专利名称：使用多压缩比的视频信号压缩装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种视频信号压缩装置，用于根据对依赖于特定分量在视频信号中出现的频率的每个分量规定的压缩比，压缩视频信号的分量部分。
在摄像系统的通常操作期间，在图像设备上的光入射量有几个数量级大小的变化。为便于由这样宽范围光强度组成的图像的存储和重放，应用了视频信号压缩技术，以减少需用来代表这种图像的信息总数。
在现有技术中，用于压缩视频信号的强度或亮度电平的装置被称为“拐点电路”。在Nakamura等人的美国专利号5,357,279中描述了几个现有技术的拐点电路的例子。该专利也转让给了本申请的受让人。一般拐点电路按照
图1中表示的固定传递函数来处理输入视频信号，根据这个函数，在到达单个“拐点”之前，输出视频电平是以第一恒定速率随输入视频电平而变化。“拐点”就是传递函数发生变化的输入视频电平。在拐点之后，输出视频电平以第二恒定速率随输入视频电平而变化，其中第二恒定速率小于第一恒定速率。
根据研究，已经确定特定输入视频电平出现的频率不必与输入视频电平成比例。例如，如在图2的频率分布图中说明的，输入视频电平的分布可能一般集中在两个特殊的输入视频信号电平的周围。在该图中，Y轴代表出现数，而X轴代表输入视频强度电平。出现数最好是在给定输入图像中具有特定强度或亮度电平的成像元素数，例如像素数。
将上述固定传递函数应用于图2表示的输入图像明显产生输出视频信号的低效分配。根据这种压缩方案，输入视频电平以两个不同的比率中之一被压缩，而与特定输入视频电平出现的实际频率无关。因此，一些输入视频电平被不必要地过度压缩，同时另一些输入视频电平又被分配太多的输出视频信号因而被压缩量小于最佳量。
因此，本发明的目的是提供一种利用多压缩的比率以不同量压缩不同输入视频电平的视频信号压缩装置。
本发明的另一目的是提供一种用于分析输入视频信号，以确定特定输入视频电平出现频率的视频信号压缩装置。
本发明的另外的目的是提供一种用于根据特定输入视频电平的出现频率分布输出视频信号的视频信号压缩装置。
本发明还有一个目的是提供一种使输出视频信号的分配适应输入视频信号的信号强度或亮度的分布的视频信号压缩装置。
本发明还有一个目的是提供一种将输出视频信号的较大量分配给比输入视频信号其它分量更频繁出现的输入视频信号的分量的视频信号压缩装置。
根据本发明的一个方面，提供一种用于压缩具有多个信号电平的输入视频信号以产生具有多个信号电平的输出视频信号的视频信号压缩装置。一设备接收输入视频信号，一分析设备分析输入视频信号，以确定输入视频信号中出现的信号电平的分布。一信号压缩设备按照分布的函数来压缩输入视频信号以产生输出视频信号。
根据本发明的另一个方面，提供用于压缩具有多个信号电平的输入视频信号以产生输出视频信号的视频信号压缩装置，一设备接收输入视频信号，和一信号压缩设备按照输入视频信号的信号电平的函数来压缩输入视频信号。根据至少三个不同的压缩函数压缩输入视频信号，以产生输出视频信号。
根据本发明的又一个方面，提供一种摄像系统，该摄像系统包括一个用于获得具有多个亮度电平图像信号的成像设备及一个用于按照亮度电平的函数来压缩图像信号、使图像信号按照至少三个不同的压缩函数压缩以产生视频信号的信号压缩设备。
当连同附图一起阅读时，从以下对所示实施例的详细描述，本发明的其它目的、特征和优越性将变得很明显，附图中相同的部件用相同的标号表示。
图1是在现有技术中使用的二重压缩比率的输出视频电平与输入视频电平的特性曲线图；图2是输入视频图像的视频电平的频率分布图；图3是根据本发明实施例的输出视频电平与输入视频电平曲线图；图4是根据本发明的实施例的拐点电路；和图5是根据本发明的包含拐点电路的CCD摄像系统。
根据本发明的实施例，视频压缩装置分析输入视频信号并构造它本身以在致力于开发输入视频信号特定特征过程中，调节输入视频信号的不同信号分量的压缩。在图3中提供了这样的自适应压缩技术的一种表示。
图3说明变换函数的例子，其中输出视频电平是根据相对于输入视频电平的几个不同比率来变化的。在此，“视频电平”是指信号强度(intensity)、亮度、色度、功率，强度(strength)或视频信号的任何类似的表示特性。如所描述，输出视频信号能够分布在零和信号的最大动态范围DR之间。逐段线性变换函数在零和最大强度电平Imax的输入视频电平之间延伸，并且是由九个线段组成，而每个线段具有自己的恒定斜率a0、a1、a2、……a8。除第一线段之外的每个线段是通过两个拐点(KP)来画出的，以致一般地说，拐点KPi和KPi＋1规定了具有a1斜率的线段，i是1和线段数k之间可变的整数。斜率a0的线段延伸在输出视频电平轴上的给定点和也简称写KP的KP1之间。
每个斜率ai表示要被应用到具有KPi到KPi＋1范围内电平的输入视频信号的特定量的视频信号压缩。由于以不同比率压缩输入视频信号的不同分量，这样就能达到对输出视频信号的更有效的分配。下面将更详细描述输出信号对输入视频信号各组成分量的分配和每个分量待压缩量的确定。
应该注意，虽然变换函数被描述为分成9段的递增函数，但是本发明不限于这种特别的例子。本专业的普通技术人员应理解，变换函数可以由任何数目的线段组成，而每个线段具有与紧邻线段不同的其自己的斜率，即a0、a1……ak。另外，传递函数也可以全部地或部分地递减，即，一个或多个斜率ai可以是负的。
由于以上述方式分析传递函数，因此有可能建立每个线段的斜率与在输入视频信号中得到相应输入视频电平的频率的关系式。例如，假设斜率a0的值等于1并且假设有总共k个线段，则输出视频信号的动态范围DR就能表示为KP+a1·Imax-KPk+a2·Imax-KPk+a3·Imax-KPk+···+ak·Imax-KPk=DR------(1)]]>该方程式简化产生Imax-KPkΣi=1kai=DR-KP------(2)]]>对上面方程重新整理，采用下面形式来表示所有斜率的ai的总和Σi=1kai=(DR-KP)·kImax-KP------(3)]]>在优选实施例中，每个线段的每个斜率ai，必然还有输入视频信号相应分量的被压缩程度，与输入视频信号的分量落在电平KPi到KPi＋1范围内的频率成正比例地加以分配，定义数量hi作为具有电平在KPi到KPi＋1范围中的输入视频信号的分量数目，包括斜率ai分配为ai=hiΣi=1khi·Σi=1kai-------(4)]]>将方程式(4)代进方程(3)，斜率ai就能表示为a1=hiΣi=1khi·(DR-KP)·kImax-KP------(5)]]>为完成具有斜率ai的每个线段的定义，须确定该线段的y-截距bi，就是说，确定在输出视频电平轴上经过该线段延伸的直线与输出视频电平轴相交的点。最好是，假设具有斜率a0的线段有零(b0＝0)的y-截距b0。根据这个假设，其它线段的y-截距bi可表示为bi＝KPi(ai-1－ai)＋bi-1(6)用所计算的每个线段的ai和bi的值，就能得到输入视频信号的每个相应分量的恰当的压缩量。照这样，输出视频信号的动态范围就根据输入视频信号的信号电平频率分布来分配。
虽然上述计算是分配输出视频信号的动态范围的最佳方式，普通技术人员应该理解，根据上述计算法的许多变化都属于本发明的范围，例如，不假设斜率a0的值或假设不同的值，类似的计算都是可能的。
在图4中说明执行上述的分配输出视频信号的方法的拐点电路。该拐点电路由拐点存储器10；斜率存储器11；截距存储器12；多路比较单元13、18和23；斜率选择器14、19和24；截距选择器15、20和25，乘法器16、21和26；加法器17、22、和27；最大值检测器28；比较器29-1、29-2……29-(2k-2)；“与”门30-1，30-2……30-(k-1)；计数器31-1，31-2，……31-(k-1)；和CPU32组成。通常，最大值检测器28，比较器29-1，……29-(2k-2)，“与”门30-1，……30-(k-1)；计数器31-1，……30-(k-1)；和CPU32一起工作，以确定输入视频信号的信号电平的分布，例如，基于实时、逐帧、逐场或类似形式的信号的频率分布。拐点电路的剩余部分的工作是按照已经确定的频率分布的函数来处理该输入视频信号或下一个输入视频信号。
由三个分量R输入、G输入和B输入组成的输入数字信号加到最大值检测器28。该检测器把具有最大电平的那个信号分量作为信号M1传递到比较器29-1……29-(2k-2)；如前所述，“电平”指的是视频信号的信号强度(intensity)、亮度、色度，功率，强度(strengh)或任何类似的表示特性。换一种办法，最大值检测器可传递在一段时间上具有最大平均电平的那个信号分量或采用一些其它的类似标准选择有待传递的信号分量。作为另外一个可采用的方法，最大值检测器28可由一加法电路来代替，该加法电路组合三个分量R输入、G输入和B输入，并将三个分量的组合作为信号M1提供给各比较器，组合的方法有直接加法，加权组合，例如，对应于亮度信号的(0.3R输入＋0.6G输入和0.1B输入)、或其他的RGB信号常规组合法。
拐点存储器10用预定数目的对应于各拐点KPi的信号电平值来预置，这些拐点将被用于把输入信号分成输入信号电平的一些区段。拐点存储器10把个别的拐点值提供到比较器29-1，……29-(2k-2)。因为拐点的确切数“k”将与特定应用有关，因此，以重复结构表示比较器、“与”门和计数器。一般来说，将存在(2k-2)个比较器29-(i)、(k-1)个“与”门30-(i)，和(k-1)个计数器31-(i)。
比较器和“与”门的构成是为了分离由最大值检测器28提供的M1信号的各信号电平的特定区段。如果M1落在KP1和KP2之间，比较器29-1和29-2把逻辑1输出信号提供到“与”门30-1。如果M1落在KP2和KP3之间，比较器29-3和29-4把逻辑1输出信号提供到“与”门30-2。以类似的方式，如果M1落在KP3和KP4之间，比较器29-5和29-6把逻辑1输出信号提供到“与”门30-3。如果M1落在由两个拐点限定的区段之外，则比较器中之一将把逻辑零的输出信号提供到相应的“与”门。
提供到“与”门30-1输入端的两个逻辑1信号使其提供逻辑1信号到相应计数器31-1，从而使其增加其动态计数值。“与”门30-2，……31-(k-1)与计数器31-2，……31-(k-1)分别连在一起，以类似的方式工作。计数器31-1，……31-(k-1)的每一个计算出信号M1含有给定电平区段之一内的分量的次数。总起来说，这些计数器产生信号M1的频率分布。随着信号M1或其某个细类，例如扫描行、场、帧等的结束，CPU32从每个计数器接收存储在其中的当前计数值，然后，各计数器复位。
于是，CPU32获得分成由拐点KPi限定的区段的信号M1的频率分布。利用上面提供的方程式(5)和(6)，CPU32分别对(k-1)个区段的每一个计算斜率a和截距b，并输出这些值作为信号A和B。信号A和每一斜率ai存入斜率存储器21，同时信号B以每一截距bi存入截距存储器12。
三个分量R输入、G输入、B输入也分别供到多路比较器单元13、18和23中的每一个，也分别供到乘法器16、21和26中的每一个。为简洁起见，仅详细描述信号R输入的处理，信号G输入和B输入的处理基本上与信号R输入的处理相同。当信号各部分相对于拐点KPi输入时，多路比较器13用于对信号R输入的电平分类，例如，单元13确定输入信号的每部分位于哪两个拐点之间。例如，单元13能够以与“与”门30-1，……30-(k-1)相连接的比较器29-1，……29-(2k-2)相类似的方式构成。
比较器单元13把它的分类i提供到斜率选择器14和截距选择器15。斜率选择器14利用数量i访问存储在斜率存储器11中相应的斜率ai并把斜率ai提供到乘法器16。截距选择器15利用数量i访问存储在截距存储器12中相应的截距bi并把截距提供到加法器17。
乘法器16把信号R输入的特定部分与斜率ai相乘，并把乘积提供到加法器17。加法器17把bi加到该乘积，以产生作为输出信号R输出的输出的总和。以类似的方式，形成了输出信号G输出和B输出。根据这种方法，输出信号的动态范围根据输入信号的频率分布被分配给相应的输入信号。
在图5中说明本发明的视频信号压缩装置的一个有效应用，即一个电荷耦合器件(CCD)摄像系统。CCD摄像系统由透镜41、CCD42、放大器43、预压缩器44、模/数(A/D)变换器45、图像增强器46，解压缩器47、拐点电路48，伽玛(γ)校正器49、和黑/白限幅器50组成。透镜41将从图像来的入射光聚焦到CCD42上。CCD42产生表示入射光的视频信号S1，并把视频信号S1提供到放大器43。放大器43把放大的视频信号传递到预压缩器44。
预压缩器44以及其相对的解压缩器47是分别用于压缩和解压缩视频信号S1的亮度部分的常规设备。例如，预压缩器44可以是现有技术的拐点电路。预压缩器44最好压缩原本可超过a/d变换器45的范围的视频信号S1的“高”亮度部分。在适当压缩之后，a/d变换器45把模拟视频信号S1变换成数字视频信号D1。信号D1由解压缩器47解压缩，以数字格式重新产生视频信号S1的亮度部分。信号D1也由图像增强器46处理，该图像增强器最好做到“突出”被CCD42固有特性滤除的入射光中的急剧变化，并产生细节信号。
最好是，解压缩器47用预压缩器44使用的相反方法解压缩信号D1的“高”亮度部分。解压缩信号提供到按照本发明的压缩方法压缩信号的拐点电路48。结合图4已经描述了拐点电路48的最优结构和工作。拐点电路48把已压缩信号提供到伽玛电路49以作伽玛校正。伽玛校正信号与细节信号相组合，并将组合后的信号提供到黑/白限幅器50。黑/白限幅器50最好将过分延伸出给定值范围两边界中任一个边界的组合信号“限幅”，于是，将该信号限幅到黑色或白色。
虽然本发明的实施例及其改进已经在本文中详细说明，本领域技术人员应该明白，本发明不限于这些不走样的实施例和改进，他们可作出其他的改进和变化而不脱离本发明由所附的权利要求限定的精神和范围。
权利要求
1.一种视频信号压缩装置，用于压缩具有第一多个信号电平的输入视频信号，以产生具有第二多个信号电平的输出视频信号，所述装置包括用于接收所述输入视频信号的装置；用于分析所述输入视频信号，以确定所述第一多个信号电平的分布的分析装置；和信号压缩装置，用于按照所述分布的函数压缩所述输入视频信号以产生所述输出视频信号。
2.根据权利要求1的装置，其所述分析装置包括频率分布装置，用于产生表示所述第一多个信号电平的频率分布的频率分布信号。
3.根据权利要求2的装置，其中所述信号压缩装置按照所述频率分布信号的函数来压缩所述输入视频信号。
4.根据权利要求2的装置，其中所述频率分布装置包括多个比较器，用于把每个所述第一多个信号电平与多个预定的信号电平范围相比较。
5.根据权利要求4的装置，其中所述频率分布装置还包括计数装置，用于计算出现在预定的信号电平区段中的每个所述多个信号电平。
6.根据权利要求2的装置，其中所述输入视频信号包括具有各个信号电平的多个分量信号，其中所述频率分布装置包括最大信号电平检测装置，用于检测具有最大信号电平的分量信号；多个比较器，用于把所述分量信号的各个信号电平与信号电平的多个预定范围相比较；和计数装置，用于计算出现在信号电平的每个所述多个预定区段中的所述分量信号的各个信号电平。
7.根据权利要求1的装置，其中所述信号压缩装置根据至少三个不同的压缩函数压缩所述输入视频信号。
8.根据权利要求7的装置，其中各个压缩函数是线性的。
9.根据权利要求1的装置，其中所述输入视频信号具有比所述输出视频信号大的动态范围。
10.根据权利要求1的装置，其中第一和第二多个信号电平是强度(intensity)电平。
11.根据权利要求1的装置，其中第一和第二多个信号电平是亮度(luminance)电平。
12.根据权利要求1的装置，其中第一和第二多个信号电平是色度(tone)电平。
13.根据权利要求1的装置，其中第一和第二多个信号电平是功率(power)电平。
14.根据权利要求1的装置，其中第一和第二多个信号电平是信号强度(strength)电平。
15.一种视频信号压缩装置，用于压缩具有第一多个信号电平的输入视频信号，以产生输出视频信号，所述装置包括用于接收所述输入视频信号的装置；和信号压缩装置，用于按照所述第一多个信号电平的函数来如此压缩所述输入视频信号，以致于所述输入视频信号根据至少三个不同的压缩函数被压缩，以产生所述输出视频信号。
16.根据权利要求15的装置，其中所述的函数依赖于所述输入视频信号达到某个预定电平的频率。
17.根据权利要求15的装置，其中所述的函数依赖于所述输入视频信号达到多个预定电平的频率。
18.根据权利要求15的装置，其中各个压缩函数是线性的。
19.根据权利要求15的装置，其中所述输入视频信号具有比所述输出视频信号大的动态范围。
20.根据权利要求15的装置，其中所述第一多个信号电平是强度(intensity)电平。
21.根据权利要求15的装置，其中所述第一多个信号电平是亮度(luminance)电平。
22.根据权利要求15的装置，其中所述第一多个信号电平是色度(tone)电平。
23.根据权利要求15的装置，其中所述第一多个信号电平是功率(power)电平。
24.根据权利要求15的装置，其中所述第一多个信号电平是信号强度(strength)电平。
25.一种摄像系统包括成像装置，用于获得具有多个亮度电平的图像信号；和信号压缩装置，用于按照所述多个亮度电平的函数来压缩所述图像信号以致于所述图像信号根据至少三个不同的压缩函数被压缩，以产生视频信号。
26.根据权利要求25的系统，其中各个压缩函数是线性的。
27.一种用于压缩各具有多个信号电平的第一输入视频信号和第二输入视频信号以产生输出视频信号的视频信号压缩装置，所述装置包括用于接收第一和第二输入视频信号的装置；分析装置，用于分析所述第一输入视频信号，以确定所述第一输入视频信号的多个信号电平的分布；和信号压缩装置，用于按照所述分布的函数来压缩所述第二输入视频信号，以产生所述输出视频信号。
28.根据权利要求27的装置，其中所述分析装置包括频率分布装置，用于产生表示所述第一输入视频信号的多个信号电平的频率分布的频率分布信号。
29.根据权利要求28的装置，其中所述信号压缩装置按照所述频率分布信号的函数来压缩所述第二输入视频信号。
30.根据权利要求28的装置，其中所述频率分布装置包括多个比较器，用于把每个所述第一输入视频信号的多个信号电平与各个信号电平的多个以预定的区段相比较。
31.根据权利要求30的装置，其中所述频率分布装置还包括计数装置，用于计算出现在各个信号电平的预定区段中的所述第一输入视频信号的多个信号电平中的每个信号电平。
全文摘要
视频信号压缩装置，用于分析输入视频信号，以确定各个信号电平的分布，并按照分布的函数来压缩输入信号，以产生输出视频信号。
文档编号H04N5/20GK1131372SQ9512099
公开日1996年9月18日 申请日期1995年12月26日 优先权日1994年12月26日
发明者河诚司, 须藤文彦, 木原拓 申请人:索尼公司