專利名稱：數(shù)字圖像處理的制作方法
數(shù)字圖像處理發(fā)明領(lǐng)域
本發(fā)明涉及圖像的重采樣。
發(fā)明背景
圖像顯示格式的日益增加的多樣性引發(fā)了對于圖像從一種采樣結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換到另一 種采樣結(jié)構(gòu)的巨大興趣。特別是“高清”(HD)電視格式(即，垂直空間采樣頻率是每圖片高 度(picture height) 1，000個樣本的級別的格式)的越來越多的使用導(dǎo)致了可在HD和標(biāo) 清(SD)格式兩者上操作的制造設(shè)備的開發(fā)。在一些設(shè)備中，處理是以一個特定的高分辨采 樣結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的，利用用于處理的結(jié)構(gòu)或者以不同的采樣結(jié)構(gòu)，輸入可被接收到，輸出可被 傳送。
在這樣的設(shè)備圖像中，圖像可能需要在處理之前或之后轉(zhuǎn)換到較高速率或較低速 率?，F(xiàn)在常見的是需要兩個補(bǔ)充的轉(zhuǎn)換一個是從輸入采樣結(jié)構(gòu)到處理結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換；另一 個是從處理結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換回初始的輸入結(jié)構(gòu)。非常期望這些轉(zhuǎn)換對于用戶來說是明顯的，且 如果處理結(jié)構(gòu)在所有維度上都具有較高的采樣頻率，則級聯(lián)的上采樣和下采樣可以是精確 (mathematically)透明的。
一般地，來自鄰接的樣本位置的輸入樣本值被組合為濾波器孔徑(aperture)中 的加權(quán)和，以便在輸入樣本位置之外的位置獲得新的樣本值。濾波器可具有若干“相位”以 使得不同的權(quán)重用于獲取對于與輸入樣本位置具有不同空間關(guān)系的樣本地點(diǎn)的新的值。濾 波器通常是一維的，以使得濾波器孔徑包括一組水平連續(xù)樣本或一組垂直連續(xù)樣本。但是， 二維或三維濾波器也是公知的，其中濾波器孔徑包括二維圖像區(qū)域中的一組樣本，或來自 在不同時(shí)間采樣的圖像的一組二維區(qū)域。
在多標(biāo)準(zhǔn)視頻處理系統(tǒng)中，希望互補(bǔ)的上轉(zhuǎn)換濾波器和下轉(zhuǎn)換濾波器可以相似水 平的復(fù)雜度——即孔徑大小和系數(shù)大小——使用。對稱濾波器易于實(shí)現(xiàn)。兩種類型的濾波 器應(yīng)具有高的阻帶衰減，以便減少混疊；并且，這些特征應(yīng)與可逆性的性質(zhì)相結(jié)合。需要這 樣的濾波器，用于在每行720、960和1280個樣本的一般使用的水平樣本結(jié)構(gòu)與每個圖片 480、486、576、720和1080行的垂直采樣結(jié)構(gòu)之間的轉(zhuǎn)換。在這些轉(zhuǎn)換中，可能需要輸入采 樣網(wǎng)格和輸出采樣網(wǎng)格的相對相位偏移，以便防止在轉(zhuǎn)換時(shí)圖像中心位置的移動。
美國專利6，760，379 (Werner)——其通過引用并入本文——描述了在給出線性上 轉(zhuǎn)換濾波器時(shí)可如何獲得互補(bǔ)的下轉(zhuǎn)換濾波器，以使得兩個互補(bǔ)的過程的級聯(lián)精確透明。 查看在該先前專利中示出的示例性濾波器是有用的，以便清楚理解本發(fā)明提供的改進(jìn)。


圖1示出了依照濾波器的相互可逆對的系數(shù)為3:4的上轉(zhuǎn)換，后跟隨以系數(shù)為4:3 的下轉(zhuǎn)換。低分辨率樣本Ltl到L4的組被上轉(zhuǎn)換到高分辨率樣本Htl到H5的(更多數(shù)量的) 組，其然后被下轉(zhuǎn)換到低分辨率樣本L'。到L' 4。上轉(zhuǎn)換濾波器是雙線性內(nèi)插器，而下轉(zhuǎn) 換濾波器是Werner的專利中所描述的“取消雙線性(imdo-bil) ”濾波器。
在圖1中濾波器系數(shù)由箭頭示出。根據(jù)Werner的記錄，上轉(zhuǎn)換濾波器系數(shù)由g(x) 表示，下轉(zhuǎn)換濾波器系數(shù)由h (χ)表示，其中χ是輸入樣本和輸出樣本之間的相位偏移，其被 表示為以包括這兩組樣本的中間采樣網(wǎng)格的間距為單位。在該圖中，每個下轉(zhuǎn)換濾波器系數(shù)僅被示出一次，但是上轉(zhuǎn)換濾波器系數(shù)是對于對所示出的下轉(zhuǎn)換系數(shù)有貢獻(xiàn)的任何樣本 有貢獻(xiàn)的所有樣本而示出的。
圖1的濾波器的系數(shù)在圖2中以濾波器孔徑函數(shù)的形式被示出。濾波器孔徑00) 對應(yīng)于雙線性上轉(zhuǎn)換濾波器g(x)，濾波器孔徑對應(yīng)于濾波器h(x)，其是Werner的專 利中所描述的“取消雙線性”濾波器。
從圖1和圖2中可見，下轉(zhuǎn)換“取消雙線性”濾波器是不對稱的。先前的專利描述 了這種不對稱濾波器可如何通過將濾波器孔徑函數(shù)與孔徑函數(shù)的鏡像反轉(zhuǎn)形式進(jìn)行平均， 以在不喪失可逆性的情況下轉(zhuǎn)換為對稱濾波器。圖3示出了與圖1相同的上轉(zhuǎn)換過程和下 轉(zhuǎn)換過程，只是使用從“取消雙線性”濾波器獲得的對稱下轉(zhuǎn)換濾波器。(注意到在圖3中 沒有示出零濾波器系數(shù)。)對應(yīng)的下轉(zhuǎn)換濾波器孔徑是圖4中示出的函數(shù)01)。
可從圖3所示出的系數(shù)值驗(yàn)證下轉(zhuǎn)換樣本L'。到L' 2的組與初始的樣本Ltl到 L2相同；即，上轉(zhuǎn)換被透明反轉(zhuǎn)
L0 = IXH0 = IXL0
L1= [-1/6 X H0]+ [2/3 X H1]+ [IX H2]-[2/3 X H3]+ [1/6 X H4]
= -1/6 X L0
+2/3 X (1/4 X L0+3/4 X L1)
IX (1/2X1^+1/2X1^)
-2/3 X (3/4 X L2+l/4 X L3)
+1/6 X (L3)
= [-1/6XL0+1/6XL0]
+[1/2 X “+1/2 X L1]
+[1/2XL2-1/2XL2]
+[-I/6XL3+I/6XL3]
= L1
類似地，對L' 2的貢獻(xiàn)成分是對L'工的貢獻(xiàn)成分的鏡像，因此L' 2等于L2。
并且，通過與用于獲得L' 0,L'工和！^ 2的那些貢獻(xiàn)成分相似的貢獻(xiàn)成分，獲得 所有的其他下轉(zhuǎn)換樣本。
Werner專利描述了第二對被稱為‘高清’和‘取消高清’的互補(bǔ)的上轉(zhuǎn)換濾波器和 下轉(zhuǎn)換濾波器，其中上轉(zhuǎn)換具有與雙線性上轉(zhuǎn)換相比改進(jìn)了的頻率響應(yīng)。這些先前技術(shù)的 濾波器的孔徑函數(shù)在圖5中示出，其中上轉(zhuǎn)換孔徑被表示為(50)，且下轉(zhuǎn)換孔徑被表示為 (51)。
注意到該圖僅示出了包含最大系數(shù)的下轉(zhuǎn)換濾波器孔徑(51)的中心部分；全孔 徑延伸覆蓋處于-8到+20范圍內(nèi)的χ值。全孔徑的系數(shù)在表4中給出，其還包括本說明書 中所描述的所有下轉(zhuǎn)換孔徑。(表3列出了本說明書中所描述的所有上轉(zhuǎn)換孔徑的系數(shù)。) 用與上述相同的方法可使下轉(zhuǎn)換濾波器孔徑(51)對稱，且結(jié)果所得到的濾波器孔徑在圖6 中被示出為孔徑(61)。再次地，只有孔徑的中心部分在圖中示出，全孔徑從-20延伸到+20。 可以看到互補(bǔ)的下轉(zhuǎn)換濾波器孔徑(51)和(61)比相應(yīng)的上轉(zhuǎn)換濾波器孔徑(50)(也示出 為(60))寬得多。
測試這些現(xiàn)有技術(shù)的濾波器的頻率響應(yīng)是有用的，且它們在圖7到10中示出。通過將相關(guān)的濾波器孔徑以公知的方式從時(shí)域轉(zhuǎn)換到頻域，計(jì)算該響應(yīng)，當(dāng)然，其是各個濾波 器脈沖響應(yīng)。
圖7到10的頻率刻度在單位上是包含較低采樣頻率和較高采樣頻率兩者的理論 上的采樣網(wǎng)格的頻率的12倍；S卩，較低采樣頻率(flOT)對應(yīng)于三個單位，而較高采樣頻率 (fhigh)對應(yīng)于四個單位。該圖示出了響應(yīng)的幅度；但是對于對稱的濾波器，響應(yīng)總是為實(shí)數(shù) (即，其虛數(shù)部分為零)，相位反轉(zhuǎn)響應(yīng)被示出為具有負(fù)的幅度。
圖7示出了 Werner專利的‘取消雙線性’下轉(zhuǎn)換濾波器的響應(yīng)(71)；以及，雙線性 上轉(zhuǎn)換濾波器的響應(yīng)(70)。
圖8示出了通過Werner的專利中所描述的方法從‘取消雙線性’下轉(zhuǎn)換獲得的對 稱濾波器的響應(yīng)(81)；以及雙線性上轉(zhuǎn)換濾波器的響應(yīng)(80)(等于響應(yīng)(70))。
圖9示出了 Wferner專利的‘取消高清’下轉(zhuǎn)換濾波器的響應(yīng)(91)；以及^ferner的 專利中還描述的‘高清的’上轉(zhuǎn)換濾波器的響應(yīng)(90)。
圖10示出了通過Werner的專利中所描述的方法從‘取消高清’下轉(zhuǎn)換濾波器獲得 的對稱濾波器的響應(yīng)(101)；以及‘高清的’上轉(zhuǎn)換濾波器的響應(yīng)(100)(等于響應(yīng)(90))。
可以看到這些現(xiàn)有技術(shù)的下轉(zhuǎn)換濾波器的頻率響應(yīng)沒有到最佳狀態(tài)。它們都具有 少量的阻帶衰減(在1. 5頻率單位以上)；特別地，在較低的采樣頻率上有顯著的響應(yīng) (3頻率單位)。處于這個頻率的任何信號能量都可能與DC混疊。這個混疊可能在對先前 未被進(jìn)行上轉(zhuǎn)換的材料進(jìn)行下轉(zhuǎn)換時(shí)尤其帶來麻煩。還可看到?jīng)]有一個濾波器通帶是特別 平的。
圖1到圖6中示出的上轉(zhuǎn)換濾波器和下轉(zhuǎn)換濾波器是Werner專利描述為 “Nyquist”濾波器的濾波器，對于該“Nyquist”濾波器的輸出樣本的正則子集等于輸入樣 本。這個子集中的樣本通過復(fù)制各個空間對齊的濾波器輸入樣本的值而形成。例如，在圖1 中，上轉(zhuǎn)換濾波器g(x)和下轉(zhuǎn)換濾波器h(x)兩者都給出了當(dāng)輸入與輸出相位的相位偏移 χ是零時(shí)由其各個輸入復(fù)制的輸出。
發(fā)明概述
本發(fā)明在于用于數(shù)字圖像處理的方法和裝置的一個方面，其中，處于較低采樣頻 率的第一圖像數(shù)據(jù)在上采樣濾波器中被上采樣到較高的采樣頻率；以及，處于所述較高采 樣頻率的第二圖像數(shù)據(jù)在下采樣濾波器中被下采樣到所述較低采樣頻率，其中上采樣濾波 器和下采樣濾波器的組合實(shí)質(zhì)上是透明的，其特征在于每個被濾波的樣本由至少兩個輸入 樣本的加權(quán)和形成。
適當(dāng)?shù)?，所述第一圖像數(shù)據(jù)和第二圖像數(shù)據(jù)的至少部分代表相同的描述對象。
有益地，所述上轉(zhuǎn)換濾波器的響應(yīng)的幅度和所述下轉(zhuǎn)換濾波器響應(yīng)的幅度實(shí)質(zhì)上 等于所述較低采樣頻率的一半的頻率處的幅度。
在優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述上轉(zhuǎn)換濾波器的頻率響應(yīng)和所述下轉(zhuǎn)換濾波器的頻率 響應(yīng)實(shí)質(zhì)上相同。
而且，由于上采樣濾波器和下采樣濾波器的組合引起的重建誤差小于所述數(shù)字圖 像處理的一個最低有效位。
本發(fā)明在于數(shù)字圖像處理的方法的另一個方面，其中，處于較低采樣頻率的第一 圖像數(shù)據(jù)在上采樣濾波器中以N M的采樣比被上采樣到較高的采樣頻率；而且，處于所述較高采樣頻率的第二圖像數(shù)據(jù)在下采樣濾波器中以MN的采樣比被下采樣到所述較低采 樣頻率，其中上采樣濾波器和下采樣濾波器的組合實(shí)質(zhì)上是透明的，其特征在于每個被濾 波的樣本由至少兩個輸入樣本的加權(quán)和形成，其中N和M是整數(shù)，其中1 < N < M，且其中M 不是N的倍數(shù)。
優(yōu)選地，從由上采樣濾波器和下采樣濾波器的組合引起的重建誤差小于所述數(shù)字 圖像處理的一個最低有效位的意義上說，上采樣濾波器和下采樣濾波器的組合實(shí)質(zhì)上是透 明的。
本發(fā)明在于數(shù)字圖像處理的方法的另一個方面，用于實(shí)現(xiàn)對于采樣率比為N M 的上轉(zhuǎn)換(其中N和M是整數(shù))和隨后的M N的下轉(zhuǎn)換的透明級聯(lián)，其中上轉(zhuǎn)換比N M 和下轉(zhuǎn)換比M N分別是有理數(shù)，且整數(shù)N和M滿足條件1 <N<M，其中上轉(zhuǎn)換濾波器對 采樣的信號Sinput進(jìn)行操作，且選擇采用‘(η) =Σ Sinput (k).g (Nn-Mk)的形式，其中該求和 基于變動的整數(shù)k而進(jìn)行，且其中相應(yīng)的下轉(zhuǎn)換濾波器對上轉(zhuǎn)換信號Sup進(jìn)行操作，且選擇 采用&。 (η) =Σ Sup(k).h(Mn-Nk)的形式；上轉(zhuǎn)換濾波器和下轉(zhuǎn)換濾波器對(g，h)被選擇 為使得當(dāng)η = m時(shí)Σ h (Mn-Nk). g (Nk-Mm)等于歸一值(unity)，否則等于零，且其中每個被 濾波器的樣本由至少兩個輸入樣本的加權(quán)和形成。
本發(fā)明在于數(shù)字圖像處理的方法的另一個方面，用于實(shí)現(xiàn)對于采樣率比為N M 的上轉(zhuǎn)換(其中N和M是整數(shù))和隨后的M N下轉(zhuǎn)換的透明級聯(lián)，其中上轉(zhuǎn)換比N M 和下轉(zhuǎn)換比M N分別是有理數(shù)，且整數(shù)N和M滿足條件1 <N<M，其中上轉(zhuǎn)換濾波器對 采樣的信號Sinput進(jìn)行操作，且選擇采用‘(η) =Σ Sinput (k).g (Nn-Mk)的形式，其中該求和 基于變動的整數(shù)k而進(jìn)行，且其中相應(yīng)的下轉(zhuǎn)換濾波器對上轉(zhuǎn)換信號Sup進(jìn)行操作，且選擇 采用&。 (η) =Σ Sup(k).h(Mn-Nk)的形式；上轉(zhuǎn)換濾波器和下轉(zhuǎn)換濾波器對(g，h)被選擇 為使得當(dāng)η = m時(shí)Σ h (Mn-Nk). g (Nk-Mm)等于歸一值，否則等于零，且其中上轉(zhuǎn)換濾波器的 頻率響應(yīng)實(shí)質(zhì)上與下轉(zhuǎn)換濾波器的頻率響應(yīng)相同。
本發(fā)明在于數(shù)字圖像處理的方法的另一個方面，用于實(shí)現(xiàn)對于采樣率比為N M 的上轉(zhuǎn)換(其中N和M是整數(shù))和隨后的M N下轉(zhuǎn)換的透明級聯(lián)，其中上轉(zhuǎn)換比N M和 下轉(zhuǎn)換比M N分別是有理數(shù)，且整數(shù)N和M滿足條件1<N<M，其中上轉(zhuǎn)換濾波器對采 樣的信號Sinput進(jìn)行操作，且選擇采用‘(η) =Σ Sinput (k).g (Nn-Mk)的形式，其中該求和基 于變動的整數(shù)k而進(jìn)行，且其中相應(yīng)的下轉(zhuǎn)換濾波器對上轉(zhuǎn)換信號Sup進(jìn)行操作，且選擇采 用&。wn(n) =Σ Sup(k).h(Mn-Nk)的形式；上轉(zhuǎn)換濾波器和下轉(zhuǎn)換濾波器對(g，h)被選擇為 使得當(dāng)η = m時(shí)Σ h (Mn-Nk). g (Nk-Mm)等于歸一值，否則等于零，且其中處于采樣信號Sinput 的采樣頻率處的下轉(zhuǎn)換器的頻率響應(yīng)小于DC處的頻率響應(yīng)的10%，優(yōu)選地小于DC處的頻 率響應(yīng)的5%，更優(yōu)選地小于DC處的頻率響應(yīng)的1%。
本發(fā)明在于數(shù)字圖像處理的方法的另一個方面，其中，處于較低采樣頻率的第一 圖像數(shù)據(jù)在上采樣濾波器中以N M的采樣比被上采樣到較高的采樣頻率；以及，處于所述 較高采樣頻率的第二圖像數(shù)據(jù)在下采樣濾波器中以MN的采樣比被下采樣到所述較低采 樣頻率，其中上采樣濾波器和下采樣濾波器的組合，其中N和M是整數(shù)，其中1 <N<M，且 其中M不是N的倍數(shù)，其中頻率響應(yīng)被最優(yōu)化，以最小化由于上采樣濾波器和下采樣濾波器 的組合而引起的重建誤差，且其中上采樣濾波器的濾波器孔徑和下采樣濾波器的濾波器孔 徑兩者中的每個都由所述最優(yōu)的頻率響應(yīng)來構(gòu)造。7
優(yōu)選地，在所述最優(yōu)的頻率響應(yīng)中，處于較低采樣頻率的響應(yīng)小于DC處的頻率響 應(yīng)的10%，優(yōu)選地小于DC處的頻率響應(yīng)的5%，更優(yōu)選地小于DC處的頻率響應(yīng)的1 %。
適當(dāng)?shù)?，從重建誤差小于所述數(shù)字圖像處理的一個最低有效位的意義上說，重建誤差被最小化。
本發(fā)明在于數(shù)字圖像處理的方法的另一個方面，其中，處于較低采樣頻率的第一 圖像數(shù)據(jù)在上采樣濾波器中以N M的采樣比被上采樣到較高的采樣頻率；而且，處于所述 較高采樣頻率的第二圖像數(shù)據(jù)在下采樣濾波器中以MN的采樣比被下采樣到所述較低采 樣頻率，其中上采樣濾波器和下采樣濾波器的組合實(shí)質(zhì)上是透明的，其特征在于其中N和M 是整數(shù)，其中1 < N < M，其中M不是N的倍數(shù)，且其中處于較低采樣頻率的下轉(zhuǎn)換器的頻率 響應(yīng)小于DC處的頻率響應(yīng)的10%，優(yōu)選地小于DC處的頻率響應(yīng)的5%，更優(yōu)選地小于DC 處的頻率響應(yīng)的1%。
附圖的簡要描述
圖1示出了使用非對稱的下轉(zhuǎn)換濾波器的現(xiàn)有技術(shù)的透明上轉(zhuǎn)換過程和下轉(zhuǎn)換 過程的表示。
圖2示出了圖1的現(xiàn)有技術(shù)過程的濾波器孔徑函數(shù)。
圖3示出了使用對稱的下轉(zhuǎn)換濾波器的現(xiàn)有技術(shù)的透明上轉(zhuǎn)換過程和下轉(zhuǎn)換過 程的表示。
圖4示出了圖3的現(xiàn)有技術(shù)過程的濾波器孔徑函數(shù)。
圖5示出了使用非對稱的下轉(zhuǎn)換濾波器的可選的現(xiàn)有技術(shù)的透明上轉(zhuǎn)換和下轉(zhuǎn) 換的濾波器孔徑函數(shù)。
圖6示出了使用對稱的下轉(zhuǎn)換濾波器的可選的現(xiàn)有技術(shù)的透明上轉(zhuǎn)換和下轉(zhuǎn)換 的濾波器孔徑函數(shù)。
圖7示出了圖2濾波器孔徑函數(shù)的頻率響應(yīng)。
圖8示出了圖4濾波器孔徑函數(shù)的頻率響應(yīng)。
圖9示出了圖5濾波器孔徑函數(shù)的頻率響應(yīng)。
圖10示出了圖6濾波器孔徑函數(shù)的頻率響應(yīng)。
圖11示出了使用改進(jìn)的下轉(zhuǎn)換濾波器的透明上轉(zhuǎn)換和下轉(zhuǎn)換的濾波器孔徑函數(shù)。
圖12示出了使用圖11的濾波器的上轉(zhuǎn)換和下轉(zhuǎn)換過程的表示。
圖13示出了圖11濾波器孔徑函數(shù)的頻率響應(yīng)。
圖14示出了使用在三個頻率單位處具有空響應(yīng)的改進(jìn)的下轉(zhuǎn)換濾波器的透明上 轉(zhuǎn)換和下轉(zhuǎn)換過程的濾波器孔徑函數(shù)。
圖15示出了圖14濾波器孔徑函數(shù)的頻率響應(yīng)。
圖16示出了使用可選的上轉(zhuǎn)換濾波器和改進(jìn)的下轉(zhuǎn)換濾波器的透明上轉(zhuǎn)換和下 轉(zhuǎn)換的濾波器孔徑函數(shù)。
圖17示出了圖16濾波器孔徑函數(shù)的頻率響應(yīng)。
圖18示出了使用可選的上轉(zhuǎn)換濾波器和在三個頻率單位處具有空響應(yīng)的改進(jìn)的 下轉(zhuǎn)換濾波器的透明上轉(zhuǎn)換和下轉(zhuǎn)換過程的濾波器孔徑函數(shù)。
圖19示出了圖18濾波器孔徑函數(shù)的頻率響應(yīng)。
圖20a至20d示出了依照本發(fā)明的實(shí)施方式的上轉(zhuǎn)換過程的相位的表示。
圖21a至21c示出了依照本發(fā)明的實(shí)施方式的下轉(zhuǎn)換過程的相位的表示。
圖22示出了依照本發(fā)明的實(shí)施方式的示例性上轉(zhuǎn)換和下轉(zhuǎn)換濾波器孔徑。
圖23示出了圖22和圖M的濾波器孔徑函數(shù)的頻率響應(yīng)。
圖M示出了依照本發(fā)明的可選的實(shí)施方式的示例性上轉(zhuǎn)換和下轉(zhuǎn)換濾波器孔 徑。
本發(fā)明的詳細(xì)描述
Werner專利闡明了，當(dāng)需要設(shè)計(jì)其中下轉(zhuǎn)換濾波器響應(yīng)反轉(zhuǎn)所給出的上轉(zhuǎn)換濾波 器響應(yīng)的透明上轉(zhuǎn)換和下轉(zhuǎn)換過程時(shí)，上轉(zhuǎn)換濾波器g(x)的系數(shù)和下轉(zhuǎn)換濾波器h(x)的 系數(shù)不能獨(dú)立選取?，F(xiàn)有的專利繼續(xù)闡述，對于給出的g(x)的系數(shù)，可逆性的數(shù)學(xué)定義導(dǎo) 致了 h(x)的系數(shù)的線性方程組。
本發(fā)明的發(fā)明者意識到這個方程組代表了下定義問題(即，存在的方程比的未知 的方程多)且因此設(shè)計(jì)者有很多可能的下轉(zhuǎn)換濾波器的選擇。如以上所解釋，圖3和圖4 中所示出的現(xiàn)有技術(shù)濾波器孔徑Gl)反轉(zhuǎn)雙線性上轉(zhuǎn)換濾波器(如圖4中所示出00))。 但是，也存在透明反轉(zhuǎn)該上轉(zhuǎn)換的其他的下轉(zhuǎn)換濾波器；例如圖11中示出的孔徑(111)。這 個可選的轉(zhuǎn)換的濾波器組成在圖12中示出?？梢钥吹竭@個可選的孔徑因其較少的系統(tǒng)而 實(shí)現(xiàn)起來更加簡單。圖3的下轉(zhuǎn)換濾波器需要存儲五個系數(shù)值(不包括歸一中心系數(shù)，在 每個對稱的半個孔徑中有五個非零貢獻(xiàn)成分)，而圖12的下轉(zhuǎn)換濾波器僅需要存儲兩個非 歸一值。
圖12濾波器的頻率響應(yīng)在圖13中示出，其中下轉(zhuǎn)換濾波器響應(yīng)被指定(131)，且 雙線性上轉(zhuǎn)換濾波器響應(yīng)被指定(130)。與示出了圖3過程的頻率響應(yīng)的圖8相比較，示出 了可選的下轉(zhuǎn)換濾波器的通帶和阻帶兩者(131)都是平的。
進(jìn)一步改進(jìn)的下轉(zhuǎn)換濾波器可通過將加權(quán)因子分別為1/4和3/4的圖4的孔徑和 圖11的孔徑相加來獲取。這給出了如圖14中所示出的孔徑(141)，且其頻率響應(yīng)(151)在 圖15中示出。這個改進(jìn)的濾波器在flOT具有零響應(yīng)，且因此抑制由處于這個頻率的任何能 量引起的DC混疊。
反轉(zhuǎn)Werner的‘高清的’上轉(zhuǎn)換濾波器(如在圖6中(60)所示)的改進(jìn)的濾波 器也是可能的。更簡單的、對稱的下轉(zhuǎn)換濾波器孔徑(161)在圖16中示出，且其頻率響應(yīng) (171)在圖17中示出。(‘高清的’上轉(zhuǎn)換濾波器的頻率響應(yīng)(170)也被示出。)改進(jìn)的孔 徑需要存儲七十個非歸一系數(shù)值，而圖6的濾波器需要存儲11個非歸一值。圖10和圖17 的比較示出了改進(jìn)的濾波器具有較平的通帶和阻帶。
再次地，圖16的改進(jìn)的下轉(zhuǎn)換濾波器可通過形成濾波器孔徑的加權(quán)和以及選擇 權(quán)重以獲取flOT的頻率響應(yīng)中的空值的方式與圖6的現(xiàn)有技術(shù)的下轉(zhuǎn)換濾波器相組合。結(jié) 果得到的孔徑(181)和頻率響應(yīng)(191)分別在圖18和圖19中示出。
雖然這些改進(jìn)是有用的，上轉(zhuǎn)換濾波器具有比下轉(zhuǎn)換濾波器更窄的通帶，且阻帶 響應(yīng)仍不令人滿意。本發(fā)明者意識到上轉(zhuǎn)換濾波器和下轉(zhuǎn)換濾波器的頻率響應(yīng)之間不需要 有不同。下轉(zhuǎn)換器的頻率響應(yīng)必須防止低清晰度材料的混疊，上轉(zhuǎn)換器必須移除低清晰度 材料的混疊。這兩種需求取決于兩個采樣頻率中較低的采樣頻率，且這兩種需要在各個濾 波器的截止頻率接近于較低分辨率采樣過程的Nyquist極限(S卩，flow的一半)時(shí)被滿足。本發(fā)明者還意識到可能使單個濾波器孔徑的頻率響應(yīng)最優(yōu)以獲得可逆性。這個單個孔徑用 于限定對于上轉(zhuǎn)換濾波器和下轉(zhuǎn)換濾波器兩者的樣本貢獻(xiàn)值。
最優(yōu)的頻率響應(yīng)用于確定濾波器孔徑函數(shù)(即，濾波器脈沖響應(yīng))；但是，僅在對 應(yīng)于濾波器輸入和輸出樣本的時(shí)刻需要這個函數(shù)的值。因此頻率響應(yīng)僅需要以等于孔徑的 寬度的點(diǎn)數(shù)目被限定(在包括所有的輸入和輸出樣本位置的過采樣間距的單元中)；該數(shù) 目限定了在時(shí)域孔徑函數(shù)和頻率響應(yīng)之間轉(zhuǎn)換的傅里葉變換的規(guī)模。
濾波器孔徑的寬度明顯確定了對于上濾波器和下濾波器的貢獻(xiàn)成分的數(shù)目。因?yàn)?這兩個濾波器具有不同的輸入采樣頻率，它們將使用不同數(shù)量的貢獻(xiàn)成分，盡管它們具有 相同的孔徑。圖20a到20d示出寬度為士 16的孔徑寬度的上轉(zhuǎn)換濾波器貢獻(xiàn)成分。四個 圖示出了上轉(zhuǎn)換濾波器(fup)的所有可能的相位。類似地，圖21a到圖20c示出了具有寬度 為士 16的孔徑的下轉(zhuǎn)換濾波器(fd_)的所有可能的相位。
可以看到下轉(zhuǎn)換濾波器具有比上轉(zhuǎn)換濾波器更多的貢獻(xiàn)成分；這是因?yàn)槠渚哂休^ 高的輸入采樣頻率。而且，上轉(zhuǎn)換濾波器的貢獻(xiàn)成分的數(shù)量根據(jù)相位在8和9之間變動，而 下轉(zhuǎn)換濾波器一直具有11個貢獻(xiàn)成分。
適當(dāng)?shù)纳蠟V波器孔徑函數(shù)和下濾波器孔徑函數(shù)分別在圖2 和22b中示出；貢獻(xiàn) 成分的值在表3和4中被示出為精確到六個小數(shù)位。這些函數(shù)被限定為在士 16的范圍內(nèi) 的輸入到輸出的相位差。(在該范圍之外，濾波器的脈沖響應(yīng)為零。)雖然示出了兩個函 數(shù)，它們僅在其幅度縮放上不同，其不同在于與各個濾波器貢獻(xiàn)成分的數(shù)量成反比例，以便 獲得兩個濾波器的歸一 DC增益。因?yàn)樗麄兇砹讼嗤瘮?shù)的不同縮放版本，其分別被指定 為fup和fd。 。注意到兩個零相位貢獻(xiàn)成分不是歸一值，且每個被濾波的樣本都由至少兩個 濾波器輸入樣本的加權(quán)和形成。
圖22中示出的孔徑的頻率響應(yīng)(當(dāng)然，對于上轉(zhuǎn)換濾波器和下轉(zhuǎn)換濾波器兩者是 相同的)在圖23中被示出為曲線030)。
通過調(diào)整控制濾波器頻率響應(yīng)的過渡帶的形狀的(32個頻率響應(yīng)參數(shù)中的)三個 頻率響應(yīng)參數(shù)而使候選孔徑的可逆性最優(yōu)的方式，來創(chuàng)建單個孔徑。參數(shù)是處于特定頻率 的頻率響應(yīng)的幅度；未被最優(yōu)化的參數(shù)分別地對于通帶(完全在1. 5頻率單位以下)中的 點(diǎn)被設(shè)置為歸一值，對于濾波器阻帶(完全在1.5頻率單位以上)中的點(diǎn)被設(shè)置為零。如 先前所解釋的，頻率參數(shù)的數(shù)量被選擇為等于濾波器孔徑的寬度，且已被熟知的傅里葉變 換用于在頻率響應(yīng)和濾波器孔徑之間轉(zhuǎn)換。獲得圖22孔徑函數(shù)的32個頻率響應(yīng)點(diǎn)在表1 中被給出。
表1 :3參數(shù)最優(yōu)頻率響應(yīng)
權(quán)利要求
1.一種數(shù)字圖像處理方法，其中處于較低采樣頻率的第一圖像數(shù)據(jù)在上采樣濾波器中 以采樣比N M被上采樣到較高采樣頻率；以及處于所述較高采樣頻率的第二圖像數(shù)據(jù)在 下采樣濾波器中以采樣比M N被下采樣到所述較低采樣頻率，其中所述上采樣濾波器和 所述下采樣濾波器的組合實(shí)質(zhì)上是透明的，特征在于每個被濾波的樣本由至少兩個輸入樣 本的加權(quán)和形成，其中N和M是整數(shù)，其中1 <N<M，且其中M不是N的倍數(shù)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，從由于所述上采樣濾波器和所述下采樣濾波器的 組合引起的重建誤差小于所述數(shù)字圖像處理的一個最低有效位的意義上說，所述上采樣濾 波器和所述下采樣濾波器的組合實(shí)質(zhì)上是透明的。
3.一種數(shù)字圖像處理方法，該方法用于實(shí)現(xiàn)對于采樣率比為N M的上轉(zhuǎn)換和隨后 的M N的下轉(zhuǎn)換的透明級聯(lián)，其中N和M是整數(shù)，其中上轉(zhuǎn)換比N M和下轉(zhuǎn)換比M N 分別是有理數(shù)，且所述整數(shù)N和M滿足條件1 < N < M，其中所述上轉(zhuǎn)換濾波器對采樣信 號Sinput進(jìn)行操作，且選擇采用Sup (η) =Σ Sinput (k).g (Nn-Mk)的形式，其中該求和關(guān)于變 動的整數(shù)k而進(jìn)行，且其中相應(yīng)的下轉(zhuǎn)換濾波器對上轉(zhuǎn)換信號Sup進(jìn)行操作，且選擇采用 Sdown(n) =Σ Sup(k).h(Mn-Nk)的形式；上轉(zhuǎn)換濾波器和下轉(zhuǎn)換濾波器對(g，h)被選擇為使 得Σ h (Mn-Nk). g (Nk-Mm)在η = m時(shí)等于歸一值，否則等于零，且其中每個被濾波的樣本由 至少兩個輸入樣本的加權(quán)和形成。
4.一種數(shù)字圖像處理方法，該方法用于實(shí)現(xiàn)對于采樣率比為N M的上轉(zhuǎn)換和隨后 的M N的下轉(zhuǎn)換的透明級聯(lián)，其中N和M是整數(shù)，其中上轉(zhuǎn)換比N M和下轉(zhuǎn)換比M N 分別是有理數(shù)，且所述整數(shù)N和M滿足條件1 < N < M，其中所述上轉(zhuǎn)換濾波器對采樣信 號Sinput進(jìn)行操作，且選擇采用Sup (η) =Σ Sinput (k).g (Nn-Mk)的形式，其中該求和關(guān)于變 動的整數(shù)k而進(jìn)行，且其中相應(yīng)的下轉(zhuǎn)換濾波器對上轉(zhuǎn)換信號Sup進(jìn)行操作，且選擇采用 Sdown(n) =Σ Sup(k).h(Mn-Nk)的形式；上轉(zhuǎn)換濾波器和下轉(zhuǎn)換濾波器對(g，h)被選擇為使 得Σ h (Mn-Nk). g (Nk-Mm)在η = m時(shí)等于歸一值，否則等于零，且其中所述上轉(zhuǎn)換濾波器的 頻率響應(yīng)與所述下轉(zhuǎn)換濾波器的頻率響應(yīng)實(shí)質(zhì)上相同。
5.一種數(shù)字圖像處理方法，該方法用于實(shí)現(xiàn)對于采樣率比為N M的上轉(zhuǎn)換和隨后 的M N的下轉(zhuǎn)換的透明級聯(lián)，其中N和M是整數(shù)，其中上轉(zhuǎn)換比N M和下轉(zhuǎn)換比M N 分別是有理數(shù)，且所述整數(shù)N和M滿足條件1 < N < M，其中所述上轉(zhuǎn)換濾波器對采樣信 號Sinput進(jìn)行操作，且選擇采用Sup (η) =Σ Sinput (k).g (Nn-Mk)的形式，其中該求和關(guān)于變 動的整數(shù)k而進(jìn)行，且其中相應(yīng)的下轉(zhuǎn)換濾波器對上轉(zhuǎn)換信號Sup進(jìn)行操作，且選擇采用 Sdown(n) =Σ Sup(k).h(Mn-Nk)的形式；上轉(zhuǎn)換濾波器和下轉(zhuǎn)換濾波器對(g，h)被選擇為使 得Σ h (Mn-Nk). g (Nk-Mm)在η = m時(shí)等于歸一值，否則等于零，且其中下轉(zhuǎn)換器在所述采樣 信號Sinput的采樣頻率處的頻率響應(yīng)小于DC處的頻率響應(yīng)的10%，優(yōu)選地小于DC處的頻率 響應(yīng)的5%，且更優(yōu)選地小于DC處的頻率響應(yīng)的1 %。
6.一種數(shù)字圖像處理方法，其中處于較低采樣頻率的第一圖像數(shù)據(jù)在上采樣濾波器中 以N M的采樣比被上采樣到較高采樣頻率；而且，處于所述較高采樣頻率的第二圖像數(shù)據(jù) 在下采樣濾波器中以M N的采樣比被下采樣到所述較低采樣頻率，其中所述上采樣濾波 器和所述下采樣濾波器的組合，其中N和M是整數(shù)，其中1 < N < M，且其中M不是N的倍數(shù)， 其中頻率響應(yīng)被最優(yōu)化，以最小化由所述上采樣濾波器和所述下采樣濾波器的組合而引起 的重建誤差，且其中所述上采樣濾波器的濾波器孔徑和所述下采樣濾波器的濾波器孔徑各自根據(jù)所述被最優(yōu)化的頻率響應(yīng)來構(gòu)造。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中在所述被最優(yōu)化的頻率響應(yīng)中，處于所述較低采樣 頻率的響應(yīng)小于DC處的頻率響應(yīng)的10%，優(yōu)選地小于DC處的頻率響應(yīng)的5%，且更優(yōu)選地 小于DC處的頻率響應(yīng)的10A。
8.如權(quán)利要求6或權(quán)利要求7所述的方法，其中，從所述重建誤差小于所述數(shù)字圖像處 理的一個最低有效位的意義上說，所述重建誤差被最小化。
9.一種數(shù)字圖像處理方法，其中處于較低采樣頻率的第一圖像數(shù)據(jù)在上采樣濾波器中 以N M的采樣比被上采樣到較高采樣頻率；而且，處于所述較高采樣頻率的第二圖像數(shù)據(jù) 在下采樣濾波器中以M N的采樣比被下采樣到所述較低采樣頻率，其中所述上采樣濾波 器和所述下采樣濾波器的組合實(shí)質(zhì)上是透明的，特征在于，其中N和M是整數(shù)，其中1 <N < M，且其中M不是N的倍數(shù)，且其中下轉(zhuǎn)換器在所述較低采樣頻率處的頻率響應(yīng)小于DC處 的頻率響應(yīng)的10%，優(yōu)選地小于DC處的頻率響應(yīng)的5%，且更優(yōu)選地小于DC處的頻率響應(yīng) 的1%。
10.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述第一圖像數(shù)據(jù)和所述第二圖像數(shù) 據(jù)的至少部分表示相同的描述對象。
11.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述上轉(zhuǎn)換濾波器的響應(yīng)的幅度和所 述下轉(zhuǎn)換濾波器的響應(yīng)的幅度在所述較低采樣頻率的一半的頻率處具有實(shí)質(zhì)上相等的量值。
12.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述上轉(zhuǎn)換濾波器的頻率響應(yīng)和所述 下轉(zhuǎn)換濾波器的頻率響應(yīng)實(shí)質(zhì)上相同。
13.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中上采樣濾波器或下采樣濾波器在其輸 入和輸出樣本之間沒有相位一致性。
14.一種構(gòu)造成并適于實(shí)現(xiàn)根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法的裝置。
15.一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，該計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品所包含的指令適于使得可編程裝置實(shí)現(xiàn) 根據(jù)權(quán)利要求1到13中任一項(xiàng)所述的方法。
全文摘要
處于較低采樣頻率的第一圖像數(shù)據(jù)在上采樣濾波器中以N∶M的采樣比被上采樣到較高的采樣頻率；以及，處于所述較高采樣頻率的第二圖像數(shù)據(jù)在下采樣濾波器中以采樣比M∶N被下采樣到所述較低的采樣頻率，其中所述上采樣濾波器和所述下采樣濾波器的組合實(shí)質(zhì)上是透明的，而且每個被濾波的樣本由至少兩個輸入樣本的加權(quán)和形成。
文檔編號H04N5/262GK102037721SQ200980116962
公開日2011年4月27日 申請日期2009年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月15日
發(fā)明者馬丁·韋斯頓 申請人:斯耐爾有限公司