［劉曉玲　張萍］

?

反交錯(cuò)濾鏡YADIF及PP li的技術(shù)實(shí)現(xiàn)分析

［劉曉玲張萍］

摘要反交錯(cuò)濾鏡是一種視頻圖像編碼處理技術(shù)，用于解決從隔行掃描到逐行掃描的轉(zhuǎn)換后圖像出現(xiàn)的拖尾及鋸齒等畫面質(zhì)量問題。本文分析了兩種采用不同技術(shù)原理實(shí)現(xiàn)的反交錯(cuò)濾鏡YADIF和PP li的具體實(shí)現(xiàn)方式，并提出了一種綜合使用兩種濾鏡獲得更好的反交錯(cuò)處理畫面效果的方法。

關(guān)鍵詞：反交錯(cuò) YADIF 逐行掃描 隔行掃描

劉曉玲

2007年碩士畢業(yè)于中山大學(xué)，現(xiàn)就職于中國(guó)電信股份有限公司廣州研究院，研究方向：視頻編解碼算法、視頻云轉(zhuǎn)碼，云計(jì)算。

張萍

碩士，中國(guó)電信股份有限公司廣州研究院，工程師，研究方向：視頻編解碼算法、互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、云計(jì)算。

1　技術(shù)背景

1.1隔行掃描與逐行掃描的原理及轉(zhuǎn)換問題

隔行掃描［1］，是每一幀被分割為兩場(chǎng)，每一場(chǎng)包含了一幀中所有的奇數(shù)掃描行或者偶數(shù)掃描行，通常是先掃描奇數(shù)行得到第一場(chǎng)，然后掃描偶數(shù)行得到第二場(chǎng)。在處理設(shè)備和帶寬受限的情況下，隔行掃描可以獲得比逐行掃描更好的視頻播放質(zhì)量。例如廣播電視系統(tǒng)的NTSC及 PAL制式，都是采用隔行掃描的方式［2］。另外，在安防領(lǐng)域眾多的模擬信號(hào)設(shè)備也是采用隔行掃描的方式。然而，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，越來越多的視頻設(shè)備采用逐行掃描的方式。特別是互聯(lián)網(wǎng)上的視頻流格式，只支持逐行掃描方式。因此，需要反交錯(cuò)技術(shù)，將視頻影像從隔行掃描的方式轉(zhuǎn)換為逐行掃描的方式。

在轉(zhuǎn)換過程，如果直接將兩幅隔行掃描的圖像合成一幀，則往往會(huì)出現(xiàn)橫向的“鋸齒”現(xiàn)象。這是由于隔行掃描方式下奇場(chǎng)和偶場(chǎng)的拍攝時(shí)間存在時(shí)差。在目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的情況下，兩次拍攝的目標(biāo)會(huì)存在一個(gè)相對(duì)于攝像機(jī)的橫向位移，這個(gè)位移反映在圖像上就是圖像奇、偶行之間會(huì)存在錯(cuò)位。直觀的感覺就是圖像上原本應(yīng)該很平滑的邊緣會(huì)變成參差不齊的鋸齒狀邊緣。反交錯(cuò)Deinterlace技術(shù)正是為了解決這一問題而產(chǎn)生。

1.2反交錯(cuò)的技術(shù)原理與目標(biāo)

在反交錯(cuò)的實(shí)現(xiàn)過程，主要的技術(shù)方法可以分為兩類［3］，場(chǎng)內(nèi)插值和場(chǎng)間插值。場(chǎng)內(nèi)插值，是根據(jù)隔行掃描獲得的一半圖像數(shù)據(jù)，通過插值計(jì)算，填補(bǔ)上另一半的數(shù)據(jù)，例如下文介紹的PP li濾鏡。場(chǎng)內(nèi)插值的實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但無法提高畫面的垂直分辨率，且會(huì)使得圖像邊緣模糊。場(chǎng)間插值，則是根據(jù)奇偶場(chǎng)合并后的數(shù)據(jù)進(jìn)行插值計(jì)算。直接進(jìn)行奇數(shù)場(chǎng)和偶數(shù)場(chǎng)合并的鋸齒現(xiàn)象，主要是由于拍攝目標(biāo)的橫向運(yùn)動(dòng)分量產(chǎn)生，因此，一些反交錯(cuò)算法提出給予基于運(yùn)動(dòng)搜索和補(bǔ)償?shù)姆椒?。不過雖然基于運(yùn)動(dòng)搜索和補(bǔ)償?shù)姆椒ǐ@得的圖像質(zhì)量效果很優(yōu)秀，但是由于往往需要耗費(fèi)大量資源以及時(shí)間，以至于無法直接應(yīng)用于實(shí)時(shí)視頻流的場(chǎng)景。在實(shí)時(shí)視頻流的反交錯(cuò)處理中，往往需要在性能和畫面質(zhì)量之間選擇一個(gè)最優(yōu)方案。下文介紹的YADIF濾鏡則是一種具備運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償思想的方法。在計(jì)算過程中會(huì)通過考量目標(biāo)點(diǎn)及垂直方向上的周圍點(diǎn)在時(shí)間軸上的變化，以此對(duì)目標(biāo)點(diǎn)值進(jìn)行矯正，是一種具備運(yùn)動(dòng)搜索與運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償能力的高效簡(jiǎn)單的處理方法。

2　YADIF反交錯(cuò)濾鏡的技術(shù)實(shí)現(xiàn)

YADIF是一種反交錯(cuò)過濾器算法［4］。基本原理是在每一幀圖像中，通過設(shè)定頂部?jī)?yōu)先或底部?jī)?yōu)先，相應(yīng)選擇奇數(shù)行或偶數(shù)行為正確數(shù)據(jù)，另外一半數(shù)據(jù)則通過計(jì)算矯正獲得。以頂部?jī)?yōu)先為例，YADIF計(jì)算基于以下原則：

（1）對(duì)于待糾正的點(diǎn)，當(dāng)前幀的上一行和下一行的相同位置的點(diǎn)是正確的；

（2）對(duì)于待糾正的點(diǎn)，當(dāng)前幀的的上兩行和下兩行的相同位置的點(diǎn)是可供參考的；

（3）對(duì)于待糾正的點(diǎn)，前一幀的相同位置的點(diǎn)是可供參考的；

（4）對(duì)于待糾正的點(diǎn)，前一幀的上一行、下一行、上兩行和下兩行的相同位置的點(diǎn)是可供參考的。

基于上述假設(shè)，YADIF在計(jì)算一個(gè)點(diǎn)的值時(shí)，會(huì)根據(jù)它的周圍信息（垂直方向上的點(diǎn)）以及運(yùn)動(dòng)方向（時(shí)間軸上的信息，上一幀的相同位置及垂直方向的點(diǎn)）進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算的基本方法包括均值、差值、以及比較計(jì)算。具體的計(jì)算流程如下：

（1）取當(dāng)前幀上一行和下一行相同點(diǎn)的值的均值，以此為基數(shù)，記為spatial_pred。

（2）以當(dāng)前點(diǎn)的值，與上一幀的當(dāng)前位置點(diǎn)，取二者均值，記為d。

（3）當(dāng)前點(diǎn)的值與上一幀當(dāng)前點(diǎn)的差值，取其的1/2，記為diff0。

再考慮上下一行的點(diǎn)的前一幀與當(dāng)前幀的差值：取前一幀下一行的點(diǎn)與當(dāng)前幀下一行的點(diǎn)c的差值，前一幀上一行的點(diǎn)與當(dāng)前幀上一行e的點(diǎn)差值，取二者均值，記為diff1。

diff =MAX｛diff0，diff1｝；

（4）進(jìn)一步計(jì)算上下兩行的前一幀與當(dāng)前幀的情況：

①取上一幀的下兩行的點(diǎn)的值，當(dāng)前幀的下兩行點(diǎn)的值，取均值b

②取上一幀的上兩行的點(diǎn)的值，當(dāng)前幀的上兩行點(diǎn)的值，取均值f

int max = FFMAX3（d - e， d - c， FFMIN（b - c， f - e））；

int min = FFMIN3（d - e， d - c， FFMAX（b - c， f - e））；

diff = FFMAX3（diff， min， -max）；

（5）最后將spatial_pred的值限定在區(qū)間（d-diff，d+diff）之內(nèi)。取前點(diǎn)值= spatial_pred

if （spatial_pred ＞ d + diff）

spatial_pred = d + diff；

else if （spatial_pred ＜ d - diff）

spatial_pred = d - diff；

下面是對(duì)圖像采用yadif濾鏡進(jìn)行處理的效果。圖1是原始圖像，圖2是經(jīng)過yadif濾鏡處理過后的圖像。圖像1的可見橫向的鋸齒，特別是下方滾動(dòng)字幕。圖像2畫面質(zhì)量基本接近原圖，鋸齒現(xiàn)象也有所減輕，但是下方的字幕仍然還是可見有鋸齒。

圖1　原始圖片

圖2　經(jīng)過yadif處理后的圖片

3　PPli反交錯(cuò)濾鏡的技術(shù)實(shí)現(xiàn)

PP濾鏡組提供了一組使用不同插值方法實(shí)現(xiàn)的子濾鏡，包括LINEAR_IPOL_DEINT_FILTER，LINEAR_ IPOL_DEINT_FILTER、CUBIC_IPOL_DEINT_FILTER、MEDIAN_DEINT_FILTER等等。本文以子濾鏡li （LINEAR_IPOL_DEINT_FILTER）為例，其計(jì)算原理如下：

（1）對(duì)每一幀的數(shù)據(jù)按順序等分成不同的block，每個(gè)block的大小是8*8Byte；

（2）在block內(nèi)部，對(duì)待修正的點(diǎn)，取上一行相同位置的點(diǎn)和下一行相同位置點(diǎn)的值，通過以下位運(yùn)算獲得：

src［stride*k］= （a|b） - （（（a^b）&0xFEFEFEFEUL）＞＞1）；

其中，a=src［stride*（k-1）］，=src［stride*（k+1）］，stride=d ata-＞linesize。

圖3 是原始圖像圖1經(jīng)過濾鏡pp=li的處理之后的效果。字幕的基本沒有鋸齒現(xiàn)象，然而整體畫面明顯模糊了。

圖3　經(jīng)過濾鏡pp=li的處理之后的效果

4　使用區(qū)域劃分方式整合兩種濾鏡的效果

通過的實(shí)驗(yàn)對(duì)比效果中發(fā)現(xiàn)，使用YADIF濾鏡，獲得的視頻的運(yùn)動(dòng)畫面質(zhì)量較好，但是滾動(dòng)字幕的鋸齒現(xiàn)象還是比較明顯；采用PP LI濾鏡則對(duì)滾動(dòng)字幕的鋸齒現(xiàn)象處理較好，但是運(yùn)動(dòng)畫面質(zhì)量有相對(duì)比較明顯的下降，出現(xiàn)輪廓模糊，畫面感不夠銳利，特別是左側(cè)的臺(tái)徽?qǐng)D案圖標(biāo)。因此本文提出一種通過區(qū)域劃分的方式，對(duì)視頻圖像的不同區(qū)域采用不同濾鏡的，可達(dá)到同時(shí)獲得較優(yōu)的運(yùn)動(dòng)畫面質(zhì)量與滾動(dòng)字幕質(zhì)量的效果。

具體的實(shí)現(xiàn)方式是，對(duì)整個(gè)視頻畫面進(jìn)行區(qū)域劃分，將滾動(dòng)字幕的所處區(qū)域劃為字幕區(qū)域，其它部分為運(yùn)動(dòng)畫面區(qū)域。對(duì)滾動(dòng)字幕區(qū)域采用PP li濾鏡，而對(duì)運(yùn)動(dòng)畫面區(qū)域采用YADIF區(qū)域。

圖4　通過區(qū)域劃分整合兩種濾鏡的處理效果

5　結(jié)束語

對(duì)視頻編碼圖像的反交錯(cuò)處理是傳統(tǒng)電視視頻信號(hào)到互聯(lián)網(wǎng)視頻流格式轉(zhuǎn)換中必須使用的關(guān)鍵技術(shù)，由于電視視頻信號(hào)上疊加的滾動(dòng)字幕與主體畫面的圖像呈現(xiàn)不同的運(yùn)動(dòng)特性，因此本文提出的分區(qū)域聯(lián)合使用兩種濾鏡的技術(shù)方案能較好的提升整體的畫面質(zhì)量，從而改善用戶的觀看體驗(yàn)，提高視頻畫面處理質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

1隔行掃描.百度百科。2016.3

http：//baike.baidu.com/link？url=2afm7hDpzUNBeeuU3H8ntZta0OR5oekLdYHgYyza8f_ICPXWJm99zHTn1KB svJ6LC4uTF6GEOmoRkYDgEvZyq

2高平.詳解視頻格式種類與轉(zhuǎn)換方法.現(xiàn)代電視技術(shù)。2012.7

3彭勇.一種運(yùn)動(dòng)分級(jí)反交錯(cuò)算法在視頻監(jiān)控中的應(yīng)用.儀器儀表用戶。Vol.16， ，No.3.2009

4YADIF. https：//trac.handbrake.fr/wiki/yadif 2016.3

DOI：10.3969/j.issn.1006-6403.2016.04.011

收稿日期：（2016-03-09）