專利名稱：改進的帶掃描線圖像處理器的圖像處理系統的制作方法
本申請是與第＿＿＿＿號題為“改進的采用掃描線圖象處理器的圖象處理”以及第＿＿＿＿號題為“數字顯示器清晰度控制”的美國專利申請同時遞交的。
本發明涉及顯示系統，尤其涉及對圖象信號采用數字處理的顯示系統。
目前大多數顯示系統都含有陰極射線管(CRT)顯示器，這種顯示器用掃描電子槍將電子“噴射”到顯示屏背面上的熒光粉。由于掃描電子槍的性質，廣播電視信號按隔行掃描的格式發送。每幀數據劃分為兩場，一場含有奇數行的幀，另一場含有偶數行的幀。
雖然某些技術已經在顯示器市場處于領先地位，然而，它們無法采用這種格式類型。其中一例就是空間光調制器，它通常由具有獨立可選擇單元的矩陣組成，在整個尋址電路中，通過訪問進行選擇。這些調制器的尋址電路一般按行和列組成，故要對所有奇數行或偶數行進行選擇則很難、很慢、而且成本較高。
現已研究了一些方法將這種數據格式改進為順序掃描格式，其中可形成整幀數據。這種格式通常是通過用前面各場估算失落場的像素數值，內插該失落場而形成的。然而，這種內插過程可能較昂貴，計算要求也較高，故使系統的性能要求和成本提高。
另一種必須考慮的適應性就是系統顯示不同制式輸入數據的能力。一般，在CRT系統中，輸入制式保留一種模擬輸入，而電子槍則調整到新的尺寸。至于陣列中的單個單元，有時候在圖象的像素與該單元之間存在一對一的對應關系。例如，一個具有480行，每行為640個像素的系統將需要一個擁有480行單元，每行為640個單元的裝置，不包括任何換算的可能性。
在這類系統中，輸入數據一般按等于每行尺寸之像素的比例數字化。每行640個像素將按每行640個取樣數字化。因此，處理器必須可調節不僅在單元數量固定的陣列中能顯示一種以上的制式，而且取樣速率能與任何給定的制式兼容。
圖象處理領域的一個新進展就是掃描線圖象處理器。這些處理器擁有幾方面的優點，可供解決上述問題。然而，這些處理器的第一代僅有極其有限的指令空間，在一個顯示系統中需要采用幾個處理器。較新幾代的處理器具有更多的指令空間，并且與前一代相比在價格上也具有競爭性。
因此，人們需要一種采用更新一代掃描線圖象處理器的系統，它采用盡可能最少的處理器，但仍然允許上述全部功能。
本發明的一個方面就是用于圖象數據的一種處理系統。該系統接收數據并按通常的速率對數據進行格式化或取樣。這將允許系統針對不同的輸入格式對數據進行格式化和處理。該系統僅僅依靠一個處理器來完成運動檢測、運動自適應掃描變換、水平和垂直換算以及清晰度控制。
該系統的一個優點在于它不需要額外的處理器，使其成本大大低于多處理器系統。
該系統進一步的優點在于，除了其它制式外，它還能處理新的制式，諸如PALplus。
該系統更進一步的優點在于，它允許采用復雜的FIR濾波器，而不超限現有的指令空間。
為了更加完全地了解本發明及其進一步的優點，現在結合附圖作更為詳盡的描述。其中

圖1表示一個用于圖象處理的系統結構的方框圖，它僅需一個掃描線圖象處理器。
圖2表示一例可以應用于圖象數據處理系統的運動自適應掃描速率變換過程。
圖3a至3d表示對輸入圖象信號制式的變形。
圖4a至4d表示必須按多種輸入圖象信號制式執行的處理功能的方框圖。
圖5表示可以應用于圖象數據處理系統的一類垂直換算的圖解表示。
圖6表示可以應用于圖象數據處理系統的一類水平換算的圖解表示。
圖1表示僅僅采用一個掃描線圖象處理器(SVP)12的用于圖象處理的一個完整的系統結構10。輸入亮度信號Y在場DL14和16經過兩次場的延遲。這些場延遲通常允許存取來自最前場和次最前場的數據。例如，如果將Y處的輸入場視為場2，在場DL14后，即在A點，該場將是最前場，場1。在場DL16后，即在B點，該場將是次最前場，場0。場2和場0其中具有相同編號的行，但取自不同圖象的幀。該附加的數據將用于數據的內插，下面將參照圖2討論。
必須注意輸入信號Y當其到達處理器12時，一般已經是數字形式了。這可以從模擬信號的數字化得到，如現時的廣播電視信號所碰到的。此外，信號也可以原來就是數字信號。圖1所示的系統將需要在空間光調制器或形成顯示圖象的其他調制器上能夠采用任何制式的數據。
因此，如果數據已由模擬輸入數字化，它必須以一種通用的速率取樣。如果數據已經數字化，它必須轉換成通用的速率或每行取樣數。這將參照圖3和圖4描述。圖5和圖6將討論換算通用速率信號使多種制式吻合的特定技術。所有這些功能都可以通過掃描線圖象處理器完成。本發明的優點在于，它允許這些功能由同一的處理器執行，由此減少硬件數量和系統成本。
圖2表示用于運動自適應順序掃描變換的一種可能的處理過程。該過程通常從隔行掃描的數據場內插“失落場”，同時計算各場之間的運動信號。混合電路30采用來自以下數據行的數據，其中，場3為輸入場來自場DL22的最前場場2；來自水平DL24和場DL26的次最前場場1中的相鄰行；以及來自頂部數據通道的運動信號k。該頂部數據通道最初利用輸入信號Y即場3與來自場1之鄰近行之間的一種比較，它具有相同編號的行。在標號32的運算或其它電路得到它們之間的差。
所形成的差分信號經過標號為34的水平低通濾波器HLPF1，并在ABS(絕對值)36得到絕對值。加上一個非線性函數NL38。該非線性函數形成一個閾值，以消除因噪聲產生的小的差分信號。它也將差分信號的分辨率減低到4位。比較器44判斷幾個數值中最大的數值由場DL40輸出的來自場0的數據；由水平延遲42a，42b，和42c輸出的從相鄰行至經過處理的行的數據；以及來自非線性函數32的4位信號。
然后，分別在VLPF1 46和HLPF2 48對該最大值進行垂直和水平濾波。非線性函數50與標號為38的非線性函數的相似之處在于它減少了信號噪聲。然后，所形成的運動信號k通過混合電路30，用于確定內插的輸出。
在完成該運動自適應掃描變換之后，一般須對該數據進行換算，使之與用以形成顯示圖象的空間光調制器的尺寸吻合。這將參照圖3a至3d以及圖4a至4d進行討論。圖3a至3d表示四種不同制式的圖解表示。圖3a表示必須為NTSC輸入進行換算和處理的圖解表示。
如圖3a所示，輸入的有源像素區域為720個樣點寬、480行長。每行720個取樣速率是前面討論的一例通用速率。為保持一個4∶3比例的矩形像素寬高比，必須從每行720個取樣點降低取樣到640個取樣點。然而，選擇720個取樣點使其成為9∶8的“整數”換算處理，而不是任何一種分數換算處理。這種變換無需任何垂直換算。
至于器件上的顯示，圖3a的左側表示該例中所用的器件具有848×480的尺寸。它允許顯示標準為640×480的NTSC。
圖4a以方框圖表示用于NTSC信號的處理流程。前置掃描(proscan)內插54、運動檢測52以及清晰度控制56這些處理塊在圖4所示的每個實施例中保持相同。亮度信號Y在前置掃描內插56之前經過運動檢測52，然后，在標號58處進行水平換算，最后在標號56處加強。色度信號C首先在標號60處經過水平換算，然后在標號54處進行前置掃描內插。
圖3b表示對稱為NTSC通道入口(letterbox)的一種制式進行類似的變換。輸入有源像素區域仍然為720個取樣點寬，但長度減少到360行，而不是480行。其余120行是每側60行的黑邊框。通過同時進行垂直和水平換算，這種類型的格式可以轉換為848×480。這種格式具有16∶9的寬高比，它將需要圖象從720個樣點水平換算到848個單元，從360行垂直換算到480單元行。換算因子水平為5∶6(720/848)，垂直為3∶4(360/480)。輸入中看到的水平黑邊框從最終圖象中剪切掉。
圖4b表示NTSC通道入口的處理功能。亮度信號再次經過運動檢測52、前置掃描內插54、以及標號62處的5∶6水平換算。色度信號經過標號64處的5∶6水平換算、標號54處的前置掃描，然后，與亮度信號一起進入垂直換算處理68。最后，亮度信號在標號56處加強。
可以將同類處理用于PAL制式信號。如圖3c所示，輸入數據具有720×576的尺寸。然而，對于這種顯示應用，只采用576行中的548行。它將水平方向按9∶8的比例并垂直方向按8∶7的比例縮小。該處理過程的方框圖示于圖4c。同樣的處理過程可以用標號70處對色度和亮度進行附加的8∶7垂直換算來替代。
在PAL制式方面，相對較新的進展是PALplus。PALplus與NTSC通道入口的相同之處在于，它將圖象信號保持在16∶9的寬高比。然而，需要產生16∶9圖象的信息已被水平壓縮在4∶3的寬高比范圍內。從圖3d可見，該圖象將必須進行水平和垂直換算，某些列將必須被剪切。水平上，該數據必須用5∶6的比例換算，從720列到864列。然后，必須剪切掉16列以適合該器件的848列。垂直上，548行必須按8∶7的比例換算，將其縮減到480行。采用該處理過程的方框圖示于圖4d，它用于處理色度和亮度信號。
用于換算的濾波器可能變得非常復雜并需要成百條指令。然而，由于該處理的有序以及仔細設計該指令順序，通過采用43兆赫的處理器時鐘，更新一代的SVP允許高達2730條指令。它允許采用非常先進和精密的濾波器進行換算，如圖5所示。
如圖所示為一個例子，用以討論作3∶4換算時的垂直換算系數。在該3∶4換算過程中，用3個行生成4個行。例如，用行X2，X3和X4生成Y0、Y1、Y2和Y3。通過應用所示系數與輸入數據行X0-X7的點積，可以找到輸出行Y0-Y4。例如，〔AB〕*〔XY〕＝AX+BY。下標數字表示從該副濾波器起產生系數。例如，Y01具有系數-3/512，13/512，492/512，13/512，和-3/512。這些都是從副濾波器1起產生的。濾波器按1，2，3，0，1…等等的順序施加。并注意當所用的副濾波器重復時，該系數也開始重復。
這里所用的濾波器為有限脈沖響應(FIR)濾波器，它可以在圖象質量與制造成本之間折衷選擇達到最佳。
最后，系統的單一處理器還必須能進行如前所述的水平換算。圖6示出了這一過程的圖解表示。結合輸入樣值產生輸出樣值如下Y1＝X1 Y2＝85/512X1+427/512X2 Y3＝171/512X2+341/512X3Y4＝1/2X3+1/2X4 Y5＝341/512X4+171/512X5Y6＝427/512X5+85/512X6 Y7＝X6該系統采用2608條指令執行所有上述功能，它約為可用的2730條指令空間的95％。先進的FIR濾波器以前未能應用于早期的SVP，因為它們要浪費指令空間量。通常，換算包括利用盡可能多的換算因子，這里，已對換算因子作了限制，不會犧牲系統的任何功能。最后，該系統具有能適合新的以及不同的制式的性能。在該系統中，以前未被考慮的PALplus制式也能很容易地使用。這是因為系統具有內在的適應性。以上，盡管是針對一種改進的以掃描線處理器為基礎的圖象系統的特定實施例進行描述的，但這些描述并非用來限制本發明的范圍，本發明的范圍由所附的權利要求書所確定。
權利要求
1.一種改進的圖象處理系統，包括按一種通常速率取樣的數字輸入；一個掃描線圖象處理器，其特征在于，所述處理器按所述通常速率接收所述數字輸入，并可操作完成運動檢測、運動自適應前置掃描內插、水平和垂直換算，并將清晰度控制施加到所述輸入。
2.如權利要求1所述的系統，其特征在于，所述通常速率為每行圖象輸入720個取樣。
3.如權利要求1所述的系統，其特征在于，所述垂直換算是利用有限脈沖響應濾波器進行的。
4.如權利要求1所述的系統，其特征在于，所述水平換算是利用有限脈沖響應濾波器進行的。
5.如權利要求1所述的系統，其特征在于，所述系統能夠接收和顯示多種廣播電視制式。
6.如權利要求1所述的系統，其特征在于，所述數字輸入為NTSC。
7.如權利要求1所述的系統，其特征在于，所述數字輸入為NTSC通道入口。
8.如權利要求1所述的系統，其特征在于，所述數字輸入為PAL。
9.如權利要求1所述的系統，其特征在于，所述數字輸入為PLAplus。
全文摘要
一種改進的用于圖象信號處理的處理系統(10)，該系統僅采用一個新一代的掃描線圖象處理器(12)達到將近為最大的效率，其中的數字輸入按通常的速率進行。該處理器完成運動檢測、運動自適應掃描變換、水平和垂直換算，能在有限量的指令空間內提供清晰度控制，并將這些功能提供給四種電視制式。
文檔編號H04N5/14GK1163531SQ9610964
公開日1997年10月29日 申請日期1996年8月26日 優先權日1996年8月26日
發明者T·A·克拉坦諾夫, 維沙爾·馬爾坎迪, 大原一浩 申請人:德克薩斯儀器股份有限公司