CN1141841C - 一种数字电视75Hz线性行插补与场频提升方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字电视75Hz线性行插补与场频提升方法，包括线性行插补和场频提升两部分，线性行插补是把源信号625条扫描线变换为833条，增加图像的垂直清晰度，场频提升是把50Hz场频变为75Hz场频；线性行插补采用4∶3抽样，将隔行信号合为逐行信号，然后在两行之间经过线性内插产生出新的3个内插行，然后经过1∶3抽样得到垂直分辨率为833行的逐行信号，把得到的逐行信号分为奇偶两场；场频提升采用三种方案，通过运动补偿算法滤波后的逐行视频信号能够很好地保护图像的边缘特性，这样就可以修正因图像运动而造成奇、偶两场信号的差异，从而减小图像的边缘模糊现象。本发明在设计中充分考虑到了硬件实现的复杂性，降低了实现成本。

Description

一种数字电视75Hz线性行插补与场频提升方法

一、所属领域

本发明属于计算视频、电视扫描格式转换技术领域，特别涉及到数字电视中75Hz线性行插补与场频提升方法。

二、背景技术

扫描格式转换是当前网络环境下的计算视频、高清晰度电视和传统电视存在的共同问题，扫描格式需要在不同的制式之间进行转换，是目前数字化电视非常重要的研究领域。现行HDTV接收机常用的扫描格式有50Hz逐行，60Hz逐行，100Hz隔行。50Hz逐行与60Hz逐行能够较好的解决行间爬行以及行结构现象，但仍有较明显的大面积闪烁现象。100Hz隔行扫描方式很好的解决了大面积闪烁现象，但行结构和爬行现象明显。在给定带宽的情况下，行频与场频即空间分辨率和时间分辨率这一矛盾是影响HDTV图像质量的重要因素。但目前还没有一种方案能够同时很好的解决图像大面积闪烁和行间闪烁问题。

三、发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷或不足，为了弥补以上算法的缺陷，本发明的目的在于提供一种成本低、便于硬件实现的数字电视75Hz线性行插补与场频提升方法，能够同时很好的解决图像大面积闪烁和行间闪烁问题。

为了实现上述目的，本发明采用的解决方案是：该数字电视75Hz线性行插补与场频提升方法，包括线性行插补和场频提升两部分，其特征在于：线性行插补是把两场312.5行的隔行信号变换为416.5行的两场隔行信号，增加图像的垂直清晰度，场频提升是把50Hz场频变为75Hz场频；

1)线性行插补方法：

线性行插补：首先将312.5行的两场隔行信号直接插补合成一帧625行的逐行信号，然后在逐行信号的每两行之间经过线性内插产生出新的3个内插行，然后经过1∶3抽样，即隔两行取一行的方式得到垂直分辨率为833行的逐行信号，即4∶3抽样；最后把得到的逐行信号分为416.5行的奇偶两场，此奇偶两场即为线性行插补后的输出两场；

2)场频提升采用下述方法进行：

方案①：

a、b、e、f四场实现方案：由A1、B1两场信号经过线性行插补得到416.5行的两场隔行信号A’1、B’1，A’1为输出a场信号，B’1为输出b场信号；A2、B2两场信号经过线性行插补得到416.5行的两场隔行信号A’2、B’2，A’2为输出e场信号，B’2为输出f场信号；

c、d两场的实现方案：c、d两场为插补场，A1、A2两场信号进行均值运算，然后采用3×3窗3方向(α，β，γ)6点自适应运动补偿滤波去隔行算法形成625行的帧信号，通过4∶3抽样生成833行的帧信号，将帧信号分拆成416.5行的奇偶两场隔行信号，取奇场即为输出c场信号。B1、B2两场信号进行均值运算，然后采用3×3窗3方向(α，β，γ)6点自适应运动补偿滤波去隔行算法形成625行的帧信号，通过4∶3抽样生成833行的帧信号，将帧信号分拆成416.5行的奇偶两场隔行信号，取偶场即为输出d场信号；

从方案①可以衍生出其它的两种场频提升方案，具体表述如下：

方案②：

a、b、e、f四场实现方案：由A1、B1两场信号经过线性行插补得到416.5行的两场隔行信号A’1、B’1，A’1为输出a场信号，B’1为输出b场信号；A2、B2两场信号经过线性行插补得到416.5行的两场隔行信号A’2、B’2，A’2为输出e场信号，B’2为输出f场信号；

c、d两场实现方案：c场是由B1场经3×3窗3方向(α，β，γ)6点自适应运动补偿滤波去隔行算法形成625行的帧信号，然后经4∶3抽样生成833行的帧信号，将帧信号分拆成416.5行的奇偶两场隔行信号，取奇场得到c场输出信号；d场是由A2场经3×3窗3方向(α，β，γ)6点自适应运动补偿滤波去隔行算法形成625行的帧信号，然后经4∶3抽样生成833行的帧信号，将帧信号分拆成416.5行的奇偶两场隔行信号，取偶场得到d场输出信号；

方案③：

a场实现方案：由A1场信号经4∶3抽样得到416.5行的隔行信号即为输出a场信号；

b、c两场实现方案：由B1场信号经4∶3抽样得到416.5行的隔行信号，此隔行信号同时作为b、c两场的输出信号；

d、e两场实现方案：由A2场信号经4∶3抽样得到416.5行的隔行信号，此隔行信号同时作为d、e两场的输出信号；

f场实现方案：由B2场信号经4∶3抽样得到416.5行的隔行信号即为输出f场信号。

本发明的其他一些特点是：

所述3×3窗3方向(α，β，γ)6点自适应运动补偿滤波去隔行算法是：

1)设大小为N×M/2隔行视频图像经过隔行扫描到逐行扫描变换后的图像用I表示，且大小为N×M；在图像的任一位置P_ij(其中，i＝1，…，N，j＝1，…，M)的像素点用I(P_ij)表示，其中i，j分别是行和列的坐标；当i为奇数时，表示当前点来自奇场信号；当i为偶数时，表示当前点来自偶场信号；

2)设I(P_ij)为图像边缘点，此点必在其梯度最小的方向上，即在图像边缘方向上图像的灰度值变化最小：取以点I(P_ij)为中心的3×3窗口，可定义I(P_ij)的三个方向：α方向，β方向和γ方向，且可得到点I(P_ij)在α，β，γ这三个方向上的梯度为：

3)由上可知，梯度的绝对值|_αf|，|_βf|和|_γf|最小的方向就是当前帧图像在点I(P_ij)处的边缘方向；

所以自适应运动补偿滤波去隔行算法的输出可以定义为： $g\left(P_{\mathrm{ij}}\right)=\frac{1}{2}\{f_{\mathrm{up}}+f_{\mathrm{down}}\}---\left(2\right)$

或者

g(P_ij)＝Med{f_up，f_down}                                            (3)

其中

f_up＝I(P_(i+1)(j-1))，f_down＝I(P_(i-1)(j+1))  当|_αf|为最小值

f_up＝I(P_(i)(j-1))，f_down＝I(P_(i)(j+1))      当|_βf|为最小值      (4)

f_up＝I(P_(i-1)(j-1))，f_down＝I(P_(i+1)(j+1))  当|_γf|为最小值

通过3×3窗3方向(α，β，γ)6点自适应运动补偿滤波去隔行算法后的逐行视频信号，能够很好地保护图像的边缘特性，这样就可以修正因图像运动而造成奇、偶两场信号的差异，从而减小图像的边缘模糊现象。

所述4∶3抽样算法是：

1)设图像的大小为N×M，I1、I2、I3、I4是输入图像信号的行表示，O1、O2、O3、O4、O5是经4∶3抽样后的输出图像信号的行表示，L1、L2、L3是***行；在输入图像的I1、I2、I3、I4行上分别取I_ij、I_i(j+1)、I_i(j+2)、I_i(j+3)四个点(其中，i＝1，…，N，j＝1，…，M)；三个***行上分别取L_i(j+3)、L_i(j+6)、L_i(j+9)三点；五个输出行上分别取O_ij、O_i(j+l)、O_i(j+2)、O_i(j+3)、O_i(j+4)五点；

2)在原始图像的两行之间线性的***四行，L1、L2、L3是采用线性插值得出，因此有

L_i(j+3)＝(I_ij+3I_i(j+1))/4

L_i(j+6)＝(I_i(j+1)+I_i(j+2))/2                    (5)

L_i(j+9)＝(3I_i(j+2)+I_i(j+3))/4

3)在线性***行后得到的帧中每隔两行抽取一行，得到最终4∶3抽样的输出图像；其关系为：

O_ij＝I_ij                                        (6)

O_i(j+1)＝L_i(j+3)＝(I_ij+3I_i(j+1))/4

O_i(j+2)＝L_i(j+6)＝(I_i(j+1)+I_i(j+2))/2

O_i(j+3)＝L_i(j+9)＝(3I_i(j+2)+I_i(j+3))/4

O_i(j+4)＝I_i(j+3)

本发明在设计中充分考虑到了硬件实现的复杂性，降低了实现成本。

四、附图说明

图1是本发明的线性行插补原理图；

图2是4∶3抽样算法原理图；

图3是是本发明中四场场存储方式；

图4是本发明场频提升方案一的原理图；图4(a)是a，b，e，f四场插补方案，图4(b)是c场插补方案，图4(c)是d场插补方案；

图5是本发明方案一的输入场与输出场的插补关系原理图；

图6是本发明场频提升方案二的原理图；图6(a)是a，b，e，f四场插补方案，图6(b)是c场插补方案，图6(c)是d场插补方案；

图7是本发明方案二的输入场与输出场的插补关系原理图；

图8是本发明场频提升方案三的原理图；

图9是本发明方案三的输入场与输出场的插补关系原理图；

图10是本发明3×3窗3方向(α，β，γ)6点自适应运动补偿滤波去隔行算法示意图。

五、具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步的详细描述。

设计人给出了本发明的三个实现方案。但本发明不限于这三种方案，对线性行插补和场频提升中的算法做一改动可以衍生出多种方案。在实施过程中，先进行线性行插补，然后做场频提升。

图1所示为线性行插补原理图，首先将312.5行的两场隔行信号直接插补合成一帧625行的逐行信号，然后在逐行信号的每两行之间经过线性内插产生出新的3个内插行，然后经过1∶3抽样，即隔两行取一行的方式得到垂直分辨率为833行的逐行信号，即4∶3抽样；最后把得到的逐行信号分为416.5行的奇偶两场，此奇偶两场即为线性行插补后的输出两场；

图2为4∶3抽样算法原理图。I1、I2、I3、I4是输入图像信号的行表示，O1、O2、O3、O4、O5是经4∶3抽样后的输出图像信号的行表示，L1、L2、L3是***行。

4∶3抽样算法是：

1)设图像的大小为N×M，I1、I2、I3、I4是输入图像信号的行表示，O1、O2、O3、O4、O5是经4∶3抽样后的输出图像信号的行表示，L1、L2、L3是***行；在输入图像的I1、I2、I3、I4行上分别取I_ij、I_i(j+1)、I_i(j+2)、I_i(j+3)四个点(其中，i＝1，…，N，j＝1，…，M)；三个***行上分别取L_i(j+3)、L_i(j+6)、L_i(j+9)三点；五个输出行上分别取O_ij、O_i(j+1)、O_i(j+2)、O_i(j+3)、O_i(j+4)五点；

2)在原始图像的两行之间线性的***四行，L1、L2、L3是采用线性插值得出，因此有

L_i(j+3)＝(I_ij+3I_i(j+1))/4

L_i(j+6)＝(I_i(j+1)+I_i(j+2))/2                     (5)

L_i(j+9)＝(3I_i(j+2)+I_i(j+3))/4

3)在线性***行后得到的帧中每隔两行抽取一行，得到最终4∶3抽样的输出图像；其关系为：

O_ij＝I_ij

O_i(j+1)＝L_i(j+3)＝(I_ij+3I_i(j+1))/4

O_i(j+2)＝L_i(j+6)＝(I_i(j+1)+I_i(j+2))/2            (6)

O_i(j+3)＝L_i(j+9)＝(3I_i(j+2)+I_i(j+3))/4

O_i(j+4)＝I_i(j+3)

图3为75Hz场频提升方案之一。A1、B1、A2、B2为四场PAL制原隔行信号，其在SDRAM(同步动态随机存储器)中的存放方式见图3。

图4(a)为场频提升方案框图，a、b、e、f四场由A1、B1两场信号经过线性行插补得到416.5行的两场隔行信号A’1、B’1，A’1为输出a场信号，B’1为输出b场信号；A2、B2两场信号经过线性行插补得到416.5行的两场隔行信号A’2、B’2，A’2为输出e场信号，B’2为输出f场信号；图4(b)为c场插补方案，A1、A2两场信号进行均值运算，然后采用3×3窗3方向(α，β，γ)6点自适应运动补偿滤波去隔行算法形成625行的帧信号，通过4∶3抽样生成833行的帧信号，将帧信号分拆成416.5行的奇偶两场隔行信号，取奇场即为输出c场信号。图4(c)为d场插补方案，B1、B2两场信号进行均值运算，然后采用3×3窗3方向(α，β，γ)6点自适应运动补偿滤波去隔行算法形成625行的帧信号，通过4∶3抽样生成833行的帧信号，将帧信号分拆成416.5行的奇偶两场隔行信号，取偶场即为输出d场信号；

图5所示为输入场与输出场的插补时间关系图。从图中可以看出，隔行输出的a、b、c、d、e、f每一插补帧与输入的两场隔行信号源相关。插补算法随着不同场而变化。

设计人给出了本发明的第二个方案。方案二与方案一的不同之处在于c、d两帧的实现不同，其它帧的实现方法与方案一完全一致。

图6(b)所示为75Hz场频提升方案二中c场的实现方案，可以看出，c场是由B1场经3×3窗3方向(α，β，γ)6点自适应运动补偿滤波去隔行算法形成625行的帧信号，然后经4∶3抽样生成833行的帧信号，将帧信号分拆成416.5行的奇偶两场隔行信号，取奇场得到c场输出信号；图6(c)所示为75Hz场频提升方案二中d场的实现方案，d场是由A2场经3×3窗3方向(α，β，γ)6点自适应运动补偿滤波去隔行算法形成625行的帧信号，然后经4∶3抽样生成833行的帧信号，将帧信号分拆成416.5行的奇偶两场隔行信号，取偶场得到d场输出信号；

图7为方案二的输入场与输出场的插补关系，可以看出c、d两场只与一场信号有关，其余则与两场信号有关。

特别值得说明的是，对于设计人给出的本发明的第三个方案，此方案与方案一和方案二有较大的差别。

图8是方案三的场频提升原理图。A1场信号经4∶3抽样得到416.5行的隔行信号，即为输出a场信号；B1场信号经4∶3抽样得到416.5行的隔行信号，即为输出b、c场信号；A2场信号经4∶3抽样得到416.5行的隔行信号，即为输出d、e场信号；B2场信号经4∶3抽样得到416.5行的隔行信号，即为输出f场信号。

图9是本发明方案三的输入场与输出场的插补关系原理图。可以看出每场输出信号只与输入场中的一场信号有关。

75Hz场频提升方案一和方案二中c、d两场信号的插补需要涉及到去隔行处理。

本发明中采用3×3窗3方向(α，β，γ)6点自适应运动补偿滤波去隔行算法。图10是该算法的示意图。通过运动补偿算法滤波后的逐行视频信号能够很好地保护图像的边缘特性。

3×3窗3方向(α，β，γ)6点自适应运动补偿滤波去隔行算法是：

1)设大小为N×M/2隔行视频图像经过隔行扫描到逐行扫描变换后的图像用I表示，且大小为N×M；在图像的任一位置P_ij，(其中，i＝1，…，N，j＝1，…，M)的像素点用I(P_ij)表示，其中i，j分别是行和列的坐标；当i为奇数时，表示当前点来自奇场信号；当i为偶数时，表示当前点来自偶场信号；

2)设I(P_ij)为图像边缘点，此点必在其梯度最小的方向上，即在图像边缘方向上图像的灰度值变化最小；取以点I(P_ij)为中心的3×3窗口，可定义I(P_ij)的三个方向：α方向，β方向和γ方向，且可得到点I(P_ij)在α，β，γ这三个方向上的梯度为：

3)由上可知，梯度的绝对值|_αf|，|_βf|和|_γf|最小的方向就是当前帧图像在点I(P_ij)处的边缘方向；

所以自适应运动补偿滤波去隔行算法的输出可以定义为： $g\left(P_{\mathrm{ij}}\right)=\frac{1}{2}\{f_{\mathrm{up}}+f_{\mathrm{down}}\}---\left(2\right)$

或者

g(P_ij)=Med{f_up，f_down}                                           (3)

其中

f_up＝I(P_(i+1)(j-1))，f_down＝I(P_(i-1)(j+1))  当|_αf|为最小值

f_up＝I(P_(i)(j-1))，f_down＝I(P_(i)(j+1))      当|_βf|为最小值    (4)

f_up＝I(P_(i-1)(j-1))，f_down＝I(P_(i+1)(j+1))  当|_γf|为最小值

公式(2)和(3)是基于这样的原理：如果当前点I(P_ij)的灰度值和检测到邻域内边缘方向的灰度值差异较大时，就说明当前像素所在位置的图像邻域有运动，则直接取检测到邻域内边缘上的灰度值，这样就可以修正因图像运动而造成奇、偶两场信号的差异，从而减小图像的边缘模糊现象。

对于不同的去隔行算法，本发明可对应多种实现方案。

Claims (5)

1.一种数字电视75Hz线性行插补与场频提升方法，包括线性行插补和场频提升两部分，其特征在于：线性行插补是把两场312.5行的隔行信号变换为416.5行的两场隔行信号，增加图像的垂直清晰度，场频提升是把50Hz场频变为75Hz场频；

1)线性行插补方法：

线性行插补：首先将312.5行的两场隔行信号直接插补合成一帧625行的逐行信号，然后在逐行信号的每两行之间经过线性内插产生出新的3个内插行，然后经过1∶3抽样，即隔两行取一行的方式得到垂直分辨率为833行的逐行信号，即4∶3抽样；最后把得到的逐行信号分为416.5行的奇偶两场，此奇偶两场即为线性行插补后的输出两场；

2)场频提升采用下述方法进行：

a、b、e、f四场实现方案：由A1、B1两场信号经过线性行插补得到416.5行的两场隔行信号A’1、B’1，A’1为输出a场信号，B’1为输出b场信号；A2、B2两场信号经过线性行插补得到416.5行的两场隔行信号A’2、B’2，A’2为输出e场信号，B’2为输出f场信号；

c、d两场的实现方案：c、d两场为插补场，A1、A2两场信号进行均值运算，然后采用3×3窗3方向(α，β，γ)6点自适应运动补偿滤波去隔行算法形成625行的帧信号，通过4∶3抽样生成833行的帧信号，将帧信号分拆成416.5行的奇偶两场隔行信号，取奇场即为输出c场信号；B1、B2两场信号进行均值运算，然后采用3×3窗3方向(α，β，γ)6点自适应运动补偿滤波去隔行算法形成625行的帧信号，通过4∶3抽样生成833行的帧信号，将帧信号分拆成416.5行的奇偶两场隔行信号，取偶场即为输出d场信号。

2.根据权利要求1所述的数字电视75Hz线性行插补与场频提升方法，其特征在于，所述场频提升还可以采用下述方法进行：

a、b、e、f四场实现方案：由A1、B1两场信号经过线性行插补得到416.5行的两场隔行信号A’1，B’1，A’1为输出a场信号，B’1为输出b场信号；A2、B2两场信号经过线性行插补得到416.5行的两场隔行信号A’2、B’2，A’2为输出e场信号，B’2为输出f场信号；

c、d两场实现方案：c场是由B1场经3×3窗3方向(α，β，γ)6点自适应运动补偿滤波去隔行算法形成625行的帧信号，然后经4∶3抽样生成833行的帧信号，将帧信号分拆成416.5行的奇偶两场隔行信号，取奇场得到c场输出信号；d场是由A2场经3×3窗3方向(α，β，γ)6点自适应运动补偿滤波去隔行算法形成625行的帧信号，然后经4∶3抽样生成833行的帧信号，将帧信号分拆成416.5行的奇偶两场隔行信号，取偶场得到d场输出信号。

3.根据权利要求1所述的数字电视75Hz线性行插补与场频提升方法，其特征在于，所述场频提升也还可以采用下述方法进行：

a场实现方案：由A1场信号经4∶3抽样得到416.5行的隔行信号即为输出a场信号；

b、c两场实现方案：由B1场信号经4∶3抽样得到416.5行的隔行信号，此隔行信号同时作为b、c两场的输出信号；

d、e两场实现方案：由A2场信号经4∶3抽样得到416.5行的隔行信号，此隔行信号同时作为d、e两场的输出信号；

f场实现方案：由B2场信号经4∶3抽样得到416.5行的隔行信号即为输出f场信号。

4.根据权利要求1或2或3所述的数字电视75Hz线性行插补与场频提升方法，其特征在于，所述3×3窗3方向(α，β，γ)6点自适应运动补偿滤波去隔行算法是：

1)设大小为N×M/2隔行视频图像经过隔行扫描到逐行扫描变换后的图像用I表示，且大小为N×M；在图像的任一位置P_ij(其中，i＝1，…，N，j＝1，…，M)的像素点用I(P_ij)表示，其中i，j分别是行和列的坐标；当i为奇数时，表示当前点来自奇场信号；当i为偶数时，表示当前点来自偶场信号；

2)设I(P_ij)为图像边缘点，此点必在其梯度最小的方向上，即在图像边缘方向上图像的灰度值变化最小；取以点I(P_ij)为中心的3×3窗口，可定义I(P_ij)的三个方向：α方向，β方向和γ方向，且可得到点I(P_ij)在α，β，γ这三个方向上的梯度为：

3)由上可知，梯度的绝对值|_αf|，|_βf|和|_γf|最小的方向就是当前帧图像在点I(P_ij)处的边缘方向；

所以自适应运动补偿滤波器的输出可以定义为： $g\left(P_{\mathrm{ij}}\right)=\frac{1}{2}\{f_{\mathrm{up}}+f_{\mathrm{down}}\}----\left(2\right)$

或者

g(P_ij)＝Med{f_up，f_down}                                          (3)

其中

f_up＝I(P_(i+1)(j-1))，f_down＝I(P_(i-1)(j+1))  当|_αf|为最小值

f_up＝I(P_(i)(j-1))，f_down＝I(P_(i)(j+1))      当|_βf|为最小值    (4)

f_up＝I(P_(i-1)(j-1)，f_down＝I(P_(i+1)(j+1))   当|_γf|为最小值

通过3×3窗3方向(α，β，γ)6点自适应运动补偿滤波去隔行算法后的逐行视频信号，能够很好地保护图像的边缘特性，这样就可以修正因图像运动而造成奇、偶两场信号的差异，从而减小图像的边缘模糊现象。

5.根据权利要求1或2或3所述的数字电视75Hz线性行插补与场频提升方法，其特征在于，所述4∶3抽样算法是：

1)设图像的大小为N×M，Il、I2、I3、I4是输入图像信号的行表示，O1、O2、O3、O4、O5是经4∶3抽样后的输出图像信号的行表示，L1、L2、L3是***行：在输入图像的I1、I2、I3、I4行上分别取I_ij、I_i(j+1)、I_i(j+2)、I_i(j+3)四个点(其中，i＝1，…，N，j＝1，…，M)；三个***行上分别取L_i(j+3)、L_i(j+6)、L_i(j+9)三点；五个输出行上分别取O_ij、O_i(j+1)、O_i(j+2)、O_i(j+3)、O_i(j+4)五点；

2)在原始图像的两行之间线性的***四行，L1、L2、L3是采用线性插值得出，因此有

L_i(j+3)＝(I_ij+3I_i(j+1))/4

L_i(j+6)＝(I_i(j+1)+I_i(j+2))/2                             (5)

L_i(j+9)＝(3I_i(j+2)+I_i(j+3))/4

3)在线性***行后得到的帧中每隔两行抽取一行，得到最终4∶3抽样的输出图像；其关系为：

O_ij＝I_ij

O_i(j+1)＝L_(j+3)＝(I_ij+3I_i(j+1))/4

O_i(j+2)＝L_i(j+6)＝(I_i(j+1)+I_i(j+2))/2                    (6)

O_i(j+3)＝L_i(j+9)＝(3I_i(j+2)+I_i(j+3))/4

O_i(j+4)＝I_i(j+3)

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