逐行扫描技术及其应用
2000年以来，随着数字影音技术的迅猛发展，DVD产品和高清晰度的电视设备逐渐成为家庭影院消费的主流和方向。最近，各生产厂家纷纷推出采用全新逐行扫描技术高质量的电视和DVD产品，使逐行扫描技术成为影音产品中新的亮点，本文从技术角度对逐行扫描的原理和应用进行深入的分析和介绍，希望可以使广大读者更好地了解为什么逐行扫描技术将成为提高影音产品技术水平，促进家庭影院视频系统升级换代的利器。<BR>一、 现行彩电技术现状及未来发展<BR> 虽然老百姓使用的电视机更新换代很快，但是目前的电视信号传送体制自三十年代制定黑白电视标准和五十年代制定彩色电视标准以来，就再也没有发生过变化。在目前的模拟电视体制下，近年来电视机生产厂家在电视机内部，对信号的处理和显示采用了许多数字技术，有的厂家称此为“数字电视”，以至于引起社会上一番关于叫法的争论。这些数字处理技术包括采用数字梳状滤波器的亮色分离电路、亮度和色度动态增强电路、黑电平动态扩展电路、扫描速度动态调制电路、动态聚焦电路、逐行扫描电路、场频100Hz电路、画中画、丽音、图文电视、I2C总线控制等等，有效地提高了电视机的图像质量和性能。 <BR> 其实真正的数字电视是即将实现的SDTV和HDTV，它是从信号体制到接收机内部信号处理都是数字的。美国已于今年开始数字电视的播出，2006年停止模拟电视信号播出，全部实行数字信号播出。日本和欧洲基本上也是这一进程。<BR> HDTV有美国的ATSC制式和欧洲的DVB制式，中国的HDTV制式标准还没有确定，但北京和深圳已经利用某一闲置频道试播HDTV。预计2001年-2005年SDTV将首先获得迅速发展，处于SDTV和模拟电视并存阶段，2006年-2008年处于模拟电视、SDTV和HDTV并存阶段，2010彻底实现HDTV。<BR>美国ATSC组织制订的数字电视标准如下表所示。<BR>（注：场频值后加“p”表示为逐行扫描，场频值后加“I”表示隔行扫描。）<BR> 不管是现行的电视机数字改造技术还是未来的HDTV，一切都是围绕着提高清晰度进行的。我认为提高电视的清晰度在保证信号源的前提下，对电视机有三个必要条件：一是显象管制造技术的提高（使点距缩小）；二是电视机视频通道带宽的提高；三是电视机扫描频率的提高。在这三个条件中只有第三个条件用到了数字技术。对于一台电视接收机接收HDTV信号，如果不具备前两个条件仍然可以兼容接收，只不过清晰度达不到要求罢了。但是如果缺了第三个条件则根本无法接收。所以，对于普通彩电来说，要想兼容高清晰度电视，提高扫描频率是关键。另外提高电视机扫描频率对接收普通模拟信号也有改善，其道理将在下面叙述。 <BR> 目前国内各主要彩电生产厂都在大力开发这种可以兼容HDTV或SDTV的产品，被称做DPTV(Digital Progress TV)彩电，有的已经进入市场。<BR>走在数字彩电前列的杭州数源公司，其西湖HD2908、HD2909系列DPTV彩电，可作为彩电和显示器兼用的多媒体终端，机心采用了美国Trident公司的DPTV芯片，实现场频60Hz、行频38kHz逐行扫描。<BR> 夏华公司的HD-3281、HD4081、HD6481、HD7281系列DPTV彩电行扫描频率最高35kHz，SVGA模式下分辨率为800×600。<BR> TCL的DTV2000王牌彩电，清晰度可达600-800线，可与HDTV兼容。<BR> 海信的HDTV2000 163cm(64英寸)和135cm(53英寸)数字高清晰度背投彩电，图像分辨率可达1000线。<BR> 牡丹的CV2968B模拟/数字兼容多媒体DPTV彩电，用于五十周年国庆HDTV转播。<BR> 康佳的DVD-TV二合一数字电视在2000年美国消费电子大展获轰动。<BR> 最近，继松下、东芝之后，国内的DVD生产厂万利达、新科等也推出了逐行扫描DVD机，应用的基本上是DPTV技术，以配合多扫描显示设备使用。<BR>二、 现行模拟电视信号体系下的固有缺陷<BR> 目前世界上的NTSC、PAL、SECAM三大模拟彩色电视系统以及繁衍的多种制式，都是于五、六十年代建立的。当时考虑的是在保证图像达到一定清晰度的前提下，将每个频道的带宽尽量压缩在8MHz之内，最有效的办法就是采用隔行扫描方式，能够降低行频和帧频。即一帧完整的图像由两场组成，第一场扫奇数行，第二场扫偶数行。<BR> 由于第二场的行同步脉冲有半行的延迟，所以两个场的扫描线互不重叠，再由于显象管的余辉和人眼不敏感，使我们能够看到一帧完整的图像。对于PAL制视频信号来说，场频为50Hz，对于NTSC制信号来说，场频为60Hz。通常我们都说PAL制电视图像是625线，每场只扫描312.5行，对NTSC制是525线，每场只扫262.5行。<BR>选择上述行场频率是在当时的经济、技术条件下的折中考虑，虽然使传输方便了，但图像质量有很大缺陷。它们是：<BR>（一）、图像分辨率差。<BR> 水平分辨率与信号带宽直接有关。如对NTSC制，亮度信号受带宽限制，规定只取频率为4．2MHz以内的分量，这本身大约能提供350线的分辨率。实际上由于现有的亮色复用的兼容制度，在分离亮度信号时对色度信号的陷波，亮度信号带宽仅有3MHz，水平清晰度不足270线。即使采用梳状滤波器进行亮色分离，也只能提高到330线。对于PAL制也只有400线左右。<BR> 垂直清晰度与扫描行数有关。如对PAL制，一帧的扫描行为625，显示行（即正程）为575行。由于像素位置与扫描线的随机关系，能分辨细节的线数要比扫描行低30%。再由于采用隔行扫描，对于有垂直移动的景物，又要失去一部分垂直清晰度。所以PAL制的垂直分辨率约为300线。<BR>这种图像分辨率对目前发展的大屏幕电视及近距离观看来说显然是不够的。<BR>（二）、屏幕大面积闪烁。<BR> 人眼对闪烁的敏感是随着亮度的增加而加剧，一般亮度下，人眼的临界闪烁频率约为45．8Hz。对于目前的电视体制，尤其是PAL制，由于人眼的视觉惰性，一般情况下不会出现图像闪烁的感觉。但是50Hz相对临界闪烁频率裕量不大，当图像亮度较大时，闪烁相当明显。如果从帧频的角度来看，还在临界闪烁值之下。<BR>（三）、行间闪烁。<BR> 当一帧图像上相邻两行正好为一黑一白时，它们被两场分别扫描，则它们是以25Hz帧频显示，对人眼会产生行间闪烁。<BR>（四）、行蠕动。<BR> 当行同步不够稳定时，将使隔行扫描线不能保持严格的镶嵌位置，则两场图像就会发生“并行”或“跳行”，表现为行的光栅上下移动。另外，PAL制采用逐行倒相制，使色差信号（R—Y）每行相位变换180°，当色度电路调整不当或有串色时，会形成相邻两行彩色幅度不等，由于扫描线由上而下，会使视觉上形成彩色向上逐行爬动现象。<BR>（五）、由物体快速运动引起的图像模糊。<BR> 由于一帧图像由两场构成，当物体运动较快时，两场的物体轮廓已发生错位，表现为垂直的边沿或倾斜的边沿出现锯齿状，或物体的边缘发“花”。<BR>由此看来模拟电视体制的很多弊病都是由于隔行扫描引起，应该说是无法克服的，但是在电视接收机中应用数字技术可以来弥补。<BR>三、 提高电视机扫描频率的几种途径<BR> 目前用于模拟彩电提高扫描频率有三种方式：一种是提高场频；一种是将隔行扫描变逐行扫描；一种是既逐行扫描又提高场频。<BR>（一）、场频加倍<BR> 前面已经提到，由于场频低引起图像闪烁，这对PAL制尤为明显，因此就要想办法提高电视机显示的场频。目前都采用对场频加倍的方法，既对PAL制场频提高到100Hz，对NTSC制提高到120Hz。飞利浦、东芝和国产的创维已经推出100Hz彩电上市。<BR> 实际电路应用较多的是飞利浦的AABB方式，就是在扫描完一场之后，再重复扫一遍上一场的信号。<BR> 把一场信号按照50Hz的时钟存在一个场储存器中，再以100Hz时钟读出显示。当然由于写入与读出的速度不匹配，还必须加入缓存，总共需要两个场存储器完成扫描变换的任务。见图2，时刻1、2之间的间隔是20ms（1/50s）。在将A写入场存1的同时，用2倍的主时钟速度读场存2两遍；接下来将B写入场存2的同时，再用2倍主时钟速度读场存1两遍。这样变换后的图像要比原始信号延迟20ms，形成的图像每场仍是312．5行，组成完整的画面仍是靠隔行扫描。但场频提高到100Hz，所以行频也提高了一倍。<BR> 由于这些处理都是对数字形态的Y、U、V信号进行处理的，所以输入的视频信号必须先解码成Y、U（B-Y）、V（R-Y），再按照4：1：1的格式进行A/D转换，处理完后还要进行D/A转换，还原成扫描频率加倍的模拟Y、U、V信号，供显示用。<BR> 在对模拟彩电的提高扫描频率的数字化处理中，飞利浦公司的技术一直处于领先状态。其已经推出数种视频数字处理芯片适用于提高扫描频率电路。现对它们做一介绍：<BR> 1、SAA4977H 是飞利浦于1998年推出的专用于提升场频的集成电路，可将50Hz场频提高到100Hz，或60Hz场频提高到120Hz。它可以接受模拟YUV信号，内有前级滤波器、三路8比特A/D转换器，直接将YUV转换为4：1：1的数字信号供给外部的场存储器。它内部还集成了80C51单片机，可以提供时钟控制和存储管理。内部还有16K ROM和256K RAM，有I2C总线接口。该芯片还带有三路10比特D/A转换器，直接输出场频加倍了的YUV模拟信号。<BR> 2、SAA4955TJ 这是飞利浦最新的、专为场频转换所用的场存储器，存储量为2．9M，同时也可以应用在画中画和数字梳状滤波器中。它存储的字节是按12位设计的，正好适用于Y、U、V的数字信号。这里存储的YUV的数字形态是按4：1：1方式，即Y是8比特，U和V各为2比特。它可以存储245772个字节的12位信号，亦即可以存两场的数字信号。<BR> 3、SAA4990H 这是飞利浦最重要的一个扫描频率变换芯片。它于1997年推出，不仅可运用于场频加倍，还可以用于下面要谈到的逐行扫描，使每场的262．５线提高到525线，或312.5线提高到625线。但应注意场频加倍和逐行扫描并不是同时的。该芯片的另一个重要特性是噪声抑制功能，能消除行间闪烁、彩色爬行、垂直抖动等，具有移动相位检测和非平衡8比特同步收发接口。<BR> 4、SAA4992H 这是飞利浦最先进的视频处理芯片，是在SAA4990H和SAA4991WP基础之上的全数字、适用于全球制式的的场频和行扫描变换的单片IC。它具有运动补偿、电影模式处理动态噪声抑制功能。SAA4992H的内部结构如图6和图7所示。<BR> 应该说明的是，用AABB的方式，即只是重复前一场的插入方式是一种最简单的场频加倍方式，这对于静止图像或运动较慢图像效果还可以，如果是快速运动图像，即A、B差异较大时，则图像清晰度没有提高。飞利浦自SAA4991芯片以后应用了一项被称为“自然运动补偿”（ Natural Motion）的技术，它用的是AABB的插入方式。A场是根据A场和B场运算出的新场，如此一来，运动图像就显得圆滑多了。<BR> 飞利浦逐年推出应用扫描频率变换技术的彩电机芯，命名为MK系列，分为经济型、中档型和高档型。最新的是高档型MK9系列，应用了SAA4992H，不过国内还见不到，国内市场上可见到的只有苏州飞利浦合资厂的经济型的MK8机芯，仅用了SAA4977H，（中档型的MK8机芯添上了SAA4990H），仅有场频100Hz功能，不带逐行扫描。<BR>（二）逐行扫描<BR> 变隔行扫描为逐行扫描最简单的就是象加倍场频一样，将上一行再重扫一遍，这样场频不变，而行频加倍。完成这一功能原理上需要两个行存储器即可，如图8所示，在一个行周期中，将已经数字化的一行信号H1以主时钟的速率存入行存储器1中，同时以两倍的主时钟速度读取行存储器2的内容两遍，以下类推，这样变换后的一场图像行扫描数加倍，行频也加倍，而场频不变。<BR> 存储和处理的行信号是以YUV或RGB形式，根据处理精度的不同有4：4：4、4：2：2或4：1：1等格式。按照国际组织的统一标准，存储的主时钟频率为13．５MHz。<BR> 因为很多逐行扫描处理芯片并不是简单地重复上一行，而是进行一些相关运算，使插入的行更合理，这样运算时间有可能不够，所以一般实际电路需要3个行存储器作为缓冲。 <BR> 目前国内外产品中用于逐行扫描处理芯片较多的是加拿大GENESIS公司的gmVLX1A-X，它在松下、先锋以及国内万利达、新科的逐行扫描DVD机中都可见到。它除具有逐行扫描功能，还有电影模式处理、4：3和16：9的互换、伽玛系数矫正、亮度、对比度、色调控制等诸多功能，是一款性价比较高芯片。<BR> 由此看来，不管是场频加倍，还是逐行扫描，方法简单，在电路上实现并不难。如电脑市场卖的较多的TV—PC转换器，其输出是31．5kHz行频的VGA信号，就是一种简单的逐行扫描变换器。所谓难就是在处理过程中用了大量的滤波器和算法，来改善图像质量，这些算法每家公司都有自己的“绝活”，一般都不会公开。 <BR>(三）既逐行扫描又提高场频<BR> 这种方法在采用逐行扫描的同时，将场频提高到原来的1．２或1．５倍。如对PAL制，行扫描为逐行，场频变为60Hz或75Hz，则行频升为３8kHz或47kHz。把奇数场和偶数场信号依次写入两个场储存器中，再在1/60秒或1/75秒的时间里，以更高的主时钟速率，交替从两个场存储器读出行信号，按奇偶顺序逐行显示。这种方式可以保持电视信号帧的原来显示顺序，不用作内插，具有最佳的清晰度，但需要4场储存器。<BR> 目前国内各彩电生产厂即将推出市场的DPTV彩电就是用了这种处理方式，而使用的视频处理芯片是美国Triden公司提供的。<BR> 提到Trident，熟悉计算机的人应该对其几年前颇为流行的8900显示卡仍记忆犹新。Trident公司是世界著名的多媒体芯片设计公司，由华人科学家林建昌创建于1987年，总部设在美国硅谷。在过去的十年中，Trident已跻身于世界最大的图形芯片生产商之一，成为世界一流的桌面和便携机图形加速器供应商。<BR> 1998年，Trident在上海成立了独资企业，称为泰鼎多媒体技术（上海）有限公司，专门在国内推广其研制的D系列视频芯片（包括DPTV、DDM、iDTV、HDTV）。其第一代产品--数字处理电视芯片DPTV已投入市场，它是Trident把硅谷的顶尖技术和以往在计算机图形和多媒体领域取得的成功经验融合到数字电视的IC设计中，研制出的世界顶级芯片；也是目前世界上功能最强的从DPTV到HDTV的专用IC，已得到了世界各国彩电业界的一致好评。Trident公司针对中国市场的消费层次，今年同时推出了"霸王型"、"极品型"、"商务型"、"精英型"和"小康型"5种DPTV应用方案。D系列的第二代产品，可用于DTV和STB中的iDTV芯片正在研发中。<BR> 泰鼎研制的DPTV芯片在彩电上的应用方案如图11所示。芯片中采用大容量帧存作扫描格式转换，把隔行可以转换成逐行60～75Hz场频，或隔行100Hz；扫描分辨率可以编程，与电视制式无关，用5行梳状滤波器作Y/C分离和色度解码，具有数字降噪，轮廓校正，画面无级缩放，PIP、POP、多画面、16色半透明图形OSD，具有14D动态画质增强效果，有复合、Y/C，分量，SVGA和MPEG数字接口，用0.35μs工艺制造，208脚PQFP封装形式，这是目前世界上功能最强的DPTV专用IC。过去先进的IC总是先用在国外机型上，然后才引入我国，这块IC将首先应用在我国生产的电视机上，从而使国产DPTV第一次有了挑战国外先进水平的机会。
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