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数字滤波器


数字梳状滤波器
梳状滤波对于画面质量是非常重要的一个技术,因此我们有必要对其进行详细刨析. 那么具体什么是梳状滤波器呢?这就要从源头(信号源)开始讲起了,一开始,接收视频的 Video 端子是 Composite 端子(比如 RF 射频接口和 AV 接口),它所能接收的信号叫 Composite Video Signal,即混合视频信号(也称复合信号),什么意思呢?因为

这个 Composite(混合)信号包括了亮度(Luminance,用字母 Y 表示)和色度/彩度 (Chrominace)两方面的信号,视频电路要做的工作就是 Y/C 进行分离处理,目前的梳 状滤波器是在保证图像细节的情况下解决视频信号亮色互窜的唯一方法, 其内部有许多按一 定频率间隔相同排列的通带和阻带, 只让某些特定频率范围的信号通过, 因为其特性曲线象 梳子一样,故人们称之为梳状滤波器(Comb Filtering). 梳状滤波器一般由延时,加法器,减法器,带通滤波器组成.对于静止图像,梳状滤波在帧 间进行,即三维梳状滤波.对活动图像,梳状滤波在帧内进行,即二维梳状滤波.高档数字 电视机采用行延迟的梳状滤波器与带通滤波器级联,构成 Y/C 分离方案就可获得满意的图 像质量.使用梳状滤波器能使图像质量明显提高.解决了色串亮及亮串色造成的干扰光点, 干扰花纹;消除了色度正交分量 U,V 色差信号混迭造成的彩色边缘蠕动;消除了亮,色镶 边,消除了高频信号的色彩错误和灰度值表示错误.有一段时期国内很多工厂(为了节省成 本)使用模拟的方式实现梳状滤波器,实际上效果很不好,原因有两个,一是延迟器件的带 宽很难保证,二是解决行相关性差问题的自适应电路很复杂.而在数字电路里,只要有足够 的存储器, 就可以保证足够的延迟时间与信号带宽, 且复杂的自适应电路很容易集成在芯片 中硬件固化. 梳状滤波器原理及发展历史: 梳状滤波器采用频谱间置技术, 理论上可以保证亮度和色度的无失真分离. 如果我们好好回 顾一下梳状滤波器的发展历程,将对其有个清醒的认识. 第一阶段:采用频率分离法将 Y/C 信号分开.这种方法是利用色度信号以副载波方式传输 这一特点 (PAL 制副载波为 4.43MHz, NTSC 制副载波为 3.58MHz) 用选频电路将 Y/C , 信号分开. 内部由 LC 带通滤波器和陷波器组成,将视频信号通过一个中心频率(fsc)为色度信号窄 带(比如 PAL 制式 4.43MHz 频率副载波)带通滤波器,取出色度信号.再将亮度信号经 过一个中心频率为色度信号副载波 4.43MHZ 的色度陷波器, 吸收色度信号, 从而得到亮度 信号.这种方法简单易行,采用元器件少且成本低,所以在早期彩电中应用得比较广泛.

但是,频率分离方法存在着一些严重的问题:在亮度通道中,色度陷波器在吸收色度信号的 同时也将该频率范围内亮度信号的部分频率分量抑制掉了,这叫亮度信号的高频分量丢失, 从而影响了亮度信号的清晰度——大家想想看, 一段音乐哪怕再动听高音丢了那还能听吗? 同时, 残余的色度信号也可能进入亮度通道而引起串色干扰, 通常在屏幕出现彩色测试卡是 最后两条频带染色现象.

在色度通道中,L.C 色度带通滤波器品质不高,取出色度信号,抑制亮度信号的同时,也把 该频率范围内的亮度信号选出来了,高频亮度信号经色度解调器被解调出来(属于多余信 号),使得一些细格子或条状区域出现闪烁的彩色干扰.可见利用传统的频率分离方法根本 不能将 Y,C 信号作出彻底分离,必然存在着:亮串色,色串亮"的干扰,使图像质量难以 令人满意.事实上这种方法在彩电中的应用,会出现图所示的影响.

左图为普通电视画面,右边为内置梳状滤波电路电视画面 第二阶段: 采用梳状滤波器和频谱分离法进行亮色分离. 它是根据视频信号频谱交叉的原理 及梳状滤波器的梳齿滤波频率传输特性,以频谱分离的方式分离出亮度和色度信号,这种新 的分离方法使 Y/C 信号分离比较干净彻底,从而大幅提高图像清晰度.通常梳状滤波器是 由两行延迟线,加法器,减法器等部分组成. 事实上在大屏幕彩电中, 又分为 NTSC 制 Y/C 分离和 PAL 制 Y/C 分离. 例如对于 NTSC -M 制式,我们假设相邻两行的视频信号保持相关性以及延迟线无损耗,Y 信号频谱与 C 信号频谱以 fH/2 间隔交替出现(fH 表示行频),副载波频率 fsc 为 227.5fH,如果设计 一个梳状滤波器电路,使 V 信号延时一行,再分别与未延时的信号进行加减.延时前后 Y 信号相位不变,而 C 信号相位相反.延时信号与直通信号在加法器中相加后得到 Y 信号, 即(Y+C)+(Y-C)=2Y,在减法器中相减则得到 C 信号,即(Y+C)-(Y-C)= 2C.从梳状滤波器幅频特性曲线分析,Y 频谱落在加法器特性曲线峰点及减法器特性曲线 谷点,所以比较彻底地使亮度信号与色度信号相互分离开来.

PAL 梳状滤波器 Y/C 分离, 常称之为二行分离法 (也叫二元分离法) 它使用一个 NTSC . 制信号或两个 PAL 制信号行存储器与带通滤波器结合使用,组成垂直,水平二元带通滤波 器,基本结构原理如上图所示,只是将 1H 延时线改为 2H 延时线. (这是因为 NTSC 制亮 度信号,色度信号采用 fH/2 间置,而 PAL 制则采用 fH/4 间置(即副载频 fsc=283.75fH +25Hz≈283.75fH),因此 PAL 梳状滤波器 Y/C 分离电路要用 2H 延时线.)由亮度信

号 Y 和色度信号 C 组成的复合全电视信号,一方面直接加到加法器与减法器的输入端,称 为直通信号,同时经两行延迟时间(2TH)使色度信号反相后得到的延迟信号(Y-C)也 加到加法器和减法器的另一输入端.在加法器中直通信号(Y+C)与延时信号(Y-C)相 加得到亮度信号 2Y;在减法器中直通信号(Y+C)与延时信号(Y-C)相减即得到色度 信号 C,达到亮色分离的目的. 梳状滤波器 Y/C 分离法的特点可归纳为:由于加法器输出特性可选出亮度信号的高频 分量,不会造成高频分量的丢失,并可将视频带宽全部加以利用,从而使图像清晰度大大提 高,同时在亮度通道中将色度信号抑制得比较彻底,不致于产生残留色度信号干扰.而减法 器输出中较好地抑制掉亮度信号, 以最大传输系数选出色度信号 C, 并用带通滤波器对残留 亮度信号作进一步衰减,解决了亮度信号对色度通道的串扰问题,从而提高了图像质量.

左右图分别是标准电视信号测试有无梳状滤波的拍摄画面, 看看亮色互窜画面是多么 "缤纷 多彩". 上述分析结果是基于信号相关性的假设,可将色度信号与亮度信号较彻底分离而获得较为理 想的图象质量.但实际的视频信号并不是这样理想的,即会出现非相关情况,如垂直方向有 色度跳变,那么在此处直通信号与延迟信号中的 Y,C 分量不再相同,加法器与减法器便不 能将 C 或 Y 分量完全对消,造成 Y 与 C 分离不彻底.

如果不愿意看长篇大论的朋友直接看下面的表格: 表四:N 制/PAL 制梳状滤波器的异同
NTSC 制式梳状滤波器 延时 直通信号 延时后反相信号 进入加法器 进入减法器 优点 1H Y+C Y-C(注明:亮度信号 Y 不变,仅色度信号 C 反相) (Y+C)+(Y-C)=2Y,解析出亮度信号 (Y+C)-(Y-C)=2C,解析出色度信号 能够解决部分亮,色干扰问题,提高图像质量 要求前后两行信号要比较相似,即要求行相关性好.例如蓝色的天空, 黑沉的夜晚等静止画面图像信号, 其亮度信号和色度信号可在这种 Y/C 缺点 分离电路中彻底分离开来; 但如果出现垂直方向有色度信号突变的不相 关情况(即前一行信号与后一行信号不同,尤其是动态画面) ,它会将 其当成相交信号来处理,于是在加法器中不能完全抵消色度信号,造成 Y/C 分离不彻底,仍出现色点干扰. PAL 制式梳状滤波器 2H

我们看到,PAL 制梳状滤波器比 N 制梳状滤波器要略微复杂一些,不过不管怎么说,既然 还有不足之处,那仍然需要做改进,所以梳状滤波器技术继续发展. 第三阶段:(模拟式)动态梳状滤波器 模拟动态梳状滤波器结构如图所示.它由两个延时线(PAL 为 2H 延时线,NTSC 为 1H 延 时线),三个带通滤波器,垂直相关性检测电路,加法器,减法器等组成.就 PAL 制彩色 信号而言,要对在动态梳状滤波器中直通信号(Y+C),延迟两行时间信号(Y-C),延 迟四行时间信号(Y+C)这三行信号进行垂直方向上的图像相关性检测,产生一个所需的 彩色信号.

所谓相关性检测, 实际上是检测场与场之间相关性的强弱, 一般采用的是场差法或低通场差 法,即对两场中各对应像素逐点相减并求和,以该值大小作为图像动态情况的描述.模拟动 态梳状滤波器克服了普通梳状滤波器的缺点,改善了活动图像信号 Y/C 分离效果,从而进 一步提高了图像质量.
区别 相关性检测 水平方向梳状滤波 垂直方向梳状滤波 动态画面 Y/C 分离 成本 普通梳状滤波器 无 有 无 无 一般 动态梳状滤波器 有 有,效果更好 有 有 设计复杂,成本较高

这是 90 年底初的技术,当时的大屏幕进口彩电,如 29 寸的东芝,松下中均采用了此种梳 状滤波器. 第四阶段:动态数字式梳状滤波器. 上述的模拟动态梳状滤波器 Y/C 分离电路, 虽然能有效解决活动图像信号的 Y/C 分离问题, 但对单制式信号 Y/C 分离要用 6 个调节点,若要适应 PAL,NTSC 制 Y/C 信号分离,则需 12 个调节点,这样就存在调整繁杂的问题,如此多的调节点在生产中难以保证质量,况且 批量生产会成为难题.于是,人们研制出更为先进的,精密的数字式动态梳状滤波器. 数字式动态梳状滤波器 Y/C 分离电路如下图所示. 它主要由五块 IC 封装一起组成厚膜电路, 即由 A/D 变换器 CXD1176Q, 延迟线 CXK1202×2, 数字式动态梳状滤波器 CXD2011Q 及 D/A 变换器 CXD1177Q 组成,与时钟信号发生器配合完成 Y/C 分离.

新型三行数字化梳状滤波器结构图 它是利用三行彩色信号来完成垂直方向的相关检测, 仅提取所需要的彩色信号, 从而克服了 模拟梳状滤波器的缺点,使图象的水平清晰度从 350 线一举提高到 450 线以上!

首先,全电视信号进来后,由模数转换器(ADC)转换成 8bit 的数字式信号,我们看上图 中下半部分是典型的锁相环路,用于产生四倍于色副载波振荡取样频率,作为数字 Y/C 分 离电路的时钟(这部分是一典型的时钟信号发生器),对 PAL 制为 17.73MHZ,对 NTSC 制为 14.32MHZ.数字化后的视频信号送入动态梳状滤波器,在动态梳状滤波器中进行数 字式动态梳状滤波 Y/C 分离,原理与前述大同小异,只是前,中,后三行视频信号经过色 带通滤波处理后再进入逻辑运算电路. 此电路中, 每相邻的两行信号相减后都可取出色度信 号 C,而将此 C 信号再与中间一行视频信号(Y+C)相加,则抵消了 C 信号而分离出 Y 信 号.8bit 数字亮度信号 Y 和数字色度信号 C 分别送入数模变换器(DAC),经其转换后输 出模拟 Y 信号和 C 信号,分离效果极彻底且无需作任何调整,所以是效果较好,广泛应用 的 Y/C 分离电路. 笔者手头有一份长虹经典 2919PK 的电路图,里面对梳状电路的原理讲解(信号流程)非 常透彻,将来有机会再与各位同好共同探讨. 值得注意的是, 在逻辑运算器中, 仍然有一个垂直相关电路, 用来比较判别三行信号的差别, 当三行信号差别较大时,说明图像内容在垂直方向发生了变化,电路即进行运算,其运算过 程是:先前两行信号进行运算取最小值,再对后两行信号进行运算并取最小值,然后把两个 最小值进行比较取出大者; 用同样方法取出此三行信号中相邻两行信号中的最大值, 然后把 两个最大值再作比较并取小者.最后把上述最小值中的大者和最大值中的小者平均后输出, 此平均值应能代表相邻三行信号中的变化趋势, 使输出接近于未来的状态. 这就是数字式动 态梳状滤波器的工作特点, 多次比较和平均的结果, 使数据非常精确, 从而保证了分离效果, 所以认为它是一种先进的 Y/C 信号分离电路.说到这儿,我们不仅想起显卡的 AA 全屏抗 锯齿技术, 不和梳状滤波有异曲同工之妙?技术的发展是能智能判断以求最少的代价得到最 准确的结果.
小知识:为什么很多电视机宣传单里号称有梳状滤波器(N 制) ,而没有 PAL 制? 很简单:因为单一制梳状滤波器成本低啊,PAL 制梳状滤波虽然不复杂,但是却不能与 N 制滤波电路共 用, 因此势必增加成本. 我们收看的电视节目一般是 PAL 制, 所以没有 PAL 制的电视机就像 MX440SE 用 64bitDDR 显存一样,属于低成本的产品,不推荐购买.还有我不理解的是为什么有的厂家吝惜得连 这种对画质起至关重要作用的电路都要省掉,要知道一个普通的梳状滤波器仅仅价值 3.5 美元啊!

存储三个层面,比较并进行分割,东芝飞视采用的技术 目前专用的梳状滤波器已经越来越少了, 因为独立数字梳状滤波器成本不菲, 而且只能匹配 模拟的彩色解码电路,我们知道一个好的电路,从头到脚不能存在瓶颈,否则效果会大打折 扣——这就是单独做万金油般全能梳状滤波器不划算的地方, 所以最新的数字电路解决方案 是将数字化彩色解码芯片和数字梳状滤波器集成, 至于做成单芯片还是多芯片具体要看厂商 的设计功力了.常见的梳状滤波器有 2D 和 3D 之分,2D 之中又有两行,三行,五行之分, 它们具备不同的自适应效果,成本和价格差距很大. 最后我们总结成如下几点,以方便大家观看: 1,目前最先进的梳状滤波器是 3D 数字式梳状滤波器,它能够从空间(2D),时间(第三 维方向)将每组画面的亮度及色度信号精确地分离,有效消除影响信号中的杂波,斑点,色 彩重叠现象,使画面更加清晰. 2,较好的梳状滤波器必须是双制式梳状滤波器——尤其是对国内消费者来说; 3,数字梳状滤波器有不同的自适应算法,因此各家效果也不同.但视频存贮能力(相当于 显卡的显示缓存)越大,视频处理芯片越精密,算法越复杂其 Y/C 分离效果越好.
五行动态数字梳 状滤波器 (P 制) 梳状滤波器等 级 普通两行梳状滤 动态模拟梳状滤 三行动态数字梳 波器 波器 状滤波器 (N 制) N 制智能梳状数 字滤波器 3D 数字梳状滤 波器

清晰度

350 线

400 线

450 线

480 线

500~520 线

直观看图辨优劣:

好,理论归理论,实际归实际,那么梳状滤波器对哪些画面更敏感呢?我们来看看下面的电 视信号测试图:

竖直线条疏密相间, 还有各种同心圆最能看出画面清晰度和亮色串扰问题, 不过这种电视标 准信号发生碟片可真不好弄.笔者手头只有一张低清晰度版本的,只能说明部分问题.

左右分别为无 Y/C 分离和 3D 梳状滤波画面,是不是大不一样?

DPTV-DX 的实际效果图,梳状滤波还是很干净的.

这张图是 Trident 官方提供的资料,梳状滤波效果很明显. 其实呢大商场里比比皆是的实际演示碟很容易说明问题, 关键是很多人不了解应该在哪些场 景下进行判断:

我们注意上图色块交界处合,垂直线条处的细节是最容易出现问题的地方.

大面积色块交界处,所有有细小竖直或者横向条纹的画面细节,画面上的文本处,都是梳状 滤波器大显身手的地方. 梳状滤波器将亮色分离得更彻底, 使画面更清晰, 纯净和细腻完美.

看这种纵横交错的高楼大厦最能看出电视画面的好坏, 比较差的 (比如普通隔行无三行梳状 滤波)电视机在这种地方原形毕露,模糊且闪烁得厉害.

再举一个例子当更能说明问题, 看小包中间的竖直条纹是否清晰, 好的梳状滤波器能有效去 除亮度,色度串扰及色彩斑点.还有一个地方很说明问题,就是有大片郁郁葱葱的绿色植物 时的电视画面……我不会骗你的,在这个地方是考验电视机真功夫的地方. 上面是举例说明梳状滤波器对哪些画面有影响,下面是相同画面的对比. 例一:

通过篮子的篾条可以很明显地看出,普通梳状滤波器的水平清晰度不错,但是在 垂直方向上不是很好.

数字梳状滤波器更好的进行亮色分离,所以图像的垂直清晰度得到了提高. 而 3D 数字梳状滤波器更将斜线方向的信号干净地分离, 这一点在篮子的提手上 表现得很明显. 例二:

有没有梳状滤波器效果大不相同, 所以说梳状滤波器不是可有可无的问题, 而是没有梳状滤 波器就一定是垃圾产品的问题. 各种梳状滤波器的区别:
采用技术 观察效果 有限的亮度信号和色度信号分辨率,当观察高频率部份(如 简单模拟梳状滤波器 多波群信号,AVS frame 50816)时可以看到彩色串扰.即 亮色分离不干净,高频成分(画面的细节)模糊. 模拟梳状滤波器(Glass 或 CCD) 上述问题得到改善,但是在竖直彩色块的水平分界线和垂直 分界线上出现不应该有的点. (测试信号:SMPTE color

bars,AVS Frame 50815) 上述在水平分界线上不应该出现的点被消除.垂直分界线上 数字 2D 自适应梳状滤波器 的点仍然存在,在斜线上仍然可以看到串色(测试信号:AVS Frame 50828) . 数字 2D 自适应梳状滤波器 三菱改善型 数字 3D 运动自适应梳状滤波器 上述在垂直分界线上不应该出现的点被消除. (测试信号: AVS Frame 50815) 基本上没有亮度串扰和色度串扰.

实际电视画面比较:

无梳状滤波器,亮色窜扰,高频信号丢失

有梳状滤波器,画面整洁干净,决无上述弊端

无梳状滤波器,白色字符上出现不应有的串色,字符边缘粗糙.

有梳状滤波器,白色字符上白色干净,字符边缘清晰. 想来大家看了这么多对比画面当能对梳状滤波 (最简单的理解是它能像一把梳子一样把画面 不良信号梳干净)有了清晰的概念

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