CN100592627C - 可变抽样率的递归数字滤波器及对应的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供可变抽样率的递归数字滤波器，它根据各个相当的抽样率改变自适应数字滤波器的滤波系数。最初针对特定的抽样率来校准自适应数字滤波器，所述特定的抽样率确定要采用的特定的滤波系数。当改变抽样率时，确定经校准的或者初始的抽样率与新抽样率之比，并根据该比值计算系数因子。系数因子用于修改对应于经校准的抽样率的初始滤波系数，从而产生对应于新抽样率的新系数。把新系数应用于自适应数字滤波器以提供所需的信号处理而不需要再抽样或再校准，而且不改变频率响应。

Description

可变抽样率的递归数字滤波器及对应的方法

技术领域

本发明涉及数字滤波，更具体地说，涉及在一定的抽样率范围上维持恒定的频率响应的可变抽样率的递归数字滤波器。

技术背景

诸如抽样率转换、抖动/漂移补偿和/或测量、图像质量测量等若干信号处理应用所共有的问题是设法在一定的抽样率范围上维持恒定的频率响应。在基于人类视觉模型的图像质量测量中，其中用不同的格式、显示器(帧频、空间分辨率)和观看距离(在人眼的视场内不同的空间抽样率)来观看测试和参考视频序列，保持效率和精确度是重要的。如2001年5月16日提交的序列号为09/858775的共同未决的美国专利申请中所描述的，维持自适应滤波器的空间和时间频率响应，使人们可以模拟接近显示器(例如2倍的屏幕高度)和远离(例如10倍的屏幕高度)时观看视频序列之间的视觉差异，而不需要例如再抽样。

现有方法需要人类视觉模型的再抽样或再校准。校准可能是非常耗时的，所以不希望对每个有差异的观看距离进行校准。再抽样涉及到对数据再抽样两次，一次是针对人类视觉模型的输入，然后是针对中间人类视觉模型图像，这刚好在同时涉及参考和测试视频的计算(求差)之前。这需要额外的处理和引入内插不准确度。

所需的是这样一种可变抽样率的递归数字滤波器，它在一定的抽样率范围内维持恒定的频率响应，而不需要对每个新的抽样率再抽样或再校准。

发明内容

因此，本发明提供可变抽样率的递归数字滤波器，它根据各个相当的抽样率改变自适应数字滤波器的滤波系数。最初针对特定的抽样率来校准自适应数字滤波器，所述特定的抽样率确定要采用的特定的滤波系数。当改变抽样率时，确定经校准的或者初始的抽样率与新抽样率之比，并根据该比值计算系数因子。系数因子用于修改对应于经校准的抽样率的初始滤波系数，从而产生对应于新抽样率的新系数。把新系数应用于自适应数字滤波器，以便提供所需的信号处理而不需要再抽样或再校准，而且不改变频率响应。

结合所附权利要求书和附图来阅读以下详细描述，本发明的目的、优点及其它新颖的特征是显而易见的。

附图说明

图1是结合了根据本发明的可变抽样率递归数字滤波器的基于人类视觉模型的图像质量测量装置的框图。

图2是用于根据本发明的可变抽样率递归数字滤波器的可变相当抽样率系数转换器的框图。

图3是说明根据本发明的可变抽样率递归数字滤波器在不同抽样率下的恒定频率响应的曲线图。

具体实施方式

参照图1，作为利用可变抽样率递归数字滤波器的信号处理装置的实例，所示的基于人类视觉模型的图像质量测量装置10具有作为输入的参考视频序列和测试(退化的)视频序列。把视频序列存储并显示在各个显示装置12、14上，而且由人类视觉模型16来处理。最初由如上文引用的未决美国专利申请所描述的自适应数字滤波器18、20处理各个通道、即参考和测试通道，然后才由其余的模型元件22处理，从而提供图像质量测量输出。每个数字滤波器18、20具有相当观看距离或空间抽样率和帧频或时间抽样率控制器24、26，它们向数字滤波器提供可变系数，从而独立地将其调到特定的观看距离和/或帧抽样率。

为了给出对输入和输出进行再抽样的等效响应，用于数字滤波器18、20的控制信号或新系数是这样导出的：取在各个抽样率的双线性变换之比。按照常规，双线性变换B把z-域(空间)中的滤波器极点转换到s-域(频率)，其中抽样率变化是线性的。将S-域中的极点乘以抽样率之比，然后又转换回z-域。

B{P_z}→P_s；B^-1{P_s*R}→P_z′＝K*P_z

其中B是双线性变换，P_z是z-域中的滤波器极点，P_s是变换到s-域中的滤波器极点，R是初始抽样率和新抽样率之比，K是常数或z因子，而P_z′是变换回z-域中的新滤波器极点。

给定初始或经校准的抽样率以及相应的滤波器系数，就可通过把初始滤波器系数乘以如下确定的K或z因子而得出对应于新抽样率的新滤波器系数：

z因子(z，R):＝(1/z){(z(1+R)+(1-R))/(z(1-R)+(1+R))}

其中z＝初始z域系数，而R＝抽样率之比(旧/新)。此等式如图2所示，可以用硬件或软件来实现。

考虑以下形式的滤波器的递归一阶差分方程：

y_n+1:＝y_n+c(x_n-y_n)；y_n＝y_n-1+c(x_n-1-y_n-1)＝(1-c)y_n-1+cx_n-1

方程的z-变换是：

H(z，c):＝c/(z-1+c)

如果直流增益保持为1：c/(1-1+c)＝1；则z＝1且H(z，c)＝1，而滤波器在(1-c)具有极点，也就是说，对于c＝0.3，极点＝0.7。

频率响应由下式给定：

F(c，ω):＝H(e^-jω，c)和ω_n＝π(n/N)，其中n/N在0到1之间变化。

以下是在基于双线性变换的时间再抽样之后匹配滤波器合成频率响应的实例。所示滤波器是由两个低通滤波器之间的差异产生的带通滤波器。如果初始抽样率T₀是1/60，而各个低通滤波器系数是C_ts0＝0.6和C_tc0＝0.48，则当抽样率变为T₁＝1/24，则比值R变为0.4，即T₀/T₁＝(1/60)/(1/24)＝24/60＝0.4。于是，新系数变为C_ts1:＝z因子(C_ts0，R)*C_ts0，C_tc1:＝z因子(C_tc0，R)*C_tc0，即C_ts1＝0.818而C_tc1＝0.754。新抽样率ω₁＝ω₀*R。则带通滤波器的频率响应由对应于初始抽样率的F_t0(ω):＝|F(C_tc0，ω)²-F(C_ts0，ω)²|和对应于新抽样率的F_t1(ω):＝|F(C_tc1，ω)²-F(C_ts1，ω)²|给出。当适当地缩放并画在一起时，如图3所示，其中实线是组合滤波器在初始抽样率的频率响应，而虚线是组合滤波器在新抽样率下的频率响应，显然，利用双线性变换为滤波器提供了所需的恒定频率响应结果。

因此，本发明利用双线性变换来确定作为初始系数和初始抽样率与新抽样率之比的函数的系数因子，从而提供了可变抽样率递归数字滤波器，所述系数因子被用来针对新抽样率调整初始系数，以便当应用于可变抽样率递归数字滤波器时，在不同抽样率下的频率响应是恒定的。

Claims (7)

1.一种可变抽样率递归数字滤波器，它包括：

自适应数字滤波器，它具有作为输入的初始系数，该系数定义自适应数字滤波器如何在初始抽样率下处理数字信号；以及

用于为所述自适应数字滤波器确定作为所述初始系数和所述初始抽样率与新抽样率之比的函数的新系数的装置，当在所述新抽样率下处理所述数字信号时，使得所述自适应数字滤波器的频率响应在两个抽样率下都是恒定的。

2.如权利要求1所述的可变抽样率递归数字滤波器，其特征在于所述用于确定的装置还包括用于通过执行以下公式来计算作为所述初始系数与所述比值的函数的系数因子的装置：

z因子(z，R)：＝(1/z){(z(1+R)+(1-R))/(z(1-R)+(1+R))}

其中z因子(z，R)是所述系数因子，z是所述初始系数，而R是所述比值。

3.如权利要求2所述的可变抽样率递归数字滤波器，还包括用于通过把所述初始系数乘以所述系数因子而产生所述新系数来修改所述初始系数的装置。

4.一种对数字信号进行可变抽样率递归数字滤波的方法，它包括以下步骤：

为处理所述数字信号的自适应数字滤波器确定初始抽样率和相应的初始系数；

确定用于处理所述数字信号的、作为所述初始系数和所述初始抽样率与新抽样率之比的函数的新系数；以及

把所述新系数应用于所述自适应数字滤波器，使得所述自适应数字滤波器在所述两个抽样率下具有恒定的频率响应。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于所述新系数确定步骤包括以下步骤：

计算作为所述初始系数和所述比值的函数的系数因子；以及

用所述系数因子修改所述初始系数以产生所述新系数。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于所述计算步骤包括以下步骤：

求出以下公式：

z因子(z，R)：＝(1/z){(z(1+R)+(1-R))/(z(1-R)+(1+R))}

其中z因子(z，R)是所述系数因子，z是所述初始系数，而R是所述比值。

7.如权利要求5或6所述的方法，其特征在于：所述修改步骤包括把所述初始系数乘以所述系数因子而产生所述新系数的步骤。

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