PAL制彩色全電視信號數(shù)字解碼研究與實現(xiàn)

牟亞南　陳金鷹　楊敏　魏萬迎

摘 要： 針對數(shù)字電視昂貴的收費標準以及開機繁瑣等問題，提出用數(shù)字方法解決模擬視頻解碼后出現(xiàn)的亮色串擾以及色度畸變現(xiàn)象，利用高速FPGA硬件采集系統(tǒng)將模擬視頻轉(zhuǎn)換成數(shù)字視頻流并存儲，通過自適應(yīng)2D梳狀濾波器分離出亮度和色度信號，同時為了保證解調(diào)出的紅藍色差信號不失真，采用Costas環(huán)同步色度副載波。該方法在Matlab上仿真解碼后不僅提高了圖像質(zhì)量，而且解決了模擬電視亮度不清晰，色度不飽和等問題，使用戶觀看模擬電視時臨場感增強。

關(guān)鍵詞： 自適應(yīng)梳狀濾波； 亮色分離； 色度解調(diào)； Costas環(huán)

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）15?0039?03

Research and implementation for digital decoding of PAL format color TV signal

MOU Yanan1， CHEN Jinying1， YANG Min1， WEI Wanying2

（1. College of Information Science and Technology， Chengdu University of Technology， Chengdu 610059， China；

2. School of Electronic Information Engineering， Chengdu University， Chengdu 610106， China）

Abstract： Since the expensive charging standard and tedious setting up of digital TV， digital method is proposed for solving the phenomenon of luminance color crosstalk and chrominance distortion after analog video decoding. High?speed FPGA hardware acquisition system is applied to converting analog video into digital video and storing. Luminance and chrominance signals are separated by adaptive 2D comb filter. To guarantee the demodulated red and blue chromatic aberration signals against distortion， Costas loop is applied to synchronizing with chrominance subcarrier. This method improved image quality， solved the problems of blurring analog TV luminance and unsaturated chrominance. When users are watching analog TV， the telepresence is enhanced.

Keywords： adaptive comb filtering； luminance/chrominance （Y/C） separation； chrominance demodulation； Costas loop

隨著數(shù)字信息化的快速發(fā)展，數(shù)字電視的普及率越來越高。但是由于經(jīng)濟、技術(shù)發(fā)展的不平衡以及昂貴的成本[1]，數(shù)字電視取代模擬電視還需要一個漫長的過程[2]。因此，在模擬電視的前提下，研究通過何種方法來改善模擬視頻質(zhì)量是非常有必要的，本文采用數(shù)字解碼技術(shù)，提高解碼性能，同時極大地改善了圖像的質(zhì)量。為了獲得較清晰的視頻圖像，其關(guān)鍵在于亮色分離和色度解調(diào)后是否達到彩色圖像所需的質(zhì)量要求。如果亮色分離不好、色度解調(diào)不對，就會出現(xiàn)亮色互串、圖像顏色出現(xiàn)偏差等現(xiàn)象，嚴重影響了圖像的質(zhì)量和清晰度。針對上述問題，本文介紹了PAL制數(shù)字解碼技術(shù)，該方法解碼后得到的圖像信號不僅清晰度高，且觀感效果佳。

1 數(shù)字解碼模型

我國采用PAL制彩色全電視信號，首先克服了NTSC制式電視相位敏感的缺點；其次PAL采用1/4行間距再加25 Hz副載波信號，實現(xiàn)了亮色頻譜交錯并具有較好的兼容性；最后由色度頻譜間置在6 MHz帶寬亮度頻譜間隙的特征決定采用梳狀濾波器，在得到較好的亮色分離的同時，又可以將亮色互串的幅度降低3 dB，從而增強了彩色信噪比[3]。PAL制模擬電視信號為：

[PAL=Y+UsinωSCt±VcosωSCt+Timing] （1）

式中：[Y，][U，][V]分別為亮度信號和兩個壓縮色差信號。圖1為PAL制視頻數(shù)字解碼系統(tǒng)框圖，該系統(tǒng)包括FPGA硬件實現(xiàn)部分和Matlab軟件實現(xiàn)兩個部分。

彩色視頻流經(jīng)過模擬鉗位和自動增益控制前端電路[4]得到穩(wěn)定的消隱電平和增益相同的信號，再通過ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號存儲在FPGA寄存器中，利用串口將FPGA處理過的數(shù)字圖像上傳到上位機，通過Matlab仿真軟件對數(shù)字圖像進行同步檢測和提取，利用2D自適應(yīng)梳狀濾波器分離出亮度和色度信號的同時采用色同步脈沖選出色同步載波，再對色度信號進行解調(diào)，最后通過RGB轉(zhuǎn)換和插值恢復(fù)原圖像。其中，ADC具有較高的采樣速率，為了實現(xiàn)采樣速率和串口速率的匹配，需將A/D轉(zhuǎn)換的視頻流存放到異步先進先出寄存器FIFO中進行緩存。對于異步FIFO的配置主要是將寫時鐘和A/D的采樣時鐘設(shè)置為一致，讀時鐘和串口的發(fā)送時鐘一致，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾院头€(wěn)定性[5]。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計框圖

2 亮色分離

色度差信號頻譜間置在亮度頻譜間隙中，因此利用梳狀濾波器梳齒狀特性能夠分離出圖像信號的亮度和色度部分。目前常用兩行或三行梳狀濾波器進行亮色分離[6]，下面對2D?2L，2D?3L是如何實現(xiàn)亮色分離進行分析。

2.1 2D?2L梳狀濾波器

PAL制中，亮度信號和色度信號通過頻譜交錯混疊在一起，并采用逐行倒相方式，則有每隔一行對應(yīng)位置上的色副載波相位必然相反。假設(shè)圖像相鄰行內(nèi)容之間有比較強的相關(guān)性，即數(shù)值相差較小，通過兩行信號相加減可分離出[YC]信號。

[Y≈12（Yn+Cn）+（Yn+2-Cn+2）] （2）

[C≈12（Yn+Cn）-（Yn+2-Cn+2）] （3）

2.2 2D?3L梳狀濾波器

但是不管實際圖像處于動態(tài)或靜止，相鄰兩行圖像內(nèi)容的差異性是不確定的。但是根據(jù)大面積著色原理可知，相鄰三行圖像不可能都存在差異性，定有其中兩行差異性較小，此時需對2D?2L濾波器進行改進得到2D?3L梳狀濾波器，再利用2H延遲分離出[YC]信號。

[Yn≈12（Yn-2+Cn-2）+（Yn+2+Cn+2）×12+（Yn-Cn）] （4）

[Cn≈12（Yn-2+Cn-2）+（Yn+2+Cn+2）×（-12）-（Yn-Cn）] （5）

對于上述兩種梳狀濾波器，主要是根據(jù)圖像行之間的相關(guān)性分離出亮度信號。但是實際的彩色圖像中，彩色細節(jié)的分辨率很高，若只對行進行處理，忽略圖像垂直方向的相關(guān)性，定會造成亮度色度信號高次諧波的混疊。若要解決垂直方向變化較大的彩色圖像需采用3D梳狀濾波器[7]，但其算法實現(xiàn)起來較復(fù)雜，同時對硬件的要求較高，綜合多種因素本文采用改進型2D自適應(yīng)梳狀濾波進行亮色分離，實現(xiàn)起來較容易并能夠得到較清晰的亮度信號。

2.3 自適應(yīng)梳狀濾波器模型及分析

2D自適應(yīng)梳狀濾波主要通過邏輯運算來判斷圖像相鄰三行之間的相關(guān)性[8]，改進模型如圖2所示。

圖2 改進型濾波框圖

根據(jù)改進自適應(yīng)系統(tǒng)框圖，視頻解碼輸入端的數(shù)據(jù)流（Y+C）經(jīng)過2H延遲得到（Y-C）反相信號，一方面原數(shù)據(jù)流與反相信號相加有亮度信號[2Y1，]接著經(jīng)過一個0.5倍乘法器得到[Y1，]最后有[Y′1]是通過每行點陣乘以相應(yīng)的權(quán)值系數(shù)得到的；另一方面反相信號與其2H延遲后的信號相加得到[Y′2，]再通過式（6）得到[Y]：

[Y=k1×Y1+k2×Y2] （6）

若行之間的相關(guān)性很小，直接利用帶通濾波器選出亮度信號。

當PAL制隔行掃描時，將邏輯相關(guān)運算器圖像當前行與前后兩行內(nèi)容作比較，與表1作對比判斷三行內(nèi)容之間的相關(guān)性，提供給多路選通器（MUX），再根據(jù)權(quán)值系數(shù)動態(tài)地選擇2D?2L或2D?3L梳狀濾波器。表1給出了圖像行信號之間相關(guān)性的判定，當[b1]與[b2]均為零時，即圖像當前行與上下兩行信號內(nèi)容幾乎相等，相關(guān)程度最高，采用2D?3L梳狀濾波器能夠很好地分離出亮度信號，此時令[k1=k2=0.5；]當[b1=0，][b2≠0]（或[b1≠0，][b2=0]）時，即當前行與上一行信號相關(guān)性較大，與下一行信號有較大的變化（或反之），適用于2D?2L梳狀濾波器特性，可令[k1=1，k2=0][（或k1=0，k2=1）；]若[b1≠0]且[b2≠0，]即當前行與上下兩行均有較大的變化，圖像的相關(guān)性差，此時采用逆相關(guān)運算。

表1 信號邏輯運算器

[＼&[b1=0]＼&[b1=0]＼&[b1≠0]＼&[b1≠0]＼&＼&[b2=0]＼&[b2≠0]＼&[b2=0]＼&[b2≠0]＼&[k1]＼&0.5＼&1＼&0＼&[b2（b1+b2）]＼&[k2]＼&0.5＼&0＼&1＼&[b1（b1+b2）]＼&]

3 色度解調(diào)

自適應(yīng)梳狀濾波器分離出色度信號后，利用色同步信號解調(diào)兩個壓縮色差信號。只有當解調(diào)出的色同步載波與發(fā)送端的基準載波同頻同相時，才能保證接收端彩色圖像顏色不失真。本文采用Costas鎖相環(huán)恢復(fù)色度副載波[9]，原理框圖如圖3所示。

當輸入的色同步信號進入Costas環(huán)時，首先同NCO輸出的本地同相、正交信號相乘，相乘后的兩路信號經(jīng)積分清零器（低通濾波）后再通過相位檢測器得到相位誤差并經(jīng)過環(huán)路濾波器之后自動調(diào)整NCO相位和頻率，使其輸出的載波實時同步輸入的色同步副載波，達到鎖頻鎖相的目的。

圖3 色度解碼框圖

恢復(fù)出色度副載波之后，再進行色度解碼，由式（1）知：

[F=UsinωSCt+ktVcosωSCt] （7）

[F×2cosωSCt=（UsinωSCt+ktVcosωSCt）×2cosωSCt=ktV（1+cos2ωSCt）+Usin2ωSCt] （8）

[F×2sinωSCt=（UsinωSCt+ktVcosωSCt）×2sinωSCt=U（1-cos2ωSCt）+ktVsin2ωSCt] （9）

式中：[kt]為PAL制同向開關(guān)+1，反之為-1。式（8）和式（9）通過低通濾波器后，得到兩路壓縮色差信號[U，V，]再利用RGB矩陣變換函數(shù)得到三基色[R/G/B][10]。

[R=Y+1.402V] （10）

[G=Y-0.344U-0.714V] （11）

[B=Y+1.772U] （12）

通過亮色分離和色度解碼后的彩條圖效果如圖4，圖5所示。

圖4 彩條測試效果圖 圖5 彩條數(shù)字解碼效果圖

由以上效果圖可以看出，采用自適應(yīng)亮色分離和色度解碼后整體上得到較清晰的彩條圖像，但是開始進行色度解調(diào)時，Costas環(huán)載波跟蹤需要很短的時間來同步相位和頻率，導(dǎo)致解碼后的彩條圖像最頂端出現(xiàn)少量失真現(xiàn)象。圖6，圖7分別給出了亮度和色度部分波形圖以及色度解碼后紅綠藍三種信號部分波形圖。

4 結(jié) 語

本文提出PAL制模擬電視數(shù)字解碼方法，通過2D自適應(yīng)梳狀濾波分離出亮度信號，很大程度上改善了圖像的清晰度，并且利用Costas環(huán)實現(xiàn)色副載波的同步，能夠獲得較準確的彩色信息且滿足視頻解碼的需求。但是，不同彩色圖像不僅對彩色圖像分辨率高低要求不同，而且垂直方向圖像相關(guān)性不一，此時2D梳狀濾波器已不再適用。為了更進一步地提高圖像質(zhì)量，接下來將研究3D梳狀濾波器解決垂直方向差異性較大的問題。

圖6 亮度、色度波形

圖7 色度解調(diào)后RGB波形

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