中心议题： 解决方案： - 利用陷波滤波器或带通滤波器分离亮度和色度
- 自适应3D梳状滤波器技术
随着大屏幕高清液晶电视和等离子显示器的普及，数字电视广播和高清信号接口也日益流行。但是，能够以最高质量支持传统信号源依然非常必要。3D梳状视频解码器是关键的处理模块，对系统整体性能具有举足轻重的影响。
在最初的开发阶段，电视机仅支持单色(即黑白)图像的播放和显示。随着技术的发展，也支持彩色电视广播，但仍然需要保持黑白电视显示设备的向后兼容性。电视机需要在可用带宽范围内容纳颜色信息，并如同早期电视那样的格式继续显示无失真的黑白画面。
复合视频信号中，颜色信息与可用亮度信息共享同一带宽。不同幅度和相位的正弦波表示任一传送图像的色度内容(图1)。因此，必须将色度与亮度分开，才能正确显示画面。
图1：亮度信息和色度信息共享复合视频信号的同一频谱。
色度信息置于频谱的高端，为线路长度的倍数。显示方面的难题在于如何正确地提取亮度信息和色度信息，以及如何在未造成显示伪像的情况下保持全带宽。
如果没有发生亮度-色度分离，载波正循环或反循环时，颜色信息使画面更亮或更暗。同时颜色信息也会错误地出现在图像的黑白部分(图2)。
图2：无亮度和色度分离的图像含有大量伪像。
利用简单的陷波滤波器或带通滤波器，将亮度和色度分离，会造成亮度信号路径有色度残余，而色度信号路径有亮度残余(图3)。残余信息会造成严重的图像伪像，如“点蠕动”(图4)。色度路径中残余的色度信息也会造成“串色”等伪像(图5)。
图3：利用陷波滤波器或带通滤波器分离亮度和色度。
图4：电视误将亮度路径中的残余颜色解读为亮度信息，造成不良的点蠕动效果。
图5：色度路径中残余的亮度信号造成串色伪像。
梳状滤波器自身的信号延迟功能造成了相长干扰和相消干扰。梳状滤波器的频率响应由一系列均匀间隔的尖峰信号组成，呈梳子形状。与陷波滤波器和带通滤波器相比，2D梳状滤波器可提供更高的视频解码器性能(图6)。
图6：三行2D梳状滤波器将采用输入-输出一行延迟。
2D梳状滤波器的工作原理是：如果图像目标行的上下存在类似几行，色度和亮度就可以更彻底地分离。
在NTSC(美国国家电视系统委员会)制式下，色度正弦波信号逐行发生180°变化。任意两个连续行相加，亮度内容加倍，色度内容抵消。相反，如果减去两行，亮度内容抵消，色度内容加倍。例如，对于全画面颜色条，每个活动行在视觉上是一样的。在给定的信号电平上，每行的亮度内容相同。除了相位变化，每行的色度内容也相同。
视频解码器(如ADI公司的解码器)采用五行2D梳状滤波器，能够为NTSC制式和PAL(逐行倒相)制式信号源提供更好的性能。根据图像的复杂性，梳状处理器必须确定是否要将当前行与下一行或上一行结合。
梳状处理器不能对某些图像进行任意行组合，此时可切入当前行。自适应2D梳状视频解码器能够提供可接受的性能水平。但是，连续行不同时，2D梳状滤波器不能正常工作，并转向陷波滤波器，将该行区域的亮度与色度分离。
虽然在未产生图像伪像或带宽限制的情况下(这会转化为低反差图像)，成功实现亮度和色度分离非常重要，但是视频信号的许多其他方面，如不良时基或非标准弱射频信号也会带来很多挑战。
小型CRT显示器可接受的伪像或图像缺陷，对于新一代等离子显示器和液晶显示器而言则无法接受。因为随着分辨率提高、尺寸和显示器对比度增大，即使是很小的图像缺陷也会很明显。
自适应3D梳状滤波器技术高清(HD)信号源、数字接口以及高分辨率显示器能够带来出色的视觉体验。不过，通过频道切换或输入，用户看到的可能是美丽的高清图像，也可能是传统的复合视频广播(CVBS)。借助高品质自适应3D梳状滤波器技术，标清(SD)复合视频图像的质量获得了显著改善(图7)。
图7：内置3D梳状滤波器的解码器的典型架构。
3D梳状滤波器类似于2D梳状滤波器，通过某些行的像素组合来分离亮度和色度。两者的主要区别是：2D梳状滤波器组合图像连续行的像素，而3D梳状滤波器把当前行的像素与图像延时状态下同一行中的像素组合(图8)。
图8：自适应内置3D梳状滤波器的解码器的结果(a)明显优于内置2D梳状滤波器的解码器(b)。
3D梳状视频解码方案能够提供出色的视频画质。这种方法能从根本上消除不良图像伪像，如点蠕动、“挂点”和串色。
此外，归功于3D梳状视频解码的亮度和色度分离方式，该方法能保持亮度和色度数据包的全部带宽。
全亮度带宽保留了高频内容，提供的图像清晰鲜明，从而使用户能区分微小的细节。全色度带宽则确保颜色更明亮、更清晰。
2D梳状视频解码主要处理邻近的活动视频行，对其进行分析，或者既处理又分析，而3D梳状处理则进行帧到帧的视频像素信息比较(图9)。它对当前帧的数据与存储器中的上一帧数据进行比较。
图9：NTSC制式的典型帧序列展示了3D梳状滤波技术。
如果同时添加两个帧，每个像素的色度信息抵消，而亮度像素数据加倍。同样，如果前一帧减去当前帧，亮度像素数据抵消，而色度信息加倍。
尽管3D梳状滤波处理存在很多优势，但设计人员仍必须解决其性能局限性和一些挑战。3D梳状滤波器能让图像的亮度和色度完美分离，而传统的2D梳状滤波器或陷波滤波器达不到这种效果。
但是，只有图像中的像素绝对静止时，才可以实现亮度和色度的完美分离。反之，如果图像在移动，两个连续帧的像素数据也在发生变化，便无法使用3D梳状滤波器(图10)。重要的是，视频解码器检查每一个像素，并与之前存储的像素数据作比较，以确定是否发生了移动，进而决定应采用哪种梳状滤波器。
图10：对移动图像进行梳状滤波会产生明显的伪像。
由于移动检测比较复杂，采用的方法必须能分析当前和存储帧的每个活动像素，以便确定使用哪种方法来分离信息。
3D梳状滤波技术梳理静止像素，2D梳状滤波技术处理无复杂运动的区域，而陷波滤波器进行复杂运动区域的处理。3D梳状解码器的主要挑战并非3D梳理过程本身，而是3D梳状滤波器、2D梳状滤波器和陷波滤波器之间复杂的运动检测和自适应切换。
当梳状滤波器无法胜任自适应3D梳状滤波器依赖解码器来正确检测图像移动。否则，梳状滤波器就不能正确处理像素数据，造成运动伪像(图11)。图11a中鸟的翅膀向下。图11b中翅膀已经向上舞动，而图11c中翅膀再次向下。这是鸟舞动翅膀的正常顺序。
图11：自适应3D梳状滤波器依赖解码器来正确检测图像移动。这是鸟舞动翅膀的正常顺序-向下(a)，向上(b)，再向下(c)。
许多3D梳状解码器检查帧1和帧3，结果发现帧1和帧3相同，便误认为没有产生图像移动。因此决定用3D梳状解码器来处理数据(图12)。
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