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3D梳状视频解码器应对标清视频优化挑战
作者:Frank Kearney
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数字电视/智能电视, 机顶盒, 广告播放机...
随着大屏幕高清液晶电视和等离子显示器的普及,数字电视广播和高清信号接口也日益流行。

但是,能够以最高质量支持传统信号源依然非常必要。3D梳状视频解码器是关键的处理模块,对系统整体性能具有举足轻重的影响。

电视在最早开发阶段,仅支持单色(即黑白)图像的播放和显示。随着技术的发展,也支持彩色电视广播,但仍然需要保持黑白电视显示设备的向后兼容性。

电视需要容纳可用带宽范围内的颜色信息,并如同早期电视那样的格式继续显示无失真的黑白画面。

复合视频信号中,颜色信息与可用亮度信息共享同一带宽。不同幅度和相位的正弦波表示任一传送图像的色度内容(图1)。因此,必须将色度与亮度分开,才能正确显示画面。

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图1:亮度信息和色度信息共享复合视频信号的同一频谱

色度信息置于频谱的高端,为线路长度的倍数。显示方面的难题在于如何正确地提取亮度信息和色度信息,以及如何在未造成显示伪像的情况下保持全带宽。

如果没有发生亮度-色度分离,载波正循环或反循环时,颜色信息使画面更亮或更暗。同时颜色信息也会错误地出现在图像的黑白部分(图2)。

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图2. 无亮度和色度分离的图像含有大量伪像

利用简单的陷波滤波器或带通滤波器,将亮度和色度分离,会造成亮度信号路径有色度残余,而色度信号路径有亮度残余(图3)。残余信息会造成严重的图像伪像,如“点蠕动”(图4)。色度路径中残余的色度信息也会造成串色等伪像(图5)。

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图3. 利用陷波滤波器或带通滤波器分离亮度和色度

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图4. 电视误将亮度路径中的残余颜色解读为亮度信息,造成不良的点蠕动效果

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图5. 色度路径中残余的亮度信号造成串色伪像

梳状滤波器自身的信号延迟功能造成了相长干扰和相消干扰。 梳状滤波器的频率响应由一系列均匀的尖峰信号组成,呈梳子形状。与陷波滤波器和带通滤波器相比,2D梳状滤波器可提供更高的视频解码器性能(图6)。

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图6. 三行2D梳状滤波器将采用输入-输出一行延迟

2D梳状滤波器的工作原理:如果图像目标行的上下存在类似几行,色度和亮度就可以更彻底分离。

NTSC(美国国家电视系统委员会)制式下,色度正弦波信号逐行发生180°变化。任意两个连续行相加,亮度内容加倍,色度内容抵消。

相反,如果减去两行,亮度内容抵消,色度内容加倍。例如,对于全画面颜色条,每个活动行看起来一样。在给定的信号电平,每行的亮度内容相同。除了相位变化,每行的色度内容也相同。

视频解码器(如ADI公司的解码器)采用五行2D梳状滤波器, 能够为NTSC制式和PAL(逐行倒相)制式信号源提供更好的性能。根据图像的复杂性,梳状处理器必须确定是否要结合当前行与下一行或上一行。

梳状处理器不能对某些图像进行任意行组合,此时可切入当前行。自适应2D梳状视频解码器能够提供可接受的性能水平。但是,连续行不同时,2D梳状滤波器不能正常工作,并转向陷波滤波器,将该行区域的亮度与色度分离。

虽然在未产生图像伪像或带宽限制的情况下(这会转化为低反差图像),成功实现亮度和色度分离非常重要,但是视频信号的许多其他方面,如不良时基或非标准弱射频信号也会带来很多挑战。

小型CRT显示器可接受的伪像或图像缺陷,对于新一代等离子显示器和液晶显示器而言则不能接受。因为随着分辨率提高、尺寸和显示器对比度增大,即使是小图像缺陷也会很明显。

自适应3D梳状滤波器技术

高清(HD)信号源、数字接口以及高分辨率显示器,能够带来出色的视觉体验。然而,通过频道切换或输入,用户可能看到的是美丽的高清图像,也可能是传统的复合视频广播(CVBS)。

借助高品质自适应3D梳状滤波器技术,标清(SD)复合视频图像的质量获得了显着改善(图7)。

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图7. 内置3D梳状滤波器的解码器的典型架构,补充了前一代2D梳状滤波器解码器时空功能,增加了时序识别

3D梳状滤波器类似于2D梳状滤波器,通过某些行的像素组合来分离亮度和色度。两者的主要区别是:2D梳状滤波器组合图像连续行的像素,而3D梳状滤波器把当前行的像素与图像延时状态下同一行中的像素组合(图8)。

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图8 自适应内置3D梳状滤波器的解码器的结果(a)明显优于内置2D梳状滤波器的解码器(b)。

3D梳状视频解码方案能够提供出众的视频画质。这种方法能切实消除不良图像伪像,如点蠕动、“挂点”和串色。

此外,由于3D梳状视频解码的亮度和色度分离方式,此方法能保持亮度和色度数据包的全部带宽。

全部亮度带宽保持高频内容,提供的图像清晰鲜明,用户能区分微小的细节。全色度带宽则确保颜色更明亮、更清晰。

2D梳状视频解码主要处理邻近的活动视频行,或进行分析,或既处理又分析,而3D梳状处理则进行帧到帧的视频像素信息比较(图9)。它对当前帧的数据与存储器中的上一帧数据进行比较。

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图9. NTSC制式的典型帧序列展示了3D梳状滤波技术

如果同时添加两个帧,每个像素的色度信息抵消,而亮度像素数据加倍。同样,如果前一帧减去当前帧,亮度像素数据抵消,而色度信息加倍。

尽管3D梳状滤波处理存在很多优势,设计人员仍必须解决其性能局限性和一些挑战。3D梳状滤波器能让图像的亮度和色度完美分离,相反,传统的2D梳状滤波器或陷波滤波器达不到这种效果。

然而,只有图像中的像素绝对静止时,才可以实现亮度和色度的完美分离。反之,如果图像在移动,两个连续帧的像素数据也在发生变化,便无法使用3D梳状滤波器(图10)。重要的是,视频解码器检查每一个像素,并与之前存储的像素数据相比较,以确定是否发生了移动,进而应采用哪种梳状滤波器。

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图10:对移动图像进行梳状滤波会产生明显的伪像

由于移动检测比较复杂,采用的方法必须能分析当前和存储帧的每个活动像素,以便确定使用哪种方法来分离信息。

3D梳状滤波技术梳理静止像素,2D梳状滤波技术处理无复杂运动区域,而陷波滤波器进行复杂运动区域的处理。3D梳状解码器的主要挑战并非其过程本身,而是3D梳状滤波器、2D梳状滤波器和陷波滤波器之间复杂的运动检测和自适应切换。

若梳状滤波器无法胜任

自适应3D梳状滤波器依赖解码器来正确检测图像移动。否则,梳状滤波器就不能正确处理像素数据,造成运动伪像(图11)。图11a中鸟的翅膀向下。图11b中翅膀已经向上舞动,而图11c中翅膀再次向下。这是鸟舞动翅膀的正常顺序。

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图11. 自适应3D梳状滤波器依赖解码器来正确检测图像移动。这是鸟舞动翅膀的正常顺序-向下(a),向上(b),再向下(c)。

不少3D梳状解码器用来检查帧1和帧3,结果发现帧1和帧3相同,便误认为没有产生图像移动。因此,决定用3D梳状解码器来处理数据(图12)。

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图12. 利用3D梳状解码器,无效检测引起明显的网格伪像(a)。图像移动校正后,无网格伪像生成(b)。

而配有3D梳状滤波器的高性能视频解码器,利用很多帧存储器更准确地检测所有帧之间的运动。使用大量的帧很有必要,有助于解码器准确判断应用3D梳状滤波器的时间和位置。

功能最大化

3D梳状滤波器要正常工作,内存缓冲区需存储视频像素数据帧以便分析和处理。ADI公司的12位标清/高清电视视频解码器ADV7802之类解码器,配有3D梳状滤波器和图形数字转换器,通过处理其它非3D梳状滤波器任务,如先进的时序降噪,最大限度地利用内存空间。

由于配有3D梳状滤波器,ADV7802采用多种技术,将当前帧的像素数据与之前存储的数据进行比较,从而过滤并消除图像噪声。

外部存储器也可以实现先进的时基校正。基于帧的时基校正确保解码器总是输出固定时钟、固定的每行采样数、不变的每帧行数,以及正确的场序。

虽然电视应用通常不需要外部存储器,但是越来越多的制造商将更多的接收器和电子控制设备转移到单独的远程遥控盒中,尽量缩小显示面板的厚度。不过这类设计也限制了直接与电视机接口的电缆数,可能难以布线(图13)。

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图13. 薄型显示器面板将接收器和电子控制设备转移到独立单元

远程遥控盒通过高清多媒体接口(HDMI)或类似链路接入显示器。该类部件工作时,电视需要稳定的像素和时钟数据。由于时基校正允许视频解码器和链路的发射器件直接连接,因此解码器甚至能为非标准输入设备提供可靠的时序数据和像素数据。

除了亮度和色度分离,复合视频处理的很多其他方面也直接影响画面质量。ADC输入端的性能对显示器接收的整体画面质量起着决定性的作用。

专业品质的视频解码器,如ADV7802,使用12位ADC,信噪比(信号与噪声比)优于62 dB。值得注意的是,对于注重性能的应用,差分相移可超过0.45°,增益大于0.45%。成本敏感应用可采用配置9位ADC的视频解码器,如A DI公司的ADV7180。

解码器还必须能够处理非标准和微弱的广播信号源。电视用户和制造商仍旧高度重视这些要求。刚购买新型高端大屏幕等离子或液晶电视的消费者可能还会将其连接到已使用12年的录像机和模拟射频电缆系统。

以往消费者将录像机与旧显像管电视机连接,如今他们期待高清电视能带来至少与旧显像管电视机一样好的性能水平。也就是说,录像机视频应该稳定,即使在“特技”模式,即暂停、快进,或后退时,能继续保持锁定。

微弱的射频信号也应该与颜色锁定保持同步,即使输入信号降至25dBμV以下。要解决低电平射频信号和视频信号与旧的非标准系统带来的问题,解码器的设计者面临诸多挑战。

确定解码器的质量水平基准时,采用何种算法需要慎重考虑。许多制造商都纷纷推销自己能够成功地处理这些信号源。例如ADI公司的视频解码器集成了同步检测和提取、重采样和先进的后端FIFO管理等技术。

诸如ADV7802中的智能滤波算法则采用锁相回路(PLL)模块,以及水平同步(HSYNC)和垂直同步(VSYNC)处理器模块,确保正确提取同步信息。

该滤波器确保解码器能够识别其查找同步信息的时期。同步锁相回路模块和处理器模块则确保所检测的同步信息正确对准。

作者简介

Frank Kearney是ADI公司高级电视技术部门的应用工程师。他以优异的成绩获得爱尔兰利默里克工程学院电子通信学位。Kearney过去七年来一直致力于客户应用工作,涉及高性能视频编码器、视频解码器、视频DAC、视频编码解码器以及近来的硅电视调谐器。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (11/29/2011)
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