適合硬件實現(xiàn)的解決色度上采樣錯誤的算法實現(xiàn)

袁 野，鄭戟明

（上海對外貿(mào)易學院商務信息學院，上海 201620）

適合硬件實現(xiàn)的解決色度上采樣錯誤的算法實現(xiàn)

袁 野，鄭戟明

（上海對外貿(mào)易學院商務信息學院，上海 201620）

為了適應視頻后處理芯片低成本的需求，提出一種每場僅需用兩行緩存、適合硬件實現(xiàn)的解決色度上采樣錯誤的算法。首先，檢測出現(xiàn)色度上采樣錯誤的地方;然后，對上采樣錯誤的地方進行處理。具體表現(xiàn)為，檢測出有上采樣錯誤的地方，用幀處理方法來進行修復;否則用傳統(tǒng)的場處理方法來處理。實驗結(jié)果表明該算法在較少的資源下，仍然可以有效檢測到出現(xiàn)CUE現(xiàn)象的像素點，較好地解決了該錯誤，并且便于硬件實現(xiàn)，可應用于低成本的數(shù)字視頻后處理芯片中。

CUE;色度上采樣;緩存

1 色度上采樣算法

在數(shù)字電視SOC芯片中，需要一種色度上采樣算法［1］。這是因為MPEG視頻幀中，為了節(jié)約存儲空間，通常采用4∶2∶0隔行掃描，擁有480條掃描線的4∶2∶0隔行掃描幀的色度采樣掃描線在垂直方向上只有240條，單個色度場僅僅有120條色度采樣掃描線。而視頻后處理的去隔行模塊則需要4∶2∶2的隔行視頻，因此從解碼器出來，進入視頻后處理模塊之前，需要色度上采樣算法將4∶2∶0轉(zhuǎn)為4∶2∶2［2］。

圖1a為4∶2∶0逐行掃描視頻格式的亮度和色度采樣點，可見色度采樣點個數(shù)是亮度采樣點的水平方向和垂直方向各二分之一。圖1b為4∶2∶0隔行掃描視頻格式的亮度和色度采樣點，可見隔行掃描視頻格式與圖1a垂直方向不同，第一行的色度采樣點不是來自Line1和Line2的平均，而是來自Line1的75%和Line3的25%。因此在色度上采樣時，需要對逐行、隔行掃描視頻格式區(qū)別對待。

圖1 逐行與隔行視頻采樣點亮度色度的布局

然而為了讓芯片設計更為簡單，一般的MPEG解碼器無論是隔行場視頻還是逐行幀視頻，統(tǒng)統(tǒng)僅使用隔行上采樣算法。而且上采樣算法通常采用簡單的行復制算法或者是場內(nèi)多行數(shù)據(jù)的插值算法，這不利于逐行掃描圖像，本來色度上采樣應該插值出Line1和Line2的色度采樣，實際上因為使用隔行掃描算法來上采樣，卻插值出了Line1和Line3的色度采樣。當將場合并成幀時，如果正好Line2和Line3的色度有很大差異，就會導致顏色的錯位，形成一條條的拉絲現(xiàn)象，這就是所謂的色度上采樣錯誤現(xiàn)象（Chroma Upsampling Error，CUE）［3］。隨著高清電視的普及，一經(jīng)放大這種錯誤將變得十分明顯，因此找到一個適合硬件實現(xiàn)的解決色度上采樣錯誤的算法已成為必要。

為了克服上述的色度上采樣錯誤，多個專利提出了多種解決方法［4－9］，如文獻［4］公開的一種檢測和修復MPEG－2色度上采樣偽像的方法，采用每場4行以上的數(shù)據(jù)，可以解決CUE問題，但是卻耗費較多硬件資源。并且傳統(tǒng)的上采樣算法通常是只產(chǎn)生一行新的色度數(shù)據(jù)，采用原始的420數(shù)據(jù)作為另一行，但是從圖1的位置關系看，原始的420數(shù)據(jù)實際上是上下兩行數(shù)據(jù)的綜合，與正確位置相比有1/4行的誤差。

本文提出了一種檢測和修復色度上采樣的CUE現(xiàn)象的方法，根據(jù)正確的位置關系，生成兩行新的色度數(shù)據(jù)。首先檢測色度上采樣存在CUE問題的地方，然后對這些檢測出存在問題的地方進行處理。即如有色度上采樣錯誤現(xiàn)象，則用幀處理方法來進行修復;如不符，則用傳統(tǒng)的場處理方法來處理。應用此算法，能夠在較少的硬件資源下，進行檢測和修復色度上采樣錯誤現(xiàn)象。實驗結(jié)果表明該算法在較少的硬件資源下，可以有效檢測出CUE現(xiàn)象，得到較好的上采樣效果，并且便于硬件實現(xiàn)。

2 解決色度上采樣錯誤的算法的實現(xiàn)

2.1 步驟1:場處理濾波法

如圖2所示，以奇場在上偶場在下為例，按照位置關系，場處理濾波使用了垂直插值濾波器，即

式中:yuv422_field_odd1代表奇場奇行的場處理濾波;

yuv422_field_odd2代表奇場偶行的場處理濾波;

yuv422_frame_even1代表偶場奇行的場處理濾波;

yuv422_frame_even2代表偶場偶行的場處理濾波。

圖2 場處理濾波示意圖

2.2 步驟2:幀處理濾波法

如圖3所示，以奇場在上偶場在下為例子，按照位置關系，幀處理濾波法使用了垂直低通濾波器，即

式中:yuv422_frame_odd1代表奇場奇行的幀處理濾波;

yuv422_frame_odd2代表奇場偶行的幀處理濾波;

yuv422_frame_even1代表偶場奇行的幀處理濾波;

yuv422_frame_even2代表偶場偶行的幀處理濾波。

圖3 幀處理濾波示意圖

可以看出，經(jīng)幀處理濾波法后的上采樣，如果是在逐行掃描視頻色度變化的邊界處，色度上采樣錯誤現(xiàn)象會從根本上消失。所以只要有效檢測出色度上采樣錯誤的地方進行幀處理濾波即可。

2.3 步驟3:檢測色度上采樣錯誤部位

在場內(nèi)哪些是屬于幀處理，哪些是屬于場處理的像素點，這需要進行檢測。只要檢測出逐行掃描格式中有顏色跳變的部分進行幀處理濾波即可。

如圖4所示，按原有的位置關系，需要重新生成2行色度，所以當A（奇場）、B（偶場）、C（奇場）、D（偶場）四場魚貫進入時，能得到X'，Y這兩個色度插入點的色度。當B（偶場）、C（奇場）、D（偶場）、E（奇場）四場魚貫進入時，能得到Y(jié)'，Z這兩個色度插入點的色度。所以每生成2行色度時，只需要奇場2行和偶場2行的數(shù)據(jù)。

圖4 色度上采樣的位置關系

判斷前象素點是屬于色度上采樣錯誤現(xiàn)象的方法如下。

如果以下條件符合，則認為屬于CUE現(xiàn)象。

1）如果插入點所在幀中的共4行色度有1行是有跳變并且?guī)瑑?nèi)數(shù)據(jù)是漸變過渡的，有可能出現(xiàn)上采樣錯誤現(xiàn)象。

結(jié)合圖4來理解，對于插入點X'來說，只要A，B，C，D有1行有跳變且是漸變過渡的，則設Flageven=1;對于插入點Y來說，只要A，B，C，D有1行有跳變且是漸變過渡的，則設為Flagodd=1。

這里，F(xiàn)lagodd代表奇場的漸變跳變標志，F(xiàn)lageven代表偶場的漸變跳變標志。

2）排除兩場中至少有一場場數(shù)據(jù)差很接近的情況。

（1）分別求取本場內(nèi)和本幀內(nèi)的上下兩行的差值

式中:sad_field_even代表偶場內(nèi)的當前行與上行的差值的絕對值;sad_field_odd代表奇場內(nèi)的當前行與上行的差值的絕對值;sad_frame代表兩場對應行差值的和的絕對值。

（2）如至少有一場上下兩行的差值很接近，則認為是運動的兩個不同的場，不屬于色度上采樣錯誤情況，需要排除。該某場一致標志求取如下

其中:single_odd代表奇場的某場一致標志;single_even代表偶場的某場一致標志;T_small為最小閾值，小于它認為屬于一種色度。

3）合并以上信息，獲得up_error_Flag。

用以上4點來標識有色度上采樣CUE問題的像素點:up_error_Flag_odd為1，表示奇場是符合幀的色度上采樣錯誤情況;up_error_Flag_even為1，表示偶場符合幀的色度上采樣錯誤情況，可以進行下一步的處理。

2.4 步驟4:色度上采樣錯誤處理方法

如果上述up_error_Flag_odd或up_error_Flag_even為1，說明此象素點是出現(xiàn)色度上采樣錯誤的地方，可采用式（2）的幀處理方法yuv422_frame，即相鄰異極性場的低通處理方法，否則采用式（1）的場處理方法yuv422_field，即通用的相鄰同極性場的低通處理方法。

3 算法的仿真結(jié)果及其分析

采用Verilog語言設計本文算法的仿真驗證，視頻處理平臺采用系列型號為Virtex－5的FPGA芯片，圖5是系統(tǒng)仿真的結(jié)果。選擇視頻后處理測試專用碟片進行測試，對靜止的幀測試圖（如圖5a所示），分別采用簡單的上采樣復制法（如圖5b所示）、線性插值上采樣算法（如圖5c所示），以及本文提出的算法（如圖5d所示），對圖像效果進行比較。從圖5可以看出，圖5b的色度變化邊緣出現(xiàn)明顯的拉絲現(xiàn)象，即同一場的色度被另一場的色度分離，非常明顯;圖5c對幾行數(shù)據(jù)進行線性插值，較圖5b平滑些，但仍有拉絲現(xiàn)象;圖5d應用本文算法，則能夠較好地消除拉絲現(xiàn)象。為防止幀處理方法會帶來副作用，影響到場圖像，使得一個運動場里面包含另一場的色度，而出現(xiàn)運動圖像色度的錯誤，對動態(tài)旋轉(zhuǎn)的色度條測試視頻進行實驗。如圖6所示，圖6a和圖6b為應用了該色度上采樣算法連續(xù)的兩場，從圖中可以看出，沒有色度串場現(xiàn)象，說明每場數(shù)據(jù)沒有其他場的色度引入。將場數(shù)據(jù)通過通用的去隔行模塊轉(zhuǎn)成隔行數(shù)據(jù)，在電視機上播放，在旋轉(zhuǎn)邊緣處看不到其他場的色度影子。實驗結(jié)果說明應用本文提出的改善色度上采樣算法，可以很好地解決CUE色度上采樣問題，并且對運動的圖像沒有產(chǎn)生色度串場的現(xiàn)象，有較好的實驗效果。

圖5 靜止圖像的色度上采樣算法比較

4 結(jié)束語

圖6 應用于運動色度條的本文算法

本文提出一種檢測和修復色度上采樣的CUE現(xiàn)象的方法，通過判斷原始幀內(nèi)數(shù)據(jù)在垂直方向是否有漸變過渡和色度的跳變，根據(jù)本場內(nèi)和本幀內(nèi)的上下兩行的差值的特點，排除兩場中至少有一場場數(shù)據(jù)差很接近的情況，可以檢測出色度上采樣出現(xiàn)CUE現(xiàn)象的地方。如有色度上采樣錯誤現(xiàn)象，則取逐幀處理方法來進行修復;如沒有，則取場處理方法的低通濾波值。實驗結(jié)果表明，在每場各2行這樣較少的硬件資源下，可以有效地檢測和修復色度上采樣錯誤現(xiàn)象。

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［1］王飛飛.視頻中色度重采樣算法的ASIC設計［D］.天津:天津大學，2007.

［2］明軍，倪志榮.隔行色度信號及其應用研究［J］.數(shù)字電視，1995，19（10）:62－64.

［3］MUNSIL D，SPEARS S.DVD benchmark－The chroma upsampling errorandThe 4:2:0 Interlaced Chroma Problem［EB/OL］.［2013－01－01］.http://www.hometheaterhifi.com/volume_7_4/dvd－benchmark－The Chroma Upsampling ErrorandThe 4:2:0 Interlaced Chroma Problem－1－2003.html.

［4］DALE R，SAN J.Detection and repair of MPEG－2 chroma upconversion artifacts:USA，US7408992 ［EB/OL］.［2013－01－11］.http://www.google.com/patents/US7408992.

［5］NAVEEN T，TABATABAI A.Chrominance resampling for color images:USA，US5712687［EB/OL］.［2013－01－11］.http://www.google.com.hk/patents/US5712687.

［6］JIANG H.Edge－adaptive chroma up－conversion:USA，US6297801［EB/OL］.［2013－01－11］.http://www.google.co.jp/patents/US6297801.

［7］ARTURO A，RODRIGUEZ C.Conversion optimization:USA，US7136417［EB/OL］.［2013－01－11］.http://www.google.com/patents/US7136417?hl=zh－CN＆dq=richard+swier+wireless.

［8］HENRY D.Method and system for MPEG chroma de－interlacing:USA，US7006147［EB/OL］.［2013－01－11］.http://www.google.com/patents/US7006147?hl=zh－CN＆dq=5661645.

［9］LEONE P，CHOW W ，GILL A.Chroma upsampling method and apparatus therefor:USA，US7474355.［EB/OL］.［2013－01－16］.http://www.google.com.hk/patents/US7474355?hl=zh－CN＆dq=7，958，388.

Implementation Method of Solving Chroma Upsampling Error

YUAN Ye，ZHENG Jiming

（School of Business Information Management，Shanghai Institute of Foreign Trade，Shanghai 201620，China）

In order to meet the need of low－cost digital video processing chip，a new algorithm to solve the Chroma Up－sampling Error using only two line buffers is presented.Firstly，Chroma Up－sampling Error pixels are detected.Next，frame interpolation method is used in these pixels.Then，traditional field interpolation method is used in other pixels.Experimental results demonstrate that the algorithm can not only detect the Chroma Up－sampling Error pixels，but also removes the error.It can be used in the chip of low－cost digital video processing.

CUE;chroma up－sampling;line buffer

TN911.73;TP302.1

A

【本文獻信息】袁野，鄭戟明.適合硬件實現(xiàn)的解決色度上采樣錯誤的算法實現(xiàn)［J］.電視技術，2014，38（3）.

國家科技重大專項（2009ZX01033－001－004）

袁 野（1972— ），女，副教授，博士后，主要研究方向為數(shù)字電視視頻后處理;

鄭戟明（1968— ），副教授，主要研究方向為數(shù)字圖像處理。

責任編輯:時 雯

2013－03－12