模擬電視的數(shù)字亮色分離實(shí)現(xiàn)方法

黃振強(qiáng)

[摘要]傳統(tǒng)的模擬電視如果采用模擬電路的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)亮色分離，成本和解碼質(zhì)量都不能令人滿意。主要討論如何用數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)復(fù)合模擬電視信號(hào)(CVBS)的亮色分離。該數(shù)字解碼器可以提供比較好的圖像解碼效果，并可與ADC一起配合，實(shí)現(xiàn)高度集成的SOC芯片。

[關(guān)鍵詞]數(shù)字解碼 色副載波 亮色分離 數(shù)字梳狀濾波器

中圖分類號(hào)：TN4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1671－7597（2009）0420019－02

一、引言

模擬電視信號(hào)可由下式來(lái)描述：

NTSC＝Y(jié)＋U Sin(ωt)+Vcos(ωt)+Timing；（1-1）

PAL＝Y(jié)＋U Sin(ωt)±Vcos(ωt)+Timing；（1-2）

色度信號(hào)通過(guò)色副載波的調(diào)制與亮度信號(hào)疊加，形成CVBS信號(hào)，帶寬約6MHz。在NTSC中，F(xiàn)sc=227.5，fH=3.58MHz。在PAL中，F(xiàn)sc＝283.75，fH=4.43MHz。頻譜圖[1]見(jiàn)圖1。

(a)NTSC的頻譜交錯(cuò)，1/2行頻間置；(b)PAL的兩個(gè)色度信號(hào)之間相距半行頻，亮度信號(hào)位于它們之間，1/4行頻間置。

二、亮色分離（Y/C separation）

由于色度信號(hào)和高頻的亮度信號(hào)占用了頻帶中相同的頻率資源，所以，在Decoder中將它們分開(kāi)是比較困難的。在顯示器上顯示CVBS信號(hào)時(shí)，主要體現(xiàn)為兩個(gè)比較明顯的問(wèn)題：亮串色和色串亮。這是亮色分離不好的結(jié)果。

色度信號(hào)被調(diào)制在視頻帶寬的高頻部分，而在高頻段，亮度信號(hào)的幅值已經(jīng)衰減的很明顯。另外，再利用圖1所示的頻譜特點(diǎn)，采用數(shù)字梳狀(comb)濾波器就可以取得比較好的亮色分離效果。

（一）AFE采樣信號(hào)的重采樣

基于我們的算法，我們這里需要對(duì)從ADC 得到的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)重新采樣[2]一次，采樣的頻率是4fsc，這里的fsc就是從CVBS信號(hào)中恢復(fù)出來(lái)的副載波的頻率值。用4fsc來(lái)重新采樣，可以得到如下的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這對(duì)隨后的Y/C 分離很有好處。

圖2的左半部是采樣的時(shí)鐘相位[3]，右半部是連續(xù)3行的采樣點(diǎn)的結(jié)構(gòu)[4]。

（二）2D comb filter亮色分離

利用亮度信號(hào)和色度信號(hào)在頻譜上的交錯(cuò)關(guān)系，使用Comb filter可以得到比較好的亮色分離效果。缺點(diǎn)是會(huì)降低垂直分解力。

根據(jù)圖2提供的采樣點(diǎn)結(jié)構(gòu)，我們可以得到一個(gè)簡(jiǎn)單的2D comb filter的算法。

Y=[(Yn＋Cn)＋(Yn-1－Cn-1)]/2（2-1）

Y=[(Yn＋Cn)－(Yn-1－Cn-1)]/2（2-2）

下圖[1]就是一個(gè)基于以上算法的電路框圖。

（三）2D Adaptive Comb filter亮色分離

當(dāng)相鄰行圖像之間的相關(guān)性較強(qiáng)，相鄰行的數(shù)據(jù)相差不大時(shí)，通過(guò)這樣簡(jiǎn)單的加減運(yùn)算就能在垂直方向上得到比較好的亮色分離效果。但是，實(shí)際的視頻信號(hào)常常會(huì)有比較大的變化，比如對(duì)于斜線的處理，效果就不太好。這時(shí)，這種簡(jiǎn)單的comb filter的處理結(jié)果就會(huì)出錯(cuò)。這種情況下，就必須采用自適應(yīng)comb filter[1][5]的方法來(lái)改善解碼的圖像質(zhì)量。

另外，在有顏色變化的行中，經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的comb filter后，亮度信號(hào)中仍會(huì)殘留一些色副載波信號(hào)。副載波的幅值在顏色變化的時(shí)候會(huì)隨之變化，這樣，這些殘留的副載波信號(hào)會(huì)使亮度信號(hào)的幅值有所變化，產(chǎn)生所謂的亮點(diǎn)干擾。此時(shí)，在做完comb filter后，增加一個(gè)色副載波的陷波濾波器來(lái)去掉殘留的副載波信號(hào)，會(huì)有比較好的效果。

自適應(yīng)的comb filter一般通過(guò)處理3x3、5x5或者更大的block來(lái)應(yīng)付諸如垂直方向的突變、副載波相位的突變等情況，根據(jù)不同情況采用相應(yīng)的算法來(lái)應(yīng)對(duì)，這樣的算法有很多。下面是一個(gè)簡(jiǎn)單的帶有權(quán)重系數(shù)的自適應(yīng)算法。

Chroma＝aC1+bC2；（a,b：權(quán)重系數(shù)）；（C1，C2：相鄰兩行的色度信號(hào)）。

（四）3D Adaptive Comb filter亮色分離

在目前的大尺寸平板電視中，對(duì)畫(huà)質(zhì)的要求越來(lái)越高，3D自適應(yīng)comb filter[1][4]就是為了應(yīng)對(duì)這樣的需求而發(fā)展的。3D自適應(yīng)Y/C分離可以進(jìn)一步改善亮色分離的效果。這種濾波器一般使用CVBS信號(hào)的當(dāng)前場(chǎng)跟前兩場(chǎng)信號(hào)(NTSC)或者前4場(chǎng)信號(hào)(PAL)來(lái)做處理。對(duì)于靜止畫(huà)面，3D Y/C分離幾乎是完美的。下圖是不同場(chǎng)的采樣點(diǎn)的結(jié)構(gòu)，可以清楚的表明亮色很好分離的原因。

但是，如果場(chǎng)間數(shù)據(jù)有變化的話，Y/C分離的結(jié)果會(huì)是錯(cuò)誤的。所以，對(duì)運(yùn)動(dòng)畫(huà)面，一般會(huì)采用2D自適應(yīng)comb filter來(lái)進(jìn)行亮色分離。那么問(wèn)題的關(guān)鍵就是如何來(lái)判定畫(huà)面是運(yùn)動(dòng)還是靜止的。于是運(yùn)動(dòng)向量檢測(cè)被引入。

運(yùn)動(dòng)向量檢測(cè)，基本方法就是比較低頻亮度信號(hào)幀與幀之間的變化。運(yùn)動(dòng)檢測(cè)的性能很大程度上決定了Y/C分離的質(zhì)量如何。運(yùn)動(dòng)向量檢測(cè)器一般產(chǎn)生一個(gè)介于0～1的系數(shù)，可以使用該值來(lái)混合前面的2D和3D comb filter產(chǎn)生的亮度信號(hào)和色度信號(hào)，從而得到新的亮度和色度信號(hào)。在實(shí)際應(yīng)用中，一般要對(duì)求得的系數(shù)做如下處理：在一定的水平和垂直窗口中，求平均來(lái)平滑該值；乘上一個(gè)增益因子來(lái)調(diào)節(jié)該值的大??；防止溢出的動(dòng)作。這樣會(huì)保證最后結(jié)果的正確。

三、仿真驗(yàn)證結(jié)果

我們用Verilog語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了該數(shù)字解碼器，并進(jìn)行了大量的仿真和FPGA驗(yàn)證工作。下面是一個(gè)color bar 信號(hào)的仿真2D解碼效果。

在FPGA驗(yàn)證時(shí)，我們把SOC芯片中需要集成的AFE電路單獨(dú)做成一塊小電路板，與FPGA(Virtex V)板中數(shù)字decoder相配合，一起調(diào)試對(duì)模擬電視信號(hào)的解碼效果。下面是我們從FPGA中實(shí)際抓取的color bar的2D解碼信號(hào)圖。

其中“ADCR_IN_PCB”是輸入的CVBS信號(hào)，“cs_UV_out”和“cs_Y_

out”是解碼后的色度和亮度信號(hào)。

四、結(jié)論

在我們的應(yīng)用于模擬電視后處理的SOC芯片中，該decoder已經(jīng)被應(yīng)用，實(shí)際測(cè)試效果良好。

參考文獻(xiàn)：

[1]KeithJack. Video Demystified Fifth Edition. Elsevier Inc.2007.

[2]Yoshito Suzuki, Toshihiro Gai, Masaki Yamakawa, Hiroaki Sugiure. NTSC/PAL/SECAM Digital Video Decoder with High-Precision Resamplers. IEEE 2005.

[3]Y.Nishigori,C.Yamamitsu, A.Ide, K.Yamamoto, Matsushita Electric Industrial Co.,Ltd.A Two Dimensional Adaptive Digital Decoder For Color Television Signals. IEEE 1987.

[4]Lior Zimet.Digital Processing of Analog Television. Stanford University.2002.

[5]Chua-Chin Wang, Ching-Lee,Ming-Kai Chang. Low-Cost Video Decoder with 2D2L Comb Filter for NTSC Digital TVs.IEEE 2005.