視頻圖像采集芯片是一種十分重要的視頻信號(hào)處理芯片。它處理的視頻信號(hào)是來(lái)源于電視或者錄像機(jī)的復(fù)合視頻信號(hào)(CVBS)或者S-VIDEO格式數(shù)據(jù)，也包括變?nèi)醯暮捅慌で囊曨l信號(hào)。復(fù)合視頻信號(hào)的解碼過(guò)程如下：首先對(duì)模擬的彩色電視信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，先將其經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；然后用數(shù)字化方法分離出亮度信號(hào)Y和色度信號(hào)C,再?gòu)纳刃盘?hào)C中分離出兩個(gè)色差信號(hào)U和V；最后將Y,U,V信號(hào)通過(guò)一定的采樣/插值算法轉(zhuǎn)換為ITU-R BT601 4：2：2的標(biāo)準(zhǔn)視頻數(shù)據(jù)格式，便于與其他視頻設(shè)備接口。

本文所要解決的問(wèn)題就是如何將Y,U,V信號(hào)轉(zhuǎn)換為ITU-R BT601 4：2：2標(biāo)準(zhǔn)所需的數(shù)據(jù)流，用行插值校正像素點(diǎn)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

行插值校正像素點(diǎn)及算法
行像素點(diǎn)校正的任務(wù)和方法
通常情況下，電視信號(hào)所需要的標(biāo)準(zhǔn)有效行像素點(diǎn)為每一行720個(gè)，而NTSC制為每行1716個(gè)，PAL制為每行1728個(gè)。所以行像素點(diǎn)的校正任務(wù)就是計(jì)算這些信號(hào)采樣點(diǎn)的中間值。

對(duì)于不同的制式來(lái)說(shuō)，在每一行中所需要的采樣點(diǎn)數(shù)一般是不同的，如ITU601需要的有效像素點(diǎn)是720。所以本文的任務(wù)就是將1820個(gè)像素點(diǎn)轉(zhuǎn)化為720個(gè)像素點(diǎn)。

上述的轉(zhuǎn)化可通過(guò)一個(gè)多項(xiàng)式 FIR(有限脈沖響應(yīng)) 校正濾波器實(shí)現(xiàn)。其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：
                        (1)
其中
YS(t)是由x[n]構(gòu)建的離散信號(hào)波，而Y(t)是由x[n]構(gòu)建的連續(xù)信號(hào)波。FIR濾波器系數(shù)可由下述的行內(nèi)插過(guò)程算得。

行插值控制算法
行插值的控制過(guò)程其實(shí)就是像素碼率轉(zhuǎn)換的過(guò)程，主要是用來(lái)計(jì)算出基點(diǎn)s(未插值的行采樣像素點(diǎn))和相關(guān)的小數(shù)延時(shí)芀(s)(基點(diǎn)和需求的插值點(diǎn)之間的延遲時(shí)間)。如果需求的插值點(diǎn)是2，那么基點(diǎn)就是采樣點(diǎn)3。對(duì)于6階濾波器來(lái)說(shuō)，采樣像素點(diǎn)1~6都用來(lái)計(jì)算插值點(diǎn)2。所以說(shuō)行插值控制主要是計(jì)算基點(diǎn)s和插值點(diǎn)k之間的小數(shù)延時(shí)芀(s)。芀(s)可通過(guò)下式算得：[nextpage]
芀(s)=芐TART+mk/n-s                     (2)

上式中的基點(diǎn)s是每一行的第s個(gè)采樣像素點(diǎn)，m是視頻信號(hào)每一整行的采樣像素點(diǎn)數(shù)，n是經(jīng)過(guò)濾波插值后的有效像素點(diǎn)數(shù)(對(duì)PAL制，m=1728，n=720)。k是被插值點(diǎn)的序號(hào)，芐TART是當(dāng)前行與上一行的相位差。

行插值控制算法如下：對(duì)每一個(gè)采樣像素點(diǎn)，用公式(2)來(lái)計(jì)算其芀(s)，并且按照下式的條件進(jìn)行檢測(cè)：
0 < ΔK(s) < 1                     (3)

當(dāng)式(3)的條件滿(mǎn)足時(shí)，該采樣像素點(diǎn)s被設(shè)置為基點(diǎn)，所計(jì)算出來(lái)的芀(s)就是其相應(yīng)的小數(shù)延時(shí)。然后k增值1。如果式(3)的條件不滿(mǎn)足，就計(jì)算下一個(gè)采樣點(diǎn)的芀(s)并按照式(3)的條件檢測(cè)，直到本行的所有像素點(diǎn)都計(jì)算檢查過(guò)為止。當(dāng)本行的所有采樣像素點(diǎn)都被計(jì)算檢查完后，s和k被設(shè)置為0，準(zhǔn)備進(jìn)行下一行的插值控制計(jì)算。

算出所有的基點(diǎn)s和相關(guān)的小數(shù)延時(shí)芀(s)后，就可通過(guò)下式計(jì)算FIR濾波器系數(shù)Ci：
                      (4)
i=-5~5(integer)
上式中的hi就是FIR濾波器系數(shù)Ci，它是sinc函數(shù)。
公式(4)所示的sinc函數(shù)將用來(lái)計(jì)算濾波器系數(shù)。

實(shí)現(xiàn)方案和計(jì)算結(jié)果
面向硬件的濾波器系數(shù)產(chǎn)生方法
通過(guò)matlab工具進(jìn)行系統(tǒng)仿真發(fā)現(xiàn)在實(shí)際設(shè)計(jì)中采用11階的sinc函數(shù)較為理想，它的11個(gè)系數(shù)，由coef＝sin(pi*(芀(s)+I))/(pi*(芀(s) +I))確定（I是〔-5,5〕的整數(shù)）。因?yàn)樵趯?shí)際工作中，需要的有效像素點(diǎn)為720個(gè)，也就是對(duì)應(yīng)產(chǎn)生720個(gè)芀(s)，每一個(gè)芀(s)產(chǎn)生一組濾波器系數(shù)，即有720組11階系數(shù)，這對(duì)于硬件的RAM資源要求太高。所以可以在區(qū)間[0，1] 進(jìn)行20等分，這樣可劃分為20個(gè)區(qū)間：[0，0.05]，[0.05，0.1]，……，[0.95，1]。設(shè)區(qū)間為[a，b]，若芀(s)>= (a+b)/2,取芀(s)=b；反之取芀(s)=a。這樣將720個(gè)芀(s)簡(jiǎn)化為20個(gè)，對(duì)應(yīng)20組濾波器系數(shù)，每一組濾波器系數(shù)乘以1024（便于下一步的2進(jìn)制乘法器來(lái)處理），做出查找表。查找方法如下：根據(jù)上節(jié)算得的小數(shù)延時(shí)芀(s)，先確定控制部分的地址值address（即簡(jiǎn)化后的芀(s) 值）；再由address+I，I是〔-5,5〕的整數(shù)，得到查找表的地址值，根據(jù)查找表的地址值查得對(duì)應(yīng)的濾波器系數(shù)。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

算法的模擬驗(yàn)證
因?yàn)橹皇球?yàn)證算法，為了更清楚地說(shuō)明問(wèn)題，做了下列兩點(diǎn)簡(jiǎn)化假設(shè)：1.處理的視頻信號(hào)是余弦函數(shù)y=100*cos(x)；2. 假設(shè)一行視頻信號(hào)的采樣像素點(diǎn)數(shù)為13，而需要的有效像素點(diǎn)數(shù)為8。進(jìn)行行插值方法后的結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出，采用本文算法能很好地實(shí)現(xiàn)將13個(gè)像素點(diǎn)的信號(hào)轉(zhuǎn)化為8個(gè)有效像素點(diǎn)信號(hào)。

結(jié)語(yǔ)
本文提出了一種在數(shù)字視頻信號(hào)解碼中的行插值算法及其實(shí)現(xiàn)方案。為了驗(yàn)證方法的正確性，用本文方法處理了13個(gè)采樣點(diǎn)的余弦信號(hào)，計(jì)算結(jié)果表明本算法正確有效。本算法已應(yīng)用在視頻信號(hào)解碼芯片設(shè)計(jì)中。