DE3825936A1

DE3825936A1 - Einrichtung und verfahren zur codierung eines komponentenunterteilten digitalen videosignals

Info

Publication number: DE3825936A1
Application number: DE3825936A
Authority: DE
Inventors: James H Wilkinson
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1987-07-31
Filing date: 1988-07-29
Publication date: 1989-05-11
Anticipated expiration: 2008-07-30
Also published as: GB2207832B; JPS6436287A; FR2618970A1; AU661670B2; KR890003142A; US4922329A; DE3825936C2; GB8817999D0; AU1132692A; GB2207832A; KR0135078B1; FR2618970B1; JP2638822B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zur Codierung eines in Komponenten gegliederten digitalisierten Videosignals.

Die CCIR-Norm 601 schreibt ein Codierschema von (4 : 2 : 2) für eine gesamte Bandbreite von 13,5 MHz vor, wobei ein Frequenzband von 6,75 MHz der Leuchtdichtekomponente (Luminanzkomponente) und ein jeweils verbleibendes Frequenzband von 3,375 MHz jeder der Farb(artsignal)komponenten (Chrominanzkomponenten) zugeordnet wird.

Um die gesamte Bandbreite auf die Hälfte zu reduzieren, wurde vorgeschlagen, die der Leuchtdichtekomponente bzw. den Farbkomponenten zugeordneten Bandbreiten zu halbieren. Obgleich sich auf diese Weise für die derart bandbreitenreduzierten Farbkomponenten eine akzeptable Qualität gewährleisten läßt, leidet die Leuchtdichtekomponente deutlich unter zu geringer Bandbreite, die jetzt auf eine Maximalfrequenz von 3,375 MHz begrenzt ist, obwohl für eine Qualitätswiedergabe mindestens 5 MHz benötigt würden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung und ein Verfahren zur Codierung eines in Komponenten unterteilten digitalisierten Videosignals anzugeben, mit denen es möglich wird, die Übertragungsbandbreite auf die Hälfte zu reduzieren bei gleichzeitiger Sicherung einer ausreichenden Bandbreite für das Leuchtdichtesignal.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Einrichtung zur Kodierung eines in Einzelkomponenten unterteilten digitalisierten Video-Signals gelöst, die eine erste Einrichtung enthält zur Modulation eines ersten Trägers mit einer Kompo nente des Farbsignals, wobei der erste Träger eine auf vier Felder (Voll- oder Teil bilder) bezogene Sequenz aufweist und die Trägerphase bei jedem Zeitintervall in vertiert wird, eine zweite Einrichtung aufweist zur Modulation eines zweiten Trä gers mit der anderen Komponente des Farbsignals, wobei dieser zweite Träger eine auf zwei Felder bezogene Sequenz aufweist und die Trägerphase pro Feldintervall invertiert wird und eine Einrichtung enthält zur Vereinigung eines Leuchtdichte signals mit den modulierten Farbsignalen, die ein breitbandreduziertes zusam mengesetztes Videosignal abgibt.

Da die Leuchtdichtekomponente und die modulierte Chrominanzkomponente frequenzüberlagert angeordnet sind, können diese Signale durch einen Kammfil ter getrennt werden. Der Träger für die Chrominanzkomponente weist eine au ßerhalb der Bandbreite der Leuchtdichtekomponente liegende Frequenz auf, so daß eine Trennung dieser beiden Komponenten sehr einfach ist. Die zwei Chromi nanzkomponenten können zeitfolgegetrennt (multiplexiert) werden.

Die ersten und zweiten Farbdifferenzkomponenten sind mit der Leuchtdichte komponente verschachtelt. Da die erste und die zweite Farbdifferenzkomponente unterschiedlich phasenmoduliert sind derart, daß die eine eine auf vier Felder be zogene Sequenz und die andere eine auf zwei Felder bezogene Sequenz aufweisen, können diese Komponenten ebenfalls durch einen Kammfilter voneinander ge trennt werden. Dabei können zwei Arten von Kammfiltern verwendet werden, wobei das eine nur auf die Feldfrequenz und die Zeilenfolge und das andere nur auf Zeilenfolge abgestimmt ist. Desweiteren ist es möglich, diese Kammfilter in Ab hängigkeit eines abrupten Farbwechsels selektiv anzusteuern.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Be schreibung von Ausführungsformen und den Zeichnungen, auf die Bezug genom men wird. Es zeigt

Fig. 1 Frequenzspektrumstafeln, in denen die notwendigen Bandbreiten für die Leuchtdichtekomponente und die Chrominanzkomponente eines in Komponenten unterteilten Videosignals dargestellt sind;

Fig. 2 eine Frequenzspektrumstafel, in der die Verschachtelung der Leucht dichtekomponente mit der Chrominanzkomponente dargestellt ist;

Fig. 3 ein Blockdiagramm eines in einer Ausführungsform verwendeten Codierers;

Fig. 4 schematische Diagramme, die die Modulationsphasen der Chromi nanzkomponenten darstellen;

Fig. 5 schematische Diagramme, die eine Perspektivansicht und deren drei Projektionen eines dreidimensionalen digitalen Videosignals dar stellen;

Fig. 6 die Projektion der v/t-Ebene, in der die Position jeder Komponente eines kodierten digitalen Videosignals dargestellt ist;

Fig. 7 schematische Diagramme, die die Frequenzantwort und die Filter kennwerte der Kammfilter zur Trennung der Komponenten darstel len;

Fig. 8 schematische Diagramme, die die Frequenzantwort der Kammfilter zur Trennung zweier Farbdifferenzkomponenten darstellen;

Fig. 9 ein Blockdiagramm eines Adaptivcodierers;

Fig. 10 ein Blockdiagramm eines Auswahlfilters zur Verwendung in dem Adaptivcodierer;

Fig. 11 ein schematisches Diagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise eines Auswahlfilters; und

Fig. 12 schematische Diagramme, die die Frequenzantwort des Auswahlfil ters darstellen.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein in Einzelkomponenten unter teiltes digitalisiertes Videosignal vom 4 : 2 : 2-Mode in einen 4 : 0 : 0-Mode konver tiert. Als Träger zur Modulation der Chrominanzkomponenten wird ein Signal mit einer außerhalb der Bandbreite der Chrominanzkomponente liegenden Fre quenz verwendet.

In Fig. 1 sind die notwendigen Bandbreiten für die Leuchtdichtekomponente und für die Chrominanzkomponente eines in Einzelkomponenten unterteilten digi talisierten Videosignals dargestellt. Die Leuchtdichtekomponente Y benötigt eine Bandbreite von 0 bis maximal 6,75 MHz, während für die Chrominanzkom ponente C lediglich eine Bandbreite von 0 bis maximal 3,375 MHz erforderlich ist.

In Fig. 2 ist ein Frequenzspektrum eines durch die Vereinigung des Leuchtdichte signals Y und des Chrominanzsignals C erhaltenen Signals dargestellt. Die bei den Chrominanzkomponenten sind mit einer Trägerfrequenz von etwa 6,75 MHz moduliert. Die Spektralkomponenten der Leuchtdichtekomponente und der mo dulierten Chrominanzkomponenten sind ineinander verschachtelt, wodurch unerwünschte Interferenzen minimiert sind. Die Verschachtelung ist ähnlich der des NTSC-Systems.

Der grundlegende Unterschied zwischen dem in Fig. 2 dargestellten Codiersche ma und dem des PAL- oder NTSC-Systems ist, daß der Träger für die Chrominanz komponenten eine außerhalb der Bandbreite der Leuchtdichtekomponente lie gende Frequenz aufweist. Dadurch kann die Leuchtdichtekomponente sehr leicht von den Chrominanzkomponenten getrennt werden.

In Fig. 3 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Codierers darge stellt. Wie in Fig. 3 gezeigt, wird die Leuchtdichtekomponente Y einem Eingangs anschluß 1 eingegeben, eine Farbdifferenzkomponente CB (entspricht B-Y) wird einem Eingangsanschluß 2 eingegeben und eine Farbdifferenzkomponente CR (entspricht R-Y) beaufschlagt einen Eingangsanschluß 3.

Die Leuchtdichtekomponente Y wird über eine Skalierschaltung 4 einem Addie rer 5 zugeführt. Die Farbdifferenzkomponente CB speist über eine Skalier-und Modulations-Schaltung 6 einen Addierer 8. Die Farbdifferenzkomponente CR ge langt über eine Skalier- und Modulations-Schaltung 7 auf den Addierer 8. Das Ausgangssignal des Addierers 8 speist den Addierer 5, dessen Ausgangssignal an einem Ausgangsanschluß 11 anliegt. Die Skalierschaltung 4 begrenzt den Ampli tudenanstieg des vom Addierer 8 ausgegebenen Ausgangssignals. Über den An schluß 9 wird in die Skalier-Modulations-Schaltung 6 ein Träger eingespeist, dessen Phase von Rahmen zu Rahmen mit einer Folge von zwei Feldern phasenin vertiert ist. Desweiteren wird über den Anschluß 10 an die Skalier-Modulations- Schaltung 7 ein Träger zugeführt, dessen Phase unverändert ist, wodurch der mo dulierte Träger mit einer Folge von vier Feldern phasenmoduliert ist.

Die Farbdifferenzkomponenten CB und CR modulieren diese Trägersignale, wo durch die Polaritäten der modulierten Farbdifferenzkomponenten in bezug auf das Leuchtdichtesignal die in den Fig. 4A und Fig. 4B gezeigten Verhältnisse auf weisen. Fig. 4 zeigt ein derartiges, durch Zeichen veranschaulichtes und moduliertes Signal, in dem + für (Y + C) und - für (Y - C) stehen.

Wie in den Fig. 4A und 4B gezeigt, ist der Träger für die Chrominanzkomponente CB ein Signal einer auf zwei Felder bezogenen Sequenz, die bei jedem Feldinter vall invertiert ist, und das Trägersignal für die Chrominanzkomponente CR ist ein Signal eine auf vier Felder bezogenen Sequenz, die bei jedem Zeilenintervall invertiert ist.

Die gebräuchlichste Art der Darstellung der gegenseitigen Beziehungen der drei Komponenten Y, CB und CR ist die Perspektivdarstellung des Nyquist-Grenz werts und dessen drei Projektionen eines dreidimensionalen digitalen Videosi gnals (siehe Fig. 5A und 5B). Die drei Achsen sind die vertikale Achse (v), die hori zontale Achse (h) und die Zeitachse (t). Die unterbrochen gezeichneten Linien ±f _c sind virtuell zeitgleich mit den Stellungen der Farb(hilfs-)träger des NTSC-Sy stems. Soweit es das oben beschriebene Codierschema betrifft, enthält der Band breitenbereich zwischen +f _c und -f _c nur die Leuchtdichtenkomponenten Y und die Bereiche zwischen +f _c und der horizontalen Nyquist-Frequenz +f _N und zwischen -f _c und -f _N enthalten die drei Komponenten.

Fig. 6 zeigt eine Projektion der v/t-Ebene, die die Positionen der Leuchtdichte komponente und der Chrominanzkomponenten eines digitalen Videosignals in der Nähe der Nyquist-Frequenzen darstellt. Dabei sind die Leuchtdichtekompo nente Y um den Ursprung O, die Chrominanzkomponente CB an den Ecken und die Chrominanzkomponente CR an der Mitte der schräg verlaufenden Linien ange ordnet.

Die Trennung der in Fig. 6 gezeigten Komponenten Y, CB und CR wird mit Kamm filtern durchgeführt. Fig. 7 zeigt Beispiele von Frequenzantworten und einfache Filterfaktoren der die Komponenten trennenden Kammfilter.

In Fig. 7A sind die Frequenzantwort und der Filterkennwert eines die Leuchtdich tekomponente Y herauslösenden Kammfilters dargestellt. Wenn ein in Kompo nenten unterteiltes Videosignal, das die Phasenrelation der in den Fig. 4A und 4B dargestellten Träger aufweist, einem Kammfilter mit dem in Fig. 7A dargestellten Filterkennwert zugeführt wird, werden die Farbdifferenzkomponenten CB und CR gelöscht und nur die Leuchtdichtekomponente Y wird herausgelöst. In Fig. 7B ist die Frequenzantwort und der Filterkennwert eines Kammfilters zum Trennen der Farbdifferenzkomponente CB dargestellt. Bei Verwendung dieses Kammfil ters werden die Leuchtdichtekomponente Y und die Farbdifferenzkomponente CR gelöscht und nur die Farbdifferenzkomponente CB wird herausgelöst. In Fig. 7C ist die Frequenzantwort und der Filterkennwert des Kammfilters zur Herauslösung der Farbdifferenzkomponente CR dargestellt.

Die zwei Farbdifferenzkomponenten können ebenfalls unter Ausnutzung der Tatsache herausgelöst werden, daß der Träger der Farbdifferenzkomponente CB nicht an jedem Zeilenintervall invertiert ist, während der Träger für die Farbdif ferenzkomponente CR an jedem Zeilenintervall invertiert ist. In den Fig. 8A und 8B sind Kammfilter dargestellt, die nur auf Zeilenfolge abgestimmt sind (Zeilen- Kammfilter). In Fig. 8A ist die Frequenzantwort des Kammfilters zum Herauslö sen der Farbdifferenzkomponente CB dargestellt, während in Fig. 8B die Fre quenzantwort für den Kammfilter zum Herauslösen der Farbdifferenzkompo nente CR dargestellt ist. In den Fig. 7 und 8 bedeuten die schraffierten Teile dieje nigen Bereiche, die große Ausgangssignale ergeben (passing regions). Die in der Fig. 8 gezeigten Kammfilter können aufgrund der in dem Leuchtdichtesignal ent haltenen Hochfrequenzkomponente eine gewisse Menge von Streufarbsignalen (cross color) enthalten. Der Vorteil gegenüber den in Fig. 7 dargestellten Kammfil tern besteht jedoch darin, daß diese Filter Daten der anderen Felder nicht verwen den müssen.

Mit den oben beschriebenen Kammfiltern wird ein Adaptivdecodierer ermög licht, der die in Fig. 7 beschriebenen Kammfilter in dem Fall benutzt, in dem eine Feld- oder Rahmen-Wechselbeziehung vorhanden ist, bei deren Nichtvorhanden sein aber die in Fig. 8 dargestellten Kammfilter benutzt.

In Fig. 9 ist ein derartiger Adaptivdecodierer dargestellt. Wie in Fig. 9 gezeigt, wird einem Eingangsanschluß 21 ein kodiertes digitales Videosignal angelegt, das bei spielsweise einem Magnetband entnommen wurde und das bereits einer Fehler korrektur unterzogen wurde. Dieses Signal wird einem digitalen Tiefpaßfilter 22 und einer Verzögerungsschaltung 23 zugeführt. Die Verzögerungszeit der Verzöge rungsschaltung 23 entspricht der des digitalen Tiefpaßfilters 22. Das Ausgangs signal des Tiefpaßfilters 22 ist das Leuchtdichtesignal Y. Die Ausgangssignale des Tiefpaßfilters 22 und der Verzögerungsschaltung 23 werden einem Subtra hierer 24 zugeführt. Am Ausgang des Subtrahierers 24 erscheint eine Hochpaß komponente, die über eine Verzögerungsschaltung 25 einen Addierer 26 speist.

Der Ausgangsanschluß des Subtrahierers 24 ist mit einer Kaskadenschaltung von Verzögerungsschaltungen 27, 28, 29, 30, 31 und 32 verbunden. Die Verzöge rungsrate der Verzögerungsschaltungen 27, 29, 30 und 32 ist ein H (eine horizonta le Periode). Die Verzögerungsrate der Verzögerungsschaltungen 28 und 31 ist 261 H (225er System) oder 311 H (625er System). Der Ausgangsanschluß des Subtrahie rers 24 und die Ausgangsanschlüsse der Verzögerungsschaltungen 27, 28, 29,30, 31 und 32 sind selektiv mit Kammfiltern 40, 41, 42, 43 und 44 verbunden (siehe Fig. 9).

Der Kammfilter 40 filtert die in Fig. 7A dargestellte Leuchtdichtekomponente Y heraus. Der Kammfilter 41 filtert die in Fig. 7B dargestellte Farbdifferenzkompo nente CB heraus und der Kammfilter 42 ist der Zeilen-Kammfilter zum Herauslö sen der Farbdifferenzkomponente CB, die in Fig. 8A dargestellt ist. Der Kammfil ter 43 filtert die in Fig. 7C dargestellte Farbdifferenzkomponente CR heraus. Der Kammfilter 44 ist der Zeilen-Kammfilter zum Herauslösen der Farbdifferenz komponente CR, die in Fig. 8B dargestellt ist. Die Ausgangssignale dieser Kamm filter 40, 41, 42, 43 und 44 werden jeweils an PROMs 50, 51, 52, 53 und 54 zuge führt.

Das Ausgangssignal des PROM 50 (die Hochfrequenzkomponente der Leuchtdich tekomponente Y) speist den Addierer 26, indem es mit der von der Verzögerungs schaltung 25 ausgegebenen niederfrequenten Leuchtdichtekomponente addiert wird. Das Ausgangssignal des Addierers 26 liegt als kodierte Leuchtdichtekompo nente Y an einem Ausgangsanschluß 61 an.

Die Ausgangssignale der PROMs 51 und 52 speisen einen Addierer 55 und die Aus gangssignale der PROMs 53 und 54 gelangen auf einen Addierer 56. DiePROMs 50 bis 54 erzeugen die gewünschten Schaltwerte, wenn die fünf Kammfilter 40 bis 44 in Abhängigkeit von der Feld-Wechselbeziehung sich ändern. Einer der Schalt werte ist eine einfache Umschaltung und ein anderer etwas komplizierterer Schaltwert bewirkt eine Signalumblendung. Um die Schaltwerte der PROMs 50 bis 54 zu steuern, ist ein Auswahlfilter 45 vorgesehen, das später beschrieben wird.

Das Ausgangssignal des Addierers 55 speist eine Skalier- und Demodulations schaltung 57. An einem Anschluß 58 liegt ein Träger zur Demodulation. An einem Ausgangsanschluß 62 liegt die dekodierte Farbdifferenzkomponente CB. Das Ausgangssignal des Addierers 56 wird einer Skalier- und Demodulationsschal tung 59 zugeführt. Von einem Anschluß 60 wird ein Trägersignal zur Demodula tion zugeführt. Eine dekodierte Farbdifferenzkomponente CR beaufschlagt einen Ausgangsanschluß 63.

In Fig. 10 ist ein Beispiel eines Auswahlfilters 45 dargestellt. Wie in Fig. 10 gezeigt, ist ein Eingangsanschluß 71 mit einer Kaskadenschaltung von Verzögerungs schaltungen 72, 73, 74 und 75 verbunden. Die Verzögerungszeit der Verzögerungs schaltungen 72 und 75 ist ein H und die Verzögerungszeit der Verzögerungsschal tungen 73 und 74 ist 262 H (225er System) oder 312 H (625er System). Das Aus gangssignal der Verzögerungsschaltung 72 und das Ausgangssignal der Verzöge rungsschaltung 74 werden einem Subtrahierer 76 zugeführt. Das Ausgangssignal des Subtrahierers 76 ist das Ausgangssignal eines Filters 100. Das Ausgangssi gnal der Verzögerungsschaltung 75 und das Eingangssignal werden einem Subtra hierer 77 zugeführt. Das Ausgangssignal des Subtrahierers 77 ist das Ausgangssi gnal eines Filters 200.

Das Ausgangssignal des Subtrahierers 76 wird einer Absolutwertschaltung 78 zu geführt, deren Ausgangssignal einen Addierer 80 speist. Desgleichen wird das Ausgangssignal des Subtrahierers 77 einer Absolutwertschaltung 79 zugeführt, deren Ausgangssignal ebenfalls den Addierer 80 speist. Das Ausgangssignal des Addierers 80 liegt am Ausgangsanschluß 81.

In Fig. 11 sind diejenigen Daten dargestellt, die von den Filtern 100 und 200 verar beitet werden. Die Filter 100 und 200 dienen jeweils dazu, eine Differenz zwischen Daten gleicher Phasenmodulation zu schaffen, die in jedem dem zu dekodieren den Feld vorangehenden oder nachfolgenden Feldern enthalten sind. Die Aus gangssignale dieser Filter 100 und 200 zeigen an, ob ein plötzlicher Farbwechsel aufgrund einer Bewegung eines aufgenommenen Mediums oder ähnlichem er zeugt wurde. Wenn ein plötzlicher Farbwechsel erzeugt wurde, wird die Ausgangs amplitude eines jeden Filters 100 und 200 größer. In diesem Fall werden die Aus gangssignale der Kammfilter 42 und 44 denjenigen der Kammfilter 41 und 43 vor gezogen, und daher erzeugt der Auswahlfilter 45 ein Steuersignal zur Auswahl die ser Ausgangssignale.

Die Fig. 12A und 12B zeigen die jeweiligen Frequenzantworten der Filter 100 und 200. Die in Fig. 12 schraffierten Bereiche sind diejenigen Bereiche, in denen Aus gangssignale mit einem hohen Pegel erzeugt werden. Es ist nicht notwendig, daß beide Filter 100 und 200 benutzt werden, die Benutzung eines Filters ist ausrei chend. In dem in Fig. 9 dargestellten Adaptivdecodierer wird nur der Filter 100 verwendet.

Erfindungsgemäß kann durch Kodierung eines in Einzelkomponenten unterteil ten digitalisierten Videosignals in die Form eines vereinigten Videosignals die zur Übertragung benötigte Bandbreite halbiert werden. Desweiteren wird durch geeignete Anordnung des Modulationssystems für eine erste und eine zweite Farb differenzkomponente möglich, diese beiden Farbdifferenzkomponenten unter Verwendung von zwei Kammfilterarten voneinander zu trennen, wobei das eine Filter sowohl auf die Zwischenzeilen- als auch auf die Zwischenfeld-Wechselbe ziehungen und das andere Filter nur auf die Zeilen-Wechselbeziehung abge stimmt ist, wodurch ein Adaptivdecodierer gebildet wird.

Claims

1. Einrichtung zur Codierung eines in Einzelkomponenten unterteilten digitalisierten Video-Signals, gekennzeichnet durch

- eine erste Einrichtung (7) zur Modulation eines ersten Trägers mit einer Komponente des Farbsignals, wobei der erste Träger eine auf vier Felder (Voll- und Teilbilder) bezogene Sequenz aufweist und die Trägerplatte bei jedem Zeilenintervall invertiert wird;
- eine zweite Einrichtung (6) zur Modulation eines zweiten Trägers mit der anderen Komponente des Farbsignals, wobei dieser zweite Träger eine auf zwei Felder bezogene Sequenz aufweist und die Trägerplatte pro Feldintervall invertiert wird, und durch
- eine Einrichtung (40-45, 50-60, 26) zur Vereinigung eines Leuchtdichtesignals mit den modulierten Farbsignalen, die ein bandbreitenreduziertes zusammengesetztes Videosignal abgibt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzen für den ersten bzw. zweiten Träger höher gewählt werden als das Frequenzspektrum des Leuchtdichtesignals.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Farbsignalkomponenten ein Blau- Differenzsignal (B-Y) ist oder enthält.

4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die andere Farbsignalkomponente ein Rot- Differenzsignal (R-Y) ist oder enthält.

5. Verfahren zur Codierung eines in Komponenten unterteilten digitalisierten Videosignals, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

- Modulation eines ersten Trägers mit einer der Komponenten eines Farbsignals, wobei als erster Träger ein Signal mit einer Sequenz von vier Feldern verwendet wird, bei dem die Phase in Zeilenfolge invertiert wird,
- Modulation eines zweiten Trägers mit der anderen Komponente des Farbsignals, wobei als zweiter Träger ein Signal mit einer zwei Felder umfassenden Folge verwendet wird, bei dem die Phase in Feldfolge invertiert wird, und
- Kombination eines Leuchtdichtesignals mit den modulierten Farbsignalen zur Gewinnung eines bandbreitenreduzierten, aus den Komponenten zusammengesetzten Videosignals.