視頻格式之間的相互轉(zhuǎn)換

視頻格式之間的相互轉(zhuǎn)換

    從20世紀初發(fā)明的黑白電視到50時年代出現(xiàn)的彩色電視，以及從模擬時代跨入到數(shù)字時代，從標清電視過渡到高清電視，伴隨著信息高速公路以及國際互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，廣播電視在不同時期不同領域出現(xiàn)了多種格式。這其中有早期彩色電視領域的PAL制,NTSC制，SCREAM制；近期數(shù)字電視領域內(nèi)的DVB歐洲、ATSC美國、 日本的ISDB；以及根據(jù)數(shù)字電視圖像清晰度不同而出現(xiàn)的SDTV和HDTV，這些格式多樣化的存在為電視臺的系統(tǒng)搭建提出了一個新課題，那就是如何結(jié)決電視信號格式間的轉(zhuǎn)換。

    盡管電視信號有多種格式，各種格式有不盡相同，但歸結(jié)起來相異之處主要在這三個方面：隔行或逐行不同，幀頻或場頻不同，顯示寬高比不同。在數(shù)字化普及之前，這些不同制式與格式相互變換所涉及到的時域壓縮和擴張實現(xiàn)起來十分困難，但數(shù)字領域這些模擬領域棘手的問題已迎刃而解。所以對模擬電視信號進行格式轉(zhuǎn)換，若先進行數(shù)字化，在數(shù)字域進行將會方便很多。

一 信號的數(shù)字化

    對于模擬分量電視信號，應按ITU-R BT.601 標準進行數(shù)字化，取樣結(jié)構(gòu)為4：2：2，亮度信號Y抽樣頻率選為525/60和625/50三大制式行頻的公倍數(shù)2.25MHz的6倍即13.5MHz。接口標準為 SMPTE259M串行數(shù)字接口SDI格式（D1格式），輸出碼率為270MHz（4：3）或360MHz（16：9）。對于模擬復合電視信號，從抽樣所形成的樣點結(jié)構(gòu)圖考慮，抽樣頻率取彩色副載波的4倍更為合適，量化后輸出碼率為142MHz（8BIT PAL制）和114MHz（8BIT NTSC制）。對于高清信號，數(shù)字化后變換成HDSDI信號，傳輸率為1.5GMHz(SMPTE292M)。

電視信號經(jīng)過數(shù)字化，從時域的電視圖像變換成一個三維的時空取樣點結(jié)構(gòu)。對于電視信號，無論是場頻的變換，行頻的變換，還是隔行掃描與逐行掃描的轉(zhuǎn)換，寬高比的轉(zhuǎn)換等，均可看成三維取樣結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換。這些取樣結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換主要借助于數(shù)字信號的內(nèi)插來實現(xiàn)。下面先簡單介紹數(shù)字內(nèi)插算法。

二 制式轉(zhuǎn)換的基本原理
    在保持原視頻基帶信號頻譜時,為提高數(shù)字信號的取樣頻率,可對原數(shù)字信號進行內(nèi)插。針對不同的目的，信號內(nèi)插可分為行內(nèi)插與場內(nèi)插，行內(nèi)插主要針對于不同行頻格式之間的變化，場內(nèi)插主要針對于不同場頻格式之間變化。

1 行內(nèi)插

    所謂行內(nèi)插是指在原數(shù)字取樣點之間插入新的取樣值，它可以是相鄰兩值的平均值，也可以是零值，也可以用多項式內(nèi)插方法得到。由于內(nèi)插必然會引起垂直分辨率的變化，不管是增加還是減少，本來連續(xù)的兩條掃描行之間多出一行或少掉一行，都會引起原圖像的不連續(xù)，出現(xiàn)鋸齒失真，如果采用非運動內(nèi)插的簡單重復或簡單刪減某些行數(shù)據(jù)的方法，這種數(shù)據(jù)將會很明顯。如下圖：

    通常所說的行內(nèi)插都是指運動行內(nèi)插，即行內(nèi)插的數(shù)據(jù)不是靠簡單重復某些

    行內(nèi)插可分為場內(nèi)行內(nèi)插和場間行內(nèi)插。用同一場的相鄰行通過內(nèi)插系數(shù)的運算得到內(nèi)插行圖像數(shù)據(jù)的方法就是場內(nèi)行內(nèi)插。參與一次內(nèi)插運算的相鄰行可以是2行、4行，只要硬件運算量足夠大，相鄰行可以更多(這里有個性價比的關系)。場內(nèi)行內(nèi)插利用了同場相鄰行的相關性，對于運動圖像的內(nèi)插效果要比靜止圖像的內(nèi)插效果要好。

    如果將前一場的圖像數(shù)據(jù)存儲起來，留待下一場作行內(nèi)插時用場間相鄰兩行依據(jù)內(nèi)插系數(shù)得到內(nèi)插行的圖像數(shù)據(jù)，這就是場間行內(nèi)插。它認為場間相鄰兩行數(shù)據(jù)的相關性大于同一場內(nèi)相鄰兩行的相關性。這種行內(nèi)插方式使得行內(nèi)插數(shù)據(jù)在很大程度上由前一場對應行決定，因此對于靜止圖像的內(nèi)插效果要比運動圖像的內(nèi)插效果要好。

    為了判別出何種情況用場內(nèi)行內(nèi)插或場間行內(nèi)插，只須對圖像進行運動檢測，根據(jù)待處理圖像的運動情況，即圖像幀差信號（如亮度Y信號幅值的差別）的大小選擇使用場內(nèi)行內(nèi)插或場間行內(nèi)插，這就是自適應場內(nèi)和場間的行內(nèi)插方法。根據(jù)圖像運動檢測電路的判斷，待處理圖像相對于前一場而言是靜止圖像還是運動圖像，運動圖像采用帶數(shù)字濾波器的場內(nèi)行內(nèi)插，靜止圖像采用場間行內(nèi)插。數(shù)字濾波器的作用在于濾除圖像的高頻成分，避免高頻分量在行內(nèi)插后產(chǎn)生失真。這樣可以同時減少兩者做內(nèi)插處理所帶來的清晰度劣化。

2 場內(nèi)插

    對于場頻的變換，例如從PAL到NTSC；不僅要實現(xiàn)525行到625行的變換，還要實現(xiàn)場頻從50Hz到60Hz的變換，如果簡單的采用每6場舍棄1場，針對靜止圖像還可以，但對于運動圖像，必然會造成圖像信息的丟失，會出現(xiàn)運動圖像的不連續(xù)性和跳躍型。因此，如何通過采用各種不同的運動場內(nèi)插方法，盡可能減少內(nèi)插處理后對圖像連續(xù)性的影響，就成為一個相當重要的課題。

相鄰兩場參與內(nèi)插運算的的場內(nèi)插不僅不能完全消除運動圖像的不連續(xù)性，而且還會產(chǎn)生不連續(xù)動作的爬行現(xiàn)象，但這種不連續(xù)動作的幅度顯然比簡單重復某些場數(shù)據(jù)時的運動不連續(xù)性幅度要小。

    為了進一步減小這種不連續(xù)性，可以采用運動估算和運動補償技術(shù)對場內(nèi)插數(shù)據(jù)進行校正，運動估算通過檢測運動圖象在時域的變化幅度來計算圖像的運動，精確的算出圖像中運動單元的運動方向和速度，決定內(nèi)插數(shù)據(jù)和運動補償時的時間─空間方向；在實際中，由于運動檢測得到的移動矢量值有時并不能真正反映相鄰兩場內(nèi)圖像運動變化后的實際矢量數(shù)據(jù)，畢竟它只是一個估值，為了減少這種由于估值所帶來的圖像內(nèi)插失真，可采用運動補償技術(shù)在運動估算的基礎上進一步減少圖像失真。見圖：

    兩種不同格式的電視信號相互轉(zhuǎn)換，首先要進行數(shù)字化，由于格式不同其數(shù)字化時的抽樣頻率也不盡相同，利用兩者抽樣頻率求出最小公倍頻率，作為內(nèi)插的抽樣頻率，可以順利實現(xiàn)兩種不同格式之間的相互轉(zhuǎn)換。例如兩種不同格式的電視信號的抽樣率為：F1=3f? F2=4f， 最小公倍頻率為12f，先以3f抽樣率對F1進行抽樣，然或通過內(nèi)插變換形成總數(shù)為12f的抽樣頻率，再進行3選1的抽選取樣，就可把 F1格式轉(zhuǎn)換為F2格式。這里的抽選是指根據(jù)要求對取樣頻率進行N選一的選取，取樣頻率為f/N,f為最小公倍頻率。按奈奎斯特抽樣定律，為使抽選后的信號不產(chǎn)生混迭失真，必須在抽選之前經(jīng)過一個數(shù)字濾波器，限制視頻信號的最高頻率。抽選與內(nèi)插相結(jié)合可轉(zhuǎn)換不同格式。

三 下面討論幾種具體的格式轉(zhuǎn)換。
1. 去隔行技術(shù)

    去隔行技術(shù)實際上就是把隔行掃描轉(zhuǎn)換成逐行掃描，去隔行時可以先對隔行信號的每一場進行2倍的行內(nèi)插，原奇數(shù)行內(nèi)插偶數(shù)行，原偶數(shù)行內(nèi)插奇數(shù)行。內(nèi)插可采用行復制，行平均或非線性內(nèi)插。簡單的行復制，就是將奇偶場合并實現(xiàn)，即該場需要內(nèi)插行的地方由前一場相同位置的行信號復制而來，對于靜止圖像這種方法效果較好，但對于運動圖像會產(chǎn)生鋸齒邊緣失真。行平均算法，是指在該場需要內(nèi)插行的地方由本場相鄰上下位置的行信號復制而來，運算限制在本場內(nèi)，這種算法雖會減少簡單行復制所引起的鋸齒邊緣失真，卻要付出圖像細節(jié)模糊的代價，往往利用改進的自適應空間場間插入法，減少細節(jié)模糊。
為了使去隔行技術(shù)在靜止與運動圖像時都能達到較好的效果，可以采用場間自適應內(nèi)插方法，在靜止圖像時采用場間復制，在運動圖像時采用場內(nèi)復制，并用運動檢測函數(shù)來控制切換點，對于快速運動物體時，須采用運動估算與運動補償相結(jié)合的方法求出內(nèi)插像素點的運動軌跡，運動軌跡的精度是決定內(nèi)插效果的關鍵因素。

2. 變頻技術(shù)

    在對電視信號的幀頻或場頻進行相互變換時，涉及到變頻技術(shù)。
    我們以常見的50Hz場頻向60Hz場頻轉(zhuǎn)換為例，結(jié)合場內(nèi)插技術(shù)簡單描述變換過程。見下圖

變換前的視頻信號，水平像素，垂直像素都沒有增加，也無法增加，有可能視頻信號帶寬有所增加倍，卻是由于存儲器高速讀出所至，對圖像清晰度不可能有根本改善。不能期望SDTV轉(zhuǎn)換到HDTV，對圖像質(zhì)量有好的改變。

3. 不同行頻之間的轉(zhuǎn)換

    把一種隔行掃描信號轉(zhuǎn)換成另一種行頻不同的隔行掃描信號時,一般先對隔行掃描信號作去隔行處理,將之轉(zhuǎn)換成相對應的逐行掃描信號,然后再運用內(nèi)插技術(shù)完成逐行掃描至逐行掃描的變換, 最后進行隔行處理,變換成所需的隔行掃描格式。

四 具體的格式轉(zhuǎn)換

1 HDTV下行變換至SDTV

    從HDTV轉(zhuǎn)換到SDTV時典型的下變換，下行變換使取樣頻率降低，為防止混迭失真，再轉(zhuǎn)換前必須進行反混迭濾波，但反混迭濾波會使原信號中的高頻分量永久丟失，這些高頻信息在以后的轉(zhuǎn)換中不可能恢復。

2 SDTV上行變換至HDTV

    以576i/50上變換至1080i/50為例。當輸入信號經(jīng)過適當?shù)慕翟胩幚砗�，轉(zhuǎn)換的質(zhì)量就取決于內(nèi)插算法的質(zhì)量和再取樣算法的質(zhì)量。其第一步（也是最復雜的一步）就是將隔行掃描的畫面轉(zhuǎn)換成逐行掃描（576p/50）。然后，對每兩行進行N=14的內(nèi)插，再進行8選1的抽樣，得到每場1080號的圖像，最后下變換隔行處理形成 1080i/50格式。

3 PAL與NTSC之間的轉(zhuǎn)換

4 24幀/秒電影格式與電視格式轉(zhuǎn)換

    因為高清標準中有一款格式為1080p/24,它是專門為電影/高清互換而開發(fā)，由于采用了與電影掃描頻率24幀完全相同的掃描方式，互換后每幀電視畫面與電影的每一幅畫面完全相同，所以無論是從高清轉(zhuǎn)換到電影還是從電影轉(zhuǎn)換到高清，都不會產(chǎn)生由于轉(zhuǎn)換帶來的圖像質(zhì)量損失。還可再通過下拉變換適用于1080i/50格式。

五 顯示畫面寬高比之間轉(zhuǎn)換

    4：3信號在16：9屏幕上顯示，一般有三種方式：（1）垂直充滿，左右兩邊出現(xiàn)黑邊；（2）水平充滿，而垂直方向上圖像上下被裁減；（3）完全填充，在16：9的屏幕上完全看到4：3的圖像，水平方向被拉長。

    16：9信號在4：3屏幕上顯示，有三種常規(guī)的下變換方式：切邊模式（垂直方向充滿，左右兩邊一部分信息被去掉）；信箱模式（水平方向充滿，上下部分會出現(xiàn)黑邊）；壓縮模式（垂直方向充滿，水平方向壓縮后充滿，使物體變高）。

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