圖像信號的對比伸張與溢位補償系統及方法
2023-05-01 22:21:06
專利名稱：圖像信號的對比伸張與溢位補償系統及方法
技術領域：
本發明是關於一種圖像信號處理系統與方法，特別是關於一種圖像信號對比伸張及溢位補償的系統與方法。
背景技術：
已知在視頻圖像產品或元件中，經常有利用圖像處理來調整圖像質量的需要。例如電視機中設計有亮度(Brightness)、對比(Contrast)、色相(Hue)、色飽和度(Saturation)等功能的調整，供消費者調整至喜好的畫質。但消費者經常遇到的問題是，利用這些功能選項調整圖像畫面後，卻造成調整後大面積的飽和透亮現象，也就是本來可以分辨出亮暗層次的圖像或顏色，調整後造成全面變亮，反而分辨不出原有的層次及顏色偏差，此即過飽和的灰階溢位(Overflow)現象，亦即灰階均已達最大值而無法分辨出原有的層次。
又例如，大多數視頻處理IC中均會提供多種圖像調整及增強的功能，供設計者搭配出最佳的調整設定，但是，圖像經過多級的處理後，經常會造成飽和溢位的現象，最終在顯示器出現的畫面即會呈現出大面積的透亮現象，影響觀賞質量。
目前的解決方法則多半針對圖像溢位最簡單的對策為限制圖像處理中圖像增益的大小，儘量減少會產生圖像飽和的可能性。但圖像信號常經過不只一級的圖像處理，如果圖像信號經過多級調整及增強處理後，圖像灰階數將會越來越少，造成圖像連續性不足的輪廓邊界(Contour)問題，圖像的整體亮度也會降低，造成對比不佳。
此外，為避免有溢位的情形發生，圖像信號在作處理時，對增益值(Gain)多採小於1.0的方式，如此經過多級的圖像處理後，圖像的灰階值將愈來愈小，對比也愈來愈差。舉例而言，一張8bit的256灰階圖像其最大的灰階範圍為0～255，但在視頻系統的實際應用上，因為所使用的元件特性、參數值設定、信號傳輸衰減、分配衰減、噪聲抑制以及圖像信號處理等，均會影響圖像灰階的範圍，使圖像灰階無法充分利用到256灰階，如此將造成圖像信號動態範圍縮小、亮度色彩層次降低、對比變差等，影響畫面觀賞質量。
因此本發明的主要目的，在於提供一種圖像信號的對比伸張及溢位補償的處理系統與方法，特別是圖像信號已經過前級多次的圖像處理後，並已經形成圖像信號灰階數降低或溢位的現象時，可以自動加以調整以避免上述問題。
發明內容
本發明的一目的在於提供一種圖像信號對比伸張及溢位補償的處理系統與方法。
本發明的另一目的在於提供一種圖像信號對比伸張及溢位補償的處理系統與方法，以避免圖像信號在經過多級調整及增強處理後所產生的灰階數降低與溢位現象，並自動加以調整。
根據本發明一較佳實施例的圖像信號對比伸張及溢位補償的系統，其包含有圖像信號對比伸張模塊與圖像信號溢位補償模塊，二項模塊中均包含有存儲器以及圖像信號處理器。
對比伸張模塊的存儲器中儲存預定的對比伸張對照表，包括一組Offset值及一組Gain值參數，對比伸張模塊的圖像信號處理器包含圖像灰階邊界判斷單元以及對比伸張單元。圖像灰階邊界判斷單元用以判斷畫面的最大與最小灰階值。對比伸張單元則用以對圖像信號的灰階值進行伸張處理。當圖像灰階邊界判斷單元判斷出畫面的最大與最小灰階值後，對比伸張單元會依據此畫面的最大與最小灰階值，選擇對比伸張對照表中相對應的Offset及Gain值參數來計算該畫面各像素的新灰階值，以達到增強對比的效果。
溢位補償模塊的存儲器中儲存預定的溢位補償對照表，溢位補償模塊的圖像信號處理器包含溢位判斷單元以及溢位補償單元。溢位判斷單元用以依據像素的灰階值，來判斷圖像信號的像素是否已發生溢位現象。溢位補償單元則用以對圖像信號的像素進行補償。當溢位判斷單元判斷圖像信號的某一像素已經發生溢位現象時，溢位補償單元會依據像素的灰階值，選擇溢位補償對照表中相對應的溢位補償參數來調降該像素的灰階值，以克服溢位現象。
根據本發明一較佳實施例的圖像信號對比伸張及溢位補償的處理方法，包含有對比伸張及溢位補償兩部分。圖像信號對比伸張的步驟包含有準備預定的對比伸張Offset及Gain值對照表並儲存於存儲器中；循序接收圖像信號的多個像素；依據每一該等接收的像素的灰階值判斷每一畫面的最大與最小灰階；依據每一畫面的最大與最小灰階值，選擇該對比伸張對照表中相對應的Offset及Gain值來計算新的灰階值，以達到對比伸張的效果。圖像信號溢位補償的步驟包含有於存儲器中儲存預定的溢位補償對照表，該溢位補償對照表包含有多個溢位補償參數；循序接收圖像信號的多個像素；依據每一該等接收的像素的灰階值來判斷該像素是否已發生溢位現象；以及當該像素已經發生溢位現象時，依據該像素的灰階值，選擇該溢位補償對照表中相對應的溢位補償參數來調降該像素的灰階值，以克服該溢位現象。
關於本發明的優點與精神可以通過以下的實施方式的詳述及所附圖式得到進一步的了解。
圖1為本發明圖像信號的對比伸張與溢位補償的系統架構圖。
圖2為本發明對比伸張方法的模塊架構圖。
圖3為本發明於單色輸入時的溢位補償對照表的示意圖。
圖4(A)-(D)為本發明於多色輸入的溢位補償計算的示意圖。
圖5為本發明溢位補償方法的模塊架構圖。
圖6為本發明於單色輸入時的溢位補償計算結果的示意圖。
圖7為本發明於三色輸入溢位補償計算前後的三色比例結果的示意圖。
圖8為本發明圖像信號對比伸張及溢位補償方法的流程圖。
[主要元件標號說明] 10前級圖像信號處理單元12亮度調整單元 13對比調整單元14色相調整單元 15飽和度調整單元 16圖像增強單元 17色彩調整單元18、19、119圖像信號 20圖像信號對比伸張及溢位補償系統 22圖像信號溢位補償模塊30存儲器 32溢位補償對照表 34溢位補償參數 31、33、35、36、37、38欄位 40圖像信號處理器 42溢位判斷單元 44溢位補償單元110前級圖像信號處理程序 120溢位判斷程序 130利用溢位補償對照表計算補償程序 140輸出位回復程序222圖像信號對比伸張模塊 230存儲器232對比伸張對照表 234對比伸張調整值236對比伸張增益值 237減法器238乘法器 240圖像信號處理器242圖像灰階邊界判斷單元 244對比伸張單元
具體實施例方式 請參閱圖1，圖1為本發明圖像信號的對比伸張與溢位補償的系統架構圖。本發明的圖像信號對比伸張及溢位補償的系統20一般而言連接於前級圖像信號處理單元10之後，此前級圖像信號處理單元10用來對圖像信號18進行相對應的前級圖像信號處理功能。通常圖像信號中包含有預定數目的位以用來記錄該像素的灰階值(gray level)。假設一組8位(bit)的圖像信號18輸入前級圖像信號處理單元10中，為了提高處理質量及精度，這組8位的圖像信號18在進行相對應的前級圖像信號處理功能及色彩調整後，變為10位圖像信號19，但其灰階很有可能降低或溢位成11位，這種情形下則需進行本發明的圖像信號對比伸張及溢位補償處理。
這裡的前級圖像信號處理單元10是用來進行圖像處理與計算。最常見的圖像處理與計算是對於亮度(Brightness)、對比(Contrast)、色相(Hue)、色飽和度(Saturation)、圖像增強(Image Enhancement)、色彩調整(ColorAdjustment)以及任何上述的組合來進行圖像處理，或其它任何可能造成像素的灰階值降低或產生溢位的處理與計算。因此，前級圖像信號處理單元10，舉例而言，包含有亮度調整單元(Brightness Adjustment Unit)12、對比調整單元(Contrast Adjustment Unit)13、色相調整單元(Hue AdjustmentUnit)14、飽和度調整單元(Saturation Adjustment Unit)15、圖像增強單元(Image Enhancement Unit)16、色彩調整單元(Color Adjustment Unit)17。
本發明的圖像信號對比伸張及溢位補償的系統20則主要包含圖像信號對比伸張模塊222以及圖像信號溢位補償模塊22。兩者的功能可以整體地簡述如下。由於圖像信號前級處理的元件特性、參數值設定、傳輸衰減、分配衰減、噪聲抑制以及各種圖像信號處理(亮度、對比、色相、飽和度等調整，以及圖像增強與色彩調整等處理)等，均會影響圖像灰階的範圍，使圖像灰階無法充分利用到256灰階，如此將造成圖像信號動態範圍縮小、亮度色彩層次降低、對比變差等，故在各項前級處理後增加「對比伸張」功能，將圖像信號的灰階動態範圍擴大，使圖像的亮度範圍擴大，提升亮度、對比及畫面質量。此外，圖像信號的各項前級處理(亮度、對比、色相、飽和度等調整，以及圖像增強與色彩調整等處理)及對比伸張處理等，均有可能使圖像灰階出現溢位，造成大面積的飽和透亮現象，使原本亮暗及顏色層次分明的圖像，因圖像信號超出可顯示的灰階而無法分辨，故需要「溢位補償」功能來調整，將原本溢位的灰階適度的降低，並保持圖像信號原有的三色比例搭配，恢復原有的亮度層次且保有原有的顏色正確性。
圖像信號對比伸張模塊222主要包含存儲器230以及圖像信號處理器240。存儲器230中儲存預定的對比伸張對照表232，其中包含有多個對比伸張參數，例如對比伸張調整值(Offset)234以及對比伸張增益值(Gain)236。圖像信號處理器240包含有圖像灰階邊界判斷單元242以及對比伸張單元244，並用以接收包含有多個像素的圖像信號19，並後續對該圖像信號19的該等像素進行圖像信號處理。圖像信號19的像素包含有預定數目的位(舉例而言，圖像信號19為10位或已經溢位成11位的信號)以用來記錄該像素的灰階值(0-1023)。圖像信號19可以是單色黑白圖像信號，或是彩色圖像信號，如果是彩色圖像信號，則每一像素則分別包含紅、綠、藍灰階值。除非特別指出，以下實施例中皆以目前最常見的彩色圖像信號為例加以說明。圖像灰階邊界判斷單元242用以判斷畫面的最大與最小灰階值。對比伸張單元244則用以對圖像信號的灰階值進行伸張處理。圖像灰階邊界判斷單元242會對於圖像信號的該等像素進行判斷，以從中定義出最大值(MAX)及最小值(MIN)，並從該最大值及該最小值中計算出差值(DIFF)。在圖像灰階邊界判斷單元242定義或判斷出畫面中像素灰階值的最大值(MAX)及最小值(MIN)後，對比伸張單元244會依據此最大與最小灰階值，選擇對比伸張對照表232中相對應的對比伸張調整值(Offset)234以及對比伸張增益值(Gain)236等參數，來計算該畫面各像素的新灰階值，以對於該等像素進行對比伸張的調整並達到增強對比的效果。
圖像信號溢位補償模塊22包含存儲器30以及圖像信號處理器40。存儲器30中儲存預定的溢位補償對照表32，其中包含有多個溢位補償參數34，其內容於表一以及相關的敘述中有更詳細的說明。圖像信號處理器40並包含溢位判斷單元42以及溢位補償單元44。溢位判斷單元42用以依據像素的灰階值，來判斷圖像信號119的像素是否已發生溢位現象。當圖像信號119經過前級圖像信號處理單元10處理以及/或是圖像信號對比伸張模塊222處理後，有可能會造成該像素的灰階值(例如灰階值變成1030)超過預定數目的位(例如10位)所定義出的灰階值範圍(0-1023)。當發生上述情形時，溢位判斷單元42則判斷該像素已發生溢位現象。接著則需要利用本發明的溢位補償單元44來對於圖像信號119的像素進行補償與調整。溢位判斷單元42通常會循序對於所接收到的圖像信號119的每一個像素進行溢位判斷，只有當溢位判斷單元42判斷圖像信號119的某一像素已經發生溢位現象時，溢位補償單元44才對於該發生溢位的像素的灰階值進行調降，而對於其它的像素如經判斷並未發生溢位現象時，該像素的灰階值則維持不變。在此順加說明，於圖1中為了方便起見，存儲器30、230以及圖像信號處理器40、240是分開繪示，但是在實際電路中如果因成本、設計或組裝等實際考慮下，則可以合在一起執行其預定的功能，而不一定需要分開。
當溢位判斷單元42判斷圖像信號119的某一像素已經發生溢位現象時，溢位補償單元44會依據目前輸入像素的灰階值，選擇溢位補償對照表32中相對應的溢位補償參數34來調降該像素的灰階值，以克服溢位現象。在彩色圖像信號的情形下，當其中某一像素的紅、綠、藍灰階值中的任一超過該預定數目的位時，溢位判斷單元42會判斷該像素已發生了溢位現象；而溢位補償單元44則會依據該發生溢位像素的紅、綠、藍灰階值中最大者，選擇溢位補償對照表32中相對應的溢位補償參數34，以便等比例來調降該像素的紅、綠、藍灰階值，以使該像素的色彩表現與進行溢位補償前相同。
請參閱圖2，圖2為本發明對比伸張方法的模塊架構圖。本發明的圖像信號的對比伸張方法通常用在前級圖像信號處理功能完成之後，這些功能，舉例而言，包含有亮度調整功能、對比調整功能、色相調整功能、飽和度調整功能、圖像增強功能、色彩調整功能等。分別由前級圖像信號處理單元10中的個相對應功能單元12-17加以執行。本發明的圖像信號的對比伸張方法，會先於存儲器230的對比伸張對照表232中儲存所需的參數，如對比伸張調整值(Offset)234以及對比伸張增益值(Gain)236等。然後，對於所接收到的圖像信號中的像素進行判斷，以從中定義出最大值(MAX)及最小值(MIN)，並從該最大值及該最小值中計算出差值(DIFF)。
最大值(MAX)及最小值(MIN)的定義方法有很多種，可以視實際情況加以調整。例如可以用該圖像信號的所有像素的灰階值中最大者，來當作是最大值(MAX)；而用該圖像信號的所有像素的灰階值中最小者，來當作是最小值(MIN)。為了避免噪聲幹擾，另外一種方法可以先捨去該圖像信號的所有像素的灰階值中最大者與最小者，該圖像信號的剩餘所有像素的灰階值可以形成直方圖(histogram)，以此直方圖中最大5％的像素灰階值的平均值，來當作是最大值(MAX)；以此直方圖中最小5％的像素灰階值的平均值，來當作是最小值(MIN)。
然後依據最小值(MIN)以及差值(DIFF)以查詢對比伸張對照表232，並選擇出相對應的對比伸張增益值以及相對應對比伸張調整值。之後並以下列公式對於圖像信號19中的每一像素進行對比伸張的調整像素調整後的灰階值＝所選出的相對應對比伸張增益值*(像素的原始灰階值-所選出的相對應對比伸張調整值)。
舉一具體的實施例，圖像灰階邊界判斷單元242會對循序接收到的圖像信號19作最大及最小的判斷(或為避免噪聲幹擾，捨去最大及最小灰階值，改採圖像直方圖的最小與最大5％的值)，確認一張畫面的最大灰階值Tm與最小灰階值Tn，並計算其差距Td＝Tm-Tn。根據Tn及Td的值，由對比伸張對照表232查其相對應的Offset值234及Gain值236，再將此畫面的所有像素的原始灰階值，減去所查到的Offset值234後，再乘以Gain值236，即完成圖像信號的對比伸張處理。在此所需要的減法及乘法等數學處理，可以由對比伸張單元244中的減法器237及乘法器238來加以計算處理。如此，可以得到經過對比伸張處理的圖像信號119。
以8位(bit)的圖像為例，若經由圖像灰階邊界判斷單元242確認出此圖像的Tm＝200、Tn＝30，故Td＝170，若經由查表可得Offset＝10、Gain＝1.2，則新的灰階為Gray』＝Gain*(Gray-Offset)，畫面中各像素點的灰階均依此公式計算出新的灰階，故Tm』＝1.2*(200-10)＝228、Tn』＝1.2*(30-10)＝24，故原始對比為200/30＝6.67，新的對比為228/24＝9.5，對比增加了42.5％之多。在對比伸張對照表232中所儲存的Offset值234及Gain值236，可以依照顯示器使用時的實際需求做彈性調整。惟需注意的是，其值僅須適當即可，以避免圖像伸張過度造成失真。
請參閱圖3，圖3為本發明於單色輸入時的溢位補償對照表32的示意圖。在圖3中，儲存於存儲器30中的溢位補償對照表32可以包含有多個欄位，用以記錄不同的溢位補償參數。在此所謂溢位補償參數是用來表示集合名詞(generic term)，其具體的實施例可以是溢位補償增益值、輸出灰階值或是其組合。於溢位補償對照表32中，典型的欄位如圖2中所顯示的欄位35「目前輸入灰階值(11位)(P)」、欄位36「溢位補償增益值(Gain)」以及欄位38「補償後輸出灰階值(10位)(P*Gain)」。這些欄位可視實際需要加以增加或部分省略，並沒有固定的格式，只要能達成溢位補償的功能即可。在本實施例中為了方便說明起見，加入了欄位33「目前輸入灰階值(8位)(P)」、欄位31「原始輸出灰階值(10位)」以及欄位37「補償後輸出灰階值(18位)(P*Gain)」。在實際中，為了節省存儲器30空間起見，這些欄位不一定需要，加以省略也完全不影響本發明的功能與效果。
溢位補償增益值的大小是相對於該像素發生溢位的大小而不同，在等效上而言為低於1.0的增益值，以便使產生飽和溢位的輸入灰階值在乘以此一低於1.0的增益值後，使輸出灰階值降下來。除了利用溢位補償增益值的作法外，也可以在溢位補償對照表32中直接定義出目前輸入灰階值與補償後相對應輸出灰階值的關係。其中該相對應的輸出灰階值可以事先以實驗的方式得出，也就是說，以實驗方式事先找出會產生飽和溢位的輸入灰階值範圍(如圖2中所示的1024-1031與1032-1036)，並對於不同輸入灰階值進行溢位補償試算。第一階段的輸入灰階值範圍(1024-1031)選擇溢位補償增益值(254/256)，因而得出相對應輸出灰階值範圍(1016.0-1022.9)；第二階段的輸入灰階值範圍(1032-1036)選擇溢位補償增益值(252/256)，因而得出相對應輸出灰階值範圍(1015.9-1019.8)。如圖3所示的輸入與輸出關係是利用分段選擇不同大小的溢位補償增益值所得出的，這是一種非線性的對應關係，其好處是使得在每一區段中的輸出層次更為分明。如果在實際具體個案中此一考慮並不重要，當然也可以簡單地不分段選擇相同的溢位補償增益值，以得出相對應線性的輸出灰階值。在不違背本發明的精神下，如何得到輸入與輸出的關係，會視實際個案需要有相當多作法與彈性，只要使得產生飽和溢位的最大輸入灰階都能調降至圖像信號原預定位數之內，有效地克服溢位現象並恢復原有圖像的亮度層次即可。
請參閱圖4(A)-(D)，圖4(A)-(D)為本發明於多色輸入的溢位補償計算的示意圖。對彩色顯示系統，顏色的正確性是非常重要的，傳統的溢位處理僅對溢位的顏色做補償，如此會使三色比例與原始色彩的三色比例有差異，造成色彩異常。本發明的圖像信號溢位補償方法對於相同畫素的三色做相同的處理，故處理前後的三色比例將不會改變，除了恢復原有的亮度層次外，也可以保有正確的顏色表現。
圖4(A)中所顯示的欄位包含欄位202「目前輸入灰階值(11位)(P)」、欄位204「目前輸入灰階值(8位)(P)」、欄位206「傳統上輸出灰階值(10位)」、欄位208「溢位補償增益值(Gain)」以及欄位210「本發明補償後輸出灰階值(P*Gain)(10位)」。圖4(A)中欄位202顯示目前所輸入三色圖像信號(R、G、B)以及相對應的最大值(Max)(在此為圖像信號R)。將每一橫列的信號以圖像信號R作分母進行正規化(normalization)後，所有圖像信號R變為1.0，圖像信號G與圖像信號B於是等比例計算出來，因此形成圖4(B)的「目前輸出灰階值比例(R＝1.0)」212。圖4(A)中欄位204與欄位202相似，不同之處在於其目前輸入灰階值為8位。當遇到如欄位202圖像信號R超出10位的最大上限時，依據現有技術的作法，會直接將圖像信號R設為10位的最大上限值(1023)，圖像信號G與圖像信號B並未超出10位的最大上限，因此維持不變。同樣進行正規化計算之後，其結果可顯示如圖4(C)的「傳統上輸出灰階值比例(R＝1.0)」216。本發明的溢位補償增益值(Gain)經過計算之後可顯示如欄位208。將此一組增益值(Gain)與欄位202目前輸入灰階值(P)進行計算後，即可得到如欄位210「本發明補償後輸出灰階值(P*Gain)(10位)」。同樣進行正規化計算之後，其結果可顯示如圖4(D)的「本發明補償後輸出灰階值比例(R＝1.0)」220。由圖4(A)-(D)可觀察出，當有溢位時，依據現有技術的作法，其輸出的三色比例與原始灰階比例不同，導致顏色偏差產生。而本發明則加以改進，當有溢位時，本發明的圖像信號溢位補償方法所輸出的三色比例與原始灰階比例相同，不會有顏色偏差產生。
請參閱圖5，圖5為本發明溢位補償方法的模塊架構圖。本發明圖像信號的溢位補償方法的原理為將飽和溢位的像素的灰階值，乘以一個低於1.0的增益值，使輸出灰階降下來，且增益值可以針對溢位像素灰階值的大小而有不同，使原本溢位飽和而呈現相同最高灰階的畫面，可以恢復原有的灰階及亮度層次。
由於圖像信號包括亮度及色彩二大部分，任何一個像素均為多種不同基色的特殊比例組合(例如大多數顯示器以RGB、印表機以CMYK為基色)，如果只針對溢位的單一基色灰階值處理，將會破壞像素點的顏色表現(RGB或CMYK比例)，故為保持色彩的正確性，本發明圖像信號的溢位補償系針對畫面中每個像素的所有基色灰階均作處理，使溢位補償後的各個基色仍可保持原有的灰階亮度比例，亦即確保色彩表現與原始信號相同。
以一張基色為RGB的10位圖像信號為例，本發明圖像信號溢位的補償方法可配合圖5說明如下 程序110前級圖像信號處理。會造成圖像信號中像素灰階值發生溢位現象的原因有很多種，例如圖像信號可能是經過亮度調整、對比調整、色相調整、飽和度調整、圖像增強、色彩調整等，或是任何上述的處理的多級組合，或是其它任何可能造成像素的灰階值產生溢位的處理與計算。
程序120溢位判斷。一張10位的圖像，其灰階值必定介於0(二進位表示為0000000000)到1023(1111111111)之間，經過前級圖像信號處理110後，可能為10或11位。只有當圖像信號的像素已經發生溢位現象時，本發明方法才會對於該發生溢位的像素的灰階值進行調降，而未發生溢位的像素的灰階值則維持不變。因此，在此須先進行步驟122，找出圖像信號RGB三色的最大值P(P＝Max(R，G，B))，接著進行步驟124，判斷P是否溢位(超過10位)。若P沒有溢位，則將此像素的灰階值維持不變並經由信號路徑126直接輸出。若P大於或等於灰階1024(10000000000)，則表示此像素的灰階值已發生溢位超過10位，則利用溢位補償對照表32計算補償。
程序130利用溢位補償對照表計算補償。由程序120過來的圖像信號必定是11位，亦即其最高位一定是1，為了節省溢位補償對照表32所佔用的存儲器空間，在此只取高位(Highest Significant Bit，HSB)的8個位查表，所以溢位補償對照表32的輸入(Input)為128(10000000)到255(11111111)。假設其相對應的輸出增益值如圖4所示(為提高精度與因應數字計算的考慮，將原小於1.0的溢位補償增益值放大256倍，只要將最後所得結果再除以256即可)，則當要顯示的像素有任一基色的灰階值飽和溢位時，即以所有基色的最大灰階值P查表，找出相對應的溢位補償增益值(Gain)，並將圖像信號RGB灰階值都乘以此一溢位補償增益值(Gain)。因此原本發生溢位的圖像信號RGB灰階值，經過補償計算後將變成 R』＝R*Gain； G』＝G*Gain； B』＝B*Gain。
此時的R』、G』、B』為11位的圖像灰階值與8位的溢位補償增益值(Gain)相乘，故程序130計算後的灰階值為19位。
程序140輸出位回復。雖然經過程序130計算後的圖像灰階值為19位，但因為已經乘以小於1.0(但放大256倍)的溢位補償增益值(Gain)，故其值必定小於262144(＝2^18)，如圖3的欄位37「補償後輸出灰階值(18位)(P*Gain)」所示。故進行步驟142，以將19位的圖像灰階值的最高位MSB直接捨去，變成18位。又因為於程序130的溢位補償增益值(Gain)為放大256倍，故在此需進行步驟144，再除以256(28)。在數字計算上，此一步驟等效上可由捨去圖像灰階值的最低的8個位來達成，因而圖像灰階值恢復成未經過溢位補償前的10位數據。由圖3與圖6可以清楚看出，原本溢位的灰階值1024-1036(欄位35與符號標示52)如果沒有利用本發明進行溢位補償，則其輸出均為1023(欄位31與符號標示54)，無法分辨出原有的灰階層次。但利用本發明進行溢位補償處理後，原本溢位的灰階值1024-1036將變成介於1015到1023的範圍間(欄位38與符號標示56)，可以恢復原有的灰階及亮度層次及正確的色彩表現。
請參閱圖6，圖6為本發明於單色輸入時的溢位補償計算結果的示意圖。圖6則將圖3中不同輸入灰階值進行溢位補償試算的結果以圖示表示出。符號標示52表示「目前輸入灰階值(11位)(P)」，以產生飽和溢位的輸入灰階值範圍(1024-1036)為例加以說明。符號標示54表示「原始輸出灰階值(10位)」，也就是說，在未利用本發明的溢位補償方式之前，如果輸入灰階值落在(1024-1036)之間的範圍時，其輸出灰階值(10位)會都等於1023，如果這些像素在畫面上的分布集中於某些區域時，這些區域即會呈現出大面積的透亮現象，造成圖像質量不佳的效果。符號標示56表示「補償後輸出灰階值(10位)(P*Gain)」，也就是說，在利用本發明的溢位補償方式之後，輸入灰階值落在(1024-1031)與(1032-1036)之間的範圍時，其輸出灰階值會分別被調降於(1016.0-1022.9)以及(1015.9-1019.8)的範圍。即使這些像素在畫面上的分布集中於某些區域時，這些區域可以恢復原有圖像的亮度層次，而不至於會呈現出未補償前大面積的透亮現象。
請參閱圖7，圖7為本發明於三色輸入溢位補償計算前後的三色比例結果的示意圖。於圖7中顯示，三色輸入溢位補償計算前後以圖像信號R為1.0的圖像信號G比例結果繪圖。以圖4(D)的結果中的圖像信號G來繪圖，橫軸為圖像信號R的輸入灰階值，縱軸為圖像信號G的輸出灰階值比例，曲線252代表目前輸入灰階值比例(R＝1.0)，曲線254代表現有技術輸出灰階值比例(R＝1.0)，曲線256代表本發明補償後輸出灰階值比例(R＝1.0)。由曲線252與曲線256重合的現象可知，本發明溢位補償方法的G色比例與原始數據完全相同，故此方法可以確保各色比例與原始信號相同。而由曲線254與曲線252的差距明顯可以看出，現有技術方法的G色比例與原始數據不同，因此色彩會有偏差的情況發生。
請參閱圖8，圖8為本發明圖像信號對比伸張及溢位補償方法的流程圖。如果將上述的實施例用簡單的方式加以說明，則本發明圖像信號對比伸張及溢位補償方法可以歸納為對比伸張以及溢位補償兩個主要部分。
圖像信號對比伸張的部分包含有下列幾個重要步驟 步驟302準備預定的對比伸張Offset及Gain值對照表並儲存於存儲器中。
步驟304循序接收圖像信號的多個像素。
步驟306依據每一該等接收的像素的灰階值判斷每一畫面的最大與最小灰階。
步驟308依據每一畫面的最大與最小灰階值，選擇該對比伸張對照表中相對應的Offset及Gain值來計算新的灰階值，以達到對比伸張的效果。
圖像信號溢位補償的部分包含有下列幾個重要步驟 步驟312準備預定的溢位補償對照表並儲存於存儲器中。
步驟314循序接收圖像信號的多個像素。
步驟316依據每一該等接收的像素的灰階值來判斷該像素是否已發生溢位現象。
步驟318當該像素已經發生溢位現象時，依據該像素的灰階值，選擇該溢位補償對照表中相對應的溢位補償參數來調降該像素的灰階值，以克服該溢位現象。
相較於現有技術，本發明的特點可分析如下 (1)利用圖像伸張的作法，將圖像的灰階範圍拉伸到0～255的最大灰階範圍，其最大目的是增加圖像灰階分布的動態範圍，在視覺上的效果為提高圖像的對比。
(2)利用溢位補償對照表以及一組內建其中低於1.0的增益值，來達成溢位補償的功能。當判斷某一像素已經發生溢位現象時，溢位補償模塊會依據像素的灰階值的大小，查表選擇相對應的溢位補償參數來調降該像素的灰階值，以克服該溢位現象。
(3)在如何定義溢位補償參數以及建構溢位補償對照表上本發明保留有相當彈性。溢位補償參數可以是溢位補償增益值、輸出灰階值或是其它組合。溢位補償對照表32中的欄位可視實際需要加以增加或部分省略，並沒有固定的格式，只要能達成溢位補償的功能即可。此外在實作中，為了節省存儲器30空間起見，不必要的欄位可加以省略也完全不影響本發明的功能與效果。
(4)在如何利用溢位補償對照表以及溢位補償參數上本發明也保留有相當彈性。溢位補償模塊會根據依溢位像素的灰階值大小，查閱溢位補償對照表以及相對應的溢位補償參數，來調降該像素的灰階值。調降補償的方式可以將溢位的灰階值與相對應的溢位補償增益值相乘並進行輸出位回復，使原本溢位飽和並呈現相同最高灰階的畫面，可以恢復原有的灰階及亮度層次。
(5)此外為保持色彩的正確性，本發明的溢位補償乃針對圖像信號中每個像素個別作溢位判斷與補償處理，並對於每個像素的所有基色灰階均作處理，使溢位補償後的各個基色仍可保持原有的灰階亮度比例，亦即確保色彩表現與原始信號相同。
通過以上較佳具體實施例的詳述，是希望能更加清楚描述本發明的特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明的範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請的權利要求範圍的範疇內。因此，本發明所申請的權利要求範圍的範疇應根據上述的說明作最寬廣的解釋，以致使其涵蓋所有可能的改變以及具相等性的安排。
權利要求
1、一種圖像信號處理系統，包含有
存儲器，用以儲存預定的溢位補償對照表，該溢位補償對照表包含有多個溢位補償參數；以及
圖像信號處理器，用以接收包含有多個像素的圖像信號，並對該圖像信號的該等像素進行圖像信號處理，該圖像信號處理器並包含
溢位判斷單元，用以依據該像素的灰階值來判斷該圖像信號的該等像素是否已發生溢位現象；以及
溢位補償單元，用以對該圖像信號的該等像素進行補償；
其中，當該溢位判斷單元判斷該圖像信號的某一像素已經發生溢位現象時，該溢位補償單元會依據該像素的灰階值，選擇該溢位補償對照表中相對應的溢位補償參數來調降該像素的灰階值，以克服該溢位現象。
2、根據權利要求1所述的系統，其中該系統還包含有
預定的對比伸張對照表，包含有多個對比伸張參數；
圖像灰階邊界判斷單元，對於該圖像信號的該等像素進行判斷，以從中定義出最大值及最小值，並從該最大值及該最小值中計算出差值；以及
對比伸張單元，依據該最小值以及該差值以查詢該對比伸張對照表，並選擇出相對應的該等對比伸張參數，來對於該等像素進行對比伸張的調整。
3、根據權利要求2所述的系統，其中該系統連接於前級圖像信號處理單元，用來對該圖像信號進行相對應的前級圖像信號處理功能，該前級圖像信號處理單元包含亮度調整單元、對比調整單元、色相調整單元、飽和度調整單元、圖像增強單元、色彩調整單元以及任何上述的組合。
4、根據權利要求3所述的系統，其中該圖像信號的該像素包含有預定數目的位以用來記錄該像素的灰階值，當該圖像信號經過該前級圖像信號處理單元處理後或是經過該對比伸張的調整後造成該像素的灰階值超過該預定數目的位時，該溢位判斷模塊則判斷該像素已發生溢位現象。
5、根據權利要求4所述的系統，其中該對比伸張參數包含有至少一對比伸張調整值以及一對比伸張增益值，該對比伸張單元並以下列公式對於該圖像信號中的像素進行對比伸張的調整
該像素調整後的灰階值＝所選出的相對應對比伸張增益值*(該像素的原始灰階值-所選出的相對應對比伸張調整值)。
6、根據權利要求5所述的系統，其中該圖像灰階邊界判斷單元以下列公式定義出該最大值及該最小值
該最大值＝該圖像信號的所有像素的灰階值中最大者；以及
該最小值＝該圖像信號的所有像素的灰階值中最小者。
7、根據權利要求5所述的系統，其中該圖像灰階邊界判斷單元會先捨去該圖像信號的所有像素的灰階值中最大者與最小者，並以下列公式定義出該最大值及該最小值
該最大值＝該圖像信號的剩餘所有像素的灰階值中，最大5％的平均值；以及
該最小值＝該圖像信號的剩餘所有像素的灰階值中，最小5％的平均值。
8、根據權利要求4所述的系統，其中每一該等像素分別包含紅、綠、藍灰階值，而當該像素的紅、綠、藍灰階值中的任一超過該預定數目的位時，該溢位判斷模塊會判斷該像素已發生了溢位現象，而該溢位補償模塊則會依據該發生溢位像素的紅、綠、藍灰階值中最大者，選擇該溢位補償對照表中相對應的溢位補償參數，以便等比例來調降該像素的紅、綠、藍灰階值，以使該像素的色彩表現與進行溢位補償前相同。
9、根據權利要求1所述的系統，其中該溢位判斷模塊會循序對於該圖像信號的每一個像素進行溢位判斷，只有當該溢位判斷模塊判斷該圖像信號的某一像素已經發生溢位現象時，該溢位補償模塊才對於該發生溢位的像素的灰階值進行調降，而未發生溢位的像素的灰階值則維持不變。
10、根據權利要求9所述的系統，其中該等溢位補償參數是選自下列的一溢位補償增益值、輸出灰階值以及任何上述的組合，而該溢位補償增益值的大小是相對於該像素發生溢位的大小而不同，而且為低於1.0的增益值。
11、根據權利要求9所述的系統，其中該輸出灰階值的取得是對於該發生溢位的像素的灰階值進行分段，並對於不同段的灰階值選擇不同的溢位補償增益值而得出。
12、一種圖像信號處理方法，包含有下列步驟
於存儲器中儲存預定的溢位補償對照表，該溢位補償對照表包含有多個溢位補償參數；
循序接收圖像信號的多個像素；
依據每一該等接收的像素的灰階值來判斷該像素是否已發生溢位現象；以及
當該像素已經發生溢位現象時，依據該像素的灰階值，選擇該溢位補償對照表中相對應的溢位補償參數來調降該像素的灰階值，以克服該溢位現象。
13、根據權利要求12所述的方法，其中該方法還包含有下列步驟
於存儲器中儲存預定的對比伸張對照表，該對比伸張對照表包含有多個對比伸張參數；
對於該圖像信號的該等像素進行判斷，以從中定義出最大值及最小值，並從該最大值及該最小值中計算出差值；以及
依據該最小值以及該差值以查詢該對比伸張對照表，並選擇出相對應的該等對比伸張參數，來對於該等像素進行對比伸張的調整。
14、根據權利要求13所述的方法，其中該圖像信號的該像素包含有預定數目的位以用來記錄該像素的灰階值，當該圖像信號經過一前級圖像信號處理單元處理後或是經過該對比伸張的調整後造成該像素的灰階值超過該預定數目的位時，則該像素已發生溢位現象。
15、根據權利要求13所述的方法，其中該對比伸張參數包含有至少一對比伸張調整值以及一對比伸張增益值，該方法並以下列公式對於該圖像信號中的像素進行對比伸張的調整
該像素調整後的灰階值＝所選出的相對應對比伸張增益值*(該像素的原始灰階值-所選出的相對應對比伸張調整值)。
16、根據權利要求13所述的方法，其中該方法以下列公式定義出該最大值及該最小值
該最大值＝該圖像信號的所有像素的灰階值中最大者；以及
該最小值＝該圖像信號的所有像素的灰階值中最小者。
17、根據權利要求13所述的方法，其中該方法會先捨去該圖像信號的所有像素的灰階值中最大者與最小者，並以下列公式定義出該最大值及該最小值
該最大值＝該圖像信號的剩餘所有像素的灰階值中，最大5％的平均值；以及
該最小值＝該圖像信號的剩餘所有像素的灰階值中，最小5％的平均值。
18、根據權利要求14所述的方法，其中每一該等像素分別包含紅、綠、藍灰階值，而當該像素的紅、綠、藍灰階值中的任一超過該預定數目的位時，則該像素已發生了溢位現象，而該方法會依據該發生溢位像素的紅、綠、藍灰階值中最大者，選擇該溢位補償對照表中相對應的溢位補償參數，以便等比例來調降該像素的紅、綠、藍灰階值，以使該像素的色彩表現與進行溢位補償前相同。
19、根據權利要求14所述的方法，其中只有當該圖像信號的某一像素已經發生溢位現象時，該方法才會對於該發生溢位的像素的灰階值進行調降，而未發生溢位的像素的灰階值則維持不變。
20、根據權利要求19所述的方法，其中該等溢位補償參數是選自下列之一溢位補償增益值、輸出灰階值以及任何上述的組合，而該溢位補償增益值的大小是相對於該像素發生溢位的大小而不同，而且為低於1.0的增益值。
21、根據權利要求19所述的方法，其中該輸出灰階值的取得是對於該發生溢位的像素的灰階值進行分段，並對於不同段的灰階值選擇不同的溢位補償增益值而得出。
全文摘要
本發明提供一種圖像信號的對比伸張與溢位補償系統及方法，以避免信號飽和溢位時在顯示器呈現出大面積的透亮的畫面，並還原出畫面原本的亮暗層次，提高觀賞時的圖像質量。該系統包含有至少一存儲器以及至少一圖像信號處理器。存儲器中儲存預定的對比伸張對照表以及溢位補償對照表，圖像信號處理器包含圖像灰階邊界判斷單元、對比伸張單元、溢位判斷模塊以及溢位補償模塊。當溢位判斷模塊判斷圖像信號的某一像素已經發生溢位現象時，溢位補償模塊會依據像素的灰階值，選擇溢位補償對照表中相對應的溢位補償參數來調降該像素的灰階值，以克服溢位現象。
文檔編號H04N5/57GK101102438SQ20061010319
公開日2008年1月9日 申請日期2006年7月7日 優先權日2006年7月7日
發明者餘義盛, 高旭彬, 單益嘉, 蔡璨鴻 申請人:帆宣系統科技股份有限公司