專利名稱：模擬電視信號轉(zhuǎn)化為所需規(guī)格幀信號軟硬件系統(tǒng)及方法和用途的制作方法
〔技術(shù)領(lǐng)域〕本發(fā)明創(chuàng)造涉及計算機(jī)圖像處理技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是嵌入式微機(jī)系統(tǒng)在驅(qū)動控制程序和某種具體圖像預(yù)處理算法的控制下，將采樣后的模擬電視單場信號轉(zhuǎn)化為所需規(guī)格幀信號的一種裝置及方法。
〔技術(shù)背景〕用模擬電視信號作為視頻編碼器的信號源，存在一些頭痛的問題模擬電視是以場為單位進(jìn)行傳輸和顯示的，而數(shù)字電視是以幀為單位；模擬電視信號的傳輸和顯示采用隔行掃描，而數(shù)字電視的傳輸和顯示普遍采用逐行掃描；模擬電視信號進(jìn)行數(shù)字化后，不僅以場為單位，而且YCbCr是混合排列的，然而視頻編碼器中的切塊(8×8)、切宏塊(16×16)、編碼和運(yùn)動估計都是以幀信號為單位，而且必須把YCbCr信號分離，并存儲在不同的內(nèi)存區(qū)域中，這些區(qū)域被稱作Y陣列(Y-Array)、Cb陣列(Cb-Array)和Cr陣列(Cr-Array)。所以如何有效地解決這些問題，成為采樣預(yù)處理的關(guān)鍵，也成為衡量視頻編碼器的一個技術(shù)指標(biāo)。
〔發(fā)明內(nèi)容〕本發(fā)明創(chuàng)造的目的是將電視技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)結(jié)合起來，由模擬電視信號源連接視頻A/D轉(zhuǎn)換芯片，視頻A/D轉(zhuǎn)換芯片連接存儲器，存儲器連接計算機(jī)中央處理器CPU，通過CPU單元實(shí)現(xiàn)對視頻A/D轉(zhuǎn)換芯片和存儲器控制，同時運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)的C語言算法把采樣后的YCbCr信號進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為后繼模塊所需要的格式。
為實(shí)現(xiàn)上述的目的，設(shè)計了一套單場模擬電視信號轉(zhuǎn)換為幀信號的軟硬件系統(tǒng)。其硬件裝置，包括作為指令輸入的鍵盤、用于對模擬電視信號進(jìn)行數(shù)字化地視頻A/D轉(zhuǎn)換芯片、用于存貯YCbCr信號、驅(qū)動控制程序和預(yù)處理算法的存貯設(shè)備以及用于運(yùn)行程序的DSP。其軟件部分包括對于鍵盤指令的解析程序、緩沖管理程序、對視頻A/D轉(zhuǎn)換器驅(qū)動和控制的程序以及把采樣后的YCbCr信號轉(zhuǎn)換成所需的規(guī)格的幀信號，如D1、CIF或QCIF。
模擬電視信號轉(zhuǎn)換為所需規(guī)格的幀信號軟硬件系統(tǒng)的方法采用了下列步驟(1)將欲執(zhí)行的模擬電視場信號轉(zhuǎn)化為所需規(guī)格幀信號的控制程序和相關(guān)算法載入該嵌入式系統(tǒng)的存貯器中；(2)解析鍵盤輸入指令，如要求預(yù)處理幾幀；(3)初始化視頻A/D芯片和DMA機(jī)制；(4)分配緩沖區(qū)和建立緩沖隊列；(5)數(shù)字化當(dāng)前幀的模擬電視信號，得到Y(jié)CbCr信號，此步序與以后的各步屬并行關(guān)系；(6)通過DMA傳送機(jī)制，將該YCbCr信號送入內(nèi)存指定地址；(7)將該YCbCr信號導(dǎo)入預(yù)處理算法進(jìn)行處理，將其轉(zhuǎn)化為所需規(guī)格的幀信號，如D1、CIF或QCIF；(8)將轉(zhuǎn)化后的信號存入文件或送入后繼模塊，如送入視頻編碼器模塊；(9)判斷是否已滿足在步序(2)所獲得的指令，如已經(jīng)滿足要求預(yù)處理的幀數(shù)是，則退出程序，關(guān)閉視頻A/D轉(zhuǎn)換器和DMA機(jī)制，解散緩沖隊列，釋放所使用的緩沖區(qū)；否，則轉(zhuǎn)入步序(6)，進(jìn)入下一幀預(yù)處理；
本發(fā)明創(chuàng)造同現(xiàn)有技術(shù)相比，提供了一套完整的將兩場中的其中一場直接轉(zhuǎn)化為一幀、CIF或QCIF的算法。其獨(dú)到之處在于，他摒棄了傳統(tǒng)觀念上通過兩場信號進(jìn)行內(nèi)插而獲得幀圖像，而是通過一場的信號進(jìn)行有效的恢復(fù)D1幀圖像；CIF算法是在對原始單場信號轉(zhuǎn)化為幀圖像的同時，在水平方向和垂直方向上進(jìn)行進(jìn)一步的亞采樣(sub-sampling)；QCIF算法是在對原始單場信號轉(zhuǎn)化為幀圖像的同時，在水平方向和垂直方向上進(jìn)行下采樣(down-sampling)。
本發(fā)明創(chuàng)造最大的技術(shù)特點(diǎn)就是摒棄了依賴專用圖像處理芯片，而直接采用軟件處理的方法來解決這些問題；a、具有靈活性。對用戶來說，IC的內(nèi)部的視頻預(yù)處理功能是固化的，有些提供的規(guī)格無法滿足用戶的需求，而有些功能卻是多余的，不能根據(jù)用戶的需求隨意定制，這是IC最致命的弱點(diǎn)；以軟件實(shí)現(xiàn)的算法就可避免這一點(diǎn)；b、具有可升級性。靈活性差就導(dǎo)致了其的升級性不強(qiáng)，對用戶來說，如果希望得到更全面的視頻預(yù)處理功能，那就不得不用更好的IC芯片來取代原有的IC芯片，往往還要重新做PCB板子和重新編寫一套驅(qū)動程序，這樣產(chǎn)品就很難在短期內(nèi)占領(lǐng)市場，也使其生命力大打折扣；如果用軟件來實(shí)現(xiàn)的話，至少重新做PCB板子和重新編寫一套驅(qū)動程序這兩步就可免了，用戶只需在原有的硬件環(huán)境下，即可嵌入新的軟件算法。
本發(fā)明創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)效益在于低成本，含預(yù)處理功能的視頻采樣芯片的售價一般在十幾美金或幾十美金，這勢必增加了每臺產(chǎn)品的售價；如果用軟件來實(shí)現(xiàn)該功能的話，用戶只需前期的研發(fā)成本，如對該算法的移植、修改和升級等，后期的生產(chǎn)成本就可省去了，很顯然可省相當(dāng)可觀的成本。
本發(fā)明創(chuàng)造可應(yīng)用在廣播電視、視頻編碼器、遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)、遠(yuǎn)程教育、Web Camera、醫(yī)學(xué)圖像處理中的預(yù)處理部分技術(shù)領(lǐng)域。
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〕圖1是本發(fā)明創(chuàng)造的硬件框圖。
圖2是本發(fā)明創(chuàng)造C語言程序流程圖。
圖3是本發(fā)明創(chuàng)造單場信號向D1幀信號的轉(zhuǎn)化圖。
圖4是本發(fā)明創(chuàng)造CIF算法對某相鄰兩行的一組分量信號的轉(zhuǎn)化圖。
圖5是本發(fā)明創(chuàng)造CIF算法對每10行場信號中的某兩行轉(zhuǎn)為CIF幀信號圖。
圖6是本發(fā)明創(chuàng)造QCIF算法對每10行場信號中的均勻采樣圖。
圖7是本發(fā)明創(chuàng)造QCIF算法對某相鄰兩行的一組分量信號的下采樣圖。
圖8是本發(fā)明創(chuàng)造有關(guān)YCbCr在內(nèi)存中的排列順序及結(jié)構(gòu)圖。
圖9是本發(fā)明創(chuàng)造有關(guān)場信號向幀信號的轉(zhuǎn)化后的YCbCr的結(jié)構(gòu)和排列指定圖1為摘要附圖〔實(shí)施例〕下面結(jié)合附圖作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
參見圖1，圖中→表示控制線， 表示數(shù)據(jù)流向線(單向)， 表示數(shù)據(jù)流向線(雙向)。方框一，為模擬電視信號源，可以是電視機(jī)。VCD或DVD，向視頻A/D轉(zhuǎn)換提供模擬信號，該信號為模擬全電視信號。方框二，為視頻A/D轉(zhuǎn)換芯片，對模擬全電視信號進(jìn)行數(shù)字化，為后繼的預(yù)處理提供所需要的YCbCr信號。方框三，為存儲器，存放YCbCr的場所。方框四，為CPU，即中央處理器。用于運(yùn)行驅(qū)動控制程序以實(shí)現(xiàn)對方框二(視頻A/D轉(zhuǎn)換芯片)和方框三(存儲器)的控制，同時用于運(yùn)行預(yù)處理算法，把采樣后的YCbCr信號進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為后繼模塊所需要的格式。這種產(chǎn)品的組成及連接方法對本專業(yè)的人來說是清楚的。
參見圖2，該圖給出了本發(fā)明創(chuàng)造的C語言程序流程圖。
參見圖3在對應(yīng)兩場信號恢復(fù)幀信號時，本算法采取對第一場信號中的從Line 3至Line 239的每條有效視頻掃描線進(jìn)行復(fù)制，用通俗的話說，就是把這些線描粗，見圖-1，對幀的最后兩行(即Line 479和Line 480)的信號本算法采取不作任何處理，因?yàn)檫@樣做并不影響觀賞效果。由于我們選用的視頻采樣芯片僅支持4∶2∶2，然而我們的編碼器只對4∶2∶0信號進(jìn)行編碼，所以要對YCbCr的比例進(jìn)行處理。本算法對色度信號采取亞采樣(sub-sampling，把某一采樣區(qū)域像素群中的某一像素值代替該采樣區(qū)域，從而降低圖像分辨率，使其達(dá)到規(guī)定的分辨率)，使4∶2∶2轉(zhuǎn)換為4∶2∶0。
參見圖4和圖5，本算法為DI算法的衍生和拓展。一般視頻編碼器進(jìn)行實(shí)時編碼時，對圖像大小要求較嚴(yán)格，無法對704×480或704×576這樣的圖像大小進(jìn)行直接編碼，需要做些預(yù)處理，從而轉(zhuǎn)化圖像大小。CIF就是各種視頻標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的圖像大小的一種一352×288。在預(yù)處理時，需要考慮如何進(jìn)一步進(jìn)行下采樣，把多余的像素去掉。這里使用的方法時，直接以場信號為處理單位，根據(jù)704∶352＝4∶2，可以得到水平方向上每4個分量取2個分量(見圖4)；根據(jù)240∶288＝10∶12可以得到每10行場信號應(yīng)恢復(fù)出12行CIF幀信號，也就是要對這10行場信號中的某兩行進(jìn)行復(fù)制(見圖5)。
參見圖6和圖7，本算法為QCIF算法的衍生和拓展，即對QCIF進(jìn)一步采樣。垂直方向上都每10行有效視頻信號中均勻的取6行(見圖6)。所不同的是它們在水平方向上對待分量的方法不同。水平方向采樣使用了亞采樣的方法，見圖7。
參見圖8，描述了作為程序輸入的YCbCr信號在內(nèi)存中呈混合排列狀況，并且包括兩場圖像，采樣規(guī)格為4∶2∶2，圖像大小為704×480(NTSC)或704×576(PAL)。
參見圖9，經(jīng)過D1算法預(yù)處理后的YCbCr信號在內(nèi)存中的排列狀況；此時它們在內(nèi)存中呈分離排列，并且不存場圖像，僅有幀圖像，采樣規(guī)格為4∶2∶0，圖像大小為704×480(NTSC)或704×576(PAL)。
算法的特殊性1、從方法上說，通過單場的電視信號，獲得所需要的圖像規(guī)格；2、從算法實(shí)現(xiàn)的方式上說，本算法是一套用標(biāo)準(zhǔn)C語言編寫的算法，其本身與硬件、處理器指令集和操作系統(tǒng)無關(guān)，所以通用性很強(qiáng)?？梢浦踩肴魏我曨lA/D的模塊中，也就是直接嵌入到視頻采樣器驅(qū)動程序中。
3、從實(shí)用性上說，可替代目前市場上的某些A/D預(yù)處理芯片，以節(jié)省研發(fā)和生產(chǎn)成本。
權(quán)利要求
1.一種模擬電視信號轉(zhuǎn)換為幀信號的軟硬件系統(tǒng)，包括(1)作為指令輸入的鍵盤；(2)用于對模擬電視信號進(jìn)行數(shù)字化的視頻A/D轉(zhuǎn)換芯片(3)用于存貯視頻YCbCr信號、驅(qū)動控制程序和預(yù)處理算法的存貯設(shè)備；(4)執(zhí)行驅(qū)動和控制程序以及轉(zhuǎn)換算法的DSP；其特征在于該軟硬件系統(tǒng)可執(zhí)行如下動作a、解析鍵盤輸入指令；b、初始化和關(guān)閉視頻A/D芯片和DMA機(jī)制；c、分配和釋放緩沖區(qū)；d、建立和解散緩沖隊列；e、數(shù)字化當(dāng)前幀的模擬音頻信號；f、將該YCbCr信號導(dǎo)入預(yù)處理算法進(jìn)行處理，將其轉(zhuǎn)化為所需規(guī)格的幀信號D1或CIF或QCIF；g、將轉(zhuǎn)化后的信號存入文件或送入后繼模塊；
2.如權(quán)利要求1所述的一種模擬電視信號轉(zhuǎn)換為幀信號軟硬件系統(tǒng)的方法，其特征在于采用了下列步驟(1)將欲執(zhí)行的模擬電視場信號轉(zhuǎn)化為所需規(guī)格幀信號的控制程序和相關(guān)算法載入該嵌入式系統(tǒng)的存貯器中；(2)解析鍵盤輸入指令，如要求預(yù)處理幾幀；(3)初始化視頻A/D芯片和DMA機(jī)制；(4)分配緩沖區(qū)和建立緩沖隊列；(5)數(shù)字化當(dāng)前幀的模擬電視信號，得到Y(jié)CbCr信號；(6)通過DMA傳送機(jī)制，將該YCbCr信號送入內(nèi)存指定地址；(7)將該YCbCr信號導(dǎo)入預(yù)處理算法進(jìn)行處理，將其轉(zhuǎn)化為所需規(guī)格的幀信號D1或CIF或QCIF；(8)將轉(zhuǎn)化后的信號存入文件或送入后繼模塊；(9)判斷是否已滿足在步序(2)所獲得的指令是，則退出程序，關(guān)閉視頻A/D轉(zhuǎn)換器和DMA機(jī)制，解散緩沖隊列，釋放所使用的緩沖區(qū)；否，則轉(zhuǎn)入步序(6)，進(jìn)入下一幀預(yù)處理；
3.如權(quán)利要求1所述的一種模擬電視信號轉(zhuǎn)換為幀信號軟硬件系統(tǒng)，其特征在于可應(yīng)用在廣播電視，視頻編碼器、遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)、遠(yuǎn)程教育、WebCamera、醫(yī)學(xué)圖像處理等技術(shù)領(lǐng)域中的預(yù)處理部分。
全文摘要
本發(fā)明創(chuàng)造涉及計算機(jī)圖像處理技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是模擬電視信號轉(zhuǎn)化為所需規(guī)格幀信號軟硬件系統(tǒng)及方法和用途，其硬件裝置包括作為指令輸入的鍵盤、用于對模擬電視信號進(jìn)行數(shù)字化地視頻A/D轉(zhuǎn)換芯片、用于存貯YCbCr信號、驅(qū)動控制程序和預(yù)處理算法的存貯設(shè)備以及用于運(yùn)行程序的DSP。其軟件部分包括對于鍵盤指令的解析程序、緩沖管理程序、對視頻A/D轉(zhuǎn)換器驅(qū)動和控制的程序以及把采樣后的YCbCr信號轉(zhuǎn)換成所需的規(guī)格的幀信號。本發(fā)明創(chuàng)造同現(xiàn)有技術(shù)相比，提供了一套完整的將兩場中的其中一場直接轉(zhuǎn)化為一幀、CIF或QCIF的算法。本發(fā)明創(chuàng)造可應(yīng)用在廣播電視、視頻編碼器、遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)、遠(yuǎn)程教育、Web Camera、醫(yī)學(xué)圖像處理中的預(yù)處理部分技術(shù)領(lǐng)域。
文檔編號G06T1/00GK1555196SQ20031010953
公開日2004年12月15日 申請日期2003年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月18日
發(fā)明者丁晟昊 申請人:上海廣電信息產(chǎn)業(yè)股份有限公司