隔行掃描電視新的三場(chǎng)信息綜合去隔行算法

摘要：在分析傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)自適應(yīng)去隔行算法缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出三場(chǎng)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)自適應(yīng)去隔算法。該算法對(duì)緩存的三幀圖像做幀間差值計(jì)算、場(chǎng)間插值計(jì)算和BPP值計(jì)算，將三類計(jì)算值做數(shù)學(xué)處理后和運(yùn)動(dòng)閾值比較，判斷出運(yùn)動(dòng)區(qū)域，提升檢出大運(yùn)動(dòng)區(qū)域能力，最大限度地消除背景噪聲影響，同時(shí)簡(jiǎn)化了計(jì)算量，大大降低了硬件成本。

引言

　　隨著信息高速公路以及互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，廣播電視在全球范圍內(nèi)普及開來。不同時(shí)期、不同領(lǐng)域出現(xiàn)的電視信息有多種格式，如早期彩色電視的PAL、NTSC和SCREAM制式;近期數(shù)字電視的DVB(歐洲)、ATSC(美國(guó))和ISDB(日本);以及數(shù)字電視的SDTV(標(biāo)清電視)和HDTV(高清電視)等。格式多樣化的存在不可避免地提出了解決電視信號(hào)格式間轉(zhuǎn)換的新課題^[1-2]。

　　盡管電視信號(hào)格式種類多，但就其源頭來說不同之處不外乎三方面：掃描的隔行與逐行的不同、幀頻與場(chǎng)頻的不同以及圖像顯示的高寬比不同^[3]。老式模擬電視采用隔行掃描系統(tǒng)，新式數(shù)字電視都要求逐行掃描，以提高圖像的質(zhì)量，獲得更好的觀看效果。于是就產(chǎn)生了將老式隔行信號(hào)去隔行的算法，并在去隔行的同時(shí)，盡可能地彌補(bǔ)圖像動(dòng)態(tài)區(qū)域的扭曲，以得到好一些的視覺效果。本文所述是一種改進(jìn)的去隔行新算法。

1 運(yùn)動(dòng)自適應(yīng)去隔行算法

　　目前業(yè)界公認(rèn)的較好的去隔行算法是運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償或自適應(yīng)算法。去隔行算法的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是要找出能夠正確區(qū)分圖像運(yùn)動(dòng)部分和靜止部分的檢測(cè)方法，不正確的檢測(cè)方法會(huì)對(duì)圖像質(zhì)量造成負(fù)面影響。

　　去隔行的檢測(cè)方法有很多，各有優(yōu)缺點(diǎn)。場(chǎng)間插值檢測(cè)法是基于像素點(diǎn)的檢測(cè)法，它能夠檢測(cè)出快速運(yùn)動(dòng)區(qū)域，不會(huì)將其誤判為靜止區(qū)域，但容易把靜止區(qū)的垂直邊緣誤判為運(yùn)動(dòng)區(qū)域;幀間差值是另一種基本的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)算法，它可以正確地判斷出圖像當(dāng)中的靜止區(qū)域，但對(duì)快速運(yùn)動(dòng)區(qū)域的檢測(cè)能力卻有所不足;四場(chǎng)水平運(yùn)動(dòng)檢測(cè)算法是通過緩存4幀圖像，綜合比較其運(yùn)動(dòng)差異的一種運(yùn)動(dòng)檢測(cè)算法，其圖像運(yùn)動(dòng)部分的邊沿部分檢測(cè)效果很好，但對(duì)大片運(yùn)動(dòng)區(qū)域檢測(cè)時(shí)容易出現(xiàn)錯(cuò)誤，造成大片的運(yùn)動(dòng)丟失，同時(shí)其算法較為復(fù)雜，占用資源多;BPP(Brightness Profile Pattern Difference)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)算法是用相鄰幀對(duì)應(yīng)像素亮度差值和BPP插值進(jìn)行運(yùn)動(dòng)檢測(cè)的算法。它其實(shí)也是緩存了四場(chǎng)圖像，同時(shí)采用中值濾波算法進(jìn)行像素級(jí)濾波，效果較好，但是對(duì)運(yùn)動(dòng)區(qū)域邊緣檢測(cè)效果不好，容易出現(xiàn)噪點(diǎn)，并且算法復(fù)雜，資源占用多。

　　針對(duì)上述運(yùn)動(dòng)自適應(yīng)去隔行的缺點(diǎn)，本文提出了一種基于三場(chǎng)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)方法。該方法對(duì)場(chǎng)間插值和幀間差值均做了比較，既可以檢測(cè)出比較快的運(yùn)動(dòng)，避免把運(yùn)動(dòng)區(qū)域誤判為靜止區(qū)域，同時(shí)也能夠正確地判斷出圖像當(dāng)中的靜止區(qū)域，很好地避免了單獨(dú)使用幀間差值法或者場(chǎng)間插值法帶來的缺陷。在該檢測(cè)方法中，還引入了BPP運(yùn)動(dòng)檢測(cè)法，大大增加了大面積運(yùn)動(dòng)檢測(cè)能力。同時(shí)針對(duì)處理后的結(jié)果，選擇性地進(jìn)行二值形態(tài)學(xué)處理，對(duì)消除背景噪聲起到了很大作用。

2 三場(chǎng)檢測(cè)去隔行算法

　　本文提出的基于三場(chǎng)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)的去隔行算法，首先是通過三場(chǎng)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)法把運(yùn)動(dòng)區(qū)域判斷出來;然后根據(jù)三場(chǎng)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)結(jié)果，選擇場(chǎng)內(nèi)插值或者場(chǎng)間插值的方法，輸出插入場(chǎng)。場(chǎng)交織模塊把當(dāng)前場(chǎng)和插入場(chǎng)進(jìn)行交織，最終輸出去隔行視頻數(shù)據(jù)。

　　去隔行算法的具體架構(gòu)見圖1。隔行模擬信號(hào)CVBS或S-video輸出到解碼芯片后，經(jīng)過解碼輸出BT.656格式的隔行數(shù)字信號(hào)。解碼芯片外接SDRAM是為了能夠?qū)?a class="contentlabel" href="http://www.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/視頻">視頻信號(hào)進(jìn)行3D降噪和5線梳狀濾波，提高輸出的數(shù)字視頻質(zhì)量。外圍電路包括電源模塊和FPGA并行加載模塊等，為去隔行系統(tǒng)的運(yùn)行提供必要的支持。隔行數(shù)字信號(hào)進(jìn)入FPGA內(nèi)部后，分成四路，分別進(jìn)入幀緩存模塊、場(chǎng)內(nèi)插值模塊、場(chǎng)間插值模塊和場(chǎng)交織模塊。幀緩存模塊內(nèi)部集成了DDR2控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)DDR2的讀寫控制，同時(shí)緩存前場(chǎng)和后場(chǎng)，輸出給三場(chǎng)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)模塊。三場(chǎng)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)模塊對(duì)三場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，輸出檢測(cè)結(jié)果。場(chǎng)內(nèi)插值模塊對(duì)場(chǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，場(chǎng)間插值模塊運(yùn)行場(chǎng)間插值算法。運(yùn)動(dòng)判決模塊根據(jù)三場(chǎng)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)結(jié)果，選擇場(chǎng)內(nèi)插值或者場(chǎng)間插值，輸出插入場(chǎng)。場(chǎng)交織模塊把當(dāng)前場(chǎng)和插入場(chǎng)進(jìn)行交織，最終輸出去隔行視頻數(shù)據(jù)。

　　由圖1知，這種運(yùn)動(dòng)自適應(yīng)去隔行算法中關(guān)鍵點(diǎn)是基于三場(chǎng)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)方法。該運(yùn)動(dòng)檢測(cè)是否正確，關(guān)系到逐行數(shù)據(jù)輸出的質(zhì)量。為了能正確地檢測(cè)圖像是否運(yùn)動(dòng)，我們首先緩存三場(chǎng)的圖像數(shù)據(jù)，如圖2所示，分別是fn場(chǎng)、fn的前場(chǎng)fn-1和后場(chǎng)fn+1。像素點(diǎn)X為待插值。

　　基于像素點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)，通常用場(chǎng)間插值或幀間差值作為運(yùn)動(dòng)檢測(cè)的輸入。場(chǎng)間插值可以檢測(cè)比較快速的運(yùn)動(dòng)，避免把運(yùn)動(dòng)區(qū)域誤判為靜止運(yùn)動(dòng)。我們先計(jì)算場(chǎng)間插值。

　　△f₁=|k_n-1-(i_n+j_n)/2| (1)

　　△f²=|k_n+1-(i_n+j_n)/2| (2)

　　△f₁為當(dāng)前場(chǎng)和前場(chǎng)的場(chǎng)間插值，△f2為當(dāng)前場(chǎng)和后場(chǎng)的場(chǎng)間插值。這兩個(gè)插值均可以作為運(yùn)動(dòng)檢測(cè)的輸入值。場(chǎng)間插值容易把靜止區(qū)域的邊緣判斷為運(yùn)動(dòng)區(qū)域，而采用幀間差值可以準(zhǔn)確地判斷圖像中的靜止區(qū)域。因此，我們計(jì)算這三幀圖像的幀間差值△f₃。

　　△f₃=|k_n+1-k_n-1| (3)

　　考慮到大面積運(yùn)動(dòng)的檢測(cè)方面，用BPP(Brightness Profile Pattern Difference)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)方法更能精確地檢測(cè)。BPP運(yùn)動(dòng)檢測(cè)方法^[4]是運(yùn)用相鄰幀對(duì)應(yīng)像素亮度和BPP插值進(jìn)行運(yùn)動(dòng)檢測(cè)。定義△B為對(duì)應(yīng)像素亮度差值，定義△P為對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)的BPP插值。定義BPP值P為：

　　P_iln=i_n-i_ln (4)

　　P_irn=i_n-i_rn (5)

　　則可以根據(jù)圖1計(jì)算出相鄰幀對(duì)應(yīng)像素亮度和BPP插值。

　　△B=|k_n+1-k_n-1| (6)

　　△P=|P_kln-1-P_kln+1|+|P_krn-1-P_krn+1| (7)

　　從(3)式和(6)式可以看出，△f₃=△B，取其一即可。同時(shí)，因?yàn)椤鱌為BPP插值，與△B屬于不同類型，因此需要對(duì)兩種不同類型的插值取加權(quán)平均數(shù)，α和β分別為其加權(quán)系數(shù)(α和β可由經(jīng)驗(yàn)值給出)。用來判斷像素點(diǎn)運(yùn)動(dòng)信息的插值定義為M_x，Max()函數(shù)為取最大值函數(shù)。

　　M_x=Max(α△f₁，α△f₂，α△B，β△P) (8)

　　求出M_x后，引入視頻圖像運(yùn)動(dòng)信息估值M_ij(P_x)，該函數(shù)是一個(gè)二值函數(shù)，對(duì)視頻圖像運(yùn)動(dòng)部分標(biāo)記為1，對(duì)視頻圖像靜止部分標(biāo)記為0，M_ij(P_x)由式9決定：

(9)

　　式9中，M_th為運(yùn)動(dòng)檢測(cè)閾值。把幀間差值和場(chǎng)間插值結(jié)合起來做運(yùn)動(dòng)檢測(cè)，起到了彌補(bǔ)兩種檢測(cè)方法的缺點(diǎn)，對(duì)快速物體的運(yùn)動(dòng)和靜止圖像邊緣都起到了非常精確的檢測(cè)作用;結(jié)合BPP的檢測(cè)法，對(duì)大面積的運(yùn)動(dòng)圖像檢測(cè)也增加了檢測(cè)的可信度。由于相鄰幀的亮度差容易受噪聲影響，而BPP值對(duì)亮度非常敏感，因此需要對(duì)背景的椒鹽噪聲點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)一步的處理。

　　為了消除椒鹽噪聲點(diǎn)的影響，接下來我們對(duì)M_ij(P_x)做后處理。通過上述方法處理后，M_ij(P_x)為一個(gè)二值運(yùn)動(dòng)圖像信息。因此可以通過二值形態(tài)學(xué)^[5]的基本運(yùn)算(如腐蝕或者膨脹)進(jìn)行處理，但是單獨(dú)進(jìn)行腐蝕或膨脹運(yùn)算效果并不理想，我們這里根據(jù)視頻圖像特有的特性調(diào)整處理方法。

　　運(yùn)動(dòng)點(diǎn)判斷策略示意圖如圖3所示。在一個(gè)3×3的窗口內(nèi)進(jìn)行判斷，圖中白點(diǎn)表示靜止像素點(diǎn)，黑點(diǎn)表示運(yùn)動(dòng)像素點(diǎn)，中心點(diǎn)是我們需要進(jìn)行判斷的點(diǎn)。具體的策略描述如下：

　　1.如果當(dāng)前待判點(diǎn)為運(yùn)動(dòng)點(diǎn)，如圖中a和b，將其相鄰8個(gè)點(diǎn)中運(yùn)動(dòng)點(diǎn)的個(gè)數(shù)和閾值Qt_h1(這里取值為4)比較，如果大于Q_th1則為運(yùn)動(dòng)點(diǎn)，如圖中a;反之為靜止點(diǎn)，如圖中b;

　　2.如果當(dāng)前待判斷點(diǎn)為靜止點(diǎn)，如圖中c和d，將其相鄰8個(gè)點(diǎn)中運(yùn)動(dòng)點(diǎn)的個(gè)數(shù)與閾值Q_th2比較(這里取值為4)，如果大于閾值，則為運(yùn)動(dòng)點(diǎn)，如圖中c;反之則為靜止點(diǎn)，如圖中d。

　　經(jīng)過形態(tài)學(xué)處理后的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)信息在保持了正確運(yùn)動(dòng)檢測(cè)信息的同時(shí)，很好地消除了噪聲的干擾，能得到比較理想的結(jié)果。

　　在我們的生活中，一般運(yùn)動(dòng)圖像較多出現(xiàn)在視頻圖像的中央?yún)^(qū)域，而背景圖像出現(xiàn)在邊緣比出現(xiàn)在中央的幾率要大很多。為了減少計(jì)算的復(fù)雜程度，節(jié)省硬件資源，我們可以設(shè)定運(yùn)動(dòng)點(diǎn)判斷策略應(yīng)用區(qū)域。如圖4所示，在圖像邊緣設(shè)定寬度為X，高度為Y區(qū)域?yàn)檫\(yùn)動(dòng)點(diǎn)判斷策略采用區(qū)域，在實(shí)際運(yùn)用過程中可以根據(jù)需要靈活設(shè)置X和Y的值。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

　　本文以FPGA為核心器件搭建了電路實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并采用邏輯代碼實(shí)現(xiàn)了上述算法，從客觀和主觀兩方面對(duì)文中的算法進(jìn)行評(píng)估。客觀上主要評(píng)估各個(gè)不同的去隔行算法的平均峰值信噪比PSNR和圖像相關(guān)性指標(biāo)SSIM^[6]。本文在搭建平臺(tái)上，對(duì)去隔行后的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，連續(xù)采樣包含運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的視頻圖像2秒，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后得出不同去隔行方法的PSNA和SSIM值，結(jié)果如表1所示。

　　從表1中可以看出，不同去隔行算法中的PSNR值，三場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的去隔行算法值最大，這表示本文算法的平均峰值信噪比是最好的;SSIM是根據(jù)真實(shí)的圖像信息所具有的高度結(jié)構(gòu)化以及相鄰像素點(diǎn)之間所具有的強(qiáng)烈相關(guān)性進(jìn)行計(jì)算，值越大表示相關(guān)性越好，在四種算法中，本文算法的值最大。因此，本文提出的去隔行算法比其他三種算法的PSNR和SSIM指標(biāo)均略勝一籌。

4 結(jié)語

　　本文提出了一種基于三場(chǎng)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)方法，對(duì)場(chǎng)間插值和幀間差值均做了比較，既可以檢測(cè)出比較快速的運(yùn)動(dòng)，避免把運(yùn)動(dòng)的區(qū)域誤判斷為靜止區(qū)域，同時(shí)也能夠正確地判斷出圖像當(dāng)中的靜止區(qū)域，最大限度地避免了單獨(dú)使用幀間插值法或者場(chǎng)間插值法帶來的缺陷。在該運(yùn)動(dòng)檢測(cè)方法中，還引入了BPP運(yùn)動(dòng)檢測(cè)法，增加了大面積運(yùn)動(dòng)檢測(cè)的能力。同時(shí)針對(duì)處理后的結(jié)果，選擇性地進(jìn)行二值形態(tài)學(xué)處理，對(duì)消除背景噪聲起到了很大作用。該種運(yùn)動(dòng)檢測(cè)方法只需要緩存三場(chǎng)數(shù)據(jù)，通過一塊FPGA和外掛DDR即可實(shí)現(xiàn)，不僅具備檢測(cè)速度快的優(yōu)點(diǎn)而且性價(jià)比高，非常適合商業(yè)運(yùn)用。

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本文來源于中國(guó)科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第4期第37頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。