CN1027483C - 传输系统 - Google Patents

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Abstract

本发明为用于一个瞬时地和局部地高分辨率(高清晰度)图象信号的传输系统。鉴于有限带宽传输信道，这一信号被分解为两个信号分量，它们经由两条独立的信道传输。由此，该第一信号分量是一个标准TV信号而该第二分量是一个局部地高分辨率图象信号。作为第二信号分量，传输一个与输入信号具有相等地高的局部分辨率的信号。瞬时分辨率是被降低了的。

Description

本发明涉及一种传送和接收图象信号的系统。
在1987年10月4日至8日举行的1987年HDTV讨论会的会议报告汇编中，纽约技术学院的威廉E·格兰恩与凯伦G·格兰恩在题为“改进的兼容传输HDTV”的文章的4，5，1至4，5，12页中提出了一种传输系统，这种系统既可从接收分辨率电视信号（此后称作HDTV-信号）又可接收标准的电视信号（此后称作标准-TV-信号）。为此，以一个数字信号处理器通过一个二维局部滤波将一个源所发出的一个HDTV-信号分解，达到这样的效果，其结果是一个标准-TV-信号和一个发送HDTV-信号的高局部频率部分的信号。
两个信号分别通过两个分离的有限带宽信道分离地传送，其中一个信道传送标准TV信号而第二信道则作为补充信道传送HDTV-信号的高局部频率部分。
在接收机方面，标准TV信号能用一个标准的TV接收机接收。
通过对两个信道的信号的计算，一台适当的HDTV接收机可以重建和再生该源所发送的图象。
高灵敏度分辨率图象不能单独从补充信道的信息中重建和再生。
本发明的任务是设计一种用于高分辨率电视信号的传输系统以及一种接收机，当在接收方存在着有限带宽传送信道，即使是只能接收一个信道的情况下，也可以重建图象信息。
这一任务是以后面的权利要求1和5中所述的特征加以解决的，本发明的进一步优越性的开发在从属权利要求中指出。
在接收机方，一个具有高瞬时和局部分辨率的HDTV信号被分解为两个信号，第一个信号的特征是低局部（灵敏度）分辨率但具有高瞬时（时间）分辨率，并且通过使用一种适当的代码，可以变换成一种标准TV信号，例如PAL，SECAM，NTSC或D2-MAC，带或不带数据缩减的数字信号，而它可以经由一条第一有限带宽信道进行传输。
第二信号的特征是高局部分辨率，但低瞬时分辨率。这可以例如以去掉图象最好是每两帧去掉-帧来达到。通过一个适当的编码器，它可以变换成例如HD-MAC信号或者它可以以带或不带数据缩减的方式通过第二有限带宽信道直接以数字方式传输。
在接收机方，用第一信道的方法可以接收到一个完整的低局部分辨率但是高瞬时分辨率的图象信号。
与当前的技术相反，通过第二信道可以接收到一个完整的低瞬时分辨率和高局部分辨率的图象信号，以这种方法，使用适当的解码和图象再生方法 便能重建一个足够（局部地）高的分辨率的图象信号（此后称作HD-信号）。
这些再生手段起到在可能范围内重建信息的作用，这些信息是因为去掉图象而在接收机方失掉的，尤其是在带有动作的序列的情况中。
为了再生一个完整的HDTV信号，在接收机方必须对两个信道都进行计算。为了这一目的，特别是在动作不足的情况中，使用第一信道的高时间分辨率图象信息来重建HD图象。
第二信道的信号是经由对应的第一信道来补充信息的。在接收第二信道时，接收机可以应用一个适当的计算电路来计算这一信息达到接收机自动容许接收第一信道的效果。
从而，根据本发明的传输系统的优越结果便引入一个HDTV传输系统，该系统是与常用的传输系统兼容的，以此，第一信道提供一个与当令的电视标准相对应的分辨率的图象信号而第二信道则提供一个完整的高局部分分辨率图象信号。
下面，通过附图详细展示了一个实现示例。
图1.两信道HDTV传输系统。
图2.传输机中的一个换码器（编码器）。
图3.接收机中的一个换码器（解码器）。
图4.一个HD解码器（在传输机中）。
图5.一个HD解码器（在接收机中）。
图6.一个图片生成器。
图7.图片生成器的功能的一个示例。
图8.一个局部瞬时滤波器。
图1示出了一个2信道的HDTV传输系统。一个源所生成的一个HDTV信号被送入包含一个换码器1，一个TV编码器2，一个TV解码器3，和一个换码器4的一条第一传输线，以及包含一个图象压缩电路5，一个HD编码器6，一个HD解码器7和一个图象再生电路8的一条第二传输线。
第一传输线上的换码器1，以适当滤波的方法，将图片的水平分辨率以2∶1的比例缩减而垂直分辨率则以3∶2的比例缩减。再者，不带隔行扫描出现的HDTV信号被变换成一个带隔行扫描的信号，借此保持瞬时分辨率。换码器1的输出被送至TV编码器2，它生成一个标准TV信号，例如，PAL，SECAM，NTSC或D2-MAC码，而其输出则连接到一条第一传输信道。然后，如果将换码器的输出信号存储在例如一个数字记录器上，则它是直接或者经由一个数据缩减装置传送到第一传输信道的，即记录信道。
在第一传输信道的接收机中，进入的标准TV信号是在TV解码器3中解码的：在TV解码器3的输出端便可以再生该标准TV信号。
输入第二传输线上的HDTV信号在接近将它适配到一个有限带宽的第二传输信道的结尾时是易于遭受图片减少（失掉）的。由于图片压缩电路5的作用，例如，每两帧图象中只传输一帧。在静止的图片内容的信号中压缩比两帧图象中一张更多的图片是可能的，因此现在变成空闲的信道容量可用于编码和传输其它的图片。图象压缩电路5的输出信号经由HD编码器6被送至一个第二传输信道。HD编码器或者生成一个模拟信号，例如HD-MAC，或者生成一个数字信号，它经由该信道直接地或者经过数据缩减以后被传输。
在第二传输信道的接收机中，输入的信号被送至HD解码器7。HD解码器7的输出端连接到图象再生电路8，该电路应用通过块比较的动作计算实现在接收机方去掉的图象的重建。然后，在图象再生电路8的输出端便可以再生一个具有高局部分辨率和例如50赫兹的扫描率的HD信号，然而，在运动的图象内容的情况中是可能含有误差的。
为了在运动图象部分的区域中尽量减少这些误差，并从而得到一个高瞬时分辨率的输入HDTV信号，在标准TV信号之外通过换码器4完成换码器1的扫描率变换的一个逆变换。两个信号（即换码器4的一个和图片再生电路8的一个）一个起被送至一个组合滤波器9，该滤波器通过适当地加权发送一个具有高瞬时与局部分辨率的HDTV输出信号。
图2描述传输机中的换码器1，输入的HDTV信号被送至一个水平换码器滤波器9，它以适当的滤波将水平扫描率降低二分之一。P·潘西和M·比林在“以合理的因子改变电视信号的采样率“EUSIPCO′83会报，信号处理Ⅱ：理论与应用，EURASIP1983，一文中第171-174页提出了一种用于这方面的基本过程。根据该文，信号通过一个垂直换码器滤波器10，将垂直扫描率降低3分之1。然后，输出信号通过一个垂直低通滤波器，随着又通过一个隔行扫描器11，它为了生成 隔行扫描的图象信号执行成帧相关的2∶1垂直子采样。
如果在换码器1的输入端的HDTV信号表现为，例如，每一图象1440×864个活动图片点，以及50赫兹的图象重复频率和1∶1的前进扫描，该图象的格式按下述步骤缩减：
1.720×864    50赫兹    1∶1
2.720×576    50赫兹    1∶1
3.720×576    50赫兹    2∶1
图3示出了接收机中的换码器4，以数字扫描值出现的输入标准TV信号被送至一个解隔行扫描器12，它以成帧相关的接受扫描线和插入中间线从具有720×576，50赫兹，2∶1的格式的图象信号中生成一个具有720×576，50赫兹，1∶1格式的图象信号。这一信号被送至一个垂直换码器滤波器13，该滤波器通过垂直扫描率变换再生一个720×864，50赫兹，1∶1格式的信号。通过具有水平扫描率变换为1∶2的一个随后的水平换码器滤波器14，生成一个1440×864，50赫兹1∶1的信号，从它的格式上是和HDTV输入信号相同的。
图4示出HD编码器6，经过图象压缩电路5的HDTV输入信号被送至一个模式选择电路23以及一个块搜索电路31。
在模式选择电路23中，将输入信号与块搜索电路的输出信号进行比较，为输入信号的代码选择帧间的或帧内的模式。编码是始终如一地以例如包含8×8个象点的块来实行的。如果实现图象与前一图象的偏差过大，则执行一个帧内编码。在其它情况为了达到数据缩减使用一个帧间编码。在帧间模式中，是沿着以前确定的动作向量预测图象信号的，并且传输的是原来的和予测的信号之间的差值信号。在帧内模式中所传输的是输入信号本身。块搜索电路31为每一个实际的块建立一个动作向量。这一动作向量可以从差值的绝对值的极小和或交变能量的极小和或极小方差等来确定。
在模式选择电路23之后，该信号被送至一个离散余弦变换器24，其输出信号被一个分类器（扫描器）25所扫描，并随后送至一个加权电路26和一个量化器27，量化器27的输出信号被送至一个编码器28并经由一个电路同时送至反加权36以重建图片信号，再将其送至一个反向扫描器35并且同时送至一个块重建电路的一个逆离散余弦变换器34，它的输出连接到一个图片存储器32。
编码器28接收由扫描确定的成序列的量化加权变换系数作为输入信号。为了数据缩减的目的，它执行可变字长的编码并提供经过编码的系数和地址作为输出信号。这是送至一个视频多路复用器和缓冲存储器29的。
存储在图象存储器32中的数据是前一张图象所固有的数据。为了确定一个实际块的动作信息，它们是必要的。为了这一目的，通过名为块匹配的方法，将包含在前一图象中由16×16个象素组成的一个搜索区中的实际图象的一个由8×8个象素组成的块，在该16×16象素块中进行位置移动直到在16×16象素的前一图象块中检测到一个具有最小数目的偏差的实际块的位置。从这一新建立的位置确定一个向量并将其送至模式选择电路23和一个编码器30。这一编码器30同样执行可变字长的编码并将经过编码的动作向量传输到视频多路复用器和缓冲存储器29与对应的信号数据一起实行中间存储。为了量化的控制，缓冲存储器29是连接到量化器27的。
模式选择的结果被送至视频多路复用器和缓冲存储器29，并且送至块重建电路33，用于正确的块重建。
缓冲存储器29的输出信号以固定的数据率传送给第二传输信道。
图5示出了具有缓冲存储器和视频多路复用器15的HD解码器7。缓冲存储器15的输出端分别连到一个解码器16或21，每一个解码器一个。解码器16的一个输出端通过一个反加权17，一个反向扫描器18，和一个逆离散余弦变换器19引到一个块重建电路20。块重建电路20的输出导向图象再生电路8以及一个图象或块存储器22。解码器21的输出连同解码后的动作向量也导向该图象或块存储器22的另一个输入端。
在解码器16中将地址和系数再解码成它们原来的形状。解码器21对动作向量进行同样的解码。
从缓冲存储器15引向块重建电路20的一条信息线54向该电路传送该块是帧间还是以帧内模式编码的信息。另一条线56自缓冲存储器15引 向解码器16并传送缓冲存储器的状态的信息以及量化状态的信息。
图6示出了图片再生电路8。HD解码器7的输出信号被送至一个图象存储器38。图象存储器38的一个输出导向一个图象插入电路37，另一个输出则导向一个图象存储器39与一个多路复用器40。
图象插入电路37的另外输入端载有来自HD解码器7的其它数据，例如动作向量53和编码器模式信息54，即有关帧间或帧内编码的信息。图象插入电路37的一个输出端导向多路复用器40。一个1440×864象素的HD信号出现在多路复用器40的输出端上，此后称作HDTV-TV-信号。
图6中图象生成器8的工作是在图7中以一个一维示例进行说明的。
HD解码器输出的每一图象2n+1是存储在图象再生器的图象存储器38中的，前面传输的图象2n-1保留在图象存储器39中。中间图象2n在传输机方波图象压缩电路5所去掉。
图7示出在图象插入电路37的信号。一个输入载有图象存储器39的输出信号46连同图象信息49与50。第二个输入载有图象存储器38的输出信号48。输出信号47连同图象信息51被送至多路复用器40。
如果现正处理的图象的块52是经由信道以帧内模式传输的，则中间图象2n的块51是从图象2n-1和图象2n+1在块的基础上从图象内容的逐点平均的方式直接确定的。这并未在图7中示出。
然而，在一个帧内编码的情况中，从HD解码器可获知块52的动作向量53。对于要插入的图象的块51，采用了移动动作向量54的一半大小的位移的图2n-1的块50（46）。
另外，图象2n可用图象2n-1和2n+1的逐点插入来生成，这两帧图象是各自以一半大小的该动作向量向相反的方向移动的。
图8示出了局部瞬时滤波器9。高时间分辨率局部地插入的变换器4所生成的TV图象，从而是在格式上对应于HDTV图象的，被送至一个求和单元41。而图象再生电路8的输出信号也被送至该求和单元41。求和器41经由一个n×n的口逐点确定两帧不同地再生的图象信号的绝对灰度级差值之和。对于每一个n×n大小的口该和的结果值为E。
根据电路43中的值E，为TV和HD图象信号的加权确定因子。从而，在一个乘法器42中，TV信号被乘以a，而HD信号则在一个乘法器44中被乘以1-a。依赖于Z的值，加权因子a可在0与1之间取值。
如果Z的值是大的，即如果由于强运动而在图6的图象生成器8中出现了错误的插入结果，则因子a＝1并从而采用了TV信号的图象信息。结果，相反地，E的值很小，即如果是静态图象内容，则数据取自HD信号，因为这代表从源到接收器的原始局部高分辨率。
乘法器的相乘结果被送至一个求和单元45，而该单元的输出信号对应于原始的HDTV信号。
经由第二传输信道传输的HD图象被直接送至组合滤波器9的输出;相应地，a＝0作用于整个图象。
图象生成过程是由接收机计算两个信道来执行的。为了这一目的，以上述图象再生过程生成的图象组合如下。将在格式上对应于HDTV而以换码生成的高时间分辨率局部地插入的HDTV-TV信号和由图象插入生成的HDTV-HD图象之间的差值逐个象素地进行计算，经由一个n×n口，将两个不同地再生的图象的信号的绝对灰度级差值之和逐个图象点地加以确定和加权。以这一加权，在0与1之间的范围内确定一个因子a。HDTV-TV和HDTV-HD图象信号以该加权因子a组合如下：HDTV-TV信号乘以因子a，而HDTV-HD信号则乘以因子1-a。
如果由于强运动而在HDTV-HD信号的图象再生中发生了错误的插入结果，则因子a＝1且从而采用HDTV-TV信号的图象信息。如果，相反地，该值非常小，即，为静态图象内容，则数据取自HDTV-HD信号，由于这表示从源到接收器的原始高局部分辨率。
根据本发明，如果绝对灰度值的加权和超过了一个小于1的阈值，则将加权因子a设置为1。如权和的这一阈值小于1时，加权因子的值从0到1成比例地增加。
此外，两个信道的加权和可以用计算得的HD解码器信息加以改进，这些HD解码器信息便是传输模式，量化状态或块的运动的信息。

Claims (21)

1、图象传输方法，用于将发送端得到的宽频带、瞬时空间分辨率较高的图象信号经由二个具有较窄带宽的传输通道进行传输，其中的第一传输通道发送具有现有标准的低空间分辨率和高瞬时分辨率的第一完整图象信号，
其特征在于：
第二传输通道发送具有空间高分辨率和瞬时低分辨率的第二完整的编码图象信号，该信号可以单独或者以和上述第一图象信号结合的形式被一个经改进的接收机解码并再生出来，其中：产生的图象信号对应于待发送和重现的、瞬时和空间分辨率较高的图象信号，上述的第一图象信号可以由一个标准的接收机进行解码和再生。
2、根据权利要求1的方法，其特征在于：上述的第二传递通道至多只传输上述的第二图象信号中的每个第n帧信号，这里n＝2，3，4，…。
3、根据权利要求2的方法，其特征在于：为了进行数据压缩，上述的第二图象信号经数字编码后才进行传输，其中，先确定一个运动矢量，再将其与有关编码类型的信息一起加以传输。
4、根据权利要求1至3中任一个的方法，其特征在于：包含着有关上述的第一传输通道的信息的附加信息在上述的第二传输通道中进行传输。
5、根据权利要求1至3中任一个的方法的改进了的接收机，其特征在于：该接收机中设有一个HD解码器（7）和一个后续的帧再生电路（8，37），上述的HD解码器对第二图像信号单独进行解码，并通过后续的与解码后的第一图象信号的组合处理，将其解码成一种瞬时分辨和空间分辨率较高的图象信号，从而根据第二图象信号的编码类型实现图象单元块的再生;被传送的运动矢量也被送至帧再生电路（8，37）。
6、根据权利要求5的接收机，其特征在于：帧再生电路（8，37）通过解码模式信息（54）和/或运动矢量数据（53）从接收到的经解码的第二信号产生一个帧频提高了的图象信号。
7、根据权利要求6的接收机，其特征在于：为了生成第2n帧图象的信号，以上述运动矢量的一半长度进行块偏移的第2n-1和2n+1帧也被使用。
8、根据权利要求6的接收机，其特征在于：为了生成第2n帧图象的信号，以上述运动矢量的一半长度反向偏移的第2n-1和2n+1帧被以图象单元为基础进行内插，其中n＝1，2，3，4…。
9、根据权利要求6的接收机，其特征在于：为了生成第2n帧图象中的图象单元，第2n-1和2n+1帧中相应的经解码的图象单元块中相应的图象单元以帧间编码的方式进行平均，这里的n＝1，2，3，4，…。
10、根据权利要求6至9中任意一个或多个的接收机，其特征在于：该接收机中具有一个带解隔行扫描器（12）的换码器（4），它通过取出与帧有关的扫描行和内插，从第一图象信号形成非隔行扫描的帧信号。
11、根据权利要求10的接收机，其特征在于：上述的换码器（4）中具有顺次连接的一个垂直换码滤波器（13）和一个水平换码滤波器（14），用于进行取样率变换。
12、根据权利要求6至11中的任意一个或多个的接收机，其特征在于：一个空间时间滤波器（9）包括一个加法器（41），该加法器的输入端连接到帧再生电路（8）和换码器（4）的输出端，上述加法器（41）的输出信号（2）被送至一个加权电路（43），一个第一乘法器（42）被连接至换码器（8）和加权电路（43）的输出信号上，第二乘法器（44）被连接至帧再生电路（8）和加权电路（43）的输出信号上，上述二个乘法器（42，44）的输出经由一个加法器（45）相连。
13、根据权利要求12的接收机，其特征在于：为了避免运动缺陷以及采用经解码的第二图象信号的空间分辨率，第2n帧中当前图象单元块中的图象单元与从上述的第一图象信号再生出来的第2n-1帧中的当前图象单元块中的图象单元之间的绝对长度差值，在图象单元块中以图象单元为基础进行相加，而无须经过一个窗口进行交错操作，从而可以为第2n帧中的每个图象单元确定一个加权因子，这里n＝1，2，3，4，…。
14、根据权利要求13的接收机，其特征在于：从上述的第一图象信号产生的非隔行扫描的帧信号被以图象单元为基础乘上一个处于0至1之间的加权因数a，第2n帧信号被乘上另一个因数1-a。
15、根据权利要求14的接收机，其特征在于：当上述的绝对灰度差值的加权和达到一个阈值之上时，上述的加权因子a的值为1。
16、根据权利要求15的接收机，其特征在于：在上述的阈值之下，上述的加权因子a与上述的绝对灰度差值的加权和成比例地上升。
17、根据权利要求13的接收机，其特征在于：为了确定加权因子a，从HD解码器（7）取出附加数据，具体地是有关传输模式、量化状态和/或运动的信息。
18、根据权利要求6至17中任意一个或多个的接收机，其特征在于：设置有一个对上述的附加信量进行评价的电路，该电路在接收到上述的第二传输信道时自动地连接上述的第一传输通道。
19、根据权利要求5的接收机，其特征在于：该接收机中具有一个带解隔行扫描器（12）的换码器（4），它通过取出与帧有关的扫描行和内插，从第一图象信号形成非隔行扫描的帧信号。
20、根据权利要求5的接收机，其特征在于：一个空间时间滤波器（9）包括一个加法器（41），该加法器的输入端连接到帧再生电路（8）和换码器（4）的输出端，上述加法器（41）的输出信号（2）被送至一个加权电路（43），一个第一乘法器（42）被连接至换码器（8）和加权电路（43）的输出信号上，第二乘法器（44）被连接至帧再生电路（8）和加权电路（43）的输出信号上，上述二个乘法器（42，44）的输出经由一个加法器（45）相连。
21、根据权利要求5的接收机，其特征在于：设置有一个对上述的附加信量进行评价的电路，该电路在接收到上述的第二传输信道时自动地连接上述的第一传输通道。
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