專利名稱：電視傳輸系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于發(fā)送和接收標準電視信號的電視傳輸系統(tǒng)。
為了將長寬比為16∶9的寬畫面引進現(xiàn)行的長寬比為4∶3的電視標準(例如PAL，SECAM，NTSC)中，在以下文獻中對所謂“信箱”(′letter-box′)方法進行了討論《PAL制可能的改進之處及發(fā)展趨勢》，G.Holoch，F(xiàn)KTG講演，1989年1月17日于柏林;《未來的電視系統(tǒng)》，F(xiàn).Muller-Romer，F(xiàn)ernseh-und Kinotechnic，卷43，期號611989;以及《舊PAL制的新途徑》，Dr.A。Ziemer，E.Matzel，F(xiàn)unkschau，期號18/1989。采用這些方法之后，在長寬比為4∶3的接收機上就可以兼容地再現(xiàn)所記錄的16∶9的全部畫面信息，只是在上、下邊緣處為兩個不顯示可見圖象內(nèi)容的條形區(qū)域。
這一過程是這樣實現(xiàn)的在制作室里，從16∶9畫面的完整一幀的625行中將例如575有效行的第四行取出，然后每隔三行取出一行，并將這些行作為條形區(qū)域中的附加信息傳輸，條形區(qū)域因此而出現(xiàn)在有效畫面的上部和下部。這樣，4∶3接收機中的有效畫面包括431行和各有72行的邊緣條形區(qū)域。這種在4∶3接收機中顯示例如16∶9畫面的方式過去也已經(jīng)被采用了，因此，對觀看者一方來說，無需添加適配部件。
由于兩種畫面大小之比和原始的行數(shù)與減少后的行數(shù)之比相一致，所以因取出行而引起的幾何失真得到了校正。
現(xiàn)在16∶9接收機對兩個條形邊緣區(qū)域的信息進行處理，并將減少為431行的有效數(shù)目重又增加至575行，因此產(chǎn)生出完整的長寬比為16∶9的畫面。
如果從每幀中的575個有效行中每四行取出一行的話，在4∶3接收機上就會產(chǎn)生信號跳變，它將是可以覺察的，表現(xiàn)為圖象內(nèi)容中以對角成方向運動的結(jié)構(gòu)。為了避免信號跳變，在發(fā)射機中必須對這些行進行垂直內(nèi)插。
為了使邊緣條的行中的圖象內(nèi)容不以任何干擾的方式出現(xiàn)在4∶3接收機中，在發(fā)射機中對這些圖象內(nèi)容的幅度降低了13dB，在16∶9接收機中再進行相應(yīng)的提升。但是，這將導(dǎo)致16∶9接收機中的噪聲顯著上升，因而產(chǎn)生不如目前的4∶3接收機的圖象質(zhì)量。
本發(fā)明的目的是為一個16∶9電視信號確定一個可兼容的傳輸系統(tǒng)，該信號為采用“信箱”方法的標準接收機提供長寬比為4∶3的畫面，并且為逐行顯示的改進的接收機提供16∶9的畫面，特別是水平分辨率與源信號的水平分辨率相一致同時噪聲較低。
這一任務(wù)是通過權(quán)利要求1所示的特征部分完成的。本發(fā)明的其它改進之處參見從屬權(quán)利要求。
首先，主發(fā)射機(臺)一側(cè)使具有575個有效行、16∶9圖象規(guī)格的電視信號數(shù)字化，再在垂直方向上進行特殊的幀內(nèi)濾波。這可以由(比方說)長度為8的DCT變換來實現(xiàn)(DCTdirect cosine transform直接余弦變化)在產(chǎn)生的8個系數(shù)中，總是把第1至第5和第8個系數(shù)加以組合。這六個系數(shù)被以長度6進行反DCT、并經(jīng)數(shù)-模變換后插到經(jīng)壓縮的16∶9圖象的各自位置上。這樣，4∶3接收機就實際上具有充足的垂直分辨率。第6和第7個系數(shù)也被進行數(shù)-模轉(zhuǎn)換，并在壓縮了的16∶9圖象上方或下方的條中發(fā)送。
4∶3接收機并不評價這二個條中的系數(shù)就根據(jù)上面描述的“信箱”法呈現(xiàn)電視圖象。由于DCT變換的一個特征效果是使信號能量集中在低價系數(shù)上，第6和第7個系數(shù)通常只有比較小的幅度。這樣一來，4∶3標準接收機中在上述的二條帶內(nèi)的干擾性圖象內(nèi)容的可見性也已經(jīng)減小了。信號的這些部分只要有少許下降甚至不下降也足夠了。這些有利的結(jié)果使得16∶9接收機中幾乎不增加噪聲。
為了進一步降低這些系數(shù)在4∶3接收機中的可見性，條中系數(shù)幅度不采用線性下降，而是使用非線性函數(shù)來降低，再在16∶9接收機中進行相應(yīng)的反向提升。由于降低和提升的非線性(較大的幅度比較小的幅度下降多)，16∶9接收機中的噪聲增加甚至比線性降低和提升時還小。
改進了的具有16∶9圖象規(guī)格的接收機中包含一個解碼器，它對二個邊緣部分中的附加信息加以評價并提供一個全規(guī)格的16∶9圖象。當接收到的電視信號被數(shù)字化，在幀內(nèi)垂直方向上以長度6進行DCT變換時，總是把第6個系數(shù)移至第8的位置，把相應(yīng)的邊緣帶中的第7和第8個系數(shù)插入到第6和第7的位置上，把這樣重新得到的原始的8個DCT系數(shù)進行及DCT變換，再插回到原始信號中的原始位置上。在后續(xù)的數(shù)-模變換之后，就會得到全規(guī)格的16∶9圖象，而噪聲只有少量增加。
下面我們將結(jié)合附圖講述本發(fā)明的一個樣本實施例。這些附圖是

圖1.是規(guī)格為16∶9的一幅圖象。
圖2的畫面包括將圖1進行豎直壓縮后得到的有效部分及兩條邊緣帶中的附加信息;
圖3是在已有的4∶3接收機中顯示圖2畫面的有效部分。
圖4是16∶9編碼器的電路方框圖。
圖5是16∶9的譯碼器的電路方框圖。
圖6是在一個比較亮背景環(huán)境下沿對角線方向運動的圖象黑塊。
圖7是在長度為8的DCT的系數(shù)上的平均能量分布。
圖8是被壓縮了的圖象信號在出現(xiàn)動態(tài)圖象內(nèi)容時的系數(shù)能量分布。
圖1表示一個長度比為16∶9的電視畫面，是在制作畫面長寬比為16∶9的電視制作室中產(chǎn)生的，畫中為一個圓。
圖2表示圖1所示電視畫面的有效區(qū)域(20)是如何在已知的16∶9編碼器中被豎直壓縮的。垂直壓縮的系數(shù)為4/3，為了4∶3接收機的需要，從圖1的575有效行(10)中產(chǎn)生出431行，形成一個有效畫面部分(20)。這一壓縮過程是將圖1所示的畫面的第四行取出，然后每隔三行取出一行完成的，或者是通過垂直內(nèi)插法完成的。經(jīng)過壓縮，圓的幾何形狀變了。從有效畫面部分(20)移去的行或16∶9接收機中的解碼器所需的行作為一個附加信號以兩條邊緣帶(21、22)形式傳輸。
圖3表示一個4∶3接收機在其有效區(qū)域(30)中再現(xiàn)圖2所示畫面的有效部分(20)的情況。圖1中的最初的圓的幾何圖形，通過采用系數(shù)4/3，對16∶9的畫面規(guī)格進行水平壓縮，使其還原成4∶3的規(guī)格。觀看者可以看到圖1所示的全部畫面內(nèi)容，雖然豎直分辨率降低了，而且在畫面的上部邊緣和下部邊緣還有黑色的帶子(31，32)。為了使包含附加信號的邊緣帶不受明顯的干擾，16∶9編碼器中的幅度必須相應(yīng)減小，并處于超白區(qū)(同步及黑電平之間)中。
然而附加信號的急劇下降會在16∶9接收機中因疊加的通道噪聲導(dǎo)致信噪比也惡化。這些附加噪聲包含在本地區(qū)域的圖象信號中。
在16∶9接收機中，邊緣帶31和32中的附加信號被適當?shù)募右苑糯?。并和圖象中的有效部分30一起經(jīng)水平16∶9擴展以后形成一幅如同圖1的圖象。
圖6是一個較亮背景中沿對角線方向運動的黑暗圖象部分。由于在行內(nèi)插方法中各場表示運動的不同階段，相應(yīng)的邊緣就具有一個梳質(zhì)結(jié)構(gòu)。如果(比方說)在這樣的梳狀結(jié)構(gòu)中去掉每個第4行，在4∶3接收機上就會產(chǎn)生非常醒目的干擾圖案。為了避免這個結(jié)果，在4∶3接收機中使用了場內(nèi)插濾波器來實現(xiàn)“干凈”的畫面。但是這樣，較高的垂直頻譜分量就會被截除。從而，不能用于16∶9接收機中的解碼中，這將導(dǎo)致垂直分辨率下降。
從這個梳狀結(jié)構(gòu)可以看出要想在垂直方向上取得較好的圖象質(zhì)量必須把16∶9接收機(圖6A)中可能出現(xiàn)的最高頻率和4∶3接收機(圖6)中的壓縮信號可能出現(xiàn)的最高頻率傳送出去。
使用一種合適的垂直變化(比方說DCT)這個要求就可以滿足。
圖7中示出了根據(jù)頻率71而變化的垂直變換系數(shù)的平均能量73的數(shù)值72。在如圖6a中的梳狀結(jié)構(gòu)中，頻譜中的最高部分74具有明顯增加了的數(shù)值，其理由是第8個系數(shù)的基礎(chǔ)圖案也具有一個相似的結(jié)構(gòu)。
在長度為8的DCT中，頻率部分74由第8個系數(shù)所表示。經(jīng)過用因數(shù)4/3進行壓縮之后，數(shù)值8變成了數(shù)值6。如果從8個DCT系數(shù)中去掉第6個和第8個，并把第8個插入到第6個的位置上，進行逆變換時就會產(chǎn)生圖6b中的梳狀結(jié)構(gòu)。這樣，長度為8的DCT變成了長度為6的DCT。
圖8中示出了這種長度為6的DCT的相應(yīng)頻譜。第6和第7個系數(shù)總是作為帶21和22中的附加信號來傳輸。為了提高信噪比，通?？梢砸苑蔷€性方式對它們的值加以壓縮，再在16∶9接收機中進行逆向的擴展。
4∶3接收機并不評價這些附加信號，其原因是高價DCT系數(shù)的統(tǒng)計平均值大大低于低價DCT系數(shù)的統(tǒng)計平均值，因此在4∶3接收機中并不要求把它們的值降低以避免被覺察。
正象現(xiàn)有方法中那樣，邊緣帶中的系數(shù)并不表示本地區(qū)域中的圖象信號，而是表示較高頻率的頻率值，對觀察者表現(xiàn)為高頻噪聲。很自然，這樣的噪聲在觀察者看來就沒有失真的附加信號內(nèi)容那樣干擾大。
圖4中示出了一個16∶9編碼器的方框圖。來自(比方說)一臺攝像機的規(guī)格為16∶9的電視信號先被模-數(shù)轉(zhuǎn)換(41)，再被寫入存貯器42中。每時每刻總是有8個垂直地重疊在一起的8個圖象點的掃描值從存貯器42中被連續(xù)讀出，并在電路43中進行DCT轉(zhuǎn)換。電路44挑選中第6和第7DCT系數(shù)，電路46再對這兩個系數(shù)以非線性方式進行壓縮。這可通過(比方說)函數(shù)Y＝X 1/3來實現(xiàn)，這里X代表輸入信號，Y代表輸出信號，第1至第5以及第8個DCT系數(shù)總是在電路44中進行組合，再在電路45中進行長度為6的反向DCT變換。電路45和46的輸出信號被寫入有貯器47，并通過數(shù)-模轉(zhuǎn)換器48作為一個與4∶3格式兼容的模擬電視信號輸出。
圖5中示出了16∶9接收機中的一個相應(yīng)的16∶9解碼器的方框圖。4∶3格式的信號先在電路51中進行模-數(shù)變換，然后寫入有貯器52中。每次總是有6個互相重疊在一起的6個圖象點的掃描值從這里被讀出，在電路53中進行長度為6的DCT變換。各自對應(yīng)的第6和第7系數(shù)被從有貯器52送入電路54中，以非線性方式相對于電路46中的函數(shù)進行逆向擴展，即使用函數(shù)y2＝x3。在電路55中，DCT轉(zhuǎn)換的第6個系數(shù)被插到原來第8個位置上，來自電路54的第6和第7個系數(shù)被移至第6和第7的位置上。這樣重新得到的原有的8個DCT系數(shù)在電路56中進行反向DCT轉(zhuǎn)換，并寫入有貯器57，并從有貯器57通過數(shù)-模轉(zhuǎn)換器58作為16∶9規(guī)格的模擬電視信號輸出。
對于行數(shù)不同的電視制式而言，上述的數(shù)據(jù)也得作相應(yīng)的改動。比方說，對于具有525行即481行有效行的電視制式而言，邊緣帶21和22中每一個可包含60行，區(qū)域20可以包括361行。
這種改進了的“信箱”方法具有下列優(yōu)點-兼容的4∶3電視信號的圖象質(zhì)量有改善。掃描變化時不再產(chǎn)生跳變和運動過程改變。
-兼容接收機的垂直分辨率(特別是靜態(tài)分辨率)得到了維護。
-16∶9接收機的圖象對疊加在傳輸訊道上的噪聲比較不敏感。
因為這些噪聲太多數(shù)情況下只影響高階頻譜值。
-由于所有的DCT系數(shù)都以實際上不變的方式傳輸，16∶9接收機能提供最佳的垂直分辨率。
除了把長度為8的DCT/長度為6的反向DCT或者相反結(jié)合使用外，還可以把長度為4的DCT/和長度為3的反向DCT或者相反結(jié)合使用。在這種情況下，垂直方向上的每三個圖象點之后，系數(shù)的符號必須反向。
除了DCT之外，其它的陡緣濾波器也可使用?？捎靡粋€低通濾波器截去超過最高頻率(fmax)的(比方說)5/8的頻譜值，用一個帶通濾波器分離出頻譜值在6/8至7/8范圍內(nèi)的頻譜值，并作為附加信號加以傳送，把fmax范圍內(nèi)的頻譜值經(jīng)過適當?shù)恼{(diào)整后移到6/8fmax范圍內(nèi)。在16∶9譯碼器中再以相反的順序執(zhí)行這些處理。
移動DCT系數(shù)的本方法還可以在圖象規(guī)格變化的其它場合用來為增強分辨力而提供DCT系數(shù)。比方說，在行數(shù)加倍時，具有較少行數(shù)的圖象的最高系數(shù)能夠構(gòu)成為產(chǎn)生高分辨率信號而進行二倍長度的反向DCT的最高系數(shù)，在高分辨率信號中能使垂直分辨率上升。
本方法還可用于反內(nèi)插(即把場電視信號轉(zhuǎn)變?yōu)閹娨曅盘?中。因為當一幀由分別具有動態(tài)圖象內(nèi)容的二場產(chǎn)生時，就會出現(xiàn)圖6中描述的干擾性梳狀結(jié)構(gòu)。為了避免這個效應(yīng)，只要計算出總圖象中的這個干擾內(nèi)容(主要只有最高的垂直VCT系數(shù)表示)，將它反向，再加入現(xiàn)有的總圖象內(nèi)容中就可以了。這樣，梳狀結(jié)構(gòu)將被很容易地抵消掉。
權(quán)利要求
1.發(fā)送和兼容接收標準電視信號的系統(tǒng)，上述的標準電視信號具有第一圖象格式，具體地說定4∶3，其中的主要圖象部分位于一個第二格式具體地說是16∶9中的第一格式內(nèi)(圖3)；上述標準電視信號還具有附加信息(31，32)，這些附加信息位于上述的第一圖象規(guī)格中主圖象內(nèi)容(30)之外的區(qū)域，能被具有第二圖象格式的接收機被解碼而和來自主圖象內(nèi)容(30)的信息一起在該接收機中以第二種圖象規(guī)格產(chǎn)生一全規(guī)格圖象，其特征在于由一個具有第二規(guī)格的信號源產(chǎn)生第一規(guī)格，生成垂直信號分配，把上述的信號分配中的高頻頻譜分量(74)相對于各個信號分配的畫譜(圖7)進行頻譜位置移動，把其他的次高頻譜分量以各個信號分配的畫譜(圖7)中去掉，從這些次高的頻譜分量產(chǎn)生出附加信息(31，32)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其特征在于在發(fā)送之前把附加信息(31，32)的幅度降低，在具有第二圖象格式的接收機中再進行相應(yīng)的提升。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的系統(tǒng)，其特征在于上述的降低是用一個非線性函數(shù)來實現(xiàn)的，上述的提升是相應(yīng)地用上面的第一個函數(shù)的反函數(shù)來實現(xiàn)的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1～3中的一個或多個的系統(tǒng)，其特征在于在具有第二種圖象規(guī)格的接收機中，把每個信號分配中相應(yīng)的來自附加信息(31，32)的次高頻譜分量以及相應(yīng)的來自主圖象內(nèi)容的較高頻譜分量(84)重新按排到其原有位置上再進行解碼。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4的系統(tǒng)，其特征在于所說的信號分配總是包含4個或者8個圖象點掃描值
6.根據(jù)前面的一個或多個權(quán)利要求的系統(tǒng)，其特征在于不同的頻譜分量的產(chǎn)生由DCT來實現(xiàn)，再傳輸入本地區(qū)域由反DCT來實現(xiàn)，這樣不同的頻譜范圍由DCT的系數(shù)來表達，具體地說，二個DCT的長度之比對應(yīng)于二個圖象規(guī)格之比。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的系統(tǒng)，其特征在于在發(fā)送之前，DCT的長度為4或者8，反DCT的長度為3或者6;在具有第二種圖象格式的接收機中，DCT的長度為3或者6，反DCT的長度為4或者8。
8.根據(jù)前面的一個或多個權(quán)利要求的系統(tǒng)，其特征在于總頻譜(圖7)的轉(zhuǎn)換在發(fā)送之前是通過去除和移動一個或多個系數(shù)(圖8)來實現(xiàn)的;在具有第二圖象規(guī)格的接收機中是通過移動和增加一個或多個系數(shù)(如圖7)來實現(xiàn)的;具體地說，在發(fā)送之前，總是去掉第三個系數(shù)并把第四個移到第三個的位置上，或者，去掉第6和第7個系數(shù)并且把第8個系數(shù)移到第6個系數(shù)上;在具有第二圖象規(guī)格的接收機中，總是把第三個系數(shù)移到第四的位置上并且從附加信息中得到第三個系數(shù)，把它插在第三的位置上;或者把第六個系數(shù)移至第八的位置，并把從附加信息中得到的第六和第七個系數(shù)插到第六和第七的位置上。
9.用于根據(jù)前面的一個或多個權(quán)利要求的系統(tǒng)的編碼電路，一個具有第二圖形格式(圖1)的源信號送入模-數(shù)轉(zhuǎn)換器(41)的輸入端，該電路接有一個下游第一存貯器(42)。一個下游DCT變換器(43)，一個向反DCT變換器(45)饋送第一數(shù)量的系數(shù)、向具有非線性函數(shù)的加權(quán)電路(46)送入第二數(shù)量的系數(shù)的下游分類器(44)和一個第二存貯器(47);反DCT變換器(45)和加權(quán)電路(46)的輸出信號將寫入上述的第二存貯器中，該第二存貯器后緊跟著一個數(shù)-模轉(zhuǎn)換器(48)，該轉(zhuǎn)換器(48)提供一種第一格式(圖3)的圖象格式作為其輸出信號。
10.用于根據(jù)上面的權(quán)利要求1至8中的一個或多個的系統(tǒng)的解碼電路，一個具有第一圖象格式(圖3)的源信號送入模-數(shù)轉(zhuǎn)換器(51)的輸入端，該電路設(shè)有一個下游第一存貯器(52)、一個下游DCT轉(zhuǎn)換器(53)、一個具有一個與加權(quán)電路(46)的函數(shù)或反函數(shù)的非線性函數(shù)的下游加權(quán)電路(54)、一個把來自DCT變換器(53)的第一數(shù)量的系數(shù)以及來自加權(quán)電路(54)的第二數(shù)量的系數(shù)加以組合并輸至一個反DCT變換器(56)的下游分類器(55)和一個下游第二存貯器(57);上述的第二存貯器(57)之后緊跟著一個數(shù)-模轉(zhuǎn)換器(58)，該轉(zhuǎn)換器(58)以第二格式(圖1)提供一個圖象格式作為它的輸出。
11.把場電視信號轉(zhuǎn)換為幀電視信號的系統(tǒng)，其中總是把相鄰的二場合并成一幀，其特征在于在得到的幀信號中，總是在每個垂直信號分配計算出一個DCT的最高系數(shù)(74)，特別是以長度為8個圖象點掃描值進行計算;這個系數(shù)(74)被反DCT變換至原有區(qū)域;把這樣得到的信號分配的內(nèi)容轉(zhuǎn)換成一個第二規(guī)格信號，再從上述的第一幀信號中減去該第二幀信號。
全文摘要
本發(fā)明為發(fā)送和接收標準電視信號的系統(tǒng)。在使用“信箱”方法的16:9電視傳輸系統(tǒng)中，每次取出第四行作為圖像的上下邊緣帶處的附加信息，以與4:3規(guī)格相兼容的方式發(fā)送。但是這個方法會導(dǎo)致信號跳變。移動干擾的產(chǎn)生，會使4:3接收機中的垂直分辨率下降，會使16:9接收機中的噪聲敏感性上升。本發(fā)明在發(fā)射編碼器中使用了長度為8的垂直DCT和長度為6的反DCT。
文檔編號H04N7/00GK1050118SQ9010665
公開日1991年3月20日 申請日期1990年8月4日 優(yōu)先權(quán)日1989年9月8日
發(fā)明者海茨-韋爾訥·凱森 申請人:德國湯姆森-勃朗特有限公司