缩放图像的系统和方法.docx

缩放图像的系统和方法专利名称：缩放图像的系统和方法技术领域：本公开一般地涉及数字图像处理和显示系统，并且更具体地，涉及缩放(scale) 图像的系统和方法，其中该系统和方法增加图像的尺寸，然后对放大后的(upscaled)图像 进行滤波以移除混叠伪像(aliasing artifact) 0背景技术：放大(也叫做向上变换(upconversion))通过增加垂直和水平的扫描线的线数来增大图像的分辨率对于众多后期制作应用而言，放大是重要的问题例如，众多之前的TV 节目和影片是SD(标准清晰度)格式为了在当今的HD(高清晰度)显示器或TV上播放 SD影片，期望将SD影片转换为比SD格式具有更大的分辨率的HD格式放大的另一示例性 的应用是用于显示控制器，该显示控制器需要将输入图像尺寸转换为显示器本身的分辨率 的放大组件在放大处理期间，因为作为结果的图像的尺寸比原始图像的尺寸要大，所以不得 不在图像中插入附加的像素，这导致潜在的可见的伪像传统地，在放大之前应用滤波器来 移除由像素插入导致的伪像然而，在众多常规的放大算法中，在不顾诸如边缘之类的局部 图像内容的情况下，在图像平面上均勻地应用滤波器，这导致了细节的模糊。

因此，存在对用于缩放图像而不产生不想要的伪像的技术的需求此外，存在对用 于放大图像而不损失图像的质量的技术的需求发明内容提供了一种缩放图像的系统和方法采用一种放大算法或者功能，其增加图像的 尺寸，然后对放大后的图像进行滤波以移除混迭伪像在滤波处理期间，检测放大后的图像 中的对象的边缘，并且为所检测的边缘提供不同的滤波器频率响应为所检测的边缘提供 不同的滤波器频率响应保留了线图像(line image)的更多细节本公开的系统和方法利 用一种自适应的放大算法或功能，该自适应的放大算法或功能通过在图像中插入附加像素 来增加图像的尺寸，并且根据局部几何形状(geometry)(即，所检测的边缘)来保留图像细 节根据本公开的一方面，提供了一种缩放图像的方法，该方法包括获取第一尺寸的 图像；检测该图像的几何形状；将该图像缩放至第二尺寸；并且基于所检测的几何形状，利 用至少一个滤波器来对缩放后的图像进行滤波在一方面中，检测步骤包括检测图像中的对象的边缘在另一方面中，检测步骤还 包括生成包含图像中的每个像素的边缘量值(magnitude)的第一边缘映射(map)，并且生 成包含图像中的每个像素的边缘方向的第二边缘映射。

在另一方面中，该方法还包括生成多个滤波器，所述多个滤波器中的每一个滤波 器具有不同的方向，其中所述滤波步骤包括为每个像素选择具有与该像素的边缘方向基本 相同的边缘方向的至少一个滤波器生成多个滤波器包括生成具有第一截止频率的一维水平滤波器；生成具有低于第一截止频率的第二截止频率的一维垂直滤波器；对水平滤波 器和垂直滤波器执行外积函数(outer product function)以生成二维滤波器；并且向多个 不同的方向旋转(rotate)该二维滤波器，以及为多个不同方向中的每一个方向存储至少 一个滤波器根据本公开的另一方面，提供了一种缩放第一尺寸的图像的系统该系统包括几 何形状检测器，被配置为检测图像的几何形状；缩放器模块，被配置为将图像缩放至第二尺寸；以及采样模块，被配置为基于所检测的几何形状，利用至少一个滤波器对缩放后的图像 进行滤波在本公开的另一方面中，提供了一种机器可读的程序存储设备，其有形地体现了 可由该机器执行的、用于施行缩放图像的方法步骤的指令的程序，所述方法包括获取第一 尺寸的图像；检测该图像的几何形状；将该图像缩放至第二尺寸；并且基于所检测的几何 形状，利用至少一个滤波器来对缩放后的图像进行滤波。

将描述本公开的这些及其他方面、特征和优点，或者从以下要结合附图来阅读的、 对优选实施例的详细描述中，本公开的这些及其他方面、特征和优点将变得明显在附图中，其中贯穿各视图，类似的参考标号表示类似的元件图1是一种用于标准的图像缩放的通常系统的图示；图2图示了若干已经被缩放和滤波的作为结果的图像，其中图2A是利用最优截止 频率滤波的作为结果的图像，图2B是利用比最优截止频率低的截止频率滤波的作为结果 的图像，而图2C是利用比最优截止频率高的截止频率滤波的作为结果的图像；图3图示了在图像缩放期间信号频率响应的改变；图4是用于图像缩放的常规方法的流程图；图5图示了缩放滤波器的二维(2D)频率响应；图6A图示了由标准的缩放滤波器处理的作为结果的图像，而图6B图示了由根据 本公开的旋转后的缩放滤波器处理的作为结果的图像；图7是根据本公开的缩放图像的示例性系统；图8是根据本公开的一方面的、用于缩放图像的示例性方法的流程图；图9是根据本公开的一方面的、用于生成2D缩放滤波器的示例性方法的流程图；图10是根据本公开的一方面的、用于图像的2D采样滤波的示例性方法的流程图； 以及图IlA是由常规的缩放器处理的作为结果的图像，而图IlB是由本公开的系统和 方法处理的作为结果的图像。

应理解，附图是用于图示本公开的构思的目的，并且不必是用于图示本公开的唯 一可能的配置具体实施例方式应理解可以以各种形式的硬件、软件或其组合来实施附图中所示的元件优选 地，在一个或多个被适当编程的通用装置上以硬件和软件的组合来实施这些元件，所述通用装置可以包括处理器、存储器以及输入/输出接口本描述例示了本公开的原理因此，将理解本领域技术人员将能够设计出虽然未在此被明确描述或示出、但是体现本公开的原理并且被包括在本公开的精神和范围内的各 种布置在此所叙述的所有示例和条件性语言意在教导性的目的，以帮助读者理解本公开 的原理和由发明人为推动本领域而贡献的构思，并且要被解释为不限于如此具体叙述的示 例和条件另外，在此叙述本公开的原理、方面、以及实施例的所有陈述、以及本公开的具体 示例，意在包含本公开的结构上和功能上两方面的等效物此外，这样的等效物意在包括当 前已知的等效物以及将来开发的等效物这两者，即，所开发的无论结构如何、执行相同功能 的任何元件因此，例如，本领域技术人员将理解在此呈现的框图表示体现本公开的原理的例 示性的电路的概念性视图类似地，将理解任何流程图示、流程图、状态转换图、伪代码等 等表示基本上可以在计算机可读介质中表示的、并由此通过计算机或处理器执行的各种处 理，无论这种计算机或处理器是否被明确示出。

可以通过使用专用硬件以及使用能够与适当的软件相关联地执行软件的硬件来 提供附图中所示的各种元件的功能当由处理器提供时，可以由单个专用处理器、单个共享 处理器、或其中一些可以被共享的多个独立处理器来提供所述功能另外，术语“处理器”或 “控制器”的明确使用不应被解释为排他性地代表能够执行软件的硬件，其也可以隐含地包 括、而不限于数字信号处理器(“DSP”)硬件、用于存储软件的只读存储器(“ROM”)、随机 存取存储器(“RAM”)、以及非易失性存储装置也可以包括其它的常规的和/或定制的硬件类似地，附图中所示的任何开关只 是概念性的可以通过程序逻辑的操作、通过专用逻辑电路、通过程序控制和专用逻辑电路 的交互作用、或甚至手动地执行所述开关的功能，如从上下文中具体理解的，具体技术可由 实施者选择在其权利要求中，被表达为用于执行所指定的功能的部件的任何元件意在包含执 行该功能的任何方式，所述任何方式例如包括a)执行该功能的电路元件的组合，或b)与 用于执行软件的适当的电路组合以执行该功能的任何形式的软件(因此包括固件、微代码 等)由这样的权利要求所限定的本公开在于以下事实以权利要求所请求保护的方式将 所叙述的各种部件所提供的功能组合并放在一起。

因此，可以提供这些功能的任何部件被 认为等效于与在此所示出的那些部件提供了一种缩放图像的系统和方法采用一种放大算法或功能，其增加图像的 尺寸，并且然后对放大后的图像进行滤波以移除混迭伪像在滤波处理期间，检测放大后 的图像中对象的边缘，例如，几何形状检测，并且向所检测的边缘提供不同的滤波器频率响 应所提出的放大算法或功能是基于传统的多速率(multi-rate) 2D信号处理的重整尺寸 (resizing)算法的扩展，其在频域中在信号保留方面是最优的结果，只要几何形状检测准 确，则在本公开的放大算法或功能的质量方面的性能将比单独基于标准的多速率信号处理 的之前算法更好以下，将描述基于多速率信号处理理论的常规的缩放算法或者功能，然后将描述一种采用了基于根据本公开的多速率信号处理原理的、增强的放大算法或功能的系统和方 法在基于多速率信号处理的图像缩放中，通过移除图像中的像素或者向图像中插入 像素来实现图像的尺寸改变结果，在重整尺寸的处理期间，不可避免地丢失信息缩放算 法或功能设计的原理是尽可能多地保留图像信号并且避免引入不属于原始图像的额外的 信号在频域中比在空间域中工作更便利在频域中，该原理是保留原始图像的频率分量， 并且避免引入额外的频率分量。

该原理是涉及信号的采样速率改变的多速率信号处理理论 的基础更具体地，通常的图像缩放器遵循图1中图示的三个步骤上采样(upsample)、滤 波以及下采样(downsample)对于不同的缩放比率，工作流程可能有些许改变例如，如果 缩放是放大，则三步骤处理减少到仅仅包含上采样和滤波的两步骤处理如果缩放是分数 缩放(fractional scale)，则必须出现上采样和下采样这两者在本公开中，上采样意味着 将具有零亮度(intensity)的像素插入到图像中以生成具有更大尺寸的图像(在图1中图 示了一维的示例)，而下采样意味着丢弃图像中的像素以生成具有更小尺寸的图像使用滤 波来避免由重新采样导致的混迭伪像，并且理想的低通滤波器理论上是最优的根据多速率信号处理理论，如果缩放比率是N/M，其中N和M是互质的，则理想的低 通滤波器的最优截止频率应是n/max(M，N)Ν/Μ定义了唯一的缩放比率，例如，1/2意味 着按照2进行缩小；2/1比率意味着按照2进行放大图2图示了已经被缩放并且滤波的若干作为结果的图像，其中图2Α是利用最优截 止频率滤波的作为结果的图像，图2Β是利用比最优截止频率低的截止频率滤波的作为结 果的图像，而图2C是利用比最优截止频率高的截止频率滤波的作为结果的图像。

如从图2Β 中可见，如果截止频率小于最优截止频率，则可能例如由于模糊而丢失图像的细节另一方 面，如果缩放滤波器的截止频率大于最优截止频率，则可能看得见混迭伪像在图3中以1D(S卩，一维)图示了沿着标准的缩放系统的处理链的频率响应的改 变可以在频域或者空间域中执行滤波在频域中执行滤波的问题是其高度的计算复杂性 和不能够适配滤波器因此，执行缩放滤波的标准方式是将频域中的理想的低通滤波器变 换为空间滤波器核(kernel)并且应用空间滤波理想的低通滤波器的空间核是同步函数 (sync function)(例如，sin (χ)/χ)由于同步函数具有无限的支持(infinite support), 所以必须应用窗函数以使得滤波器具有有限的尺寸窗函数是在滤波器设计中使用的标准 技术数字滤波器包括FIR滤波器和IIR滤波器前者具有有限的抽头(tap)，后者通常具 有无限的抽头为了在计算机上实施IIR滤波器，需要将无限的滤波器尺寸改变为有限的 滤波器尺寸窗函数将无限滤波器的系数截短并且对其进行加权以变为有限滤波器图4中图示了常规的缩放系统采用的缩放算法或功能初始地，在步骤10中，获 得具有尺寸为MXL的源图像。

在步骤12中，选择原始图像要被缩放到的尺寸，例如，NXP 接着，在步骤14，使M和N彼此互质，并且使L和P彼此互质在步骤16中，利用等于π /max(Μ, N)的截止频率来生成水平滤波器在步骤18 中，在X方向，即，在水平方向执行缩放，并且应用水平滤波器接着，在步骤20中，利用等 于Ji/max(L，P)的截止频率来生成垂直滤波器。