CN101902653B - 一种基于亮度样本的方向预测的场内yc分离方法 - Google Patents

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一种基于亮度样本的方向预测的场内YC分离方法，包括以下步骤：1)对复合视频信号进行4fsc采样，选择具有行间对应的采样点的相位差为180°的行间数据；2)对M行行间数据采用简单YC分离技术将复合视频信号初步分离为初步亮度信号和初步色度信号；3)选择ROD计算代价最小的模式，作为其亮度预测模式，选中的亮度预测模式对应的方向，即是方向预测结果；4)选择与方向预测结果吻合的样本数据；5)输入2D梳状滤波器，得到最终色度分量C和最终亮度分量Y。本发明降低成本的同时保证良好的分离效果。

Description

一种基于亮度样本的方向预测的场内YC分离方法
技术领域
本发明涉及数字视频图像处理与显示技术领域，涉及一种将复合视频信号分离成亮度信号和色度信号的YC分离技术。
背景技术
复合视频信号(CVBS)由亮度信号(Luminance，也称为Y分量，亮度分量)和色度信号(Chrominance，也称为C分量，色度分量)构成。而色度信号由两个表示颜色信息的信号(分别记为U和V)合成。
编码器通常通过将亮度信号和色度信号简单地叠加在一起构成CVBS信号，这样色度信号和高频亮度信号就会占用频谱的相同部分，使得在解码器中分离它们时存在困难。解码时，一些亮度信息的高频部分有可能被作为色度信息解码(称之为串色)，一些色度信息有可能会停留在亮度信号中(称之为串亮度)，而这些都会影响图像质量。所以，对Y信号和C信号进行分离的YC分离技术在视频处理领域是非常重要的。
作为YC分离技术，已经存在简单YC分离、2D梳状滤波、3D梳状滤波技术等，参见《视频技术手册(第五版)(VideoDemystified(Fifth Edition))》，著作者：[美]Keith Jack，译作者：杨征，田尊华，张杰良，陈虎：人民邮电出版社，2009年8月第一版，ISBN978-7-115-21020-3-TN的第314-322页。
简单YC分离技术的垂直色度解析度没有损失，但是没有采用任何串色抑制，容易串色。
2D梳状滤波(也称为场内梳状滤波)技术有很多变形，但是各有优缺点，例如传统的梳状滤波器只对垂直对齐的样本进行处理，所以传统的梳状滤波器在对角线和垂直色彩变化方面仍然有问题。
3D梳状滤波(也称为场间梳状滤波)，尤其是3D运动自适应梳状滤波器可以达到很好的YC分离效果，但是要存储2场(NTSC制)或者4场(PAL制)的CVBS采样点数据，硬件成本太高。
发明内容
为了克服已有复合视频信号YC分离方法的不能兼顾分离效果和成本的不足，本发明提供一种降低成本的同时保证良好的分离效果的基于亮度样本的方向预测的场内YC分离方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于亮度样本的方向预测的场内YC分离方法，所述YC分离方法包括以下步骤：
1)、对复合视频信号进行4fsc采样，选择具有行间对应的采样点的相位差为180°的行间数据；
2)、对M行行间数据采用简单YC分离技术将复合视频信号初步分离为初步亮度信号和初步色度信号；
3)、对M行初步亮度信号取样本，设定亮度样点的处理单元被定义为4x4块，表示4x4的采样点矩阵；利用空间相关性，用当前的一个4x4的采样点矩阵的左边和上边的相邻点采用H.264的亮度样点的Intra_4×4预测过程对当前的4x4的采样点矩阵进行方向预测；
设定6种预测方向包括垂直方向New_0，水平方向New_1，垂直向右方向New_2，水平向下方向New_3，垂直向左方向New_4和水平向上方向New_5，与H.264的帧内4x4预测的预测方向的对应关系为：
New_0方向对应H.264的预测方向0；
New_1方向对应H.264的预测方向1；
New_2方向对应H.264的预测方向5；
New_3方向对应H.264的预测方向6；
New_4方向对应H.264的预测方向7；
New_5方向对应H.264的预测方向8；
设定6种预测模式包括了模式New_0～模式New5，与H.264的帧内4x4预测的预测模式的对应关系为：
New_0模式对应H.264的预测模式0；
New_1模式对应H.264的预测模式1；
New_2模式对应H.264的预测模式5；
New_3模式对应H.264的预测模式6；
New_4模式对应H.264的预测模式7；
New_5模式对应H.264的预测模式8；
对原来的4x4采样点矩阵的左边和上边的相邻点A’、B’、C’、D’、E’、F’、G’、H’、I’、G’、K’、L’、M’进行处理，得到一个新的4x4矩阵，称为重建块；
w’＝predict’(T’，mode’)；
其中T是原始块左边和上边的相邻点，w’是重建块，mode’是预测模式，predict’是相应的重建函数；
当mode’为模式New_0时，predict’(.)＝predict_0(.)；
当mode’为模式New_1时，predict’(.)＝predict_1(.)；
当mode’为模式New_2时，predict’(.)＝predict_5(.)；
当mode’为模式New_3时，predict’(.)＝predict_6(.)；
当mode’为模式New_4时，predict’(.)＝predict_7(.)；
当mode’为模式New_5时，predict’(.)＝predict_8(.)；
其中predict_0(.)，predict_1(.)，predict_5(.)，predict_6(.)，predict_7(.)，predict_8(.)分别为H.264的模式0，模式1，模式5，模式6，模式7，模式8的重建函数；
对当前的4x4的采样点矩阵进行亮度样点的方向预测的过程如下：
(3.1)分别在6种不同的预测模式下，对原来的4x4采样点矩阵左边和上边的相邻点A’、B’、C’、D’、E’、F’、G’、H’、I’、G’、K’、L’、M’进行处理，得到一个新的4x4矩阵：
w’＝predict’(T’，mode’)；
其中，T’是原始块左边和上边的相邻点，w’是重建块，mode’是预测模式，predict’是相应的处理函数；
(3.2)分别在6种不同的预测模式下，进行ROD计算代价，ROD计算代价函数如下：
RODnew(t，w，mod e)＝SSD(t，w，mod e)；
其中，t是原始块，w是重建块，mode是预测模式；
SSD ( t , w , mode | QP ) = Σ y = 0 3 Σ x = 0 3 ( t ( x , y ) - w ( x , y ) ) 2 , 是4x4原始块和重构块之间的平方误差和；
RODnew是ROD函数的简化，SSD函数和H.264中的SSD保持相同；
(3.3)选择ROD计算代价最小的模式，作为其亮度预测模式，选中的亮度预测模式对应的方向，即是方向预测结果；
4)、选择与方向预测结果吻合的样本数据；
5)、输入2D梳状滤波器，得到最终色度分量C和最终亮度分量Y。
进一步，在所述步骤4)中，与方向预测结果吻合的样本数据为CVBS样本对，从复合视频信号样本组成的M×M矩阵中的6个样本对中，根据亮度样本的方向预测的结果，挑选对应方向的CVBS样本对；其中：
M＝N/2+1，N为偶数，且N≥4，则M为奇数，且M≥5；
M×M色度样本矩阵边界点组成的正方形的对角线的交点，称为该CVBS样本矩阵的中心样本点。
一个样本对包括K个样本点，记为CVBS-(K-1)/2，CVBS-(K-3)/2......，CVBS0，......，CVBS(K-3)/2，CVBS(K-1)/2，M＞K≥3，且K为奇数，K的值由2D梳状滤波器指定，其中CVBS0是CVBS样本矩阵的中心样本点，其他K-1个样本点需满足以下关系：
①和CVBS0在同一直线上；②CVBS-(K-1)/2和CVBS(K-1)/2，CVBS-(K-3)/2和CVBS(K-3)/2，......共(k-1)/2对分别以CVBS0为对称的；③CVBS中的色度分量和CVBS0中的色度分量的相位差为180°；
满足上述关系的样本对，有H＝((M+1)/2)×((M-1)/2)组，且CVBS样本组成的M×M矩阵中的所有的样本对具有同一个中心采样点；
亮度样本的预测方向上找到满足上述定义的CVBS样本对；
所述步骤5)中，将CVBS样本对经过K行2D梳状滤波器，其中M＝N/2+1＞K≥3。
或者是：在所述步骤4)中，与方向预测结果吻合的样本数据为色度样本对，从色度样本组成的M×M矩阵中的6个样本对中，根据亮度样本的方向预测的结果，挑选对应方向的色度样本对；
其中：
M＝N/2+1，N为偶数，且N≥4，则M为奇数，且M≥5；
M×M色度样本矩阵边界点组成的正方形的对角线的交点，称为该色度样本矩阵的中心样本点；
一个样本对包括K个样本点记为C-(K-1)/2，C-(K-3)/2……，C0，……，C(K-3)/2，C(K-1)/2，(M＞K≥3，且K为奇数，K的值由2D梳状滤波器指定，其中C0是色度样本矩阵的中心样本点，其他K-1个样本点需满足以下关系：
①和C0在同一直线上；②C-(K-1)/2和C(K-1)/2，C-(K-3)/2和C(K-3)/2，……共(K-1)/2对分别以C0为对称的；③和C0的相位差为180°；
满足上述关系的样本对，有H＝((M+1)/2)×((M-1)/2)组，且，色度样本组成的M×M矩阵中的所有的样本对具有同一个中心采样点；
在亮度样本的预测方向上找到满足上述定义的色度样本对；
所述步骤5)中，对色度样本对进行2D梳状滤波，即得到最终色度分量C，用复合视频信号采样点数据减去最终色度分量C，即可得到最终亮度分量Y。
再进一步，所述步骤1)中，对于PAL制，行间对应采样点的相位相差90°，需要隔行选取；而对于NTSC制，行间采样点的相位差为180°，选取相邻行即可。
本发明的技术构思为：在遵循了NTSC(National Television SystemsCommittee，国家电视制式委员会)制式标准的CVBS信号的色度信号的时间函数表示式为：
C(t)＝U(t)sin(2πfsct)+V(t)cos(2πfsct)＝C′(t)sin[2πfsct+θ(t)]    (1)
式中 C ′ = U 2 + V 2
θ = arctan V U
其中，fsc为NTSC制的副载波的频率，为3.58MHz。
在遵循了PAL(Phase Alternation Line，相位逐行交变)制式标准的CVBS信号的色度信号的时间函数表示式为：
C(t)＝U(t)sin(2πfsct)+Φ(t)V(t)cos(2πfsct)＝C′(t)sin[2πfsct+θ(t)]   (2)
式中 C ′ = U 2 + V 2
θ = Φ ( t ) arctan V U
其中，fsc为PAL制的副载波的频率，为4.43MHz；Φ(t)为逐行取值为+1，-1的开关函数。
可见，PAL制和NTSC制的色度信号都为正交平衡调幅信号，但是PAL的V分量采用了逐行倒相处理，NTSC制则没有逐行倒相处理。
公式(1)(2)相关内容，可以参见《电视原理》(第6版)，俞斯乐主编，国防工业出版社，2008年2月版，ISBN 978-7-118-04060-9的第96-111页。
在4fsc(fsc是对应制式标准的副载波频率)采样条件下，采样相位差为90°(360°/4)，且对于PAL制，一行包括1135(奇数)个采样点，所以行间对应采样点的相位相差90°，而NTSC值有910(偶数)个采样点，所以行间对应采样点的相位相差180°。
关于4fsc采样条件下采样点的理论表述，参见《视频技术手册(第五版)(Video Demystified(Fifth Edition))》，著作者：[美]Keith Jack，译作者：杨征，田尊华，张杰良，陈虎：人民邮电出版社，2009年8月第一版，ISBN 978-7-115-21020-3-TN的第85-86页。
利用CVBS在4Fsc采样后的采样点的特性和PAL/NTSC制的特点，挑选出具有行间对应点采样点相位差为180°的行间数据，在利用简单YC分离技术分离后，对亮度样本进行方向预测，判断出亮度相关性最高的方向，(1)挑选出该方向上的预分离色度样本进行2D梳状滤波，即可得到完美的最终色度分量，用CVBS减去最终色度分量，即可得到亮度分量。(2)挑选出该方向上的CVBS样本进行2D梳状滤波，即可得到完美的色度分量和亮度分量。
亮度样点的方向预测模块对M行的Pre_Y数据取样本，经过特定的算法分析，得到这些样本的纹理走向信息，拟合为预先定义的预测模式，形成方向预测结果。预测结果的精确程度依赖于其所采用的计算方法。
亮度样点的方向预测作为成熟技术，已经得到广泛应用。其实现方式依赖于不同的计算方法，例如H.264视频处理规范中介绍了一种亮度样点的Intra_4x4预测过程。
H.264是新一代的视频编码标准，为了提高编码效率，H.264提出了各种编码模式，通过率失真优化(Rate Distortion Optimization，RDO)技术对各模式进行计算，以取得最优的编码模式。
在H.264标准中，亮度样点的处理单元称为亮度块，其可以被定义为4x4块或者8x8块或者16x16块，分别表示4x4的采样点矩阵，8x8采样点矩阵，16x16采样点矩阵。
H.246的Intra_4x4预测过程属于帧内预测，利用空间相关性，用当前的一个4x4的采样点矩阵(称为当前宏块)的左边和上边的相邻点对当前的4x4的采样点矩阵进行方向预测。
图2中小写字母(`a-`p)表示当前宏块，即当前4x4采样点矩阵，大写字母(`A-`M)表示其上边和左边的相邻点，这些相邻点是已经编码的像素点。
图3给出了8种预测方向。
H.264的Intra_4x4预测过程给出了9种可选预测模式，见图4。在不同的预测模式下，可以采用不同的函数，对原来的4x4采样点矩阵(原始块)左边和上边的相邻点(A-M)进行处理，得到一个新的4x4矩阵，称为重建块。
`w＝`predict(`T，`mode)；
其中`T是原始块左边和上边的相邻点，`w是重建块，`mode是预测模式，`predict是相应的重建函数，定义如下：
当`mode为模式0时，`predict(.)＝predict_0(.)；
当`mode为模式1时，`predict(.)＝predict_1(.)；
当`mode为模式2时，`predict(.)＝predict_2(.)；
当`mode为模式3时，`predict(.)＝predict_3(.)；
当`mode为模式4时，`predict(.)＝predict_4(.)；
当`mode为模式5时，`predict(.)＝predict_5(.)；
当`mode为模式6时，`predict(.)＝predict_6(.)；
当`mode为模式7时，`predict(.)＝predict_7(.)；
当`mode为模式8时，`predict(.)＝predict_8(.)；
其中predict_0(.)--predict_8(.)分别为模式0-模式8的重建函数，其具体计算方法，分别参见国际电信联盟的《ITU-T H.264建议书(2005年3月版)》第8.3.1.2.1-8.3.1.2.9小节。
图4所示的9预测模式和图3所示的预测方向有对应关系：除了模式2，其他8种预测模式分别与其相同编号的预测方向对应。
对当前的4x4的采样点矩阵(称为当前宏块)，H.264的Intra_4x4预测过程如下：
(1)分别在9种不同的预测模式下，对原来的4x4采样点矩阵(原始块)左边和上边的相邻点(`A-`M)进行处理，得到一个新的4x4矩阵(重建块)。
`w＝predict(`T，`mode)；
其中`T是原始块左边和上边的相邻点，`w是重建块，`mode是预测模式，`predict是相应的处理函数。
(2)分别在9种不同的预测模式下，进行ROD计算代价，ROD计算代价函数如下：
ROD(t，w，mode|QP，λmode)＝SSD(t，w，mode|QP)+λmode×R(t，w，mode|QP)
其中，t是原始块，w是重建块，QP是宏块的量化参数，λmode为拉格朗日乘数，λmode＝0.85×2QP/3，R(t，w，mode|QP)是采用该预测模式需要的比特数。
SSD ( t , w , mode | QP ) = Σ y = 0 3 Σ x = 0 3 ( t ( x , y ) - w ( x , y ) ) 2 , 是4x4原像素块和重构块之间的平方误差和。
(3)最后选择ROD计算代价最小的模式，作为其亮度预测模式。
H.264的亮度样点的Intra_4x4预测过程，可参见《新一代视频压缩编码标准-H.264/AVC》(毕厚杰主编，人民邮电出版社，2005年5月第一版，ISBN 7-115-13064-7/TN.2415)的第92-96页和国际电信联盟的《ITU-T H.264建议书(2005年3月版)》第8.3节。
在本发明亮度样点的方向预测模块，是在H.264的亮度样点的Intra_4x4预测过程的基础上做简化和修改，可以对M行的pre_Y数据取样本，经过特定的算法分析，得到这些样本的纹理走向信息，拟合为预先定义的预测模式，形成方向预测结果。
根据梳状滤波器的原理可知，如果行间的相关性越大，利用梳状滤波器进行YC分离的效果越好，而方向预测结果就指出了在哪个方向上，图像的相关性等级最高，所以在Pre_Y样本对应的CVBS采样点或者预分离的色度样本中，与方向预测结果吻合的CVBS样本点或者预分离的色度样本最符合梳状滤波器的理论原理。第二级数据选择模块的作用就是根据方向预测的结果对数据进行选择，以进行K行的2D梳状滤波。
值得注意的是在数据挑选时要遵循梳状滤波器的要求：相邻CVBS采样点的色度分量或者预分离的色度样本的相位差为180°。如果方向预测的结果指示的方向上的CVBS采样点或者预分离的色度样本不满足相邻点相位差为180°的要求，则寻找最接近方向上的并且满足相邻点相位差为180°的CVBS采样点或者预分离的色度样本进行数据选择，以满足2D梳状滤波器的要求。
本发明的有益效果主要表现在：1、本发明提出的基于亮度样本的方向预测的场内YC分离技术，只需要存储若干行的CVBS采样点数据，相对于场间YC分离技术必需存储若干场的数据的资源消耗，具有硬件资源消耗少，成本低廉的特点。2、本发明提出的基于亮度样本的方向预测的场内YC分离技术，可以沿着检出的相关性等级最高的方向进行梳状滤波，具有自适应的特点。这种特性特别适合处理已知YC分离技术难以解决的斜线图像的YC分离。3、本发明提出的基于亮度样本的方向预测的场内YC分离技术，逻辑简单，兼容处理PAL和NTSC制式，适应能力强，适用于各种需要进行YC分离的视频处理场合。
附图说明
图1为示意性地说明了本发明的结构和数据流程。
图2为H.264定义的Intra_4x4亮度预测。
图3为H.264定义的Intra_4x4亮度预测的8个预测方向。
图4为H.264定义的Intra_4x4亮度预测的9个预测模式。
图5为本发明定义的Intra_4x4亮度预测。
图6为本发明定义的Intra_4x4亮度预测的6个预测方向。
图7为本发明定义的Intra_4x4亮度预测的6个预测模式。
图8为本发明的采用预分离色度分量进行梳状滤波的实现结构。
图9为本发明的采用预分离色度分量进行梳状滤波的一种具体实现方式。
图10为本发明的采用CVBS进行梳状滤波的实现结构。
图11为本发明的采用CVBS进行梳状滤波的一种具体实现方式。
图12为图8，图9，图10，图11中的简单YC分离模块的一种具体实现。
图13为图8，图9，图10，图11中第二级数据选择模块的数据重组的策略的示意图，图中所有实心点具有相同的相位，所有空心点也具有相同的相位，且实心点和空心点的相位相差180°。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图13，一种基于亮度样本的方向预测的场内YC分离方法，所述分离方法包括以下步骤：
1)、用4Fsc的采样信号对CVBS信号进行采样，时间轴上相邻两个采样点间的相位差为90°，所以隔点取样可以满足水平方向的梳状滤波器的要求(相位差为180°)；
2)、若干个串行连接的行存储器模块，可以实现如下功能：输入的CVBS采样点数据，在被送达参与后继模块的同时，被写入行存储器L1中，同时，该行存储器L1已存储采样点数据，在被送达后继模块的同时，被写入到行存储器L2中；行存储器L2中已采样点数据，在被送达后继模块的同时，被写入到行存储器L3中。如此类推，对于行存储器LN(N为偶数)，输入的是行存储器LN-1输出的采样点数据的，输出的采样点数据只被送达后继模块。
所以，行存储器L1的输出，可以看作是经过一行延时的对应点的数据，行存储器LN的输出，可以看作是经过N行延时的对应采样点的数据。
可得：
参与YC分离运算的数据的行数＝N+1；
行存取器数目＝N；
在本发明中，行的概念由CVBS信号的采样过程决定，不同制式的CVBS信号，会产生不同的行的定义。在4Fsc采样条件下，对于PAL制，一行包括1135个采样点，而NTSC值有910个采样点。本发明可依据不同信号制式来调整行的存储特性。
3)、根据PAL/NTSC值的特点，进行行间数据选择。对于PAL制，行间对应采样点的相位相差90°，所以要隔行选取，才能满足垂直方向梳状滤波器的要求(即相位差为180°)，而NTSC制，行间采样点的相位差为180°，所以邻行选取即可满足要求。
该模块的目的是从N+1行CVBS采样点中选取以N/2行为中心的M行(M＝N/2+1)，这些行的行间相位相差180°，行号记为Mux_L0--Mux_LM-1。
4)、经过选择的CVBS行数据，每行的采样点都被对应的一个简单YC分离模块分离成亮度(标记为Pre_Y)和色度(标记为Pre_C)。
由于并行运算，所以
简单YC分离模块的数目＝M；
即M行的CVBS数据经过M个简单YC分离模块后，得到M行的Pre_Y数据和M行的Pre_C数据。
5)、亮度样点的方向预测模块对M行的Pre_Y数据取样本，经过特定的算法分析，得到这些样本的纹理走向信息，拟合为预先定义的预测模式，形成方向预测结果。预测结果的精确程度依赖于其所采用的计算方法。
亮度样点的方向预测作为成熟技术，已经得到广泛应用。其实现方式依赖于不同的计算方法，例如H.264视频处理规范中介绍了一种亮度样点的Intra_4x4预测过程。
在本发明中，亮度样点的处理单元称为亮度块，被定义为4x4块，表示4x4的采样点矩阵。
本发明的Intra_4x4预测过程属于帧内预测，利用空间相关性，用当前的一个4x4的采样点矩阵(称为当前宏块)的左边和上边的相邻点对当前的4x4的采样点矩阵进行方向预测。
图5中小写字母(a’-p’)表示当前宏块，即当前4x4采样点矩阵；大写(A’-M’)字母表示其上边和左边的相邻点，这些相邻点是预分离出来的采样点。
本发明只利用到如图6所示的6种预测方向。这6个方向是图3所示的8个方向的一部分，包括了New_0(垂直方向)，New_1(水平方向)，New_2(垂直向右方向)，New_3(水平向下方向)，New_4(垂直向左方向)，New_5(水平向上方向)，与H.264的帧内4x4预测的预测方向的对应关系为：
New_0方向对应H.264的预测方向0；
New_1方向对应H.264的预测方向1；
New_2方向对应H.264的预测方向5；
New_3方向对应H.264的预测方向6；
New_4方向对应H.264的预测方向7；
New_5方向对应H.264的预测方向8；
本发明亮度样点的方向预测模块的Intra_4x4预测过程给出了6种可选预测模式，见图7。这6种预测模式是图4所示的H.264的9种预测模式的一部分，包括了模式New_0-模式New5，与H.264的帧内4x4预测的预测模式的对应关系为：
New_0模式对应H.264的预测模式0；
New_1模式对应H.264的预测模式1；
New_2模式对应H.264的预测模式5；
New_3模式对应H.264的预测模式6；
New_4模式对应H.264的预测模式7；
New_5模式对应H.264的预测模式8；
在不同的预测模式下，可以采用不同的函数，对原来的4x4采样点矩阵(原始块)的左边和上边的相邻点(A’-M’)进行处理，得到一个新的4x4矩阵，称为重建块。
w’＝predict’(T’，mode’)；
其中T是原始块左边和上边的相邻点，w’是重建块，mode’是预测模式，predict’是相应的重建函数。
当mode’为模式New_0时，predict’(.)＝predict_0(.)；
当mode’为模式New_1时，predict’(.)＝predict_1(.)；
当mode’为模式New_2时，predict’(.)＝predict_5(.)；
当mode’为模式New_3时，predict’(.)＝predict_6(.)；
当mode’为模式New_4时，predict’(.)＝predict_7(.)；
当mode’为模式New_5时，predict’(.)＝predict_8(.)；
其中predict_0(.)，predict_1(.)，predict_5(.)，predict_6(.)，predict_7(.)，predict_8(.)分别为H.264的模式0，模式1，模式5，模式6，模式7，模式8的重建函数。
图7所示的6预测模式和图6所示的6个预测方向有对应关系：6种预测模式分别与其相同编号的预测方向对应。
本发明亮度样点的方向预测模块，对当前的4x4的采样点矩阵(称为当前宏块)，进行亮度样点的方向预测的过程如下：
(1)分别在6种不同的预测模式下，对原来的4x4采样点矩阵(原始块)左边和上边的相邻点(A’-M’)进行处理，得到一个新的4x4矩阵(重建块)。
w’＝predict’(T’，mode’)；
其中T是原始块左边和上边的相邻点，w’是重建块，mode’是预测模式，predict’是相应的处理函数。
(2)分别在6种不同的预测模式下，进行ROD计算代价，ROD计算代价函数如下：
RODnew(t，w，mod e)＝SSD(t，w，mod e)；
其中，t是原始块，w是重建块，mode是预测模式。
SSD ( t , w , mode | QP ) = Σ y = 0 3 Σ x = 0 3 ( t ( x , y ) - w ( x , y ) ) 2 , 是4x4原始块和重构块之间的平方误差和。
RODnew是ROD函数的简化，SSD函数和H.264中的SSD保持相同。
(3)选择ROD计算代价最小的模式，作为其亮度预测模式。
选中的亮度预测模式对应的方向，即是方向预测结果。
6)、根据梳状滤波器的原理可知，如果行间的相关性越大，利用梳状滤波器进行YC分离的效果越好，而方向预测结果就指出了在哪个方向上，图像的相关性等级最高，所以在Pre_Y样本对应的CVBS采样点或者预分离的色度样本中，与方向预测结果吻合的CVBS样本点或者预分离的色度样本最符合梳状滤波器的理论原理。第二级数据选择模块的作用就是根据方向预测的结果对数据进行选择，以进行K行的2D梳状滤波。
值得注意的是在数据挑选时要遵循梳状滤波器的要求：相邻CVBS采样点的色度分量或者预分离的色度样本的相位差为180°。如果方向预测的结果指示的方向上的CVBS采样点或者预分离的色度样本不满足相邻点相位差为180°的要求，则寻找最接近方向上的并且满足相邻点相位差为180°的CVBS采样点或者预分离的色度样本进行数据选择，以满足2D梳状滤波器的要求。
数据选择策略如下：
方案一：从色度样本组成的M×M矩阵(称为M×M色度样本矩阵)中的6个样本对中，根据亮度样本的方向预测的结果，挑选对应方向的色度样本对。
其中：
M＝N/2+1，(N为偶数，且N≥4)，则M为奇数，且M≥5；
在本发明中，M×M色度样本矩阵边界点组成的正方形的对角线的交点，称为该色度样本矩阵的中心样本点。
在本发明中，一个样本对包括K(M＞K≥3，且K为奇数，K的值由2D梳状滤波器指定)个样本点(记为C-(K-1)/2，C-(K-3)/2……，C0，……，C(K-3)/2，C(K-1)/2)，其中C0是色度样本矩阵的中心样本点，其他K-1个样本点需满足以下关系：
①和C0在同一直线上；②C-(K-1)/2和C(K-1)/2，C-(K-3)/2和C(K-3)/2，……(共(K-1)/2对)分别以C0为对称的；③理论上和C0的相位差为180°。
满足上述关系的样本对，有H＝((M+1)/2)×((M-1)/2)组，且，色度样本组成的M×M矩阵(称为M×M色度样本矩阵)中的所有的样本对具有同一个中心采样点。
由M≥5，得到H≥6，且总能在图4右图所示亮度样本的预测方向上找到满足上述定义的色度样本对。
本发明只关心在图4右图所示亮度样本的预测方向上找到的满足上述定义的色度样本对。
本发明的第二级数据选择模块选择的数据，就是在亮度样本的方向预测的结果指示的预测方向上找到的满足上述定义的色度样本对。
方案二：从CVBS样本组成的M×M矩阵(称为M×M CVBS样本矩阵)中的6个样本对中，根据亮度样本的方向预测的结果，挑选对应方向的CVBS样本对。
其中：
M＝N/2+1，(N为偶数，且N≥4)，则M为奇数，且M≥5；
在本发明中，M×M色度样本矩阵边界点组成的正方形的对角线的交点，称为该CVBS样本矩阵的中心样本点。
在本发明中，一个样本对包括K(M＞K≥3，且K为奇数，K的值由2D梳状滤波器指定)个样本点(记为CVBS-(K-1)/2，CVBS-(K-3)/2……，CVBS0，……，CVBS-(K-3)/2，CVBS(K-1)/2)，其中CVBS0是CVBS样本矩阵的中心样本点，其他K-1个样本点需满足以下关系：
①和CVBS在同一直线上；②CVBS-(K-1)/2和CVBS(K-1)/2，CVBS-(K-3)/2和CVBS(K-3)/2，……(共(K-1)/2对)分别以CVBS0为对称的；③理论上CVBS中的色度分量和CVBS0中的色度分量的相位差为180°。
满足上述关系的样本对，有H＝((M+1)/2)×((M-1)/2)组，且，CVBS样本组成的M×M矩阵(称为M×M CVBS样本矩阵)中的所有的样本对具有同一个中心采样点。
由M≥5，得到H≥6，且总能在图4右图所示亮度样本的预测方向上找到满足上述定义的CVBS样本对。
本发明只关心在图4右图所示亮度样本的预测方向上找到的满足上述定义的CVBS样本对。
本发明的第二级数据选择模块选择的数据，就是在亮度样本的方向预测的结果指示的预测方向上找到的满足上述定义的CVBS样本对。
方案一和方案二的差别在于：方案一中，挑选的是预分离的色度样本对；方案二中，挑选的是CVBS样本对。
方案一和方案二的联系在于，同一个方向上的色度样本对和CVBS样本对的位置是一一对应的。因为色度样本对是从CVBS样本对经过简单的YC分析处理得到的。
7)、步骤6)选择的是方案一处理方式，则挑选出该方向上的预分离色度样本进行2D梳状滤波，即可得到完美的最终色度分量，用CVBS减去最终色度分量，即可得到亮度分量，见图9。
步骤6)选择的是方案二处理方式，则对经过第二级数据选择的CVBS样本点经过K行2D梳状滤波器的处理，可以得到比较完美的亮度(Y)和色度(C)，见图11。
第二级数据选择模块的输出必须要满足K行2D梳状滤波器的输入要求，上行，可知第一级数据选择模块的输出必须满足亮度样点的方向预测模块的输入，行存储器的数目要满足数据选择模块的输入要求，即行存储器模块的数目由亮度样点的方向预测模块和K行2D梳状滤波器模块共同决定，即：M＝N/2+1＞K≥3。
本实施例的分离装置，包含若干个串行连接的行存储器模块。每个行存储器模块具有相同的特性，用于存储一行CVBS信号采样点数据。
一个第一级数据选择模块，根据PAL制和NTSC制的特点，选择具有行间对应点采样点相位差为180°的行间数据。
若干个简单YC分离的模块。每个简单YC分离模块具有相同的特性，用于将CVBS信号初步分离出亮度信号(标记为Pre_Y)和初步的色度信号(标记为Pre_C)。简单YC分离模块可以采用任何已知的YC分离技术。
一个亮度样点的方向预测模块。该模块根据若干个亮度信号的样点(或称为亮度信号样点宏块)的特征，预测出该图像区域的图像相关性等级最高的方向。
一个第二级数据选择模块。根据方向预测的结果和梳状滤波器的要求，对数据进行选择和重组。
一个2D梳状滤波器。对经过第二级数据选择的色度样本点经过2D梳状滤波器的处理，可以得到比较完美的最终色度(C)。本发明包含一个减法器，CVBS信号减去最终色度(C)，即可得到最终亮度(Y)。
第二级数据选择还可以有两外一种实现方式，即对经过第二级数据选择的CVBS样本点经过2D梳状滤波器的处理，可以得到比较完美的最终色度和亮度分量。
实例：基于亮度样本的方向预测的场内YC分离技术的具体实施例如图3所示，其处理对象是PAL/NTSC制的CVBS数据。
在该实施例中，取N＝8，M＝5，K＝3。
①经过4Fsc采样的CVBS数据，依次经过8个行存储器存储后，9行数据并行输出，标记为L0～L8，其中L0是没有经过行存储器存储的采样点，L1是经过一行延时的采样点，，依次类推，L8是经过8行延时的采样点，所以L0--L8采样点满足PAL/NTSC制行间对应点的相位关系。
②对于PAL制，行间对应采样点的相位相差90°，所以要隔行选取，才能满足垂直方向梳状滤波器的要求，而NTSC制，行间采样点的相位差为180°，所以邻行选取即可满足要求。所以在第一级数据选择中，根据PAL/NTSC制式指示信号，对L0--L8行进行选择。所选行以L4为中心对称。
设PAL_NTSC_STD为PAL/NTSC制式指示信号：
PAL_NTSC_STD＝0时，为PAL制信号；
PAL_NTSC_STD＝1时，为NTSC制信号；
所以，第一级数据选择执行如下操作：
Mux_L0＜＝L0；
Mux_L1＜＝L2；
Mux_L2＜＝L4；
Mux_L3＜＝L6；
Mux_L4＜＝L8；
when PAL_NTSC_STD＝0；
Mux_L0＜＝L2；
Mux_L1＜＝L3；
Mux_L2＜＝L4；
Mux_L3＜＝L5；
Mux_L4＜＝L6；
when PAL_NTSC_STD＝1；
③Mux_L0--Mux_L4的每行CVBS，都经过一个简单YC分离模块进行预分离。假设该简单YC分离模块是一个陷波器单元和减法器的组合。
参考图12，在PAL制下，陷波器阻带的中心频率为4.43MHz，带宽是1.3MHz；在NTSC制下，陷波器阻带的中心频率为3.58MHz，带宽是1.3MHz。CVBS经过陷波，得到预分离的Y信号(记为pre_Y)。
注意，简单YC分离单元也可以采用任何已知的YC分离技术。5行的CVBS经过简单YC分离后，得到5行的Pre_Y(L0--L4)。
④亮度样点的方向预测模块的输入是5行预分离后的亮度样点。设某图像的亮度样本，如图5，
M’＝1，A’＝2，B’＝3，C’＝4，D’＝5，E’＝6，F’＝7，G’＝8，H’＝9，I’＝2，a’＝3，b’＝4，c’＝16，d’＝6，J’＝3，e’＝4，f’＝7，g’＝6，h’＝7，K’＝4，i’
＝18，j’＝6，k’＝7，l’＝8，L’＝9，m’＝6，n’＝7，o’＝8，p’＝9，
则按照本发明提出的RODnew计算方法，分别计算出在不同预测模式下的RODnew值为：
New_0模式下，RODnew为RODnew_0＝66；
New_1模式下，RODnew为RODnew_1＝62；
New_2模式下，RODnew为RODnew_2＝76；
New_3模式下，RODnew为RODnew_3＝75；
New_4模式下，RODnew为RODnew_4＝26；
New_5模式下，RODnew为RODnew_5＝81；
所以，RODnew_4最小，所以New_4方向即是预测的方向；
⑤第二级数据选择根据亮度样点的方向预测模块输出的方向预测结果，进行数据选择。
⑥如果采用图9所示的实施方式，即梳状滤波器处理的是经过选择的预分离色度样本对
例如，色度样本构成的以S22为中心5×5的矩阵中，矩阵中的每一行上的数据间相位差为180°，也就是在4Fsc采样下，间隔取样得到的；矩阵中每一列上的数据间的相位差为180°。在该矩阵中6个方向上样本对，分别是：
New_0方向上：{S12，S22，S32}；
New_1方向上：{S21，S22，S23}；
New_2方向上：{S01，S22，S43}；
New_3方向上：{S10，S22，S34}；
New_4方向上：{S03，S22，S41}；
New_5方向上：{S14，S22，S30}；
在上面的例子中，New_4方向是预测的方向，表明该图像该区域的图像在水平方向上的相关性等级最高，则在第二级数据选择模块，选取{S13，S22，S41}第二级数据选择模块的输出，送给3行2D梳状滤波器。
⑦3行2D的梳状滤波器对S03，S22，S41做梳状滤波，即可实现得到完美的最终色度C。CVBS信号减去最终色度C，即可得到亮度Y。
⑧如果采用图11所示的实施方式，即梳状滤波器处理的是经过选择的CVBS样本对，则仍然选取{S13，S22，S41}第二级数据选择模块的输出，送给3行2D梳状滤波器，直接输出最终的色度(C)和亮度(Y)。

Claims (4)

1.一种基于亮度样本的方向预测的场内YC分离方法，其特征在于：所述YC分离方法包括以下步骤：
1）、对复合视频信号进行4fsc采样，选择具有行间对应的采样点的相位差为180°的行间数据；
2）、对M行行间数据采用简单YC分离技术将复合视频信号初步分离为初步亮度信号和初步色度信号；
3）、对M行初步亮度信号取样本，设定亮度样点的处理单元被定义为4×4块，表示4×4的采样点矩阵；利用空间相关性，用当前的一个4×4的采样点矩阵的左边和上边的相邻点采用H.264的亮度样点的Intra_4×4预测过程对当前的4×4的采样点矩阵进行方向预测；
设定6种预测方向包括垂直方向New_0，水平方向New_1，垂直向右方向New_2，水平向下方向New_3，垂直向左方向New_4和水平向上方向New_5，与H.264的帧内4×4预测的预测方向的对应关系为：
New_0方向对应H.264的预测方向0；
New_1方向对应H.264的预测方向1；
New_2方向对应H.264的预测方向5；
New_3方向对应H.264的预测方向6；
New_4方向对应H.264的预测方向7；
New_5方向对应H.264的预测方向8；
设定6种预测模式包括了模式New_0 至 模式New5，与H.264的帧内4×4预测的预测模式的对应关系为：
New_0模式对应H.264的预测模式0；
New_1模式对应H.264的预测模式1；
New_2模式对应H.264的预测模式5；
New_3模式对应H.264的预测模式6；
New_4模式对应H.264的预测模式7；
New_5模式对应H.264的预测模式8；
对原来的4×4采样点矩阵的左边和上边的相邻点A’、 B’、 C’、D’、 E’、 F’、 G’、 H’、 I’、 G’、 K’、 L’、 M’进行处理，得到一个新的4×4矩阵，称为重建块；
w’=predict’（T’，mode’）；
其中T’是原始块左边和上边的相邻点，w’是重建块，mode’是预测模式，predict’是相应的重建函数；
当mode’为模式New_0时，predict’（.）= predict_0（.）；
当mode’为模式New_1时，predict’（.）= predict_1（.）；
当mode’为模式New_2时，predict’（.）= predict_5（.）；
当mode’为模式New_3时，predict’（.）= predict_6（.）；
当mode’为模式New_4时，predict’（.）= predict_7（.）；
当mode’为模式New_5时，predict’（.）= predict_8（.）；
其中predict_0（.）,predict_1（.）, predict_5（.）, predict_6（.）, predict_7（.）,predict_8（.）分别为H.264的模式0，模式1，模式5，模式6，模式7，模式8的重建函数；
对当前的4×4的采样点矩阵进行亮度样点的方向预测的过程如下：
（3.1）分别在6种不同的预测模式下，对原来的4×4采样点矩阵左边和上边的相邻点A’、 B’、 C’、 D’、 E’、 F’、 G’、 H’、 I’、 G’、 K’、 L’、 M’进行处理，得到一个新的4×4矩阵：
w’=predict’（T’，mode’）；
其中，T’是原始块左边和上边的相邻点，w’是重建块，mode’是预测模式，predict’是相应的处理函数；
（3.2）分别在6种不同的预测模式下，进行ROD计算代价，ROD计算代价函数如下：
RODnew(t,w,mode)=SSD(t,w,mode)；
其中，t是原始块，w是重建块，mode是预测模式；
Figure FDA0000226694681
，是4×4原始块和重构块之间的平方误差和；
RODnew是ROD函数的简化，SSD函数和H.264中的SSD保持相同；
（3.3）选择ROD计算代价最小的模式，作为其亮度预测模式，选中的亮度预测模式对应的方向，即是方向预测结果；
4）、选择与方向预测结果吻合的样本数据；
5）、输入2D梳状滤波器，得到最终色度分量C和最终亮度分量Y。
2.如权利要求1所述的一种基于亮度样本的方向预测的场内YC分离方法，其特征在于：在所述步骤4）中，与方向预测结果吻合的样本数据为CVBS样本对，从复合视频信号样本组成的M×M矩阵中的6个样本对中，根据亮度样本的方向预测的结果，挑选对应方向的CVBS样本对；
其中：
M=N/2 + 1，N为偶数，且N≥4，则M为奇数，且M≥5；
M×M色度样本矩阵边界点组成的正方形的对角线的交点，称为该CVBS样本矩阵的中心样本点。
一个样本对包括K个样本点，记为CVBS-(K-1)/2，CVBS-(K-3)/2……，CVBS0，……，CVBS-(K-3)/2，CVBS-(K-1)/2， M>K≥3，且K为奇数，K的值由2D梳状滤波器指定，其中CVBS0是CVBS样本矩阵的中心样本点，其他K-1个样本点需满足以下关系：
①和CVBS0在同一直线上；②CVBS-(K-1)/2和CVBS(K-1)/2，CVBS-(K-3)/2和CVBS-(K-3)/2，……共（k-1）/2对分别以CVBS0为对称的；③CVBS中的色度分量和CVBS0中的色度分量的相位差为180°；
满足上述关系的样本对，有H=((M+1)/2)×((M-1)/2)组，且CVBS样本组成的M×M矩阵中的所有的样本对具有同一个中心采样点；
亮度样本的预测方向上找到满足上述定义的CVBS样本对；
所述步骤5）中，将CVBS样本对经过K行2D梳状滤波器，其中M=N/2+1>K≥3。
3.如权利要求1所述的一种基于亮度样本的方向预测的场内YC分离方法，其特征在于：在所述步骤4）中，与方向预测结果吻合的样本数据为色度样本对，从色度样本组成的M×M矩阵中的6个样本对中，根据亮度样本的方向预测的结果，挑选对应方向的色度样本对；
其中：
M=N/2 + 1, N为偶数，且N≥4，则M为奇数，且M≥5；
M×M色度样本矩阵边界点组成的正方形的对角线的交点，称为该色度样本矩阵的中心样本点；
一个样本对包括K个样本点记为CVBS-(K-1)/2，CVBS-(K-3)/2……，C0，……，C(K-3)/2，C(K-1)/2，M>K≥3，且K为奇数，K的值由2D梳状滤波器指定，其中C0是色度样本矩阵的中心样本点，其他K-1个样本点需满足以下关系：
①和C0在同一直线上；②C-(K-1)/2和C(K-1)/2，C-(K-3)/2和C(K-3)/2，……共（k-1）/2对分别以C0为对称的；③和C0的相位差为180°；
满足上述关系的样本对，有H=((M+1)/2)×((M-1)/2)组，且，色度样本组成的M×M矩阵中的所有的样本对具有同一个中心采样点；
在亮度样本的预测方向上找到满足上述定义的色度样本对；
所述步骤5）中，对色度样本对进行2D梳状滤波，即得到最终色度分量C，用复合视频信号采样点数据减去最终色度分量C，即可得到最终亮度分量Y。
4.如权利要求1~3之一所述的一种基于亮度样本的方向预测的场内YC分离方法，其特征在于：所述步骤1）中，对于PAL制，行间对应采样点的相位相差90°，需要隔行选取；而对于NTSC制，行间采样点的相位差为180°，选取相邻行即可。
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