专利名称：高速内插滤波器及其方法
技术领域：
本发明涉及一种用于滤波的系统方法，并且具体涉及用于对数字视频信号滤波的数字滤波器。
在美国，提出了一种用于数字编码的高分辩率电视信号的标准。这种标准本质上与由国际标准组织(ISO)的活动图象专家组(MPEG)提出的MPEG-2标准相同。MPEG-2标准在ISO/IEC 13818-2，IS，11/94期上的名为“Information Technology-Generic Coding of Moving Pictures and Associated Audio，Recommendation H.626”的国际标准(IS)出版物上被描述，该期出版物可以从ISO获得，并且由于其对MPEG-2数字视频编码标准的讲述而在此将其引为参考。
MPEG-2标准实际上是几种不同的标准。在MPEG-2中，定义几种不同的轮廓，每一轮廓对应于被编码图象的复杂性的一个不同级别。对每一轮廓，定义不同的级别，每一级别对应于一个不同的图象分辩率。在一种被称为主轮廓(Main Profile)的MPEG-2“标准”中，主级别意在对符合现行电视标准(即NTSC和PAL)的视频信号进行编码。在另一种被称为主轮廓的“标准”中，高级别意在对高分辩率电视图象进行编码。根据主轮廓、高级别编码的图象中，每个图象帧可以有多达1152条扫描线，而每条线有1920个象素。
另一方面，主轮廓、主级别标准定义了一个每一行768个象素及每一帧567行的最大图象。在每秒30帧的帧速率下，根据此标准编码的信号具有每秒13063680个象素的数据速率。通过对比，根据主轮廓、高级标准编码的图象具有每秒1152*1920*30即66355200个象素的最大数据速率。此数据速率比根据主轮廓主级别标准编码的图象数据的数据速率高5倍。为了美国的高分辩率电视(HDTV)编码而提出的标准是此种标准的一个子集，每帧多达1080行，每行1920个象素，并且对于这种帧的大小，最高帧速率是每秒30帧。这种被提议的标准的最大数据速率仍然远远大于主轮廓主级别标准的最大数据速率。
在很多情况下，具有高数据速率的高分辩率电视信号必须被滤波。然而，利用现有的技术，由于目前的滤波器芯片在速度上受限，所以难于在高数据速率下实现滤波。典型的情形是，对许多滤波操作来说，输入视频的数据速率例如是传统滤波器芯片的速度的2倍，而每一个输入抽样必须被用于生成每一个输出象素。由该滤波器产生的象素的数据速率可以等于或大于输入象素的数据速率。
为了处理高数据速率信号，传统的滤波系统可以利用存储器，以便减小数据速率或缓存(tiling)该输入象素以允许滤波器芯片能在一较低的速率下工作。然而，该滤波器所用的增加的存储器要求在集成电路上有大量的空间。另一种替换的方法是，可以估计在高数据速率信号中的数据抽样以产生具有较低数据速率的降低了分辩率的图象。
因而，希望提供一种在提高了的数据速率下工作而不使用额外的存储器来降低数据速率的滤波器系统。也希望提供一种滤波器系统，该滤波器系统不降低被滤波的图象的分辩率来使该滤波器系统可以在较低数据速率下工作。
本发明是为了实现一种对数字信号滤波以生成经滤波的数字信号的滤波系统。该数字信号具有交替的第一数据值和第二数据值。该滤波系统包括一信号分离器，该信号分离器生成一包括第一数据值的第一信号以及一包含第二数据值的第二信号。设置了一第一滤波器以对该第一信号和第二信号滤波以生成一包含经滤波的第一数据值的第一滤波信号。设置了一第二滤波器以对该第一信号和该第二信号滤波以生成一包含经滤波的第二数据值的第二数据值的第二滤波信号。一多路复用器交替地选择该经滤波的第一数据值和该经滤波的第二数据值以生成该经滤波的数字信号。
图1是根据本发明的一个示例性实施例的一个滤波系统的方框图。
图2是用于解释图1所示的滤波系统的工作的流程图。
图3是用于解释图1所示的滤波系统的工作的时序图。
图4是用于解释图1所示的滤波系统的工作的时序图。
图5是图1所示的滤波器的示例性滤波器的方框图。
图6是图1所示的滤波器的示例性滤波器的方框图。
图7是根据本发明的另一个示例性实施例的滤波系统的方框图。
图8是用于根据本发明的另一个示例性实施例的图7所示的第一和第二滤波器或者第三和第四滤波器的一个组合滤波器的方框图。
图9是根据本发明的一示例性实施例的过抽样(oversampling)滤波器的方框图。
图10是用于解释图9所示的过抽样滤波器的工作的时序图。
图11是用于解释图9所示的过抽样滤波器的工作的时序图。
图12是用于解释图9所示的过抽样滤波器的工作的时序图。
现在参考附图，其中类似的参考数码指类似的单元，图1显示了一个根据本发明的示例性实施例的滤波系统200。以下将参考图2、3和4描述图1所示的该滤波系统的工作。
一输入数字信号IN被提供至信号分离器205，IN包括数据抽样Y1、Y2，…Yi，Yi+1，其中，i＝0，1，2，3，4，…n，且n是一整数。如图2所示，在步骤300，信号分离器205将如图3所示的输入数据抽样Y1，Y2，…Yi，Yi+1分成数据抽样Yi和数据抽样Yi+1。换句话说，该信号分离器205将输入数据抽样分成偶数数据抽样和奇数数据抽样。
在步骤305，数据抽样Yi被提供至滤波器210和滤波器220，而数据抽样Yi+1被提供至滤波器215和延时单元225。延时单元225可以包括，例如一寄存器(未示出)。该延时单元225在将数据抽样Yi+1延时2个高速抽样时段后将该数据抽样Yi+1顺序地提供给滤波器230。换句话说，如果数据抽样Yi+1提供给滤波器215，则数据抽样Yi-1被提供给滤波器230。一个高速抽样时段是一数据抽样被提供至信号分离器205所用的速率。由延时单元225实现的该延时也可通过改变滤波器230的系数以体现出该延时而替换地实现。在这种情况下，该延时单元225可以被从该滤波器系统200中去除。
如图3所示，在时刻T1数据抽样Y1、Y2、Y1分别被提供给滤波器210、215和220。在时刻T2，数据抽样Y3、Y4、Y3、Y2被顺序地分别提供给滤波器210、215、220和230。此过程如图3所示，被不停地重复。滤波器210、215、220、230工作的数据抽样速率，例如，是提供至信号分离器205的数据抽样的数据速率的一半。该滤波器210、215、220和230也可以工作在较低的或较高的数据速度下，例如，如果输入数字信号被10中取1以产生具有较少象素的较低分辩率的图象，那么滤波器210、215、220和230可以在一较低的数据抽样速率下工作。这可能发生在例如将一输入数字信号以主轮廓、高级别格式转变为主轮廓、主级别格式的过程期间。
在步骤310，滤波器210、215、220和230分别生成数据抽样Z1、Z2、Z3和Z4。图5示出了滤波器210、215、220和230的一示例性实施例。图5显示了一个8抽头(8-tap)有限脉冲响应(FIR)滤波器。该8抽头滤波器包括7个寄存器501至507、乘法器510至517以及求和网络520。寄存器501至507是串联耦合的。乘法器510至517的一个输入端与寄存器501至507的另一端耦合。乘法器510至517的输出端与求和网络520相耦合。
滤波器210和215同相，并具有不同的滤波系统的系数。滤波器220和230不同相，并具有不同的滤波系统的系数。滤波器220和230之间的相位差是一个高速抽样时段。
在步骤315，加法器235将由滤波器210产生的数据抽样Z1和由滤波器215产生的数据抽样Z2相加以生成数据抽样Xm+1，其中m＝0，2，4，…，p，而p是一整数。类似地，分别由滤波器220和230产生的数据抽样Z3和Z4被加法器240相加以生成数据抽样Xm，Xm被提供至多路复用器250。由加法器235和240生成的数据抽样Xm和Xm+1由图4示出。在步骤320，多路复用器250从加法器235和240中交替地选择数据抽样Xm+1和Xm以生成经滤波的数字信号OUT，如图4所示。
通过使用这种示例性滤波系统，多个滤波器可被结合起来，并在较低速下工作以在较高数据速率下抽样和生成数字信号。该滤波系统能够以高达两倍于用于实现该滤波系统的滤波器的最快时钟速率的速率对数据进行抽样。这种实现方式没有使用附加的存储器来降低输入数字信号的数据速率。
以上描述的滤波系统可被用作内插滤波器以在输入数据抽样之间产生相位。以上描述的滤波系统也可被用作用于彩色电视摄像机中的连续和自动纠正配准误差的系统中的内插滤波器。该系统中的一种被描述于美国专利申请号08/783,214，题目是“REGISTRATION CORRECTION WAVEFORM DETERMINATION METHOD AND SYSTEM FOR A TELEVISION CAMERA”。
在此例中，图5所示的8抽头滤波器将由例如图6所示的12抽头滤波器代替用作滤波器210、215、220和230中的每一个。以下在表1、2和3中提供了适用于用于内插工作的滤波器210、215和220和230的系数值C0至C11。表1包括滤波器210和230的系数。表2包括滤波器215的系数，表3包括滤波器220的系数。对于每一个乘数C0至C11，有8个由相位(P0)至(P7)指定的相应的系数值。该系数值每4个相位重复一次。
该系数值C0至C11每个时钟周期转移一次用于抽样速率的变换。这样，例如，由相位1(P1)指定的系数将在第1时钟周期被用于系数值C0至C11。在下一时钟周期，滤波器将系数值C0至C11轮移至相位2(P2)。在下一个后续的时钟周期，滤波器轮移至相位3(P3)系数值。在每8个相位被使用了之后，过程又重新开始使用相位0的系数值。系数值C0至C11可以以不同的速率和/或以变化的速率被交替地轮移。例如，当该图象的几何形状改变了，该系数以变化的速率被轮移。
图9是根据本发明的另一示例性实施例的过抽样滤波器的方框图。在图9中，具有与图1所示的单元类似的参考数码的单元工作原理相同。除包括图1所示的单元之外，该过抽样滤波器还包括一延时405和一多路复用器410。在此实施例中，例如，有一套系数用于在原始输入数据抽样Y1、Y2、…、Yi+1之间产生数据抽样X1、X2…、Xm、Xm+1。
延时405将输入数据抽样Y1、Y2、…、Yi、Yi+1延时一段与生成数据抽样X1、X2…、Xm…Xm+1的时间相应的时间。多路复用器410交替地选择被延时的输入数据抽样Y1、…、Yi、Yi+1和由多路复用器250提供的数据抽样X1、X2、…Xm、Xm+1。
图10、11和12说明了图9所示的过抽样滤波器的工作。图10是一说明提供至多路复用器205的数据抽样Y1、…Yi、Yi+1的图。图11是一说明由多路复用器250提供的数据抽样X1、X2、…Xm、Xm+1的图。多路复用器410交替地选择图10所示的输入数据抽样Y1…、Yi、Yi+1和图11所示的由多路复用器250提供的数据抽样X1、X2、…Xm、Xm+1，以生成如图12所示的输出数字信号。如图10至12所显示的，过抽样滤波器在输入数据抽样Y1、Y2、…Yi、Yi+1之间生成数据抽样X1、X2、…Xm、Xm+1。使用具有工作在过抽样滤波器的1/4输出速率下的滤波器的一滤波系统，数据抽样X1、X2、…、Xm、Xm+1和Y1、Y2、…、Yi、Yi+1被一起多路复用以产生两倍的过抽样数字信号。
图7是该滤波系统的可替代实施例的框图。除了滤波器210、215和加法器235被滤波器700代替且滤波器220和230和加法器240被滤波器705代替之外，图7所示的滤波系统以与图1所示的滤波器相同的方式工作。
图8是实现滤波器700和705的电路原理方框图。用于实现图8所示的滤波器的一示例性滤波器被描述于1991年10月15日申请并被授予Stec等人的美国专利号5,057,911。该滤波器是-8抽头滤波器，该8抽头滤波器每隔一个滤波器抽头具有分立的延时或寄存器605a至605d以及610a至610d。
总共有四个输入延时或寄存器605a至605d用于数据抽样Yi，而且共有四个输入延时或寄存器610a至610d用于数据抽样Yi+1。乘法器620a-620d中的每一个的一个输入端口耦合在各寄存器610a～610d之后。乘法器630a-630d中的每一个的一输入端口耦合在各个寄存器605a-605d之后。乘法器620a-620d及630～630d的输出端耦合于求和网络640。求和网络640产生被提供至寄存器645的数据抽样Xm或Xm+1。寄存器645耦合至多路复用器250。
虽然在此的说明和描述参考了某些具体实施例，然而本发明并非意在限于已示的详细情况。在不背离本发明的精神的前提下，可在与权利要求等价要求的范围和界限内详细地作出各种修改。例如、虽然本发明的描述用了两套并行滤波器，然而它可以具备三套或更多套的并行滤波器。在这种情况下，每一套并行滤波器提供每三个输出数据抽样中的一个。
而且，虽然对本发明的描述是根据内插滤波系统进行的，但是所希望的是，它可被用于其它类型的滤波。另外，虽然本发明的描述是根据使用一维滤波器的示例性实施例技术的，但也可将处理并行交替数据抽样的技术用于有效地将二维或N维信号处理方法分成可以以较低的数据速率执行的处理操作。
权利要求
1.一种滤波系统，用于对一数字信号滤波以生成一经滤波的数字信号，该数字信号具有交替的第一数据值和第二数据值，该滤波系统包括信号分离器装置，用于生成包含第一数据值的第一信号和包含第二数据值的第二信号；第一滤波器装置，用于对第一信号和第二信号滤波以生成包括已滤波的第一数据值的第一已滤波信号；第二滤波器装置，用于对第一信号和第二信号滤波以生成包括已滤波的第二数据值的第二已滤波信号；及多路复用器装置，用于交替地选择该已滤波第一数据值和该已滤波第二数据值以生成该已滤波数字信号。
2.根据权利要求1的滤波系统，其中第一滤波器装置包括第一滤波器，它对第一数据值进行滤波，及第二滤波器，它对第二数据值进行滤波；及第二滤波器装置包括第三滤波器，它对第一数据值进行滤波，及第四滤波器，它对第二数据值进行滤波。
3.根据权利要求2的滤波系统，还包括装置，用于将由该第一滤波器生成的数据值与由第二滤波器生成的数据值相加，以生成第一已滤波信号；及装置，用于将由该第三滤波器生成的数据值与由第四滤波器生成的数据值相加，以生成第二已滤波信号。
4.根据权利要求2的滤波系统，还包括延时装置，用于对提供至第四滤波器的第二数据值延时。
5.根据权利要求1的滤波系统，其中该数字信号的数据速率是第一信号和第二信号的数据速率的2倍。
6.根据权利要求1的滤波系统，其中该多路复用器装置还包括，用于将数字信号和已滤波数字信号相结合以生成一过抽样信号的装置。
7.一种滤波系统，用于对一数字信号滤波以生成一经滤波的数字信号，该数字信号具有交替的第一数据值和第二数据值，该滤波系统包括第一滤波器；第二滤波器；信号分离器，具有一偶输出数据口和一奇输出数据口，每个口都耦合至第一滤波器和第二滤波器；及多路复用器，耦合至第一滤波器和第二滤波器。
8.根据权利要求7的滤波系统，其中该第一滤波器包括第一并行滤波器，它接收第一数据抽样，及第二并行滤波器，它接收第二数据抽样。
9.根据权利要求1的滤波系统，其中该第一滤波器装置和该第二滤波器装置并行工作。
10.根据权利要求1的滤波系统，其中该第一滤波器装置包括装置，用于利用该第一数据值独立地生成一第一中间信号；装置，用于利用该第二数据值独立地生成一第二中间信号；及装置，用于将第一中间信号和第二中间信号相结合以生成第一已滤波信号。
11.一种方法，用于对一数字信号滤波以生成一经滤波的数字信号，该数字信号具有交替的第一数据值和第二数据值，该方法包括以下步骤(a)将该数字信号分成包括第一数据值的第一信号和包括第二数据值的第二信号；(b)将该第一信号和该第二信号滤波以生成包括已滤波第一数据值的第一已滤波信号；(c)将该第一信号和该第二信号滤波以生成包括已滤波第二数据值的第二已滤波信号；(d)交替地选择该已滤波第一数据值和该已滤波第二数据值以生成已滤波数字信号。
12.根据权利要求11的方法，其中步骤(b)还包括以下步骤(b1)独立地对该第一数据值进行滤波，及(b2)独立地对第二数据值进行滤波；及步骤(c)还包括以下步骤(c1)独立地对该第一数据值进行滤波，及(c2)独立地对该第二数据值进行滤波。
13.根据权利权利12的方法，还包括以下步骤将在步骤(b1)生成的数据值与在步骤(b2)生成的数据值相加以生成第一已滤波信号；及将在步骤(c1)生成的数据值与在步骤(c2)生成的数据值相加以生成第二已滤波信号。
14.根据权利要求11的方法，还包括将该数字信号和已滤波数字信号相结合以生成一过抽样信号的步骤。
15.根据权利要求11的方法，其中步骤(b)包括以下步骤(b1)利用第一数据值独立地生成一第一中间信号；(b2)利用第二数据值独立地生成一第二中间信号；及(b3)将第一中间信号和第二中间信号相结合以生成该第一已滤波信号。
全文摘要
一种滤波系统,对数字信号滤波,其中该数字信号具有交替的第一和第二数据值。该系统包括一信号分离器,它生成包含第一数据值的第一信号和包含第二数据值的第二信号。第一滤波器对该第一和第二信号滤波以生成包含已滤波第一数据值的第一已滤波信号。第二滤波器对该第一和第二信号滤波以生成包含已滤波第二数据值的第二已滤波信号。一多路复用器交替地选择该已滤波的第一和第二数据值以生成已滤波数字信号。
文档编号H04N7/015GK1200600SQ9810179
公开日1998年12月2日 申请日期1998年5月8日 优先权日1997年5月9日
发明者李·迪舍特, 杰尔姆·希尔兹 申请人:松下电器产业株式会社