專利名稱：動(dòng)態(tài)對(duì)比度提高的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及視頻數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)對(duì)比度提高(“DCI”)。
背景技術(shù)：
在視頻顯示器中對(duì)圖像對(duì)比度有很強(qiáng)的需求，但是每種顯示器具有有限的動(dòng)態(tài)范圍。通常，通過簡(jiǎn)單增加圖像信號(hào)幅度，不能提高圖像對(duì)比度，因?yàn)槌^顯示動(dòng)態(tài)范圍會(huì)導(dǎo)致不良的后果。另外，像液晶顯示器(“LCD”)和等離子顯示器(“PDP”)的更新的平板顯示器可以具有比更傳統(tǒng)的陰極射線管(“CRT”)設(shè)計(jì)更小的動(dòng)態(tài)范圍。然而，根據(jù)圖像內(nèi)容有效使用顯示動(dòng)態(tài)范圍可以增加圖像對(duì)比度和質(zhì)量。如在由Akbayir(“Akbayir”)公開的美國(guó)專利號(hào)6285413 B1中公開了那種動(dòng)態(tài)對(duì)比度增強(qiáng)(“DCI”)，在此并入作為參考。
Akbayir示教對(duì)于最主觀的圖像質(zhì)量如何逐幀地分析圖像和如何根據(jù)分析結(jié)果來調(diào)整雙段傳遞函數(shù)的參數(shù)。圖1示出了由Akbayir公開的雙段傳遞函數(shù)的圖。對(duì)于每個(gè)圖像幀分析四個(gè)不同的特性圖像平均亮度、暗采樣分布、幀峰值、以及信噪比。該傳遞函數(shù)由具有自適應(yīng)支點(diǎn)的兩個(gè)段組成(對(duì)于暗采樣的較低段，和對(duì)于亮采樣的較高段)。信噪比適應(yīng)信號(hào)準(zhǔn)備(噪聲估計(jì)器不是DCI的一部分)，而圖像平均亮度、暗采樣分布和幀峰值控制傳遞函數(shù)。較低段的增益自適應(yīng)暗采樣分布。較高的增益導(dǎo)致較小數(shù)量的暗采樣，較低的增益導(dǎo)致較大數(shù)量的暗采樣。較低段的增益限制為下列范圍1.0≤Segment1_Gain≤Max_Gain1傳遞函數(shù)的較高段的增益自適應(yīng)幀峰值。計(jì)算該較高段的增益，從而低于額定值的檢測(cè)的峰值將變成額定峰值。如果所檢測(cè)的峰值等于或高于額定峰值，則使用1.0的增益(沒有變化)。隨后為了避免異常后果，將所計(jì)算的理論增益限定為最大值1.0≤Segment2_Gain≤Max_Gain2傳遞函數(shù)的第三個(gè)參數(shù)是支點(diǎn)。該支點(diǎn)自適應(yīng)為平均圖像亮度，并且使暗圖像變得更具有對(duì)比度并且亮。低平均亮度將支點(diǎn)移動(dòng)到低電平，高平均亮度將支點(diǎn)移動(dòng)到高電平。最小支點(diǎn)值大約為7 IRE，最大支點(diǎn)值大約為40 IRE，其中100 IRE(無線電工程學(xué)會(huì))亮度表示標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(hào)的白電平，0IRE亮度表示消隱電平。
Akbayir示教在垂直消隱時(shí)間內(nèi)計(jì)算DCI傳遞函數(shù)(請(qǐng)參考Akbayir，第8欄，第43-45行)。垂直消隱時(shí)間或垂直消隱間隔(“VBI”)是視頻CRT中的電子束從幀的末尾移動(dòng)到屏幕的頂部所需的時(shí)間。在基于軟件的視頻處理系統(tǒng)中，微處理器在VBI期間應(yīng)當(dāng)必須執(zhí)行許多操作。例如，可以使用電視信號(hào)的VBI部分(“VBI”信號(hào))來發(fā)送除了傳統(tǒng)節(jié)目視頻或音頻的信息，例如閉路字幕文本和股票市場(chǎng)數(shù)據(jù)。在VBI期間執(zhí)行DCI計(jì)算減少了微處理器必須接收和處理VBI信號(hào)和/或在VBI期間執(zhí)行其他操作的時(shí)間量。
本發(fā)明旨在克服這個(gè)問題。

發(fā)明內(nèi)容
一種用于視頻數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)對(duì)比度提高(“DCI”)的方法包括步驟分析視頻幀的一部分(200)；以及響應(yīng)所述視頻幀的所述部分(200)的分析結(jié)束，而強(qiáng)制開始DCI傳遞函數(shù)計(jì)算。


附圖中圖1是由Akbayir公開的美國(guó)專利號(hào)6285413 B1公開的雙段(dualsegment)傳遞函數(shù)的圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的DCI的示例性方法和裝置的頂層功能性方框圖；圖3是示例性分析窗口的圖解；圖4是圖2的示例性分析窗口塊的功能性方框圖；圖4a和圖4b是由示例性分析窗口塊產(chǎn)生的ANALYSISI_RESET和END_ANLY的示例性時(shí)序圖；圖5是示例性普通IIR過濾器和參數(shù)計(jì)算塊的查找表工具的功能性方框圖；以及圖6是示例性普通IIR過濾器和參數(shù)計(jì)算塊140的除法工具的功能性方框圖。
具體實(shí)施例方式
通過下列示例的方式給出的描述，本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)將變得更加明顯。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的DCI 100的示例性方法和裝置的頂層功能性方框圖。如圖2所示，DCI 100包括6個(gè)主要塊分析窗口塊110、自適應(yīng)信號(hào)分解塊120、圖像分析塊130、普通無限脈沖響應(yīng)(“IIR”)過濾器和參數(shù)計(jì)算塊140、雙段傳遞函數(shù)塊150、以及顏色飽和補(bǔ)償塊160。從由Akbayir公開的美國(guó)專利號(hào)6285413 B1中可以得知自適應(yīng)信號(hào)分解塊120、雙段傳遞函數(shù)塊150、以及顏色飽和補(bǔ)償塊160的適當(dāng)?shù)膶?shí)現(xiàn)。本發(fā)明包括傳統(tǒng)微處理器250(參考圖4)和適當(dāng)?shù)能浖?，如以下更詳?xì)的討論，該適當(dāng)?shù)能浖糜谔岣叻治龃翱趬K110、圖像分析塊130、以及參數(shù)計(jì)算塊140的功能性。為此，微處理器250(參考圖4)是一種執(zhí)行軟件的共享資源，這里用本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解的相應(yīng)的功能性方框圖和時(shí)序圖對(duì)微處理器進(jìn)行描述。然而，還要注意，這里使用方框圖/時(shí)序圖方式只是為了描述清楚，而且本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以以相應(yīng)的流程圖或其他合適的方式來替換描述軟件。
圖3是示例性分析窗口200的圖解。眾所周知，可以在沒有顯示整個(gè)圖像的應(yīng)用中用類似縮放和格式轉(zhuǎn)換來改變圖像格式。分析窗口200定義所顯示的圖像大小的一部分，用以DCI分析。在窗口200內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)DCI函數(shù)的分析，而在窗口200之外不能實(shí)現(xiàn)對(duì)DCI函數(shù)的分析。以這種方式，在子標(biāo)題和圖標(biāo)中也能夠使分析無法進(jìn)行。在本發(fā)明的示例性實(shí)施例中，微處理器250(參考圖4)在格式控制之后得到用于分析窗口200的用戶設(shè)置和顯示的圖像的大小，計(jì)算分析窗口200的大小，并且將窗口200的參數(shù)作為開始行、結(jié)束行、開始像素和結(jié)束像素寫入寄存器SLINE、ELINE、SPIXEL、和EPIXEL。將行和像素計(jì)數(shù)器與窗口200的參數(shù)進(jìn)行比較提供一種對(duì)于分析窗口200內(nèi)的采樣的使能信號(hào)。用與顯示圖像大小相關(guān)的偏量來定義分析窗口200的用戶設(shè)置。下列等式示出了用戶設(shè)置與相應(yīng)的像素與行數(shù)之間的關(guān)系SPIXEL＝LEFT_OFSEPIXEL＝PIXEL_PER_LIN-RIGHT_OFS-1SLINE＝TOP_OFSELINE＝LINE_PER_FIELD_BOTTOM_OFS-1LEFT_OFS 分析中忽略的圖像左邊的像素量RIGHT_OFS 分析中忽略的圖像右邊的像素量
TOP_OFS 分析中忽略的圖像頂部的像素量BOTTOM_OFS 分析中忽略的圖像底部的像素量圖4是圖2的示例性分析窗口塊110的功能性方框圖；圖4a和圖4b是由示例性分析窗口塊110產(chǎn)生的ANALYSIS_RESET和END_ANLY的示例性時(shí)序圖。本發(fā)明在不耗盡垂直消隱間隔的情況下對(duì)在執(zhí)行每幀DCI計(jì)算中使用的軟件寄存器進(jìn)行更新。這樣就允許微處理器250使用垂直消隱間隔來執(zhí)行其他必要的系統(tǒng)計(jì)算。這樣也使在提供DCI的視頻信號(hào)處理系統(tǒng)中使用的微處理器250具有較不復(fù)雜的功能。為了使微處理器250有更多時(shí)間來執(zhí)行其他計(jì)算，強(qiáng)制本發(fā)明使DCI寄存器的更新出現(xiàn)在信號(hào)END_ANLY與垂直消隱間隔之間。信號(hào)END_ANLY通過使用傳統(tǒng)中斷輸入來中斷微處理器250。執(zhí)行DCI計(jì)算，直到垂直消隱間隔開始，或在垂直消隱間隔開始之后不久。人們期望在垂直消隱間隔開始時(shí)結(jié)束DCI計(jì)算。然而，在ANALYSISI_RESET激活之前沒有什么強(qiáng)制計(jì)算結(jié)束。在ANALYSISI_RESET激活時(shí)，必須將新的DCI數(shù)據(jù)寫入DCI寄存器。如果不是所有的垂直消隱間隔執(zhí)行其他計(jì)算和控制，通過以這種方式強(qiáng)制DCI計(jì)算發(fā)生，微處理器250有大多數(shù)時(shí)間。由于每一幀在分析窗口200的末尾激活END_ANLY，則每一幀更新DCI寄存器。
為了進(jìn)行測(cè)試，也包括寄存器FREEZE_ANLY。它允許圖像分析的幀同步凍結(jié)，從而總是完成當(dāng)前處理的幀的分析，并且隨后不能進(jìn)行該分析。這將由ANALYSIS_RESET信號(hào)控制。ANALYSIS_RESET信號(hào)由微處理器250產(chǎn)生。在讀取分析結(jié)果之后的一段短時(shí)間(幾個(gè)時(shí)鐘周期)激活該ANALYSIS_RESET信號(hào)(設(shè)置為高)，并且將其再次設(shè)置為低。對(duì)于ANALYSIS_RESET信號(hào)沒有固定的時(shí)間點(diǎn)。然而，ANALYSIS_RESET在正常的范圍(即，基于幀，在讀取分析結(jié)果之后的垂直消隱時(shí)間內(nèi))內(nèi)有效(請(qǐng)參考圖4a和4b)。當(dāng)FREEZE_ANLY寄存器被設(shè)定為“開”時(shí)，凍結(jié)分析，并且ANLY_RESET信號(hào)無效(被設(shè)定為低)。只要寄存器“開”，則對(duì)于進(jìn)一步圖像處理，取出最近的分析結(jié)果。
分析窗口塊110也提供END_ANLY信號(hào)，用來暗示分析的結(jié)束。對(duì)于暗采樣分布計(jì)算所需的精確分析，必須檢查寄存器中的剩余數(shù)據(jù)，并且糾正結(jié)果。當(dāng)END_ANLY信號(hào)為高時(shí)，則可以執(zhí)行所需的操作，以便完成暗采樣分布分析。
圖5示出了示例性普通IIR過濾器和參數(shù)計(jì)算塊140的查找表工具300的功能性方框圖。圖像分析是對(duì)逐個(gè)幀(framewise)進(jìn)行的。因此，對(duì)于隔行掃描，圖像分析塊130(參考圖2)在第二場(chǎng)(請(qǐng)參考，例如圖4a中的END_ANLY信號(hào))的結(jié)尾提供分析結(jié)果。實(shí)際上，僅在分析窗口200內(nèi)部進(jìn)行分析(請(qǐng)參考圖3)。如果分析窗口200比有效圖像大小更小，通常就是這種情況，則初始看起來分析在分析窗口200就結(jié)束了。來自分析窗口塊110的END_ANLY信號(hào)(請(qǐng)參考圖4)就暗示這種情況。
圖像分析塊130(參考圖2)為每個(gè)幀提供有關(guān)平均亮度(AVRG_BR)、暗采樣分布(DRKS_DIST)、以及幀峰值(FR_PEAK)的信息。這些值用于確定下一幀所使用的傳遞函數(shù)的特性。用IIR過濾器對(duì)每一幀的所有這三個(gè)值進(jìn)行過濾。通過對(duì)于平均亮度的AB_ATT、AB_DEC，對(duì)于暗采樣分布的DS_ATT、DS_DEC，以及對(duì)于峰值的PK_ATT、PK_DEC的設(shè)置，來確定過濾的時(shí)間常數(shù)。對(duì)于過濾每個(gè)分析信息使用兩個(gè)時(shí)間常數(shù)設(shè)置允許獨(dú)立控制上升和下降時(shí)間(xx_ATT上升時(shí)間常數(shù)；和xx_DEC下降時(shí)間常數(shù))。
幀平均亮度確定雙段傳遞函數(shù)的支點(diǎn)。將該值限定到適當(dāng)?shù)姆秶?，并且隨后用IIR過濾器對(duì)該值進(jìn)行過濾。根據(jù)當(dāng)前和先前值，使用下降或上升時(shí)間常數(shù)來過濾。以5個(gè)分?jǐn)?shù)位的精度將過濾的值存儲(chǔ)在幀平均亮度寄存器AVRG_BR中。首先計(jì)算間隔支點(diǎn)值，TF_DPPI。這在較高段增益計(jì)算部分是必須的。該間隔支點(diǎn)值是無符號(hào)格式并包括3個(gè)分?jǐn)?shù)位。該間隔支點(diǎn)值必須匹配亮度(1uma)格式。最后支點(diǎn)值是通過將間隔值轉(zhuǎn)換成有符號(hào)格式并且舍去最低有效位(“LSB”)而獲得的。通過限制較低值用戶設(shè)置PP_LIM(如果期望)來減小支點(diǎn)的有效動(dòng)態(tài)范圍。
將來自幀峰值分析部分的峰值計(jì)數(shù)值相加，并且用因子2^N對(duì)其標(biāo)準(zhǔn)化。如果所有計(jì)數(shù)器PKCNT_00...PKCNT15都完全填滿，則結(jié)果是255。根據(jù)計(jì)數(shù)器狀態(tài)，標(biāo)準(zhǔn)化值在0與255之間。這個(gè)值的精度是8位。將最小峰值限制為185(對(duì)于8位亮度信號(hào)采用無符號(hào)格式)，以便將較高段的增益限制到期望的最大值。該最大峰值為240。確定較高段的增益，以便如果所檢測(cè)的峰值小于240，則將它拉伸到240。值55是最大峰值與最小峰值之間的差。將它與標(biāo)準(zhǔn)化峰值相乘。使用8位的移位操作，舍去分?jǐn)?shù)位。相對(duì)于最小值185，該結(jié)果是幀峰值。通過用戶設(shè)置AP_LIM(如果期望)來限制最小值，從而較高段的增益不超過預(yù)定最大值。如下定義最大增益，以便保持自然圖像質(zhì)量1.0≤GAIN_SEG2≤1.699
將所計(jì)算的相對(duì)峰值增加到最小值，以便獲得絕對(duì)幀峰值。在用IIR過濾器對(duì)該峰值過濾之后，根據(jù)當(dāng)前和先前的峰值，使用下降或上升時(shí)間常數(shù)進(jìn)行過濾。在幀峰值寄存器FR_PEAK中存儲(chǔ)帶有精度為5個(gè)分?jǐn)?shù)位的過濾值。如下列等式所給出的，通過過濾的峰值和支點(diǎn)位置來確定較高段增益GAIN_SEG2=Y100IRE-TF_DPPIFR_PEAK_FILT-TF_DPPI]]>其中GAIN_SEG2表示雙段傳遞函數(shù)的Segment-2增益；以及其中Y100IRE表示亮度信號(hào)100IRE值對(duì)于進(jìn)一步的計(jì)算，3個(gè)分?jǐn)?shù)位的精度是足夠的；因此可以舍去兩個(gè)LSB。從峰值中減去從平均亮度分析(它具有相同的格式和精度)傳遞的支點(diǎn)。這就是確定段增益的等式的分母。
段增益的計(jì)算包括用查找表350和乘法器400實(shí)現(xiàn)的除法器。查找表350包括計(jì)算結(jié)果1FR_PEAK_FILT-TF_DPPI,]]>它具有n位的精度，如下表所給出X＝FR_PEAK_FILT-TF_DPPIXmin＝FR_PEAK_FILTmin-TF_DPPImaxXmax＝FR_PEAK_FILTmax-TF_DPPIminROM_Address＝X-XminROM_Value=2nX]]>n分?jǐn)?shù)的位數(shù)對(duì)于 FR_PEAK_FILTmin＝185FR_PEAK_FILTmax＝240TF_DPPImin＝32 TF_DPPImax＝106


表1.查找表由下列公式給出大于支點(diǎn)的亮度信號(hào)的傳遞函數(shù)Yout＝gain_seg2*(Yin-TF_DPP)+TF_DPPYin＞TF_DPP其中Yout表示輸出亮度信號(hào)；和其中Yin表示輸入亮度信號(hào)將段增益分割成整數(shù)和分?jǐn)?shù)部分，其中整數(shù)部分總是1GAIN_SEG2＝GAIN_SEG2_INT+GAIN_SEG2_FRC＝1+GAIN_SEG2_FRCYout＝GAIN_SEG2_FRC*(Yin-TF_DPP)+YinYin＞TF_DPP僅使用分?jǐn)?shù)部分會(huì)節(jié)約一個(gè)位。因此，從所計(jì)算的增益中減去整數(shù)部分。將結(jié)果寫入寄存器GAIN_SEG2。
由于查找表進(jìn)行了1/x的近似，降低了值的精度，并且釋放了偏差79，以便作為查找表地址使用。
用查找表數(shù)據(jù)與相同等式的分子(Y100IRE-TF_DPPI)相乘，并且通過5位的移位操作將分?jǐn)?shù)位舍去。
幀暗采樣分布值確定較低段的增益。也以相同的方式來過濾其他參數(shù)，并且隨后通過舍去2LSB將其他參數(shù)轉(zhuǎn)換成期望的格式。
也以相同的方法來處理由外部裝置測(cè)量的DCI之外的信噪比，從而可以以已知的方式使用該信噪比來控制自適應(yīng)信號(hào)分解塊120中的核心值。
圖6是示例性普通IIR過濾器和參數(shù)計(jì)算塊140的除法工具600的功能性方框圖。除了用合適的分解塊650(例如以C語言編程的整數(shù)除法)代替查查找表350和復(fù)用器400(近似1/x)，除法工具600執(zhí)行與查找表工具300相同的操作。
因此，在操作中(用查找表工具300或除法工具600)，DCI 100產(chǎn)生信號(hào)END_ANLY來表示分析的結(jié)束，并且用END_ANLY來中斷微處理器，以便在分析數(shù)據(jù)可獲得時(shí)就讀取該分析數(shù)據(jù)。根據(jù)分析窗口200的大小，分析的結(jié)束比垂直消隱間隔的開始容易得多。結(jié)果，微處理器在有效視頻期間(而不是在垂直消隱間隔期間)執(zhí)行DCI計(jì)算，并且僅需要在垂直消隱期間將結(jié)果寫入雙段傳遞函數(shù)的段寄存器。之后，在垂直消隱時(shí)間期間，為其他任務(wù)將微處理器可靠地釋放出來。另外，用軟件實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的DCI算法考慮到將來僅通過重新編程對(duì)該算法的調(diào)整，反之，典型地需要重新配置基于硬件的處理系統(tǒng)的步驟則更昂貴和更復(fù)雜。
權(quán)利要求
1.一種用于視頻數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)對(duì)比度提高的方法，包括步驟分析視頻幀的一部分(200)；以及響應(yīng)所述視頻幀的所述部分(200)的分析結(jié)束，而強(qiáng)制開始動(dòng)態(tài)對(duì)比度提高傳遞函數(shù)計(jì)算。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中強(qiáng)制步驟包括向微處理器(250)提供中斷信號(hào)。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，還包括步驟在接收所述視頻幀期間，結(jié)束所述動(dòng)態(tài)對(duì)比度提高傳遞函數(shù)計(jì)算；以及在接收所述視頻幀之后的垂直消隱間隔期間，將所述DCI傳遞函數(shù)計(jì)算的結(jié)果寫入寄存器。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，還包括步驟在接收隔行掃描視頻幀的第一場(chǎng)之后，將復(fù)位信號(hào)維持在去活狀態(tài)；以及在接收所述隔行掃描視頻幀的第二場(chǎng)之后，激活所述復(fù)位信號(hào)。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括步驟在接收所述視頻幀期間，結(jié)束所述DCI傳遞函數(shù)計(jì)算；以及在接收所述視頻幀之后的垂直消隱間隔期間，將所述DCI傳遞函數(shù)計(jì)算的結(jié)果寫入寄存器。
6.一種用于視頻數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)對(duì)比度提高的方法，包括步驟接收表示視頻幀的數(shù)據(jù)；對(duì)于圖像平均亮度值和暗采樣分布值，分析由分析窗口(200)定義的所述數(shù)據(jù)的至少一部分，所述數(shù)據(jù)表示視頻幀；根據(jù)所述圖像平均亮度值和暗采樣分布值，調(diào)整雙段傳遞函數(shù)的參數(shù)，所述雙段傳遞函數(shù)具有較低段、較高段、以及用于分離所述較低段和所述較高段的自適應(yīng)支點(diǎn)；以及響應(yīng)分析步驟的結(jié)束，觸發(fā)調(diào)整步驟的開始。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中調(diào)整步驟包括響應(yīng)所述圖像平均亮度值而移動(dòng)所述自適應(yīng)支點(diǎn)，以及響應(yīng)所述暗采樣分布值而調(diào)整所述較低段的增益。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中觸發(fā)步驟包括向微處理器(250)提供中斷信號(hào)。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中觸發(fā)步驟在接收步驟結(jié)束之前結(jié)束。
10.如權(quán)利要求6所述的方法，其中觸發(fā)步驟包括向微處理器(250)提供中斷信號(hào)。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中觸發(fā)步驟在接收步驟結(jié)束之前結(jié)束。
全文摘要
一種用于視頻數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)對(duì)比度提高(DCI)的方法，該方法包括步驟分析視頻幀的一部分(200)；以及響應(yīng)所述視頻幀的所述部分(200)的分析結(jié)束，而強(qiáng)制開始DCI傳遞函數(shù)計(jì)算。
文檔編號(hào)H04N5/20GK1575586SQ02821253
公開日2005年2月2日 申請(qǐng)日期2002年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月1日
發(fā)明者保羅·D·菲利曼, 托馬斯·E·霍蘭德 申請(qǐng)人:湯姆森特許公司