專利名稱：高清晰度電視信號的編碼技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及諸如高清晰度電視信號的圖象信號的發(fā)送。特別是本發(fā)明包括一種編碼技術(shù)，該技術(shù)變換模擬電視信號成為由碼字(codeword)構(gòu)成的數(shù)字比特流(digitalbitstream)，在接收機(jī)端，接收到的數(shù)字比特流解碼還原成電視信號。
高清晰度電視(HDTV)信號有多種編碼方法，這些技術(shù)總地可以分為波形編碼，變換編碼和矢量量化技術(shù)。
波形編碼技術(shù)，象脈碼調(diào)制(PCM)典型地使用一個標(biāo)量量化器將模擬取樣進(jìn)行量化。此外使用一些步驟以減少必須要發(fā)射的信息，例如僅發(fā)送PCM取樣的差分值。波形編碼總地說實施簡單，但是就我們關(guān)心的帶寬壓縮而言，其效率不高。波形編碼的示例是KDD/Canon140Mbit/sHDTV編碼。
變換編碼技術(shù)變換圖象取樣到轉(zhuǎn)換域，實現(xiàn)能量的壓縮。對各個系數(shù)的標(biāo)量量化器設(shè)計取決于其能量以及人眼視覺系統(tǒng)(HVS)對這些系數(shù)的靈敏度。最通常的視頻編碼系統(tǒng)這時是基于離散余弦變換(DCT)的偏差。好的變換算法實現(xiàn)了有效的帶寬壓縮，同時保留了好的圖象質(zhì)量。以編碼器為基礎(chǔ)的變換技術(shù)的實例是Telettra公司的68Mbit/s的HDTV編碼器和GdneralInstruments公司的15Mbit/s的數(shù)字-密碼(Digi-Cipher)HDTV編碼器。
分波段編碼是一種編碼技術(shù)，它將HDTV信號劃分為很多小波段。大部分信號能量集中在低頻波段，更多的信息位分配給低頻波段內(nèi)的取樣值。而且，不同的波段有不同的信號特征，因此每個不同的分波段使用不同的技術(shù)去編碼。分波段編碼的實例是由Bollcore和NTT公司提供的140Mbit/s編碼器。
波形編碼，變換編碼，某種程度上，分波段編碼在復(fù)雜性的意義上說編碼器和解碼器是相同的。就大部分視頻傳輸和存儲應(yīng)用來說，解碼器的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于編碼器。因為每個接收機(jī)都需要一個解碼器，而廣播機(jī)僅僅需要一個編碼器。因此，從整個系統(tǒng)的花費的觀點來看對稱算法可以不需要最好的解決方案。
矢量量化(VQ)基本上在一個時刻對一組取樣值進(jìn)行量化。VQ有這樣的優(yōu)點，在編碼這些信號時僅僅需要一個工作查尋表，這導(dǎo)致了一種異常簡單的解碼器。然而，它提供的質(zhì)量較差。此外，編碼器必須通過一個代碼簿去發(fā)現(xiàn)代表一組取樣值的最好的矢量，一般說是很密集地計算。對高質(zhì)量電視信號，尤其是HDTV，實時編碼需要非常復(fù)雜的硬件。例如在同樣未批準(zhǔn)的，共同受讓申請，其序號是07/732，024和07/759，361的專利申請披露了矢量量化的實例。
本發(fā)明的發(fā)明目的在于實現(xiàn)圖象信號編碼方法，它包括高壓縮率和很小的質(zhì)量劣變，并且進(jìn)一步簡化硬件結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的另一個發(fā)明目的在于用一種編碼方法實現(xiàn)相當(dāng)大的帶寬壓縮，這時甚至原信號是受到干擾的。
實現(xiàn)上述目的的創(chuàng)造的編碼方法具有下列特征。
一種電視信號編碼方法包括如下步驟(a)把一個視頻信號劃分成亮度和色度分量。
(b)把亮度分量劃分成多個分波段。
(c)同時和分別地在每個分波段上完成下列編碼(ⅰ)把圖象幀劃分成多個兩維的塊，每塊包含預(yù)定數(shù)目的象素;
(ⅱ)形成一個包含多個對應(yīng)最通常的邊緣圖形的基本矢量，人眼視覺系統(tǒng)對所說圖形有高的靈敏度;
(ⅲ)將塊與代碼簿進(jìn)行比較。
(ⅳ)識別與上述塊最緊密相關(guān)的邊緣圖形;
(ⅴ)產(chǎn)生一個包括對應(yīng)步驟(ⅳ)的結(jié)果的一個碼字的數(shù)字信號;
(ⅵ)對于所說塊中的每一個重復(fù)所說的步驟(ⅲ)直到步驟(ⅴ)。
(d)同時對所說的亮度分量編碼。
(e)為了發(fā)射將如此編碼過的亮度和色度分量結(jié)合成一個單一比特流。


圖1代表了一個本發(fā)明的SRQ編碼方法的基本矢量的代碼簿;
圖2代表了本發(fā)明的編碼器;
圖3表示了本發(fā)明的解碼器;
圖4表示了本發(fā)明的幀內(nèi)編碼;以及圖5表示了本發(fā)明的幀間解碼器。
結(jié)合上述附圖將描述本發(fā)明最佳實施例。
簡化矢量量化(SVQ)本發(fā)明包括一種改進(jìn)的編碼技術(shù)，使用例如廣播給眾多接收機(jī)的模擬電視信號。這種模擬電視信號通過編碼器變換為由碼字組成的數(shù)字比特流。該編碼器具有的矢量量化電路不同于以前敘述的通常的矢量量化電路。這就在于在這種新的矢量量化電路在相當(dāng)?shù)偷谋忍芈氏拢煤芎唵蔚奶幚韺Ω哔|(zhì)量的圖象編碼。這種編碼處理過程比通常的矢量量化要簡單得多，而通常的矢量量化需要一個更大的代碼簿及因而需大量的計算。該質(zhì)量比通常由傳統(tǒng)的矢量量化技術(shù)所完成的質(zhì)量要顯著的好，它并具有適當(dāng)規(guī)模的代碼簿。
本發(fā)明的代碼簿在規(guī)模上大大縮小了。尤其是該代碼簿包括的碼字和人眼視覺系統(tǒng)最敏感的圖象圖形有關(guān)以及是典型圖象中經(jīng)常出現(xiàn)的碼字。圖1所示的簡單的代碼簿包括了使用的最通常的圖形邊緣。這些圖形的每一種分別是在量化過程中使用的基本矢量。這種量化類型此后將稱之為“簡單矢量量化”(SVQ)。
SVQ技術(shù)的基礎(chǔ)研究現(xiàn)將描述之。一個單一的視頻信號的幀可作成象素光柵的模型。這些象素在兩維陳列中排列。如果該光柵劃分成大量的小四方塊，每塊包含，例如是4×4象素，如果每個黑白圖象象素的量化為8bit(比特)，在不需要壓縮的情況下，通常需要128bit表現(xiàn)該方塊。然而，用戶關(guān)注的在一個小方塊內(nèi)的信息可以劃分為幾個兩維的基本圖形(imagepattern)。
在典型的電視信號中，申請人已發(fā)現(xiàn)，在每個方塊中人感覺最顯著的信息可由16種圖形兩個灰度值(見圖1)所實質(zhì)地表示。在圖1中有一個標(biāo)稱0的小方塊的圖形是完全同一顏色。它代表直流(DC)值，而且是恒定強(qiáng)度的0等級圖形。這還稱為直流(DC)等級。這種圖形表現(xiàn)圖象的低頻區(qū)域。
一種直接壓縮技術(shù)包括備選圖形的代碼簿中的輸入塊的最好的近似的選擇。這種技術(shù)包括如下步驟1、以代碼簿中的第一種圖形開始2、根據(jù)第一種圖形的圖形方向、由幾種取樣強(qiáng)度(除去DC等級的所有等級，只有一種平均值用于DC等級的計算)中估算兩種平均值。
3、作一個4×4的塊，在每個塊中，16個象素的每一個的強(qiáng)度都等于適當(dāng)平均值，例如，等級1，頂部的4個象素用一個平均值添充，底部的12個方塊用另外的平均值添充。
4、計算在制作的塊和實際輸入塊間的變形。
5、對代碼簿中的所有圖形重復(fù)步驟2-4。
6、選擇產(chǎn)生最小失真的圖形。
被發(fā)射碼字的過程如下，首先，少量的比特，例如，4比特，最接近輸入模擬電視信號的塊的代碼簿中的16種圖形中的哪種被選定使用。例如，直流(DC)等級圖形，特定的4比特序列被選為碼字形成的開始。然后，將參數(shù)值賦予這些碼字以完成該碼字的形成。直流等級的參數(shù)值是該塊的平均值。也就是該塊的強(qiáng)度的平均值。等級1至等級15的兩平均值將計算出來，方塊中兩區(qū)域分別賦予一個平均值。在圖1方塊中的不同區(qū)域指定不同的顏色。如圖1所示，該簡化的代碼涉及本發(fā)明的SVQ方法，每個塊僅有不同強(qiáng)度的兩個區(qū)域。本發(fā)明不限于這個實施例，然而，特別是較大的代碼簿也在考慮之中。
在圖形有一個邊緣的情況中，先計算由該邊緣分開的各個區(qū)域的平均值爾后作為參數(shù)值加到形成碼字的頭4比特段的末尾。
進(jìn)入的模擬電視信號幀的每一個塊的編碼是根據(jù)它和圖1所示的簡化代碼簿中的基本矢量中的哪一個最接近的來進(jìn)行的。
現(xiàn)在描述圖1中的非直流等級的基本矢量，這些是1-15等級，并包含兩個平均值的圖形(即強(qiáng)度等級的一個變化設(shè)計成一個邊緣)。等級1-3包括了水平邊緣的圖形，其中，方塊的兩個不同強(qiáng)度的部分分別向水平方向展開。也就是如果一個垂直線通過該方塊，這垂直線將穿過兩個區(qū)域，每區(qū)域有不同的強(qiáng)度。
等級4-6，如圖1所示，具有垂直邊緣的矢量。這些等級，強(qiáng)度的變化和上述的具有水平邊緣的描述是相反的。也就是，如果一條水平線劃過方塊，該水平線將關(guān)注兩區(qū)域，每個區(qū)域具有不同的強(qiáng)度。等級7-15，具有對角邊緣，對角線將不同強(qiáng)度的區(qū)域分開。也就是為了留在該方塊的一個單一強(qiáng)度區(qū)域，一條線必須沿對角線方向。
對于等級1-15，這些等級需要兩個標(biāo)量參數(shù)，每一個代表方塊中兩個分開區(qū)域中的一個的平均值。這些參數(shù)必須和圖形的識別符一道發(fā)射出去，該圖形是如前面討論的圖形。總之，最初的一些碼字的比特包含一個識別符以便識別在簡化的代碼簿中的16個等級的哪一個等級最接近表示輸入視頻信號畫面的對應(yīng)的方塊。下一組比特用來代表方塊中區(qū)域的一個區(qū)域的平均值(假定不包括直流(DC)等級)以及第二組比特代表方塊中分開的另一區(qū)域的平均值。該平均值的計算是每個分開區(qū)域的象素的強(qiáng)度電平的總和除以該分開區(qū)域中的象素總數(shù)。如果也包括直流等級，只有一組比特隨在識別符之后，這一組比特將代表估算的直流電平強(qiáng)度。
還有，如果邊緣圖形(等級1-15)被涉及，描述該邊緣等級范圍的附加的數(shù)字將需要加在碼字的后面。由于典型的圖象包含大量的直流方塊，描述一個方塊的比特的平均數(shù)可以減少到少于16比特，這時僅使用這個電路結(jié)構(gòu)，對應(yīng)的壓縮大于8∶1。和標(biāo)準(zhǔn)的編碼技術(shù)結(jié)合的，如霍夫曼(Huffman)編碼，很容易實現(xiàn)12-16∶1的壓縮。方塊的尺寸可以小到2×2也可擴(kuò)大到大于4×4。塊越小質(zhì)量就越好，方塊尺寸越大，編碼效率越高。而且用其他視覺可感覺到的，但不是很重要的圖形可以改善質(zhì)量。用熵編碼，不需要顯著增加信息率，可以使用由128或更多圖形組成的更大的代碼簿。
通過SVQ技術(shù)在邊緣處的高清晰度信息被保留。此外，編碼處理過程包括一個圖形匹配操作以及直流電平‘等級范圍的計算(如果一個邊緣圖形被選定)。這種編碼處理過程的計算需求仍少于兩維DCT(離散余弦變換)對相同尺寸方塊的計算需求。這個編碼過程僅僅包括圖形的查表和用適當(dāng)?shù)南笏刂岛唵翁顚戇@些圖形。
該SVQ技術(shù)是一種空間編碼技術(shù)，它利用人眼視覺系統(tǒng)去壓縮信息帶寬，該技術(shù)具有很簡單的編碼器和一個極簡單的解碼器。這種技術(shù)自身能夠忽略圖象質(zhì)量的降級并對典型的視頻圖象實現(xiàn)每個象素1比特的編碼效率。它還可以和其他的編碼方法如，有條件的互補(bǔ)，運動補(bǔ)償，或分波段編碼相結(jié)合實現(xiàn)進(jìn)一步的帶寬壓縮，這將在以后描述。
SVQ技術(shù)的原始代碼簿是由邊緣圖形組成的，這些圖形使之優(yōu)異地適合于幀間(interframe)編碼以及邊緣類型的圖形的編碼。更復(fù)雜的特征，象紋理及梯形的，也可以使用擴(kuò)展代碼簿高保真地編碼。通過增加另外的標(biāo)量，碼字被參量化，因此大大地增加了代碼簿的規(guī)模以及在盡量減小編碼器的復(fù)雜程度情況下改善了質(zhì)量。
由于VQ(矢量量化)解碼器的簡化，矢量量化，對于廣播的環(huán)境，也是一種引人注意的編碼技術(shù)。由于VQ編碼器的復(fù)雜性通常說是很高的、通常的VQ技術(shù)使用有限數(shù)量的碼字的代碼簿以便減小尋找最好碼字的復(fù)雜性。然而，一般都使用均方差來設(shè)計代碼簿，這就引起了諸如邊緣視頻重要特性的下降。
SVQ技術(shù)在不犧牲質(zhì)量的情況下不斷開發(fā)減少發(fā)射機(jī)的復(fù)雜程度。人眼視覺系統(tǒng)敏感的以及在典型圖象中經(jīng)常出現(xiàn)的被選入代碼簿-圖形(codewords-patterns)。象離散余弦變換技術(shù)，在運動補(bǔ)償?shù)膸钚盘柕木幋a方面已發(fā)現(xiàn)是無效的。這種幀差信號通常是脈沖的，邊緣類型的信號。由于SVQ可以高保真對邊緣編碼，它顯得特別適合這些信號。
SVQ代碼簿的規(guī)模是15×(256)2+256＝220。但是，由于該代碼簿是參數(shù)的，它的規(guī)模和通常的VQ是不能相比的。SVQ的優(yōu)點之一是它具有一個大的代碼簿，如前面的計算，而沒有對應(yīng)的檢索復(fù)雜性。如圖1所示的代碼簿，可以發(fā)現(xiàn)最接近的碼矢量(使用廣泛的檢索)是通過僅對16種變換進(jìn)行計算(在圖1中示出了分類等級)。
現(xiàn)在給出SVQ編碼的實例，如一個輸入的2×2方塊，它是輸入到編碼器的模擬電視信號的視頻信號幀的一部分，具有值2、4、6和8，它進(jìn)入編碼器，而且它對應(yīng)著圖1中的最接近的直流等級，該SVQ編碼器將發(fā)現(xiàn)這個方塊的平均值，這個方塊是5，并放5于該方塊的4個區(qū)域，以及發(fā)射其中均是5的方塊。
注意，上述的代碼薄僅僅是為了例證的目的而作的一個簡單的代碼薄。HDTV編碼器實際上使用一個上有128個基本的兩平均值邊緣的代碼簿。更復(fù)雜的代碼簿(即具有碼矢量參量化的由多于兩個值的方法)也可以設(shè)計。
一種快速檢索技術(shù)將被敘及，它用以快速確定圖1中16個基本矢量中的哪一個最類似模擬電視信號視頻幀信號的一個輸入方法。這種檢索技術(shù)比上述的廣泛檢索技術(shù)要快得多和有效得多。
如前所述，在申請人的經(jīng)驗中有128個等級被使用，如果使用一種廣泛的檢索去發(fā)現(xiàn)最好的碼矢量和參量，經(jīng)驗將要求計算128種變形。這時一種廣泛檢索的復(fù)雜性SVQ比通常的VQ要低得多，但仍是高的。已經(jīng)開發(fā)了快速檢索方法，它僅需要每4×4方格的幾個變形。
快速檢索算法的優(yōu)點是異常簡單以及計算的復(fù)雜性獨立于即不依賴代碼簿的規(guī)模?？偟恼f，它的性能幾乎和廣泛檢索一樣?？焖贆z索算法找到一個兩平均值邊緣圖形，它可以符合4×4的輸入方塊;然而，它不能保證將能找到最接近的圖形。在這偶然的情況下，當(dāng)最接近的圖形未被找到，變形通常相當(dāng)接近全局最小值?？焖贆z索使用了一個查閱表，該表是在最初訓(xùn)練狀態(tài)從圖形代碼簿制成的。該查閱表被存貯在編碼器的存儲器中。假定該圖形代碼簿是根據(jù)在訓(xùn)練序列中圖形出現(xiàn)的頻率排序的。首先描述查閱表的產(chǎn)生。
1、在代碼簿中取一個4×4的圖形，用“0”替代所有具有一個值的象素，而所有其他的用“1”替代。
2、通過從左至右，從上至下地掃描制造一個16比特的字。
3、對代碼簿中的所有圖形重復(fù)步驟1和2。
該代碼簿現(xiàn)在是由16比特碼字組成的。該查閱表是由對應(yīng)著216個可能的16比特字的216個輸入值條目組成的。對于216個16比特字的每一個，這些字碼來自于代碼簿，這些碼字在漢明間距方向最接近它，而且發(fā)現(xiàn)了這些字。在最小漢明間距上倘若有多個碼字，最初在字碼簿中出現(xiàn)的被選中，這個字變成了在查閱表中對應(yīng)該16比特字的輸出條目。因此，查閱表的輸入條目相互間是獨特的，它們是216個以及它們代表了一個16比特字的所有可能的結(jié)合。該查閱表的輸出條目假定16個不同的值，該16比特字的值從代碼本中產(chǎn)生出來。
一旦查閱表已經(jīng)形成，快速檢索按如下執(zhí)行。
1、對每個給定的輸入方塊，從方塊的每個取樣中減去方塊的平均值。
2、用“1”替代正的取樣，用“0”替代負(fù)的取樣，并且構(gòu)成了一個16比特字，這是通過從左至右，從上到下地掃描完成的。
3、尋找對應(yīng)這個輸入16比特字的查閱表中的輸出條目。這個碼字將是過去常常編碼該方塊的圖形。
為什么在尋找最接近的信號邊緣圖形時快速檢索會出現(xiàn)失敗呢？共有兩種原因。如果輸入方塊有一個不符合定義的邊緣(illdefinededge)，這時由快速檢索執(zhí)行的閥值工作為該方塊輸出一個與最好的字碼完全不同的字。對于算法的次最優(yōu)化來說還不是第一位的原因。因為，在任何情況下，不符合定義的邊緣不能由一個單一的邊緣圖形滿足要求地編碼。一個更重要的原因在于這個得到的字在閥值后可能處于到一些字碼的漢明距離最小值上。因此第一個碼字在使代碼簿中是該一種選擇(即統(tǒng)計地更加可能的字碼給予優(yōu)先)，它可能不是最好的碼字。這里有兩種方法可以緩解這一問題。代碼簿的維數(shù)可以增加，因此每個16比特的字和高達(dá)，例如，4個碼字相結(jié)合，該碼字處在距離它的最小漢明距離。編碼器將估價由于用4個碼字圖形的每一個去編碼該方塊而引起的失真以及選擇能產(chǎn)生最小失真的圖形。不增加代碼簿的規(guī)模和編碼器的復(fù)雜程度的研究在制作查閱表的階段使用另外的標(biāo)準(zhǔn)以選擇最好的碼字(從所有的處在最小漢明距離中)。碼字的4×4方塊的本質(zhì)有助于尋找最好的碼字。
現(xiàn)在SVQ技術(shù)已經(jīng)解釋完了，現(xiàn)在將描述本發(fā)明的第二實施例，為了提供一個組合的編碼電路，該電路提供下面將敘及的優(yōu)點，本實施例中的SVQ技術(shù)和分波段編碼結(jié)合起來。
和分波段編碼結(jié)合的SVQ使用SVQ技術(shù)直接用于一種HDTV信號不能產(chǎn)生最滿意的結(jié)果是由于在大部分HDTV的源信號中有很高的噪聲電平。因此申請人發(fā)現(xiàn)把分波段編碼電路與SVQ技術(shù)相結(jié)合用于HDTV編碼，可以獲得更高的效率和更高的質(zhì)量。
在HDTV信號中的大部分噪聲是處在較高頻段上的。一旦信號被分成不同的分波段，SVQ可以對低頻段更為有效地編碼。而且，可設(shè)計特別的SVQ圖形，以更好地適合各個分波段的特征。
分波段編碼包含的輸入視頻信號被劃分成多個互不關(guān)連的分波段。它們中的每一個都可以被獨立地編碼以最佳地利用人眼視覺系統(tǒng)的特性。好的結(jié)果的取得是由于申請人把圖象劃分成7個分波段，并且使用差分脈沖調(diào)制(DPCM)用于最低頻段，對于其它頻段使用具有普通量化器的PCM。HDTV序列在高頻率有很明顯的噪聲功率，以及基于分波段編碼的編碼方案可以作成很可靠地且很容易對付源噪聲。在高頻的分波段上使用普通的量化器就可以簡單地實現(xiàn)。
參照圖2描述這個實施例的HDTV編碼器，在圖2中，輸入的HDTVRGB視頻信號輸入到一個矩陣電路10，模擬的HDTV信號以紅、綠、藍(lán)分量形成的輸入給HDTV編碼器，在矩陣電路10，輸入信號被分成亮度信號Y和色度信號U、V。這些信號是有限帶寬的。在具體的設(shè)計實例中，這些分量分別限定為24MHZ和6MHZ，然后分別用54MHZ和13.5MHZ的頻率去取樣并且量化成每個8比特。
亮度信號Y劃分為4個分波段，低-水平低-垂直(LL)，低水平-高垂直(LH)，高水平-低垂直(HL)和高水平-高垂直(HH)波段。SVQ對每個分波段進(jìn)行編碼。一個分波段編碼器11用以對亮度信號分離成上述的4個分波段。每個分波段饋送給分離的SVQ編碼器12。分離的SVQ編碼器12的輸出送給多種復(fù)用器(MUX)13。
在一個實施例中，用2×2方塊的圖形對LL波段編碼，而所有的其他波段用4×4方塊編碼。使用該小的2×2方塊可以保證對關(guān)鍵的LL波段編碼具有極小的失真。在第二個實施例中，LL波段通常用4×4方塊編碼。當(dāng)使用4×4方塊編碼時產(chǎn)生不能接受的失真，所以使用2×2方塊。由于在HL和HH波段有明顯的噪聲，在編碼前一個噪聲核心將加給該信號。噪聲核心和使用一個O附近的空區(qū)相等效。由于在這些波段的信號具有可忽略的直流電平值，當(dāng)噪聲電平顯著地減少時，噪聲核心引進(jìn)失真幾乎沒有。此外，由于各個分波段的信號特征是不同的，SVQ編碼器是各自地優(yōu)化以取得分波段獨特的特征的優(yōu)點。
色度信號不分成波段，這些信號垂直濾波并且濾除其大部分，SVQ技術(shù)使用色度編碼器14編碼。色度編碼器的輸出也饋送到多路復(fù)用器13。數(shù)字音頻信號和其他數(shù)據(jù)，和HDTV信號同時發(fā)送，也饋送到多路復(fù)用器13。復(fù)用器13的輸出經(jīng)受單元15的向前誤差校正(FEC)然后發(fā)送到調(diào)制解調(diào)器供廣播。
在接收端，接收數(shù)據(jù)將首先放入緩沖器，然后由圖3中的解碼器30對數(shù)據(jù)進(jìn)行向前誤差校正解碼。解碼器30的輸出傳送到復(fù)用器31，復(fù)用器把接收的信號分離成4個獨立的亮度分波段，一個色度信號以及數(shù)字音頻和數(shù)據(jù)。色度信號傳送到色度解碼器32，4個亮度分波段信號傳送到4個分別的SVQ解碼器33，在這里它們解碼返回成前面所述的分波段HH，HL，LH，LL信號。這些信號是解碼的，并且SVFQ解碼使用查閱表將其解碼成各自的4×4(或2×2)方塊，這些HDTV信號是由內(nèi)插各個分波段信號并將他們疊加而重新構(gòu)成的。分波段解碼器34疊加這些信號返回成傳送給矩陣電路35的亮度信號Y。從色度解碼器輸出的色度信號也輸入到矩陣電路35，于是在矩陣電路35的輸出端HDTVRGB輸出信號被重新構(gòu)成了。
總的方案可以使用4個以上的分波段。但是，使用4個分波段的一個很重要的優(yōu)點是NTSC量化信號是自動地以LL波段亮度信號的形式獲得。因此，很容易直接從接收的信號中提供NTSC信號。在需要同時發(fā)送HDTV信號和NTSC信號的情況下，這是有用的。例如，某些用戶不能看到HDTV信號但可觀看NTSC信號。
各種分波段濾波單元(正交調(diào)制濾波(QMFs)和完全再現(xiàn)濾波單元(perfectreconstructionfilterbanks)申請人在實驗中使用過，而且在通用衛(wèi)星公司實驗室(COMSATLaboratories)題為“可變速率HDTV解碼器的第一階段最后報告”(phase1FinalReportfortheFlexibleRateHDTVCocter)，1991年5月23日美國航空航天局(NASA)的海軍特種空中武器(NASW)的合同4512中描述過。2和16抽頭的QMF濾波器被發(fā)現(xiàn)是適合的，是由于2抽頭的簡單性及合理的性能和16抽頭的性能。較高抽頭濾波器對于一個噪聲源是更可取的，是由于分波段隔離更好(很少混淆)。較高抽頭濾波器由于低頻段用于抽出的一個NTSC兼容頻道而更可取，還有是由于混淆很少。
由于他們的復(fù)雜性，沒有選中完全再現(xiàn)濾波單元。由于編碼失真明顯地高于QMF濾波器單元的失真，所以完全再現(xiàn)特性就不重要了。此外，QMF濾波器單元比起完全再現(xiàn)濾波器單元能實現(xiàn)更高的效率。
盡管SVQ在大多數(shù)情況下比起PCM和DPCM有更高的效率，它特別對高頻噪聲敏感。將分波段編碼與SVQ編碼結(jié)合起來可以得到一個更可靠和有效率的編碼方案。
由于每個單獨的分波段(HH，HL，LH和LL)的信號特征是不同的，SVQ代碼簿，快速檢索查閱表和編碼器是分別最優(yōu)化利用每個分波段獨特的特征。
運動估算和補(bǔ)償將要描述。拿圖象信號來說，有一定數(shù)量的重復(fù)數(shù)據(jù)，例如，一個圖形長時間不運動，數(shù)據(jù)將保持恒定。還有，這里有一些實例，當(dāng)一個圖象的數(shù)據(jù)一定部分維持恒定不變，這時其他部分運動，在這些情況下，對于相對運動部分信息被發(fā)送，這是有效率的，維持相同的部分不需要連續(xù)地發(fā)送信息。
因為分波段編碼，所以存在一些運動估算和運動補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ缦旅嫠?。第一個最直接向前的方法是在分波段濾波前進(jìn)行運動估算和運動補(bǔ)償。分波段SVQ編碼器具有運動補(bǔ)償幀差分信號的輸入的一個方塊或者當(dāng)前幀的一個輸入方塊，如果是因任何原因運動估算失敗(由于變化，圖象區(qū)域的閉塞或者未顯露，非均勻的運動等)。這種方塊的缺點是運動估算器必須工作在等于HDTV取樣速率54MHX或者更高的一個輸入速度上工作。目前的具有的芯片不能在這個速率上工作，一些芯片必須時分復(fù)用地去完成運動估算。在這些芯片中，檢索區(qū)域限制在大約在兩個方向上8個象素;這個位移對于HDTV幀是不充分的。
進(jìn)一步的研究是分別在每個波段上進(jìn)行運動估算和補(bǔ)償。由于簡單的速率僅為HDTV取樣速率的1/4，所以單個芯片運動估算器可以在每個波段中使用。在水平和垂直方向上檢索區(qū)域?qū)⒃黾右槐?。在編碼器和解碼器，每個頻率波段需要1/4幀存儲器去存儲前一幀。存儲器的要求和第一種情形一樣。
更引人注意的研究可能是僅在LL波段進(jìn)行運動估算。這將僅需要使用一個運動估算芯片。另外一個優(yōu)點是源噪聲的顯著部分將被濾除，因此增加了運動估算的精度。對于其他波段，有另外的兩個方案，第一個是在這些波段進(jìn)行幀內(nèi)編碼。這將減少了所要求的存儲器并且在比特速度稍微增加方面增加一點開支就可簡化實施。由于幀內(nèi)編碼是在較高波段上進(jìn)行，在這些波段靜止圖象的編碼失真將不隨時間而增加。第二個方案使用來自LL波段的運動矢量去補(bǔ)償其它波段的幀，因此在所有方面進(jìn)行幀間編碼。假如運動矢量從LL波段得到并且通常對其他波段也有效。雖然這個研究有潛力減小比特速度和改善質(zhì)量，它比第一個方案更為復(fù)雜。
為了獲得一個更簡便的運動估算組件，運動估算僅在LL波段使用，如在圖4和5中所示，它們分別是編碼器和解碼器的方塊圖。選擇了一個尺寸為8×8的方塊，是作為在減少發(fā)射運動矢量的費用和獲得更準(zhǔn)確的運動估算間的折衷。進(jìn)行模擬以評估這兩個方案，幀內(nèi)編碼和幀間編碼是在更高的頻段。對于原先的HDTV測試的序列，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在更高波段上的幀間編碼在比特率方面沒有顯著的減小。這是由于幀差分運算加強(qiáng)的圖象序列中的高頻噪聲所引起的。觀察幀間編碼方法將減少比特率，如果輸入圖象有較高的信號噪聲比，這種觀察對于MIT序列已被確認(rèn)，編碼幀差分信號有助于在所有波段中減小比特率一倍或者更高。
U和V色差幀將使用在LL波段中得到的運動估算。在LL波段中的每個8×8方塊特別對應(yīng)一個4×8的色度方塊，由于該色度信號由與LL信號相比的系數(shù)2進(jìn)行水平并取樣。隨后在LL波段中一個象素的水平位移對應(yīng)著色度波段中的0.5個象素的位移。為了避免內(nèi)插的復(fù)雜化。從LL波段中來的水平位移估算將成為一半、舍去最接近的整數(shù)，并使之去補(bǔ)償U(kuò)和V幀。
將該編碼方法與運動補(bǔ)償和有條件互補(bǔ)以及其他經(jīng)常使用的技術(shù)結(jié)合，數(shù)字電視信號的信息比特率可以減小，申請人的經(jīng)驗表明用于運動補(bǔ)償?shù)倪\動估算經(jīng)受在有源噪聲的情況下的不精確性。上面討論的簡單的技術(shù)用以解決這一問題，在該技術(shù)中，僅在從分波段中進(jìn)行運動檢測。如果需要，該合成運動矢量將以補(bǔ)償所有的分波段。這也允許使用現(xiàn)有超大規(guī)模集成電路(VLSI)設(shè)計普通的電視信號。雖然，檢測的運動矢量將有±1個象索不精確性，結(jié)果一般地比使用原來電視信號得到的要好。由于主要的信息在LL波段中，把運動補(bǔ)償和有條件互補(bǔ)僅給LL波段，將有這樣的優(yōu)點，即盡可能地較少地增加信息比特率的情況下節(jié)省硬件費用。而且在高頻波段的信息一般很少有瞬時的相關(guān)。
當(dāng)把運動補(bǔ)償和有條件互補(bǔ)加到分波段的組合時，在編碼器中每個分波段將有自己的幀存儲器以便為運動補(bǔ)償后的各自波段導(dǎo)出幀差信號。在這最佳實施例，從LL波段的運動估算導(dǎo)出運動補(bǔ)償。類似地，在接收機(jī)，每個分量將需要幀存儲器，以從查閱表的輸出中再現(xiàn)在它自己的波段中的現(xiàn)行幀。
上面已經(jīng)敘述了基于一種新開發(fā)的簡化矢量化SVQ技術(shù)的高清晰度電視編碼方法，該SVQ技術(shù)用于與分波段編碼相結(jié)合。該編碼算法對于源噪聲是很有效的，并在適用于衛(wèi)星傳輸?shù)膫鬏敂?shù)據(jù)速率的范圍內(nèi)可能提供很高的質(zhì)量。此外，NTSC兼容頻道象分頻段中的一個一樣，是自動可獲得的。解碼算法是非常簡單并能很好適用一點對多點的應(yīng)用。
最近在數(shù)字圖象編碼方面，超大規(guī)模集成電路技術(shù)的進(jìn)展可以壓縮HDTV信號成為很底的比特率。上面討論過的基于HDTV編碼電路的低復(fù)雜程度的矢量量化產(chǎn)生高質(zhì)量HDTV的傳輸，這種傳輸是在20Mbit/秒或者更高的速率。
將SVQ編碼與分波段編碼結(jié)合，每個分波段可以采用不同類型的SCQ編碼，以充分利用每個波段質(zhì)量的優(yōu)點。尤其是由于高頻分波段包括主要的邊緣類型的信號，該SVQ編碼電路是特別有效的。所有重要的低頻波段利用基本化碼簿進(jìn)行高保真編碼，如果需要可附加碼字。
現(xiàn)在介紹模擬結(jié)果。該分波段SVQ編碼算法已經(jīng)在高達(dá)100長的HDTV運動序列上模擬，它使用一個HP-700工作站連接到一個發(fā)展到家庭(in-house-developed)的HDTV運動序列捕捉機(jī)和顯示設(shè)備。該信號原是一種索尼(SONY)模擬HDTV磁帶錄象機(jī)，它制出1，125行隔行掃描的、幀頻為30HZ的畫面。模擬的HDTV亮度和色度信號分別在54MHZ和13.5MHZ的速率下取樣。這個旋轉(zhuǎn)的玩具序列具有很多交錯的和快速的運動。該信號源的信噪比(S/N)僅為36dB左右，結(jié)果表明編碼算法是可靠的。這個編碼序列沒有運動人工制品的痕跡，并且邊緣的編碼具有高保真。由于取樣速率是54MHZ以及有效的象素率大約為0.76，該取樣速率應(yīng)大約是41MHZ。該MIT序列是一個人工產(chǎn)生的變焦和一些高細(xì)節(jié)的物體的搖攝。沒有編碼或運動人工痕跡的亮度信號的高質(zhì)量圖象是在小于0.5比特/象素(bit/pel)情況下取得的。
在表1中表示了使用2和16抽頭濾波器的幀內(nèi)編碼和幀間編碼的結(jié)果。
本發(fā)明并不局限于上述實施例，而是包括在的附屬權(quán)利要求的思想和范圍中。
表1分波段SSVQC方法結(jié)果
權(quán)利要求
1.一種電視信號編碼方法包括如下步驟(i)把一個圖象幀劃分成多個兩維的方塊，每個方塊由預(yù)定數(shù)目的象素構(gòu)成；(ii)構(gòu)成一個包含多個基本矢量的代碼簿，這些矢量對應(yīng)著人視覺系統(tǒng)高靈敏度的最普通的圖形；(iii)將一個方塊和所說的代碼簿相比較；(iv)識別與該方塊密切相關(guān)的圖形；(v)產(chǎn)生對應(yīng)步驟(iv)結(jié)果的碼字的數(shù)字信號；(vi)對多個方塊中的每一個方塊重復(fù)步驟(iii)至步驟(v)的處理。
2.一種電視信號編碼方法包括如下步驟(a)將視頻信號劃分為亮度和色度分量;(b)將亮度分量劃分成多個分波段;(c)在每個分波段上同時和獨立地進(jìn)行編碼;(ⅰ)把一個圖象幀劃分成為多個兩維方塊，每個方塊包括預(yù)定數(shù)目的象素;(ⅱ)構(gòu)成包含多個基本矢量的代碼簿，這些矢量對應(yīng)著人視覺系統(tǒng)高靈敏度的最普通的圖形。(ⅲ)用所說的代碼簿構(gòu)成一個方塊;(ⅳ)識別與該方塊最密切相關(guān)的圖形;(ⅴ)產(chǎn)生對應(yīng)步驟(ⅳ)的結(jié)果的碼字的數(shù)字信號;(ⅵ)對多個方塊中的每個方塊重復(fù)步驟(ⅲ)至步驟(ⅴ)的處理;(d)同時對亮度分量編碼;(e)將如此編碼的亮度和色度分量結(jié)合成為一個單一比特流用以發(fā)射。
3.按照權(quán)利要求2所說的方法，其特征在于所說的步驟b中的多個等于4。
4.按照權(quán)利要求2所說的方法，其特征在于在步驟(c)(ⅱ)中所說的多個小于或等于128。
5.按照權(quán)利要求3所說的方法，其特征在于這里的4個分波段的最低頻率范圍的分波段包含信息的主要部分將被發(fā)射。
6.按照權(quán)利要求1所說的方法，其特征是在步驟(c)(ⅰ)中的預(yù)定象素數(shù)目，對一些分波段，制成一個值，對其他的波段制成另一個值。
7.按照權(quán)利要求2所說的方法，其特征在于在步驟(c)(ⅱ)所說的代碼簿含有的邊緣圖形具有水平邊緣，垂直邊緣和對角線邊緣。
8.按照權(quán)利要求2所說的方法，其特征在于步驟(c)(ⅴ)所說的數(shù)字信號包括至少有一個表示在步驟(c)(ⅳ)中識別的圖形的部分強(qiáng)度的平均值的段。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所說的方法，其特征在于這里所說的圖形包含在強(qiáng)度上相對變化的等級的邊緣。
10.按照權(quán)利要求1所說的方法，其特征在于所說的步驟(ⅲ)包括(a)計算該方塊平均值并指示來自該方塊的每個象素取樣的該方塊平均值;(b)用一個邏輯電平替代一個正的取樣，用另一個邏輯電平替代負(fù)的取樣;(c)從左至右，從上至下地掃描以構(gòu)成一個數(shù)字化字，和(d)在一個查閱表中找尋一個輸出條目，其對應(yīng)著步驟(c)中構(gòu)成的數(shù)字化字。
全文摘要
一種對高清晰度電視信號的編碼技術(shù)包含把亮度信號分成4個分波段，使用分波段編碼器分別用一種簡化的矢量量化技術(shù)對每個分波段進(jìn)行編碼。每個分別的簡化矢量量化編碼器的特性分別適應(yīng)于分別的分波段。
文檔編號H04N7/26GK1081052SQ93105659
公開日1994年1月19日 申請日期1993年4月9日 優(yōu)先權(quán)日1992年4月10日
發(fā)明者李林南, 阿紹克·科拉爾·拉奧, 桑潔·博加瓦 申請人:通訊衛(wèi)星公司