專利名稱：以二維有限沖擊響應(yīng)濾波器設(shè)計影像縮放器的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及影像縮放器的改良，尤其是指以二維有限沖擊響應(yīng)濾波器(2-D Finite Impulse Response filter)設(shè)計影像縮放器(scaler)的方法。
背景技術(shù)：
人類正處於一種數(shù)字化的世界，數(shù)字影像處理廣泛應(yīng)用於許多領(lǐng)域中，例如個人電腦、數(shù)碼相機(jī)、數(shù)字電視…等，數(shù)字顯示器如LCD、PDP等亦成為人類日常生活中的要角。市面上有許多不同尺寸的數(shù)字顯示面板，但影像源的尺寸卻是固定的。因此必須使用縮放器(scaler)調(diào)整原來影像以符合不同顯示面板的大小。
現(xiàn)在的縮放器方法或內(nèi)插法如雙線性法或雙立方法大量使用於相關(guān)產(chǎn)品中，不過其中有一些缺陷。
下面先說明一些傳統(tǒng)方法(1)復(fù)制法請參考

圖1，信號大小必須放大到原來的三倍，此法只是復(fù)制前面的點(如A或B)并插入作為內(nèi)插點，結(jié)果示於圖2，其中C、D點就是A點的復(fù)制。
(2)雙線性法此法中C、D點不是A點的復(fù)制，而是A點與B點的合成。因為C點較靠近A點，所以C點具有較多A點的成份。另一方面則D點具有較多B點的成份。采取線性合成法，得到C＝2/3*A+1/3*BD＝1/3*A+2/3*B結(jié)果示於圖3。
(3)雙立方法此法類似於雙線性法，只是合成方程式是三次方程式。
影像縮放在縮放影像時，上述方法是先施用於水平樣本，然後施用於其結(jié)果的垂直樣本上，於是得到最後的縮放影像，如圖4所示?，F(xiàn)有技術(shù)的缺點上述的縮放或內(nèi)插法廣泛使用於不同的領(lǐng)域中。當(dāng)使用復(fù)制法時，影像縮放器在畫面的邊緣出現(xiàn)不連續(xù)的點；當(dāng)使用雙線性法時則畫面模糊不清；使用雙立方法時，畫面對人眼而言不夠清晰。不論使用哪一種方法，縮放器都是分別在水平與垂直方向上運作，如圖4所示。不過自然界的影像基本上是二維的，因此以一維(水平或垂直)縮放器處理影像的結(jié)果將產(chǎn)生失真，對人眼而言看起來不自然。
本發(fā)明的目的即在改良及/或克服上述的缺點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明主要的目的在于提供一種以二維有限沖擊響應(yīng)濾波器設(shè)計影像縮放器的方法。首先，將一二維影像源以高於奈奎斯特取樣率(Nyquist rate)加以取樣，而得到二維樣本；其次，將零點填到二維樣本之間而得到一零點填入式影像；第三步，將零點填入式影像通過一二維有限沖擊響應(yīng)濾波器(2-D FIR filter)，於是得到一放大影像。
若所需的放大倍數(shù)是L，且所需的影像處理方塊大小是M×N，則將零點插入一M×N的二維樣本之間，得到一(M×L)×(N×L)的零點填入式影像；取用一(M×L)×(N×L)的二維有限沖擊響應(yīng)濾波器；該(M×L)×(N×L)的二維有限沖擊響應(yīng)濾波器具有(M×L)×(N×L)個系數(shù)；(M×L)×(N×L)的零點填入式影像則以該(M×L)×(N×L)的二維有限沖擊響應(yīng)濾波器的對應(yīng)系數(shù)加以處理，然後相加而成為(M×L)×(N×L)影像處理方塊中心像素的結(jié)果影像；移動影像處理方塊至下一個要處理的位置，重覆上述程序，直到所有零點填入式影像都處理完畢為止。
附圖簡述圖1為將信號放大成原來三倍的示意圖；圖2為復(fù)制法的示意圖；圖3為雙線性法的示意圖；圖4為縮放器分別在水平與垂直方向上線性操作運作的示意圖；圖5為本發(fā)明方法的示意圖；圖6示出以高於奈奎斯特取樣率(Nyquist rate)而得的取樣信號；圖7示出圖6取樣信號的頻譜；
圖8示出(N-1)個零點填到原來取樣信號之間而得到一N倍的影像；圖9示出圖8取樣信號填入零點後的頻譜；圖10示出濾除[-pi/N:pi/N]以外頻帶的信號後所得的新頻譜；圖11示出若取樣信號以圖6取樣率的N倍而取樣，則結(jié)果所得頻譜與圖10的頻譜一樣；圖12示出在二維有限沖擊響應(yīng)濾波器方法中，將零點插在所有原來取樣信號之間而得到一所需的放大尺寸；圖13示出如何實現(xiàn)本發(fā)明。
具體實施例方式
本發(fā)明提出以二維有限沖擊響應(yīng)濾波器設(shè)計影像縮放器的方法。
請參考圖5，第一步將零點填入原來的樣本之間；其次則將零點填入式影像通過一二維有限沖擊響應(yīng)濾波器，於是得到一放大的影像。若放大影像的大小不是原來影像的整數(shù)倍，或者比原來的影像小，則可將原來影像放大到最終影像的整數(shù)倍，然後取其等分的部分樣本作為最終影像。
根據(jù)數(shù)字信號處理的取樣理論，只有當(dāng)取樣率高於奈奎斯特取樣率(Nyquist rate)時，數(shù)字化的信號才能恢復(fù)成原來的模擬信號。濾除高頻頻帶所得的信號頻譜與原來的頻譜完全一樣，取樣頻率愈高，所需的低通濾波器的截止頻率愈低。
例如圖6示出以高於奈奎斯特取樣率(Nyquist rate)而得的取樣信號，圖7則為其頻譜。為了得到一N倍的影像，將(N-1)個零點填入原來樣本之間，如圖8所示。圖9則是填入零點後的頻譜。若濾除[-pi/N:pi/N]以外的頻帶信號，將得到一如圖10所示的新頻譜。若以圖6取樣率的N倍得到取樣信號，如圖11所示，則所得的頻譜與圖10相同。這就證明零點填入與提高原來信號的取樣率具有相同的效果。
上述方法是以一維有限沖擊響應(yīng)濾波器為基礎(chǔ)，本發(fā)明則提出以二維有限沖擊響應(yīng)濾波器為基礎(chǔ)，意即不必分別在水平與垂直方向上放大影像。二維有限沖擊響應(yīng)濾波器的系數(shù)可以是可分解或不可分解的。因為濾波器必須是線性的，以避免產(chǎn)生模糊的影像，所以二維有限沖擊響應(yīng)濾波器的系數(shù)是以中心點為準(zhǔn)而對稱。
二維有限沖擊響應(yīng)濾波器的方法與一維有限沖擊響應(yīng)濾波器的方法相同，將零點插在所有原來樣本之間而達(dá)到所需的尺寸，如圖12所示。
然後將零點填入式影像的頻譜以一二維有限沖擊響應(yīng)濾波器直接過濾，所得影像的頻譜與過量取樣的取樣信號具有相同的頻譜。將放大的影像重訂尺寸，取其等分的所需樣本作為最終影像。
實施例縮放器相關(guān)產(chǎn)品應(yīng)用於個人電腦液晶監(jiān)視器、液晶電視、個人數(shù)字助理(PDA)…等。為了經(jīng)濟(jì)效益，這些產(chǎn)品都用微芯片或集成電路實現(xiàn)，下面說明如何設(shè)計一縮放器，可以用VHDL/Verilog RTLhardware code非常容易地實現(xiàn)。
請參考圖13，第一步是將原來影像儲存到存儲器，選擇所需的水平與垂直方向的放大尺寸，稱為L；選擇有限沖擊響應(yīng)濾波的影像處理方塊大小，稱為M×N；將零點插入M×N影像中(圖13的陰影區(qū)域)，於是得到一零點填入式(M×L)×(N×L)影像。然後采用一(M×L)×(N×L)的二維有限沖擊響應(yīng)濾波器，二維有限沖擊響應(yīng)濾波器的系數(shù)示於圖13右上角及下面{F_0_0，F(xiàn)_1_0，F(xiàn)_2_0，….F_M×L_0，F(xiàn)_0_1，F(xiàn)_1_1，F(xiàn)_2_1，….F_M×xL_1，…F_0_N×L，F(xiàn)_1_N×L，F(xiàn)_2_N×L，….F_M×L_N×L}濾波為了取得零點填入式像素的輸出，必須用二維有限沖擊響應(yīng)濾波器過濾影像。零點填入式(M×L)×(N×L)影像以對應(yīng)的系數(shù)處理，并相加而成為中心像素的結(jié)果影像(如圖13中陰影區(qū)域的中心小方塊所示)；移動影像方塊至下一個要處理的位置，重覆上述程序，得到下一個像素輸出，如此重覆下去，直到所有的零點填入式像素都處理完畢為止，於是得到一(M×L)×(N×L)的放大影像；將此輸出影像存入存儲器，并選擇必要的像素而得到所需水平與垂直尺寸的輸出影像。
本發(fā)明的優(yōu)點說明如下第一個優(yōu)點是本發(fā)明提出一以系數(shù)為基礎(chǔ)的方法，而不是固定參數(shù)的方法來實現(xiàn)縮放器及內(nèi)插器，設(shè)計者可以調(diào)整二維有限沖擊響應(yīng)濾波系數(shù)而控制影像品質(zhì)，使最終的影像更為清晰或平順。二維有限沖擊響應(yīng)濾波系數(shù)的長度亦可對不同的設(shè)計需求而調(diào)整，二維有限沖擊響應(yīng)濾波系數(shù)的長度愈長，所得影像就愈佳。
第二個優(yōu)點是本發(fā)明提出以二維有限沖擊響應(yīng)濾波器作影像處理的方法，揚(yáng)棄已往的一維影像處理。因為現(xiàn)實世界的影像是二維的，以一維方向處理影像會喪失影像品質(zhì)。
由於上述的優(yōu)點，本發(fā)明所提出的確實是一創(chuàng)新而卓越的方法，可供設(shè)計縮放器、內(nèi)插器及其他影像處理之應(yīng)用。
雖然本說明書已提出并說明本發(fā)明的實施例，但對本領(lǐng)域內(nèi)普通技術(shù)人員而言，顯而易見的是可以設(shè)計出更多的實施例，而不會脫離本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種以二維有限沖擊響應(yīng)濾波器設(shè)計影像縮放器的方法，包含步驟如下將一二維影像源以高於奈奎斯特取樣率加以取樣，而得到二維樣本；將零點填到二維樣本之間而得到一零點填入式影像；將零點填入式影像通過一二維有限沖擊響應(yīng)濾波器，得到一放大影像。
2.如權(quán)利要求1所述的以二維有限沖擊響應(yīng)濾波器設(shè)計影像縮放器的方法，其中若所需的放大倍數(shù)是L，且所需的影像處理方塊大小是M×N，則將零點插入一M×N的二維樣本之間，得到一(M×L)×(N×L)的零點填入式影像；取用一(M×L)×(N×L)的二維有限沖擊響應(yīng)濾波器；該(M×L)×(N×L)的二維有限沖擊響應(yīng)濾波器具有(M×L)×(N×L)個系數(shù)；(M×L)×(N×L)的零點填入式影像則以該(M×L)×(N×L)的二維有限沖擊響應(yīng)濾波器的對應(yīng)系數(shù)加以處理，然後相加而成為(M×L)×(N×L)影像處理方塊中心像素的結(jié)果影像；移動影像處理方塊至下一個要處理的位置，重覆上述程序，直到所有的零點填入式影像都處理完畢為止。
全文摘要
本發(fā)明提供一種以二維有限沖擊響應(yīng)濾波器設(shè)計影像縮放器的方法。首先，將一二維影像源以高於奈奎斯特取樣率(Nyquist rate)加以取樣，而得到二維樣本；其次，將零點填到二維樣本之間而得到一零點填入式影像；第三步，將零點填入式影像通過一二維有限沖擊響應(yīng)濾波器(2－D FIR filter)，於是得到一放大影像。
文檔編號H03H17/02GK1889168SQ200510080989
公開日2007年1月3日 申請日期2005年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月30日
發(fā)明者黃文藝 申請人:宏芯科技股份有限公司