说明书 用于检测信号的频率特性的装置和方法 【技术领域】
本发明涉及一种检测频率特性的方法，特别涉及一种通过分析信号的频率分布，并使用分析结果在信号处理功能块中更精确地处理图像信号，以便降低信号中的噪声或改善信号细节的方法。
背景技术
图1说明了对滤波频段进行处理的传统噪声降低装置。如果该装置是高通滤波器，只允许信号的高频成分通过，而其它成分被滤掉。如果该装置是带通滤波器，只允许特定频段内的频率通过该滤波器。如果该装置是低通滤波器，只允许低频成分通过该滤波器。
图2说明了传统的细节增强装置。传统地细节增强装置也是对滤波频段进行处理。与上述相同，该装置可以是高通滤波器、带通滤波器或低通滤波器。细节增强装置通过放大滤波后的信号，并将滤波后的信号与原始信号相叠加，使得人眼察觉不到的成分看起来更清晰。
图3是说明不同类型输入图像的像素的最高频率、抽样频率、和奈奎斯特频率。参照图3，当输入图像是标准清晰度(SD)图像，即，分辨率为与使用国家电视制式委员会(NTSC)标准或逐行倒相制式(PAL)标准生成的图像的分辨率相同的720×480时，最高频率是4.3Mhz。抽样是通过用预定时间间隔分割连续波信号，生成不连续的脉冲串的过程。这里，预定时间间隔被称为抽样频率。众所周知，抽样频率是信号的最高频率成分的两倍。这是因为在大于抽样频率/2的频率成分处出现的频率重叠(folding)产生了伪信号。抽样频率/2被称为奈奎斯特频率。参照图3，输入SD图像的抽样频率是13.5Mhz，而奈奎斯特频率是6.75Mhz。
当输入图像是高清晰度(HD)图像，即，输入图像的分辨率是1920×1080时，最高频率是30Mhz。在这种情况下，抽样频率是74.25Mhz，而奈奎斯特频率是37.125Mhz。
如果最高频率为4.3Mhz、分辨率为720×480的SD图像被放大(up-scaled)为分辨率为1920×1080的HD图像，在水平方向上，放大后的HD图像的像素的最高频率为8.87Mhz，即，(4.3/6.75)×(720/1920)×37.125＝8.87Mhz。
也就是说，如果图像被放大或缩小(down-scaled)，缩放后的图像的像素的最高频率是由分辨率和频率的比率确定的。
图4说明了通过传统高通滤波器的信号的波形图。当具有波形41的输入图像信号通过具有滤波频段42的高通滤波器时，从滤波器输出具有波形43的信号。但是，当具有波形44的放大图像信号被具有滤波频段42的高通滤波器滤波时，由于截止频率远高于放大图像的缩放比率，所以从滤波器输出的数据是不可靠的。例如，如果具有波形44的缩放信号是被放大成原始信号两倍的信号，则当缩放信号通过高通滤波器时，没有图像信号从具有滤波频段42、截止频率为π/2的高通滤波器中输出。因此，降低信号中的噪声或增强信号的细节是不可能的。
有各种类型的图像信号，其中包括SD图像信号和HD图像信号。同时，由于开发出了不同类型的图像处理器，常常要求缩放，以便调整图像信号的分辨率，以使其与图像处理器相匹配。例如，为了在HD-TV中再现SD图像，SD图像需要被放大，以便其分辨率被调整为与HD-TV的分辨率相等。如上所述，当如参照图4所解释的、使用截止频率远高于图像的缩放比率的高通滤波器处理放大图像时，就不能成功执行滤波操作，因此，从滤波器输出的数据是不可靠的。此外，缺乏可靠数据使得不能使用传统滤波器降低图像信号中的噪声或增强图像信号的细节。
【发明内容】
本发明提供了一种用于更可靠地检测输入信号的频率特性的装置和方法，该频率特性被提供给降低输入信号中的噪声和增强其细节的图像信号处理功能块。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于检测信号的频率特性的装置，该装置包括：指示值计算器，其计算一个指示值，其指示图像信号处理器的滤波频段和所期望的信号的滤波频段之间的差值；级别(level)选择器，其相对于指示值，从标有不同级别的部分中选择一部分(section)的级别；和频率特性确定单元，其将所选的级别确定为频率特性。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于基于频率特性，降低输入信号中的噪声的装置，其包括：频率特性检测器，其检测输入信号的频率特性；和噪声降低单元，其基于所检测的频率特性，降低输入信号中的噪声。
还根据本发明的另一方面，提供了一种用于增强输入信号细节的装置，该装置包括：频率特性检测器，其检测输入信号的频率特性；和细节增强单元，其基于所检测的频率特性，增强输入信号的细节。
还根据本发明的另一方面，提供了一种用于检测输入信号的频率特性的方法，该方法包括：计算一个指示值，其指示预定基本滤波频段和所期望的输入信号的滤波频段之间的差值；相对于指示值，从标有不同级别的部分中选择一部分的级别；和将所选的级别确定为频率特性。
还根据本发明的另一方面，提供了一种基于频率特性，降低输入信号中的噪声的方法，该方法包括：检测输入信号的频率特性；和基于所检测的频率特性，降低输入信号中的噪声。
还根据本发明的另一方面，提供了一种用于增强输入信号的细节的方法，该方法包括：检测输入信号的频率特性；和基于所检测的频率特性，增强输入信号的细节。
【附图说明】
通过结合附图详细描述本发明的优选实施例，本发明的上述和其他方面以及优点将会变得更加清楚，其中：
图1说明了传统的噪声降低装置；
图2说明了传统的细节增强装置；
图3是说明不同类型输入图像的像素的最高频率、抽样频率和奈奎斯特频率的表；
图4说明了通过传统高通滤波器的图像信号的波形图；
图5是根据本发明的优选实施例的、用于根据输入信号的频率特性降低输入信号中的噪声的装置的框图；
图6是根据本发明的优选实施例的、用于基于输入信号的频率特性降低输入信号中的噪声的装置的框图；
图7是根据本发明的优选实施例的、用于基于输入信号的频率特性增强输入图像的细节的装置的框图；
图8说明了在本发明中使用的(-12-1)/4滤波器的频率响应特性曲线；
图9是说明在将放大的输入图像输入到(-12-1)/4滤波器时所获得的指示值的表；
图10说明了通过根据本发明的滤波器的图像信号波形图；
图11是说明根据本发明的优选实施例的、用于基于频率特性降低输入信号中的噪声的方法的流程图；
图12是说明根据本发明的优选实施例的、用于基于频率特性增强输入信号的细节的方法的流程图；
图13是说明用于检测输入信号的频率特性的方法的流程图；
图14是说明根据本发明的优选实施例的、用于计算指示值的方法，该方法包括在用于检测输入信号的频率特性的方法中。
【具体实施方式】
图5是根据本发明的优选实施例的、用于检测输入信号的频率特性的装置的框图。该装置包括指示值计算器51、级别选择器52和频率特性确定单元53。
指示值计算器51计算指示值，其指示图像信号处理器的滤波频段和所期望的信号的滤波频段之间的差值。级别选择器52相对于指示值，从标有不同级别的部分中选择一部分的级别。频率特性确定单元53将所选的级别确定为信号的频率特性。也就是说，在调整滤波频段时使用所确定的级别。
假如信号是图像信号，下面将更详细地解释指示值计算器51、级别选择器52和频率特性确定单元53。
指示值计算器51包括分辨率比率计算器511、频率比率计算器512、标准化频率计算器513、标准化振幅计算器514和指示值给定器(setter)515。分辨率比率计算器511计算图像信号处理器中的标准分辨率与图像信号的分辨率之间的分辨率比率。图像信号处理器可以是用于降低输入图像信号中的噪声的装置或用于增强输入图像信号的细节的装置。换言之，在用于降低输入图像信号中的噪声的装置中或者在用于增强输入图像信号的细节的装置中，图像信号处理器可以被用来检测输入图像信号的频率特性。标准分辨率是经过了在基本上是由图像信号处理器提供的滤波频段处滤波的图像信号的分辨率。例如，如果图像信号处理器能够处理720×480的标准清晰度(SD)图像，则分辨率是720×480。同时，通过缩放标准分辨率来获得输入图像信号的分辨率，以便使之与图像信号输出设备相匹配。例如，如果图像信号输出设备是支持1920×1080分辨率的高清晰度(HD)TV，则SD图像需要被缩放成1920×1080的HD图像。因此，输入图像信号的分辨率是1920×1080。频率比率计算器512计算图像信号的每个像素的频率与奈奎斯特频率的频率比率。标准化频率计算器513通过将分辨率比率与频率比率相乘来计算标准化频率。标准化振幅计算器514通过将标准化频率调整为滤波器的频率响应特性曲线来计算标准化振幅。这里，滤波器可以是诸如(-12-1)/4滤波器的高通滤波器。(-12-1)/4滤波器是数字滤波器，其在将3个比特流输入该滤波器时，通过将具有标准化频率的3个比特流分别与-1/4、1/2和-1/4相乘，并将乘积相加，来计算标准化振幅。指示值给定器515正确执行对标准化振幅的操作，并将结果设置为指示值。
详细地说，指示值给定器515对标准化频率的频率函数和滤波器的频率函数进行卷积，并将卷积结果的绝对值设置为指示值。
指示值给定器515执行的设置指示值的处理可以用下列等式表示：
y(n)＝f(n)*x(n)＝＞abs(y(n))＝0-128 (1)
其中，x(n)表示输入值，f(n)表示滤波器的值，y(n)表示输出值，X(w)表示通过对输入值执行傅立叶变换所获得的值，F(w)表示通过对滤波器的值执行傅立叶变换所获得的值，Y(w)表示通过对输出值执行傅立叶变换所获得的值。
如果对等式1的两边执行傅立叶变换，可以获得下列等式：
abs(Y(w))＝abs(F(w))×abs(X(w)) (2)
phase(Y(w))＝phase(F(w))+phase(X(w)) (3)
如果滤波器是(-12-1)/4滤波器，那么等式(1)中abs(F(w))＝0-1。如果等式(1)中，abs(X(w))或abs(Y(w))＝0-N，那么在等式1的两边被标准化时，abs(X(w))或abs(Y(w))＝0-1。因此，等式(2)需要被扩展，而不必标准化。
如果abs(X(w))为0.28或更小，那么abs(Y(w))总是为0.28或更小。
abs(X(w))＝0.28×abs(XX(w)) (4)
abs(Y(w))＝0.28×abs(YY(w)) (5)
如果在等式(4)和(5)中，XX(w)＝0-1且YY(w)＝0-1，那么执行反傅立叶变换以获得下列等式：
y(n)＝0.28×yy(n)＝f(n)*0.28×xx(n) (6)
在这种情况下，abs(y(n))＝0-0.28×128(37)。
在上述等式中，*是卷积符号，×是相乘符号，而abc表示绝对值。
级别选择器52将输入图像信号的所有像素的指示值分到几个部分中，以便指示值分别属于标有不同级别的部分，然后选择一部分的级别。指示值是连续值，因此，在确定可用于所有像素的滤波频段时，通过将其分到几个部分中来分散表示指示值是有效的。同时，相邻级别的差别越小，级别的数量就越多，就可以更精确地估计输入图像的频率分布。频率特性确定单元53将与大多数指示值相对应的像素级别之一确定为频率特性。也就是说，可以将这样的像素的级别确定为频率特性，通过它，在对输入图像信号进行滤波时，可以将输入图像信号的频率调整到最合适的滤波频段。
图6是根据本发明的优选实施例的、用于基于频率特性降低输入信号中的噪声的装置的框图。该装置包括信号输入单元61、频率特性检测器62、噪声降低单元63和信号输出单元64。
信号输入单元61接收由诸如接收机的信号生成装置生成的信号。频率特性检测器62检测该信号的频率特性。噪声降低单元63基于该频率特性降低信号中的噪声。信号输出单元64将已降低了其中噪声的信号输出到诸如显示终端的外部装置。这里，信号可以是图像信号或语音信号，但它通常是图像信号。
更具体地说，频率特性检测器62相对于指示值，选择预定数量部分中的一部分的级别，然后将所选择级别确定为频率特性，上述指示值指示预定基本滤波频段和所期望的信号的滤波频段之间的差值。这里，部分表示不同的级别。通常，用于降低输入信号中的噪声的装置，例如滤波器被用来对未被缩放的信号进行滤波。如果输入图像信号是缩放信号，则在设置了该装置的滤波频段时，该装置不能对该信号进行适当地滤波，这样，必须改变滤波频段。因此，有必要基于指示基本滤波频段和所期望的滤波频段之间的差值的值，来获得一个级别。可以通过计算基本滤波频段和所期望的滤波频段之间的差值来确定该级别。这里，指示该差值的值是连续值。因此，在确定可用于所有像素的滤波频段时，通过将其分到几个部分中来分散表示指示值是有效的。噪声降低单元63通过基于频率特性，即所确定的级别调整滤波频段，来对信号进行滤波。也就是说，在信号是缩放信号时，噪声降低单元63通过将滤波频段适当地调整为与信号的缩放比率成比例，来对信号进行滤波。
图7是根据本发明的优选实施例的、用于基于频率特性增强输入信号的细节的装置的框图。该装置包括信号输入单元71、频率特性检测器72、细节增强单元73和信号输出单元74。
信号输入单元71接收由诸如接收机的信号生成装置生成的信号。频率特性检测器72检测该信号的频率特性。细节增强单元73基于频率特性增强该信号的细节。信号输出单元74将细节增强后的信号输出给诸如显示终端的外部装置。这里，信号可以是图像信号或语音信号，但它通常是图像信号。
详细地说，频率特性检测器72相对于每个指示值，选择标有不同级别的部分中的一部分的级别，然后将所选择级别设为频率特性，上述指示值指示预定基本滤波频段和所期望的信号的滤波频段之间的差值。换言之，如果输入图像信号是缩放信号，在滤波频段被设为可以对原始信号进行正确地滤波时，例如是滤波器的、用于降低输入信号中的噪声的装置就不能对该信号进行适当的滤波。这样，必须改变滤波频段。因此，有必要基于指示基本滤波频段和所期望的滤波频段之间的差值的值，来获得一个级别。可以通过计算基本滤波频段和所期望的滤波频段之间的差值来确定该级别。这里，指示该差值的值是连续值。因此，在确定可用于所有像素的滤波频段时，通过将这些值分到几个部分中来分散表示指示值是有效的。细节增强单元73通过基于频率特性调整滤波频段，来对信号进行滤波，放大滤波信号，和将放大信号与输入信号相叠加。即，当信号是缩放信号时，细节增强单元73在信号通过将滤波频段适当地调整为与信号的缩放比率成比例，来对信号进行滤波，放大滤波信号，并将放大信号与输入信号相叠加，因而提高了图像信号或语音信号的质量。
图8是说明了在本发明中使用的(-12-1)/4滤波器的频率响应的图。(-12-1)/4滤波器可以在图5的标准化振幅计算器514中使用。(-12-1)/4滤波器是数字滤波器，其在将3个比特流输入该滤波器时，通过将具有标准化频率的3个比特流分别与-1/4、1/2和-1/4相乘，并将乘积相加，来计算标准化振幅。例如，在将比特流(000)或(111)输入该滤波器时，滤波器输出值0，而在将比特流(101)输入该滤波器时，输出值-1/2。
图9是说明在将放大的输入图像输入到(-12-1)/4滤波器时所获得的指示值的表。具体地说，图9说明了当在0到255范围内的输入图像被放大，然后通过该滤波器时，从该滤波器输出的指示值。可以使用指示值，即指示值的级别分布来计算输入图像的最高频率和频率特性。例如，如果720×480的输入图像被放大为1280×720，则像素的最高频率为4.3Mhz，奈奎斯特频率为6.75Mhz，而标准化最高频率为0.36Mhz。滤波器的频率响应特性曲线显示了标准化最大振幅为0.28。我们假设小于8的指示值，在17到36之间的指示值，在36到70之间的指示值，和大于71的指示值分别属于级别A、B、C和D。如果属于级别C和D的指示值的个数是0，且多个指示值属于级别B，那么标准化最高频率为0.36，且输入图像信号的大多数像素数据以0.24到0.36之间的频段出现。
图10说明了通过根据本发明的滤波器的图像信号波形图。参照图10，当具有波形101的输入图像信号通过具有滤波频段102的高通滤波器时，从该滤波器输出具有波形103的信号。但是，当具有波形104的放大图像信号通过具有滤波频段102的高通滤波器时，没有图像信号从该滤波器输出。在这种情况下，不可能降低信号中的噪声或增强该信号的细节。但是，当基于输入图像信号的频率特性将滤波器的滤波频段102变为滤波频段105时，从该滤波器输出具有波形106的信号。
图11是说明用于检测输入信号的频率特性的方法的流程图。参照图11，在动作111中计算指示值，其指示信号处理器的滤波频段和所期望的信号的滤波频段之间的差值，所述部分标示为不同级别。下面，在动作112中，相对于指示值选择预定数量部分中的一个部分的级别。下面，在动作113中，将所选择级别设为频率特性。这里，使用所设置级别来调整滤波频段，并且，通常信号是图像信号。
图12是说明根据本发明的优选实施例的、用于计算指示值的方法，该方法包括在用于检测输入信号的频率特性的方法中。首先，在动作121中计算图像信号处理器的标准分辨率与图像信号的分辨率的比率。图像信号处理器可以是用于降低输入图像信号中的噪声的装置，也可以是用于增强输入图像信号的细节的装置。标准分辨率是这样的图像信号的分辨率，其可以在图像信号处理器的基本滤波频段上被滤波。输入图像信号的分辨率对应于通过缩放标准分辨率，以使之与图像信号输出设备的分辨率相匹配而获得的分辨率。在动作121之后，在动作122中计算图像信号的每个像素的频率与奈奎斯特频率的比率。下面，在动作123中，通过将分辨率比率与频率比率相乘来计算标准化频率。下面，在动作124中，通过将标准化频率调整为特定滤波器的频率响应特性曲线，来计算标准化振幅。在本发明的优选实施例中，高通滤波器被用作该滤波器。在动作124之后，对标准化振幅的值进行操作，并在动作125中将结果设为指示值。具体地说，对于输入图像信号的像素，将标准化振幅的频率函数和滤波器的频率函数进行卷积，并将卷积值的绝对值设置为指示值。在动作125之后，所有像素的指示值被分成几个部分，因此，这些指示值属于标有级别的部分，然后，在动作112中，根据每一像素的指示值选择标有不同级别的部分中的一个。在动作112之后，在动作113中将与大多数像素相对应的级别之一确定为频率特性。
图13是说明根据本发明的优选实施例的、用于基于频率特性、降低输入图像信号中的噪声的方法的流程图。首先，在动作131中将信号输入滤波器。下面，在动作132中检测信号的频率特性。更具体地说，根据每个指示值选择预定数量部分中的一个部分的级别，并将所选择级别确定为频率特性，上述指示值指示预定基本滤波频段和所期望的信号的滤波频段之间的差值。这里，部分被标有不同级别。在动作132之后，在动作133中，基于频率特性降低信号中的噪声，即，基于频率特性调整滤波频段，以便对信号进行滤波。下面，在动作134中，从滤波器输出已经降低了其中噪声的信号。这里，信号可以是图像信号或语音信号，但是，通常该信号是图像信号。
图14是说明根据本发明的优选实施例的、用于基于频率特性增强输入图像信号的细节的方法的流程图。首先，在动作141中将信号输入滤波器。下面，在动作142中检测信号的频率特性。也就是说，根据每个指示值选择预定数量部分中的一个，并将所选择级别确定为频率特性，上述指示值指示预定基本滤波频段和所期望的信号的滤波频段之间的差值。这里，部分被标有不同级别。在动作142之后，在动作143中，基于频率特性增强输入信号的细节。具体地说，通过基于频率特性调整滤波频段，来对信号进行滤波，放大滤波信号，并将放大信号与输入图像信号相叠加。在动作143之后，在动作144中从滤波器输出增强了细节的信号。这里，信号可以是图像信号或语音信号，但是，通常该信号是图像信号。
本发明可以实现为可由计算机运行的计算机可读程序，并在使用计算机可读记录介质的数字计算机中实现。这里，计算机可读记录介质可以是任何记录装置，包括诸如只读存储器(ROM)、软盘和硬盘的磁存储介质，和诸如CD ROM和DVD的光记录介质。同时，计算机可读介质可以是例如经因特网发送数据的载波。
在通过参照本发明的优选实施例具体示出和描述了本发明的同时，本领域的专业技术人员应该明白：在不背离由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上做各种改变。
如上所述，根据本发明，分析输入信号的频率分布，基于所分析的频率特性调整滤波频段，和在所调整的滤波频段上对输入信号进行滤波。因此，可以对输入信号进行适当地滤波，而不用关心信号的分辨率。特别是，在输入信号是图像信号且该信号被缩放为不同缩放比率时，可以仅用一个滤波器对具有不同缩放比率的信号进行滤波。由于这个原因，在同时使用诸如标准清晰度(SD)TV和高清晰度(HD)TV的不同类型的图像输出装置的情况下，本发明是非常有用的。也就是说，通过使用滤波器对信号进行滤波，很容易降低具有不同缩放比率的信号中的噪声，或增强该信号的细节。