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(zhì)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(guān)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(jī)僅支持單色(即黑白)圖像的播放和顯示。隨著技術(shù)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(shè)備的向后兼容性。電視機(jī)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(fù)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(fù)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),。
陷波濾波器或帶通濾波器分離亮度和色度。" border="0" height="561" src="http://files.chinaaet.com/images/20111201/dd6ea65f-318c-4163-83c7-7e6782d51b86.jpg" width="300" />

圖2：無亮度和色度分離的圖像含有大量偽像,。

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(yán)重的圖像偽像，如“點(diǎn)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(diǎn)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(yīng)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(biāo)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(fù)雜性,，梳狀處理器必須確定是否要將當(dāng)前行與下一行或上一行結(jié)合。

梳狀處理器不能對某些圖像進(jìn)行任意行組合,，此時可切入當(dāng)前行,。自適應(yīng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)3D梳狀濾波器技術(shù)

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(fù)合視頻廣播(CVBS),。借助高品質(zhì)自適應(yīng)3D梳狀濾波器技術(shù)，標(biāo)清(SD)復(fù)合視頻圖像的質(zhì)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(gòu)。

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(dāng)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(yīng)內(nèi)置3D梳狀濾波器的解碼器的結(jié)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(zhì)。這種方法能從根本上消除不良圖像偽像,，如點(diǎn)蠕動,、“掛點(diǎn)”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(xì)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(jìn)行分析,，或者既處理又分析,，而3D梳狀處理則進(jìn)行幀到幀的視頻像素信息比較(圖9)。它對當(dāng)前幀的數(shù)據(jù)與存儲器中的上一幀數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,。


圖9：NTSC制式的典型幀序列展示了3D梳狀濾波技術(shù)。

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(dāng)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(shè)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(dá)不到這種效果,。
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(jìn)而決定應(yīng)采用哪種梳狀濾波器,。


圖10：對移動圖像進(jìn)行梳狀濾波會產(chǎn)生明顯的偽像,。

由于移動檢測比較復(fù)雜,，采用的方法必須能分析當(dāng)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(shù)梳理靜止像素,，2D梳狀濾波技術(shù)處理無復(fù)雜運(yùn)動的區(qū)域，而陷波濾波器進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)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(fù)雜的運(yùn)動檢測和自適應(yīng)切換,。

當(dāng)梳狀濾波器無法勝任

自適應(yīng)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(yùn)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(yīng)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(jié)果發(fā)現(xiàn)幀1和幀3相同,，便誤認(rèn)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(zhǔn)確地檢測所有幀之間的運(yùn)動。使用大量的幀很有必要,，有助于解碼器準(zhǔn)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(biāo)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(zhuǎn)換器，通過處理其它非3D梳狀濾波器任務(wù),，如先進(jìn)的時序降噪,，最大限度地利用內(nèi)存空間。

通過配備3D梳狀濾波器,，ADV7802采用多種技術(shù)將當(dāng)前幀的像素數(shù)據(jù)與之前存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)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(yīng)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(shè)備轉(zhuǎn)移到單獨(dú)的遠(yuǎn)程遙控盒中,，以盡可能減小顯示面板的厚度。不過這類設(shè)計也限制了需要直接與電視機(jī)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(shè)備轉(zhuǎn)移到獨(dú)立單元,。

遠(yuǎn)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(dāng)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(biāo)準(zhǔn)輸入設(shè)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(fù)合視頻處理的很多其他方面也直接影響畫面質(zhì)量,。ADC輸入端的性能對顯示器接收的整體視頻質(zhì)量起著決定性的作用,。

專業(yè)品質(zhì)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(yīng)用,，差分相移和增益可分別超過0.45 °和0.45%。成本敏感應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(fèi)者可能還會將其連接到使用了12年的錄像機(jī)和模擬射頻電纜系統(tǒng)上。

以往消費(fèi)者將錄像機(jī)與舊顯像管電視機(jī)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(jī)一樣好的性能水平,。也就是說，錄像機(jī)的視頻應(yīng)該穩(wěn)定,，即使在“特技”模式下(即暫停,、快進(jìn)，或后退時)也能繼續(xù)保持鎖定,。

微弱的射頻信號也應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)帶來的問題,，解碼器設(shè)計者面臨諸多挑戰(zhàn),。

確定解碼器的質(zhì)量水平基準(zhǔn)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(jìn)的后端FIFO管理等技術(shù),。

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。