模擬電視的數字亮色分離實現方法

黃振強

[摘要]傳統的模擬電視如果采用模擬電路的方式來實現亮色分離，成本和解碼質量都不能令人滿意。主要討論如何用數字方式實現復合模擬電視信號(CVBS)的亮色分離。該數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，實現高度集成的SOC芯片。

[關鍵詞]數字解碼 色副載波 亮色分離 數字梳狀濾波器

中圖分類號：TN4文獻標識碼：A文章編號：1671－7597（2009）0420019－02

一、引言

模擬電視信號可由下式來描述：

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

PAL＝Y＋U Sin(ωt)±Vcos(ωt)+Timing；（1-2）

色度信號通過色副載波的調制與亮度信號疊加，形成CVBS信號，帶寬約6MHz。在NTSC中，Fsc=227.5，fH=3.58MHz。在PAL中，Fsc＝283.75，fH=4.43MHz。頻譜圖[1]見圖1。

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

二、亮色分離（Y/C separation）

由于色度信號和高頻的亮度信號占用了頻帶中相同的頻率資源，所以，在Decoder中將它們分開是比較困難的。在顯示器上顯示CVBS信號時，主要體現為兩個比較明顯的問題：亮串色和色串亮。這是亮色分離不好的結果。

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

（一）AFE采樣信號的重采樣

基于我們的算法，我們這里需要對從ADC 得到的數字視頻數據重新采樣[2]一次，采樣的頻率是4fsc，這里的fsc就是從CVBS信號中恢復出來的副載波的頻率值。用4fsc來重新采樣，可以得到如下的數據結構，這對隨后的Y/C 分離很有好處。

圖2的左半部是采樣的時鐘相位[3]，右半部是連續3行的采樣點的結構[4]。

（二）2D comb filter亮色分離

利用亮度信號和色度信號在頻譜上的交錯關系，使用Comb filter可以得到比較好的亮色分離效果。缺點是會降低垂直分解力。

根據圖2提供的采樣點結構，我們可以得到一個簡單的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]就是一個基于以上算法的電路框圖。

（三）2D Adaptive Comb filter亮色分離

當相鄰行圖像之間的相關性較強，相鄰行的數據相差不大時，通過這樣簡單的加減運算就能在垂直方向上得到比較好的亮色分離效果。但是，實際的視頻信號常常會有比較大的變化，比如對于斜線的處理，效果就不太好。這時，這種簡單的comb filter的處理結果就會出錯。這種情況下，就必須采用自適應comb filter[1][5]的方法來改善解碼的圖像質量。

另外，在有顏色變化的行中，經過標準的comb filter后，亮度信號中仍會殘留一些色副載波信號。副載波的幅值在顏色變化的時候會隨之變化，這樣，這些殘留的副載波信號會使亮度信號的幅值有所變化，產生所謂的亮點干擾。此時，在做完comb filter后，增加一個色副載波的陷波濾波器來去掉殘留的副載波信號，會有比較好的效果。

自適應的comb filter一般通過處理3x3、5x5或者更大的block來應付諸如垂直方向的突變、副載波相位的突變等情況，根據不同情況采用相應的算法來應對，這樣的算法有很多。下面是一個簡單的帶有權重系數的自適應算法。

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

（四）3D Adaptive Comb filter亮色分離

在目前的大尺寸平板電視中，對畫質的要求越來越高，3D自適應comb filter[1][4]就是為了應對這樣的需求而發展的。3D自適應Y/C分離可以進一步改善亮色分離的效果。這種濾波器一般使用CVBS信號的當前場跟前兩場信號(NTSC)或者前4場信號(PAL)來做處理。對于靜止畫面，3D Y/C分離幾乎是完美的。下圖是不同場的采樣點的結構，可以清楚的表明亮色很好分離的原因。

但是，如果場間數據有變化的話，Y/C分離的結果會是錯誤的。所以，對運動畫面，一般會采用2D自適應comb filter來進行亮色分離。那么問題的關鍵就是如何來判定畫面是運動還是靜止的。于是運動向量檢測被引入。

運動向量檢測，基本方法就是比較低頻亮度信號幀與幀之間的變化。運動檢測的性能很大程度上決定了Y/C分離的質量如何。運動向量檢測器一般產生一個介于0～1的系數，可以使用該值來混合前面的2D和3D comb filter產生的亮度信號和色度信號，從而得到新的亮度和色度信號。在實際應用中，一般要對求得的系數做如下處理：在一定的水平和垂直窗口中，求平均來平滑該值；乘上一個增益因子來調節該值的大小；防止溢出的動作。這樣會保證最后結果的正確。

三、仿真驗證結果

我們用Verilog語言實現了該數字解碼器，并進行了大量的仿真和FPGA驗證工作。下面是一個color bar 信號的仿真2D解碼效果。

在FPGA驗證時，我們把SOC芯片中需要集成的AFE電路單獨做成一塊小電路板，與FPGA(Virtex V)板中數字decoder相配合，一起調試對模擬電視信號的解碼效果。下面是我們從FPGA中實際抓取的color bar的2D解碼信號圖。

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

out”是解碼后的色度和亮度信號。

四、結論

在我們的應用于模擬電視后處理的SOC芯片中，該decoder已經被應用，實際測試效果良好。

參考文獻：

[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.