CN1163531A - 改进的带扫描线图像处理器的图像处理*** - Google Patents

Abstract

一种改进的用于图象信号处理的处理***(10)，该***仅采用一个新一代的扫描线图象处理器(12)达到将近为最大的效率，其中的数字输入按通常的速率进行。该处理器完成运动检测、运动自适应扫描变换、水平和垂直换算，能在有限量的指令空间内提供清晰度控制，并将这些功能提供给四种电视制式。

Description

改进的带扫描线图象处理器的图象处理***

本申请是与第＿＿＿＿号题为“改进的采用扫描线图象处理器的图象处理”以及第＿＿＿＿号题为“数字显示器清晰度控制”的美国专利申请同时递交的。

本发明涉及显示***，尤其涉及对图象信号采用数字处理的显示***。

目前大多数显示***都含有阴极射线管(CRT)显示器，这种显示器用扫描电子枪将电子“喷射”到显示屏背面上的荧光粉。由于扫描电子枪的性质，广播电视信号按隔行扫描的格式发送。每帧数据划分为两场，一场含有奇数行的帧，另一场含有偶数行的帧。

虽然某些技术已经在显示器市场处于领先地位，然而，它们无法采用这种格式类型。其中一例就是空间光调制器，它通常由具有独立可选择单元的矩阵组成，在整个寻址电路中，通过访问进行选择。这些调制器的寻址电路一般按行和列组成，故要对所有奇数行或偶数行进行选择则很难、很慢、而且成本较高。

现已研究了一些方法将这种数据格式改进为顺序扫描格式，其中可形成整帧数据。这种格式通常是通过用前面各场估算失落场的像素数值，内插该失落场而形成的。然而，这种内插过程可能较昂贵，计算要求也较高，故使***的性能要求和成本提高。

另一种必须考虑的适应性就是***显示不同制式输入数据的能力。一般，在CRT***中，输入制式保留一种模拟输入，而电子枪则调整到新的尺寸。至于阵列中的单个单元，有时候在图象的像素与该单元之间存在一对一的对应关系。例如，一个具有480行，每行为640个像素的***将需要一个拥有480行单元，每行为640个单元的装置，不包括任何换算的可能性。

在这类***中，输入数据一般按等于每行尺寸之像素的比例数字化。每行640个像素将按每行640个取样数字化。因此，处理器必须可调节不仅在单元数量固定的阵列中能显示一种以上的制式，而且取样速率能与任何给定的制式兼容。

图象处理领域的一个新进展就是扫描线图象处理器。这些处理器拥有几方面的优点，可供解决上述问题。然而，这些处理器的第一代仅有极其有限的指令空间，在一个显示***中需要采用几个处理器。较新几代的处理器具有更多的指令空间，并且与前一代相比在价格上也具有竞争性。

因此，人们需要一种采用更新一代扫描线图象处理器的***，它采用尽可能最少的处理器，但仍然允许上述全部功能。

本发明的一个方面就是用于图象数据的一种处理***。该***接收数据并按通常的速率对数据进行格式化或取样。这将允许***针对不同的输入格式对数据进行格式化和处理。该***仅仅依靠一个处理器来完成运动检测、运动自适应扫描变换、水平和垂直换算以及清晰度控制。

该***的一个优点在于它不需要额外的处理器，使其成本大大低于多处理器***。

该***进一步的优点在于，除了其它制式外，它还能处理新的制式，诸如PALplus。

该***更进一步的优点在于，它允许采用复杂的FIR滤波器，而不超限现有的指令空间。

为了更加完全地了解本发明及其进一步的优点，现在结合附图作更为详尽的描述。其中：

图1表示一个用于图象处理的***结构的方框图，它仅需一个扫描线图象处理器。

图2表示一例可以应用于图象数据处理***的运动自适应扫描速率变换过程。

图3a至3d表示对输入图象信号制式的变形。

图4a至4d表示必须按多种输入图象信号制式执行的处理功能的方框图。

图5表示可以应用于图象数据处理***的一类垂直换算的图解表示。

图6表示可以应用于图象数据处理***的一类水平换算的图解表示。

图1表示仅仅采用一个扫描线图象处理器(SVP)12的用于图象处理的一个完整的***结构10。输入亮度信号Y在场DL14和16经过两次场的延迟。这些场延迟通常允许存取来自最前场和次最前场的数据。例如，如果将Y处的输入场视为场2，在场DL14后，即在A点，该场将是最前场，场1。在场DL16后，即在B点，该场将是次最前场，场0。场2和场0其中具有相同编号的行，但取自不同图象的帧。该附加的数据将用于数据的内插，下面将参照图2讨论。

必须注意输入信号Y当其到达处理器12时，一般已经是数字形式了。这可以从模拟信号的数字化得到，如现时的广播电视信号所碰到的。此外，信号也可以原来就是数字信号。图1所示的***将需要在空间光调制器或形成显示图象的其他调制器上能够采用任何制式的数据。

因此，如果数据已由模拟输入数字化，它必须以一种通用的速率取样。如果数据已经数字化，它必须转换成通用的速率或每行取样数。这将参照图3和图4描述。图5和图6将讨论换算通用速率信号使多种制式吻合的特定技术。所有这些功能都可以通过扫描线图象处理器完成。本发明的优点在于，它允许这些功能由同一的处理器执行，由此减少硬件数量和***成本。

图2表示用于运动自适应顺序扫描变换的一种可能的处理过程。该过程通常从隔行扫描的数据场内插“失落场”，同时计算各场之间的运动信号。混合电路30采用来自以下数据行的数据，其中，场3为输入场：来自场DL22的最前场场2；来自水平DL24和场DL26的次最前场场1中的相邻行；以及来自顶部数据通道的运动信号k。该顶部数据通道最初利用输入信号Y即场3与来自场1之邻近行之间的一种比较，它具有相同编号的行。在标号32的运算或其它电路得到它们之间的差。

所形成的差分信号经过标号为34的水平低通滤波器HLPF1，并在ABS(绝对值)36得到绝对值。加上一个非线性函数NL38。该非线性函数形成一个阈值，以消除因噪声产生的小的差分信号。它也将差分信号的分辨率减低到4位。比较器44判断几个数值中最大的数值：由场DL40输出的来自场0的数据；由水平延迟42a，42b，和42c输出的从相邻行至经过处理的行的数据；以及来自非线性函数32的4位信号。

然后，分别在VLPF1 46和HLPF2 48对该最大值进行垂直和水平滤波。非线性函数50与标号为38的非线性函数的相似之处在于它减少了信号噪声。然后，所形成的运动信号k通过混合电路30，用于确定内插的输出。

在完成该运动自适应扫描变换之后，一般须对该数据进行换算，使之与用以形成显示图象的空间光调制器的尺寸吻合。这将参照图3a至3d以及图4a至4d进行讨论。图3a至3d表示四种不同制式的图解表示。图3a表示必须为NTSC输入进行换算和处理的图解表示。

如图3a所示，输入的有源像素区域为720个样点宽、480行长。每行720个取样速率是前面讨论的一例通用速率。为保持一个4∶3比例的矩形像素宽高比，必须从每行720个取样点降低取样到640个取样点。然而，选择720个取样点使其成为9∶8的“整数”换算处理，而不是任何一种分数换算处理。这种变换无需任何垂直换算。

至于器件上的显示，图3a的左侧表示该例中所用的器件具有848×480的尺寸。它允许显示标准为640×480的NTSC。

图4a以方框图表示用于NTSC信号的处理流程。前置扫描(proscan)内插54、运动检测52以及清晰度控制56这些处理块在图4所示的每个实施例中保持相同。亮度信号Y在前置扫描内插56之前经过运动检测52，然后，在标号58处进行水平换算，最后在标号56处加强。色度信号C首先在标号60处经过水平换算，然后在标号54处进行前置扫描内插。

图3b表示对称为NTSC通道入口(letterbox)的一种制式进行类似的变换。输入有源像素区域仍然为720个取样点宽，但长度减少到360行，而不是480行。其余120行是每侧60行的黑边框。通过同时进行垂直和水平换算，这种类型的格式可以转换为848×480。这种格式具有16∶9的宽高比，它将需要图象从720个样点水平换算到848个单元，从360行垂直换算到480单元行。换算因子水平为5∶6(720/848)，垂直为3∶4(360/480)。输入中看到的水平黑边框从最终图象中剪切掉。

图4b表示NTSC通道入口的处理功能。亮度信号再次经过运动检测52、前置扫描内插54、以及标号62处的5∶6水平换算。色度信号经过标号64处的5∶6水平换算、标号54处的前置扫描，然后，与亮度信号一起进入垂直换算处理68。最后，亮度信号在标号56处加强。

可以将同类处理用于PAL制式信号。如图3c所示，输入数据具有720×576的尺寸。然而，对于这种显示应用，只采用576行中的548行。它将水平方向按9∶8的比例并垂直方向按8∶7的比例缩小。该处理过程的方框图示于图4c。同样的处理过程可以用标号70处对色度和亮度进行附加的8∶7垂直换算来替代。

在PAL制式方面，相对较新的进展是PALplus。PALplus与NTSC通道入口的相同之处在于，它将图象信号保持在16∶9的宽高比。然而，需要产生16∶9图象的信息已被水平压缩在4∶3的宽高比范围内。从图3d可见，该图象将必须进行水平和垂直换算，某些列将必须被剪切。水平上，该数据必须用5∶6的比例换算，从720列到864列。然后，必须剪切掉16列以适合该器件的848列。垂直上，548行必须按8∶7的比例换算，将其缩减到480行。采用该处理过程的方框图示于图4d，它用于处理色度和亮度信号。

用于换算的滤波器可能变得非常复杂并需要成百条指令。然而，由于该处理的有序以及仔细设计该指令顺序，通过采用43兆赫的处理器时钟，更新一代的SVP允许高达2730条指令。它允许采用非常先进和精密的滤波器进行换算，如图5所示。

如图所示为一个例子，用以讨论作3∶4换算时的垂直换算系数。在该3∶4换算过程中，用3个行生成4个行。例如，用行X2，X3和X4生成Y0、Y1、Y2和Y3。通过应用所示系数与输入数据行X0-X7的点积，可以找到输出行Y0-Y4。例如，〔AB〕*〔XY〕＝AX+BY。下标数字表示从该副滤波器起产生系数。例如，Y01具有系数-3/512，13/512，492/512，13/512，和-3/512。这些都是从副滤波器1起产生的。滤波器按1，2，3，0，1…等等的顺序施加。并注意当所用的副滤波器重复时，该系数也开始重复。

这里所用的滤波器为有限脉冲响应(FIR)滤波器，它可以在图象质量与制造成本之间折衷选择达到最佳。

最后，***的单一处理器还必须能进行如前所述的水平换算。图6示出了这一过程的图解表示。结合输入样值产生输出样值如下：

Y1＝X1  Y2＝85/512X1+427/512X2  Y3＝171/512X2+341/512X3

Y4＝1/2X3+1/2X4  Y5＝341/512X4+171/512X5

Y6＝427/512X5+85/512X6  Y7＝X6

该***采用2608条指令执行所有上述功能，它约为可用的2730条指令空间的95％。先进的FIR滤波器以前未能应用于早期的SVP，因为它们要浪费指令空间量。通常，换算包括利用尽可能多的换算因子，这里，已对换算因子作了限制，不会牺牲***的任何功能。最后，该***具有能适合新的以及不同的制式的性能。在该***中，以前未被考虑的PALplus制式也能很容易地使用。这是因为***具有内在的适应性。以上，尽管是针对一种改进的以扫描线处理器为基础的图象***的特定实施例进行描述的，但这些描述并非用来限制本发明的范围，本发明的范围由所附的权利要求书所确定。

Claims (9)

1.一种改进的图象处理***，包括：

按一种通常速率取样的数字输入；

一个扫描线图象处理器，其特征在于，所述处理器按所述通常速率接收所述数字输入，并可操作完成运动检测、运动自适应前置扫描内插、水平和垂直换算，并将清晰度控制施加到所述输入。

2.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述通常速率为每行图象输入720个取样。

3.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述垂直换算是利用有限脉冲响应滤波器进行的。

4.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述水平换算是利用有限脉冲响应滤波器进行的。

5.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述***能够接收和显示多种广播电视制式。

6.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述数字输入为NTSC。

7.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述数字输入为NTSC通道入口。

8.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述数字输入为PAL。

9.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述数字输入为PLAplus。

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