数字视频解码的研究与实现

1、Department of Electronic Science and Engineering, Nanjing University1数字视频解码的研数字视频解码的研究与实现究与实现讲演人：肖波讲演人：肖波Department of Electronic Science and Engineering, Nanjing University2整体结构 matlab 处理处理 采集采集 存储与通信存储与通信 CRT显示显示摄像头摄像头FPGAUSBPCADDepartment of Electronic Science and Engineering, Nanjing University3

2、视频信号采集板Department of Electronic Science and Engineering, Nanjing University4FPGA开发板Department of Electronic Science and Engineering, Nanjing University5自由采样 一般的方法：非均匀采样用模拟或者数字实现的锁相环对采样频率进行控制，以行同步或者色同步的相位进行控制（否则会产生像素抖动，同时降低相关性）一种取巧的行同步采样方法：行同步开始后，启动采样，误差控制在0.5个采样周期内，由于没有控制环路，不能去除噪声和行同步不稳定的信号 全数字实现：均匀

3、采样（自由采样）理论基石：采样定理Department of Electronic Science and Engineering, Nanjing University6数字行锁解码简化框图 Department of Electronic Science and Engineering, Nanjing University7数字行锁相 行锁相就是要使采样点的相位与行同步的相位对齐，要找到行同步的真实起始相位，然后以真实起始相位为基准，对视频信号进行插值校正。 通过平滑行周期来滤除双向差分模型所得到的行同步相位的噪声，提高插值滤波器的精度。当输入为稳定的信号源时，应工作在“慢锁”模式；当输

4、入视频信号不稳定时，如VCR信号，工作在“快锁”模式。Department of Electronic Science and Engineering, Nanjing University8数字行锁相环路Department of Electronic Science and Engineering, Nanjing University9 是PI控制器 有源理想积分器(注意数字系统的同步带) 二阶二型环 一阶IIR滤波器一些说明2 212 22 24(2(4)2n sn spdncon sn stctKKtt122n sctc111211111211111( )1111pdncopdnco

5、ccZZ KKZZH zccZZ KKZZDepartment of Electronic Science and Engineering, Nanjing University10数字锁相环的“快锁”过程050100150200250286320032013202320332043205320632073208 一场的行标号 DPLL输出的行周期 Department of Electronic Science and Engineering, Nanjing University11时序提取 常规的方法50%电平切割法 对噪声敏感 要求箝位准确 我的方法使用行场匹配滤波器 类似于模板匹配，

6、可以用滑动平均滤波器实现 可以获得所有时序信息Department of Electronic Science and Engineering, Nanjing University12实现步骤 软件箝位 构造理想行同步信号 将视频信号用截止频率为0.5MHz的低通滤波器进行数字滤波(除噪并扩展) 作卷积或者相关运算 Department of Electronic Science and Engineering, Nanjing University13三行彩条信号经匹配滤波器输出的波形 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000-2

7、0-15-10-5051015第一行起始相位 第二行起始相位 第三行起始相位 幅度 像素标号 Department of Electronic Science and Engineering, Nanjing University14其它时序信息 对于场同步信号的提取，只需将理想同步信号的宽度改为2.5行即可。可设一大阈值，当场匹配滤波器输出值大于该阈值时，即表明一场的开始。为了判断奇偶场，根据PAL制的特点，对距场同步起始位置为3行的上一场信号用行同步匹配滤波器做一次检测，判断其是否存在行同步信号，即可获得奇偶场的信息。Department of Electronic Science and

8、 Engineering, Nanjing University15小数相位的获得 自适应双向差分模型鉴相（性能有点欠佳，更好的方法是合适阶数的插值求导）-6-4-20246-0.02-0.015-0.01-0.00500.0050.010.0150.020.025计算差分的像素标号差分的幅度差分拟合零点，即行同步起始点 峰值点的后向差分值 小数相位 9阶线性回归线 Department of Electronic Science and Engineering, Nanjing University16带信号延时比较器的亮色分离梳状滤波器 （没有实现色锁的替代）Department of E

9、lectronic Science and Engineering, Nanjing University17小数延时滤波器 使用了SINC函数插值进行重采样只需延时，不需要像一般的时基校正系统那样更改采样间隔 更好的方法是使用CIC插值滤波器 显示时需要降采样至合适的输出速率，降采样滤波器可以和此处的插值滤波器合二为一 达到以行同步锁定相位为基准 10/210/2 1sin ()()()*()kkikix nx niiDepartment of Electronic Science and Engineering, Nanjing University18实际解码的图像 Department

10、 of Electronic Science and Engineering, Nanjing University19验证“慢锁”模式Department of Electronic Science and Engineering, Nanjing University20彩色恢复 两种方法 控制论法 锁相环法能够产生严格同频、同相的本地色载波，但其结构部件较复杂，难于实现，当存在较大频差时，需要若干帧的时间才能跟踪上，并且对采样频率有要求，需要采样频率接近色载波频率的整数倍，否则会产生鉴相错误（乘法鉴相器时） 估计论法 恢复出同相的本地色载波，由于常规的电视信号的色载波频率比较稳定，与标称

11、值很接近，故恢复时可以不对频率进行跟踪而直接采用标称值，但对于非标准信号，色载波频率会有较大偏移，开环法解调就会产生一定的色调失真 Department of Electronic Science and Engineering, Nanjing University21简单实用的方法 我的方法对估计论的改进，引入频差估计起始相位估计使用正交分解法（最大似然估计法则）利用隔行估计相位的梯度对色载波的频差进行估计 具有结构简单、适用面广、易于软硬件实现、解调精度相对较高、能够迅速跟踪信号变化等优点 Department of Electronic Science and Engineering,

12、 Nanjing University22色载波恢复与色差解调详细结构框图 Department of Electronic Science and Engineering, Nanjing University23相位估计10( )sin(2 ()s taff t12( )sin(2 () )( )cos(2 () )r tff tr tff t110000000220000000( )( ) ( )1(cos()cos(2)21cos()cos()22( )( ) ( )1(sin()sin(2)21sin()sin()22nTnTnTnTnTnTR ts t r t dtff tfff

13、tdtnTdtR ts t r t dtff tfff tdtnTdt 201( )atan()( )R tR tDepartment of Electronic Science and Engineering, Nanjing University24相位估计2 几个乘累加器即可实现 恢复出来的相位有三个作用：叠加上偏移相位（NTSC行225o，PAL行135o）后送入数控振荡器（NCO）中调整振荡相位；送入频差估计器进行频差估计；恢复PAL制逐行倒相开关信号Department of Electronic Science and Engineering, Nanjing Universit

14、y25频差估计1 对于非标准电视信号，色载波的频率相对标称值会发生频移，其范围一般在500Hz以内。当存在频移时，可以认为在几行之内频移值是不变的，此时两行的估计相位将存在线性差异，可以利用这个差异对频差值进行估计。根据PAL制原理，隔行信号的相位是连续的，故可利用隔行的两个估计相位进行频差估计，Department of Electronic Science and Engineering, Nanjing University26频差估计2222 ()*(6400/)2 ()*(6400/)nnsnnnsffffff22()*/(2 *6400)nnsnfff 221()*/(2 *6400)nnsnnfff Department of Electronic Science and Engineering, Nanjing University27色差解调 在恢复出色载波后，就可以对色度信号进行解调，滤除高频分量的低通滤波器的截止频率可取为0.6MHz或1.3MHz。在得到YUV三分量后，送入矩阵变换器中，就可以得到RGB三色信号。由电视原理可知，在进行色差解调时，只要本地色载波相位误差在5o以内，人眼就无法分辨出色调失真，由以上的数值仿真可知，通过相位估计和频差估计，可以将标准电视信号和非标准电视信