CN1781249A - 数字滤波器结构 - Google Patents

Abstract

一种用于数字视频信号的滤波的滤波器结构，其中实现了呈多态滤波器的低通滤波器形式的可变滤波器以及呈高通滤波器形式的至少一个峰值滤波器的功能。其中，以这样的方式，以集成电路中的混合滤波器(1－17)的形式来实现两种滤波器的功能，即，对于每一种待设置的可变滤波器的状态，根据为可变滤波器的这一状态而存储的滤波系数和为峰值滤波器而存储的滤波系数，计算混合滤波系数，将混合的滤波系数应用于待在滤波过程中进行滤波的视频数据，从而在该滤波过程中采用混合滤波系数执行两种滤波功能。

Description

数字滤波器结构

本发明涉及一种用于对数字视频信号进行过滤的数字滤波器结构，用以提供一种多态滤波器的并且呈低通滤波器形式的可变滤波器以及至少一种呈高通滤波器形式的峰值滤波器(peaking filter)。

这种类型的结构是现有技术中已知的，其中，可变滤波器和峰值滤波器在这些结构中通常是单独构筑成独立的滤波器的。原理上，峰值滤波器的滤波特征是，提供特定个数的滤波系数，用于设置滤波等级。可变滤波器采用多态滤波器的形式，即，它可以实现不同的滤波特征，作为所存储的不同滤波系数的函数。这种滤波器采用低通滤波器形式。两种滤波器通常都用来以这样的方式对视频信号进行处理，即，在显示器上放大视频信号的图形，也即构成放大的图形。这样，可变滤波器用来抑制所不希望的高频分量。放大会牺牲分辨率，这是必须与峰值滤波器之间取得平衡的。

从美国专利5,422,827可以得知一种对视频信号进行滤波并且具有可变功能和峰值功能的结构和方法。但是，这种已知的方法的缺点仍然是，所存储的可能滤波特征是单独存储的，并且对于每一种新设置的状态，从存储值、从存储用于可变滤波器每一状态的滤波系数以及从峰值滤波器的滤波系数，读取用于混合滤波的滤波系数。因此，要求存储器能够存储所有可能的滤波系数。

本发明的目的是，指定一种上述结构，以一种可能的简单方式来实现可变滤波器和峰值滤波器的滤波功能。其中，对于两种滤波器的存储滤波系数中的每一种，对存储器的要求尽可能小。

这一目的是采用如权利要求1所述的本发明来实现的：

一种用于数字视频信号滤波的数字滤波器结构，其中，实现一种多态滤波器的呈低通滤波器形式的可变滤波器功能以及呈高通滤波器形式的至少一种峰值滤波器，其中，以这样一种方式，在集成电路中的混合滤波器内，实现两种滤波器的功能，即，对于每一种要设置的可变滤波器状态，从存储用于可变滤波器的这一状态的滤波系数以及从存储用于峰值滤波器的滤波系数，计算混合的滤波系数，将混合的滤波系数应用于滤波过程中要滤波的视频数据，从而在滤波过程中，采用混合的滤波系数来执行两种滤波功能。

在对数字视频信号进行滤波的按照本发明的数字滤波器结构中，呈多态滤波器形式的可变滤波器以及峰值滤波器是以混合的滤波功能来实现的。换言之，所采用的滤波器中，滤波系数实际上是根据可变滤波器和峰值滤波器的滤波系数来计算出来的混合滤波系数。

由于可变滤波器是一种多态滤波器，它可以有例如16种不同的设置，因此，在作为现有技术的技术方案中，必须为例如具有3种峰值滤波器的滤波系数的所有这16种状态，存储混合的滤波系数。这就对存储器提出了较高的要求。相反，在本发明的技术方案中，混合的滤波系数是实时计算的。因此，就必须考虑在可变滤波器中设置哪一种状态。于是，混合滤波系数是实时地在数字滤波结构中，从可变滤波器的设置状态的滤波系数以及峰值滤波器的滤波系数来计算的，并用于混合滤波器中。因此，对可变滤波器的所有状态，分配混合滤波系数的存储器。实际上，仅需要多态滤波器的滤波系数的存储器。由于混合滤波系数的数量要大于可变滤波器的滤波系数，因此，节省了存储空间。

可变滤波器和峰值滤波器的混合改进了滤波功能。给定同样的滤波系数与采用具有精确的这些相同滤波系数而独立提供的滤波器相比，采用按照本发明的混合滤波器，能够获得更好的峰值功能。

采用按照如权利要求2所述的本发明的实施例，可以进一步减小多态滤波系数的存储器空间。如果可能，滤波系数可以是负值。采用按照现有技术的技术方案，可以采用特定符号的数据位，在存储器中标识这些负值。在如权利要求2所述的技术方案中，使所有待存储的滤波系数发生偏移，从而不会再产生负值。存储发生了偏移的滤波系数。因而带有该符号的存储数据位就不再是必须的了。在读出滤波系数以后而在应用于滤波之前，取消该偏移。

按照如权利要求3所述的本发明又一个实施例，仅为多态滤波器存储多态滤波器半个相位的滤波系数。因此，能够进一步使存储器减小一半。由于多态滤波器的各个相位具有相位系数相互呈镜面对称的性质，因此这一功能是可以实现的。通过多态滤波器状态的滤波系数，虚拟加权取代了用于滤波的各个值。滤波器的不同状态给出了这些值范围的不同加权。实践中，这些加权继续具有多态滤波器各状态的镜面对称特性。因此，按照权利要求3，可以采用这样的方式，从存储的状态来获得非存储状态的滤波系数，因而当状态总数为q时，仅存储状态P₁到P_q/2。例如，如果要得到状态P_q-r的一组系数，可以采用状态P_r的滤波系数，使其顺序反过来。因此，可以从另一半，计算一半的滤波系数，使滤波系数的存储器要求减少了一半。

按照如权利要求4所述的本发明的另一个实施例，可以按照权利要求中给出的公式来更好地计算混合滤波系数。因此，混合滤波系数的数量增大，但比两个独立滤波器时的滤波系数小1。重要的是，混合滤波系数的计算是实时计算的，因此无需存储。

下面参照附图中示出的实施例，来描述本发明。但本发明并非仅限于这些实施例。

图1是按照采用混合滤波器的本发明的数字滤波器结构的示意图。

图2至图4示出几例多态滤波器的几组滤波系数。

图1中以示意方框电路图示出的滤波系数用来对数字视频信号进行滤波。由此实现了包含低通滤波器的可变滤波功能和包含高通滤波器的峰值功能。按照本发明的结构，这两个滤波功能是在混合滤波器中实现的，采用混合滤波系数进行运作。根据可变滤波器(它是一种多态滤波器)的设置，实时计算混合滤波系数。

图1中示出了一种存储器1，其中存储有三个滤波系数。这些滤波系数是峰值滤波器的系数。其中还具有可调混合器2。采用该可调混合器，可以进行峰值功能密度的设置，以作为外部信号PEAK的函数。这样，来自存储器1的滤波系数再次变化，以便调节峰值函数的强度。将如此再次变化的用于峰值功能的滤波系数发送到单元3中，用于计算混合滤波系数。

图中还提供了ROM存储器4，其中存储有呈多态滤波器形式的可变滤波器的一种状态的滤波系数。

图中还提供了ROM存储器5，其中存储有分配用于呈多态滤波器形式的可变滤波器的状态的特定滤波系数。

由此，ROM4用来使得在数字滤波器的冷起动期间，一开始就具有一组滤波系数。一旦该配置开始工作，其他各组滤波系数被写入RAM存储器5，并用于各状态。作为外部信号Ph的函数，在单元6中，从RAM存储器5读出数据，用于选择设置的状态，作为所分配的这些特定滤波系数的函数，并传送到单元7，用作滤波系数的重新构筑。如果可能，滤波系数不是完全存储在存储器4和5内的，这将在下文中作进一步的说明。因此，单元7可以重新构筑实际的滤波系数，使得具有在滤波系数的存储器中减少数据的功能。为此，将表示是否只有一半的滤波系数存储在存储器4和5内的信号MM发送到单元7内。另外，将表示存储的滤波系数是否具有偏移的信号VO发送到单元7。接着，将表示所提供的状态总数的信号SP发送到单元7。

根据从单元6发送而来的滤波系数，单元7按照信号MM、SP和VO的函数，来计算实际的滤波系数。开始时，这些系数仍然仅适用于可变滤波功能的滤波系数。单元7将用于特定设置状态的这些滤波系数提供到单元3，用于计算混合滤波系数。

在图1所示的实施例中，假定可变滤波器对每一种状态给出四个滤波系数，对每一种状态，峰值滤波器给出三个滤波系数。本例中，用于计算滤波系数的单元3计算六个混合滤波系数，其数量比两个滤波器的单独滤波系数之和少1。这些滤波系数被发送到滤波器配置中提供的六个乘法器11至16，并将待滤波的视频信号的一个扫描值S1至S6发送到每一乘法器。例如，如果视频信号的变化和峰值是沿垂直方向发生的，则扫描值S1至S6是在相邻扫描线中相互垂直的六个像素的值。

在乘法器11至16中，这些像素的值具有施加到这些乘法器上的特定滤波像素。这样得到的值在相加级17相加。在其下游的四舍五入级18，将得到的值舍位，随后在级19(这也在其下游)除以预定值，其结果是，实现了使该值的比例处于所希望的值范围内。由于滤波功能的结果使得在数字信号中可能会出现超越，还提供箝位级20，用以在超过预定值的情况下，消除这些超越。箝位级20将输出信号提供到数字滤波结构。

按照本发明的数字滤波器结构的一个重要优点是，在单元3中混合滤波系数的计算是根据设置的可变滤波功能的状态而实时进行的。因此，不必为所有的状态存储混合滤波系数。所有需要实际存储的都是两个滤波功能的非混合(即单独的)滤波系数。因此可以如下文中详述的那样进一步节省存储空间。

计算混合滤波系数的单元3最好可以按照下面的公式进行计算：

系数 $k={\mathrm{\Σ}}_{z=0}^{Y-1}{F}_{2(y-z)}*F_{1(k-y+1+z)}$

这里F₁是可变滤波器的状态系数，而x是其量。

相应地，F₂是峰值滤波器的系数，其只有一种状态，而y是其量。N是混合滤波器的系数的量，它由n＝x+y-1导出。k是要计算的系数连续个数，从1到n。因此，可以从该公式，计算分配的混合滤波系数组。下面参照两个例子来描述。

例1：

F₁＝A，B，C，D，其中，A为第一系数，B为第二系数，依此类推。

F₂＝E，F，G，其中，E为第一系数，F为第二系数，依此类推。

系数1：(k＝1，x＝4，y＝3)

z＝0               z＝1              z＝2

y-z＝3-＞G         y-z＝2-＞F        y-z＝1-＞E

k-y+1+z＝-1-＞0    k-y+1+z＝0-＞0    k-y+1+z＝1-＞A

＝＞G*0+F*0+E*A＝E*A

系数1＝E*A

系数2：(k＝2，x＝4，y＝3)

z＝0               z＝1              z＝2

y-z＝3-＞G         y-z＝2-＞F        y-z＝1-＞E

k-y+1+z＝0-＞0     k-y+1+z＝1-＞A    k-y+1+z＝2-＞B

＝＞G*0+F*A+E*B＝F*A+E*B

系数2＝F*A+E*B

相应应用上述公式，为其余系数导出下述公式：

系数3＝C*E+F*B+A*G

系数4＝D*E+C*F+B*G

系数5＝D*F+C*G

系数6＝G*D

例2：

F₁＝E，F，G，其中，E为第一系数，F为第二系数，依此类推。

F₂＝A，B，C，D，其中，A为第一系数，B为第二系数，依此类推。

系数1：(k＝1，x＝3，y＝4)

z＝0              z＝1             z＝2              z＝3

y-z＝4-＞D        y-z＝3-＞C       y-z＝2-＞B        y-z＝1-＞A

k-y+1+z＝-2-＞0   k-y+1+z＝-1-＞0  k-y+1+z＝0-＞0    k-y+1+z＝1-＞E

D*0+C*0+B*0+A*E＝E*A

系数1＝E*A

系数2：(k＝2，x＝3，y＝4)

z＝0              z＝1             z＝2              z＝3

y-z＝4-＞D        y-z＝3-＞C       y-z＝2-＞B        y-z＝1-＞A

k-y+1+z＝-1-＞0   k-y+1+z＝0-＞0   k-y+1+z＝1-＞E    k-y+1+z＝2-＞F

D*0+C*A+B*E+A*F＝F*A+E*B

系数2＝F*A+E*B

相应应用上述公式，为其余系数导出下述公式：

系数3＝C*E+F*B+A*G

系数4＝D*E+C*F+B*G

系数5＝D*F+C*G

系数6＝G*D

这两个例子示出，滤波系数是采用一种卷积的“一个在另一个之上的移位”，给出上述混合滤波系数1至6。于是，这些混合滤波系数在实现可变滤波功能和峰值滤波功能期间，实现混合滤波。

由于在按照图1所示结构的单元3中计算了混合滤波系数，大大节省了存储空间，这是因为根据状态设置，这些混合滤波系数是实时计算的，而不必存储起来。

正如上文中已经说明的那样，用于可变滤波功能各状态的滤波系数是存储在存储器4和5中的。图2示出了一组用于这样一种八个状态的可能的滤波系数。如图所示，为简化起见，每一状态给出四个滤波系数。因此，在图2所示的例子中，状态0的滤波系数是-5、34、215和13。

基本而言，图2所示模式中，存储器5中有一种存储滤波系数的选项。

然而，按照本发明的滤波器结构，可以进一步减小存储空间。为此，原理上说，图3中所示的一组滤波器与图2中所示的相同，但经过偏置，使得没有一个滤波系数会小于0。如图中的一组滤波数据所示的那样，所出现的最小负值是-6。如果现在把图2中所示的数据组的滤波系数偏移+6，那么我们将得到图3中所示的滤波系数组。在图3所示的滤波数据组中，永远不会出现负的滤波系数。如果现在采用图3所示的形式存储这些滤波系数，那么就不必采用这样的方式来提供符号数据位了。因而每一滤波系数节省了一个存储空间。

如图3所示的结构还示出，滤波系数的排列程镜面对称。其中，滤波系数的顺序中有一个反向排列。例如，如果把状态0的滤波系数与状态7的滤波系数作比较，那么应用顺序反向方式，它们是相同的。状态1和6、状态2和5，以及状态3和4也一样。因此，如图4中示意描述的那样，只要存储状态0到3的滤波系数就可以了。状态4到7的滤波系数可以根据状态0到3的状态系数进行计算。计算中，应用了上述原则。因此，可以在存储器5中进一步减小对所必须的存储器的要求，即减少了一半。

总而言之，由于混合滤波系数的计算是作为可变滤波器组的状态的函数而实时进行的，并且只要可能，可以进一步减少可变滤波功能的各个状态的数据，因此按照本发明的数字滤波器结构，使存对储器的要求大大减小。实践中这一点特别重要存储空间在集成电路中会占据相当大的芯片表面。

Claims (4)

1.一种用于数字视频信号滤波的数字滤波器结构，其中，实现一种多态滤波器的呈低通滤波器形式的可变滤波器功能以及呈高通滤波器形式的至少一种峰值滤波器，其中，以这样一种方式，在集成电路中的混合滤波器(1-17)内，实现两种滤波器的功能，即，对于每一种要设置的可变滤波器状态，从存储用于可变滤波器的这一状态的滤波系数以及从存储用于峰值滤波器的滤波系数，计算混合的滤波系数，将混合的滤波系数应用于滤波过程中要滤波的视频数据，从而在滤波过程中，采用混合的滤波系数来执行两种滤波功能。

2.如权利要求1所述的数字滤波器结构，其特征在于，以这样的方式存储多态滤波器的滤波系数，使所述系数值的范围产生偏移而不出现负值，因而不再存储符号位，并且在读出滤波系数以后将其应用于滤波器之前，消除该偏移。

3.如权利要求1所述的数字滤波器结构，其特征在于，以这样的方式减少所述多态滤波器的X个滤波系数的数据，即对于所要求的q状态中的(q/2)个状态，存储滤波系数，并且以这样的方式，根据所存储的滤波系数，计算剩余状态的滤波系数，使得为计算状态P_q-r的一组系数，采用存储的状态P_r的滤波系数，使其顺序反向，其中，r是该状态的连续数，而q的总状态数。

4.如权利要求1所述的数字滤波器结构，其特征在于，按照下式计算混合滤波器的滤波系数：

$\mathrm{Coefficien}{t}_k={\mathrm{\Σ}}_{z=0}^{Y-1}{F}_{2(y-z)}*F_{1(k-y+1+z)}$

式中，

F₁＝可变滤波器的状态系数，

x＝可变滤波器状态的系数值F₁，

F₂＝峰值滤波器的状态系数，

y＝峰值滤波器的系数F₂的值，

n＝混合滤波器的系数值，

k＝混合滤波器待计算的系数个数(1，2，...n)，

其中，

n＝x+y-1。

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