用于电视接收机的多方式内插滤波器 本发明涉及用来扫描变换出现于多种可选格式中的已解压缩视频信号的内插器。
本发明的背景
随着压缩视频信号传输的出现，可以预期：为了使接收设备有竞争力，不管所传输的视频数据是哪种格式，它都能够以标准化的格式来显示图像。例如，根据MPEG2格式(国际标准化组织的活动图像专家组)压缩的视频信号，可以表示4∶2∶2格式、4∶2∶0格式和其它各种格式的图象.不管所传输的是哪种格式，接收机应该以例如4∶2∶2格式来显示全部图像。
有很多已知的系统可用来执行从一种格式到另一种格式的扫描变换。一般说来，这样的系统对于从一种特定信号格式变换成第二种特定信号格式是最佳化的。然而，在电视接收机的环境中，要包括多个最佳化的扫描变换器，使每一种预期地信号传输格式都有一个变换器，那是不实际的。扫描变换必须采用折衷的方法，即，以单一的、具有可以接受但不是最佳性能的变换设备来变换多种信号格式。
请参考支持不同压缩处理和不同分辨率格式的MPEG2标准。不同的压缩处理包括帧内处理和场内处理。
来自MPEG解码处理的原始数据为视频信号帧。全分辨率帧(4∶2∶0)包括480行亮度信号和240行色度信号。半分辨率帧(4∶2∶0)包括240行亮度信号和120行色度信号。在全分辨率方式中，可以把已解码行编号为：
Y1，Y2，Y3，Y4，Y5，Y6，… … …Y480
C1，C2，C3，C4，… … … … … …C240；
在半分辨率方式中，可以把已解码行编号为：
Y1，Y2，Y3，Y4，Y5，Y6，… … …Y240
C1，C2，C3，C4，… … … … … …C120。
MPEG解码器输出的亮度行数总是色度行数的两倍。然而，可以把所需输出的4∶2∶2显示格式表示为：
OY1，OY2，OY3，OY4，… … …OY480
DC1，DC2，DC3，DC4，… …DC480。
不考虑原始的分辨率，把色度行数进行上变换。在半分辨率方式中，把亮度行数也上变换。取决于在压缩处理之前在产生压缩信号时所进行的预处理，上变换方式是可变的。某些上变换方式更有助于把帧内预处理过的信号上变换；另一些上变换方式更有助于把场间预处理过的信号上变换。本发明正是用来执行这样的多方式视频信号垂直上变换的内插器。
发明概要
本内插器包括用来把视频信号延时一水平行并有选择地再显示那一行的延时单元。为了有选择地把已解码的亮度信号或已解码的色度信号提供到延时单元上，安装了多路转换器。把延时单元的输出信号和多路转换器的输出信号耦合到比例电路上，比例电路将此二信号以互补的比例(例如，K和1-K)相加。为了有选择地通过已解码的亮度信号或来自比例电路的信号，安装了提供已上变换的输出亮度信号的第二多路转换器。为了有选择地通过已解码的色度信号或来自比例电路的信号，安装了提供已上变换的输出色度信号的第三多路转换器。
下面，将借助于附图，详细地描述本发明。
图1为包括实施本发明内插器的示范性接收机方框图；
图2为内插器示范性实施例的方框图；
图3和图4为示范性比例和相加电路的原理图；
图5～图10为对于不同信号格式的视频信号原始行与已上变换的视频信号之间相互关系的形象化表示；
图11～图17为包括图2设备的工作参数表。
详细描述
本发明将通过MPEG信号处理环境来描述，然而，应该容易理解：在其它工作于多方式信号的信号处理环境中，也可以实施本发明。
参看图1，所传输的已压缩的视频信号从天线加到调谐/解调器10上，调谐/解调器10对所传输的信号检波，将其变换到基带上。为了对传输提供噪声抗扰性，已使基带信号处于分包和交错形式下。把基带信号加到传送处理器12上，传送处理器12把压缩过的视频数据去交错和拆包。可能还包括一定程度的纠错。把压缩过的视频数据从传送处理器耦合到解压缩器14上，解压缩器14与工作存储器16共同执行例如MPEG的反压缩功能，以帧为基础产生视频信号。即，解压缩器产生解压缩的数据，每次产生一帧。把已解压缩的视频信号加到显示存储器18上，从显示存储器18可以隔行扫描形式的光栅格式读出数据。显示存储器被认为包括地址电路，它在写入视频数据时响应于解压缩器，读出视频数据时则响应于内插器20。
把处于亮度和色度分量形式下的视频数据通过内插器20耦合到矩阵和显示单元22上。矩阵和显示单元22把亮度和色度分量信号组合起来，形成常规形式的红R、绿G、蓝B信号，以激励显示器件。单元10～20以数字形式对信号进行处理。在单元22内(在矩阵处理以前)或者在单元22以后，将提供数模变换器。
如前所述，传输的压缩过的视频数据可能已以场或帧的处理方式和各种不同的空间分辨率进行了编码。为了把各种形式的已解压缩的视频信号在垂直空间方向上上变换成4∶2∶2格式，包括了内插器20。
图2以方框图形式示出一个多方式内插器的例子。这一内插器在相应的输入连接端上接受分量4∶2∶0的亮度Y、色度C信号；而输出4∶2∶2格式的分量Y、C信号。内插器包括第一多路转换器35，多路转换器35具有用来提供亮度输出信号的输出连接端。多路转换器35响应全分辨率/半分辨率控制信号F/H，有选择地使直接来自亮度输入端或者来自比例单元34的亮度信号通过。内插器还包括第二多路转换器36，多路转换器36具有用来提供色度输出信号的输出连接端。多路转换器36响应控制信号F/H，有选择地使直接来自色度输入端或者来自比例单元34的色度信号通过。
第三多路转换器30具有分别耦合到亮度和色度输入端上的第一和第二输入端，多路转换器30由控制信号F/H来控制，以便使亮度和色度分量输入信号中的某一个通过。第三多路转换器的输出耦合到第四多路转换器32的一个输入端上，还耦合到比例单元34的输入端上。
第四多路转换器的输出连接端耦合到一水平行(1H)延时单元33上，一水平行延时单元的输出则返回耦合到多路耦合器32的第二输入端上。为了把新的分量信号加到延时线33上或者为了再循环延时线33中已包括的数据，多路转换器32受控于一水平行多路转换器(1-H MUX)控制信号。
比例单元34具有耦合到一水平行(1-H)延时单元33输出连接端上的第二输入端，一水平行延时单元33接受来自第四多路转换器32的信号。比例单元34把来自一水平行延时单元33和来自第三多路转换器30的信号按互补的比例配合起来，再把相应部分组合到一起，产生内插的输出信号，将其加到多路转换器35和36的相应输入连接端上。一般说来，加到单元34上的那两个信号相应于相继的两水平行。把来自这两行的信号以K和1-K的比例组合起来，此处，K一般为小于1的系数。
由天线接收的已压缩的MPEG数据包括与压缩的帧有关的控制信息，该控制信息指出，当前帧在MPEG压缩以前是否已通过场或帧技术进行了预处理，以及压缩帧的分辨率。解压缩器14把这种控制信息提取出来，以便配置用来对已压缩数据的当前帧进行解压缩的解压缩器14。解压缩器14包括足够的硬件和软件，以便执行MPEG标准所支持的压缩处理的全部逆操作。
控制信息从解压缩器14传递到控制器37上。控制器37根据帧控制信息而产生系数K，利用该系数把相应的信号按比例配合或加权。例如，利用解压缩器提取适当的控制信息，利用这种控制信息来寻址内部的只读存储器(ROM)表(未示出)，从这种表可以提供适当的K系数。控制器37还提供用来控制相应多路转换器的适当信号，以便有选择地使适当的分量信号通过。
当控制信号F/H处于其第一状态(F)时，多路转换器30、35和36使加到其相应“0”输入连接端上的信号通过；当信号F/H处于相反的第二状态(H)时，多路转换器30、35和36使加到其“1”输入连接端上的信号通过。因此，当多路转换器35把亮度信号从存储器传递到单元38上、且多路转换器30把色度信号从存储器传递到多路转换器32上时，多路转换器36将使来自单元34的信号通过。另一方面，当多路转换器36把色度信号从存储器传递到单元39上、且多路转换器30把亮度信号从存储器传递到多路转换器32上时，多路转换器35将使来自单元34的信号通过。
注意，可以利用这样的随机存取存储器：其存储容量足以保持一行信号、且其类型为可以读出但不破坏数据，从而可以从存储器读出多次数据，以取代多路转换器32和延时线33。这时，多路转换器32的功能，将通过有选择地把写允许信号加到该随机存取存储器上来执行。
图3和图4以原理图形式示出比例和组合单元34两种可选的电路布置。一般说来，图3的电路比较简单，因为它只需要一个多路转换器和一个控制信号K；而图4的布置包括两个多路转换器，并需要两个控制信号K和(1-K)。对这些电路的工作，将不加描述，因为这两种电路都是熟知的。只须说明，对于在下面列出的表I-VII中所指出的K值，来自行存储器33的信号以系数1-K加权，从多路转换器30提供的信号则以系数K加权。
一般说来，在相应的数据序列(例如，图像组GOP等)中，多路转换器的控制信号F/H保持恒定。即，在一帧开始时设定信号F/H为高电平或低电平，则至少在整个一帧的持续周期内信号F/H可以保持在该状态下。当传输半分辨率数据时，有一种方式是控制信号F/H可以在每一个象素周期或者每一行周期内在高和低之间改变。
内插器20通过下述方式之一在垂直方向上对数据进行上变换：
1、重复行，这简单地就是把来自显示存储器18的同一行相继重复两次；
2、重复场，这就是把来自显示存储器适当的交替相继行(即场)重复两次；
3、根据显示存储器中相邻的水平行信号，内插中间行；
4、重复行和场。
在全分辨率方式中，亮度分量不需要上变换，因此，亮度信号只是从显示存储器经过多路转换器35不加变化地通过。色度信号要求1∶2的垂直上变换。图2的设备考虑了以两种方式产生上变换的色度信号：重复行和/或场；或者，根据实际行而内插行。后一种处理较为优越，因为所产生的信号具有较高的视在分辨率。
参看图5～图10。最左列的各个小框用于表示视频信号的解压缩后隔行扫描帧的各行，内插器20可从显示器18得到这种帧。交替的各行表示隔行扫描帧的偶数场和奇数场。中间列的各个小框用于表示由内插器20提供的隔行扫描输出信号的已上变换过的奇数场；最右列的各个小框用于表示隔行扫描输出信号的已上变换过的偶数场。从左边那一列小框指出的箭头表示解压缩的视频行，根据这种行产生中间列或最右列的输出视频行。伴随箭头的数字表示在从利用原始的解压缩视频形成奇数或偶数场之一时该信号所提供的比例。数字1意味着所提供的比例为100％，即行重复。
首先考虑所接收的信号为全分辨率、并且，是通过场处理而被压缩的信号。在场处理中，相应已压缩帧中相应场的各行是独立地进行压缩的，结果是，已压缩帧的相应场是相对地独立的。这样，对于独立地进行相应场的上变换来说，是合乎理想的。图5示出，对于已经场压缩的色度信号进行行重复上变换的过程。重复已解压缩帧的交替行，以便产生1∶2上变换的奇数输出场；重复已解压缩帧的插入行，以便产生已1∶2上变换的偶数输出场。
图17中的表I示出存储器的访问要求，并隐含地表明内插器的多路转换配置。表I(和表II～VII)表明：可编程控制器37提供K系数、配置相应的多路转换器、和调整显示存储器以便对被处理视频信号的当前帧提供分量视频信号的行的方式。控制器37可以是可重构状态机，这种状态机可以通过解压缩器14提供的控制信号所起动的相应子程序或ROM数据来配置。
当表I中的一行控制信号为“新的”(NEW)状态以调整多路转换开关32使数据从多路转换器30传到一水平行延时线(行存储器)上。控制信号F/H处于F状态以调整多路转换器35、36和30使加到其相应“0”输入连接端上的信号通过。这样，对于奇数场，多路转换器35以正常行使来自显示存储器的亮度行(来自存储器的Y)通到行顺序Y1，Y3，Y5，Y7等上；对于偶数场，使其通到Y2，Y4，Y6，Y8等上。调整多路转换器30，使色度信号从显示存储器18(来自存储器的C)通到多路转换器32和延时线33以及单元34的电路上；调整多路转换器36，使来自单元34的信号通过。因为控制信号K是零，所以，来自单元33和30的信号以1∶0的比例组合起来，即多路转换器36有效地通过来自显示存储器且已延时一行间隔的色度信号。为了保持亮度和色度有适当的垂直空间关系，在奇数场和偶数场中，都是把色度信号的第一行比相应场亮度信号的第一行超前一行时间从显示存储器中读出。来自显示存储器18的其它色度信号每隔一行从该显示存储器读出两次。注意，表I中以粗体字印出的色度值为在相应奇数场和偶数场中内插器20输出的值。
假定，显示存储器在每一个垂直存储地址中存储一行信号，行读出两次是这样进行的，使显示存储器中色度部分所用的垂直存储地址在显示存储器中用于亮度部分的垂直地址每前进两个垂直地址时前进一个地址。
图6示出对全分辨率、经过场处理、色度1∶2上变换的另一种内插。当按照图5处理时，已上变换的奇数场和偶数场分别根据已解压缩帧的奇数行和偶数行而产生。然而，奇数和偶数输出场以不同方式来产生。每隔一行的奇数输出场的行等于已解压缩的帧中奇数场的行。奇数输出场中的插入行是根据该插入行所在的前后两奇数行的平均值而产生的。例如，输出奇数场的行On＝1/2Cn-1+1/2Cn+1，此处Cn-1和Cn+1相应于已解压缩的帧中的色度行On之上和之下奇数行的相应色度信号值。奇数的色度输出行On-1和On+1分别等于Cn-1和Cn+1。
参看图11中表II的奇数场部分。可以看出，除了K值以外，与表I相同。在具有K为零值的奇数场的显示行中，色度信号从行存储器33不加改变地输出。例如，奇数场显示行1(第一行)的色度信号为信号C1。在具有K为非零值的奇数场显示行中，色度信号等于来自行存储器信号(C1)的K倍加来自存储器(即，来自多路转换器30)信号的(1-K)倍。对于奇数场显示行3，因为K等于1/2，所以，色度信号等于C1的1/2倍加C3的1/2倍。
相应偶数场的每一输出行都是根据已解压缩偶数场的两行以不同的比例产生的。例如在图6中，偶数输出行En根据已解压缩的色度行Cn和Cn+2分别以比例3/4和1/4而产生。下一个偶数的输出色度行En+1根据已解压缩偶数帧的行Cn和Cn+2、分别以比例3/4和1/4而产生。
参看图11中表II的偶数场部分。从一水平行控制列可以看出，调整多路转换器32，以每隔一行的周期使行存储器中的数据再循环。以这种方式工作时会导致在两个显示行期间内出现一对行：Cn和Cn+2。请注意在标为“来自存储器的C”和“来自行存储器的C”这两列相继行中的一对信号。在起始行输出以后，K值在1/4与3/4之间交替。第4、6和8行信号为：
C4＝3/4C2+1/4C4
C6＝1/4C2+3/4C
C8＝3/4C4+1/4C6
等
图7示出对通过帧处理而不是场处理而产生的全分辨率色度信号进行1∶2上变换的方式。所示方法显示场重复。即，在奇数场期间，把已解压缩帧中半垂直分辨率的全部色度行作为奇数场的行直接地输出；在偶数场期间，把同样的这些行作为偶数场的行输出。
图12中的表III示出多路转换器的控制状态。利用F/H信号调整多路转换器35、36和30，分别使来自存储器的亮度、来自单元34的信号和来自存储器的色度通过。因为在奇数场期间，信号K等于1，所以，来自行存储器的C信号与来自存储器的C信号分别以0∶1的比例组合起来。这样，多路转换器36主要是通过来自多路转换器30的输出信号。另一方面，在K等于零的偶数场期间内，多路转换器36通过来自多路转换器30但延时了一行周期的信号。在表III中，以粗体字印出的色度行为在奇数和偶数场期间内输出的色度行。
图8以形象化的形式示出用来根据帧压缩过的信号产生奇数和偶数上变换色度场的内插算法。奇数场的输出行根据已解压缩帧的偶数和奇数行而产生；偶数场的输出行根据已解压缩帧的偶数和奇数行而产生。奇数场的每一行根据帧的逐对行以1/4∶3/4的比例产生。相应的隔行扫描偶数场的各行根据已解压缩的帧中类似的各对行以3/4∶1/4的比例产生。
图13中的表IV示出内插算法所涉及的相应信号和控制信号的配置。注意，对偶数场和奇数场全部色度行都是从显示存储器中相继地读出的，而不是对偶数场读出偶数行、对奇数场读出奇数行。除了K的序列值以外，配置与表III相同。奇数场部分的全部K值为3/4，因此，奇数输出场的各行COn按照下式产生：
COn＝1/4Cn-2+3/4Cn-1
；偶数输出场的全部各行CEn按照下式产生
CEn＝3/4Cn-2+1/4Cn-1
考虑半分辨率的压缩方式。为了产生4∶2∶2信号，需要进行1∶4的垂直色度上变换和1∶2的垂直亮度上变换。因为人眼对彩色不如对亮度敏感，所以，对亮度进行内插而对色度仅仅重复是可取的。图9形象化地示出1∶4的色度上变换。所表示的就是，为了产生输出奇数场的各行，把已解压缩的半分辨率信号的全部(奇数和偶数)色度行重复两次；为了产生输出偶数场的各行，将其再重复两次。
以场重复方式对色度进行1∶2上变换相同的方式，对亮度分量进行1∶2垂直上变换。
图14的表V示出对这种半分辨率处理的内插配置。表V的亮度部分类似于表III的色度部分。然而要注意，多路转换器36是调整到能直接通过来自显示存储器18的色度行；而多路转换器35则调整到能通过来自单元34的亮度信号；多路转换器30则调整到能使亮度信号从显示存储器通到多路转换器32和行存储器33的电路上。
图15的表VI示出半分辨率的工作方式，其中，在奇数场和偶数场中，重复全部色度行；亮度采用内插，而不采用场重复。
图10和图16的表VII示出半分辨率的色度滤波和亮度场重复的方式。
色度和亮度分量都可采取内插的半分辨率方式是通过把内插器以象素为基础的时分复用来实现的，如果在水平上变换以前执行垂直上变换的话。在半分辨率方式中，每一水平行中只包括每行取样个数之半。延时单元33具有足够的存储量来同时存储色度和亮度分量的半分辨率行。这样，能够把亮度和色度取样逐个象素地交错起来，并能独立地内插色度和亮度信号。利用多路转换器35和36来执行内插分量的去交错。这一操作通过以象素速率的时钟(输入象素的速率)作为信号F/H的时钟来执行。对单元34，把所需内插功能(可以是前述任一种内插功能)要求的K值也进行时分复用。
另一方面，可以以行为基础，对亮度和色度信号进行交错或复用。在此情况下，在第一行期间的各别部分使一行亮度分量和相应的一行色度分量时分复用。这种时分复用可以通过以行速率作为信号F/H的时钟来实现。内插亮度和色度分量的分离将通过受控于行频控制信号F/H的多路转换器35和36来实现。把所需内插功能(可以是前述任一种内插功能)所要求的K值对单元34也进行时分复用。
在后一种可选方式中，色度和亮度分量的输出内插行将被压缩到例如半行周期内。为了把这些信号扩展到整个行周期，在相应多路转换器35和36的输出连接端上包括了相应的时间扩展电路38和39。时间扩展电路或光栅变换器是周知的，其操作在此将不加描述。