專(zhuān)利名稱(chēng)：一種電視墻圖像放大插值方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電子技術(shù)領(lǐng)域中的電視墻顯示系統(tǒng)，尤其是電視墻圖像放大插值方法。
重復(fù)插值法直接使用原圖中的像素值來(lái)進(jìn)行插值，實(shí)現(xiàn)方法很簡(jiǎn)單讓地址發(fā)生器重復(fù)地生成同一讀地址。使用同樣的讀地址，就會(huì)輸出同樣的數(shù)據(jù)，也就實(shí)現(xiàn)了重復(fù)插值。同一地址被重復(fù)使用的次數(shù)就是放大倍數(shù)，如圖19所示。在數(shù)學(xué)上可用放大算子來(lái)描述重復(fù)放大，如圖6所示，當(dāng)中的整個(gè)方塊都是“1”，即這個(gè)方塊中像素的灰度值都一樣。這就引起了馬賽克效應(yīng)，所謂的馬賽克效應(yīng)是指在電視組合畫(huà)面顯示的放大了圖像中，原來(lái)的一個(gè)像素在水平和垂直方向都要重復(fù)N次，使圖像看起來(lái)是由一塊塊色塊組成的，如同馬賽克拼圖。馬賽克效應(yīng)又稱(chēng)方塊效應(yīng)。
線性插值法(有行內(nèi)、行間等多種)使用相鄰像素值的加權(quán)平均值來(lái)插值。行內(nèi)插值是將同一行內(nèi)相鄰像素的加權(quán)平均值來(lái)插到原兩像素之間。行間插值是把相鄰兩行的各上下對(duì)應(yīng)像素的加權(quán)平均值插到原兩像素之間。有同時(shí)使用行內(nèi)、行間線性插值的方案，也有使用行內(nèi)線性插值與行間重復(fù)相結(jié)合的混合方案。不論是行內(nèi)或行間線性插值，都需要一個(gè)鎖存器和一個(gè)數(shù)字加法器(一般用八位的芯片)來(lái)完成加權(quán)平均，每個(gè)子屏幕要為此增添3～4片集成芯片，如圖20所示。據(jù)專(zhuān)利文獻(xiàn)CN1063191A介紹，在8×8的電視墻圖像分配器中共有192個(gè)子存儲(chǔ)器，共需要增加600～800片集成芯片。在數(shù)學(xué)上同樣可用放大算子來(lái)描述線性插值法，如圖7所示。由算子可見(jiàn)，不單中心被插值放大的9個(gè)像素有值，連周?chē)?6個(gè)相鄰像素都有值，而且各像素上的值以中心最高，然后向四周線性下降。這些值代表加權(quán)平均中的“權(quán)”。這是線性插值法可以消除馬賽克效應(yīng)但同時(shí)又引起圖像模糊的原因。
重復(fù)插值法會(huì)引起馬賽克效應(yīng)(又稱(chēng)方塊效應(yīng))，線性插值法雖然減少了馬賽克效應(yīng)，但是要用加法平均電路，這需要大量的鎖存器和加法器，而且會(huì)引起圖像模糊，降低圖像的清晰度。為了減少線性插值法帶來(lái)的圖像模糊，人們提出很多修補(bǔ)方案，但無(wú)一例外的都要進(jìn)一步增加電路的復(fù)雜度和降低系統(tǒng)的可靠性。
關(guān)于電視墻圖像放大內(nèi)插方案的進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明可參閱《電視技術(shù)》在1989.4.、1989.7.、1991.4.的論文，同時(shí)可參閱專(zhuān)利文獻(xiàn)CN1063191A的原文。
專(zhuān)利文獻(xiàn)CN1063191A中提出的交換上下左右像素的鄰域內(nèi)插法(具體做法請(qǐng)參看其專(zhuān)利說(shuō)明書(shū))較好地解決了電視圖像的馬賽克效應(yīng)，也減少了圖像模糊，所需電路簡(jiǎn)單。實(shí)施時(shí)只需要改變地址發(fā)生器生成的讀地址順序，使得每一方塊中的一部分像素和相鄰的上下左右的方塊中的一部分像素交換位置，利用人眼的低通濾波特性，將相鄰像素平均，產(chǎn)生內(nèi)插效果，如圖21所示。數(shù)學(xué)上，該方法可用交換算子來(lái)描述，如圖5所示，對(duì)比圖6可以看出圖6中外圍的兩行兩列都是“0”，而在圖5中外圍的行列都有一個(gè)“1”，這是交換相鄰上下左右像素的結(jié)果。顯然圖5中不存在如圖6中的“1”方塊。這是該方法能消除馬賽克效應(yīng)的原因。但是，該方法的問(wèn)題是，它會(huì)引起如同點(diǎn)噪聲的灰度躍變點(diǎn)。這在交換算子中表現(xiàn)為“0”和“1”相互交錯(cuò)，“1”與“1”之間相互孤立。這些灰度躍變點(diǎn)在圖像和文本的邊緣，由于人眼的視覺(jué)效應(yīng)，顯得尤為刺眼。另一方面，該交換算法對(duì)筆畫(huà)單薄的線條、文字，特別是只有單個(gè)像素寬(或高)的線條和文字(下面簡(jiǎn)稱(chēng)“單像素文本”)的顯示尤其不利，會(huì)產(chǎn)生像素混疊，如圖10所示，圖10中的文本已經(jīng)無(wú)法辨認(rèn)。這滿足不了當(dāng)今日益普及的計(jì)算機(jī)文本顯示的需要，其中又以文字信息豐富的網(wǎng)頁(yè)顯示的問(wèn)題最為突出，所以未見(jiàn)該方案的普及應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述內(nèi)插方案的不足，本發(fā)明的任務(wù)是提供一種可同時(shí)顯著地減少電視墻圖像放大所引起的馬賽克效應(yīng)、圖像模糊、尤其是消除類(lèi)點(diǎn)噪聲的灰度躍變等問(wèn)題的電視墻圖像放大插值方法。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的首先，采用交換對(duì)角線像素的鄰域內(nèi)插法來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像的初步放大內(nèi)插。交換的方法在數(shù)學(xué)上可以用交換算子來(lái)形象表達(dá)。圖1-4是本發(fā)明幾個(gè)交換算子的例子，為了比較，我們把專(zhuān)利文獻(xiàn)CN1063191A中所提出的交換算子圖5，以及重復(fù)插值的放大算子圖6和線性內(nèi)插的放大算子圖7也同時(shí)給出(其中圖7前的1/9是用于歸一化的系數(shù))。圖1-6中的“1”代表被交換內(nèi)插的像素，“0”代表與“1”相鄰域的像素。“1”的另外一個(gè)含義是，被內(nèi)插的像素值與原參考值一樣，而圖7是用于線性內(nèi)插的，其被內(nèi)插的像素值為相鄰像素值的加權(quán)平均和，所以不為1，各像素上的值代表加權(quán)平均中的“權(quán)”。本發(fā)明插值放大的過(guò)程在數(shù)學(xué)上表達(dá)為一、原圖灰度矩陣與插零矩陣卷積，實(shí)現(xiàn)放大；二、所得矩陣再與交換矩陣或放大矩陣卷積，完成插值。3×3的插零矩陣如圖8所示。對(duì)比圖1-7，我們就可看出重復(fù)放大的馬賽克效應(yīng)，也可以看到線性內(nèi)插在減少馬賽克效應(yīng)的同時(shí)會(huì)引起邊緣的模糊。而本發(fā)明與專(zhuān)利文獻(xiàn)CN1063191A中交換算子顯然都不存在馬賽克效應(yīng)。但是單獨(dú)交換對(duì)角線像素來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像放大同樣會(huì)引起灰度躍變點(diǎn)，而且其圖像質(zhì)量可能不如交換上下左右像素的方法。
然后應(yīng)用十字形中值濾波器來(lái)改善圖像質(zhì)量。眾所周知，中值濾波器被廣泛地用于消除視頻信號(hào)所攜帶的點(diǎn)噪聲。對(duì)于中值濾波器來(lái)說(shuō)，它最重要的兩個(gè)參數(shù)是濾波窗的形狀和大小。常用濾波窗的形狀有方形，圓形，十字形，X字形等，也有復(fù)合使用的。本發(fā)明所用的濾波窗為十字形，其大小由下面所述的方法確定。即當(dāng)放大倍數(shù)為N×M時(shí)(1)N＝M且同為奇數(shù)，使用長(zhǎng)和高都為N的十字形中值濾波器。例如放大倍數(shù)為3×3時(shí)，濾波窗為IIIII]]>(2)N＝M且同為偶數(shù)，使用長(zhǎng)和高都為(N-1)的十字形中值濾波器；(3)若N≠M(fèi)且它們中的最小值Nmin為奇數(shù)，使用長(zhǎng)和高都為Nmin的十字形中值濾波器；(4)若N≠M(fèi)且它們中的最小值Nmin為偶數(shù)，使用長(zhǎng)和高都為(Nmin-1)的十字形中值濾波器。
本發(fā)明的核心是采用全新的交換對(duì)角線像素和十字形中值濾波相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)圖像的內(nèi)插放大。十字形中值濾波與本發(fā)明的交換算子結(jié)合使用時(shí)效果最佳的原因是因?yàn)橹兄禐V波器可明顯的消除點(diǎn)噪聲，而且可有效的恢復(fù)濾波窗內(nèi)的單調(diào)性，即有序度。十字形濾波窗主要恢復(fù)水平和垂直方向上的有序度，而本發(fā)明的交換算子是交換對(duì)角線上的像素，使圖像中對(duì)角線方向的像素得到融合，所以最后得到的圖像既可克服馬賽克效應(yīng)，又可消除類(lèi)點(diǎn)噪聲的灰度躍變。但是，十字形中值濾波與專(zhuān)利文獻(xiàn)CN1063191A中所述的交換算子相結(jié)合時(shí)，對(duì)放大倍數(shù)為3×3沒(méi)什么作用，對(duì)放大倍數(shù)大于3×3的會(huì)使得圖像重新產(chǎn)生馬賽克效應(yīng)。這是因?yàn)槠浣粨Q方案交換的就是水平和垂直方向上的像素，所以十字形中值濾波器會(huì)抵消其作用。
在電路上實(shí)現(xiàn)本發(fā)明時(shí)，首先要更改地址發(fā)生器的讀地址順序，以實(shí)現(xiàn)交換對(duì)角線像素。生成的圖像再經(jīng)過(guò)中值濾波器，即可獲得輸出，如圖22所示。要實(shí)現(xiàn)中值濾波只需要{[W×(W-2)+3]/2}個(gè)比較器和{[W×(W-2)+1]/(W-1)}個(gè)鎖存器，其中W代表濾波窗的大小，3×3時(shí)，W為5；5×5時(shí)，W為9；依此類(lèi)推。對(duì)3×3放大的情況，W為5，所以只需要9個(gè)比較器和4個(gè)鎖存器，因此本發(fā)明電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。
如果放大倍數(shù)(N×M)中有一個(gè)(N或M)是3，則應(yīng)用文本特征匹配，以改善文本顯示質(zhì)量。使用鄰域交換算法會(huì)令文本喪失邊緣，甚至變得模糊不清，在放大3×3倍的時(shí)候情況尤其明顯。這可由圖9-12可以看出，圖9是沒(méi)放大前的單像素?cái)?shù)字“8”，而根據(jù)圖10我們已經(jīng)很難判別這還是個(gè)“8”字。文本特征匹配算法是基于文本的特點(diǎn)，文本一般具有二值化的特點(diǎn)，就是說(shuō)一般的文本不是白紙黑字，就是黑紙白字，只有兩種灰度。結(jié)合本發(fā)明交換算子的特點(diǎn)，適當(dāng)?shù)母淖兘粨Q像素的某些輸出，使得在應(yīng)用中值濾波后可獲得良好效果。其實(shí)質(zhì)是減輕甚至克服本發(fā)明的交換對(duì)角線像素的鄰域內(nèi)插法對(duì)文本圖像帶來(lái)的副作用混疊。
文本特征匹配算法的工作原理如下(1)如果圖像的灰度矩陣中出現(xiàn)以下文本特征DSSSS/DDSSDD]]>或SSDSDS/DSDDS]]>或SDDSS/DDSDSS]]>或DDSSDS/DSSSD]]>則把中央像素的灰度值對(duì)調(diào)，即中央像素原灰度為S(或?yàn)镈)的，對(duì)調(diào)為D(或S)；(2)如果圖像的灰度矩陣中出現(xiàn)以下文本特征時(shí)，其中央像素的灰度值保持為D不變。SSSSDXDDD]]>或DDDXDSSSS]]>或DSSDDSDXS]]>或SXDSDDSSD]]>上述示例中S、D分別代表具有不同灰度的點(diǎn)；X代表不定點(diǎn)，即該點(diǎn)不予考慮；S/D是指該點(diǎn)的灰度不是S就是D。
當(dāng)放大倍數(shù)N和M均比3大時(shí)，單像素文本的混疊失真就沒(méi)那么嚴(yán)重，但匹配算法仍有一定作用，這時(shí)就可選擇使用文本特征匹配算法。
文本匹配算法在硬件實(shí)現(xiàn)是通過(guò)由簡(jiǎn)單的與/或/非邏輯電路構(gòu)成文本匹配模板實(shí)現(xiàn)的。文本匹配模板的基本構(gòu)成是一些等值判斷電路，等值判斷電路是用于判定兩個(gè)信號(hào)是否相等，如圖18所示。在圖18中，如果D0和D1相同，則輸出Doutput為高電平，否則為低電平。通過(guò)等值判斷電路我們就可以判斷在灰度矩陣中哪些值相同，哪些不同，這樣就可知道灰度矩陣與文本特征是否匹配，從而做出選擇。
綜上所述，當(dāng)放大倍數(shù)(N×M)中有一個(gè)(N或M)是3時(shí)，本發(fā)明的電視墻圖像放大插值方法引入文本匹配算法，其具體工作過(guò)程是首先采用交換對(duì)角線像素來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像的初步放大，即通過(guò)交換讀地址實(shí)現(xiàn)初步放大；然后使所得數(shù)據(jù)分別通過(guò)一個(gè)十字形中值濾波器，和一個(gè)文本匹配模塊，如果數(shù)據(jù)符合文本特征，則其輸出采用文本匹配模塊的輸出，否則采用中值濾波器的輸出，最后再經(jīng)過(guò)一個(gè)十字形中值濾波器即可。其硬件電路框圖如圖23所示。如果圖像要求不是很高，或顯示器不是高清晰度的，則最后一個(gè)中值濾波器也可以省略。
圖10與圖12比較了專(zhuān)利文獻(xiàn)CN1063191A提出的放大方法與本發(fā)明之間的效果，而圖11與圖12比較了本發(fā)明使用文本特征匹配前后的效果。
在圖13-17中我們列舉比較了各種電視墻插值方案的效果。其中圖13為被放大圖像；圖14為重復(fù)放大的效果；圖15為線性插值放大的效果；圖16使用專(zhuān)利文獻(xiàn)CN1063191A中提出的交換上下左右像素的鄰域內(nèi)插法來(lái)放大；圖17為本發(fā)明的放大結(jié)果。圖13-17中的數(shù)字代表不同的灰度值，數(shù)字越大顏色越深。圖13可理解為黑底上的一條亮斜紋，圖14的馬賽克效應(yīng)很明顯，圖15中的灰度過(guò)渡區(qū)相當(dāng)寬，這必然要引起邊緣模糊。圖16已經(jīng)不存在馬賽克效應(yīng)和邊緣模糊，但卻引入了灰度躍變。通過(guò)圖17可以看出，使用本發(fā)明在顯著地減少放大馬賽克效應(yīng)的同時(shí)，可消除圖像模糊和類(lèi)點(diǎn)噪聲的灰度躍變等問(wèn)題。
由于本發(fā)明與專(zhuān)利文獻(xiàn)CN1063191A的方法同樣是鄰域內(nèi)插法，所以同樣只是使用鄰域像素來(lái)內(nèi)插數(shù)據(jù)，因而同樣只需變換讀出地址，無(wú)須使用加法平均電路，所以也只需使用小量芯片就可輕易地實(shí)現(xiàn)多行行間內(nèi)插和多點(diǎn)行間內(nèi)插。遠(yuǎn)比線性插值法簡(jiǎn)單。
綜上所述可以看出，本發(fā)明的實(shí)質(zhì)是使用交換對(duì)角線像素與十字形中值濾波器相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)電視圖像放大，對(duì)特殊情況輔以文本特征匹配算法改善圖像質(zhì)量。
本發(fā)明主要用于電視墻圖像放大。其優(yōu)點(diǎn)是可同時(shí)顯著地減少放大馬賽克效應(yīng)、圖像模糊和類(lèi)點(diǎn)噪聲的灰度躍變等問(wèn)題，顯著提高了電視墻放大圖像質(zhì)量。所使用的電路比數(shù)字線性內(nèi)插的簡(jiǎn)單、可行。既適用于傳統(tǒng)的電視信號(hào)顯示，也適用于當(dāng)今的計(jì)算機(jī)文本顯示，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。
附圖及


圖1是本發(fā)明用于3×3放大的交換算子；圖2是本發(fā)明用于3×4放大的交換算子；圖3是本發(fā)明用于4×4放大的交換算子；圖4是本發(fā)明用于5×5放大的交換算子；圖5是專(zhuān)利文獻(xiàn)CN1063191A中提出的交換算子，用于3×3放大；圖6是重復(fù)插值法的放大算子，用于3×3放大；圖7是線性內(nèi)插法的放大算子，用于3×3放大；圖8是本發(fā)明的插零矩陣，用于3×3放大。
在圖1-6中，“1”代表被交換內(nèi)插的像素，“0”代表與“1”相鄰域的像素。
下面的圖9-12是放大倍數(shù)為3×3時(shí)，單像素文本“8”的各種放大方法放大結(jié)果實(shí)例圖9是未放大時(shí)文本；圖10是專(zhuān)利文獻(xiàn)CN1063191A中提出的鄰域交換法放大后的結(jié)果；圖11是本發(fā)明僅采用交換對(duì)角線像素與中值濾波放大后的結(jié)果；圖12是在圖11的基礎(chǔ)上增加使用文本特征匹配放大后的結(jié)果。
圖13-17是幾種放大方法的效果比較實(shí)例圖13是被放大圖像；圖14是重復(fù)插值法放大后的效果；圖15是線性插值法放大后的效果；圖16是采用專(zhuān)利文獻(xiàn)CN1063191A中提出的鄰域交換法放大后的效果；圖17是本發(fā)明的放大效果。
圖18是等值判斷電路，用于文本特征匹配模板；其中，1是與門(mén)；2是或門(mén)；3是非門(mén)。D0和D1是兩輸入信號(hào)，Doutput為輸出信號(hào)。
圖19-23是幾種放大方法的硬件實(shí)現(xiàn)示意圖圖19重復(fù)放大法硬件實(shí)現(xiàn)示意圖；圖20是線性內(nèi)插法硬件實(shí)現(xiàn)示意圖；圖21是專(zhuān)利文獻(xiàn)CN1063191A的硬件實(shí)現(xiàn)示意圖；圖22是本發(fā)明的硬件實(shí)現(xiàn)示意圖(不包含文本匹配模塊)；圖23是本發(fā)明的硬件實(shí)現(xiàn)示意圖(包含文本匹配模塊)。
權(quán)利要求
1.一種電視墻圖像放大插值方法，其特征是首先采用交換對(duì)角線像素來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像的初步放大內(nèi)插；然后再采用十字型中值濾波器對(duì)經(jīng)過(guò)初步放大內(nèi)插的圖像進(jìn)行濾波。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電視墻圖像放大插值方法，其特征是所述的十字型中值濾波器的濾波窗大小的確定方法是當(dāng)放大倍數(shù)為N×M時(shí)，(1)N＝M且同為奇數(shù)，使用長(zhǎng)和高都為N的十字形中值濾波器。例如放大倍數(shù)為3×3時(shí)，濾波窗為IIIII]]>(2)N＝M且同為偶數(shù)，使用長(zhǎng)和高都為(N-1)的十字形中值濾波器；(3)若N≠M(fèi)且它們中的最小值Nmin為奇數(shù)，使用長(zhǎng)和高都為Nmin的十字形中值濾波器；(4)若N≠M(fèi)且它們中的最小值Nmin為偶數(shù)，使用長(zhǎng)和高都為(Nmin-1)的十字形中值濾波器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種電視墻圖像放大插值方法，其特征是當(dāng)放大倍數(shù)(N×M)中有一個(gè)(N或M)是3時(shí)，則應(yīng)采用文本特征匹配，引入文本特征匹配后本發(fā)明的工作過(guò)程如下第一步采用交換對(duì)角線像素來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像的初步放大，即通過(guò)交換讀地址實(shí)現(xiàn)初步放大；第二步使所得數(shù)據(jù)分別通過(guò)一個(gè)十字形中值濾波器，和一個(gè)文本匹配模塊，如果數(shù)據(jù)符合文本特征，則其輸出采用文本匹配模塊的輸出，否則采用中值濾波器的輸出；第三步再經(jīng)過(guò)一個(gè)十字形中值濾波器即可。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于電視墻顯示的電視墻圖像放大插值方法。本發(fā)明方案首先采用交換對(duì)角線像素來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像的鄰域交換內(nèi)插放大；然后再采用十字形中值濾波器進(jìn)行十字形中值濾波。中值濾波消除鄰域交換內(nèi)插法引起的如同點(diǎn)噪聲的灰度躍變點(diǎn)，并使用文本特征匹配來(lái)進(jìn)一步改善文本顯示質(zhì)量。方案電路簡(jiǎn)單，無(wú)須加法平均，可實(shí)時(shí)處理；同時(shí)克服了常有的馬賽克效應(yīng)、邊緣模糊和鄰域交換內(nèi)插法帶來(lái)的類(lèi)點(diǎn)噪聲效應(yīng)，顯著提高了電視墻放大圖像質(zhì)量，既適用于傳統(tǒng)的電視信號(hào)顯示，也適用于當(dāng)今的計(jì)算機(jī)文本顯示，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。
文檔編號(hào)H03H17/02GK1444394SQ02113430
公開(kāi)日2003年9月24日 申請(qǐng)日期2002年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月8日
發(fā)明者成建波, 吳援明, 楊健君 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)