DE4113506A1

DE4113506A1 - Verfahren zur kompatiblen uebertragung von progressiv abgetasteten bildsignalen im zwischenzeilen-format

Info

Publication number: DE4113506A1
Application number: DE19914113506
Authority: DE
Inventors: Ingo Huetter
Original assignee: Deutsche Thomson Brandt GmbH
Current assignee: Deutsche Thomson Brandt GmbH
Priority date: 1991-04-25
Filing date: 1991-04-25
Publication date: 1992-10-29

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kompatiblen Übertra gung von progressiv abgetasteten Bildsignalen im Zwischenzei len-Format.

Stand der Technik

In PCT/EP90/01472 ist ein Letterbox-Fernsehsystem beschrie ben, bei dem 432 aktive und progressiv abgetastete Zeilen mit Hilfe eines Helpersignals kompatibel zum Interlace-For mat (Zwischenzeilen-F.) übertragen werden. Es können jedoch mit diesem System, auch abgesehen von Verlusten durch eine vertikale Transcodierung, keine idealen horizontal verlaufen den Kanten für die progressive Wiedergabe übertragen werden, wodurch die Bildqualität beeinträchtigt werden kann.

Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur kompatiblen Übertragung von progressiv abgetasteten Bildsi gnalen im Interlace-Format anzugeben, bei dem die Qualität der wiederzugebenden rekonstruierten Bildsignale verbessert ist. Diese Aufgabe wird durch das in Anspruch 1 angegebene erfindungsgemäße Verfahren gelöst.

Im Prinzip besteht das erfindungsgemäße Verfahren darin, daß zur kompatiblen Übertragung von progressiv abgetasteten Bild signalen im Zwischenzeilen-Format, wobei Helpersignale mit übertragen werden und mit Hilfe dieser Helpersignale bei ei ner Wiedergabe progressive Bildsignale rekonstruiert werden können, bei einer senderseitigen Codierung Bildpunkt-Werte für zu übertragende Zeilen vertikal mit einem Halfband-Fil ter vorgefiltert werden, wobei jeweils nur der Bildpunkt- Wert aus der jeweiligen Zeile und vertikal darüber und darun ter liegende Bildpunkt-Werte aus denjenigen Zeilen verwendet werden, die nicht übertragen werden und daß bei einer empfän gerseitigen Decodierung Bildpunkt-Werte von übertragenen Zei len vertikal mit einem zum senderseitigen Halfband-Filter inversen Filter gefiltert werden.

Dabei wird von Bildpunkt-Werten aus nicht zu übertragenden Zeilen bei der Codierung zur Bildung des Helpersignals je weils der Mittelwert von darüber und darunter liegenden Bild punkten aus den beiden benachbarten Zeilen subtrahiert und bei der Decodierung entsprechend zum jeweiligen Wert des Hel persignals addiert.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfah rens ergeben sich aus den Unteransprüchen.

In einem zukünftigen 16 : 9-Letterbox-Empfänger stehen nur die Zeilen des kompatiblen Interlace-Bildes direkt zur Verfü gung. Die übrigen Zeilen für die progressive Wiedergabe müs sen redundanz- und irrelevanzreduziert zusätzlich übertragen werden. Dazu wird beispielsweise ein 625L/16 : 9-Quellsignal mit progressiver Abtastung und 576 aktiven Zeilen vertikal um den Faktor 3/4 transcodiert. Aus den so entstandenen 432 aktiven Zeilen wird durch synthetisches Interlace ein kompa tibles Letterbox-Bildsignal mit 432 aktiven Zeilen gewonnen, wobei ein Helper-Signal generiert wird, mit dem in einem 16 : 9-Empfänger zusammen mit den kompatibel übertragenen Interlace-Zeilen wieder 432 progressive Zeilen gewonnen wer den können. Durch eine weitere vertikale Transcodierung um den Faktor 4/3 können aus diesen 432 aktiven Zeilen wieder 576 aktive progressive Zeilen gebildet werden.

Für die Generierung des Helpersignals wird jeweils aus be nachbarten Interlace-Zeilen die zwischen diesen Zeilen lie gende "progressive" Zeile prädiziert und die Differenz zwi schen dieser vorhergesagten Zeile und der tatsächlichen "progressiven" Zeile codiert innerhalb der Letterbox-Strei fen mitübertragen. Weil für diese Übertragung nur 576-432 = 144 Zeilen zur Verfügung stehen, aber 432 solcher Helpersi gnal-Zeilen darin unterzubringen sind, wird im Coder eine zeitliche Kompression um den Faktor 3 und im Decoder eine entsprechende zeitliche Expansion durchgeführt.

Bei einem derartigen Verfahren können an folgenden Stellen Bildqualitäts-Verluste auftreten:

1) Durch die Transcodierung im Coder um 3/4 und im Decoder um 4/3 geht vertikale Auflösung verloren. Aufgrund des Kell- Effekts sind diese Fehler aber kaum sichtbar.
2) Da für die Übertragung des Helpersignals nur eine begrenz te Kanalkapazität zur Verfügung steht und das Helpersignal darum vor der Übertragung zeitlich komprimiert wird, ist ei ne einwandfreie Wiedergewinnung dieses Helpersignals im 16:9- Empfänger nicht möglich. Entsprechende Fehler treten dann auch im rekonstruierten Bild auf.
3) Auch wenn das Helpersignal verlustfrei übertragen würde, wäre mit bisher vorgeschlagenen Verfahren eine fehlerfreie Rekonstruktion des progressiven Eingangsbildes im Empfänger nur dann möglich, wenn ideale Filter verwendet werden. Mit üblichen Filtern können zwar die durch die vertikale Unterab tastung nicht übertragenen Zeilen einwandfrei rekonstruiert werden, doch ist dies bei den kompatibel übertragenen Zeilen nicht möglich.

Durch speziell angeordnete Halfband-Filter im Coder und eine inverse Filterung im Decoder ist es jedoch möglich, die Feh ler nach 3) zu vermeiden.

Zeichnungen

Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfin dung beschrieben. Die Zeichnungen zeigen in:

Fig. 1 Schema zur Bildung progressiver Wiedergabe- Signale aus kompatibel übertragenen Interlace-Signa len, von dem die Erfindung ausgeht;

Fig. 2 verbessertes Schema zur Bildung progressiver Wiedergabe-Signale aus kompatibel übertragenen Interlace-Signalen;

Fig. 3 dreidimensionales Schema zur Bildung progres siver Wiedergabe-Signale aus kompatibel übertra genen Interlace-Signalen;

Fig. 4 Blockschaltbild zur Codierung und Decodierung;

Fig. 5 Abtastraster und Spektralbereich in der f_y- f_t-Ebene für eine progressive Quelle;

Fig. 6 Abtastraster und Spektralbereich in der f_y- f_t-Ebene für ein Schema nach Fig. 3;

Fig. 7 Abtastraster und Spektralbereich in der f_y- f_t-Ebene für ein Schema nach Fig. 2.

Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist ein Ausschnitt von im Empfänger zu bildenden Progressiv-Zeilen eines Bildsignals dargestellt, wobei jede zweite Zeile durch eine (nicht dargestellte) Vorfilterung gleichzeitig eine kompatibel übertragene Zeile im Interlace- Format darstellt. Links vom Übertragungskanal 10 ist eine coderseitige Verarbeitung und rechts vom Übertragungskanal eine decoderseitige Verarbeitung dargestellt.

Die Zeilen mit den bereits mit üblichen Tiefpaßfiltern verti kal vorgefilterten Eingangssignalen I1 _i, I3 _i, I5 _i, . . . wer den unverändert innerhalb eines Halbbilds übertragen und sind damit kompatibel. Von dem Wert der Bildpunkte der Zei len mit den Eingangssignalen P2 _i, P4 _i, . . . wird in entspre chend angeordneten Subtrahierern 121, 141, . . . jeweils der halbe Wert von den zwei darüber- und darunterliegenden Bild punkten aus den benachbarten Zeilen I1 _i, I3 _i, I5 _i, . . . abge zogen. Die Ausgangssignale dieser Subtrahierer werden hori zontal um den Faktor drei komprimiert (nicht dargestellt) und in den Zeilen der Letterbox-Streifen als vertikales Hel persignal übertragen.

Die Kreise in den Fig. 1, 2 und 3 stellen jeweils eine Multiplikation mit dem innerhalb des Kreises angegebenen Fak tor dar.

Im Decoder wird das Helpersignal zunächst um den Faktor drei expandiert (nicht dargestellt). Zu den den Eingangssignalen P2 _i, P4 _i, . . . entsprechenden Werten in den Helpersignal-Zei len wird in entsprechend angeordneten Addierern 122, 142, . . . jeweils wieder der halbe Wert von den zwei darüber- und darunterliegenden Bildpunkten aus den benachbarten Zeilen I1 _i, I3 _i, I5 _i, . . . addiert, wobei sich die entsprechenden Ausgangssignale P2 _o, P4 _o, . . . ergeben:

P2 _o = P2 _i - I1 _i/2 - I3 _i/2 + I1 _i/2 + I3 _i/2 = P2 _i.

Von den den Eingangssignalen I1 _i, I3 _i, I5 _i, . . . entsprechenden Werten in den Interlace-Zeilen kann in entsprechend angeordneten Subtrahierern 113, 133, 153, . . . jeweils der halbe Wert von den zwei darüber- und darunterliegenden Bildpunkten aus den benachbarten Zeilen P2 _i, P4_i, . . . subtrahiert wer den, um einen durch die Vorfilterung entstandenen Höhenver lust annähernd auszugleichen, wobei sich die entsprechenden Ausgangssignale P1 _o, P3 _o, P5 _o, . . . ergeben:

P3 _o = I3 _i - 0,5_*(P2 _i - I1 _i/2 - I3 _i/2 + P4 _i - I5 _i/2 - I3 _i/2) = I1 _i/4 - P2 _i/2 + 3_*I3 _i/2 - P4 _i/2 + I5 _i/4.

Der daraus resultierende Frequenzgang ist aber ohne beson dere Maßnahmen nicht linear und verursacht die obengenannte Bildqualitäts-Minderung beim progressiven Empfang.

In Fig. 2 ist ein Ausschnitt von Progressiv-Zeilen eines Bildsignals dargestellt. Links vom Übertragungskanal 20 be findet sich die coderseitige und rechts vom Übertragungska nal die decoderseitige Verarbeitung.

Die Zeilen mit den Eingangssignalen P1 _i, P3 _i, P5 _i, . . . wer den durch ein 1-2-1-Filter vorgefiltert und bilden die kompa tibel übertragenen Interlace-Zeilen I1, I3, I5, . . . Dazu wird jeweils in einem Addierer 211, 231, 251, . . . zu dem ver doppelten Wert eines Bildpunkts dieser Zeilen der Wert von den zwei darüber- und darunterliegenden Bildpunkten aus den benachbarten Zeilen P2 _i, P4_i, . . . addiert und das Ausgangssi gnal des jeweiligen Addierers mit dem Faktor 1/4 multipli ziert.

Von dem Wert der Bildpunkte der Zeilen mit den Eingangssigna len P2 _i, P4_i, . . . wird in entsprechend angeordneten Sub trahierern 222, 242, . . . jeweils der halbe Wert von den zwei darüber- und darunterliegenden Bildpunkten aus den benachbar ten Interlace-Zeilen I1, I3, I5, . . . abgezogen. Die Ausgangs signale P2, P4, . . . dieser Subtrahierer werden horizontal um den Faktor drei komprimiert (nicht dargestellt) und in den Zeilen der Letterbox-Streifen als vertikales Helpersignal übertragen.

Im Decoder wird das Helpersignal zunächst um den Faktor drei expandiert (nicht dargestellt). Zu den den wiedergebildeten Ausgangssignalen P2, P4, . . . entsprechenden Werten in den Helpersignal-Zeilen wird in entsprechend angeordneten Addie rern 223, 243, . . . jeweils wieder der halbe Wert von den zwei darüber- und darunterliegenden Bildpunkten aus den be nachbarten Interlace-Zeilen I1, I3, I5, . . . addiert, wobei sich die entsprechenden Ausgangssignale P2 _o, P4 _o, . . . erge ben:

P2 _o = P2 + I1/2 + I3/2 = P2 _i - I1/2 - I3/2 + I1/2 + I3/2 = P2 _i.

Von den den Interlace-Zeilen I1, I3, I5, . . . entsprechenden Bildpunkt-Werten wird in entsprechend angeordneten Sub trahierern 214, 234, 254, . . . jeweils ein Viertel des Wertes von den zwei darüber- und darunterliegenden Bildpunkten aus den benachbarten Ausgangssignalen P2, P4, . . . subtrahiert. Die Ausgangssignale der Subtrahierer 214, 234, 254, . . . wer den jeweils mit dem Faktor zwei multipliziert, wobei sich die entsprechenden Ausgangssignale P1 _o, P3 _o, P5 ₅, . . . erge ben:

P3 _o = 2_*(I3 - P2 _o/4 - P4 _o/4) = 2_*((2_*P3 _i + P2 _i + P4 _i)/4 - P2 _i/4 - P4 _i/4) = 2_*(P3 _i/2) = P3 _i.

Für das verbesserte Schema in Fig. 2 werden Halfband-Filter verwendet. Ein Halfband-Filter mit den Koeffizienten A, B, C, D, E . . . hat allgemein die folgende Form:

. . . E O D O C O B A B O C O D O E . . .

In Fig. 2 wird zur Gewinnung der Interlace-Zeilen I1, I3, I5, . . . die einfachste Form eines solchen Halfband-Filters verwendet, ein sogenanntes 1-2-1-Filter. Dieses Filter ent spricht den Koeffizienten B A B. Durch die Verwendung eines Halfband-Filters bei dieser senderseitigen Tiefpaßfilterung werden die Werte in den Interlace-Zeilen I1, I3, I5, . . . nur aus der aktuellen Zeile selbst und aus den später ausge tasteten Zeilen mit den Ausgangssignalen P2, P4, . . . gewon nen.

Im folgenden soll eine Zeile n des progressiven Quell-Bildes betrachtet werden, die nach der senderseitigen Tiefpaßfilte rung im kompatiblen Bild übertragen wird. Bei Verwendung ei nes Halfband-Filters mit den Koeffizienten A, B, C und D be rechnet sich die Luminanz L(n) der gefilterten Zeile n zu:

L_f(n) = D_*L(n - 5) + C_*L(n - 3) + B_*L(n - 1) + A_*L(n) + B_*L(n + 1) + C_*L(n + 3) + D_*L(N + 5).

Die Luminanz L_r der Zeilen n-5, n-3, n-1, n+1, n+3 und n+5 kann im Empfänger mit Hilfe des Helper-Signals zurückgewon nen werden. Die Luminanz L_r(n) der rekonstruierten Zeile n ergibt sich dann zu:

L_r(n) = (-D_*L_r(n - 5) - C_*L_r(n - 3) - B_*L_r(n - 1) + L_f(n) -B_*L_r(n + 1) - C_*L_r(n + 3) - D_*L_r(n + 5))/A.

Fig. 3 gibt ein Schema auf der Grundlage des Schemas von Fig. 2 wieder. In den Addierern und Subtrahierern werden zu sätzlich entsprechend multiplizierte Bildpunkt-Werte von zeitlich benachbarten Bildern hinzugefügt. Dadurch läßt sich bei statischem Bildinhalt im kompatiblen Bild eine dem pro gressiven Bild entsprechende Vertikal-Auflösung erreichen. Die Multiplikationsfaktoren werden entsprechend den Angaben in der Zeichnung angepaßt.

Fig. 4 gibt ein Blockschaltbild für einen erfindungsgemäßen Coder und Decoder wieder. Dem Eingang 401 wird von einer Bildquelle ein progressives 16 : 9-Bildsignal mit 576 aktiven Zeilen zugeführt. Die Bilder werden in einem ersten Transcod er 41 vertikal mit dem Faktor 3/4 zu jeweils 432 aktiven Zei len transcodiert und in einem Halfband-Filter 421 vertikal für eine nachfolgende Progressiv-Interlace-Wandlung vorgefil tert. Diese Progressiv-Interlace-Wandlung erfolgt in einem ersten Interlace-Unterabtaster 422, in dem ein synthetisches Interlace erzeugt wird, wobei die Ausgangsbilder das Format 16 : 9/432L/2 : 1 haben. Anschließend werden die 16 : 9-Bilder ent sprechend des Letterbox-Verfahrens innerhalb eines kompati blen 4:3-Formats angeordnet (nicht dargestellt).

Das zugehörige Helpersignal (P2, P4, . . .) zur Rekonstruktion der progressiven Bildsignale im 16 : 9-Empfänger wird folgen dermaßen gewonnen: Die Ausgangssignale des ersten Interlace- Unterabtasters 422 werden in einem ersten Vertikal-Interpola tor 423 wieder zu einem Format 432L/1 : 1 gewandelt und in ei nem Subtrahierer 424 (entspricht den Subtrahierern 222, 242, ... in Fig. 2) von den Ausgangssignalen des ersten Trans coders 41 subtrahiert. Diese Differenz wird in einem zweiten Interlace-Unterabtaster 43 zu einem Ausgangsformat von 432L/2 : 1 umgeformt, und zwar so, daß diejenigen Helpersignal- Zeilen bereitgestellt werden, die nicht zu den kompatibel übertragenen Interlace-Zeilen I1, I3, I5, . . . gehören. Um die Helpersignale kompatibel als Zusatzinformationen, z. B. in den Letterbox-Streifen, übertragen zu können, erfolgt in einem Helper-Coder 44 z. B. eine horizontale Transcodierung um den Faktor 1/3, eine Verringerung der Amplitude und eine Ultraschwarz-Modulation.

Im Helper-Decoder 48 erfolgt eine entsprechend inverse Si gnalverarbeitung. Das Ausgangssignal im Format 432L/2 : 1 wird einem nachfolgenden Addierer 461 zugeführt, der den Addie rern 223, 243, . . . in Fig. 2 entspricht. Das 432L/2 : 1-Hauptsi gnal gelangt über einen zweiten Vertikal-Interpolator 45 und eine Zeilen-Austastschaltung 47 ebenfalls zum Addierer 461. Im zweiten Vertikal-Interpolator werden Mittelwerte von ent sprechenden Bildpunkten aus jeweils benachbarten Interlace- Zeilen I1, I3, I5, . . . gebildet und mit der Zeilen-Austast schaltung 47 die Interlace-Zeilen unterdrückt. Am Ausgang des Addierers stehen die rekonstruierten Zeilen P2 _o, P4 _o, ... zur Verfügung, die einem Zeilenverkämmer 483 und einem zum Halfband-Filter 421 inversen Filter 481 zugeführt wer den. In einem Subtrahierer 462 werden die Ausgangssignale dieses inversen Filters vom 432L/2 : 1-Hauptsignal subtrahiert und gelangen anschließend zu einem Dividierer 482. Sub trahierer 462 entspricht den Subtrahierern 214, 234, 254, ... aus Fig. 2. Der Dividierer normiert das Ausgangssignal des Subtrahierers wieder und gibt sein Ausgangssignal im For mat 432L/2 : 1 an den Zeilenverkämmer 483 weiter. In diesem Zeilenverkämmer werden die mit Hilfe der Helpersignale gene rierten, fehlenden Zeilen wieder den entsprechenden korri gierten Zeilen aus dem Hauptsignal hinzugefügt, wodurch ein Bildsignal im Format 432L/1 : 1 entsteht. Die Ausgangssignale des Zeilenverkämmers 483 können in einem nachfolgenden zwei ten Transcodierer 49 um den Faktor 4/3 vertikal transcodiert werden, womit am Ausgang 402 wieder ein progressives Bildsi gnal mit 576 aktiven Zeilen zur Verfügung steht.

Für die Interpolation im ersten 423 und zweiten 45 Vertikal- Interpolator kann ein 1-1-Filter verwendet werden, d. h. es wird bei der Interpolation der Mittelwert aus den benachbar ten Zeilen berechnet.

In entsprechender Weise kann der Coder und der Decoder ange paßt werden, wenn ein zweidimensionales vertikal-temporales Filter nach Fig. 3 Verwendung finden soll.

Fig. 5 zeigt links das Abtastraster für eine progressive Bildsignal-Quelle in der y-t-Ebene und rechts die zugehörige Darstellung im Frequenzbereich. Der Basisband-Bereich ist schraffiert.

Soll aus einem progressiven Bildsignal ein Interlace-Signal gewonnen werden, muß das progressive Bild vertikal-temporal so gefiltert werden, daß kein Alias auftritt. Dies kann z. B. durch eine vertikal-temporale Filterung nach Fig. 6 oder durch eine vertikale Filterung nach Fig. 7 erfolgen. Links ist jeweils wieder das entsprechende Abtastraster und rechts der zugehörige Frequenzbereich dargestellt. Eine entsprechen de Filterung wird im Tiefpaß 421 durchgeführt. Für das Sche ma nach Fig. 3 ist eine Bandbegrenzung nach Fig. 6 vorteil haft und für das Schema nach Fig. 2 eine Bandbegrenzung nach Fig. 7.

Bei anderen Bildformaten, z. B. 525Z/60Hz/2 : 1, können die ge nannten Zahlenwerte entsprechend angepaßt werden.

Das Halfband-Filter kann die folgenden Koeffizienten verwen den:

A=256/512, B=158/512, C=-40/512, D=13/512, E=3/512

Claims

1. Verfahren zur kompatiblen Übertragung von progressiv abgetasteten Bildsignalen im Zwischenzeilen-Format, wo bei Helpersignale mitübertragen werden und mit Hilfe dieser Helpersignale bei einer Wiedergabe progressive Bildsignale rekonstruiert werden können, dadurch gekenn zeichnet, daß bei einer senderseitigen Codierung Bild punkt-Werte für zu übertragende Zeilen vertikal mit ei nem Halfband-Filter (421) vorgefiltert werden, wobei jeweils nur der Bildpunkt-Wert aus der jeweiligen Zeile und vertikal darüber und darunter liegende Bildpunkt- Werte aus denjenigen Zeilen (P2 _i, P4 _i, . . .) verwendet werden, die nicht übertragen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer empfängerseitigen Decodierung Bildpunkt-Werte von übertragenen Zeilen vertikal mit einem zum sender seitigen Halfband-Filter (421) inversen Filter (481) gefiltert werden, wobei dieses inverse Filter die Wir kung des Halfbandfilters aufhebt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß von Bildpunkt-Werten aus nicht zu übertragen den Zeilen bei der Codierung zur Bildung des Helpersign als jeweils der Mittelwert von darüber und darunter lie genden Bildpunkten aus den beiden benachbarten Zeilen subtrahiert und bei der Decodierung entsprechend zum jeweiligen Wert des Helpersignals addiert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Halfband-Filterung, bei der entsprechend inver sen Filterung und bei der Mittelwert-Bildung zusätzlich entsprechende Bildpunkt-Werte verwendet werden, die zum jeweiligen Bildpunkt zeitlich benachbart sind.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Helpersignal bei der Codierung mit dem Faktor 1/3 horizontal komprimiert und bei der Decodierung mit dem Faktor 3 horizontal expan diert wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Helpersignal bei der Codierung in seiner Amplitude abgesenkt und bei der De codierung entsprechend angehoben wird.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Helpersignal bei der Übertragung im Ultraschwarzbereich moduliert ist.