DE69016591T2

DE69016591T2 - Einrichtung zur adaptiven Abrundung von Videosignalen.

Info

Publication number: DE69016591T2
Application number: DE69016591T
Authority: DE
Inventors: John Abt; James Anthony Delwiche
Original assignee: Grass Valley Group Inc
Current assignee: Grass Valley Group Inc
Priority date: 1989-11-09
Filing date: 1990-11-07
Publication date: 1995-08-24
Anticipated expiration: 2010-11-08
Also published as: JPH0731589B2; EP0427524A1; DE69016591D1; EP0427524B1; JPH03185515A; US4965668A

Description

Allgemeiner Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft digitale Abrundungstechniken und insbesondere eine Einrichtung zur adaptiven Abrundung von Videosignalen, wobei ein Zittersignal nur dann hinzugefügt wird, wenn ein Abrundungsfehler vorliegt, wobei das Zittersignal für "Festbild"-Eingaben ein festes Gitter darstellt, während es bei veränderlichen Eingaben ein Zufallssignal darstellt, und wobei es gefiltert wird, um für Eingangsvideosignalgemische Komponenten auf der Zwischenträgerfrequenz zu entfernen.
Die digitale Verarbeitung von Videosignalen führt häufig zu einer Erhöhung des Dynamikbereichs, d.h.. einer Erhöhung der Anzahl an Bits, die einen Videoabfragewert darstellen. Diese erhöhte Anzahl an Bits wird normalerweise reduziert, um die Kosten zu senken und/oder um digitalen Verbindungsnormen zu entsprechen. Das gerade Abstreichen bzw. das Abrunden des digitalen Signals an dem Ausgang eines Video-Verarbeitungsmoduls bringt häufig unangenehme, Korrelationsfehler mit sich. Zum Beispiel kann das Abrunden von Signalen, wie etwa gleichförmigen Empfangsbildfeldern oder Rampen, einen Niederfrequenz- Korrelationsfehler erzeugen, auf den das Auge besonders empfindlich anspricht. Die Einfügung eines Zittersignals ordnet den Korrelationsfehler zufällig an und verringert dessen Effekt. Zwar ist der Fehler in der gezitterten Ausgabe im Vergleich zur einfachen Abrundung größer, doch führt die Zufälligkeitsanordnung des Fehlers zu einer verbesserten Wahrnehmung.
Jedoch weist auch dieses Verfahren noch Unzulänglichkeiten auf. Erstens reduziert das Hinzufügen des Zittersignals den Rauschabstand des digitalen Signals zu jedem Zeitpunkt, selbst wenn kein Korrelationsfehler existiert und das Zittersignal eigentlich gar nicht benötigt wird, d.h. wenn das Verarbeitungsmodul keine Verarbeitung ausführt und nur durch das Signal läuft. Zweitens kann das Zittersignal Komponenten auf der Zwischenträgerfrequenz des Videosignalgemischs aufweisen, die zu unangenehmem Chrominanzrauschen führen, wobei das Rauschen besonders erkennbar ist, wenn ein monochromes Video ohne Chrominanzgehalt verarbeitet wird. Ferner führt das Zittern eines Signals, das in einer festen Quelle entsteht und einer festen Verarbeitungoperation unterzogen wird, wie etwa einer statischen Teilbildpuffereingabe in eine feste Verstärkungsstufe, zu einem vorübergehenden Rauschen, d.h. die ehemals zeitlich konstanten Pixel ändern sich nun als Ergebnis des Zitterns teilbildweise. Hierbei handelt es sich zwar um ein in gewisser Weise subjektives Problem, jedoch ist es wünschenswert, daß eine Festbildeingabe in eine feste Verarbeitungsoperation auch "fest" bleibt. Durch die Verwendung eines festen Zittergitters, das zwar innerhalb eines Teilbilds zufällig angeordnet, jedoch von Teilbild zu Teilbild gleich ist, wird dieses Problem gelöst, jedoch erfolgt eine lineare Akkumulation eines solchen festen Zittergitters bei aufeinanderfolgenden Verarbeitungsoperationen, was ebenfalls unerwünscht ist.
Die Figur 1 zeigt eine dem Stand der Technik entsprechende, grundsätzliche Zittertechnik ohne Abrundung, wie dies in "Digital Coding of Waveforms" von N.S. Jayant und Peter Noll, herausgegeben von Prentice-Hall, Inc., 1984, offenbart ist. Ein Eingangssignal x(n) wird zusammen mit einem Zittersignal von einer Zitterquelle in einen Addierer eingegeben, und die Ausgabe wird dann quantisiert, so daß ein Ausgangssignal y(n) erzeugt wird.
Bei einem Verfahren zur Abrundung der Anzahl an Bits in einem digitalen Videosignal, als dem einfachen Abstreichen, zur Reduzierung der Sichtbarkeit von Quantisierungsfehlern, handelt es sich um eine Fehler-Gegenkopplungstechnik, wie sie in einem Artikel der British Broadcasting Association von M.G. "Croll u.a. mit dem Titel "Accomodating the Residue of Processed or Computed Digital Video Signals within the 8 Bit CCIR Recommendation 601", beschrieben ist. Das Eingangsvideosignal von m-Bits wird zusammen mit den (m-t) wertniedrigsten Bits der Ausgabe des Addierers in einen Addierer eingegeben. Die t werthöchsten Bits werden an andere Videovorrichtungen abgegeben, wobei sich der Übertrag der Addition der akkumulierten wertniedrigsten Bits des Eingangssignals auf das rangniedrigste Bit auswirkt.
In EP-A-0.270.259 mit dem Titel "Improvements Relating to Video Signal Processing Systems", übertragen an Quantel Limited, ist ein weiteres Verfahren offenbart. Zur Reduzierung des m-Bit- Signals auf ein t-Bit-Signal werden die wertniedrigsten (m-t) Bits zusammen mit der Ausgabe eines Zufallszahlengenerators in einen Vergleicher eingegeben. Die werthöchsten Bits werden um Eins erhöht, wenn die (m-t) Bits größer sind als die erzeugte Zufallszahl. Ansonsten werden die werthöchsten Bits nicht verändert.
Verlangt wird eine adaptive Abrundungseinrichtung, die ein Zittern nur bei Bedarf hinzufügt, die ein Zittern mit festem Gitter hinzufügt, wenn das Eingangssignal feststehend ist, und die ein Zufallszittern hinzufügt, wenn sich das Eingangssignal verändert, und die kein unerwünschtes Chrominanzrauschen hinzufügt, wenn es sich bei dem Eingangssignal um ein Videosignalgemisch handelt.

Zusammenfassung der Erfindung

Vorgesehen ist gemäß der vorliegenden Erfindung eine Abrundungseinrichtung zur Reduzierung der Anzahl von Bits zwischen einem digitalen Eingangssignal und einem digitalen Ausgangssignal, wobei die Abrundungseinrichtung eine Zitterquelle aufweist sowie einen Addierer zur Kombination des Zittersignals mit dem digitalen Eingangssignal, so daß ein gezittertes digitales Eingangssignal erzeugt wird, von dem sich das digitale Ausgangssignal ableitet, dadurch gekennzeichnet, daß:
die Zitterquelle als Eingabe einen Integerteil des digitalen Eingangssignals als Modifizier-Eingangssignal aufweist und als Ausgabe ein Zittersignal vorsieht, das eine Anzahl von Bits aufweist, die gleich dem Unterschied zwischen der Bitanzahl zwischen dem digitalen Eingangssignal und dem digitalen Ausgangssignal ist, wobei das Zittersignal gleich null ist, wenn das Modifizier-Eingangssignal anzeigt, daß keine Abrundung erforderlich ist, wobei die Abrundungseinrichtung adaptiv ist, da das Eingangssignal von dem Modifizier-Eingangssignal abhängig ist.
Offenbart wird somit eine Einrichtung zur adaptiven Abrundung eines Videosignals, wobei ein Zittersignal nur bei dem Vorhandensein eines Rundungsfehlers hinzugefügt wird, wobei die Einrichtung für Festbild-Eingaben ein Zittersignal mit festem Gitter hinzufügt, während für wechselnde Eingaben ein temporäres Zufallszittersignal hinzugefügt wird, und wobei das Zittersignal für ein Videosignalgemisch gefiltert wird, um Komponenten auf der Zwischenträgerfrequenz zu entfernen. Ein digitales Eingangssignal mit einem Integerteil und einem Bruchteil wird einem Eingang des Addierers zugeführt. Ein Zufallszahlengenerator erzeugt ein festes Zittersignal, das sich mit einer Datenteilbildfrequenz wiederholt. Das feste Zittersignal wird in einen Verwürfler eingegeben. Ferner wird der Integerteil des digitalen Eingangssignals in den Verwürfler eingegeben. Das Zittersignal des Verwürflers wird direkt dem anderen Eingang des Addierers an dem Bruch-Bitteil eingegeben, so daß zu dem Integerteil des digitalen Eingangssignals Null und zu dem Bruchteil das Zittersignal addiert wird. Wenn es sich bei dem digitalen Eingangssignal um ein digitales Videosignalgemisch handelt, dann wird das Zittersignal alternativ zuerst in einen Chrominanz- Kerbfilter eingegeben, bevor es dem Addierereingang zugeführt wird. Die Ausgabe des Addierers wird auf den Integerteil des digitalen Eingangssignals verkürzt, so daß ein abgerundetes digitales Ausgangssignal vorgesehen wird.
Die Aufgaben, Vorteile und anderen neuartigen Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden genauen Beschreibung deutlich, wenn diese in Verbindung mit den anhängigen Ansprüchen und den beigefügten Zeichnungen gelesen wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigen:
Figur 1 ein Blockdiagramm einer dem Stand der Technik entsprechenden Zittertechnik;
Figur 2 ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen adaptiven Abrundungseinrichtung für ein Videosignalgemisch;
Figur 3 ein Blockdiagramm eines Kerbfilters für die adaptive Abrundungseinrichtung aus Figur 2;
Figur 4 ein Blockdiagramm einer theoretischen Zitterquelle für die adaptive Abrundungseinrichtung aus Figur 2;
Figur 5 ein Blockdiagramm einer praktischen Zitterquelle für die adaptive Abrundungseinrichtung aus Figur 2;
Figur 6 eine Prinzipskizze der adaptiven Abrundungseinrichtung aus Figur 2; und
Figur 7 eine Prinzipskizze des Verwürflers für die adaptive Abrundungseinrichtung aus Figur 6.

Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels

In bezug auf Figur 2 wird ein digitales Eingangssignal x(n) mit m Bits in einen Addierer 12 eingegeben. Das digitale Eingangssignal umfaßt t Integerbits und (m-t) Bruchbits. Zur Abrundung eines digitalen Signals mit zehn Bits auf ein digitales Signal mit acht Bits, ist m=10 und t=8. Die t Integerbits dienen als Modifikationseingabe in eine Zitterquelle 14, die ein (m-t)-Bit Zittersignal ausgibt. Ein Teilbildimpuls Fs wird ebenfalls in die Zitterquelle 14 eingegeben. Die Zitterquelle 14 gibt für die gleiche Modifikationseingabe an der gleichen Pixelposition den gleichen Wert aus und Zufallswerte für die gleiche Modifikationseingabe an unterschiedlichen Pixelpositionen in einem Teilbild. Das Zittersignal wird in einen optionalen Kerbfilter 16 eingegeben, wenn das digitale Eingangssignal ein Videosignalgemisch darstellt, so daß alle Komponenten des Zittersignals herausgefiltert werden, die auf der Chrominanz- Zwischenträgerfrequenz fsc auftreten. Dann wird das Zittersignal in den Addierer 12 eingegeben, und zwar zur Kombination mit den (m-t) Bruchbits des digitalen Eingangssignals. Bei der resultierenden Ausgabe handelt es sich um das durch das Zittersignal modifizierte digitale m-Bit Eingangssignal. Wenn der Bruchteil des Eingangssignals Null ist, d.h., daß keine Abrundung erforderlich ist, existiert kein Übertrag zu dem Integerteil des Eingangssignals und der Integerteil wird unverändert durch einen Quantisierer 18 geleitet. Wenn es sich bei dem digitalen Eingangssignal um ein Videosignalgemisch handelt, werden aufgrund des Chroma-Kerbfilters 16 dem digitalen Eingangssignal durch das Zittersignal keine Chrominanzkomponenten hinzugefügt. Wenn es sich bei dem digitalen Eingangssignal schließlich um ein Festbild handelt, d.h. die Pixel des Teilbilds bleiben von Teilbild zu Teilbild die gleichen, so wird die Zitterquelle für jedes bestimmte Pixel in dem Teilbild von Teilbild zu Teilbild durch den gleichen Modifikationswert adressiert, so daß für dieses Pixel von Teilbild zu Teilbild das gleiche Zittersignal erzeugt wird. Wenn sich das digitale Eingangssignal von Teilbild zu Teilbild ändert, so variiert der Modifikationswert für ein gegebenes Pixel von Teilbild zu Teilbild, so daß auch das Zittersignal veränderlich ist. Somit stellt das Zittersignal für Festbilder ein Signal mit festem Gitter und für veränderliche Teilbilder ein Zufallssignal dar.
Der Kerbfilter 16 kann gemäß der Darstellung in Figur 3 verwirklicht werden. Das Zittersignal wird in ein erstes Register 22 eingegeben, das mit der Abtastfrequenz fs'. getaktet ist, wobei fsc=4fs' ist. Das Zittersignal wird ferner in eine Summierschaltung 26 eingegeben. Die Ausgabe des ersten Registers 22 wird bei dem nächsten Taktimpuls von fs in ein zweites Register 24 getaktet, und die Ausgabe wird in die Summierschaltung 26 eingegeben. Die Ausgabe der Summierschaltung stellt die Kombination wechselnder Abfragewerte dar, d.h. 1/3, 2/4, 3/5, usw. Durch das effektive Ergebnis sollen an dem Ausgang des Kerbfilters 16 alle Komponenten der Eingabe eliminiert werden, die bei fsc auftreten.
In der Figur 4 ist eine für die adaptive Abrundungseinrichtung geeignete theoretische Zitterquelle 14' abgebildet. In dieser Schaltung gibt es 2t, oder bei t=8 genau 256 Zufallszahlgeneratoren 32, von denen jeder ein Signal mit festem Gitter auf der Abtastfrequenz fs erzeugt, das sich mit einer Datenteilbildfrequenz für das digitale Eingangssignal wiederholt, da die Zufallszahlengeneratoren durch einen Teilbildsynchronisierungsimpuls zurückgesetzt werden. Die entsprechenden Gittersignale sind jedoch in bezug zueinander zufällig angeordnet. Die Ausgaben der Zufallszahlengeneratoren 32 werden in einen Multiplexer 34 eingegeben. Der Multiplexer 34 wird durch den Integerteil des digitalen Eingangssignals mit der Pixelfrequenz bzw. der Abtastfrequenz fs adressiert, so daß die Ausgabe des Multiplexers gemäß dem Integerteil jedes Pixels als Zittersignal die Ausgabe eines anderen Zufallszahlengenerators 32 darstellt. Auf diese Weise wählt jede Pixelposition eines Festbilds während jeder Teilbildzeit den gleichen Zufallszahlengenerator 32 aus, was zu dem gewünschten Zittersignal mit festem Gitter führt. Ein wechselndes digitales Eingangssignal unterliegt einem temporär zufälligen Gittersignal, da die wechselnden Pixel an einer gegebenen zeitlichen Position unterschiedliche Zufallszahlengeneratoren 32 auswählen.
Bei der Zitterquelle 14 aus Figur 5 handelt es sich um eine praktische Hardware-Verwirklichung der theoretischen Zitterquelle 14' aus Figur 4. Es existiert ein einziger Pseudozufallszahlengenerator 32, der ein Zittersignal mit festem Gitter erzeugt, das sich mit einer Teilbildfrequenz wiederholt. Die Modifikationseingabe wird nicht an einen Multiplexer sondern an eine Verwürflerschaltung 36 geleitet. Die Verwürflerschaltung 36 ändert die Ausgabe des Zufallszahlengenerators 32. Wenn die Verwürfelungsoperation deterministisch ist, d.h. die gleichen Eingaben erzeugen immer die gleiche Ausgabe, so ergibt sich an dem Ausgang eine gewünschte Festbildeingabe. Ebenso ändert ein wechselndes digitales Eingangssignal das Zittergittersignal durch Veränderung der Verwürfelungsoperation.
Wie dies in Figur 6 näher dargestellt ist, wird das digitale m- Bit Eingangssignal einem Eingang des Addierers 12 zugeführt, wobei die Bits 0 bis (m-t-1) den Bruchteil und die Bits (m-t) bis (m-1) den Integerteil darstellen. An dem anderen Eingang des Addierers 12 wird in dem Integerteil (m-t) bis (m-1) eine Null eingegeben, und das Zittersignal des Kerbfilters 16 wird dem Bruchteil 0 bis (m-t-1) eingegeben. Die Ausgabe des Addierers 12 stellt die t Integerbits (m-t) bis (m-1) dar, wobei die Bruchteilbits 0 bis (m-t-l) abgestrichen werden. Wie dies in Figur 7 dargestellt ist, kann es sich bei dem Verwürfler 36 um eine Mehrzahl von Exklusiv-ODER-Gattern 38 handeln, denen als Eingabe jeweils eines der (m-t) Bits des Zufallsgenerators 32 und eines der t Bits des Integerteils des digitalen Eingangssignals zugeführt werden. Diese Bits werden in die Exklusiv-ODER-Gatter 38 so eingegeben, daß die wertniedrigsten Integerbits des digitalen Eingangssignals die werthöchsten Bits des Zufallszahlengenerators verwürfeln. In der Situation, wo das Zittersignal zwei Bits, D0, D1, aufweist und der Integerteil des digitalen Eingangssignals acht Bits, 10-17, umfaßt, wird das Bit I1 in eines der Exklusiv-ODER-Gatter 38 eingegeben, um das Bit D0 zu verwürfeln, und das Bit I0 wird in das andere Exklusiv-ODER- Gatter eingegeben, um D1 zu verwürfeln, wobei in dem Verwürfler 36 nur zwei Exklusiv-ODER-Gatter erforderlich sind.
Somit sieht die vorliegende Erfindung eine Einrichtung zur adaptiven Abrundung von Videosignalen vor, wobei die Einrichtung ein Zittersignal einfügt, das nur dem Bruchteil des digitalen Eingangssignals hinzugefügt wird, wobei das Zittersignal für ein Festbild-Eingangssignal in Form eines festen Zittergitters vorgesehen wird, und wobei das Zittersignal für ein wechselndes Eingangssignal ein Zufallsgitter vorsieht. Bei einem Eingangs- Videosignalgemisch wird das Zittersignal auf der Zwischenträgerfrequenz durch einen Kerbfilter gefiltert, so daß das Zittersignal dem verarbeiteten Eingangssignal keine Farbkomponenten hinzufügt.

Claims

1. Abrundungseinrichtung zur Reduzierung der Anzahl von Bits zwischen einem digitalen Eingangssignal und einem digitalen Ausgangssignal, wobei die Abrundungseinrichtung eine Zitterquelle (14) aufweist sowie einen Addierer (12) zur Kombination des Zittersignals mit dem digitalen Eingangssignal, so daß ein gezittertes digitales Eingangssignal erzeugt wird, von dem sich das digitale Ausgangssignal ableitet, dadurch gekennzeichnet, daß:

die Zitterquelle als Eingabe einen Integerteil (t) des digitalen Eingangssignals als Modifizier-Eingangssignal aufweist und als Ausgabe ein Zittersignal vorsieht, das eine Anzahl von Bits (m-t) aufweist, die gleich dem Unterschied zwischen der Bitanzahl zwischen dem digitalen Eingangssignal (m) und dem digitalen Ausgangssignal (t) ist, wobei das Zittersignal gleich null ist, wenn das Modifizier-Eingangssignal anzeigt, daß keine Abrundung erforderlich ist, wobei die Abrundungseinrichtung adaptiv ist, da das Eingangssignal von dem Modifizier- Eingangssignal abhängig ist.

2. Abrundungseinrichtung nach Anspruch 1, wobei das digitale Eingangssignal ein Signalgemisch darstellt, und wobei die adaptive Abrundungseinrichtung eine Einrichtung zum Filtern (l6) des Zittersignals vor der Eingabe in den Addierer (12) aufweist, um die Komponenten des Zittersignals auf einer Zwischenträgerfrequenz des Signalgemischs zu entfernen.

3. Abrundungseinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Zitterquelle folgendes umfaßt

einen Zufallszahlengenerator (32), der für jedes Bild des digitalen Eingangssignals durch ein Bildsynchronisiersignal (Fs) zurückgesetzt wird, um ein Zittersignal mit festem Gitter zu erzeugen; und

eine Einrichtung zur Verwürfelung (36) des Zittersignals mit festem Gitter, wenn sich das digitale Eingangssignal ändert, so daß ein Zufallszittersignal als Zittersignal erzeugt wird.

4. Abrundungseinrichtung nach Anspruch 3, wobei die Verwürfelungseinrichtung eine Mehrzahl von Exklusiv-ODER-Gattern (38) aufweist, die jeweils als eine Eingabe eines der Bits des Zittersignals mit festem Gitter aufweisen und die jeweils als andere Eingabe eines der Bits des digitalen Eingangssignals aufweisen, wobei es sich bei der Ausgabe der Exklusiv-ODER-Gatter um das Zufallszittersignal handelt.

5. Abrundungseinrichtung nach Anspruch 4, wobei die wertniedrigsten Bits des digitalen Eingangssignals in der Mehrzahl von Exklusiv-ODER-Gattern mit den werthöchsten Bits des Zittersignals mit festem Gitter kombiniert werden, um das Zufallszittersignal zu erzeugen.

6. Abrundungseinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Zitterquelle folgendes umfaßt:

eine Mehrzahl von Zufallszahlengeneratoren (32), und zwar je einen für jede mögliche Bitkombination für das digitale Ausgangssignal, wobei jeder Zufallszahlengenerator ein Zittersignal mit festem Gitter ausgibt; und

eine Einrichtung zur sequentiellen Auswahl (34) der Zufallszahlengeneratoren zur Ausgabe, um das Zittersignal zu erzeugen, wobei die ausgewählten Zufallszahlengeneratoren eine Funktion des Wertes der Bits des digitalen Eingangssignals darstellen, der den Werten des digitalen Ausgangssignals entspricht.