模拟电视的数字亮色分离实现方法

黄振强

[摘要]传统的模拟电视如果采用模拟电路的方式来实现亮色分离，成本和解码质量都不能令人满意。主要讨论如何用数字方式实现复合模拟电视信号(CVBS)的亮色分离。该数字解码器可以提供比较好的图像解码效果，并可与ADC一起配合，实现高度集成的SOC芯片。

[关键词]数字解码 色副载波 亮色分离 数字梳状滤波器

中图分类号：TN4文献标识码：A文章编号：1671－7597（2009）0420019－02

一、引言

模拟电视信号可由下式来描述：

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

PAL＝Y＋U Sin(ωt)±Vcos(ωt)+Timing；（1-2）

色度信号通过色副载波的调制与亮度信号叠加，形成CVBS信号，带宽约6MHz。在NTSC中，Fsc=227.5，fH=3.58MHz。在PAL中，Fsc＝283.75，fH=4.43MHz。频谱图[1]见图1。

(a)NTSC的频谱交错，1/2行频间置；(b)PAL的两个色度信号之间相距半行频，亮度信号位于它们之间，1/4行频间置。

二、亮色分离（Y/C separation）

由于色度信号和高频的亮度信号占用了频带中相同的频率资源，所以，在Decoder中将它们分开是比较困难的。在显示器上显示CVBS信号时，主要体现为两个比较明显的问题：亮串色和色串亮。这是亮色分离不好的结果。

色度信号被调制在视频带宽的高频部分，而在高频段，亮度信号的幅值已经衰减的很明显。另外，再利用图1所示的频谱特点，采用数字梳状(comb)滤波器就可以取得比较好的亮色分离效果。

（一）AFE采样信号的重采样

基于我们的算法，我们这里需要对从ADC 得到的数字视频数据重新采样[2]一次，采样的频率是4fsc，这里的fsc就是从CVBS信号中恢复出来的副载波的频率值。用4fsc来重新采样，可以得到如下的数据结构，这对随后的Y/C 分离很有好处。

图2的左半部是采样的时钟相位[3]，右半部是连续3行的采样点的结构[4]。

（二）2D comb filter亮色分离

利用亮度信号和色度信号在频谱上的交错关系，使用Comb filter可以得到比较好的亮色分离效果。缺点是会降低垂直分解力。

根据图2提供的采样点结构，我们可以得到一个简单的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）

下图[1]就是一个基于以上算法的电路框图。

（三）2D Adaptive Comb filter亮色分离

当相邻行图像之间的相关性较强，相邻行的数据相差不大时，通过这样简单的加减运算就能在垂直方向上得到比较好的亮色分离效果。但是，实际的视频信号常常会有比较大的变化，比如对于斜线的处理，效果就不太好。这时，这种简单的comb filter的处理结果就会出错。这种情况下，就必须采用自适应comb filter[1][5]的方法来改善解码的图像质量。

另外，在有颜色变化的行中，经过标准的comb filter后，亮度信号中仍会残留一些色副载波信号。副载波的幅值在颜色变化的时候会随之变化，这样，这些残留的副载波信号会使亮度信号的幅值有所变化，产生所谓的亮点干扰。此时，在做完comb filter后，增加一个色副载波的陷波滤波器来去掉残留的副载波信号，会有比较好的效果。

自适应的comb filter一般通过处理3x3、5x5或者更大的block来应付诸如垂直方向的突变、副载波相位的突变等情况，根据不同情况采用相应的算法来应对，这样的算法有很多。下面是一个简单的带有权重系数的自适应算法。

Chroma＝aC1+bC2；（a,b：权重系数）；（C1，C2：相邻两行的色度信号）。

（四）3D Adaptive Comb filter亮色分离

在目前的大尺寸平板电视中，对画质的要求越来越高，3D自适应comb filter[1][4]就是为了应对这样的需求而发展的。3D自适应Y/C分离可以进一步改善亮色分离的效果。这种滤波器一般使用CVBS信号的当前场跟前两场信号(NTSC)或者前4场信号(PAL)来做处理。对于静止画面，3D Y/C分离几乎是完美的。下图是不同场的采样点的结构，可以清楚的表明亮色很好分离的原因。

但是，如果场间数据有变化的话，Y/C分离的结果会是错误的。所以，对运动画面，一般会采用2D自适应comb filter来进行亮色分离。那么问题的关键就是如何来判定画面是运动还是静止的。于是运动向量检测被引入。

运动向量检测，基本方法就是比较低频亮度信号帧与帧之间的变化。运动检测的性能很大程度上决定了Y/C分离的质量如何。运动向量检测器一般产生一个介于0～1的系数，可以使用该值来混合前面的2D和3D comb filter产生的亮度信号和色度信号，从而得到新的亮度和色度信号。在实际应用中，一般要对求得的系数做如下处理：在一定的水平和垂直窗口中，求平均来平滑该值；乘上一个增益因子来调节该值的大小；防止溢出的动作。这样会保证最后结果的正确。

三、仿真验证结果

我们用Verilog语言实现了该数字解码器，并进行了大量的仿真和FPGA验证工作。下面是一个color bar 信号的仿真2D解码效果。

在FPGA验证时，我们把SOC芯片中需要集成的AFE电路单独做成一块小电路板，与FPGA(Virtex V)板中数字decoder相配合，一起调试对模拟电视信号的解码效果。下面是我们从FPGA中实际抓取的color bar的2D解码信号图。

其中“ADCR_IN_PCB”是输入的CVBS信号，“cs_UV_out”和“cs_Y_

out”是解码后的色度和亮度信号。

四、结论

在我们的应用于模拟电视后处理的SOC芯片中，该decoder已经被应用，实际测试效果良好。

参考文献：

[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.