TWI288564B - Systems and methods for image processing - Google Patents

Description

1288564 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種影像處理之方法，特別係有關於一種降低雜訊及 強化邊緣之影像處理方法及系統。 【先前技術】 在影像處理中，降低雜訊(noise reduction)及強化邊緣(edge 係屬相當重要之技術。當視訊信號(videG signal)觀雜影健縮標準办池 PhotGgraphic Experts Group，JPEG)或動態影像壓縮標準(M〇ti〇n pictoe

Experts Gmup，MPEG)進行傳輸之編碼/壓縮時，視訊信號的頻寬往往是有限 的、’扁碼/1 縮後的視訊“號在信號高頻(higIl 叫職吻的部份減弱時，可 能會漏失影像邊緣或其他影像細節。降低雜訊可利用平均❻·細幻、抑制 masMng)或拉普拉斯濾波器(Lapladan涵贼 降低雜訊的影像處理方法通常必須將影像模糊化。相反地，用以強化 邊緣的影像處理方法在強化邊緣時，通常必_時強化不需要的雜訊。兩 種影像處理方法極難達麵調的狀態，因為當降低雜訊的影像處理方法要 求降低視訊健_寬並移走高頻部料，往往強化邊緣的影像處理方法 會要求增加仏號的南頻部份。現行較佳的解決方式為在影像處理過程中， 將雜訊與雜進额隔。如此-來，影像_在降讎訊處理射被適各 地保留，並在強猶緣處料財，僅針對邊緣進行強化。 吴琴第5,926,577號專利中揭露一種視訊信號處理電路，其用以在不考 慮邊緣資訊的情況下，執行降低雜訊與強化邊緣的功能，並獅影像内容 模糊化。在前述美國第说咖號專辦，雜黯麵時作為水平愈垂直 邊緣強化信號產生電路之輸人，可能導致兩者的雜及邊料被強化。美 國第讽977號專利中揭露-種模擬邏輯饰 0758-A30997TW , 1288564 ’ 邊緣及雜訊程度，並選定最佳之邊緣方向以作為強化邊緣之用，而不對平 滑區域(smootharea)及具邊緣之區域進行區隔。前述選定最佳邊緣方向之方 式並不適用於所有影像區域，舉例而言，強化邊緣功能很可能會在屬於平 滑區域的影像區域中，不經意地將雜訊增強。 【發明内容】 有鏗於此，本發明提出一種降低雜訊及強化邊緣之影像處理方法及系 統’可對於視訊信號提供降低雜訊以及強化邊緣之功能。 • 為達成上述目的，本發明提供一種影像處理方法，其用以對於視訊信 號長:供降低雜訊以及強化邊緣之功能。首先，由視訊信號(vide〇 中擷 取複數像素(pixel)。接著，在所擷像素中，依;^复數預定方向計算複數邊緣 測量值(measure of edge existence)。其中，先將視訊信號以中值濾波(median filtering)來降低邊緣測量值中的雜訊影響。 然後，判定控制信號(control signal)，控制信號係根據邊緣測量值之變 異程度(levelofvariation)而定。其中，邊緣測量值之變異程度可以計算邊緣 測量值中之一最大值及一最小值而達成，並依照一非遞減對映函數 (non-decreasing mapping function)，將變異程度對映至控制信號。或者，變 鲁 異程度可利用計算邊緣測量值的熵(entropy)而判定。 最後，根據控制信號，對於所擷取之像素執行降低雜訊功能以及強化 邊緣功能。其中，當控制信號值減少時，像素中之雜訊降低量會隨之增大， 而邊緣強化會隨之減少。 再者，本發明提出一種影像處理系統，其用以對於一視訊信號提供降 低雜訊以及強化邊緣之功能’包括變異貞測器(variati〇ndetector)、降低雜訊 (noise reduction)單元以及強化邊緣(edge enhancement)單元。 變異偵測器用以於視訊信號之像素中，依預定方向計算邊緣測量值， 變異偵測器並根據邊緣測量值之變異程度而判定控制信號。變異偵測器還 0758-A30997TW 6 1288564 可包括邊緣方向偵測器(edge direction detect〇r)、變異程度叶瞀哭(variati〇n ▲la㈣以及查詢Mook-up她）。邊緣方向細器依二邊^ 測量值’變異程度計算器用以計算邊緣測量值之變異程度，查詢表用以將 變異程度對映至㈣信號。在此，麵表係依照—非遞減對映函數，將變 異程度對映至控制信號。其中當控制信號的值減少時，施於像素之雜訊降 低度會隨之增大，而邊緣強化度會隨之齡。控繼職大小決定之後， 降低雜訊單元根據控制信號，對於像素執行降低雜訊功能，㈣化邊緣單 元則接收降低雜電狀輸ώ，錄據湖錢，對於像素執行強化邊緣 功能。 在此，變異伽❻尚可包括複數定向過渡器(directional filter)，每一定 向過滤器用以於-就方向來測量邊緣存在量以作為該方向上的邊緣測量 值。交異偵測尚可包括中值滤波器，用以降低視訊信號中的雜訊以計算 ，測量值。此外，變異侧器也可包括最大值侧器(maximumde論r)、 最小值偵測器(minimumdetector)以及減法器(subtract〇r)。最大值偵測器用以 侧邊緣測量值之-最大值，最小值侧器用以侧邊緣測量值之一最小 值，而減法器用以計算最大值及最小值間之差值以作為變異程度之指標。 左異偵測為、或可包括熵計算器(entr〇py calculator)，用以計算邊緣測量 φ值的熵而判定變異程度。變異偵測器更可包括查詢表，其用以依照非遞減 對映函數，將熵計算器輸出之變異程度對映至控制信號。 又再者’本發明提出一種視訊播放裝置(vide〇 player ^以），其用以對 於視訊錢提供降健誠及強域緣之功能，包括鋪猶置(mem0Iy device)、變異偵測器、降低雜訊單元以及強化邊緣單元。

吕己憶體裝置用以暫存由視訊信號中所擷取之像素。變異偵測器用以由. δ己憶體㈣獲得像素，並於像素中，依複數預定方向計算邊緣測量值，以 及根據邊緣測量值之變異程度而判定控制信號。變異谓測器還可包括邊緣 方向谓;到态、變異程度計算器以及查詢表。邊緣方向偵測器用以依預定方 0758-A30997TW 7 1288564 向計算邊緣測量值，變異程度 詢表用以將變異程度對映至控制信號用量值之變異程度，查 函數，將變異程度對映至控繼號。 =表魏照-非遞減對映 素之雜訊降低度會隨之增大，而邊緣強化;=信號的值減少時，施於像 決定之後，降低雜訊單元根自少。控制信號的大小 低雜訊魏，《化邊緣單元則_： If;中所齡之像素執行降 像素執行触魏舰。 #υ，胁視贿射所操取之 在此’ Μ_ϋ尚可包括複蚊向過絲 靡 :預定方向來測輸存在量以作為該方向上的邊緣測二 :可^括中值ί波盗’用以降低視訊信號中的雜訊以計算邊緣測量值。此 欠異H也可包括最大值铜^、最小鋪·以及減法器 值偵測器用以偵測邊緣測詈佶之一畀I杜 〇 旦放θ 關里值之ι大值，最小值細ϋ㈣_邊緣測 1之-:Μ、值，而減法器用以計算最大值及最小值間之差值以作為變異 程度之指標。 變異侧器或可包括嫡計算器，用以計算邊緣測量值的烟而判定變異 ，度。變異伽'm更可包括查核表，其職依照非遞減對映函數，將_ 算器輸出之變異程度對映至控制信號。 【實施方式】 請參照第1圖，第1圖係顯示本發明所揭示之影像處理系統之一實施 例之示意圖。如圖所示，一種可用以對於視訊信號提供降低雜訊以及強化 邊緣之功能影像處理系統，包括記憶體裝置12、變異偵測器14、降低雜訊 單元16以及強化邊緣單元18。 記憶體裝置12用以缓衝及延遲(delay)視訊信號S的一或多條掃瞄線週 期(line period)。變異偵測器14用以於預定方向計算邊緣存在的機率 (probability)或可能程度(likelihood)，並根據所計算之機率或可能程度產生控 0758-A30997TW 8 1288564 健號c以指出變異程度。低變異表示輕微的邊緣傾向且該區的高頻部份 可能為雜訊，咼變異則表示強烈的邊緣傾向。控制信號c會提供給降低雜 訊單70 16以及強化邊緣18單兀以作為控制過濾及邊緣強化之用。降低雜 訊單元16用以根據控制信號，過濾由記憶體裝置12所輸出之視訊信號， 並產生已降低雜訊之視訊信號至強化邊緣單元18，以產生改善後之視訊信 號MS 〇 請參照第2圖，第2圖係顯示本發明所揭示之影像處理系統之另一實 施例之示意圖。如圖所示，-種可對於視訊信號提供降低雜訊以及強化邊 緣之功能影像處理系統，包括記憶體裝置Μ、變異偵測器Μ、降低雜訊單 元26以及強化邊緣單元28。 心隐體裝置22肋暫存視訊信號巾_目標像素(target pixd)及其參考 像素㈣⑽ce pixd)。變異偵測器24決定降低雜訊用之控制信號c—服以 及強化邊緣用之控制信號C—EE，控制信號依其功能分別提供給降低雜訊單 元26及強化邊緣單元28。 睛參照第3a ® ’第3a圖係顯示本發明所揭示之記㈣裝置之_實施例 之示意圖。如圖所示，記憶體裝置22可用以缓衝或延遲視訊信號s中之9 個像素，其中目標像素P4正在進行降低雜訊及強化邊緣功能。請參照第％ ► 2 ’第3b _顯示本發明所揭示之記憶難置之—實施例巾像素關係之示 Μ圖如圖所不，視職號S中目標像素P4與其8個相鄰像素〜匕及5〜 ，之間的關係。這些相鄰像素同時作為目標像素P4之參考像素。記憶體裝置 22包含顺衝器獅臟仰邱及222，以及6個像素緩衝器、1 以存放像素P0〜P8。所暫存之像素可提供給變異伯測器、降低雜訊單元以及 強化邊緣單元。 一=參第4圖’第4圖係顯示本發明所揭示之變異偵測器之一實施例 之不⑤圖。雙異偵测器Μ還可包括邊緣方向偵測器搬、變異程度計算器 244以及查詢表246。邊緣方向偵測器μ2用以依預定方向計算邊緣測量

0758-A30997TW 9 1288564 值，變異程度計算器244用以計算這些邊緣測量值之變異程度v，查詢表 246用以將由變異知度计异器244所輸出之變異程度v對映至控制信號 C—EE及C一NR。在此’查詢表係分別依照一非遞減函數以及一非遞增函數 對映控制信號。公式(1)係為一非遞減對映函數之範例，公式(2)係為一非遞 增對映函數之範例，其中C為常數。 11 一

Vl + cxv2 —1 λΛΓ+C X V2

(1) (2) 邊緣方向偵測器242還可以利用中值濾波器2422及n個定向過濾器 24241〜2424η加以實現，如第5圖所示，第5圖係顯示本發明所揭示之邊緣 方向偵測器之一貫施例之示意圖。中值濾波器2422可藉由將目標像素原始 值以目標像素及其預定相鄰像素之中間值所取代的方式，減少雜訊對於邊 緣偵測的影響。在此，預定相鄰像素係指與目標像素最相近的8個像素。 中值濾波器2422可將中間值輸出至η個定向過濾器24241〜2424η，每一個 定向過濾器用以於一預定方向測量邊緣存在的可能程度。

第6圖係顯示第3b圖之實施例應用定向過濾器之一範例之示意圖。如 圖所不，當記憶體裝置提供一目標像素p4& 8個相鄰像素Pq〜匕及h〜h， 並應用8個定向過濾器。每一定向過濾器hf〇〜hf7用以偵測3個像素所形成 之邊緣態樣(edgepattern)的關聯性。此關聯性可由這3個像素與一組係數如 {-1，2，-1}相乘而得，定向過濾器hf〇的輸出即等於_1χΡ3+2χΡ4-1χρ5，其用以 指出目標像素Ρ4於水平方向的關聯性、。同理，濾向器hfi的輸出即等於 -lxPv+axP^lxPi，其用以指出目標像素p4於垂直方向的關聯性。 第7圖係顯示本發明所揭示之變異程度計算器之一實施例之示意圖。 如第7圖所示，第4圖中的變異程度計算器244也可包括最大值偵測器2442 以及最小值偵測器2444。最大值偵測器2442以及最小值偵測器2444用以 偵測由邊緣偵測器242所提供的關聯性中之最大值與最小值。而減法器1446 0758-A30997TW 10 1288564 - 、田、十#由最大值備测态2442及最小值谓測器2444债測所得之最大值 $取小值間之差值。此差值可作為變異程度或邊緣存在可能程度之指標。 :差，較大時，即表示於_性中包含相當大量之邊緣傾向資訊。當差值 :Ρ表示於關兩ρ性中包含相當微量之邊緣傾向資訊。差值(Max-Min) :輸出至查5旬表中’以作為判定強化邊緣控制信號c—ee及降低雜訊控制信 :一=的依據。第8圖係、顯示本發明所揭示之(施χ_論)及控制信號之關 &之。如圖所不’較大的差值指出邊緣存在的可能性較大，因麟 、車大的強化邊緣控制信號C-EE卩及一較小的降低雜訊控制信號 C NR 〇 i 雜崎_量取決於控·號C—NR，對於較小轉低雜訊控制信號 C—^R’必雜較核度的過濾功能細於降讎訊電路之輸人上。降低雜 訊單元可須執行如公式⑶所示之計算以改變目標像素P4的數值。 P4 =P4-NGainxC_NRx( PA —户。+Λ+户2 +户3 + 户5 +巧 + 尸7 +P8) • 8 」⑶ ^ NG啦為雜訊降低增益，降低雜訊控制信!虎〇-皿決定目標像素P4的 信號強度衰減量。假設變異程度為G，如Max_Min=G，即代表？4可能^於 2滑區域中且控制信號C—概等於i，在此範例中並不會抑制雜訊降低的功 φ能。當變異程度遞增時，控制信號C一NR急趨至〇,而雜訊降低的程度 若控制信號C—NR為㈣，降低雜訊單元不會更改目標像素H。又… 4_化的量取決於控制信號C-EE，對於較大的強化邊緣控制 C—撤，必職驗大程度的強化邊緣功能。強化邊緣單元必須執彳^二 (4)所示之計糾X改變目標像素p4的κ值。 Λ = + EGain x C_EE x P4 -户。+ 户1 + 户2 + 户3 + 户5 + 户6 + ^ + 户8、 •、、 8 」（4) 、EGam為邊緣強化增益，假設變異程度為〇，即控制信號助等於〇， 代表P4錄平滑區域中故無需邊緣強化。#變異程度遞增時

C一EE急趨至1，而邊緣強化的程度亦隨之遽增。 J

0758-A30997TW 11 1288564 用以决疋預疋方向上之關聯性的定向過滤器， 可用任何足以偵測邊緣 存在可能程度的方向偵測電路或其組合來加以取代 能程度 變異程度計算ϋ可以熵計算器加以實現，崎算料計算上述那一植 月匕^的熵。較摘熵值絲較少邊緣傾向崎訊，崎低的熵絲示 ==向的資訊。可能程度Pb。可用公綱加以計算，pb。用以表示目 :« p4屬於由P3、P4、P5(如第6圖中所示之水平方向)所形成

Pb〇 _____Μι__— (5) 式计异的而得。而可能程 hf〇+kf\+hf2+hf3+ hf4 + hf5 + hf6 = hf7 其他的可能程度Pb^Pb7可以類似公式(5)的方 度的熵值則可以公式(6)計算而得。 entropy = Ρί^ xlogjRt^ /=〇 ⑹ 综言之，本發日出-《像處理方法，其用骑於視贿號提供降 低雜訊以及魏邊狀魏，達到本發贿欲_之目的。本發明可 於視訊播放裝置(video player device)，如電視、VCD播放器、则播^哭 或企其他類似之裝置中。將所接收之視訊信號依據預定方向所測量之邊^ 存在進行改善，_騎低雜錢化雜之舰。魏触裝置可將妹 過改善的視訊信號饋人其他裝置會系統，以進行視訊錢處理或進而顯示 處理後之視訊信號。 雖然本發明已以祕實施例減如上，然其麟肋限定本發明，任 何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍内，當可作些許^更動與 潤飾，因此本發日月之保言蒦範圍當視後附之申請專利顧所界^者為準。” 【圖式簡單說明】 第1圖係顯示本發明所揭示之影像處理系統之_實施例之示意圖。 第2圖係顯示本發明所揭示之影像處理系統之另一實施例之示意圖 0758-A30997TW 12 1288564 - 弟3a圖係顯不本發明所揭系己憶體裝置之一實施例之示意圖。 第3b圖係顯示本發明所揭系么記憶體裝置之一實施例中像素關係之厂 意圖。 、^ 第4圖係顯示本發明所揭系之變異偵測器之一實施例之示意圖。 弟5圖係顯示本發明所揭系之邊緣方向彳貞測器之一實施例之示意圖。 弟6圖係顯示第3b圖之實施例應用定向過遽器之一範例之示意圖。 第7圖係顯示本發明所揭示之變異程度計算器之一實施例之示意圖。 第8圖係顯示本發明所揭示之(Max-Min)及控制信號之關係之示意圖。 • 【主要元件符號說明】 12、22—記憶體裝置； 14、24—變異偵測器； 16、26 —降低雜訊單元； 18、28 —強化邊緣單元； 221—列緩衝器； 222 —列缓衝器； 223、224、225、226、227、228 —像素暫存器； 242—邊緣方向偵測器； 244—變異程度計算器； 246—查詢表； 2422—中值濾波器； 24241、24242、2424η—定向過濾器； 赢 2442—最大值偵測器； 2444-最小值偵測器。 0758-A30997TW 13

Claims (1)

1288564 十、申請專利範圍： 1·-種影聽理方法，其—視雛號提供降健顧及強化邊 緣之功能，包括下列步驟·· 由上述視訊信號中擷取複數像素； 在=像素中，依複數預定方向計算複數邊緣測量值； —判定-控制信號，上述控制信號係根據上述邊緣測量值之—變異程度 而定； 根據上述控繼號’對於觸取之上述像素執行降低雜訊功能；以及 ’ _所#之上聰錄拥域緣功能。 之牛專利補第1項所叙練處财法，财上翻定上述控制 tfri上述邊緣測量值之上述«程度，係輯算上述邊緣測量 值中之取大值及-最小值間之差而達成。 如利賴第1項所述之影像處理方法，尚包括依照—非遞減對 映函數，將上述變異程度對映至上述控制信號。 （辑 、，4·如申鱗概目第3彻紅縣•方法，射當上魅 值減少時’施於上述像素之上述雜訊 w ά、 度會隨之減少。 之增大’而上述邊緣強化 5. 如申請專利制第！項所述之影像處理方法 用計算上述邊緣測量值的燏而判定。 〃中上述父異私度係利 6. 如申請翻酬第丨項所述之影像處 以中值滤波來降低上述邊緣測量值中的雜訊影響。將上述視訊信號 7. —種影像處理系統，其用以對於一視 緣之功能，包括·· ° 降低雜訊以及強化邊 -變異細H，贱於上述視訊錢之 計算複數邊緣測量值，以及用以根據上 象^中’依複數預定方向 一控制信號； 緣成1夏值之一變異程度而判定 0758-A30997TW 14 1288564 一降低雜訊單亓， 訊功能；以及 用以根據上述控制信號，對於上述像素執行降低雜 麵鴻，觸地 括：如申明專利乾圍第7項所述之影像處理系統，其中上述變異侧器包 -二。向偵!^，用以依上述預定方向計算上述邊緣測量值；

-料异11，職計算上述邊緣測量值之上述變異程度；以及 9 S用簡上述變異程度對映至上述控制信號。 -非8項·之影倾理祕，其社魅詢表係依照 ~ 數’將上述Μ程度對映至上述控制信號。 祕專利範圍第9項所述之影像處理系統，其中當上述控制信號 心合厂’施於上述像素之上述雜訊降低度會隨之增大，社述邊緣強 化度會隨之減少。

λ勺杯、it 1雨^圍第7項所述之影像處理系統，其中上述變異侧器 二：二六疋?過濾器，每一上述定向濾器用以依上述預定方向之-來 "里工 '、子在里以作為該預定方向上的邊緣測量值。 申月專利範圍第7項所述之影像處理系統，其中上述變異谓測器 尚包括一中值擔、、由突、ΓΟ 應疚裔，用以降低上述視訊信號中的雜訊以計算上述邊緣測 量值。 申月專利範圍苐7項所述之影像處理系統，其中上述變昱偵測哭 包括： -取大值彳貞_，肋侧上述邊緣測量值中之_最大值； 隶J值读;則裔’用以偵測上述邊緣測量值中之一最小值；以及 一減法器，用以計算上述最大值及上述最小值間之一差值以作為上述 變異程度之一指標。 0758-A30997TW 15 1288564 包括專利减第7項輯之影像處m其社述變異侧器 計算上述邊緣測量值_而判社述變異程度。 一杏1 專利翻第14項所述之影像處理系統，其中上述變異侧器 卜、十其㈣依照—麵減對映函數，將上述熵計算11輸出之 上述fe異程度對映至上述控制信號。 16.一種視訊播放裝置，其用崎於一視訊信號提供降低雜 邊緣之功能，包括·· -記憶體裝置，用以暫存由上述視訊信號情擷取之複數像素； 一變異侧H，職由上述記麵裝置獲得上述像素，並於上述像素 中’依稷數預疋方向計算複數邊緣測量值，以及用以根據上述邊緣測量值 之一變異程度而判定一控制信號； -降低_單元，用錄據上述控制信號，對於上述視婦號中所榻 取之上述像素執行降低雜訊功能；以及 -強化邊緣單元，㈣根據上述蝴，對於上述視訊信號中所榻 取之上述像素執行強化邊緣功能。 17·如申請專利範圍第16項所述之視訊播放裝置，其中上述變異侧器 包括： 一邊緣方向偵測器，用以依上述預定方向計算上述邊緣測量值； 一變異程度計算器，用以計算上述邊緣測量值之上述變異程度；以及 一查詢表，用以將上述變異程度對映至上述控制信號。 18_如申請專利範圍第17項所述之視訊播放裝置，其中上述查詢表係依 照一非遞減對映函數，將上述變異程度對映至上述控制信號。 19·如申請專利範圍第18項所述之視訊播放裝置，其中當上述控制信號 的值減少時，施於上述像素之上述雜訊降低度會隨之增大，而上述邊緣強 化度會隨之減少。 20·如申請專利範圍第16項所述之視訊播放裝置，其中上述變異偵測器 0758-A30997TW 16 1288564 尚包括複數定向過濾器，每一上述定向過濾器用以依上述預定方向之一來 測量邊緣存在量以作為該預定方向上的邊緣測量值。 21. 如申請專利範圍第16項所述之視訊播放裝置，其中上述變異偵測器 尚包括一中值濾波器，用以降低上述視訊信號中的雜訊以計算上述邊緣测 量值。 22. 如申請專利範圍第“項所述之視訊播放裝置，其中上述變異镇測器 包括： " 一最大值偵測器，用以偵測上述邊緣測量值中之一最大值；

一最小值偵測器，用以偵測上述邊緣測量值中之一最小值；以及 一減法器，用以計算上述最大值及上述最小值間之—差值以作為 變異程度之一指標。 ·、" =·如申請專利範圍第16項所述之視訊播放裝置，其中上述變里備測哭 包括-摘計算器，用以計算上述邊緣測量值的烟而判定上述變里程产、。口口 更包2括4'如^專_第23顧叙視訊播縣置，其巾上賴_器 k括-㈣表，翻以依照—非遞朗映函數 上述變異程輯映至上雜輸號。 4 m讀出之

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