CN1520194A

CN1520194A - 自适应色彩过渡的改进

Info

Publication number: CN1520194A
Application number: CNA2004100058193A
Authority: CN
Inventors: 金永铎; 林鹏
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2003-01-16
Filing date: 2004-01-16
Publication date: 2004-08-11
Anticipated expiration: 2024-01-16
Also published as: EP1439717A3; US20070200958A1; CN1294766C; US7271851B2; KR100565053B1; US7808558B2; US20030107678A1; KR20040065965A; EP1439717A2

Abstract

一种自适应局部图像特征以实现更自然的色彩边缘变化的色彩过渡改进(CTI)技术。提供一个依赖局部图像特征的增益控制函数，从而能够对图像的不同区域进行不同的处理。进一步地，以一种方式(利用局部图像特征)控制校正信号以致既不会出现下冲也不会出现上冲，省去用于消除下冲/上冲的后续处理。

Description

自适应色彩过渡的改进

技术领域

本发明主要涉及图像信号的处理，尤其涉及在彩色电视广播中增强色彩变化的锐度(sharpness)。

背景技术

按照彩色电视广播标准，例如NTSC、PAL和SECAM，传送的信号包括色度信号和亮度信号。与亮度信号的带宽相比，色度信号的带宽相当窄。色度信号的带宽受限引起相对较缓慢的色度变化，从而在接收/显示的图像中出现模糊的彩色边缘。

现已利用了不同的技术来努力增强色彩变化的锐度，例如在美国专利4,935,806和美国专利5,920,357中所描述的，已知的“色彩过渡的改进”技术。在色彩过渡的改进技术中，基本的步骤是在原始色度信号中加入一个“校正信号”(利用高通滤波器)以恢复因带宽受限而引起的频率成分的损失。此后通过后续处理来消除任何下冲(undershoot)和上冲(overshoot)。

典型地，将“校正信号”乘以一个控制参数来控制总的增益。现有技术不管图像的不同区域间的差异，将一个不变的控制参数用于整个图像。然而，这导致该图像的某些彩色边缘区域变得不自然。因而，已经需要对图像的不同区域进行不同处理，并且还需要控制校正信号以致既不会出现下冲也不会出现上冲，藉此省去用于消除下冲/上冲的后续处理。

发明内容

本发明致力于解决上述问题。本发明的目的是提供一种较好的能自适应局部图像特征的色彩过渡改进(CTI)技术，以实现更自然的色彩边缘变化。在一个具体实施例中，本发明提供了一种依赖局部图像特征的增益控制函数，从而能够对图像的不同区域进行不同的处理。进一步地，以一种方式(利用局部图像特征)控制校正信号以致既不会出现下冲也不会出现上冲，同时省掉了用于消除下冲/上冲的后续处理。

按照本发明的一个示例性CTI技术包括步骤：首先，确定输入的色度信号的平滑模式的二阶导数。然后，构造一个增益控制函数作为该二阶导数的函数。与将一个常量参数用于整个图像以控制提高增益的常规方法不同，本发明利用了一个控制函数来对不同的图像区域提供不同的增益。在一种模式中，增益控制函数可以在0到1的范围内变动，并且随着通过二阶求导特征化了的局部图像特征变化。增益控制函数和该二阶导数的符号一同确定如何校正缓慢的色彩变化。

在色彩过渡曲线“上凹”的点对应于正二阶导数。在该点处，存在一段过渡曲线逼近(push)其局部最小值。在色彩过渡曲线“下凹”的点对应于负二阶导数。在该点处，存在一段过渡曲线逼近其局部最大值。此过程的结果得到一个锐化的过渡曲线。该“逼近”由增益控制函数、局部最小值和局部最大值控制。因为该过渡曲线上的点所能逼近的最远处是局部最小值或局部最大值，根本不出现下冲和上冲。

上述“逼近”机理通过在原始信号上加一个“校正信号”来实现。在常规技术中，该附加的“校正信号”是由多高通滤波器获得的一个高频信号。这种方法通常产生下冲或上冲。然而，按照本发明，该“校正信号”是原始信号与其局部最小值或最大值之间的距离。这根本上保证没有下冲也没有上冲，不需要用于消除下冲/上冲的后处理。

本发明进一步防止噪声强化。在没有显著色彩变化的噪声图像区域，平滑色度信号的二阶导数非常接近于零。因此，该二阶导数的函数的增益控制函数在这些区域非常接近于零。藉此，信号在这些区域根本不改变，其中原有噪声不强化。

附图说明

参照下面的描述、附加的权利要求和附随的附图，本发明的这些和其它特征、方面和优点将易于理解：

图1示出了按照本发明的一个色彩过渡改进逻辑电路的一个实施例的示例性框图；

图2是图1中的逻辑的一个增益控制函数的示例图；

图3示出了按照本发明的一个色彩变化增强效果；和

图4示出了按照本发明的过渡改进技术的步骤的一个实施例的示例性流程图。

具体实施方式

参照附图，描述根据本发明的较好色彩过渡改进(CTI)技术的一个实施例。此CTI技术自适应局部图像特征，由此实现更自然的色彩边缘变化改进。在一个实施例中，提供了一个依赖局部图像特征的增益控制函数，从而能够对图像的不同区域进行不同的处理。进一步，以一种方式(利用局部图像特征)控制校正信号以致既不会出现下冲也不会出现上冲，同时不需要用于消除下冲/上冲的后处理。

按照本发明的一个示例性CTI技术包括步骤：首先，确定输入的色度信号的平滑模式的二阶导数。然后，构造一个增益控制函数作为该二阶导数的函数。与常规方法不同，本发明利用了一个控制函数来对不同的图像区域提供不同的增益。

在一个实施例中，增益控制函数可以在0到1的范围内变动，并且随着通过二阶求导特征化了的局部图像特征变化。增益控制函数和该二阶导数的符号一同确定如何校正缓慢的色彩变化。

在色彩过渡曲线上“上凹”的点对应于正二阶导数。在该点处，存在一段过渡曲线“逼近”其局部最小值。在色彩过渡曲线上“下凹”的点对应于负二阶导数。在该点处，存在一段过渡曲线“逼近”其局部最大值。此过程的结果得到一个锐化的过渡曲线。该“逼近”由增益控制函数、局部最小值和局部最大值控制。因为该过渡曲线上的点所能逼近的最远处是局部最小值或局部最大值，根本不出现下冲和上冲。

上述“逼近”机理通过在原始信号上加一个“校正信号”来实现。在常规技术中，该附加的“校正信号”是由各种高通滤波器获得的一个高频信号。这种方法通常产生下冲或上冲。然而，按照本发明，该“校正信号”是基于原始信号与其局部最小值或最大值之间的距离。这根本上保证没有下冲也没有上冲，不需要用于消除下冲/上冲的后处理。

图1的框图中示出了一个体现本发明各方面的逻辑结构或系统10。对系统10的输入是色度信号12(U或V)，输出信号是相应的增强的具有尖锐色彩边缘的色度信号14。在此为简要描述，输入色度信号12用F表示，其涉及U或V，响应的输出色度信号14用G表示。假定输入色度信号F为一个数字信号。如果外来信号为模拟波形，首先将它们转换成取样数字信号(例如，用一个模数转换器/取样器，未示出)。

将输入信号F供给一个低通滤波器16，例如“高斯滤波器”。尽管可以使用其它类型的低通滤波器，“高斯滤波器”因其较好的平滑特性而得到优先选用。将一个具有标准偏差1的近似“高斯滤波器”的7分支滤波器作为低通滤波器16以平滑输入信号F。将该“高斯滤波器”的输出信号供给一个二阶导数计算器(“2^nd求导”)18以确定该二阶导数F″。

因为依据输入信号F的平滑模式计算二阶导数F″，该二阶导数F″对噪声较不灵敏。此外，二阶导数F″是输入信号F变化曲线的几何特性(即上凹或下凹)的更精确反映。也可使用其它指示信号几何特性的方法(例如，其它导数和/或其组合)代替二阶导数。在二阶导数计算器18中通过一个具有滤波系数(1，0，-2，0，1)的带通滤波器优先近似二阶导数F″。

二阶导数计算器18的输出信号F″供给一个“二阶导数符号”单元20和一个“增益控制函数”单元22。该“二阶导数符号”单元20产生二阶导数F″的符号，用sign(F″)表示。同样：

如果F″＞0，那么sign(F″)＝1；

如果F″＜0，那么sign(F″)＝-1；

如果F″＝0，那么sign(F″)＝0。

尽管在此处的实施例中使用二阶导数的符号，但在其它实施例中，可以使用该二阶导数值与一个或多个阈值的比较。

将该二阶导数的符号供给一“逻辑控制单元”24，其根本上确定变化曲线是否向上或向下“逼近”，下文中将进一步详细描述。

该增益控制函数单元22首先计算该二阶导数的绝对值，|F″|，然后构造一个增益控制函数g。该增益控制函数g的基本要求是：(i)它是一个连续(或平滑)递增函数，在0到1范围内变化，(ii)对于该二阶导数F″的小绝对值接近0，而对于该二阶导数的大绝对值|F″|接近1。一个示例性的增益控制函数可以表示为：

g = \frac{| F^{''} |}{C + | F^{''} |}

其中F″是依据输入信号F的平滑模式计算的二阶导数，而C＞0是一个固定常量。C确定函数g的强度。C的一个示例性的范围介于0和3之间。

图2示出了一个C＝2.5的增益控制函数g的示例图，其中图2横轴上的尺寸与|F″|相同。按照本发明，该增益控制函数g给不同的图像区域提供不同增益，使得色彩过渡增强处理自适应局部图像特征。在一个平坦区域或无特色噪声区域，因为平滑图像的二阶导数F″等于或近似等于0，增益控制函数g根本不提供增益。在一个发生色彩变化的区域，该平滑图像的二阶导数的绝对值|F″|较大，其中该增益控制函数g返回一个较大值，藉此色彩变化得以增强。

返回参照图1，为了产生一个校正信号R，也将输入信号F提供给一“至局部最小值距离”单元26和一“至局部最大值距离”单元28。该“至局部最小值距离”单元26首先通过寻找以当前信号取样位置为中心的半径范围r的区间计算局部最小值F_min。该半径r可以设成如3或4。找到局部最小值以后，“至局部最小值距离”单元26计算输入信号F与局部最小值F_min之间的距离。其中，“至局部最小值距离”单元26的输出信号为差F_min-F。

同样，“至局部最大值距离”单元28首先通过寻找以当前信号取样位置为中心的半径范围r的区间计算局部最大值F_max。然后计算输入信号F与局部最大值F_max之间的距离。其中，“至局部最大值距离”单元28的输出信号为差F_max-F。

“至局部最小值距离”单元26的输出信号F_min-F和“至局部最大值距离”单元28的输出信号F_max-F都供给“逻辑控制”单元24。如上所述，“逻辑控制”单元24也利用“二阶导数符号”单元20的输出信号，其为该二阶导数的符号sign(F″)。基于该二阶导数的符号，“逻辑控制”单元24选择F_min-F、F_max-F或0作为其输出。同样：

如果sign(F″)＝1，那么该单元24的输出信号为F_min-F；

如果sign(F″)＝-1，那么该单元24的输出信号为F_max-F；

如果sign(F″)＝0，那么该单元24的输出信号为0。

“逻辑控制”单元24的输出信号为校正信号R，其与增益控制函数g在节点30处(例如乘数交点)结合。同样，节点30的输出信号为基于增益控制函数g的自适应校正信号AR，其中信号AR与原始输入信号F在节点32(例如求和节点)处结合(例如加)以产生增强信号输出G。

系统10的最终输出G可以用实例表示，如下：

如果F″＞0，G＝F+g(|F″|)*(F_min-F)；

如果F″＜0，G＝F+g(|F″|)*(F_max-F)；

如果F″＝0，G＝F。

其中g(F″|)是增益控制函数，其为上述二阶导数F″的绝对值的函数。

因为0≤g(|F″|)≤1，那么G可以表示为：

如果F″＞0，G＝F-g(|F″|)*(F-F_min)≥F-1*(F-F_min)＝F_min；

如果F″＜0，G＝F+g(|F″|)*(F_max-F)≤F+1*(F_max-F)＝F_max。

这表明输入信号根本上决不会“逼近”到低于其局部最小值或超出其局部最大值，藉此在增强信号中没有下冲和上冲。

图3示出了表现按照本发明的色彩变化增强效果的一个示例性曲线。实曲线34表示输入色度信号F的变化曲线。该二阶导数F″的几何特性指示曲线34在F″＞0处“上凹”和在F″＜0处“下凹”。

因此，按照上述关系：(i)在曲线34“上凹”的点处(F″＞0)，曲线将通过减去g(|F″|)*(F-F_min)“向下逼近”接近其局部最小值；和(ii)在曲线34“下凹”的点处(F″＜0)，曲线34将通过加上g(|F″|)*(F_max-F)“向上逼近”接近其局部最大值。结果曲线36(用点线表示)是一个按照本发明的具有尖锐变化的增强色度信号，其不存在下冲和上冲。藉此，不需要用于消除上冲/下冲的后处理。

图4示出了按照本发明的一个实施例的CTI步骤的示例性流程图。接收输入信号F以后(步骤50)，确定信号F至局部最小值的距离和至局部最大值的距离(分别为步骤52和54)。在一个低通滤波器中也平滑该信号F以得到平滑信号(步骤56)。

计算该平滑信号的二阶导数F″(步骤58)，确定该二阶导数的标记sign(F″)(步骤60)。然后，作为该二阶导数和局部最小、最大距离值的函数产生一个校正信号，其中校正信号控制输入信号中的变化(步骤62)。此外，确定一个增益控制函数g作为二阶导数的函数(步骤64)。该增益控制与校正信号结合(例如相乘)以得到一自适应校正信号(步骤66)，将其加到输入信号F产生增强输出信号G。在上文中参照图1描述了步骤50-68的一个模式的示例性细节。

本发明进一步防止噪声强化。在没有显著色彩变化的噪声图像区域，平滑色度信号的二阶导数非常接近于零。因此，其为该二阶导数的函数的增益控制函数在这些区域非常接近于零。藉此，信号在这些区域根本不改变，其中原有噪声不强化。

因此，本发明提供了一种增强视频信号色彩过渡的方法。该方法利用局部图像特征作为自适应增益控制函数以控制色彩过渡增强的增益。在一个实施例中，该增益控制函数用g(|F″|)＝|F″|/(C+|F″|)表示。使用一个逻辑框图通过利用一个高斯滤波器结合一个五分支带通滤波器计算该输入信号的平滑二阶导数。将至局部最小/最大距离作为色彩过渡改进的校正信号以避免下冲和上冲。进一步，基于该平滑二阶导数的值(例如标记)选择该校正信号。

已经参照某些优先模式相当详细地描述了本发明；然而，可以做其它模式的变化。因此，附属的权利要求的主旨和范围不应局限于包含在说明书中的优先模式的描述中。

Claims

1.一种处理具有过渡响应的图像色度信号F的方法，包括步骤：

按照相应图像特征的函数自适应地增强信号F的色度过渡，以得到一个自适应增强信号G；

其中，按照所述相应图像特征的函数控制该色度过渡的增强。

2.如权利要求1所述的方法，其中自适应地增强该信号F的色度过渡的步骤进一步包括步骤：

产生一个增强该色度信号F的色度过渡的自适应校正信号AR，其中自适应校正信号AR是所述相应图像特征的函数；和

将该自适应校正信号AR与该色度信号F结合以得到上述增强信号G。

3.如权利要求2所述的方法，其中产生自适应校正信号AR的步骤进一步包括步骤：

产生一个增强该色度信号F的色度过渡的校正信号R；和

根据所述相应图像特征的函数自适应控制校正信号R以产生上述自适应校正信号AR。

4.如权利要求3所述的方法，其中产生校正信号R的步骤进一步包括步骤：

确定局部色度信号最小值F_min；

得到一个该色度信号F与局部最小值F_min之间的差；和

基于上述差产生该校正信号R。

5.如权利要求4所述的方法，其中得到该局部最小值F_min的步骤进一步包括步骤：

以当前色度信号取样位置为中心在半径为r的区间内找到一个最小信号值。

6.如权利要求3所述的方法，其中产生校正信号R的步骤进一步包括步骤：

确定局部色度信号最大值F_max；

得到一个该色度信号F与局部最大值F_max之间的差；和

基于上述差产生该校正信号R。

7.如权利要求6所述的方法，其中得到该局部最大值F_max的步骤进一步包括步骤：

以当前色度信号取样位置为中心在半径为r的区间内找到一个最大信号值。

8.如权利要求3所述的方法，其中产生校正信号R的步骤进一步包括步骤：

确定局部色度信号最小值F_min；

得到一个该色度信号F与局部最小值F_min之间的第一差；

确定局部色度信号最大值F_max；

得到一个该色度信号F与局部最大值F_max之间的第二差；以及

基于上述第一或第二差产生该校正信号R。

9.如权利要求8所述的方法，其中基于上述第一或第二差产生该校正信号R的步骤进一步包括步骤：

产生一个表示该信号F的几何特性的特性信号；

利用该特性信号在上述第一或第二差之间选择一个；

产生该校正信号R作为选定差的函数。

10.如权利要求8所述的方法，其中基于上述第一或第二差产生该校正信号R的步骤进一步包括步骤：

产生一个该信号F的二阶导数；

基于该二阶导数在上述第一或第二差之间选择一个；以及

产生该校正信号R作为选定差的函数。

11.如权利要求3所述的方法，其中自适应控制该校正信号R作为该相应图像特征的函数以产生上述自适应校正信号AR的步骤进一步包括步骤：

基于该局部图像特征产生一个增益控制函数g；

控制该校正信号R响应该增益控制g。

12.如权利要求11所述的方法，其中产生该增益控制g的步骤进一步包括步骤：

产生一个表示信号F的几何特性的特性信号；和

产生基于该特性信号的增益控制g。

13.如权利要求12所述的方法，其中产生该特性信号的步骤进一步包括步骤：

确定信号F的二阶导数F＂，以使该特性信号成为该二阶导数F＂的函数。

14.如权利要求13所述的方法，其中产生该增益控制g的步骤进一步包括步骤：

确定该二阶导数F＂的绝对值|F＂|；和

产生基于上述值|F＂|的增益控制g，其中(i)该增益控制g是一个连续递增函数，在0到1范围内变化，(ii)相对于小值|F＂|该增益控制g接近0，相对于大值|F＂|接近1。

15.如权利要求14所述的方法，其中增益控制函数g可以用关系式表示为：

g = \frac{| F^{''} |}{C + | F^{''} |}

其中C为一个大于0的常量。

16.如权利要求13所述的方法，进一步包括步骤：

用一个高斯滤波器平滑该信号F，然后通过一个带通滤波器得到该平滑信号的二阶导数F＂。

17.一个色度信号处理器，包括：

一个自适应增强器，其接收具有过渡响应的图像色度信号F，并根据相应图像特征的函数自适应地增强该信号F的色度过渡，以产生一个自适应增强信号G；

其中控制使该色度过渡的增强成为所述相应图像特征的函数。

18.如权利要求17所述的信号处理器，其中自适应增强器进一步包括：

一个自适应校正信号发生器，其产生一个增强该色度信号F的色度过渡的自适应校正信号AR，其中自适应校正信号AR是该相应图像特征的函数；和

一个合并器，其将自适应校正信号AR与色度信号F结合以得到上述增强信号G。

19.如权利要求18所述的信号处理器，其中自适应校正信号发生器进一步包括：

一个校正信号发生器，其产生一个增强该色度信号F的色度过渡的校正信号R；和

一个自适应控制器，其根据该相应图像特征的函数自适应控制该校正信号R以产生上述自适应校正信号AR。

20.如权利要求19所述的信号处理器，其中校正信号发生器进一步包括：

差逻辑电路，其确定局部色度信号最小值F_min，并得出该色度信号F与局部最小值F_min之间的差；和

控制逻辑电路，其基于上述差产生校正信号R。

21.如权利要求20所述的信号处理器，其中配置差逻辑电路以在当前色度信号取样位置为中心半径为r的区间内找到一个最小信号值。

22.如权利要求19所述的信号处理器，校正信号发生器进一步包括：

差逻辑电路，其确定局部色度信号最大值F_max，并得出该色度信号F与局部最大值F_max之间的差；和

控制逻辑电路，其基于上述差产生该校正信号R。

23.如权利要求22所述的信号处理器，其中配置差逻辑电路以在当前色度信号取样位置为中心半径为r的区间内找到一个最大信号值。

24.如权利要求19所述的信号处理器，其中校正信号发生器进一步包括：

第一差逻辑电路，其确定局部色度信号最小值F_min，得到一个该色度信号F与局部最小值F_min之间的差；

第二差逻辑电路，其确定局部色度信号最大值F_max，得到一个该色度信号F与局部最大值F_max之间的差；

控制逻辑电路，其基于上述第一或第二差产生该校正信号R。

25.如权利要求24所述的信号处理器，进一步包括：

一个信号特性发生器，其产生一个表示该信号F的几何特性的信号；

其中该控制逻辑电路利用该特性信号在上述第一或第二差之间选择一个，并产生校正信号R作为选定差的函数。

26.如权利要求24所述的信号处理器，进一步包括：

一个微分器，其生成该信号F的二阶导数；

其中该控制逻辑电路利用该二阶导数在上述第一或第二差之间选择一个，并产生校正信号R作为选定差的函数。

27.如权利要求18所述的信号处理器，其中自适应控制器进一步包括：

一个增益控制器，其基于该局部图像特征产生一个增益控制函数g；和控制该校正信号R响应该增益控制g以产生上述自适应校正信号AR。

28.如权利要求27所述的信号处理器，进一步包括：

一个信号特性发生器，其产生一个表示该信号F的几何特性的信号；和

其中该增益控制器产生基于该特性信号的增益控制g。

29.如权利要求28所述的信号处理器，其中该信号特性发生器包括一个微分器，其确定该信号F的二阶导数F＂，其中该特性信号是该二阶导数F＂的函数。

30.如权利要求29所述的信号处理器，其中配置该增益控制器以确定该二阶导数F＂的绝对值|F＂|并产生基于上述值|F＂|的增益控制g，其中(i)该增益控制g是一个连续递增函数，在0到1范围内变化，(ii)对于|F＂|小的值该增益控制g接近0，对于大值|F＂|接近1。

31.如权利要求30所述的信号处理器，其中增益控制函数g可以用关系式表示为：

g = \frac{| F^{''} |}{C + | F^{''} |}

其中C为一个大于0的常量。

32.如权利要求29所述的信号处理器，进一步包括：

一个平滑滤波器，其平滑该信号F，该平滑滤波器包括一高斯滤波器，其中上述微分器产生基于该平滑信号的二阶导数F＂。