中心議題：

• 如何優化標清視頻
• 優化方案的硬件解決

解決方案：

• 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sui著zhe大da屏ping幕mu高gao清qing液ye晶jing電dian視shi和he等deng離li子zi顯xian示shi器qi的de普pu及ji
，數shu字zi電dian視shi廣guang播bo和he高gao清qing信xin號hao接jie口kou也ye日ri益yi流liu行xing。但dan是shi
，能neng夠gou以yi最zui高gao質zhi量liang支zhi持chi傳chuan統tong信xin號hao源yuan依yi然ran非fei常chang必bi要yao。3D梳狀視頻解碼器是關鍵的處理模塊，對係統整體性能具有舉足輕重的影響。

在最初的開發階段，電視機僅支持單色(即黑白)圖tu像xiang的de播bo放fang和he顯xian示shi。隨sui著zhe技ji術shu的de發fa展zhan，也ye支zhi持chi彩cai色se電dian視shi廣guang播bo
，但dan仍reng然ran需xu要yao保bao持chi黑hei白bai電dian視shi顯xian示shi設she備bei的de向xiang後hou兼jian容rong性xing。電dian視shi機ji需xu要yao在zai可ke用yong帶dai寬kuan範fan圍wei內nei容rong納na顏yan色se信xin息xi
，並bing如ru同tong早zao期qi電dian視shi那na樣yang的de格ge式shi繼ji續xu顯xian示shi無wu失shi真zhen的de黑hei白bai畫hua麵mian。

複合視頻信號中，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容(圖1)。因此，必須將色度與亮度分開，才能正確顯示畫麵。


圖1：亮度信息和色度信息共享複合視頻信號的同一頻譜。

seduxinxizhiyupinpudegaoduan，weixianluchangdudebeishu。xianshifangmiandenantizaiyuruhezhengqueditiquliangduxinxiheseduxinxi，yijiruhezaiweizaochengxianshiweixiangdeqingkuangxiabaochiquandaikuan。

如果沒有發生亮度-色度分離
，載波正循環或反循環時，顏色信息使畫麵更亮或更暗。同時顏色信息也會錯誤地出現在圖像的黑白部分(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餘，而色度信號路徑有亮度殘餘(圖3)。殘餘信息會造成嚴重的圖像偽像
，如“點蠕動”(圖4)。色度路徑中殘餘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餘顏色解讀為亮度信息
，造成不良的點蠕動效果。

圖5：色度路徑中殘餘的亮度信號造成串色偽像。

梳(shu)狀(zhuang)濾(lv)波(bo)器(qi)自(zi)身(shen)的(de)信(xin)號(hao)延(yan)遲(chi)功(gong)能(neng)造(zao)成(cheng)了(le)相(xiang)長(chang)幹(gan)擾(rao)和(he)相(xiang)消(xiao)幹(gan)擾(rao)。梳(shu)狀(zhuang)濾(lv)波(bo)器(qi)的(de)頻(pin)率(lv)響(xiang)應(ying)由(you)一(yi)係(xi)列(lie)均(jun)勻(yun)間(jian)隔(ge)的(de)尖(jian)峰(feng)信(xin)號(hao)組(zu)成(cheng)，呈(cheng)梳(shu)子(zi)形(xing)狀(zhuang)。與(yu)陷(xian)波(bo)濾(lv)波(bo)器(qi)和(he)帶(dai)通(tong)濾(lv)波(bo)器(qi)相(xiang)比(bi)
，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(美國國家電視係統委員會)製式下
，色度正弦波信號逐行發生180°變(bian)化(hua)。任(ren)意(yi)兩(liang)個(ge)連(lian)續(xu)行(xing)相(xiang)加(jia)，亮(liang)度(du)內(nei)容(rong)加(jia)倍(bei)，色(se)度(du)內(nei)容(rong)抵(di)消(xiao)。相(xiang)反(fan)，如(ru)果(guo)減(jian)去(qu)兩(liang)行(xing)，亮(liang)度(du)內(nei)容(rong)抵(di)消(xiao)，色(se)度(du)內(nei)容(rong)加(jia)倍(bei)。例(li)如(ru)，對(dui)於(yu)全(quan)畫(hua)麵(mian)顏(yan)色(se)條(tiao)，每(mei)個(ge)活(huo)動(dong)行(xing)在(zai)視(shi)覺(jiao)上(shang)是(shi)一(yi)樣(yang)的(de)。在(zai)給(gei)定(ding)的(de)信(xin)號(hao)電(dian)平(ping)上(shang)，每(mei)行(xing)的(de)亮(liang)度(du)內(nei)容(rong)相(xiang)同(tong)。除(chu)了(le)相(xiang)位(wei)變(bian)化(hua)，每(mei)行(xing)的(de)色(se)度(du)內(nei)容(rong)也(ye)相(xiang)同(tong)。

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製式和PAL(逐行倒相)製式信號源提供更好的性能。根據圖像的複雜性，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，連續行不同時，2D梳狀濾波器不能正常工作，並轉向陷波濾波器，將該行區域的亮度與色度分離。

雖然在未產生圖像偽像或帶寬限製的情況下(這會轉化為低反差圖像)
，成功實現亮度和色度分離非常重要
，但是視頻信號的許多其他方麵，如不良時基或非標準弱射頻信號也會帶來很多挑戰。

小型CRT顯示器可接受的偽像或圖像缺陷，對於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(shu)字(zi)接(jie)口(kou)以(yi)及(ji)高(gao)分(fen)辨(bian)率(lv)顯(xian)示(shi)器(qi)能(neng)夠(gou)帶(dai)來(lai)出(chu)色(se)的(de)視(shi)覺(jiao)體(ti)驗(yan)。不(bu)過(guo)
，通(tong)過(guo)頻(pin)道(dao)切(qie)換(huan)或(huo)輸(shu)入(ru)
，用(yong)戶(hu)看(kan)到(dao)的(de)可(ke)能(neng)是(shi)美(mei)麗(li)的(de)高(gao)清(qing)圖(tu)像(xiang)，也(ye)可(ke)能(neng)是(shi)傳(chuan)統(tong)的(de)複(fu)合(he)視(shi)頻(pin)廣(guang)播(bo)(CVBS)。借助高品質自適應3D梳狀濾波器技術，標清(SD)複合視頻圖像的質量獲得了顯著改善(圖7)。


圖7：內置3D梳狀濾波器的解碼器的典型架構。

3D梳狀濾波器類似於2D梳狀濾波器，通過某些行的像素組合來分離亮度和色度。兩者的主要區別是：2D梳狀濾波器組合圖像連續行的像素
，而3D梳狀濾波器把當前行的像素與圖像延時狀態下同一行中的像素組合(圖8)。


圖8：自適應內置3D梳狀濾波器的解碼器的結果(a)明顯優於內置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
，歸功於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據包的全部帶寬。

全亮度帶寬保留了高頻內容

，提供的圖像清晰鮮明
，從而使用戶能區分微小的細節。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)。它對當前幀的數據與存儲器中的上一幀數據進行比較。


圖9：NTSC製式的典型幀序列展示了3D梳狀濾波技術。

如ru果guo同tong時shi添tian加jia兩liang個ge幀zhen，每mei個ge像xiang素su的de色se度du信xin息xi抵di消xiao
，而er亮liang度du像xiang素su數shu據ju加jia倍bei。同tong樣yang，如ru果guo前qian一yi幀zhen減jian去qu當dang前qian幀zhen
，亮liang度du像xiang素su數shu據ju抵di消xiao
，而er色se度du信xin息xi加jia倍bei。

盡管3D梳狀濾波處理存在很多優勢
，但設計人員仍必須解決其性能局限性和一些挑戰。3D梳狀濾波器能讓圖像的亮度和色度完美分離
，而傳統的2D梳狀濾波器或陷波濾波器達不到這種效果。
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但(dan)是(shi)，隻(zhi)有(you)圖(tu)像(xiang)中(zhong)的(de)像(xiang)素(su)絕(jue)對(dui)靜(jing)止(zhi)時(shi)，才(cai)可(ke)以(yi)實(shi)現(xian)亮(liang)度(du)和(he)色(se)度(du)的(de)完(wan)美(mei)分(fen)離(li)。反(fan)之(zhi)，如(ru)果(guo)圖(tu)像(xiang)在(zai)移(yi)動(dong)

，兩(liang)個(ge)連(lian)續(xu)幀(zhen)的(de)像(xiang)素(su)數(shu)據(ju)也(ye)在(zai)發(fa)生(sheng)變(bian)化(hua)，便(bian)無(wu)法(fa)使(shi)用(yong)3D梳狀濾波器(圖10)。zhongyaodeshi，shipinjiemaqijianzhameiyigexiangsu，bingyuzhiqiancunchudexiangsushujuzuobijiao，yiquedingshifoufashengleyidong，jinerjuedingyingcaiyongnazhongshuzhuanglvboqi。


圖10：對移動圖像進行梳狀濾波會產生明顯的偽像。

由於移動檢測比較複雜，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複雜運動的區域，而陷波濾波器進行複雜運動區域的處理。3D梳狀解碼器的主要挑戰並非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複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據，造成運動偽像(圖11)。圖11a中鳥的翅膀向下。圖11b中翅膀已經向上舞動
，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
，結果發現幀1和幀3相同，便誤認為沒有產生圖像移動。因此決定用3D梳狀解碼器來處理數據(圖12)。


圖12：利用3D梳狀解碼器，無效檢測引起明顯的網格偽像(a)。圖像移動校正後，無網格偽像生成(b)。

與之相反
，配有3D梳(shu)狀(zhuang)濾(lv)波(bo)器(qi)的(de)高(gao)性(xing)能(neng)視(shi)頻(pin)解(jie)碼(ma)器(qi)利(li)用(yong)很(hen)多(duo)幀(zhen)存(cun)儲(chu)器(qi)來(lai)更(geng)準(zhun)確(que)地(di)檢(jian)測(ce)所(suo)有(you)幀(zhen)之(zhi)間(jian)的(de)運(yun)動(dong)。使(shi)用(yong)大(da)量(liang)的(de)幀(zhen)很(hen)有(you)必(bi)要(yao)，有(you)助(zhu)於(yu)解(jie)碼(ma)器(qi)準(zhun)確(que)判(pan)斷(duan)何(he)時(shi)何(he)地(di)采(cai)用(yong)3D梳狀濾波器。

實現更多的功能

3D梳狀濾波器要正常工作，內存緩衝區需存儲視頻像素數據幀以便分析和處理。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據與之前存儲的數據進行比較，從而過濾並消除圖像噪聲。

外部存儲器也可以實現先進的時基校正。基於幀的時基校正確保解碼器總是輸出固定時鍾、固定的每行采樣數
、不變的每幀行數，以及正確的場序。

雖(sui)然(ran)電(dian)視(shi)應(ying)用(yong)通(tong)常(chang)不(bu)需(xu)要(yao)外(wai)部(bu)存(cun)儲(chu)器(qi)，但(dan)是(shi)越(yue)來(lai)越(yue)多(duo)的(de)製(zhi)造(zao)商(shang)將(jiang)更(geng)多(duo)的(de)接(jie)收(shou)器(qi)和(he)電(dian)子(zi)控(kong)製(zhi)設(she)備(bei)轉(zhuan)移(yi)到(dao)單(dan)獨(du)的(de)遠(yuan)程(cheng)遙(yao)控(kong)盒(he)中(zhong)
，以(yi)盡(jin)可(ke)能(neng)減(jian)小(xiao)顯(xian)示(shi)麵(mian)板(ban)的(de)厚(hou)度(du)。不(bu)過(guo)這(zhe)類(lei)設(she)計(ji)也(ye)限(xian)製(zhi)了(le)需(xu)要(yao)直(zhi)接(jie)與(yu)電(dian)視(shi)機(ji)相(xiang)連(lian)的(de)電(dian)纜(lan)數(shu)，這(zhe)可(ke)能(neng)會(hui)造(zao)成(cheng)布(bu)線(xian)困(kun)難(nan)(圖13)。


圖13：薄型顯示器麵板將接收器和電子控製設備轉移到獨立單元。

遠程遙控盒通過HDMI(高清多媒體接口)huoleisilianjiejieruxianshiqi。danggailianjiegongzuoshi
，dianshixuyaowendingdexiangsuheshizhongshuju。youyushijixiaozhengyunxushipinjiemaqihelianludefasheqijianzhijielianjie


，yincijiemaqishenzhinengweifeibiaozhunshurushebeitigongkekaodeshixuhexiangsushuju。

除了亮度和色度分離，複合視頻處理的很多其他方麵也直接影響畫麵質量。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。

專業品質的視頻解碼器(如ADV7802)利用12位ADC實現了優於62dB的信噪比。值得注意的是，對於注重性能的應用，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。

jiemaqihaibixunenggouchulifeibiaozhunheweiruodeguangboxinhaoyuan。dianshiyonghuhezhizaoshangrengjiugaoduzhongshizhexieyaoqiu。ganggoumaixinxinggaoduandapingmudenglizihuoyejingdianshidexiaofeizhekenenghaihuijiangqilianjiedaoshiyongle12年的錄像機和模擬射頻電纜係統上。

以yi往wang消xiao費fei者zhe將jiang錄lu像xiang機ji與yu舊jiu顯xian像xiang管guan電dian視shi機ji連lian接jie
，如ru今jin他ta們men期qi待dai高gao清qing電dian視shi能neng帶dai來lai至zhi少shao與yu舊jiu顯xian像xiang管guan電dian視shi機ji一yi樣yang好hao的de性xing能neng水shui平ping。也ye就jiu是shi說shuo，錄lu像xiang機ji的de視shi頻pin應ying該gai穩wen定ding，即ji使shi在zai“特技”模式下(即暫停
、快進
，或後退時)也能繼續保持鎖定。

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係統帶來的問題，解碼器設計者麵臨諸多挑戰。

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。許多製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、重采樣和先進的後端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chu理li器qi模mo塊kuai，確que保bao正zheng確que提ti取qu同tong步bu信xin息xi。該gai濾lv波bo器qi確que保bao解jie碼ma器qi能neng夠gou識shi別bie其qi查zha找zhao同tong步bu信xin息xi的de時shi期qi。同tong步bu鎖suo相xiang回hui路lu模mo塊kuai和he處chu理li器qi模mo塊kuai則ze確que保bao所suo檢jian測ce的de同tong步bu信xin息xi正zheng確que排pai列lie。