具有运动补偿的100Hz视频变换系统

传统的彩色电视存在大面积闪烁的问题,在Incredible Motion技术中使用了数字存储器技术、场频变换、运动估计和补偿来获得无闪烁的显示效果,确保运动物体能在电视屏幕上完美自然地显示。本文将介绍该技术的实现方法和相关的芯片技术。

目前世界上正在使用的各种标准清晰度电视广播制式中,没有任何一种是完美的,每种制式都有其各自的优点和缺点。例如,NTSC制式虽然色彩表现较差,垂直分辨率也只有525线,但它使用一种隔行扫描显示方式,其刷新速率为60Hz(场频),这个速率足以显著减少大面积的闪烁(70Hz是消除这种影响的理想最低刷新速率,但60Hz的效果也比较理想)。尽管625线隔行扫描显示的PAL制式在产生精确的色彩和提供更高的垂直分辨率方面表现更佳,但它的刷新速率只有50Hz,这会在画面上产生易于察觉的大面积闪烁。

减少这种大面积闪烁的关键是将刷新速率从50Hz提高到70Hz或更高。飞利浦半导体公司的100Hz技术简单地将每个时序场加倍,这样电视的刷新速率便从PAL制式的50Hz提高到了100Hz。CRT上荧光粉的明灭不会再被人类视觉系统(HVS)所察觉,画面中的闪烁也就不再存在。

在模拟电视领域的大量经验和领先的图像增强技术的基础上,飞利浦半导体公司推出了“Incredible Motion”技术,该技术用来消除图像模糊和抖动,提供清晰的图像质量。该公司独特的“电影模式”确保DVD和VCD能够极其平滑地进行播放,即使在剧烈运动的图像期间也可以保证图像质量。

简化的100Hz电视系统

在100Hz的电视机中,通过变换器(在飞利浦的100Hz电视方案中采用SAA4979芯片)将每个图像场简单地重复一次(如AA-BB,其中A和B是两个单独的场),以便将场频从50Hz提高到100Hz。在这种模式中,这些简化生成的100Hz场简单地使用中值滤波器技术来进行补偿,滤波器对这些场中的运动进行基本平滑处理。

Incredible Motion 100Hz电视系统

在采用Incredible Motion技术的飞利浦100Hz电视设备中,场交替出现,如A-B-A-B,以便进一步消除闪烁,实现完全稳定的画面。为了消除当画面上有对象移动时可能产生的任何抖动,该技术使用一个数字存储器来估计对象在一个场中的运动,并产生用来插入在已有帧之间含有位置经过校正的运动对象的新帧。

新插入场是通过运动信息计算得到的,移动对象的即时位置信息来自三个场--当前场(A)、下一个场(B)和前一个场(Z)。通过对这些场进行比较,Incredible Motion可以产生更为平滑的运动。

当画面上存在运动物体时,新生成的场将把移动对象定位在正确的位置,这使对象的运动显得更平滑。这个处理过程背后的关键是采用了飞利浦公司的Falconic芯片,它可以检测快速移动的对象,并能同时处理快速的多向运动。

场频变换

SAA4979是从50/60Hz到100/120Hz进行4:2:2视频扫描变换的独立芯片,其主要特征是将包括一个3.5Mb场存储器在内的所有数字功能都做在一个芯片内部。

该芯片支持两个数字ITU-656视频输入数据流,允许画中画处理。它提供了画面提升特性和非线性水平画面压缩或扩展功能,并具有模拟YUV信号输出,片上存储器用于扫描变换和基于场的噪声消除。SAA4979是专门设计用来实现100Hz应用,并允许单芯片100Hz变换。对于中高端应用,它还为基于矢量的运动估计和SAA4993/4(FALCONIC)之类的补偿芯片提供了一个扩展端口。

场存储器

SAA4979具有内置的扫描变换存储器。写地址指针由来自50Hz垂直同步脉冲V656_1的RSTW信号进行复位,读地址指针由垂直的100Hz同步脉冲VD附近产生的RSTR进行复位。在WE有效时数据就被写入到存储器,RE有效时,数据被读出存储器。WE和RE是由SAA4979内部的采集控制部分产生的。图2显示了扫描变换存储器的基本时序,RSTW、V656_1、WE和RE为芯片的内部信号。

数字噪声消除

SAA4979中动态噪声消除电路基于递归信号滤波,它将一个当前的信号和一个先前的(被延迟的场)信号进行混合。噪声消除的水平是动态控制的,取决于图像运动状况,即画面之间的差异。因此,噪声消除电路与该芯片的场存储器密切相关。该存储器有两个输出端口:其中一个用于扫描频率的加倍,另一个是50/60Hz的输出,并用于噪声消除回路。

场频变换中的问题

将扫描频率加倍的最简单的方法是将每个场显示两次,这样可以有效地消除大面积的闪烁,但仍然会产生图像模糊或运动边缘锯齿效果。对于一个移动对象,由于每隔一个场该物体没有处在正确的位置,因而产生错位问题。

由于电影每秒只有25个画面,在电视机播放电影时情况更糟糕。在一台50Hz的电视上,每个运动相位被显示两次,由于画面刷新速率较低,使得在对象的期望位置和实际显示位置之间误差更大,这导致了令人讨厌的抖动。在目前的100Hz电视中,每个电影画面被重复四次,这更加剧了运动图像的抖动效果。

运动估计和补偿

为了克服上述问题,需要采用一种运动估计技术,它将内插图像中的对象放置在人类视觉所期望的位置。在SAA4993/4中采用了一种三维递归查找块匹配算法,图3显示了块匹配的原理。

运动估计只在亮度通道中进行。运动补偿的上变换在亮度通道中完成,而色度信号的上变换由一个中值滤波器完成。矢量范围为垂直方向±12线、水平方向±31.75像素(子像素精度)。亮度运动估计器和补偿器的一般结构参见SAA4993/4的数据手册。

运动估计器

运动估计器计算即将到来的视频场中对象的运动矢量,其方法是将该场与先前的帧进行比较。它通过本地缓存或多端口RAM从当前场和前一帧中读取像素数据。在前一个场周期中估计并保存在临时预估存储器(TPM)中的当前和相邻块的预测矢量被用作新估计的基础,运动估计器从这一信息中生成新的运动矢量,再将它保存在TPM中,从而实现临时递归估计。

运动估计器对一个大小为4线×16像素的块进行处理,按照一种棋盘形模式(梅花块子采样)给4线×8像素的块指定运动矢量。这其实对应着一种因子为2的子采样,每隔一个块才被指定一个运动矢量,其它块采用运动矢量插值。找出一个块的移动矢量的主要根据是相邻块的矢量(空间预测矢量)和前一场中的当前及相邻块的矢量(临时预测矢量)。

对于每个画面块将选择四个备选矢量,矢量的选择是可编程的。图4给出了一种算法的例子,它提供了一个随机更新的矢量,可用于任意预测矢量。

在图5中,Cmax定义了当前块B周围一个特定区域内的最大备选矢量,它通过扫描块B周围的5个矢量得到。各个块的最大矢量互不相同,因此Cmax是用来评估5个运动矢量的一个备选矢量。该最大备选矢量能使运动矢量快速收敛。

Cp是一个可编程的矢量。如果在画面中检测到摄像机的镜头移动或伸缩时,可能会选择该备选矢量。对每个输入场作两次运动估计,但是使用不同的备选矢量集。第一次运动估计称为左估计(L),第二次称为右估计(R),它是列估计器。在硬件上只使用了一个运动估计器,采用时分复用。

备选矢量定义了从场t到t-T的变换。如果中间场为参考点,则位移等于两个方向上运动矢量的一半。因此,备选矢量被分成两部分。为了避免信息矢量点无效的情况(由于隔行扫描或子像素精确度的缘故),它们采用最近的原始数据。这些分割矢量被用来在当前场和前一场中寻找像素数据。这些场的相关扫描线被定位在多端口RAM(MPR)中。对于每个备选矢量, 绝对差值和(SAD)被保存到一个误差存储器(ESM)。产生最小SAD的备选矢量可以看作是最佳匹配备选矢量,因此也是最佳运动矢量。但是在某些情形下,有些备选矢量可能比其它备选矢量优先考虑。因此,可以向每个矢量增加一个(可编程的)补偿值。最后,计算出最小误差,并确定对应的矢量指数(最小误差指数)。最小误差指数控制将矢量通过一个附加的时间滤波器之后传送到TPM中。

在第一个步骤中,运动矢量块被分割为四个象限。这四个对应的运动矢量D00、D01、D10和D11块由本身以及水平和垂直相邻块进行中间滤波得到,为每个2线x4像素块生成了一个矢量。在第二个步骤中,这个过程将进一步重复,产生的块大小为2个(水平)像素。

场频上变换器

上变换器将输入的场频变换为所选择的输出场频,它起到了场和帧频变换器的作用。通过采用运动补偿技术,场频变换的质量有了显著的提高,现在可以在正确的时间和空间位置内插新的场,使得运动对象的显示更为平滑。但是,由于运动矢量对于每个像素或对象并不是都有效,因此使用了非线性滤波来将可见的干扰信号降到最小。这种算法通常包括两个步骤:首先,必须确定一个图像序列内各个顺序场中的对象的位移, 该工作需要一个运动估计器；其次,前一个步骤所得到的运动矢量被用来在已有图像场之间内插新的图像场,该工作是在上变换器中完成。图6显示了向上变换器的方框图。矢量分割器从TPM获得运动矢量,经过处理后应用于左、右缓存器(MPR)。MPR将所需位置的实际像素和延迟像素作为一个像素阵列返回。通过一个非线性滤波器(级联中值滤波器)的内插在这些像素中形成一个较低或较高(解隔行扫描)行的像素,并输出到缩放电路。使用一个叫做“鸡蛋切片器”(egg-slicer)的电路来校验运动检测。

MK16 IPQ模块

图7显示了一个完整的MK16模块。这个模块的主芯片是SAA4979,它执行实际的扫描变换。这个变换既可以加倍扫描频率(将50/60Hz输入变换为100/120Hz输出)又可以去隔行扫描(增长扫描模式,加倍线速率)。在运动补偿方面,这个模块可以根据所需功能的等级来配备不同的芯片。对于全功能模块,运动补偿芯片为SAA4993(或其前身SAA4992),它使用两个SAA4955类型的场存储器,它们的管脚分布相同。

参考文献

1. Heinrich Waterholter, 2001, "Application Note, HVS/AN01040", Philips Semiconductors

2. 2001, "Incredible Motion", Password, Issue 7, Philips Research

作者:

Richard Wang

飞利浦半导体公司