CN1170305A - 高分辨率摄像机的垂直线倍增方法及其电路 - Google Patents

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Abstract

一种倍增用4个CCD成像的视频信号的垂直线数量的垂直线倍增电路及其方法,通过控制信号向存储器的写入和读出而把信号转换成具有较高分辨率的另一视频信号。第一存储器接收G1 CCD发出的0.5H周期的G1信道信号,并以两倍于写入速度的速度输出写入的数据。第二存储器接收G2 CCD发出的1H周期的G2信道信号,并以两倍于写入速度的速度输出写入的数据。选择器交替地从第一和第二存储器选择数据并连续地输出所选信号作为宽带G信号。

Description

高分辨率摄像机的垂直线 倍增方法及其电路
本发明涉及一种用于高分辨率摄像机的垂直线倍增方法及其电路。尤其是，本发明涉及用于倍增视频信号的垂直线数量的垂直线倍增方法和电路，其中，视频信号是利用4个CCD成像，通过控制信号从存储器中的读写，将该信号转换为另一个具有较高分辨率的视频信号。
近来，高清晰度电视(HDTV)的数字传播实践和具有16∶9宽高比的宽屏幕电视的商业化产生了对电荷耦合器(CCD)摄像机的需求，该种摄像机适用各种制式，如现通用的HDTV、宽屏幕TV和NTSC等的成像技术。
一般说来，摄像机功能的增进和设备的成本随电荷耦合器数量的增加而升高。家用的市场上的摄像机通常采用一个单片CCD，而商用的如广播站则使用三片CCD制造的摄像机。
四片CCD摄像机具有比三片CCD摄像机复杂得多的信号处理结构，其具备优越的性能并适用高分辨率的HDTV标准。
此处，“HDTV标准”包括日本提出的大视野标准和美国的GA联合会提出的GA-HDTV标准以及ATV标准和HD标准。
大视野标准是在总的1125条线中有1035条有效垂直线，并且在每个水平线的2200个全部像素中有1920个有效像素。GA-HDTV标准是在1125条全部线中有1035条有效垂直线，并且在每条水平线中的1440个全部像素中有1258个有效像素。ATV标准是在全部的1125条线中有1080个有效垂直线，并且在每条水平线中的2200个全部像素中有1920个有效像素。HD标准是在全部的1125条线中有1024条有效垂直线，并且在每条水平线中的1200个全部像素中有1008个有效像素。
采用4-CCD技术的家用HDTV摄像机必须具有与其它制式即现有的NTSC和宽屏幕TV制式兼容而同时具有低价格的优点。
同时，目前使用的家庭NTSC标准的CCD不能够用于大视野标准的摄像机，因为NTSC CCD的有效垂直线数量仅为485，小于大视野标准的有效垂直线如1035的一半。另外，即使PAL CCD具有足够的有效垂直线，PALCCD也不能用于大视野标准的摄像机，因为对水平像素数量的需求不能得到满足。
为了克服这些不足，对于家用HDTV摄像机可采用具有630,000像素(726垂直线和858水平像素)的一般用途的CCD，进行PAL制式手动微调补偿并控制CCD，从而根据标准采用CCD的某部分，如图1所示。
图1是对于每个标准：16∶9大视野，16∶9宽屏幕电视和4∶3 SD NTSC标准，一个CCD的有用区域。
对于其兼容性，图1中所示的家用4-CCD摄像机，对于16∶9大视野，16∶9的宽屏幕电视(NTSC)和4∶3 SD NTSC标准，分别使用808H×518V，754H×485V和566H×485V的像素总数。
图2表示采用4-CCD的光学系统结构。光学系统包括，一个第一至第三的光学低通滤波器(LPF)，一个棱镜和四个固定到棱镜上的CCD。
此处，穿过透镜的光在入射到棱镜之前穿过第一光学LPF。当使用CCD对入射光采样时，由于像素数量的限制，可能呈现假频。因此，第一LPF衰减入射光中超过奈奎斯特频率的假频成分。
根据入射到棱镜上的光的波长在棱镜的界面上入射光被分成绿(G)、红(R)和蓝(B)信号。G信号在进入CCD之前被分为G1和G2信号。为两个CCD(G1 CCD和G2 CCD)提供G信号，因为在Y信号分布中G信号有着最高比(对HD标准为70％)，并且灵敏度很高。同时，处理G1 CCD和G2 CCD，使得G2 CCD输出一个从G1 CCD输出的视频信号移动一个水平线的视频信号。
另一方面，入射到G1 CCD或G2 CCD上的光具有约两倍于入射到RCCD或B CCD上的光的带宽，这是基于光学LPF的特性。
图3A表示第一至第三光学LPF的频率特性。第一LPF直接影响G1和G2信号，但第二和第三LPF仅分别影响B和R，因为它们位于R CCD和BCCD的前面。在此，Fn表示在CCD中光的取样阶段，可视为信号的归一化最大频率。其结果为入射到B CCD上的光的频率特性可通过对LPF1的频率特性和LPF2频率特性的内部乘积运算得到。入射到R CCD上的光的频率特性通过LPF1和LPF3频率特性的内部乘积运算得到。入射到R CCD和B CCD上的光的最终频率特性示于图3B。
图4是将一CCD输出的NTSC信号转换为HDTV信号的信号处理系统的方框图，该系统在ITE Technical Roport Vol.19，No20，PP53-58中披露。
为了进行各种广播标准的处理，在图4所示的电路中将信号处理进行数字化，换言之，这也是为了能够在不同模式中成像，包括NTSC 16∶9和NTSC4∶3和高清晰度电视模式。
在采用具有超过106个像素的非兼容CCD的大视野摄像机中，因为CCD的水平传递时钟频率大于37MHz，所以其电路的数字化只有很小的进展，并且信号处理很困难。然而，当采用PAL手动微调补偿4-CCD时，因为CCD的水平传递时钟频率低至约16MHz，其电路的数字化是可能的，并且信号处理也很容易。
在图4中，从二个G CCD中按照16MHz时钟信号输出的G1和G2信号被转换成数字信号，并经过轮廓校正电路提供给水平内插电路14。
水平内插电路14在水平方向插入像素并按照32MHz时钟信号输出插入的信号。
G信道垂直线倍增电路16重新安排G1 CCD和G2 CCD产生的信号，使得它们按显示顺序及时显示并及时压缩重新安排的信号，这其中，G1CCD和G2 CCD定位于互垂直移动一个水平线的位置。之后，倍增电路16按照64MHz时钟信号输出压缩的信号做为一个宽带G信号。
在此，水平内插之后时钟速度翻倍，并且在垂直线放大为四倍输入时钟速度之后再翻倍。
G-Y转换电路18将宽带G信号和倍增电路26发出的GL-YL信号结合，输出一个宽带Y信号。
另一方面，低通滤波器(LPF)20执行模拟-数字转换G1和G2信号的低通滤波，输出该信号的低频成分GL。
彩色矩阵电路22输入由LPF 20输出的GL信号和模拟一数字转换的R和B信号，产生色差信号R-YL、G-YL和B-YL，并输出这些色差信号。
垂直线内插电路24在垂直方向对于每个色差信号R-YL、G-YL和B-YL插入像素。
倍增电路26输入插入的色差信号并执行垂直线倍增。
之后，垂直线倍增的信号R-YL和B-YL按照32MHz时钟信号被转换成模拟信号。
因此，使用4个PAL手动微调补偿CCD达到HDTV标准的家用摄像机对G信号进行水平内插和垂直线倍增，但对于具有G信号信息量一半的R和B信号，仅有垂直线增加，如图4所示。
在以上的文献中没有公开对垂直线倍增电路结构的详细描述。
本发明的一个目的在于提供一种增加视频信号垂直线数量的垂直线倍增方法，该视频信号使用4个CCD成像，通过控制存储器中的信号写和读，该信号被转换为另一个具有较高分辨率的视频信号。
本发明的另一个目的在于提供一种增加视频信号垂直线数量的垂直线倍增电路，其中的视频信号使用4个CCD成像，以通过控制存储器中的信号写和读将该信号  转换为另一个具有较高分辨率的视频信号。
为实现上述其中的一个目的，提供了一种增加垂直线数量的垂直线倍增方法，将通过使用包括G1 CCD，G2 CCD，R CCD和B CCD在内的4个CCD而成像的第一类型的广播信号转换为具有高于第一类型广播信号的较高分辨率的第二类型广播信号，其步骤包括：(a)写入来自G1 CCD的0.5H周期的G1信道数据，再以两倍于写速度的速度读出已写数据；(b)写入来自G2CCD的周期为1H的G2信道数据，再以两倍于写速度的速度读出写入的数据；和(c)交替选取步骤(a)和(b)中读出的数据，并连续地输出选取的信号做为一个宽带G信号。
为实现上述的另一个目的，提供了一种增加垂直线数量的垂直线倍增电路，把通过使用包括G1 CCD，G2 CCD，R CCD和B CCD在内的4个CCD成像的第一类广播信号转换为具有高于第一类广播信号的较高分辨率的第二类广播信号，包括：用于写入来自G1 CCD的周期为0.5H的G1信道数据，并以两倍于写速度的速度读出已写的数据的第一存储器；用于写入来自G2CCD周期为1H的G2信道数据，并以两倍于写速度的速度读出写入的数据的第二存储器；和一个交替地从第一和第二存储器中选择数据，并连续地输出已选取的信号做为宽带G信号的选择器。
本发明的以上目的和优点通过以下对参考附图的优选实施例的详细描述而变得更加清晰。
图1表示对于每种标准，CCD的有用区域；
图2表示采用4个CCD的光学系统结构；
图3A表示第一至第三光学低通滤波器的频率特性；
图3B表示入射到图2所示的R CCD和B CCD上的光的频率特性；
图4表示将NTSC CCD的输出转换为HD信号的信号处理系统方框图；
图5是本发明垂直线倍增电路实施例的方框图；
图6A-6L是从图5所示的垂直线倍增电路的各个部分输入和输出信号的时序图；
图7是本发明垂直线倍增电路另一实施例的方框图。
图5是本发明垂直线倍增电路实施例的方框图，其可用作图4所示的垂直线倍增电路16。
图5中所示的电路包括一个第一FIFO存储器110，一个第二FIFO存储器120和一个多路调制器130。
第一FIFO存储器110具有可储存半个水平线(0.5H)的图像数据的容量，因此它可储存相应于0.5H的G1数据。另外，第一FIFO存储器110以两倍于写入速度的速度输出储存的数据。
第二FIFO存储器120具有可储存一个水平线(1H)的图像数据的容量，因此它可储存相应于1H的G2数据。另外，第二FIFO存储器120以两倍于写入速度的速度输出储存的数据。
多路调制器130根据选择控制信号SEL CON选择一个从第一和第二FIFO存储器110和120中输出的信号并输出一个宽带G信号。
以下将参考图6A-6L对图5所示的电路的工作进行详细地描述。
在图5中，经过G1 CCD和G2 CCD(未示于图中)成像的G1和G2信道视频信号被进行模拟至数字转换，并分别输入到第一和第二FIFO存储器110和120中。在此，G1和G2信道视频信号粗略地于图6A中。
如图6B所示，示于图6A中的输入视频信号包括有效像素部分(A)和同步部分(S)。因此，示于图6E中在“低电压”时间期间工作的写允许信号WE1和WE2被提供给第一和第二FIFO存储器110和120，使得仅有有效像素部分(A)被写入第一和第二FIFO存储器110和120中。
根据图6E中所示的第一写允许信号WE1和如图6C中所示的写时钟信号WCLK G1信道数据被写入第一FIFO存储器110。之后，储存在第一FIFO存储器110中的数据根据图6H中的第一读允许信号RE1和读时钟信号RCLK被读出。其中，读时钟信号RCLK具有两倍于写时钟信号WCLK的频率。
G2信道数据根据图6E中的第二写允许信号WE2和图6D中的写时钟信号WCLK与G1信道数据在同一时间内被写入第二FIFO存储器120中。之后，储存在第二FIFO存储器120中的数据根据图6I中的第二读允许信号RE2和其频率为两倍于写时钟信号WCLK的读时钟信号RCLK，在读出1H周期的G1信道数据之后被读出。
在此，写时钟信号WCLK的频率为32MHz，读时钟信号RCLK的频率为64MHz。
如图6F所示，当G1信道数据G1N的有效像素部分的一半被写入第一FIFO存储器110时，即开始读出储存在第一FIFO存储器110中的G1信道数据G1-N。
因为G1信道数据G1 N如图6C所示被不断地写入第一FIFO存储器110中，同时，储存在第一FIFO存储器110中的G1信道数据以两倍于写入速度的速度被读出，所以当G1信道数据G1-N的1H线被完全写入时，储存在第一FIFO存储器110中的G1信道数据G1 N的1H线即被完全读出，如图6F所示。
当G1信道数据G1 N的1H线从第一存储器FIFO 110中完全读出之后经过半个同步周期时，与G1信道数据G1 N同时写入的G2信道数据G2 N以两倍于写入速度的速度从第二FIFO存储器120中读出，如图6G所示。
当G2信道数据G2 N的1H线从第二FIFO存储器120中完全读出之后经过半个同步周期时，G1信道数据G1 N+1从第一FIFO存储器110中被读出。
以上过程在每个1H周期中重复。多路调制器130根据图6J所示的选择控制信号MUX SELECT交替地选取第一和第二FIFO存储器110和120的输出，并最终输出如图6K所示的被选信号。从多路调制器130最终输出的信号示于图6L。
在此，第一和第二写时钟信号WCLK1和WCLK2，第一和第二读时钟信号RCLK1和RCLK2，第一和第二写允许信号WE1和WE2，输入到第一和第二FIFO存储器110和120中的第一和第二读允许信号RE1和RE2，以及输入到多路调制器130中的选择控制信号MUX SELECT均由外部定时和时钟信号发生器(未图示)产生及输出。
同时，第一和第二FIFO存储器110和120可由双端口随机存取存储器(RAM)组成，多路调制器130可称作为选择器。
即使图5所示的电路采用以G1和G2信号的垂直线倍增方式来描述，但该电路也可用于色差信号R-YL、B-YL和G-YL的垂直线倍增。
图7是本发明垂直线倍增电路的另一实施例的方框图。
图7中所示电路的结构类似于图5中的电路结构。为简便起见，在图中仅示出R-YL信号的垂直线倍增电路。但当图7中的电路被用作图4中的倍增电路26时，需要并联连接三个这样的电路以对每个色差信号R-YL、B-YL和GL-YL进行垂直线倍增。
参见图7，第一和第二FIFO存储器110＇和120＂的写和读时钟信号WCLK＇和RCLK＂的频率分别为16MHz和32MHz，它们是图5中所示第一和第二FIFO存储器110和120的写和读时钟信号WCLK和RCLK频率的一半。此外，多路调制器130输入和输出一个色差信号，他的垂直线频率被倍增为32MHz。
即使图7中所示电路从色差信号的垂直线倍增方面来描述，但该电路也可用于由R CCD或B CCD输出的R或B信道信号的垂直线倍增。
另外，本发明还可用于视频制式转换系统，可把当前类型的广播信号转换成HDTV制式的信号，还可用于家用型HDTV摄像机。
如以上所述，由于本发明可通过将一般用途的CCD摄取的图像信号简便地增加垂直线数量而适宜于高分辨率标准，所以本发明可降低摄像机或视频制式转换系统的制造成本。

Claims (24)

1.一种增加垂直线数量的垂直线倍增方法，把利用包括G1 CCD，G2CCD，R CCD和B CCD在内的4个CCD成像的第一类型广播信号转换成分辨率高于第一类广播信号分辨率的第二类广播信号，其步骤包括：
(a)写入来自G1 CCD的0.5H周期的G1信道数据，然后以两倍于写速度的速度读出写入的数据；
(b)写入来自G2 CCD的周期为1H的G2信道数据，然后以两倍于写速度的速度读出写入的数据；
(c)交替地选取从上述步骤(a)和(b)中读出的数据并连续地将选取的信号输出做为一个宽带G信号。
2.一种增加垂直线数量的垂直线倍增方法，把利用包括G1 CCD，G2CCD，R CCD和B CCD在内的4个CCD成像的第一类型广播信号转换成分辨率高于第一类广播信号分辨率的第二类广播信号，其步骤包括：
(a)对从G1 CCD和G2 CCD输出的G1和G2信道数据分别进行低通滤波，输出低频G信道数据；
(b)分别利周R CCD和G CCD输出的低频G信道数据和R及B信道数据产生色差信号R-YL、B-YL和GL-YL；
(c)写入0.5H周期的每个色差信号，再以两倍于写速度的速度读出写入的数据；
(d)写入1H周期的每个色差信号，再以两倍于写入速度的速度读出写入的数据；
(e)交替地选取上述步骤(c)和(d)中读出的数据，并输出垂直线增加的色差信号。
3.一种使利用包括G1 CCD，G2 CCD，R CCD和B CCD在内的一般用途的4-CCD产生的视频信号适应高分辨率标准的垂直线倍增方法，包括步骤：
(a)以第一写速度写入来自G1 CCD的0.5H周期的G1信道数据，并再以两倍于第一写速度的速度读出写入的数据；
(b)以第一写速度写入来自G2 CCD的1H周期的G2信道数据，并再以两倍于第一写速度的速度读出写入的数据；
(c)交替地选取上述步骤(a)和(b)中读出的数据，并输出倍增垂直线的G信道数据；
(d)对G1和G2信道数据低通滤波，输出一个低频G信道数据；
(e)分别利用R CCD和G CCD发出的低频G信道数据和R及B信道数据产生色差信号R-YL，B-YL和GL-YL；
(f)以第二写速度写入0.5H周期的每个色差信号，并再以两倍于第二写速度的速度读出写入的数据；
(g)以第二写速度写入1H周期的每个色差信号，并再以两倍于第二写速度的速度读出写入的数据；
(h)交替地选取上述步骤(f)和(g)中读出的数据，并输出倍增垂直线的G信道数据。
4.根据权利要求3所述的垂直线倍增方法，其特征在于，第二写速度低于第一写速度。
5.根据权利要求3所述的垂直线倍增方法，其特征在于，第一写速度为第二写速度的两倍。
6.一种使利用包括G1 CCD，G2 CCD，R CCD和B CCD的一般用途的4-CCD产生的视频信号适应高分辨率标准的垂直线倍增方法，其步骤包括：
(a)以第一写速度写入来自G1 CCD的0.5H周期的G1信道数据，并再以两倍于第一写速度的速度读出写入的数据；
(b)以第一写速度写入来自G2 CCD的1H周期的G2信道数据，并再以两倍于第一写速度的速度读出写入的数据；
(c)交替地选取从上述步骤(a)和(b)中读出的数据并输出增加垂直线的G信道数据；
(d)以第二写速度分别写入来自R CCD和G CCD的0.5H周期的R和B信道数据，并再以两倍于第二写速度的速度读出写入的数据；
(e)以第二写速度分别写入来自R CCD和G CCD的1H周期的R和B信道数据，并再以两倍于第二写速度的速度读出写入的数据；和
(f)交替地选取从上述步骤(d)和(e)中读出的数据，并输出具有倍增垂直线的色差信号。
7.根据权利要求6所述的垂直线倍增方法，其特征在于，第二写速度低于第一写速度。
8.根据权利要求6所述的垂直线倍增方法，其特征在于，第一写速度是第二写速度的两倍。
9.一种把第一类广播信号转换成第二类具有较高分辨率的第二类广播信号的方法，步骤包括：
(a)在0.5H周期内写入第一类广播信号并再以两倍于写速度的速度读出写入的数据；
(b)在1H周期内写入第一类广播信号并再以两倍于写速度的速度读出写入的数据；
(c)交替地选取在步骤(a)和(b)中读出的数据并输出倍增垂直线的第二类广播信号。
10.一种增加垂直线数量的垂直线倍增电路，把利用包括G1 CCD，G2CCD，R CCD和B CCD在内的4个CCD成像的第一类广播信号转换成分辨率高于第一类广播信号分辨率的第二类广播信号，包括：
写入来自所述G1 CCD的0.5H周期的G1信道数据并以两倍于写入速度的速度读出写入数据的第一存储器；
写入来自所述G2 CCD的1H周期G2信道数据并以两倍于写入速度的速度读出写入数据的第二存储器；和
交替地从所述第一和第二存储器中选择数据并连续地输出选取的信号作为宽带G信号的选择器。
11.根据权利要求10所述的垂直线倍增电路，其特征在于，上述第一和第二存储器是FIFO存储器。
12.根据权利要求10所述的垂直线倍增电路，其特征在于，第一和第二存储器是双端口RAM。
13.根据权利要求10所述的垂直线倍增电路，其特征在于，储存于第二存储器中的数据，在储存于第一存储器中的数据被读出之后经历半个同步周期时被读出。
14.根据权利要求10所述的垂直线倍增电路，其特征在于，储存于第一存储器中的数据，在储存于第二存储器中的数据被读出之后经历半个同步周期时被读出。
15.一种增加垂直线数量的垂直线倍增电路，把利用包括G1 CCD，G2CCD，R CCD和B CCD在内的4个CCD成像的第一类广播信号转换成分辨率高于第一类广播信号分辨率的第二类广播信号，包括：
一个低通滤波器，分别对G1 CCD和G2 CCD发出的G1和G2信道数据进行低通滤波，并输出一个低频G信道数据；
一个色差信号发生器，分别利用来自R CCD和G CCD的低频G信道数据和R及B信道数据产生色差信号R-YL，B-YL和GL-YL；
第一存储器，写入0.5H周期的每一个色差信号，并以两倍于写入速度的速度读出写入的数据；
第二存储器，写入1H周期的每个色差信号，并以两倍于写入速度的速度读出写入的数据；和
选择器，交替地选取从第一和第二存储器中读出的数据，并输出倍增垂直线的色差信号。
16.根据权利要求15所述的垂直线倍增电路，其特征在于，第一和第二存储器是FIFO存储器。
17.根据权利要求15所述的垂直线倍增电路，其特征在于，第一和第二存储器是双端口RAM。
18.根据权利要求15所述的垂直线倍增电路，其特征在于，储存于第二存储器中的数据在储存于第一存储器中的数据被读出之后经历半个同步周期时被读出。
19.根据权利要求15所述的垂直线倍增电路，其特征在于，储存于第一存储器中的数据在储存于第二存储器中的数据被读出之后经历半个同步周期时被读出。
20.一种使利用包括G1 CCD，G2 CCD，R CCD和B CCD的一般用途的4-CCD产生的视频信号适应高分辨率标准的垂直线倍增电路，包括：
一个第一存储器，以第一写入速度写入来自G1 CCD的0.5H周期的G1信道数据，并以两倍于第一写入速度的速度读出写入的数据；
一个第二存储器，以第一写入速度写入来自G2 CCD的1H周期的G2信道数据，并以两倍于第一写入速度的速度读出写入的数据；
一个第一选择器，从第一和第二存储器中交替地选取读出的数据，并输出倍增垂直线的G信道数据；
一个低通滤波器，对G1和G2信道数据进行低通滤波，并输出一个低频G信道数据；
一个色差信号发生器，分别利用从R CCD和G CCD发出的低频G信道数据和R及B信道数据产生色差信号R-YL，B-YL和GL-YL；
一个第三存储器，以第二写入速度写入0.5H周期的每个色差信号，并以两倍于第二写入速度的速度读出写入的数据；
一个第四存储器，以第二写入速度写入1H周期的每个色差信号，并以两倍于第二写入速度的速度读出写入的数据；
一个第二选择器，交替地选取从第三和第四存储器中读出的数据，并输出倍增垂直线的色差信号。
21.根据权利要求20所述的垂直线倍增电路，其特征在于，第一至第四存储器是FIFO存储器。
22.根据权利要求20所述的垂直线倍增电路，其特征在于，第一至第四存储器是双端口RAM。
23.根据权利要求20所述的垂直线倍增电路，其特征在于，第二写入速度低于第一写入速度。
24.根据权利要求20所述的垂直线倍增电路，其特征在于，第一写入速度是第二写入速度的二倍。
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