目前世界上使用的标准电视广播系统无一是完美的,各自有其优、缺点。例如,尽管NTSC系统色彩还原品质低劣,垂直分辨率只有525线,但该系统以高达60Hz的刷新率进行隔行显示,大大降低了大面积闪烁(70Hz是人眼视觉系统感觉大面积闪烁的最低刷新率,不过60Hz已非常接近理想值)。 尽管625线隔行显示PAL系统能提供更精确的色彩和更佳的垂直分辨率,其50Hz刷新率却在画面上造成明显的大面积闪烁。
目前标准电视CRT显示系统中所使用的荧光屏,其荧光余辉的保留时间是造成闪烁的主要原因。荧光屏余辉保留时间是指电子束移动后,荧光屏继续发光到褪去的这段时间。正是由于HVS(Human Visual System, 人眼视觉系统)视觉暂留特性及荧光屏余辉的保留时间,每个电视帧的两个场可以在某种程度上合并在HVS中,利用视觉暂留特性从而生成完整的帧。不过,在刷新率低至50Hz的PAL系统中,荧光屏余辉保留时间造成的余辉生成与褪去效果非常明显,这就是HVS系统感觉到的大面积闪烁。
降低大面积闪烁的关键是将刷新率从50Hz增加到70Hz或者更高。飞利浦100Hz技术只是简单地将每个时序场加倍,从而将电视的刷新率从PAL系统的时序50Hz提高到100Hz。此时,HVS系统完全查觉不到荧光余辉生成及褪去现象,因而画面上不再有大面积闪烁。
100Hz显示技术解决了现有标准电视屏幕的大面积闪烁问题,从而使观看电视节目变得更加轻松惬意,减除了眼睛的疲劳。该技术目前得到世界上主要电视机制造商的广泛采用。
飞利浦的三芯片技术如何实现运动补偿？
A. 采用画面速率转换技术的运动描绘问题
将扫描率加倍的最简单方法是将每个场显示两次。这样可以有效地避免大面积闪烁,但仍然存在图象模糊或运动边缘效应。图2.1说明了这一现象。可以清楚地看到,一个移动物体的位置在下一个场中没有得到正确显示。若电视观众视力跟踪观察该物体,就会认为是两个物体,因为物体不在下一个场中的预定位置。
电视接收器或电影院中的电影播放情况则造成更糟的情况,因为运动的速率只有每秒25个画面。在50Hz的电视上,每个运动都被显示两次,由于画面更新速率低,会造成令人生厌的运动抖动,从而导致预定物体与显示物体之间更大的位置误差。在现有的100Hz电视中,每个运动画面会重复四次,但运动抖动仍会增加。
B. 亮度的运动估?及补偿
为了克服上述问题,需要采用运动估?技术,使插入画面中的物体能够被放在电视观众预期的位置上。SAA4993/4采用的技术基于3-D循环搜索模块匹配算法。图2.2展示了模块匹配原理。
运动预估只在亮度信道执行。运动补偿向上转换在亮度信道完成,而色度信号向上转换由平均滤色器完成。矢量范围是垂直±12线,水平±31.75象素(子象素精确度)。亮度信道中的运动预估器及补偿器的一般结构可参见SAA4993/4数据表。
C. 运动估计器
运动预估器通过将场与前一个帧进行比较,在下一个视频场中计算物体的运动矢量。它借助本地高速缓存或多端口RAM从目前的场和前一个帧读取象素数据。在前一个场周期预估的现有及临近模块的预估矢量,被存储在临时预估存储器(TPM)中,作为新一轮预估的基础。根据这一信息,它生成一个新的运动矢量,并传送到临时预估存储器中,形成临时速归运动预估。
运动预估器在4线x16象素的画面模块上工作,而运动矢量则在检验器主板图(梅花形模块副样)中被分配给4线x8象素的模块,即第二个因素的子样品,也就是运动矢量被分配的下一个模块。对于运动矢量被插入的其它模块,图2.3显示了其工作原理。发现模块移动矢量的主要依据是临近模块的矢量(空间预测矢量)以及前一个场的现有及临近模块矢量(临时预测矢量)。图2.4描述了这一原理。
对于每个画面模块,都要选择四个侯选矢量。矢量的选择是程序化的；图2.5描述了算法实例。它代表了一个随机更新矢量,适用于任何预测矢量。
Cmax 定义了在目前模块B附近的特定区域内最大的侯选矢量。它是通过扫描模块B附近的5个矢量发现的,如图2.6所示。这个最大的矢量因模块的不同而发生变化。因此,Cmax是每次计算5个运动矢量时的一个侯选矢量。这个最大的侯选矢量确保了快速的运动矢量合成。
Cp是个程序化的矢量,是当检测到摄象机扫调或调整焦距时可能选择的侯选矢量。对于每个输入场,针对不同的侯选矢量进行两次运动预估。第一个运动预估被称为左预估,第二个被称为右预估(纵向预估器)。硬件上只使用一个运动预估器,以时间分割进行多路通信。侯选矢量定义了从场t到t-T之间的转换。若中间场是参考点,在两个方向上距离运动矢量中间的位移是相同的。因此,侯选矢量被分割成两部分。为了防止矢量指向未知信息(因隔行扫描或子象素精确度造成),它们会被修整为最接近的原始数据。这些被分割的矢量被用来确定现有场及前一个场中的象素数据。这些场的相关线被存放在多端口RAM(MPR)中。对于每个侯选矢量,
绝对差异值总和(SAD)被存储在误差存储器(ESM)中。具有最小SAD值的侯选矢量被认为是最佳匹配侯选矢量,也就是最佳运动矢量。不过,在某些情况下,某些侯选矢量可能被优先考虑。因此,可以给每个矢量增加一个(程序化的)补偿值。最终计算出最小误差,并确定相应的矢量指标(最小误差指标)。最小误差指标决定哪一个矢量被额外的临时滤色器传送到临时预测存储器(TPM)中。
D. 临时预测存储器(TPM)
由运动预估器计算的矢量被存储在临时预测存储器(TPM)中,每一个模块(4线,8象素)对应一个TPM。由于模块子样品现象(见图2.3),只存储下一个模块的运动矢量。模块内的一个4k x16位SRAM能够存储整个场的矢量(848/16矢量/线,292/4+3垂直模块,共4028字)。读取存储器时,TPM为未存储矢量的模块生成插入矢量。根据下列规则完成中间滤色:存储器中的矢量及插入矢量不直接在向上转换及连续扫描转换器中使用,因为这样可能造成明显的人为中断。因此,矢量被进一步插入到两个(水平)象素尺寸的模块中,这一算法被称为模块侵蚀,通过两个步骤来完成:
第一步,运动矢量被分割成四份。这四个相应的运动矢量D00、D01、D10及D11由模块自身以及水平和垂直毗邻模块的中间滤色器发现,这就为每个模块生成了2线x4象素的矢量。第二步重复这一过程,从而生成2(水平)象素的模块,见图2.7。
三个集成电路的设计实现方法
飞利浦100Hz解决方案中的主集成电路是SAA4979,一个运动补偿集成电路(SAA4992、SAA4993或SAA4994),以及两个存储器SAA4955。图2.8表现其工作方式。
SAA4979解码数字视频输入电子流,借助其内置场存储器进行扫描转换,并提供各种画面改善功能。信号被处理后,其数字/模拟转换器在输出端生成模拟YUV信号。SAA4979芯片上还有一个微控制器,带有内置RAM及ROM,以及一个与主控制器通信的I2C接口。该解决方案还可与一个运动补偿集成电路SAA4992、SAA4993或SAA4994配合使用。SAA4992/3/4需要的场或帧存储器由一个或两个SAA4955组成。
运动补偿场及线率转换由运动补偿集成电路SAA4993或SAA4994来实现。它支持向100/120Hz 2: 1(隔行)或50/60Hz 1: 1(连续)的转换。
SAA4993具有用来降低噪音和运动补偿的额外显示模式。该模式左侧显示原始信号,右侧显示运动补偿信号,从而实现了直接的性能估算。与全功能运动补偿集成电路SAA4993相比,SAA4994是低一级的版本,只支持一个用作运动补偿过程背景存储的场存储器。因此,在视频模式下,两种集成电路的性能是相同的,但在电影模式下,因为需要完整的帧(两个场)才能实现正确的运动补偿,SAA4994的性能就有所降低。
飞利浦半导体公司现拥有大量扫描转换器模块,功能各异,适用于各种应用环境。这些模块都采用芯片级扫描转换器集成电路SAA4979,以4:2:2格式处理画面。
数字色彩解码器SAA7118及主控制器SAA5667,也在系统中提供OSD及视频文本解码。数字解码器具有各种模拟输入(CVBS、S-Video、RGB)及模拟YUV输出选项。
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