TW202126022A - 信號處理裝置與信號處理方法 - Google Patents

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Abstract

一種信號處理裝置，包括用以儲存第一幀之第一幀暫存器、用以儲存第二幀之第二幀暫存器，以及處理器。處理器耦接至第一幀暫存器與第二幀暫存器，用以根據第一幀與第二幀執行第一影像處理程序以取得第一幀之各像素所對應之超解析度殘差值、根據第一幀與第二幀執行第二影像處理程序以取得第一幀之各像素所對應之降噪值、選擇性地將超解析度殘差值與降噪值加回第一幀之對應之像素以產生輸出幀，以及將輸出幀存入第二幀暫存器做為第二幀。

Description

信號處理裝置與信號處理方法
本發明係關於一種信號處理裝置，尤指一種可運用時間域和空間域降噪資訊對影像進行類疊代反向投影的信號處理裝置。
超解析度成像(Super-resolution imaging)是一種提高影像解析度的技術。超解析度成像技術可應用於把低解析度圖片重建為尺寸更大、像素更多、更高畫質圖片，或者是不改變圖片更大而是基於相同解析度之下增強影像清晰度，使得畫面內容更清楚銳利。
現有的超解析度成像技術可採用深度學習以獲得較好的結果，但其龐大的運算需求並不符合實際應用。此外，超解析度成像技術於提升細節的同時，亦增強了高頻噪點，此為執行超解析度成像操作所帶來的副作用。
為解決上述問題，需要一種信號處理裝置，其可有效節省硬體或軟體儲存成本，並且可於超解析度成像的處理程序中達到增強細節同時減少高頻噪點的效果。
本發明的一目的在於提供一種信號處理方法以及相關的信號處理電路，能夠有效節省硬體或軟體儲存成本，並且可於超解析度成像的處理程序中達到增強細節同時減少高頻噪點的效果。
本發明的一實施例提供一種信號處理裝置，包括用以儲存第一幀之第一幀暫存器、用以儲存第二幀之第二幀暫存器，以及處理器。處理器耦接至第一幀暫存器與第二幀暫存器，用以根據第一幀與第二幀執行第一影像處理程序以取得第一幀之各像素所對應之超解析度殘差值、根據第一幀與第二幀執行第二影像處理程序以取得第一幀之各像素所對應之降噪值、選擇性地將超解析度殘差值與降噪值加回第一幀之對應之像素以產生輸出幀，以及將輸出幀存入第二幀暫存器做為第二幀。
本發明的另一實施例提供一種信號處理裝置，適用於一信號處理裝置，信號處理裝置包括用以儲存第一幀之第一幀暫存器、用以儲存第二幀之第二幀暫存器以及處理器，該方法由處理器所執行並包括：根據第一幀與第二幀執行第一影像處理程序以取得第一幀之各像素所對應之超解析度殘差值；根據第一幀與第二幀執行第二影像處理程序以取得第一幀之各像素所對應之降噪值；選擇性地將超解析度殘差值與降噪值加回第一幀之對應之像素以產生輸出幀；以及將輸出幀存入第二幀暫存器做為第二幀。
第1圖係顯示根據本發明之一實施例所述之信號處理裝置範例方塊圖。信號處理裝置100可至少包括幀暫存器(frame buffer)110與120以及處理器130。幀暫存器110用以儲存一第一幀，例如，一當前幀(current frame)。於此，當前幀係指處理器130目前正在處理的幀。幀暫存器120用以儲存一第二幀，例如，一先前幀(previous frame)。其中，幀暫存器110可自一影像源接收第一幀，例如，藉由一主機(圖未示)接收第一幀。
處理器130耦接至幀暫存器110與120，用以根據第一幀與第二幀執行第一影像處理程序以取得第一幀之各像素所對應之一第一估計值以及根據第一幀與第二幀執行第二影像處理程序以取得第一幀之各像素所對應之一第二估計值。根據本發明之一實施例，第一影像處理程序可以是一疊代反向投影(Iterative Back Projection，縮寫IBP)程序，處理器130可根據第一幀與第二幀執行IBP程序以估計出第一幀之各像素所對應之超解析度殘差值。此外，根據本發明之一實施例，第二影像處理程序可以是一三維降噪(3D noise reduction，縮寫3DNR)程序，處理器130可根據第一幀與第二幀執行3DNR程序以估計出第一幀之各像素所對應之降噪值。
根據本發明之一實施例，處理器130可選擇性地將超解析度殘差值與降噪值加回第一幀以產生一輸出幀。輸出幀可被提供給下一級的信號處理裝置(若有)或處理器130內的其他處理電路(若有)做後續的處理，或者可被提供至顯示器150使其被顯示出來。此外，輸出幀亦被存回幀暫存器120以取代原先儲存之第二幀(先前幀)，而於處理器130完成當前幀的影像處理後，亦可自一影像源(圖未示)取得下一幀存入幀暫存器110。亦即，處理器130可將經處理過的當前幀(上述之輸出幀)存回幀暫存器120作為下一幀的先前幀，以實現疊代的影像處理流程。
處理器130可包括影像處理裝置131與132。影像處理裝置131用以執行第一影像處理程序，例如上述之IBP程序。影像處理裝置132用以執行第二影像處理程序，例如上述之3DNR程序。影像處理裝置131與132可以是處理器130中的部分電路。根據本發明之一實施例，影像處理裝置131與132可平行地根據幀暫存器110與120所儲存之資料對幀暫存器110所儲存之第一幀(當前幀)執行對應的影像處理程序，以產生輸出幀。因此，影像處理裝置131與132實際上共用幀暫存器110與120所儲存之資料。影像處理裝置131與132可同時根據幀暫存器110與120所儲存之資料執行對應的影像處理程序，並且各自將其所產生之估計值選擇性地加回當前幀以產生輸出幀。因此，輸出幀為當前幀經IBP及3DNR程序增強後的結果。
需注意的是，於本發明之其他實施例中，影像處理裝置131與132亦可被整合為一。因此，本發明並不限於第1圖所示之結構。
第2圖係顯示根據本發明之一實施例所述之一影像處理裝置範例方塊圖。影像處理裝置200可用以執行IBP程序。如上述，影像處理裝置200可為第1圖之影像處理裝置131，或者可被整合於影像處理裝置132，或者可直接被視為處理器130之一部分電路。
首先，影像處理裝置200自幀暫存器取得先前幀資料以及當前幀資料。
接著，升頻裝置210可將先前幀放大，以產生一放大的影像。即，影像的尺寸被放大，或者說解析度被提高。舉例而言，升頻裝置210可將先前幀放大為兩倍。升頻裝置210可由一線性內插器、一高通濾波器或一低通濾波器實施。
接著，模糊化裝置220可根據一模糊函數針對放大的影像進行模糊化，以產生模糊化的影像。此操作可模擬從高解析度投影至低解析度時的清晰度損失，同時也可以避免降低解析度時產生混疊效應(aliasing effect)。模糊化裝置220可由一低通濾波器實施，其尺寸可依成本需求彈性選擇。接著，降頻裝置230將模糊化的影像縮小，以產生一縮小的影像。即，影像的尺寸被縮小，或者說解析度被降低。此操作可得模擬的低解析度影像，且經降頻裝置230縮小的影像的解析度係與當前幀相同。降頻裝置230可由一高通濾波器或一低通濾波器實施，其尺寸可依成本需求彈性選擇。
接著，減法器240將當前幀資料與降頻裝置230之輸出相減，以取得當前幀之超解析度殘差值(如圖所示之殘差值Diff)。
根據本發明之一實施例，影像處理裝置200(或，處理器130)可選擇性地將殘差值Diff提供至加法器250，加法器250可用以將殘差值Diff(或者，於其他實施例中更包括降噪值)加回當前幀，以得到一增強的當前幀。選擇性地加回殘差值Diff的目的在於避免增強的當前幀因為加回殘差值Diff而產生失真，以確保輸出幀的影像品質。
需注意的是，雖以上說明係以當前幀/先前幀作為例示，實際上第2圖所示之當前幀資料/先前幀資料可以是選擇當前幀/先前幀之一像素作為一當前像素(目前正在處理的像素)，並取得當前像素於當前幀/先前幀之像素值，或者取得當前像素與一或多個相鄰像素於當前幀/先前幀之像素值作為當前幀資料/先前幀資料。
更具體的說，影像處理裝置200可以滑動視窗的方式於當前幀/先前幀中依序以當前像素為中心取一特定大小(例如，5*5像素區塊)之影像區塊之資料作為當前幀/先前幀資料，並藉由上述流程處理該影像區塊之資料以得到一增強的影像區塊。最終，增強的影像區塊中的當前像素所對應的像素值即為當前像素於輸出幀中所對應的像素值。
第3圖係顯示出根據本發明之一實施例所述之將影像放大、模糊化及縮小的示意圖。如圖所示，輸入幀310可以是上述先前幀資料，其係以當前像素為中心於先前幀中取一特定大之影像區塊之資料。輸入幀經內插放大後，得到放大的影像320。放大的影像除了包含輸入幀的原始像素外，另包含了藉由線性內插而產生的內插的像素。放大的影像經模糊化後得到模糊化的影像330，其中各像素皆被模糊化處理。模糊化的影像最後被縮小成為與輸入幀具有相同尺寸之模擬的低解析度影像340。
第4圖係顯示根據本發明之一實施例所述之信號處理方法流程圖。信號處理方法適用於如第1圖所示之信號處理裝置，並可由處理器130執行以下步驟：
步驟S402: 根據第一幀與第二幀執行第一影像處理程序以取得第一幀之各像素所對應之一超解析度殘差值。
步驟S404: 根據第一幀與第二幀執行第二影像處理程序以取得第一幀之各像素所對應之一降噪值。
步驟S406: 選擇性地將超解析度殘差值與降噪值加回第一幀之對應之像素以產生一輸出幀。
步驟S408: 將輸出幀存入第二幀暫存器做為第二幀。
需注意的是，本發明並不限制執行步驟S402與步驟S404的先後順序。只要處理器130最終將經步驟S402與步驟S404處理過後的輸出幀存回幀暫存器作為下一幀的先前幀，本發明並不限於任一種執行步驟S402與步驟S404的安排。舉例而言，步驟S404可於步驟S402之前或之後被執行，或者步驟S402與步驟S404可同時且平行地被執行，或者步驟S402與步驟S404中的細部操作可穿插被執行。
此外，於步驟S406中，處理器130 (或對應的影像處理裝置)可有條件的加回超解析度殘差值與降噪值，以確保影像品質。
根據本發明之一實施例，於步驟S404中，處理器130可對當前幀執行運動估計(motion estimation)，以得知當前幀的那些影像區塊為運動中區塊，並根據此資訊判斷是否於步驟S406中加回超解析度殘差值與降噪值。前述運動估計的計算可參考美國專利(US20150373235A1)之內容。
具體的說，處理器130於判斷出哪些影像區塊為運動中區塊後，可對應地為各影像區塊的中心像素設定一運動旗標值，用以指示此中心像素或此影像區塊是否為一運動中像素/區塊。因此，於判斷是否加回超解析度殘差值與降噪值時，處理器130可取得當前像素所對應之運動旗標值，並判斷當前像素是否為一運動中像素。
於當前像素為一運動中像素時，處理器130可決定不將當前像素所對應之超解析度殘差值加回當前像素(即，加回當前像素所對應之像素值)，或者決定將當前像素所對應之超解析度殘差值減量後(例如，減量50%)，再加回當前像素，以避免殘影現象。於當前像素並非一運動中像素時，處理器130可決定直接將當前像素所對應之超解析度殘差值加回當前像素。
類似地，於當前像素為一運動中像素時，處理器130可決定不將當前像素所對應之降噪值加回當前像素，或者決定將當前像素所對應之降噪值減量後，再加回當前像素。於當前像素並非一運動中像素時，處理器130可決定直接將當前像素所對應之降噪值加回當前像素。
根據本發明之另一實施例，於步驟S406中，處理器130可決定當前像素與當前像素之一或多個相鄰像素之中的一最大值與一最小值，並根據此資訊判斷是否加回超解析度殘差值。
具體的說，處理器130可判斷最大值與最小值之一差值是否大於一高閥值或小於一低閥值。當此差值大於高閥值或小於低閥值時，代表當前像素位於明顯邊緣區或平坦區，處理器130可決定不將當前像素所對應之超解析度殘差值加回當前像素，或者決定將當前像素所對應之超解析度殘差值減量後，再加回當前像素。當此差值介於高閥值與低閥值之間時，處理器130可決定將當前像素所對應之超解析度殘差值加回當前像素。
或者，處理器130可根據最大值與最小值決定一高閥值與一低閥值，例如，直接取最大值與最小值做為所述之高閥值與低閥值，或者將最大值與最小值加上一既定數值而計算出所述之高閥值與低閥值。處理器130可判斷將當前像素所對應之超解析度殘差值加回當前像素後所得之一增強的像素值是否大於高閥值或小於低閥值。當增強的像素值大於高閥值或小於低閥值時，處理器130可決定不將當前像素所對應之超解析度殘差值加回當前像素，或者決定將當前像素所對應之超解析度殘差值減量後，再加回當前像素。當增強的像素值介於高閥值與低閥值之間時，處理器130可決定將當前像素所對應之超解析度殘差值加回當前像素。
第5圖係顯示一影像對照圖，其中第5圖左側為原始影像，右側為根據本發明之一實施例結合3DNR降噪及IBP處理後所得的影像。如圖所示，經由3DNR降噪及IBP處理後，影像更為清晰，畫面的細節更為銳利。
綜上所述，於本發明之信號處理流程中，利用時間域和空間域降噪資訊(即，經3DNR降噪處理後的輸出幀)進行IBP程序，用以於連續影像實施超解析度增強，相較於先前超解析度成像的技術，所得之增強的影像可具有噪點更少的改善效果。
此外，由於影像處理裝置131與132實際上共用幀暫存器110與120所儲存之資料，因此可實現了IBP中疊代的部分，並且可有效節省硬體或軟體儲存成本。此外，因當前幀除IBP程序外亦經歷了3DNR降噪處理，使輸出之超解析度之影像能同時具有增強細節及減少跳動噪點的視覺效果。
此外，本發明之信號處理方法針對運動中區塊選擇不將超解析度殘差值/降噪值加回或減量加回，以維持適當的模糊效果，藉此可避免使輸出之超解析度之影像產生過度的失真，維持良好的影像品質。 以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
100:信號處理裝置 110、120:幀暫存器 130:處理器 131、132、200:影像處理裝置 150:顯示器 210:升頻裝置 220:模糊化裝置 230:降頻裝置 240:減法器 250:加法器 310:輸入幀 320:放大的影像 330:模糊化的影像 340:模擬的低解析度影像 Diff:殘差值
第1圖係顯示根據本發明之一實施例所述之信號處理裝置範例方塊圖。 第2圖係顯示根據本發明之一實施例所述之一影像處理裝置範例方塊圖。 第3圖係顯示出根據本發明之一實施例所述之將影像放大、模糊化及縮小的示意圖。 第4圖係顯示根據本發明之一實施例所述之信號處理方法流程圖。 第5圖係顯示一影像對照圖。
100:信號處理裝置
110、120:幀暫存器
130:處理器
131、132:影像處理裝置
150:顯示器

Claims (10)

  1. 一種信號處理裝置，包括： 一第一幀暫存器，用以儲存一第一幀； 一第二幀暫存器，用以儲存一第二幀；以及 一處理器，耦接至該第一幀暫存器與該第二幀暫存器，用以根據該第一幀與該第二幀執行一第一影像處理程序以取得該第一幀之各像素所對應之一超解析度殘差值、根據該第一幀與該第二幀執行一第二影像處理程序以取得該第一幀之各像素所對應之一降噪值，選擇性地將該超解析度殘差值與該降噪值加回該第一幀之對應之該像素以產生一輸出幀，以及將該輸出幀存入該第二幀暫存器做為該第二幀。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之信號處理裝置，其中該處理器包括： 一第一影像處理裝置，用以執行該第一影像處理程序；以及 一第二影像處理裝置，用以執行該第二影像處理程序， 其中該第一影像處理裝置與該第二影像處理裝置共用該第一幀暫存器與該第二幀暫存器。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之信號處理裝置，其中該處理器更取得該第一幀之一當前像素所對應之一運動旗標值，該運動旗標值用以指示該當前像素是否為一運動中像素，該處理器根據該當前像素所對應之該運動旗標值判斷是否將該當前像素所對應之該超解析度殘差值以及/或該降噪值加回該當前像素。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之信號處理裝置，其中當該當前像素所對應之該運動旗標值指示該當前像素為一運動中像素時，該處理器不將該當前像素所對應之該超解析度殘差值加回該當前像素。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之信號處理裝置，其中當該當前像素所對應之該運動旗標值指示該當前像素為一運動中像素時，該處理器將該當前像素所對應之該超解析度殘差值減量後加回該當前像素。
  6. 如申請專利範圍第3項所述之信號處理裝置，其中當該當前像素所對應之該運動旗標值指示該當前像素為一運動中像素時，該處理器不將該當前像素所對應之該降噪值加回該當前像素。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之信號處理裝置，其中該處理器根據一當前像素與該當前像素之一或多個相鄰像素判斷是否將該超解析度殘差值加回該當前像素。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之信號處理裝置，其中該處理器進一步決定該當前像素與該當前像素之該一或多個相鄰像素之中的一最大值與一最小值，並且判斷該最大值與該最小值之一差值是否大於一高閥值或小於一低閥值，當該差值大於該高閥值或小於該低閥值時，該處理器不將該當前像素所對應之該超解析度殘差值加回該當前像素。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之信號處理裝置，其中該處理器進一步決定該當前像素與該當前像素之該一或多個相鄰像素之中的一最大值與一最小值，根據該最大值與該最小值決定一高閥值與一低閥值，並且判斷將該當前像素所對應之該超解析度殘差值加回該當前像素後所得之一增強的像素值是否大於該高閥值或小於該低閥值，當該增強的像素值大於該高閥值或小於該低閥值時，該處理器不將該當前像素所對應之該超解析度殘差值加回該當前像素。
  10. 一種信號處理方法，適用於一信號處理裝置，該信號處理裝置包括用以儲存一第一幀之一第一幀暫存器、用以儲存一第二幀之一第二幀暫存器以及一處理器，該方法由該處理器所執行並包括： 根據該第一幀與該第二幀執行一第一影像處理程序以取得該第一幀之各像素所對應之一超解析度殘差值； 根據該第一幀與該第二幀執行一第二影像處理程序以取得該第一幀之各像素所對應之一降噪值； 選擇性地將該超解析度殘差值與該降噪值加回該第一幀之對應之該像素以產生一輸出幀；以及 將該輸出幀存入該第二幀暫存器做為該第二幀。
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