Videoprozessoren Optimale Bildqualität bei schnellen HDTV-Sequenzen

Der Abschied vom Röhrenfernseher ist in vollem Gange, und auch LCD-Fernseher mit konventioneller Auflösung sind schon nicht mehr aktueller Stand der Technik. High-Definition-TV wird künftig die Wohnzimmer beherrschen. Doch noch haben die HDTV-Geräte oft Probleme bei der Darstellung bewegter Bilder. Neue, leistungsstarke Videoprozessoren können hier Abhilfe schaffen.

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Großflächige und hoch auflösende HDTV-LCD-Geräte haben das Fernsehen in den letzten Jahren geradezu revolutioniert und werden dank ihres eleganten Erscheinungsbildes und der inzwischen erreichten Bildqualität immer beliebter. Andererseits stellt die neue Technologie die Hersteller von LCD-Geräten aber auch vor besondere Herausforderungen.

Dazu zählt nicht zuletzt der so genannten Sample-and-Hold-Effekt, der für die sichtbaren Halo- und Unschärfe-Effekte bei schnellen Bewegungsabläufen verantwortlich ist. Diese Bewegungsartefakte werden besonders bei solchen Bildinhalten als störend wahrgenommen, die auf einer Kinofilmvorlage basieren. Auch bei Inhalten mit Bildraten von 50 oder 60 Hz führt dieser Effekt zu beträchtlichen Bewegungsunschärfen.

Das Grundproblem basiert auf der Tatsache, dass HDTV-Bilder so scharf und kontrastreich sind, dass die Prämissen des 20. Jahrhunderts zur Höhe der benötigten Bildwiederholraten nicht mehr gültig sind. Wir brauchen in diesem Zusammenhang wesentlich höhere Bildraten als die zurzeit zur Verfügung stehenden Quellmaterialien bieten können.

Zwischenbilder für mehr Schärfe

Bei statischen Bildern lassen sich dabei zur Erhöhung der Bildwiederholraten die einzelnen Bilder wiederholen. Bei Bewegtbildern funktioniert dies nicht so einfach: Hier gilt es, komplett neue Zwischenbilder zu generieren, die korrekte Raum- und Bildinformationen für den Zeitabschnitt zwischen den jeweiligen Einzelbildern enthalten.

Entsprechende Verfahren zur Bewegungsbewertung und -kompensation sind schon seit einigen Jahren auf dem Markt und werden mittlerweile auch in die TV-Chips vieler Halbleiterhersteller integriert. Diese Technologien basieren fast ausschließlich auf der Bestimmung passender Pixelblöcke in zwei aufeinander folgenden Bildern.

Darauf folgt die Berechnung des Bewegungsvektors zum Verschieben des jeweiligen Pixelblocks an die korrekte Position im neu erzeugten Zwischenbild. Hier gibt es bei den auf dem Markt verfügbaren Systemen jedoch deutliche Unterschiede hinsichtlich der Fähigkeit der Verfahren zur korrekten Analyse von Bewegungsinformationen und präzisen Interpolation von Zwischenbildern.

Bewegungsunschärfen kompensieren

Viele der zur Bewertung und Kompensation von Bewegungsunschärfen eingesetzten Verfahren zeigen unerwünschte Bildartefakte, die vom Betrachter besonders bei HDTV als störend wahrgenommen werden. Mit der immer höheren Wiedergabequalität moderner TV-Geräte wird der Konsument heute zunehmend kritischer und anspruchsvoller hinsichtlich etwaiger Bildfehler.

Ein häufig erzeugtes Artefakt sind so genannte Halo-Effekte um das bewegliche Bildobjekt (Bild 1). Sie entstehen, weil die meisten der für die Bildbewertung eingesetzten Verfahren zur Errechnung eines Bewegungsvektors für jeden Pixelblock nur zwei aufeinanderfolgende Filmbilder miteinander vergleichen. Sofern derselbe Pixelblock dabei in beiden Bildern zuverlässig erkannt werden kann, lässt sich der erforderliche Bewegungsvektor relativ problemlos berechnen.

Kann jedoch in beiden Bildern kein passender Pixelblock gefunden werden – beispielsweise, weil er von einem beweglichen Bildobjekt verdeckt oder aufgelöst wird –, ist die Berechnung eines korrekten Bewegungsvektors nicht zuverlässig möglich. Die zur Bewegungskompensation eingesetzten Algorithmen können in diesem Fall nur einen Bewegungsvektor aus umgebenden Pixelblöcken verwenden, der dann hoffentlich wenigstens annähernd korrekt ist.

Diese Verdeckung oder Auflösung von Pixelblöcken an den Rändern sich relativ zueinander bewegender Bildobjekte – mit der daraus resultierenden Verwendung nicht zuverlässiger Vektoren durch den Algorithmus zur Bewegungskompensation – ist der Grund für das Entstehen von Halo-Artefakten im Fernsehbild. Viele Chiphersteller versuchen diesen Effekt zu reduzieren, indem sie die Bildschärfe in den betroffenen Bereichen des Bildschirms kurzzeitig reduzieren. Dies merkt aber auch der Betrachter.

Algorithmus zur Reduzierung von Halo-Effekten

Zur Beseitigung dieses Problems hat NXP ein neues Verfahren zur Bewegungsbewertung und -kompensation entwickelt, das eine drastische Reduzierung unerwünschter Halo-Effekte ermöglicht. Statt eines Abgleichs von Bildpunkten in nur zwei aufeinanderfolgenden Bildern nutzt es die Informationen aus drei aufeinanderfolgenden Frames per Block-Matching zwischen dem aktuellen Bild (n) sowie dem vorherigen (n-1) und folgenden Bild (n+1).

Ein Pixelblock, der in Bild n+1 verdeckt ist, wird sich dabei immer noch in Frames n und n-1 erkennen lassen, was eine präzise Bestimmung des Bewegungsvektors für Bild n erlaubt (Bild 2a). Analog dazu lässt sich auch ein Pixelblock, der in Bild n-1 nicht erkannt werden konnte, jedoch in Bild n sichtbar ist, mit einem korrekten Bewegungsvektor aus Bildern n und n+1 interpolieren (Bild 2b).

Mit diesem Verfahren ist für Bild n die vollständige Erstellung der Bewegungsvektoren für alle Pixelblöcke möglich (Bild 2c). Die Anwendung dieser Technik auf ein vertikales Fenster aus drei Bildern ermöglicht damit die Komposition aller benötigten Bewegungsvektoren für jedes Filmbild.

Scharfe Darstellung durch Interpolation

Die Abbildungsleistung der eingesetzten Algorithmen zur Bewegungskompensation für ein sauberes Zwischenbild hängt in ganz entscheidendem Maße von der Genauigkeit und Vollständigkeit der Bewegungsvektoren ab. Darüber hinaus muss das System für die korrekte Anwendung eines einzelnen Vektors wissen, ob das betreffende Element per Vorwärts- oder Rückwärts-Matching bestimmt wurde. Die Funktionen zur Bewegungsbewertung und -kompensation müssen daher eng miteinander verknüpft sein.

Aber das ist längst noch nicht alles: Auch die Bewegungsvektoren selbst müssen interpoliert werden, damit sie zum Zeitpunkt der Generierung des Zwischenbildes genau die richtigen zeitlichen Bildinformationen zur Verfügung stellen können.

Da diese Technik auch Bildpunkte erkennt, die in aufeinanderfolgenden Bildern verdeckt oder aufgelöst sind, „weiß“ die Funktion zur Bewegungskompensation auch, welche Pixel in den interpolierten Bildern verwendet werden müssen und welche zu diesem Zweck unbrauchbar sind. Das Ergebnis spricht für sich: Die so erzeugten Zwischenbilder bestechen durch ihren Detailreichtum und die gestochen scharfe Wiedergabe an den Rändern bewegter Bildobjekte.

Technische Anforderungen an HDTV

Eine der größten Herausforderungen beim Einsatz der HDTV-Technologie zur Bewertung und Kompensation von Bewegungsunschärfen besteht in der Anhebung der Bildrate auf bis zu 100 oder 120 Bilder pro Sekunde bei einer im Vergleich zu einem Bild in Standardauflösung gleichzeitigen Verarbeitung von bis zu fünfmal mehr Pixeln pro Bild.

Für Standardmaterial, das mit 24 Bildern pro Sekunde aufgenommen wurde, bedeutet das eine Interpolation von nicht weniger als vier Zwischenbildern zwischen jedem Filmbild. Das stellt natürlich höchste Anforderungen an die erforderliche Rechen- und Speicherleistung des Systems, die sich auf Grund des beschriebenen Block-Matchings in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung abermals erhöhen.

Farben korrigieren und optimieren

Die Neuberechnung von Bewegungsabläufen durch Bewertung und Kompensation ist aber nicht die einzige Aufgabe, die es für eine optimale HDTV-Qualität zu bewältigen gilt. Die meisten aktuellen TV-Formate nutzen das Gesamtspektrum aller im wirklichen Leben vorkommenden Farbtöne nicht aus. Daher müssen die Farben mit Funktionen wie etwa zur Blauoptimierung des Himmels, zur Korrektur der menschlichen Hauttöne oder per Blue-Stretch und Grünoptimierung abgebildet und aufbereitet werden, um realistischere und naturgetreuere Bilder bieten zu können.

Standard-TV-Formate bieten auch nicht die Bildauflösung und Schärfe, die HDTV-Geräte wiedergeben können – daher müssen beide Parameter für echtes, hoch auflösendes HDTV mit bis zu 1920 × 1080 Pixeln und Bildwiederholfrequenzen von 120 Hz für jedes Einzelbild umgerechnet und angepasst werden.

Videoprozessor zur Bildverbesserung

Alle der oben beschriebenen Aufgaben zur Bewertung und Kompensation von Bewegungsunschärfen, zur Bildverbesserung und -skalierung werden durch NXPs neuen Video-Postprozessor PNX5100 mit proprietärer MAPP-Technologie (Motion Accurate Picture Processing) subpixelgenau (17 Bit) ausgeführt. Bild 3 zeigt das Blockdiagramm.

Zur sicheren Bereitstellung der erforderlichen Rechenleistung verfügt der PNX5100 über drei On-Chip-Medienprozessoren sowie ein eigenes Video-Backend mit Funktionen zur Verbesserung von Schärfe, Kontrast und Farbsättigung sowie zur OSD-Grafikdarstellung.

Die Technologie des neuen PNX5100 kombiniert Funktionen für Movie Judder Cancellation (MJC), Bewegungsschärfe (Motion Sharpness) und Vivid Color Management. Sichtbare Halo- und Unschärfe-Effekte bei schnellen Bildszenen werden dadurch erfolgreich beseitigt – gerade bei Sportübertragungen und Actionfilmen mit sehr schnellen Szenenfolgen ein unschätzbarer Vorteil für eine optimale Wiedergabequalität. Die automatische Bildkontrolle (APC) des Chips passt sich dynamisch den Verarbeitungsparametern an, um so Einzelbild für Einzelbild eine optimale Verbesserung zu erreichen.

Hohe Integrationsdichte und geringer Energieverbrauch

Der PNX5100 wandelt ein LVDS-Eingangssignal mit 1920 × 1080 Pixeln und einer Bildfrequenz von 60 Hz per Aufwärtskonvertierung in ein LVDS-Signal mit 1920 × 1080 Pixeln und 120 Bildern pro Sekunde (120 Hz) um. Damit lässt er sich nahtlos in die Video-Pipe von modernen LCD-TV-Geräten integrieren.

Zur Minimierung der Gerätegesamtkosten verwendet der Chip einen Standard-DDR2-Speicher mit 300 oder 333 MHz. Trotz der sehr hohen Integrationsdichte des PNX5100 in 90-nm-CMOS-Technologie benötigt er auf Grund seines geringen Energieverbrauchs keinen zusätzlichen Lüfter.

Den PNX5100 bietet NXP zusammen mit einem Reference-Design-Toolkit an, das es dem Hersteller ermöglicht, die Markteinführungszeiten neuer TV-Gerätegenerationen sowie die Entwicklungsrisiken deutlich zu reduzieren. Zudem eignet er sich sowohl als eigenständiger Video-Postprozessor oder Begleit-IC für einen TV-Hauptprozessor, wodurch sich eine bewegungsgenaue Bildverarbeitung als Zusatzfunktion implementieren lässt (Bild 4).

*Harm van der Heijden ist TV Picture Quality Architect und Jacco van Gurp ist LCD-TV System Architect bei NXP Semiconductors

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