专利名称：快速位延伸装置与方法
技术领域：
本发明系为一种图像处理装置与方法，尤指一种应用于8位与10位的模拟/数字转换器的快速位延伸装置与方法，可在作图像后处理前，提供补偿位，以降低经过图像后处理以后的色彩失真度。
图像位深度(Image bit depth)决定了扫描器输出图像色调的正确性，是扫描器各厂商除价格战之外，另一主要竞争诉求项目。现有市售扫描器从24-位彩色(color)，30-位彩色，36-位彩色，甚至到42-位彩色，不一而足。这些产品主要是用来处理图像信息的模拟/数字转换器(A-D converter)的能力不同。一颗8位模拟/数字转换器每一频道(channel)可输出256(28)级的图像信号，即可输出24-位(24-bit)彩色图像。而12位模拟/数字转换器的每一频道可有4096(212)级的输出。但是，不管扫描器内部是用多少位的模拟/数字转换器在拾取图像，最后还是要转换成每一频道8-位的输出到屏幕显示，或到印表机列印。而且，绝大部分的图像处理软件也只能接受8-位灰度等级(gray)或24-位彩色的图像数据，所以这些多出来的位(bit)数在图像由扫描器输出到电脑后，就闲置了。一旦使用者在对扫描图像作后处理，如gamma校正(gammacorrection)，强化/阴影调整(highlight/shadow adjustment)等，那些额外的位便可发挥功效了。
以gamma校正为例，gamma校正是将暗级的部分色级拉高，以使色彩变亮，提高可见度。
图1A是未作任何处理的原始扫描数据某一频道的直方图(histogram)，因所有256级的数据都可表现出来，所以直方图看起来是连续的。若三个频道都可表现256级的颜色，则24-位彩色所能表现的颜色可达16777216(256×256×256)。
图1B和图1C是作了gamma校正处理的扫描数据某一频道的直方图。图1B是用gamma值1.4。图1C则是用gamma值1.8。在图1B中，256级中只剩225个色级可表现出来，其中失去的图像数据会在直方图上形成栅状现象。此一24-位彩色图像所能表现出来的颜色只有11390625(225×225×225)，是16777216的67.89％。而在图1C中，更只剩下203个色级，此一24-位彩色图像所能表现出来的颜色则只有8365427(203×203×203)，不到16777216的50％(49.86％)。
基本上，上述问题只要在作图像后处理时，有额外的位作运算即可解决。现有的技术大致可分为两类一是从扫描器即输出完整的数据，如10位或甚至12位到电脑以备处理；虽然这种方法可确保数据的正确性，但因需较复杂的电子电路配合，且数据量大，在成本、存储器等资源运用及数据传输速度上皆不具竞争力。
另一种较普遍采用的策略是扫描器只输出8位数据，再由软件方法来处理。此方法大都是在作图像后处理之前，先借用邻近像素平均或加权运算来产生额外的位数据。但这些计算将会影响图像后处理的速度，尤其是大张图像。而且不管是平均或加权，邻近像素对本像素的影响都嫌大些，有可能造成图像模糊。
基于上述存在的问题，本发明的主要目的在于提出一种快速位延伸方法，可在既不提高硬件成本、又不影响图像后处理速度、更可保有原来像素正确清晰的前提下，使作过gamma校正等等后处理的图像色彩表现度不致降低太多。
本发明的装置主要包含一后像素存储装置，一原像素存储装置，一位移装置，一前像素存储装置，一位延伸运算单元，及一“或”门。后像素存储装置系耦合至模拟/数字转换装置，用以接收该模拟/数字转换装置的输出的位组，并将其中最低有效的两位传送到位延伸运算单元。原像素存储装置耦合至后像素存储装置，以接收该后像素存储装置所输出的位组，并传送该位组至位移装置，及前像素存储装置。前像素存储装置再将其中最低有效的两位传送至位延伸运算单元。同时，移位装置将所收到的位组向左位移二位，并传送到“或”门。位延伸运算单元将所收到的两个最低有效的二位加以运算，或以查表的方式查出合理的补偿位。并传送补偿位到“或”门。然后，“或”门将该二位的补偿位与该位移装置所输出的位组结合，并输出一位延伸后的位组数据。由于新扩增的位组中前部分的位组完全来自原来之像素的位组，因此原来像素的数据可被完整地保留，图像不致因延伸的位而模糊。而且，新扩增的二位又可使图像的色调处理更为真确。
本发明的目的、特征及优点将结合实施例参考附图进行详细描述。
附图简要说明图1A为未作任何处理的原始扫描数据某一频道的直方图1B为利用gamma值1.4作了gamma校正处理的扫描数据某一频道的直方图；图1C为利用gamma值1.8作了gamma校正处理的扫描数据某一频道的直方图；图2A为本发明应用于8位的模拟/数字转换器的2位快速位延伸装置的功能方框图；图2B为本发明应用于10位的模拟/数字转换器的2位快速位延伸装置的功能方框图；图3显示本发明的快速位延伸装置应用于8位的模拟/数字转换器的运作流程；图4显示本发明的快速位延伸装置的运作示意图；图5显示本发明的快速位延伸装置的运作处理表；图6显示本发明的快速位延伸装置的电路图的实施例；图7为本发明应用于8位的模拟/数字转换器的4位快速位延伸装置的功能方框图；图8为本发明的4位的快速位延伸装置的查询表。
为克服模拟/数字转换器或软件只能处理8位的数据的限制，本发明利用一快速位延伸装置与方法，来提供图像后处理时所须的额外位。本发明取正在处理的像素(称为原像素)的前后像素(分别称为前像素及后像素)，来提供补偿位运算时所须的参考。
本发明利用一位延伸运算单元来计算并提供合理的补偿位，该运算单元为一以位为运算单元(bitwise)的运算元。如图2A所示，当8位的模拟/数字转换器201输出8位的图像数据至存储器202以储存后像素时，其中两个最低有效位(least significant bits)位-0(bit-0)及位-1(bit-1)则同时输出至本发明的位延伸运算单元203。原本之8位的图像数据再输出至原像素存储装置204。此时，原像素存储装置204所输出的8位的图像数据经过一位移装置205以向左位移两位，于是成为10位的数据输出至一“或”门206。同时，原像素存储装置204亦输出8位的图像数据至前像素存储装置207。前像素存储装置207输出该8位的图像数据中最低有效位位-0(bit-0)及位-1(bit-1)至位延伸运算单元203。位延伸运算单元203将来自后像素存储装置202及前像素存储装置207所输出的最低有效的两位加以运算后，输出两位的补偿位至“或”门206。于是，“或”门206便将位延伸运算单元203所输出的最低有效的两位加在10位数据中最低有效位的两位位置，即位-0(bit-0)，位-1(bit-1)而成为10位的数据，然后输出至后处理装置208中处理。
本发明的快速位延伸装置同样可应用在10位的模拟/数字转换器上，如图2B所示。与图2A不同的是，10位的模拟/数字转换器211输出10位的图像数据，所以原本8位的数据输出变成10位，而原像素存储装置214所输出的数据变成10位，经过位移装置215向左移两位后，数据就变成12位。但位延伸运算单元213同样只自后像素存储装置212中及前像素存储装置217中拾取最低有效的两位加以运算处理。运算后的两位数据便为补偿位，输出至“或”门216，以加入位移装置215所输出的12位的图像数据中，而成为完整的12位数据输出至后处理装置218处理。
本发明的位延伸运算单元的运作原理主要是要将各种形态的位排列平均分配。如此，便可弥补遗失的位的功能，使图像所产生的色彩不致失真。由于真正运算的部分只是最低有效的两位，前面的8或10位基本上仍是原本的数据，所以可保证数据的完整性。本发明的位延伸运算单元的处理方式将依据8位及10位的模拟/数字转换器而有所不同。图3显示本发明的快速位延伸装置应用于8位的模拟/数字转换器的运作流程。301开始。302设定I=0，N=扫描图像数据一条线的像素数目。303判定I是否等于N+1？当I=N+1时，执行步骤314；否则执行步骤304。304判定I是否等于N？如果是，执行步骤307；否则执行步骤305。305从模拟/数字转换器将像素I的数据读取至后像素存储装置中。306判断I=0？当I=0时，执行步骤312；否则执行步骤307。307读取后像素存储装置及前像素存储装置所输出的最低有效位的两位，加以运算处理，输出两位的补偿位。308当原像素存储装置所输出的数据向左位移两位后，加上位延伸运算单元所输出的两个补偿位后，一起储存在一输出数据阵列OutData[I-1]中。309将原像素存储器装置中的数据复制至前像素存储装置中。310将后像素存储器装置中的数据复制至原像素存储装置中。311I=I+1。执行步骤303。312将后存储器装置中的数据复制至原像素存储装置中。313将原像素存储器装置中的数据复制至前像素存储装置，执行步骤311。314将一输出数据阵列OutData[N]中的数据输出。315结束。
图3的运作流程可以图4的示意图说明。位延伸运算单元41自后像素存储装置所输出的位组43读取最低有效的两位，A1，A0及前像素存储装置所输出的位组42读取最低有效的两位B1，B0，加以运算后，成为X1，X0。同时，将当原像素存储装置所输出的位组44向左位移两位而成为10位45，并将运算后的X1，X0补至位1(bit1)及位0(Bit0)的位置。
快速位延伸装置的运作目的是要将各种形态的位排列平均分配。以图5的查询表说明，当位延伸运算装置接收来自后像素存储装置及前像素存储装置的两位后，其位出现机率的排列组合共有16种情形。经实验发现，当各种不同排列的组合平均出现时，所产生的效果逾好。所以，依此运算原理，位的运算依据各种位组合的情形，可有几种运算结果，如图5所示。图5所显示的色彩效果将自左上至右下由浅至深排列，依据图5的排列，便可产生一逻辑电路如图6所示。
有了图5的查询表，利用图6的运算元来延伸两个位只剩两个位单位(bitwise)的运算，即左位移两位，一OR运算，以及一查4×4查询表(Look-Up Table)的动作，这对图像后处理的速度影响是非常轻微的。而且最重要的，在新扩增的10位数据中，原像素存储装置所输出的位组的第9位到第2位和原像素存储装置所输出的位组的第7位到第0位完全一样。这可使原来像素的数据被完整保留，图像不致因延伸的位而模糊。
另外，位延伸运算单元在必要时可扩充至四个位，如图7所示。4位的位延伸运算单元701自后像素存储装置703读取最低有效位的三位A3，A2，A1，及前像素存储装置704读取最低有效的三位B3，B2，B1加以运算后，成为4个位X0，X1，X2，X3。在此要特别注意的是，后像素存储装置703及前像素存储装置704中最低有效的位A0及B0并未使用。
在此实施例中，位延伸运算单元701改以查表的方式查出运算的结果。其查询表702的大小为8×8，如图8所示。图8的排列及运算原则与图5一样，皆是要使各种不同排列的组合平均出现。同样，图8的图表也可以逻辑电路表示，但以查表的方式亦十分快速。
利用图8，四位的位延伸运算单元与二位的位延伸运算单元一样只剩左移四位，OR运算，以及查询一8×8查询表的动作，其速度并不因为多延伸两个位而增加。这点优势是其他利用平均或加权计算来产生额外位的技术所不能及的。重要的是，所产生的位组的第11位到第4位是直接由原像素的位组的第7到第0个位得来的，所以原来像素的数据同样被完整保留，图像也不会模糊掉。
图5及图8的表的设计主要在于使每一个值产生的机率都相等。其特征在于其中二位数字所代表的颜色由左上至右下逐渐变深。要强调的是，图5及图8的排列组合方式只作为说明之用，在实际应用时，只要依此建表的原则，仍有一些可能的变化。例如，在图5中，第一列中的组合可改为00，00，01，01，第二列中的组合可改为00，00，10，10，第三列和第四列分别改为01，10，11，11，其效果仍然一样。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，且已达到广泛的实用功效，凡依本发明权利要求范围所作的均等变化与修饰，皆仍属本发明专利涵盖范围内。
权利要求
1．一种快速位延伸装置，系耦合至一模拟/数字转换装置，用以在图像后处理时，提供额外的位，其特征在于，该快速位延伸装置包含一后像素存储装置，系耦合至该模拟/数字转换装置，用以接收该模拟/数字转换装置所输出的位组；一原像素存储装置，系耦合至该后像素存储装置，用以接收该后像素存储装置所输出的位组；一位移装置，系耦合至该原像素存储装置，用以将该原像素存储装置所输出的位组向左位移复数个位；一前像素存储装置，系耦合至该原像素存储装置，用以接收该原像素存储装置所输出的位组；一位延伸运算单元，用以接收该后像素存储装置及该前像素存储装置所输出的位组中最低有效的复数个位，并加以运算以输出复数个补偿位；及一“或”门，用以将该补偿位加在该位移装置所输出的位组的复数个最低有效位的位置。
2．如权利要求1所述的装置，其特征在于，上述的位移装置系位移二位。
3．如权利要求1所述的装置，其特征在于，上述的位移装置系位移四位。
4．如权利要求1所述的装置，其特征在于，上述的位延伸运算单元还包含一查询表，用以记录上述的补偿位的排列组合。
5．如权利要求4所述的装置，其特征在于，上述的查询表中的各位的排列组合出现的机率相等。
6．如权利要求1所述的装置，其特征在于，上述的位延伸运算单元所输出的补偿位系为2位。
7．如权利要求1所述的装置，其特征在于，上述的位延伸运算单元系接收上述的后像素存储装置及前像素存储装置所输出的位组中除最后一位外，最低有效的三个位，并输出4位的补偿位。
8．一种快速位延伸方法，系用以扩增一模拟/数字转换装置所输出的原始位组的位数，其特征在于，该快速位延伸方法，包含步骤依序读取该模拟/数字转换器所输出的复数个位组，并依照像素读取的顺序，将该复数个位组分别储存于一前像素存储装置，一原像素存储装置，及一后像素存储装置；将该原像素存储装置所输出的位组向左移两位；以该后像素存储装置所输出的位组及前像素存储装置所输出的位组中最低有效的两位，查询一查询表，并输出一两位的补偿位；及将该两位的补偿位加在该原像素存储装置向左移两位后的位组的最后两位。
9．一种快速位延伸方法，系用以扩增一模拟/数字转换装置所输出的原始位组的位数，其特征在于，该快速位延伸方法，包含步骤依序读取该模拟/数字转换器所输出的复数个位组，并依照像素读取的顺序，将该复数个位组分别储存于一前像素存储装置，一原像素存储装置，及一后像素存储装置；将该原像素存储装置所输出的位组向左移四位；以该后像素存储装置所输出的位组及前像素存储装置所输出的位组中最低有效的三位，查询一查询表，并输出一四位的补偿位；及将该四位的补偿位加在该原像素存储装置向左移四位后的位组的最后四位。
全文摘要
一种快速位延伸装置与方法,该装置耦合至一模拟/数字转换装置用以在图像后处理时,以提供额外的位的方式,克服模拟/数字转换器的每一频道只能处理8位的数据的限制以使图像位深度的处理更为正确。该装置接收来自后像素存储装置及前像素存储装置所输出的两个最低有效位加以运算,然后将补偿位加在正在处理的像素的位组的尾端,以扩增位数,使图像的色调处理更为真确。而且,由于新扩增的位组中保留了原本的像素的位组,因此原来像素的数据可被完整地保留,使图像不致因延伸的位而模糊。
文档编号G06T5/00GK1288211SQ9911884
公开日2001年3月21日 申请日期1999年9月15日 优先权日1999年9月15日
发明者蔡宛铢 申请人:鸿友科技股份有限公司