Brevet FR2595891A1 — publié le 19870918

PROCEDE DE RENFORCEMENT DES CONTOURS DE SIGNAUX NUMERIQUES ET DISPOSITIF DE TRAITEMENT POUR LA MISE EN OEUVRE DUDIT PROCEDE La présente invention concerne un procédé de renforcement des contours de signaux comportant une zone de transition entre des zones d'amplitude faible et d'amplitude élevée et opérant par multiplexage d'échantillons traités pendant la durée de ladite zone de transition et d'échantillons non 05 traités pour les parties de signaux situées hors de ladite zone. L'invention concerne également un dispositif de traitement pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, comprenant des moyens de multiplexage des échan10 tillons du signal d'entrée traités pendant la durée de la zone de transition et des échantillons non traités situés hors de ladite zone. Ces procédé et dispositif sont applicables notamment au renforcement des contours d'images et tout particu15 lièrement au renforcement des contours de chrominance ou de luminance dans le cas d'images de télévision, par exemple lors de la réception de signaux vidéofréquence codés selon un standard MAC, pour améliorer la qualité subjective de l'image. Un procédé et un dispositif de ce type sont dé20 crits sur la figure 8 de l'article "Adaptive Techniken bei der digitalen Videosignalverarbeitung in Farbfernsehempfângern" de M. Jacobsen, paru dans la revue Fernseh- und Kinotechnik, n 6/1983, pages 245-250. Mais il apparaît en fait que ce procédé réalise seulement un redressement du flanc de transition 25 du signal, par interpolation à partir de quelques points de celui-ci. Un but de l'invention est de proposer un procédé de renforcement des contours visant, de façon plus large, à améliorer la qualité subjective du signal par un remplacement 30 de la partie de celui-ci située dans la zone de transition. -2- A cet effet, l'invention concerne un procédé caractérisé en ce qu'il comprend, préalablement audit multiplexage, essentiellement les opérations suivantes: - normalisation du signal d'entrée pendant la du05 rée de la zone de transition, destinée à ramener la valeur du premier point à 0 et celle du dernier point à 1; - traitement de transformation destiné à remplacer la valeur de chaque échantillon de la zone de transition par une autre valeur selon une fonction de transformation dé10 terminée indépendante des valeurs du signal en dehors de la zone de transition et symétrique par rapport au point 1/2. - dénormalisation du signal ainsi transformé pour retrouver la dynamique initiale du signal d'entrée. Ce procédé selon l'invention ne se contente pas 15 de rendre des transitions plus raides, mais offre la possibilité de moduler à volonté l'effet de renforcement des transitions. Dans un mode particulier de sa mise en oeuvre, le procédé selon l'invention est caractérisé en ce que ledit 20 traitement est une transformation polynomiale tendant à remplacer x par un polynôme P(x) lorsque x est inférieur à 1/2 et x par le polynôme l-P(1-x) lorsque x est compris entre 1/2 et 1 ou égal à l'une de ces deux valeurs. Un autre but de l'invention est de proposer un 25 dispositif avantageux de mise en oeuvre de ce procédé. L'invention concerne à cet effet un dispositif de traitement caractérisé en ce que lesdits moyens de multiplexage sont précédés d'une première voie de transfert des échantillons d'entrée non traités et, en parallèle sur celle-ci, 30 d'une deuxième voie de transfert des échantillons d'entrée traités, ladite deuxième voie de transfert comprenant elle- même: (1) un circuit de calcul du signe de la dérivée du signal d'entrée, composé: (a) d'un premier circuit à retard retardant le -3 signal d'entrée d'une période d'échantillonnage T; (b) d'un premier soustracteur recevant d'une part la sortie Xn-1 du premier circuit à retard sur son entrée positive et d'autre part directement l'échantillon d'entrée Xn 05 sur son entrée négative; (c) d'un circuit logique de commande recevant la sortie dudit soustracteur et délivrant des créneaux correspondant aux transitions du signal d'entrée et d'amplitude opposée selon que le signe de xnl-xn est positif ou négatif; 10 (2) un circuit de normalisation composé: (d) d'une part, d'une première mémoire "1 point", qui stocke la valeur du premier point de la zone de transition, et d'un deuxième soustracteur retranchant cette valeur de celle de tous les échantillons suivants, qui arrive direc15 tement sur l'autre entrée de ce soustracteur; (e) d'autre part, en sortie de ce deuxième soustracteur, d'une deuxième mémoire "1 point" stockant la valeur du dernier point de la zone de transition, d'un circuit d'inversion de ladite valeur, d'un premier multiplieur de cette 20 valeur inverse par chacune des valeurs de sortie du deuxième soustracteur transmises à l'autre entrée dudit multiplieur par l'intermédiaire d'un deuxième circuit à retard; (3) un circuit de transformation de chaque valeur de sortie x du premier multiplieur par un polynôme P(x) ou une 25 fonction F(x) si x n'est pas supérieur à 1/2, ou par un polynôme 1 P(l-x) ou une fonction 1 - F(1-x) si x est supérieur à 1/2; (4) un circuit de dénormalisation composé: (f) d'une part, d'un deuxième multiplieur rece30 vant la sortie du circuit de transformation et celle d'un premier registre de stockage de la valeur précédemment stockée dans la deuxième mémoire "1 point"; (g) d'autre part, d'un additionneur de la sortie dudit deuxième multiplieur et de la sortie d'un deuxième re35 gistre de stockage de la valeur précédemment stockée dans la première mémoire "1 point"; -4 la sortie dudit additionneur constituant la sortie de la deuxième voie de transfert, et le circuit logique de commande délivrant les différents ordres de lecture ou d'écriture des mémoires ou registres du dispositif. Les particularités et avantages de l'invention apparaîtront maintenant de façon plus précise dans la description qui suit et dans les dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs et dans lesquels: - les figures la, lb, lc montrent respectivement 10 un exemple de signal d'origine à traiter, la courbe correspondante -en créneaux- donnant le signe de la dérivée dudit signal d'origine, et cette même courbe du signe de la dérivée mais avec une limitation du premier créneau qui, trop long, a été divisé en deux créneaux plus courts; - la figure 2 montre un exemple de réalisation de dispositif de traitement pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention; - les figures 3a à 3c montrent trois exemples de renforcement de contours obtenus par des transformations poly20 nomiales faisant appel à des polynômes respectivement du type en x2, en 2P-1 xP, et en ax3 + bx. On supposera tout d'abord, dans le cas présent, que l'objet du traitement à effectuer est une image se présentant sous la forme d'un tableau dont les lignes représentent les 25 échantillons dans la direction horizontale et les colonnes les échantillons dans la direction verticale, le renforcement de contour étant effectué dans l'une de ces deux directions. On supposera aussi que le signal d'entrée est échantillonné avec une fréquence d'échantillonnage suffisamment importante devant 30 sa bande passante, afin que les transitions du signal se fassent sur un nombre de points suffisant (au moins 4 ou 5 par exemple). Le procédé de renforcement de contour selon l'invention est alors le suivant. On calcule dans un premier temps le 35 signe de la dérivée du signal, à partir de la différence entre -5 deux échantillons successifs (xnl, xn), ce signe étant exprimé par 1, O, ou -1 selon que ladite différence Xn - Xn-1 est positive, nulle ou négative. Pour un signal d'origine tel que celui représenté sur la figure la, le signe de la dérivée 05 est donné par la courbe de la figure lb. Dans un deuxième temps, on impose aux signaux en créneaux ainsi obtenus une limitation supérieure pour éviter de redresser brutalement des zones comportant des transitions douces sur un grand nombre de points, par exemple des zones o s'effectue un passage 10 progressif de l'ombre à la lumière. C'est ce morcellement en deux créneaux plus brefs qui est réalisé sur la partie gauche de la figure lc. Dans un troisième temps, on effectue une opération dite de normalisation des transitions, destinée à ramener la valeur du premier point à O et celle-du dernier 15 point à 1. Dans un quatrième temps, qui constitue l'étape essentielle du procédé selon l'invention, on opère une transformation polynomiale, les polynômes utilisables pouvant être très variés pour s'adapter au cas à traiter, ou même une transfor20 mation utilisant d'autres fonctions telles que des exponentielles, des Arctangentes, etc... Enfin, après une telle transformation, on effectue une opération de dénormalisation, inverse de l'opération de normalisation précédente, pour retrouver la dynamique initiale, puis on assure le multiplexage 25 des échantillons traités pendant la période de transition du signal et de ceux, non traités, qui sont situés avant ou après cette période, afin de retrouver un signal complet. On décrira maintenant une application particulière de ce procédé au renforcement des contours ou transitions en cou30 leurs d'un signal de télévision codé selon le standard D2MAC-paquets. Cette description est effectué en liaison avec la figure 2 montrant un mode de réalisation d'un dispositif de mise en oeuvre du procédé dans le cas de cette application. On précisera préalablement que le traitement est appliqué dans la 35 direction horizontale, c'est-à-dire suivant les lignes de -6- balayage du système d'analyse des images, avec, dans l'exemple décrit, une fréquence d'échantillonnage des signaux de différence de couleur de 13,5 mégahertz et une bande passante de ces signaux d'environ le cinquième de cette valeur. Ces carac05 téristiques ont conduit à une segmentation en n segments des transitions comportant un nombre de points supérieur à n x 10. Le dispositif de la figure 2 comprend tout d'abord un circuit (10, 20, 30) de calcul du signe de la dérivée du signal d'entrée, composé d'un premier circuit à retard 10, d'un 10 premier soustracteur 20 et d'un circuit logique de commande 30. Le circuit à retard 10 retarde ledit signal d'entrée d'une période d'échantillonnage T, et le soustracteur 20 reçoit d'une part la sortie xnl du circuit à retard 10 et d'autre part directement le signal d'entrée xn. Le circuit logique de 15 commande 30, qui reçoit la sortie du soustracteur 20, génère alors des créneaux correspondant aux transitions du signal d'entrée et d'amplitude +1 ou -1 selon que le signe de xn_1-xn est positif ou négatif. Simultanément, le circuit 30 segmente ceux de ces créneaux qui ont une durée supérieure à un autre 20 seuil fixé à dix périodes d'échantillonnage, cette segmentation étant opérée en autant de segments que nécessaire pour qu'aucun ne dépasse le seuil fixé. Enfin, ce circuit 30 génère les différents ordres de lecture ou d'écriture des mémoires ou registres utilisés dans l'ensemble du dispositif. Ce dispositif comprend ensuite un circuit (50, 60, 70, , 90, 100) de normalisation. Ce circuit de normalisation comprend lui-même une première mémoire "1 point" 50, qui stocke la valeur du premier point de la transition, et un deuxième soustracteur 60, qui retranche cette valeur de celle de 30 tous les échantillons suivants. Le circuit de normalisation comprend également, en sortie du soustracteur 60, une deuxième mémoire "1 point" 70 qui stocke la valeur du dernier point de la transition, une mémoire morte 80, qui fournit l'inverse de cette valeur stockée, et un premier multiplieur 90 de cette 35 valeur inverse par chacune des valeurs de sortie du soustracteur 60 transmises à l'autre entrée du multiplieur par -7 l'intermédiaire d'un deuxième circuit à retard 100 jouant un rôle de compensation de temps de transit. Le signal normalisé, d'abord par action des éléments 50 et 60 puis par action des éléments 70 à 100, est disponible en sortie du multiplieur 90. 05 A ce signal normalisé, c'est-àdire maintenant compris entre 0 et 1, est alors appliquée une transformation polynomiale centrée sur le point d'amplitude 1/2. Dans l'exemple de réalisation ici décrit, le dispositif selon l'invention comprend une mémoire morte 110 de type PROM (de l'anglais Pro10 grammable Read-Only Memory), dont la programmation est réalisée à volonté, selon le cas particulier de renforcement de contour que l'on veut effectuer. Les figures 3a à 3c montrent trois exemples distincts de renforcement de contours, obtenus par application de trois types particuliers de transformations 15 polynomiales (le contour d'origine est représenté en trait interrompu et le contour renforcé en trait continu): (a) cas d'un polynôme en x2 (figure 3a): chaque valeur x est remplacée par x2 si x est nul ou compris entre 0 et 1/2, et par 1-(l-x)2 si x est compris entre 1/2 et 1 ou égal à 20 l'une de ces deux limites; (b) cas d'un polynôme en 2PlxP (figure 3b): chaque valeur x est de façon similaire remplacée par 2PlxP ou par 1-2P-l(1-x)P selon la valeur de x; (c) cas d'un polynôme en ax3 + bx (figure 3c): chaque 25 valeur de x est, de même, remplacée par ax3 + bx ou par 1-(a(l-x)3 + b(1-x)) selon la valeur de x, avec des coefficients a et b qui ont par exemple été choisis égaux à a = 4/(1-12x2) et b = -3x2, o xo est un coefficient dont la o valeur détermine la plus ou moins grande importance du ren30 forcement du contour. Le dispositif selon l'invention comprend enfin, en sortie de la mémoire 110, un circuit de dénormalisation (120, 130, 140, 150), qui permet de retrouver la dynamique initiale du signal. Ce circuit de dénormalisation comprend à cet effet -- 8 -un multiplieur 120 de la sortie de la mémoire 110 par celle d'un premier registre 130 qui avait conservé en mémoire, en vue de cette multiplication, la valeur du dernier point de la transition utilisée par la deuxième mémoire "1 point" 70 pour 05 l'opération de normalisation, puis un additionneur 140 de la sortie du multiplieur 120 et de celle d'un deuxième registre 150 ayant conservé en mémoire la valeur du premier point de la transition (valeur qui avait été initialement stockée dans la première mémoire "1 point" 50). La sortie de l'additionneur 10 140, qui délivre le signal dénormalisé, est envoyée vers un multiplexeur 160 qui reçoit par ailleurs la sortie d'un troisième circuit à retard 170 recevant et stockant les échantillons d'entrée et ayant, comme le circuit 100, un rôle de compensation de temps de transit. Ce multiplexeur 160 assure le 15 multiplexage des points non traités, situés avant et après la transition traitée, et qui lui sont transmis par la voie de transfert 1, et des points traités à l'aide des éléments 10 à 150, qui lui sont transmis par la voie de transfert en parallèle 2. La sortie du multiplexeur 160 délivre donc le signal à 20 contours renforcés par rapport au signal d'entrée. Bien entendu, des connexions de commande relient le circuit logique de commande à la première mémoire "1 point" , à la deuxième mémoire "1 point" 70, au troisième circuit à retard 100, au registre 130, au registre 150, et au multiple25 xeur 160, pour la bonne synchronisation des différentes opérations. L'invention qui vient d'être décrite n'est, manifestement, pas limitée au mode de réalisation expressément décrit et représenté, à partir duquel des variantes peuvent être 30 proposées sans pour cela sortir du cadre de l'invention. Par exemple, les possibilités du circuit logique de commande 30 peuvent être élargies: on peut notamment demander à ce circuit d'éliminer du signal de commande de la transformation polynomiale les brefs créneaux successifs d'amplitude opposée 35 (un exemple en est représenté sur la partie droite de la -9 figure lb) qui correspondent à des transitions brutales ellesmêmes dues à du bruit (la figure le ne comprend effectivement plus ces créneaux). Par ailleurs il est manifeste que l'invention est 05 applicable de façon tout à fait générale pour l'amélioration de la qualité subjective de toute image ou représentation au moins bidimensionnelle, c'est-à-dire non seulement dans le domaine de la télévision mais aussi en imagerie médicale ou infrarouge par exemple. Enfin, la transformation polynomiale décrite comme une opération essentielle du traitement selon l'invention n'est pas le seul type de transformation possible, d'autres modes de transformation à base de logarithmes, d'exponentielles, de fonctions trigonométriques, etc..., pouvant bien 15 entendu être envisagés tout en respectant la symétrie par rapport au point 1/2. - 10 REVENDICATIONS: 1. Procédé de renforcement des contours de signaux comportant une zone de transition entre des zones d'amplitude faible et d'amplitude élevée et opérant par multiplexage 05 d'échantillons traités pendant la durée de ladite zone de transition et d'échantillons non traités pour les parties de signaux situées hors de ladite zone, caractérisé en ce qu'il comprend, préalablement audit multiplexage, essentiellement les opérations suivantes: - normalisation du signal d'entrée pendant la - durée de la zone de transition, destinée à ramener la valeur du premier point à O et celle du dernier point A 1; - traitement de transformation destiné à remplacer la valeur de chaque échantillon de la zone de transition 15 par une autre valeur selon une fonction de transformation déterminée indépendante des valeurs du signal en dehors de la zone de transition et symétrique par rapport au point 1/2; - dénormalisation du signal ainsi transformé pour retrouver la dynamique initiale du signal d'entrée. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit traitement est une transformation polynomiale tendant à remplacer x par un polynôme P(x) lorsque x est inférieur à 1/2 et x par le polynôme l-P(1-x) lorsque x est compris entre 1/2 et 1 ou égal à l'une de ces deux valeurs. 3. Dispositif de traitement pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, comprenant des moyens de multiplexage des échantillons du signal d'entrée traités pendant la durée de la zone de transition et des échantillons non traités situés hors de ladite zone, caractérisé en ce queles30 dits moyens de multiplexage sont précédés d'une première voie de transfert des échantillons d'entrée non traités et, en parallèle sur celle-ci, d'une deuxième voie de transfert des échantillons d'entrée traités, ladite deuxième voie de transfert comprenant elle-même: (1) un circuit de calcul du signe de la dérivée du - 11 signal d'entrée, composé: (a) d'un premier circuit à retard retardant le signal d'entrée d'une période d'échantillonnage T; (b) d'un premier soustracteur recevant d'une part 05 la sortie Xn_1 du premier circuit à retard sur son entrée positive et d'autre part directement l'échantillon d'entrée xn sur son entrée négative; (c) d'un circuit logique de commande recevant la sortie dudit soustracteur et délivrant des créneaux corresponlO dant aux transitions du signal d'entrée et d'amplitude opposée selon que le signe de Xnl-xn est positif ou négatif; (2) un circuit de normalisation composé: (d) d'une part, d'une première mémoire "l point", qui stocke la valeur du premier point de la zone de transi15 tion, et d'un deuxième soustracteur retranchant cette valeur de celle de tous les échantillons suivants, qui arrive directement sur l'autre entrée de ce soustracteur; (e) d'autre part, en sortie de ce deuxième soustracteur, d'une deuxième mémoire "1 point" stockant la valeur 20 du dernier point de la zone de transition, d'un cricuit d'inversion de ladite valeur, d'un premier multiplieur de cette valeur inverse par chacune des valeurs de sortie du deuxième soustracteur transmises à l'autre entrée dudit multiplieur par l'intermédiaire d'un deuxième circuit à retard; (3) un circuit de transformation de chaque valeur de sortie x du premier multiplieur par un polynôme P(x) ou une fonction F(x) si x n'est pas supérieur à 1/2, ou par un polynôme 1 - P(l1-x) ou une fonction l-F(1-x) si x est supérieur à 1/2; (4) un circuit de dénormalisation composé (f) d'une part, d'un deuxième multiplieur recevant la sortie du circuit de transformation et celle d'un premier registre de stockage de la valeur précédemment stockée dans la deuxième mémoire "1 point" (g) d'autre part, d'un additionneur de la sortie dudit deuxième multiplieur et de la sortie d'un deuxième - 12 registre de stockage de la valeur précédemment stockée dans la première mémoire "1 point"; la sortie dudit additionneur constituant la sortie de la deuxième voie de transfert, et le circuit logique de commande t 05 délivrant les différents ordres de lecture ou d'écriture des mémoires ou registres du dispositif.