- 如何優(yōu)化標清視頻
- 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3D梳狀濾波器技術
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接口也日益流行。但是，能夠以最高質量支持傳統(tǒng)信號源依然非常必要。3D梳狀視頻解碼器是關鍵的處理模塊，對系統(tǒng)整體性能具有舉足輕重的影響。
在最初的開發(fā)階段，電視機僅支持單色(即黑白)圖像的播放和顯示。隨著技術的發(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備的向后兼容性。電視機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。
復合視頻信號中，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合視頻信號的同一頻譜。
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，顏色信息使畫面更亮或更暗。同時顏色信息也會錯誤地出現(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，會造成亮度信號路徑有色度殘余，而色度信號路徑有亮度殘余(圖3)。殘余信息會造成嚴重的圖像偽像，如“點蠕動”(圖4)。色度路徑中殘余的色度信息也會造成“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，造成不良的點蠕動效果。
圖5：色度路徑中殘余的亮度信號造成串色偽像。
梳狀濾波器自身的信號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由一系列均勻間隔的尖峰信號組成，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)制式下，色度正弦波信號逐行發(fā)生180°變化。任意兩個連續(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，對于全畫面顏色條，每個活動行在視覺上是一樣的。在給定的信號電平上，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，能夠為NTSC制式和PAL(逐行倒相)制式信號源提供更好的性能。根據(jù)圖像的復雜性，梳狀處理器必須確定是否要將當前行與下一行或上一行結合。
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梳狀處理器不能對某些圖像進行任意行組合，此時可切入當前行。自適應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，2D梳狀濾波器不能正常工作，并轉向陷波濾波器，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(這會轉化為低反差圖像)，成功實現(xiàn)亮度和色度分離非常重要，但是視頻信號的許多其他方面，如不良時基或非標準弱射頻信號也會帶來很多挑戰(zhàn)。
小型CRT顯示器可接受的偽像或圖像缺陷，對于新一代等離子顯示器和液晶顯示器而言則無法接受。因為隨著分辨率提高、尺寸和顯示器對比度增大，即使是很小的圖像缺陷也會很明顯。
自適應3D梳狀濾波器技術
高清(HD)信號源、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。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)的復合視頻廣播(CVBS)。借助高品質自適應3D梳狀濾波器技術，標清(SD)復合視頻圖像的質量獲得了顯著改善(圖7)。
圖7：內(nèi)置3D梳狀濾波器的解碼器的典型架構。
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梳狀濾波器把當前行的像素與圖像延時狀態(tài)下同一行中的像素組合(圖8)。
圖8：自適應內(nèi)置3D梳狀濾波器的解碼器的結果(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。這種方法能從根本上消除不良圖像偽像，如點蠕動、“掛點”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視頻行，對其進行分析，或者既處理又分析，而3D梳狀處理則進行幀到幀的視頻像素信息比較(圖9)。它對當前幀的數(shù)據(jù)與存儲器中的上一幀數(shù)據(jù)進行比較。
圖9：NTSC制式的典型幀序列展示了3D梳狀濾波技術。
如果同時添加兩個幀，每個像素的色度信息抵消，而亮度像素數(shù)據(jù)加倍。同樣，如果前一幀減去當前幀，亮度像素數(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，但設計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不到這種效果。
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但是，只有圖像中的像素絕對靜止時，才可以實現(xiàn)亮度和色度的完美分離。反之，如果圖像在移動，兩個連續(xù)幀的像素數(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像素，并與之前存儲的像素數(shù)據(jù)作比較，以確定是否發(fā)生了移動，進而決定應采用哪種梳狀濾波器。
圖10：對移動圖像進行梳狀濾波會產(chǎn)生明顯的偽像。
由于移動檢測比較復雜，采用的方法必須能分析當前和存儲幀的每個活動像素，以便確定使用哪種方法來分離信息。
3D梳狀濾波技術梳理靜止像素，2D梳狀濾波技術處理無復雜運動的區(qū)域，而陷波濾波器進行復雜運動區(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雜的運動檢測和自適應切換。
當梳狀濾波器無法勝任
自適應3D梳狀濾波器依賴解碼器來正確檢測圖像移動。否則，梳狀濾波器就不能正確處理像素數(shù)據(jù)，造成運動偽像(圖11)。圖11a中鳥的翅膀向下。圖11b中翅膀已經(jīng)向上舞動，而圖11c中翅膀再次向下。這是鳥舞動翅膀的正常順序。
圖11：自適應3D梳狀濾波器依賴解碼器來正確檢測圖像移動。這是鳥舞動翅膀的正常順序-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，結果發(fā)現(xiàn)幀1和幀3相同，便誤認為沒有產(chǎn)生圖像移動。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器來更準確地檢測所有幀之間的運動。使用大量的幀很有必要，有助于解碼器準確判斷何時何地采用3D梳狀濾波器。
實現(xiàn)更多的功能
3D梳狀濾波器要正常工作，內(nèi)存緩沖區(qū)需存儲視頻像素數(shù)據(jù)幀以便分析和處理。ADI公司的12位標清/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)字轉換器，通過處理其它非3D梳狀濾波器任務，如先進的時序降噪，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采用多種技術將當前幀的像素數(shù)據(jù)與之前存儲的數(shù)據(jù)進行比較，從而過濾并消除圖像噪聲。
外部存儲器也可以實現(xiàn)先進的時基校正?；趲臅r基校正確保解碼器總是輸出固定時鐘、固定的每行采樣數(shù)、不變的每幀行數(shù)，以及正確的場序。
雖然電視應用通常不需要外部存儲器，但是越來越多的制造商將更多的接收器和電子控制設備轉移到單獨的遠程遙控盒中，以盡可能減小顯示面板的厚度。不過這類設計也限制了需要直接與電視機相連的電纜數(shù)，這可能會造成布線困難(圖13)。
圖13：薄型顯示器面板將接收器和電子控制設備轉移到獨立單元。
遠程遙控盒通過HDMI(高清多媒體接口)或類似鏈接接入顯示器。當該鏈接工作時，電視需要穩(wěn)定的像素和時鐘數(shù)據(jù)。由于時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準輸入設備提供可靠的時序和像素數(shù)據(jù)。
除了亮度和色度分離，復合視頻處理的很多其他方面也直接影響畫面質量。ADC輸入端的性能對顯示器接收的整體視頻質量起著決定性的作用。
專業(yè)品質的視頻解碼器(如ADV7802)利用12位ADC實現(xiàn)了優(yōu)于62dB的信噪比。值得注意的是，對于注重性能的應用，差分相移和增益可分別超過0.45°和0.45%。成本敏感應用則可以采用配置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準和微弱的廣播信號源。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者可能還會將其連接到使用了12年的錄像機和模擬射頻電纜系統(tǒng)上。
以往消費者將錄像機與舊顯像管電視機連接，如今他們期待高清電視能帶來至少與舊顯像管電視機一樣好的性能水平。也就是說，錄像機的視頻應該穩(wěn)定，即使在“特技”模式下(即暫停、快進，或后退時)也能繼續(xù)保持鎖定。
微弱的射頻信號也應該與顏色鎖定保持同步，即使輸入信號降至25dBμV以下。要解決低電平射頻信號和視頻信號與舊的非標準系統(tǒng)帶來的問題，解碼器設計者面臨諸多挑戰(zhàn)。
確定解碼器的質量水平基準時，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、重采樣和先進的后端FIFO管理等技術。
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別其查找同步信息的時期。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。
