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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abtastvorrichtung für Fernsehsignale,
insbesondere für einen Empfänger von Fernsehsignalen, zum Umwandeln von der
verschachtelten in die progressive Abtastung, mit einem linearen bidimensionalen
Filter und einem Bildbewegungsdetektor, wobei eine Einrichtung zum Anpassen des
Filters entsprechend den von dem Bewegungsdetektor kommenden Daten
vorgesehen ist.
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Es ist bekannt, daß zusammen mit der Zunahme der Abmessungen und der Qualität
von Fernsehbildschirmen die typischen Defekte des traditionellen Fernsehsystems
PAL, 625 Zeilen, 50 Halbbilder pro Sekunde, zwei zu zwei verschachtelt (im
System allgemein abgekürzt als 625/50/2:1) offensichtlicher werden.
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Fehler wie Zwischenzeilen-Twitter (Flackern an horizontalen Objekträndern),
Flackern großer Bereiche und das Kriechen von Zeilen sind bei Fernsehsystemen
mit verbesserter Qualität unakzeptabel: zum Verbessern oder zum Verringern
solcher Defekte ist es erforderlich, die Parameter der traditionellen
Fernseh-Abtastung (Verschachtelungsverhältnis, Anzahl der Zeilen pro Teilbild,
Teilbild-Anzeigefrequenz) zu modifizieren. Insbesondere zum Beseitigen des Zwischenzeilen-
Twitters ist es geeignet, eine progressive Abtastung (ohne Verschachteln)
anzuwenden, um das Flackern großer Bereiche unsichtbar zu machen, ist es
erforderlich, die Teilbildfrequenz zu erhöhen (auf wenigstens 75 Hz), zum Dämpfen des
Zeilenkriechens ist es erforderlich, die Anzahl der Zeilen pro Voll bild zu erhöhen (die
Verwirklichung dessen führt ebenfalls zu einer Verbesserung der vertikalen
Auflösung).
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Wegen der Notwendigkeit der Sicherstellung der vollen Übereinstimmung mit dem
gültigen System und dem Erfordernis von Übertragungsgesellschaften, mögliche
Modifikationen der verwendeten Produktions- und Übertragungs-Einrichtungen zu
vermeiden, führen sie jedoch tatsächlich ein Fernsehen mit verbesserter Qualität
(I.Q.T.V.) ein, bei welchem die Signalbearbeitung ausschließlich beim Empfang
ausgeführt wird.
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Diese Tatsachen haben in den vergangenen Jahren den Untersuchungen eines
multidimensionalen Interpolierers und Abtast-Umwandlers für Fernsehsysteme
einen beträchtlichen Impuls gegeben; insbesondere wurden in diesem
Zusammenhang der Übergang von dem 625/50/2:1 zu dem 625/50/1:1 Standard (P.S.U.,
Progressive Scan Up Conversion, Progressive Abtast-Aufwärts-Umwandlung) und
der folgende Übergang von 625/50/1:1 zu den 625/100/1:1 (F.R.U., Field Rate Up
Conversion, Teilbildfrequenz-Aufwärts-Umwandlung) geprüft.
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Im ersten Fall (P.S.U.) ist es zum Erhalten eines progressiven Abtastsignals, das
von dem empfangenen verschachtelten Abtastsignal 2:1 kommt, erforderlich, eine
Interpolation auszuführen, die geeignet ist, die fehlenden Zeilen des empfangenen
Signals zu liefern, die dann zwischen den ursprünglichen Zeilen eingefügt werden,
um somit ein Signal mit 625 Zeilen pro Teilbild (625 x 50 = Zeilenfrequenz 31250
Hz) zu erhalten.
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In dem zweiten Fall (F.R.U.) ist es erforderlich, die in dem Originalsignal
verfügbaren Teilbilder pro Sekunde zu verdoppeln, die fehlenden Teilbilder durch
Verwenden der vollständig verfügbaren Information des ankommenden Signals zu
interpolieren und ein Ausgangssignal mit 625 Zeilen alle 10 Millisekunden zu
erzeugen.
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Ob es der Fall der P.S.U. oder der Fall der F.R.U. ist, durch Ausführen der
Interpolation wird eine Beeinträchtigung in dem Bildbereich, in welchem eine
konsistente Bewegung vorhanden ist, mehr oder weniger offensichtlich; eine solche
Beeinträchtigung wird insbesondere im Zusammenhang mit hohen Raumfrequenzen
sichtbar und kann in der Form von Verzerrungen oder Unschärfe beobachtet
werden. Es gibt zwei Auslöser für diese Wirkung: das abgehende Signal weist
keine Bandbegrenzung auf, welche gewöhnlich nicht vorgefiltert ist; die
Bewegungen des Bildes modifizieren das Spektrum des Signals.
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Das Spektrum eines Bildes zeigt z.B. bei Vorhandensein einer reinen
translatorischen Bewegung tatsächlich in einer in dem dreidimensionalen Raum orientierten
Ebene enthaltene Frequenzkomponenten in einer von der Richtung und der
Intensität der Bewegung abhängigen Weise.
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Vereinfacht: um eine neue Zeile zwischen zwei festen Bildzeilen zu interpolieren, ist
es ausreichend, einen Durchschnitt von zwei homologen Zeilen zu berechnen, die
zu benachbarten Teilbildern gehören (temporäre Interpolation oder Zwischen-
Teilbild); wenn sich andererseits das Bild in der Zeit schnell verändert, kann die
fehlende Zeile aus der Zeile erhalten werden, die sich in dem momentanen Teilbild
direkt oberhalb oder unterhalb der fraglichen Zeile befindet (vertikale Interpolation
oder Intra-Teilbild). Die temporäre Interpolation versagt offensichtlich, sobald
Bildveränderungen vorhanden sind, während die vertikale bei dem Vorhandensein
von vertikalen Übergängen nachteilig ist.
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Lösungen mit fester Interpolation wurden vorgeschlagen, deren Ziel ist, die
Frequenzantwort des Filters an das Bildspektrum anzupassen (siehe z.B.: M. Weston,
"Fixed adaptive and motion compensated interpolation of interlaced TV pictures",
BBC RD 1988). Eine dieser Lösungen gibt als ein Beispiel ein vertikal-temporal-
Raster an, das sich in der Zeit über drei Teilbilder und über fünf vertikale Zeilen
erstreckt; verschiedene Gewichtungskoeffizienten (1/2, 1/8, -1/16) sind
entsprechend der betrachteten Zeile und des Teilbildes vorgesehen.
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Ein anderes Verfahren besteht aus der Verwendung eines Bewegungsdetektors mit
dem Ziel, die Interpolation durch Verwenden einer geeigneten Menge von
Zwischen-Teilbild- und Intra-Teilbild-Abtastungen anzupassen, die entsprechend dem
Betrag der vorhandenen Bewegung variieren.
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Aus dem Artikel "Multidimensional digital signal processing for television scan
conversion" von R.S. Prodan, Philips Journal of Research, Band 41, Nr. 6,
Dezember 1986, Seite 576-603, ist eine Abtastvorrichtung für Fernsehsignalempfänger
bekannt, zum Umwandeln der verschachtelten in eine progressive Abtastung, mit
der Kombination zweier monodimensionaler Filter und einem
Bildbewegungsdetektor, welcher jedoch die Bewegung erfaßt, indem er nur die
Bildpunkt-Größendifferenz bewertet; der Wert von k, der für die Interpolation verwendet wird, wird
entsprechend abgeleitet.
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Die erhaltbaren Ergebnisse, welche die bekannten Techniken verwenden, sind
jedoch nicht vollständig befriedigend; der erhaltbare Kompromiß zwischen einem
Festbildzustand und einem Bewegtbild-Zustand ist für ein wirklich verbessertes
Fernsehen nicht akzeptabel.
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Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Abtastvorrichtung für
Fernsehsignale anzugeben, welche die Möglichkeit zuläßt, Ergebnisse höherer Qualität als
diejenige der bekannten zu erhalten, unter Verwirklichung eines befriedigenden
Kompromisses zwischen Festbild-Bedingungen und Bewegtbild-Bedingungen.
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Um ein solches Ziel zu verwirklichen, ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
eine Abtast-Vorrichtung für Fernsehgeräte, insbesondere für einen
Fernsehsignalempfänger, zum Umwandeln von der verschachtelten in die progressive Abtastung,
mit einem linearen, bidimensionalen Filter und einem Bildbewegungsdetektor, wobei
eine Einrichtung zum Anpassen des Filters entsprechend den von dem
Bewegungsdetektor kommenden Daten vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter
ein bidimensionales, nicht separables Filter ist und daß die von dem
Bewegungsdetektor kommenden und zu dem Filter gesendeten Daten den Betrag und die
Richtung der Bewegung darstellen.
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Weitere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden
detaillierten Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen deutlich, welche als
nicht beschränkendes Beispiel gegeben werden. Dabei zeigen:
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Figur 1 ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Abtast-Umwandlers;
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Figur 2 die erfindungsgemäße Maske des interpolierenden Filters für
Luminanzsignale (a) und Chrominanzsignale (b);
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Figur 3 das Blockschaltbild des Interpolierers, welcher das Filter in Figur
2 verwendet;
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Figur 4 die von dem Bewegungsdetektor berücksichtigten
Bildpunktblöcke;
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Figur 5 ein vereinfachtes Blockschaltbild des Bewegungsdetektors, der
Teil des erfindungsgemäßen Umwandlers ist;
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Figur 6 ein Diagramm der in dem Umwandler in Figur 5 enthaltenen
Verzögerungsblöcke;
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Figur 7 das Blockschaltbild der erfindungsgemäß angepaßten
Interpolation, welche insbesondere anzeigt, wie die Modifikation der
Filtermaske bei Vorhandensein einer Bildbewegung verwirklicht wird.
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Die Erfindung basiert tatsächlich auf der Grundlage des Anpassens der
Frequenzmaske des Filters entsprechend der Zone der Bildbewegung analog zu der durch
das Spektrum des Bildes selbst beim Vorhandensein von Bewegung andauernden
Deformation, welche als Anfangsmaske das in geeigneter Weise geplante,
bidimensionale lineare Filter annimmt, um das Vorhandensein des sogenannten Klingelns,
sowohl des überschwingenden als auch des unterschwingenden Typs zu
minimieren;
in dem beschriebenen Beispiel basiert der Bewegungsdetektor auf dem
Differentialalgorithmus von Cafforio und Rocca in drei Schritten (siehe C. Cafforio - F.
Rocca, "Methods for measuring small displacements of television images", IEEE
Trans. Inform. theory, Bd. 22, Nr. 5, September 1976), obwohl ein anderes
Verfahren anwendbar ist, wie z.B. das sogenannte Block Matching (siehe H.G.
Musmann et al, "Advances in picture coding", Proc. of IEEE, Bd. 73, Nr. 4, April
1985).
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In Figur 1 ist ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Abtast-Umwandlers
dargestellt; das Schaltbild betrifft nur den Teil des Luminanzsignals (Y); die
Chrominanzsignale U und V benötigen zwei weitere analoge Kanäle, welche mit der
Taktfrequenz arbeiten, die gleich der Hälfte derjenigen für das Signal Y ist (infolge der
geringeren Bandbreite).
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Figur 1 zeigt das Luminanzeingangssignal Y des verschachtelten Signals, das in
einem A/D-Wandler digitalisiert wird, welcher mit der Abtastfrequenz von 13,3
MHz arbeitet und 8 Bit/Abtastung quantifiziert; das digitalisierte Signal gelangt in
den Interpolierer-Block INTER, wo durch eine geeignete Zeilen- und
Teilbild-Verzögerungsanordnung durch Interpolation die zum Erhalten der fehlenden Zeilen in
dem momentanen Teilbild erforderlichen Zeilen verfügbar gemacht werden (siehe
Figur 2a); die ursprünglichen Zeilen werden in dem DELAY-Block geeignet
verzögert, um sie in Phase mit den interpolierten zu bringen.
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Die gleichzeitig verfügbaren ursprünglichen und interpolierten Zeilen werden in zwei
Zeilenspeichern gespeichert, die mit einem Takt von 13,3 MHz geschrieben (W)
werden; solche Speicher werden dann alternierend mit einem Takt von 26,6 MHz
gelesen (R), um so vor der D/A-Rückumwandlung ein Signal verfügbar zu machen,
welches geeignet ist, um zu einem doppelt abtastenden Monitor (31250 Hz)
gesendet zu werden.
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In Figur 2 sind die erfindungsgemäßen Filter-Interpolierermasken für
Luminanzsignale (a) und Chrominanzsignale (b) dargestellt; das Luminanzsignal stellt eine Maske
bereit, die sich über 9 vertikale benachbarte Zeilen erstreckt (daher von der Zeile n--
4 zu der Zeile n+4) und über 5 aufeinanderfolgende Teilbilder (daher von dem
Teilbild n-2 zu dem Teilbild n+2, siehe Figur 2a); die Maske für das
Chrominanzsignal ist einfacher und erstreckt sich nur über drei vertikale Zeilen und über drei
aufeinanderfolgende Teilbilder (siehe Figur 2b).
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Die Kreuze bezeichnen die ursprünglichen Bildpunkte; die Punkte bezeichnen die zu
interpolierenden; die doppelten, zentrischen Kreise bezeichnen die Bildpunkte zum
Berechnen der Interpolation (Zeile n und Teilbild n), welche im Fall des Signals Y
die 22 ursprünglichen Bildpunkte der vollständigen Maske in Figur 2a verwenden
und in dem Fall des Chrominanzsignals die 4 ursprünglichen Bildpunkte der
reduzierten Maske in Figur 2b.
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Figur 3 zeigt ein Blockdiagramm eines Interpolierers, wie der in Figur 1 verwendete;
das ankommende Signal mit 13,3 MHz und 8 Bit wird geeignet durch die Zeilen
- (LD) - und Teilbild (FD) - Verzögerungsblöcke geführt; die auf diese Weise
verfügbar gemachten Zeilen werden dann in geeigneter Weise addiert, um den Vorteil der
Symmetrie des Interpolierer-Filters zu erhalten und die Anzahl der Multiplikatoren
für die Koeffizienten des Filters (C1, C2, C3, C4) zu verringern und schließlich zum
Erhalten der neuen Zeile addiert. Zur Vereinfachung ist die durch den in Figur 3
beschriebenen Interpolierer verwirklichte Maske gegenüber derjenigen in Figur 2b
vereinfacht.
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Bisher wurde nur ein System einer festen bidimensionalen Interpolation
(vertikaltemporal) beschrieben, ohne dessen Anpassung an eine mögliche Bildbewegung zu
berücksichtigen.
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Zum Verwirklichen der Anpassung dieser Art ist ein Bewegungsdetektor
erforderlich.
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Figur 4 zeigt die Bildpunktblöcke, die von dem erfindungsgemäßen
Bewegungsdetektor berücksichtigt wurden, dessen vereinfachtes Blockschaltbild in Figur 5
dargestellt ist; das Schaltbild der in Figur 5 enthaltenen Verzögerungsblöcke ist in
Figur 6 dargestellt.
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Das vorgeschlagene Schaltbild des Bewegungsdetektors erlaubt die Zuordnung
eines Bewegungsdetektors zu jedem zu bearbeitenden Bildpunkt; die
Bewegungsvektorabschätzung wird ausgeführt unter Betrachtung eines kleinen benachbarten
Bildpunktblockes aus 5 Bildpunkten in 3 Zeilen mit insgesamt 15 Bildpunkten (siehe
Figur 4a) für jeden Bildpunkt.
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Weiterhin wird ein Suchbereich betrachtet, welcher sich auf einen Superblock aus
91 Bildpunkten (13 Bildpunkte in 7 Zeilen, siehe Figur 4b) erstreckt.
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Die Bewegungsabschätzung wird ausgeführt unter Berücksichtigung der 15
Bildpunkte des kleinen Blockes in Figur 4a in dem entsprechenden Teilbild des
nachfolgenden Vollbildes (Teilbild n+2) und in dem gegenwärtigen Teilbild, die 91
Bildpunkte des Superblocks in Figur 4b werden gleichzeitig durch eine geeignete
Anordnung von Verzögerungen, die in dem Schaltbild in Figur 6 dargestellt sind,
verfügbar gemacht, in welchem Tp die Verzögerung eines Bildpunktes anzeigt,
während LD die Verzögerung einer Zeile anzeigt.
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Die Bildpunkt-Matrix in Figur 4b selektiert den Block entsprechend dem in dem
vorherigen Schritt des Algorithmus abgeschätzten Bewegungsvektor, der zum
Berechnen der Vollbild-Versatz-Differenz (DFD) und daher der neuen Abschätzung
(siehe Figur 4c und 4d) erforderlich ist. Die Bildpunkt-Matrizen der Figuren 4a und
4b werden durch die Blöcke MR (Matrizen-Verzögerung) in Figur 5 ebenfalls
geeignet verzögert, um für den nachfolgenden Schritt des Algorithmus zum
Aktualisieren der Abschätzung verfügbar zu sein.
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Das beschriebene Schaltbild zum Zugriff auf die für die Abschätzung zu
verwendenden Bildpunkte erlaubt ein hohes Maß an Parallelität der Abläufe und daher eine
erhöhte Berechnungsgeschwindigkeit; der Bewertungsblock wurde mit einer
Parallelstruktur verwirklicht und erlaubt in jedem Schritt die Berechnung der
Vollbild-Differenz (FD), der Vollbild-Versatz-Differenz (DFD), des I-Gradienten (GRAD I)
und der zukünftigen Abschätzung des Vektors D (siehe Figur 5).
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Der abgeschätzte Bewegungsvektor D wird zu einem Dekodierer (MD in Figur 7)
gesendet, der die Steuerungssignale (S) liefert, welche für die Selektoren (SEL) und
die Koeffizienten (CO, C1-, C1+) zum Ausführen der Interpolation erforderlich sind,
siehe Figur 7, in welcher das Blockschaltbild des erfindungsgemäßen adaptiven
Interpolierers dargestellt ist; er stellt den nicht adaptiven in Figur 3 dar, beinhaltet
aber mehrere Selektoren (SEL) der den Signalen im Übergang zugeordneten
Verzögerungen.
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Stellt man sich einen dreidimensionalen Raum vor, der durch drei kartesische
Achsen X, Y und T (Zeit) bestimmt ist, erkennt man, daß das Spektrum eines
Bildes beim Vorhandensein einer reinen translatorischen Bewegung
Frequenzkomponenten enthält, die alle in einer in dem dreidimensionalen Raum abhängig von der
Richtung und der Intensität der in dem Bild vorhandenen Bewegung orientierten
Ebene enthalten sind.
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Die Selektoren in Figur 7 machen eine strenge Rotation der Ebene Y-T um die Y-
Achse möglich, mit dem Ziel der Kompensation der Translationsbewegung entlang
der X-Richtung, während die Deformierung der barizentrischen Art des Rasters des
Filters, die zur Kompensierung der Bewegung entlang der Y-Richtung erforderlich
ist, erhalten wird durch direktes Einwirken auf den Wert der Koeffizienten des
Filters (CO, C1-, C1+).
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Die Merkmale des beschriebenen Gerätes sind aus der gegebenen Beschreibung
und den beigefügten Zeichnungen deutlich geworden.
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Aus der Beschreibung werden ebenfalls die Vorteile des Abtast-Umwandlers für
Fernsehsignale deutlich. Sie sind insbesondere dargestellt durch die Tatsache, daß
durch den beschriebenen Umwandler ein weit besseres Ergebnis ist, als von den
bekannten Geräten erhalten wird.