专利名称：信号峰化的制作方法
发明的背景本发明一般涉及视频信号处理，更具体地涉及峰化信号(特别是编码数字视频信号)的改进方法。
通常在显示输出视频信号之前对此信号进行峰化(信号增强)，以增强高频边缘从而增加显示图像的锐度。常规的视频信号一般由亮度与色彩分量构成。亮度信号(或信号的分量)时常表示为Y信号或信号分量，而色度信号(或信号的分量)时常表示为P信号或信号分量。视频信号一般包含垂直、水平、交叉与时间的细节(detail)。虽然有可能在任何一个方向(例如，垂直或水平方向)中应用峰化，但这样的信号增强一般只在水平方向中执行。
常规的峰化系统通常采用诸如高通滤波器的滤波器来选择信号的高频部分。一般的电视锐度控制对亮度信号进行水平滤波。然后将高通滤波器的输出加到源视频信号上。如果该源视频信号包含高频分量，则这些分量将从高通滤波器中输出并且可以根据所需的峰化量进行幅度调节，并且在这些分量返回加到该源视频信号上时，该源视频信号的该高频分量的幅度将得以提升(增加)。此净效果是通过增加对应于显示图像的边缘的信号的斜率来“峰化”或“锐化”此图像的。因此，该显示图像在蜂化之后看上去将更清晰或更清楚。也可以应用逆处理来减少高频分量并且实际上“柔和”此图像。
图像信号通常进行数字编码以便传输并随后进行解码以便显示。例如，运动图象专家组是设置用于以数字形式压缩和存储视频、音频与动画的标准(MPEG标准)的ISO组织。MPEG-1是用于诸如CD-ROM视频CD等等的低密度存储介质的标准音频与视频编码格式。MPEG-2是用于广播视频的标准编码格式。在MPEG中，该压缩方法包含I帧或内部帧。一个帧是指一幅完整的TV图像，它能由多个场组成，诸如奇数编号行的场和偶数编号行的场。I帧是MPEG标准中与其他视频帧无关的内部编码的视频帧。以规则间隔重复I帧以刷新该编码序列。在任意两个I帧之间的是P帧(预测帧)和B帧(双向预测帧)。P和B帧只包含I帧之间的信息或变化。I帧及其P与B帧称为GOP(图像组)。
MPEG压缩方法是有损压缩方法。在色彩图像进行编码、解码和进行数字后处理时，该显示能导出不可传输的特征。例如，当图像的一部分具有饱和色彩时，在采用常规滤波器峰化此图像时此图像的那个部分可能经历噪声的显著增强。这对于眼睛最为敏感的图像的兰色部分尤其如此。因而，在锐化边缘时，常规的蜂化系统和/或滤波器对趋于缺乏色彩细节的区域可能增加令人不愉快的噪声。
视频信号一般包括某一类型的噪声分量。此噪声可能出现在实际的视频信号中。诸如编码器、解码器、发射机、模拟数字变换器(ADC)、数字模拟变换器(DAC)等等的处理电路也能引入噪声。因为噪声的频率时常通过高通滤波器，所以利用常规的峰化滤波器可能放大此信号的噪声包络。视频信号的一部分可能预定是平坦的(即，不包含细节)。在出现在预定显示均匀单色区域的视频信号的部分中时在信号的这样一部分中增加噪声包络在主观上尤其令人注意并令人烦恼。
已经建议各种方法来改善常规的视频峰化系统。例如，美国专利No.4466016公开了电视信号滤波系统和用于分隔电视亮度与色度信号以便后续视频信号处理的系统。美国专利No.5416532描述了用于与亮度/色度分隔器一起使用的自适应视频峰化电路和系统。这些参考文献描述用于分析九像素阵列、应用不同的滤波器和构造地组合水平与垂直峰化信号的电路和系统。在US 5124794、US 5161015、US 4597011、4635119、5012329和WO 89/11196中公开了各种其他的峰化与噪声核化方案。将所有这些文献的内容引入在此作为参考。相信这些方案例如由于只可应用于模拟信号并且不可应用于数字信号、而不令人满意，或可应用于根据MPEG或ATSC标准的信号或不令人满意地在图像的不希望位置中增加噪声而不完全令人满意。
因此，希望提供用于峰化视频信号并克服现有技术缺陷的改进方法与系统。
模拟信号能并行发送给模拟数字变换器并随后发送给获得该变换信号的DCT系数的处理器。可分析这些系数并用于控制对应于模拟信号的相应部分的给定DCT块的空间块的自适应峰化滤波系数。还可将此模拟信号变换为数字信号、根据本发明进行峰化并可往回变换为模拟信号。
在本发明的优选实施例中，能根据出现在该图像信号中的色度能量和/或色度差信号的频谱直方图选择地控制此信号的色度、亮度或这两个部分的峰化。通过分析MPEG编码信号的DCT系数能确定这样的色度能量。
因此，希望提供用于峰化视频信号的一种改善系统与方法和从这样的系统与这样的信号的显示中获得的改善的峰化信号。
本发明的另一目的是提供从这样的系统以及这样的信号的显示中获得的改善的峰化信号。
本发明的另一目的是提供用于峰化压缩数字视频信号的一种改善系统和方法。
本发明的还一目的是提供用于峰化视频信号的一种改善信号处理器。
本发明因此包括几个步骤和这些步骤相互之间的关系以及用于完成这些步骤或从这些步骤中获得的结果与信号，所有这一切在下面详细描述与附图中进行举例说明，并且本发明的范畴将表示在中。
图1A是包括根据本发明的优选实施例的自适应峰化系统的视频接收机的方框图；图1B是具有用于处理模拟信号的附加特性的图1A的视频接收机的方框图；图1C是识别根据本发明的优选实施例的峰化方法的步骤的流程图；图2是表示安排在8×8块中的DCT系数的图；图3是表示用于平坦视频信号的8×8块的代表性DCT系数的图；图4是表示用于具有噪声的平坦视频信号的8×8块的DCT系数的图；图5是表示具有细节的视频信号的8×8块的DCT系数的图；图6A是显示视频信号的屏幕的演示图，其中此信号不包括噪声并且未进行峰化；图6B是表示对应于图6A的图像的视频信号的亮度随时间从黑至白变化的图；图6C是表示图6B的信号的幅度随频率变化的图；图7A是在常规峰化之后显示对应于6B信号的视频信号的屏幕的演示图；图7B是表示包括常规峰化的图7A的显示器的亮度随时间从黑至白变化的图；图7C是对应于图7B的信号的频域图表；图8A是表示未峰化的噪声视频信号的亮度随时间从黑至白变化的图；图8B表示用于图8A的信号的频域；图9A表示经过峰化的噪声视频信号的亮度随时间从黑至白的变化；图9B表示用于图9A的信号的频域；图10A表示没有噪声并且未进行峰化的视频信号的亮度随时间从黑至白的变化；图10B表示图10A中只在区域B中检测到的具有高水平频率的信号的DCT系数；图11A表示对应于图10A所示的信号但具有噪声的视频信号的亮度随时间的变化；图11B表示图11A中在区域B中检测到的具有高水平频率的信号的DCT系数；图12A表示用于对应于图11A所示的信号的视频信号的亮度分量的幅度随时间的变化；图12B表示对应于图12A的区域A的信号的DCT系数；图12C表示对应于图12A的区域B的信号的DCT系数；图12D表示对应于图12A的区域C的信号的DCT系数；图12E表示在应用根据本发明的优选实施例的峰化之后图12A的视频信号的亮度分量的变化。
图13是表示用于具有亮度细节与色度噪声的饱和视频信号的亮度DCT系数的图；图14是表示用于图13的信号的色度DCT系数的图；图15是表示具有亮度与色度细节的视频信号的亮度DCT系数与色度DCT系数的图；图16A是表示视频信号的亮度随时间变化的图表；图16B表示视频信号的色度Pb随时间的变化；图16C表示视频信号的色度Pr随时间的变化；图17A表示视频信号的亮度随时间的变化；图17B表示噪声视频信号的色度Pb随时间的变化；图17C表示噪声视频信号的色度Pr随时间的变化；图17D表示对图17A的信号进行根据本发明的优选实施例的自适应峰化的效果；图17E表示对图17B的信号进行噪声滤波的效果；图17F表示对图17C的信号进行噪声滤波的效果；图18A表示具有边缘色彩过渡的Pb或Pr信号的色度随时间的变化；图18B表示图18A的信号的色度谱曲线；图19A表示噪声对图18A的信号的影响；图19B表示图19A的信号的色度谱曲线和这样的信号如何受噪声滤波器的影响；图20A表示Pb或Pr色度信号随时间的变化；
图20B表示对图20A的信号进行根据本发明的自适应峰化的效果。
最佳实施方案的详述视频信号(特别是根据MPEG与ATSC标准编码和发送的信号)的自适应(选择)峰化能通过获得或利用此信号的DCT系数、使这些系数通过门限检测器或频谱分布/直方图并在检测到选择的DCT系数值时选择峰化此信号的这些部分来实现。此峰化可以是均匀或与DCT系数成比例。因而，信号接收机上DCT系数的分析能用于使峰化系统峰化位为图像边界上的信号部分，而不峰化对应于平坦均匀图像的信号部分。在本发明的一个优选实施例中，如果高频水平(或垂直)频率DCT系数的幅度超过预置门限值，则可以设置水平(或垂直)峰化电路用于与这些系数超出此门限值的部分成比例的增益。可选择地，能在水平与垂直方向中执行峰化。
数字视频信号常规作为视频像素信息的连续格式化的N×N(一般为8×8)块进行发送。视频像素的每个8×8块包含8行水平像素和8列垂直像素并能提供给离散余弦变换(DCT)编码器以导出对应于DCT系数的64的8×8块。能在逐个块的基础上执行分析和相应量的信号增强以便只峰化此信号的选择部分。
DCT系数的分析不仅仅限于门限检测，也能进行带宽检测和频谱分布/直方图分析。分析这些系数以便进行边界或边缘检测以及平坦图像检测。DCT系数的分析也能对包括中频带的多个频带进行。因而，如果DCT系数落在中频带内，则能对此视频信号进行带通滤波并且峰化能基于此带通滤波。低通DCT系数门限的使用能用于禁止平坦视频区域的峰化。因而，DCT系数的分析能用于利用能与考虑的DCT块的频率特性成比例的不同的增益量来调用各种滤波特性，诸如高通、带通或低通特性。
根据MPEG标准发送的视频信号提供DCT系数用于根据本发明的自适应峰化。然而，本文中的方案也能应用于模拟视频信号或不利用DCT值发送的信号。在模拟视频信号的情况中，此模拟信号能并行馈送给一个装置，此装置将此模拟信号变换为数字信号、获得DCT系数并随后分析在此所讨论的系数，以便根据本发明控制用于对应于此DCT系数的空间块的自适应峰化滤波。然后能峰化此模拟信号的选择部分。可选择地，能将此信号变化为数字信号，能获得DCT系数，能执行自适应峰化，并且此信号能利用数字模拟变换器往回变换为模拟信号而且发送给图像显示器。
本文中的峰化方法也特别适于应用于视频信号，包括可应用于宽带高清晰度电视系统(HDTV)的那些视频信号。诸如具有非常宽带(30MHz)信号的数字信号常规在发送之前进行压缩。根据MPEG的数据压缩包括DCT的生成。在其内容引入在此作为参考的学术期刊(1990)Rao与Yip的Discrete Cosine Transform、1997年McGraw Hill由Michael Robin与Michael Poulin撰写的“Digital TelevisionFundamentals”和WO 96/13780中讨论DCT编码的原理。
将根据下面的描述和示例并参考附图来描述本发明的方面与实施例。然而，所讨论的各个实施例只用于说明而不应认为具有限制意思。
图1A是能包括在诸如HDTV或DVD播放器的电视机内的视频接收机100的各个组成部分的方框图。编码的视频比特流信号10从作为压缩编码信息发送此信号的信号源或在利用公知编码方法对未编码信号编码之后提供给信道缓冲器150。信道缓冲器150将此编码信号发送给可变长度解码器(VLD)160，此可变长度解码器(VLD)160提取各个不同的码字。VLD 160将高电平视频编码信息信号161提供给DCT分析器和峰化控制处理器180。VLD 160也以量化形式将对应于量化预测误差DCT系数的信号162提供给逆量化器140。VLD 160也将对应于运动矢量的信号163提供给运动补偿器130。
逆量化器140将对应于量化预测误差DCT的信号141以标准形式提供给DCT分析器和峰化控制处理器180并提供给逆离散余弦变换器(IDCT)120。IDCT 120将由于量化而恶化的对应于逐个像素预测误差的信号121传送给加性信号耦合器125。信号耦合器125也从运动补偿器130接收信号131，此信号对应于运动补偿的预测像素值。耦合器125输出对应于编码视频信号10的解码版本的信号126。将解码的视频信号126提供给固定帧存储信号处理器132，此处理器将信号133提供给运动补偿器130。信号耦合器125也将解码的视频信号126提供给可编程多相峰化滤波器190。峰化滤波器190响应可从分析器/处理器180下载的峰化系数信号181。信号181控制是否利用滤波器190对解码信号126进行峰化以及峰化到什么程度，而且滤波器190输出选择峰化的显示信号191用于启动显示器192。显示器192能安装在与上面所述的其他单元相同的框架或外壳上，或者能将此选择峰化信号传送给单独的显示器。
如图1A所示，逆量化器140给DCT分析器180提供DCT系数，并且分析器/处理器180的峰化控制处理器部分根据DCT分析的结果确定这些峰化系数。多相峰化滤波器190有益地是公知类型的在滤波操作期间能利用不同组的系数操作的再抽样滤波器，这样的滤波器在要求大量的滤波器抽头以生成所希望的诸如用于内插的滤波响应时特别有用，这比直接的常规滤波器要求较少的计算单元。在其内容引入在此作为参考的学术期刊(1987)由Doulgas F.Elliolt编辑的“Handbookof Digital Signal Precessing Engineering Applications”中讨论多相滤波器。
图1B是接收机100修改为模拟视频信号11的接收机101的的方框图。接收机101包括模拟数字(A/D)变换器151，用于接收模拟视频信号11。A/D变换器将变换的数字信号126′发送给峰化滤波器190并发送给DCT处理器152，此处理器从变换的信号126′中获得DCT系数并将包含这些系数的信号141传送给DCT分析器/处理器180，此DCT分析器/处理器180将信号181传送给峰化滤波器140以控制何时变换的数字信号126′的峰化将发生。峰化滤波器190将选择峰化信号191发送给显示器192。
在图1A与1B中，包含数字处理器102的单元可以利用分立元件来实施。例如，逆量化器140能利用加法器来实施。IDCT 130可以利用双DCT/IDCT IC来实施。然而，当前的IC技术使分立实施不实际。因而，表示数字处理器102的大方框内的功能块能集成在单个IC上。
但是，由于高度集成，当今市场上目前还不能买到能通过外部接口将DCT系数数据输出给分析器以便处理的单个IC。即，因为现在所有的处理在一个IC上进行，所以用于DCT系数的内部总线并不是IC卡上的管脚。然而，本领域技术人员将明白实现此并不复杂。将明白在互连分立的IC时，DCT总线可以进行分接并将DCT系数数据馈送给处理器。
为了实施自适应峰化方法而不使用分立元件系列，一个解决办法就是使用新类型的可编程MPEG解码器，此解码器将允许内部CPU存取DCT系数以便分析来确定峰化电平。这样的示例是PhilipsSemiconductor的TM110和TM1300介质处理器。
DCT分析器和峰化控制处理器能为了灵活性而完全利用DSP软件来实施，这也特别适用于正进入市场的可编程MPEG解码器。通过利用软件实施算法，在用于收看流式视频或DVD时，自适应此峰化的应用能扩展到家用PC。
图1C是根据本发明的优选实施例的自适应峰化方法200的流程图。或提供数字信号210或者首先在步骤212将模拟信号211变换为数字信号210。随后在步骤220中编码数字信号210并获得DCT系数。实际上，在广播或存储之前执行DCT系数的编码与生成。在能利用VCR、DVD或TV执行的步骤230，提取视频块的色度和/或亮度DCT系数或频谱直方图。在步骤240，将这些DCT系数与门限进行比较或将此频谱直方图与分布进行比较。在步骤250，根据步骤240的比较选择地峰化色度和/或亮度信号。如果此信号将在模拟装置中进行显示，在步骤255，能将此信号变换为模拟信号，并且在步骤260显示此选择峰化信号。
下面参见图2-20B描述根据本发明的优选实施例用于分析DCT系数和自适应峰化解码视频信号以响应来自峰化控制处理器的峰化系数的方法。
根据本发明的自适应峰化有益地采用DCT系数值来确定是否应峰化信号的一部分以及峰化到什么程度。用于给定视频块的DCT系数直接对应于频域。因此，能分析利用DCT编码的视频信号的DCT系数以确定在水平与垂直方向中施加的峰化量。例如，相对于平坦场(或块)没有边缘和很少或没有高频分量，能临时禁止或甚至设置峰化滤波来衰减高频，这有助于防止常规峰化滤波器曾放大的高频噪声的放大。如果DCT系数的分析表示足够的高频信息，利用高幅度DCT系数，自适应峰化电路能设置为用于标准或成比例的信号增强。根据DCT系数的分析，能在逐个块的基础上在水平方向、垂直方向或两个方向上施加此增强。
DCT系数的分析不一定限于高频检测。例如，能分析中频带区域中的系数并且能在显示之前在此视频路径中引入相应的带通滤波器，其中根据以中间范围DCT系数为特征的能量电平调整自适应带通滤波器的系数(或增益)。因而，当在感兴趣的的频带中未出现视频内容时，将只有感兴趣的频带中的噪声不被放大。
一般参见图2-5，表示出安排在8×8块中的DCT系数。每个系数代表一个特定的频段。如图2所示，第一DCT系数称为DC系数，它表示整个8×8视频块的平均值。每个后续DCT系数称为AC系数。AC系数的幅度越高，在8×8视频块中出现越多的细节。因而，对于没有噪声的平坦信号，每个AC系数将是0。例如，参见图3，表示平坦视频信号的8×8块将具有在这种情况中为一百的DC系数，而每个AC系数将为零。参见图5，具有高细节的8×8视频块将具有许多高幅度AC系数。如果在视频信号中出现噪声，则这些AC系数将改变由噪声引起的小幅度。例如，图4表示用于平坦信号的DCT系数，并因而每个AC分量应为零。因而，由于信号中的噪声而导致图4中所示的不为零的每个AC分量。
图6A表示电视机屏幕。区域A在从点W水平看向点X时完全是黑的(最低亮度)。区域C在从点Y水平看向点Z时完全是白的(最高亮度)。区域B是区域A与C之间的过渡或边缘并从点x扩展到点y。区域B显示为不断改变灰度值。
图6B表示光栅扫描线的亮度随时间从零(黑)到最大值(白)的变化。图6B中的区域A对应于图6A的屏幕中的黑色区域，区域B对应于边缘或灰色区域，而区域C对应于白色部分。
图6C表示例如频谱分析器上频域中的扫描线。区域A与C对应于平坦视频信号并且不包含除DC之外的分量，即所有的AC值都为零。因此，区域A与区域C在图6C的原点上显示为点。边缘过渡区域B包括从DC到某一截止频率(fc)的频谱分量。因而，此信号的AC值对应于屏幕上区域A与C之间的边缘，并且具有大于零的幅度。
图7A表示在利用常规的高通滤波器的峰化增强图6B的信号之后图6A的屏幕中的图象的变化。证据表明信号过渡区域B已变小。如图7B所示，黑色区域A与白色区域C之间的边缘的斜率由于此区域中的峰化而变得更陡峭。参见图7，能明白黑色与白色区域(DC上的那些区域)保持不变并且从区域B中的边缘获得的分量变成峰化的分量，如频谱中的峰形所示。
图8A表示对应于图6B但具有噪声的信号的扫描线。图8B表示频域，其中具有分别源于黑色与白色区域A与C的DC上的分量；源于边缘过渡区域B与假定为频带上具有平坦频谱分量的白噪声的噪声平面的从DC至截止频率(fc)的分量。然而，注意此噪声在时间上也能是突发性的或集中在某些频带中。然而，在视频信号包括白噪声时，最佳观察到根据本发明的优点。
图9A表示图8A的信号在执行常规峰化之后的扫描线。由于白噪声引起的峰化结果而使图9A的峰化信号的噪声包络90大于图8A的未峰化信号的噪声包络80。因而，虽然黑色区域A′与白色区域C′之间的边缘变得陡峭，但增加在区域A′与C′中出现的噪声。如上所述，在平坦视频区域中出现的噪声能特别令人不愉快。
图9B表示图9A的信号的频域。能发现对于从高通滤波器获得的峰化范围中的那些频谱分量，噪声平面已提升。然而，因为此噪声在空间上出现在整个光栅扫描线上，所以甚至在对应于区域A′与C′的平坦视频部分中也将增强(峰化)此噪声。
图10-12表示根据本发明的优选实施例的自适应峰化的优点。图10A表示没有噪声的图6B的信号的信号图。图10B表示从图10A的扫描线获得的DCT系数。如图10B所示，区域A与C的DC DCT系数表示为值a。边缘区域B导致系数b所示的所希望频带上的频谱内容。因而，在分析在边缘区域B中在空间上生成的DCT系数时，检测到出现高频能量(DCT系数)。
图11B表示用于对应于图10A的信号扫描线，即用于具有噪声包络81的噪声信号的扫描线。如图11B中所示，白噪声使所有DCT系数的频域中的幅度稍微增加到值a′，这是因为白噪声在此频带上是平坦的。然而，高频DCT系数将只在处理对应于区域B的信号时才出现，这是因为对应于区域A与C的DCT系数的幅度将低于预置门限。因而，在处理对应于区域A与C的信号时，将只有DC系数并且此信号的这些部分没有被峰化，而此信号对应于边缘区域B的部分将被峰化。
因而，图10A、10B、11A与11B表示如何能实施根据本发明的优选实施例峰化视频信号的概念，首先不考虑信号附加噪声的情况(图10A与10B)，随后考虑图11A与11B中具有噪声的情况。因为所示的示例性源视频信号只包含水平过渡而不包含垂直细节，所以只讨论对应于水平DC的水平DCT系数。然而，此概念能容易地扩展为包括垂直DCT系数，以增强垂直细节以及对角部分。因而，利用高频DCT系数只出现在与平坦视频(区域A与C)相反的细节区域(区域B)中，并且只在处理对应于区域B的信号时才进行峰化，只放大过渡区域中的噪声。如此区域中的噪声比提升平坦区域A与C中的噪声平面在主观上更令人愉快。
图12A表示对应于图11A的信号的噪声视频信号。图12B表示区域A(点w到点x)的DCT系数的幅度低于门限幅度th。因而，对应于区域A中的噪声的DCT系数将落在DCT系数门限之下并且此系统将不对此信号的这个部分进行峰化。参见图12C，区域B(点x至y)的DCT系数超过门限幅度th。因而，将对此视频信号的这个部分进行峰化。参见图12D，因为区域C的噪声分量不足以将DCT系数提升到此门限值之上，所以将不对此信号的这个部分进行峰化。
图12E表示根据本发明的优选实施例对图12A的信号进行自适应峰化。区域A′与C′将不被峰化，并因而图12(a)的噪声包络82将与用于平坦区域的图12E的噪声包络82′相同。区域B′中的噪声包络将较大。然而，此区域中的噪声在主观上将更令人愉快。
在本发明的优选实施例中，对于一部分的视频信号数据，亮度峰化滤波器的选择峰化能在出现在图象中的色度能量的频谱直方图的控制下。能在水平或垂直方向中应用亮度滤波器，但最好在水平与垂直两个方向中应用亮度滤波以影响显示图像的垂直与水平边缘。
在本发明的优选实施例中，色度信号可以选择地进行峰化。在MPEG压缩视频信号的情况中，诸如通过分析色度I帧DCT系数，能确定出现在图象的一部分中的色度能量的频谱直方图。也称为内部帧的I帧是与MPEG标准中的其他视频帧无关的内部编码的视频帧。以规则间隔重复I帧以刷新编码序列。一个帧指一幅完整的电视图像并且能由奇数编号行与偶数编号行的隔行扫描场构成。在NTSC或其他隔行扫描电视图像中，一个场指一组奇或偶数编号的行，帧包含偶数编号与奇数编号的行。在任意两个I帧之间的是P帧(预测帧)和B帧(双向预测帧)。P与B帧只包含有关两个I帧之间变化的信息。I帧与其P与B帧一起称为GOP(图像组)。
I帧的色度频谱直方图已确定为已应用于色度信号的整体量化的高可靠性测量。例如，如果低频分量的色度直方图匹配预先建立的模式，则能估算色度量化的程度。因此，根据频谱直方图匹配结果，能建立策略来施加合适的峰化量。而且，根据频谱直方图与预定门限的比较，能细化峰化控制。
例如，如果I帧中的色度频谱直方图的某些部分的色度能量超过门限值，则能在亮度路径、色度路径或这两个路径中加上峰化滤波器。为了进行此比较，检查每个I帧的色度差信号的DCT系数。高DCT系数将表示足够的高频色彩差能量并表示分析的视频信号部分(视频数据块)位于应进行峰化的色度边缘上。另一方面，低电平DCT系数表示几乎没有高频色度能量，并且能适度缓和或完全消除用于此视频信号的此“平坦”部分的亮度和/或色度路径中的峰化。此处理的效果是只对对应于饱和图像的细节的此视频信号部分进行信号增强(峰化)。另一方面，对于其中不需要进行峰化的平坦的色彩场或具有色彩的平坦的场部分，将不进行或适度进行峰化，这是因为那个区域中的峰化能增加令人不愉快的噪声，尤其在色彩的红色平坦场的区域中。
能有益地以I帧速率进行基于色度能量的自适应峰化。因此，比较和选择峰化将在整个GOP上进行，而不以较高速率影响此信号。这是有益的，这是因为滤波器特性的变化速率应为相对低的速率，以便不引起在滤波器特征变化太快时能出现的滤波器特性的人工因素。
因而，在数字亮度信号利用解码器进行重构之后，有益地将自适应水平与垂直滤波器插入在亮度路径中。这些滤波器的自适应性利用频谱直方图和出现在I帧(MPEG编码视频)中的色度差信号中的能量数量来控制。通过检查I帧DCT系数来确定频谱直方图和色度差信号中的能量。随后，在高频水平或垂直系数匹配某些直方图模式或超过给定门限的情况中，进行选择峰化。
根据本发明的优选实施例，基于视频信号的色度分量的自适应峰化表示在图13-20B中。图13表示具有亮度细节与色度噪声的饱和视频信号的8×8像素块的DCT系数。图14表示8×8像素的特征色度DCT系数。图15表示对应于具有亮度与色度细节的图像50的一部分的视频信号的亮度DCT块51与色度DCT块52的DCT系数。
亮度与色度信号随时间变化的幅度如图16A、16B与16C所示。不在RGB域中进行数字信号处理。因此，首先将此信号变换为YPbPr域，其中Y代表亮度信号，Pb代表兰色度信号，而Pr代表红色度信号。色度信号是两种相反色彩之间的双极性信号，其中零是两个相反色彩之间的1/2电平。如在图16A-16C中所看到的，区域A与C表示没有细节的平坦区域，而区域B表示区域A与C之间的边缘变换区域。因此，图16A-16C表示具有边缘区域的色彩视频信号的YPbPr图表。
图17A、17B与17C表示没有陡峭跃变并因而没有边缘区域但具有利用噪声包络710与711表示的噪声的色彩视频信号的YPbPr域。图17A-C的时间刻度比图16A-C的时间刻度大得多。图17D表示峰化图17A的信号的结果。能明白区域B的斜率已增加到尖锐的边缘区域B′。但是，峰化能增加Pb与Pr信号的噪声包络和因而最好包括噪声滤波器来减少Pb和Pr信号的色度噪声。
图18A表示具有平坦色彩区域A与C和边缘过渡区域B的色度信号Pb或Pr。图18A的信号的频率分量表示在图18B中。区域A与C是平坦的，并且其色度频谱曲线利用点810来表示。边缘区域B的色度频谱曲线表示为曲线811。图19A表示具有平坦区域A、边缘区域B和平坦区域C的色度信号(即，具有噪声的信号)的Pb或Pr曲线。图19B表示图19A的信号的色度频谱图表。点910表示没有噪声或在噪声滤波器作用之后区域A与C的图表。区域911表示考虑噪声时区域A与C的色度频谱图表。图19B表示边缘区域B的噪声包络大于表示噪声滤波器作用的噪声包络914。然而，过渡区域中的噪声比平坦区域中的噪声更不令人烦恼。
图20A表示类似于图18A的具有平坦区域A与C和过渡区域B的信号的Pb或Pr色度图表。图20B表示根据表示图18B的高频分量的DCT系数如何能使边缘区域B锐化为B′。如前所讨论的，因为只在区域B中执行峰化，所以未增加其中噪声能变得更令人烦恼的区域A与C中的噪声。
表1
表1概述根据本发明能采用的信号处理技术。如所示出的，在边缘区域中峰化亮度(Y)信号和色度信号(P)。对于其中出现噪声的高电平色度信号也有益地减少噪声。在检测到边缘并且出现噪声时延伸是有益的，但对比度可能需要进行调整。在检测到边缘但未出现噪声时，需要色彩传输改善(CTI)。在本发明的另一实施例中，当在Pb或Pr信号上检测到边缘时，只峰化Y信号。在本发明的还一实施例中，如果在Pb或Pr信号中检测到噪声，则选择峰化将限于Y信号。
如从前面明白的，根据本发明的实施例的自适应峰化方法对于发送的视频信号的显示提供好处。不需要YUV至RGB色彩矩阵来分析色度信号。图1的DCT分析器和峰化控制处理器180能是信号处理器的形式，能包括用于接收信号的一个或多个输入端、信号处理单元和用于输出信号的输出端。此信号处理单元能构造为硬件、固件或能利用软件来控制。用于根据本发明执行自适应峰化的信号处理器可以在显示视频信号之前附加到视频处理链上。此视频信号可以是模拟或数字信号(MPEG或非MPEG)；然而，在此视频信号为MPEG格式时，减少附加此改善方法所要求的外围硬件，这是因为DCT系数是容易获得的。
根据本发明构造的电视机包括源信号处理单元、自适应峰化单元、峰化系统和显示器。如果此电视机构造为接收MPEG压缩数字视频信号，则传输单元将DCT信息发送给自适应峰化单元并将此信号馈送给峰化系统。这些自适应峰化单元控制峰化系统并确定此信号的哪个部分将进行峰化。随后，显示此信号。如果此电视机未构造为接收这样的信号，则源信号处理单元能包括A/D和/或D/A变换器和用于获得自适应峰化单元所使用的DCT系数的单元。
实施分析DCT系数的算法的处理器能编程为在逐个块的基础上作出“峰化决定”或此决定(基于某一类型的门限或频谱分布/直方图分析)能在某一预定数量的块上进行“滤波”或“平均”以“平滑掉”滤波器与系数的变化。因而，在决定进行峰化时能考虑图像在空间或时间上的“历史”。通过在信号接收机上执行选择的峰化，能根据ATSC标准发送所传送的信号。
因而将明白能有效地实现从前面的描述中知道的上述目标，并且因为在上述方法与结构中能进行某一些改变而不背离本发明的精神与范畴，打算包含在上面描述或附图中所示的所有事件应解释为示意性的并且不应解释为限制意思。
也应明白下面的权利要求书打算覆盖本文所述的本发明的所有一般与特定特性和在语言上可以认为落在其间的本发明范畴的所有陈述。
权利要求
1.用于峰化视频信号(10，11)的一种方法，包括接收作为压缩数据流传送的源视频信号(10，11)，此数据流包括用于解压视频信号的DCT系数；从此源视频信号(10，11)中获得用于此视频信号的选择部分的DCT系数(160)并确定用于所述选择部分(180)的DCT系数的幅度；将此DCT系数的幅度与预定门限电平或频谱分布直方图(180)进行比较；和在此视频信号的选择部分的DCT系数的幅度满足或超出预定门限电平或匹配此频谱分布/直方图时，峰化此视频(190)信号的选择部分。
2.如权利要求1的方法，其中此峰化步骤采用设置为预定频率的高通滤波器(190)并且提升具有高于此预定频率的频率的此视频信号的选择部分。
3.如权利要求1的方法，其中此峰化步骤包括使此信号经过具有预定频带的带通滤波器(190)并且提升落在预定频带内的此视频信号的选择部分。
4.如权利要求1的方法，其中峰化的程度与DCT系数的幅度超过此预定门限电平的部分成比例。
5.如权利要求1的方法，其中设置此预定门限电平，以确定此视频信号的选择部分是否对应于选择电平的显示细节，其中对视频信号的选择细化部分而不对此信号的相对平坦部分进行峰化。
6.一种信号处理器(100，101)，根据来自视频信号的DCT系数选择地峰化视频信号，包括输入部分、输出部分和耦合在输入与输出部分之间的处理单元(100，101)，此处理单元构造并用于接收对应于视频信号的选择部分的视频数据块的DCT(160)系数；确定DCT系数(180)的幅度；将这些DCT系数(180)的幅度与预定门限电平或频谱分布/直方图进行比较，而且在此视频信号的选择部分的DCT系数满足或超过此预定门限电平或匹配频谱分布/直方图时输出表示应对此视频信号的选择部分进行峰化的信号(181)。
7.一种电视机(100，101)，包括外壳，具有信号输入端、源信号处理器(102)、峰化信号处理器(180)、峰化滤波系统(190)和安装在上面的视频显示器(192)；源信号处理器(102)，耦合到此信号输入端并耦合到峰化信号处理器(180)和峰化系统(190)，源信号处理器(102)构造为从信号输入端接收信号和发送对应于视频信号的DCT系数(161)给峰化信号处理器(180)并将视频信号(126)发送给此峰化系统；峰化信号处理器(180)，在输入端耦合到源信号处理器(102)并在输出端耦合到峰化系统(190)，此峰化信号处理器(180)构造为从源信号处理器(102)接收信号(161)和获得对应于视频信号(10)的选择部分的DCT系数，将这些DCT系数的幅度与预定门限电平或频谱分布/直方图进行比较，并且在此幅度满足或超过此门限或匹配频谱分布直方图时，输出控制信号(181)给峰化系统(190)以使此峰化系统(190)执行峰化操作；峰化系统(190)构造为从此源信号处理器接收视频信号(126)和从峰化信号处理器(180)接收控制信号(181)，并且根据包含在来自峰化信号处理器(180)的控制信号(181)中的指令峰化此视频信号(10，11)，而且将选择峰化的视频信号发送给显示器(192)；显示器(192)，构造为从峰化系统(190)接收选择峰化的视频信号(191)并显示此视频信号(191)。
8.如权利要求7的电视机，其中源信号处理器(102)构造为接收编码压缩数字视频信号(10)并解码和解压此信号。
9.如权利要求7的电视机，其中此峰化系统包括构造为接收多个滤波器抽头的多相再抽样类型滤波器(190)。
10.如权利要求7的电视机，其中源信号处理器(102)包括模拟数字变换器(151)并构造为导出利用所述变换器变换的信号(126′)的DCT系数，而且将所述DCT系数(141′)提供给峰化信号处理器(180)。
11.用于峰化视频信号(200)的一种方法，包括接收源视频信号，此源视频信号包括亮度与色度部分(210)并包括曾作为包括用于解压视频信号(220)的DCT系数的压缩数据流传送的色度差信号部分；从源视频信号(230)中获得此视频信号的选择部分的色度能量或色度DCT系数的频谱直方图，并且将这些DCT系数的频谱直方图或幅度与预定频谱分布或电平(240)进行比较；和根据频谱直方图与分布的比较或在此视频信号的选择部分的DCT系数的幅度满足或超过预定门限电平(250)时，峰化此视频信号的选择部分的亮度和/或色度部分。
12.如权利要求11的方法，其中在此色度差信号的色度DCT系数满足或超过门限(250)时，峰化此视频信号的选择部分。
13.如权利要求11的方法，其中获得每个I帧的色度能量的频谱直方图，并且峰化选择地基于直方图(250)。
14.如权利要求11的方法，其中色度I帧DCT系数与门限值(240)进行比较，并且峰化基于此比较(250)。
15.如权利要求11的方法，其中此源视频信号包括表示I帧的信号部分，并且在频谱直方图或DCT系数表示I帧中的色度频谱直方图的某些部分的色度能量超出门限值(250)时，在亮度路径中施加峰化。
16.如权利要求11的方法，其中对表示具有色彩差(811)的显示部分之间的边界的信号部分进行峰化，并且对表示足够平坦色彩区域(810)的信号部分较少或不进行峰化。
17.如权利要求11的方法，其中此源视频信号包括表示I帧的信号部分并以I帧速率进行蜂化。
18.如权利要求11的方法，其中在水平与垂直方向中都进行峰化。
19.如权利要求11的方法，其中此峰化步骤采用设置为预定频率的高通滤波器并且提升具有超过此预定频率的视频信号的选择部分。
20.如权利要求11的方法，其中此峰化步骤包括使此信号通过具有预定频带的带通滤波器(190)并提升落在预定频带内的此视频信号的选择部分。
21.如权利要求12的方法，其中此峰化程度与DCT系数的幅度超出预定门限电平的范围成比例。
22.如权利要求11的方法，其中设置此预定门限电平或频谱分布以确定此视频信号的选择部分是否对应于选择电平的显示色彩细节，并且对视频信号(811)的选择细化部分进行(250)峰化而不对此信号(810)的相对平坦色彩部分进行峰化。
23.如权利要求11的方法，其中只对此信号的亮度部分执行峰化。
24.一种信号处理器(100，101)，为根据来自包括亮度与色度部分的视频信号(161)的DCT系数选择地峰化视频信号(10，11)，包括输入部分、输出部分和耦合在输入与输出部分之间的处理单元(100，101)，此处理单元构造并适用于接收对应于视频信号的选择部分的视频数据块的色度DCT系数(160)；确定DCT系数(180)的幅度；将这些DCT系数的幅度与预定门限电平或频谱分布/直方图进行比较；和输出信号(181)，表示在此视频信号的选择部分的DCT系数满足或超过此预定门限电平或匹配频谱分布/直方图时对此视频信号的选择部分应进行此信号的亮度和/或色度部分的峰化。
25.如权利要求24的信号处理器(100，101)，其中此处理单元构造为处理包括对应于I帧的分段的信号，此信号以I帧速率进行显示，并且此处理器构造为以I帧速率进行峰化。
26.如权利要求24的信号处理器(100，101)，其中只对此信号的亮度部分执行峰化。
27.一种电视机(100，101)，包括外壳，具有信号输入端、源信号处理器(102)、峰化信号处理器(180)、峰化滤波系统(190)和安装在上面的视频显示器(192)；源信号处理器(102)，耦合到信号输入端并且耦合到峰化信号处理器(180)与峰化系统(190)，源信号处理器(102)构造为从信号输入端接收信号和发送对应于视频信号的色度DCT系数(161)给峰化信号处理器(180)而且将视频信号(126)发送给峰化系统(190)；峰化信号处理器(180)，在输入端耦合到源信号处理器(102)并在输出端耦合到峰化系统(190)，此峰化信号处理器(180)构造为从源信号处理器(102)接收信号(161)并获得对应于此视频信号(10)的选择部分的色度DCT系数，将这些色度DCT系数的幅度与预定门限电平或频谱分布/直方图进行比较，并且在此幅度满足或超过此门限或匹配此频谱分布直方图时，输出控制信号(181)给峰化系统(190)，以使此峰化系统(190)执行峰化操作；峰化系统(190)构造为从源信号处理器(102)接收视频信号(126)和从峰化信号处理器(180)接收控制信号(181)，并根据包含在来自峰化信号处理器(180)的控制信号(181)中的指令峰化此视频信号(10，11)，而且将选择峰化的视频信号发送给显示器(192)；显示器(192)，构造为从峰化系统(190)接收选择峰化的视频信号(191)并显示此视频信号。
28.如权利要求27的电视机，其中源信号处理器(102)构造为接收编码压缩数字视频信号(10)和解码与解压此信号。
29.如权利要求27的电视机，其中此峰化系统包括构造为接收多个滤波器抽头的多相再取样类型滤波器(190)。
30.如权利要求27的电视机，其中源信号处理器(102)包括模拟数字变换器(151)并构造为导出利用所述变换器变换的信号(126′)的DCT系数并将所述DCT系数提供给峰化信号处理器(180)。
31.用于峰化视频信号(200)的一种方法，包括接收视频信号(210)；获得对应于此信号的选择部分(230)的色度DCT系数；将这些DCT系数的幅度与预定门限电平或频谱分布/直方图(240)进行比较；和在此视频信号的DCT系数满足或超过此预定门限电平或匹配此频谱分布/直方图(250)时，峰化此视频信号的选择部分。
32.如权利要求31的方法，其中接收的视频信号为模拟信号(211)并且将此信号并行变换为数字信号(212)，而且获得对应于此模拟信号的选择部分的数字信号(220)的选择部分的DCT系数。
33.如权利要求31的方法，其中利用数字滤波器执行峰化，此模拟信号在峰化之前变换为数字信号(212)并在执行峰化之后变换为模拟信号(255)。
34.如权利要求31的方法，其中在水平与垂直方向中都执行峰化。
全文摘要
提供用于视频信号部分的选择峰化的方法与设备。诸如根据MPEG标准以压缩形式发送的视频信号能表示为利用离散余弦变换(DCT)编码的数据块,能获得并分析对应于此信号的色度值的离散余弦变换系数。能在逐个块、逐个I帧的基础上对视频信号的选择峰化部分执行分析和相应量的增强(峰化)。如果用于此信号的一部分的DCT系数超过或落在预先选择的值或范围之内,则能对此信号的那个部分进行峰化。例如,如果高频水平DCT系数超过(或落在)预置门限值或范围,则能将水平峰化电路设置为峰化此信号的那个部分。能设置信号处理器用于与这些系数超过此门限值的部分成比例的增益。类似的方案能应用于垂直空间方向中。
文档编号H04N7/30GK1347616SQ00806349
公开日2002年5月1日 申请日期2000年12月14日 优先权日1999年12月17日
发明者R·沈, A·P·卡瓦勒拉诺 申请人:皇家菲利浦电子有限公司