CN100384255C - Hdtv到sdtv转换编码器 - Google Patents

Abstract

本发明HDTV到SDTV转换编码器有关数字电视设备。更详细的说，本发明是HDTV到SDTV转换编码器的发明。为提供电视图像清晰度高，转换后的图像不产生几何畸变，具有高转换效率的转换编码器，本发明采用的技术方案是：包括将音频信号与SDTV格式视频流进行复用或解复用的复用模块、解复用模块，视频基本流解码模块，此外还包括将HDTV视频流转换为SDTV格式视频流的下变换转换编码模块，对来自视频基本流解码模块的视频单帧图像进行内插上变换，输出960×576图像的解码图象内插上变换模块。本发明主要用于制作有关数字电视设备。

Description

HDTV到SDTV转换编码器

技术领域

本发明是有关数字电视设备。更详细的说，本发明是HDTV到SDTV转换编码器的发明。

背景技术

数字电视已进入实用化阶段，高清晰度电视(HDTV)和标准清晰度电视(SDTV)将长期共存。为实现节目资源共享，减少存储媒体开销，合理利用信道带宽，服务于各种终端，需将数字视频信号从一种格式转换成另一种格式。

我国HDTV图像宽高比为16∶9。SDTV显示器宽高比有4∶3、16∶9两种。目前，4∶3的较多，但16∶9利于建立视觉临场感，与HDTV图像格式又一致，随着LCD、PDP等新型显示器的增多，16∶9屏所占比例将逐渐增加。将HDTV节目转换为SDTV(16∶9)节目，十分重要。

将HDTV信号转换为SDTV信号，需进行空间分辨率和码率转换，并需着重解决转换后SDTV图像的变形和清晰度下降问题。

但是，传统技术转换编码中，存在信源-传输-显示三种图像格式的选择和转换方法、目标图像的几何畸变、重建图像的清晰度下降问题，转换后的图像产生几何畸变，图像清晰度达不到理论最高值。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明的目的为提供电视图像清晰度高，转换后的图像不产生几何畸变，具有高转换效率的转换编码器，本发明采用的技术方案是：

HDTV到SDTV转换编码器，包括发端将音频信号与SDTV格式视频流进行复用的复用模块，收端解复用模块和视频基本流解码模块，还包括发端将HDTV视频流转换为SDTV格式视频流的下变换转换编码模块，收端对来自视频基本流解码模块的视频单帧图像进行内插上变换，输出960×576图像的解码图像内插上变换模块，下采样块为将每帧含1920×1080有效像素数的HDTV图像，以8×15像素点阵M_8×15 ⁱ为单位，由式(1)、(2)变换为4×8数据块M_4×8，得到960×576有效像素点阵图像的下采样块，

$M_{4\×8}=A\×M_{8\×15}^i\×B---\left(1\right)$

$A=\left[\begin{array}{ccccccccccccccc}8& 7& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 1& 8& 6& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 2& 8& 5& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 3& 8& 4& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 4& 8& 3& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 5& 8& 2& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 6& 8& 1& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 7& 8\end{array}\right]\×\frac{1}{15}$ $B=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]\×\frac{1}{2}---\left(2\right)$

HDTV到SDTV转换编码器的下变换转换编码模块包括：依次相连的变字长解码块、第一反量化块、第一反离散余弦变换块、第一加法器、下采样块、第二加法器、离散余弦变换块、第二量化块、变字长编码块，此外还包括：

将来自变字长解码块和第一帧存储器的信号进行运动补偿并输出到第一加法器的第一运动补偿块，所述第一帧存储器的输入与第一加法器输出相连；

与第二量化块相连的第二反量化块，第二反量化块、第二反离散余弦变换块、第三加法器、第二帧存储器、第二运动补偿块、第二加法器依次相连，第二运动补偿块输出反馈到第三加法器；

码率控制模块输入、输出分别与变字长解码块、第二量化块相连；

宏块编码预测模式确定和运动矢量重用模块输入、输出分别与变字长解码块、第二运动补偿块。

所述的下采样块包括有完成水平方向3/4亚取样，得720×576有效像素传输图像3/4亚取样光栅。

本发明可带来如下效果：  由于本发明采用了变换算法和相关滤波器，可兼顾转换后图像高质量和保持足够高的转换编码效率，降低了运算量，最大限度地重新使用原视频流相关信息。下采样模块所采用3/4亚取样光栅，可兼顾图像幅型比和电视图像清晰度。采用本发明的转换编码器，转换后的图像不产生几何畸变，图像清晰度可达理论最高值。

附图说明

图1  HDTV到SDTV(16∶9)转换方案示意图。

图2  HDTV到SDTV转换编码器。

图3  3/4亚取样光栅。

图4  HDTV原图像(上)转换成SDTV图像(下)垂直清晰度576电视线可辨。

图5  垂直清晰度模拟测试结果。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明。

转换编码方案及转换编码器及其说明：

1.HDTV到SDTV(16∶9)转换编码方案

图1为本发明所提出的HDTV到SDTV(16∶9)转换方案示意图，可实现SDTV系统共享HDTV节目。其中，下变换转换编码模块，实现将HDTV视频流转换为SDTV(720×576)格式视频流，与音频流复用，形成传输流(TS)，经传输，在接收端经接收端解码设备解码，并对视频单帧图像经内插上变换，得960×576图像，并送幅型比(16∶9)显示终端，清晰度可达SDTV理论上限(水平540电视线、垂直576电视线)。其中，采用了3/4亚取样-内插技术。使用本方案进行HDTV信号到SDTV信号转换，可使图像清晰度的理论上限值达到SDTV系统的理论最高值，并适应16∶9显示屏，显示无几何畸变的16∶9画面。

2.HDTV到SDTV(16∶9)发送端下变换编码器

图2为本发明所采用的HDTV到SDTV空间分辨率下变换转换编码器。

HDTV到SDTV转换编码器的下变换转换编码模块包括：依次相连的变字长解码块VLD、第一反量化块IQ1、第一反离散余弦变换块IDCT1、第一加法器、下采样块、第二加法器、离散余弦变换块DCT、第二量化块Q2、变字长编码块VLC，此外还包括：

将来自变字长解码块VLD和第一帧存储器的信号进行运动补偿并输出到第一加法器的第一运动补偿块MC1，所述第一帧存储器的输入与第一加法器输出相连；

与第二量化块Q2相连的第二反量化块IQ2，第二反量化块IQ2、第二反离散余弦变换块IDCT2、第三加法器、第二帧存储器、第二运动补偿块MC2、第二加法器依次相连，第二运动补偿块输出反馈到第三加法器；

码率控制模块输入、输出分别与变字长解码块VLD、第二量化块Q2相连；

宏块编码预测模式确定和运动矢量重用模块输入、输出分别与变字长解码块VLD、第二运动补偿块相连MC2。

为满足高质量广播要求，而该转换编码器的空间分辨率变换系数又为非整数倍，所以该转换编码器的空间下采样在像素域进行。而为兼顾转换后图像高质量和保持足够高的转换编码效率，降低运算量，对约占编码过程70％运算量的运动估计，宏块编码预测模式的确定以及码率控制策略等，本转换编码器最大限度地重新使用原视频流相关信息。

图2中的码率控制模块根据视频序列的图像复杂度和数字电视标准，确定SDTV输出码流的码率，并完成相应转换。宏块编码预测模式确定和运动矢量复用模块完成运动估计，这些模块须兼顾转码效率和图像质量。

图3示出了图2中下采样模块所采用的3/4亚取样光栅。经过这种亚取样处理，即可实现HDTV图像格式到SDTV图像格式的下采样。这种3/4亚取样，兼顾了图像幅型比和电视图像清晰度。

下面结合实施例进一步说明本发明。

重现图像的清晰度是电视系统重要指标。由HDTV转SDTV图像格式时，需着重考虑。清晰度习惯上用电视线表示。我国SDTV亮度信号取样频率为13.5MHz，有效像素数为720×576，满足取样定理的基带信号上限频率为6.75MHz，对应4∶3、16∶9图像的水平、垂直清晰度理论上限值分别为540、576，405、576电视线。与4∶3图像相比，16∶9图像的水平清晰度降低25％。我国SDTV系统标称带宽为6MHz，对应的清晰度低于理论上限值，可按两频率之比，由理论上限值算出。为避免具体装置因素的影响，以下按理论上限值讨论。

HDTV到SDTV(16∶9)转换过程中，图像格式的转换及主要参数示于表1。

表1 HDTV到SDTV图像格式的转换

原HDTV图像格式的水平、垂直有效像素数为1920×1080，图像宽高比为16∶9，像素宽高比为1/1，水平和垂直清晰度理论上限值均为1080电视线。

本项发明在发送端，将原图像经水平3/8、垂直8/15空间分辨率下变换，得720×576传输格式。为此，首先将每帧含1920×1080有效像素数的HDTV图像，以8×15像素点阵M8×15i为单位，由式(1)、(2)变换为4×8数据块M_4×8，得到960×576有效像素点阵图像。

$M_{4\×8}=A\×M_{8\×15}^i\×B---\left(1\right)$

$A=\left[\begin{array}{ccccccccccccccc}8& 7& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 1& 8& 6& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 2& 8& 5& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 3& 8& 4& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 4& 8& 3& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 5& 8& 2& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 6& 8& 1& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 7& 8\end{array}\right]\×\frac{1}{15}$ $B=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]\×\frac{1}{2}---\left(2\right)$

所得960×576有效像素点阵图像，再按图3所示3/4亚取样光栅，完成水平方向3/4亚取样，得720×576有效像素传输图像。

图3中，“○”表示传输的像素；“×”表示不传输的像素，它们在接收端可通过内插恢复。

本发明的3/4亚取样自适应内插算法，如式(3～6)所示。

$\left\{\begin{array}{c}{\hat{p}}_o=W_H(P_1+P_2)/2+W_V(P_5+P_6)/2\\ W_H+W_V=1\end{array}\right.---\left(3\right)$

$\frac{W_H}{W_V}=\frac{4\×|p_5-p_6|}{|p_1-p_2|\×2+|p_3-p_2|+|p_1-p_4|}---\left(4\right)$

$W_H=\frac{4\×|p_5-p_6|}{|p_1-p_2|\×2+|p_3-p_2|+|p_1-p_4|+4\×|p_5-p_6|}---\left(5\right)$

$W_V=\frac{|p_1-p_2|\×2+|p_3-p_2|+|p_1-p_4|}{|p_1-p_2|\×2+|p_3-p_2|+|p_1-p_4|+|p_5-p_6|\×4}---\left(6\right)$

式中，p_i(i＝1，2，3，4，5，6)是待内插像素p₀周围六个相邻的传输像素；

是p₀的内插值；W_H和W_V是水平内插项(P₁+P₂)/2和垂直内插项(P₅+P₆)/2的自适应权重系数。权重系数W_H和W_V随p₀邻域像素值的变化，自适应调整。

当|p₁-p₂|、|p₃-p₄|和|p₅-p₆|同时为零时，W_H＝W_V＝1/2。该算法除涉及四个最近邻的像素外，还增加了水平方向上的另外两个相邻像素点p₃和p₄。由于只有加、减、移位运算，运算稍复杂的W_H也只有一次除法运算，所以对实时完成运算比较有利，也便于硬件实现。

该内插算法有利于图像水平清晰度的恢复。

由于720×576信号由1920×1080下变换而来，3/4亚取样可部分保留图像的水平、垂直细节，接收端对720×576信号经内插上变换，可得清晰度得以恢复的960×576(16∶9)重建图像，送入终端显示。960×576 16∶9显示屏与目前商品化显示屏的生产水平也更加适应。

实例效果：

为检验转换编码目标图像的清晰度，以HDTV楔型清晰度测试信号序列进行测定。

图4、5为水平、垂直清晰度模拟测试结果。两图中，左、上为HDTV原视频压缩流解码图像480～720电视线部分的放大；两图中，中间图像为HDTV原视频发送端经式(1)、(2)空间分辨率下变换编码视频流解码重构图像；两图中，右、下为HDTV原视频压缩流发送端经变换编码，接收端再内插恢复，所得对应帧、对应部位的重构图像。

图4表明，重建的清晰度测卡在水平清晰度为540电视线附近，线簇清晰复原。图5表明，重建的清晰度测卡在垂直清晰度为576电视线附近，线簇也可辨认。

发明的主要用途：

数字电视时代正在来临，本发明主要解决SDTV系统共享HDTV节目问题。给出的HDTV到SDTV转换编码器方案、设计和结构，可重建满屏、无几何畸变、16∶9图像，其水平、垂直清晰度上限值远高于720×576/16∶9原图像格式的405、432电视线，水平、垂直清晰度可接近540、576电视线，为SDTV系统共享HDTV节目提供了有效的途径。同时，16∶9 SDTV节目的播出，将促进16∶9屏SDTV接收设备产业链发展，加快4∶3向16∶9屏过渡的历程。

在上述本发明基本技术思想内，如果应用者具有本行业的基本知识，即可进行很多变化。本发明的权利范围应以权利请求范围为基础，进行解释。

Claims (3)

1.HDTV到SDTV转换编码器，包括发端将音频信号与SDTV格式视频流进行复用的复用模块，收端解复用模块和视频基本流解码模块，还包括发端将HDTV视频流转换为SDTV格式视频流的下变换转换编码模块，收端对来自视频基本流解码模块的视频单帧图像进行内插上变换，输出960×576图像的解码图像内插上变换模块，其特征在于，HDTV到SDTV转换编码器的下变换转换编码模块包括：依次相连的变字长解码块、第一反量化块、第一反离散余弦变换块、第一加法器、下采样块、第二加法器、离散余弦变换块、第二量化块、变字长编码块，此外还包括：

将来自变字长解码块和第一帧存储器的信号进行运动补偿并输出到第一加法器的第一运动补偿块，所述第一帧存储器的输入与第一加法器输出相连；

与第二量化块相连的第二反量化块，第二反量化块、第二反离散余弦变换块、第三加法器、第二帧存储器、第二运动补偿块、第二加法器依次相连，第二运动补偿块输出反馈到第三加法器；

码率控制模块输入、输出分别与变字长解码块、第二量化块相连；

宏块编码预测模式确定和运动矢量重用模块输入、输出分别与变字长解码块、第二运动补偿块相连。

2.根据权利要求1所述的HDTV到SDTV转换编码器，其特征在于，下采样块为将每帧含1920×1080有效像素数的HDTV图像，以8×15像素点阵M_8×15 ⁱ单位，由式(1)、(2)变换为4×8数据块M_4×8，得到960×576有效像素点阵图像的下采样块，

$M_{4\×8}=A\×M_{8\×15}^i\×B---\left(1\right)$

$A=\left[\begin{array}{ccccccccccccccc}8& 7& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 1& 8& 6& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 2& 8& 5& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 3& 8& 4& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 4& 8& 3& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 5& 8& 2& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 6& 8& 1& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 7& 8\end{array}\right]\×\frac{1}{15}$ $B=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]\×\frac{1}{2}---\left(2\right)$

3.根据权利要求1或2所述的HDTV到SDTV转换编码器，其特征在于，所述的下采样块包括有完成水平方向3/4亚取样，得720×576有效像素传输图像3/4亚取样光栅。

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