DE69012011T2

DE69012011T2 - Verfahren und System zur Sendung von Fernsehprogrammen mit hoher Auflösung.

Info

Publication number: DE69012011T2
Application number: DE1990612011
Authority: DE
Inventors: Philippe Bernard
Original assignee: Telediffusion de France ets Public de Diffusion; France Telecom SA
Current assignee: Telediffusion de France ets Public de Diffusion; Orange SA
Priority date: 1989-07-12
Filing date: 1990-07-12
Publication date: 1995-01-19
Anticipated expiration: 2010-07-13
Also published as: DE69012011D1; WO1991001072A1; JPH04503448A; EP0408460A1; EP0408460B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren und Systeme zur Sendung von Fernsehprogrammen mit hoher Auflösung, sog. TVHD, die dazu bestimmt sind, Bilder zu liefern, die eine sehr viel höhere Zahl von Zeilen und Punkten pro Zeile als diejenige der gegenwärtigen Normen, beispielsweise mit 1250 Zeilen (statt derzeit 625 Zeilen) und einer verdoppelten Zahl pro Punkten pro Zeile, aufweisen. Sie findet eine besonders wichtige Anwendung beim Senden von Programmen in der sog. HDMAC-Form.
Es sind bereits verschiedene Informationskompressionsverfahren vorgeschlagen worden, die darauf zielen, die für das TVHD-Bild erforderliche Bandbreite auf diejenige herabzusetzen, die auf den Satelliten- oder sogar terrestrischen Sendekanälen verfügbar ist. Diese Verfahren enthalten eine Teilabtastung beim Senden und eine Interpolation beim Empfang. Es kann insbesondere ein hochauflösendes Bild mit geringer Zeitaktivität (d.h. wo die Modifikationen vom einen Bild zum folgenden gering sind) in einem schmalen übertragungskanal übermittelt werden, wobei die räumlichen Informationen eines Bildes auf verschiedene aufeinanderfolgende Fernsehteilbilder aufgebracht werden. Die Prinzipien der Sendung mit HDMAC sind im Dokument CCIR Nr. 11/-6 2 013 vom 12. Januar 1989, mit Titel "HDMAC bandwidth reduction coding principles" beschrieben, auf das man sich beziehen kann.
Das Dokument EP-A-0 316 232 beschreibt und beansprucht insbesondere ein Verfahren zur Sendung von Fernsehprogrammen mit hoher Auflösung auf einem Kanal mit geringerer Übertragungskapazität als beim Spektralband des Bildsignals, gemäß welchem Verfahren beim Senden eine Teilabtastung des Bildes ausgeführt wird, wobei die räumliche Information auf n aufeinanderfolgende Teilbilder verteilt (wobei n eine ganze Zahl größer als 1 ist) und beim Empfang eine Interpolationsfilterung ausgeführt wird, und das codierte Bild mit hoher Auflösung wird einer Zeitfilterung zur Dämpfung der Energie im Bereich nahe f&sub0;/n (wobei f&sub0; die Bildfrequenz ist) nach Hochauflösungscodierung und vor Sendung und einer Zeitfilterung zur Anhebung entsprechend der Dämpfung vor Hochauflösungsdekodierung beim Empfang unterzogen.
Dieses Verfahren liefert verhältnismäßig zufriedenstellende Ergebnisse für die Bildzonen mit geringer oder null Zeitaktivität, wenn sie räumlich verhältnismäßig homogen sind.
Die vorliegende Erfindung zielt insbesondere darauf ab, die Qualität dieser Bildzonen noch zu verbessern, wo das Auge auf die Verschlechterungen der Auflösung sehr viel empfindlicher als in den Zonen mit starker Zeitaktivität ist, und ebenso die Übergänge am Anfang und am Ende der Zeitsequenz mit geringer Aktivität zu erleichtern.
Zu diesem Zweck schlägt die Erfindung vor, das Maß der Zeitdämpfung an die räumliche Aktivität, d.h. an den lokalen spektralen Inhalt des Bildes, anpassend zu machen. Insbesondere schlägt die Erfindung ein Verfahren nach Anspruch 1 vor.
Die Erfindung gestattet es ebenso, ein kompatibles Bild (d.h. das von einem Empfänger der ersten Generation, der nicht in der Lage ist, sämtliche TVHD-Informationen zu nutzen, gelieferte Bild) ausgehend von dem TVHD-Signal zu erhalten, ohne letzterem Modifikationen zu bringen, die geeignet sind, auf merkliche Weise das von einem TVHD-Empfänger wiederhergestellte Bild mit hoher Auflösung zu verschlechtern.
Die Erfindung schlägt ebenso einen Sender und einen Empfänger vor, die es gestatten, das oben definierte Verfahren in einem Sendesystem auszuführen.
Die Erfindung wird beim Lesen der nachfolgenden Beschreibung einer speziellen Ausführungsform besser verstanden, die zum Zweck eines nicht einschränkenden Beispiels gegeben wird, bestimmt zum Senden von Fernsehprogrammen mit HDMAC, wo die Leuchtdichte der Pixel der Zonen mit geringer oder null Zeitaktivität mit einer Bildanalysenstruktur mit Zeilenversetzung auf vier Halbbildern mit Mischen oder vertikalem "Shuffling" erfolgt. Die Beschreibung bezieht sich auf die sie begleitenden Zeichnungen, in denen:
Figur 1 ein Schaltbild ist, das einen möglichen Aufbau eines Dämpfungsmoduls gemäß der Erfindung zeigt;
Figur 2 ein Schaltbild ist, das einen möglichen Aufbau der räumlichen Diskriminatoren der Figur 1 zeigt;
Figur 3 ein Schema ist, das ein Beispiel für eine räumliche Filterung an den aufeinanderfolgenden Zonen zeigt, die jeweils drei Pixel auf drei aufeinanderfolgenden Zeilen aufweisen;
Figur 4 ähnlich Figur 3 ein Schaltbild eines Dämpfungsmoduls ist, das in einem Sendesystem verwendbar ist, dessen Sender ein Dämpfungsmodul der in Figur 1 gezeigten Art umfaßt.
Die Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung wird im Fall eines HD-Bildes beschrieben, dessen Teile mit geringer oder null Zeitaktivität mit einer Struktur mit Zeilenversetzung und mit Zeitteilabtastung durch Verteilung des räumlichen Inhaltes des Bildes auf vier Übertragungshalbbilder analysiert werden, wobei die Übertragung mit vertikaler Mischung erfolgt, wie dies in Figuren 1 und 2 des Dokuments EP-A-0 316 232 gezeigt ist.
Im Fall eines HD-Bildes mit 50 Hz-Zeilensprung ist die Bildwiederholungsperiode 1/25 Sekunde und eine komplette Struktur wird in 80 ms übertragen.
Die Zeitfilterung zur Dämpfung wird zwischen der Codierung, in deren Verlauf die Teilabtastung ausgeführt wird, und der Modulation ausgeführt. In dem in Figur 1 gezeigten Fall hat das Dämpfungsfiltermodul eine Zeitöffnung von zwei Bildern (wobei diese Zahl nicht einschränkend ist). Die Dämpfungsfilterung ist vom transversalen Typ und die Dämpfungsfilterung beim Empfang ist rekursiv.
Das in Figur 1 gezeigte Dämpfungsmodul umfaßt wie das in Figur 8a des Dokuments EP-A-0 316 232 gezeigte einen schnellen Speicher 242, der dem Bild zur Zeit t-T zugeordnet ist (wobei T die Wiederholungsperiode der geradzahligen oder ungeradzahligen Teilbilder ist, d.h. 40 ms im Fall des europäischen Standards). Auf den Speicher 242 folgt das digitale Anpaßfilter 224, das gleichzeitig das (beispielsweise Leuchtdichte-)Signal eines Pixels des Bildes zur Zeit t und das Signal des Pixels entsprechend der Zeit t-T empfängt, derart, daß das Filter 224 in zwei aufeinanderfolgenden Zeitebenen eine Pixel-zu-Pixel-Entsprechung einbringt. Auf das Filter 224 folgt ein Schalter 226, der es gestattet, den Ausgang des Dämpfungsmoduls entweder mit dem Ausgang S&sub1; des Filters oder mit dem Ausgang S&sub0; eines Verzögerungselementes 229 zu verbinden, das die Ausgangssignale des Codierers mit einer Verzögerung entsprechend der Verarbeitungsdauer durch das Filter 224 liefert. Der Schalter 226 wird durch die vom Codierer herkommende Bewegungsinformation 228 gesteuert.
Der bislang beschriebene Aufbau ähnelt demjenigen, der im Dokument EP-A-0 316 232 definiert ist. Gemäß der Erfindung umfaßt das Filter 224 jedoch wenigstens zwei Zweige entsprechend unterschiedlichen räumlichen Frequenzen und mit unterschiedlichen Dämpfungskoeffizienten. Jeder dieser Zweige empfängt zum einen das vom Codierer herkommende direkte Signal, zum anderen noch das verzögerte Signal, jedoch vier Teile des räumlichen Spektrums, die nicht dieselben für die beiden Zweige sind.
Jeder der beiden Zweige weist einen Aufbau vergleichbar mit demjenigen auf, der im Dokument EP-A-0 316 232 beschrieben ist. Beispielsweise für den oberen Zweig ist die Dämpfung sowie die Relation zwischen dem übertragenen Wert I1t (x,y,t) für den Punkt (x,y) mit den Anfangswerten für denselben Koordinatenpunkt I&sub0; (x,y,t) und I&sub0; (x,y,t-T) durch die Relation verbunden:
I1t (x,y,t) = a&sub0;&sub1; I&sub0; (x,y,t) + a&sub1;&sub1; I&sub0; (x,y,t-T)
Der untere Zweig des Dämpfungsfilters 224 hat denselben Aufbau wie der erste, jedoch mit unterschiedlichen Zeitfilterungskoeffizienten a&sub0;&sub2; und a&sub1;&sub2; derart, daß der übertragene Wert 12 (x,y,t) mit den Anfangswerten durch die Zeitdämpfungsrelation verbunden ist:
I2t (x,y,t) = a&sub0;&sub2; I&sub0; (x,y,t) + a&sub1;&sub2; I&sub0; (x,y,t-T)
Das Filter umfaßt noch zwei Diskriminatoren 231&sub0; und 231&sub1;, die dazu bestimmt sind, die Energie der Eingangssignale I&sub0; (x,y,t) und I&sub0; (x,y,t-T) in einen Teil entsprechend den niedrigen spektralen Frequenzen in der Nähe des verarbeiteten Pixels (mit Koordinaten x,y), der auf den ersten Zweig gegeben wird, und einen Teil entsprechend den hohen räumlichen Frequenzen aufzuteilen, der auf den zweiten Zweig gegeben wird. Der Diskriminator 231&sub0; verarbeitet das Signal zum Zeitpunkt t in der Phase mit der Quelle; der Diskriminator 231&sub1; verarbeitet das um T verzögerte Signal, das vom Speicher 242 geliefert wird.
Weil es einfach ist, die Niederfrequenzfilterung auszuführen, umfaßt jeder Diskriminator 231&sub0; oder 231&sub1; vorteilhaft ein räumliches Filter, das direkt den Niederfrequenzteil liefert, und ein Subtrahierglied, auf das das zu verarbeitende Signal und das Ausgangssignal des räumlichen Filters gegeben werden. Figur 2 zeigt einen solchen Aufbau des Filters 231&sub0;: Das räumliche Filter 247 liefert direkt das Niederfrequenzsignal auf seinem Ausgang 248. Das Hochfrequenzsignal wird durch ein Subtrahierglied 250 geliefert.
Es werden unterschiedliche Typen eines räumlichen Filters verwendet. Jedes räumliche Filter 247, das auf herkömmliche Weise aus Multiplizieren und einem Subtrahierglied besteht, einpfängt direkte und mittels Kaskadenspeichern 252, 254 verzögerte Eingangsdaten, aufweisend eine entsprechende Kapazität, in deren Nähe die Filterung ausgeführt wird (beispielsweise mit drei Pixeln auf jeder von drei aufeinanderfolgenden Zeilen). Figur 3 zeigt eine verwendbare Filterungsart; die Leuchtdichte der 3x3 Pixel ist betroffen von den Gewichtungskoeffizienten 4 für das betrachtete Pixel, 2 für die vier nähesten Pixel, 1 für die entfernten Pixel.
Die Koeffizienten a des Filters 224 können sich in beträchtlichen Grenzen ändern, und die Verhältnisse a&sub0;&sub1;/a&sub0;&sub2; werden insbesondere abhängig von den Merkmalen der räumlichen Filterdiskriminatoren ausgewählt.
In der Praxis ist die Dämpfung von 0 bis 6 dB für den Niederfrequenzteil, von 4 bis 10 dB für den Hochfrequenzteil. Wenn beispielsweise Werte von a gleich 3 dB bzw. 6 dB angenommen werden, können die Koeffizienten sein:
a&sub0;&sub1; = 0,85
a&sub1;&sub1; = 0,15
a&sub0;&sub2; = 0,75
a&sub1;&sub2; = 0,25
Die Ausgangssignale der beiden Zweige werden dann zunächst in jedem Zweig durch digitale Summierer 255, dann in einem digitalen Summierer 256 addiert, dessen Ausgang den Ausgang des Filters 224 bildet.
Ein zusätzlicher Vorteil des Erfinders ist, daß es häufig unnütz ist, die Anfänge und Enden von Sequenzen mit geringer Zeitaktivität unterschiedlich zu behandeln, wobei die räumliche Filterung die erforderlichen Übergänge sicherstellt.
Der Schaltkreis 226 kann den bereits im Dokument EP-A-0 316 232 beschriebenen Aufbau aufweisen.
Das in den HD-Empfängern liegende Anhebungsmodul 230 hat einen Aufbau komplementär zu demjenigen des Dämpfungsmoduls. Dieser Aufbau wird in Figur 4 gezeigt, wenn das Dämpfungsmodul dasjenige von Figur 1 ist.
Das Anhebungsfilter 234 vom rein rekursiven Typ empfängt das von den Empfänger- und Demodulationskreisen herkommende Eingangssignal zum einen direkt, zum anderen über einen durch den Ausgangsschalter 236 nachgespeisten Bildspeicher 246. Dieses Filter weist dieselben Diskriminatoren 231&sub0; und 231&sub1; und denselben Aufbau mit zwei Zweigen wie das Dämpfungsfilter 224, jedoch mit komplementären Zeitgewichtungskoeffizienten auf:
b&sub0;&sub1; = 1/a&sub0;&sub1; b&sub0;&sub2; = 1/a&sub0;&sub2;
b11 = 1-b&sub0;&sub1; b&sub1;&sub2; = 1-b&sub0;&sub2;
wobei a der Wert der Dämpfung für die Frequenz ft der Teilabtastung des Bildes ist, d.h.:
ft = (50/4) Hz in dem hier ins Auge gefaßten Fall.
Die zusätzlichen Bauteile des Systems, insbesondere der Schalter 236, können die bereits im Dokument EP-A-0 316 232 beschriebenen sein, auf das man sich dann beziehen kann; der Schalter liefert dem Dekodierer entweder das verarbeitete Signal oder das direkte Signal mit einer durch das Element 260 gelieferten Verzögerung.
Die Erfindung ist für zahlreiche Ausführungsvarianten geeignet. Insbesondere ist sie anwendbar, was auch immer die Zeitöffnung des Dämpfungsfilters ist. Die Umgebung der räumlichen Aktivitätsbestimmung kann von der weiter oben gegebenen unterschiedlich sein. Schließlich kann die Erfindung in Koinbination mit dem kompatiblen Bildverbesserungsverfahren angewendet werden, das in der Anmeldung FR Nr. 88 08096 vom 16. Juni 1988 beschrieben ist, veröffentlicht unter der Nr. FR-A-2 633 136 am 22.12.1989.

Claims

1. Verfahren zur Sendung von Fernsehprogrammen mit hoher Auflösung auf einem Kanal mit geringerer Übertragungskapazität als das Spektralband des Bildsignals, gemäß welchem Verfahren ausgeführt wird:

- beim Senden eine Teilabtastung des Bildes, wobei die räumliche Information auf n aufeinanderfolgende Teilbilder verteilt wird, wobei n eine ganze Zahl größer als 1 ist, und eine Zeitfilterung (224) zur Dämpfung der Energie im Bereich nahe f&sub0;/n, wobei f&sub0; die Analysenteilbild- Frequenz nach Hochauflösungscodierung und vor Sendung ist;

- und beim Empfang eine Interpolationsfilterung und eine Zeitfilterung zur Anhebung (234) entsprechend der Dämpfung vor Hochauflösungsdecodierung, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitdämpfungsgrad anpassend an die räumliche lokale Aktivität des Bildes gemacht wird, d.h. an den lokalen spektralen Inhalt des Spektrums räumlicher Frequenzen des Bildes.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dämpfung und der Anhebung ein stärkerer Wert in den Bildzonen mit großer räumlicher Energie gegeben wird, das heißt reich an Komponenten hoher räumlicher Frequenz hoher Amplitude, als in den Zonen mit herabgesetzter räumlicher Energie.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Bild im Verlauf der Däinpfung einer Diskrimination räumlicher Aktivität unterzogen wird, die in der Nähe jedes laufenden Pixels seinerseits liegt, und das Signal entsprechend dem Bild mit niedrigen räumlichen Frequenzen, und dasjenige entsprechend den hohen räumlichen Frequenzen, herrührend von der Diskrimination, Zeitdämpfungsfilterungen mit unterschiedlichen Koeffizienten vor Summierung unterzogen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Diskrimination durch räumliche Niederfrequenzfilterung und Subtraktion der Niederfrequenzenergie von der Gesamtenergie ausgeführt wird, d.h. durch Subtraktion des erhaltenen Signals durch Filterung des Bildsignals.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, , daß die räumliche Niederfrequenzfilterung an fünf Pixeln von fünf aufeinanderfolgenden Zeilen, benachbart dem laufenden Pixel, ausgeführt wird.

6. Verfahren nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitfilterung zur Dämpfung derart ist, daß der übertragene Wert It(x, y, t) nach Dämpfung in einem Punkt (x, y) und zum Zeitpunkt t mit dem Anfangswert I&sub0; im selben Punkt und zum Zeitpunkt t durch die Relation verbunden ist:

It(x, y, t) = a&sub0;I&sub0;(x, y, t) + a&submin;&sub1; I&sub0;(x, y, t-T) wobei T die Bildwiederholungsperiode ist,

a&sub0; = (1+a)/2

a&submin;&sub1; = (1-a)/2

wobei a die gesuchte Dämpfung für die Frequenz f&sub0;/n ist und wobei n die Teilbildzahl entsprechend der Zeitöffnung ist, und daß die Anhebung derart ist, daß der Wert It(x, y, t) mit dem übertragenen Wert It durch die Relation verbunden ist:

It(x, y, t) = b&sub0; It(x, y, t) + b&submin;&sub1; It(x, y, t-T) wobei b&sub0; = 1/a&sub0; und b&submin;&sub1; = 1/b&sub0;

wobei a unterschiedliche Werte für die Hochfrequenzenergie und die räumliche Niederfrequenzenergie aufweist.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfung a zwischen 0 und 6 dB für die Niederfrequenzenergie enthalten ist und zwischen 1 und 10 dB für die Hochfrequenzenergie enthalten ist.

8. System zur Sendung von Fernsehprogrammen mit hoher Auflösung, bei dem das Verfahren gemäß einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 7 ausgeführt wird, umfassend einen Sender und einen Empfänger mit hoher Auflösung, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender zwischen dem Hochauflösungscodierer und Sendemodulator ein Zeitdämpfungsmodul umfaßt und daß der Empfänger ein Zeitanhebungsmodul (230) umfaßt, das zwischen dem Demodulator und dem Hochauflösungsdecodierer zwischengeschaltet ist, wobei jedes der Module wenigstens zwei Zweige entsprechend unterschiedlichen Frequenzen im Spektrum der räumlichen Frequenzen des Bildes und Diskriminatoren (231&sub0;, 231&sub1;) zur Energieverteilung entsprechend den unterschiedlichen Frequenzen zwischen den Zweigen aufweist, wobei die Zahl der Diskriminatoren (231&sub0;, 231&sub1;) entsprechend der Teilbildzahl die Zeitöffnung darstellt, über der die Dämpfung und die Anhebung ausgeführt worden sind, wobei die Anhebung im Empfänger der Dämpfung im Sender entspricht.

9. Empfänger für Fernsehprogramme mit hoher Auflösung, empfangen durch das Verfahren gemäß einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 7, umfassend Empfänger- und Demodulationskreise, ein Zeitanhebungsmodul (230) und einen Hochauflösungsdecodierer, dadurch gekennzeichnet daß das Anhebungsinodul wenigstens zwei Zweige entsprechend unterschiedlichen Frequenzen im Spektrum der räumlichen Frequenzen des Bildes und Diskriminatoren (231&sub0;, 231&sub1;) zur Energieverteilung entsprechend den unterschiedlichen Frequenzen zwischen den Zweigen, in der Zahl entsprechend der Zeitöffnung, über die die Anhebung ausgeführt worden ist, und einen digitalen Ausgangssummierer aufweist, und daß jeder Zweig aus Multiplizierern, die jeweils ein Ausgangssignal der entsprechenden Diskriminatoren und entsprechend den dem Zweig zugeordneten unterschiedlichen Frequenzen empfangen und es mit einem Anhebungskoeffizienten (b&sub0;&sub1;, b&sub0;&sub2;, b&sub1;&sub1;, b&sub1;&sub2;) multiplizieren, und aus einem Ausgangsmultiplizierer bestehen, wobei die Koeffizienten für die hohen räumlichen Frequenzen des Bildes niedriger sind.