフト入力を加算又はＭＸすることによって、非常に少量の回路構成により 所望の行列係数の大部分を得ることが可能であるという理解である。例えば、二 つの入力ディジタル信号はプログラム可能なビットシフトに従ってプログラムに 可能な２のべきによって別別に乗算又は除去されて、第１及び第２の中間信号を 与える。これらの中間信号は次にプログラム可能な演算関数、例えば加算又は減 算、に従って算術的に組み合わされて積信号を与える。演算関数を選択し且つシ フトのビット長を規定することによって、乗算係数、又はそれの成分が確立され る。

このプログラム可能な回路は、マトリックス出力信号を与える一つの回路を除い たすべてのものに対して一つの回路の出力が別の回路の入力になるように複数の 同様の回路が縦続接続されている「積み木」になっている。そのような方法で、 各係数の確度を改善することができ、且つマトリックスの少なくとも一つのチャ ネル（行）を実現することができる。複数の信号チャネルの全域で幾つかの縦続 接続のチェーンを並列に駆動することによって多行マトリックスが得られる。

区夏■簡単在説朋 この発明は図面に関連して説明されるが、この図面中、図１は色補正を行うため の多チヤネルビデオマトリックス回路の構成図であり、図２は図１に示された赤 チャネルにおけるプログラム可能なマトリックスの詳細図であり、又 図３は図２に示されたプログラム可能な回路ブロックの一つを図示している。

のラ　な−日 まず図１に言及すると、行列（マトリックス）係数が特定の蛍光体表示装置の色 度に対するビデオカメラのスペクトル感度を補正する典型的なビデオマトリック ス応用装置が示されている。マトリックスは図示されたように別別の赤、緑及び 青のチャネルにおいて実現されている。ビデオカメラ（図示されていない）がら の−組の入力信号Ｐ’　ｉ、Ｇ’　ｉ、及びＢ′　ｉは別別のＲＯＭ　（固定記 憶語り探索表１０．１２及び１４に加えられ、そしてこれらは入力信号を入力数 学空間から線形数学空間に変換する。採択実施例は対数的入力信号について使用 されているので、表１０．１２及び１４はそれぞれの入力対数信号を一組の線形 信号Ｒ１、Ｇｉ、及びＢｉに変換する。色補正マトリックスはプログラム可能な 赤チャネルマトリックス１６、プログラム可能な緑チャネルマトリックス１８、 及びプログラム可能な青チャネルマトリックス２０によって別別のチャネルにつ いて行ごとに実現される。線形信号Ｒｉ、Ｇｉ及びＢｉは係数ａｉｊの配列によ る乗算のためにマトリックス１６．１８及び２０のそれぞれに加えられる。色補 正マトリックス演算は方程式（１）に示されている。

Ｒｏ　　　　ａｎ　　ａｃｔ　　ａｉｒ　　　ＲｉＧｏ　　＝　　ａｃｔ　　ａ ｔｚ　　ａ３！Ｇｔ　　　　　　　　（１）Ｂｏ　　　　ａｎ３　　ａｔｓ　　 ａ３ｓ　　　Ｂｉここで、Ｒｏ、、Ｇｏ及びＢｏはそれぞれのマトリックス回路 １６．１８及び２０から出力された信号である。

係数ａｉｊは、テレビジョン表示装置に使用された蛍光物質の色濃合物関数並び に光学系及びセンサを含むビデオカメラからの三つのカラー信号のスペクトル感 度に依存している。係数は正又は負であることができる。一般に、負の対角外れ 係数は画像の色彩度を増大する。所与の行の係数の和を１に等しく保つことが通 常望ましいので、対角係数は負の対角外れ係数を相殺するために１より大きくさ れる。この実施例においては、係数は色表現及び色彩度の改善のために方程式（ ２）に示されたように選択される。

Ｒｏ　　　　１３／８　　　−１／４　　−３／８　　　ＲｉＧｏ　　−−１／ １６　　　２１／１６　　−１／４　　　　Ｇｉ　　　　　（２）Ｂｏ　　　　 −１／３２　　−１／２　　　　４９／３２　　　Ｂｉここで、係数ａｉＪはＳ ＭＰＴＥ　　ｒ　ＣＪ蛍光体表示装置、すなわち、映画テレビジョン技術者協会 （Ｓｏｃｔｅｔｙｏｆ　　Ｍｏｔ、ｉｏｎ　　Ｐｉｃｔｕｒｅ　　ａｎｄ　　Ｔ ｅ１ｅｖｉｓｉｏｎ　　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ）によって確立された蛍光体特性、 に関して色補正のために選択されている。

各マトリックス１６．１８及び２０は行列乗算のそれぞれの行を実施する。この 理由のために、すべての信号Ｒｉ、Ｇｉ及びＢｉは各マトリックス１６．１８及 び２０に加えられる。行列演算は、（赤チャネルに対して）図２に示されたよう にパイプライン方式及び並列方式と共に束縛シフト及び加！、４算演算を使用す る。このアーキテクチャは乗算器の使用を回避する。係数は＋／−１／３２と＋ ／−２との間で離散的（必ずしも等しくはない）増分においてメタルマスクプロ グラム可能である。このプログラム可能なことはマトリックス回路が単一のマス クを変えることによって種種のイメ・−ジセンサ・スペクトル感度について又は 種種の形式の表示装置について使用されることを可能にする。マトリックス出力 信号Ｒｏ、Ｇｏ及びＢｏは次にそれぞれの線形−ガンマＲＯＭ探索表２２．２４ 及び２６においてガンマ補正されるが、これらの探索表は入力における信号電圧 とシステムの出力における光値との間の非線形コントラスト関係を調整するため に適当な曲線形状変換を与える。ガンマ補正された出力信号Ｐ’ｏ　、Ｇ’ｏ　 、　Ｂ’　ｏはビデオ表示装置（図示されていない）に適当に接続されている。

図１においては、全マトリックスが三つの１×３マトリツクスチヤネルにおいて 実現されて示されている。今度は図２に言及すると、］×３赤マトリンクスチャ ぶルが更に詳細に示されている。赤マトリックスチャぶル（並びに緑及び青のマ トリックスチャネル）はメタルマスクプログラム可能なシフト／加：［／Ｍ算デ ィジタルブロックを含んでおり、この各ブロックは基本的には同しであって参照 文字３０で同定されている。各ディジタルブロック３０には、各レジスタがプロ グラムされたシフトを除いては基本的に同しである。マスクプログラム可能な入 力シフトを持った二つのレジスタ３２と、マスクプログラム可能な演算装置３４ とがある。レジスタ３２は図示のような除算、すなわち、１／２に対しては１ビ ツト、１／４に対し７ては２ビツト、１／８に対しては３ビツトなどのシフト、 を与えるようにマスクプログラムされている。演算装置３４にはデータ人力ａ及 びｂがあって１．入力すはそれの制御入力ａ／Ｓのマスクプログラミングによっ て否定されることができる。

図２に示されたように、ディジタルブロック３０は縦続接続されており、これに より最後のディジタルブロック３０を除いて一つのものの出力が別のものの入力 になっており、最後のものはマトリックス出力信号Ｒｏ、（すなわち、Ｒｏ　＝ 　１３／８Ｒｉ　−／４　Ｇ　ｉ　−３／８Ｂ　ｉ　）を与える。更に、対角係 数ａｌｌ（方程式（１））は二つのブロック３０ａ及び３０ｂの縦続接続構成３ ６によって計算されることが示されている。構成３６によれば、赤火力信号Ｒｉ は上流のディジタルブロック３０ａの両入力と次の下流のブロック３０ｂの一つ の入力とに導かれる。これは１より大きい係数を与えるのに有効である。緑及び 青チャネルマトリックスは図２に示されたものと同しアーキテクチャで実現され るが、但し縦続接続構成３６は赤火力信号Ｒｉに対する代わりにそれぞれ緑又は 貴人力信号Ｃｈｉ又はＢｉに対して準備されている。シフト及び演算機能はもち ろん所望の係数を得るために必要に応して変更される。

図３はディジタルブロック３０の一つを更に詳細に示している。入カビット解像 度ｍおよび出カビノド解像度ｎはブロック３０が圓２に示されたようにマトリッ クスチャネルにおける入力、中間又は出力ブロックのいずれであるかに依存し２ ている。例えば、入力Ｒ１、Ｇｉ及びＢｉに接続されたブロック３０はｎ−１０ 人カビ／ト及びｍ＝１２出カビノドを持っている。図３はブロック３０の内部構 成、及びマトリックス係数ｒ７／３２Ｊがマスクプログラムされる方法を示して いる。

レジスタ３２は「配線式」入力４０ａ及び４０ｂとして同定されたマスクプログ ラム可能な入力配列を備えている。単純なメタル（金属）マスクレベル変更によ って、プログラム可能な２のべきによる乗算又は除算、ある数（ｎ）の左シフト に対しては２″による乗算又はある数（ｎ、）の右シフトに対してば１／２′に よる除算、が与えられる。

演算装置３４には加算器４２、及びｎの排他的ＮＯＲゲートの配列４４があって 、これらは−緒に２の補数加算器を形成している。加算器４２はｎビ、１・の一 つの入力ａが「ａ」レジスタ３２の出力に接続され且つｎビットの第２人力すが ＮＯＲゲートの配列４４に接続されており、これは次に「ｂ」レジスタ３２の出 力に接続されている。ＮＯＲゲートの配列４４及び加算器４２は符号発生器４６ から否定入力ＡＤＤ／ＳＵＢ　（図２の「ａ／ｓ」）を受ける。「７／３２Ｊの マスクプログラミングのためには、入力４０ａが単純なメタルマスクレベル変更 により右に２場所シフトしてｒＸ　１／４Ｊを実現するように［配線ｊされ且つ 入力４０ｂが右に５場所シフトしてｒｘ　１／３２　Ｊを実現するように「配線 」される。このようにシフトにおいてバイパスされた最上位ピノｌ−（ＭＳＢ） はディジタル「ゼロ」を「配線コすることによってゼロにセントされる。符号発 生器４６は否定（「×−１／３２　Ｊを与える）を実現するためにディジタル「 １」（νｃｃ）に「配線」される。これは、ＡＤＤ／ＳＵＢ線＝１を設定し、従 って排他的ＮＯＲゲーＩ・の配列４４は入力すの信号を反転させ且つ加算器４２ の加算器けた上げ入力は１にセットされて、適当な２の補数減算が与えられる。

反対の場合には、符号発生器４６がディジタル「０」に「配線コされると、Ａ、 ＤＤ／ＳＵＢ線−０となり、加算器ｌＳ２は加算を行う（ｒ９／３２Ｊを与える ）。別の方法として、ディジタル回路設計の技術に通じた者には周知のように、 Ａ、ＤＤ／ＳＵＢ制御線が反転させられたならば排他的ＮＯＲゲートの配列４４ の代わりに排他的ＯＲゲートの配列を使用することができるであろう。

図１〜３はプログラム可能なディジタル回路がビデオカメラ使用の際の色補正の ためにマスクプログラムされる方法を示している。プログラム可能なディジタル 回路は又、赤、緑及び青のビデオ信号をＹ（輝度）及びｉ、Ｑ（クロミナンス） 信号−・変換するための変換マトリックスとしてマスクプログラムされることが できるであろう。入力探索表１０．１２及び１４はガンマ補正のためにマスクプ ログラムされ、又出力探索表２２．２４及び２６は単位、又は「直線」、曲線変 換のためにプログラムされるであろう。そのような変換のための適当な行列係数 の選択はこの技術についての通常の技能の範囲内に十分にある。別の応用は、例 えばテレビ映画のためのフィルム−ビデオ変換においてであろう。この場合には 、原始情景から記録された赤、緑及び青、すなわち画像に形成された実際の色素 量、を決定するためにフィルムシステムのほぼ対数の特性曲線により赤、緑及び 青のビデオ信号が写像されているので、対数マスキングが必要とされる。入力探 索表Ｎｏ、１２及び１４は「直線」曲線変換のためにマスクプログラムされ、従 って入力信号Ｒｉ、Ｇｉ及びＢ】を対数空間に保つであろう。対数的に量子化さ れた信号は次に、ビデオ表示のためのフィルム測色を適当に補正するためにマス クプログラムされた３×３色補正マトリックスでマＩ・リソクス化される。適当 な係数の配列は技術上周知であり、従ってここでは説明されない。出力探索表は その場合対数信号をガンマ補正された信号へ変換するようにマスクプログラムさ れるであろう。

別の応用は瞬間的に利用可能なビデオ画像の色及び色調階級から所望の非ビデオ 出力媒体に整合する色及び色調階級・＼の入力信号の変換においてである。例え ば、画像がフィルムとビデオカメラとに同時に捕獲される装置においては、ビデ オ画像の色及び色調階級は最後に写真プリントの怒じに整合するべきである。線 形信号Ｒ１、Ｇｊ及びＢｉはフィルムからのプリントの色再現に表示色が類似す るようにカメラのスペクトルに感度を農もよく補正するためにマスクプログラム された３×３色補正マトリックスによって乗算される。所要の変換についての知 識から適当な組みの係数を選択又は推定することができるが、そのような知識は この技術における通常の教示事項の範囲内にある。出力ＲＯＭ探索表２２．２４ 及び２６は線形空間から出力媒体（例えば、感光紙）の曲線形状に整合した「ガ ンマ補正された」空間に変換し、従ってビデオ表示色調階級がプリント色調階級 に整合するようにマスクプログラムされる。

この発明は特に現在採択された実施例に関して詳細に説明されたが、この発明の 精神及び範囲内において種種の変形及び変更がもたらされ得ることは理解される であろう。

／　　　　　　　　ｊニー１１　　　　　　　　　　　２２ＦＩＧ、１ 砧 吟１ａ：１ ＦＩＧ、３ 国際調査報告 国際調査報告

Claims (23)

【特許請求の範囲】
1. １．入力ディジタル信号及び乗算係数の積を得るためのプログラム可能なディジ タル回路であって、 前記の入力ディジタル信号をプログラム可能な２のべきで乗算又は除算するため の第１シフト装置であって、入力ディジタル信号を第１ビット長を超えてビット シフトすることによって第１中間信号を発生する前記の第１シフト装置、前記の 入力ディジタル信号をプログラム可能な２のべきで乗算又は除算するための第２ シフト装置であって、入力ディジタル信号を第２ビット長を超えてピットシフト することによって第２中間信号を発生する前記の第２シフト装置、前記の第１及 び第２中間信号をプログラム可能な演算関数に従って組み合わせて積信号を与え るための演算装置、並びに前記の演算関数を選択し且つ前記の第１及び第２ビッ ト長を規定してこれにより乗算係数を確立するためのプログラム可能な装置、を 備えている前記の回路。
2. ２．前記の第１及び第２のシフト装置の少なくとも一つが変更可能なマスクレベ ル入力接続を備えたレジスタを含んでいる、請求項１に記載の回路。
3. ３．前記の演算装置が、前記の第１及び第２中間信号をそれの別別の入力におい て受けるように構成された加算器を備えている、請求項１に記載の回路。
4. ４．前記の演算装置が、前記の第１及び第２中間信号の一つを否定するための装 置を備えている、請求項３に記載の回路。
5. ５．前記の否定装置が、前記のシフト装置の一つと前記の加算器への入力の一つ との間の信号路に挿入された排他的ＮＯＲゲートであってこれへの符号ビット入 力の状態に従って活動化される前記のＮＯＲゲートからなっている、請求項４に 記載の回路。
6. ６．符号ビットが、二つの符号電位のどちらかへの変更可能なマスクレベルに接 続部を備えた符号発生器によって与えられる、請求項５に記載の回路。
7. ７．前記のプログラム可能な装置が、前記の変更可能なマスクレベル入力接続部 を規定するメタルマスクレベル接続部を含んでいる、請求項２に記載の回路。
8. ８．前記のプログラム可能な装置が、前記の可能な符号のどちらかへのメタルマ スクレベル接続部を含んでいる、請求項６に記載の回路。
9. ９．前記の積信号が行列係数又はこれの成分を表している行列乗算における使用 のための請求項１に記載の回路。
10. １０．複数の入力信号を行列係数の配列によりディジタル的に乗算して複数の出 力信号を得るためのマトリックス回路であって、各信号処理チャネルがプログラ ム可能な乗算器回路の縦続接続構成により前記の複数の入力について動作する、 複数の信号処理チャネルを備えており、各乗算器回路が、 前記のディジタル入力をビットシフトすることによって前記のディジタル入力を プログラム可能な２のべきで乗算又は除算して第１中間信号を得るための第１シ フト装置、 前記のディジタル入力をピットシフトすることによって前記のディジタル入力を プログラム可能な２のべきで乗算又は除算して第２中間信号を得るための第２シ フト装置、 前記の第１及び第２中間信号をプログラム可能な演算関数に従って組み合わせる ための演算装置、並びに 前記の演算関数を選択し且つ前記の第１及び第２ビットシフトを規定するための プログラム可能な装置、を備えており、各チャネルにおける乗算器回路が、その 出力信号を発生する一つの乗算器回路を除くすべての回路に対して一つの回路の 出力が別の回路の入力になるように縦続接続されており、この縦続接続が前記の プログラム可能な装置との組合せにおいて動作して行列係数の配列を確立するよ うになっている、前記のマトリックス回路。
11. １１．前記の第１及び第２シフト装置が、変更可能なマスクレベル入力接続部を 持ったそれぞれのレジスタを備えている、請求項１０に記載の回路。
12. １２．前記の演算装置が、前記の第１及び第２中間信号を別別の入力において受 けるように構成された加算器を含んでいる、請求項１０に記載の回路。
13. １３．前記の演算装置が、前記の第１及び第２中間信号の一つを否定するための 装置を含んでいる、請求項１２に記載の回路。
14. １４．前記の否定装置が、前記のシフト装置の一つと前記の加算器への入力の一 つとの間の信号路に挿入された排他的ＮＯＲゲートであってこれへの符号ビット 入力の状態に従って活動化される前記のＮＯＲゲートからなっている、請求項１ ３に記載の回路。
15. １５．符号ピットが符号発生器によって与えられる、請求項１４に記載の回路。
16. １６．前記のプログラム可能な装置が、前記のレジスタヘの前記の変更可能なマ スクレベル入力接続部を規定するためのメタルマスクレベル接続を含んでいる、 請求項１１に記載の回路。
17. １７．前記のプログラム可能な装置が、前記の符号発生器に二つの信号電位のど ちらかを与えるメタルマスクレベル接続部を含んでいる、請求項１５に記載の回 路。
18. １８．入力信号を入力数学空間から行列乗算に適した処理空間に変換するための 入力探索表記憶装置を更に備えている、請求項１０に記載の回路。
19. １９．入力信号の色調階級を変更するための出力探索表記憶装置を更に備えてい る、請求項１８に記載の回路。
20. ２０．前記の入力及び出力探索表記憶装置の少なくとも一つか種種の応用に対し てプログラム可能である、請求項１９に記載の回路。
21. ２１．行列係数が色補正をもたらす、請求項１０に記載の回路。
22. ２２．行列係数がカラー信号の輝度及びクロミナンス信号への変換をもたらす、 請求項１０に記載の回路。
23. ２３．行列係数及び探索表記憶装置が入力信号のビデオ画像の色及び色調階級か ら非ビデオ出力媒体に整合する色及び色調階級への変換をもたらす、請求項２０ に記載の回路。