一種瞬態增強數字視頻圖像的結構及方法

2023-05-19 21:06:56 1

專利名稱：一種瞬態增強數字視頻圖像的結構及方法
技術領域：
本發明涉及一種對視頻圖像進行優化的硬體結構及方法，特別是嵌入
式SoC增強數字視頻圖像的結構及方法。
背景技術：
隨著PC機的廣泛使用以及數位電視的出現，人們對視頻圖像的清晰度
要求越來越高，將隔行的模擬信號轉換成逐行的數位訊號後，仍需採用一
些畫質增強技術以改善圖像質量。數字亮度瞬態增強(Digital Luminance Transient Improvement,簡稱DLTI)技術就是通過恢復亮度信號中的高頻 分量，使過渡帶變窄，邊緣變陡，在圖像上就表現為圖像的清晰度增強， 畫面更加亮麗。
色度信號的頻帶壓縮以及色差信號的亞採樣造成了信號傳輸特性的改 變，導致色度信號的瞬態特性變壞。為了提高彩色圖像的清晰度，在大屏 幕彩電中廣泛採用了數字彩色瞬態改善電路(Digital Color Transient Improvement,簡稱DCTI)，它的作用是對色差信號(Cb、 Cr)進行瞬態 特性改良，使色度信號的脈衝上升沿和下降沿之間的時間縮短、邊緣變陡， 從而增如色彩的清晰度。
實現圖像瞬態增強的方法很多，常用的方法有兩種:移位法和疊加勾 邊法。
移位法就是找到亮度信號(或色度信號)變化曲線邊界過渡的特徵點， 然後使用斜率更高的變化曲線替代當前的變化曲線。移位法的關鍵在於正 確判斷出亮度信號(或色度信號)邊界過渡帶的位置，以及替代位置，檢 測亮度信號(或色度信號) 一階微分可以判斷圖像中的一個點是否是邊緣 點；檢測亮度信號(或色度信號)二階微分的正負可以判斷一個邊緣像素 處在邊緣的哪一側；並且亮度信號(或色度信號)二階微分的零點可以準 確的反映圖像的邊界點。因此可以使用亮度信號(或色度信號)二階微分 的符號來判斷替代的方向，並且可以用亮度信號(或色度信號)二階微分 的大小和一個增益的乘積來控制移位路徑的大小。疊加勾邊法，在浙江大學2004年的碩士生論文(作者孫一飛)的 論文"基於FPGA的視頻後處理系統"中公開了疊加勾邊法的方法和實現 結構，其方法就是在原始亮度信號(或色度信號)的基礎上疊加一個勾邊 信號，如圖1所示，利用濾波器來檢測邊緣和產生勾邊信號的方法是目前 疊加勾邊法的主要實現方式。
上述的移位法和疊加勾邊法都能達到一定的亮度增強效果，但是因為 移位法只能利用已有的像素值來代替當前點的像素值，該方法的效果不如 利用濾波器產生的疊加勾邊信號對細節反映敏感。疊加勾邊法採用單一增 益會使垂直方向在高頻處出現鋸齒，當多場疊加後畫面會出現閃爍和扭曲。

發明內容
本發明為消除疊加勾邊法使用固定的增益所帶來的圖像多場疊加後高 頻處閃爍以及邊緣扭曲的問題，提出了一種瞬態增強數字視頻圖像的結構 及方法。
—種瞬態增強數字視頻圖像的結構，.該結構包括如下模塊
信號產生模塊201，對原始信號的圖像邊緣產生勾邊信號；
加法模塊204，將輸入該模塊的數據信號進行相加；
限幅模塊205，對輸入該模塊的數據信號進行限幅；
原始信號輸入至所述的信號產生模塊201產生勾邊信號，所述勾邊信 號與原始信號在加法模塊204中進行相加，再經限幅模塊205限幅後輸出；
本發明所述結構還包括如下模塊
係數調整模塊202，用於產生增益調整係數；
乘法模塊203，將輸入該模塊的數據信號進行相乘；
其中，所述原始信號同時輸入至所述信號產生模塊201和所述係數調 整模塊202後分別產生勾邊信號和增益調整係數輸出，輸出的勾邊信號和 增益調整係數與一個數字可調的增益在乘法模塊203中進行相乘得到調整 後的勾紹信號輸送至加法模塊204與原始信號進行相加，並經限幅模塊205 限幅後輸出。
所述信號產生模塊201還包括降噪模塊，所述降噪模塊對產生的勾邊 信號進行核化降噪。所述係數調整模塊202包括高通濾波模塊202A、膨脹模塊202B、取 反模塊202C和取平方模塊202D，輸入的原始信號依次經過高通濾波、膨 脹、取反和取平方處理後產生增益調整係數輸出。
所述信號產生模塊201採用9階有限脈衝響應濾波器。
所述膨脹模塊從當前待處理像素的前後分別任取n個連續像素，與當 前待處理的像素組成窗口 ，並選擇所述窗口中所有像素的最大值替換當前 待處理像素值進行膨脹，其中n為整數。
所述高通濾波模塊採用的濾波係數為[-l 2 -l]。
所述9階有限脈衝響應濾波器採用以下的濾波器係數 *26/256。
本發明所述該結構可用於亮度信號或色度信號的瞬態增強。
一種瞬態增強數字視頻圖像的方法，該方法包括如下步驟
步驟一原始信號經信號產生模塊201產生勾邊信號；
步驟二在係數調整模塊中，對高頻部分進行判斷並產生增益調節系
小L
數；
步驤三將所述的勾邊信號、增益調節係數和一個數字可調的增益進 行相乘得到調整後的勾邊信號；
步驟四將步驟三得到的調整後的勾邊信號與原始信號進行相加得到 一修正值；
步驟五對步驟四得到的修正值進行限幅後輸出。
所述該方法還包括對所述步驟一產生的勾邊信號進行核化降噪的步驟。
所述步驟二中還包括對原始信號依次進行高通濾波處理、膨脹處理、 取反處理和取平方處理的步驟。
本發明所述方法可以用於亮度信號或色度信號的瞬態增強。 本發明所述方法由於增加了高頻判斷和自適應增益調整步驟，從而使 圖像上的高頻部分增益調整為零或者接近於零，而低頻處的增益調整到接 近預先設定的增益值，這樣就可以在保證低頻有明顯增強效果的同時高頻 處不會出現閃爍和邊緣扭曲的問題。


圖1是現有技術中疊加勾邊法原理圖2是本發明具體實施方式
結構示意圖3是本發明所述係數調整模塊內部模塊組成圖4是本發明所述限幅模塊工作原理圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明的具體實施方式
進行詳細描述。 實施例一
在對亮度信號處理時，如圖2所示將原始亮度信號分別輸入所述的信 號產生模塊201和係數調整模塊202，經該兩模塊處理後輸出的信號與一 個數字可調的增益在乘法模塊203中相乘，產生調整後的勾邊信號，該勾 邊信號在加法模塊204中與原始的亮度信號相加後經限幅模塊205限幅後 輸出。
為了便於本領域的技術人員順利實施本發明，下面將詳細描述組成本 發明所述結構的各模塊的工作過程。
信號產生模塊201中對輸入信號的處理過程如下
根據輸入的原始亮度信號產生勾邊信號。勾邊信號一般由亮度信號的 二階導數產生，也可以採用其它方法產生，只要產生的勾邊信號可以反映 亮度的邊緣信息即可。本優選實施例採用一種9階有限脈衝響應濾波器 (FIR濾波器)產生勾邊信號。有限脈衝響應濾波器(FIR濾波器)是一 種沒有反饋結構的濾波器，它的輸出只與輸入的信號有關。因為沒有反饋 結構，所以不會造成信號的相位失真，本實施例優選採用以下的濾波器系
數
diff_filter = [-16 -31 -16 33 61 33 -16 -31 -16]* 26/256;
降噪模塊對產生的勾邊信號進行核化降噪，核化降噪的主要目的就是 濾除小幅度噪聲，即在不損失圖像輪廓的前提下，儘可能使瞎面的噪聲更 小。進行核化降噪就是將小於一定閾值的信號用零代替，而對大於或等於 閾值的信號，.保持不變。通過改變閾值來改變核化降噪的效果，這樣就可 以有效的濾除小幅度的噪聲。
其次，針對高頻區域出現混疊從而造成多場圖像疊加後的閃爍以及邊 緣扭曲奪問題，本發明在高頻區域的處理中加入了係數調整模塊202。該模塊包括以下模塊，如圖3所示
高通濾波模塊202A，對原始的亮度信號進行高通濾波處理，得到亮度信號的高頻部分，本實施例中高通濾波器的係數為[-12-1]，也可以用其它方法來實現濾波，只要濾波後得到亮度信號的高頻部分即可，並將高通濾波後的信號限幅在0到255內。本模塊中的限幅是把處於0到255範圍外的數據分別用0和255代替，處在0到255範圍內的數據不變，即若高通濾波後的信號小於O，則用O代替；大於255，則用255代替，其餘的不變。
膨脹子模塊202B，對經高通濾波後的亮度或色度信號進行膨脹，因為在圖像的中高頻區域有可能混有少量的低頻分量。所以在經高通濾波後，不可避免會留下這些低頻分量，本發明根據形態學中膨脹的原理來消除高頻中的少量低頻分量，根據膨脹的基本原理，本發明利用窗口中的最大值來代替當前被處理像素的值來實現膨脹，從而可以有效地消除高頻區域中混有的少量低頻分量，本實施例優選採用1*5的窗口，也可採用其他比例的窗口，但是當前被處理的像素應該處在窗口的中心。
取反模塊202C，對於膨脹後的信號進行取反，因為本發明要利用膨脹後的信號對增益進行自適應的控制,，即將圖像上的高頻部分增益調整為零，或者接近於零，而低頻處的增益調整到接近預先設定的增益值，這樣就可以在保證低頻有明顯的增強效果的同時高頻處不會出現閃爍的問題。
取平方模塊202D，對於取反後的信號取平方，取平方可以降低增益的
衰減速度，這樣可以使效果更加明顯；
乘法模塊203，將信號產生模塊201輸出的勾邊信號和係數調整模塊202產生的增益調節係數與預先設定的增益相乘，就得到調整後的勾邊信號；
再將原始輸入的亮度信號與增益後的勾邊信號在加法模塊204相加，就得到了亮度信號的修正值。
限幅模塊205其原理如圖4所示，其中對輸入信號的處理包括如下兩個步驟
第一步，從當前待處理像素的前後分別任取n個連續像素，與當前待處理的像素組成窗口，其中n為整數。然後選擇出窗口中所有像素的最值和最小值。
第二步，將修正值與窗口的最大值，最小值相比較，若修正值處在最大值和最小值之間，則輸出修正值，若修正值比最大值還大，則輸出最大值，若修正值比最小值還要小，則輸出最小值。實施例二
本發明所述瞬態增強數字視頻圖像的結構及方法還可用於對圖像色度信號進行增強。
在對色度信號進行處理時，如圖2所示將原始色度信號分別輸入至所述的信號產生模塊201和係數調整模塊202，從該兩模塊輸出的信號與一個數字可調的增益在乘法模塊203中相乘後產生調整後的勾邊信號，所述勾邊信號在加法模塊204中與原始色度信號相加後經過限幅模塊205限幅後輸出。
在對色度信號處理時，每個模塊的具體結構、功能和對亮度信號增強時相同，採用的濾波器係數也相同。
本發明加入了高頻判斷和自適應增益調整步驟，使圖像上的高頻部分增益調整為零或者接近於零，而低頻處的增益調整到接近預先設定的增益的值，這樣就可以在保證低頻有明顯的增強效果的同時高頻處不會出現閃爍和邊緣扭曲的問題。
當然，上述說明並非是對本發明的限制，本發明也並不僅限於上述舉例，本領域的普通技術人員在本發明的實質範圍內所做出的變化、改型、添加或替換，也應屬於發明的保護範圍。
權利要求
1、一種瞬態增強數字視頻圖像的結構，該結構包括如下模塊信號產生模塊(201)，對原始信號的圖像邊緣產生勾邊信號；加法模塊(204)，將輸入該模塊的數據信號進行相加；限幅模塊(205)，對輸入該模塊的數據信號進行限幅；原始信號輸入至所述的信號產生模塊(201)產生勾邊信號，所述勾邊信號與原始信號在加法模塊(204)中進行相加，再經限幅模塊(205)限幅後輸出；其特徵在於，該結構還包括如下模塊係數調整模塊(202)，用於產生增益調整係數；乘法模塊(203)，將輸入該模塊的數據信號進行相乘；其中，所述原始信號同時輸入至所述信號產生模塊(201)和所述係數調整模塊(202)後分別產生勾邊信號和增益調整係數輸出，輸出的勾邊信號和增益調整係數與一個數字可調的增益在乘法模塊(203)中進行相乘得到調整後的勾邊信號輸送至加法模塊(204)與原始信號進行相加，並經限幅模塊(205)限幅後輸出。
2、 根據權利要求1所述的一種瞬態增強數字視頻圖像的結構，其特徵 在於，所述信號產生模塊(201)還包括降噪模塊，所述降噪模塊對產生的 勾邊信號進行核化降噪。
3、 根據權利要求1所述的一種瞬態增強數字視頻圖像的結構，其特徵 在於，所述係數調整模塊(202)包括高通濾波模塊(202A)、膨脹模塊(202B)、取反模塊(202C)和取平方模塊(202D)，輸入的原始信號依 次經過高通濾波、膨脹、取反和取平方處理後產生增益調整係數輸出。
4、 根據權利要求1所述的一種瞬態增強數字視頻圖像的結構，其特徵 在於，所述信號產生模塊(201)採用9階有限脈衝響應濾波器。
5、 根據權利要求3所述的一種瞬態增強數字視頻圖像的結構，其特徵 在於，所述膨脹模塊從當前待處理像素的前後分別任取n個連續像素，與 當前待處理的像素組成窗口 ，並選擇所述窗口中所有像素的最大值替換當 前待處理像素值進行膨脹，其中n為整數。
6、 根據權利要求1至5任一所述的一種瞬態增強數字視頻圖像的結構，其特徵在於，所述高通濾波模塊採用的濾波係數為[-l 2-1]。
7、 根據權利要求4所述的一種瞬態增強數字視頻圖像的結構，其特徵 在於，所述的9階有限脈衝響應濾波器採用以下的濾波器係數[-16 -31 -16 33 61 33 -16 -31 -16] *26/256。
8、 根據權利要求1至5中任一所述的一種瞬態增強數字視頻圖像的結 構，其特徵在於，該結構可用於亮度信號或色度信號的瞬態增強。
9、 一種瞬態增強數字視頻圖像的方法，其特徵在於，該方法包括如下 步驟步驟一原始信號經信號產生模塊(201)產生勾邊信號； 步驟二在係數調整模塊(202)中，對高頻部分進行判斷並產生增益 調節係數；步驟三將所述的勾邊信號、增益調節係數和一個數字可調的增益進 行相乘得到調整後的勾邊信號；步驟四將步驟三得到的調整後的勾邊信號與原始信號進行相加得到 一修正值；步驟五對步驟四得到的修正值進行限幅後輸出。
10、 根據權利要求9所述的一種瞬態增強數字視頻圖像的方法，其特 徵在於，該方法還包括對所述步驟一所產生的勾邊信號進行核化降噪的步 驟。
11、 根據權利要求IO所述的一種瞬態增強數字視頻圖像的方法，其特 徵在於，步驟二中還包括對原始信號依次進行高通濾波處理、膨脹處理、 取反處理和取平方處理的步驟。
12、 根據權利要求9至11中任一所述的一種瞬態增強數字視頻圖像的 方法，其特徵在於，該方法可以用於亮度信號或色度信號的瞬態增強。
全文摘要
本發明公開了一種瞬態增強數字視頻圖像的結構及方法，該結構包括如下模塊信號產生模塊、係數調整模塊、乘法模塊、加法模塊、限幅模塊，原始信號分別同時輸入信號產生模塊和係數調整模塊；輸出的信號與增益在乘法模塊中相乘後產生疊加勾邊信號；該信號在加法模塊中與原始信號相加後經過限幅模塊限幅後輸出。該方法包括如下步驟對原始信號中的圖像邊緣產生勾邊信號；判斷原始信號的高頻部分產生增益調節係數；將前兩步產生的結果和增益相乘後與原始信號相加得到修正值；對修正值限幅後輸出。本發明在保證低頻信號有明顯的增強效果的同時高頻信號不會出現閃爍和邊緣扭曲，使圖像更加亮麗。
文檔編號H04N5/208GK101472053SQ200710125620
公開日2009年7月1日 申請日期2007年12月29日 優先權日2007年12月29日
發明者官安全, 常軍鋒, 亮 彭, 琛 李, 楊維維, 嶺 石, 濤 鄭 申請人:深圳艾科創新微電子有限公司