TW200537945A - Apparatus and method for increasing the pixel resolution of image using coherent sampling - Google Patents

Description

200537945 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明與一個顯示系統有關，並且更特別是有關於利用一種 利用同調取樣(coherent sampling)技術增加圖像像素解析度之裝置 及其方法。 【先前技術】 顯示系統係將諸如DVD播放器或電腦等視訊源裝置之輸入圖

像’處理成為輸出圖像後顯示在監視器或電視之相對應螢幕上。 通常，輸入圖像係由電腦主機或者一個視頻訊號源傳送出來，其 像素解析度業已由該等訊號源所預先決定，因此，顯示系統需& 利用縮放器（scaler)重新調整輸入圖像的像素解析度成為適切的 輸出像素解析度，使得顯示幕能正確地顯示輸出圖像。由電腦所 提供的輸入圖像信號通常係屬VESA格式，VESA係一種電腦圖 格式。 一現今視頻和圖像顯示設備通常包含具有固定像素解析度之顯 示面板，LCD監視器和LCD電視即為此中之一例。這些顯示面板 ，常僅接受數位化的來源圖像驅動方式，然而，大多視頻訊 號源仍然是以類比格式傳送圖像或圖像順序，故需 換器(⑽對類比視頻信號輸入進行取樣暨數位化 ，制器之ADC取樣區間（intervai)係與視頻信號源之原始解 換句話說，經過ADC處理輸出之像素解析度反映出視頻$ f析度。通常，ADC輸出之數位化像素解析度比顯示; 度低。假若直接將數位化圖像顯示於顯示面板時， 顯示區域，即如圖6中所示。通常為配合顯示 2解Ϊ度’會利用數位化的縮放方法來增加圖像解析度，圖ϊ …頁不驾知放大（upscaling)技術的功能方塊圖。 【發明内容】 5 200537945 目前所使用的數位化方式與數位放大方法通常會有若干的問 題。首先，視頻源類比信號所具有的時序雜訊(timing jitter)通 常是像素週射相當顯著的-部分。可藉由鎖相回路(PLL)技術追 蹤水平掃抓線同步時序信號(HSYNC)即可將某些時序雜訊移除，即 如圖7中所示。但疋’如圖7所示，縱然使用設計精良的pu ， 所再生的取樣時序(CLKADC)與輸入圖像信號1〇2之間，仍保留 j巧抖動雜訊’即如圖7所示，使縱取樣類比輸入信號時 ^生非常大的誤差，並地會導致縣品質劣化_題。然而， =要改善圖像品質劣化的問題，MADC可以高於尼奎斯特率 (N^st rate)或最大錢轉齡—咖如t圓出加 rate)之頻率對輸入信號進行取樣，如果符合此等條件中之一者， =取巧後之輸人信號可經由分析，獲致輸人信號與取樣時序間目 刖之時序誤差。因此，透過本發明的更進一步的改良， 取出實際與理想上取樣點間之時序誤差，即便如㈣ 低ΐ—步的時序誤差’亦或如圖8b般利用數位内插 tii ⑽#技射之任—者，射以將時序誤差 =應予以_地降低。另外，導因於線或品質差纔線、或 匹=頻率響應劣化的問題，也可以藉由數位内插法作信 唬修正，即此法之另一項優點。 ^增加取樣率的另_概_於信航理與尼姨特定理相 的作ΐ際論上’根據奎斯特定理’若以尼奎斯特率取樣 弦準濾波器（filter)必然可以精雜重建類比 於尼麵特率進行取樣的話，則在顯示面板 s，i 、j後進行重建信號的精準度，必然可以因而提升。 頻率進行取樣，則對於水平方向進行數位放大 的而求即可崎除，獲致節省轉與成本的好處。 、去。發明提供—翻整輸人圖像像素解析度的裝置及方 法根據本發明，係以高於原始圖像像素率（Dixel rate)之瓶鱼 對於代表輸入圖像之類比信號進行過取樣(讓piing))處理， 200537945 藉以調整像素解析度，然後再以數位縮小(d_ca 度之像素資料(㈣1d帅過取樣所得 之像素貝枓了被存放魏統憶财，織再騎數位縮小的處 ，。^可以先進行數位縮小處理，然後再將縮小後之圖像資料儲 存在緩衝記憶體内，以節省緩衝記憶體的空間需求。 【實施方式】 請參照圖9，即根據本發明用以增加圖像像素解析度之一裝置 9。之方塊示意圖。如目9所示，裝置咖包括一類比/數位轉換 器 ADC) 140、一内插引擎（interp〇iati〇n engine) 155、緩衝記 ，體16〇、以及一垂直縮放器（vertical scaler) 170。裝置900 巧以處理輸入來源圖像信號1〇2成為輸出目的圖像信號1〇3，以 f此顯示於^：視||或電視之螢幕上。此輸人來關像信號1〇2係 由電腦主機或視頻信號源傳送出來，係屬類比格式。#胤14〇 J以與輸?圖像信號所採用的像數率相同或更高的水平像素解析 又對輸入“號進行取樣的話，便無需於晝面的水平方向進行數位 =大(upscaling)操作。據此，輸入圖像信號1〇2經過過取樣，在 C 14=輸出端產生之像素解析度，即為來源像素解析度之整數 ‘，以簡化時序誤差擷取與内插處理之信號處理需求。另外，整 過取樣尚能降低視頻(visual aliasing artifacts),此即若 諸如個人電腦圖形系統等高頻寬視頻來源採用非整數倍過取樣 jc^integer overSampiing)時，通常此等視頻源會在信號回建 時，用像素率取樣—保持形式(Pixel rate sample-hold style)， ，相當的諧波能量(harm〇nics energy)。而整數倍過取樣也 可以稱之為同調取樣(c〇hereni： sampHng)。内插引擎155用來 =時序誤差校正、鮮響應校正、以及將數位 理等之用，以配合輸出面板輸出資料之像素解析度。經過内 ϊί，:二條或多條像素資料線會儲存至緩衝器記憶體160内， =後緩衝器記憶體160的輸出會及於垂直縮放器170,由垂直縮放 。170將影像尺寸予以垂直放大或縮小，以配合輸出面板輸出影 200537945 像的垂直線解析度。自垂直縮放器17〇處理輸出後之影像資料， 會進一步經過色彩強化(color enhancement)等信號處理步驟，再 格式化配合面板資料格式後，傳送至顯示面板。 請參照第一圖’所示為根據本發明另一較佳實施例之用以增加 影像像素解析度裝置100之方塊示意圖。如第一圖所示，裝置1〇〇 包括：一數位接收器110、數位/類比轉換器（DAC) 12〇、一選擇器 130、一類比/數位轉換器（ADC) 140、一水平縮小器（horizontal down-scaler) 150、一緩衝器記憶體160、以及一垂直放大器 (vertical up-scaler) 170。裝置1〇〇係用來處理來自於電腦主 _ 機或視頻源之數位來源圖像信號1〇1或類比圖像信號1〇2,並產生 輸出目的圖像信號103供顯示於監視器或電視之螢幕上。 如第一圖所示，數位來源圖像信號1〇1輸入至數位接收器 Π0，然後傳送至DAC 120轉為相對應的類比信號121。較佳而言， 數位接收器110可以包含數位視頻介面（DVI)接收器U1或數位視 頻埠(digital video port) 112，分別用以處理DVI信號或數位 格式^圖像信號。一選擇器115係用來選擇代表數位來源圖像之 數位資料信號113或114，再由DAC 120轉換成為類比圖像信號 121。此較佳實施例中，dAC丨2〇之轉換率與數位來源圖像信號而 • ^接收來源像素率相同。相對應之類比圖像信號121輸入至選擇 器130之一輸入端，而類比來源圖像信號1〇2則輸入至選擇器之 ，一輸入端。據此，選擇器13〇可用以選擇相對應之類比圖像信 號121或類比來源圖像信號1〇2，成為一經選擇類比圖像信^ 丨31，而經選擇類比圖像信號131會送至ADC 140處理。根據本g 明二ADC 140係可使用較來源圖像信號101或102之來源圖像像素 ^ ，局之取樣頻率，對於類比圖像信號131進行取樣和數位化處理。 藉，ADC 140會產生過取樣像素資料141，此過取樣像素資料141 中每條線^主動像素(activepixel)數，會高於來源圖像信號101 或102中每條線之主動像素數。較佳而言，ADC 14〇所提供之每條 主動像素數是來源圖像每條主動像素數之整數倍，故就影像主^ 200537945 部分，adc i4〇之取mm率係為來源圖 7象之失真 之整數倍，而使用整數倍之同調取樣虎101或102像素率 (aliasing artifacts)。 以避免取樣圖像之生古 之後，過取樣像素資料141會經過縮放器 配合目標圖像特定之像素解析度，分別進料平：二=放2 或縮小的處理，第四圖係顯示各輸出波形，以供參考。 大 例如，來源圖像的像素解析度為XGA，具有1024x768個像素， 而目標圖像所需之像素解析度是SXGA，具有1280x1024個像素。 然而，此例並非用以限定本發明之範圍，XGA與SXGA之若干參數 提供如下·· 輸入圖像： 輸入更新率/圖框率：60Hz 每圖框輸入主動線數：768 每線輸入主動像素數·· 1024 每圖框輸入總線數：806 每線輸入總像素數：1344 輸入像素率：65MHz 輸出圖像： 輪出更新率/圖框率：6〇Hz 每圖框輪出主動線數：1024 每線輸出主動像素數：1280 每圖框輸出總線數·· 1072 每線輸出總像素數：2098 輪出像素率：135MHz 200537945 假若輸入圖像為類比信號，ADC 140會使用兩倍於輪入像素率 之頻率對圖像信號102進行數位化處理，即2x65MHz=130MHz，則 在ADC 140輸出端之過取樣像素資料丨41具有如下特性： 、 過取樣更新率/圖框率：60Hz 每圖框過取樣主動線數·· 768 每線過取樣主動像素數：2048 每圖框過取樣總線數：806

每過取樣總像素數：2688 過取樣像素率：130MHz —過取樣像素資料141會先及於水平縮小器150，將水平方向之 每條2048主動像素數縮小為每條128〇主動像素數。經過水平縮 小之圖像資料的主動像素資料會儲存於緩衝器記憶體丨6〇，再提供 給ίϊ放大器丨70做内插處理增加主動線數，將圖樣垂直放大，、 使得每輸出圖框主動線數大於每輸入圖框主動線數。本例中，圖 像在垂直方向由每圖框768主動線數放大至每圖框1〇24主動線 ，。垂直放大後之輸出可再經過其他影像或訊號處理，然後以輸 出時脈率將圖像資料輸出至顯示裝置。 =時脈率與每線總像素_整方法，係在緩衝_記憶體16〇 二'(overf low)或下溢(underfl〇w)的情況下產生目標圖像，故 與輸入圖框率相同之平均辭產生輸出圖框。 音次素資料141可提供至相位侧器180，用以將圖像像 戶^^ *理擁取相位誤差資訊予ADC時脈產生器（如第八b圖

Sit回路應），係相對於輸入的來源圖像信號1的或1〇2， 取樣之相位追縱效能。如是之相位誤差迴授方式， 授者水，頻¥訊之輸人圖樣特別有效…相位誤差迴 技方麵顯讀第八b圖，其巾像素㈣u 200537945 L樣像素資料141内摘取出相位誤差資訊φε，再由 差資訊與縮放比例資訊189，產生索引信號 累加11189包括第一加法器1871、第二加法 =暫二S器，，如第八b圖所*，第-加法議 二二上具有一輸入端接收縮放比例資訊189。第 孓出踹端連接至暫存器1873與相位偵測器185之 咅！t接至内插引擎155°因此，索引信號係代表 像錄置，可據叫算或崎照表方式 入圖^係以數位形式接收，輸入時脈Clk in刚會伴 ；I f4〇n 104 2Π ml 230 i用ΓΛ t Λ器/5〇 °如第二圖所示，第二時脈合成器 230係用以產生一輸出時脈231予垂直縮放器17〇。 川請ίϊίΐ圖時脈合成1⑽係勒產生過取樣時脈 11 ’ /、具有輸入時脈Clk」n 104的頻率F」n整數倍之一頻 的除f ί 3f係用以產生一_321，係對過取樣時脈311 的頻率F—adc除以相同的整數乘數，故時脈321 巧位接收器no與DAC 12◦由時脈321所控^有^以時 脈311施加至ADC 140與水平縮小器150。如第三 1時 脈合成器330係用已以產生輸出時脈331予垂直縮放器1?〇弟一 f 第五圖係顯示本發明之方法流程圖。在步驟5〇 ，入圖像是類比或數位。若輸人祕是數位 ; ^DAC120 像U虎121後’進仃步驟530。若輸入圖像是類比形式，則直接進 200537945 行步驟530 在步驟530中，相對卜 藉以糊小器· 像素數至較少每條主動 ^ 資料係於緩衝器記惟辦1fin 、^y 了俅诼京貝枓線。由於像素 再儲存於緩衝器記憶體⑽内，在另$ =不2疋縮小後 樣像素資料先儲存於緩衝器記憶體内，再進行料ίίϊ將過取 t主動線數會大於每輸入圖框之主放動=象==圖 ί線二中也可以進行垂直方向的縮小處理 ’即使輸出的像素資 !7〇 ^ 之瓶’代表原始圖像之類比健㈣較原始圖像像素率高 ~率t取樣，織在水平方向進行數位化縮小(d_caiing) 2 ^右對於類比信號之取樣頻率為輸入像素率之整數倍，則可 =直接崎需圖像騎度直接取樣輸人減所產生部分缺點。 假若輸入信號係以數位形式接收，則必須以數位/類比轉換 桌，、員比信號轉換為類比信號，再以較接收圖像像素率高之取樣 =次，類比/數位轉換器對類比信號進行取樣。接著，對過取樣像 ”貝料進行數位縮小化處理後，將縮小後像素資料儲存於缓衝器 12 200537945 ’對儲存於緩衝器記憶體内之像素資料進 傳送予顯示裝魏示之用。 _直處理叙像素賀枓 【圖式簡單說明】 意圖第一圖係顯示根據本發明增㈣像像素解析度裝置之方塊示 路—tii圖根據本發明增加圖像像素解析度裝置内時脈電 爆 路另第-ΐΐΐϊΐ罐本發明增加圖像像素解析度裝置内時脈電 第四圖係顯示圖1相關輸出之各個波形圖； 第五圖係顯示根據本發明方法之流程圖； 第六圖係顯示原始輸人圖像與顯示面板的示意圖； 第七圖係顯示習知裝置之示意圖； 第八圖係顯示根據本發明相位價測器之示意圖；以及 塊示^九圖麵觸她—舞細繼之另-方 【元件符號說明】 1圖像 器；⑽遞；13G〜選擇器；l4〇H數Ύ115,擇 衝器記憶體；170〜垂直縮放5| · 18n / 水平鈿小器，16〇〜緩 咖第-時脈合成器;⑽视；21 第一時脈合成器；320〜除頻器。 13

Claims (1)

1. 200537945 十、申請專利範圍： 巾錄入圖像之 - 收具有第—類比^形式之該輸入圖像； •脈產生水平像素^一類比信號’根據一取樣時 之像素率； 其中4取樣時脈之時脈率高於該輸入圖像 後水平像素資料進行縮小處理’以產生縮小 • =ϊίΞίΐ'用以儲存像素資料;以及 或縮小的Θ 3$二二對雜錢像素資料就垂直方向進行放大 出像素資^。’ V/根據—輸出像素時脈產生代表該輸出圖像之輸 範圍第1項所述之裝置，尚包括： 及 器’用以接收具有數位信號形式之該輸入圖像；以 號比用以將該數位信號轉換為一第二類比信 換為該水類比/數位轉換器根據該取樣時脈轉 ^ 之像素率。/、枓，其中該取樣時脈之時脈率高於該輸入圖像 符i 2 $所述之裝置，其巾絲位接收器是一 素率之整數倍。7 Λ ^中該取樣時脈之時脈率為該輸入圖像像 產第1項所述之裝置，尚包括另-時脈，用以 200537945 7.如申請專利範圍第〗項所述之裝置，复 素資料’可以是該水平像素資料象巧 ，8.如中請專利範圍第i項所述之裝 線緩衝器，用以儲存該縮小後像素資料。具中該緩衝盗記憶體為 9.如。申請專利範圍第！項所述之裝置，其 線缓衝器，用以儲存該水平像素資料。八态δ己憶體為 包蝴稀人目像錢雜雜_像信 號之方法， (a)接收具有類比形式之該輸入圖像作號· (C)就水平方向將該像素資料縮小化處理；以及 ⑷就垂直方向將該像素資料放A 產生代表該輸出圖像信號之輸出像素資料。並根據輸出像素時脈 11.如申請專利範圍第1〇項所述之 式之靖^像信號ί = _扯： 式形式之該輸入圈像信號轉換為具有該類比形 12·如申請專利範圍第1〇項所述之 其一脈之時脈率為該輪= ^如中請專利簡第1G項所述之方法，步驟⑹和 南 1 素資料儲存於—緩衝器記憶體内之步驟。）曰° 14·如申請專利範圍第1〇項所述之 該輸出像素時脈之步驟。 W々驟⑷尚包括產生 包Ϊ將1晴述之方法，步驟(e)和⑷之間尚 像素:資料儲存於—緩衝器記憶體之步驟。 •申㈣專.圍第10項所述之方法，步驟⑹尚包括： 15 200537945 (e) 偵測該取樣時脈之相位誤差；以及 (f) 使用$亥相位秩差調整取樣時脈。 > 17·如申請專利範圍第1〇J貝所述之方法，步驟⑹尚包括使用 該取樣像素#料，侧棘御脈與具有該齡錢财之該 入圖樣信號間之相位誤差資訊的步驟。 18·如申請專利範圍帛17項所述之方法，步驟(c)尚包括使用 該相位誤差資訊調整該像素資料。 19: -種調整-輸入圖像成為一輸出圖像之裝置，包括·· -類比接收埠，㈣接收具有類比錢形式之該輸入圖像； 一類比/數位轉換器，用以將該類比信號轉換為水平像素資 該類比/數位轉換器執行高速取樣與轉換操作； 、、 一=器’根據-相位誤差信號，將該水平像素資 一調整後水平像素資料； ^门里風局 一緩衝器記憶體，用以儲存該調整後水平像素資料； -垂直縮放H，就重直方崎該調整後水平像素 處理，並根據-輸出像素時脈產生代表輸出=== 20田如2請專利麵第19項所述之裝置，尚包括—時脈產生 ^以產生-取樣時脈’錢供辦脈信舒細比/數位轉換 脈=；述之裝置，其中該取樣時脈之時 裝置，其中該取樣時脈之時 23.如申請專利麵第19項所述 是線緩衝H，㈣齡賴整後水平像素tfT磁偏5己憶體 勺L4 一 Γ請專f範圍第20項所述之裂置，其中該時脈產生器尚 匕括相位偵測器，用以偵測該取樣時脈與:二 輸入圖像錢_取樣相位誤差，Ji將該相位誤^迴授至該時& 16 200537945 產生器’以，整棘樣日械之相位。 -^ Ϊ申請專利範圍第19項所述之裝置，其中該内插器尚包括 ^ 口二由用以產生一索引信號提供内插該像素資料的參數。