数字电视机的画中画技术.doc

数字电视机的画中画技术数字电视机的画中画技术华南理工夫学王群生关世立罗惠明摘要在数字电视机中实现画中画功能要比一般采用模拟电路的电视机方便得多,且造价低,便于大批量生产.本文结合我们研制的画中画数字式彩色电视接收机,讨论在数字电视接收机中实现画中画功能的几种方案,硬件及有关控制软件的设计思想和实验结果口随着微电子技术和VLSI技术的不断发展,微处理器,各种数字信号处理器件以及各种太容量的存贮器的价格都在不断下降,这不仅为电视中心设备的进一步数字化开辟了广阔的前景,而且也为数字技术用于电视接收机创造了条件.随着人们生活水平的不断提高和信息社会发展的需要,不但对电视机的图象质量提出更高的要求,而且要求增加电视机的功能,以便获得更多的信息.在电视接收机中采用数字信号处理技术,可使电视机的图象和声音质量得到显着提高利用数字技术,在电视机中还可以实现多制式接收,图文电视接收,画中画及多画面显示等(1).这种高质量多功能的数字式彩色电视接收机,要比模拟机显示出更多的优越性,有更高的性能价格比.因而数字电视机有广阔的发展前景.是新一代的电视机.下面就画中画数字电视机的特点以及就如何在数字式彩色电视接收机中实现画中画功能的各种方案进行叙述,讨论,分析和比较,最后还阐述了画中画数字电视机的控制软件的设计思想画中画数字电视机的特点画中画电视机是由完成主画面显示的电视接收机和完成小画面压缩处理的画中画处理板两大部分结合而成.主画面通道既可以是模拟电视机,也可以是数字电视机.小画面信号的存储处理,可选用模拟存储器或数字存储器两种方式画中画电视机的功能不同,也会直接影响画中画电视机的基本组成和结构.数字电视机除易于扩展各种接收功能,提高图象和声音质量外.更适合与数字画中画电路配合.小画面信号利用数字存储器进行压缩和各种控制处理,易于实现小画面移位放大,缩小和冻结等.增加存储器的容量,还可以完成多画面显示功能.因此,近年来已普遍采用全数字化的中画电视机从画中画电视机设置功能来考虑,可分为两大类型:1)多路视频控制画中画电视机这种画中画电视机具有多个视频音频接口,可连接多个视频信号源(如摄象机,录象机等)供小画面显示之用.小画面的音频信号j=j耳机来监听.其功能有:?小画面可置于屏幕上四个角的任一位置:?小画面冻结或消去;?大小画面可瞬时交换;?小画面可以放大或缩小一倍?小画面有彩色边框,可作信号源标记和区分太小画面;?扩大存储器容量后,可显示多个小画面.这种电视机实用.技术上较容易实现.利用录象机的高频调谐接收部分,太小画面可同时显示两个不同频道的电视节目2)双高频调谐器画中画电视机这种电视机具有两个高频调谐器,并由微机进行控制它除具有多路视频控制画中画电视机的功能外.还可以完成以下功能:?主画面和夸画面可同时观看两个不同频道的电视节目;?利用多个小画面的显示,分别浏览多个电视频道的节目.这种电视机通过一个红外摇控器便可实现各种功能的选择和大小画面的选台,功能较齐全但要增加费用整机结构较为复杂画中画数字处理系统在分析画中画数字处理系统的方案前,先介绍一种专门用于画中画信号处理的VLSI电路PIP2250的性能一,PIP2250西中画处理嚣2PIP225o画中画处理器是ITT公司生产的CMOS数字集成电路(68脚).它的基本作用是将已数字化处理的YU,V信号进行图象处理,输出已压缩的小画面数字Y,UV信号和开关脉冲信号,并加至数字电视机的主画面Y,u,V数字信号总线上,完成大小画面的结合小画面的面积为主睡的1/9PIC225O适用于NISC/PAL/SECAM制式和逐行扫描处理方式,具有小画面冻结,穆位,放大或缩小和彩色边框的选择等功能.PIP225o画中画处理器由输入图象处理,DRAM接El,输出图象处理和IM总线接口四大部分组成,其基奉方框图如图1所示.图中十M和cP为主系统和PIP系统时钟输入,MSKEW和PSKEW为主系统和PIP系统的相位盏数据输入,HVBIN和PHVI7BIN为主系统和PIP系统的行,场消隐脉冲输入,0D0uT为VPu输出禁止输出.cA8和RAS为列和籽地址选通脉冲输出.wE则为写允许输出.至DRI,萋惑耋譬圈lPIP225o方框图,寺筘赴理龟座问乡逛井膳图2输入图象处理方框图主相位差,r主,d;/Ld7pR川档口击王医j_碍幂I妊巨型I巷娃寄存,.最粤铲糍;斟薯i李.一罗J.呵I州墓媸掌痞c4最害柚晨一J-y翮芒网疆墨ll.l工碱t宵存嚣?4的拽曩式$土E度相隹j和堪壤曩.n鞠lo0婶钾主钉消穗.圭崎辅鹿掣鍪赶l瞍兰眷s参工j.5Uv,z丛!.一再=;一由I川甚娃哼霹墨棚一寄存墨三毒秘挣南陬盼靴糟乓图3输出图象处理方框图,L冀I卜输入图象处理部分如图2所示这部分对小画面数字Y.U.V信号进行处理.处理内容包括:确定输入图象处理窗口,亮度信号低通滤波和垂直滤波,色度信号低通滤波和垂直滤波,色度多工传输处理等等.为使PIP系统同步工作,还加入PIP系统时钟信号P(4fsc)相位差数据和行,场消隐信号等经过滤波和相位校正等处理后的Y,u,V数据和相应的地址信号通过DRAM接口加至外接DRAM,DRAM存储了小画面信号完成了输入图象写操作,当需要插入小画面时,存储的内容立即被读出,即完成输出图象读操作,此时小画面Y,u,V数字信号己完成压缩处理并送至输出图象处理部分输出图象处理部分包括色度和亮度行缓冲存储器.数字彩色边框信号形成,输出图象处理定时等方框(见图3).从这里输出己压缩的小画面Y,u,V数字信号并连接至主画面的YUV数字信号总线上,依靠PIP225047脚提供flODOUT输出禁止输出信号.在小画面出现期间关闭主画面视频处理器(VPU)的Y,u,V数字信号的输出,荧光屏上显示小画面信号,其余时间则显示主画面的图象从主画面系统来的时钟信号,相位差信号和行,场消隐信号保证输出图象处理部分同步工作.数字电视机的中央控制器(CCU)通过IM总线接口对PIP225o进行控制和对有关存储器进行编程【3;l9f=i牡=,画中画妊理系统的几种方案1,画中画数字插凡系统一种画中画数字电视机的视频信号处理方框图示于围4中【1)【3.这是一种画中画数字插入模式.其特点是:蘑兹拍;lf,rl2z口教I教口厂小面避将,厶一IIyta,PIP22图4画中画数字电视机视频处理系统,丘A1)主画面通道是数字电视机的数字视频通道.2)小画面视频信号从视频信号解码至存储处理的整个过程均是数字处理.3)经过压缩处理的小画面的Y,U,V数字信号与主画面的Y,V数字信号总线相连接.主画面复合视频信号1经vcu(视频编解码器),VPu(视频处理器)和DPU(偏转处理器)等处理,最后输出主画面的模拟R,G,B信号小画面复合视频信号.I经视频A/D转换器(VAD2i50)进行A/D转换,小画面数字视频信号由视频/同步处理器(VSP285O)解调出小画面数字Y,u,V信号和同步信号.经PIP225o处理后,小画面信号以Y,U,V数字信号的形式与主画面通道的Yu数字信号总线相结合.由予整个小画面数字信号处理是采用专用的VLSI电路,因而简化了画中画数字电视机的结构.画中画数字插入模式的另一个方案如图5所示.画中信号处理部分也是垒数字化处理.但是各集成电路采用了数字电视机常用的集成电路,比较方便,但未能充分利用各集成电路的功能90一钾c时一,凰丁弃兄双l榴一张袍疑i嚣l最数雩棍埙ICCUl习翘i警;P工P1CUljI墓垃口r藏Vrc上l腮处I蔓l.(4/prrlP厂一Jyuv=券霈鞘穗塑JllL训穗r主圈两场漕值图5画中画数字插八系统小画面复合视频信号经视频开关选择后立即进符A/D转换处理(VCU)由VPu解调出数字Y.U,V信号(数字视频)并逡至PIP2250进行画中画信号处理.PIP2250需要唆两块DRAM(存储一个小面需要264KBi,存储四个小画面则需要2X256KBit),由PIP225O输出已处理的小画面Y,U.V信号加至主画面的Y,UV信号总线上.当PIP2250输出Y,uV信号时.同时产生一个输出禁止输出(ODOUT)信号,这个信号加至主画面的VPU2203的14脚(输出截止信号输入),使YPU无主画面的Y,uV信号输出即在小画面显示期间关闭了主画面通道小画面数字视频信号通过DPU(偏转处理器)形成小画面行场消隐信号它们与来自主画面的行,场消隐信号一起供给PIP225o作同步之用3画中画单独处理模式为了方便开发画中画电视的各种功能和与模拟电视机配合使用.FIP2250可改接成单独模式(STANDAIONG)这种方式如图6所示,小画面的YuV信号的形式可采用图4或图5的方法(图中未画上)丽,Jl画数粤罔6画中画单独处理模式画雨一口单独处理模式不同于数字插入系统之处是经处理后的小画面信号是以模拟R,GB方式输出.故rhPIP2250产生的小画面Y,u,V数字信号还要再经D/A转换,矩阵电略和视频转换开关等处理,才能形成小画面模拟R,G.B信号.不过这一系列处理可以十分方便地用视频编解码器VCU2133来完成.这一方案的画中画处理完全独立于主画面通道小画面的R.G,B输出信号与模扭电视机或数字电视机的主画面R,G.B输出信号通过一个视频开关控制转换,便可在荧光屏上显示画中画的图象3双高频调谐器画中画电视接收机为了在主画面接收电视机节目时.方便地利用小画面监视另一个或多个电视频道的节目,必须采用微机控制双频道调谐器画中画电路.这类电视接收机的图gt-N号处理方案如图7所示.由集成电路SAA1250构成的红外发射器发出遥控指令,通过由TBA2800组成的红外接收器进行接收并将指令进至中央控制器(CCU)对大小画面进行选台,亮度调整和色饱和度调整等一系列控制.高频调谐器是采用PLL数字调谐系统,调谐器I是主画面调谐器,MEA2901为调谐器接I:1集成电路,MDA2062是1024位可擦可鳊程只读存储器.主画面图象信号经中放检波处理产生复台视频信号I,该信号经VCU2133和VSP2850等处理,最后输出主画面R,GB信号.调谐器I是小画面调谐器,它也是按遥控指令选择小画面显示的电视频道.如果选用搜索选台的方式每隔几秒钟便可在小画面上自动转换不同的电视频道节目.由小画面调谐器接收的复台视频信号经类似图4的画中画电路处理后,小画面信号以Y,uV数字信号形式与主画面的Y,u,V总线结台在电视机荧光屏上插,k/l,画面.22I怠娥II瞳器Hl键盘1年8虹外捧拽I2go卤缸外发舸CC27OcCu2070调诣葛IrE月2D9fjEl2D9,4l涧诣葛【I视辩】F件音lF复蝴I士Vu2f,(一IP)哆P280降/D)丌一静1I工P22一目7札高频调谐器画中画电视机图象信号处理画中画数字电视机的控制软件y.vvR舀B在画中画数字电视机中,要实现在主面画中插入一个小画面,而且能够控制小画面移动,放大缩小冻结等多种功能,除必要的硬件电路外,还要有软件的控制,为了实现数字式色彩电视机的各种控制功能,利用数字彩色电视机的微机控制仿真开发系统【4,可以方便地开受数字电视机的各种控制软件仿真开发系统除包括1BMXT机,仿真器PIP处理板数字电视机(DCTV)等硬件设备外,同时还必须有一套编辑汇编,转换发送,仿真等软件的支持以便能很方便地编辑和调试数字电视机所需要的各种控制软件.图8是利用仿真开发系统开发画中画数字电视机控制软件的示意图.焉詈一一小画面的功能控制软件的设计在很大程度上依赖于PIP225o处理器本身所具有的功能(2j也就是说控制软件的设计一方面要充分利用和发挥PIP2250的各种功能的作用;另一方面就是在发挥PIP2250功能的基础上.充分利用软件控制灵活多样的优点.以便实现更多的控制小画面的功能.目前我们在田真开发系统上开发的画中画数字电视机的小画面控制功能软件已经可阻塞现上述各种功能下面简略介绍实现上述功能控制软件的设计思想和功能控制软件的流程圈l,对PIP2250画中画处理器进行初始化要实现画中画控制的各种功能必须首先对PIP2250进行初始化.即要设置实现各种控制功茕的初始参数.(1)设置PIP2250处理器的输入图象处理参数,小画面的信号是从DRAM存储器中读出再插入主画面的.处理小画面图象窗口的尺寸与位置可由参数IHs,IVS,IVsI来设定.由于在小画面的窗口内输入图象的抽样在水平方向和垂直方向都比原来缩小至1/3.即小画面比原来图象缩小至l/9.且对信号的亮度和色度确不同的抽样速率.因而在输入图象处理后.它们有不同的延迟.为了实现在时间上的匹配.必须增加亮度处理通道的延迟补偿.该延迟补偿由参数IYD确定.(2)设置DRAM存储器的初始参数.虽然PIP2250处理器的输入图象处理电路对窗口内的图象信号进行抽样.每三行产生224Byte数据.但不将所确22AByte的数据全部存入DRAM中.参数IBY限制了小画面每行被转换的By的数量.该转换行的节字数存入DRAM中同时在存储器数据时必须指定数据在DRAM中的起始行列地址,其值由参数IRA和ICA确定.为使小画面色彩同步,还必须指定色同步参数IPN(3)设置小画面的信号输出处理参数.小画面的边框宽度和尺寸.可由参数BwI,BFABHW,BLSB,BHI和PHI确定,这些参数控制小画面的边框的宽度及边框的尺寸.另外参数BHSBLSB,BVS控制着小画面边框的位置.小面图象的位置由参数PHSlPHS2BVI确定参数PwIPHI控制着小画面的尺寸大小,上述的参数可由DRAM相应的寄存器编程来确定小画面的水平位置除由参数BHS和PHs1确定外,还与参数PHs2有关.小画面的输出行缓冲器是一个变长度的224Bit的移位寄存器从DRAM存储器送到缓冲器转换24譬一.留一圈固的每行Byte数可能是124.亦可能小于!4:如果转换的每行的Byte数小于224,则在行冲器输出端附近的数据,可能是无用的数据,可以去掉.参数PHS1只规定了小画面缓水平启动旧象素位置.fiPHS2刚必须考虑使首先显示的象素出现在缓冲器输出靖所需f1勺时钟数圉g画中画小画面功能控制敏件流程Iit在小画面的放太状态下,由于每行被显示两次,即将行缓冲器的输出反馈到输入端作为第二行.为保证数据能循环到正确的位置且不出现相位差,还必须设置RFc参数谈参数可由下式确定:.4RFC一2244PHS22PW1式中的PHS2和RFC参数可通过