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| ( 5 月 1 日 2009 年) |
| Frank Kearney, Analog Devices |
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當初設計工程師在開發電視機時，它只支援電視廣播和顯示單色（即黑白兩色）圖片。隨著技術的發展，電視廣播也能支援彩色了，但它們仍然需要保持與單色電視顯示設備的向後相容性。它們要在現有帶寬之中容納彩色資訊，並且是一種較早期電視可繼續顯示不失真的黑白圖像之格式。
在一個複合視頻信號中，色彩資訊與亮度（luminance）資訊分享同一個帶寬。一個振幅和相位都在變化的正弦波代表任何傳輸圖像的色度（chrominance）分量（圖1）。因此，必須將色度與亮度分離，才能正確顯示圖像。
色度資訊位於頻譜的高端，並在多個線長上。顯示器端的挑戰是要正確地提取出亮度與色度資訊，並保持不會造成顯示假影（artifact）的全帶寬。如果不進行亮度-色度分離，當載波週期為正或負時，彩色資訊就會使圖像太亮或太暗。圖像的黑白部分也不能正確地顯示彩色資訊（圖2）。
用一個簡單的陷波濾波器（notch filter）或帶通（bandpass）濾波器，可以進行亮度與色度的分離，但在各自信號路徑中會有對方的殘留資訊（圖3）。剩下的殘留資訊會造成嚴重的圖像假影，如“點爬行（dot crawl）”（圖4）。在色度路徑中殘留的亮度資訊也會產生假影，如“串色（cross color）”（圖5）。
梳狀濾波器將一延遲版的信號疊加到其本身之中，產生相長和相消的干涉。一個梳狀濾波器的頻率回應包括一系列間隔具有規律性的尖峰，像一把梳子一樣。2D梳狀濾波器的視頻解碼性能優於陷波和帶通濾波器（圖6）。其工作原理是，如果一幅圖中某掃描線的上或下有相似線，就可以將色度與亮度分離地更完全。在美國國家電視系統委員會（NTSC）格式下的情況，相鄰線間的色度正弦波改變180°。如果任意兩條連續線相加，亮度分量加倍，而色度分量抵消。反之，如果兩條線相減，亮度分量抵消而色度分量加倍。以全框式（full frame）彩色條（color bar）為例，每個有效行幾乎都是一樣的。在一個確定的信號電平下，每行的亮度分量都相同。除了相位變化以外，每一行的色度分量也是相同的。
視頻解碼器（例如Analog Devices公司的產品）採用一種五行的2D梳狀濾波器，可在NTSC和逐行倒相（PAL）源上提供較好的性能。梳狀處理器必須根據圖像的複雜程度，確定是否將當前這一行與前一行或下一行相結合。它不能對某個圖像進行任意行的組合，這種情況下，可能轉而採用對當前行進行陷波過濾。自適應2D梳狀視頻解碼器可以提供一可接受的性能水準。不過，當相鄰兩行並不相似時，2D梳狀濾波器就無法正常工作，對這類行的區域要轉而採用陷波濾波器來進行色度與亮度的分離。
雖然在不產生圖像假影或帶寬限制（會使圖像模糊）情況下，成功實現色度與亮度的分離是很重要的，但視頻信號很多其他的領域也面臨著挑戰，如不良時基，或衰弱、非標準的RF信號。假影或圖像瑕疵在較小CRT顯示器上是可接受的，而在新一代LCD和等離子顯示器上就無法接受了。由於有更高的解析度、更大的尺寸，以及更高的顯示對比度，即使小小的圖像瑕疵現在也變得顯而易見了。
自適應3D梳狀濾波技術
HD（高解析度）源素材、數位介面和高解析度顯示器，三者相結合提供了出色的觀賞體驗。不過，當按下頻道轉換鍵或輸入鍵時，用戶可能會從觀賞一幅美麗的高解析度圖像，轉到觀賞普通的複合視頻廣播信號（CVBS）。高品質自適應3D梳狀濾波技術的實現可以大幅地改善SD（標準解析度）複合視頻圖像的品質（圖7）。
3D梳狀濾波技術與2D類似，也是將某些行的像素相組合，完成亮度與色度的分離。主要差別在於，2D梳狀濾波是組合來自圖像中連續行的像素，而3D梳狀濾波則是將當前行的像素與圖像延時版的同一行像素相結合（圖8）。
3D梳狀視頻解碼的實現得到了優異的視頻品質。此一方案可以消除令人不快的圖像假影，如點爬行、“hanging dots”，以及串色問題。另外，由於3D梳狀視頻解碼分離亮度與色度的方法，該方案保留了亮度與色度資料包的全帶寬。全亮度帶寬可保持高頻分量，產生銳利而清晰的圖像，使用戶可以辨別出精細的細節。全色度帶寬則能確保更明亮和更準確的顏色。
2D梳狀濾波取決定於對相鄰主動視頻行的處理與分析，而3D處理則是針對幀與幀之間的視頻像素資訊進行比較（圖9）。它是將當前幀的資料與記憶體中前一幀的資料進行比較。如果將兩個幀相加，每個像素的色度資訊抵消，而亮度資訊加倍。同樣地，如果前一幀與當前幀相減，則亮度像素資料抵消，而色度資訊加倍。
雖然3D梳狀處理有這些優點，設計工程師也得面對其性能的局限性與挑戰。3D梳狀濾波器能夠完美地處理傳統2D梳狀或陷波濾波器無法應付的圖像亮度與色度分離工作。然而，它只有在圖像中像素完全靜止時才能達到這一目標。反之，如果圖像在移動中，使兩個連續幀的像素資料有所差別，就不能在圖像上使用3D梳狀濾波（圖10）。視頻解碼器的關鍵是要檢測每一像素，將其與前面儲存的像素資料進行比較，確定是否發生了移動，然後才決定實現哪種類型的梳狀濾波。
由於運動檢測很複雜，你使用的方案必須分析當前幀與儲存幀中的每個有效像素，才能確定採用哪種的分離方法。3D梳狀技術處理沒有運動的像素，2D梳狀處理有運動但不複雜的區域，而陷波濾波器則用於有運動的複雜區域。3D梳狀解碼器的主要挑戰並非3D梳狀處理本身，而是複雜運動偵測，以及3D、2D和陷波之間的自適應切換。
好的也能變壞
自適應3D梳狀濾波依賴解碼器的能力來正確地偵測運動。如果偵測失敗則會造成梳狀濾波器不能正確處理像素資料，從而產生運動假影（圖11）。圖11a中鳥的翅膀位於下方的位置。在圖11b中，翅膀已移至上方，而在圖11c中，翅膀又回到下方的位置。這個順序是小鳥拍打翅膀的正確順序。
很多3D梳狀解碼器在檢測第1幀和第3幀時，發現它們是一樣，於是將它們誤認為是並沒有產生運動。因此，它們決定對資料進行3D梳狀濾波（圖12）。相反地，帶3D梳狀濾波的高性能視頻解碼器採用多幀記憶體，能更精確地檢測出所有幀之間的運動情況。解碼器需要使用大量的幀才能正確地作出決策，確定在哪裡及何時採用3D梳狀濾波。
功能最大化
記憶體緩衝區可用來保存視頻像素資料幀，以供分析和處理之用，使3D梳狀濾波能夠正常地運行。Analog Devices公司的ADV7802 12 位元 SDTV/HDTV視頻解碼器有3D梳狀濾波器和圖像數位化器，這類解碼器用於其他非3D梳狀濾波工作時能實現記憶體的使用最大化，如先進的時間性雜訊降低（temporal-noise reduction）。對於3D梳狀濾波，ADV7802藉由比較當前幀與以前儲存幀的像素資料，來消除圖像中的雜訊。
在實現先進的時基校正時也可以使用外部記憶體。基於幀的時基校正能確保解碼器永遠給出一個固定的輸出時鐘、每行固定的採樣數、每幀固定的行數，以及正確的場序列（field sequence）。雖然一般電視應用不需要這種特性，但越來越多製造商正將更多的接收與控制電路放到單獨的外置機盒內，以便盡可能地將顯示面板的厚度變薄。這種類型的設計還減少了與電視直接介接所需要的電纜數目，因為電視有可能放在一個難於接線的位置（圖13）。
外置盒經由HDMI（高解析度多媒體介面）或類似鏈結將信號送至顯示器。這種類型的鏈結工作時，電視需要穩定的像素資料和時鐘資料。由於時基校正可以讓視頻解碼器與鏈結發射設備之間直接連接，因此即使對非標準輸入，解碼器也能提供穩定的時序與像素資料。
除了亮度與色度分離以外，複合視頻處理很多其他的領域也對顯示品質有著直接的影響。輸入ADC的性能對顯示器接收的整個視頻品質尤為關鍵。專業級品質的視頻解碼器（如ADV7802）採用12 位元的 ADC，提供優於62 dB的信號雜訊比（SNR）。應該指出的是，性能驅動應用（performance-driven application）的差分相位與差分增益值分別可超過0.45°和0.45%。對成本敏感的應用則可能採用9 位元（nine-bit） ADC的視頻解碼器，如Analog Devices ADV7180。
解碼器還必須能夠處理非標準和信號弱的廣播信號源。電視客戶與製造商正不斷地在強調著這些需求。一位剛剛購買一台嶄新高階大螢幕等離子或液晶電視的消費者，可能會繼續用它連接12年前的VCR和類比RF有線電視。他們在使用VCR時，至少期待HDTV能有與舊式CRT電視相同的性能水準。這種要求意味著要有來自VCR的穩定視頻信號，即使在“技巧模式（trick mode）”下也要保持穩定，如當用戶執行暫停、快進或快退時。
即使輸入信號低於25 dBμV，薄弱的RF信號也應保持與彩色鎖相（color lock）同步。低電平RF信號與舊式非標準系統的視頻信號為解碼器設計工程師帶來了一系列挑戰。對解碼器品質水準進行評估時，實現演算法是重要的考慮因素。很多製造商聲稱自己具有成功處理這類信號源的能力。例如，Analog Devices公司在其視頻解碼器就採用了同步檢測與提取、重複採樣（resampling），以及先進的後段FIFO管理等技術。
ADV7802中的智慧濾波器演算法採用鎖相環（PLL）區塊和水平同步（HSYNC）與VSYNC（垂直同步）處理器區塊，以確保可以正確地提取同步資訊。濾波器可保證解碼器對時間週期的閘控，從中找到同步資訊。同步PLL區塊和處理器區塊可確保被檢測同步的正確調正（alignment）。
作者簡介
Frank Kearney是Analog Devices公司先進電視部的一名應用研究工程師。他曾因在Limerick工程學校（愛爾蘭Limerick）電子與電信方面的優秀表現而獲得學位。Kearney過去七年來一直從事於客戶應用，包括高性能視頻編碼器、視頻解碼器、視頻DAC、視頻編解碼器，以及最近在進行的矽電視調諧器。
圖說：
圖1. 在一個複合視頻信號中，色彩資訊與亮度資訊分享同一個頻譜。
圖2. 沒有將亮度與色彩隔離的圖像，含有許多的假影。
圖3. 陷波濾波器或帶通濾波器可以分離亮度與色度。
圖4. 電視將亮度路徑中殘留的色度資訊錯誤地解讀為亮度資訊，從而導致了所
不希望看到的點爬行（dot crawl）效應。
圖5. 在色度路徑中殘留的亮度資訊也會產生“串色”假影。
圖6. 一個3線的2D梳狀濾波器會帶來一個從輸入到輸出的一線延遲（one-line delay）。
圖7. 典型的3D梳狀解碼器架構以附加的時序標誌來補充前一代2D梳狀空間式實現方式的不足。
圖8. 自適應3D梳狀技術（a）的結果，明顯地改善了只有2D梳狀技術的結果。
圖9.典型的NTSC框架順序展示出了3D梳狀濾波技術。
圖10.帶有動作的梳狀圖像帶來了異乎尋常的假影。
圖11. 自適應3D梳狀濾波依賴解碼器的能力來正確地偵測運動。圖中a、b、c三小圖是小鳥拍打翅膀的正確順序：翅膀位於下方（a）、翅膀移至上方（b）、最後翅膀又回到下方的位置（c）。
圖12. 3D梳狀關聯性的一個無效決定，帶來了可見、如網眼般的假影。
圖13.一款扁平的顯示器面板將接收器與控制電子線路移到另一個單元中。
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