电视机的画中画技术

随着广播电视的不断发展及人们欣赏水平的提高，对电视机提出了更高更新的要求，画中画技术即是当今彩电中尤其是大屏幕彩色电视机中受到广泛关注的技术之一。画中画（PIP）即是在同一屏幕上收看大画面（或母画面）的同时，在适当位置上插入显示一个或几个小画面（或子画面）的技术。

回顾画中画电视机的发展，经历了由TTL元件起步阶段做成的模拟装置，发展到采用MOS－BBD存储器的画中画商品电视阶段，至近年来出现的采用数字技术和微处理技术的全数字化的画中画电视机阶段，大约经历了20多年的研制和生产，但目前价格尚比较昂贵。相信随着计算机技术及大规模集成电路技术的发展，画中画电视机将会与数字电视机一样以极大的优势占领市场，不仅技术上轻而易举，价格上也会被广大消费者接受，因而逐渐普及进入亿万家庭。本文将对画中画电视机的基本原理作简单的介绍。

图1为双高频调谐器画中画彩色电视机的原理方框图，图中的上半部分与一般彩色电视机相同，所增加的下半部分是小画面信号的接收变换处理和插入控制电路。可见，画中画电视所需解决的问题主要有两方面：一是选出作为小画面显示的小画面一路的视频信号，在水平和垂直两个方向分别压缩为原来的1/K（K称为压缩率）；二是按要求的位置将压缩后的小画面信号插入到大画面的图像中去，一般由称为画中画处理器的电路及控制部分共同完成。

小画面的压缩比：小画面是将小画信源在水平方向和垂直方向上都压缩1／K形成的，压缩处理需借助于帧存储器或场存储器实现。这样做虽然小画面的空间分解力下降为正常显示时的1／K，但画面的尺寸也相应的缩小了，所以仍可基本满足人眼分辨力的要求。其形成过程是，首先对小画信源进行在垂直方向每K行选取一行、在水平方向每K个像素选取一个像素的处理，得出小画面信号写入存储器，然后按大画面的规律逐行逐像素从存储器中读出，最后进行显示变换。这里压缩率K值的选取关系到显示效果，选取时要权衡大小两个画面的分配比例。因为若K值取得过大，会使小画面过小而没有足够的清晰度；K值过小又会影响大画面应有的显示范围；再者需考虑尽量减小存储器的容量。通常在保证小画面有一定清晰度的前题下K值以取3或4较为适宜，这时一幅画面上有近1／9或1／16的面积用以显示小画面。

原始小画面须经剪辑：剪辑的目的是为了切去图像四周无关紧要的内容，突出小画面中心部分，获得更好的观看效果。为了说明小画面的剪辑过程，这里引入覆盖率α和屏幕占有率β两个参数。α表示经剪辑写入存储器的图像面积（S\(_{2}\)）与正常显示图像面积（S1）之比，α=S\(_{2}\)／S1，如图2所示，一般α取0.7～0.8；β表示压缩处理后的小画面面积（S\(_{3}\)）与原始画面面积（S1）之比，β=S\(_{3}\)／S1。上述压缩率为K\(^{2}\)=S\(_{2}\)／S3，即将小画信源压缩成小画面的压缩程度。

小画面的压缩取样和存储：为获取小画面信号并记忆在存储器中，首先需要进行取样处理。写入存储器的取样频率较低，为正常图像信号的取样频率的1／K。为减小和抑制取样时造成的频谱混叠，取样前需进行滤波以限制视频带宽，一般限制在3～3.5MHz，取样频率为1.5～2.5MHz，这样做的附加好处是可避免色度信号对亮度信号的干扰。为了减小和消除垂直方向的频谱混叠，可采用由几个CCD一行延时线和加权电路组成的数字滤波器。

取样后的小画面信号既可直接存储于模拟存储器如MOS型斗链型器件（BBD）和电荷耦合器件（CCD）中，也可采用数字存储器存储。用模拟存储器进行存储的优点是直接对模拟信号存取，不需变换，故技术简单，成本也较低。其缺点是，由于这类存储器实质上是一个模拟样点的移位寄存器，记忆内容是与模拟信号电平成正比的电荷量，在信号存取过程中，电荷会发生传输损耗和扩散损失，限制了存储量和取样频率的提高；另一个较大的缺点是，所寄存的电荷量要不断刷新，屏幕上不能显示静止（“冻结”）的小画面图像，且也不宜彩色化。再者模拟存储器读与写不能同时进行。若要保证大小画面在任何相位关系下都能正常读写，实际中至少要设置两个一场存储器交替动作，一个写入另一个读出，且每场用切换开关转换一次，为实现写入和读出过程中小画面信号奇偶场的空间位置关系正确而恒定，对子母两画面都要进行帧识别等等。其他还存在一些难以克服的缺点。

采用数字存储器则可以克服上述缺点，既可获得满意的图像质量，又可实现小画面的“冻结”、“动画”、等具有特技效果的处理，灵活又方便。数字存储器对小画面的处理过程与一般数字信号处理过程相同，首先需把未经压缩的模拟小画面信号经A／D转换器进行取样、量化、编码后转换为小画面数字信号，再经一场存储器和缓冲存储器处理后，得出经压缩的小画面数字信号，最后由D／A变换器转换为已压缩的小画面模拟信号。小画面的量化等级以6～8bit效果较好，但考虑到小画面主要用以监视，为节省存储器容量，通常可取5～6it。画中画电路中采用的数字存储器有两种形式：两场数字存储器系统和一场数字存储器系统，前者小画面图像质量较好，但所需存储量大，成本也较高；后者既能减少存储器的存储量也能基本保证小画面的图像质量，仅在显示静止画时垂直清晰度有所降低。放实际中经济实用，便于商品化。图3示出了一场存储器系统的原理框图。数字存储器具有可以随机存取的特点，写入和读出可以采用时间分割共用一个RAM，若存取速度不够可借助缓冲存储器。这里以K=3例说明，这时小画面的取样频率为每三行中选一行再每三个像素中选取一个样值写入，但读出时应按原图像取样速度即是写入时钟频率的三倍，所以一个写入周期可以以“写一读三”方式进行时分复用，并行读写互不重叠。由于读出的像素每三个一组在时间轴上被压缩了，因此需要一个三像素的缓冲存储器。经过这样处理的小画面信号在规定的时间插入到大画面中去。由于数字存储器稳定性好，信噪比高，具有随机随意存取的特性，比模拟存储器有无可比拟的优点，尽管目前价格尚高，但在画中画电视机中仍广泛采用。

小画面的彩色化：对于彩色小画面，色差信号的带宽大约为亮度信号的1／4，但实际上不宜用亮度信号取样频率的1／4对色差信号取样，那样会造成严重的频谱混叠，会导致严重的色调失真。为节约存储器的容量，色差信号的取样频率可选为亮度信号的一半。当小画面亮度信号的取样频率为2.4MHz时，色差信号的取样频率选为1.2MHz，垂直方向上每6行取一行（K=3时）。这样，每一色差信号（R－Y或B－Y）的存储容量为亮度信号的1／2。由于小画面亮度信号的A／D转换器每隔K行工作一次，在（K－1）行空闲行可插入色差信号的A／D转换信号，实现A／D转换的时分复用。时分复用时两个色差信号不能同时取样量化，可将R－Y和B－Y信号在两个不同的行期间取样并写入存储器，读出时再用一行数字延时线及行频脉冲控制的切换开关将它们合二为一如图4（a）。R－Y与B－Y信号取样行的配置基本上有两种方法：一种是取自同一亮度取样空闲期间中相邻的两行，如图4（b）；另一种是分别取自两个亮度取样空闲期间，如图4（c）。前者 R－Y、B－Y两行距离很近，相当于每6行取相同一行的色度信号；后者R－Y行、B－Y行均匀拉开，使垂直方向上的取样频率有所提高，对抑制频谱混叠有利。

小画面的插入：彩色画中画电视机的信号处理需设置两套，但扫描和显示系统只能一套，即是大画面的行、场扫描和显示系统。为了将压缩后的小画面插入到大画面中去，需确定大小画面的切换信号，通常选用R、G、B信号或Y、R－Y、B－Y信号；须设置一个视频电子开关适时地接入大小画面的信号。如在某一特定时间内切断大画面信号而接入小画面信号，相当于在大画面某一位置开一个插入窗口，把小画面信号镶嵌在大画面的窗口内，插入的窗口开关信号需与大画面的行、场同步信号有严格的关系。如图5所示，在场扫描的第a行至第b行建立场窗口；在a至b行中行扫描时刻c至d期间建立行窗口。插入小画面的窗口脉冲由存储器的读出地址控制电路产生，要改变插入窗口的位置，只需由画中画控制器产生的控制信号去改变行延时Δt\(_{H}\)和场延时ΔtV两个参数即可。实际上，小画面窗口常置于大画面的四个角上。若要显示多个小画面时，其插入的窗口开关脉冲较为复杂，但仍需与大画面的行、场同步脉冲严格同步。图6给出了四个小画面的插入窗口开关控制信号的波形，此时显示的小画面面积为原图像的1／9。

小画面的剪辑：小画面的剪辑窗口尺寸决定后，由选出处理小画面的场同步前后沿各提前和延时t\(_{V}\)＇产生场地址，由其行同步前后沿各提前和延时tH＇产生行地址，窗口之外t\(_{V}\)＇、tH＇如间小画面信号被剪除不取样显示，如图2所示。故该剪辑地址控制信号需与小画面的行、场同步脉冲同步，由画中画处理器产生。

除此以外，如小画面的A／D转换的取样脉冲，存储器的写入地址、读出地址，Y信号的串／并、并／串变换的时钟脉冲，R－Y、B－Y缓冲寄存器的写入和读出控制脉冲及数字处理所需的其他脉冲等均由画中画控制电路产生，所以画中画控制电路是画中画插入和控制的中心。

小画面的特殊功能：（1）小画面的“冻结”，若存储器停止写入，只重复读出存储器一场的图像信号，屏幕上的小画面出现静止即“冻结”图像；（2）小画面的“动画”效果，若重复读出存储器若干场的图像信号（如4场或8场等），再写入一场新信号，这时小画面图像便呈现动画效果；（3）小画面的消去，若存储器停止读出，则屏蔽上不显示小画面图像。上述控制均由画中画电视机的遥控器发出指令通过画中画控制电路实现的。（高厚琴）