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視頻格式之間的相互轉換
視頻格式之間的相互轉換
從20世紀初發明的黑白電視到50時年代出現的彩色電視，以及從模擬時代跨入到數字時代，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網的飛速發展，廣播電視在不同時期不同領域出現了多種格式。這其中有早期彩色電視領域的PAL制,NTSC制，SCREAM制；近期數字電視領域內的DVB歐洲、ATSC美國、 日本的ISDB；以及根據數字電視圖像清晰度不同而出現的SDTV和HDTV，這些格式多樣化的存在為電視臺的系統搭建提出了一個新課題，那就是如何結決電視信號格式間的轉換。
盡管電視信號有多種格式，各種格式有不盡相同，但歸結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起來十分困難，但數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換，若先進行數字化，在數字域進行將會方便很多。
一 信號的數字化
對于模擬分量電視信號，應按ITU-R BT.601 標準進行數字化，取樣結構為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2.25MHz的6倍即13.5MHz。接口標準為 SMPTE259M串行數字接口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構圖考慮，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，數字化后變換成HDSDI信號，傳輸率為1.5GMHz(SMPTE292M)。
電視信號經過數字化，從時域的電視圖像變換成一個三維的時空取樣點結構。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換，寬高比的轉換等，均可看成三維取樣結構的轉換。這些取樣結構的轉換主要借助于數字信號的內插來實現。下面先簡單介紹數字內插算法。
二 制式轉換的基本原理
在保持原視頻基帶信號頻譜時,為提高數字信號的取樣頻率,可對原數字信號進行內插。針對不同的目的，信號內插可分為行內插與場內插，行內插主要針對于不同行頻格式之間的變化，場內插主要針對于不同場頻格式之間變化。
1 行內插
所謂行內插是指在原數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，也可以用多項式內插方法得到。由于內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，出現鋸齒失真，如果采用非運動內插的簡單重復或簡單刪減某些行數據的方法，這種數據將會很明顯。如下圖：
通常所說的行內插都是指運動行內插，即行內插的數據不是靠簡單重復某些
行內插可分為場內行內插和場間行內插。用同一場的相鄰行通過內插系數的運算得到內插行圖像數據的方法就是場內行內插。參與一次內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)。場內行內插利用了同場相鄰行的相關性，對于運動圖像的內插效果要比靜止圖像的內插效果要好。
如果將前一場的圖像數據存儲起來，留待下一場作行內插時用場間相鄰兩行依據內插系數得到內插行的圖像數據，這就是場間行內插。它認為場間相鄰兩行數據的相關性大于同一場內相鄰兩行的相關性。這種行內插方式使得行內插數據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插效果要比運動圖像的內插效果要好。
為了判別出何種情況用場內行內插或場間行內插，只須對圖像進行運動檢測，根據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行內插或場間行內插，這就是自適應場內和場間的行內插方法。根據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，運動圖像采用帶數字濾波器的場內行內插，靜止圖像采用場間行內插。數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插后產生失真。這樣可以同時減少兩者做內插處理所帶來的清晰度劣化。
2 場內插
對于場頻的變換，例如從PAL到NTSC；不僅要實現525行到625行的變換，還要實現場頻從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，會出現運動圖像的不連續性和跳躍型。因此，如何通過采用各種不同的運動場內插方法，盡可能減少內插處理后對圖像連續性的影響，就成為一個相當重要的課題。
相鄰兩場參與內插運算的的場內插不僅不能完全消除運動圖像的不連續性，而且還會產生不連續動作的爬行現象，但這種不連續動作的幅度顯然比簡單重復某些場數據時的運動不連續性幅度要小。
為了進一步減小這種不連續性，可以采用運動估算和運動補償技術對場內插數據進行校正，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，決定內插數據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圖像運動變化后的實際矢量數據，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插失真，可采用運動補償技術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換，首先要進行數字化，由于格式不同其數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，作為內插的抽樣頻率，可以順利實現兩種不同格式之間的相互轉換。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，然或通過內插變換形成總數為12f的抽樣頻率，再進行3選1的抽選取樣，就可把 F1格式轉換為F2格式。這里的抽選是指根據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生混迭失真，必須在抽選之前經過一個數字濾波器，限制視頻信號的最高頻率。抽選與內插相結合可轉換不同格式。
三 下面討論幾種具體的格式轉換。
1. 去隔行技術
去隔行技術實際上就是把隔行掃描轉換成逐行掃描，去隔行時可以先對隔行信號的每一場進行2倍的行內插，原奇數行內插偶數行，原偶數行內插奇數行。內插可采用行復制，行平均或非線性內插。簡單的行復制，就是將奇偶場合并實現，即該場需要內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生鋸齒邊緣失真。行平均算法，是指在該場需要內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，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，減少細節模糊。
為了使去隔行技術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復制，并用運動檢測函數來控制切換點，對于快速運動物體時，須采用運動估算與運動補償相結合的方法求出內插像素點的運動軌跡，運動軌跡的精度是決定內插效果的關鍵因素。
2. 變頻技術
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。
我們以常見的50Hz場頻向60Hz場頻轉換為例，結合場內插技術簡單描述變換過程。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轉換到HDTV，對圖像質量有好的改變。
3. 不同行頻之間的轉換
把一種隔行掃描信號轉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,將之轉換成相對應的逐行掃描信號,然后再運用內插技術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 具體的格式轉換
1 HDTV下行變換至SDTV
從HDTV轉換到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。當輸入信號經過適當的降噪處理后，轉換的質量就取決于內插算法的質量和再取樣算法的質量。其第一步（也是最復雜的一步）就是將隔行掃描的畫面轉換成逐行掃描（576p/50）。然后，對每兩行進行N=14的內插，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之間的轉換
4 24幀/秒電影格式與電視格式轉換
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，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換到電影還是從電影轉換到高清，都不會產生由于轉換帶來的圖像質量損失。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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