数字滤波在兼容高质量电视中的应用

数字滤波在兼容高质量电视中的应用天卡大学李半韩梅妹俞斯乐木文巳通÷㈠>虾‘厂I、算帆杠拟，介绍一·种用干向HDTV兼容过池的系统制式的二维们：㈠七北没1i．，㈠1250“训门；．÷{汀山门板。纤颅北波昨扫描；生批，＼人士fj．八了)i-／~寸；㈠i的㈠÷九川皿，门J、·÷侨段仟进{?)-擂发财．住收瑞经后滤波升扫变换处凡，山八小晰度址示，川现行625／5㈠÷2：l接收村L也可兼容接收。Thi÷ pupFr through；malysisQnd computer simulatio真1． introduce； u(1esign(＼r2—D digital㈠1rrr11：产d in a90mpatibh·11DTV；v，tcIIc?；17“c1·r．／、i；11d1 il)cluding ru．-t-㈠1[rrir真g and convertmg uPIu1250／50／2：1 to huYc lid display·随养)1：会和科学技术的水吊，斩一代电视要满垲㈨：仁耍技术尘。长上山小讣皮、 iJ、／J‘5s1小，宽幅型比、低的小li哎九闪丸感生：共：卜扁清晰度是重要指标之一。在真正高汁晰哎电视“雏客过渡”所设计的新一代dl视子：扎小；人多永…几C数占源、高行数眼示排，朴利川各种人：十号处埋方法，去除电视图象真I，巾川描卅来的混叠效应，在基本保卜图象的高清晰度价况；卜按现行电视扎描标准传送，达刊与现行电视爪容的目的?庆容高质量电视系统框图见图1，图中预滤波、降生换籼所滤波、外吐换的相互配合，实现丫兼容与促高清晰度的要求。图：兼容高质最电视系统框图一、数字滤波改善图象清晰度的原理电视信号是一幅图象在时间和垂直空间进行二维取样而形成的占·斗，因此该二维信号拈带谱将在时间频城和十州频城周期重复，厂1采用隔行扫描方式时，被ib(样凶象的二维Fourier变换卅牧+广大达式为：D，、，(卜，㈠-√，d∑∑·12(卜—i’小， f：—…；)iT)C1+(—1)i叫]式：卜B(／；。r，)为扶；壮谱， d为行m，T为场闹驯；闩二心：．11在625／50i；㈠·㈩㈠／式—卜电视图象占号在f，—f，钡域上卅的分布。图二隔行扫描电视图象信号在f。、—r：下面的频谱分布图中重复谱中心A、8、 c点的位置巾扫描行数、场频、帧频决定。”，1l引像L‘十号÷从卅谱范围较大时?即图象空间细节；㈠汀成运动分址较大时，币复谱之间将产小混作，造成图象沾晰度下降，质量受损。力一方山当扫描为625／电视技术1990年第2期50／2：1方式时，A，B，C三点均落人人眼分辩力界限内，因此人眼可察觉到625行结构(对应A点)，50Hz大面积闪烁(对应B点)及隔行扫描在水平边界处产生的25Hz闪烁和行蠕动等效应(对应C点)，这些都将降低现行电视的图象质量。为克服这些缺陷，可采取提高扫描行数(女H1250行)，加大场频(女H100场)等措施，相应于使C点移到人眼分辩区域之外，使图象清晰、干净，质量有明显提高，如日本NHK研制的1125行HDTV，行结构的可见度大大减小，30Hz的隔行效应也明显降低，但60Hz大面积闪烁仍在人眼响应范围之内。高行数HDTV的图象质量提高是无可非议的，但因其占用较宽频带及与现行制式不兼容，设备更动耗资巨大，使其在电视广播中的应用受到限制。如前所述，图象清晰度之所以降低，一是闲频谱混叠，二是由于重复谱落人人眼分辩力界限之内。如果能克服这两个因素则图象质量会有明显提高。利用数字滤波信号处理技术可实现这一要求。打破现行电视系统中从发到收各环节的扫描标准不变的传统观念，电视信号可采别不同的信源标准、传输标准和显示标准。在不改变现行传输标准条件下，发端采用高行信源，利用前置滤波信号处理技术，用高行数显示器显示图象以减少串人人眼分辩力界限内的干扰成份，就可以实现电视图象质量的兼容改诈j具体原理见图3。图3(a)表示高行数(1250图3信号处理用于改善电视图象清晰度原理图行)、高场频(1甽真)信源在f，—f，下而上的频谱分布及其二维预滤波范围。图3(b)表示经预滤波、降变换处理后以低行数(625行)、低场频(50Hz)传输的图象信号谱，山干信源预滤波泎川，信号谱无沦在空域还是时城、均不产生混叠效应。冈3(c)表示收端纤内插滤波、升行数(1250行)、廾场．频(100场)处理后用于重现图象的信号谱，由图可l《l，落人人眼分辩力界限内的了L平仪钉图象占号的基带谱，其它干扰成份及混叠效贞(空间混叠及运动混叠)已被消除，因此图象质量将有明显提高，清晰度也将比现行电视有较大改善。按图3所示系统，实现信号处理技术尚需数字帧存储器。随着超大规模集成电路技术的发展。仆贴密度的提高和成本的下降，帧存储器就行·可能在电视机中实际采用，此时，上述占号处理将可付诸实施。目前用于提高电视质量的信·号处理方案，大多是利用运动检测，将运动图象啊]静止图象分开进行处理，这样可以·节省存储器的容量，而图象质量也能有明显改进，对干静d：和慢运动图象+信号谱处于图2中f：二。戍较小们的范筋内，该信号谱在垂直—水平空间城的分布如图斗所示。图中f。为水平空间频率，f门卫山扫卅{：i数决定的垂直空间取样频率，耻然，谊址潜间距与扫描行数有关。当扫描行数较低戊图象细节较丰富时，重复谱与基带阶即发生混叠。通常用Kell系图i电视图象们?倒：不门心叩不统．电视技术1990年第2期谱在f，—f。乎山的分…分解／J边齐[：k较．3效研翠这种使图象清晰度下降的混叠效应。K；；-·㈠．：一(J。；。在小仆八质；址电视系统小(图1)，只要地八十发¨价当，就叮去陈降生换带来的混秃；；业系数人接近l，重现图象的清晰度得到明显提高。高{·亍数系统(HDTV)、现行电视系统、兼容凡喷旦系统的图象分解力比较见图5。图中以现行电视制式的水平分解力I。和垂直分解力f，山从础，高行电视制式的水平、重直分解力均川价，分别用2f"、2f，；表示，由于扫描十长㈠扯叠效应，，无论九行制式咸现行制式；川··；…卜／；：清晰吐部分别人至0．Gx2f，和0．c，；J!， l㈠卟，以线所／j：)，阻址住采川占号处八扯术㈠爪谷八质：址电视系统中，由：厂去除了混存效应，使I＼系数接近1，世：扛分解力可接近刁：fYr，比现行电视系统有明显提高。如果颅、沂此波采川图：卜点划线所示特性的斜滤波器、相应降变换采J门偏置取样)，那么还能把水平分解力提高一倍，即达到2f…虽然此时斜山分解力有所下降。但自然界图象中水平和垂直结构分布明显高于斜向结构分布，而人眼对水下及垂直钏节的分辩能力又比对斜方向的强，旧此斜滤波能与自然：壮物特点及人眼的视觉特性相匹配，兼容高质址电视系统的分解力虽嘿还达不利HDTV水平，怔却具备与现行电视水容的优点，能大大节约歧备投资。二、利用Mcc)e11an变换法的二维数字滤波器设计在诸多的二维滤波器没计小，很难得到满意的对给定二维频率响心的优质逼近。其中M。clellan(麦克莱伦)频率变换设计，是一种把最优一维FIR滤波器映射成二维FIR滤波㈠㈠方法，在多数情况凡得到的滤波器仍符卜址优准则。此外，变换法设计只需在一维中进行：滤波器的设汁速度大大加快。枞嵙巾15分听，十六高质量电视可采用特·性如U、皿区所示的顶、后滤波器。当系统采用帧内斜预、后滤波处理时(如Ⅲ区所示)，则段汁滤波器的中人心卅边：；；·山／／，1，；{·㈠卞源垂直取样频率(、。(f、、；-门；，、)的土．儿g：卜·化垂直低通截止频率为F+二f汀／f㈠一0．25；相应斜滤波器的水个方向通‘转边界为高行们源水平取样频率f、；(f，，二“，：)的+，即归一化水平低通截止频率为F，二2f，。／f、。二0．5。同理当系统采用帧内垂直一水平预，后滤波处理时(Ⅱ区所示)，共滤波器归一化垂直、水平低通截止频率均为F：二F+二0．2乳在进行一维FIR滤波器设训‘之后，根据频率坐换法进行二维F1R滤波器设[㈠小所采j…的——维频域到二维频域的变量替换式为：厂，)，。山二二Acos山1+Bcos～：+Cc．，(／／l(；(，乓山：+D式中A、B、C、D是四个补换十轧。个外地计算选仆／＼、B、C，D，就可得到不同逼近形状特性的二维FIR滤波器。三、兼容高质量系统模拟试验图6表示按十局部图象而采用的模拟试验方法示意图。用625／50／2：l摄象机摄取实验图象的十面积，代表高行信源图象(1250／50／2：”的十，在625／50／2：1监视器上呈全屏幕显示。另外，按现用电视系统，将所摄全部图象在625／50／2：l监视器-[：作全屏耻示则与代表高行信源图象对应的部分仅占屏幕的士。实验图象图6局部图象摄取方法示意图兼容高质量电视系统的汁算机模拟实验系统框图示于图?。图中CAT—1611足图象处理子系统。由摄象机摄取的一4l贞实验图象经实时A／D生换，[、／救宁1乍!分方，：：十／，…5㈠；；51二：3 bi，图象存诸器中，通过土机相山比软件接电视技术1990年第2期图7计算机模拟实验系统框图口。可进行各种数学、逻辑运算，实现本模拟实验，卜各手／滤波处理，处理后的数字图象， l《F经快速实时D／A变换送入625／50／2：1电视监视器上进行比较。图8示出部分实验结果。图8(A)实验图象为电视测试小-图3(B)试抬图象为自然图象；图中(a)为模拟HDTV(1250／50／2：”高行数电视系统；(b)为模拟现用电视系统(625／50／2：1)；(c)表示经场内对角线滤波处理的兼(b)(N：)(：d)(e)容高质哥但视手统帅昂示闰年：(／)大示经帧内方；，山左波处以的小咎乩肮：，ll视乎址的显示图久；(c)表示发端仍为现㈠电视占号。只在电视技术1990年第2期(f)图8(A)(b)收揣进行内柿升行显示的图象；(f)表示现行《i视按收机接收晌占源纤颅处八乩十外图象(左上角)及普通图象(右—F角)的比较；电视技术1990年第!期(．d)(f)图8(B)图8计算机模拟实验结果实验结果表明，利用信号处理兼容改善电视图象质量，提高图象清晰度的效水足明温的。清晰度由高剑低的排列顺序是：高行数制式，兼容高质量制式，现行电视制式。限刁：设备条件，—卜述试验只限；卜舴[卜图象，有关运汕图象的试验研究，尚待创造杀件后进一步进行。

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