专利名称：对视频图像的对比度进行动态改进所用的方法及设备的制作方法
技术领域：
本发明所涉及的是对视频图像的对比度进行动态改进所用的方法及设备。
在视频显示器的设计领域对图像的对比度有强烈的需求，然而每个视频显示器的动态范围是有限的。尤其是平面显示屏如LCD(液晶显示器)及等离子体显示器，与CRT(阴极射线管)显示器相比动态范围较低。图像的对比度是不能简单地通过增加视频信号幅值的方式来提高的，因为超过了显示器的动态范围就会产生有害的干扰作用。
本发明的一个目的就是提供一种有效地利用显示器的动态范围来提高图像的对比度及质量的方法及设备。该目的是通过在权利要求1及10中提出的方法实现的。根据权利要求1中所提出的方法，对所显示的视频图像的画面内容进行分析，并在分析结果的基础上对对比度进行调整，借此对图像的对比度进行优化。更准确地说，本发明的根本方法就是对视频图像逐帧地进行实时分析并根据分析结果对一个转换函数进行调整，以便改进对比度进而实现最佳的图像质量。
为便于对本发明的方法叙述而辅加的具体实施例公开于其各自相关的权利要求。事实表明，二元段式转换函数的使用可以获得满意的效果。与权利要求2相对应的具体实施例中使用的优选的二元段或转换函数是由两段组成的而这两段是由一个自适应中心点分隔而成的。下面一段表示暗采样，而上面一段表示亮采样。
根据权利要求3，对于每帧图像要根据三个不同的特性，即图像平均亮度、暗采样分布和帧峰值进行分析。在一个优选实施例中，这三个参数均用于转换函数进行调整。
下段的增益自适应于暗采样分布(见权利要求5)。较高的增益来自于较少量的暗采样，而较低的增益来自于数量较大的暗采样。上段的增益自适应于帧峰值(见权利要求6)。其计算方法为对于全对比度而言，当测得的峰值低于额定峰值时，则增益向额定峰值靠拢。当测得的峰值等于或高于额定峰值时，则增益为1.0(即不变)。另一方面，计算出的理论增益被限制在一个最大值的范围之内，以免出现反常效果。
转换函数的第三个参数就是中心点。该点自适应于图像的平均亮度，能使发暗的图像变亮并增强对比度(见权利要求7)。低平均亮度值使该中心点向低位移动，而高平均亮度值使该中心点向高位移动(见权利要求8)。
一种新的峰值测定法已经研究出来并用于对峰值的宽度进行计算，以避免对分段增益的调制(见权利要求9)。
为了修平对比度改进方法的结果，图像分析器的值，即图像平均亮度、暗采样分布和帧峰值最好经过一个IIR(无限冲激响应)滤波器滤波。
与权利要求11中提出的方案相对应，本发明的对视频图像的对比度进行动态改进所使用的设备包括一个图像分析器，用于根据图像的内容对视频图像进行分析；还包括一个转换函数适配器，根据图像分析器获得的结果，对用于对比度改进的转换函数的参数进行修改。
为便于对本发明的设备进行叙述而附加的具体实施例见于其各自相关的权利要求。
为制备与视频信号的信噪比相适应的亮度信号，配备了一个自适应信号分离器，将使亮度信号降低的干扰信号分离出来，然后供转换函数适配器处理(见权利要求12)。
根据权利要求13，自适应信号分离器包括一个滤波器，对亮度信号进行滤波，而亮度信号的低通成份被送往图像分析器。经过低通滤波的信号要经过图像分析以降低干扰的影响。
根据权利要求14，在本发明的改进设备的一个更为具体的实施例中，自适应信号分离器包括一个自适应采样器，通过对亮度信号的信噪比进行估算，并对亮度信号的高通分量施加一个相应的采样电平的方式将亮度信号的高通分量同干扰信号和微弱的清晰度信号分离。使信号分量降低的该干扰信号是附加的低通分量信号，这样，就提供了在权利要求12中命名的降低亮度信号的干扰信号。
利用权利要求15中给出的方法，还能够实现进一步的改进。将干扰信号和已被自适应采样器抑制的含有信号分量的微弱的清晰度信号加到经过二元段式转换的结果输出信号上有利于在不损失微弱的清晰度信号的情况下降低干扰的扩大。而用其他方法，由于采样功能不对干扰信号和图像信号进行鉴别，则因为高频低幅信号分量的损失，就会引起清晰度的损失。
为了便于对彩色饱和度亮度分量的处理效果进行补偿，设置了一个彩色饱和度补偿器，对色度信号进行处理，进而实现了对这一效果的补偿。
本发明的典型实施例示于各附图中，并将在下面的说明中加以更为详细的解释。在这些附图中
图1示出了用于对比度改进的一个二元段式变换函数的图像；图2示出了动态对比度改进设备的顶层方框图；图3示出了一个自适应信号分离器的方框图；图4示出了在自适应信号分离器中使用的一个低通滤波器的方框图；图5示出了在自适应信号分离器中使用的一个自适应取样器的方框图；图6示出了一个图像分析器的方框图；图7示出了包含于图像分析器中的平均亮度分析器的方框图；图8示出了包含于图像分析器中的暗采样分布分析器的方框图；图9示出了包含于图像分析器中的帧峰值分析器的方框图；图10示出了包含于图像分析器中的一个IIR滤波器和一个参数计算器的方框图；图11示出了一个转换函数适配器的方框图；图12示出了一个彩色饱和度补偿器的方框图；图13示出了包含于图像分析器中的供替换用的帧峰值分析器的方框图。
本发明的动态对比度改进方法DCI的基本功能就是对图像逐帧进行实时分析并根据分析结果对一个转换函数的参数进行调整，以便获得最佳的图像质量。由于视频信号的亮度信号分量是决定图像对比度的主要因素，因此新的动态对比度改进方法只将亮度信号输往转换函数适配器，转换函数适配器为每个亮度信号点(视频图像的像素)分配一个输出值，进而产生经过改进的图像的对比度和质量。
该过程示于图1，图中示出了转换函数的效果。在所示图像的X方向描述的是输入的亮度值Y_IN。在所示图像的Y方向描述的是输出亮度值。在两种情况下亮度值均是以在视频信号处理领域中常用的单位IRE(无线电工程师协会)给出的。亮度值为100 IRE的亮度信号表示标准视频信号的白电平，而亮度值为0 IRE的亮度信号表示标准视频信号的黑电平。
对于不同种类的显示器要进行专门的调整，以便于对于标准的视频信号测试模型而言能够再生最佳的黑色与白色。例如，在电视影片中出现暗色场面时，不论是否进行专门调整，所显示的视频图像的黑白对比的值都低，图像看起来不清晰，或者模糊等。因此，对动态对比度的改进有着强烈的需求。当未进行对比度改进时，转换函数的图像为一条直线，其斜率为1，如图1中参考标号10所示。
在本发明中使用了一个具有一个自适应中心点的二元段式转换函数，见参考标号11。图像的两段的斜率可以不同，而自适应中心点12即是两段的交点。二元段式转换函数的参数是两条线段的斜率值(以下称为段增益值)和中心点12的位置。下段表示暗采样，而上段表示亮采样。
下段的增益自适应于暗采样分布。较高的增益来自于较少量的暗采样，而较低的增益来自于数量较大的暗采样。该增益限制于下面给出的范围之内1.0≤段1增益≤最大增益1在本发明的一个优选实施例中，最大增益1的值为1.5。
上段的增益自适应于帧峰值。其计算方法为当测得的峰值低于额定峰值时，则增益向额定峰值方向靠拢。如果测得的峰值等于或大于额定峰值时，则增益为1.0(不变)。此外，计算出的理论增益被限制在一个最大值的范围之内，以免出现反常效果。
1.0≤段2增益≤最大增益2在本发明的一个优选实施例中，最大增益2的值为1.7。
转换函数的第三个参数就是中心点。该点自适应于图像平均亮度，能被发暗的图像反差变强并变亮。低平均亮度使该中心点向低位移动。而高平均亮度使该中心点向高位移动。在图1中示出，为便于实现，该中心点总是位于直线10上，而且它的可能的最低位置是点(X=7IRE,Y=7IRE)，可能的最高位置是点(X=40 IRE,Y=40 IRE)，见参考标号13和14。
下面，对本发明的动态对比度改进设备进行详细描述。图2示出了这一设备的顶层方框图。它由五个主框自适应信号分离器20、转换函数适配器30、图像分析器40、彩色饱和度补偿器50和干扰估算器60组成。该设备有4个输入信号，即视频信号的亮度信号Y_IN、来自前一个半帧的亮度信号Y_INPF、以及色度信号U_IN和V_IN。在这四个输入信号的基础上生成三个输出信号，即经过校正的亮度信号Y_OUT，和经过校正的色度信号U_OUT和V_OUT。这些输出信号可用于进一步的处理或者显示。
下面对自适应信号分离器的功能进行说明。自适应信号分离器由主要部件低通滤波器210和自适应采样器220组成。该部件对亮度信号进行处理使之与亮度信号的信噪比相适应，并输出进一步处理所需要的三个不同信号SMALL_DTL、Y_CORED和Y_LP。如图3所示，亮度信号Y_IN由低通滤波器210进行滤波。经过低通滤波的信号Y_LP供图像分析器40使用，如图2所示。亮度信号的高通分量是在加法器201中简单地通过从输入信号Y_IN中减去经过低通滤波的信号Y_LP而生成的。高通分量信号Y_HP被送往自适应采样器220，在这里，低于采样电平的干扰及清晰度信号被分离。采样电平是通过对由图2中的方框60给出的信噪比SNR进行估算的方式确定的。自适应采样器220输出信号Y_HP_C在加法器203中与低通信号Y_LP相加。其结果是弱化的干扰信号Y_CORED。该信号被送往转换函数适配器30进行进一步处理。
由于采样功能并不在干扰信号与图像信号之间作出识别，因为对高频低幅图像信号的忽略，将会造成清晰度的损失。因此，受到采样器220削减的信号量SMALL_DTL在整个DCI-处理(动态对比度改进处理)之后被再次与经过处理的信号Y_PWL相加，见图2。这一过程可以在不损失微弱的清晰度信号的情况下降低干扰的增长。
低通滤波器的结构示于图4。这是一个常见的低通滤波器结构。其中，参考标号2110表示延时器，参考标号2120表示求和级，而参考标号2130表示分离级。该低通滤波器在700KHz左右有一个-3dB的频率限制。
自适应采样器220的结构示于图5。其中，参考标号2210表示一个最大值选择器，参考标号2220表示一个最小值选择器。参考标号2230表示一个反相器，执行与因子-1相乘的功能，而参考标号2240为一个加法器。自适应采样器220的功能以一目了然的形式示于图5中。
接着，对图像分析器40进行更为详细的解释。动态对比度改进处理过程DCI的基本功能是逐帧地对图像进行实时分析并根据分析结果对一个二元段式转换函数的参数进行调整以便获得最佳的图像质量。对于每帧图像要从其三个不同特性上，即图像平均高度、暗彩样分布和帧峰值上对其进行分析。图像分析器40的方框图示于图6。参考标号410、420、430分别表示平均亮度分析器、暗采样分布分析器和帧峰值分析器。这些装置的输出结果在一个IIR滤波及参数计算器450中进行处理。经该装置的处理之后，二元段式转换函数的参数已经生成并被送往下一帧而非当前帧，因为无论如何滤波总是必要的，而对微小的时间变化的即时反馈却是不需要的。
在电视机中，图像的格式在使用中是可以改变的，如在图像放大或是接收到不同格式的如信箱格式的图像的时候。当接收到信箱格式的图像时，并非所有的显示区都包括激活的视频部分。在图像放大的应用场合，也并非是所有被激活的视频行均要被显示。因此必须谨慎。图像分析功能不能被未被激活的部分及不被显示的部分所误用。为此，在分析窗口部件440中定义了一个分析窗口。该分析窗口在显示图像尺寸的范围内定义一个区域供分析使用。DCI功能的分析在该窗口之内被激活而在窗口之外则被无效。通过这种方法，也可以用小标题或登录的方式使分析功能无效。该分析窗口可以由用户通过置入W_US信号的方式，或者由检测图像格式及尺寸的装置W_PES来定义。
下面对平均亮度分析器410进行详细描述。二元段式转换函数的中心点是与图像平均亮度的值相匹配的。对于暗图像(具有低平均亮度值)而言，该点向低值运动，而对于亮图像(具有高平均亮度值)而言，该点向高值运动。分析是如图7中所示的那样进行的。低于常量存储器4173中所存的暗级阈值(=114)的所有采样均被认为是暗采样。寄存器4150的值就是对这种采样中的每一个采样的累加结果。当寄存器的值等于变量存储器4170中所存的参数值SENS时，则该寄存器被清零，而一个进位1被加入到平均寄存器4160中。
高于常量存储器4172中所存的亮级阈值(=106)的所有采样均被认为是亮采样，但他们并不象暗采样那样被简单地计数。它们采样值也要加以考虑，以便进行分析。因此，对于平均亮度分析而言。暗区采样与亮区采样具有不同的分布。寄存器4140对由下面的式子给出的值进行累加值=limit((Y_LP-阈值)，0,127)只要寄存器的值要低于常数值SENS×32。当寄存器4140中的值大于等于32×SENS时，则该值被由下面的式子给出的值替代寄存器A=limit((Y_LP-阈值)，0,127)+(寄存器-A-32×SENS)而且根据下面的公式从平均寄存器4160的内容中减去进位K寄存器C=寄存器C-K使用两个不同的阈值在暗采样与亮采样之间作出决断的原因在于所需的软过渡。在一个称为过滤范围的小范围内，阈值114与106并行使用。在该过渡范围内的所有采样都要经过由寄存器4150及4140表示的暗采样及亮采样计数器的估算。平均亮度分析函数可通过下面给出的方程来描述
其中各变量的含义如下tsn分析窗口内的总的采样数量P暗与tsn相关的暗采样数量Pi与tsn相关的具有i值的亮采样数量，
i=limit((采样-阈值)，0,127)SENS参数，用于确定灵敏度K参数，加权因子分析是只针对分析窗口内的采样的，而且是逐帧进行的。分析结束时寄存器4160即包含了有关图像平均亮度的信息。该结果根据给定的范围经限幅器4120限幅，并在除法器4182中被除以2。最终的平均亮度信息决定转换函数中心点的位置。在对下一帧图像进行的分析开始之前，所有的寄存器均由帧清零脉冲进行清零。
现在参照图8对暗采样分布分析器420的功能进行说明。幅值范围从0IRE到18IRE，分5步进行量化，以便对暗采样分布进行分析。幅值在18IRE以下的采样被认为是暗采样。其量化值被计入寄存器4210，只要该寄存器的值低于常量存储器4270中的参数值SENS即可。如果该寄存器的值大于等于参数值SENS，则其值被根据下面给出的公式计算出来的值替换
而且，值为D的进位被从分布寄存器4220中减掉。寄存器4230对总的采样数量进行计数。它的值是通过对分析窗口内的每个采样的值进行累加而生成的。如果计入的采样数量等于参数值SENS，则该寄存器被清零，而进位1被加到寄存器4220。
分析是逐帧进行的，而且是只对分析窗口中的采样进行的。在分析结束时，寄存器4220中包含了有关暗采样分布的信息并决定了二元段式转换函数的下段的段增益。而且这里，在开始对下一帧进行分析之前，所有的寄存器均被清零。
下面参照图9对帧峰值分析器430的功能进行说明。最大帧峰值是由图9中给出的电路测定的。每次检测，最大值被存于寄存器4310中。测出的帧峰值被限制在一个特定的范围之内，以便使在另一个框图中计算出来的段增益永不低于值1.0并永不超出一个预定的最大值。象下面所要解译的那样。帧峰值决定二元段式转换函数的上段的增益。相对简单的峰值检测，如利用如图9中所示的峰值检测器进行检测，会产生使段增益过分敏感的问题。甚至可能由于反射光的存在而在低峰值的暗图像中出现高幅值的小尖峰。即使图像的内容不变，这种小尖峰的幅值也可能在时间上出现变化。这就导致了对段增益的调制。为有效地避免这种有害的后果。本发明的另一想法就是把峰值(最亮部分)的规模也考虑在内。
完成这一任务的就是在图13中示出的替换帧峰值分析器430的一个具体实施例。其中，所有在图9中有相同对应部分的部件均采用与在图9中所示相同的参考标号。图13中起预测作用的峰值检测器允许置入所要求的以象素数量为单位的峰值规模(PEAK_SIZE)。与峰值规模值相对应，下面的方程给出峰值采样值Peak_samplen=min(PEAK_SIZE,11)0≤n≤11peak_sample=min(2n+4,(215-1))16≤Peak_sample＜215被置入的与峰值检测相关的幅值范围从最小峰值185到最大值240(无符号的8位二进制亮度信号)。该范围再被细分为16个离散区域。在每个区域中设置一个比较器4370和一个计数器4380。每个计数器对幅值高于或等于一个阈值的采样进行计数，而阈值thr-00至thr_15输往相应的对较器。计数器4390在一帧图象期间进行计数，计数的值从零到上限峰值Peak_sample，而该上限峰值是由上面的方程式给出的。每个计数器4380对帧峰值的作用是由计数器的值决定的。Peak_sample的值被认为是100％的作用而零值被认为是0％的作用。一个计数器的Peak_sample值意味着在给定的阈值的作用下的100％的峰值检测。计数器4380的计数值达到最大值Peak_sample时停止计数。在分析结束时，计数器的值在加法器4390中进行累加求和并规格化。这是通过在移位器4393和4395中执行简单的右移操作来完成的。由于精度要求，求出的总和在移位器4393中首先只移n位，而不是(n+4+4)位。然后，该结果在乘法器中被乘以步骤数55(最大峰值与最小峰值之间的差240-185=55，得出步数)。最终的标准化是在移位器4395中进行右移8位(二进制位)操作完成的。该结果是与最小值185相关的相对峰值。在加法器4396中算出的相对峰值与最小峰值的和即为绝对峰值。最小值选择器4331和左向移位器4391、4392根据预定的峰值规模值PEAK_SIZE为计数器4380确定上限值(Peak_sample)。
阈值thr_j是由下面的方程给出的thr_j=185+(int)(55.0*(j+1)16.0+0.5)0≤j<16]]>对于值j=0至15，该公式的结果示表下表
图像分析器为每帧图像提供有关平均亮度、暗采样分布及帧峰值的信号。这些信息的值决定供下一帧图像使用的转换函数的性能。这三个值都要经IIR滤波器(不定量脉冲滤波器)滤波并被逐帧存储。该滤波器在图10中用参考标号4520表示，由乘法器4521、位移器4522与4523、加法器4524和常量存储器4543构成，其中位移器4522和4523分别使用因数22=4和24=16将输入的采样分开。该滤波器的时间常数是通过用户分别在变量存储器4540、4541和4542中置入平均亮度值对应的AB_FC、与暗采样分布值对应的DS_FC和与峰值对应的PK_FC而确定的。这三个图像分值的滤波是用在图10中所示的同一个硬件以时分多路复用的方式完成的。多路复用控制信号MUX_CTRL对相应的多路复用器4510进行控制。在滤波过程中以及在参数计数器450中的所有计算都是在垂直消隐时间内进行的。
经过滤波的值用于对二元段式转换函数的参数进行计算。经过滤波的平均亮度信息除以4后用所得的商去减常量106，所得的结果即为中心点的值(TF_DPP)。经过滤波的暗采样分布值在位移器4570中被4除，所得的商即为二元段式转换函数的第一段(下段)的增益。为得到第二段(上段)的增益，要进行附加处理，从经过滤波的峰值导出。对增益进行计算的目的是使经过滤波的低于100 IRE的峰值转换为100 IRE。如上所述，测出的峰值在帧峰值分析器430中被限制在一个特定范围内，以便使段增益不低于1.0，也不超过预定的最大值，如1.7。最大增益是为了保持逼真的图像质量而定义的，这些条件以下面的数学形式表示peak=limit(peak,MINPEAK,100IRE)1.0≤GAIN_SEG2≤max-gain2如在下面的方程式中给出的，该增益是通过经过滤波的峰值和中心点的位置来确定的。GAIN_SEG2=Y100IRE-TF_DPPFR_PEAK_FILE-TF_DPP]]>其中的变量表示GAIN_SEG2二元段式转换函数的第二段的增益Y100IRE亮度信号值100IRETF_DPP转换函数中心点的值FR_PEAK_FILT经过滤波的亮度峰值根据该方程对段增益进行计算要作一个除法。这可以利用乘法器4581并查找表格4550来完成。该查找表格包含着下式的结果。1FR_PEAK_FILE-TF_DPP]]>其精度为n个二进制位，下面表中给出X=FR_PEAK_FILT-TF_DPPXmin=FR_PEAK_FILTmin-TF_DPPmaxXmax=FR_PEAK_FILTmax-TF_DPPminROM_Address=X-XminROM_Value=2n/X n小数点后的位数当FR_PEAK_FILTmin=185 FR_PEAK_FILTmax=240TF_DPPmin=32 TF_DPPmax=106
亮度信号的高于中心点的转换函数段由下面的方程给出Yout=gain_seg2*(Ym-TF_DPP)+TF_DPPYm＞TF_DPP其中Yout输出亮度信号Yin输入亮度信号当面增益被分为整数和小数两部分时，其中整数部分恒为1，下面二式生效GAIN_SEG2=GAIN_SEG2_INT+GAIN_SEG2_FRC=1+GAIN+SEG2_FRCYout=GAIN_SEG2_FRC*(Ym-TF_DPP)+YmYm＞TF_DPP只用小数部分可以节省一位。因此，整数部分被从算出的增益中减去。结果被写入寄存器4533。算出的参数TF_DPP,GAIN_SEG1_FRC和GAIN_SEG2_FRC分别定义了转换函数动态中心点、一段增益的小数部分和二段增益的小数部分。它们均被输往二元段式转换函数部件。计算最迟必须在下一帧的第一个被激活的数据之前完成。这些参数在该帧的被激活的数据流通过期间被冻结。
下面参照图11对转换函数器30进行详细解释。
动态对比度改进的视频处理过程主要是在二元段式转换函数的基础上进行的。参数是由共用IIR滤波器和参数计算器提供的。二元段式转换函数的应用可以用下面的数字表达式顺利地表达出来当Y_CORED≤TF_DPP时Y_DSTF=(Y_CORED-TF_DPP)*GAIN_SEG1_FRC+Y_CORED当Y_CORED＞TF_DPP时Y_DSTF=(Y_CORED-TF_DPP)*GAIN_SEG2-FRC+Y_CORED其中Y_CORED 输入信号Y_DSTF 输出信号TF_DPP 转换函数动态中心点GAIN_SEG1-FRC一段(下段)增益的小数部分GAIN_SEG2-FRC一段(上段)增益的小数部分DCI处理过程可以通过用户置入参数DCI_ON来启动及关闭。在水平和垂直消隐期间，该过程由复合消隐信号COMP_BLANK来关闭。这些计算的硬件执行过程以一目了然的方式在图11中示出。
由于在转换函数中进行的非线性亮度处理，彩色饱和度发生变化。这种后果要由具有补偿增益的色度采样放大来补偿。这一步骤是在图12中详细展出的彩色饱和度补偿器50中进行的。该部件的基本功能用下面的公式表示GAIN_CSC=Y_DSTF-YblY_CORED-Ybl]]>其中Y_CORED二元段式转换函数的输入亮度值Y_DSTF 二元段式转换函数的输出亮度值Yb1黑表达式1/(Y_CORED-Yb1)由查找表格520近似得出。增益值即为(Y_DSTF-Yb1)*(1/Y_CORED-Yb1)的乘积。
彩色饱和度补偿只施于欠饱和的色彩。不饱和出现于中心点到100 IRE的第二段。在从0 IRE到中心点的第一段，彩色饱和度只能增加。在该区域进行补偿将使色彩减弱。
查找表格的内容可用下面的表达式给出X=Y_CORED-Yb1当Y_CORED＞TF_DPPmin时Y_COREDmin=TF_DPPmin+1Xmin=Y_COREDmin-Yb1ROM_Value=2n/XROM_Address=X-Xmin当X≥Xmin时n是小数的位数，决定近似的精度。
对于Xmin=17,Xmax=238
在很少有的情况下经过补偿的彩色分量值能够超过用给定的位数表示的最大范围。因此，该最大值允许用分量绝对值计算器561、最大值选择器530、限幅器512、加法器570、常量存储器553，查找表格521和位移器541来为每个彩色采样计算彩色补偿增益。如果彩色饱和度补偿增益大于允许值则用查找表格521对其进行限制，以免出现显然的色度误差。
现在对用于确定彩色饱和度补偿增益的用于替换的具体实施例进行描述。根据该替换实施例，彩色饱和度补偿增益由下式确定CSC_GAIN=Y_PWL/Y_CORED其中Y_PWL是对亮度分量应用二元段式转换函数之后亮度输出信号，而Y_CORED是接受转换函数作用的输入亮度信号分量(见图2)。
对于每个色度数据对U和V，一个允许的最大值彩色饱和度补偿增益CSC_GAINmax可以用下式进行计算CSC_GAINmax=max_value/max(abs(U),abs(V))其中，max_value对于一个给定的色度值表达式而言是恒定的，例如，对于一个带符号(指正、负号)的8位表达式而言max_value等于+127。Max(abs(U),abs(V))代表一个色度数据对的最大绝对值。如果根据上式计算出的彩色饱和度补偿增益CSC_GAIN大于允许的最大增益CSC_GAINmax,则使用允许的最大增益CSC_GAINmax，以避免由于U或V值的限制而起的色度误差。
下面，对着关干扰估算器60的一些细节进行解释。在自适应信号分离器中使用的采样阈值SNR决定着在经过处理的亮度信号中高频小信号的幅值受到抑制的程度。最理想的是，对于低噪声的视频设备设置小采样阈值，而对于有噪声的视频设备设置大采样阈值。系统的性能可以根据视频设备的噪声幅度通过调整采样阈值的方式进行优化。而该噪声就是通过干扰(即噪声)估算器60测得的。
干扰估算器60对视频信号的激活分量中的噪声的幅度进行估算。通常，在每幅画面中存在着视频内容变化最小的区域。这些区域适用于噪声测量。几乎是代表同一空间位置的连续场(即隔行扫描的半帧)的像素通常是紧密相关的，而绝对的差别就提供了噪声的信息。由于噪声统计上的偏差，就有必要求出噪声幅度的平均值。每个场被细分成由像素组成的64个区域。在每个区域上对相邻场之间的像素的绝对差别进行平均。在空间及/或时间上产生变化的区域并不能提供准确的噪声幅度。对它们的估算可能会导致远高于实际存在的噪声幅度的估算噪声。因此，选取噪声幅度最小的区域进行噪声估算。这用下面提供的公式来表示Noise_level-min(Noise_level,Σj=063abs(Xj-Xpfj))]]>其中Xpixel当前场的像素jXpf 前一场的像素j新的动态对比度改进方法及设备将主要用于视频显示设备如直视型电视机或者投影电视机。在等离子体及LCD显示设备中，它的应用会带来更大的好处。
新的动态对比度改进方法已经利用硬件设备方框图进行了详细解释。自不待言。可以用相应的软件方框图来取代给出的方框图进行说明。
本发明并不仅限于已给出的具体实施例。作出各种修改是可能的，并被认为属于权利要求的范围之内。例如，总的来看与二元段式转换函数相比稍有不同的转换函数是可以使用的。更准确地说，对给定的关于中心点的位置的限制是可以修改的。整个的动态对比度改进方法及设备是与逐帧处理的系统相匹配的。而对于逐场处理的系统而言，就要作出修改。
权利要求
1．一种对视频图像进行动态对比度改进的方法，其特征在于，包括的步骤为根据其图像内容逐帧或者逐场地对视频图像进行实时分析，和对转换函数(11)的参数(TF_DPP,GAIN_SEG1-FRC,GAIN_SEG2_FRC)进行调整，这些参数决定着视频的用于对比度改进的亮度及/或色度信号的改变程度。
2．根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中转换函数是(11)一个二元段式转换函数，具有一个自应用中心点，将该函数分为两段。
3．根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，其中利用下述特性中的一个或几个特性对图像的帧或场进行分析-图像平均亮度-暗采样分布-帧或场峰值。
4．根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，其中视频图像的分析是在一个分析窗口中进行的，该窗口是预置的或者是根据接收到的图像格式在尺寸上进行调整的。
5．根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，其中暗采样分布值(DRKS_DIST)用于确定二元段式转换函数的下段的段增益(GAIN_SEG1_FRC)。
6．根据权利要求3至5中任意一项所述的方法，其特征在于，其中帧/场峰值(FR_PEAK)用于确定二元段式转换函数的上段的段增益(GAIN_SEG2_FRC)。
7．根据权利要求3至6中任意一项所述的方法，其特征在于，其中自适应中心点(12)自适应于图像平均亮度值(h_BR)。
8．根据权利要求7所述的方法，其特征在于，其中对于具有相对较低的平均亮度值的暗图像而言，自适应中心点(12)向低值方向运动，而对于具有相对较高的平均亮度值的亮图像而言，该点向高值方向运动。
9．根据权利要求3至8中任意一项所述的方法，其特征在于，其中峰值的宽度被纳入对帧/场峰值进行分析的计算之中。
10．根据权利要求3至9中任意一项所述的方法，其特征在于，其中图像平均亮度值(AVTG_BR)、暗采样分布值(DRKS_DIST)和帧/场峰值(FR_PEAK)要经由一个IIR滤波器(4520)滤波。
11．用于视频图像的动态对比度改进的设备，其特征在于，其中包括一个图像分析器(40)，用于根据图像的内容对视频图像逐帧或逐场进行分析；和一个转换函数适配器(30)，其转换功能用于根据图像分析器的结果对视频图像的亮度及/或色度信号进行修改。
12．根据权利要求11所述的设备，其特征在于，还包括一个自适应信号分离器(20)，用于分离出降低亮度信号(Y_CORED)的干扰信号，该干扰信号将在转换函数适配器(30)中进行处理。
13．根据权利要求12所述的设备，其特征在于，自适应信号分离器(20)包括一个低通滤波器(210)，视频图像的亮度信号(Y_IN)在这里滤波，亮度信号的低通分量被送往图像分析器(40)。
14．根据权利要求13所述的设备，其特征在于，还包括一个自适应采样器(220)，用于通过对亮度信号的信噪比进行估算的方式将亮度信号的高通分量(Y_HP)同干扰及微弱的清晰度信号分离，而相应的采样电平被施加于亮度信号的高通分量(Y_HP)。
15．根据权利要求14所述的设备，其特征在于，其中受到自应用采样器(220)抑制的信号分量产生于自适应信号分离器(20)的一个输出端(SMALL_DTL)并被送往加法器(70)与转换适配器的输出信号相加。
16．根据权利要求11至15中任意一项权利要求所述的设备，其特征在于，其中的图像分析器包括下述部件中的一个或几个部件-平均亮度分析器(410)，-暗采样分布分析器(420)，-峰值分析器(430)。
17．根据权利要求11至16中任意一项权利要求所述的设备，其特征在于，其中的峰值分析器(430)包括多个计数器(4380)，根据相应的阈值(thr_00至thr_15)对像素值进行计算，计算结果被求和，用以确定峰值。
18．根据权利要求11至17中任意一项权利要求所述的设备，其特征在于，其中还包括一个彩色饱和度补偿器(450)，用于对在转换函数适配器(30)中对亮度分量进行非线性处理而产生的彩色饱和度方面的效果进行补偿。
19．根据权利要求18所述的设备，其特征在于，其中的彩色饱和度补偿增益(CSC_GAIN)是由下面的公式决定的CSC_GAIN=Y_PWL/Y_CORED其中，Y_PWL是在对亮度分量应用二元段式转换函数之后的亮度输出信号，而Y_CORED是转换函数所应用的输入亮度信号分量。
20.根据权利要求19所述的设备，其特征在于，其中对于每个色度数据对U和V而言，所允许的彩色饱和度补偿增益的最大值CSC_GAINmax是由下面的公式计算CSC_GAINmax=max-value/max(abs(U),abs(V))其中，max_value对于一个给定的色度值位数表达式而言是固定的，而max(abs(U),abs(V))表示一个色度数据对的最大绝对值。
全文摘要
在此提出一种对视频图像的对比度进行动态改进所用的方法及设备。对于要求图像的对比度较高而每个视频显示器的动态范围有限的情况，不能简单地通过增大视频信号幅值的方式来增强图像的对比度，因为在某些视频画面中超过了显示器的动态范围会产生有害的干扰后果。根据本发明的基本方案，对视频图像逐帧进行实时分析，并根据分析结果对用于对比度改进的转换函数的参数进行调整，以获得最佳的目标图像质量。
文档编号H04N5/205GK1237850SQ99107739
公开日1999年12月8日 申请日期1999年5月28日 优先权日1998年6月2日
发明者扎姆沙·阿克巴伊尔 申请人:德国汤姆森-布兰特有限公司