CN1051900C - 数字视频信号处理器设备 - Google Patents

Abstract

一种用来设定用于帧基压缩的隔行扫描视频信号的预处理器，包括接收隔行扫描视频场信号及提供隔行扫描亮度和色度场分量信号的装置。隔行扫描的各亮度场分量分别被复合成各成帧亮度信号并被送到压缩器装置中用于进一步处理。隔行扫描各色度场分量在场级范围内各自独立处理以产生成行的色度值，此值以较低的象素和行密度间充到初始色度值中，独立处理的隔行扫描色度场信号各自被复合成各成帧色度分量信号，并被送到压缩器电路。

Description

数字视频信号处理器设备

本发明涉及用于把隔行扫描视频信号处理成非隔行扫描的压缩数字信号的设备。

活动图象专家组(MPEG)正建立一个最初被计算机使用的视频数据发射及存储标准。所提出的标准详述在国际标准化组织的ISO-IECJT(1/SC2/WG1)活动图象及有关声音的编码文件MPEG 90/176 Rev.2，Dec.18，1990中。信号规约包括：按照帧间压缩技术的顺序，对隔行扫描视频信号进行逐帧处理，但是，只有相应的帧的奇数场被处理及发射。高等电视研究联合会(ATRC)已经采用了关于高分辨率视频图象发射的规约，其中，奇数和偶数帧都被处理及发射。

根据该压缩规约，视频信号在各自图象面例如16×16象素上被处理。这区面分别由数据批块表示。每一批块含有6个数据块，4块对应于亮度信息，每块用8×8象素矩阵表示。其余的两块对应于色度信息，即一块U和一块V色差信息(U和V可分别代表传统的B-Y和R-Y信号)。用这些块分别表示整个批块的彩色信息，但是是以亚取样形式出现的。即是：内插表示色度的16×16象素块降到8×8数值块，内插的数值被编码。

以帧为基础进行编码。连续的隔行扫描奇偶场对第一次组合成数据帧，之后把数据帧当作一个单元处理。参照图1，示出了一象素值块，一小方块表示对应于各自象素的取样，打阴影的小方块表示来自奇数场的象素行，白的小块表示来自偶数场的象素行。从排列得类似于所述矩阵小方块的图象取样矩阵得到压缩的亮度数据。圆圈表示内插的色度取样U或V。标称的每个色度值可从对应的如例如所示的图像的上面二排之间的相邻象素值中计算出来。所得到的色度逻辑值矩阵代表一个图象，这个图象是在垂直和水平两个方向上被亚取样两次的。

图2用一部分表示从隔行扫描图象中得到帧信号时，以帧为基础的数据的处理问题。在隔行扫描图象中，在信号的某一瞬间，意于让奇、偶场都代表信号图象的组成部分，然而，奇、偶场是连续扫描的，因此，它们不能在同一瞬间表示同一个图象。事实上，同一帧内，图象目标在奇偶场之间将有相对运动。在图2中，假设如图所示在奇数场中有红矩形RO，而在偶数场却移动到矩形RE所占的位置了。红矩形表示的原始象素值都在奇偶场中以黑色表示。关于内插色度值，可以看到，只有与红矩形有关的代表适当颜色的内插的色度值是那些既含在矩形RO中又含在矩形RE中的。其它全部与红矩形有关的内插色度值将代表颜色的组合。由于加到压缩器上的原始视频信号一般被图象灰度校正过，在内插值中引起的非线性失真在显示器上被逆向图象灰度校正所放大因此使彩色失真加大。

当观察MPEG压缩器/去压缩器的输出时，最坏的伪影不是MPEG的问题，而是预处理的结果。大的带色的运动物体产生很高的可视亮度和色度超前及拖尾失真。这个失真在一般的观察距离内是明显的且清楚可见。看到的就是：在帧间运动范围内(即场间移动)错误的颜色。这个颜色不仅在色调上不正确，而且在色饱和度和亮度上也不对。

从图2可看到，色差仅限于一小块，其实不然，在场之间，物体可移过许多行和象素，且影响将波及物体移动的整个行和象素内。甚至可对非临界的观察者都容易看到。

本发明的目的提供一种预处理器和以帧为基础的处理设备，用于减少运动图象对隔行扫描视频信号构成的视频帧信号的亚取样/内插色度值的影响。隔行扫描场色度分量单独在场范围内处理，以产生色度值行，这些值以较低象素密度被充到原始色度值行中。

本发明一种视频信号设备，具有用于从隔行扫描视频信号产生非隔行扫描视频信号并把所述的非隔行扫描视频信号送到以帧为基础的压缩器的预处理器，其特征在于包括：

用于压缩分量视频信号的帧基视频信号压缩装置；

一以连续奇偶场数据顺序发生的隔行扫描亮度分量信号和色度分量信号源；

用于把逐场亮度分量数据组合成相应的成帧的亮度分量数据、并把所述的成帧亮度分量数据送到所述压缩装置的装置；

根据成场的色度分量数据。用于以一相互独立的奇、偶场为基础进行色度分量数据的内插的装置，以提供代表不同于由所述色度分量数据代表的图象点的图象点的信号取样，并且用来提供至少垂直亚取样过的处理过的色度分量数据；以及

用于把内插/亚取样的奇、偶场色度分量数据帧提供给所述的压缩装置的装置。

在一个实施例中，预处理器包括接收隔行扫描场视频信号并提供隔行扫描场亮度和色度信号分量的装置。隔行扫描场亮度分量组成各亮度帧信号并送到压缩器装置以作进一步的处理。

在接收机设备中，提供一种后处理去压缩的视频信号，此视频信号以一场一场为基础预处理并以帧为基础压缩及去压缩。此设备包括一响应于去压缩的视频数据用于提供成帧的去压缩的视频数据的去压缩器以及内插装置，该去压缩的视频数据对应于互不相容的所述去压缩的帧视频数据，用来产生水平图象行数增加了的成帧的视频数据。

本发明的优良效果在于，单独处理的隔行扫描场色度信号组成各色度分量帧信号并加到电路中以进一步处理。在场范围内对色度信号内插及亚取样有助于消除运动图象周围的大部分彩色失真。

图1和图2是有助于了解本发明的象素值块的示意图；

图3和图4是用来说明依据本发明压缩前产生亚取样的色度值的方法的相应的不同实施例；

图5和图6是依据本发明各实施例的用于色度亚取样的相应的不同实施例的电路框图；

图7是依据本发明的视频信号压缩系统的部分框图；

图8是依据本发明的视频信号压缩系统的部分框图；

图9是去压缩后视频数据处理的示意图；

图10是扩大的色度数据的典型电路框图，此色度数据是在压缩前以场为基础预处理过的；

图11是向上取样的垂直方向的视频信号的典型电路框图。

参照图7所述的视频信号压缩设备的预处理电路。在图中，隔行扫描R、G和B彩色信号(例如来自视频摄像机)被加到产生亮度Y和色差信号分量U和V的矩阵电路40。电路40假定以取样数据的数字形式输出。隔行扫描亮度信号分量送到帧存储器45，在那里，连续的奇、偶场亮度信号组成相应的成帧亮度数据。帧亮度数据连续送到视频信号压缩器46用于压缩及发射。压缩器46可以是美国专利5122875所述类型的，它依据MPEG规约处理视频数据，这样的亮度分量处理基本上与色度信息无关(除了压缩色度数据的容量对压缩数据量化的影响外)。

U和V色度分量同样地分别由单元42、43和41、44独自预处理。考虑U分量，U色度分量的逐场扫描数据被送到单元42，在那里，它被水平和垂直二维内插和亚取样，来自单元42的逐场内插和亚取样的U数据被送到存储单元43。在存储单元43中，来自单元42的逐场扫描奇、偶数据组成相应的成帧U数据，之后一帧一帧送到单元46，以便压缩和发射。

参照图3所示的8行×8列方阵表示的例如行U色度分量象素数据。4×4方阵圆圈表示亚取样的U色度分量数据。奇、偶编号行分别对应于从奇数场和偶数场得到的数据。从原始数据块分别指向圆圈的箭头表示来自有助于亚取样色度合成数据形成的原始行数据象素。可以看到，合成的亚取样数据值是由独立的奇、偶场数据形成的。一般在场数据组成成帧数据之前进行亚取样。原始数据以复合的形式表示以示出与该原始数据有关的亚取样的数据的空间位置。亚取样的数据行位于依据MPEG规约的矩形中。注意：亚取样的数据行与有助于组成亚取样的数据行的原始数据行的距离是不等的。如果诸如相对于原始数据定位的色度分量的MPEG规给给予保留，立即可以发现，两行有助于形成亚取样数据行的原始数据行不以同等的比例起作用。考虑亚取样值X，它是由起作用的原始象素A、B、C、D组成的。显然，象素A和B比象素C和D离X更近，由方程可见将起更大的作用：

      X＝(3[A+B]+[C+D])/8        (1)亚取样数据行(例如SE1)是由2和4行的象素数据组成的。但是，在接收机上，不可能由亚取样数据发射行SE1重新构成对应的行2和4而不丢失细节。如果某些细节的丢失可接受的话，则接收的亚取样数据可以被水平内插加变换，以产生具有与原始水平象素密度相等的水平象素密度行。这些内插行被重新作为各行的代用品，它从对应的亚取样数据的各行中得来。换句话说，通过在垂直和水平二维上内插恢复的取样，恢复的信息行可以较高的垂直细节而再现。

假设：依据方程1所示关系组成SEi数据行，利用内插，垂直加变换这样的数据的典型的算法如下面公式： $R4i=\frac{7}{8}\left(\mathrm{SE}1i\right)+\frac{1}{8}\left(\mathrm{SE}2i\right)----\left(2\right)$ $R6i=\frac{3}{8}\left(\mathrm{SE}1i\right)+\frac{5}{8}\left(\mathrm{SE}2i\right)----\left(3\right)$ 其中：R4i和R6i是分别由4和6行产生的第i取样点，SE1i和SE2i是在恢复数据的SE1和SE2行中的第i取样。

图4以插图形式示出以一场一场为基础用来产生亚取样的色度值的另一方法。在此实例中，亚取样奇(偶)场数据是由奇(偶)场原始数据单行中得到的。应该注意，此技术本身没有导致它自身产生具有如前所述的以MPEG标准的空间位置的亚取样数据点。在重现的图象中，牺牲了水平分辨率而换取了垂直分辨率。但是，重现的每一行数据以不同于各自的发射数据重新构成。对每个亚取样的象素有用的四个原始象素可以相等速率参与作用，因为相对于色度信号的带宽这个信号是大大地过取样了。换句话说：较近的与较远的原始象素的贡献相比可以为3比1的比率。在接收机中色度数据的恢复中，根据图4所示的亚取样信号，仅要求水平内插，即以4比1水平加取样。

图5示出一种电路，它可采用于图7的单元41和42中以产一亚取样的色度值。单元41和42可先由各自的低通滤波器处理以限制所施加的色度分量信号的带宽来满足奈奎斯特(Nyquist)取样准则。在图5中单元10-22产生行取样值，它实际上位于每一对原始取样之间和第一对行之间。单元23和24选择所生成的取样以提供亚取样信号。输入信号取样信号以取样速率fs以不相干的数据场出现。把输入数据送到串接的一取样周期延迟单元12、减一行取样周期迟迟单元14及另一个一取样周期延迟单元16。刹间，在单元16的输入和输出端得到的取样对应于象素D和C(图3)，同时，在单元12的输入和输出端得到的取样对应于象素B和A。输入取样被送到一加权单元18上，此单元以参数W₁换算所送入的取样，在单元12、14和16的输出端得到的延迟取样分别送到加权单元19、20和21，在那里，分别以参数W₂、W₃和W₄换算取样。从加权单元18-21得到的换算的取样在加法器22中相加，加法器以输入取样的速率连续相加。假设取样B、A、D和C分别被送到加权单元18、19、20和21中，则加法器22提供的输出取样SE1i为：

SE1i＝W1(B)+W2(A)+W3(D)+W4(C)           (4)

如果加权因数W1、W2、W3和W4分别等于

和

，可看到，加法器提供与方程1成比例的取样值。换句话说，假如加权因数全都等于

，则得到的值实际上是与行3(图3)空间定位一致，它介于两行之间起内插值作用。

如所示，加法器提供在逐行原始象素之间水平上出现的和逐行的行之间垂直出现的取样。所需的信号是在水平和垂直两个方向上以2为系数的亚取样的信号。亚取样是通过选择内插总和交变行的每一其它和数来完成。通过锁住数据锁存器23中加法器22的输出来完成选择。在时钟信号的前沿跃迁送入其时钟C输入端之前，数据锁存器23存储并输出在它的数据输入端D上的数据。送到数据锁存器23的时钟信号通过将具有

行频(F_H/2)的方法和一具有

取样频率(F_s/2)的方波进行逻辑与运算的与电路(24)^-产生的。

图6示出另一实现图4所示方法的亚取样电路，图4的电路装置从单行原始象素值中产生内插值。代表加到单元35-38上的比例系数W5、W6、W7和W8分别是

和 ，这些系数维持部分水平的空间完整性。如果不相关，则所有的比例系数W5、W6、W7和W8可以都选为等于

本发明重点不是具体的内插/亚取样过程，而是所实现的信号处理链。对隔行扫描源信息内插/亚取样的处理应该在视频信号压缩之前以一场一场为基础，而不是以帧为基础进行。

图8示出了在接收机装置中的后压缩电路部分，此装置是根据上述方法处理预处理信号的。接收的数据送到去压缩电路50，在那里，视频数据以一帧一帧为基础去压缩。去压缩的亮度和色度分量被分别存入帧存储器51、52和53中作为去压缩处理的一部分。各成帧的视频数据被场选择电路(54、55)分解成相应的场。各场的色度数据以一场一场为基础由扩展电路(57、58)加变换，即是以象素速率N和行速率M出现的亚取样色度数据被处理成以行速率2M出现的速率2N的象素。之后，偶(奇)场亮度数据与偶(奇)场色度数据被提供给矩阵电路(59)，以产生R、G和B彩色视频信号。

在图9中示出了后去压缩处理过程。从图的上左方顺时针移动。把去压缩的、亚取样的色度分量(U或V)的帧分成各奇数场和偶数场。奇数场和偶数场数据加变换象素和行密度，使密度等于从例如图7中单元40得到的原始象素数据的密度。然后把加变换色度场数据与相应的亮度场数据逻辑相乘，产生R、G、B视频输出信号。注意，在逻辑乘过程中，亮度偶数(奇数)场与相应的加变换色度偶数(奇数)场逻辑相乘。

图10示出用于加变换亚取样色度数据的典型线路(假定如图3所示的亚取样形式)。所示的设备使水平行的象素数加倍。然后，输出每一加变换加倍行使每场的行数加倍。图10包括两个通道，一个用于处理奇数场，一个用于处理偶数场。两个同时兼用，因为去压缩器以一帧一帧的基础提供去压缩的数据。两个通道加变换的数据在信号混合器109中进行行交错并输出到存储器110。之后，可以从存储器110读数据，以便完成整个奇、偶场数据的逻辑相乘。

来自场选择单元56(55)的U或V色度数据分别送入奇、偶场输入总线98、99。(图为奇、偶场通道工作类似，将仅就奇数场通道阐述)在第一取样周期延迟单元100中，奇数场数据是稳定的，并送到第二取样周期延迟单元101上。来自单元100和101的延迟的取样分别送到加法器102的各输入端，以把送来的取样相加。总量除以2得到总取样的平均值，此平均值形成了空间位置处在形成总量的两个取样值之间的象素值。该平均值被送到混合器104的输入端上。把来自单元100的延迟取样送到混合器104的第二输入端。施加一具有亚取样频率的方波时钟信号以交替地将混合器两个输入端耦合至混合器输出端。混合器104的输出包含一系列去压缩的色度取样，这些取样与来自除法器103所计算出(插入的)的取样以一个取样一个取样的基础交替。从混合器104输出的取样速率是送到延迟单元100的取样速率的2倍。

把来自混合器104的取样送到另一混合器105上，混合器105被调整得适于使成行的交替的取样加到存贮单元106并使插入的取样行存贮到存贮单元107上。数据以二倍于亚取样的取素速率(原始取样速率)对单元106和107写和读。两个存储单元兼用，这样，可在从一个存储器中读数据的同时而将新的数据写到另一个存储器中。

把来自各存储单元的数据送到混合器109，混合器109基本从四个存贮单元上存取数据以连续输出插入了偶数场数据重复行的奇数场数据重复行。表示来自混合器109的数据序列的形式是O₀、E₀、O₀、E₀、O₁、E₁、O₂、E₂等。其中用O_i和E_i表示奇数和偶数行输出数据。脚标i代表亚取样数据行，从该数据中产生输出数据的行。这就是垂直加变换型的“重复行”。

参考图11，它包含一个典型的垂直加变换器，依据方程2和3提供垂直内插的成行取样。此电路可以代替图10中混合器104和109之间的单元。图11的一个电路可代替图10电路的每一通道。图11电路可为混合器104输出的每行数据同时产生两行输出数据。考虑SE1和SE2(图3)行水平加变换连续地从混合器104输出到图11电路。数据行被送到一水平行延迟单元200上，这样来自SE2和SE1行垂直校准的数据被分别同时作用在延迟单元200的输入和输出端上。从SE2和SE1排得到的垂直校准数据分别以参数 和

在202和204加权单元中相乘换算。单元202和204中的换算值在加法器205中相加，产生代表第6行的色度分量象素值。SE2和SE1行的垂直校准数据分别在加权单元208和209中以参数

和

相乘换算。来自单元208和209的换算后的值在加法器210中相加，以产生代表第4行的色度分量象素值。两个计算过的成行数据被送到混合器212上，混合器212能把一对成行数据直接传给两个存储单元之一。来自各存储单元的数据以诸如隔行扫描奇和偶场数据、或根据需要产生单独的奇数场及偶数场的顺序读取。

Claims (12)

1.一种视频信号设备，具有用于从隔行扫描视频信号产生非隔行扫描视频信号并把所述的非隔行扫描视频信号送到以帧为基础的压缩器的预处理器，其特征在于包括：

用于压缩分量视频信号的帧基视频信号压缩装置(46)；

一以连续奇偶场数据顺序发生的隔行扫描亮度分量信号和色度分量信号的信号源(40)；

用于把逐场亮度分量数据组合成相应的成帧的亮度分量数据、并把所述的成帧亮度分量数据送到所述压缩装置的装置(45)；

根据成场的色度分量数据。用于以一相互独立的奇、偶场为基础进行色度分量数据的内插的装置(41，42)，以提供代表不同于由所述色度分量数据代表的图象点的图象点的信号取样，并且用来提供至少垂直亚取样过的处理过的色度分量数据；以及

用于把内插/亚取样的奇、偶场色度分量数据帧提供给所述的压缩装置的装置(43，44)。

2.一种视频信号设备，具有用于从隔行扫描视频信号产生非隔行扫描视频信号并把所述的非隔行扫描视频信号送到以帧为基础的处理器的预处理器，其特征在于包括：

一以连续奇偶场数据顺序发生的隔行扫描色度分量信号的信号源；

根据相互独立的奇或偶场色度分量数据，用于内插色度分量数据，以提供至少垂直亚取样的色度分量数据的装置；以及

用于把内插/亚取样的奇、偶场色度分量数据帧提供给所述的帧基处理器的装置。

3.如权利要求2的设备，其特征在于：

所述的装置根据相互独立的奇或偶场色度分量数据，用来内插色度分量数据以提供至少垂直亚取样的色度分量数据，并且还包括用于水平内插和亚取样所述色度分量数据的装置。

4.如权利要求3的设备，其特征在于：所述用于内插的装置以3比1的比率复合逐场的成行采样并以1∶1的比率复合逐行水平取样。

5.如权利要求3的设备，其特征在于：所述用于内插的装置以1∶1的比率复合逐场的成行取样并以1∶1的比率复合逐行的水平取样。

6.如权利要求2的设备，其特征在于：所述的根据相互独立的奇或偶场色度分量数据，用于内插色度分量数据，以提供至少垂直亚取样色度分量数据的设置包括用于水平内插所述的色度分量数据并水平亚取样内插的色度分量数据产生为所述奇数场每行的四个原始象素值的一水平象素值的装置，以及用于水平内插所述色度公量数据并水平亚取样内插的色度分量数据以产生为所述的偶数场每行的四个原象素值的一个水平象素值的装置；其中亚取样的偶数场象素是间充的亚取样的奇数场象素。

7.用于后处理去压缩视频信号的设备，该信号是以一场一场为基础被预处理并以帧为基础压缩和去压缩的，其特征在于：

一用于提供成帧的去压缩视频数据的去压缩器；

根据对于相互独立的所述成帧的去压缩的视频数据的场，用来产生具有水平图象行数增加了的成帧的视频数据的内插装置。

8.如权利要求7的设备，其特征在于：

所述的去压缩视频数据包括亮度分量数据及色度分量数据，所述的色度分量数据被送到所述的内插装置；所述的设备还包括：

用于将由所述的内插装置产生的所述成帧的视频数据的奇数场与对应的所述亮度分量数据奇数场复合，并且将由所述的内插装置产生的所述成帧的视频数据的偶数场与对应的所述亮度分量数据偶数场复合的装置。

9.如权利要求8的设备，其特征在于：

所述用于复合的装置是用于产生红、兰、绿彩色信号的逻辑乘装置。

10.如权利要求7的设备，其特征在于：

所述的内插装置包括用于在水平和垂直两维上内插视频数据以提供更高分辨率的信号图象的装置。

11.如权利要求7的设备，其特征在于：

所述内插装置包括用来将来自连续水平行的去压缩数据中的色度数据以1∶7的比率复合以产生加变换行，并将来自所述连续水平行的去压缩数据中的色度数据以3∶5的比率复合以产生另一加变换行的装置。

12.如权利要求7的设备，其特征在于：

所述的内插装置包括用来交替地提供水平内插象素数据和去压缩的象素数据以水平地产生加变换象素数据的装置，以及用于垂直加变换所述水平加变换的象素数据的装置。

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