高清数字电视视频处理器画质增强技术简介

高清数字电视视频处理器画质增强技术简介中达电子视讯研发中心 鱼明杰摘要：本文介绍了目前高清数字电视视频处理系统的核心器件视频处理器（Video Processor ）中所采用的主要画质增强技术，并对这些技术进行了简要的分析。

关键词：Video Processor Video Enhancement HDTV 数字电视 画质增强随着普通显像管电视利润的继续下滑和以平板电视为主的高清数字电视需求量的迅猛增长，整个电视产业都将重心逐渐移到了高清数字电视上。

无论是以液晶电视生产为主的夏普还是以等离子电视见长的松下都呈现出供不应求的局面，数字电视的销售额已经超过传统CRT 电视。

但是，数字高清电视并非像手机那样是一个人人都能分一杯羹的市场，面对愿意出上万元购买电视的消费者，产品必须经受苛刻的挑剔，而画质将是决定高清数字电视产品这个高端市场成败的重要因素。

比起传统电视，家电厂商对高清数字电视画质的重视程度要高出很多，但是最后却发现，数字电视画质的提升比传统显像管电视代价要大得多。

一方面显示面积的增大导致很多忽略的问题变得急待改善，而另一方面显示机制的改变又带来很多新的问题，加之数字电视产业链的复杂性，使得数字电视画质提升变成一项系统工程，需要各个部分的共同努力才能完成，但是其中改动最容易，效果也最明显的就是数字电视视频处理系统。

这主要得益于超大规模集成电路制造成本的降低以及数字视频信号处理技术的成熟，因此各大厂商都在视频信号处理系统的画质增强上下了很大功夫。

图1 数字电视视频处理系统因为数字电视是以像素为单位逐行显示视频图像，所以数字电视视频信号处理系统完成的核心工作就是隔行信号转逐行信号和视频的缩放，这两个功能通常由一些专用芯片来完成，称为视频处理器。

提供此类器件的厂商主要是一些国外芯片设计公司如Genesis 、AnalogVideo A/D Converter Digital Video ProcessoruCOptional DigitalRGBVideo b /CrPixelworks 和Trident 等，而国内海信的“信芯”算是打破这种技术垄断的第一颗国产芯片。

但是，随着消费者对数字电视画质的要求越来越高，视频处理器仅仅完成基本工作已经难以满足要求，在Genesis 的新一代处理器Cortez 和Pixelworks 的对应产品PW328中，除了对基本功能更好的支持外，更多地加入了对画质进行增强的技术，比如Genesis 的True Life 和Pixelworks 的Digital Natural Expression （DNX ）等等，这些技术都在画质哪些方面进行了增强呢，以下将对此做一个比较详细的说明。

Others Genesis37.76%48.26%Trident12.34%图2 2005年上半年中国LCD 电视视频处理器厂商排名(按销售额)首先，要以逐行显示屏幕显示隔行的信号如PAL 、NTSC ，处理器的视频信号去交错能力必不可少。

很多人可能会觉得这有何难，把隔行信号的两场图像合并起来不就行了！是的，这样做确实可以，但是隔行信号的两场内容表现可能是有时间差的，对于运动较为剧烈的视频信号，简单的合并图像将产生严重的锯齿，如图3所示，所以这种方法很少采用。

大部分软解压和低端处理器使用的是倍线方法，即直接将隔行信号图像中的每一条线显示成同样的两条线。

这种方法能适应大部分的视频，但是对于图像中很细的横线将产生闪烁。

因此，高端的视频处理器比如Genesis 的FLI2310和Pixelworks 的PW1235采用的是基于运动矢量的自适应去交错算法，利用前后若干场图像内容运动量的大小计算得到当前要显示的图像。

图3 直接合并两场信号使运动图像产生锯齿除了将隔行信号转换为逐行信号，去交错功能还要完成3:2帧频转换（3:2 Pulldown ）检测和处理（对于PAL 则是2:2 Pulldown ），这主要是由与DVD 碟片的视频来源于电影胶片，而美国电影的放映速度是每秒24帧，也就是说DVD 存储的视频信号是每秒24帧的逐行图像而播放出来的是每秒60场的NTSC 隔行信号。

因此，每两帧电影要转换为五场TV 信号，为了简单，DVD 就直接把其中一帧变为三场另一帧变为两场，视频处理器如果能正确的检测到这种序列，就可以更准确地恢复电影画面，从而进一步提高画面质量。

图4 检测电影模式并去交错但是大屏幕上去交错后的图像缺陷是如此明显，为了消除这些问题，更多的信号处理技术被引入了视频处理器。

例如，为了消除运动中斜线物体的绳化现象，Genesis 采用了DCDi 专利技术，而Pixelworks 的DNX LAI 技术也有类似能力，如图5所示，运动中的高尔夫球棒出现阶梯状锯齿，好像是一根拧了的绳子，通过专门针对低角度运动物体的去交错算法处理后才恢复原来笔直的面貌。

图5 采用类似DNX 的LAI 技术消除运动中倾斜物体的阶梯状锯齿除上述所列主要去交错技术之外，还有其他比如错编辑帧补偿等一些技术可以使数字视频的质量得到更好的优化，相信此类技术将不断推陈出新使数字电视的画面更佳完美地呈现在大屏幕上。

谈到电视，能使购买者在商场柜台上无数产品中最终选择的总是那些图像颜色较为出众的品牌，画面艳丽的色彩的确能给消费者强大的冲击力。

不过遗憾的是，数字电视的色彩很大程度上取决于显示面板的质量，无论是液晶还是等离子，屏的好坏举足轻重，好比显像管质量决定了CRT 电视的画面质量一样。

然而，借助视频处理器强大的处理能力，显示屏幕可以从数字图像信号的改善上得到一定的画质提升。

由于从有线电视或视频播放设备传送到电视上的多为复合信号，这种信号混合有同步、亮度和色度信息，经过视频解码器后送入视频处理器，而大多数视频解码器是二维亮色分离设计，对于高频信号不能很好的分离。

这样，画面的细节部分比如致密的树叶等就会出现异常颜色。

因此，高端处理器都会对解码器亮色分离作进一步的补偿，而补偿的效果是极其明显的，从特殊的画面很容易看出，如图6所示。

直接2D亮色分离 经亮色分离补偿后图6经过FLI2310亮色分离补偿后的Zone Plate显示效果明显改善当然，采用具有三维亮色分离的视频解码器也可以达到此效果，补偿后画面的细节更加清晰锐利，颜色更加纯正。

为了增强系统的瞬态响应，弥补信号在传输过程中的损失，大部分处理器都采用了LTI/CTI（Luminance Transient Improvement/Color Transient Improvement瞬时亮度/色彩增强）技术。

该技术的原理是将传输过程中已经减缓的信号变化恢复为剧烈的变化，使图像中的物体边缘更加清晰色彩变化更加锐利，如图7所示。

图7 增强系统瞬态响应（a）LTI (b) CTI在准确还原图像的基础上，很多视频处理器还加入了艺术化的处理技术，Active Color Management（ACM主动色彩管理）和Adaptive Color/Contrast Enhancement（ACE自适应颜色/对比度增强）就是被主要采用的两个画面美化技术。

ACM技术可以对自然界颜色区域中某些特殊种类的颜色进行单独的补偿和修正，而不影响其他种类颜色，比如肤色补偿（Flesh Tone Compensation）就只是对肤色区域单独进行补偿，如图8所示。

类似的，这种技术也可以处理其他种类颜色比如草地的绿色和花朵的红色等。

这项技术可以说是大量经验的体现，自然界的颜色多种多样，要使颜色都向好的方向补偿的确需要大量的试验。

之前CTI处理之后原始画面肤色补偿后画面图8 利用ACM技术改善人像画质自适应颜色和对比度增强技术则更是一项艺术性的工作，其原理是根据画面像素级的亮度和色彩统计，逐帧重新调整亮度和色彩分布，使画面的对比度更强，细节更加清晰，如图9所示。

该技术的难点主要是在增强程度的控制以及消除由于逐帧调整所带来的图像不稳定上。

原始画面经自动亮度/对比度处理后画面图9 通过自动亮度/对比度增强使暗画面细节表现更丰富由于液晶、等离子等数字电视系统对于噪声非常敏感，加之大屏幕的显示效果比较明显，同样噪声强度的信号在平板数字电视上显示出来要比在CRT电视上严重很多。

因此，数字电视的噪声抑制是一项很重要的功能。

虽然经过测量发现，几乎所有的噪声都来源于信号在模拟状态的时候，但使用模拟手段抑制噪声的难度远大于采用数字处理技术，所以，视频处理器基本上都具备降噪功能。

对于低端的处理器，降噪的手段就是采取归零的方法，因为暗场的噪声最为明显，处理器将直接把零电平附近的信号全部归零以达到消除噪声的目的。

但这样做的缺点是把暗场一些有用信号也变成了零电平，使本来就缺乏暗场表现力的液晶电视更加缺少暗部细节。

而高端处理器采用的是Adaptive 3D Noise Reduction（自适应三维噪声抑制）技术，利用前后几场的信息分析出哪些是噪声哪些是信号从而更好的消除噪声而不破坏原始信息，如图10所示。

处理前图像采用三维降噪后图像图10 采用自适应三维降噪技术有效降低图像噪声随着液晶电视成为新一代数字电视主流，针对液晶显示屏的画质提升技术也逐渐受到重视。

例如，为了消除由于液晶反应迟钝而造成运动图像模糊的液晶过驱动（LCD Over Drive）技术，或者称为像素加速（Pixel Boost）技术在面向液晶电视的视频处理器中得到了广泛应用。

该技术根据液晶面板响应特性对信号进行预加重，而使最终的显示效果接近理想目标，如图11所示。

原始显示效果过驱动信号补偿最终显示效果图11 利用过驱动技术提升液晶电视显示效果综上所述，随着数字电视的逐渐普及，数字视频处理器的竞争也将更加激烈，在基本功能差距不多的情况下，处理器的好坏将主要决定于其画质的处理能力，各家产品所集成的画质增强技术也绝非仅有上述几项。

借助视频处理器强大的视频处理功能和集成度，数字平板电视的成本也有望大大降低。

未来主流视频处理器将继续朝向单芯片方向发展，在集成了3D Decoder、ADC等混合信号模块后，DTV的MPEG2解码器也将被集成进视频处理器，将来也极有可能集成硅解调器，而使数字电视的视频处理真正成为单芯片系统。

但无论功能集成多么复杂，确保高画质仍然是处理器的重要指标，相信更多更先进的画质增强技术将继续被引入视频处理器当中，消费者将能真正感受到电视数字化后带来的前所未有的高画质体验。