专利名称：组合的采样率变换和增益控制滤波的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种对数字信号的组合的采样率变换和增益控制滤波的方法，其中一个输入信号被变换成一个经滤波的输出信号，该方法包括如下步骤利用第一多相位滤波器对输入信号进行滤波以产生第一中间信号；利用第二多相位滤波器对该输入信号进行滤波以产生第二中间信号；将一个增益控制信号对所述第二中间信号相乘以产生一个第三中间信号；以及将所述第三中间信号与所述第一中间信号相加以产生所述输出信号。本发明还涉及一种用于数字信号的组合采样率变换和增益控制滤波的设备和计算机程序产品。
在各种数字信号处理的应用领域中，需要将具有第一采样率的信号变换成具有第二个更小或更大的采样率的信号。例如，在电视图像处理的领域中，以不同的显示格式表示的电视信号的显示是不可缺少的需求，例如在电视接收机的画中画(PIP)或画外画(POP)模式中或在被设计成显示高清晰度(HD)格式的电视接收机上显示大多数电视台目前播放的标准清晰度(SD)格式的情况中存在这样的需求。
用于采样率变换(即用将分量(VGA)视频变换到电视)的现有技术设备在美国专利US 6,281,873B1中公开了。利用多相位滤波器作为具有固定截止频率以及可编程延时的低通内插滤波器执行对输入视频信号的缩放。通过改变多相位滤波器的系数，输入视频信号被时移了像素时钟的分数并同时被低通滤波。
图1中所描述的是这样一个多相位滤波器的基本结构。该多相位滤波器具有多个寄存器1-1...1-4，这些寄存器形成一个移位寄存器1。移位寄存器1由移位使能信号3控制，该移位使能信号控制是否将一组新的数字值加载到每一个寄存器1-1...1-4中或者控制是否保持寄存器内已经包含的数字值。所述数字值是数字输入信号4的连续的数字值。
寄存器1-1...1-4的寄存器输出值被进一步输入到一个组合电路5，该组合电路对寄存器输出值执行加法的或减法的组合，以产生组合电路输出值。利用滤波器系数a1(i)...a5(i)，通过乘法实例6-1...6-5对每一个单个组合电路输出值进一步加权，并通过加法实例7-1...7-4将加权后的值加入到其它已加权的组合电路输出值中去，最后产生输出信号8的一个数字值。应用于每个乘法实例6-1...6-5的滤波器系数a1(i)...a5(i)不是固定的，而是响应于一个周期性的相位控制信号i周期性地从有限的滤波器系数组{a1(1)...a1(N)}...{a5(1)...a5(N)}中选择，其中N表示在每一个乘法实例6-1...6-5处可获得的不同滤波器系数的数量或者每周期的滤波步骤的数量。
每一个滤波步骤都由相位控制信号i触发，并包括利用滤波器系数a1(i)...a5(i)对每一个组合电路输出值进行加权以及将加权后的组合电路输出值相加以产生输出信号8的一个数字值，其中滤波器系数a1(i)...a5(i)限定多相位滤波器的脉冲响应。如果需要多相位滤波器执行采样率变换，那么滤波器系数组{a1(1)...a1(N)}...{a5(1)...a5(N)}可以被选择成使得在每一个滤波步骤中获得基本相同的滤波器特性和不同的滤波器相位。频域中的不同滤波器相位变换回到时域中的不同延时，因此，根据所选择的延时，实现了以不同于输入信号采样率的采样率对数字输入信号进行再采样。在每一个滤波步骤中，图1中的多相位滤波器结构产生一个输入信号值。为了获得上变换(即输入信号采样率增加)，对滤波器系数进行选择，以使得输出信号值之间的延时小于输入信号采样率的倒数。此外，根据移位使能信号3，寄存器1-1...1-4不必在每一个滤波步骤中加载新的输入信号值，而是存储前一个滤波步骤的输入信号值。例如，如果需要5/4的采样率上变换比例，那么四个输入信号值产生五个输出信号值，并且一个周期的五个滤波步骤中的一个步骤中，寄存器1-1...1-4存储先前的值而不是加载新的输入信号采样值。移位使能信号3触发移位寄存器1的操作，而相位控制信号i确保在一个周期的每一个滤波步骤中将正确的滤波器系数应用于乘法实例6-1...6-5。
返回到图像处理中的上变换应用领域，其存在这样一个普遍的缺点上变换不产生输入图像的奈奎斯特频限(Nyquist limit)之上的频率。然而，观看者希望看到经上变换的图像的被放大的频谱中的高频分量，而缺乏这些高频分量导致经上变换的图像的感观上不清楚。
从图像处理的这个应用特定的实例中导出的本发明的总的目的是提供一种有效的提高了信号质量的数字信号采样率变换方法。
为了实现本发明的目的，提出了一种对数字信号的组合的采样率变换和增益控制滤波的方法，其中一个输入信号被转换成一个已滤波输出信号，该方法包括以下步骤利用一个第一多相位滤波器对该输入信号进行滤波以产生一个第一中间信号；利用一个第二多相位滤波器对该输入信号进行滤波以产生一个第二中间信号；将一个增益控制信号与所述第二中间信号相乘以产生一个第三中间信号；以及将所述第三中间信号与所述第一中间信号相加以产生所述输出信号。
对第一和第二多相位滤波器的使用实现了对输入数字信号的采样率变换和双重滤波。在第一和第二多相位滤波器的设计中，第一和第二多相位滤波器的滤波器相位可以被选择成相等以便获得相同采样率变换，同时可以利用固定第一和第二多相位滤波器的滤波器特性时的自由度来实现显著不同的滤波器功能，其中这些滤波器是由它们的系数限定的。例如，如果第一多相位滤波器被实施为用于内插的低通滤波器，那么第二滤波器可以被设计成对已选择的频率范围进行放大以便提高信号质量。与第二中间信号相乘的增益控制信号控制第三中间信号的幅度，并且防止总的输出信号携带更多噪声和过分地被限幅。在没有增益控制的情况下，两个多相位滤波器的系数可以被组合，并且对于采样率变换和滤波仅需要一个多相位滤波器。然而，对第二滤波器的动态控制不再可能，并且输出信号的动态范围将变得不可控制并因此在感观上没有吸引力。
根据本发明，其具有这样的优点第一多相位滤波器在频域中具有低通滤波器的特性。因此第一多相位滤波器作为一个低通内插滤波器工作。
另一个优点是第二多相位滤波器在频域中具有带通滤波器的特性。第二多相位滤波器的带通滤波器特性仅放大数字信号的高频分量，以便在总的输出信号中，第一中间信号中的可感觉出缺乏的高频分量通过与第三中间信号(即增益控制的第二中间信号)相加来补偿。如果本发明被应用于图像处理，那么第二多相位滤波器的带通特性实现了峰化方法乃至非线性亮度跃变改善(LTI)。然而，这些峰化和LTI方法放大甚至产生了新的高频分量，并可能使得锐化的输出信号超过其指定的动态范围，从而导致输出信号携带更多噪声或者被过分地限幅。因此，在加到第一中间信号去之前，第三中间信号的动态范围被增益控制信号控制。
根据本发明，另一优点是增益控制信号是从通过利用第三多相位滤波器对输入信号进行滤波而产生的信号导出的。如果本发明被应用于图像处理，那么第三多相位滤波器的系数可以被设计成获得与第一和第二多相位滤波器延时相同的延时，并被设计成获得实现为每一个第二中间信号值导出一个增益控制值的功能的滤波器特性，例如边缘陡度检测器。
增益控制信号优选地是从具有微分滤波器特性的多相位滤波器中导出的。在图像处理的情况中，这样一个微分滤波器实现了例如边缘陡度检测器。
根据本发明，用于多相位滤波器的每一个乘法抽头的滤波器系数优选地被存储在查找表中，并响应于一个相位信号被周期地读出。
根据本发明的组合的采样率变换和增益控制滤波方法的一个有效的实施方式的特征在于，各多相位滤波器共用相同的移位寄存器。在每一个寄存器代表一个昂贵的行存储器的垂直电视信号处理的领域中，这是非常恰当的。
如果输入信号是视频信号，那么优选地在所述输入信号被多相位滤波器滤波之前通过伽马校正将所述输入信号转换成线性光域，并通过反伽马校正将所述输出信号转换回伽马域。在线性光域中的滤波减小了混叠现象。此外，第二多相位滤波器的特性(LTI和峰化)被改善。
如果输入信号是视频信号，优选地可以在至少第一和第二多相位滤波器中对寄存器的每一个输出值执行伽马校正，并通过反伽马校正将所述输出信号转换回伽马域。然后寄存器输出值被馈送到多个伽马校正电路，以便在组合电路5对伽马校正后的寄存器输出值进行组合之前实现从伽马域至线性光域的转换。在线性光域中的滤波减小了混叠现象。此外，第二多相位滤波器的特性(LTI和峰化)被改善。伽马校正通常增加了视频信号的字长，因此，在寄存器之前应用伽马校正意味着所有寄存器必须做得更大并因此更昂贵。利用设置在寄存器后面的伽马校正电路进行多次伽马校正更廉价。这只有在可以获得廉价的伽马校正电路近似时才能实现。在寄存器后面应用伽马校正的另一个好处是用于边缘检测的第三多相位滤波器可以有利地保持工作在伽马域中而不是工作在线性光域中。然后，对输出信号执行一次反伽马校正。
根据本发明的方法在电视图像处理领域中的一个优选应用的特征在于所述输入信号是一个标准清晰度电视(SDTV)信号，所述输出信号是高清晰度电视(HDTV)信号，所述第一多相位滤波器执行空间缩放，所述第二多相位滤波器执行峰化和/或LTI，以及所述第三多相位滤波器执行边缘陡度检测。因此，可以在只具有HDTV的高分辨率显示器上收看SDTV信号，这些显示器包括阴极射线管(CRT)和矩阵显示器。
根据本发明的第一实施例，提供一种用于数字信号的组合的采样率变换和增益控制滤波的设备，其中一个输入信号被转换成一个经滤波的输出信号，该设备包括一个移位寄存器，该移位寄存器包括多个被一个移位使能信号联合控制的、用于存储所述数字信号的连续值的寄存器；用于将每一个寄存器的输出与第一类滤波器系数相乘以及将这些乘积相加从而产生一个第一中间信号的电路；用于将每一个寄存器的输出与第二类滤波器系数相乘以及将这些乘积相加从而产生一个第二中间信号的电路；用于将该第二中间信号与一个增益控制信号相乘从而产生一个第三中间信号的电路；用于将该第一和第三中间信号相加从而产生所述输出信号的电路；以及用于响应于一个相位控制信号周期地改变该第一和第二类滤波器系数的装置。该第一和第二类滤波器系数可以被独立地调节，以便利用不同的频域滤波器特性执行采样率变换和双重滤波，其中该增益控制信号防止该第三中间信号超过一个规定的动态范围。第一和第二多相位滤波器共享相同的移位寄存器，但是使用不同的滤波器系数。
根据本发明的第一实施例，该第一类滤波器系数被选择成使得滤波器DC增益总是为1。将滤波器DC增益固定为1是低通滤波器可以实现内插的最低要求。
根据本发明的第一实施例，该第二类滤波器系数被选择成使得滤波器DC增益接近0。将第二多相位滤波器设计为零DC增益实现了一个简单的带通滤波器。在图像处理情况中，这样一个带通滤波器适用于对输入信号的LTI和峰化，其中第二多相位滤波器的谐振频率相对于输入信号的频谱来说是恒定的。
根据本发明的第一实施例，该设备包括用于将每一个寄存器的输出与第三类滤波器系数相乘以及将这些乘积相加从而产生一个作为所述增益控制信号的基础的信号的电路。
第三类滤波器系数被设计成导出一个信号，该信号作为对于加权后的第二中间信号的每一个值确定增益控制信号的基础，其中第三多相位滤波器的延时可以等于第一和第二多相位滤波器的延时，并且其中该第三多相位滤波器的滤波器特性实现了产生作为所述增益控制信号的基础的基信号，例如在图像处理的应用领域中的边缘陡度检测器的情况。然后，可以通过形成绝对值、应用非线性电路(例如查找表)以减小最陡边缘的峰化以及应用核化功能来减小噪声信号的峰化，以便从第三多相位滤波器输出的信号中导出增益控制信号。
根据本发明的第二实施例，提供一种用于数字信号的组合的采样率变换和增益控制滤波的设备，其中一个输入信号被转换成一个滤波后输出信号，该设备包括一个移位寄存器，该移位寄存器包括多个被一个移位使能信号联合控制的、用于存储所述数字信号的连续值的寄存器；用于形成相邻寄存器的输出之间的差、将这些差与第一类滤波器系数相乘以及将这些乘积与至少一个寄存器的输出相加从而产生一个第一中间信号的电路；用于将所述差与第二类滤波器系数相乘以及将这些乘积相加从而产生一个第二中间信号的电路；用于将该第二中间信号与一个增益控制信号相乘从而产生一个第三中间信号的电路；用于将该第一和第三中间信号相加从而产生所述输出信号的电路；以及用于响应于一个相位控制信号周期地改变该第一和第二类滤波器系数的装置。该第一和第二类滤波器系数可以被独立地调节，以便利用不同的频域滤波器特性执行采样率变换和双重滤波，其中该增益控制信号防止该第三中间信号超过一个规定的动态范围。第一和第二多相位滤波器共享相同的移位寄存器，但是使用不同的滤波器系数。在与滤波器系数相乘之前形成不同寄存器的输出之间的差确保了第二多相位滤波器的DC增益为0。第一多相位滤波器还利用这些差进行操作，但另外包括一个DC路径，该DC路径由至少一个寄存器的输出与各寄存器输出的加权差的和相加来表示。本发明的第二实施例因此包括一个第一低通多相位滤波器和一个第二带通多相位滤波器。
根据本发明的第二实施例，该设备包括用于将所述差与第三类滤波器系数相乘以及将这些乘积相加从而产生一个作为所述增益控制信号的基础的信号的电路。
第三类滤波器系数被设计成导出一个信号，该信号作为对于加权后的第二中间信号的每一个值确定增益控制信号的基础，其中第三多相位滤波器的延时可以等于第一和第二多相位滤波器的延时，并且其中该第三多相位滤波器的滤波器特性实现了产生作为所述增益控制信号的基础的基信号，例如在图像处理的应用领域中的边缘陡度检测器的情况。然后，可以通过形成绝对值、应用非线性电路(例如查找表)来减小最陡的边缘的峰化以及应用核化功能来减小噪声信号的峰化，来从由第三多相位滤波器输出的信号中导出增益控制信号。
根据本发明第一和第二实施例，该设备进一步包括用于响应于一个相位控制信号产生第一和第二类滤波器系数的查找表。
根据本发明的第一和第二实施例，特别是在图像处理应用中，该设备优选地包括一个用于对所述输入信号进行伽马校正的伽马校正电路和一个用于对所述输出信号进行反伽马校正的反伽马校正电路。该伽马校正电路将输入信号从伽马域转换到线性光域。在线性光域中的滤波减小了混叠现象，并提高了第二多相位滤波器的性能(LTI和峰化)。接着利用反伽马校正电路对输出信号执行反伽马校正。
根据本发明的第一和第二实施例，特别是在图像处理应用中，该设备优选地包括多个用于对所述寄存器的输出进行伽马校正的伽马校正电路，以及一个用于对所述输出信号应用反伽马校正的反伽马校正电路。各寄存器输出被馈送到伽马校正电路，以便实现从伽马域转换到线性光域。在线性光域中的滤波减小了混叠现象。此外，第二多相位滤波器的性能(LTI和峰化)被提高了。伽马校正通常增加了视频信号的字长，因此，在寄存器之前应用伽马校正意味着所有寄存器必须做得更大并因此更昂贵。利用设置在寄存器后面的伽马校正电路进行多次伽马校正更廉价。这只有在可获得伽马校正电路的廉价近似时才能实现。在寄存器后面应用伽马校正的另一个好处是用于边缘检测的第三多相位滤波器可以有利地保持工作在伽马域中而不是工作在线性光域中。然后，对输出信号执行反伽马校正。反伽马校正电路必须实现前面的伽马校正电路的准确的逆功能，即使伽马校正电路只是近似的伽马校正电路。由于反伽马校正只执行一次，因此它可以设计得更昂贵一点。
本发明的第一和第二实施例在电视图像处理领域中的优选应用的特征在于所述输入信号是一个标准清晰度电视(SDTV)信号，而所述输出信号是一个高清晰度(HDTV)信号，所述第一类滤波器系数执行空间缩放，所述第二类滤波器系数执行峰化和/或LTI，以及所述第三类滤波器系数执行边缘陡度检测。
本发明还涉及一种可直接加载到数字计算机的内部存储器中的计算机程序产品，其包括各软件代码部分，当所述产品在计算机上运行时，所述软件代码部分执行权利要求1所述的各步骤。
从下文中本发明的这些和其它方面将变得明显，并且将结合下述的实施例对本发明的这些和其它方面进行阐述。在附图中图1是一个多相位滤波器的一般结构，图2是根据本发明的对视频信号的组合的采样率变换和增益控制滤波的方法的示意图，图3是根据本发明的用于视频信号的组合的采样率变换和增益控制滤波的设备的第一实施例，以及图4是根据本发明的用于视频信号的组合的采样率变换和增益控制滤波的设备的第二实施例。
注意，在不同附图的各部件的标号中，每一个重复的部件总是用相同的附图标记来标示。
图2是数字信号的组合的采样率变换和增益控制滤波的方法的示意图，其中将视频信号9的Y(亮度)分量的垂直采样率变换和垂直峰化作为例子。图2的结构包括多个存储输入视频信号9的几个相邻行的行存储器10-1...10-6，其中输入视频信号9由图像元素(像素)的行和列组成。注意，取决于电视系统，可以应用大于2的任何数量的行存储器，而不是应用本实例的六个行存储器。在此，只考虑垂直图像处理，因此，只有行存储器10-1...10-6的相同列中的垂直相邻的像素经过采样率变换和峰化。存储在行存储器10-1...10-6中的垂直相邻的像素接着被多相位滤波器组11滤波，该滤波器组包括三个多相位滤波器，用于垂直缩放11-1、垂直峰化11-2和垂直动态的计算11-3。这些多相位滤波器分别产生一个第一中间信号12、一个第二中间信号13和一个增益控制信号14。借助于一个乘法器实例15，将第二中间信号13与增益控制信号14相乘以产生一个第三中间信号16，借助于一个加法实例17，将该第三中间信号与第一中间信号相加以最终产生已缩放并峰化的输出信号8。
通过将第一多相位滤波器11-1实施为低通滤波器、将第二多相位滤波器11-2实施为带通滤波器并且将第三多相位滤波器11-3实施为微分滤波器来实现组合的采样率变换(垂直缩放)和增益控制滤波(峰化)。于是第一中间信号12代表一个现有技术已知的已缩放并低通滤波的输出信号，其缺乏原始输入信号频谱的奈奎斯特频限之上的高频。通过将经过峰化的第二中间信号13加到第一中间信号12中去，在和信号中至少实现对奈奎斯特频限下面的频率分量的提升，并因此实现图像质量的人为改善。利用非线性LTI，可以产生更高的谐波，从而对和信号的空频谱进行填充。为了将和信号的动态增益保持在技术上可行的范围内，以及为了防止和信号中的过分的图像限幅和噪声增加，将第二中间信号13与增益控制信号14相乘，并且将所得到的第三中间信号16与第一中间信号12相加。该增益控制信号是通过将第三多相位滤波器11-3实施为边缘陡度检测器来从垂直图像动态中导出的。于是高频提升仅在信号的显著边缘幅度上发生，以避免噪声增强。所有的三个多相位滤波器11-1...11-3使用相同的寄存器。各多相位滤波器的滤波器系数被限定成使得对于一个周期中的每一个滤波步骤，各多相位滤波器的频域滤波器特性近似相同，并使得各滤波器相位响应于相位控制信号i周期地改变，以便实现对垂直相邻的像素的再采样，从而最终允许进行采样率变换。图2中未示出的移位使能信号3确保行存储器10-1...10-6正确地移位，以便在一个周期的每一个滤波步骤中实现滤波器系数和移位寄存器(行存储器)像素内容的正确匹配，这包括在一个周期的某些滤波步骤中不对行存储器的像素内容进行移位的步骤，从而使能够进行上变换(增加采样率)。并行地实施缩放和峰化的一个好处是可以将峰化多相位滤波器的谐振频率放置在原始图像中的总是存在重要内容的高频上。这个频率不依赖于上变换比例。相反，如果缩放和峰化是在一个两步骤过程(先缩放，接着峰化)中执行的，那么峰化滤波器必须适应于上变换比例，以便保持增强相同的原始频率。如已论述的那样，只有通过增强原始图像包含的最高频率，才能通过对经上变换的图像进行峰化来得到锐度。然而，利用非线性方法(例如LTI)可以产生这类频率的更高谐波，以图在上变换之后对更宽的频谱进行填充。
图3描述了根据本发明的用于视频信号的组合的采样率变换和增益控制滤波的设备的第一优选实施例。图3描述了一个移位寄存器1，其包括寄存器1-1...1-4并响应于移位使能信号3而被操作。输入信号4被馈送入移位寄存器1，该输入信号代表由一个视频流的像素、行和帧组成的输入视频信号。移位寄存器1因而代表一列如图1所示行存储器组。注意取决于电视系统，移位寄存器1可以采用大于2的任何数量的寄存器，而不是这个具体实施例中所描述的4个寄存器。还要注意的是移位寄存器1的功能同样可以由具有旋转多路复用器开关的环形缓冲器或其它可控制的存储设备来提供。
每一个寄存器的输出被传输经过伽马校正电路19-1...19-4，从而产生一个经伽马校正的寄存器输出信号，并且该信号接着被输送到一个包含乘法实例6-1...6-4的加权块20中，其中将每一个经伽马校正的寄存器输出信号与一个滤波器系数a1(i)...a4(i)相乘，并且其中接着借助于加法实例7-1...7-3将加权后的经伽马校正的寄存器输出信号相加，以产生第一中间信号12。移位寄存器1和第一加权块20合在一起代表如图1中介绍的第一多相位滤波器。然而应注意，在此不需要图1中的组合电路5。
提供了具有乘法实例6-1...6-4、滤波器系数b1(i)...b4(i)以及加法实例7-1...7-3的第二加权块21，其提供第二中间信号。移位寄存器1和第二加权块21合在一起代表第二多相位滤波器，其产生第二中间信号13。
第三多相位滤波器未在图3中示出，其包括移位寄存器1和第三加权块。这个多相位滤波器是增益控制实例的一部分，其产生增益控制信号14，将该增益控制信号与第二中间信号13相乘以产生第三中间信号16，再借助于加法实例17将该第三中间信号与第一中间信号12相加。和信号被馈送到反伽马校正电路28中，以便最终产生输出信号8。该增益控制实例进一步包含下列部件中的一个或多个绝对值电路、用于减小由该多相位滤波器检测的最陡边缘的峰化的小的查找表或者另一个非线性功能以及用于减小噪声信号的峰化的核化电路。
现在，每一个周期中的系数a1(i)...a4(i)的总和被选择成使得DC增益总是为1，从而实现一个低通滤波器。用于一个周期的每一个滤波步骤的滤波器系数a1(i)...a4(i)是从一个利用相位控制信号i作为索引的查找表中取出的。每一个周期中的系数b1(i)...b4(i)的总和被选择成使得DC增益总是为0，从而实现一个适于峰化和LTI的带通滤波器。相应地，用于实现第三多相位滤波器的微分滤波器的系数也被存储在一个查找表中，并根据当前滤波周期被读出，以便获得对输入信号的正确延时。
伽马校正电路19-1...19-4允许在线性光域中执行垂直缩放和峰化，从而减小了垂直混叠并提高了峰化。增益控制信号的计算在伽马域中方便地执行。伽马校正通常增加了视频信号的字长，因此，在寄存器之前应用伽马校正将意味着所有寄存器1-1...1-4必须做得更大并因此更昂贵。与在寄存器1-1...1-4前面应用伽马校正相反，假设利用设置在寄存器1-1...1-4后面的伽马校正电路19-1...19-4进行多次伽马校正更廉价，如图3所示的那样。这只有在伽马校正电路19-1...19-4的廉价近似已经被设计出后才能实现。在寄存器1-1...1-4后面应用伽马校正的另一个好处是用于边缘检测的第三多相位滤波器可以有利地保持工作在伽马域中而不是工作在线性光域中。反伽马校正电路28必须实现前面的伽马校正电路19-1...19-4的准确的逆功能，即使该伽马校正电路只是一个近似的伽马校正电路。由于反伽马校正只执行一次，因此它可以设计得更昂贵一点。
图4示出了根据本发明的用于视频信号的组合的采样率变换和增益控制滤波的设备的第二优选实施例。图4描述了一个移位寄存器1，其包括寄存器1-1...1-4并响应于一个移位使能信号3而被操作。输入信号4代表由一个视频流的像素、行和帧组成的输入视频信号，其被馈送到移位寄存器1中。移位寄存器1因此代表一列如图1所示的行存储器组。注意取决于电视系统，移位寄存器1可以采用大于2的任何数量的寄存器，而不是这个具体实施例中所描述的4个寄存器。还要注意的是移位寄存器1的功能同样可由具有旋转多路复用器开关的环形缓冲器或其它可控制的存储设备来提供。每一个寄存器的输出被输送经过一个伽马校正电路19-1...19-4，从而产生一个经伽马校正的寄存器输出信号。一个组合电路5借助于倒相器实例22-1...22-3和加法实例23-1...23-3成对地形成两个相邻的经伽马校正的寄存器输出信号的差，并将最后得到的差信号以及未被改变的第一经伽马校正的寄存器输出信号输送到一个包含乘法实例6-1...6-3的加权块24中，其中将由组合电路5输出的差信号与滤波器系数a1(i)...a3(i)相乘，并接着借助于加法实例7-1...7-3将加权后的差信号与来被改变的第一经伽马校正的寄存器输出信号相加，以产生第一中间信号12。移位寄存器1和第一加权块20合在一起代表如图1中介绍的第一多相位滤波器。注意，在加权块24内，未被改变的第一经伽马校正的寄存器输出信号不与系数相乘，而是被直接加到加权后的差信号的和中去。这个路径以数字25标示。然而，为了保持如图1所介绍的多相位滤波器的形式定义，这个路径25同样可被设想为与一个恒定的权重a0(i)＝1，i＝1...N相乘的加权块输入值。这个单位权重很明显节省了一个查找表和一个乘法实例，并甚至因此提高了性能。
与第一加权块24相应，提供了具有乘法实例6-1...6-4、滤波器系数b1(i)...b3(i)以及加法实例7-1...7-3的第二加权块26。移位寄存器1和第二加权块26合在一起代表第二多相位滤波器，其产生第二中间信号13。注意，在第二加权块26中，未被改变的第一经伽马校正的寄存器输出值未被加到加权后的差信号的和中去。相应的路径由数字27标示，并且依照图1中所示的多相位滤波器的定义，这个路径可以被解释为与恒定权重b0(i)＝0，i＝1...N相乘的加权块输入值。这个0权重很明显节省了一个查找表、一个乘法实例和一个加法实例，并甚至因为DC增益被保证为0而提高了性能。
图4中未示出的第三多相位滤波器由一个移位寄存器1和一个第三加权块组成。这个多相位滤波器是增益控制实例的一部分，该增益控制实例提供增益控制信号14，将该增益控制信号14与第二中间信号13相乘从而产生第三中间信号16，然后借助于加法实例17将该第三中间信号与第一中间信号12相加。接着，和信号被馈送到反伽马校正电路28中，以便最后产生输出信号8。该增益控制实例进一步包含下列部件中的一个或多个绝对值电路、用于减小多相位滤波器检测到的最陡边缘的峰化的小查找表或另一个非线性功能、以及减小噪声信号的峰化的核化电路。
第一加权决24中的路径25代表DC路径，而乘法实例6-1...6-3对代表AC信号的相邻的经伽马校正的寄存器输出信号中的成对差信号进行操作。通过将DC路径25的信号加入到加权后的信号，实现了低通滤波器。
用于一个周期的每一个滤波步骤的滤波器系数a1(i)...a3(i)是从利用相位控制信号i作为索引的查找表中取出的。
在第二加权块中不存在DC路径，并且乘法实例6-1...6-3对只代表AC信号的相邻的经伽马校正的寄存器输出信号中的成对差信号进行操作。因此，第二多相位滤波器的滤波器特性变成带通滤波器特性，其具有零DC增益并且适用于峰化和LTI。用于一个周期的每一个滤波步骤的滤波器系数b1(i)...b3(i)也是从利用相位控制信号i作为索引的查找表中取出的。
相应地，用于实施第三多相位滤波器的微分滤波器的系数也被存储在查找表中，并且根据当前滤波周期被读出，以便获得对输入信号的正确延时。
伽马校正电路19-1...19-4允许在线性光域中执行垂直缩放和峰化，从而减小了垂直混叠并提高了峰化。对增益控制信号的计算方便地在伽马域中执行。伽马校正通常增加了视频信号的字长，因此，在寄存器之前应用伽马校正将意味着所有寄存器1-1...1-4必须做得更大并因此更昂贵。代替在寄存器1-1...1-4之前应用伽马校正，假设利用如图4所示的设置在寄存器1-1...1-4后面的伽马校正电路19-1...19-4进行多次伽马校正更廉价。这只有在伽马校正电路19-1...19-4的廉价近似已经被设计出后才能实现。在寄存器1-1...1-4后面应用伽马校正另一个好处是用于边缘检测的第三多相位滤波器可以有利地保持工作在伽马域中而不是工作在线性光域中。反伽马校正电路28必须实现前面的伽马校正电路19-1...19-4的准确的逆功能，即使该伽马校正电路只是一个近似的伽马校正电路。由于反伽马校正只执行一次，因此可以将其设计得更昂贵一点。
权利要求
1.一种用于数字信号的组合的采样率变换和增益控制滤波的方法，其中一个输入信号被转换成一个经滤波的输出信号，该方法包括如下步骤-利用一个第一多相位滤波器对该输入信号进行滤波，以产生一个第一中间信号；-利用一个第二多相位滤波器对该输入信号进行滤波，以产生一个第二中间信号；-将所述第二中间信号与一个增益控制信号相乘，以产生一个第三中间信号；以及-将所述第三中间信号与所述第一中间信号相加，以产生所述输出信号。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于该第一多相位滤波器在频域中具有低通滤波器的特性。
3.如权利要求1-2中的一项所述的方法，其特征在于该第二多相位滤波器在频域中具有带通滤波器的特性。
4.如权利要求1-3中的一项所述的方法，其特征在于该增益控制信号是从一个通过利用第三多相位滤波器对该输入信号进行滤波而产生的信号中导出的。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于该第三多相位滤波器是一个微分滤波器。
6.如权利要求1-5中的一项所述的方法，其特征在于用于各多相位滤波器的每一个乘法抽头的滤波器系数被存储在查找表中，并且响应于一个相位控制信号而被周期地读出。
7.如权利要求1-6中的一项所述的方法，其特征在于所述各多相位滤波器共享该移位寄存器。
8.如权利要求1-7中的一项所述的方法，其特征在于所述输入信号是一个视频信号，所述输入信号在被各多相位滤波器滤波之前通过伽马校正被转换到线性光域，并且所述输出信号通过反伽马校正被转换回到伽马域。
9.如权利要求1-7中的一项所述的方法，其特征在于所述输入信号是一个视频信号，至少在第一和第二多相位滤波器中对于各寄存器的每个输出值执行伽马校正，并且所述输出信号通过反伽马校正被转换回到伽马域。
10.如权利要求1-9中的一项所述的方法，其特征在于-所述输入信号是一个标准清晰度电视(SDTV)信号，-所述输出信号是一个高清晰度电视(HDTV)信号，-所述第一多相位滤波器执行空间缩放，-所述第二多相位滤波器执行峰化和/或LTI；以及-所述第三多相位滤波器执行边缘陡度检测。
11.用于数字信号的组合的采样率变换和增益控制滤波的设备，其中一个输入信号被转换成一个经滤波的输出信号，该设备包括-一个移位寄存器，该移位寄存器包括多个被一个移位使能信号联合控制的、用于存储所述数字信号的连续值的寄存器；-用于将每一个寄存器的输出与第一类滤波器系数相乘以及将这些乘积相加从而产生一个第一中间信号的电路；-用于将每一个寄存器的输出与第二类滤波器系数相乘以及将这些乘积相加从而产生一个第二中间信号的电路；-用于将该第二中间信号与一个增益控制信号相乘从而产生一个第三中间信号的电路；-用于将该第一和第三中间信号相加从而产生所述输出信号的电路；以及-用于响应于一个相位控制信号周期地改变该第一和第二类滤波器系数的装置。
12.如权利要求11所述的设备，其特征在于该第一类滤波器系数被选择成使得其滤波器DC增益总是为1。
13.如权利要求11-12中的一项所述的设备，其特征在于该第二类滤波器系数被选择成使得其滤波器DC增益接近0。
14.如权利要求11-13中的一项所述的设备，其特征在于该设备还包括用于将每一个寄存器的输出与第三类滤波器系数相乘以及将这些乘积相加、从而产生一个作为所述增益控制信号的基础的信号的电路。
15.用于数字信号的组合的采样率变换和增益控制滤波的设备，其中一个输入信号被转换成一个经滤波的输出信号，该设备包括-一个移位寄存器，该移位寄存器包括多个被一个移位使能信号联合控制的、用于存储所述数字信号的连续值的寄存器；-用于形成相邻寄存器的输出之间的差、将这些差与第一类滤波器系数相乘以及将这些乘积与至少一个寄存器的输出相加从而产生一个第一中间信号的电路；-用于将所述差与第二类滤波器系数相乘以及将这些乘积相加从而产生一个第二中间信号的电路；-用于将该第二中间信号与一个增益控制信号相乘从而产生一个第三中间信号的电路；-用于将该第一和第三中间信号相加从而产生所述输出信号的电路；以及-用于响应于一个相位控制信号周期地改变该第一和第二类滤波器系数的装置。
16.如权利要求15所述的设备，其特征在于该设备还包括用于将所述差与第三类滤波器系数相乘以及将这些乘积相加、从而产生一个作为所述增益控制信号的基础的信号的电路。
17.如权利要求11-16中的一项所述的设备，其特征在于该设备进一步包括用于响应于一个相位控制信号产生该第一和第二类滤波器系数的查找表。
18.如权利要求11-17中的一项所述的设备，其特征在于该设备还包括一个用于对所述输入信号应用伽马校正的伽马校正电路，以及一个用于对所述输出信号应用反伽马校正的反伽马校正电路。
19.如权利要求11-17中的一项所述的设备，其特征在于该设备还包括多个用于对所述各寄存器的输出应用伽马校正的伽马校正电路，以及一个用于对所述输出信号应用反伽马校正的反伽马校正电路。
20.如权利要求14、16、18或19中的一项所述的设备，其特征在于-所述输入信号是一个标准清晰度电视(SDTV)信号，-所述输出信号是一个高清晰度(HDTV)信号，-所述第一类滤波器系数执行空间缩放，-所述第二类滤波器系数执行峰化和/或LTI，以及-所述第三类滤波器系数执行边缘陡度检测。
21.一种可直接加载到数字计算机的内部存储器中的计算机程序产品，包括软件代码部分，当所述产品在计算机上运行时，所述软件代码部分执行权利要求1所述的各步骤。
全文摘要
本发明涉及一种采样率变换方法。为了实现本发明的目的以便提供一种信号质量得到改善的对数字信号进行采样率变换的有效方法，提出了一种数字信号的组合的采样率变换和增益控制滤波的方法，其中输入信号被转换成一个经滤波的输出信号，该方法包括以下步骤利用一个第一多相位滤波器对该输入信号进行滤波，以产生一个第一中间信号；利用一个第二多相位滤波器对该输入信号进行滤波，以产生一个第二中间信号；将所述第二中间信号与一个增益控制信号相乘，以产生一个第三中间信号；以及将所述第三中间信号与所述第一中间信号相加，以产生所述输出信号。本发明的目的还由一种用于数字信号的组合的采样率变换和增益控制滤波的设备和计算机程序产品实现。
文档编号H04N5/45GK1778112SQ200480010941
公开日2006年5月24日 申请日期2004年4月22日 优先权日2003年4月24日
发明者J·H·C·J·斯特斯森, J·G·W·M·詹斯森 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司