CN101540922B - 从复合视频信号中分离亮度与色度信息的解码器及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种能够从复合视频信号的目标像素中分离亮度与色度信息的解码器，包含延迟模块、滤波模块、权重因子产生器与分离器。延迟模块用来延迟复合视频信号的水平线，以输出包含目标像素的像素。滤波模块用来在水平方向与垂直方向对复合视频信号进行滤波，以产生频率分量。权重因子产生器用来根据水平方向，产生目标像素的第一权重因子，以及根据垂直方向，产生目标像素的第二权重因子。分离器用来根据频率分量、第一权重因子和第二权重因子，从目标像素分离第一分离信息。上述能够从复合视频信号的目标像素中分离亮度与色度信息的解码器达到了避免串色缺陷的效果。

Description

从复合视频信号中分离亮度与色度信息的解码器及其方法  
技术领域
本发明是有关于视频信号处理，特别是关于用来从复合(composite)视频信号分离亮度与色度信息的解码器与方法。
背景技术
视频是一种最初用于电视系统而发展起来的技术，用于处理一序列的静止影像，并将其以动态方式呈现。视频已经更进一步地发展为不同格式，以允许不同媒体，例如互联网或者磁盘储存与分配。
复合视频信号包含亮度(luminance)分量与色度(chrominance)分量。其中，亮度为光强度的密度的光度量测值，而色度则用于表示图像的色彩信息。例如，电视视频信号的亮度分量携带基本灰度信息(primary gray-level information)，适用于黑白电视，而色度分量则携带电视视频信号的色彩信息。亮度分量与色度分量混合，产生用于电视屏幕的红绿蓝(RGB)信号。
更明确地说，电视视频信号的例子包括美国国家电视系统委员会(NationalTelevision System Committee，NTSC)标准的彩色电视信号，其包含亮度分量与3.58MHz子载波。其中，亮度分量的频率范围是从直流电流(direct current)至4.2MHz名义上的频宽(nominal bandwidth)，而一个3.58MHz的子载波在相位与振幅(amplitude)进行调变，用来表示图像的色调(hue)与饱和度。一般来说，透过解调这个子载波，可以产生色差信号。将色差信号与亮度分量结合，则可用以还原红、蓝与绿的颜色信息。本领域的技术人员应熟知，业界将简单的滤波器用于电视接收器，用来分离亮度与色度。特别地，一般将复合视频信号输入低通滤波器，以撷取亮度信息，并且将复合视频信号输入带通滤波器，以撷取色度信息。
然而，由于亮度互串(cross luminance)与色度互串(cross chrominance)，即串色(cross color)问题，在从复合视频信号中分离色度与亮度后，通常会出现串色缺陷，例如彩虹斑与抖线。总而言之，因为视频屏幕质量对观赏者很重要，所以需要一种可以分离亮度与色度但不产生串色缺陷的方法。
发明内容
为解决上述从复合视频信号中分离亮度与色度时产生串色缺陷的问题，本发明提供一种能够从复合视频信号的目标像素中分离亮度与色度信息的解码器及其方法，能够从复合视频信号分离亮度与色度而不产生串色缺陷。
根据本发明一实施方式，提供一种能够从复合视频信号的目标像素中分离亮度与色度信息的解码器，包含延迟模块、滤波模块、权重因子产生器与分离器。延迟模块用来延迟复合视频信号的水平线，以输出包含目标像素的像素。滤波模块耦接于延迟模块，用来在水平方向与垂直方向对复合视频信号进行滤波，以产生频率分量。权重因子产生器耦接于滤波模块，用来根据水平方向，产生目标像素的第一权重因子，以及根据垂直方向，产生目标像素的第二权重因子。分离器耦接于滤波模块，用来根据频率分量、第一权重因子和第二权重因子，从目标像素中分离第一分离信息，其中，该第一分离信息为该亮度信息。
根据本发明另一实施方式，提供一种用于从复合视频信号的目标像素中分离亮度与色度信息的方法，包含：延迟复合视频信号的水平线，以收集包含目标像素的像素；在水平方向与垂直方向对复合视频信号进行滤波，以产生频率分量；根据水平方向，产生目标像素的第一权重因子；根据垂直方向，产生目标像素的第二权重因子；以及根据频率分量、第一权重因子和第二权重因子，产生目标像素的第一分离信息，其中，该第一分离信息为该亮度信息。
上述能够从复合视频信号的目标像素中分离亮度与色度信息的解码器及其方法，根据权重因子与频率分量从目标像素分离亮度与色度信息，达到了避免串色缺陷的效果。
附图说明
图1为滤波器掩膜的示意图。
图2为根据本发明一实施方式的解码器的示意图。
图3为延迟模块的范例示意图。
图4A为滤波前复合视频信号的二维频域的示意图。
图4B为在水平方向进行滤波的复合视频信号频域的示意图。
图4C为在垂直方向进行滤波的低水平频率分量频域的示意图。
图4D为在垂直方向进行滤波的高水平频率分量频域的示意图。
图5为权重因子产生器的示意图。
图6为本发明的一范例方法的流程图。
图7为本发明的产生多个频率分量的范例方法流程图。
具体实施方式
视频信号包含有多个图像，并且一个图像包含有多个像素。分离视频信号的亮度与色度信息是通过从各像素中分离亮度与色度信息而得到。一般来说，滤波器通过首先取得目标像素及其周围像素，来处理采样复合视频信号的目标像素。图1为滤波器掩膜(mask)的示意图。如图1所示，通过线延迟单元与像素延迟单元，取得滤波器掩膜1中的目标像素P7及其周围像素P0、P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8、P9、P10、P11、P12、P13与P14。因为从滤波器取得用以分离目标像素的亮度与色度的像素数量能够根据滤波器配置而改变，所以像素数量并非必须为图1所示的15个。
图2为根据本发明一实施方式的解码器2的示意图。解码器2包含延迟模块21、滤波模块23、权重因子产生器25与分离器27。解码器2接收复合视频信号20。延迟模块21包含多个线延迟单元与多个像素延迟单元(图2未显示)，并且用于输出多条水平线，而这些水平线含有目标像素与多个相邻像素。图3为延迟模块21的范例示意图。延迟模块21包含线延迟单元300与301以及像素延迟单元302、303、304、305、306、307、308、309、310、311、312与313。本实施方式中，三条均含有多个像素的水平线被撷取来用于计算。第一条水平线的像素是通过两个线延迟单元300与301，并且分别通过像素延迟单元302、303、304与305撷取。第二条水平线的像素是通过线延迟单元300，并且分别通过像素延迟单元306、307、308与309撷取。第三条水平线的像素分别在像素延迟单元310之前，以及在像素延迟单元310、311、312与313之后撷取。
在硬件中，图像的像素被一个接一个地输入延迟模块21。为了暂存15个采样像素，用于执行对应于目标像素(例如像素321)的亮度与色度分离，延迟模块21使用两个线延迟单元300与301以及十二个像素延迟单元302～313，提供如图3所示的15个像素314、315、316、317、318、319、320、321、322、323、324、325、326、327与328给处理单元(如图2所示的滤波模块23)。请注意，线延迟与像素延迟的数量可视处理单元的处理能力而定，而这边的例子并不是用以限制本发明。
滤波模块23耦接于延迟模块21，用来在水平方向与垂直方向对复合视频信号进行滤波，以产生多个频率分量。图4A、4B、4C与4D为对复合视频信号进行滤波处理的范例示意图。图4A为滤波前复合视频信号的二维频域4的示意图。其中，垂直轴与水平轴分别代表垂直频率与水平频率。
图4B为在水平方向进行滤波的复合视频信号频域的示意图。如图4B所示，滤波模块23首先在水平方向对复合视频信号20进行滤波，以产生低水平频率分量40与高水平频率分量41。
图4C为在垂直方向进行滤波的低水平频率分量频域的示意图。如图4C所示，滤波模块23在垂直方向对低水平频率分量40进行滤波，以产生具有高垂直频率的第一频率分量400与具有低垂直频率的第二频率分量401。
图4D为在垂直方向进行滤波的高水平频率分量频域的示意图。最后，如图4D所示，滤波模块23在垂直方向对高水平频率分量41进行滤波，以产生具有高垂直频率的第三频率分量410与具有低垂直频率的第四频率分量411。
更明确地说，滤波模块23在水平方向对复合视频信号20进行滤波，以产生对应目标像素321(P321)的低水平频率分量40。下列等式为执行针对复合视频信号的水平滤波的范例：
A1＝(P314+P315*0+P316*2+P317*0+P318)/4
A2＝(P319+P320*0+P321*2+P322*0+P323)/4
A3＝(P324+P325*0+P326*2+P327*0+P328)/4
其中，P314～P328分别表示含有像素314～328的亮度信息与色度信息的复合信息，并且A1、A2与A3分别表示低水平频率分量40的上线(upper line)、中线(medium line)与下线(lower line)。
滤波模块23还可根据低水平频率分量40，产生对应于目标像素321的高水平频率分量41：
B1＝P316-A1
B2＝P321-A2
B3＝P326-A3
其中，B1、B2与B3分别表示高水平频率分量41的上线、中线与下线。
第一频率分量400与第二频率分量401是通过对低水平频率分量40进行垂直滤波而产生，并且后续等式为对低水平频率分量40进行垂直滤波的范例：
D＝(A1+A2*2+A3)/4
C＝A2-D
其中，D与C分别代表第二频率分量401与第一频率分量400。
相似的，低水平频率分量41进一步分为第三频率分量410与第四频率分量411。
F＝(B1+B2*2+B3)/4
E＝B2-F
其中，F与E分别代表第四频率分量411与第三频率分量410。总的来说，第二频率分量401被滤波，以在垂直与水平方向包含低频率分量，第三频率分量410被滤波，以在垂直与水平方向包含高频率分量，第一频率分量400包含高垂直频率分量与低水平频率分量，以及第四频率分量411包含高水平频率分量与低垂直频率分量。为分离亮度信息，本实施方式中，保留第二频率分量401以及加权的第一频率分量400与第四频率分量411，并且移除第三频率分量410。
本实施方式中的权重因子产生器25用于根据水平方向，产生目标像素321的第一权重因子。图5为权重因子产生器25的示意图。权重因子产生器25包含减法器250、计算模块251与存储模块252。存储模块252用于储存包含多个预定权重因子的查找表(图未显示)。减法器250用于执行两个像素之间的相减操作，这两个像素(例如，像素319与323)与目标像素321排列在同一水平线中。计算模块251用于产生相减结果的第一绝对值。第一权重因子是根据第一绝对值，从储存在存储模块252中的查找表中被撷取出来。
此外，权重因子产生器25更能够用于根据垂直方向产生目标像素321的第二权重因子。减法器250更用于从目标像素321的下像素(lower pixer)(例如像素326)减掉目标像素321的上像素(upper pixel)(例如像素316)。计算模块251更用于产生两个像素相减结果的第二绝对值。第二权重因子是根据第二绝对值，从储存在存储模块252中的另一查找表中被撷取出来。另一些实施方式中，权重因子产生器25由两组包含减法器、计算模块与查找表的权重因子产生器实现，其中一组权重因子产生器产生对应于第一频率分量400的第一权重因子，而另一组权重因子产生器则产生对应于第四频率分量411的第二权重因子。
分离器27用于根据频率分量、第一权重因子与第二权重因子，从目标像素321分离亮度信息。更明确地说，分离器27根据下列等式撷取亮度信息。
L＝D+Kc*C+Kf*F+0*E
其中，L为亮度信息，Kc为第一权重因子，并且Kf为第二权重因子。
分离器27用于根据目标像素321的亮度信息与目标像素321，从目标像素321分离色度信息。实际上，目标像素321的色度信息是通过从目标像素321的复合信息减去目标像素321的亮度信息分离，其可由下列等式表示。
C＝P321-L
其中C为色度信息。
图6为本发明的一范例方法的流程图，用以从复合视频信号分离亮度与色度信息。更明确地说，图6所示的方法可由解码器2的不同模块实作。执行步骤60，以延迟复合视频信号中的多条水平线，来得到多个像素。执行步骤61，以在水平与垂直方向对复合视频信号进行滤波，来产生多个频率分量。
执行步骤62，以从第二像素的复合信息减去第一像素的复合信息，其中第一像素以及第二像素与目标像素排列在同一水平线中。执行步骤63，以产生步骤62的相减结果的第一绝对值。执行步骤64，以根据第一绝对值，从查找表撷取第一权重因子。执行步骤65，以从下像素的复合信息中减去上像素的复合信息，上像素以及下像素与目标像素排列在同一垂直线中。执行步骤66，以产生步骤65的相减结果的第二绝对值。执行步骤67，以根据第二绝对值，从查找表撷取第二权重因子。明确地说，第一权重因子与第二权重因子介于0到1之间。并且，更明确地说，一般较大的第一绝对值产生较小的第一权重因子，并且一般较大的第二绝对值产生较小的第二权重因子。
产生第一权重因子与第二权重因子之后，执行步骤68，以根据频率分量、第一权重因子与第二权重因子，分离目标像素的亮度信息。最后，执行步骤69，以通过从目标像素的复合信息减去目标像素的亮度信息，来分离目标像素的色度信息。
图7为图6中步骤61所述的产生多个频率分量的详细流程图。执行步骤610，以对复合视频信号进行滤波，来产生低水平频率分量。相似的，执行步骤611，以对复合视频信号进行滤波，来产生高水平频率分量。执行步骤612，以对低水平频率分量进行滤波，来产生具有高垂直频率的第一频率分量。相似的，执行步骤613，以对低水平频率分量进行滤波，来产生具有低垂直频率的第二频率分量。接着，执行步骤614，以对高水平频率分量进行滤波，来产生具有高垂直频率的第三频率分量。最后，执行步骤615，以对高水平频率分量进行滤波，来产生具有低垂直频率的第四频率分量。由于对复合视频信号进行滤波以产生上述四个频率分量的实施方式已在上述内容中揭示，故出于简洁的目的，详细的叙述在此省略。
根据上述叙述，亮度与色度信息是通过将频率分量与一些权重因子相加，从复合视频信号的目标像素中分离。权重因子主要用于决定频率分量的重要性，并且用于防止串色缺陷(cross luminance artifact)(例如彩虹斑与抖线)。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (14)

1.一种能够从复合视频信号的目标像素中分离亮度与色度信息的解码器，包含：
延迟模块，用来延迟该复合视频信号的多条水平线，以输出包含该目标像素的多个像素；
滤波模块，耦接于该延迟模块，用来在水平方向与垂直方向对该复合视频信号进行滤波，以产生多个频率分量；
权重因子产生器，耦接于该滤波模块，用来根据该水平方向，产生该目标像素的第一权重因子，以及根据该垂直方向，产生该目标像素的第二权重因子；以及
分离器，耦接于该滤波模块与该权重因子产生器，用来根据该多个频率分量、该第一权重因子和该第二权重因子，从该目标像素分离第一分离信息，其中，该第一分离信息为该亮度信息。
2.如权利要求1所述的能够从复合视频信号的目标像素中分离亮度与色度信息的解码器，其特征在于，该延迟模块更包含线延迟与多个像素延迟，该延迟用来延迟该多条水平线其中之一，该多个像素延迟用来延迟该条水平线对应的多个像素。
3.如权利要求1所述的能够从复合视频信号的目标像素中分离亮度与色度信息的解码器，其特征在于，该滤波模块用来在该水平方向对该复合视频信号进行滤波，以产生低水平频率分量与高水平频率分量，对该低水平频率分量进行滤波，以产生具有高垂直频率的第一频率分量与具有低垂直频率的第二频率分量，以及对该高水平频率分量进行滤波，以产生具有高垂直频率的第三频率分量与具有低垂直频率的第四频率分量。
4.如权利要求1所述的能够从复合视频信号的目标像素中分离亮度与色度信息的解码器，其特征在于，该分离器根据该目标像素的该第一分离信息与该目标像素的复合信息，从该目标像素分离第二分离信息，其中该第二分离信息为该色度信息。
5.如权利要求4所述的能够从复合视频信号的目标像素中分离亮度与色度信息的解码器，其特征在于，该目标像素的该第二分离信息是通过从该目标像素的该复合信息减去该目标像素的该第一分离信息分离。
6.如权利要求1所述的能够从复合视频信号的目标像素中分离亮度与色度信息的解码器，其特征在于，该权重因子产生器更包含：
减法器，用来从第二像素减去第一像素，其中该第一像素以及该第二像素与该目标像素排列在同一水平线中；
计算模块，用来产生该第一像素以及该第二像素的相减结果的第一绝对值；以及
存储模块，用来储存包含多个预定权重因子的查找表；
其中该第一权重因子根据该第一绝对值与该查找表被撷取。
7.如权利要求1所述的能够从复合视频信号的目标像素中分离亮度与色度信息的解码器，其特征在于，该权重因子产生器更包含：
减法器，用来执行该目标像素的上像素与下像素的相减操作；
计算模块，用来产生该上像素与该下像素的相减结果的第二绝对值；以及
存储模块，用来储存包含多个预定权重因子的查找表；
其中该第二权重因子根据该第二绝对值与该查找表被撷取。
8.一种用于从复合视频信号的目标像素中分离亮度与色度信息的方法，包含：
延迟该复合视频信号的多条水平线，以收集包含该目标像素的多个像素；
在水平方向与垂直方向对该复合视频信号进行滤波，以产生多个频率分量；
根据该水平方向，产生该目标像素的第一权重因子；
根据该垂直方向，产生该目标像素的第二权重因子；以及
根据该多个频率分量、该第一权重因子和该第二权重因子，产生该目标像素的第一分离信息，其中，该第一分离信息为该亮度信息。
9.如权利要求8所述的用于从复合视频信号的目标像素中分离亮度与色度信息的方法，其特征在于，所述延迟该复合视频信号的多条水平线的步骤更包含：利用多个线延迟来延迟该多条水平线，以及利用多个像素延迟来延迟该多条水平线对应的该多个像素。
10.如权利要求8所述的用于从复合视频信号的目标像素中分离亮度与色度信息的方法，其特征在于，所述对该复合视频信号进行滤波的步骤更包含：
对该复合视频信号进行滤波，以产生低水平频率分量与高水平频率分量；
对该低水平频率分量进行滤波，以产生具有高垂直频率的第一频率分量与具有低垂直频率的第二频率分量；以及
对该高水平频率分量进行滤波，以产生具有高垂直频率的第三频率分量与具有低垂直频率的第四频率分量。
11.如权利要求8所述的用于从复合视频信号的目标像素中分离亮度与色度信息的方法，其特征在于，所述的方法更包含：根据该目标像素的该第一分离信息与该目标像素的复合信息，从该目标像素分离第二分离信息，其中，该第二分离信息为该色度信息。
12.如权利要求11所述的用于从复合视频信号的目标像素中分离亮度与色度信息的方法，其特征在于，所述从该目标像素分离第二分离信息的步骤更包含：从该目标像素的该复合信息减去该目标像素的该第一分离信息，以撷取该目标像素的该第二分离信息。
13.如权利要求8所述的用于从复合视频信号的目标像素中分离亮度与色度信息的方法，其特征在于，所述产生该目标像素的第一权重因子的步骤更包含：
从第二像素减去第一像素，其中该第一像素以及该第二像素与该目标像素排列在同一水平线中；
产生该相减结果的第一绝对值；以及
根据该第一绝对值，搜索包含多个预定权重因子的查找表，以撷取该第一权重因子。
14.如权利要求8所述的用于从复合视频信号的目标像素中分离亮度与色度信息的方法，其特征在于，所述产生该目标像素的第二权重因子的步骤更包含：
执行该目标像素的上像素与下像素的相减操作；
产生该相减结果的第二绝对值；以及
根据该第二绝对值，搜索包含多个预定权重因子的查找表，以撷取该第二权重因子。
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