DE602004002618T2

DE602004002618T2 - Verfahren und System zur Kantenhervorhebung

Info

Publication number: DE602004002618T2
Application number: DE602004002618T
Authority: DE
Inventors: Patricia Wei Yin Chiang
Original assignee: STMicroelectronics Asia Pacific Pte Ltd
Current assignee: STMicroelectronics Asia Pacific Pte Ltd
Priority date: 2003-05-17
Filing date: 2004-05-13
Publication date: 2007-08-16
Anticipated expiration: 2024-05-14
Also published as: EP1480166B8; US7406208B2; SG115540A1; EP1480166A1; EP1480166B1; US20050008251A1; DE602004002618D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kantenhervorhebungsprozess und ein entsprechendes System für Bilddaten, die statische oder sich bewegende (d.h. Video) Bilder repräsentieren.
Die Luminanzübergangsverbesserung oder -verstärkung betrifft das Scharfstellen eines Bildes durch das Steilermachen der Kantenübergänge auf der Luminanzkomponente des Bildes, um auf diese Weise die Bandbreite des ursprünglichen Signals zu vergrößern. Es gibt zwei generelle Wege, um eine Kante steiler zu machen. Bei einem Weg werden die Bildpunktwerte auf der hohen Seite einer Kante erhöht und die Bildpunktwerte auf der anderen Seite der Kante verringert, um auf diese Weise einen graduellen Übergang abrupter zu machen. Der andere Weg besteht darin, Bildpunktwerte in der Nähe der Kante durch Bildpunktwerte zu ersetzen, die weiter weg von der Kante angeordnet sind.
Generell basieren die vorhandenen Übergangsverbesserungsschaltungen auf einer von drei Übergangsverbesserungstechniken. Bei der ersten Technik finden Kantendetektoren Verwendung. Üblicherweise wird die Mitte der Kante lokali siert, und der Grad der Verstärkung, der auf einen vorgegebenen Bildpunkt aufgebracht wird, hängt vom Abstand von der Mitte der Kante und von der Größe der Kante ab. Die Veröffentlichung WO 01/67392 mit dem Titel „System and Method for Improving the Sharpness of a Video Image" beschreibt ein Kantenschärfungssystem, das einen Unterbildpunktkantenmitten-Lokator aufweist, der das sichtbare Flimmern nach der Verstärkung reduziert. Das System sieht ferner eine Verstärkungsregelung für das Hervorhebungssignal unter Ausnutzung der Relativlage der Kanteninformationen vor, um das „Over-the-Hill"-Problem anzugehen, das bei einer Kante auftritt, wenn Bildpunkte einer zweiten Kante verschoben werden.
Bei der zweiten Technik findet ein starkes Peaking-Filter Verwendung. Obwohl Peaking-Filter die Frequenzkomponenten nicht erhöhen, versteilern sie die Kanten. Durch das Stutzen der überschießenden und unterschießenden Bereiche werden Hochfrequenzkomponenten eingeführt, um die Bandbreite des ursprünglichen Signals zu vergrößern und gleichzeitig das Bild schärfer zu machen. Ferner werden spezielle Grenzbedingungen auf dem Bildpunktniveau detektiert, wodurch Einstellungen erzwungen werden.
Bei der dritten Technik werden die Maximal- und Minimalwerte eines lokalen Fensters extrahiert. Gemäß der US-PS 6 094 205 mit dem Titel „Sharpness Control" wird unter Verwendung der zweiten Ableitung eine Kantenhervorhebung durchgeführt, um den minimalen oder maximalen Bildpunktwert auszuwählen, wonach unter Verwendung der Größe der ersten Ableitung ein nachlassender Übergang zwischen dem ursprünglichen und dem ausgewählten minimalen/maximalen Bildpunktwert durchgeführt wird.
Die Veröffentlichung WO 01/52188 mit dem Titel „Method and Apparatus for Edge Detection" beschreibt ein Verfahren zur Kantendetektion unter Verwendung einer zweiten Tiefpass-Ableitung zur Erzielung einer erhöhten Robustheit in Bezug auf Rauschen und Aliasing, einer ersten Schwellenableitung zum Unterscheiden zwischen Rauschen und Kanten und eines Vergleiches zwischen einer dritten und ersten Ableitung als Kantenfrequenzberechung zum Differenzieren von weichen und harten Kanten für eine geeignete Kantenhervorhebung.
Bei vorhandenen Kantenhervorhebungsprozessen gibt es eine Reihe von Schwierigkeiten. Die erste Schwierigkeit ist auf das Sampling zu getrennten Zeitpunkten zurückzuführen, so dass eine Kantenmitte nicht mit dem Bildpunktgitter übereinstimmen kann. Wenn der sich ergebende Fehler in Bezug auf die exakte Lage der Kante zu grob wird, wird ein Flimmern nach der Hervorhebung sichtbar. Generell tritt dieses Problem nur auf, wenn eine Kantenhervorhebung auf der Basis des Abstandes von der Kantenmitte, der durch das Bildpunktgitter identifiziert wird, durchgeführt wird.
Ein zweites Problem betrifft die Überhervorhebung der weichen und harten Kanten, die zu einem künstlich aussehenden Bild führt. Ein Beispiel von weichen Kanten ist die Hervorhebung von räumlichen Merkmalen. Die 3D-Information des visualisierten Objektes, dargestellt auf der 2D-Ebene, geht verloren, wenn die glatten Kanten geradegerichtet und versteilt werden. Ferner wird eine sichtbare Konturierung von Bildern nach der Kantenversteilung eingeführt, da der Untersatz der Bildpunktdarstellung für die Kante signifikant reduziert worden ist. Darüber hinaus werden unnatürlich aussehende Plateaus auf beiden Seiten der Kante erzeugt, wenn harte Kanten weiter versteilt werden.
Als drittes sind Kantenbearbeitungsverfahren generell gegenüber Rauscherscheinungen nicht robust und führen oft zu Bildern mit verstärktem Rauschen. Bei Verfahren, die auf detektierten Kantenzentren basieren, lokalisieren örtliche Bearbeitungsmasken, die mit zweiten Ableitungs-Operatoren oder Laplace-Operatoren Verwendung finden, die Kanten sehr genau, sind jedoch sehr empfindlich gegenüber Rauschen. Andererseits sind Operatoren auf der Basis von stochastischen Gradienten besonders robust gegenüber Rauschen, können jedoch nicht einfach realisiert werden, wenn sich der Rauschpegel verändert. In entsprechender Weise sind auch Verfahren, bei denen Peaking-Filter Verwendung finden, sehr empfindlich gegenüber Rauschen. Die herkömmliche Gegenstrategie besteht darin, Tiefpassfilter oder Ableitungen zu verwenden, wie in der Veröffentlichung WO 01/52188 beschrieben.
Ein viertes Problem ist die Unflexibilität, enge und komplizierte Kanten zu handhaben. Generell finden bei der Bildpunktpegelbearbeitung spezielle Grenzbedingungen Verwendung, um für solche Situationen Sorge zu tragen. Diese können jedoch nicht ausreichend sein, um sämtliche Fälle abzudecken. Ein typisches unerwünschtes Ergebnis ist die Verschiebung von Bildpunkten einer anderen Kante und somit Veränderung des Inhaltes des Bildes. Wie in der Veröffent lichung WO 01/67392 beschrieben, kann dieses „Over-the-Hill"-Problem vermieden werden, indem die Verstärkung des Hervorhebungssignals auf der Basis des Abstandes zwischen den detektierten Kantenbildpunkten geregelt wird.
Ein anderes Problem ist die Hervorhebung von unscharfen Kanten, was zu gezackten Kanten führt. Unscharfe Kanten treten oft auf einem weichen fokussierten Hintergrund und/oder Bild auf. Sie können aufgrund der auf Kanten zur Erzielung von speziellen Effekten eingeführten Zufälligkeit oder aufgrund der sich verschlechternden Qualität von alten Filmen vorhanden sein.
Schließlich bringt eine Kantenhervorhebung einen Aliasing-Seiteneffekt in vertikaler Richtung mit sich, der sich in der Form einer Sägezahnkante manifestiert. Die horizontale Versteilung einer diagonalen Kante zieht Bildpunktwerte, die weiter von der Kante weg angeordnet sind, näher zur Mitte. Da sich die Kante von der Vertikalen weiter weg neigt, wird das Sägezahnmuster für den Beobachter um so deutlicher, je weiter weg die Mitte der ID-Kante relativ zu ihrem Gegenstück über und unter der Zeile angeordnet ist. Dieser Effekt führt zu einer Verschlechterung und tritt in der Form von flimmernden horizontalen Zeilen auf, wenn das Bild verschachtelt wird und sich die Kante bewegt.
Die EP 0 635 804 A1 beschreibt ein Bildbearbeitungsverfahren zum Entfernen von Bereichen aus einem durch Röntgenstrahlung erzeugten Bild. Sie beschreibt das Gruppieren von Übergängen zum Lokalisieren von Röntgenblendenkanten. Auf der Basis der Eigenschaften der Blendenkanten werden Ge wichtungsfaktoren zum Bestimmen der Wahrscheinlichkeit der Klassifizierung erzeugt. Eine Kurvenanpassung wird mit Hilfe von Gewichtsfaktoren durchgeführt, die die Wahrscheinlichkeit wiedergeben, dass sich ein Übergangspunkt auf einer tatsächlichen Röntgenblendenkante befindet.
Es ist daher wünschenswert, ein Kantenhervorhebungssystem und einen entsprechenden Prozess zu schaffen, mit denen eine oder mehrere der vorstehend genannten Schwierigkeiten beseitigt werden oder mindestens eine geeignete Alternative zur Verfügung gestellt werden kann.
Die vorliegende Erfindung ist im Verfahrensanspruch 1 und im Vorrichtungsanspruch 15 wiedergegeben.
Bei hiernach beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können die Maximal- und Minimalpunkte innerhalb eines lokalen Bearbeitungsfensters mit einer Max-Min-Suchkomponente identifiziert werden, anstatt den Weg auf der Basis eines Randdetektors zu gehen. Im Gegensatz zu dem in der US-PS 6 094 205 beschriebenen Verfahren werden jedoch nur die Maximal- und Minimalpunkte betrachtet, die zu dem interessierenden Bildpunkt im lokalen Bearbeitungsfenster am nächsten sind. Die lokalen Maximal- und Minimal-Bildpunktwerte und ihre entsprechenden Positionen können benutzt werden, um ein Kantenzentrum mit Unterbildpunktgenauigkeit zu lokalisieren und auf diese Weise das Flimmerproblem wirksam zu lösen.
Mit ausreichender Kanteninformation wird eine Kantenhervorhebung durchgeführt, ohne Bildqualität mit selektiver Kan tensteuerung zu opfern. Durch die Anwendung von adaptiven Hervorhebungsniveaus für unterschiedliche Kanten wird eine Überhervorhebung der Kanten gesteuert. Weiche Kanten fügen zum Bild Tiefenwahrnehmbarkeit hinzu und sind für eine Versteilung nicht geeignet, während harte Kanten bereits steil genug sind, um eine weitere Hervorhebung zu fordern. Somit findet eine geringere Hervorhebungsgröße bei solchen Kanten Anwendung, während gleichzeitig für andere Kanten eine normale Stärke aufrechterhalten wird.
Generell können Kanten in weiche, harte, halbweiche und halbharte Kanten klassifiziert werden, indem einfache Kanteneigenschaften, wie die Übergangsbreite, die Übergangshöhe und die Übergangssteigung, betrachtet werden. Bei eingeschränkter Hervorhebung auf der Basis dieser Kanteneigenschaften werden Kanten mittlerer Stärke, wie halbweiche und halbharte Kanten, verstärkt, während extrem weiche und harte Kanten geschwächt werden, um auf diese Weise das Auftreten von Überverstärkungsproblemen zu verringern und ein verbessertes Bild zu liefern.
Um eine gegenüber Rauschen robuste Kantenverbesserung zu erreichen, betrachtet die Max-Min-Suchkomponente die Maximal- und Minimalpunkte auf qualitative Weise gemäß den temporalen und Größenaspekten des Videosignals. Der temporale Aspekt betrifft die Aufrechterhaltungsdauer bei der Veränderung des Videosignals. Ein kurzlebiger Anstieg oder Abfall der Größe ist sehr wahrscheinlich ein Ergebnis von Rauscheffekten und wird daher üblicherweise nicht als Maximal- oder Minimalpunkt angesehen. Der Größenaspekt betrifft die Größe der Veränderung des Videosignals und differen ziert weiter zwischen tatsächlichen Bildeinzelheiten und Rauscherscheinungen bei kurzlebigen Übergängen. Kurzlebige Übergänge, die unter einer vom Benutzer definierten Schwelle liegen, werden als Rauschstörungen angesehen und nicht hervorgehoben, um auf diese Weise die Robustheit der Kantenhervorhebung gegenüber Rauschen zu verbessern.
Die Max-Min-Suchkomponente wählt die beiden Wendepunkte aus, die zum Mittelpunkt des Bearbeitungsfensters am nächsten sind, und zwar einmal maximal und einmal minimal, und die einen den mittleren Bildpunkt umgebenden Bereich bilden. Dieser Bereich enthält die Kante, zu der der mittlere Bildpunkt gehört, und die Hervorhebung wird dann an dieser Kante durchgeführt. Die Vorteile bestehen darin, dass enge Kanten auf allgemeine Weise gehandhabt und „Over-the-Hill"-Probleme vermieden werden.
Um die Sichtbarkeit von gezackten Kanten nach der Kantenhervorhebung zu verringern, wird vor der Kantenhervorhebung eine kantengerichtete Filteroperation durchgeführt. Durch diesen Filtervorgang werden unscharfe Kanten geglättet, indem Bildpunktwerte entlang ausgewählten Kantenrichtungen gemittelt werden. Hierdurch wird das nachfolgend erzeugte Hervorhebungsdifferenzsignal beeinflusst. Ein Kantenrichtungsdetektor findet Verwendung, um die Richtung der Kanten zu detektieren. Richtungen nahe zur Vertikalen werden dann einer Vorfilterung unterzogen, da gezackte Kanten in Kanten nahe an der Vertikalen sichtbarer sind.
Andererseits sind Kanten näher an der Horizontalen mit unerwünschten Aliasing-Effekten verbunden, insbesondere nach der Kantenhervorhebung, und zwar aufgrund der Ausdehnung des Vertikalfrequenzbereiches über ein subjektiv akzeptiebares Niveau. Anstatt eine Nachbearbeitung, wie ein Vertikalfiltern, am verstärkten Signal durchzuführen, wird die Hervorhebung an diesen Kanten in Abhängigkeit von der Größe des vorhandenen vertikalen Aliasing-Effektes reduziert, so dass auf diese Weise ein Aliasing-Schutz erreicht wird.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden hiernach anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 ein Blockdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform eines Kantenhervorhebungssystems;
2 ein Blockdiagramm einer Übergangsverbesserungsschaltung des Kantenhervorhebungssystems;
3 ein Blockdiagramm der Komponenten der Übergangsverbesserungsschaltung, wobei der Zeilenspeicherpuffer weggelassen ist;
4 ein Blockdiagramm einer Horizontal-Max-Min-Suchmaschine der Übergangsverbesserungsschaltung;
5 ein schematisches Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Kantentyp und der Übergangsbreite sowie der Höhe einer Kante zeigt;
6A ein schematisches Diagramm, dass die Beziehung zwischen einem Übergangssteigungsgewichtungsfaktor und der Übergangssteigung einer Kante zeigt, die in einer selektiven Horizontalkantensteuerschaltung der Übergangsverbesserungsschaltung Verwendung findet;
6B ein schematisches Diagramm, das die Beziehung zwischen einem Übergangsbreitengewichtungsfaktor und der Übergangsbreite einer Kante zeigt, die in der selektiven Horizontalkantensteuerschaltung Verwendung findet;
6C ein schematisches Diagramm, das die Beziehung zwischen einem Übergangshöhengewichtungsfaktor und der Übergangshöhe einer Kante zeigt, die in der selektiven Horizontalkantensteuerschaltung Verwendung findet;
6D ein schematisches Diagramm, das die Beziehung zwischen einem Übergangshöhengewichtungsfaktor und der Übergangshöhe einer Kante zeigt, die in einer selektiven Vertikalkantensteuerschaltung der Übergangsverbesserungsschaltung Verwendung findet;
7A ein schematisches Diagramm, das ein in einem Kantenrichtungsdetektor der Übergangsverbesserungsschaltung verwendetes Behandlungsfenster zeigt;
7B ein schematisches Diagramm, das einen Satz von Kantenrichtungen entsprechend dem in 6A gezeigten Behandlungsfenster zeigt;
8 ein schematisches Diagramm, das die Beziehung zwischen einem Aliasing-Gewichtungsfaktor und einer gemessenen Aliasing-Größe zeigt, wie sie in einer Aliasing-Schutzschaltung der Übergangsverbesserungsschaltung Verwendung findet;
9 ein Ablaufdiagramm eines Horizontalkantenhervorhebungsprozesses, der vom Kantenhervorhebungssystem durchgeführt wird;
10 ein Ablaufdiagramm eines Kantenidentifizierungsprozesses des Horizontalkantenhervorhebungsprozesses; und
11 ein Blockdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform eines TV-Display-Prozessors, bei dem das Kantenhervorhebungssystem Verwendung findet.
Wie in 1 gezeigt, umfasst ein Kantenhervorhebungssystem 100 eine Luminanzübergangsverbesserungsschaltung 101 und zwei Chrominanzübergangsverbesserungsschaltungen 102, 103 für entsprechende Chrominanzkomponenten. Das Kantenhervorhebungssystem 100 führt einen Kantenhervorhebungsprozess durch, um Ausgangsbilddaten mit hervorgehobenen Kantenmerkmalen aus Eingangsbilddaten zu erzeugen. Bei der bevorzugten Ausführungsform wird der Kantenhervorhebungsprozess durch Hardwarekomponenten des Kantenhervorhebungssystems 100 verwirklicht, einschließlich anwendungsspezifischer integrierter Schaltungen (ASICs). Es versteht sich jedoch für den Fachmann, dass mindestens Teile des Kantenhervorhebungsprozesses auch alternativ durch einen oder mehrere Softwaremodule verwirklicht werden können, die von einem Digitalsignalprozessor (DSP) oder einer anderen Rechenvorrichtung, wie einem Standardcomputersystem, betrieben werden.
Das Kantenhervorhebungssystem 100 kann als eine Komponente in einer Vielzahl von Vorrichtungen und Systemen für Standbilder und sich bewegende (d.h. Video) Bilder Verwendung finden. Beispielsweise kann das Kantenhervorhebungssystem 100 dazu benutzt werden, um die subjektive Qualität von Videoplaybacksendungen in einer digitalen Videoabspielvorrichtung oder einem Softwareanwendungsfall zu verbessern. Bei der beschriebenen Ausführungsform ist das Kantenhervorhebungssystem 100 eine Komponente eines analogen und/oder digitalen Fernseh(TV)-Display-Prozessors, wie in 11 gezeigt. von einem Sender empfangene analoge TV-Signale werden als erstes in einem Analog-Digital-wandlerblock 1102 in zusammengesetzte digitale Signale überführt. Die zusammengesetzten Signale werden dann in einem Decoderblock 1104 in YW-Komponenten-Signale decodiert. Diese Komponenten werden von einem Analog-Rauschreduzierblock 1106 verarbei tet, um unerwünschtes Gauss'sches und Impulsrauschen zu entfernen, das während diverser Übertragungs- und Umwandlungsprozesse eingeführt werden kann, wobei hierzu temporale und räumliche Rauschfilter eingesetzt werden.
Digitale TV-Signale in der Form von komprimierten MPEG-Bitströmen werden von einem MPEG-Videodecoderblock 1108 in YW-Komponenten-Signale decodiert. Die nichtkomprimierten Videosignale werden dann von einem Codierrauschreduzierblock 1110 verarbeitet, um unerwünschte Ergebnisse zu entfernen, die aus Codierprozessen resultieren, wobei Deblockier- und Deschwingungsfilter Verwendung finden.
Die digitalen und analogen TV-Signale werden verarbeitet, um geeignete Ausgangssignale für das Display zu erzeugen, bei dem es sich um ein Kathodenstrahlröhren(CRT)-Display oder ein Flüssigkristalldisplay handeln kann, wie nachfolgend erläutert. Die rauschfreien Signale werden in einem Interlace-to-Progressive-Umwandlungsblock 1112 in progressive Signale umgewandelt und dann in eine geeignete Größe und ein geeignetes Format zur Anzeige in einem Bildgrößensteuerblock 1114 skaliert, beschnitten und gezoomt. Vor der Anzeige werden die Signale in einem Bildverstärkungsblock 1116 zur Verbesserung der subjektiven Bildqualität verstärkt.
Der Bildverstärkungsblock 1116 umfasst einen Kontrastverstärkungsblock 1118, der den Bildkontrast subjektiv erhöht, das Kantenhervorhebungssystem 100, das die Bildkantendetails verbessert, wie nachfolgend beschrieben wird, und einen Kontrast-, Sättigungs- & Helligkeits-Block 1120, der den dynamischen Bereich und die Sättigung des Bildes gemäß Benutzerwünschen einstellt. Die verstärkten Signale werden schließlich in ein geeignetes Farbformat überführt, wie ein RGB-Signal für ein CRT-Display, unter Verwendung eines Farbraumumwandlungsblocks 1122.
Wie in 1 gezeigt, entspricht das Videodateneingangssignal für die Luminanzübergangsverbesserungsschaltung 101 der Luminanzvideokomponente Y vom verschachtelten oder progressiven Videosignal mit Felddatenfluss, gezoomten Videosignal oder Kontrast. Die Eingangssignale zu den Chrominanzübergangsverbesserungsschaltungen 102 und 103 sind die Chrominanzrot-Cr- und Chrominanzblau-Cb-Videokomponenten, die von parallelen Videoquellen der Luminanzübergangsverbesserungsschaltung 101 mit einem Chrominanzsamplingformat von 4:4:4 oder 4:2:2 zugeführt werden können, d.h. wobei ein Chrominanzwert für jeden Luminanzwert oder jede zwei Luminanzwerte in einer Videozeile vorgesehen ist. Die Übergangsverbesserungsschaltungen 101, 102, 103 erzeugen verstärkte Luminanz- und Chrominanzvideosignale.
Wie in 2 gezeigt, umfassen die Übergangsverbesserungsschaltungen 101, 102, 103 einen Zeilenspeicherpuffer 101, eine Horizontalübergangsverbesserungsschaltung 202, eine Vertikalübergangsverbesserungsschaltung 203, eine Bildpunktverzögerungsschaltung 204 und eine Addierschaltung 205. Die Eingangsvideokomponente (d.h. die Luminanzkomponente Y, die Chrominanzrotkomponente Cr oder die Chrominanzblaukomponente Cb, in Abhängigkeit davon, welche der drei Übergangsverbesserungsschaltungen 101, 102, 103 betrachtet wird) wird im Zeilenspeicherpuffer 201 gespei chert, der ausreichende Speicherkapazität für mehrere Zeilen von Videokomponentendaten besitzt. Das Komponentenvideo wird in Rasterabtastreihenfolge verarbeitet und gespeichert, d.h. durch Bewegung vom oberen linken Bildpunkt horizontal nach rechts und durch Wiederholung der gleichen Reihenfolge für die nachfolgenden Zeilen bis zum unteren rechten Bildpunkt.
Diverse Zeilen des gespeicherten Komponentenvideos werden gleichzeitig zur Horizontalübergangsverbesserungsschaltung 202 geführt, die eine Kantenhervorhebung in Horizontalrichtung ausführt, um ein Horizontalhervorhebungsdifferenzsignal CEH zu erzeugen, und ferner zur Vertikalübergangsverbesserungsschaltung 203, die eine Kantenhervorhebung in Vertikalrichtung ausführt, um ein Vertikalhervorhebungsdifferenzsignal CEV zu erzeugen. Die momentan interessierende Komponentenvideozeile wird durch die Bildpunktverzögerungsschaltung 204 verzögert, um das Komponentenvideo mit den Ausgangshervorhebungsdifferenzsignalen von den Übergangsverbesserungsschaltungen 202 und 203 zu synchronisieren, die dann alle unter Verwendung der Addierschaltung 205 für minimale Verzögerungszwecke kombiniert werden, um das verstärkte Ausgangskomponentenvideo zu erzeugen. Es versteht sich, dass die Kombination aus den Ausgangshervorhebungsdifferenzsignalen und der Komponentenvideozeile nicht auf eine parallele Addition beschränkt ist. Insbesondere kann es sich hierbei alternativ auch um eine serielle Kombination handeln, um eine eindimensionale Übergangsverbesserung zu erzielen.
Der Kantenhervorhebungsprozess und die Horizontal- und Vertikalübergangsverbesserungsschaltungen 202, 203 werden nachfolgend in Verbindung mit der Luminanzkomponente des Videos beschrieben, d.h. unter spezieller Bezugnahme auf die Luminanzübergangsverbesserungsschaltung 101. Es versteht sich jedoch, dass die nachfolgende Beschreibung auch für die Chrominanzvideokomponenten und Übergangsverbesserungsschaltungen 102, 103 gilt.
Wie in 3 gezeigt, besitzen die Horizontal- und Vertikalübergangsverbesserungsschaltungen 202, 203 Max-Min-Suchschaltungen 304, 305, Selektivkantensteuerschaltungen 306, 307, Kantenhervorhebungsschaltungen 311, 312 und Multiplizierschaltungen 313, 314. Die Horizontalübergangsverbesserungsschaltung 202 umfasst ferner eine Kantenrichtungsdetektorschaltung 308, eine kantengerichtete Vorfilterschaltung 309 und eine Aliasing-Schutzschaltung 310.
Die Horizontalübergangsverbesserungsschaltung 202 und die Vertikalübergangsverbesserungsschaltung 302 bearbeiten drei Luminanzvideozeileneingangssignale, die durch Videozeilen YIN(n), YIN(n – 1) und YIN(n + 1) gekennzeichnet sind, wobei n die momentane Videozeile betrifft. Die Hervorhebungsdifferenzausgangssignale YEH(n) und YEV(n) von den beiden Schaltungen werden mit den momentanen Videozeilenluminanzdaten YIN(n) kombiniert, um YEN(n) zu erzeugen. Obwohl das Kantenhervorhebungssystem 100 als Verarbeitung von Eingangsvideodaten in Gruppen von drei Videozeilen beschrieben wird, können auch alternative Ausführungsformen vorgesehen werden, bei denen die Horizontalübergangsverbesserungsschaltung 203 jede ungerade Zahl ≥1 von Videozeilen und die Ver tikalübergangsverbesserungsschaltung 302 jede ungerade Zahl ≥3 von Videozeilen verarbeitet, wobei dies allerdings mit zusätzlicher Pufferspeicherkapazität und Bearbeitungsmaßnahmen verbunden ist.
Die Horizontal- und Vertikalübergangsverbesserungsschaltungen 202, 203 verarbeiten die Videokomponentendaten sequentiell in Bezug auf eindimensionale Verarbeitungsfenster, wobei der Bildpunkt in der Mitte eines Verarbeitungsfensters als mittlerer oder momentaner Bildpunkt YIN in der momentanen Videozeile YIN(n) bezeichnet wird. Die Horizontal- und Vertikal-Max-Min-Suchschaltungen 304, 305 lokalisieren alle horizontalen und vertikalen Kanten, zu denen der momentane Bildpunkt gehört. Eine Kante wird durch einen maximalen und einen minimalen Bildpunkt gekennzeichnet, der am nächsten zum mittleren Bildpunkt und auf gegenüberliegenden Seiten desselben innerhalb des entsprechenden eindimensionalen Verarbeitungsfensters angeordnet ist, sowie die Stellen dieser Bildpunkte, an denen die Ableitungen in Bezug auf die entsprechende Dimension an diesen Stellen Null sind, wie nachfolgend beschrieben.
Die Selektivkantensteuerschaltungen 306 und 307 beschränken den Hervorhebungsgrad durch das Gewichten der Hervorhebungsausgangssignale auf der Basis der durch die Horizontal- und Vertikal-Max-Min-Suchschaltungen 304, 305 erzeugten Kanteninformationen. Der Kantenrichtungsdetektor 308 ermittelt die Richtung der Kante, auf der sich der momentane Bildpunkt befindet, und die kantengerichtete Vorfilterschaltung 309 führt ein Tiefpassfiltern entlang der detektierten Kantenrichtung durch. Die Aliasing-Schutzschaltung 310 reduziert das vertikale Aliasing für ausgewählte diagonale Kanten, und die Kantenhervorhebungsschaltungen 311, 312 ermitteln die Hervorhebung entweder über die Größe des Eingangssignals von der kantengerichteten Vorfilterschaltung 309 relativ zur Kantengröße und/oder durch die Position des mittleren Bildpunktes relativ zu den Kantenpositionen mit den Ausgangssignalen, die durch selektive Kantensteuergewichtungsfaktoren und/oder Aliasing-Schutzgewichtungsfaktoren skaliert sind. Die Skalierung wird von der Multiplizierschaltung 313 durchgeführt. Die hervorgehobenen Luminanzbildpunktdifferenzdaten YEH und YEV werden dann von der Addierschaltung 205 zu den Momentanbildpunktluminanzdaten YIN addiert. von einem räumlichen Gesichtspunkt her werden die lokalen Verarbeitungsfenster, die in der Horizontalübergangsverbesserungsschaltung 202 und der Vertikalübergangsverbesserungsschaltung 302 Verwendung finden, dann entlang den Videokomponentenzeilendaten um einen Bildpunkt in Horizontalrichtung bewegt, um den nächsten Bildpunkt innerhalb der momentanen Videozeile YIN (n) als neue Momentanbildpunktkomponentendaten YIN auszuwählen. wenn das Ende der momentanen Videokomponentenzeile erreicht ist, werden die lokalen Verarbeitungsfenster bis zu dem am weitesten links angeordneten Bildpunkt der nächsten Videozeile bewegt, d.h. n = n + 1.
Aus der obigen Beschreibung wird deutlich, dass die Vertikalübergangsverbesserungsschaltung 203 nur einen Untersatz der Funktionalität der Horizontalübergangsverbesserungsschaltung 202 zur Verfügung stellt. Daher wird die Erzeugung von Ausgangsbilddaten mit hervorgehobenen Kanten aus Eingangsvideokomponentendaten innerhalb des momentanen lo kalen Verarbeitungsfensters nachfolgend in größeren Einzelheiten anhand eines Horizontalkantenhervorhebungsprozesses beschrieben, wie in 9 gezeigt, der von der Horizontalübergangsverbesserungsschaltung 202 ausgeführt wird.
Die Schritte des Horizontalkantenhervorhebungsprozesses können in Vertikalrichtung als Vertikalkantenhervorhebungsprozess durchgeführt werden, indem die Schritte 910 bis 920 in Bezug auf den Kantenrichtungsdetektor 308, die Vorfilterschaltung 309 und die Aliasing-Schutzschaltung 310 weggelassen werden. Insbesondere wenn drei Videokomponentenzeilen als Eingangssignal für beide Übergangsverbesserungsschaltungen 202, 203 Verwendung finden, sorgen die Komponenten 305, 307, 312 der Vertikalübergangsverbesserungsschaltung 303 für eine analoge Funktionalität für die entsprechenden Komponenten 304, 306, 311 der Horizontalübergangsverbesserungsschaltung 302. Unterschiede zwischen den beiden Übergangsverbesserungsschaltungen 202, 203 werden nachfolgend beschrieben, wo dies erforderlich ist.
Der Horizontalkantenhervorhebungsprozess beginnt, wenn die Horizontal-Max-Min-Suchschaltung 304 einen Kantenidentifikationsprozess 902 anwendet, um eine Kante zu identifizieren, von der die mittleren Bildpunkte einen Teil bilden. Eine Kante wird identifiziert, indem maximale und minimale Bildpunktwerte mit ersten Ableitungen von Null für die Kante, zu der der mittlere Bildpunkt gehört, gesucht werden. Nur die maximalen und minimalen Punkte, die zum mittleren Bildpunkt am nächsten sind und auf gegenüberliegenden Seiten desselben innerhalb des lokalen Verarbeitungsfensters liegen, werden ausgewählt. Die lokalen maximalen und mini malen Bildpunktwerte und ihre entsprechenden Positionen können dazu verwendet werden, ein Kantenzentrum mit Unterbildpunktpräzision unter Flimmerverringerung zu lokalisieren. Die Horizontal-Max-Min-Suchschaltung 304 filtert ferner den Einfluss von Störungen oder Rauscherscheinungen heraus, die in den Komponentenbilddaten vorhanden sind und sonst durch die Hervorhebung verstärkt werden.
Die Horizontal-Max-Min-Suchmaschine 304 verwendet ein lokales Verarbeitungsfenster mit Dimensionen von 9 × 1 Bildpunkten. Es versteht sich jedoch, dass die Fensterdimensionen in wünschenswerter Weise auch verändert werden können und dass eine hohe Fenstergröße große Kanten mit geringen Frequenzen vollständig begleiten kann, während eine geringere Fenstergröße kleinere Kanten vollständig begleiten kann, jedoch nur größere Kanten in zwei oder mehr Abschnitten begleiten kann, die über eine Anzahl von Bildpunkten in nachfolgenden Reihen von sich überlappenden Fenstern verbreitet sind.
Wie in 4 gezeigt, umfasst die Horizontal-Max-Min-Suchschaltung 304 eine Ableitungsschaltung 401, sechs Vorzeichenvergleichsschaltungen 402, eine Logikkombinationsschaltung 403 und eine Bit-Vektor-Suchschaltung 404. Wie in 10 gezeigt, beginnt der Kantenidentifikationsprozess 902, indem Ableitungswerte aus den Videokomponentendaten innerhalb des lokalen Verarbeitungsfensters in Schritt 1002 erzeugt werden. Die Ableitungsschaltung 401 erzeugt acht Differentialwerte zwischen aufeinanderfolgenden Bildpunkten aus neun Bildpunkten {P1, P2, P3, P4, P0, P5, P6, P7, P8} in dem eindimensionalen 9 × 1-Verarbeitungsfenster, wobei erste Ableitungswerte oder dy/dx-werte erzeugt werden, wobei y die Größe des Videokomponentenbildpunktwertes ist und x der zeitlichen oder räumlichen Bildpunktposition im Verarbeitungsfenster entspricht. Bei der digitalen Verarbeitung können die ersten Ableitungen durch Interbildpunktdifferenzen repräsentiert werden, wobei x einer Bildpunktdistanzeinheit entspricht.
In Schritt 1004 werden Wendepunkte identifiziert, die bestimmten Rauschkriterien entsprechen. Dies wird erreicht, indem die acht Differentialwerte den sechs Vorzeichenvergleichsschaltungen 402 zugeordnet werden, die parallel operieren, wobei jede Vorzeichenvergleichsschaltung 402 einen Überlappungsabschnitt der Sequenz der Differentialwerte verarbeitet. Bei der beschriebenen Ausführungsform verarbeitet jede Vorzeichenvergleichsschaltung 402 drei sequentielle Differentialwerte. In alternativen Ausführungsformen kann jedoch auch eine größere Anzahl von Werten vorgesehen werden, um eine größere Rauschunterscheidung zu erreichen.
Die erste der Vorzeichenvergleichsschaltungen 402 benutzt den ersten, zweiten und dritten Differentialwert, die zweite der Vorzeichenvergleichsschaltungen 402 benutzt den zweiten, dritten und vierten Differentialwert, die dritte der Vorzeichenvergleichsschaltungen 402 benutzt den dritten bis fünften Differentialwert etc. Die Vorzeichenvergleichsschaltungen 402 identifizieren zuerst mögliche Wendepunkte entsprechend den Null-Ableitungsstellen, bei denen dy/dx = 0 ist. In digitalen Daten können diese Wendepunkte auf der Basis von Änderungen der Vorzeichen der Ableitungen identifiziert werden, von denen keine notwendigerweise einen Nullwert besitzt. Die Vorzeichenvergleichsschaltungen 402 ermitteln zuerst einen Vorzeichenwert für jeden Ableitungswert als wert der Größe {0, –, +}, wobei 0 einen Ableitungswert von 0 darstellt, – einen negativen Ableitungswert darstellt und + einen positiven Ableitungswert bildet. Die Rauschkriterien werden dann dazu verwendet, um Wendepunkte auszuwählen, wobei die Vorzeichen von acht Ableitungswerten verwendet werden. Bei der beschriebenen Ausführungsform wird (i) ein Punkt ausgewählt, wenn entweder eine Vorzeichenänderung vorhanden ist und mindestens eine Breite von drei Bildpunkten besitzt, d.h. die Vorzeichenänderung wird über mindestens zwei benachbarte Bildpunkte aufrechterhalten (d.h. +––, ++–, –++, ––+, 0++, 00+, ++0, +00, 0––, ––0, 00– oder –00, wobei +, – und 0 positive, negative und Nullwerte der ersten Ableitung bedeuten), oder (ii) es werden zwei Punkte ausgewählt, wenn die Vorzeichenänderung nur eine Breite von zwei Bildpunkten hat, jedoch die absolute Differenz zwischen den entsprechenden Bildpunktwerten größer ist als ein vorgegebener Schwellenwert KNOISE oder diesem entspricht. Dieser Schwellenwert KNOISE wird auf einen Wert von 4 gesetzt. Höhere Schwellenwerte können jedoch ebenfalls Verwendung finden, um die Empfindlichkeit gegenüber geringen Schwankungen zu verringern und somit die Wahrscheinlichkeit einer Rauschverstärkung zu reduzieren.
Beispielsweise können vier aufeinanderfolgende Bildpunktwerte {p1, p2, p3, p4} verwendet werden, um drei erste Ableitungswerte {d1, d2, d3} zu erzeugen, wobei d1 = p2 – p1, d2 = p3 – p2 und d3 = p4 – p3 mit entsprechenden Vorzeichenwerten {s1, s2, s3} bedeuten. Wenn das erste Kriterium erfüllt ist, beispielsweise das Vorzeichentrio {0++} be trägt, wird ein Wendepunkt als p2 identifiziert. Wenn das Vorzeichentrio {++–} beträgt, wird ein Wendepunkt als p3 identifiziert. Wenn das erste Kriterium nicht erfüllt ist, beispielsweise die Vorzeichentrios {+–+} bedeuten, jedoch das zweite Kriterium erfüllt ist, beispielsweise der erste Ableitungswert d2 einen Wert von –10 besitzt, dessen Absolutwert größer ist als KNOISE, werden zwei Wendepunkte als p2 und p3 identifiziert.
Nachdem in Schritt 1004 die Wendepunkte ausgewählt worden sind, die die Rauschkriterien erfüllen, werden ihre Maximum- oder Minimum-Charakteristiken durch Identifizieren der Bedingungen d²y/dx² < 0 und d²y/dx² > 0 ermittelt. Dies wird erreicht, indem die Änderungen der Ableitungsvorzeichen in Schritt 1006 verglichen werden. Speziell wird ein maximaler Wendepunkt aus einem der Vorzeichentrios {+––, +00, 0––, ++–, 00–, ++0} identifiziert, ferner ein minimaler Wendepunkt aus einem der Vorzeichentrios {–++, –00, 0++, ––+, 00+, ––0} identifiziert. Wenn die Wendepunkte das zweite Rauschkriterium erfüllen, werden maximale und minimale Wendepunkte als zwei aufeinanderfolgende Punkte durch das Auftreten von einem der Vorzeichentrios {+–+, 0–0, 0–+, +–0}, bei denen das mittlere Vorzeichen negativ ist, identifiziert. In entsprechender weise werden minimale und maximale Wendepunkte als zwei aufeinanderfolgende Punkte durch eines der Vorzeichentrios {–+–, 0+0, 0+–, –+0}, bei denen das mittlere Vorzeichen positiv ist, identifiziert.
Wenn beispielsweise das erste Kriterium erfüllt ist und das Vorzeichentrio {–++} beträgt, ist der Wendepunkt p2 ein Minimalpunkt. Wenn das Vorzeichentrio {++–} beträgt, ist der Wendepunkt p3 ein Maximalpunkt. Wenn das zweite Kriterium erfüllt ist und das Vorzeichentrio {+–+} beträgt, ist der Wendepunkt p2 ein Maximalpunkt und der Wendepunkt p3 ein Minimalpunkt. Wenn der Vorzeichentrio {–+0} beträgt, ist der Wendepunkt p2 ein Minimalpunkt und der Wendepunkt p3 ein Maximalpunkt.
Einer Grenze des lokalen Verarbeitungsfensters wird ein Maximalpunkt oder Minimalpunkt zugeordnet, wenn die linke Ableitung negativ oder die rechte Ableitung positiv ist und wenn die entsprechende linke oder rechte Ableitung einen Wert besitzt, der größer ist als KNOISE.
Die Logikkombinationsschaltung 403 führt eine bitweise erfolgende OR-Verarbeitung der Ausgangssignale der Vorzeichenvergleichsschaltungen 402 durch, um drei Bit-Vektoren von jeweils neun Bits zu erzeugen, die Wendepunkte im Verarbeitungsfenster und ihre Maximum- und Minimum-Charakteristik repräsentieren.
In Schritt 1008 benutzt die Bit-Vektor-Suchschaltung 404 den Wendepunkt-Bit-Vektor zum Zählen der Anzahl der Wendepunkte im Verarbeitungsfenster. Wenn nur ein Wendepunkt vorhanden ist oder mehr als eine vorgegebene Anzahl KMAXTP von Wendepunkten vorliegt, wobei KMAXTP-1 die maximale Anzahl von Kanten oder die maximale Häufigkeit von Kanten im Verarbeitungsfenster wiedergibt, werden die vier Werte MAX_Y, MAX_POS, MIN_Y und MIN_POS in Schritt 1010 für den mittleren Bildpunktwert und Positionswert als geeignet gesetzt, und der Kantenidentifizierungsprozess 902 endet. Ein geeigneter Wert für KMAXTP ist 7 für ein Verarbeitungsfenster von 9 × 1 Bildpunkten.
Die Bit-Vektor-Suchschaltung 404 benutzt die Maximalpunkt-, Minimalpunkt- und Wendepunkt-Bit-Vektoren zum Identifizieren der beiden Wendepunkte in Schritt 1012, die am nächsten vom mittleren Bildpunkt liegen und sich auf gegenüberliegenden Seiten des mittleren Bildpunktes befinden und einen den mittleren Bildpunkt umgebenden Bereich bilden. Wenn die Bit-Vektor-Suchschaltung 404 in Schritt 1014 ermittelt, dass die Wendepunkte entweder zwei Maximalpunkte oder zwei Minimalpunkte sind, werden sie als Rauschstörungen angesehen und werden die Werte MAX_Y, MAX_POS, MIN_Y und MIN_POS in Schritt 1010 als geeignet für den mittleren Bildpunktwert und Positionswert gesetzt, und der Kantenidentifizierungsprozess endet. Das Endergebnis hiervon ist, dass keine Kantenverbesserung durchgeführt wird, so dass das Rauschen nicht verstärkt wird. wenn andererseits die beiden Wendepunkte einem Maximalpunkt und einem Minimalpunkt entsprechen, ist eine Kante ermittelt worden. In Schritt 1016 werden die Ausgangssignale MAX_Y, MAX_POS, MIN_Y und MIN_POS auf den entsprechenden Maximalluminanz-Y-Bildpunktwert und dessen Position und den minimalen Luminanz-Y-Bildpunktwert und dessen Position gesetzt. Dies beendet den Kantenidentifizierungsprozess 902.
Im Gegensatz zu der vorstehend beschriebenen Horizontal-Max-Min-Suchschaltung 304 benutzt die Vertikal-Max-Min-Suchschaltung 305 ein kleineres Verarbeitungsfenster mit den Abmessungen von 1 × 3 Bildpunkten. Da die Fenstergröße auf diese Weise begrenzt ist, ist die Verarbeitung einfa cher, und es können Maximal- und Minimalschaltungen des Standes der Technik Verwendung finden, falls gewünscht, wie sie beispielsweise in der US-PS 5 094 205 beschrieben sind. Generell wird entweder (i) eine Kantenhervorhebung durchgeführt, wenn der mittlere Bildpunkt der Mittelwert im Satz ist, der den oberen mittleren und unteren Bildpunkt umfasst, oder (ii) es wird keine Hervorhebung ausgeführt, wenn sämtliche drei Bildpunktwerte gleich sind oder der mittlere Bildpunkt einen minimalen oder maximalen Wert besitzt.
Gemäß 2 ermittelt in Schritt 904 die Horizontalselektivkantensteuerschaltung 306 die Kanteneigenschaften für die durch den Kantenidentifizierungsprozess 902 identifizierte Kante. Speziell werden die Kantenbreite, Kantenhöhe und Kantensteigung aus den Werten MAX_Y, MAX_POS, MIN_Y und MIN_POS wie folgt erzeugt: Breite = absolut (MAX_POS – MIN_POS) Höhe = MAX_Y – MIN_Y Steigung = Höhe/Breite
Die Horizontalselektivkantensteuerschaltung 306 benutzt die Kanteneigenschaften, um Kanten mittlerer Stärke für eine vollständige Hervorhebung auszuwählen und extrem weiche oder harte Kanten auf eine Teilhervorhebung oder überhaupt keine Hervorhebung zu beschränken, so dass die Bildqualität verbessert wird, ohne durch eine Überhervorhebung verursachte unerwünschte Ergebnisse einzuführen.
Die Abhängigkeit der Kantenstärke von der Kantenbreite und Kantenhöhe ist in 5 dargestellt. Bei niedrigen Werten der Übergangshöhe werden weiche Kanten zu halbweichen Kanten mit abnehmender Übergangsbreite. Bei einem niedrigen Wert der Übergangsbreite wird eine halbharte Kante zu einer harten Kante mit ansteigender Übergangshöhe. Der Bereich 501 kennzeichnet den bevorzugten Bereich für die Kantenverbesserung, wobei die Kanten keine weichen oder harten Extreme bilden.
In Schritt 906 erzeugt die Horizontalselektivkantensteuerschaltung 306 Gewichtungsfaktoren, die von 0,0 bis 1,0 reichen, wobei die Grenzwerte Null und einer vollständigen Hervorhebung für die Kante entsprechen. Die Gewichtungsfaktoren werden aus den drei vorstehend beschriebenen Kanteneigenschaften und entsprechenden vorgegebenen Beziehungen zwischen jeder Kanteneigenschaft und einem entsprechenden Gewichtungsfaktor erzeugt, wie in den 6A bis 6C gezeigt. Es ist offensichtlich, dass irgendeine der drei Kanteneigenschaften und irgendeiner der Gewichtungsfaktoren oder mehrere hiervon auch alternativ verwendet werden können, falls gewünscht. Durch das Anwenden von einem oder mehreren der Gewichtungsfaktoren wird eine Überhervorhebung von weichen und harten Kanten vermieden.
Die vorgegebene Beziehung zwischen der Übergangssteigung und einem Übergangssteigungsgewichtungsfaktor ist in 6A gezeigt. Aus Zweckmäßigkeitsgründen sind die Kanteneigenschaftsschwellenwerte so ausgewählt, dass sie Potenzen von 2 entsprechen, und lineare Veränderungen der Gewichtungsfaktorwerte stellen vorzugsweise die Kontinuität der Kanten sicher. Unter einem geringeren Steigungsschwellenwert von 8 nimmt der Übergangssteigungsgewichtungsfaktor linear auf Null ab, wenn die Übergangssteigung im weichen Kantenbereich (Segment 601) auf Null absinkt. Zwischen den Steigungswerten von 8 und 32 (Segment 602) hat der Übergangssteigungsgewichtungsfaktor einen konstanten Maximalwert von 1,0. Zwischen Steigungsschwellenwerten von 32 und 64 nimmt der Gewichtungsfaktor linear von 1,0 auf 0,0 mit ansteigender Steigung (Segment 603) ab und beträgt 0,0 für Steigungswerte von mehr als 64 entsprechend dem harten Kantenbereich (Segment 604). Diese Beziehung definiert eine maximale Kantensteigung, jenseits der eine Kante nicht hervorgehoben wird.
Die Beziehung zwischen der Übergangsbreite und dem Übergangsbreitengewichtungsfaktor ist in 6B gezeigt. Bei der beschriebenen Ausführungsform wird die Übergangsbreite durch das Verarbeitungsfenster beschränkt, das von der Horizontal-Max-Min-Suchschaltung 304 benutzt wird. Über einer moderaten Übergangsbreite von 4 hat der Gewichtungsfaktor einen Maximalwert von 1,0 (Segment 612). Darunter nimmt der Gewichtungsfaktor linear auf 0,0 ab, wenn die Übergangsbreite auf 0 abfällt (Segment 611).
Die Beziehung zwischen der Übergangshöhe und dem Übergangshöhengewichtungsfaktor ist in 6C gezeigt. Zwischen den Höhenwerten von 32 und 128 hat der Gewichtungsfaktor einen Maximalwert von 1,0 (Segment 622). Der Gewichtungsfaktor nimmt linear auf Null ab, wenn die Höhe auf 0 abfällt (Segment 621) oder auf 255 ansteigt (Segment 623).
In Schritt 908 erzeugt die Horizontalselektivkantensteuerschaltung 306 einen Hervorhebungsgewichtungsfaktor als Produkt aus dem Übergangssteigungsgewichtungsfaktor, dem Übergangsbreitengewichtungsfaktor und dem Übergangshöhengewichtungsfaktor. Durch Multiplikation dieser Gewichtungsfaktoren und des von der Kantenhervorhebungsschaltung 311 erzeugten Hervorhebungssignals wird, wie vorstehend beschrieben, eine selektive Kantensteuerung erreicht, so dass weiche und harte Kanten partiell oder überhaupt nicht hervorgehoben werden, während Kanten mittlerer Stärke vollständig hervorgehoben werden. Gemäß 5 ist dem Bereich 501 ein vollständiger Gewichtungsfaktor von 1,0 zugeordnet, während Bereiche außerhalb von 501 durch den nichtlinear abnehmenden Hervorhebungsgewichtungsfaktor, der aus der Multiplikation der linearen Kantengewichtungsfaktoren resultiert, abgeschwächt werden.
Die Vertikalselektivkantensteuerschaltung 307 ist eine einfachere Version der Horizontalselektivkantensteuerschaltung 306. Mit nur drei zur Verfügung stehenden Videozeilen beträgt die für jede Hervorhebung erreichbare maximale Übergangsbreite 2, so dass daher die Übergangshöhe die einzige Kanteneigenschaft ist, die zum Erzeugen eines Gewichtungsfaktors verwendet wird. Die Beziehung zwischen der Übergangshöhe und dem Vertikalübergangshöhengewichtungsfaktor, die von der Vertikalselektivkantensteuerschaltung 307 verwendet wird, ist in 6D gezeigt. Zwischen den Übergangshöhenwerten von 16 und 64 (Segment 632) besitzt der Gewichtungsfaktor einen Maximalwert von 1,0. Unter 16 nimmt der Gewichtungsfaktor linear auf 0,0 ab, wenn die Höhe auf 0 abnimmt (Segment 631). Über 64 nimmt der Gewichtungsfak for linear auf 0,0 ab, wenn die Höhe auf 128 ansteigt (Segment 633), und wird auf 0,0 für höhere Werte gehalten (Segment 634). Wie bei der Horizontalselektivkantensteuerschaltung 306 wird der Vertikalhöhengewichtungsfaktor mit dem Vertikalhervorhebungssignal multipliziert, das von der Vertikalkantenhervorhebungsschaltung 312 erzeugt wird, um kantenbeschränkte Differentialhervorhebungsbildpunktluminanzdaten YEV vorzusehen.
In Schritt 910 versucht die Kantenrichtungsdetektionsschaltung 308, die Richtung oder Orientierung der Kante auf der Basis einer minimalen Interbildpunktkorrelation zu ermitteln. Falls gewünscht, können auch andere Kantenrichtungsdetektionsschaltungen des Standes der Technik auf der Basis von anderen Verfahren Anwendung finden. Die Kantenrichtungsdetektionsschaltung 308 benutzt ein Verarbeitungsfenster von 9 × 3, das in 7A gezeigt ist. Ein Satz von detektierbaren Kantenrichtungen kann durch einen Satz von Geraden repräsentiert werden, wobei jede Zeile durch das Verbinden von drei Bildpunkten einschließlich des mittleren Bildpunktes, eines Bildpunktes von der obersten Zeile und eines Bildpunktes von der untersten Zeile erzeugt wird. 7B zeigt den resultierenden Satz von zehn Richtungen D0 bis D9 für das Verarbeitungsfenster einschließlich der Horizontalrichtung D9.
Ein Korrelationswert für jede Richtung, die durch drei Bildpunkte repräsentiert wird, ist als Summe der absoluten Interbildpunktdifferenzen oder als Summe der absoluten Differenz zwischen dem mittleren Bildpunkt und dem obersten Bildpunkt und der absoluten Differenz zwischen dem mittle ren Bildpunkt und dem untersten Bildpunkt definiert. Beispielsweise entspricht der Korrelationswert für die Richtung D2 dem Wert abs(T4 – P0) + abs(B6 – P0). Die detektierte Richtung D_i ist die Richtung mit der minimalen Korrelation oder mit Interbildpunktdifferenzen unter einem vorgegebenen Schwellenwertkorrelationswert KMIN_CORRELATION mit einem Fehlerwert von 16.
Der Prozess der Richtungsdetektion kann durch die folgende Gleichung wiedergegeben werden: Di = min{min{correlationj;j = 9,0},KMIN_CORRELATION};worin D_i die detektierte Richtung und j der Bereich der in 7B gezeigten Richtungen bedeuten. Die Reihenfolge der Suche nach einer minimalen Korrelation beeinflusst die detektierte Richtung, da dann, wenn ein Korrelationswert, der für eine neue Richtung erzeugt wird, den gleichen Wert besitzt wie ein vorher erzeugter Korrelationswert für eine vorher betrachtete Richtung, davon ausgegangen wird, dass die vorher betrachtete Richtung den Minimalwert besitzt. Die Suche startet daher mit der horizontalen Richtung D9 und endet auf der vertikalen Richtung D0, wie durch den Index der obigen Gleichung angedeutet, da Kanten, die näher zur Horizontalen sind, anfälliger sind gegenüber Aliasing.
Es versteht sich, dass der Kantenrichtungsdetektor 308 nur einen begrenzten Satz von Richtungen detektiert und insbesondere keine Kanten detektiert, die sehr nahe an der Horizontalen liegen. Diese Kanten besitzen die schlechtesten Aliasing-Effekte und sind unter der Verwendung der gleichen Methodologie nur mit einer im wesentlichen unbestimmten Fensterbreite detektierbar. Der Kantenrichtungsdetektor 308 gibt einen Nullwert ab, der keine spezielle Richtung anzeigt, wenn die minimale Korrelation der abgedeckten Richtungen größer ist als der vorgegebene Schwellenwert KMIN_CORRELATION oder diesem entspricht, was anzeigt, dass in Bezug auf das Vorhandensein einer Kante Unsicherheit herrscht. In dieser Situation gibt es die Möglichkeiten, dass entweder keine Kante vorhanden ist, oder dass ein momentaner Bildpunkt auf einer Kante sehr nahe an der Horizontalen oder Vertikalen vorhanden ist und vom Kantenrichtungsdetektor 308 nicht detektierbar ist. Wenn daher in Schritt 911 das Kantenrichtungsausgangssignal des Kantenrichtungsdetektors 308 entweder Null ist oder der Horizontalkantenrichtung D9 entspricht, wird in Schritt 912 ein Ecktest durchgeführt, um auszuschließen, dass Ecken auf fehlerhafte weise als Kanten angesehen werden, die nahe an der Horizontalen liegen und bei der Aliasing-Verringerung verwendet werden, wie nachfolgend beschrieben.
Mit dem Ecktest wird die Gleichmäßigkeit von benachbarten Bildpunkten in den Zeilen über und unter dem momentanen Bildpunkt wie folgt ermittelt:
Der Ecktest führt somit zu einem falschen Ergebnis oder Null-Ergebnis, das anzeigt, dass keine Ecke detektiert wird, wenn die Summe aus (i) der absoluten Zwischenbildpunktdifferenz zwischen dem obersten rechten Bildpunkt T6 und dem obersten mittleren Bildpunkt T5 und (ii) der absoluten Zwischenbildpunktdifferenz zwischen dem obersten linken Bildpunkt T5 und dem obersten mittleren Bildpunkt T4 geringer ist als ein vorgegebener Schwellenwert KCORNER und auch die Summe aus (iii) der absoluten Zwischenbildpunktdifferenz zwischen dem untersten rechten Bildpunkt B6 und dem untersten mittleren Bildpunkt B5 und (iv) der absoluten Zwischenbildpunktdifferenz zwischen dem untersten linken Bildpunkt B4 und dem untersten mittleren Bildpunkt B5 ebenfalls geringer ist als KCORNER. Sonst kehrt der Ecktest zu einem positiven Ergebnis von 1 zurück, das anzeigt, dass eine Ecke vorhanden sein kann. Je größer der wert von KCORNER ist, desto mehr Ecken sind wahrscheinlich als Kandidaten für eine Aliasing-Korrektur inbegriffen. Je kleiner der Wert von KCORNER ist, desto mehr Kanten mit breitem Übergang sind ausgeschlossen. Der Fehlerwert von KCORNER beträgt 32.
Da die Wahrscheinlichkeit des Aliasing ansteigt, wenn der Kantenwinkel zur Horizontalen abnimmt und die Übergangsbreite abnimmt, wählt die Aliasing-Schutzschaltung 310 Diagonalkanten benachbart zur Horizontalen aus, um eine Aliasing-Korrektur unter Verwendung der detektierten Kantenrichtung durchzuführen, und skaliert dann linear die Größe der Kantenhervorhebung auf der Basis einer Messung des Vertikal-Aliasing für den momentanen Bildpunkt. Unerwünschte Aliasing-Ergebnisse, die aus der Kantenhervorhebung resul tieren, werden daher subjektiv reduziert oder eliminiert. Es ist jedoch offensichtlich, dass auch andere Anti-Aliasing-Techniken Anwendung finden können, um den Gewichtungsfaktor für die Kantenhervorhebung zu ermitteln.
In Schritt 913 wird ein Test durchgeführt, um zu bestimmen, ob in Schritt 912 eine Ecke detektiert wurde. Wenn keine Ecke detektiert wurde, wird die Aliasing-Größe in Schritt 915 durch Ermittlung des Vertikaldifferentials am momentanen Bildpunkt bestimmt. Dieser Schritt wird auch durchgeführt, wenn es sich bei der Kante um eine diagonale Kante nahe an der Horizontalen handelt (Schritt 914), wenn beispielsweise die Kante einen Winkel von mehr als 45° mit der Vertikalen bildet oder wenn die detektierte Kantenrichtung eine der Richtungen {D3, D4, D5, D6, D7, D8} ist. Die Aliasing-Größe wird in Schritt 915 als Summe der absoluten Zwischenbildpunktdifferenz zwischen dem obersten Bildpunkt T5 und dem mittleren Bildpunkt P0 und der absoluten Zwischenbildpunktdifferenz zwischen dem untersten Bildpunkt B5 und dem mittleren Bildpunkt P0 ermittelt.
Wie bei der Selektivkantensteuerschaltung 306 erzeugt in Schritt 916 die Aliasing-Schutzschaltung 310 einen Aliasing-Gewichtungsfaktor auf der Basis der in der vorstehend beschriebenen Weise ermittelten Aliasing-Größe und einer vorgegebenen Beziehung zwischen der Aliasing-Größe und dem Aliasing-Gewichtungsfaktor. Wie in 8 gezeigt, findet eine vollständige Hervorhebung statt, wenn der Aliasing-Gewichtungsfaktor einen Maximalwert von 1,0 besitzt, entsprechend den Aliasing-Größen unter einem Schwellenwert von 32 (Segment 801), über dem der Aliasing-Gewichtungsfaktor linear auf Null abfällt, wenn die Aliasing-Größe auf 96 ansteigt (Segment 802). Jenseits dieses Wertes wird keine Hervorhebung zugelassen und beträgt der Aliasing-Gewichtungsfaktor 0,0 (Segment 803). Durch Multiplizieren des von der Aliasing-Schutzschaltung 310 erzeugten Aliasing-Gewichtungsfaktors und der Hervorhebungssignale von der Kantenhervorhebungsschaltung 311 wird ein Aliasing-Schutz erreicht, so dass sägezahnförmige Diagonalkanten nicht hervorgehoben werden, wenn ein Bild verstärkt wird.
Die kantengerichtete Vorfilterschaltung 309 führt einen Filtervorgang entlang der detektierten Kantenrichtung vor der Kantenhervorhebung durch, stellt Gleichmäßigkeit entlang der Kante sicher und reduziert auf diese Weise die Hervorhebungsdifferenz entlang der Kante, so dass dadurch die gezackten Kanten vermieden werden, die sonst aus der Hervorhebung von verschwommenen Kanten resultieren können, während die Kantensteigung aufrechterhalten wird. Bei anderen Ausführungsformen findet ein kantengerichtetes Vorfiltern nur dann Anwendung, wenn mindestens drei Zeilen von Videodaten als Eingangssignal vorhanden sind.
Unter Verwendung der Kantenrichtungsinformationen von der Kantenrichtungsdetektorschaltung 308 führt in Schritt 918 die kantengerichtete Vorfilterschaltung 309 einen Filtervorgang durch, wenn die detektierte Kante eine Kante aus einem Untersatz von detektierten Kanten nahe an der vertikalen Richtung ist. Kanten, die einen Winkel von weniger als 67,5° oder von 67,5° mit der Vertikalen in einem Verarbeitungsfeld bilden, oder Richtungen, die durch {D0, D1, D2, D3, D4} gekennzeichnet sind, werden als solche ausge wählt, die nahe zur Vertikalen angeordnet sind. In Schritt 920 führt die kantengerichtete Vorfilterschaltung 309 einen Tiefpassfiltervorgang mit Bildpunkten entlang der Kante durch. Für diesen Zweck findet ein Filter mit drei Abgriffen mit den Koeffizienten [1 2 1]/4 Verwendung. Wenn beispielsweise, wie in den 3 und 7A gezeigt, die detektierte Richtung D1 beträgt, findet das gefilterte Ausgangssignal (T6 + 2·P0 + B4)/4 als Eingangssignal für die Kantenhervorhebungsschaltung 311 Verwendung, um das Hervorhebungsdifferenzsignal zu ermitteln. wenn die detektierte Kantenrichtung eine Richtung aus D4 bis D9 ist, wird kein Filtervorgang durchgeführt.
In Schritt 922 erzeugt die Kantehervorhebungsschaltung ein Differentialhervorhebungssignal. Die Kantenhervorhebungsschaltungen 311 und 312 können von irgendwelchen geeigneten Kantenhervorhebungsschaltungen des Standes der Technik gebildet werden, die Hervorhebungsschaltungen umfassen, jedoch nicht auf solche beschränkt sind, welche auf einem Peaking-Filter, Distanzen von einem lokalisierten Kantenzentrum, der Größe des momentanen Bildpunktes relativ zu Maximal- und Minimalbildpunktwerten oder auf einem Fading mit dem momentanen Bildpunkt basieren, um ein Hervorhebungssignal zu erzeugen. Beispielsweise kann eine Schaltung auf Basis eines Finite-Impuls-Ansprech-Interpolationsfilters unter Verwendung eines Unterbildpunktkantenzentrums Verwendung finden, um ein hervorgehobenes Signal zu bestimmen, wie in der internationalen Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer WO 01/67392 beschrieben. Alternativ dazu kann eine Schaltung Verwendung finden, die die Intensität der Steigung einstellt, wie in der amerikanischen Pa tentanmeldung 09/903,028 beschrieben. Bei dem Eingangssignal für diese Schaltungen kann es sich um das ursprüngliche Videosignal oder um ein gefiltertes Signal handeln, das von der kantengerichteten Vorfilterschaltung 309 erzeugt wurde, zusammen mit der Kanteninformation von den Max-Min-Suchschaltungen 304 oder 305. In Schritt 924 wird das resultierende Ausgangskantenhervorhebungssignal mit dem Gewichtungsfaktor von der Selektivkantensteuerschaltung 306 oder 307 und dem Aliasing-Gewichtungsfaktor von der Aliasing-Schutzschaltung 310 skaliert, um die gewünschten skalierten hervorgehobenen Horizontalluminanzdifferenzdaten YEH zu erzeugen, die mit skalierten hervorgehobenen Vertikalluminanzbildpunktdifferenzdaten YEv und den ursprünglichen Eingangsbildpunktluminanzdaten kombiniert werden, um die hervorgehobenen Ausgangsluminanzbildpunktdaten YEN zu erzeugen. Hierdurch wird der Kantenhervorhebungsprozess beendet.
Es versteht sich für den Fachmann, dass viele Modifikationen durchgeführt werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung, die hier in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen beschrieben wurde, abzuweichen.

Claims

Verfahren zur Kantenhervorhebung mit den folgenden Schritten: Bestimmen von einer oder mehreren Eigenschaften einer Kante von Bilddaten; Erzeugen von einem oder mehreren Gewichtungsfaktoren auf der Basis der einen oder mehreren Eigenschaften der Kante; Vorfiltern unter Verwendung eines kantengerichteten Filters in Richtung der Kante; Erzeugen eines Kantenhervorhebungssignales unter Verwendung eines Ausgangssignals des kantengerichteten Filters; und Skalieren des Kantenhervorhebungssignals mit dem einen oder den mehreren Gewichtungsfaktoren zum Steuern des Grades der Kantenhervorhebung.
Verfahren zur Kantenhervorhebung nach Anspruch 1, bei dem die eine oder mehreren Eigenschaften eine oder mehrere Eigenschaften aus der Kantenbreite, Kantenhöhe, Kantensteigung und der Aliasing-Größe umfassen.
Verfahren zur Kantenhervorhebung nach Anspruch 2, bei dem der eine oder die mehreren Gewichtungsfaktoren auf der Basis von entsprechenden vorgegebenen Beziehungen zwischen dem einen oder den mehreren Gewichtungsfaktoren und der einen oder den mehreren Eigenschaften erzeugt werden.
Verfahren zur Kantenhervorhebung nach Anspruch 2, das das Verarbeiten der Bilddaten zum Bestimmen einer Orientierung der Kante umfasst.
Verfahren zur Kantenhervorhebung nach Anspruch 4, bei dem die Orientierung aus einer Reihe von vorgegebenen Orientierungen ausgewählt wird.
Verfahren zur Kantenhervorhebung nach Anspruch 4, das das Filtern der Bilddaten entlang der Orientierung umfasst, wenn die Orientierung mehr vertikal als horizontal ist.
Verfahren zur Kantenhervorhebung nach Anspruch 4, das das Bestimmen umfasst, ob eine Ecke in den Bilddaten vorhanden ist, wenn die Orientierung nicht bestimmt ist oder horizontal ist.
Verfahren zur Kantenhervorhebung nach Anspruch 7, das das Bestimmen einer Aliasing-Größe für die Kante umfasst, wenn keine Ecke vorhanden ist oder wenn die Orientierung nicht horizontal ist, jedoch horizontaler als vertikal ist.
Verfahren zur Kantenhervorhebung nach Anspruch 1, bei dem das Skalieren das Multiplizieren des einen oder der mehreren Gewichtungsfaktoren und des Kantenhervorhebungssignals umfasst.
Verfahren zur Kantenhervorhebung nach Anspruch 1, das die folgenden Schritte umfasst: Identifizieren von maximalen und minimalen Drehpunkten aus den Bilddaten; und Auswählen aus den identifizierten maximalen und minimalen Drehpunkten eines maximalen Drehpunktes und eines minimalen Drehpunktes, die auf gegenüberliegenden Seiten von und am nächsten zu einer Mittellage der Bilddaten angeordnet sind, um Werte und Orte von maximalen und minimalen Bildpunkten der Kante vorzusehen.
Verfahren zur Kantenhervorhebung nach Anspruch 10, das die folgenden Schritte umfasst: Erzeugen von ersten Ableitungswerten aus den Bilddaten; Identifizieren auf der Basis der ersten Ableitungswerte von Drehpunkten, die mindestens einem vorgegebenen Rauschkriterium entsprechen; und wobei die maximalen und minimalen Drehpunkte aus den identifizierten Drehpunkten ausgewählt werden.
Verfahren zur Kantenhervorhebung nach Anspruch 1, bei dem Horizontal- und Vertikalgewichtungsfaktoren auf der Basis der Eigenschaften von horizontalen und vertikalen Kanten der Bilddaten erzeugt werden und das Skalieren das Skalieren von Horizontal- und Vertikalkantenhervorhebungssignalen mit den Horizontal- und Vertikalgewichtungsfaktoren umfasst.
Kantenhervorhebungssystem mit Komponenten zur Durchführung der Schritte von einem der Ansprüche 1 bis 12.
Computerlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Programmcode zur Durchführung der Schritte von einem der Ansprüche 1 bis 12.
Kantenhervorhebungssystem mit einer selektiven Kantensteuereinheit zum Bestimmen von einer oder mehreren Eigenschaften einer Kante von Bilddaten und zum Erzeugen von einem oder mehreren Gewichtungsfaktoren auf der Basis der einen oder mehreren Eigenschaften der Kante; einem kantengerichteten Vorfilter; einer Kantenhervorhebungseinrichtung, die mit dem kantengerichteten Vorfilter in Verbindung steht, um ein Kantenhervorhebungssignal zu erzeugen; und einer Skalierungskomponente zum Skalieren des Kantenhervorhebungssignals mit dem einen oder mehreren Gewichtungsfaktoren zur Steuerung des Grades der Kantenhervorhebung.
Kantenhervorhebungssystem nach Anspruch 15, bei dem die Skalierungskomponente das Kantenhervorhebungssignal und den einen oder die mehreren Gewichtungsfaktoren multipliziert.
Kantenhervorhebungssystem nach Anspruch 15, bei dem die Kante eine horizontale Kante ist und das System des Weiteren eine selektive Vertikalkantensteuereinheit zum Erzeugen von einem oder mehreren Vertikalgewichtungsfaktoren auf der Basis der einen oder mehreren Eigenschaften einer vertikalen Kante in den Bilddaten und einen Vertikalskalierungsmodul zum Skalieren eines Vertikalkantenhervorhebungssignals mit dem einen oder den mehreren Vertikalgewichtungsfaktoren umfasst.
Kantenhervorhebungssystem nach Anspruch 15, das ein Addierglied zum Addieren des skalierten Kantenhervorhebungssignals für die horizontale Kante, des skalierten Hervorhebungssignals für die vertikale Kante und von entsprechenden Eingangsbilddaten umfasst, um kantenhervorgehobene Bilddaten zu erzeugen.
Kantenhervorhebungssystem nach Anspruch 15, das einen Aliasing-Schutz zum Bestimmen einer Aliasing-Größe für die Kante und zum Erzeugen eines Aliasing-Gewichtungsfaktors auf der Basis der Aliasing-Größe zum Skalieren des Kantenhervorhebungssignals umfasst.
Hervorhebungssystem nach Anspruch 15, das einen Kantenorientierungsdetektor zum Bestimmen einer Orientierung der Kante aufweist.
Kantenhervorhebungssystem nach Anspruch 20, das einen Kantenfilter zum Filtern der Bilddaten entlang der Orientierung, wenn die Orientierung im Wesentlichen vertikal ist, aufweist.
Kantenhervorhebungssystem nach Anspruch 15, das einen Kantendetektor zum Bestimmen eines maximalen Drehpunktes und eines minimalen Drehpunktes, die zu einer Mittellage der Bilddaten am nächsten sind und auf gegenüberliegenden Seiten der Mittellage angeordnet sind, umfasst, um werte und Orte von maximalen und minimalen Bildpunkten der Kante zu ermitteln.
Kantenhervorhebungssystem nach Anspruch 22, bei dem der Kantendetektor einen Modul für eine erste Ableitung zur Erzeugung von ersten Ableitungswerten aus den Bilddaten, Vorzeichenkomparatoren zum Ermitteln von Vorzeichen der ersten Ableitungswerte, ein Logikkombinierglied zum Erzeugen von maximalen und minimalen Drehpunktwerten aus den Vorzeichen, wobei die maximalen und minimalen Drehpunktwerte mindestens einem vorgegebenen Rauschkriterium entsprechen, und eine Suchkomponente zum Ermitteln der Werte und Orte der Kante aus den maximalen und minimalen Drehpunktwerten umfasst.
Kantenhervorhebungssystem nach Anspruch 15, das ein Kantenhervorhebungsglied zum Erzeugen des Kantenhervorhebungssignals aufweist.
Displayprozessor, der ein Kantenhervorhebungssystem nach Anspruch 15 aufweist.
Fernsehempfänger, der ein Kantenhervorhebungssystem nach Anspruch 15 aufweist.