一種模擬廣播電視信號的數字視頻限幅的方法

2024-02-16 12:11:15

專利名稱：一種模擬廣播電視信號的數字視頻限幅的方法
技術領域：
本發明涉及一種模擬廣播電視信號的數字視頻限幅的方法，是一種數字視頻信號處理的方法，是一種用於模擬廣播電視信號發射前對數字視頻信號進行處理的方法。
背景技術：
模擬廣播電視信號在發射前，需要將基帶視頻信號調製到一個載波頻率上。由於種種原因，在調製的過程中，會出現視頻信號超標的現象，即電信號的幅度過高或過低，調製後的信號質量會受到影響，電視機接收信號後，產生解調失真，畫面質量下降，最終影響觀眾的觀看感受。因此，如何有效的消除信號超標及其所帶來的失真，成為一個重要問題。
針對信號幅度超標的問題，普遍採用幅度壓縮的方式。這種是在模擬調製之後，發射之前對信號幅度進行檢測，當發現信號幅度超標時，對調製後的模擬信號的幅度進行整體壓縮。但是由於是在調製之後進行的壓縮，這種方法存在著很多問題。在實際信號處理過程中，超標的視頻數據往往只是持續很短的一段時間，甚至只是有限的一些像素點。但是，現有的方法是在調製之後對信號進行整體幅度限制，因此會造成信號幅度整體降低，使接收端視頻畫面整體質量下降。因為幾個像素的超標而使視頻畫面整體質量下降，是一種得不償失的方法。發明內容
為解決現有技術的問題，本發明的目的是提出一種模擬廣播電視信號的數字視頻限幅的方法。所述的方法在數字視頻節目文件製作完畢後，即對數字視頻節目文件中的視頻圖像的所有像素點進行檢測，找出超標的像素點，並對這些像素點進行限幅壓縮，以確保視頻圖像的整體質量。
本發明的目的是這樣實現的一種模擬廣播電視信號的數字視頻限幅的方法，所述方法使用的系統包括音視頻解碼器、音頻數據緩存、幅度檢測器、限幅器、音視頻編碼器，所述方法的步驟如下接收音視頻文件並解碼的步驟用於接收待處理音視頻文件並在音視頻解碼器中將待處理音視頻文件解碼為音頻數據和視頻數據，然後將音頻數據送入音頻數據緩存，同時將視頻數據送入幅度檢測器檢測；幅度檢測的步驟用於幅度檢測器對視頻數據中的像素數據進行幅度是否超標的檢測並記錄，之後將視頻數據送入限幅器中並通知限幅器視頻數據超標的情況；限幅的步驟用於限幅器對超標的視頻數據進行限幅，對不超標的數據不做處理，限幅器輸出的視頻數據送入音視頻編碼器；音視頻編碼的步驟用於音視頻編碼器將收到的視頻數據與從音頻數據緩存中提取的音頻數據進行編碼形成處理後的音視頻文件，完成處理過程。
本發明產生的有益效果是本發明針對超標數據這一局部性的特點，在製作域內即預測出調製之後的電平，並據此判斷出視頻數據是否會引起調製後的電平超標，進而在電視節目文件完成編輯製作後，即對該文件的視頻數據加以檢測，對超標的像素加以限制， 將超標的問題在D/A轉換前提前解決。本發明的方法是逐像素進行的，僅僅對超標像素做限幅，不超標的則不作處理。這樣，本發明不僅從源頭上防止了調製超標的問題，而且還將對視頻數據幅度限制的影響降低到了最小，不會產生原來那種因為局部超標而對整體進行壓縮的問題，最大限度的保留了原始視頻信息，最小限度的降低對觀眾最終觀看感受的影響。


下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
圖1是本發明實施例一所述方法的流程圖；圖2是本發明實施例二所述方法的幅度檢測流程圖。
具體實施方式
實施例一本實施例是一種模擬廣播電視信號的數字視頻限幅的方法，所述方法使用的系統包括音視頻解碼器、音頻數據緩存、幅度檢測器、限幅器、音視頻編碼器。該系統可以是硬體， 也可以是軟體。如果是硬體，可以設計為專門的集成電路晶片，或使用類似可編程門陣列的晶片。如果是軟體，可以設置在音視頻處理的伺服器中使用軟體形成音視頻解碼器、音頻數據緩存、幅度檢測器、限幅器、音視頻編碼器，實現處理過程。本實施例所述系統的視頻輸入、輸出都是數位化文件化的。
音視頻解碼器本模塊位於輸入接口，將文件化的視音頻文件進行解碼，為後續的幅度檢測模塊提供YCbCr 4:2:2格式的視頻數據，同時將音頻數據從文件中分離出來。
音視頻編碼器本模塊將經過限幅處理的YCbCr 4:2:2格式的視頻數據和先前分離出來的音頻數據重新編碼成視頻文件輸出。由於限幅操作會引入延遲，因此音頻數據做了一定的緩存延遲，以保持音頻數據與視頻數據在時間上的同步。
幅度檢測器本模塊對視頻數據進行逐像素的檢測，推算該像素數據在調製之後會不會引起超標問題。並將當前像素超標與否的信號通知幅度壓縮模塊。
限幅器當確定該像素會在調製之後超標時，幅度壓縮模塊對該像素數據進行幅度壓縮；當該像素數據在調製之後不會超標時，幅度壓縮模塊對該像素數據不做任何處理。
本實施例所述方法過程如圖1所示，步驟如下接收音視頻文件並解碼的步驟用於接收待處理音視頻文件的並在音視頻解碼器中將待處理音視頻文件解碼為音頻數據和視頻數據，然後將音頻數據送入音頻數據緩存，同時將視頻數據送入幅度檢測器檢測。
幅度檢測的步驟用於幅度檢測器對視頻數據中的像素數據進行幅度是否超標的檢測並記錄，之後將視頻數據送入限幅器中並通知限幅器視頻數據超標的情況。本實施例採用一種先將單個像素數據轉換為YUV格式，然後計算色差矢量，之後計算調製後的電平峰值，最終根據設定的閾值判斷該像素數據是否超標。本實施例所採用的方式是針對單個像素的檢測，因此可以避免對整個圖像一刀切，形成整體圖像質量下降。
限幅的步驟用於限幅器對超標的視頻數據進行限幅，限幅後的視頻數據送入音視頻編碼器。限幅的方式也有多種，例如，可以對亮度信號進行壓縮，也可以對色差信號進行壓縮，還可以同時對亮度和色差信號進行壓縮。考慮到超標數據的超標幅度並不會太大， 壓縮色差信號涉及到兩個變量，且由於4:2:2的亞採樣格式的關係，還會影響到相鄰的共用一對色差信號的像素，本實施例採取一種最簡便的方式對亮度數據進行壓縮，從而達到壓縮的目的，實際中收到了不錯的效果。
音視頻編碼的步驟用於音視頻編碼器將收到的視頻數據與從音頻數據緩存中提取的音頻數據進行編碼形成處理後的音視頻文件，完成處理過程。
本實施例幅度檢測和限幅的步驟具體數據舉例。取一組像素數據Y=168，Cb=44, Cr=135。其中數據精度為8位，數值為十進位。
首先，計算Y』 UV，這個過程經過一個固定的換算公式，得出結果 Y，=152，υ=-73. 4255，V=8. 6101。
然後，計算色度矢量C的絕對值，C| = (U2+V2)172 CI =73. 9286最後，計算上限 A+=f\ (Y，)+ f2(|C|)/2 和下限 A-=KY' )-f2(|C|)/2。函數 f「Y，)與 f2 (I CI)是通過數字域的數值換算模擬域的電壓幅值(以毫伏為單位，單位符號為mV)，其中 f2(|c|)代表的調製時色度信號是正弦波，考慮到正負，計算時要除以2。經過推算，A+為 717.234 mV，而Α—為254. 4410 mV。以幅度範圍-230 mV 700 mV為例，上限超了。此時，將 A+限定在700 mV，反推回去，計算得到yh，=146，則Y= yh，+16=162。
這樣，原來Y=168，Cb=44, Cr=135的一組像素數據，經過限幅後，變為了 Y=162， Cb=44, Cr=135。對於Y的改變並不大。而這一組數據在後來的調製中，幅度將在700 mV, 而不會超標。
實施例二 本實施例是實施例一的改進，是實施例一關於幅度檢測的細化。本實施例所述幅度檢測的過程如圖2所示，包括以下子步驟提取文件中一個像素的Y、Cb、Cr像素數據，將該像素數據轉換為成YUV域的Y』 UV數 ig, Y' =Y-16, U= [ (Cb-128) /0. 564] X0. 493，V=[ (Cr-128)/0. 713] X0. 877，詳見標準 ITU-R BT. 601-4。
計算色度矢量C的絕對值I C I、亮度值對應的模擬電平量(Y』)、色度值對應的模擬電平量&(|(|)。其中c| = (u2+v2)1/2,f\(Y，)= Y，Χ3· 1963， f2 (ι CI) = C X 6. 26。
計算調製後的正電平峰值A+和負電平峰值A_。其中A+=f\ (Y，)+f2(|C|)/2，A—= f「Y，)-f2(|C|)/2。在調製時，色度信號以正弦波的形式疊加到亮度信號上，有正負，所以要除以2。
將計算出的兩個電平峰值分別與閾值的上限H和下限L做比較，判斷是否超標，即是否有上限超標A+>H或下限超標A_<L。如果超標則標記為超標並標記出是上限超標還是下限超標，如果不超標則不做標記，然後回到「提取一個文件中一個像素的Y、Cb、Cr數據， 將該像素數據轉換為YUV域的Y』 UV數據」的子步驟。
本實施例設定從文件中解碼出來的像素數據是YCbCr 4:2:2格式的，其他格式可以通過必要的轉化，轉化為YCbCr 4:2:2格式，也可以應用。而實際最終進行調製的是YUV 格式的，二者之間有一個固定的矩陣換算關係(詳見標準ITU-R BT. 601-4)Y， =Y-16;U=[(Cb-128)/0. 564]X0. 493； V=[(Cr-128)/0. 713] X0. 877;為了區分二者的Y分量(數據精度為8位時，二者在數值上的偏差為16)，圖2中特意將YUV標註成了 Y』UV，以示區分。之後根據兩個色差分量U和V，算出色差矢量C的絕對值 (|c| = (u2+v2)"2)。最終調製時，是將矢量c調製到Y』上，得到模擬電平f\(Y』) ^p f2(|c|) f\(Y，)=Y，X 3. 1963 f2(|C|) = |C| X6. 26;其中係數3. 1963和6. 26體現了數字域與模擬域的映射關係。在數字域，以8比特精度為例，Y的範圍是16 235，則Y』的範圍是(Γ219，對應到700mV的模擬滿幅電平上，相當於數字域的1對應3. 1963mV ；同理，Cb和Cr的範圍是16 240，進而可以推算出U和V以及 C的範圍，係數6. 26也是經過推算出來的係數，因為在Y』和C在模擬域疊加時C有正負之分，因此在後邊還要除以一個係數2。
在調製時，色度信號對應的模擬電平&(|(|)以正弦波的形式疊加到亮度信號對應的模擬電平1化』)上，因此可以計算出某像素點調製後模擬電平的可能最高值為 f\(Y，)+ 4(|(|)/2，可能最低值為4化』)42(|(|)/2。計算出電平的最高和最低值後，即可根據設定的閾值來判斷是否超標了。這個閾值是開放給用戶的，用戶可以根據需要自己設定。本實施例推薦默認的上限是700mV，下限是-230mV。
實施例三本實施例是上述實施例的改進，是上述實施例關於限幅的細化。本實施例所述的限幅包括以下子步驟若判斷出上限超標，則將該像素點調製之後最大可能的上限電平值賦值給A+，即 A^f1 (yh，) + f2 (C) =H0根據等式反推亮度電平fi (yh，)，則fi (yh，) =H-f2 (C) /2，進而計算出該點限幅後的在YUV域的亮度值yh』，修改該像素點在YCbCr色域空間的亮度值為Y=yh』+16。
若下限超標，就設A-=^y1')- f2(C) =L，進而根據等式算出下限限幅後的亮度電平 f (y/ )，則f (y/ ) =H-f2 (C) /2，計算出該點在下限限幅後的YUV域的亮度值y/，修改該像素點在YCbCr色域空間的亮度值為Y=y/ +16。
對於判斷出沒有超標的像素點，不做處理。
上述方法可以解釋為當某像素值的f\(Y，)+ f2(|C|)/2超出上限或f\(Y，)-f2(|c|V2超出下限時，需要對像素數據進行壓縮。處理方法為將超標的(Y』 ) + f2(|C|)/2 (或f「Y，)- f2(|C|)/2)設為上限值(或下限值)，然後反著推算回YCbCr。可以對Y』進行調整，也可以對C進行調整，或者同時對二者進行調整。由於對C的調整涉及到兩個色差分量，出於處理簡單的考慮，目前系統中只對Y進行調整。實際中，由於超標像素點的超標幅度並不會特別大，而僅僅對Y進行調整的幅度也不會太大，這種影響也會非常小，在人眼可視誤差範圍內，是可以接受的。從另一個方面看，因為像素數據YCbCr採用的是4:2:2的亞採樣格式，相鄰的兩個像素共用一對CbCr，為了使得限幅影響不擴散到相鄰像素，也應該只對Y進行壓縮。
實施例四本實施例是實施二、三的改進，是實施例二、三關於上限H與下限L的細化。本實施例所述的上限H與下限L可由用戶人工設定，以方便用戶同發射機的參數進行匹配。目前系統設定的是一組常用值H=700mV，L=-230mV。
最後應說明的是，以上僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照較佳布置方案對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案(比如檢測和限幅的方法、步驟的前後順序等)進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和範圍。
權利要求
1.一種模擬廣播電視信號的數字視頻限幅的方法，所述方法使用的系統包括音視頻解碼器、音頻數據緩存、幅度檢測器、限幅器、音視頻編碼器，其特徵在於所述方法的步驟如下接收音視頻文件並解碼的步驟用於接收待處理音視頻文件的並在音視頻解碼器中將待處理音視頻文件解碼為音頻數據和視頻數據，然後將音頻數據送入音頻數據緩存，同時將視頻數據送入幅度檢測器檢測；幅度檢測的步驟用於幅度檢測器對視頻數據中的像素數據進行幅度是否超標的檢測並記錄，之後將視頻數據送入限幅器中並通知限幅器視頻數據超標的情況，包括是否超標以及超標的是上限還是下限；限幅的步驟用於限幅器對超標的視頻數據進行限幅，對不超標的數據不做處理，限幅器輸出的視頻數據送入音視頻編碼器；音視頻編碼的步驟用於音視頻編碼器將收到的視頻數據與從音頻數據緩存中提取的音頻數據進行編碼形成處理後的音視頻文件，完成處理過程。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述的幅度檢測的步驟包括以下子步驟 提取文件中一個像素的YCbCr像素數據，將該像素數據轉換成YUV域的Y』 UV數據； 計算色度矢量C的絕對值I CI、亮度值對應的模擬電平量(Y』)、色度值對應的模擬電平量f2(|c|)；計算調製後的正電平峰值A+和負電平峰值A-；將計算出的兩個電平峰值分別與閾值的上限H和下限L做比較，判斷是否超標，如果超標則標記為超標並標記出超標的是上限還是下限，如果不超標則標記為不超標，然後回到 「提取一個文件中一個像素的YCbCr數據，將該像素數據轉換為YUV域的Y』 UV數據」的子步驟。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，所述的限幅的步驟包括以下子步驟 若判斷出上限超標，則將該像素點調製之後最大可能的上限電平值賦值給A+，即A+=Kyh' )+ f2 (C)=H；根據等式反推亮度電平Kyh')，則Kyh' )=H-f2(C)/2，進而計算出該點限幅後的在 YUV域的亮度值yh，，修改該像素點在YCbCr色域空間的亮度值為Y=yh，+16 ；若下限超標，就設A-=^y1' )- f2(C)=L，進而根據等式算出下限限幅後的亮度電平 f (y/ )，則f (y/ ) =H-f2 (C) /2，計算出該點在下限限幅後的YUV域的亮度值y/，修改該像素點在YCbCr色域空間的亮度值為Y=y/ +16 ； 對於判斷出沒有超標的像素點，不做處理。
4.根據權利要求3的方法，其特徵在於所述的上限H與下限L由用戶人工設定；所述的 H=700mV、L=-230mVo
全文摘要
發明涉及一種模擬廣播電視信號的數字視頻限幅的方法。本發明所述方法使用的系統包括音視頻解碼器、音頻數據緩存、幅度檢測器、限幅器、音視頻編碼器，所述方法包括接收音視頻文件並解碼的步驟；幅度檢測的步驟；限幅的步驟；音視頻編碼的步驟。本發明在製作域內即預測出調製之後的電平，並據此判斷出視頻數據是否會引起調製後的電平超標，進而在電視節目文件完成編輯製作後，即對該文件的視頻數據加以檢測，對超標的像素加以限制，將超標的問題在D/A轉換前提前解決。本發明的方法是逐像素進行的，僅僅對超標像素做限幅，不超標的則不作處理。這樣，本發明對視頻數據幅度限制的影響降低到了最小，不會產生因為局部超標而對整體進行壓縮的問題。
文檔編號H04N9/68GK102547307SQ201110444089
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月27日 優先權日2011年12月27日
發明者王雨, 谷顯峰, 陳亞東, 齊曉軒 申請人:北京中科大洋科技發展股份有限公司