CN1479517A - 一种数字化处理电视隔行扫描格式转换的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字化处理电视隔行扫描格式转换的实现方法，通过“基于空间线性插补的4：3行变换”技术将每场线数由312.5行提升至416.5行；通过“基于帧复制插补的6：4场变换”技术完成静止场景的场频提升；通过“基于场间平均插补的6：4场变换”技术完成运动场景的场频提升；通过“场运动检测”技术完成当前场景是运动还是静止的判断；通过“运动行计数的鲁棒约束”，提高场运动检测的准确度；通过“基于场运动检测的自适应6：4场变换”技术将输入视频的场频提升至75Hz。本发明具有简单易行，资源占用少，性能优良等特点，其对电视整机电路性能要求不高，显示效果具有无闪烁和垂直清晰度高的优点。

Description

一种数字化处理电视隔行扫描格式转换的实现方法

一、所属技术领域

本发明属于VLSI设计技术领域，特别涉及到视频信号扫描与显示格式转换和数字化电视中一种新型优化的50HZ/75HZ隔行扫描格式转换的VLSI实现方法。

二、背景技术

传统的模拟电视扫描格式(PAL制：50HZ隔行625线；NTSC制：60HZ隔行525线)在图像显示效果上存在两大问题：(1)由于场频过低所导致的画面闪烁问题；(2)由于单场扫描线数不足所导致的画面垂直清晰度不高的问题。为此，人们在后端显示时将像素时钟频率由原来的13.5MHZ提高到27MHZ，通过对电视信号进行多种数字化处理(隔行转换为逐行，帧频提升，图像增强等)来提高画面显示的清晰度。目前出现的改进清晰度电视机大多采用50HZ逐行或100HZ隔行的扫描格式。但这些改进的扫描格式无法同时解决以上两个问题，如50HZ逐行格式，将312.5行的场图像重建为625行的帧图像，虽然大大提高了画面的垂直清晰度，但50HZ的帧频使得大面积闪烁现象仍然存在；而100HZ隔行格式将场频由原来的50HZ提升至100HZ，有效地消除了场间闪烁，但垂直清晰度低，行结构线明显的问题仍没有得到解决。

三、发明内容

根据上述背景技术中存在的缺陷和不足，本发明的目的在于，提供一种既能有效消除大面积闪烁现象，同时又能提高垂直清晰度的一种数字化处理电视隔行扫描格式转换的实现方法。

关于75HZ隔行扫描格式的具体描述是：场频为75HZ，每帧线数为833行(即每场线数为416.5行)，隔行扫描方式，行频约为31.2KHZ。由于75HZ隔行扫描格式的场频高于人眼感觉闪烁的临界频率(60HZ)，单场线数比传统格式提高了1/3，从而兼顾了闪烁和垂直清晰度问题的解决，因此，在27MHZ像素时钟频率的条件下，75HZ隔行是一种最优的CRT(cathode-ray tube)扫描格式。

本发明设计了一种新型优化的面向VLSI硬件实现的50HZ/75HZ隔行扫描格式转换方法。本方法主要包含以下关键技术：

(1)通过“基于空间线性插补的4∶3行变换”技术将每场线数由312.5

   行提升至416.5行，即312.5行×(4/3)＝416.5行；

(2)通过“基于帧复制插补的6∶4场变换”技术完成静止场景的场频提

   升；

(3)通过“基于场间平均插补的6∶4场变换”技术完成运动场景的场频

   提升；

(4)通过“场运动检测技术”完成当前处理场是运动还是静止的判断，以

   决定下一次场变换的方式；

(5)通过“运动行计数的鲁棒约束”提高场运动检测的准确度；

(6)通过“基于场运动检测的自适应6∶4场变换”技术将输入视频的场

   频提升至75HZ，即50HZ×(6/4)＝75HZ。

所述“基于空间线性插补的4∶3行变换”技术是：通过对输入图像的每三行数据按照4/3的行提升因子进行空间线性插补计算，并同步输出与输入线性相关的四行新格式的图像数据。这样就可以将输入视频的图像格式由312.5行每场变换为416.5行每场。

所述“基于帧复制插补的6∶4场变换”技术是：主要针对静止场景的场频提升。对于静止场景或随时间变化缓慢的场景，视频序列相邻帧之间的差异微小，因此可以通过帧复制的办法实现此场景下的场频提升，而不影响显示效果。具体做法是通过对输入视频的每四场(即每两帧)图像按照6/4场频提升因子进行时域插补处理，插补策略为每四场复制两场(即每两帧复制一帧)，由此可以得到六场(即三帧)图像，依次同步输出。

所述“基于场间平均插补的6∶4场变换”技术是：主要针对运动场景的场频提升。对于存在运动物体或随时间变化剧烈的场景，视频序列相邻帧之间的差异巨大，不适合采用前述的“基于帧复制插补的6∶4场变换”技术。实验表明，利用相邻奇偶场之间的时空相关性，在两者之间插补一个奇偶平均场，可以平滑运动场景的显示效果。因此采用场问平均插补的办法实现运动场景下的场频提升。具体做法是通过对输入视频的每四场图像按照6/4场频提升因子进行时域插补处理，插补策略为每两个奇偶场中间插入一个平均场，由此可以得到六场图像，依次同步输出。

所述“场运动检测”技术是：通过对相邻两帧的同性场(奇场与奇场，偶场与偶场)之间逐点计算绝对差，当绝对差大于某一阈值，则该点为运动点，反之为静止点；当一行中运动点的个数大于某一阈值时，则该行为运动行，反之则为静止行；对一场中的运动行进行计数，当运动行数大于某一阈值，则该场为运动场，反之则为静止场。根据“场运动检测”的结果决定下一次场变换周期的处理方式。

所述“运动行计数的鲁棒约束”技术是：考虑到场运动检测中噪声影响和阈值取舍会给检测结果带来偏差，因此对在运动行计数时加入鲁棒性约束，即只有连续四行为运动行时，计数器才开始计数。这样就可以消除噪声所产生的孤立运动行对检测结果的影响。

所述“基于场运动检测的自适应6∶4场频提升”技术是：根据前一处理周期“场运动检测”的结果自适应地决定当前处理周期的场频提升方式。若检测到静止场景，则采用“基于帧复制插补的6∶4场变换”技术进行场频提升；若检测到运动场景，则采用“基于场间平均插补的6∶4场变换”技术进行场频提升。这样将输入视频格式由50场每秒变换为75场每秒。

本发明提供了数字化电视50HZ/75HZ隔行扫描格式转换的VLSI实现方法。本方法的硬件实现结构简单，资源占用量少。由FPGA平台综合本方法后得到的75HZ隔行扫描格式，与其他改进扫描格式相比，具有以下优点：

(1)克服了大面积闪烁现象；

(2)画面细腻，行结构线不明显；

(3)静止、运动物体边缘比较光滑，无明显锯齿；

(4)运动场景自然流畅，静止场景稳定清晰。

四、附图说明

图1是本发明实施例的“基于空间线性插补的4∶3行变换”原理示意图；

图2是本发明实施例的“基于空间线性插补的4∶3行变换”硬件结构图；

图3是本发明实施例的“基于帧复制插补的6∶4场变换”原理示意图；

图4是本发明实施例的“基于场间平均插补的6∶4场变换”原理示意图。

五、具体实施方式

附图为本发明的具体实施例；

下面结合附图对本发明内容作进一步详细说明：

参照图1所示，即为“基于空间线性插补的4∶3行变换”原理示意图。输入的视频图像首先通过4∶3行变换，从而实现由312.5行每场到416.5行每场的转换。该变换过程可以由如式(1)所示的插补公式来描述。

式(1)中的字母标号与图1中的字母标号完全对应。其中a，b，c为输入场图像中上下相邻的三行，a’为与c相邻的下一组三行的首行；A，B，C，D为变换后新产生的四行，其空间分布如图1中所示。式(1)确定了行A，B，C，D与行a，b，c，a’之间的相关性权值及其插补关系：A只与a相关，因此A可以由a复制得到；B分别与a和b相关，且对应的相关性权值分别为0.25和0.75，因此B是由a和b的加权求和得到；C分别与b和c相关，且相关性权值都为0.5，因此C是由b和c的加权求和得到；D分别与c和a’相关，且对应的相关性权值分别为0.75和0.25，因此D是由c和a’的加权求和得到。

由于式(1)中的各相关性权值可以表示成2的整数次幂的形式，因此式(1)中的加权求和计算可以由移位相加来实现。这样可以简化4∶3行变换模块的硬件实现结构，提高系统的工作频率。

图2所示为本实施例中“基于空间线性插补的4∶3行变换”模块的硬件实现结构图。串行输入的视频数据Line_in首先经过具有FIFO(First-In-First-Out)结构的行存储器1。在本实施例中，行存储器1的实现采用双端口读写存储器DPRAM(Dual-Port RAM)，深度为720，宽度为8位。图2中Line_up为上行数据通道，Line_down为下行数据通道，上下数据通道分别并发传递相邻两行的数据进入4∶3行插补电路3，其中的加权求和计算是由右移位器2和加法器4来实现的。在一个时钟内，4∶3行插补电路3对输入数据按照式(1)所示的插补关系进行计算，相应得到四个插补结果，并在下一时钟上升沿将其分别存入各自D触发器5中。同时，四路选择器6根据Sw_sel数据选择信号，从四路输入数据中选择正确的插补结果由Line_out串行输出。由此，当一场时间结束后，从输出端得到416.5行的场图像。

本实施例中的行插补技术由于只考虑了当前场内的短时空间相关性，因此变换后得到的新图像不存在运动重影问题；而且线性插补使得图像的显示效果较好，物体边缘保持平滑；在行插补中采用移位相加技术，简化了硬件结构，从而降低实现成本。

在本实施例中，经过行变换后的数据进入场频提升模块。这里采用“基于场运动检测的自适应6∶4场变换”技术完成静止或运动场景的自动检测，并进而实现输入视频的场频提升，即由50HZ提升到75HZ。该技术包含了两种针对不同场景的场变换模块和一个场景检测模块，即“基于帧复制插补的6∶4场变换”和“基于场间平均插补的6∶4场变换”，以及“场运动检测”。

参照图3所示，针对静止场景，本实施例采用了“基于帧复制插补的6∶4场变换”技术。该技术的数学描述如式(2)所示。

(A，B，C，D，E，F)＝(a，b，c，b，c，d)             (2)

式(2)中的字母标号与图3中的字母标号完全对应。其中(a，b，c，d)为输入的四场序列；(A，B，C，D，E，F)为输出的六场序列。式(2)确定了如下场插补关系：输出序列中场A，B，E，F为重复场，分别对应于场a，b，c，d；场C，D为插补场，分别对应于场c，b。当输入为静止场景时，帧(a，b)，帧(c，b)以及帧(c，d)是相同的，因此输出图像序列的静止效果好，但对运动场景有抽动问题。

参照图4所示，针对运动场景，本实施例采用了“基于场间平均插补的6∶4场变换”技术。该技术的数学描述如式(3)所示。

(A，B，C，D，E，F)＝

(a，(a+b)/2，b，c，(c+d)/2，d)                        (3)

式(3)中的字母标号与图4中的字母标号完全对应。其中(a，b，c，d)为输入的四场序列；(A，B，C，D，E，F)为输出的六场序列。式(3)确定了如下场插补关系：输出序列中场A，C，D，F为重复场，分别对应于场a，b，c，d；场B，E为插补场，分别为场a和b以及场c和d的场间平均。当输入为运动场景时，场a和场b，场c和场d间存在着运动差异，而插补场B，E的作用就是分别在场a，b间和场c，d间加入了一个空间和时间上的过渡场，这样使得输出图像序列的运动比较平滑，但对静止场景存在局部行抖动现象。

以上两种场插补技术都只适用于单一场景，而对另一场景存在缺陷。因此本实施例中设计了一个场景检测模块，即“场运动检测”。对图像进行场运动检测，根据检测的结果，使场变换过程在两种场插补技术之间自适应切换。“场运动检测”通过求取两个同性场中对应点的绝对差和运动点的个数，判定该场是否运动；若该场为运动场景，则下一次场插补进行“基于场间平均插补的6∶4场变换”；若该场为静止场景，则下一次场插补进行“基于帧复制插补的6∶4场变换”。

本实施例为了保证场景检测结果的正确性，加入了“运动行计数的鲁棒约束”。其数学描述如式(4)所示。

式(4)中Row_motion[n]，n＝0，1，2，3为相邻四行的行运动标记，其中n＝0时表示当前行；Cnt_r_m为运动行计数器(初始值为0)。式(4)表示只有当连续4行为运动行时，Cnt_r_m才开始累加，这样就可以消除噪声所产生的孤立运动行对场运动检测结果的影响。

则“场运动检测”的数学描述如式(5)所示。

式(5)中Field_motion为场运动标记；Cnt_r_m为一场中运动行的计数值；Threshold为运动行计数阈值。式(5)表示：当Cnt_r_m大于Threshold时，Field_motion为“1”，则当前场为运动场；当Cnt_r_m小于或等于Threshold时，Field_motion为“0”，则当前场为静止场。

则本实施例中“基于场运动检测的6∶4场频提升”技术可由式(6)描述。

式(6)中(a，b，c，d)为输入的四场序列；(A，B，C，D，E，F)为输出的六场序列；Field_motion为场运动标记。式(6)表示：输出序列中场A，F为重复场，分别对应于场a，d；而场(B，C，D，E)为插补场，根据场运动检测的结果Field_motion决定其插补内容。当Field_motion为1时，场(B，C，D，E)分别为((a+b)/2，b，c，(c+d)/2)，这时采用的是针对运动场景的场间平均插补方法；当Field_motion为0时，场(B，C，D，E)分别为(b，c，b，c)，这时采用的是针对静止场景的帧复制插补方法。A，B，C，D，E，F六场作为一次场变换周期，并在输出场F的同时做场运动检测，以确定下一次场变换的方式。由此周而复始，循环处理，输入视频即被转换为75场每秒。

由此完成从50HZ隔行到75HZ隔行扫描格式的转换，得到的电视图像显示效果同时具有无闪烁和垂直清晰度高的优点，而且该方法的硬件实现系统对电视整机电路的要求也不高。

Claims (1)

1、一种数字化处理电视隔行扫描格式转换的实现方法，其特征在于：

1)通过“基于空间线性插补的4∶3行变换”技术将每场线数由312.5行提升至416.5行；

2)通过“基于帧复制插补的6∶4场变换”技术完成静止场景的场频提升；

3)通过“基于场间平均插补的6∶4场变换”技术完成运动场景的场频提升；

4)通过“场运动检测”技术完成当前处理场是运动还是静止的判断，以决定下一次场变换的方式；

5)通过“运动行计数的鲁棒约束”提高场运动检测的准确度；

6)通过“基于场运动检测的自适应6∶4场变换”技术将输入视频序列的场频提升至75HZ；

所述“基于空间线性插补的4∶3行变换”技术是：通过对输入图像的每三行数据按照4/3的行提升因子进行空间线性插补计算，得到与输入线性相关的四行新格式的图像数据，同步输出，这样就可以将输入视频的图像格式由312.5行每场变换为416.5行每场，其变换式如式(1)：

式(1)中a，b，c为输入场图像中上下相邻的三行，a’为与c相邻的下一组三行的首行；A，B，C，D为变换后新产生的四行；0.25，0.5和0.75等为各相关性权值；

所述“基于帧复制插补的6∶4场变换”技术是：针对静止场景的场频提升，具体做法是通过对输入视频的每四场，即每两帧图像，按照6/4场频提升因子进行时域插补处理，插补策略为每四场复制两场，即每两帧复制一帧，由此可以得到六场即三帧图像，依次同步输出，其变换式如式(2)：

(A，B，C，D，E，F)＝(a，b，c，b，c，d)    (2)

式(2)中(a，b，c，d)为输入的四场序列；(A，B，C，D，E，F)为输出的六场序列；

所述“基于场间平均插补的6∶4场变换”技术是：针对运动场景的场频提升，利用相邻奇偶场之间的时空相关性，在两者之间插补一个奇偶平均场，可以平滑运动场景的显示效果，具体做法是通过对输入视频的每四场图像按照6/4场频提升因子进行时域插补处理，插补策略为每两个奇偶场中间插入一个平均场，由此可以得到六场图像，依次同步输出，其变换式如式(3)：

(A，B，C，D，E，F)＝

(a，(a+b)/2，b，c，(c+d)/2，d)                         (3)

式(3)中(a，b，c，d)为输入的四场序列；(A，B，C，D，E，F)为输出的六场序列；

所述“场运动检测”技术是：通过对相邻两帧的同性场即奇场与奇场，偶场与偶场之间逐点计算绝对差，当绝对差大于某一阈值，则该点为运动点，反之为静止点；当一行中运动点的个数大于某一阈值时，则该行为运动行，反之则为静止行；对一场中的运动行进行计数，当运动行数大于某一阈值，则该场为运动场，反之则为静止场，根据“场运动检测”的结果决定下一次场变换周期的处理方式，其变换式如式(4)：

式(4)中Field_motion为场运动标记；Cnt_r_m为一场中运动行的计数值；Threshold为运动行计数阈值；

所述“运动行计数的鲁棒约束”技术是：考虑到场运动检测中噪声影响和阈值取舍会给检测结果带来偏差，因此对在运动行计数时加入鲁棒性约束，即只有连续四行为运动行时，计数器才开始计数，这样就可以消除噪声所产生的孤立运动行对检测结果的影响，其变换式如式(5)：

式(5)中Row_motion[n]，n＝0，1，2，3为相邻四行的行运动标记，其中n＝0时表示当前行；Cnt_r_m为运动行计数器；

所述“基于场运动检测的自适应6∶4场频提升”技术是：根据前一处理周期“场运动检测”的结果自适应地决定当前处理周期的场频提升方式，若检测到静止场景，则采用“基于帧复制插补的6∶4场变换”技术进行场频提升；若检测到运动场景，则采用“基于场间平均插补的6∶4场变换”技术进行场频提升，这样将输入视频格式由50场每秒变换为75场每秒，其变换式如式(6)：

式(6)中(a，b，c，d)为输入的四场序列；(A，B，C，D，E，F)为输出的六场序列；Field_motion为场运动标记。

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