專利名稱：改善的視頻圖像的空間分辨率的制作方法
技術領域：
本發明涉及改善視頻圖像分辨率的方法和設備。
背景技術：
每當視頻行中的像素數目或輸入視頻信號中視頻行的數目不同于顯示所要求的數目，都必須進行空間縮放。例如在隔行掃描的視頻信號必須解交織(de-interlace)以提供逐行掃描(progressive)視頻信號、或者在由于顯示設備所要求的圖像寬高比與原始信號可提供的寬高比不同而必須修改寬高比的情況中，就是如此。通過使用內插低通濾波器按比例增加來實現高質量空間縮放。在此濾波器中，首先以兩倍于所希望帶寬的抽樣頻率對輸入信號進行抽樣，內插抽樣并隨后利用填零方法進行十中抽一抽樣。輸入信號的帶寬并沒有被降級，但是也沒有附加的頻譜成分可以用來改善圖像。
在T.Doyle等人在Signal Processing of HDTV，II上發表的“Progressive ScanConversion using Edge Information(利用邊緣信息的逐行掃描制式轉換)”中，描述了一種圖像的二維相關性的使用。利用此種相關性，有可能依照最大相關性，即沿邊緣來內插像素。在圖像的一行像素的色度或亮度快速變化時，邊緣出現在圖像中。建議參看圖1示出的三個不同值的像素對兒。在圖1中，描述了在連續的隔行掃描圖像中的一個圖像，每個像素2，4利用一個值(例如8bit比特值)來表示。此值表示所表示的圖像的空間相應位置中像素2，4的彩色或強度。
圖1所示的畫面矩陣利用垂直像素列v和水平像素行h來表示。每個圖像表示畫面的一半，由表示該畫面的另一半的隨后圖像完成整個畫面。為了產生逐行掃描視頻信號，通過內插利用丟失的像素來填充每個圖像。在圖1中，黑色的像素2表示視頻信號中的實際像素，而白色的像素4表示丟失的而需要內插的像素。
建議參看和水平方向分別成+45度、-45度、90度的方向中像素2的三對兒a，b，c的亮度值。通過使用具有最小亮度值差的一像素對的值來內插中間像素4a，因為假設該對兒像素不會跨越圖像中的邊緣。
此方法的一個缺陷在于貫穿像素4a的細的垂直行導致三個像素對兒a，b，c具有同樣的差值，內插隨后會在圖像中引起噪音和贗象(artifact)。如果在相關測試中包括靠近水平方向中的邊緣，則這一問題將趨重。這種情況的產生主要是因為差值的測量要跨越一個比圖像的最大細節還大的距離的事實。

發明內容
本發明的一個目的是增加畫面的清晰度(sharpness)。為實現上述目的，本發明提供一種如獨立權利要求所述的方法和設備，從屬權利要求描述了優選的實施方式。
有益地，可以減小由于內插引起的噪音和贗象。有益地，可通過邊緣方向相關的本身非線性的內插提供新的頻譜成分。
在第一軸上，由高通濾波器濾波低細節區域；在具有低細節的區域中，適用不同的內插方法。高通濾波的結果可以用于圖像的進一步處理。
為了減小與第一方向具有0度和45度角的邊緣的影響，沿第二軸，低通濾波器濾波高細節。此外，低通濾波器減小了前置濾波器的噪音敏感度。
前置濾波器的輸出是在第一軸線上具有增加細節和在第二軸線上具有減少細節的圖像。
由于前置濾波器的輸出只包含極少數具有不等于零值的像素，所以數字信號處理器可以用于進一步的處理，具體地，內插。通過檢測經前置濾波的圖像中的零交叉可以從前置濾波器的輸出中檢測空間邊緣。當連續像素的像素值快速地從負值變成正值或從正值變成負值時，可發現零交叉。
在檢測到邊緣之后，檢測邊緣的方向(角度)，然后沿檢測到的邊緣進行內插。
根據權利要求2，邊緣的角度對應于沿低通濾波的軸具有相似值的像素的條(bar)的長度。通過對像素超過或者低于一個可調閾值的像素數目進行計數，可計算出條的長度，此長度包含有關邊緣角度的信息。
并且，相鄰條的位置可用于確定邊緣的方向。根據權利要求3，根據零交義可計算出沿高通濾波的軸的相鄰行上的黑白條的低通濾波軸的極端(extreme)位置，并且可根據極端位置的距離來計算邊緣的角度。
具體地說，優選-1/4、+1/2、-1/4FIR高通濾波器和+1/3、+1/3、+1/3FIR低通濾波器。優選諸如水平軸線和垂直軸線的正交軸線。
進一步建議權利要求4所述的內插。從原始視頻圖像中，邊緣的方向可根據一個零交叉周圍的無變化(monotonous)區域上的像素數目來計算。通過結合上述兩種技術，有可能降低內插誤差。一般地，都是應用高通和低通濾波實現內插，但是在某些情況下此內插不精確，即，當具有不同邊緣的區域彼此接近時，就會出現具有不同邊緣的條假定來自同一個邊緣并且被連接的情況。在這種情況下，內插就不正確。最好從兩種內插選擇方法中選擇出和高通濾波軸最靠近的計算角度。
為了改善已解交織的視頻信號，建議了權利要求5所述的方法。具體地說，所述高通濾波器的結果可被用于確定邊緣的檢測。在這種情況下，根據本發明的內插將優于標準內插。通過指示一多路復用器或者一調節器(fader)在標準(例如運動矢量補償的)內插圖像和已經通過高通與低通濾波以及邊緣預測而被內插的圖像之間進行多路復用/衰落，可改善視頻信號中一些圖像的清晰度。上述對已經解交織的視頻信號的后處理改善了圖像質量。
本發明的優選使用可以針對MPEG編解碼系統，特別是那些不具有運動檢測的編解碼系統。另一優選應用針對使用掃描速率轉換的高端電視(High-EndTV)系統。
關于本發明的上述內容以及其它方面從下文的實施例中將是顯而易見的并且將結合這些實施例進行闡明。


在附圖中，圖1表示隔行掃描圖像中的像素矩陣；圖2圖示根據本發明的內插；和圖3圖示根據本發明的后處理。
具體實施例方式
圖2表示視頻信號輸入端口6、前置濾波電路8、內插角度檢測電路10、邊緣相關內插電路12以及視頻信號輸出端口14。
為了實現圖像寬高比轉換，即，當4∶3電視信號必須轉換成16∶9電視信號時，就必須在水平像素之間實現內插，以便在已存在的像素之間增加新的像素。為了獲得好的內插效果，應對內插的像素進行良好地預測并使其與實際圖像相匹配。
把逐行掃描電視信號提供給視頻信號輸入端口6。前置濾波電路8實現水平的空間高通濾波以及垂直的空間低通濾波。這些濾波器濾出了例如輸入視頻信號的亮度分量。因此，高通濾波被應用于其中需要新像素的方向，而低通濾波應用于另一個方向。如果圖2所示的設備用于產生附加行，則使用垂直高通濾波和水平低通濾波。如果本發明將用于例如首先在水平方向生成附加像素，并且隨后在垂直方向中生成附加行(上述順序當然可以被顛倒)，在第一內插步驟中，使用圖2所示的設備用于水平高通濾波與垂直低通濾波，并且在第二內插步驟中，圖2的設備用于水平低通濾波與垂直高通濾波。
通過沿垂直軸的高通濾波，可通過垂直方向中的高細節。在水平行的情況下，垂直空間頻率是高的。垂直行可利用不同的方法更好地被內插。因此，高通濾波器的輸出可以用于確定應使用不同內插的位置。
利用沿水平軸的低通濾波，降低了水平方向中的細節。這意味著垂直行并沒有通過低通濾波器。
在前置濾波之后，由角度檢測電路10檢測邊緣及其角度。首先，沿水平軸檢測零交叉，這些零交叉提供圖像中邊緣的信息。如果在一個水平行上至少有兩個正像素和兩個負像素相鄰，則檢測到零交叉。
在零交叉上，黑白條的長度反映出所需的內插角度。從零交叉點開始，檢測位于相鄰行之上與之下的正負條的極端水平位置。在不同行上的最右和最左位置之間的差值確定所要求的角度。
內插信息用于在邊緣相關內插電路12中內插原始視頻信號，該邊緣相關內插電路12的輸出被傳送給視頻輸出端口14。
除了圖2之外，圖3還示出判定電路16、多路復用器18以及運動補償解交織電路20。
在利用掃描速率轉換的高端電視中，邊緣相關內插將給出比運動相關內插更好的結果。通過結合上述兩種方法，可改善輸出視頻信號。
前置濾波電路8的輸出給出有關是否確實已經檢測到邊緣的信息。在確實檢測到邊緣的情況下，根據本發明的內插優于運動補償解交織電路20完成的運動補償的隔行掃描。在圖3所示的實施例中，前置濾波器8和邊緣相關內插器12只使用原始行，而不使用經運動補償解交織器20進行內插的行。
判定電路16判定是否確實檢測到了邊緣。在這種情況中，判定電路16的輸出指示多路復用器18(通過其控制輸入s)利用邊緣相關內插電路12的輸出信號。在所有其他的情況下，應利用來自運動補償解交織器20的內插信號。輸出信號顯示在顯示設備D上。
通過多路復用這兩種內插方法，視頻信號輸出端口14上的輸出視頻信號的質量有所改善。可使用調節器(軟切換)來代替多路復用器(硬切換)。
根據本發明的方法也可用于把標準分辨率按比例轉換成高分辨率。在這種情況下，根據本發明的內插首先在垂直域中實現，并且然后在水平域中實現。在視頻圖像中具有清楚邊緣的情況中，根據本發明的內插改善畫面的清晰度。
應注意上述實施例只是對本發明作出了說明，而不作為本發明的限定，并且本領域技術人員可以在不脫離后附權利要求書的范圍內設計許多供選擇的實施例。在權利要求書中，括號中的任何附圖標記并不應被作為權利要求的限定。字“包括”并不排除在權利要求中所列舉的元素或步驟之外的元素或步驟的存在；在元素之前的“一”并不排除多個這樣的元素的存在。本發明可以利用包括幾個不同元素的硬件以及利用經適當編程的計算機來實施。在列舉出幾種裝置的設備權利要求中，這些裝置之中的幾個可以利用同一個硬件來實施完成。在相互不同的從屬權利要求中描述某些手段的唯一事實并不表示不能把這些手段結合起來以產生有益效果。
附圖標記2圖像像素4內插的像素6視頻信號輸入端口8前置濾波電路10角度檢測電路12邊緣相關內插電路14視頻信號輸出端口16判定電路18多路復用器20運動補償解交織器D顯示設備
權利要求
1.空間內插輸入視頻圖像以便在第一方向中獲得在所述輸入視頻圖像的已存在像素之間的新像素的一種方法，該方法包括以下步驟通過在所述的第一方向中對所述輸入視頻圖像進行空間高通濾波以及在第二方向中對所述輸入視頻圖像進行空間低通濾波，前置濾波(8)所述輸入視頻圖像；根據所述前置濾波(8)的輸出，計算(10)所述輸入視頻圖像中邊緣的空間方向；以及沿所述邊緣的所述空間方向內插(12)所述新像素。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，通過對所述輸入視頻圖像中在所述低通濾波軸中定向的低于或高于一個閾值的像素的數目進行計數，根據所述前置濾波的所述輸出信號計算所述邊緣的所述空間方向。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，利用沿所述高通濾波軸的至少一個像素的偏移，通過分別沿所述低通濾波軸定位像素的第一零交叉、針對所述第一零交叉定位圍繞所述的第一零交叉對稱安排的至少兩個零交叉，從所述前置濾波的所述輸出信號中計算空間邊緣的所述方向。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于，計算所述經前置濾波圖像中一個零交叉周圍的無變化區域中像素的數目，利用所述像素的數目計算所述邊緣的方向，比較根據所述前置濾波計算的所述邊緣的所述空間方向和根據所述像素數目計算出的所述表源的所述空間方向，并判定邊緣的哪個方向最靠近所述軸之一。
5.如權利要求1所述的方法，其特征在于判定(16)是否檢測到一個邊緣方向；對輸入視頻信號解交織(20)，以提供逐行視頻信號；和根據邊緣檢測的判定(16)，在所述解交織(20)和所述內插(12)之間進行多路復用或衰落(18)。
6.用于空間內插輸入視頻圖像以便在第一方向中在所述輸入視頻圖像的已存在像素之間獲得新像素的一種設備，該設備包括前置濾波裝置(8)，用于通過在所述的第一方向中進行空間高通濾波和在第二方向中進行空間低通濾波；計算裝置(10)，用于根據所述前置濾波裝置(8)的輸出計算所述輸入視頻圖像中邊緣的方向；以及內插裝置(12)，用于沿所述計算的邊緣內插所述的新像素。
7.一種顯示設備，包括如權利要求6所述的內插設備(8，10，12)，用于產生內插圖像；和顯示裝置(D)，用于顯示所述內插圖像。
全文摘要
本發明涉及通過沿圖像邊緣內插來增加圖像分辨率的方法和設備。檢測圖像邊緣并計算其方向(10)，沿著邊緣的方向內插(12)新像素。根據本發明，使用前置濾波器(8)，在內插新像素的方向中高通濾波，并在另一個方向中低通濾波。
文檔編號H04N7/01GK1582458SQ02821784
公開日2005年2月16日 申請日期2002年10月18日 優先權日2001年11月1日
發明者G·德哈安, R·洛德 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司