Bildskalierer mit nichtlinearer Kantenanschärfung

Prof. Dr.-Ing. habil. Christian Hentschel

Pixelbasierte Displays mit unterschiedlichen Auflösungen ersetzen zunehmend die traditionelle Bildröhre. Auch die Anzahl der Videoformate steigt stetig, so dass eine qualitativ hochwertige Skalierung zwischen den jeweiligen Eingangs-formaten und dem Displayformat erforderlich ist.
Konventionelle Methoden mit separierbaren Polyphasefiltern und die bikubische Interpolation sind aufwendig in der Realisierung, insbesondere bei hohen Qualitätsansprüchen. Dennoch können diese Methoden die Blockstruktur (Zwiebackmuster an diagonalen Kanten) der originalen Pixel nicht vollständig eliminieren.

Die am Fachgebiet untersuchten Diamantfilter zur Skalierung zeigen trotz einfacher Realisierung eine hohe Qualität. Abb. 1 illustriert das Prinzip anhand einer Skalierung um den Faktor 3. Zunächst werden die originalen Pixelwerte horizontal und vertikal mit dem Skalierungsfaktor vervielfältigt (grün dargestellte Koeffizienten), was als Sample & Hold bekannt ist. Danach erfolgt eine Nachfilterung mit denselben 3x3 Koeffizienten, diesmal jedoch um 45° gedreht (lila dargestellte Koeffizienten). Trotz der einfachen Struktur werden mit den Diamantfiltern diagonale Kanten glatt wiedergegeben. Der Frequenzgang dieser Filter ist bis zur Nyquistgrenze des Eingangssignals annähernd zirkular. Der Amplitudenabfall von etwa 9-11 dB für beliebige Skalierungsfaktoren verursacht eine leichte Unschärfe des erzeugten Ausgangsbildes. Alle Signalfrequenzen des Originalbildes bleiben jedoch entlang der horizontalen und vertikalen Achsen erhalten, was ein großer Vorteil ist.

Die reduzierte Schärfe kann durch lineare Detailverstärkung kompensiert werden. Dabei wird jedoch nicht berücksichtigt, dass ein vergrößertes Bild mehr Details darstellen kann, als im Originalbild überhaupt vorhanden sind. In der Frequenzebene äußert sich dies in einem ungenutzten (leeren) Feld oberhalb der Nyquistgrenze fc , in dem keine Detailanteile (Kanten- und Texturinformation) des Originalsignals vorhanden sind. Ziel der nichtlinearen Kantenanschärfung ist es nun, aus dem Originalsignal höherfrequente Anteile (Harmonische) zu generieren, die diese freiwerdenden Gebiete nutzen können.

Abb. 2 zeigt das Blockschaltbild eines solchen Skalierers für beliebige rationale Faktoren L/M. Im unteren Zweig ist der lineare Diamantskalierer zu erkennen. Im oberen Zweig werden höhere Harmonische des Originalsignals erzeugt und als Detailsignal dem skalierten Bild zugeführt. Ein Hochpassfilter am Eingang sorgt dafür, dass nur Detailsignale des Eingangsbildes berücksichtigt werden.

Abb. 3 zeigt die Spektren des Testbildes „Baboon“ nach der Skalierung um den rationalen Faktor 2,4 für eine einfache Diamantskalierung im Vergleich mit der neu entwickelten zusätzlichen nicht­linearen Kanten­anschärfung. Die lineare Kantenan­schärfung kann lediglich vorhandene Frequenzanteile verstärken, die nicht-lineare Kantenanschärfung darüber hin­aus aus dem Originalbild neue Frequenzanteile generieren (Abb. 3, rechts). Das überragende Ergebnis des Diamantskalierers mit nichtlinearer Kantenanschärfung ist in Abb. 4 an den beiden vergrößerten Baboon-Bildern zu sehen.

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