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文檔簡介

1、數(shù)字梳狀濾波器梳狀濾波對于畫面質(zhì)量是非常重要的一個(gè)技術(shù),因此我們有必要對其進(jìn)行詳細(xì)刨析。那么具體什么是梳狀濾波器呢?這就要從源頭(信號(hào)源)開始講起了,一開始,接收視頻的Video端子是Composite端子(比如RF射頻接口和AV接口),它所能接收的信號(hào)叫Composite Video Signal,即混合視頻信號(hào)(也稱復(fù)合信號(hào)),什么意思呢?因?yàn)檫@個(gè)Composite(混合)信號(hào)包括了亮度(Luminance,用字母Y表示)和色度/彩度(Chrominace)兩方面的信號(hào),視頻電路要做的工作就是Y/C進(jìn)行分離處理,目前的梳狀濾波器是在保證圖像細(xì)節(jié)的情況下解決視頻信號(hào)亮色互竄的唯一方法,其內(nèi)部

2、有許多按一定頻率間隔相同排列的通帶和阻帶,只讓某些特定頻率范圍的信號(hào)通過,因?yàn)槠涮匦郧€象梳子一樣,故人們稱之為梳狀濾波器(Comb Filtering)。梳狀濾波器一般由延時(shí)、加法器、減法器、帶通濾波器組成。對于靜止圖像,梳狀濾波在幀間進(jìn)行,即三維梳狀濾波。對活動(dòng)圖像,梳狀濾波在幀內(nèi)進(jìn)行,即二維梳狀濾波。高檔數(shù)字電視機(jī)采用行延遲的梳狀濾波器與帶通濾波器級聯(lián),構(gòu)成Y/C分離方案就可獲得滿意的圖像質(zhì)量。使用梳狀濾波器能使圖像質(zhì)量明顯提高。解決了色串亮及亮串色造成的干擾光點(diǎn)、干擾花紋;消除了色度正交分量U、V色差信號(hào)混迭造成的彩色邊緣蠕動(dòng);消除了亮、色鑲邊,消除了高頻信號(hào)的色彩錯(cuò)誤和灰度值表示錯(cuò)誤

3、。有一段時(shí)期國內(nèi)很多工廠(為了節(jié)省成本)使用模擬的方式實(shí)現(xiàn)梳狀濾波器,實(shí)際上效果很不好,原因有兩個(gè),一是延遲器件的帶寬很難保證,二是解決行相關(guān)性差問題的自適應(yīng)電路很復(fù)雜。而在數(shù)字電路里,只要有足夠的存儲(chǔ)器,就可以保證足夠的延遲時(shí)間與信號(hào)帶寬,且復(fù)雜的自適應(yīng)電路很容易集成在芯片中硬件固化。梳狀濾波器原理及發(fā)展歷史:梳狀濾波器采用頻譜間置技術(shù),理論上可以保證亮度和色度的無失真分離。如果我們好好回顧一下梳狀濾波器的發(fā)展歷程,將對其有個(gè)清醒的認(rèn)識(shí)。第一階段:采用頻率分離法將Y/C信號(hào)分開。這種方法是利用色度信號(hào)以副載波方式傳輸這一特點(diǎn)(PAL制副載波為4.43MHz,NTSC制副載波為3.58MHz)

4、,用選頻電路將Y/C信號(hào)分開。內(nèi)部由LC帶通濾波器和陷波器組成,將視頻信號(hào)通過一個(gè)中心頻率(fsc)為色度信號(hào)窄帶(比如PAL制式4.43MHz頻率副載波)帶通濾波器,取出色度信號(hào)。再將亮度信號(hào)經(jīng)過一個(gè)中心頻率為色度信號(hào)副載波4.43MHZ的色度陷波器,吸收色度信號(hào),從而得到亮度信號(hào)。這種方法簡單易行,采用元器件少且成本低,所以在早期彩電中應(yīng)用得比較廣泛。但是,頻率分離方法存在著一些嚴(yán)重的問題:在亮度通道中,色度陷波器在吸收色度信號(hào)的同時(shí)也將該頻率范圍內(nèi)亮度信號(hào)的部分頻率分量抑制掉了,這叫亮度信號(hào)的高頻分量丟失,從而影響了亮度信號(hào)的清晰度大家想想看,一段音樂哪怕再動(dòng)聽高音丟了那還能聽嗎?同時(shí),

5、殘余的色度信號(hào)也可能進(jìn)入亮度通道而引起串色干擾,通常在屏幕出現(xiàn)彩色測試卡是最后兩條頻帶染色現(xiàn)象。在色度通道中,L.C色度帶通濾波器品質(zhì)不高,取出色度信號(hào),抑制亮度信號(hào)的同時(shí),也把該頻率范圍內(nèi)的亮度信號(hào)選出來了,高頻亮度信號(hào)經(jīng)色度解調(diào)器被解調(diào)出來(屬于多余信號(hào)),使得一些細(xì)格子或條狀區(qū)域出現(xiàn)閃爍的彩色干擾??梢娎脗鹘y(tǒng)的頻率分離方法根本不能將Y、C信號(hào)作出徹底分離,必然存在著:亮串色、色串亮”的干擾,使圖像質(zhì)量難以令人滿意。事實(shí)上這種方法在彩電中的應(yīng)用,會(huì)出現(xiàn)圖所示的影響。  左圖為普通電視畫面,右邊為內(nèi)置梳狀濾波電路電視畫面第二階段:采用梳狀濾波器和頻譜分離法進(jìn)行亮色分離。它是根據(jù)視

6、頻信號(hào)頻譜交叉的原理及梳狀濾波器的梳齒濾波頻率傳輸特性,以頻譜分離的方式分離出亮度和色度信號(hào),這種新的分離方法使Y/C信號(hào)分離比較干凈徹底,從而大幅提高圖像清晰度。通常梳狀濾波器是由兩行延遲線、加法器、減法器等部分組成。事實(shí)上在大屏幕彩電中,又分為NTSC制Y/C分離和PAL制Y/C分離。例如對于NTSCM制式,我們假設(shè)相鄰兩行的視頻信號(hào)保持相關(guān)性以及延遲線無損耗,Y信號(hào)頻譜與C信號(hào)頻譜以fH/2間隔交替出現(xiàn)(fH表示行頻),副載波頻率fsc為227.5fH,如果設(shè)計(jì)一個(gè)梳狀濾波器電路,使V信號(hào)延時(shí)一行,再分別與未延時(shí)的信號(hào)進(jìn)行加減。延時(shí)前后Y信號(hào)相位不變,而C信號(hào)相位相反。延時(shí)信號(hào)與直通信號(hào)

7、在加法器中相加后得到Y(jié)信號(hào),即(YC)(YC)2Y,在減法器中相減則得到C信號(hào),即(YC)(YC)2C。從梳狀濾波器幅頻特性曲線分析,Y頻譜落在加法器特性曲線峰點(diǎn)及減法器特性曲線谷點(diǎn),所以比較徹底地使亮度信號(hào)與色度信號(hào)相互分離開來。    PAL梳狀濾波器Y/C分離,常稱之為二行分離法(也叫二元分離法)。它使用一個(gè)NTSC制信號(hào)或兩個(gè)PAL制信號(hào)行存儲(chǔ)器與帶通濾波器結(jié)合使用,組成垂直、水平二元帶通濾波器,基本結(jié)構(gòu)原理如上圖所示,只是將1H延時(shí)線改為2H延時(shí)線。(這是因?yàn)镹TSC制亮度信號(hào)、色度信號(hào)采用fH/2間置,而PAL制則采用fH/4間置(即副載頻fsc283

8、.75fH25Hz283.75fH),因此PAL梳狀濾波器Y/C分離電路要用2H延時(shí)線。)由亮度信號(hào)Y和色度信號(hào)C組成的復(fù)合全電視信號(hào),一方面直接加到加法器與減法器的輸入端,稱為直通信號(hào),同時(shí)經(jīng)兩行延遲時(shí)間(2TH)使色度信號(hào)反相后得到的延遲信號(hào)(YC)也加到加法器和減法器的另一輸入端。在加法器中直通信號(hào)(YC)與延時(shí)信號(hào)(YC)相加得到亮度信號(hào)2Y;在減法器中直通信號(hào)(YC)與延時(shí)信號(hào)(YC)相減即得到色度信號(hào)C,達(dá)到亮色分離的目的。梳狀濾波器Y/C分離法的特點(diǎn)可歸納為:由于加法器輸出特性可選出亮度信號(hào)的高頻分量,不會(huì)造成高頻分量的丟失,并可將視頻帶寬全部加以利用,從而使圖像清晰度大大提高,

9、同時(shí)在亮度通道中將色度信號(hào)抑制得比較徹底,不致于產(chǎn)生殘留色度信號(hào)干擾。而減法器輸出中較好地抑制掉亮度信號(hào),以最大傳輸系數(shù)選出色度信號(hào)C,并用帶通濾波器對殘留亮度信號(hào)作進(jìn)一步衰減,解決了亮度信號(hào)對色度通道的串?dāng)_問題,從而提高了圖像質(zhì)量。左右圖分別是標(biāo)準(zhǔn)電視信號(hào)測試有無梳狀濾波的拍攝畫面,看看亮色互竄畫面是多么“繽紛多彩”。 上述分析結(jié)果是基于信號(hào)相關(guān)性的假設(shè),可將色度信號(hào)與亮度信號(hào)較徹底分離而獲得較為理想的圖象質(zhì)量。但實(shí)際的視頻信號(hào)并不是這樣理想的,即會(huì)出現(xiàn)非相關(guān)情況,如垂直方向有色度跳變,那么在此處直通信號(hào)與延遲信號(hào)中的Y、C分量不再相同,加法器與減法器便不能將C或Y分量完全對消,造

10、成Y與C分離不徹底。如果不愿意看長篇大論的朋友直接看下面的表格:表四:N制/PAL制梳狀濾波器的異同NTSC制式梳狀濾波器PAL制式梳狀濾波器延時(shí)1H2H直通信號(hào)YC延時(shí)后反相信號(hào)YC(注明:亮度信號(hào)Y不變,僅色度信號(hào)C反相)進(jìn)入加法器(YC)(YC)2Y,解析出亮度信號(hào)進(jìn)入減法器(YC)(YC)2C,解析出色度信號(hào)優(yōu)點(diǎn)能夠解決部分亮、色干擾問題,提高圖像質(zhì)量缺點(diǎn)要求前后兩行信號(hào)要比較相似,即要求行相關(guān)性好。例如藍(lán)色的天空、黑沉的夜晚等靜止畫面圖像信號(hào),其亮度信號(hào)和色度信號(hào)可在這種Y/C分離電路中徹底分離開來;但如果出現(xiàn)垂直方向有色度信號(hào)突變的不相關(guān)情況(即前一行信號(hào)與后一行信號(hào)不同,尤其是動(dòng)

11、態(tài)畫面),它會(huì)將其當(dāng)成相交信號(hào)來處理,于是在加法器中不能完全抵消色度信號(hào),造成Y/C分離不徹底,仍出現(xiàn)色點(diǎn)干擾。我們看到,PAL制梳狀濾波器比N制梳狀濾波器要略微復(fù)雜一些,不過不管怎么說,既然還有不足之處,那仍然需要做改進(jìn),所以梳狀濾波器技術(shù)繼續(xù)發(fā)展。第三階段:(模擬式)動(dòng)態(tài)梳狀濾波器模擬動(dòng)態(tài)梳狀濾波器結(jié)構(gòu)如圖所示。它由兩個(gè)延時(shí)線(PAL為2H延時(shí)線,NTSC為1H延時(shí)線)、三個(gè)帶通濾波器、垂直相關(guān)性檢測電路、加法器、減法器等組成。就PAL制彩色信號(hào)而言,要對在動(dòng)態(tài)梳狀濾波器中直通信號(hào)(YC)、延遲兩行時(shí)間信號(hào)(YC)、延遲四行時(shí)間信號(hào)(YC)這三行信號(hào)進(jìn)行垂直方向上的圖像相關(guān)性檢測,產(chǎn)生一個(gè)

12、所需的彩色信號(hào)。所謂相關(guān)性檢測,實(shí)際上是檢測場與場之間相關(guān)性的強(qiáng)弱,一般采用的是場差法或低通場差法,即對兩場中各對應(yīng)像素逐點(diǎn)相減并求和,以該值大小作為圖像動(dòng)態(tài)情況的描述。模擬動(dòng)態(tài)梳狀濾波器克服了普通梳狀濾波器的缺點(diǎn),改善了活動(dòng)圖像信號(hào)Y/C分離效果,從而進(jìn)一步提高了圖像質(zhì)量。區(qū)別普通梳狀濾波器動(dòng)態(tài)梳狀濾波器相關(guān)性檢測無有水平方向梳狀濾波有有,效果更好垂直方向梳狀濾波無有動(dòng)態(tài)畫面Y/C分離無有成本一般設(shè)計(jì)復(fù)雜,成本較高這是90年底初的技術(shù),當(dāng)時(shí)的大屏幕進(jìn)口彩電,如29寸的東芝、松下中均采用了此種梳狀濾波器。第四階段:動(dòng)態(tài)數(shù)字式梳狀濾波器。上述的模擬動(dòng)態(tài)梳狀濾波器Y/C分離電路,雖然能有效解決活動(dòng)

13、圖像信號(hào)的Y/C分離問題,但對單制式信號(hào)Y/C分離要用6個(gè)調(diào)節(jié)點(diǎn),若要適應(yīng)PAL、NTSC制Y/C信號(hào)分離,則需12個(gè)調(diào)節(jié)點(diǎn),這樣就存在調(diào)整繁雜的問題,如此多的調(diào)節(jié)點(diǎn)在生產(chǎn)中難以保證質(zhì)量,況且批量生產(chǎn)會(huì)成為難題。于是,人們研制出更為先進(jìn)的、精密的數(shù)字式動(dòng)態(tài)梳狀濾波器。數(shù)字式動(dòng)態(tài)梳狀濾波器Y/C分離電路如下圖所示。它主要由五塊IC封裝一起組成厚膜電路,即由A/D變換器CXD1176Q、延遲線CXK1202×2、數(shù)字式動(dòng)態(tài)梳狀濾波器CXD2011Q及D/A變換器CXD1177Q組成,與時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器配合完成Y/C分離。新型三行數(shù)字化梳狀濾波器結(jié)構(gòu)圖它是利用三行彩色信號(hào)來完成垂直方向的相關(guān)

14、檢測,僅提取所需要的彩色信號(hào),從而克服了模擬梳狀濾波器的缺點(diǎn),使圖象的水平清晰度從350線一舉提高到450線以上!首先,全電視信號(hào)進(jìn)來后,由模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)轉(zhuǎn)換成8bit的數(shù)字式信號(hào),我們看上圖中下半部分是典型的鎖相環(huán)路,用于產(chǎn)生四倍于色副載波振蕩取樣頻率,作為數(shù)字Y/C分離電路的時(shí)鐘(這部分是一典型的時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器),對PAL制為17.73MHZ,對NTSC制為14.32MHZ。數(shù)字化后的視頻信號(hào)送入動(dòng)態(tài)梳狀濾波器,在動(dòng)態(tài)梳狀濾波器中進(jìn)行數(shù)字式動(dòng)態(tài)梳狀濾波Y/C分離,原理與前述大同小異,只是前、中、后三行視頻信號(hào)經(jīng)過色帶通濾波處理后再進(jìn)入邏輯運(yùn)算電路。此電路中,每相鄰的兩行信號(hào)相減后都可

15、取出色度信號(hào)C,而將此C信號(hào)再與中間一行視頻信號(hào)(YC)相加,則抵消了C信號(hào)而分離出Y信號(hào)。8bit數(shù)字亮度信號(hào)Y和數(shù)字色度信號(hào)C分別送入數(shù)模變換器(DAC),經(jīng)其轉(zhuǎn)換后輸出模擬Y信號(hào)和C信號(hào),分離效果極徹底且無需作任何調(diào)整,所以是效果較好,廣泛應(yīng)用的Y/C分離電路。筆者手頭有一份長虹經(jīng)典2919PK的電路圖,里面對梳狀電路的原理講解(信號(hào)流程)非常透徹,將來有機(jī)會(huì)再與各位同好共同探討。值得注意的是,在邏輯運(yùn)算器中,仍然有一個(gè)垂直相關(guān)電路,用來比較判別三行信號(hào)的差別,當(dāng)三行信號(hào)差別較大時(shí),說明圖像內(nèi)容在垂直方向發(fā)生了變化,電路即進(jìn)行運(yùn)算,其運(yùn)算過程是:先前兩行信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算取最小值,再對后兩行信

16、號(hào)進(jìn)行運(yùn)算并取最小值,然后把兩個(gè)最小值進(jìn)行比較取出大者;用同樣方法取出此三行信號(hào)中相鄰兩行信號(hào)中的最大值,然后把兩個(gè)最大值再作比較并取小者。最后把上述最小值中的大者和最大值中的小者平均后輸出,此平均值應(yīng)能代表相鄰三行信號(hào)中的變化趨勢,使輸出接近于未來的狀態(tài)。這就是數(shù)字式動(dòng)態(tài)梳狀濾波器的工作特點(diǎn),多次比較和平均的結(jié)果,使數(shù)據(jù)非常精確,從而保證了分離效果,所以認(rèn)為它是一種先進(jìn)的Y/C信號(hào)分離電路。說到這兒,我們不僅想起顯卡的AA全屏抗鋸齒技術(shù),不和梳狀濾波有異曲同工之妙?技術(shù)的發(fā)展是能智能判斷以求最少的代價(jià)得到最準(zhǔn)確的結(jié)果。小知識(shí):為什么很多電視機(jī)宣傳單里號(hào)稱有梳狀濾波器(N制),而沒有PAL制?

17、 很簡單:因?yàn)閱我恢剖釥顬V波器成本低啊,PAL制梳狀濾波雖然不復(fù)雜,但是卻不能與N制濾波電路共用,因此勢必增加成本。我們收看的電視節(jié)目一般是PAL制,所以沒有PAL制的電視機(jī)就像MX440SE用64bitDDR顯存一樣,屬于低成本的產(chǎn)品,不推薦購買。還有我不理解的是為什么有的廠家吝惜得連這種對畫質(zhì)起至關(guān)重要作用的電路都要省掉,要知道一個(gè)普通的梳狀濾波器僅僅價(jià)值3.5美元??! 存儲(chǔ)三個(gè)層面,比較并進(jìn)行分割,東芝飛視采用的技術(shù)目前專用的梳狀濾波器已經(jīng)越來越少了,因?yàn)楠?dú)立數(shù)字梳狀濾波器成本不菲,而且只能匹配模擬的彩色解碼電路,我們知道一個(gè)好的電路,從頭到腳不能存在瓶頸,否則效果會(huì)大打折扣這就是單獨(dú)做

18、萬金油般全能梳狀濾波器不劃算的地方,所以最新的數(shù)字電路解決方案是將數(shù)字化彩色解碼芯片和數(shù)字梳狀濾波器集成,至于做成單芯片還是多芯片具體要看廠商的設(shè)計(jì)功力了。常見的梳狀濾波器有2D和3D之分,2D之中又有兩行、三行、五行之分,它們具備不同的自適應(yīng)效果,成本和價(jià)格差距很大。最后我們總結(jié)成如下幾點(diǎn),以方便大家觀看:1、目前最先進(jìn)的梳狀濾波器是3D數(shù)字式梳狀濾波器,它能夠從空間(2D)、時(shí)間(第三維方向)將每組畫面的亮度及色度信號(hào)精確地分離,有效消除影響信號(hào)中的雜波、斑點(diǎn)、色彩重疊現(xiàn)象,使畫面更加清晰。2、較好的梳狀濾波器必須是雙制式梳狀濾波器尤其是對國內(nèi)消費(fèi)者來說;3、數(shù)字梳狀濾波器有不同的自適應(yīng)算

19、法,因此各家效果也不同。但視頻存貯能力(相當(dāng)于顯卡的顯示緩存)越大,視頻處理芯片越精密,算法越復(fù)雜其Y/C分離效果越好。梳狀濾波器等級普通兩行梳狀濾波器動(dòng)態(tài)模擬梳狀濾波器三行動(dòng)態(tài)數(shù)字梳狀濾波器(N制)五行動(dòng)態(tài)數(shù)字梳狀濾波器(P制) N制智能梳狀數(shù)字濾波器3D數(shù)字梳狀濾波器清晰度350線400線450線480線500520線直觀看圖辨優(yōu)劣:好,理論歸理論,實(shí)際歸實(shí)際,那么梳狀濾波器對哪些畫面更敏感呢?我們來看看下面的電視信號(hào)測試圖:豎直線條疏密相間,還有各種同心圓最能看出畫面清晰度和亮色串?dāng)_問題,不過這種電視標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生碟片可真不好弄。筆者手頭只有一張低清晰度版本的,只能說明部分問題。左右分別為

20、無Y/C分離和3D梳狀濾波畫面,是不是大不一樣?DPTV-DX的實(shí)際效果圖,梳狀濾波還是很干凈的。這張圖是Trident官方提供的資料,梳狀濾波效果很明顯。其實(shí)呢大商場里比比皆是的實(shí)際演示碟很容易說明問題,關(guān)鍵是很多人不了解應(yīng)該在哪些場景下進(jìn)行判斷:我們注意上圖色塊交界處合,垂直線條處的細(xì)節(jié)是最容易出現(xiàn)問題的地方。大面積色塊交界處,所有有細(xì)小豎直或者橫向條紋的畫面細(xì)節(jié)、畫面上的文本處,都是梳狀濾波器大顯身手的地方。梳狀濾波器將亮色分離得更徹底,使畫面更清晰、純凈和細(xì)膩完美。看這種縱橫交錯(cuò)的高樓大廈最能看出電視畫面的好壞,比較差的(比如普通隔行無三行梳狀濾波)電視機(jī)在這種地方原形畢露,模糊且閃爍得厲害。再舉一個(gè)例子當(dāng)更能說明問題,看小包中間的豎直條紋是否清晰,好的梳狀濾波器能有效去除亮度、色度串?dāng)_及色彩斑點(diǎn)。還有一個(gè)地方很說明問題,就是有大片郁郁蔥蔥的綠色植物時(shí)的電視畫面我不會(huì)騙你的,在這個(gè)地方是考驗(yàn)電視機(jī)真功夫的地方。上面是舉例說明梳狀濾波器對哪些畫面有影響,下面是相同畫面的對比。例一: 通過籃子的篾條可以很明顯地看出,普通

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