CN1060003A

CN1060003A - 数字传送和/或录取分量编码彩色电视信号的方法，编码器和解码器

Info

Publication number: CN1060003A
Application number: CN91108792A
Authority: CN
Inventors: 海因次·维尔纳·凯森; 谢格弗里德·施维德勒
Original assignee: Deutsche Thomson Brandt GmbH
Current assignee: Deutsche Thomson Brandt GmbH
Priority date: 1990-09-10
Filing date: 1991-09-09
Publication date: 1992-04-01
Anticipated expiration: 2006-09-09
Also published as: CN1033682C; CA2090226C; TR26588A; CA2090226A1; EP0548131B1; US6058244A; JP3251286B2; DE4028731A1; JPH06500439A; KR100205550B1; KR930702862A; DE59108386D1; WO1992004804A1; ZA917145B; EP0548131A1

Abstract

本发明推出一种分量编码的彩色电视信号的数字传送和/或录取系统。通过采用对UV分量的垂直辅助扫描和在8字节的块(40)内进行专用编码的块压扩技术，可以得到用来录取图象宽高比为16∶9 的625行逐行扫描的高质量电视图象所必需的存储能力。可以用PCM录象机对图象宽高比为16∶9 的625行逐行扫描的电视信号进行数字录取。

Description

本发明与数字传送和/或录取分量编码的彩色电视信号的方法、编码器和解码器有关。

在论文“数字录象机”（“Digitales Video”Funkschau No.19/1989）中，对一种数字式‘D1’录象机及其接口作了说明。D1录象机的轨迹图象及接口按CCIR（欧洲电视）标准601“数字接口标准”标准化。

这种D1录象机能够录取Y的扫描频率为13.5NHz而U和V的扫描频率为6.75MHz的YUV分量信号。各分量信号的象元（点）值的幅度分辨力为8个比特，可以录取行数为625、隔行扫描、宽高比（图象格式）为4∶3的电视信号。

虽然与家用录象机相比D1录象机的录象和放象的图象质量高，但仍还不能消除由于隔行扫描方式而带来的诸如行间闪炼和边缘亮度突增的缺点。此外，D1录象机对16∶9图象格式的电视信号不能进行录取。

本发明的目的是推出一种方法，对具有16∶9图象格式的分量编码的逐行扫描彩色图象进行传送和/或录取，而原来传送和/或录取的是具有4∶3宽高比的分量编码的隔行扫描场。

按本发明所推出的方法的原理是：在从第一种图象宽高比转换成第二种图象宽高比时，通过对一个或多个色度分量的垂直辅助扫描，至少得到附加所需的传送和/或录取能力部分，用来对形成具有第二种图象宽高比的图象的附加区域进行编码。

可以用行形式来传送和/或录取彩色电视信号，按照已知的传送和/或存储位置的排列方式在行内或含有色度分量的行段内排列的是从亮度分量得到的数据，而不是色度数据。

因此，在各对行内，亮度数据可以总是列在每对行的第一段（Y）内，而第一色度分量数据列在每对行的第一行的第二段（U）内，第二色度分量数据则列在第对行的第二行的第二段（V）内。

传送或录取第二种图象宽高比的编码彩色电视信号可以相应通过行传送或用为第一种图象宽高比所配置的设施得以实现。

当要对第二种图象宽高比的彩色电视信号编码时，采用块压扩是有利的。这种技术减少了编码所需的数据率，减小因子小于3，具体的说为2。

这种块压扩意味着对每一块形成一个量化动态（quantized actioity）、一个量化最小值和一些量化象元差值并对它们编码，这些变量之间是相互有关的。

从有关的子权利要求可以有效地进一步开发本发明所提供的方法。

本发明的另一个目的是制定出一种实施本发明所提供的方法的编码器。

原则上，本发明推出的编码器包括：一个最大值形成器（builder）、一个最小值形成器、一个从最大值形成器的输出信号中减去最小值形成器的输出信号的第一减法器、一个对第一减法器的输出信号进行量化的第一量化器、一个对最小值形成器的输出信号进行量化的第2量化器、一个从象元值中减去第2量化器的输出信号的第二减法器、一个对第2减法器的输出信号进行量化的第三量化器、和一个按已知编码格式将第一、第二和第三量化器的输出信号变换到一个块内的编码电路。

本发明的再一个目的是制定出一种实现本发明所推出的方法的解码器。

原则上，本发明推出的解码器包括：用来确定量化象元差值中的最大和最小幅值级的装置、用来计算这2个幅值级之间的级差的装置、用来计算最小幅值级的装置、用来恢复动态、最小值和象元差值的装置、以及将最小值和象元差值相加的加法器。

色度分量U和V受到垂直辅助扫描。空出的传送和或存储能力用来产生16∶9图象格式中比4∶3图象格式多出的附加的图象区域。

此外，还对各分量信号进行块压扩。块压扩的原理见学位论文“数字电视信号的块压扩”（“Die Blockkompandierug digitaler Fernsehsignale”，H.W.Keesen，Rhine-West-phalia Technical University，Aachen，1984）。为此，形成象元（Xi，i＝1…N）的二维块。确定块内的最小幅值，用最小值M表示。此外，求得块内最大幅值与最小幅值之差，用动态（activity）A表示。然后对最小值M和动态A进行量化，得到量化最小值Mq和量化动态Aq。从象元值中减去量化最小值，得到象元差值Di（Xi-Mq∶Di），再将这些象元差值量化成Dqi。

Mq、Aq和Dqi经过编码再传送或录取。

采用这种方法的优点是限制了最大量化误差、并且只有在动态较大的块中才出现较大的量化误差，而这对观众来说是不易察觉的。

由于采用了专用的编码形式和费用不大的电路，就可以形成这些信号Mq、Aq和Dqi，在一个D1录象机进行录取或传送。其优点是一个用这种方式编码的块的数据格式与一种用于4∶3，图象格式的隔行扫描场的那种已知数据格式一致。

本发明的一些具体实例可通过以下附图加以说明，其中：

图1为块压扩原理;

图2为一种按本发明所提出的编码器的电路方框图;

图3为分量信号象元值在行内的排列图、

图4为数据在一个编码块数据格式内的排列图;

图5为一种按本发明所提出的解码器的电路方框图。

图1示出了一种已知的块压扩方法。图1a列举了一个2×2象元块的四个象元x1、x2、x3、x4的值。其中，x1为该块的最小值m。

图1b示出了从四个象元值中减m去后得到的四个象元差值x1-m、x2-m、x3-m和x4-m。其中x1-m＝0，不再要进行量化。最大象元值与最小值m之差在该情况下为x2-m。这个差值表示了块的动态‘a’。

图1c示出了差值x1-m、x2-m、x3-m和x4-m除以‘a’后得到的值x1′、x2′、x3′和x4′。

图2示出了一种具有块压扩功能的编码器的电路分框图。例如，Y分量送到输入端20，由模/数变换器21变换成一串数字信号。行/块变换器22用这串数字信号形成每个由例如4×4个象元值构成的块。在这种情况下，行/块变换器22可以含有三个或四个行存储器。行块变换器22的输出信号馈至最大值形成器231、最小值形成器232和补偿传输时间的延尽电路233。第一减法器251将各块的最大象元值与在最小值形成器232内所确定的相应块的最小象元值相减，其差值表示了该块Y分量的动态。动态值在第一量化器241内量化，而最小值则在第二量化器242内量化，第二量化器242由第一量化器241的输出信号控制。

第二减法器将块的各象元值与块的经量化的最小值相减，所得到的象元差值送至也由第一量化器241的输出信号控制的第三量化器243。第三量化器243例如能有11个级（Step）。

然后，经量化的象元差值、经量化的最小值和经量化的动态在编码电路28内变换成与图4相应的数据格式。

对于块压扩的U和V分量（动态、最小值、象元差值），情况相同。这些分量分别通过输入端26和27也馈到编码电路28。

经块压扩和变换的YUV分量从编码电路的输出端患行输出。这些信号在传送或录取前还可以加上误差防止信号。

图3示出了各分量信号录在D1录象机上的顺序。

图3a的一行所录取的彩色电视信号的有效部分的已知配列情况。YUV分量信号分别以行形式串行排列，其顺序是U12、Y1、V12、Y2、U34、Y3、V34、Y4、…，其中Y1、Y2、Y3、…为该行象元的Y象元值，而U12、V12、V34、…则为关联的U和V象元值。Y1和Y2都有着一个公共的U和V象元值U12和V12。

因此，每一行含有720个Y、360个U和360个V象元值，每个值为8个比特。这样，一行就有1440个字，分成180个块，每块8个字。然而，从8比特所能表示的0至255的范围中，值0和255并不用来表示YUV分量的象元值。

一个有288有效行的场因此就含有720×288＝207360个Y象元值，和始终含有分别为360×288＝103680个U和V象元值，也就是说YUV象元值总个数为414720。这是用于象宽高比为4∶3的情况。

对于具有相同空间的Y水平分辨力的16∶9宽高比而言，一个全帧需要2×207360×（16/9）/（4/3）＝552960个Y象元值。在D1录象机中，U和V分量的分辨力在水平方向为Y分量的二分之一，而在垂直方向则与Y分量的分辨力相同。

按照CCIR的推荐，在垂直方向和水平方向的分辨力应该大致相同。

现在，如果要使二个方向的UV分量的分辨力成为相同，则可以对这二个分量在垂直方向用因子2进行辅助扫描。于是，对于18∶9图象格式每帧的U和V分量都需要288×360×（16/9）/（4/3）＝138240个象元值，合计为2×138240＝276480个象元值。

因此，对于逐行扫描的16∶9宽高比和垂直辅助扫描色彩分量而言，一个全帧要有总数为552960+276480＝829440个象元，每个象元为8比特。为了在D1录象机上能录取这样的帧，必需要进行因子为829440/414720＝2的数据压编。例如这可以通过如图2所示的块压扩来达到。通过较低的压缩因子，由于这种专用的数据减少格式，就十分有利地保持了高的图象质量。

图3b和图3c示出了对于逐行扫描16∶9宽高比情况下在二个相继的行内象元值和一种可能分布。每一行内能含有960个Y象元值和480个色度象元值。也可以图36的行含有V分量，而图3c的行含有U分量。行内的分布原则上可以调整，以有利于应用一种已知的纠错技术（交错、混洗、遮蔽）或类似的技术。

图4示出了一个具有8个字节（＝8×8比特）的D1录象机的8个YUV象元值的块是怎样能用来在上面分别录取或传送一个4×4象元块的16个例如Y分量的经块压扩和量化的象元差值Dqi和关联的量化最小值Mq及关联的量化动态Aq的。在8个7比特的分格（compartment）41至48内，每个分格总是列有二个量化后的象元差值Dqi、Dqi+1。量化动态Aq用二个分格491和492编码，而量化最小值Mq则用具有6比特的分格493编码。这样做有效地应用了各变量之间相互相关的关系。采用这种专用的编码格式使得在低动态时的解码误差几乎可以忽略。只是在大动态时（即图象具有丰富细节的部分）才有比较大的解码误差，而这是观众所察觉不到的。

在图2的第三量化器243中，根据动态用11个级s0至s10对象元差值Di进行量化。由于总是将二个象元差值组合在一起，因此就量现11×11＝121个数据值。这些数据值可用7个比特表示，列于分格41至48中。

由于动态A和最小值M之和必需处于0至255的范围内（分辨力为8比特），因此只有在A的值高时M值才低。采用这种专用编码，量化动态Aq能用2比特明确表示，而量化最小值能用6比特明确表示。

11个级s0至s10和量化动态的Aq的似真表示值Ari，例如可从下列A的范围得出：

A 级 Ari

0 s0 0

1 s1 1

2和4 s2 2，3

3的5…7 s3 3，4，7

8…17 s4 9，11，13，15

18…29 s5 18，22，24，27

30…48 s6 32，35，39，45

49…79 s7 52，60，67，75

80…121 s8 85，93，102，114

122…179 s9 127，142，156，171

180…255 s10 189，204，225，247

例如，如果动态A在范围180至255内，则级为s10，通过A的量化，得出表示值Ari为189、204、225或247。当动态A小于180时，则级为s9最好。级s10以及下面各级s9、s8、s7、…，的动态范围总是细分成四个动态档，各档具有相应的表示值。在编码电路28中，用分格491和492的二个比特对一个级内的四个动态档予以编码。这样，一个值为189+63＝252的最大象元值例如可以用级s10中的最小表示值189与在分格493中表示最小值的6比特之和来表示。这是足够的，因为象元值0和255是不需要编码的。

在每个按图4配列的单个块中可以确定出现的最大级的序号5出现的最小级的序号的差。按照这个级序差就可以制定出在解码器中怎样对分格491和492中的量化动态的二个比特进行译码。例如，如果这级序差的值为10（即量化象元差值Dqi至少占有图2中第三量化器243的可能输出的最小值和最大值），则只能有一个动态范围与级s10相应。这样就可以用分格491和492中的那二个比特对表示值247、225、204或189进行单值编码。

例如，级差值为7，只有对应于级s7的表示值75，67，60或52表示量化动态的动态范围。可用分格491和492中的那二个比特对这四个表示值进行单值编码。

如果动态较小，那末在分格493中表示量化最小值Mq的那6个比特（可以表示0至63）就不再是以对大于63的Mq值编码）。通过占在分格41至48中的各级序可以分别传送或录取对量化最小值Mq编码的辅助信息，因为各象元值都减去q，当然就会总占有级s0。

例如，如果所占级序为0、3、4、9、1、5、…，这块中级9就是最大的级，那末可能出现的最小表示值为127，而对于最小值而言就必然会是落在1和254-127-127之间的一个值。现在，如果最小值落在64至127之间，则在编码电路28中给每个级序都加上值1，结果得到新的数值为1、4、5、10、2、6、…。

解码器能检测出级s0没有被占。因此，在这种情况下就将值64加到已用6比特编码的量化最小值Mq上。如果在编码前，Mq就处在0至63的范围内，则编码电路28就会使各级序保持不变。

如果动态范围处在级s8，则在各级序上都加上一个0、或1或2，而当处在级7或更低的级时，则在编码虬路28中加上一个0、或1、或2、或3。因此，值2相当于加到量化最小值上的追加数2×64，而值3则相当于追加数3×64。这样，考虑了各个动态就能对处在0至255的整个范围内的Mq编码。

为了在图4的一个完整的块内抑制D1录象机所不能录取的值0和255，例如，在编码器中编码电路28的输出端上对名字段41至48（可以看作带有来自分格491、492或493的上置比特的双系统的数）均加以值1，而在解码器的输入端再相应减去。这是可能的，因为分格41至48的每个7比特仅占用数值范围11×11＝121（而不是数值范围128）。

最低的动态档不再总是要求四个表示值Ari。这就可以采取适当措施在块内传送或录取附加数据。如果级序低于9，则动态和最小值能另外以组合形式得到编码。例如，在级s7量化最小值能用8个比特编码，从而五个不同动态范围七个级就是可能的。

类似，在整个动态或最小值范围内，不需要固定划成用分格491和492对动态编码，用分格493对最小值编码。由于最小值和动态小于/等于255，因此就也可以选用例如下列的编码：

当Aq＝250，则Mq＜6;当Aq＝230，则Mq＜26。

Aq Mq 在分格491和492至493中的码字

250 0 0000 0000

250 1 0000 0001

250 5 0000 0101

230 0 0000 0110

230 1 0000 0111

等等。各码字在此以二进制连续向上计算。因此，用到了所有可用的可能码字。

图5为一个解码器的电路方框图。例如，输入端40接收的是已经以数据压缩形式传送或录取的彩色电视信号的Y分量。解码器具有八个查找电路（Look-up circuit）。这些电路可以由PROM（可编程只读存储器）电路组成。输入数据作为址址馈入，而输出数据则是在这些地址上读出的被存储的数值。

在每一查找电路401中，减去了原来在编码电路28的输出端上所加的值1。因此恢复了取值范围（例如为0至253），而不是一个不含0和255的取值范围。从分格41至48送出的各个7比特馈送到第二查找电路462和延迟大约10周的第二延迟电路422。从分格491、492和493串行送出的8个比特在串并行变换器41中变换成8比特的并行数据字，而后在延迟电路421中延迟大约3周。

在第二查找电路462中，从7个比特中得到二个量化象元差值Dqi、Dqi+1，每个字宽为4比特，表示了11个可能的级s0至s10，这二个量化象元差值中较大的一个从第一输出端输出，而相应较小的一个则从第二输出端输出。在紧接的检测电路44中，分别确定出各块的最大和最小量化象元差值，通过第一输出端将最大量化象元差值送至第一中间存储器451，通过第二输出端将最小量化象元差值送至第二中间存储器452。进行中间存储是为了对一个块分别处理。

减法器47将最大量化象元差值（即最高级）与最小量化象元差值（即最低级）相减。得到的差表示了在这块中中所占级数，这是该块的动态范围的一个度量。

这个差值以及从分格491、492和493输出的各比特输入第三查找电路463。据此，该查找电路确定出各个4×4块的逆量化动态。

表示所占级数的差值以及量化最小象元差值输入第四查找电路464。在这个查找电路中确定出一个用来计算原最小值M的变量。

在第五查找电路465中，第二延迟电路422的输出信号（即可传送或录取的级）与量化最小象元差值（即最低所占级）相减，从而恢复了原来的级序，使每块中最低级为s0。输出信号表示了这对量化象元差值Dqi、Dqi+1的二个原来的级序，每个用一个4比特的字来表示。

这对象元差值与第三查找电路463的输出信号一起输入第六和第七查找电路466、467。在这二个查找电路中，对在编码器中所执行的象元差值的量化进行反演。

从分格491、492和493输出的8比特和从第四查找电路464输出的输出信号输入第八查找电路468。从这二个信号重新确定出的原最小值M，在第一加法器471和第二加法器472中分别与经逆量化的象元差值相加。这样，在输出端481和482上就分别得到了该块的总共16个象元值的二个输出。

对于U和V分量，4×4块的象元值的解码情况相同。

如果行数不同（如525行）或帧重复频率不同（如59.94或60Hz）或图象宽高比不同，则可按照本发明所指出的途径对有关数值和配置加以调整。

图2中的编码电路28的工作情况，可由以下为VA×8550计算机编制的FORTRAN程序说明。

这里，ICOD（1）…ICOC（8）是来自分格41至48分别附有分格491、492和493的比特的各字节。在第四加数中的值1用来抑制值0和255。

ICOD（1）和ICOD（2）的第三加数是分别来自分格491或492的比特。

IAKT和DIVI是计算机内的分格，取值范围为0至255，由此可根据动态得到一个量化因子和分格491和492的二个比特。这二个分格的内容按以下规律得出：

Claims

1、数字传送和/或录取分量编码的彩色电视信号的方法，其特征是：当从第一种图象宽高比转换成第二种图象宽高比时，通过对一个或多个色度分量进行垂直辅助扫描，至少得到附加所需的传送和/或录取能力部分，用来对形成具有第二种图象宽高比的图象的附加区域进行编码。

2、按权利要求1所提出的方法，其特征是：以行形式传送和/或录取彩色电视信号，从而按已知的传送和/或存储位置（图3a）在行内或含有色度分量的行段内排列从亮度分量得到的数据来代替色度数据。

3、按权利要求2所提出的方法，其特征是：在各对行内（图3b和3c），亮度数据总是列在每对行的第一段（Y）内，而第一色度分量数据列在每对行的第一行的第二段（U）内，第二色度分量数据列在每对行的第二行的第二段（V）内。

4、按权利要求1至3中的一个或几个权利要求所提出的方法，其特征是：传送或录取的第二种图象宽高比的编码彩色电视信号分别通过行传送或用为第一种图象宽高比所提供的设施实现。

5、按权利要求1至4中的一个或四个权利要求所提出的方法，其特征是：所传送或所录取的第二种图象宽高比的彩色电视信号是一个全帧信号，或是一个具有二倍行数的场信号。

6、按权利要求5所提出的方法，其特征是：所述第一图象宽高比的彩色电视信号具有下列特性：

625行、50Hz帧重复频率、隔行扫描、4∶3图象格式;

而所述第二种图象宽高比的彩色电视信号则具有下列特性：

625行、50Hz帧重复频率、逐行扫描、16∶9图象格式，

或具有下列特性：

1250或1249行、50Hz帧重复频率、隔行扫描、16∶9图象格式。

7、按权利要求2至6中的一个或几个权利要求所提出的方法，其特征是：用来录取第二种图象宽高比的彩色电视信号的设备按已知的D1方式运行，具体地说，是一台数字式演播录象机。

8、按权利要求1至7中的一个或内处权利要求所提出的方法，其特征是：在对第二种图象宽高比的彩色电视信号编码时采用块压扩技术。

9、按权利要求8所提出的方法，其特征是：所述块压扩技术减小了编码所需的数据率，减小因子小于3，具体为2。

10、按权利要求9所提出的方法，其特征是：块压扩时，对每个块都形成一个量化动态、一个量化最小值和几个量化象元差值，予以编码，其中考虑了这些变量的相互关联性。

11、按权利要求9或10所提出的方法，其特征是：对于每个具有2×N个一字节的亮度或第一色度或第二色度分量的象元值的块，在一个具有N字节的块内对量化动态、量化最小值和量化象元差值编码，其中N大于或等于8。

12、按权利要求11所提出的方法，其特征是：在每个块内，用2比特对量化动态编码，用6比特对量化最小值编码，而用8比特对各对象元差值编码。

13、按权利要求10至12中的一个或几个权利要求所提出的方法，其特征是：在每个块中从最大与最小象元差值之间的差得到用来对量化动态解码的附加信息，从最小象元差值的幅度（在编码器中作了适当改动）得到用来对量化最小值解码的附加信息。

14、用来实现按权利要求1至13中的一个或几个权利要求所提出的方法的编码器，该编码器包括：一个最大值形成器（231）、一个最小值形成器（232）、一个从最大值形成器的输出信号中减去最小值形成器的输出信号的第一减法器（251）、一个对第一减法器的输出信号进行量化的第一量化器（241）、一个对最小值形成器的输出信号进行量化的第2量化器（242）、一个从象元值中减去第二量化器的输出信号的第2减法器（252）、一个对第二减法器的输出信号进行量化的第三量化器（243）、和一个按权利要求12和13所提出的方法将第一、第二和第三量化器的输出信号编码成块的编码电路（28）。

15、用来实现按权利要求1至13中的一个或几个权利要求所提出的方法的解码器，该解码器包括：用来确定量化象元差值中的最大和最小幅度级的装置（462、44、451、452）、用来计算这二个幅度级之间的差数的装置（463、464）、用来计算最小幅度级的装置（465）、用来恢复动态、最小值和象元差值的装置（468、466、467）、和将最小值和象元差值相加的加法器（471、472）。