^18918 Α6 Β6 五、發明説明（/ ) (請先閲讀背面之注意事項再場寫本頁) 發明範圍 本發明與攝影機或類似的影像處理，擷取和顯示裝置 中的伽碼修正有關。本發明提供一種新的數位伽碼修正的 方法和裝置，可以有效地壓抑雜訊，增加層次感和對比， 得到高品質的視覺影像。 發明背景與先前技術説明 —般數位影像擷取和顯示系統的處理流程可以筒化如 圖1所示。原始物體的光線經由影像感測器（Image Sensor，通常使用電荷藕合元件，CCD)接收之後，轉換 成電氣訊號，交由數位訊號處理器進一步處理。處理的内 容包含色彩修正，影像加強，對比控制，白平衡（White Balance)，亮度處理，彩度處理。處理後的訊號再經伽碼 修正線路，以補償顯示器（如陰極射線管）的非線性轉換 特性（伽碼效應），使得顯示的影像與原始物體相同。 顯示器的伽碼效應，以陰極射線管爲例，如圖2A所示。 其中輸入的電壓訊號（Y)與顳示器輸出亮度（Z)之間的 關係可以方程式表示如下 Z = Q*Yr 公式（1) 其中Q是常數，r是伽碼常數。 經濟部中央標準局貝工消费合作社印製 從公式（1)和圖2A中可以看出，（Z)增加的速度與 (Y)呈非線性關係。這種特性，會放大高亮度訊號，而壓 抑低亮度訊號。所以，爲補償伽碼效應，會對輸入陰極射 本紙張尺度適用中Β國家標準（CNS)甲4规格（210 X 297公;* ) 82.3. 40,000 s189is A6 _____B6_ 五、發明説明（>) 線管的訊猇施以公式（1)的相反效應，如公式（2)，稱爲 伽碼修正，如圖2B所示。 Y = K*Xlx r 公式（2) 其中，X是伽碼修正線路的輸入，Y是它的輸出，K 1 是比例常數，-是伽碼修正芾數。對陰極射線管而言， r 1 伽碼常數通常是.2.2，所以-爲0.45。公式（1)和公 r 式（2)的整合效應等於公式（3) Z = M*X 公式（3 ) 其中，Μ是比例常數。 此時，（X)和（Ζ)之間呈線性比例關係，就没有非 線性失眞了。 以上解釋了伽碼修正的原理。然而，在實際的應用上， 除了顯示器的伽碼效應外，尚須考慮影像感測器的特性， 數位訊號處理引進的計算雜訊（Numerical Error)，與人 --.--;----------------f ------裝 *可 嫁 (請先閲讀背面之注意事項再塡寫本頁) 經濟部中央標準局S工消費合作社印製 82.3. 40,000 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)甲4规格（210 X 297公货） 318218 A6 B6 五、發明説明（3 ) 經濟部中央標準局R工消費合作社印製 眼的視覺特性，以及硬體線路複雜度。所以，欲得到一張 較逼眞的視覺影像，一套更完善週延的伽碼修正法是必須 的。 前人Kutner的美國專利4,7 8 6,9 6 8號中提到，採用 線性内插法來計算伽碼修正値，但僅適用於伽碼修正常數 接近於1的時候。 前人Kondo的美國專利4,833,527號中，使用一個 很複雜的線路，來改進訊號雜訊比（SNR)低的亮度訊號 在經過傳統伽碼修正後的失眞。 前人Takayama的美國專利5,089,89〇號中，提出 —種線性計算法，來模擬傳統非線性的伽碼修正曲線，不 過需要複雜的線路和冗長的計算。 而本發明的目的之一是提供一種簡單的踐來模 擬整個伽碼修正曲線。 本發明的另一主要目的是提出一種斩的伽碼修正方法 ，新的伽碼修正曲線。採用低，中，高亮度三段式處理， 以達到去除低亮度訊號的數位計算雜訊，中亮度訊號的對 比改進，而高亮訊號可被壓抑以增加層次感，符合人眼視 覺特性。 本發明的重點以及與先前技術的差異 本發明的内容包含一個數位影像擷取與顯示系統，如 圖（1)所示。以電荷藕合元件作影像感測器，將原始影像 轉換成數位電氣訊號（X')。（X')經數位訊號處理器進— 步處理，包括色彩修正，影像加強，傳統對比控制，白平 衡’與亮度和彩度訊號處理。處理後的訊號（X )送到伽 (請先閲讀背面之注意事項再場寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)甲4規格（210 X 297公釐〉 82.3. 40,000 A6 B6 五、發明説明（¥ ) (請先閲讀背面之注意事項再場寫本頁) 碼修正線路，它包含一個爲高、低亮度訊號的線性修正線 路，和一個爲中亮度訊號的可調式非線性修正線路。伽碼 修正後的訊號（Y)再輸入到陰極射線管的顯示器顯像。 本發明提出的新伽碼修正方法是把輸入訊號區分成三 «段各別處理。對低亮度訊號，依據公式（4)作線性修正 如下
Yj? =K * Χρ 公式（4) 其中Υί是修正過的低亮度訊號，Xjj是低亮度的輸 入訊號，K是比例常數。 對高亮度訊號，依據公式（5)作線性修正如下
Yh =d * K * Xh + b 公式（5) 其中Yh是修正過的高亮度訊號，Xh是高亮度的輸 入訊號，d是斜率調整參數，K是比例常數，b是位移 (offset) 〇 對中亮度訊號，依據公式（6)，採用可調式非線性修 正法如下 0.45
Ym = G * K * Xm -C 公式（6) 經濟部中央櫺準居R工消费合作社印製 本紙張尺度適用中圉國家標準（CNS)甲4规格（210 X 297公釐） 82.3. 40,000 A6 B6 經濟部中央標準居S工消費合作社印製 五、發明説明（Γ) 其中Ym是修正過的中亮度訊猇，Xm是中亮度的輸 入訊號，G是對比的增益調整參數，K是比例常數，C是 可調的位移。 以上介紹的三段式伽碼修正發明與先前技術的差異， 在於它提供了下列幾點好處： a) 加強低亮度訊號的訊號雜訊比。而傳統的伽碼修正會放 大這些低階雜訊，增加數値計算誤差。 b) 提高視覺影像在高亮度的層次感。由於先前技術對高亮 度訊號作伽碼修正時會導致數値飽和（Value Saturation )，易引起因解析度不足而影像呈現濛濛一片亳無層次 感0 c) 達到不失眞的對比調整效果不像傳統的對比調整方法如 圖5所示，會犧牲高，低亮度的訊號，造成低亮度影像 被抹黑，高亮度影像過飽和。 前述發明的實體，將在後續的章節中作更詳盡的介紹。 附圖的詳細説明 圖1是影像擷取和顯示系統的方塊圖。 圖2A是陰極射線管的伽碼效應曲線。 圖2B是傳統的伽碼修正曲線。 圖2C是理想化的經過傳統伽碼修正後的陰極射線管的輸出 入關係曲線。 圖3是本發明在低亮度與高亮度區域採用線性伽碼修正的 示意曲線。 圖4是經過本發明在低亮度與高亮度區域的伽碼修正後的 陰極射線管的輸出入關係曲線。 * I-----------------1 ------裝------訂------^ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)甲4規格（210 X 297公釐） 82.3. 40,000 〇18918 A6 B6 經濟部中央標準局貝工消费合作社印製 五、發明説明（έ) 圖5傳統的對比控制曲線圖。 圖6是本發明在低，中，高亮度的伽碼修正示意曲線。 圖7是經過本發明在低，中，高亮度區域的伽碼修正之後 的陰極射線管的輸出入關係曲線。 圖8是本發明的伽碼修正線路圖。 詳細之發明敘述 圖1所示爲一影像擷取和顯示系統，來自原始影像10 的光訊息由影像感測器2〇 (例如電荷耦合元件（CCD))擷取， 此光訊息同時被轉換成電氣訊號（X')。數位訊號處理器 (DSP) 3〇接受（XM訊號作亮度和彩度處理，此處理包 括色彩修正，影像邊緣加強，白平衡及影像對比控制，傳 統對比控制的作法如圖5所示，其中（曲線1)代表未做 對比控制的輸出入關係曲線，（曲線3)則爲對比控制後 的輸出入關係曲線，由圖5可知傳統的對比控制（曲線3) 限制了 DSP高訊號値和低訊號値的輸出，這樣的輸出經 伽碼修正電路處理再送給陰極射線管螢幕顯示時會有上溢 位（overflow)和下溢位（underflow)的現象（參見圖7)。 再由圖1所示，訊號（X)經伽碼修正裝置40處理 後輸出訊號（Y)，最後陰極射線管顯示螢幕50將訊號（Y) 轉換成人眼可見的影像（Z)，此影像與原始影像1〇有最大 的相似度。 在傳統的伽碼修正電路中，訊號（X)經過0.45的 幂次處理用以補償陰極射線管的非線性特性，而0.45即 爲陰極射線管伽碼値2.2的倒數，補償的過程可由圖2A， 2B及2C説明，其中圖2A説明陰極射線管的非線性特 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)甲4規格（210 X 297公釐） 82-3- 40,000 I------£-----------1 -----装------訂 線 (請先閲讀背面之注意事項再塡寫本頁) A6 B6 經濟部中央櫺準屬員工消費合作社印製 五、發明説明（7 ) 性，圖2B説明伽碼修正的特性，圖2C説明圖2A及圖2B 綜合後理想的線性特性。 本發明掲露的第一項是上述之伽碼修正曲線中低亮度 訊號部份的修正，如圖3所示，原始的伽碼修正特性（ 公式（2))由如下的線性方程式取代當輸入訊號X介於0 和一個預設的低値臨界（Ii )之間： Yj? = κ * X{ (公式 4) 其中代表伽碼修正後低亮度部份的輸出，K是比例常 數，Χί是伽碼修正電路的低亮度訊號輸入。 本發明所揭露的第二項是原始伽碼修正曲線中高亮度 部份之修正當輸入訊號X高於預設的高値臨界（12 )，如 下所示： Yh = d*k*Xh + b (公式 5) 其中Yh代表伽碼修正後尚梵度部份的輸出，d是斜率決 定因數，K是比例常數，Xh是伽碼修正電路的高亮度訊 號輸入，b爲位移（offset)値。 本發明所掲露的前二項修正其效應可由圖3伽碼修正 曲線中虛線部份看出，虛線部份分別標示著"低亮度修正 及"高亮度修正"。介於Ii及12間之輸入訊猇X仍維 持原始的伽碼修正特性（公式2 )如圖3實線所示。 將上述之低亮度修正（公式4)，高亮度修正（公式5 本紙適用tBBI家標準（CNS)甲4祕（21G X 297公釐) ~~ -— 82.3. 40,000 (請先閲讀背面之注意事項再塡寫本頁) —裝· 訂 丨線、 五、發明説明（及） A6 B6 綞濟部中央標準居貝工消費合作社印數 >及中間亮度維持傳統作法（公式2)組合成伽碼修正經 過陰極射線管之非線性特性可得圖4的曲線圖。其中實線 部份代表傳統伽碼修正的響應，而虛線部份則代表本發明 對低亮度及高亮度修正後所得之響應，由虛線可知本發明 對高低亮度的修正壓低了高低亮度的値。 壓低低亮度的値可提高低亮度部份之訊猇/雜訊比 (S/N ratio)，此乃由於人眼對低亮度部份之高敏感度， 低訊號/雜訊比使畫面看起來呈現雪花飛舞的雜訊，所以 本發明對低亮度的修正（公式4)改善了訊號/雜訊比， 也因此提高了影像之視覺品質。 壓低高亮度的値可補償高亮度"白茫茫"看不清楚的 現象，因爲人眼對高亮度敏感度較低使得高亮度看起來較 不清楚趨向"白茫茫"的感覺。經過本發明對高亮度之修 正（公式5)，高亮度的壓低使得影像看起來有較清楚的輪 廓，因此提高了影像品質。 本發明所揭露的第二項是中間亮度之修正，根據如下 的公式： 0.45 Ym = G * K * Xm - C (公式 6) 其中Yin代表伽碼修正後中間亮度部份之輸出，G爲可調 之對比增益（gain)，K是比例常數，Xm爲伽碼修正電路 中間亮度的輸入及C爲位移（offset)値。在公式6中， 加入了增益控制G及位移値C不同於傳統的伽碼修正 < -------'---------1 ------裝------，订------雄 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)甲4规格（210 X 297公釐） 82.3. 40,000 318918 A6 B6 五、發明説明（，） (公式2)。此修正可加強影像中間亮度部份之對比，同時 此修正也補償了圖5中傳統對比控制的上溢位及下溢位現· 象。 結合本發明中之三項修正可得圖6之伽碼修正特性， 其中實線部份代表傳統伽碼修正（公式2)，虛線部份代 表整合之伽碼修正包括公式4 (低亮度），公式5(高亮度） 及公式6 (中間亮度）。 整合的伽碼修正經陰極射線管非線性特性後所得的響 應如圖7所示，實線（曲線5)代表傳統伽碼修正經陰極 射線管後的響應，實線（7, 9)代表傳統對比控制加上傳 統伽碼修正經陰極射線管後之響應。虛線（曲線11)代表 整合的伽碼修正經陰極射線管後之響應，除了前述高亮度 及低亮度壓低之外，此響應也補償了傳統對比控制產生的 上溢位及下溢位現象。 因此，本發明所揭露的三項修正（公式4, 5及6)可 改善影像擷取和顯示系統在低，中及高亮度部份之影像品 質，同時也提供可調之對比控制。 圖8所示之功能方塊圖可用以執行本發明之伽碼修正， 此電路代表圖1中的伽碼修正方塊40當本發明之伽碼修 正方程式被採用時。 請 先 閲 Λ 意 事 項 再 場 窝 本 頁 裝 訂 濟 部 中 央 標 準 Ά 消 費 合 作 社 印 製 來自數位訊號處理器30 (圖1)之10位元訊號（X) 根據其亮度高低的程度被送至ROM 70查表（look-up table)或移位器/加法器（圖8)處理。低亮度及中間 亮度部份送至ROM 7〇，而高亮度部份送至移位器/加法 器8〇。如前所述，所謂低亮度訊號爲小於预設低値臨界 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)甲4規格（210 X 297公釐） 82.6. 40,000 A6 B6 經濟部中央標準扃Λ工消费合作社印製 五、發明説明（/σ) (Ii )的値，中間亮度訊號爲介於Ii及預設高値臨界 (12 )間之値，而高亮度訊號則爲高於12的値。舉例説 明 Ιι = 16 及 12 =512。 對1〇位元的低亮度訊號（Xj? )，ROM 70執行公式 4 (Yj?)=K*Xjj ，同時將8位元之輸出訊號Yjj送至多 工器（MUX) 9〇。K代表比例常數，其用以標準化 （ normalize) 8位元輸出訊號（Y* )和1〇位元輸入訊號（χ)〇 對10位元的中間亮度訊號（Xm )，ROM 70執行公式 0.45 6 (Ym )=G*K*Xm _C，同時將8位元的輸出訊號Ym送 至多工器（MUX) 9〇。G代表可調之對比增益，C代表可 調之位移値。 對10位元之高亮度訊猇（Xh)，移位器/加法器80 執行方程式5Yh = d*K*Xh + b，同時將8位元的 輸出訊號Yh送至多工器（MUX) 9〇。d代表高亮度修正時 1 之斜率，其値可爲（-）p其中P爲正整數（1 , 2 , 3 2 .......)，b代表可_調之位移値。 上述之圖8, ROM 70有512Χ8位元用以執行公式4 和6。移位器/加法器80執行公式5其中d可爲 1 1 1 -----....依應用而定。對比增益G，位移 8 16 32 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 丨裝· 訂. .丨姑 本紙張尺度適用中a國家標準（CNS)甲4規格（21〇 X 297公釐） 82.6. 40,000 A6 B6 五、發明説明（// ) 値C及位移値b爲可調之參數依應用而定。舉例説明， G=1，C=23 » b=100 及 K=ll.3 〇 伽碼修正電路4〇的輸出訊號（Y)根據輸入訊號（χ) 之MSB位元選擇多工器（MUX) 90而得，此MSB位元也 決定輸入訊號X之低，中及高亮度訊猇之流向。 再次回到圖1，輸出訊猇Y被送至陰極射線管50轉 換成視覺影像（Z)顯示出來。 總之，上述之伽碼修正發明提供完整的三段式修正如 公式4，5及6。利用本發明之修正處理後之訊號，經過 陰極射線管產生高品質之視覺影像，同時也有對比加強之 效果。再者，本發明之伽碼修正電路的製作（implementation) 比起先前之技術更爲簡單經濟 ，因此 ，本發明 可適用於許多之影像擷取裝置例如攝錄影機，靜態電子照 相機及掌上型掃描器等。 本發明雖以所掲露之各項實施例來説明，但其申請之 權利範圍並不受這些實施例内容所侷限。任何其他依本發 明所申請之權利範圍，其本意、原理、精義與内涵之實質， 而加以實施者，都已涵括在本發明按下列之申請專利範圍 所界定之内容了。 -------------I-----一·-----裝------^------線 i , (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局貝工消费合作杜印¾ 衣紙俵尺度過用中國國家標準（CNS)甲4規·格（210 X 297公釐） 82.6- 40,000