专利名称：图像信号的对比伸张与溢位补偿系统及方法
技术领域：
本发明是关于一种图像信号处理系统与方法，特别是关于一种图像信号对比伸张及溢位补偿的系统与方法。
背景技术：
已知在视频图像产品或元件中，经常有利用图像处理来调整图像质量的需要。例如电视机中设计有亮度(Brightness)、对比(Contrast)、色相(Hue)、色饱和度(Saturation)等功能的调整，供消费者调整至喜好的画质。但消费者经常遇到的问题是，利用这些功能选项调整图像画面后，却造成调整后大面积的饱和透亮现象，也就是本来可以分辨出亮暗层次的图像或颜色，调整后造成全面变亮，反而分辨不出原有的层次及颜色偏差，此即过饱和的灰阶溢位(Overflow)现象，亦即灰阶均已达最大值而无法分辨出原有的层次。
又例如，大多数视频处理IC中均会提供多种图像调整及增强的功能，供设计者搭配出最佳的调整设定，但是，图像经过多级的处理后，经常会造成饱和溢位的现象，最终在显示器出现的画面即会呈现出大面积的透亮现象，影响观赏质量。
目前的解决方法则多半针对图像溢位最简单的对策为限制图像处理中图像增益的大小，尽量减少会产生图像饱和的可能性。但图像信号常经过不只一级的图像处理，如果图像信号经过多级调整及增强处理后，图像灰阶数将会越来越少，造成图像连续性不足的轮廓边界(Contour)问题，图像的整体亮度也会降低，造成对比不佳。
此外，为避免有溢位的情形发生，图像信号在作处理时，对增益值(Gain)多采小于1.0的方式，如此经过多级的图像处理后，图像的灰阶值将愈来愈小，对比也愈来愈差。举例而言，一张8bit的256灰阶图像其最大的灰阶范围为0～255，但在视频系统的实际应用上，因为所使用的元件特性、参数值设定、信号传输衰减、分配衰减、噪声抑制以及图像信号处理等，均会影响图像灰阶的范围，使图像灰阶无法充分利用到256灰阶，如此将造成图像信号动态范围缩小、亮度色彩层次降低、对比变差等，影响画面观赏质量。
因此本发明的主要目的，在于提供一种图像信号的对比伸张及溢位补偿的处理系统与方法，特别是图像信号已经过前级多次的图像处理后，并已经形成图像信号灰阶数降低或溢位的现象时，可以自动加以调整以避免上述问题。
发明内容
本发明的一目的在于提供一种图像信号对比伸张及溢位补偿的处理系统与方法。
本发明的另一目的在于提供一种图像信号对比伸张及溢位补偿的处理系统与方法，以避免图像信号在经过多级调整及增强处理后所产生的灰阶数降低与溢位现象，并自动加以调整。
根据本发明一较佳实施例的图像信号对比伸张及溢位补偿的系统，其包含有图像信号对比伸张模块与图像信号溢位补偿模块，二项模块中均包含有存储器以及图像信号处理器。
对比伸张模块的存储器中储存预定的对比伸张对照表，包括一组Offset值及一组Gain值参数，对比伸张模块的图像信号处理器包含图像灰阶边界判断单元以及对比伸张单元。图像灰阶边界判断单元用以判断画面的最大与最小灰阶值。对比伸张单元则用以对图像信号的灰阶值进行伸张处理。当图像灰阶边界判断单元判断出画面的最大与最小灰阶值后，对比伸张单元会依据此画面的最大与最小灰阶值，选择对比伸张对照表中相对应的Offset及Gain值参数来计算该画面各像素的新灰阶值，以达到增强对比的效果。
溢位补偿模块的存储器中储存预定的溢位补偿对照表，溢位补偿模块的图像信号处理器包含溢位判断单元以及溢位补偿单元。溢位判断单元用以依据像素的灰阶值，来判断图像信号的像素是否已发生溢位现象。溢位补偿单元则用以对图像信号的像素进行补偿。当溢位判断单元判断图像信号的某一像素已经发生溢位现象时，溢位补偿单元会依据像素的灰阶值，选择溢位补偿对照表中相对应的溢位补偿参数来调降该像素的灰阶值，以克服溢位现象。
根据本发明一较佳实施例的图像信号对比伸张及溢位补偿的处理方法，包含有对比伸张及溢位补偿两部分。图像信号对比伸张的步骤包含有准备预定的对比伸张Offset及Gain值对照表并储存于存储器中；循序接收图像信号的多个像素；依据每一该等接收的像素的灰阶值判断每一画面的最大与最小灰阶；依据每一画面的最大与最小灰阶值，选择该对比伸张对照表中相对应的Offset及Gain值来计算新的灰阶值，以达到对比伸张的效果。图像信号溢位补偿的步骤包含有于存储器中储存预定的溢位补偿对照表，该溢位补偿对照表包含有多个溢位补偿参数；循序接收图像信号的多个像素；依据每一该等接收的像素的灰阶值来判断该像素是否已发生溢位现象；以及当该像素已经发生溢位现象时，依据该像素的灰阶值，选择该溢位补偿对照表中相对应的溢位补偿参数来调降该像素的灰阶值，以克服该溢位现象。
关于本发明的优点与精神可以通过以下的实施方式的详述及所附图式得到进一步的了解。
图1为本发明图像信号的对比伸张与溢位补偿的系统架构图。
图2为本发明对比伸张方法的模块架构图。
图3为本发明于单色输入时的溢位补偿对照表的示意图。
图4(A)-(D)为本发明于多色输入的溢位补偿计算的示意图。
图5为本发明溢位补偿方法的模块架构图。
图6为本发明于单色输入时的溢位补偿计算结果的示意图。
图7为本发明于三色输入溢位补偿计算前后的三色比例结果的示意图。
图8为本发明图像信号对比伸张及溢位补偿方法的流程图。
[主要元件标号说明] 10前级图像信号处理单元12亮度调整单元 13对比调整单元14色相调整单元 15饱和度调整单元 16图像增强单元 17色彩调整单元18、19、119图像信号 20图像信号对比伸张及溢位补偿系统 22图像信号溢位补偿模块30存储器 32溢位补偿对照表 34溢位补偿参数 31、33、35、36、37、38字段 40图像信号处理器 42溢位判断单元 44溢位补偿单元110前级图像信号处理程序 120溢位判断程序 130利用溢位补偿对照表计算补偿程序 140输出位回复程序222图像信号对比伸张模块 230存储器232对比伸张对照表 234对比伸张调整值236对比伸张增益值 237减法器238乘法器 240图像信号处理器242图像灰阶边界判断单元 244对比伸张单元
具体实施例方式 请参阅图1，图1为本发明图像信号的对比伸张与溢位补偿的系统架构图。本发明的图像信号对比伸张及溢位补偿的系统20一般而言连接于前级图像信号处理单元10之后，此前级图像信号处理单元10用来对图像信号18进行相对应的前级图像信号处理功能。通常图像信号中包含有预定数目的位以用来记录该像素的灰阶值(gray level)。假设一组8位(bit)的图像信号18输入前级图像信号处理单元10中，为了提高处理质量及精度，这组8位的图像信号18在进行相对应的前级图像信号处理功能及色彩调整后，变为10位图像信号19，但其灰阶很有可能降低或溢位成11位，这种情形下则需进行本发明的图像信号对比伸张及溢位补偿处理。
这里的前级图像信号处理单元10是用来进行图像处理与计算。最常见的图像处理与计算是对于亮度(Brightness)、对比(Contrast)、色相(Hue)、色饱和度(Saturation)、图像增强(Image Enhancement)、色彩调整(ColorAdjustment)以及任何上述的组合来进行图像处理，或其它任何可能造成像素的灰阶值降低或产生溢位的处理与计算。因此，前级图像信号处理单元10，举例而言，包含有亮度调整单元(Brightness Adjustment Unit)12、对比调整单元(Contrast Adjustment Unit)13、色相调整单元(Hue AdjustmentUnit)14、饱和度调整单元(Saturation Adjustment Unit)15、图像增强单元(Image Enhancement Unit)16、色彩调整单元(Color Adjustment Unit)17。
本发明的图像信号对比伸张及溢位补偿的系统20则主要包含图像信号对比伸张模块222以及图像信号溢位补偿模块22。两者的功能可以整体地简述如下。由于图像信号前级处理的元件特性、参数值设定、传输衰减、分配衰减、噪声抑制以及各种图像信号处理(亮度、对比、色相、饱和度等调整，以及图像增强与色彩调整等处理)等，均会影响图像灰阶的范围，使图像灰阶无法充分利用到256灰阶，如此将造成图像信号动态范围缩小、亮度色彩层次降低、对比变差等，故在各项前级处理后增加「对比伸张」功能，将图像信号的灰阶动态范围扩大，使图像的亮度范围扩大，提升亮度、对比及画面质量。此外，图像信号的各项前级处理(亮度、对比、色相、饱和度等调整，以及图像增强与色彩调整等处理)及对比伸张处理等，均有可能使图像灰阶出现溢位，造成大面积的饱和透亮现象，使原本亮暗及颜色层次分明的图像，因图像信号超出可显示的灰阶而无法分辨，故需要「溢位补偿」功能来调整，将原本溢位的灰阶适度的降低，并保持图像信号原有的三色比例搭配，恢复原有的亮度层次且保有原有的颜色正确性。
图像信号对比伸张模块222主要包含存储器230以及图像信号处理器240。存储器230中储存预定的对比伸张对照表232，其中包含有多个对比伸张参数，例如对比伸张调整值(Offset)234以及对比伸张增益值(Gain)236。图像信号处理器240包含有图像灰阶边界判断单元242以及对比伸张单元244，并用以接收包含有多个像素的图像信号19，并后续对该图像信号19的该等像素进行图像信号处理。图像信号19的像素包含有预定数目的位(举例而言，图像信号19为10位或已经溢位成11位的信号)以用来记录该像素的灰阶值(0-1023)。图像信号19可以是单色黑白图像信号，或是彩色图像信号，如果是彩色图像信号，则每一像素则分别包含红、绿、蓝灰阶值。除非特别指出，以下实施例中皆以目前最常见的彩色图像信号为例加以说明。图像灰阶边界判断单元242用以判断画面的最大与最小灰阶值。对比伸张单元244则用以对图像信号的灰阶值进行伸张处理。图像灰阶边界判断单元242会对于图像信号的该等像素进行判断，以从中定义出最大值(MAX)及最小值(MIN)，并从该最大值及该最小值中计算出差值(DIFF)。在图像灰阶边界判断单元242定义或判断出画面中像素灰阶值的最大值(MAX)及最小值(MIN)后，对比伸张单元244会依据此最大与最小灰阶值，选择对比伸张对照表232中相对应的对比伸张调整值(Offset)234以及对比伸张增益值(Gain)236等参数，来计算该画面各像素的新灰阶值，以对于该等像素进行对比伸张的调整并达到增强对比的效果。
图像信号溢位补偿模块22包含存储器30以及图像信号处理器40。存储器30中储存预定的溢位补偿对照表32，其中包含有多个溢位补偿参数34，其内容于表一以及相关的叙述中有更详细的说明。图像信号处理器40并包含溢位判断单元42以及溢位补偿单元44。溢位判断单元42用以依据像素的灰阶值，来判断图像信号119的像素是否已发生溢位现象。当图像信号119经过前级图像信号处理单元10处理以及/或是图像信号对比伸张模块222处理后，有可能会造成该像素的灰阶值(例如灰阶值变成1030)超过预定数目的位(例如10位)所定义出的灰阶值范围(0-1023)。当发生上述情形时，溢位判断单元42则判断该像素已发生溢位现象。接着则需要利用本发明的溢位补偿单元44来对于图像信号119的像素进行补偿与调整。溢位判断单元42通常会循序对于所接收到的图像信号119的每一个像素进行溢位判断，只有当溢位判断单元42判断图像信号119的某一像素已经发生溢位现象时，溢位补偿单元44才对于该发生溢位的像素的灰阶值进行调降，而对于其它的像素如经判断并未发生溢位现象时，该像素的灰阶值则维持不变。在此顺加说明，于图1中为了方便起见，存储器30、230以及图像信号处理器40、240是分开绘示，但是在实际电路中如果因成本、设计或组装等实际考虑下，则可以合在一起执行其预定的功能，而不一定需要分开。
当溢位判断单元42判断图像信号119的某一像素已经发生溢位现象时，溢位补偿单元44会依据目前输入像素的灰阶值，选择溢位补偿对照表32中相对应的溢位补偿参数34来调降该像素的灰阶值，以克服溢位现象。在彩色图像信号的情形下，当其中某一像素的红、绿、蓝灰阶值中的任一超过该预定数目的位时，溢位判断单元42会判断该像素已发生了溢位现象；而溢位补偿单元44则会依据该发生溢位像素的红、绿、蓝灰阶值中最大者，选择溢位补偿对照表32中相对应的溢位补偿参数34，以便等比例来调降该像素的红、绿、蓝灰阶值，以使该像素的色彩表现与进行溢位补偿前相同。
请参阅图2，图2为本发明对比伸张方法的模块架构图。本发明的图像信号的对比伸张方法通常用在前级图像信号处理功能完成之后，这些功能，举例而言，包含有亮度调整功能、对比调整功能、色相调整功能、饱和度调整功能、图像增强功能、色彩调整功能等。分别由前级图像信号处理单元10中的个相对应功能单元12-17加以执行。本发明的图像信号的对比伸张方法，会先于存储器230的对比伸张对照表232中储存所需的参数，如对比伸张调整值(Offset)234以及对比伸张增益值(Gain)236等。然后，对于所接收到的图像信号中的像素进行判断，以从中定义出最大值(MAX)及最小值(MIN)，并从该最大值及该最小值中计算出差值(DIFF)。
最大值(MAX)及最小值(MIN)的定义方法有很多种，可以视实际情况加以调整。例如可以用该图像信号的所有像素的灰阶值中最大者，来当作是最大值(MAX)；而用该图像信号的所有像素的灰阶值中最小者，来当作是最小值(MIN)。为了避免噪声干扰，另外一种方法可以先舍去该图像信号的所有像素的灰阶值中最大者与最小者，该图像信号的剩余所有像素的灰阶值可以形成直方图(histogram)，以此直方图中最大5％的像素灰阶值的平均值，来当作是最大值(MAX)；以此直方图中最小5％的像素灰阶值的平均值，来当作是最小值(MIN)。
然后依据最小值(MIN)以及差值(DIFF)以查询对比伸张对照表232，并选择出相对应的对比伸张增益值以及相对应对比伸张调整值。之后并以下列公式对于图像信号19中的每一像素进行对比伸张的调整像素调整后的灰阶值＝所选出的相对应对比伸张增益值*(像素的原始灰阶值-所选出的相对应对比伸张调整值)。
举一具体的实施例，图像灰阶边界判断单元242会对循序接收到的图像信号19作最大及最小的判断(或为避免噪声干扰，舍去最大及最小灰阶值，改采图像直方图的最小与最大5％的值)，确认一张画面的最大灰阶值Tm与最小灰阶值Tn，并计算其差距Td＝Tm-Tn。根据Tn及Td的值，由对比伸张对照表232查其相对应的Offset值234及Gain值236，再将此画面的所有像素的原始灰阶值，减去所查到的Offset值234后，再乘以Gain值236，即完成图像信号的对比伸张处理。在此所需要的减法及乘法等数学处理，可以由对比伸张单元244中的减法器237及乘法器238来加以计算处理。如此，可以得到经过对比伸张处理的图像信号119。
以8位(bit)的图像为例，若经由图像灰阶边界判断单元242确认出此图像的Tm＝200、Tn＝30，故Td＝170，若经由查表可得Offset＝10、Gain＝1.2，则新的灰阶为Gray’＝Gain*(Gray-Offset)，画面中各像素点的灰阶均依此公式计算出新的灰阶，故Tm’＝1.2*(200-10)＝228、Tn’＝1.2*(30-10)＝24，故原始对比为200/30＝6.67，新的对比为228/24＝9.5，对比增加了42.5％之多。在对比伸张对照表232中所储存的Offset值234及Gain值236，可以依照显示器使用时的实际需求做弹性调整。惟需注意的是，其值仅须适当即可，以避免图像伸张过度造成失真。
请参阅图3，图3为本发明于单色输入时的溢位补偿对照表32的示意图。在图3中，储存于存储器30中的溢位补偿对照表32可以包含有多个字段，用以记录不同的溢位补偿参数。在此所谓溢位补偿参数是用来表示集合名词(generic term)，其具体的实施例可以是溢位补偿增益值、输出灰阶值或是其组合。于溢位补偿对照表32中，典型的字段如图2中所显示的字段35「目前输入灰阶值(11位)(P)」、字段36「溢位补偿增益值(Gain)」以及字段38「补偿后输出灰阶值(10位)(P*Gain)」。这些字段可视实际需要加以增加或部分省略，并没有固定的格式，只要能达成溢位补偿的功能即可。在本实施例中为了方便说明起见，加入了字段33「目前输入灰阶值(8位)(P)」、字段31「原始输出灰阶值(10位)」以及字段37「补偿后输出灰阶值(18位)(P*Gain)」。在实际中，为了节省存储器30空间起见，这些字段不一定需要，加以省略也完全不影响本发明的功能与效果。
溢位补偿增益值的大小是相对于该像素发生溢位的大小而不同，在等效上而言为低于1.0的增益值，以便使产生饱和溢位的输入灰阶值在乘以此一低于1.0的增益值后，使输出灰阶值降下来。除了利用溢位补偿增益值的作法外，也可以在溢位补偿对照表32中直接定义出目前输入灰阶值与补偿后相对应输出灰阶值的关系。其中该相对应的输出灰阶值可以事先以实验的方式得出，也就是说，以实验方式事先找出会产生饱和溢位的输入灰阶值范围(如图2中所示的1024-1031与1032-1036)，并对于不同输入灰阶值进行溢位补偿试算。第一阶段的输入灰阶值范围(1024-1031)选择溢位补偿增益值(254/256)，因而得出相对应输出灰阶值范围(1016.0-1022.9)；第二阶段的输入灰阶值范围(1032-1036)选择溢位补偿增益值(252/256)，因而得出相对应输出灰阶值范围(1015.9-1019.8)。如图3所示的输入与输出关系是利用分段选择不同大小的溢位补偿增益值所得出的，这是一种非线性的对应关系，其好处是使得在每一区段中的输出层次更为分明。如果在实际具体个案中此一考虑并不重要，当然也可以简单地不分段选择相同的溢位补偿增益值，以得出相对应线性的输出灰阶值。在不违背本发明的精神下，如何得到输入与输出的关系，会视实际个案需要有相当多作法与弹性，只要使得产生饱和溢位的最大输入灰阶都能调降至图像信号原预定位数之内，有效地克服溢位现象并恢复原有图像的亮度层次即可。
请参阅图4(A)-(D)，图4(A)-(D)为本发明于多色输入的溢位补偿计算的示意图。对彩色显示系统，颜色的正确性是非常重要的，传统的溢位处理仅对溢位的颜色做补偿，如此会使三色比例与原始色彩的三色比例有差异，造成色彩异常。本发明的图像信号溢位补偿方法对于相同画素的三色做相同的处理，故处理前后的三色比例将不会改变，除了恢复原有的亮度层次外，也可以保有正确的颜色表现。
图4(A)中所显示的字段包含字段202「目前输入灰阶值(11位)(P)」、字段204「目前输入灰阶值(8位)(P)」、字段206「传统上输出灰阶值(10位)」、字段208「溢位补偿增益值(Gain)」以及字段210「本发明补偿后输出灰阶值(P*Gain)(10位)」。图4(A)中字段202显示目前所输入三色图像信号(R、G、B)以及相对应的最大值(Max)(在此为图像信号R)。将每一横列的信号以图像信号R作分母进行正规化(normalization)后，所有图像信号R变为1.0，图像信号G与图像信号B于是等比例计算出来，因此形成图4(B)的「目前输出灰阶值比例(R＝1.0)」212。图4(A)中字段204与字段202相似，不同之处在于其目前输入灰阶值为8位。当遇到如字段202图像信号R超出10位的最大上限时，依据现有技术的作法，会直接将图像信号R设为10位的最大上限值(1023)，图像信号G与图像信号B并未超出10位的最大上限，因此维持不变。同样进行正规化计算之后，其结果可显示如图4(C)的「传统上输出灰阶值比例(R＝1.0)」216。本发明的溢位补偿增益值(Gain)经过计算之后可显示如字段208。将此一组增益值(Gain)与字段202目前输入灰阶值(P)进行计算后，即可得到如字段210「本发明补偿后输出灰阶值(P*Gain)(10位)」。同样进行正规化计算之后，其结果可显示如图4(D)的「本发明补偿后输出灰阶值比例(R＝1.0)」220。由图4(A)-(D)可观察出，当有溢位时，依据现有技术的作法，其输出的三色比例与原始灰阶比例不同，导致颜色偏差产生。而本发明则加以改进，当有溢位时，本发明的图像信号溢位补偿方法所输出的三色比例与原始灰阶比例相同，不会有颜色偏差产生。
请参阅图5，图5为本发明溢位补偿方法的模块架构图。本发明图像信号的溢位补偿方法的原理为将饱和溢位的像素的灰阶值，乘以一个低于1.0的增益值，使输出灰阶降下来，且增益值可以针对溢位像素灰阶值的大小而有不同，使原本溢位饱和而呈现相同最高灰阶的画面，可以恢复原有的灰阶及亮度层次。
由于图像信号包括亮度及色彩二大部分，任何一个像素均为多种不同基色的特殊比例组合(例如大多数显示器以RGB、打印机以CMYK为基色)，如果只针对溢位的单一基色灰阶值处理，将会破坏像素点的颜色表现(RGB或CMYK比例)，故为保持色彩的正确性，本发明图像信号的溢位补偿系针对画面中每个像素的所有基色灰阶均作处理，使溢位补偿后的各个基色仍可保持原有的灰阶亮度比例，亦即确保色彩表现与原始信号相同。
以一张基色为RGB的10位图像信号为例，本发明图像信号溢位的补偿方法可配合图5说明如下 程序110前级图像信号处理。会造成图像信号中像素灰阶值发生溢位现象的原因有很多种，例如图像信号可能是经过亮度调整、对比调整、色相调整、饱和度调整、图像增强、色彩调整等，或是任何上述的处理的多级组合，或是其它任何可能造成像素的灰阶值产生溢位的处理与计算。
程序120溢位判断。一张10位的图像，其灰阶值必定介于0(二进制表示为0000000000)到1023(1111111111)之间，经过前级图像信号处理110后，可能为10或11位。只有当图像信号的像素已经发生溢位现象时，本发明方法才会对于该发生溢位的像素的灰阶值进行调降，而未发生溢位的像素的灰阶值则维持不变。因此，在此须先进行步骤122，找出图像信号RGB三色的最大值P(P＝Max(R，G，B))，接着进行步骤124，判断P是否溢位(超过10位)。若P没有溢位，则将此像素的灰阶值维持不变并经由信号路径126直接输出。若P大于或等于灰阶1024(10000000000)，则表示此像素的灰阶值已发生溢位超过10位，则利用溢位补偿对照表32计算补偿。
程序130利用溢位补偿对照表计算补偿。由程序120过来的图像信号必定是11位，亦即其最高位一定是1，为了节省溢位补偿对照表32所占用的存储器空间，在此只取高位(Highest Significant Bit，HSB)的8个位查表，所以溢位补偿对照表32的输入(Input)为128(10000000)到255(11111111)。假设其相对应的输出增益值如图4所示(为提高精度与因应数字计算的考虑，将原小于1.0的溢位补偿增益值放大256倍，只要将最后所得结果再除以256即可)，则当要显示的像素有任一基色的灰阶值饱和溢位时，即以所有基色的最大灰阶值P查表，找出相对应的溢位补偿增益值(Gain)，并将图像信号RGB灰阶值都乘以此一溢位补偿增益值(Gain)。因此原本发生溢位的图像信号RGB灰阶值，经过补偿计算后将变成 R’＝R*Gain； G’＝G*Gain； B’＝B*Gain。
此时的R’、G’、B’为11位的图像灰阶值与8位的溢位补偿增益值(Gain)相乘，故程序130计算后的灰阶值为19位。
程序140输出位回复。虽然经过程序130计算后的图像灰阶值为19位，但因为已经乘以小于1.0(但放大256倍)的溢位补偿增益值(Gain)，故其值必定小于262144(＝2^18)，如图3的字段37「补偿后输出灰阶值(18位)(P*Gain)」所示。故进行步骤142，以将19位的图像灰阶值的最高位MSB直接舍去，变成18位。又因为于程序130的溢位补偿增益值(Gain)为放大256倍，故在此需进行步骤144，再除以256(28)。在数字计算上，此一步骤等效上可由舍去图像灰阶值的最低的8个位来达成，因而图像灰阶值恢复成未经过溢位补偿前的10位数据。由图3与图6可以清楚看出，原本溢位的灰阶值1024-1036(字段35与符号标示52)如果没有利用本发明进行溢位补偿，则其输出均为1023(字段31与符号标示54)，无法分辨出原有的灰阶层次。但利用本发明进行溢位补偿处理后，原本溢位的灰阶值1024-1036将变成介于1015到1023的范围间(字段38与符号标示56)，可以恢复原有的灰阶及亮度层次及正确的色彩表现。
请参阅图6，图6为本发明于单色输入时的溢位补偿计算结果的示意图。图6则将图3中不同输入灰阶值进行溢位补偿试算的结果以图示表示出。符号标示52表示「目前输入灰阶值(11位)(P)」，以产生饱和溢位的输入灰阶值范围(1024-1036)为例加以说明。符号标示54表示「原始输出灰阶值(10位)」，也就是说，在未利用本发明的溢位补偿方式之前，如果输入灰阶值落在(1024-1036)之间的范围时，其输出灰阶值(10位)会都等于1023，如果这些像素在画面上的分布集中于某些区域时，这些区域即会呈现出大面积的透亮现象，造成图像质量不佳的效果。符号标示56表示「补偿后输出灰阶值(10位)(P*Gain)」，也就是说，在利用本发明的溢位补偿方式之后，输入灰阶值落在(1024-1031)与(1032-1036)之间的范围时，其输出灰阶值会分别被调降于(1016.0-1022.9)以及(1015.9-1019.8)的范围。即使这些像素在画面上的分布集中于某些区域时，这些区域可以恢复原有图像的亮度层次，而不至于会呈现出未补偿前大面积的透亮现象。
请参阅图7，图7为本发明于三色输入溢位补偿计算前后的三色比例结果的示意图。于图7中显示，三色输入溢位补偿计算前后以图像信号R为1.0的图像信号G比例结果绘图。以图4(D)的结果中的图像信号G来绘图，横轴为图像信号R的输入灰阶值，纵轴为图像信号G的输出灰阶值比例，曲线252代表目前输入灰阶值比例(R＝1.0)，曲线254代表现有技术输出灰阶值比例(R＝1.0)，曲线256代表本发明补偿后输出灰阶值比例(R＝1.0)。由曲线252与曲线256重合的现象可知，本发明溢位补偿方法的G色比例与原始数据完全相同，故此方法可以确保各色比例与原始信号相同。而由曲线254与曲线252的差距明显可以看出，现有技术方法的G色比例与原始数据不同，因此色彩会有偏差的情况发生。
请参阅图8，图8为本发明图像信号对比伸张及溢位补偿方法的流程图。如果将上述的实施例用简单的方式加以说明，则本发明图像信号对比伸张及溢位补偿方法可以归纳为对比伸张以及溢位补偿两个主要部分。
图像信号对比伸张的部分包含有下列几个重要步骤 步骤302准备预定的对比伸张Offset及Gain值对照表并储存于存储器中。
步骤304循序接收图像信号的多个像素。
步骤306依据每一该等接收的像素的灰阶值判断每一画面的最大与最小灰阶。
步骤308依据每一画面的最大与最小灰阶值，选择该对比伸张对照表中相对应的Offset及Gain值来计算新的灰阶值，以达到对比伸张的效果。
图像信号溢位补偿的部分包含有下列几个重要步骤 步骤312准备预定的溢位补偿对照表并储存于存储器中。
步骤314循序接收图像信号的多个像素。
步骤316依据每一该等接收的像素的灰阶值来判断该像素是否已发生溢位现象。
步骤318当该像素已经发生溢位现象时，依据该像素的灰阶值，选择该溢位补偿对照表中相对应的溢位补偿参数来调降该像素的灰阶值，以克服该溢位现象。
相较于现有技术，本发明的特点可分析如下 (1)利用图像伸张的作法，将图像的灰阶范围拉伸到0～255的最大灰阶范围，其最大目的是增加图像灰阶分布的动态范围，在视觉上的效果为提高图像的对比。
(2)利用溢位补偿对照表以及一组内建其中低于1.0的增益值，来达成溢位补偿的功能。当判断某一像素已经发生溢位现象时，溢位补偿模块会依据像素的灰阶值的大小，查表选择相对应的溢位补偿参数来调降该像素的灰阶值，以克服该溢位现象。
(3)在如何定义溢位补偿参数以及建构溢位补偿对照表上本发明保留有相当弹性。溢位补偿参数可以是溢位补偿增益值、输出灰阶值或是其它组合。溢位补偿对照表32中的字段可视实际需要加以增加或部分省略，并没有固定的格式，只要能达成溢位补偿的功能即可。此外在实作中，为了节省存储器30空间起见，不必要的字段可加以省略也完全不影响本发明的功能与效果。
(4)在如何利用溢位补偿对照表以及溢位补偿参数上本发明也保留有相当弹性。溢位补偿模块会根据依溢位像素的灰阶值大小，查阅溢位补偿对照表以及相对应的溢位补偿参数，来调降该像素的灰阶值。调降补偿的方式可以将溢位的灰阶值与相对应的溢位补偿增益值相乘并进行输出位回复，使原本溢位饱和并呈现相同最高灰阶的画面，可以恢复原有的灰阶及亮度层次。
(5)此外为保持色彩的正确性，本发明的溢位补偿乃针对图像信号中每个像素个别作溢位判断与补偿处理，并对于每个像素的所有基色灰阶均作处理，使溢位补偿后的各个基色仍可保持原有的灰阶亮度比例，亦即确保色彩表现与原始信号相同。
通过以上较佳具体实施例的详述，是希望能更加清楚描述本发明的特征与精神，而并非以上述所揭露的较佳具体实施例来对本发明的范畴加以限制。相反地，其目的是希望能涵盖各种改变及具相等性的安排于本发明所欲申请的权利要求范围的范畴内。因此，本发明所申请的权利要求范围的范畴应根据上述的说明作最宽广的解释，以致使其涵盖所有可能的改变以及具相等性的安排。
权利要求
1、一种图像信号处理系统，包含有
存储器，用以储存预定的溢位补偿对照表，该溢位补偿对照表包含有多个溢位补偿参数；以及
图像信号处理器，用以接收包含有多个像素的图像信号，并对该图像信号的该等像素进行图像信号处理，该图像信号处理器并包含
溢位判断单元，用以依据该像素的灰阶值来判断该图像信号的该等像素是否已发生溢位现象；以及
溢位补偿单元，用以对该图像信号的该等像素进行补偿；
其中，当该溢位判断单元判断该图像信号的某一像素已经发生溢位现象时，该溢位补偿单元会依据该像素的灰阶值，选择该溢位补偿对照表中相对应的溢位补偿参数来调降该像素的灰阶值，以克服该溢位现象。
2、根据权利要求1所述的系统，其中该系统还包含有
预定的对比伸张对照表，包含有多个对比伸张参数；
图像灰阶边界判断单元，对于该图像信号的该等像素进行判断，以从中定义出最大值及最小值，并从该最大值及该最小值中计算出差值；以及
对比伸张单元，依据该最小值以及该差值以查询该对比伸张对照表，并选择出相对应的该等对比伸张参数，来对于该等像素进行对比伸张的调整。
3、根据权利要求2所述的系统，其中该系统连接于前级图像信号处理单元，用来对该图像信号进行相对应的前级图像信号处理功能，该前级图像信号处理单元包含亮度调整单元、对比调整单元、色相调整单元、饱和度调整单元、图像增强单元、色彩调整单元以及任何上述的组合。
4、根据权利要求3所述的系统，其中该图像信号的该像素包含有预定数目的位以用来记录该像素的灰阶值，当该图像信号经过该前级图像信号处理单元处理后或是经过该对比伸张的调整后造成该像素的灰阶值超过该预定数目的位时，该溢位判断模块则判断该像素已发生溢位现象。
5、根据权利要求4所述的系统，其中该对比伸张参数包含有至少一对比伸张调整值以及一对比伸张增益值，该对比伸张单元并以下列公式对于该图像信号中的像素进行对比伸张的调整
该像素调整后的灰阶值＝所选出的相对应对比伸张增益值*(该像素的原始灰阶值-所选出的相对应对比伸张调整值)。
6、根据权利要求5所述的系统，其中该图像灰阶边界判断单元以下列公式定义出该最大值及该最小值
该最大值＝该图像信号的所有像素的灰阶值中最大者；以及
该最小值＝该图像信号的所有像素的灰阶值中最小者。
7、根据权利要求5所述的系统，其中该图像灰阶边界判断单元会先舍去该图像信号的所有像素的灰阶值中最大者与最小者，并以下列公式定义出该最大值及该最小值
该最大值＝该图像信号的剩余所有像素的灰阶值中，最大5％的平均值；以及
该最小值＝该图像信号的剩余所有像素的灰阶值中，最小5％的平均值。
8、根据权利要求4所述的系统，其中每一该等像素分别包含红、绿、蓝灰阶值，而当该像素的红、绿、蓝灰阶值中的任一超过该预定数目的位时，该溢位判断模块会判断该像素已发生了溢位现象，而该溢位补偿模块则会依据该发生溢位像素的红、绿、蓝灰阶值中最大者，选择该溢位补偿对照表中相对应的溢位补偿参数，以便等比例来调降该像素的红、绿、蓝灰阶值，以使该像素的色彩表现与进行溢位补偿前相同。
9、根据权利要求1所述的系统，其中该溢位判断模块会循序对于该图像信号的每一个像素进行溢位判断，只有当该溢位判断模块判断该图像信号的某一像素已经发生溢位现象时，该溢位补偿模块才对于该发生溢位的像素的灰阶值进行调降，而未发生溢位的像素的灰阶值则维持不变。
10、根据权利要求9所述的系统，其中该等溢位补偿参数是选自下列的一溢位补偿增益值、输出灰阶值以及任何上述的组合，而该溢位补偿增益值的大小是相对于该像素发生溢位的大小而不同，而且为低于1.0的增益值。
11、根据权利要求9所述的系统，其中该输出灰阶值的取得是对于该发生溢位的像素的灰阶值进行分段，并对于不同段的灰阶值选择不同的溢位补偿增益值而得出。
12、一种图像信号处理方法，包含有下列步骤
于存储器中储存预定的溢位补偿对照表，该溢位补偿对照表包含有多个溢位补偿参数；
循序接收图像信号的多个像素；
依据每一该等接收的像素的灰阶值来判断该像素是否已发生溢位现象；以及
当该像素已经发生溢位现象时，依据该像素的灰阶值，选择该溢位补偿对照表中相对应的溢位补偿参数来调降该像素的灰阶值，以克服该溢位现象。
13、根据权利要求12所述的方法，其中该方法还包含有下列步骤
于存储器中储存预定的对比伸张对照表，该对比伸张对照表包含有多个对比伸张参数；
对于该图像信号的该等像素进行判断，以从中定义出最大值及最小值，并从该最大值及该最小值中计算出差值；以及
依据该最小值以及该差值以查询该对比伸张对照表，并选择出相对应的该等对比伸张参数，来对于该等像素进行对比伸张的调整。
14、根据权利要求13所述的方法，其中该图像信号的该像素包含有预定数目的位以用来记录该像素的灰阶值，当该图像信号经过一前级图像信号处理单元处理后或是经过该对比伸张的调整后造成该像素的灰阶值超过该预定数目的位时，则该像素已发生溢位现象。
15、根据权利要求13所述的方法，其中该对比伸张参数包含有至少一对比伸张调整值以及一对比伸张增益值，该方法并以下列公式对于该图像信号中的像素进行对比伸张的调整
该像素调整后的灰阶值＝所选出的相对应对比伸张增益值*(该像素的原始灰阶值-所选出的相对应对比伸张调整值)。
16、根据权利要求13所述的方法，其中该方法以下列公式定义出该最大值及该最小值
该最大值＝该图像信号的所有像素的灰阶值中最大者；以及
该最小值＝该图像信号的所有像素的灰阶值中最小者。
17、根据权利要求13所述的方法，其中该方法会先舍去该图像信号的所有像素的灰阶值中最大者与最小者，并以下列公式定义出该最大值及该最小值
该最大值＝该图像信号的剩余所有像素的灰阶值中，最大5％的平均值；以及
该最小值＝该图像信号的剩余所有像素的灰阶值中，最小5％的平均值。
18、根据权利要求14所述的方法，其中每一该等像素分别包含红、绿、蓝灰阶值，而当该像素的红、绿、蓝灰阶值中的任一超过该预定数目的位时，则该像素已发生了溢位现象，而该方法会依据该发生溢位像素的红、绿、蓝灰阶值中最大者，选择该溢位补偿对照表中相对应的溢位补偿参数，以便等比例来调降该像素的红、绿、蓝灰阶值，以使该像素的色彩表现与进行溢位补偿前相同。
19、根据权利要求14所述的方法，其中只有当该图像信号的某一像素已经发生溢位现象时，该方法才会对于该发生溢位的像素的灰阶值进行调降，而未发生溢位的像素的灰阶值则维持不变。
20、根据权利要求19所述的方法，其中该等溢位补偿参数是选自下列之一溢位补偿增益值、输出灰阶值以及任何上述的组合，而该溢位补偿增益值的大小是相对于该像素发生溢位的大小而不同，而且为低于1.0的增益值。
21、根据权利要求19所述的方法，其中该输出灰阶值的取得是对于该发生溢位的像素的灰阶值进行分段，并对于不同段的灰阶值选择不同的溢位补偿增益值而得出。
全文摘要
本发明提供一种图像信号的对比伸张与溢位补偿系统及方法，以避免信号饱和溢位时在显示器呈现出大面积的透亮的画面，并还原出画面原本的亮暗层次，提高观赏时的图像质量。该系统包含有至少一存储器以及至少一图像信号处理器。存储器中储存预定的对比伸张对照表以及溢位补偿对照表，图像信号处理器包含图像灰阶边界判断单元、对比伸张单元、溢位判断模块以及溢位补偿模块。当溢位判断模块判断图像信号的某一像素已经发生溢位现象时，溢位补偿模块会依据像素的灰阶值，选择溢位补偿对照表中相对应的溢位补偿参数来调降该像素的灰阶值，以克服溢位现象。
文档编号H04N5/57GK101102438SQ20061010319
公开日2008年1月9日 申请日期2006年7月7日 优先权日2006年7月7日
发明者余义盛, 高旭彬, 单益嘉, 蔡璨鸿 申请人:帆宣系统科技股份有限公司