- 如何優(yōu)化標(biāo)清視頻
- 優(yōu)化方案的硬件解決
- 利用陷波濾波器或帶通濾波器分離亮度和色度
- 自適應(yīng)3D梳狀濾波器技術(shù)
隨著大屏幕高清液晶電視和等離子顯示器的普及，數(shù)字電視廣播和高清信號(hào)接口也日益流行。但是，能夠以最高質(zhì)量支持傳統(tǒng)信號(hào)源依然非常必要。3D梳狀視頻解碼器是關(guān)鍵的處理模塊，對(duì)系統(tǒng)整體性能具有舉足輕重的影響。
在最初的開發(fā)階段，電視機(jī)僅支持單色(即黑白)圖像的播放和顯示。隨著技術(shù)的發(fā)展，也支持彩色電視廣播，但仍然需要保持黑白電視顯示設(shè)備的向后兼容性。電視機(jī)需要在可用帶寬范圍內(nèi)容納顏色信息，并如同早期電視那樣的格式繼續(xù)顯示無失真的黑白畫面。
復(fù)合視頻信號(hào)中，顏色信息與可用亮度信息共享同一帶寬。不同幅度和相位的正弦波表示任一傳送圖像的色度內(nèi)容(圖1)。因此，必須將色度與亮度分開，才能正確顯示畫面。
圖1：亮度信息和色度信息共享復(fù)合視頻信號(hào)的同一頻譜。
色度信息置于頻譜的高端，為線路長度的倍數(shù)。顯示方面的難題在于如何正確地提取亮度信息和色度信息，以及如何在未造成顯示偽像的情況下保持全帶寬。
如果沒有發(fā)生亮度-色度分離，載波正循環(huán)或反循環(huán)時(shí)，顏色信息使畫面更亮或更暗。同時(shí)顏色信息也會(huì)錯(cuò)誤地出現(xiàn)在圖像的黑白部分(圖2)。
圖2：無亮度和色度分離的圖像含有大量偽像。
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利用簡單的陷波濾波器或帶通濾波器，將亮度和色度分離，會(huì)造成亮度信號(hào)路徑有色度殘余，而色度信號(hào)路徑有亮度殘余(圖3)。殘余信息會(huì)造成嚴(yán)重的圖像偽像，如“點(diǎn)蠕動(dòng)”(圖4)。色度路徑中殘余的色度信息也會(huì)造成“串色”等偽像(圖5)。
圖3：利用陷波濾波器或帶通濾波器分離亮度和色度。
圖4：電視誤將亮度路徑中的殘余顏色解讀為亮度信息，造成不良的點(diǎn)蠕動(dòng)效果。
圖5：色度路徑中殘余的亮度信號(hào)造成串色偽像。
梳狀濾波器自身的信號(hào)延遲功能造成了相長干擾和相消干擾。梳狀濾波器的頻率響應(yīng)由一系列均勻間隔的尖峰信號(hào)組成，呈梳子形狀。與陷波濾波器和帶通濾波器相比，2D梳狀濾波器可提供更高的視頻解碼器性能(圖6)。
圖6：三行2D梳狀濾波器將采用輸入-輸出一行延遲。
2D梳狀濾波器的工作原理是：如果圖像目標(biāo)行的上下存在類似幾行，色度和亮度就可以更徹底地分離。
在NTSC(美國國家電視系統(tǒng)委員會(huì))制式下，色度正弦波信號(hào)逐行發(fā)生180°變化。任意兩個(gè)連續(xù)行相加，亮度內(nèi)容加倍，色度內(nèi)容抵消。相反，如果減去兩行，亮度內(nèi)容抵消，色度內(nèi)容加倍。例如，對(duì)于全畫面顏色條，每個(gè)活動(dòng)行在視覺上是一樣的。在給定的信號(hào)電平上，每行的亮度內(nèi)容相同。除了相位變化，每行的色度內(nèi)容也相同。
視頻解碼器(如ADI公司的解碼器)采用五行2D梳狀濾波器，能夠?yàn)镹TSC制式和PAL(逐行倒相)制式信號(hào)源提供更好的性能。根據(jù)圖像的復(fù)雜性，梳狀處理器必須確定是否要將當(dāng)前行與下一行或上一行結(jié)合。
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梳狀處理器不能對(duì)某些圖像進(jìn)行任意行組合，此時(shí)可切入當(dāng)前行。自適應(yīng)2D梳狀視頻解碼器能夠提供可接受的性能水平。但是，連續(xù)行不同時(shí)，2D梳狀濾波器不能正常工作，并轉(zhuǎn)向陷波濾波器，將該行區(qū)域的亮度與色度分離。
雖然在未產(chǎn)生圖像偽像或帶寬限制的情況下(這會(huì)轉(zhuǎn)化為低反差圖像)，成功實(shí)現(xiàn)亮度和色度分離非常重要，但是視頻信號(hào)的許多其他方面，如不良時(shí)基或非標(biāo)準(zhǔn)弱射頻信號(hào)也會(huì)帶來很多挑戰(zhàn)。
小型CRT顯示器可接受的偽像或圖像缺陷，對(duì)于新一代等離子顯示器和液晶顯示器而言則無法接受。因?yàn)殡S著分辨率提高、尺寸和顯示器對(duì)比度增大，即使是很小的圖像缺陷也會(huì)很明顯。
自適應(yīng)3D梳狀濾波器技術(shù)
高清(HD)信號(hào)源、數(shù)字接口以及高分辨率顯示器能夠帶來出色的視覺體驗(yàn)。不過，通過頻道切換或輸入，用戶看到的可能是美麗的高清圖像，也可能是傳統(tǒng)的復(fù)合視頻廣播(CVBS)。借助高品質(zhì)自適應(yīng)3D梳狀濾波器技術(shù)，標(biāo)清(SD)復(fù)合視頻圖像的質(zhì)量獲得了顯著改善(圖7)。
圖7：內(nèi)置3D梳狀濾波器的解碼器的典型架構(gòu)。
3D梳狀濾波器類似于2D梳狀濾波器，通過某些行的像素組合來分離亮度和色度。兩者的主要區(qū)別是：2D梳狀濾波器組合圖像連續(xù)行的像素，而3D梳狀濾波器把當(dāng)前行的像素與圖像延時(shí)狀態(tài)下同一行中的像素組合(圖8)。
圖8：自適應(yīng)內(nèi)置3D梳狀濾波器的解碼器的結(jié)果(a)明顯優(yōu)于內(nèi)置2D梳狀濾波器的解碼器(b)。
3D梳狀視頻解碼方案能夠提供出色的視頻畫質(zhì)。這種方法能從根本上消除不良圖像偽像，如點(diǎn)蠕動(dòng)、“掛點(diǎn)”和串色。
此外，歸功于3D梳狀視頻解碼的亮度和色度分離方式，該方法能保持亮度和色度數(shù)據(jù)包的全部帶寬。
全亮度帶寬保留了高頻內(nèi)容，提供的圖像清晰鮮明，從而使用戶能區(qū)分微小的細(xì)節(jié)。全色度帶寬則確保顏色更明亮、更清晰。
2D梳狀視頻解碼主要處理鄰近的活動(dòng)視頻行，對(duì)其進(jìn)行分析，或者既處理又分析，而3D梳狀處理則進(jìn)行幀到幀的視頻像素信息比較(圖9)。它對(duì)當(dāng)前幀的數(shù)據(jù)與存儲(chǔ)器中的上一幀數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。
圖9：NTSC制式的典型幀序列展示了3D梳狀濾波技術(shù)。
如果同時(shí)添加兩個(gè)幀，每個(gè)像素的色度信息抵消，而亮度像素?cái)?shù)據(jù)加倍。同樣，如果前一幀減去當(dāng)前幀，亮度像素?cái)?shù)據(jù)抵消，而色度信息加倍。
盡管3D梳狀濾波處理存在很多優(yōu)勢，但設(shè)計(jì)人員仍必須解決其性能局限性和一些挑戰(zhàn)。3D梳狀濾波器能讓圖像的亮度和色度完美分離，而傳統(tǒng)的2D梳狀濾波器或陷波濾波器達(dá)不到這種效果。
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但是，只有圖像中的像素絕對(duì)靜止時(shí)，才可以實(shí)現(xiàn)亮度和色度的完美分離。反之，如果圖像在移動(dòng)，兩個(gè)連續(xù)幀的像素?cái)?shù)據(jù)也在發(fā)生變化，便無法使用3D梳狀濾波器(圖10)。重要的是，視頻解碼器檢查每一個(gè)像素，并與之前存儲(chǔ)的像素?cái)?shù)據(jù)作比較，以確定是否發(fā)生了移動(dòng)，進(jìn)而決定應(yīng)采用哪種梳狀濾波器。
圖10：對(duì)移動(dòng)圖像進(jìn)行梳狀濾波會(huì)產(chǎn)生明顯的偽像。
由于移動(dòng)檢測比較復(fù)雜，采用的方法必須能分析當(dāng)前和存儲(chǔ)幀的每個(gè)活動(dòng)像素，以便確定使用哪種方法來分離信息。
3D梳狀濾波技術(shù)梳理靜止像素，2D梳狀濾波技術(shù)處理無復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的區(qū)域，而陷波濾波器進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)動(dòng)區(qū)域的處理。3D梳狀解碼器的主要挑戰(zhàn)并非3D梳理過程本身，而是3D梳狀濾波器、2D梳狀濾波器和陷波濾波器之間復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)檢測和自適應(yīng)切換。
當(dāng)梳狀濾波器無法勝任
自適應(yīng)3D梳狀濾波器依賴解碼器來正確檢測圖像移動(dòng)。否則，梳狀濾波器就不能正確處理像素?cái)?shù)據(jù)，造成運(yùn)動(dòng)偽像(圖11)。圖11a中鳥的翅膀向下。圖11b中翅膀已經(jīng)向上舞動(dòng)，而圖11c中翅膀再次向下。這是鳥舞動(dòng)翅膀的正常順序。
圖11：自適應(yīng)3D梳狀濾波器依賴解碼器來正確檢測圖像移動(dòng)。這是鳥舞動(dòng)翅膀的正常順序-向下(a)，向上(b)，再向下(c)。
許多3D梳狀解碼器檢查幀1和幀3，結(jié)果發(fā)現(xiàn)幀1和幀3相同，便誤認(rèn)為沒有產(chǎn)生圖像移動(dòng)。因此決定用3D梳狀解碼器來處理數(shù)據(jù)(圖12)。
圖12：利用3D梳狀解碼器，無效檢測引起明顯的網(wǎng)格偽像(a)。圖像移動(dòng)校正后，無網(wǎng)格偽像生成(b)。
與之相反，配有3D梳狀濾波器的高性能視頻解碼器利用很多幀存儲(chǔ)器來更準(zhǔn)確地檢測所有幀之間的運(yùn)動(dòng)。使用大量的幀很有必要，有助于解碼器準(zhǔn)確判斷何時(shí)何地采用3D梳狀濾波器。
實(shí)現(xiàn)更多的功能
3D梳狀濾波器要正常工作，內(nèi)存緩沖區(qū)需存儲(chǔ)視頻像素?cái)?shù)據(jù)幀以便分析和處理。ADI公司的12位標(biāo)清/高清電視視頻解碼器ADV7802之類解碼器，配有3D梳狀濾波器和圖形數(shù)字轉(zhuǎn)換器，通過處理其它非3D梳狀濾波器任務(wù)，如先進(jìn)的時(shí)序降噪，最大限度地利用內(nèi)存空間。
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通過配備3D梳狀濾波器，ADV7802采用多種技術(shù)將當(dāng)前幀的像素?cái)?shù)據(jù)與之前存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，從而過濾并消除圖像噪聲。
外部存儲(chǔ)器也可以實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的時(shí)基校正?；趲臅r(shí)基校正確保解碼器總是輸出固定時(shí)鐘、固定的每行采樣數(shù)、不變的每幀行數(shù)，以及正確的場序。
雖然電視應(yīng)用通常不需要外部存儲(chǔ)器，但是越來越多的制造商將更多的接收器和電子控制設(shè)備轉(zhuǎn)移到單獨(dú)的遠(yuǎn)程遙控盒中，以盡可能減小顯示面板的厚度。不過這類設(shè)計(jì)也限制了需要直接與電視機(jī)相連的電纜數(shù)，這可能會(huì)造成布線困難(圖13)。
圖13：薄型顯示器面板將接收器和電子控制設(shè)備轉(zhuǎn)移到獨(dú)立單元。
遠(yuǎn)程遙控盒通過HDMI(高清多媒體接口)或類似鏈接接入顯示器。當(dāng)該鏈接工作時(shí)，電視需要穩(wěn)定的像素和時(shí)鐘數(shù)據(jù)。由于時(shí)基校正允許視頻解碼器和鏈路的發(fā)射器件直接連接，因此解碼器甚至能為非標(biāo)準(zhǔn)輸入設(shè)備提供可靠的時(shí)序和像素?cái)?shù)據(jù)。
除了亮度和色度分離，復(fù)合視頻處理的很多其他方面也直接影響畫面質(zhì)量。ADC輸入端的性能對(duì)顯示器接收的整體視頻質(zhì)量起著決定性的作用。
專業(yè)品質(zhì)的視頻解碼器(如ADV7802)利用12位ADC實(shí)現(xiàn)了優(yōu)于62dB的信噪比。值得注意的是，對(duì)于注重性能的應(yīng)用，差分相移和增益可分別超過0.45°和0.45%。成本敏感應(yīng)用則可以采用配置9位ADC的視頻解碼器，如ADI公司的ADV7180。
解碼器還必須能夠處理非標(biāo)準(zhǔn)和微弱的廣播信號(hào)源。電視用戶和制造商仍舊高度重視這些要求。剛購買新型高端大屏幕等離子或液晶電視的消費(fèi)者可能還會(huì)將其連接到使用了12年的錄像機(jī)和模擬射頻電纜系統(tǒng)上。
以往消費(fèi)者將錄像機(jī)與舊顯像管電視機(jī)連接，如今他們期待高清電視能帶來至少與舊顯像管電視機(jī)一樣好的性能水平。也就是說，錄像機(jī)的視頻應(yīng)該穩(wěn)定，即使在“特技”模式下(即暫停、快進(jìn)，或后退時(shí))也能繼續(xù)保持鎖定。
微弱的射頻信號(hào)也應(yīng)該與顏色鎖定保持同步，即使輸入信號(hào)降至25dBμV以下。要解決低電平射頻信號(hào)和視頻信號(hào)與舊的非標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)帶來的問題，解碼器設(shè)計(jì)者面臨諸多挑戰(zhàn)。
確定解碼器的質(zhì)量水平基準(zhǔn)時(shí)，采用何種算法需要慎重考慮。許多制造商都紛紛推銷自己能夠成功地處理這些信號(hào)源。例如ADI公司的視頻解碼器集成了同步檢測和提取、重采樣和先進(jìn)的后端FIFO管理等技術(shù)。
諸如ADV7802中的智能濾波算法則采用鎖相回路(PLL)模塊，以及水平同步(HSYNC)和垂直同步(VSYNC)處理器模塊，確保正確提取同步信息。該濾波器確保解碼器能夠識(shí)別其查找同步信息的時(shí)期。同步鎖相回路模塊和處理器模塊則確保所檢測的同步信息正確排列。
