CN1086066A - 利用象素分析的非线性视频信号处理器 - Google Patents

Abstract

待被处理的视频信号(Y1)加到一个非线性处理 器(12)上，该处理器具有响应在视频输入信号至少一 部分幅值范围上的控制信号(S1)而可调的增益。响 应视频信号的取样电路(20)产生与视频信号有关的 视频取样。响应视频信号的控制电路(30)根据至少 一个给定幅值范围内的取样数产生控制信号，并借此 控制显示图象中给定范围取样的百分比。可以使用 多个控制和取样电路以对白展宽处理，黑展宽处理以 及中值处理提供控制，从而对整个视频信号范围增强 其对比度。

Description

本发明涉及一种电视信号处理系统，特别涉及一种用于在显示图象的亮和/或暗区域内提供反差增强的非线性信号处理系统。

非线性视频信号处理器是公知的，其中，视频信号在视频信号范围的选定范围以内必须受到非线性放大，以在所显示图象中提供改善了的对比度。

例如，O·H·Shade在1956年8月21日颁发的美国专利2，760，008中叙述了一种其目的在于改善显示图象较暗和较亮区域中某些细节的非线性视频处理器，其特征在于它提供了两个所谓的“黑展宽”和“白展宽”处理。术语“黑展宽”用于描述一种视频信号亮度部分的非线性处理，这种处理的目的在于使中值亮度电平的亮度信号增益提高，借此改善对比度。以类似的方式，通过增加亮度信号增益向相对于“展宽”，按语言方式而言，就是相对于所显示图象亮部分信号范围具有较高电平的视频信号提供显示图象较亮区域内的细节。Shade系统的一个优点就是在选择视频信号传输点或“拐点”方面具有较大的灵活性;并能够灵活控制总传输功能的拐点之间的视频信号增益电平。

虽然Shade系统对暗区景物和亮区景物的细节控制提供了改进，但还需要相对大量的手动控制进行调节才能实现这些优点，这包括对增益设定的控制以及阀值或“拐点”设定的控制。由于需要较多的手动控制，总系统的适当调节可能是相当复杂的。

最近，可以利用集成电路来提供非线性图象增加功能，其特征在于具有某些自动控制措施，从而可以减轻用户本人调节个别控制量的负担，这种集成电路的一个例子就是索尼公司制造的CX20125型“动态图象处理”集成电路。这种集成电路提供一种“黑展宽”处理，用以改善较低电平视频信号的对比度。简言之，在同步地剥离视频信号以后，利用黑峰值保持电路将最深黑电平检测出来，并使它成为一个增益控制电路的控制信号并形成一个反馈回路，以作为视频信号检测后黑峰值的函数自动执行一个黑扩展。

另一种用于改善亮图象区域中对比度的接近于自动控制的非线性处理是以显示图象的所谓“平均图象电平”（APL）为基础的。作为例子并能够改善亮图象区域细节的“白展宽”处理在例如于1991年3月26日颁发给Lagoni，名称为“包括自动反差和“白展宽”处理部分的动态视频系统”的美国专利5，003，394进行了描述。在Lagoni系统的一个实施例中，白展宽处理是作为显示图象平均图象电平（APL）的函数处理的，且对比度控制是受用户控制信号源和一个峰值信号检测器的影响以对所显示的图象作出响应。

一般地说，现有的非线性处理系统在显示图象方面提供了一个相对主要的改进，但是应该认识到，特别是在考虑到要产生一个用于控制系统非线性传输功能发生器的控制信号的情况下，还可以有一个更主要的改进。

特别是通过对观众的测验发现，观众们更喜欢经过处理的图象，而不喜欢在特定亮度范围内提供象素的特定百分比。为了能够控制一个图象内暗的、中等的和亮的象素的相对数量，通常的黑峰值检测和平均图象电平检测方法是不能满足要求的。

本发明部分地归属于一个发现，那就是对于一个非线性视频信号处理系统而言，需要更加重视视频信号的整体内容，从而使得能够对一个或多个亮范围内的象素相对百分比进行控制。

根据本发明，用于处理视频信号的装置包括一个非线性处理装置，其增益可以响应在至少是一部分第一视频信号幅值范围上的控制信号而进行调节，还包括一个对所述视频信号作出响应的取样装置，用以产生与所述视频信号有关的视频取样。同时还包括有一个控制装置，该装置响应所述的视频取样，并根据处于至少是一个给定幅值范围内的所述视频取样的数量产生所述的控制信号。

在这里所描述的本发明的一个实施例中，以两种方式提供控制信号，一种是“正向馈送”方式（它的优点是绝对稳定），另一种是“反馈方式”（它的优点是能对输出信号电平进行自我调节）。另外，如将要解释的，电路可以使用模拟或数字的形式加以实现，并且可以具有由各自测量和控制电路控制的多个不同段非线性传输功能，从而可以提供黑展宽处理和白展宽处理。

本发明前述和附加的特征展示在附图中，在附图中，相同的元件使用相同的参考标号，其中：

图1是本发明一个实施例的一个黑展宽（非线性）视频信号处理系统的方框图;

图2是一个传输函数图，它示出了图1所示黑展宽处理器的工作情况;

图3是一个实施图1所示黑展宽处理器的数字电路的方框图;

图4示出了适用于图1所示例的非线性函数发生器另一实施例的方框图;

图5A-5E是一个信号电平图，它示出了图4所示传输函数发生器的工作情况;

图6的方框图示出了本发明用于提供视频信号黑展宽和白展宽处理的另一个视频信号处理系统;

图7是一个传输函数图，它表示了图6所示实施例的工作情况;

图8的方框图示出了一个适用于图6所示例的非线性传输函数发生器;

图9A-9K是一个信号电平图，它们示出了图6所示非线性传输函数发生器的工作情况;

图10的方框图示出了图1所示系统的另一个实施例;和

图11是图10所示例的一个元件的传输函数图。

图1的系统10提供一个“黑展宽”反差增强并包括一个非线性传输函数发生器12，该发生器具有一个用于接收亮度输入信号Y1的输入端14和一个用于提供亮度输出信号Y2的输出端16，为了反差增强，该亮度输出信号Y2必须根据施加到其控制输入端18的控制信号S1进行非线性处理。

控制信号S1是借助于象素分布测量电路20获得的，该电路具有输入端22，它通过反馈通道24（以实线表示）耦合到用于接收处理后输出信号Y2的输出端16。另一方面，电路20的输入端22可以被连接到输入端14，用以通过以虚线表示的“正向馈送”信号通道26接收视频输入信号Y1。使用正向馈送通道的优点是整个系统绝对稳定，而对于电路20的输入使用反馈信号通道24的优点是整个系统可以自我调节，这就如同在一个图象场内象素总数方面保持了“黑”象素所希望的百分比。象素分布测量电路20输出端28处的输入出信号S2通过产生控制信号S1的控制信号发生器30进行耦合。

在工作过程中，非线性“处理器”或传输函数发生器12使视频输入信号Y1的增益产生如图2传输函数所示的在信号Y1的一部分信号范围上的变化。如所示，当控制信号S1变化时，给予信号Y1的增益也在低于50IRE单位的范围内变化，例如，当控制信号为零时，传输函数沿202-204段的路径，该路径表示单位增益。对于控制信号S1的较高值，如同段206、208和210所指示的那样，较高的增益被施加给传输函数的较低段。图象较暗区域增益的提高增强了那些被放大象素（即沿段206-210的象素）的反差，并迫使象素向黑电平靠拢，这些象素都低于该传输函数和横轴的交点。例如，对于传输函数210而言，在从0到20IRE电平范围内的象素被转化为OIRE电平，而同时那些在20到50IRE单位范围内的象素被放大，这样在显示时就可以欣赏增加了的反差。点212处的传输函数拐点在本例中位于50IRE电平处，上述这个电平的输入信号被线性放大，既无增益也无损失，如点212和100IRE电平之间的单一钭线（m＝1）所示。

简言之，用于控制黑展宽信号处理的控制信号S1是由用于对视频信号（Y2或Y1）取样并产生与视频信号有关的视频取样S2的电路20以及用于根据在给定幅值范围内发生的取样数量而产生控制信号的电路30相结合而产生的。

详细地讲，象素分布测量电路20响应提供给它的视频输入信号（Y1或最好是Y2），产生一个表示象素总数的计数，这些象素发生在至少一个场间隔给定的时间间隔以内，且其视频信号电平等于或低于给定的视频基准电平（即7.5IRE，黑设定电平）。同样工作于视频场速率Fv的控制信号发生器30把由象素分布测量电路20所获得的计数S2与一个给定的百分比（例如10%），即在给定的时间间隔（一个场）内所发生的象素总数相比较，该控制信号S1随后被传送给发生器12，用以在某种意义上对它的传送特征进行修改，以调节信号Y2的黑象素内容，从而使其含有所需数量的象素（例如10%），这些象素的幅值或等于或低于给定的视频基准电平（例如黑电平）。

图3示出了一种实施图1所示黑展宽处理器数字电路。在图3中，非线性传输函数发生器12、控制信号发生器30和象素分布测量电路20都用虚线围出轮廓，经简化说明。

传输函数发生器包括一个符号位倒相器302，和一个8输入端或非门。亮度输入信号Y1包括一个8位信号LSB′s，其中7位被加到或非门304的7个输入端上，而第8位被倒相器302倒相后再加到门304的第8位输入端上。这种结构限定了信号Y1的正值（50-100IRE），并便负值（＝进制的-127-1或0-50IRE）倒相。所获得的信号仅含有在0-50IRE范围以内的信号，否则就被钳位（常数），然后，该信号通过两象限乘法器306与控制信号S1（例如4位）相乘以提供一个与0-50IRE范围内的输入信号有关的可变放大输出信号。然后利用减法器308从原来的输入信号Y1中减去这个信号并借此提供一个输出信号，在该输出信号中，其较低部分（50-100IRE）被信号S1可变放大，而其较高部分则以单一的增益被进行线性转换，如图2传输特性曲线所示。由于减法操作可能产生一个负的结果，所以减法器308的输出被加到一限幅器上，该限幅器在零IRE（例如被加有符号＝进制中的-128）处实施限制，且处理后的信号Y2被存贮在以系统象素速率为时钟的输出锁存器312中。

图3所示象素分布测量电路20包括一个比较器330，它将视频取样（Y2）和黑电平基准信号比较，并且当信号Y2处在黑电平范围以内时，通过或非门332向计数器提供脉冲，计数器334的计数是在场计数器338和译码器340的控制下进行的，且一个场内黑象素的总数借助于一个复位脉冲发生器350存贮在一个位于场末端的输出锁存器336中。为了保证仅是有效的视频被取样计数，一个水平消隐信号被加到门332，在消隐期间，门332使计数停止。另外，通过将计数器334的进位（CO）反馈到门332的另一个输入端，避免了溢出。因此，一旦每个区段都被完成，那么存贮于锁存器336中的计数就代表了视频信号Y2（若选择的是正向馈送而不是反馈，则是Y1）黑象素的总数。

图3所示控制信号发生器30是以方框图的形式表示其各种功能，而实际上它是可以利用微机（未示出）来完成的。发生器30包括一个比较器360，一个基准计数源362（例如是一个ROM）和一个环形滤波器364。由电路20所提供的象素输出信号通过比较器360和由基准计数源362所提供的基准计数相比较，对于黑展宽而言，该基准计数器代表了一个场内象素总数的10%，比较的结果借助于一个连接到发生器12的环形滤波器（例如是一个低通滤波器）364作为控制信号S1耦合到发生器12。若比较的结果表明一个场内的黑象素数目低于10%，那么发生器12的增益将被提高，借此以增加黑象素的数量。反之，若比较表明在一个场内的黑象素的数量多于10%，那么控制信号S1将使发生器12的增益降低，这样系统就能进行自我调节，以保持一个场内黑象素的给定百分比。为了避免超过合理的增益限度，在发生器30的输出端处可以配置一个限幅器370，用以限制控制信号的范围。一个适当的范围是从0到约20IRE单位。另外，如果需要的话，可以在非线性传输函数发生器12内提供限幅功能。

图4所示的另一传输函数发生器包括一个加法器402，它具有一个输入端，该输入端耦接到端子14并用于接收输入信号Y1;具有一个输出端，该输出端耦接到端子16并用于提供非线性放大输出信号Y2;还具有一个第二输入端，该输入端通过衰减器406（控制信号S1加到该衰减器上）、限幅器408和减法器410耦接到端子14。

图5A-5E示出了图4所示发生器14的工作情况。图5A示出了端14（A点）处的信号Y1，如图5B所示，该信号的电平被减法器410移动了-50IRE，并随后如图5C所示被限幅器408限幅。如图5D所示，借助于对控制信号S1作出响应的衰减器406获得可变增益。最后，通过使A点和D点（图5A和图5D）的信号相加，在加法器402的输出端产生结果（图5E）。如所见到的，这是一个与图2所示希望的传输功能，并且是以图3所示的数字电路完成的。

图6所示是图1所示系统的改型，用以提供白展宽处理和控制中值（50IRE）拐点。这种改型包括增加了两个多象素分布测量电路20′和20″以及两个多控制信号发生器30′和30″。另外，传输函数发生器也进行了修改，以提供多输入端18A和18B，用以控制中点（50IRE）和白展宽增益。除了这些变化和使用另外的偏置和基准电平之外，其工作情况和图1所示基本相同，其传输函数示于图7。

如图7所示，黑展宽处理改变了拐点702的位置，使其沿横轴在0-20IRE输入电平的范围内移动，从而改变了扩展到约50IRE的黑展宽传输函数704的钭率（增益）。然而，在这里，为了提供调节中值视频信号的灵活性，点50IRE（706点）是由信号S1′控制的，从而使其能够在从40到60IRE范围内沿具有单一增益钭率的路径移动。控制信号S1″通过在50-100IRE范围内沿m＝0.5（6db衰减）钭率的路径移动拐点709控制白展宽段708的钭率。黑展宽基准电平如同先前一样被设定为7.5IRE以用于对黑象素计数，其输出在发生器30内被调节到每场象素场象素总数10%的先前电平，控制中心点706的电路20′采用50IRE的基准电平用于象素检测和计数，发生器30′调节中心点视频电平到每场象素总数的75%。最后，测量电路20″的阀值电平被规定为约90IRE，以用于检测，而控制是通过把90IRE象素的数量和每场象素总数的约95%相比较进行的。对这三种控制范围的最佳限定是：对于白展宽（点702）变化为0-20IRE，对于中点值的移动为40-60IRE，而对于在白展宽控制之下的点709的变化为65-100IRE。

如前所述，对在图6所示例中各段和拐点的控制需要用于非线性处理器12的附加控制输入端。图8示出了一个修改后处理器的示意性方框图。图9A-9K示出了图8中标为A-K点处的典型的信号电平。图9A示出了施加于减法器802一个输入端上的输入信号Y1。该减法器802使输入的视频信号Y1向下偏置一个控制信号S1′的值，如图9B所示，并使拐点706产生一个适当的变化（图7）。由减法器802所提供的偏置信号加到限幅器804，限幅器804将信号值削截到低于由施加到该限幅器的常数K1所表示的原点（OIRE）以下（见图9C）。衰减器810用乘法控制对黑展宽信号S1作出响应的信号C的钭率以产生图9E所示的可变钭率信号E，并产生正比于信号S1的黑展宽度。在这种方式下，控制电压（信号S1）间接地确定了沿其轨迹（0-20IRE）的拐点702。

限幅器806的作用是将B点的信号值削截到高于原点值（当由上述基准K1设定时，其原点值为0IRE），这一点如图9D所示。衰减器812利用乘法控制信号D的钭率从而产生可变信号F（见图9F），随后再产生对施加到该衰减器的信号S1″作出响应的白展宽度。在这种方式下，控制电压S1″间接地确定了拐点709（见图7）。

加法器814对信号E的黑展宽部分，信号F的白展宽部分和原来的（线性）输入信号Y1求和（见图9A）以产生一个示于图9G的和信号。拐点709受控沿其移动的轨迹是由在图7中建立0.5钭率的衰减器816和加法器818所决定的。上述钭率是由施加给衰减器816和加法器818的恒定电压（基准电压）V1所确定，并借此产生一个如图9I所示的信号，该信号被偏置并且具有0.5的钭率。限幅器820接收信号G和I，并产生一个具有较低值的输出信号。换言之，限幅器820将信号G削截到等于或低于信号I。最后，另一个限幅器830（参考基准信号K1的OIRE值）削截到等于或高于OIRE，如图9K所示。

在图10中，对图1所示非线性视频信号处理器作了一些改动，使其在控制信号发生器30和非线性传输函数发生器12的控制输入端18之间的控制信号通道内增设了一个非线性放大和限幅器1000。放大/限幅器1000的传输函数由图11中的曲线1102表示，其中可以看到，用于信号S1的控制信号范围在最低电平处重新被限制在0-5IRE单位之间的最小值，而在最高电平处，被限制到20IRE单位。在最低和最高电平之间的传输函数增加了非线性，从而突出了在10-20IRE范围内的控制信号值并且前弱了在0-10IRE范围内的控制信号值。20IRE的极限保证在最坏情况状态（即纯白光栅）下不能施加过度的黑展宽。对于一个图象而言，非线性提供了一种衰减黑展宽的效果，使其合理地接近于具有所希望的黑象素百分比，而对于那些主要缺少黑象素的图象而言，它又能迅速增加黑展宽。极为有利的是系统中这种额外的非线性使得自动展宽操作成为一种不太明显或特别平稳的行为。白展宽控制信号的非线性处理也可以应用到图6所示实施例中。

Claims (4)

1、一种用于处理视频信号(Y1)的装置，包括：

非线性处理装置(12)，它具有响应在所述视频信号至少一部分幅值范围上的控制信号(S1)的可调增益；

取样装置(20)，它响应所述的视频信号并产生与所述视频信号相关的视频取样，其特征在于它还包括一个控制装置(30)，该控制装置响应所述的视频取样，并根据在至少一个给定幅值范围内的所述视频取样的数量产生所述的控制信号。

2、根据权利要求1的装置，其特征还在于所述的取样装置（20）包括一个响应提供给它的所述视频信号的装置（图3中的334），用以产生表示在至少一个场间隔的给定时间间隔内所发生象素总数的计数，上述象素的视频信号电平等于或者低于给定的视频基准电平;

所述的控制装置（30）还包括一个将所述计数装置的计数和在所述给定时间间隔内所发生的象素总数给定百分比进行比较的装置，用于产生所述的控制信号;和

所述的非线性处理装置（12）响应所述的控制信号，用以在某种意义上对提供给所述处理装置的所述视频信号的传输特征进行修改，从而形成一个响应图象的视频输出信号，在所述图象中具有予定百分比的象素具有等于或低于所述给定的视频基准电平的幅值。

3、根据权利要求2的装置，其特征还在于施加给所述取样装置的所述视频信号取自由所述非线性处理装置产生的所述视频输出信号，借此使所述的视频信号处理系统受到反馈控制。

4、根据权利要求2的装置，其特征还在于施加到所述取样装置的所述视频信号取自施加给所述非线性处理装置的所述视频信号，借此使所述的视频信号处理系统受到正向馈送控制。

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