CN1050118A - 电视传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明为发送和接收标准电视信号的系统。在 使用“信箱”方法的16:9电视传输系统中，每次取出 第四行作为图像的上下边缘带处的附加信息，以与 4:3规格相兼容的方式发送。但是这个方法会导致 信号跳变。移动干扰的产生，会使4:3接收机中的垂 直分辨率下降，会使16:9接收机中的噪声敏感性上 升。本发明在发射编码器中使用了长度为8的垂直 DCT和长度为6的反DCT。

Description

本发明涉及一种用于发送和接收标准电视信号的电视传输系统。

为了将长宽比为16∶9的宽画面引进现行的长宽比为4∶3的电视标准（例如：PAL，SECAM，NTSC）中，在以下文献中对所谓“信箱”（′letter-box′）方法进行了讨论：《PAL制可能的改进之处及发展趋势》，G.Holoch，FKTG讲演，1989年1月17日于柏林;《未来的电视系统》，F.Muller-Romer，Fernseh-und  Kinotechnic，卷43，期号611989;以及《旧PAL制的新途径》，Dr.A。Ziemer，E.Matzel，Funkschau，期号18/1989。采用这些方法之后，在长宽比为4∶3的接收机上就可以兼容地再现所记录的16∶9的全部画面信息，只是在上、下边缘处为两个不显示可见图象内容的条形区域。

这一过程是这样实现的：在制作室里，从16∶9画面的完整一帧的625行中将例如575有效行的第四行取出，然后每隔三行取出一行，并将这些行作为条形区域中的附加信息传输，条形区域因此而出现在有效画面的上部和下部。这样，4∶3接收机中的有效画面包括431行和各有72行的边缘条形区域。这种在4∶3接收机中显示例如16∶9画面的方式过去也已经被采用了，因此，对观看者一方来说，无需添加适配部件。

由于两种画面大小之比和原始的行数与减少后的行数之比相一致，所以因取出行而引起的几何失真得到了校正。

现在16∶9接收机对两个条形边缘区域的信息进行处理，并将减少为431行的有效数目重又增加至575行，因此产生出完整的长宽比为16∶9的画面。

如果从每帧中的575个有效行中每四行取出一行的话，在4∶3接收机上就会产生信号跳变，它将是可以觉察的，表现为图象内容中以对角成方向运动的结构。为了避免信号跳变，在发射机中必须对这些行进行垂直内插。

为了使边缘条的行中的图象内容不以任何干扰的方式出现在4∶3接收机中，在发射机中对这些图象内容的幅度降低了13dB，在16∶9接收机中再进行相应的提升。但是，这将导致16∶9接收机中的噪声显著上升，因而产生不如目前的4∶3接收机的图象质量。

本发明的目的是为一个16∶9电视信号确定一个可兼容的传输系统，该信号为采用“信箱”方法的标准接收机提供长宽比为4∶3的画面，并且为逐行显示的改进的接收机提供16∶9的画面，特别是水平分辨率与源信号的水平分辨率相一致同时噪声较低。

这一任务是通过权利要求1所示的特征部分完成的。本发明的其它改进之处参见从属权利要求。

首先，主发射机（台）一侧使具有575个有效行、16∶9图象规格的电视信号数字化，再在垂直方向上进行特殊的帧内滤波。这可以由（比方说）长度为8的DCT变换来实现（DCT：direct  cosine  transform直接余弦变化）

在产生的8个系数中，总是把第1至第5和第8个系数加以组合。这六个系数被以长度6进行反DCT、并经数-模变换后插到经压缩的16∶9图象的各自位置上。这样，4∶3接收机就实际上具有充足的垂直分辨率。第6和第7个系数也被进行数-模转换，并在压缩了的16∶9图象上方或下方的条中发送。

4∶3接收机并不评价这二个条中的系数就根据上面描述的“信箱”法呈现电视图象。由于DCT变换的一个特征效果是使信号能量集中在低价系数上，第6和第7个系数通常只有比较小的幅度。这样一来，4∶3标准接收机中在上述的二条带内的干扰性图象内容的可见性也已经减小了。信号的这些部分只要有少许下降甚至不下降也足够了。这些有利的结果使得16∶9接收机中几乎不增加噪声。

为了进一步降低这些系数在4∶3接收机中的可见性，条中系数幅度不采用线性下降，而是使用非线性函数来降低，再在16∶9接收机中进行相应的反向提升。由于降低和提升的非线性（较大的幅度比较小的幅度下降多），16∶9接收机中的噪声增加甚至比线性降低和提升时还小。

改进了的具有16∶9图象规格的接收机中包含一个解码器，它对二个边缘部分中的附加信息加以评价并提供一个全规格的16∶9图象。当接收到的电视信号被数字化，在帧内垂直方向上以长度6进行DCT变换时，总是把第6个系数移至第8的位置，把相应的边缘带中的第7和第8个系数插入到第6和第7的位置上，把这样重新得到的原始的8个DCT系数进行及DCT变换，再插回到原始信号中的原始位置上。在后续的数-模变换之后，就会得到全规格的16∶9图象，而噪声只有少量增加。

下面我们将结合附图讲述本发明的一个样本实施例。这些附图是：

图1.是规格为16∶9的一幅图象。

图2的画面包括将图1进行竖直压缩后得到的有效部分及两条边缘带中的附加信息;

图3是在已有的4∶3接收机中显示图2画面的有效部分。

图4是16∶9编码器的电路方框图。

图5是16∶9的译码器的电路方框图。

图6是在一个比较亮背景环境下沿对角线方向运动的图象黑块。

图7是在长度为8的DCT的系数上的平均能量分布。

图8是被压缩了的图象信号在出现动态图象内容时的系数能量分布。

图1表示一个长度比为16∶9的电视画面，是在制作画面长宽比为16∶9的电视制作室中产生的，画中为一个圆。

图2表示图1所示电视画面的有效区域（20）是如何在已知的16∶9编码器中被竖直压缩的。垂直压缩的系数为4/3，为了4∶3接收机的需要，从图1的575有效行（10）中产生出431行，形成一个有效画面部分（20）。这一压缩过程是将图1所示的画面的第四行取出，然后每隔三行取出一行完成的，或者是通过垂直内插法完成的。经过压缩，圆的几何形状变了。从有效画面部分（20）移去的行或16∶9接收机中的解码器所需的行作为一个附加信号以两条边缘带（21、22）形式传输。

图3表示一个4∶3接收机在其有效区域（30）中再现图2所示画面的有效部分（20）的情况。图1中的最初的圆的几何图形，通过采用系数4/3，对16∶9的画面规格进行水平压缩，使其还原成4∶3的规格。观看者可以看到图1所示的全部画面内容，虽然竖直分辨率降低了，而且在画面的上部边缘和下部边缘还有黑色的带子（31，32）。为了使包含附加信号的边缘带不受明显的干扰，16∶9编码器中的幅度必须相应减小，并处于超白区（同步及黑电平之间）中。

然而附加信号的急剧下降会在16∶9接收机中因叠加的通道噪声导致信噪比也恶化。这些附加噪声包含在本地区域的图象信号中。

在16∶9接收机中，边缘带31和32中的附加信号被适当的加以放大。并和图象中的有效部分30一起经水平16∶9扩展以后形成一幅如同图1的图象。

图6是一个较亮背景中沿对角线方向运动的黑暗图象部分。由于在行内插方法中各场表示运动的不同阶段，相应的边缘就具有一个梳质结构。如果（比方说）在这样的梳状结构中去掉每个第4行，在4∶3接收机上就会产生非常醒目的干扰图案。为了避免这个结果，在4∶3接收机中使用了场内插滤波器来实现“干净”的画面。但是这样，较高的垂直频谱分量就会被截除。从而，不能用于16∶9接收机中的解码中，这将导致垂直分辨率下降。

从这个梳状结构可以看出：要想在垂直方向上取得较好的图象质量必须把16∶9接收机（图6A）中可能出现的最高频率和4∶3接收机（图6）中的压缩信号可能出现的最高频率传送出去。

使用一种合适的垂直变化（比方说DCT）这个要求就可以满足。

图7中示出了根据频率71而变化的垂直变换系数的平均能量73的数值72。在如图6a中的梳状结构中，频谱中的最高部分74具有明显增加了的数值，其理由是第8个系数的基础图案也具有一个相似的结构。

在长度为8的DCT中，频率部分74由第8个系数所表示。经过用因数4/3进行压缩之后，数值8变成了数值6。如果从8个DCT系数中去掉第6个和第8个，并把第8个插入到第6个的位置上，进行逆变换时就会产生图6b中的梳状结构。这样，长度为8的DCT变成了长度为6的DCT。

图8中示出了这种长度为6的DCT的相应频谱。第6和第7个系数总是作为带21和22中的附加信号来传输。为了提高信噪比，通常可以以非线性方式对它们的值加以压缩，再在16∶9接收机中进行逆向的扩展。

4∶3接收机并不评价这些附加信号，其原因是高价DCT系数的统计平均值大大低于低价DCT系数的统计平均值，因此在4∶3接收机中并不要求把它们的值降低以避免被觉察。

正象现有方法中那样，边缘带中的系数并不表示本地区域中的图象信号，而是表示较高频率的频率值，对观察者表现为高频噪声。很自然，这样的噪声在观察者看来就没有失真的附加信号内容那样干扰大。

图4中示出了一个16∶9编码器的方框图。来自（比方说）一台摄像机的规格为16∶9的电视信号先被模-数转换（41），再被写入存贮器42中。每时每刻总是有8个垂直地重叠在一起的8个图象点的扫描值从存贮器42中被连续读出，并在电路43中进行DCT转换。电路44挑选中第6和第7DCT系数，电路46再对这两个系数以非线性方式进行压缩。这可通过（比方说）函数Y＝X 1/3来实现，这里X代表输入信号，Y代表输出信号，第1至第5以及第8个DCT系数总是在电路44中进行组合，再在电路45中进行长度为6的反向DCT变换。电路45和46的输出信号被写入有贮器47，并通过数-模转换器48作为一个与4∶3格式兼容的模拟电视信号输出。

图5中示出了16∶9接收机中的一个相应的16∶9解码器的方框图。4∶3格式的信号先在电路51中进行模-数变换，然后写入有贮器52中。每次总是有6个互相重叠在一起的6个图象点的扫描值从这里被读出，在电路53中进行长度为6的DCT变换。各自对应的第6和第7系数被从有贮器52送入电路54中，以非线性方式相对于电路46中的函数进行逆向扩展，即使用函数y₂＝x³。在电路55中，DCT转换的第6个系数被插到原来第8个位置上，来自电路54的第6和第7个系数被移至第6和第7的位置上。这样重新得到的原有的8个DCT系数在电路56中进行反向DCT转换，并写入有贮器57，并从有贮器57通过数-模转换器58作为16∶9规格的模拟电视信号输出。

对于行数不同的电视制式而言，上述的数据也得作相应的改动。比方说，对于具有525行即481行有效行的电视制式而言，边缘带21和22中每一个可包含60行，区域20可以包括361行。

这种改进了的“信箱”方法具有下列优点：

-兼容的4∶3电视信号的图象质量有改善。扫描变化时不再产生跳变和运动过程改变。

-兼容接收机的垂直分辨率（特别是静态分辨率）得到了维护。

-16∶9接收机的图象对叠加在传输讯道上的噪声比较不敏感。

因为这些噪声太多数情况下只影响高阶频谱值。

-由于所有的DCT系数都以实际上不变的方式传输，16∶9接收机能提供最佳的垂直分辨率。

除了把长度为8的DCT/长度为6的反向DCT或者相反结合使用外，还可以把长度为4的DCT/和长度为3的反向DCT或者相反结合使用。在这种情况下，垂直方向上的每三个图象点之后，系数的符号必须反向。

除了DCT之外，其它的陡缘滤波器也可使用。可用一个低通滤波器截去超过最高频率（fmax）的（比方说）5/8的频谱值，用一个带通滤波器分离出频谱值在6/8至7/8范围内的频谱值，并作为附加信号加以传送，把fmax范围内的频谱值经过适当的调整后移到6/8fmax范围内。在16∶9译码器中再以相反的顺序执行这些处理。

移动DCT系数的本方法还可以在图象规格变化的其它场合用来为增强分辨力而提供DCT系数。比方说，在行数加倍时，具有较少行数的图象的最高系数能够构成为产生高分辨率信号而进行二倍长度的反向DCT的最高系数，在高分辨率信号中能使垂直分辨率上升。

本方法还可用于反内插（即把场电视信号转变为帧电视信号）中。因为当一帧由分别具有动态图象内容的二场产生时，就会出现图6中描述的干扰性梳状结构。为了避免这个效应，只要计算出总图象中的这个干扰内容（主要只有最高的垂直VCT系数表示），将它反向，再加入现有的总图象内容中就可以了。这样，梳状结构将被很容易地抵消掉。

Claims (11)

1、发送和兼容接收标准电视信号的系统，上述的标准电视信号具有第一图象格式，具体地说定4∶3，其中的主要图象部分位于一个第二格式具体地说是16∶9中的第一格式内(图3)；上述标准电视信号还具有附加信息(31，32)，这些附加信息位于上述的第一图象规格中主图象内容(30)之外的区域，能被具有第二图象格式的接收机被解码而和来自主图象内容(30)的信息一起在该接收机中以第二种图象规格产生一全规格图象，

其特征在于：

由一个具有第二规格的信号源产生第一规格，生成垂直信号分配，把上述的信号分配中的高频频谱分量(74)相对于各个信号分配的画谱(图7)进行频谱位置移动，把其他的次高频谱分量以各个信号分配的画谱(图7)中去掉，从这些次高的频谱分量产生出附加信息(31，32)。

2、根据权利要求1的系统，其特征在于：在发送之前把附加信息（31，32）的幅度降低，在具有第二图象格式的接收机中再进行相应的提升。

3、根据权利要求2的系统，其特征在于：上述的降低是用一个非线性函数来实现的，上述的提升是相应地用上面的第一个函数的反函数来实现的。

4、根据权利要求1～3中的一个或多个的系统，其特征在于：在具有第二种图象规格的接收机中，把每个信号分配中相应的来自附加信息（31，32）的次高频谱分量以及相应的来自主图象内容的较高频谱分量（84）重新按排到其原有位置上再进行解码。

5、根据权利要求1或4的系统，其特征在于：所说的信号分配总是包含4个或者8个图象点扫描值

6、根据前面的一个或多个权利要求的系统，其特征在于：不同的频谱分量的产生由DCT来实现，再传输入本地区域由反DCT来实现，这样不同的频谱范围由DCT的系数来表达，具体地说，二个DCT的长度之比对应于二个图象规格之比。

7、根据权利要求6的系统，其特征在于：在发送之前，DCT的长度为4或者8，反DCT的长度为3或者6;在具有第二种图象格式的接收机中，DCT的长度为3或者6，反DCT的长度为4或者8。

8、根据前面的一个或多个权利要求的系统，其特征在于：总频谱（图7）的转换在发送之前是通过去除和移动一个或多个系数（图8）来实现的;在具有第二图象规格的接收机中是通过移动和增加一个或多个系数（如图7）来实现的;具体地说，在发送之前，总是去掉第三个系数并把第四个移到第三个的位置上，或者，去掉第6和第7个系数并且把第8个系数移到第6个系数上;在具有第二图象规格的接收机中，总是把第三个系数移到第四的位置上并且从附加信息中得到第三个系数，把它插在第三的位置上;或者把第六个系数移至第八的位置，并把从附加信息中得到的第六和第七个系数插到第六和第七的位置上。

9、用于根据前面的一个或多个权利要求的系统的编码电路，一个具有第二图形格式（图1）的源信号送入模-数转换器（41）的输入端，该电路接有一个下游第一存贮器（42）。一个下游DCT变换器（43），一个向反DCT变换器（45）馈送第一数量的系数、向具有非线性函数的加权电路（46）送入第二数量的系数的下游分类器（44）和一个第二存贮器（47）;反DCT变换器（45）和加权电路（46）的输出信号将写入上述的第二存贮器中，该第二存贮器后紧跟着一个数-模转换器（48），该转换器（48）提供一种第一格式（图3）的图象格式作为其输出信号。

10、用于根据上面的权利要求1至8中的一个或多个的系统的解码电路，一个具有第一图象格式（图3）的源信号送入模-数转换器（51）的输入端，该电路设有一个下游第一存贮器（52）、一个下游DCT转换器（53）、一个具有一个与加权电路（46）的函数或反函数的非线性函数的下游加权电路（54）、一个把来自DCT变换器（53）的第一数量的系数以及来自加权电路（54）的第二数量的系数加以组合并输至一个反DCT变换器（56）的下游分类器（55）和一个下游第二存贮器（57）;上述的第二存贮器（57）之后紧跟着一个数-模转换器（58），该转换器（58）以第二格式（图1）提供一个图象格式作为它的输出。

11、把场电视信号转换为帧电视信号的系统，其中总是把相邻的二场合并成一帧，其特征在于：

在得到的帧信号中，总是在每个垂直信号分配计算出一个DCT的最高系数（74），特别是以长度为8个图象点扫描值进行计算;这个系数（74）被反DCT变换至原有区域;把这样得到的信号分配的内容转换成一个第二规格信号，再从上述的第一帧信号中减去该第二帧信号。

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