DE4212813C2 - Vorrichtung zum Feststellen einer Bildbewegung in einem Fernsehsignal - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art.

Ein Film mit bewegten Bildern wird normalerweise mit einer Rate von 24 Bildern pro Sekunde belichtet. Bei der Wiedergabe dieser Filme in einem Fernsehsystem mit einer Bildrate von 25 Bildern pro Sekunde (wie etwa bei PAL oder SECAM) ist es üblich, einfach den Film mit der 24-Bildrate mit 25 Bildern pro Sekunde wiederzugeben. Die geringe Zunahme in der Höhe des wiedergegebenen Tons und die geringe Verringerung der Laufzeit (also die Beschleunigung) des Films waren ein akzeptierter Kompromiß. Die Verwendung dieses Verfahrens in einem Fernsehsystem mit 30 Bildern pro Sekunde (wie etwa NTSC) ist jedoch absolut unannehmbar. Dieses System mit 30 Bildern pro Sekunde verwendet ein spezielles Verfahren, bei dem ein Bild eines Films mit bewegten Bildern für zwei Fernsehfelder belichtet wird, wohingegen das nächste Bild des Films für drei Fernsehfelder belichtet wird. Dieses Verfahren, den Film für entweder zwei oder drei Fernsehfeldbelichtungen in dem Projektorfenster zu halten, wird 2-3-Pulldown genannt.

Auch wenn der 2-3-Pulldown in der Vergangenheit gut ge­ arbeitet hat, kann er Probleme verursachen, wenn digitale Signalverarbeitungsverfahren auf das Fernsehsignal angewandt werden. Zum Beispiel erfordern viele digitale Fernsehsysteme einen genauen Bewegungsdetektor, um einen geeigneten Signal­ verarbeitungsalgorithmus auszuwählen, z. B. um zu entschei­ den, ob ein Zeilen- oder ein Bildkammfilter zur Lumi­ nanz/Chrominanzsignaltrennung zu verwenden ist. Bekannte Be­ wegungsdetektoren vergleichen zu diesem Zweck im allgemeinen zwei Bildelemente, die ein Bild (zwei Felder) voneinander getrennt sind, und basieren ihre Bewegungsdetektionsent­ scheidung auf die Differenz in der Signalamplitude zwischen diesen beiden Bildelementen. Wenn das Fernsehbild von einem Film mit bewegten Bildern erhalten wird und ein 2-3-Pulldown zur Bildratenumwandlung verwendet wurde, fand man heraus, wie weiter unten in größerem Detail erklärt wird, daß der Bewegungsdetektor regelmäßig versagt, was zu einer Ver­ schlechterung der Bildqualität führt. Wenn das Bewegungsde­ tektionssignal zum Beispiel verwendet wurde, um die Verwen­ dung entweder eines Zeilen- oder eines Bildkammfilters in einem Fernsehsignalprozessor zu steuern, führt ein regelmä­ ßig auftretendes Versagen des Bewegungsdetektors (also eine Bewegungsanzeige, wo tatsächlich keine Bewegung stattfindet) zu einem periodischen Hin- und Herschalten zwischen diesen beiden Kammfiltertechniken. Dies führt aufgrund der ver­ schiedenen Auflösungen, die aus der Verwendung eines Zeilen- oder Feldkammfilters resultieren, zu einem sichtbaren, peri­ odischen Flackern in der Auflösung des Fernsehbildes, wie weiter unten in größerem Detail erklärt.

Um klarer zu verstehen, warum ein herkömmlicher Bewe­ gungsdetektor versagt, betrachte man Fig. 7. Zunächst nehme man an, daß jedes der Bilder des Filmes unterschiedlich ist. Ein Bewegungsdetektor, der entsprechende Bildelemente, die um ein Bildintervall getrennt sind, vergleicht, wird eine Bewegung zum Beispiel zwischen den entsprechenden Bildele­ menten in den Feldern 4 und 6 (F4/F6) feststellen. Auf ähn­ liche Weise wird er eine Bewegung zwischen den entsprechen­ den Bildelementen in den Feldern F5/F7, F6/F8 und F7/F9 feststellen. Er wird jedoch keine Bewegung feststellen, wenn er Bildelemente der Felder F8/F10 vergleicht, da, auch wenn diese Bildelemente um ein Fernsehbild voneinander getrennt sind, diese beiden Felder demselben Filmbild (NP4) entspre­ chen und daher räumlich identisch sind. Bei Fortführung die­ ser Auswertung kann man leicht sehen, daß der Bewegungsde­ tektor alle fünf Fernsehfelder "keine Bewegung" anzeigt, ob­ wohl alle Filmbilder verschieden sind. Diese falsche Ent­ scheidung kann zur Auswahl des falschen Lumi­ nanz/Chrominanzsignaltrennungsalgorithmus mit einer regelmä­ ßig auftretenden, niedrigen Frequenz, z. B. 12 Hz führen, und daher wegen des Unterschieds in der Signalauflösung zwischen Zeilen- und Feldkammfilterung zu sichtbaren, lästigen Arte­ fakten in dem angezeigten Bild führen.

Ein aus der US-PS 4 933 759 bekanntes Verfahren verwendet eine Mehrzahl von Feldverzögerungsschaltkreisen, um verschiedene Kombinationen von Signalvergleichen durchzuführen, um ein Bewegungsdetek­ tionssignal zu entwickeln. Zum besseren Verständnis werden die sequentiellen Felder (n-2) bis (n+3) der Fig. 1 dieser US-PS 4 933 759 entsprechend als F1-F6 bezeichnet. Daher reagieren die Komparatoren 1 und 2 der Fig. 2 jeweils auf Signale in den Feldern F1, F3, F4 und F3, F4, F5 und dann F2, F3, F4 und F3, F4, F6, wenn die Schalter 1 und 2 in ihre verschie­ denen Stellungen geschaltet werden.

Aufgrund der Tatsache, daß bei den oben erwähnten Ver­ gleichen benachbarte Felder verglichen werden, also Felder F3/F4; F3/F4/F5; F2/F3/F4; und F3/F4, und der Anwesenheit eines Zeilensprungs ist eine 4-Punkt-Mittelwerttechnik er­ forderlich, um einen Punkt in einem Feld mit einem entspre­ chenden Punkt in einem benachbarten Feld räumlich in Über­ einstimmung zu bringen (aufgrund der Zeilensprungverschie­ bung).

Dies kompliziert notwendigerweise die Komparatorfunktio­ nen, und außerdem müßte aufgrund der Möglichkeit eines Schwarz/Weißübergangs, der in dem Bildraum zwischen benach­ barten Feldlinien auftritt, was zu einer Grauausgabe des Komparators führen würde, die Schwelle, die zum Anzeigen einer Bewegung erforderlich ist, auf einen relativ hohen Wert eingestellt werden, weshalb die Wahrscheinlichkeit erhöht wird, daß keine Bewegung angezeigt wird, wenn es tatsächlich eine Bewegung gab.

Eine aus der DE-OS 36 37 017 bekannte Vorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art benutzt nur eine Bildverzögerung, um das ankommende Videosignal um ein Vollbild zu verzögern. Das ankommende Videosignal und das am Ausgang der Bildverzögerung abgegebene, um ein Vollbild verzögerte Videosignal werden in einer Subtrahierschaltung überlagert, die ausgangsseitig ein Differenzsignal und ein Vorzeichenbit, das die Polarität der Differenz anzeigt, erzeugt. Dieses Differenzsignal und das Vorzeichenbit werden an eine Absolutwertschaltung gegeben, die nur die Betragswerte der Differenzsignale liefert. Die Betragswerte der Absolutwertschaltung werden an einen Eingang eines Vergleichers gegeben, dessen anderer Eingang einen Schwellenwert erhält. Der Vergleicher erzeugt ein Zweipegelsignal (ein Bit), das einen ersten Logikzustand hat, wenn der Betrag des Differenzsignals größer als der Schwellenwert ist, andernfalls hat es einen zweiten Logikzustand. Dieses Zweipegelsignal wird dann an eine Reihenschaltung mehrerer Verzögerungselemente gegeben, deren Verzögerungszeit jeweils gleich einer Horizontalzeilenperiode ist. Außerdem wird das Zweipegelsignal vom Ausgang des Vergleichers sowie jeweils von den Ausgängen der einzelnen Verzögerungselemente an Kaskadenschaltungen mehrerer Verzögerungselemente gegeben, die jeweils eine Verzögerungszeit von einer Abfrageperiode (Probenperiode) haben. Die Kaskadenschaltungen erzeugen eine Vielzahl von Ausgangssignalen, die über eine logische Verknüpfungsschaltung miteinander verknüpft werden, um ein endgültiges Bewegungsdetektionssignal zu erzeugen. Dadurch ist festzustellen, wann alle Bildpunktdifferenzen in mindestens einer der Untergruppen den Schwellenwert übersteigen. Die Untergruppen bestehen dabei aus unterschiedlichen Bildpunkten von zwei aufeinanderfolgenden Vollbildern, die miteinander verglichen werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art so auszubilden, daß sie bei möglichst geringem Schaltungsaufwand ausreichend zuverlässig arbeitet.

Bei einer Vorrichtung der genannten Art ist diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, daß es durch die Verzögerung des Bewegungsdetektionszwischensignals um eine Bildperiode mit Hilfe der zweiten Bildverzögerung möglich ist, Bewegungsdetektionszwischensignale zu erzeugen, von denen alle mit der Ausnahme von einem über ein UND-Glied innerhalb der Verknüpfungseinrichtung zu verknüpfen sind, während das Ausgangssignal dieses UND-Glieds über ein ODER-Glied mit dem vorstehend genannten einen der Bewegungsdetektionssignale innerhalb der Verknüpfungseinrichtung verknüpft wird. Damit ergibt sich eine konstruktiv einfache, funktionell aber sehr zuverlässige Schaltung.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sowie des Standes der Technik werden anhand der Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 einen Basisschaltkreis, der die Prinzipien der Erfindung benutzt;

Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer anderen Technik zum Verknüpfen der Bewegungsdetektionszwischensignale;

Fig. 3 einen Schaltkreis zum genaueren Bestimmen des Auftretens von Bewegung entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 4 eine vereinfachte Version des Ausführungsbeispiels der Fig. 3;

Fig. 5a die Zeilen eines Fernsehfeldes zum Verständnis der in den Fig. 5b und 6 gezeig­ ten Ausführungsbeispiele;

Fig. 5b ein weiteres Ausführungsbeispiel der Er­ findung;

Fig. 6 eine vereinfachte Version des Ausführungs­ beispiels der Fig. 5b und

Fig. 7 das Ergebnis der Anwendung der 2-3-Pull­ down-Technik zur Film-zu-Fernsehfilm-Bildratenumwandlung.

Ein einfacher Bewegungsdetektionsschaltkreis, der zum Beispiel in einem Fernsehempfänger verwendet werden kann, um zu steuern, ob ein Zeilen- oder Bildkammfilter für den Lumi­ nanz/Chrominanztrennschaltkreis verwendet wird, ist in Fig. 1 gezeigt. Der Rest des Fernsehempfängers einschließlich des Luminanz/Chrominanztrennschaltkreises und der Rest des Fern­ sehsignalverarbeitungs- und -anzeigeschaltkreises sind nicht gezeigt. Alle nicht gezeigten Komponenten gehören zum Stand der Technik.

Wie in Fig. 1 gezeigt, wird das Fernsehsignal an den Eingang einer Einbildverzögerung 2 angelegt. Der Ausgang der Bildverzögerung 2 wird als ein erster Signaleingang an einen Bewegungsdetektor 4 angelegt. Der zweite Eingang des Detek­ tors 4 ist das unverzögerte Fernsehsignal. Der Bewegungsde­ tektor 4 umfaßt einen Bewegungsdetektor des herkömmlichen Typs, wie etwa einen, der den Signalpegel von zwei gleich­ zeitig an seinen Eingängen anliegenden Pixeln vergleicht und bestimmt, ob ihre Differenz einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. Wenn die Differenz zwischen dem Amplitudenpe­ gel des Signal eingangs geringer ist als der Schwellenwert, er­ zeugt der Bewegungsdetektor 4 einen Ausgang, der keine Bewe­ gung anzeigt. Der Ausgang des Bewegungsdetektors 4 ist in der Lage, sich mit der Pixelrate zu ändern, wodurch eine Mehrzahl von Bewegungsdetektionszwischensignalen erzeugt wird, wobei jedes Bewegungssignal auf einem Vergleich der Pixel basiert, die in dem Fernsehsignal genau um ein Bild voneinander getrennt sind. Ein Verknüpfungsschaltkreis 6 wird verwendet, um die Bewegungsdetektionszwischensignale mitein­ ander zu verknüpfen, um ein endgültiges Bewegungsdetektions­ signal zu erzeugen.

In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 umfaßt der Verknüpf­ ungsschaltkreis 6 eine Bildverzögerung 8 und ein ODER-Glied 10. Im NTSC-System umfaßt die Bildverzögerung 8 eine Verzögerung um 525 horizontale (H) Zeilen. Wenn der Detektor 4 ein augenblickliches Bewegungsdetektionssignal an das ODER-Glied 10 anlegt, legt die Verzögerung 8 das Bewegungs­ detektionssignal, das ein Bild zuvor erzeugt wurde, an das Glied 10 an. Wenn zum Beispiel der Detektor 4 ein Signal ba­ sierend auf einem Pixelvergleich in F5/F7 erzeugt, erzeugt die Verzögerung 8 ein Signal basierend auf einem Vergleich ein Bild zuvor, also F3/F5. Also wird, wenn das irrtümliche F3/F5 Detektionssignal (das "keine Bewegung" anzeigt und einen niedrigen logischen Pegel besitzt) an das Glied 10 angelegt wird, das korrekte F5/F7-Signal (das "Bewegung" an­ zeigt und einen hohen logischen Pegel besitzt), das angelegt wird, das ODER-Glied 10 dominieren, wodurch eine fehler­ hafte, endgültige Ausgabe verhindert wird.

Fig. 2 zeigt einen Bewegungsdetektor, der im wesentli­ chen dem in Fig. 1 gezeigten ähnlich ist, bei dem jedoch ein zuverlässigerer Übergang zwischen einem "Bewegungs-"Signal und einem "keine Bewegung-"Signal zur Verfügung gestellt wird. Dies wird durch einen Verknüpfungsschaltkreis mit einem ODER-Glied 12 mit drei Eingängen zum Erhalten der aufeinan­ derfolgenden Bewegungsdetektionszwischensignale vom Ausgang des Bewegungsdetektors 4 erreicht. Ein erstes Bewegungsde­ tektionszwischensignal wird direkt an das Glied 12 ange­ legt, ein zweites Bewegungsdetektionszwischensignal wird über eine 262H Verzögerung 14 an das Glied 12 angelegt, und ein drittes Bewegungsdetektionszwischensignal wird über die 262H Verzögerung und eine 1H Verzögerung 16 an das Glied 12 angelegt. Auf diese Weise ist das endgültige Bewegungsdetek­ torsignal, der Ausgang des ODER-Glied 12, eine Kombination von z. B. einem F10/F8 und zwei F9/F7 Bewegungsdetektionszwi­ schensignalen. Es gibt zwei F9/F7 Bewegungsdetektionszwi­ schensignale aufgrund der Wirkung der 1H Verzögerung 16, wo­ bei die beiden Signale anzeigen, ob es eine Bewegung in den Zeilen räumlich oberhalb und unterhalb der augenblicklich in F10/F8 verglichenen Zeile gibt.

Ein weiterer Schaltkreis zum genauen Bestimmen von Bewe­ gung ist in Fig. 3 gezeigt. Für den Augenblick sei wiederum auf Fig. 7 Bezug genommen und angenommen, daß ein einfacher Bewegungsdetektor Pixel in den Bildern F10 und F8 ver­ gleicht. Da die Bildelemente F10 und F8 identisch sind, wird er keine Bewegung feststellen, selbst wenn MP4 von MP3 und MP5 verschieden ist. Der Bewegungsdetektor von Fig. 3 führt nicht nur den F8/F10 Vergleich über den Detektor 20 und die Bildverzögerung 22 durch, sondern auch den F8/F6 Vergleich über einen Detektor 24 und eine Bildverzögerung 26, um eine Bewegung zwischen MP3 und MP4 zu überprüfen, und den F10/F12 Vergleich über einen Detektor 28 und eine Bildverzö­ gerung 30, um eine Bewegung zwischen MP 4 und MP 5 zu über­ prüfen. Ein UND-Glied 32 erhält die Ausgänge der Detektoren 24 und 28, und ein ODER-Glied 34 erhält den Ausgang des UND-Glied 32 und des Detektors 20. Die logischen Glieder 32, 34 bestimmen eine Bewegung auf die folgende Weise: Wenn der Bewegungsdetektor 20 eine Bewegung anzeigt, dann zeigt der Ausgang des ODER-Glieds 34 Bewegung an. Wenn der Bewe­ gungsdetektor 20 "keine Bewegung" anzeigt, dann wird der Ausgang des Glieds 34 von den Ausgängen der Bewegungsdetek­ toren 24 und 28 bestimmt. Nur wenn beide dieser Bewegungsde­ tektoren Bewegung anzeigen, einen logisch hohen Wert, wird der Ausgang des Glieds 32 hoch sein und der Ausgang des Glieds 34 Bewegung anzeigen. Es ist festzustellen, daß, wenn nur einer der Bewegungsdetektoren 24 und 28 Bewegung an­ zeigt, wir uns entweder am Beginn oder am Ende einer Bewe­ gungsszene befinden.

Fig. 4 führt genau dieselbe Funktion wie Fig. 3 durch. Jedoch wird in diesem Fall das von dem Detektor ausgegebene Bewegungssignal (und nicht das Videosignal) lediglich um zwei zusätzliche Bilder verzögert. Mit dieser Anordnung wird dieselbe Funktion mit weniger Hardware durchgeführt. Das heißt, daß die Ausgänge der Verzögerungen 22 und 26 Bewe­ gungsdetektionssignale erzeugen, die den Ausgängen der De­ tektoren 20 und 24 des Ausführungsbeispiels der Fig. 3 ent­ sprechen. Es ist festzustellen, daß dieses Ausführungsbei­ spiel beachtliche Einsparungen bei den Bitspeicheranforde­ rungen und bei der Verarbeitung bietet, da das Bewegungsde­ tektorausgangssignal typischerweise nur ein Bit lang ist, während das Videosignal 8 Bit lang und länger ist.

Fig. 5a zeigt einige der Zeilen von aufeinanderfolgenden Fernsehfeldern, wobei die in den nachfolgend dargestellten Beispielen verwendeten Zeilen schattiert dargestellt und mit Bezugszeichen versehen sind.

Fig. 5b zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einer Mehrzahl von Bewegungsdetekto­ ren 40, 42, 44, 46 und 48. Eine Reihenschaltung von Verzöge­ rungsschaltkreisen 50, 52, 54, 56, 58, 60 und 62 ist in Gruppen angeordnet, um eine Verzögerung um ein Bild zwischen den Eingängen jedes der Detektoren 40-48 zu erzeugen, wobei jede Bildverzögerung eine Einzeilenverzögerung und zwei 262- Zeilenverzögerungen umfaßt. Mit dieser Anordnung werden zu­ sätzliche Zeilen oberhalb und unterhalb der augenblicklichen Zeile (jedoch in unterschiedlichen Feldern) zur Bestimmung von Bewegung verwendet. Man nehme zum Beispiel an, daß Zeile C die augenblickliche Zeile ist, die angezeigt wird oder als nächstes verarbeitet wird. Wenn der Bewegungsdetektor 44 an­ zeigt, daß es keinen Unterschied zwischen den entsprechenden Pixel in Zeile C und Zeile F (die Zeile, die ein Bild zuvor auftrat) gibt, wird Bewegung nur dann angezeigt, wenn alle weiteren Bewegungsdetektoren 40, 42, 44, 46 und 48 Bewegung anzeigen, wenn also die entsprechenden Pixelvergleiche der Zeilen A/D, B/E, D/G und E/H Bewegung anzeigen. Ein UND-Glied 64 erhält die Ausgänge der Detektoren 40, 42, 46, und 48 und ein ODER-Glied 66 erhält den Ausgang des UND-Glied 64 und des Detektors 44, um das endgültige Bewegungssignal in einer Weise zu erzeugen, wie zuvor im Hinblick auf die vor­ stehenden Zeichnungen beschrieben.

Fig. 6 führt dieselbe Funktion wie Fig. 5b durch, aber erfordert beträchtlich weniger Hardware als der Schaltkreis der Fig. 5b aufgrund der sukzessiven Verzögerung des Bewe­ gungsdetektionssignals anstelle des Videosignals (wie in der Vereinfachung der Fig. 4 gegenüber der Fig. 3). Hier arbei­ tet eine Bildverzögerung 70 mit dem Detektor 40 zusammen, um z. B. das A/D-Signal zu erzeugen, eine Einzeilenverzögerung 72 erzeugt das B/E-Signal, eine 262-Zeilenverzögerung 74 er­ zeugt das C/F-Signal, eine 262-Zeilenverzögerung 76 erzeugt das D/G-Signal und eine Einzeilenverzögerung 78 erzeugt das E/H-Signal. Die Glieder 64 und 66 arbeiten auf die gleiche Weise wie in Fig. 6b gezeigt und beschrieben.

In einem alternati­ ven Ausführungsbeispiel kann man, indem man das in Fig. 5b gezeigte UND-Glied 64 durch ein PROM ersetzt, leicht die Verknüpfungsanforderung für das Bewegungsdetektionssignal mo­ difizieren. Eine Möglichkeit besteht darin, daß nur zwei der Paare, entweder (E, H) und (B, E) oder (D, G) und (A, D) eine Bewegung anzeigen müssen, damit die endgültige Ausgabe Bewegung anzeigt.

Claims (3)

1. Vorrichtung zum Feststellen einer Bildbewegung in einem Fernsehsignal, das durch Umwandlung von Filmbildern in eine Sequenz von Fernsehvideofeldern erhalten wurde, mit:
einem Bewegungsdetektor (28) und einer Bildverzögerung (30) zum Erzeugen einer Mehrzahl von Bewegungsdetektionszwischensig­ nalen, die auf einem Vergleich zwischen Bildpunkten aus aufein­ anderfolgenden Vollbildern in dem Videosignal basieren, und
einer logischen Verknüpfungseinrichtung (32, 34) zum Verknüpfen der Mehrzahl von Bewegungsdetektionszwischensignalen, um ein endgültiges Bewegungsdetektionssignal zu erzeugen, gekennzeich­ net durch
eine zweite Bildverzögerung (22), die mit dem Ausgang des Bewe­ gungsdetektors (28) zum Verzögern des Bewegungsdetektionszwi­ schensignals um eine Bildperiode verbunden ist, so daß es zu­ sammen mit dem nächsten Bewegungsdetektionszwischensignal, das von dem Bewegungsdetektor (28) erzeugt wird, an die Ver­ knüpfungseinrichtung (32, 34) angelegt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch:
eine dritte Bildverzögerung (26), die mit dem Ausgang der zwei­ ten Bildverzögerung (22) zum Erzeugen eines weiteren Bewegungs­ detektionszwischensignals für die Verknüpfungseinrichtung (32, 34) verbunden ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verknüpfungseinrichtung (32, 34) umfaßt:
ein UND-Glied (32) zum Verbinden von allen von der Mehrzahl der Bewegungsdetektionszwischensignale bis auf eines; und
ein ODER-Glied (34), dessen einer Eingang mit dem Ausgang des UND-Glieds (32) verbunden ist und dessen anderer Eingang das eine verbliebene Bewegungsdetektionszwischensignal erhält.