专利名称：频率域隔行视频的垂直缩放的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种滤波系统，尤其是涉及一种用于在频率域滤波隔行视频的系统和方法。
当数字电视逐渐占据电视市场以及其它的数字视频设备更为令人满意的时候，对于设备要具有更为先进的视频处理能力的要求就越来越强烈。因此，有效处理的能力，尤其是滤波视频数据的能力变得非常的重要。
在数字信号处理系统中，我们注意到数据能够在空间域或者频率域中进行滤波。我们也注意到频率域的滤波非常的简单(即，计算强度较小)。但是，将数据从空间域转换到频率域以及转换回来的费用潜在的超出了成本。此外，任何类型的空间域的滤波都不能以一种有效的方式在频率域中被执行。这样，当频率域滤波能够被有效的利用的时候，就存在着限制。
许多图像/视频压缩技术，例如MPEG-n(包括MPEG-1，MPEG-2，MPEG-4…等)，JPEG(一种图像压缩标准)，以及H.26x(包括H.261，H.263…)是在频率域或者DCT(离散余弦变换)域对数据进行处理的。例如MPEG-2，它是为了以每秒4百万比特以上的变换速率对隔行的图像进行编码而设计的。MPEG-2标准已经被用于多种设备上，如数据电视广播(DTV)，数据通用盘(DVD)技术，以及视频存储系统中。
上述的任何基于压缩的系统中一个非常重要的部件是解码器，它将压缩数据的比特流转换成像素图像。在解码器中发现的一个主要的功能块是一个反离散余弦变换系统(IDCT)，它将DCT数据转换成像素图像。因此，MPEG-2解码器等处理频率域(即，DCT)数据，并且包括一个用于将频率域数据转换成空间域数据的IDCT系统。这样，在需要滤波器的情况下，解码器提供了一个极好的机会能够有效的滤波频率域数据。
在解码器中需要滤波器的一种情况下，涉及到向下缩放，这需要避免折叠失真。但是，当为了向下缩放的目的而滤波隔行扫描的图像的时候，需要在隔行图像的顶部场和底部场应用不同的滤波器。尤其是，如果一个奇数长度的平衡滤波器被应用于滤波顶部场，那么就需要一个偶数长度的平衡滤波器被应用于底部场。导致这样情况的原因是由于底部场需要一个不同的相位偏移来保持向下缩放以后的正确的隔行。奇数长度的平衡滤波器具有零相位偏移而偶数长度的平衡滤波器具有π/2(半像素)的相位偏移。不幸的是，一个奇数长度的平衡滤波器不能轻易的被转换成一个等价的频率域滤波器并且实现频率域滤波的优点。因此需要提供一种用于向下缩放隔行视频的频率域滤波系统。
本发明通过提供一个频率域滤波系统克服了上述涉及以及其它的问题，该系统能够有效的对隔行视频的顶部和底部场像素数据进行滤波。
第一方面，本发明提供了一种用于滤波隔行视频的方法，包括步骤将一个偶数长度的平衡滤波器分解成一对相同的奇数长度的平衡滤波器，其中该对相同的奇数长度的平衡滤波器具有一个像素的相位差；将其中一个奇数长度的平衡滤波器转换成一个相应的频率域滤波器；将相应的频率域滤波器应用于一场频率域像素从而产生一套经过滤波的频率域像素；将已经滤波的一套频率域像素转换成一套空间域像素；以及将该套空间域像素加入临近像素从而产生一场滤波的空间域像素。
第二方面，本发明提供了一种用于滤波隔行视频的解码器系统，包括第一滤波系统，用于处理第一场离散余弦变换(DCT)像素数据，其中第一滤波系统包括一个DCT滤波器，该滤波器与第一奇数长度平衡空间滤波器相应；以及一个第二滤波系统，用于处理第二场DCT像素数据，其中第二滤波系统包括(a)第二DCT滤波器，用于滤波第二场DCT像素数据并且产生一套已经滤波的DCT像素数据，其中第二DCT滤波器与第二奇数长度平衡空间滤波器相应；以及(b)一个空间域滤波器用于组合临近空间域像素数据值。
第三方面，本发明提供了一种存储在一种可读介质上的程序产品，当其被执行的时候，滤波第一和第二场离散余弦变换数据(DCT)，该程序产品包括具有用于处理第一场的第一DCT滤波器，其与奇数长度平衡空间滤波器相应；以及用于处理第二场的第二滤波器系统，包括(a)与第二奇数长度平衡空间滤波器相应的第二DCT滤波器；以及(b)用于进一步滤波第二DCT滤波器的结果的滤波器a(1，1)。
第四方面，本发明提供了一种用于处理一场隔行视频数据所需的复制一个偶数长度的平衡滤波设计的方法，包括步骤将一个偶数长度的平衡滤波器分解成一对相同的奇数长度的平衡滤波器，其中该对相同的奇数长度的平衡滤波器具有一个像素的相位差；产生一个与一个奇数长度的平衡滤波设计相应的离散余弦变换滤波器(DCT)；使用该DCT滤波器在DCT域滤波隔行视频数据的场，从而产生一套已经滤波的DCT数据；将该套滤波的DCT数据转换成一套空间域数据；以及利用(1，1)滤波器滤波空间域。
下文将结合随后的附图描述本发明的优选实施例，同样的附图标记表示同样的元件，以及附
图1描绘了根据本发明的优选实施例滤波隔行视频数据的框图；附图2描绘了将一个偶数长度的滤波器分解成一对奇数长度的滤波器的例子。
概述目前的实施例的直接目的是提供一种在诸如MPEG-2解码器的处理隔行视频数据的系统中进行视频下变换的解决方案。尽管典型的实施例是参照MPEG-2解码器系统描述的，但是应当明白本发明还可以被应用到任何需要滤波器的频率域系统。视频下变换，利用一种被称为下取样的技术，是降低包含在视频数据中的清晰度(即，像素数目)的过程。例如，利用缩放因子2对10像素进行向下取样，结果产生了5个像素。向下取样在诸如需要和/或期望减少能量消耗的解码器系统中是必要的。典型的，下取样是通过使用一些类型的滤波技术来实现的。
应当注意到假设DCT域滤波与空间域的块镜像滤波等价(给定一些假设)，那么频率域或者DCT域(离散余弦变换)的滤波能够容易的实现。也应当注意到在DCT域滤波通常是一种比在空间域滤波更为有效的解决方式。尤其是，在DCT域滤波通常仅需要简单的乘法操作，而空间域的滤波需要复杂的变换操作。例如，将一个三抽头(1，2，1)空间滤波器应用到一场像素(A0，A1，A2，A3…)从而获得一个经过滤波的像素值B1，B2，B3…将需要下述的计算
B1＝A0+2A1+A2，B2＝A1+2A2+A3，B3＝A2+2A3+A4，等相反的，将一个相应的DCT滤波器在一个相应的场的DCT像素数据(x0，x1，x2…)上操作从而获得经过滤波的DCT像素值(y0，y1，y2…)将仅需要一些简单的乘法运算。例如y0＝x0*w0，y1＝x1*w1，y2＝x2*w2，等，其中w0，w1，w2…构成了加权矢量(即，DCT滤波器的滤波值)，其与一个奇数长度的空间域滤波器相应，例如(1，2，1)。
(注意没有与偶数长度的平衡空间与滤波器相应的加权矢量。这样的加权矢量仅用于奇数长度的平衡空间域滤波器)。产生的经过滤波的DCT系数值y0，y1，y2…能够利用例如一个IDCT系统被转换成经过滤波的空间像素值。
隔行视频包括一系列的帧，并且每一帧都包括两场，一个顶部场和一个底部场。每一帧的第1，第3，第5…行形成顶部场；而每一帧的第2，第4，第6…行形成底部场。换句话说，每一场从一帧中以隔行的方式每隔一行取一行。如上所述，为了执行DCT域滤波，从而处理隔行视频，对于顶部场和底部场必须要使用分别的滤波器，从而能够获得一个正确的隔行的输出。
如果一个零相位偏移滤波器(奇数长度平衡滤波器)被应用于顶部场，那么具有半像素相位偏移(偶数长度平衡滤波器)的滤波器应当被应用于底部场。但是，为了执行在DCT域等价的一个块镜像滤波的一个假设是仅有奇数长度的平衡滤波器被使用。下面描述的滤波器系统将提供一种用于执行偶数长度平衡滤波器的解决方案。
滤波器系统现在参照图1，示出了一个具有滤波器系统14的解码器系统10。滤波器系统14接收DCT数据34，输出滤波的数据36。滤波器系统14通常包括一个顶部场DCT滤波器22，一个底部场DCT滤波器24，一个IDCT30(如上所述，其为一个标准解码器元件)，以及一个(1，1)空间滤波器32。顶部场DCT滤波器22以及底部场DCT滤波器24被脱机滤波器系统设计系统12设计成“脱机”。
如上所述，为了实现合适滤波隔行视频的滤波器，需要两种滤波器设计即，一个奇数长度顶部场滤波器设计16，以及一个偶数长度底部场滤波设计18。为了在DCT域执行偶数长度底部场滤波设计18，偶数长度底部场滤波设计18被分解成一对相同的彼此之间具有一个像素相位差的奇数长度平衡滤波器20。下文将描述将一个偶数长度平衡滤波器分解成一对相同的具有一个像素相位差的奇数长度平衡滤波器的方法。
考虑到一个2N抽头偶数长度平衡滤波器(其中N是一个整数)具有如下的系数E1，E2，…EN，EN+1，…E2N-1，E2N；其中E1＝E2N；E2＝E2N-1；…EN＝EN+1(由于对称)。目标奇数长度平衡滤波器具有2N-1个抽头，即，比偶数长度平衡滤波器少一个抽头，具有以下的系数O1，O2，…ON-1，ON，ON+1，…O2N-2，O2N-1；其中O1＝O2N-1；O2＝O2N-2；…Oi＝O2N-i；…ON-1＝ON+1(也是由于对称)。如果存在具有一个像素偏移的两个奇数长度的平衡滤波器，那么O1＝E1O2+O1＝E2O3+O2＝E3…Oi+Oi-1＝Ei…ON+ON-1＝EN…O2N-1+O2N-2＝E2N-1O2N-1＝E2NO1，O2…ON-1，以及ON能够被如下的计算O1＝E1；O2＝E2-O1；O3＝E3-O2；…O1＝E1-ON-1。(由于对称剩余的奇数系数ON+1…O2N-1是已知的)。
例如，考虑到偶数长度空间滤波器(E1，E2，E3，E4)＝(1，3，3，1)。空间域滤波器(1，3，3，1)能够被分解成一对具有一个像素相位差的奇数长度滤波器(O1，O2，O3)，这种分解是通过上述的等式计算的，即，O1＝E1；O2＝E2-O1；O3＝E3-O2。将这些值插入到等式中O1＝1；O2＝3-1＝2；O3＝3-2＝1，这就产生了一个(1，2，1)滤波器。
分解的偶数长度滤波器能够通过两步滤波设计来实现，包括(1)一个(1，2，1)滤波器，以及(2)一个(1，1)滤波器。为了说明，考虑到上述的例子中(1，3，3，1)空间域滤波器被应用到像素(A0，A1，A2，A3…)场中从而得到滤波的像素数据B0，B1，B2，…在这种情况下，(1，2，1)滤波器首先被应用到像素值的连续的子集中从而产生一套中间的滤波像素结果C0，C1，C2，…如下C0＝A0+2A1+A2C1＝A1+2A2+A3C2＝C2+A2+2A3+A4，等中间结果C0，C1，C2，…将被(1，1)滤波器滤波从而得到滤波的像素数据B0，B1，B2，…，如下B0＝C0+C1＝A0+2A1+A2+A1+2A2+A3＝A0+3A1+3A2+A3B1＝C1+C2＝A1+2A2+A3+A2+2A3+A4＝A1+3A2+3A3+A4等由此可见，利用一个奇数长度滤波器来执行第一步骤的两步滤波处理的结果与偶数长度滤波器是一样的。假定该结果，能够产生一个与分解的奇数长度滤波器(例如，(1，2，1)滤波器)相应的DCT滤波器(例如，w0，w1，w2，…)，并且用于在DCT域执行第一滤波步骤。
因此，一旦底部场空间滤波设计18已经被分解，相应的底部场DCT滤波器22(以及相应的顶部场DCT滤波器24)能够被建立。从奇数长度的平衡空间滤波器产生相应的DCT滤波器22和24的过程在现有技术中是已知的。一旦DCT滤波器22和24已经被建立，它们能够在滤波器系统14中被执行。如上所述，相应的DCT滤波器22和24中的每一个都包含一套滤波值，即，一个加权系数，被用于滤波DCT数据34。
DCT数据34包括具有一个偶数和奇数场的隔行视频数据，其中每一场都具有例如8个DCT数据值。偶数场和奇数场在滤波器系统14中分别被顶部场DCT滤波器22和底部场DCT滤波器24处理。顶部场是由顶部场DCT滤波器22以直接的方式滤波的并产生一个加权的或者滤波的DCT数据。滤波的DCT系数然后被传送到IDCT20，在那里提供了一个经过滤波的空间域数据顶部场。
相反的，底部场DCT数据必须进行一个两步滤波处理。首先，底部场数据被底部场DCT滤波器24滤波，其产生了一套加权的或者滤波的DCT数据。该套滤波的DCT数据然后被IDCT30转换成一套空间域数据。接下来，该套空间域数据被一个(1，1)空间域滤波器32滤波，其产生了一个空间域的滤波底部场数据。滤波的顶部和底部场空间数据然后被隔行并且作为滤波数据被输出。
这样，偶数长度滤波设计18就被分解成一对相同的奇数长度滤波器20，其相应的DCT滤波器被用于在底部场DCT数据上执行复杂的滤波操作。当底部场的结果被转换成空间域以后，一个简单的(1，1)空间域滤波器被用于增加临近空间域数据值的结果。
现在参照图2，示出了一个图示的表明偶数长度平衡空间域滤波器50被用作一对相同的奇数长度平衡滤波器52和54的例子。如图2左侧所示，滤波器50在一套像素51上操作。滤波器50具有滤波系数(1，3，3，1)并且被显示在第二，三，四和五像素(从顶部计算)上进行操作。滤波器50可以通过例如将滤波系数与各自的像素数据相乘并将结果相加来在空间域内实现。
参见附图2的右侧，滤波器50已经被分解成一对相同的奇数长度的滤波器52和54，每一个都具有滤波系数(1，2，1)。这里，由于滤波器52和54之间是一个像素的相位差，滤波器52在第二，三和四像素(从顶部计算)上操作，而滤波器54在第三，四和五像素上操作。两个滤波操作的一对结果被送到第二滤波器56，该滤波器具有滤波系数(1，1)。第二滤波器56将两个滤波器52和54的结果相加产生了最后的结果58，其与滤波器50的结果相同。应当明白，这里描述的滤波设计(例如系数的大小和加权)仅是为了举例的目的。而且，上面使用的典型的滤波参数仅是为了举例的目的，并不是规格化的。这样，在一个实际的设备中，(1，3，3，1)滤波参数可被规格化为(1，3，3，1)/8，这样，滤波参数的和通常就等于1。
应当明白，这里描述的系统，功能，方法以及模块均能够采用硬件，软件或者软件与硬件的结合来实现。它们可以通过任何方式的计算系统或者适于执行上述的方法的其它装置来实现。典型的硬件与软件的结合可以是一个一般目的的计算机系统与一个计算程序的组合，当该程序被下载以及执行的时候，控制该计算机系统使其执行上述的方法。此外，也可以利用一个特别使用的计算机，该计算机包含用于执行一个或者多个本发明的功能目的的特殊的硬件。本发明也可以被嵌入在一个计算机程序产品中，该产品包括能够执行这里描述的方法和功能的所有特征，并且，当其被装载在一个计算机系统中的时候，其能够执行这些方法和功能。在本文中的计算机程序，软件程序，程序，程序产品，或者软件意味着任何语言形式的一套指令的任何表达，编码或者符号，该套指令将用于使具有信息处理能力的系统直接的或者经过下述的两个过程之一来执行特定的功能，这两个过程是(a)转换成其它语言，编码或者符号；和/或(b)以不同的物质形式再生。
前面已经为了说明和描述的目的对本发明的优选实施例进行了描述。它们并不是要将本发明局限于上面描述的形式，显然在上述内容的指教下可以做出各种改变和变形。这样的改变或者变形对于本领域的技术人员来说很明显是包含在本发明随后的权利要求限定的范围内。
权利要求
1.一种用于滤波隔行视频的方法，包括步骤-将一个偶数长度的平衡滤波器(18)分解成一对相同的奇数长度的平衡滤波器(20)，其中该对相同的奇数长度的平衡滤波器(20)具有一个像素的相位差；-将其中一个奇数长度的平衡滤波器(20)转换成一个相应的频率域滤波器(24)；-将相应的频率域滤波器(24)应用于一场频率域像素(34)从而产生一套经过滤波的频率域像素；-将已经滤波的一套频率域像素转换成一套空间域像素；以及-将该套空间域像素加入临近像素从而产生一场滤波的空间域像素。
2.如权利要求1所述的方法，其中频率域是一个离散余弦变换(DCT)域。
3.如权利要求1所述的方法，其中频域像素的场是隔行视频的底部场。
4.如权利要求3所述的方法，进一步包括将第二DCT滤波器(22)应用于隔行视频的顶部场频率域像素的步骤。
5.如权利要求1所述的方法，其中将相应的频率域滤波器应用到频率域像素场的步骤包括将频率域像素场与加权矢量相乘的步骤。
6.一种用于滤波隔行视频的解码器系统(10)，包括-第一滤波系统(22)，用于处理第一场离散余弦变换(DCT)像素数据，其中第一滤波系统(22)包括一个DCT滤波器，该滤波器与第一奇数长度平衡空间滤波器(16)相应；以及-一个第二滤波系统，用于处理第二场DCT像素数据，其中第二滤波系统包括*第二DCT滤波器(24)，用于滤波第二场DCT像素数据从而产生一套已经滤波的DCT像素数据，其中第二DCT滤波器与第二奇数长度平衡空间滤波器相应；以及*一个空间域滤波器(32)，用于组合临近空间域像素数据值。
7.如权利要求6所述的解码器系统(10)，其中第二奇数长度平衡空间滤波器是从一个偶数长度平衡滤波器(18)分解而成的，作为具有一个像素相位差的一对奇数长度的平衡滤波器(20)中的一个。
8.如权利要求7所述的解码器，其中一对奇数长度平衡滤波器(20)复制一个适于用于处理隔行视频的第二场的奇数长度平衡滤波器。
9.如权利要求6所述的解码器系统(10)，其中隔行视频数据的第一场包括一个顶部场数据以及隔行视频数据的第二场包括一个隔行视频数据的底部场。
10.如权利要求6所述的解码器系统(10)，其中空间域滤波器包括一个(1，1)滤波器。
11.如权利要求6所述的解码器系统(10)，进一步包括一个反离散域弦变换系统(30)，用于将一套滤波的DCT像素数据转换成一套空间域像素值。
12.一种存储在一种可读介质上的程序产品，当其被执行的时候，滤波离散余弦变换(DCT)数据的第一和第二场，该程序产品包括-第一滤波系统(22)，具有与一个奇数长度平衡空间滤波器相应的第一DCT滤波器，用于处理第一场；以及-一个第二滤波系统，用于处理第二场DCT像素数据，具有*第二DCT滤波器(24)与第二奇数长度平衡空间滤波器相应；以及*一个(1，1)滤波器(32)，用于滤波来自于第二DCT滤波器的结果。
13.如权利要求12所述的程序产品，其中第二奇数长度平衡空间滤波器由一个偶数长度平衡空间滤波器(18)分解，作为一对滤波器(20)中的一个。
14.如权利要求13所述的程序产品，其中一对滤波器(20)复制了为了处理第二场DCT数据而设计的偶数长度平衡空间滤波器(18)。
15.如权利要求12所述的程序产品，其中(1，1)滤波器(32)在一个空间域上对数据进行操作。
16.一种复制一个处理一场隔行视频数据(34)所需的偶数长度的平衡滤波设计(18)的方法，包括步骤-将一个偶数长度的平衡滤波器(18)分解成一对相同的奇数长度的平衡滤波器(20)，其中该对相同的奇数长度的平衡滤波器具有一个像素的相位差；-产生一个与一个奇数长度的平衡滤波设计相应的离散余弦变换滤波器(DCT)；-将一套滤波的DCT数据转换成一套已经滤波的DCT数据；以及-利用(1，1)滤波器(32)滤波空间域。
17.如权利要求16所述的方法，其中将一套滤波的DCT数据转换成一套空间域数据的步骤是通过具有一个反离散余弦变换(IDCT)的系统(30)来实现的。
18.如权利要求16所述的方法，其中滤波一场隔行视频数据的步骤包括利用一个加权矢量来与DCT数据值相乘的步骤。
19.如权利要求17所述的方法，其中加权矢量与奇数长度平衡滤波器设计相应。
全文摘要
用于在DCT域滤波隔行视频的系统和方法。本发明采用下述的步骤来执行用于滤波底部像素场所需的偶数长度平衡滤波器分解偶数平衡空间滤波设计为具有一个像素的相位差的两个相同的奇数长度平衡滤波器；产生一个与奇数长度平衡滤波设计相应的离散余弦变换(DCT)；使用DCT滤波器在DCT域滤波隔行视频场数据从而产生一套滤波的DCT数据；将该套滤波的DCT数据转换成一套空间域数据；以及利用(1，1)滤波器滤波空间域数据。
文档编号G06T9/00GK1463551SQ02801937
公开日2003年12月24日 申请日期2002年5月24日 优先权日2001年5月30日
发明者Z·钟 申请人:皇家菲利浦电子有限公司