CN1196343C - 从全视频信号提取亮度分量的非线性滤波器 - Google Patents

Abstract

亮度分量提取器与含有亮度分量的全视频信号源相连。取样器与视频信号源相连，产生表示一个视频信号帧的样值。存储器保存该视频信号帧中每一个样值的最小值和最大值。非线性滤波器响应最小值和最大值，产生表示亮度分量的样值。

Description

从全视频信号提取亮度分量的非线性滤波器

技术领域

本发明涉及数字存储示波器，更具体地说，涉及这种数字示波器中视频信号的处理。

背景技术

视频波形监示器，例如Tektronix 1740和1750系列和数字视频波形监示器VM 700均为已知。这种监示器是用于分析视频信号的专用的和比较昂贵的测试设备。这些监示器具有显示视频波形和矢量图的功能。此外，它们具有显示由视频信号表示的图象的功能，因此可以作为视频监示器使用。例如，通过将接收的视频信号取样，再从视频样值产生表示由视频信号携带的图象的显示象素阵列，就可以做到这一点。这种显示象素阵列显示在与视频波形监示器相关的显示装置上。然而，这种功能需要高取样速率和大容量采集存储器，以存储表示一帧图象的视频样值(有时称为记录长度)。这些要求只能在比较昂贵的高档专用视频波形监示器中得到满足。然而，希望在通用数字存储示波器中能提供这种视频图象显示功能。

在产生表示视频信号的图象中一个问题是从全视频信号中提取灰度(亮度)和彩色(色度)分量。对于低档系统，只显示灰度图象。这需要从全视频信号提取最少量的亮度分量。

提取亮度和色度分量的一种已知方法是将视频信号过采样，使数字滤波器可以滤出亮度和色度分量。可以在数字信号处理器(DSP)集成电路芯片中实现这些滤波器。可以把它们设置成并联的低通滤波器和带通滤波器来处理全视频信号：低通滤波器提取亮度分量，而带通滤波器提取色度分量。或者，可以以处理全视频信号的梳状滤波器形式实现该滤波器，它同时提取亮度和色度分量。在任一结构中，这种方法需要高取样率，并且因此有大记录长度，需要大容量存储器来存储一个视频帧的样值。

另一种方法是使用含有提取亮度分量的分离模拟低通滤波器的硬件探头模块。这种方法不影响示波器的取样速率，但需要单独的硬件组件，倘若用户要观察视频信号的彩色成份，必须将这硬件组件从示波器探头中拆下。

另一种方法是使用高取样速率并且产生与各视频样值相对应的少量显示象素，不经任何处理来显示接收到的视频信号。由于彩色付载波的相位调整的缘故，人眼将看到亮和暗象素的颤动的图案，并且往往会将这些象素的亮度均化为作为色度分量基础的基础亮度值。也可能对显示的象素做最少的处理，例如求两个相邻象素的平均值，以改善显示图象。因为高取样速率，这种方法也可能需要大记录长度，并且因而需要大容量存储器。

发明内容

根据本发明的一个方面，一种亮度分量提取器，它包括：

用于接收包含亮度分量的全视频信号的输入端；

取样器，它与视频信号源相连，用以产生表示一个视频信号帧的连续的取样周期的每个周期中的最大值和最小值；

用于存储在所述视频信号帧内每个取样周期中最大值和最小值的存储器；和

非线性低通滤波器，它与存储器相连，并且响应存储的最大和最小值，用于产生所述视频信号帧内表示亮度分量的各取样周期的样值。

根据本发明的另一个方面，一种数字存储示波器，它包括：

亮度分量提取器，用于接收含有亮度分量的全视频信号；

所述亮度分量提取器包括取样器，所述取样器与所述视频信号源相连，用于产生表示一个视频信号帧的连续的取样周期的每个周期中的最大值和最小值；

用于存储在所述视频信号帧内每个取样周期中最大值和最小值的存储器；和

非线性低通滤波器，它与所述存储器相连，并且响应所述存储的最大和最小值，用于产生表示所述亮度分量的每个取样周期的样值；

所述数字存储示波器还包括光栅器，所述光栅器与所述非线性低通滤波器相连，用于产生象素光栅，所述象素的值对应于表示所述亮度分量的所述样值；和

显示装置，与所述光栅器相连，用于显示由所述象素光栅表示的一个图象。

附图说明

图1是根据本发明的示波器系统的方块图；

图2是用于理解图1所示的示波器系统的操作的波形图。

图1是根据本发明的示波器系统的方块图。图1仅画出为理解本发明的操作所必需的示波器有关元件。本专业人士应理解在示波器中还有其他元件，并了解所画出的元件如何与这些元件相互连接。

具体实施方式

图1中视频信号源5的输出端通过示波器探头7与取样器10的输入端连接。例如，视频信号源5可以是视频摄象机，或视频信号发生器。取样器10的输出端连接到采集存储器20的输入端。采集存储器20的输出端连接到光栅器30的数据输入端。光栅器30的输出端连接到显示装置15的输入端。示波器探头7还连接到触发电路40的输入端。触发电路40的第一输出端与计算电路50的输入端连接，而第二输出端与取样器10的控制输入端连接。计算电路50的输出端与光栅器30的控制输入端连接。取样器10，采集存储器20，光栅器30，显示装置15，触发电路40和计算电路50的组合装入在示波器中。

来自视频信号源5的视频信号是全视频信号，全视频信号包含表示图象灰度信息的亮度分量，表示图象色彩信息的色度分量，和含有识别光栅顶位置的信息(垂直同步)和识别光栅中每水平行的起始的信息(水平同步)的同步分量。图2是用于理解图1所示的示波器系统的操作的波形图。图2画出NTSC视频信号的一个水平行100，其中视频信号表示的图象是众所皆知的彩条图象。图2a是示波器探头7从视频信号发生器5(图1)接收的全电视信号的波形图。在图2a中，跟在水平同步脉冲102之后的是在后肩106上的色同步信号104。在后肩106之后是分别表示白(108)，黄(110)，青(112)，绿(114)，紫(116)，红(118)，蓝(120)，和黑(122)的一组彩条108至122。除了白条(108)和黑条(122)以外所有彩条包含具有与其颜色相对应的相位和幅度的彩色付载波信号(由垂直阴影线表示)叠加在也与其颜色对应的亮度值上，这一切皆为已知的。彩条之后是前肩124，随后就是下一行(未画出)的水平同步信号。

现有的示波器包括能在取样周期内获取表示接收信号峰值的样值的电路。当这电路工作时，示波器即称为工作在“峰值检测”方式。在“峰值检测”方式下，对于每个取样时间，检测在取样周期内所观察到的信号的最大和最小值。即，在每个取样周期产生二个多位样值，这一切皆为已知的。在该图示实施例中，示波器配置为工作在“峰值检测”方式下。

再参考图1，工作时，当触发信号获取过程(将在以下更详细地说明)时，取样器10以预定取样速率对视频信号100取样。在图示实施例中，取样器10每隔799毫微秒产生表示视频信号的样值，尽管其他取样速率可以使用和/或可以由示波器用户选择，所受的限制在以下详述。在图示实施例中，各样值是多位数字样值，其值代表在由该样值表示的时间视频信号的值。在图示实施例中，这些多位数字样值为各自具有9位。可以使用包含任何位数的样值，尽管最好是至少8位的样值。

对于NTSC视频信号，彩色付载波频率是大约3.58MHz，周期为大约280毫微秒。在800毫微秒取样周期内，几乎有三个彩色付载波完整周期。这样，当这样的信号由工作在“峰值检测”方式的示波器处理时，所述取样时间的最大值表示彩色付载波的这些周期的最大值，而所述取样时间的最小值表示彩色付载波的这些周期的最小值。为了正确地获取彩色付载波的最大和最小幅度，所用取样周期必须大于所获取的视频信号的彩色付载波周期(即，大于NTSC视频信号的大约280毫微秒)。

所有取样周期的最大值组合构成视频信号包络的上周边，和所有取样周期的最小值组合构成包络的下周边。经“峰值检测”取样的图2a视频信号画在图2b中。在由存在彩色付载波(例如，色同步信号104，和彩条110-120)表示的存在色度信号的位置，表示上周边130的样值与表示下周边132的样值相比具有不同的值。在所有其他位置，表示上和下周边的样值具有相同的值。

在全视频信号中不是每个水平行间隔都包含图象数据。一些水平行位于垂直同步间隔内，一些水平行位于过扫描间隔内，可能含有不同于图象信息的其他信息。在NTSC视频信号中，图象数据在每帧的一个场内第21行起始。触发电路40监示视频信号，当检测到该帧的一个场内第21行时，它产生送往取样器10的控制信号，使取样器10开始产生表示视频信号的样值。存储在采集存储器20的表示水平行的每组样值包括两个部分，一部分是包含图象数据的水平行部分，例如图2的彩条108-122；一部分是包含非图象信息的水平行部分，例如前肩124，水平同步信号102和后肩106。

以这种方式在取样器10中产生最大值和最小值，并将其存储在采集存储器20中，直到该光栅中包含图象数据的最后一行被取样为止。当完成时，采集存储器20包含表示含有一帧图象数据的视频信号部分的最大值和最小值。

一般说，光栅器30从采集存储器20取出样值，并产生表示该数据的光栅信号。然后，该光栅信号显示在显示装置15上。在正常运行时，以这种方式显示的图象是一行，一般称为轨迹，表示在示波器探头7接收的信号波形。当示波器工作在正常峰值检测方式时，显示图象是表示接收信号包络的白带。

然而，根据本发明，光栅器30产生显示象素光栅，显示象素的强度值在显示装置15上重现视频信号表示的图象。为了产生这种象素光栅，光栅器30将显示光栅中每个象素与采集存储器20中与该显示象素相同空间位置的视频样值，或者与显示象素空间位置附近的若干个视频样值相联系。每个显示象素是根据相联系的视频样值，或几个样值的值产生的。光栅器30可以用硬件实现，或者通过以下方法实现：微处理器执行一程序，分析来自采集存储器20的视频样值以产生象素光栅，这在下文叙述。

为了将显示象素与视频样值相联系，光栅器30必须确定采集存储器20中每个视频样值的空间位置。要做到这一点，光栅器30必须首先确定存储在采集存储器20中的每个水平行的水平同步信号的位置。根据这种信息，光栅器30可以确定水平行(垂直位置)，和在该行内水平位置，即所有存储样值的空间位置。触发电路40和计算电路50的组合向光栅器30提供水平同步信号的位置。

如上所述，当检测到含有图象数据的第一行(即21行)时，触发电路40产生供取样器10用的的控制信号。这种控制信号使取样器10开始对视频信号取样。计时器42测量每个这种控制信号之间的时间。所测得时间就是实际的视频信号一帧时间。触发电路40可以向取样器10提供控制信号，而计时器42可以测量这种控制信号之间的时间，触发电路40和计时器42可以在单片集成电路中一起实现。例如，作为已知的方法，可以使用提供这两种功能的、型号为ADG 365的触发器集成电路(Tek tronix公司制造)。尽管图1中所示，计时器42被包含在触发电路40内，这仅仅说明在图示的实施例中计时器42和触发电路40制造在同一片集成电路上。本专业的技术人员应会明白，计时器42可以单独地制造，并对触发电路40产生的控制信号作出响应。

计算电路50计算为确定存储在采集存储器20中水平行的水平同步信号位置所必需的信息。已知视频制式的一个视频帧中的水平行数是固定的和已知的。这样，将一个视频帧的时间(来自计时器42)除以一个视频帧的总水平行数，就可以算出连续的水平同步信号之间的时间，即水平行时间。例如，在NTSC视频信号中，一个视频帧中有525水平行。这样，水平行时间就是一帧时间除以525。以这种方式，该帧的平均水平行持续时间被求得，并且用于确定采集存储器20中视频样值的水平行的起始位置。

计算电路50可以作为除法电路以硬件实施，除法电路具有：连接成接收视频帧时间表示数据的被除数输入端；连接成接收表示一个视频帧中水平行数目的信号的除数输入端；和与光栅器30相连的商输出端，用于产生表示水平行时间的信号。或者，计算电路50可以按照以下方式实现：按照已知的方法，微处理器执行一控制程序，将视频帧时间除以一帧中的水平行数。这种微处理器可以专用于计算电路50，或可以执行示波器中其他功能。

更通用的实施方案还可以利用存在于ADG 365触发器集成电路(上述的)中的图1以虚线标示的计数器44。可以按照已知方式把计数器44配置成对一个视频信号帧中水平同步信号加以检测和计数。这样计数得到的一个视频帧中的水平同步信号的数目也送往计算电路50。如上所述，计算电路50将来自计时器42的一个视频帧时间除以来自计数器44的水平同步脉冲数，从而产生水平行时间。这种配置容许示波器显示以任何视频制式，例如NTSC，PAL，SECAM等发送的图象。与计时器42类似，尽管图1中所画计数器44被包含在触发电路40内，但这仅仅说明在图示实施例中计数器44和触发电路40制造在同一片集成电路上。本专业技术人员应会明白，计数器44可以单独地制造，并且对来自触发电路40的信号作出响应。

按照已知方式，通过分析采集存储器20中视频样值起点附近的样值，以便检测第一水平同步脉冲，可以确定与第一水平同步信号(即在21行)对应的视频样值在采集存储器20中位置。然后通过计算在第一水平同步脉冲以后一个水平行时间(由计算电路50产生)的样值位置，确定第二水平同步信号的位置。通过计算在第一水平同步脉冲以后二个水平行时间的样值位置来确定第三水平同步脉冲的位置，依此类推。如上所述，从各个水平同步信号位置，可以确定与显示图象中显示象素位置对应的视频样值的空间位置。这种确定水平同步信号位置的方法，例如利用一帧的平均水平行周期，使得从行到行的一个象素水平抖动减至最小。此外，以每个帧至帧中直的垂直线形式显示垂直边缘。

每个显示光栅象素的值是根据如上所述存储在采集存储器20中与该象素相联系的视频样值的最大值和最小值计算得到的。显示象素值设定为最大值和最小值之间的平均值。这种操作是非线性低通滤波操作，由图1中低通滤波器(LPF)32表示，低通滤波器32有接收来自采集存储器20的相联系的视频样值最大值的第一输入端和接收相联系的视频样值最小值的第二输入端。

LPF 32可以由加法器实现，加法器有连接成接收最大样值的加数输入端，和连接成接收最小样值的加数输入端。所述和输出端连接到除2电路(这可以通过将加法器输出向右移动一位的已知方式来实现)。或者，LPF 32可以在响应控制程序执行加法和除法运算的微处理器实现。如上所述，微处理器可以专用于LPF 32，或者可以执行示波器中其他操作。

再参考图2b，以虚线波形134说明由LPF 32以上述方式产生的在存在彩色付载波的区域(104和110-120)中的象素值。象素值134位于最大值130和最小值132之间一半距离上。这基本上就在视频信号100亮度分量值上。

如上所述示波器的视频监示器可以在较低档的示波器上实现，而不用增加过多电路，增加成本。即使视频信号时序按视频标准来说不准确，或随时间而变的，它也能相对精确地重现与接收视频信号相对应的灰度图象。

Claims (8)

1.一种亮度分量提取器，它包括：

用于接收包含亮度分量的全视频信号的输入端；

取样器，它与视频信号源相连，用以产生表示一个视频信号帧的连续的取样周期的每个周期中的最大值和最小值；

用于存储在所述视频信号帧内每个取样周期中最大值和最小值的存储器；和

非线性低通滤波器，它与存储器相连，并且响应存储的最大和最小值，用于产生所述视频信号帧内表示亮度分量的各取样周期的样值。

2.根据权利要求1的提取器，其特征在于：所述非线性低通滤波器包括：

加法器，它具有响应最小值的第一输入端、响应最大值的第二输入端，和输出端；和

除法器，它具有与所述加法器的所述输出端相连的输入端，用于将在其输入端的所述信号除以2。

3.根据权利要求2的提取器，其特征在于：

所述取样器产生多位数字样值；

所述加法器是具有多位输出端的数字加法器；和

所述除法器是通过将所述加法器的所述输出端的所述位向右移一位构成的。

4.根据权利要求1的提取器，其特征在于：所述非线性低通滤波器包括响应每个取样周期的最大值和最小值、用以产生其值在所述相对应的取样周期中所述最大值和所述最小值之间的样值的样值产生电路。

5.根据权利要求4的提取器，其特征在于：所述样值产生电路包括用于产生其值为所述相对应的取样周期中所述最大值和最小值之间中间值的样值的电路。

6.根据权利要求1的提取器，其特征在于还包括：

光栅器，它与所述非线性低通滤波器相连，用于产生象素光栅，所述象素的值对应于表示样值的亮度分量；和

显示装置，它与所述光栅器相连，用于显示由所述象素光栅表示的图象。

7.根据权利要求1的提取器，其特征在于：所述视频信号源是视频摄象机。

8.一种数字存储示波器，它包括：

亮度分量提取器，用于接收含有亮度分量的全视频信号；

所述亮度分量提取器包括取样器，所述取样器与一个视频信号源相连，用于产生表示一个视频信号帧的连续的取样周期的每个周期中的最大值和最小值；

用于存储在所述视频信号帧内每个取样周期中最大值和最小值的存储器；和

非线性低通滤波器，它与所述存储器相连，并且响应所述存储的最大和最小值，用于产生表示所述亮度分量的每个取样周期的样值；

所述数字存储示波器还包括光栅器，所述光栅器与所述非线性低通滤波器相连，用于产生象素光栅，所述象素的值对应于表示所述亮度分量的所述样值；和

显示装置，与所述光栅器相连，用于显示由所述象素光栅表示的一个图象。

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