專利名稱：使用擴張頻道提高彩色電視信號分辨率的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及傳送高分辨率電視信號領域，特別涉及利用分別形成和傳送的擴張頻道提高NTSC信號分辨率的方法和裝置。
人們對于允許增加垂直與水平二維圖象分辨率的電視信號的傳輸越來越感興趣。但是已有成百上千萬臺已在使用的電視接收機接收和顯示標準的北美和日本的電視傳輸標準(稱之為國家電視子委員會或NTSC標準)由于有這么多現(xiàn)有的電視機只顯示NTSC電視信號，所以已研究出兩個基本方法來提高分辨率的電視服務。一個方法是以新的格式傳送高分辨率的電視信號，然后強行要求所有的用戶要么得到一個為他們現(xiàn)有的電視機能夠從新的格式信號恢復NTSC信號的解碼器，要么買一臺接收新格式信號的新電視接收機。為了接收新格式信號和顯示高分辨率圖象，要求用戶購買一臺新的很貴的高分辨率電視接收機。為使可選用的解碼器是可行的，這種方法的一個明顯的目的是使得用于現(xiàn)有電視機的解碼器的價格盡可能地便宜。但是，這種方法對于廣播機構來說是非常不能滿意的，他可能從用戶那里失去相當大的收入，而且為適應新的格式信號，必須花費相當大的費用。
這種方法隨后的一種解決方案涉及傳輸高分辨率多路復用的模擬分量(MAC)信號，NTSC信號可以從該信號很便宜地得到。這種解決方案在1987年9月2日申請的，申請?zhí)枮?92305的未審定的美國專利申請中描述，在這里引用供參考。在該公開的技術中，產生一個行和信號，從該信號可以得到改善的水平的清晰信息，并產生一個行差信號，從這個信號可以得到改善的垂直的清晰信息。二維對角濾波器用于高分辨率信號和取出的剩下的五點形或五個圖形圖的交替樣值。通過重新引入樣值，完全高分辨率信號被恢復了，該樣值是先前傳輸?shù)男泻团c行差信號通過內差而得到的。
用于傳輸更高分辨率信號的任何新格式應考慮公用部門和制造廠商在現(xiàn)有NTSC電視機中的已有的投資，如果由廣播機構以NTSC格式分配的電視頻道改變?yōu)橐粋€新的電視信號格式，除非新格式可由現(xiàn)在的標準NTSC兼容電視機接收，傳輸NTSC格式信號實際上是不終止的。否則，廣播機構立即失去所有的觀眾，而且除非每個觀眾改進他們家里的設備以接收新標準格式，所有觀眾將失去服務。
由于這個原因，開發(fā)高分辨率電視(HDTV)格式的另一種方法具有相當大的興趣，這種格式可以由現(xiàn)有的電視接收機接收和顯示(不需要增加解決方案)。包含更先進電路的新接收機當調到相同的傳輸頻道時應該接收和顯示更高分辨率的圖象。具有與現(xiàn)有的NTSC和新高分辨率電視機適當兼容的電視信號格式稱之為“NTSC兼容的HDTV信號”。
產生NTSC兼容的HDTV的一種方法是對目前的NTSC信號采用“擴張頻道”(augmentationchannel)。包含擴張頻道的寬圖象格式電視傳輸系統(tǒng)在COLE的美國專利4581640中提出來了，在這里引用供參考。對NTSC信號頻道的第二個分開的頻道擴展現(xiàn)有的NTSC信號是通過傳送邊側信息以增加圖象寬度和附加信息，以增加垂直分辨率與水平分辨率。正如由北美菲利蒲公司已開發(fā)和建議并根據(jù)與輸出掃描速率有關的慣例，擴張的頻道是由2∶3時間擴張的高頻信號構成，并把行差信號調制到12.2兆赫的副載頻，該副載波是多倍于NTSC行頻率而且高于高分辨率NTSC信號的時間擴展高頻YH亮度分量。然后行差分量復用在大約9.4至13MHZ，而高分辨率信息為7.3至10.4MHZ。
這種復用利用這兩個分量之間的小的重疊(9.4至10.4MHZ)。對初始的菲利蒲公司的建議的改進在Tsinberg的美國專利4694338中敘述了，在這里引用供參考。他的建議是關于傳輸擴張頻道的重疊部分產生的問題的解決方案。任何有關改善水平分辨率的要求看來是與包含水平信息的行差信號有關。但是菲利蒲公司的擴張頻道建議是可行的，仍然在該技術領域要求擴張頻道實施的經濟而有效的比較設計，它進一步改進水平分辨率。
在北美和日本的彩色的電視傳輸使用的NTSC標準當在距離小于三倍圖象高度觀看時，有一定的圖象損傷。它們是(1)彩色串擾，這是有關解釋作為NTSC標準接收機的彩色信息的亮度能量的;
(2)亮度串擾，它是有關解釋作為NTSC標準接收機的亮度信息的彩色能量的;
(3)行結構，這是有關使用隔行掃描，由于沒有足夠的行而產生的行結構的不希望的能見度;
(4)有限的垂直分辨率，和(5)有限的水平分辨率。
還有，人們通常認為，在該格式中使用的4∶3的寬高比對于更大的屏幕是不合適的，而更寬的圖象希望具有16∶9的寬高比。
最近幾年，已經論證了完善的二維濾波器技術，當它用于NTSC發(fā)射機和NTSC接收機時，可以消除彩色串擾和亮度串擾的影響。因此本發(fā)明的目的是有效地致力于提高水平以及垂直分辨率和行結構能見度的問題，同時將圖象的寬高比增加到16∶9。
眾所周知，通過在典型的NTSC顯示的行間產生附加的電視行可減輕行結構可視度的影響。這些行可用內插技術構成。當在一場中垂直內插附加行時降低行結構的可視度，它也不可避免地降低垂直分辨率。
在上述菲利蒲系統(tǒng)和其他系統(tǒng)中為廣播電臺建議的解決方案是使用垂直細節(jié)信號(行差信號)來改善內插的精確度。這個技術既消除可視的行結構，又增加垂直分辨率。行差信號在發(fā)射機產生并插入到擴張頻道供所有接收機使用。
另一方面，這樣產生的行差信號可能要求時間壓縮以便留出邊側信息的位置并導致所得到的垂直分辨率的某些損失。雖然垂直分辨率的損失可通過其他方法來校正，但這樣的方案增加了解碼器的價格。另外，水平分辨率的改善涉及行差信號的傳輸。
總之，在擴張頻道技術中，擴張頻道應傳遞下列信息(a)把寬高比從4∶3增加到16∶9的邊側信息。
(b)行差信號提高16∶9圖象的垂直分辨率，并消除行結構可視度，以及(c)增加水平分辨率的信息。
本發(fā)明作為產生擴張頻道包括水平分辨率的改善的一種方法對菲利蒲系統(tǒng)進行改進。菲利蒲的建議和本發(fā)明二者都涉及用于改善垂直和水平分辨率的行差信號部分的傳輸和作為擴張頻道部分的邊側信息與彩色信息的傳輸。然而，本發(fā)明與菲利蒲建議的區(qū)別在于從行和信號產生水平分辨率部分和利用對角濾波從一行差信號而來的垂直分辨率部分的組合。(在濾波器里可感覺到的水平和垂直分辨率的損失不大)垂直與水平分辨率部分可以以互補方式在約2.5MHZ的頻帶內傳輸，留下剩余的可用的6MHZNTSC一樣的帶寬用于傳輸邊側信息，彩色和其他數(shù)據(jù)。此外，在發(fā)射機上使用產生的行和信號為在擴張頻道上的傳輸分離標準的NTSC信號。
本申請敘述把所有需要的信息插入到擴張頻道的方法和裝置，該頻道使編碼器和解碼器的費用盡量減少并改善了效率。


圖1說明具有用于增加有效圖象寬度的邊側信號的擴張頻道;
圖2圖示說明16∶9寬高比圖象信號的垂直對水平的分辨率;
圖3形象說明用于實現(xiàn)便宜而有效的擴張頻道的本發(fā)明的方法;
圖4是實施圖3的編碼方法的發(fā)射機的示意圖;
圖5形象說明對圖3的方法的互補方法，該方法可在接收機出現(xiàn);以及圖6是實施圖5的解碼方法的接收機示意圖。
參見圖1，繪圖說明擴張頻道的要求。該擴張頻道包含標準同步周期和邊側信號，邊側信號增加圖象的寬度，從寬高比4∶3增至16∶9。有左(LH)和右(RH)邊側。圖象寬度的增加相應于增加了原圖象寬度的 1/3 16/9÷4/3＝4/3＝1 1/3這樣邊側信息占有效行的 1/3 。剩下的 2/3 行必須傳送信息，這些信息使4/3的圖象分辨率增加為原來寬度的分辨率。為獲得這個結果，要求對所有的分辨率改善信息進行2∶1的時間壓縮。2∶1的時間壓縮具有加倍信號帶寬的效果。
假定擴張信號必須在約為6MHZ的普通無線電頻率頻道內傳送，則壓縮的基帶信號的帶寬可能不超過5MHZ。這意味著未壓縮的約帶寬為2.5MHZ。因此本發(fā)明的目的是在2.5MHZ的帶寬內最大可能地增加垂直和水平分辨率。
假定本方法是應用于以525行順序掃描的，高分辨率的，寬高比為16∶9的圖象，信號的水平帶寬為14.32MHZ。由于目前的敘述假定行加倍了，所以隔行信號帶寬為7.16MHZ，順序掃描的信號已從隔行信號中取出。這類的順序掃描信號在16∶9寬高比的屏幕上保持480線的垂直分辨率和420線的水平分辨率。在圖2中示出了表明水平對垂直分辨率的二維頻譜。
電視圖象的行是成對的，奇數(shù)行標以A，偶數(shù)行標以B。參見圖3，每個相鄰的A、B對進行處理以產生信號(A+B)和(A-B)(第1步)。(這個等效于應用具有繼之以隔行的十中取一的系數(shù)1，1和1，-1，垂直數(shù)字濾波器)。信號A+B行和信號，信號A-B是行差信號。
這兩個信號(A+B和A-B)一起包含再現(xiàn)原始順序掃描圖象所需要的全部信息，但是每個信號本身是525行的隔行信號。因此，信號的進一步處理是按照圖3所示的來進行。
參見圖3的右側，(A-B)信號的低頻部分是垂直細節(jié)信號，可以消除可見的行結構。它是完全垂直混淆(由于行配對過程)，使得最大垂直頻率在零頻率(原點)。使用數(shù)字濾波技術，這個信號被對角濾波以分離圖3的區(qū)域(3)(第2步)。所用的數(shù)字濾波器使用14.32兆赫4倍副載波頻率(4fsc)的取樣頻率，彩色副載頻是3.58MHZ。對角濾波是較好的，如眾所周知，對于用戶來說對角頻率能量損失比由于垂直或水平濾波的頻率損失感覺更不明顯。
參見圖3的左側，行和(A+B)信號也是適合條件的信號(在行的十中取一之前已經垂直濾波了)。因此它傳送相應于普通525行2∶1隔行信號的垂直信息，而且可變換為NTSC標準格式。它還傳送擴展到7.16MHZ(420行)的水平分辨率信息。使用互補高通/低通數(shù)字濾波器，還使用14.32MHZ的取樣頻率，這個信號被分為兩個分量(第3步)。
由于互補濾波產生的低通區(qū)域(1)是在約4.6MHZ帶寬內的NTSC亮度信號，并且通到NTSC信號發(fā)射機。該發(fā)射機應包括二維濾波器，在3.58MHZ(227.5行頻(fh))的NTSC標準彩色副載波(第4步)引入之前予梳亮度和彩色信號。
在4.6MHZ與7.16MHZ之間的高通區(qū)域，通過對產生0與2.5MHZ之間的基帶的隔行樣值求反(第5步)被解調為基帶。這樣把接近7.16MHZ的能量變換為原點的能量，而4.16MHZ的能量變換為2.5MHZ的能量，對角數(shù)字濾波器可以有效地用于產生區(qū)域(2)(第6步)。正如上面關于垂直細節(jié)的對角濾波所敘述的，細節(jié)信息的對角濾波引起最小的感覺的能量損失。區(qū)域(2)和(3)的樣值信號組合以構成2.5MHZ帶寬信號(第7步)。這樣就產生2.5MHZ擴張信號的帶寬部分，用以改善水平和垂直細節(jié)。然后這個擴張信號進行2∶1時間壓縮并組合到一個完整的擴張信號中(圖1)擴張信號具有包括剩余帶寬內的邊側亮度與彩色信息的NTSC視頻信號的外形。
NTSC信號和擴張信號頻道二者都可以在單獨的6MHZRF(射頻)頻道中利用殘余邊帶傳輸方法進行傳輸。該信號的NTSC部分1與現(xiàn)有的接收機及CATV(電纜電視)擾頻系統(tǒng)兼容，并用于再生普通的525行，2∶1隔行的NTSC圖象。
擴張區(qū)域(2)和(3)可用另一種方法傳輸。例如由廣播、電纜電視或直播衛(wèi)星的予知而決定。在與已知的菲利蒲的建議比較時，重要的是通過產生行和信號以及行差信號，水平分辨率的改善是由行和信號得來的。此外，水平與垂直細節(jié)信號可以分開對角濾波，并且以靈活的方法以任何希望的格式在2.5MHZ帶寬內緊湊地傳送，該格式用于在剩余帶寬內把這種信息與邊側亮度及彩色信息一起傳輸。另外，由于應用行和信號(不象行差信號)取出水平細節(jié)信息信號，剩下NTSC信號頻率未受損失而不變，因此，應用行和信號當然允許提取象NTSC的信號(第3步和第4步)。
一個舊的NTSC接收機簡單地調到NTSC信號。一臺新的HDTV接收機調諧NTSC和擴張兩個信號，并再現(xiàn)525行順序掃描圖象，該圖象分別具有垂直480線的最大垂直分辨率和420線水平分辨率。
現(xiàn)在參見圖4，表示用于對高分辨率電視信號編碼的，根據(jù)圖3的方法傳輸?shù)陌l(fā)射機的示意圖。所述編碼器所用的輸入包括525行順序掃描的亮度信號(圖2)和彩色信號。在多路信號分離器401，輸入亮度信號的奇數(shù)和偶數(shù)行從邊側亮度信號中分開，如圖1所示的那樣。奇數(shù)行暫存在奇數(shù)行存儲器402中，而偶數(shù)行暫存在行存儲器403中。邊側信號，具有邊側彩色信號，以普通的方法編碼，并根據(jù)復用和適于該情況的傳輸技術排列成適當?shù)母袷?，如出現(xiàn)的NTSC信號和垂直與水平細節(jié)信號構成一個擴張頻道。
本發(fā)明與擴張頻道細節(jié)部分的產生和標準NTSC視頻信號有關。
在奇數(shù)行存儲器402中存儲一對奇數(shù)號碼的行，在偶數(shù)行存儲器403中存儲一對偶數(shù)號碼的行。濾波器404和405代表具有系數(shù)1，1和1，-1的垂直數(shù)字濾波器。濾波器404提供行和信號A+B，而濾波器405提供行差信號A-B。該行差信號在濾波器406中對角濾波以恢復基帶的垂直細節(jié)信號。
該行和信號A+B用于互補高通/低通數(shù)字濾波器407。在基帶約4.6MHZ通過的低通區(qū)域是亮度信號，在NTSC編碼器408中與NTSC基帶色度進行編碼用于傳輸。
4.6至7.16MHZ的高通信號解調為基帶，這是通過對隔行樣值與解調器409的互補低通信號求反來完成的。然后該結果在數(shù)字濾波器410中對角濾波，產生2.5MHZ帶寬的水平細節(jié)信號。
垂直細節(jié)信號V和水平細節(jié)信號H組合起來并進行2∶1時間壓縮，這是以在時間壓縮電路411讀入數(shù)據(jù)的兩倍速率讀出存儲的數(shù)據(jù)來完成的。因此，可以傳輸象NTSC擴張頻道的水平與垂直細節(jié)的改善部分，該頻道也可以包括邊側和色度信息部分?，F(xiàn)在，較詳細地討論接收機中的過程。
參見圖5，在HDTV接收機接收到NTSC頻道和擴張頻道。NTSC頻道用二維數(shù)字濾波器技術解碼取出亮度信息區(qū)域(1)和3.58MHZ的色度信息(第1步)。
擴張頻道進行時分多路信號分離以分開NTSC邊側信號(未示出)。然后經過二維數(shù)字濾波器技術處理分離出來邊側數(shù)據(jù)或經過模擬技術處理。然后這些邊側數(shù)據(jù)連在4∶3寬高比圖象的邊緣以增加該圖象寬度以構成16∶9寬高比，525行，2∶1隔行掃描的圖象。
參見圖5的右上部，擴張頻道的剩下部分(區(qū)域(2)，(3))以14.32MHZ時鐘速率讀入存儲器，以這個速率的一半或7.16MHZ讀出。這種較慢讀出過程完成2∶1時間壓縮。然后使用對角數(shù)字濾波器分開區(qū)域(2)和(3)，按照對角函數(shù)f(W)濾波提供區(qū)域(3)和按照互補函數(shù)(1-f(W))濾波得到區(qū)域(2)(第2步)。區(qū)域(3)信號是垂直行差信號，它是與解碼的NTSC亮度信號組合再生總共525電視行，這些行是再生二倍行頻順序掃描所必須的(第3步)。
區(qū)域(2)信號是通過帶通濾波器取出的，并對14.32MHZ的交替樣值求反解調為7.16MHZ樣值(第4部)。然后結果樣值經帶通濾波并加到亮度信號的所有行，因而提供附加的水平細節(jié)帶寬。
現(xiàn)在參見圖6，圖中表示了從分開的輸入信號恢復高分辨率電視信號的解碼器，該輸入信號包括NTSC信號和擴張信號。擴張信號AUG提供給多路信號分離器601，它根據(jù)擴張信號的格式分離為左邊側L，右邊側R和2.5MHZ帶寬的水平與垂直擴張信號H和VAUG。
NTSC信號在NTSC解碼器602中解碼為色度和亮度信號?；旧刃畔⒏郊舆厒壬刃畔⒂糜谔峁┩耆噬珗D象。解碼的亮度信號LUM在壓縮電路603中以4∶3的比率進行時間壓縮，并分別提供給奇數(shù)和偶數(shù)行和電路604作為附加的垂直與水平細節(jié)和邊側附加。
本發(fā)明主要地在于隨后的水平與垂直擴張信號H和VAUG。該信號首先在時間擴張電路606以2∶1的比率擴張。對角濾波器607，通過對角函數(shù)f(W)提供垂直細節(jié)信號，通過互補函數(shù)1-f(W)提供水平細節(jié)信號。這里的f(W)是濾波器607的對角函數(shù)濾波特性。垂直細節(jié)信號分別在奇數(shù)行和電路604與偶數(shù)行和電路605中被加入奇數(shù)行和從偶數(shù)行減去。
水平細節(jié)信號在調制器608中由14.32MHZ上的交替樣值求反而調制在7.16MHZ上。然后該結果通過7.16MHZ帶寬濾波器609。該輸出信號被時延，以同解碼的亮度信號和時延的邊側信號L與R相同步，并加在奇數(shù)與偶數(shù)行和電路604與605，以補充各奇數(shù)與偶數(shù)水平行的細節(jié)。
上述解碼器電路比較菲利蒲器件的一個優(yōu)點是，水平和垂直細節(jié)信號是經過單個對角數(shù)字濾波器607得到的，取消了復雜的模擬濾波器裝置。人們要求該解碼器電路相當?shù)睾喕?，更加有效并以更低的價格提供。
權利要求
1.在發(fā)射機中使用分開的擴張頻道提高NTSC視頻信號分辨率的一種方法，該擴張頻道包括用于改善垂直分辨率的行差信號部分，該方法的特征在于下列步驟產生一個行和信號；從該行和信號取出水平細節(jié)信號；濾除該水平細節(jié)信號以提供擴張頻道信號的水平分辨率部分，以及傳送擴張頻道的水平與垂直分辨率部分以提高NTSC視頻信號的分辨率。
2.按權利要求1所述的方法，其特征還在于步驟從產生的行和信號產生一個NTSC視頻信號，在擴張頻道上傳輸。
3.按權利要求1所述的方法，其特征還在于步驟在約2.5MHZ的帶寬內傳送擴張頻道的水平和垂直部分信號。
4.按權利要求1所述的方法，其特征還在于水平細節(jié)信號濾波步驟包括數(shù)字對角濾波。
5.按權利要求1所述的方法，其特征還在于水平細節(jié)信號濾波步驟包括對交替樣值求反，把高頻能量轉換為基帶。
6.按權利要求5所述的方法，其中水平細節(jié)濾波步驟還包括數(shù)字對角濾波。
7.在接收機中使用分開的擴張頻道提高NTSC視頻信號分辨率的一種方法，該擴張頻道包括改善垂直分辨率的行差信號部分，該方法的特征在于下列步驟濾波擴張頻道以恢復水平和垂直細節(jié)部分;把水平細節(jié)部分調制到高頻頻率;以及把水平細節(jié)分別加到奇數(shù)和偶數(shù)行。
8.按照權利要求7所述的方法，其特征還在于該濾波步驟包括以特征函數(shù)f(W)進行數(shù)字對角濾波，函數(shù)f(W)提供垂直細節(jié)信號而互補函數(shù)1-f(W)提供水平細節(jié)信號。
9.按照權利要求7所述的方法，其特征還在于在該調制步驟中，該高頻頻率是彩色副載波頻率的倍數(shù)。
10.按權利要求7所述的方法，其特征還在于步驟為對細節(jié)信息編碼以便于在分開的擴張頻道中傳輸，對包含水平與垂直細節(jié)部分的擴張頻道進行2∶1的時間擴張。
11.一種編碼器，用于對在分開的擴張頻道中傳輸?shù)募毠?jié)信息進行編碼，提供通過分開的擴張頻道分別傳送的NTSC視頻信號的改善的水平和垂直分辨率，該編碼器的特征在于用于產生行和信號的裝置;用于從產生的行和信號中取出水平細節(jié)信號的裝置，和對水平細節(jié)信號進行濾波以提供擴張頻道的水平細節(jié)部分的裝置。
12.按權利要求11所述的編碼器，進一步的特征在于用于將水平細節(jié)部分與垂直細節(jié)部分組合起來以便傳輸?shù)难b置。
13.按權利要求11所述的編碼器，進一步的特征在于從產生的行和信號取出NTSC信號的裝置。
14.用于對擴張頻道進行解碼的一種解碼器，以提供分開傳送的NTSC視頻信號的改善的水平與垂直分辨率，該解碼器包括一個時間擴張電路，響應一個擴張頻道信號部分，用于讀入和從行存儲器較慢地讀出行樣值;接到該時間擴張電路的一個濾波器電路，用于取出垂直細節(jié)和水平細節(jié)信號，以及一個加法電路，用于將水平與垂直細節(jié)加到該NTSC視頻頻率信號中。
15.按權利14所述的解碼器，其中的濾波器電路特別包括具有對角函數(shù)f(W)的一個數(shù)字對角濾波器，該對角函數(shù)提供該垂直細節(jié)，而互補函數(shù)1-f(W)提供水平細節(jié)。
全文摘要
使用一個擴張頻道提高NTSC視頻信號分辨率的一種方法包括產生行和信號及行差信號。從該行和信號可以得到水平細節(jié)信號，該信號可被對角濾波并加到對角濾波了的垂直細節(jié)信號中，在約2.5MHz的寬帶內傳送。此外，該行和信號可用于得到一個標準的NTSC視頻信號，該視頻信號從該擴張頻道分開地傳送。解碼器裝置包括單個的數(shù)字對角濾波器，該濾波器具有互補輸出函數(shù)，以低成本產生改善的水平與垂直分辨率。
文檔編號H04N11/24GK1042284SQ89107039
公開日1990年5月16日 申請日期1989年8月4日 優(yōu)先權日1988年8月4日
發(fā)明者基思·盧卡斯 申請人:亞特蘭大科研公司