FI93071C - Menetelmä ja kytkentäjärjestely lomitellun videosignaalin muuttamiseksi lomittelemattomaksi tai sen kenttätaajuuden kaksinkertaistamiseksi - Google Patents

Description

93071

Menetelmä ja kytkentäjärjestely lomitellun videosignaalin muuttamiseksi lomittelemattomaksi tai sen kenttätaajuuden kaksinkertaistamiseksi - Förfarande och koppiingsarrangemang för att omvandla en linjesprängssvept videosignal tili en 5 progressiv videosignal eller att fördubbla dess fältfrekvens

Keksintö koskee menetelmää ja kytkentäjärjestelyä, jolla lomittelusuhteeltaan 2:1 digitaalinen videosignaali muunne-10 taan progressiiviseksi (lomittelusuhteeltaan 1:1) videosignaaliksi kenttätaajuuden pysyessä samana tai kenttätaajuu-deltaan 100 Hz:n videosignaaliksi lomittelusuhteen pysyessä samana (2:1). Kumpikin muunnos edellyttää uusien juovien interpolointia. Muunnettaessa kuva progressiiviseksi inter-15 poloidaan uudet juovat kunkin vastaanotetun kentän alkuperäisten juovien väliin käyttäen kunkin uuden pikselin muodostamiseen jotain tunnettua kentän sisäistä (intra-field) tai kenttien välistä (inter-field) interpolointia, jolloin tuloksena olevan muunnetun kentän juovaluku on kaksinkertai-20 nen mutta kenttätaajuus sama vastaanotettuun kenttään verrattuna. Kenttä on tällöin sama kuin kuva. Vastaavasti kent-tätaajuuden kaksinkertaistamisessa on muodostettava kokonaan uusia kenttiä ja niiden juovat voidaan interpoloida millä tahansa tunnetulla menetelmällä. Toisin sanoen kummassakin 25 muunnoksessa interpoloidaan uusia pikseleitä alkuperäisistä ·. pikseleistä.

Käytössä olevien standardien kuten PAL, SECAM, NTSC, HD-MAC mukaisen videosignaalin lomittelusuhde on 2:1, mikä merkit-30 see, että televisiokuva muodostuu kahdesta kentästä, joiden juovat pyyhkäistään kuvapinnalle lomittain. Lomitellusti « pyyhkäistylle kuvalle tyypillisistä haitoista, kuten juova-ryöminnästä, juovavälkynnästä ja liikettä sisältävien kuva-alueiden kentän sisäisestä laskostumisesta, ei päästä eroon 35 muutoin kuin muuttamalla kuva lomittelemattomaksi 1. prog ressiiviseksi. Tällöin kenttä on sama kuin kuva, joten juo-vataajuus on kaksinkertainen alkuperäiseen verrattuna.

93071 2

Suurten vaaleiden kuva-alueiden välkyntää sekä myös juova-välkyntää voidaan taas tehokkaasti vähentää nostamalla kent-tätaajuus kaksinkertaiseksi. 50 Hz:n järjestelmissä taajuus nostetaan siten 100 Hz:iin. Tällöin kentän pyyhkäisyaika on 5 10 ms 20 ms:n sijasta. Tässä muunnoksessa on vastaanotettu jen kenttien väliin interpoloitava kokonaan uudet kentät. Interpolointimennetelmiä on esitetty useita ja mitä tahansa voidaan käyttää tämän keksinnön yhteydessä. Periaatteena voi olla esim. että kun vastaanotetaan peräkkäiset parittomat A-10 ja parilliset B-kentät, interpoloidaan uusi parillinen kenttä A* alkuperäisestä parittomasta kentästä A ja vastaavasti parillinen kenttä B* alkuperäisestä parillisesta kentästä. Kentät näytetään peräkkäin järjestyksessä A, A*, B*, B ja kukin kenttä pyyhkäistään 10 ms:ssa.

15

Tarkastellaan seuraavassa lähemmin kuvan muuttamista progressiiviseksi .

Muutettaessa lomiteltu videosignaali progressiiviseksi on 20 tavalla tai toisella lisättävä uusi juova vastaanotetun kentän jokaisen juovan väliin. Puuttuvien juovien interpolointi voidaan ensiksikin tehdä spatiaalisesti juovan toistona eli lisätty juova on saman kentän aiemmin vastaanotetun juovan kopio. Haittana on, että stationaaristen kuva-alueiden reso-25 luutio alenee ja kuvasekvenssissä peräkkäisten kuvien väli-nen ero näkyy välkkymisenä.

Juovat voidaan muodostaa toiseksi myös siten, että puuttuvat juovat otetaan edeltävästä kentästä. Menetelmää voidaan ni-30 mittää kentän siirroksi, sillä alkuperäisen kuvan parittoman kentän ja parillisen kentän juovat muodostavat uuden kentän. Näytettävät progressiiviset kentät (= kuvat) muodostuvat siten täydellisestä televisiokuvasta. Tällainen juovan siirto toimii optimaalisesti kun kyseessä on kuvan stationaari-35 nen alue, koska kuvan alkuperäinen resoluutio säilyy. Sen sijaan kuva-alueen sisältäessä liikettä se aiheuttaa liike-virheitä, koska kenttien ajallinen järjestys ei säily.

Il 93071 3

Kolmanneksi voidaan käyttää juovan interpolointia, jossa puuttuvan juovan pikselit interpoloidaan olemassa olevien juovien pikseleistä. Voidaan käyttää joko saman kentän pik-seleitä, jolloin kyseessä on kentän sisäinen (intra-field) 5 interpolointi tai myös muiden kenttien - tavallisesti edeltävän kentän - pikseleitä, jolloin kyseessä on kenttien välinen (inter-field) interpolointi. Yksinkertaisin kentän sisäinen interpolointi on juovien keskiarvotus, jossa uusi juova saadaan edeltävän ja seuraavan alkuperäisen juovan 10 keskiarvona. Keskiarvotus säilyttää liikkeen hyvin, koska näytteet ovat samasta kentästä eli edustavat samaa ajanhet-keä. Koska alipäästösuodatus pehmentää diagonaaliviivoja ja -reunoja, ei synny ns. sahalaitaistumista. Haittana on kuitenkin alipäästösuodatuksen aiheuttamien korkeiden taa-15 juuskomponenttien menetys, jolloin kuvan spatiaalinen resoluutio pienenee ja kuvan liikkumattomiin osiin voi syntyä välkyntää.

Lomittelemattomasta lomiteltuun muunnoksessa käytettäviä 20 uusien juovien interpolointimenetelmiä on esitetty useita. Mainittakoon esimerkiksi suomalaisessa patentissa FI-81232 esitetty menetelmä. Sen painotetun 9 pisteen mediaanisuodat-timen tuloina on näytteitä interpoloitavan juovan naapuri-juovilta, edellisen kentän yksi painotettu näyte sekä paino-25 tettu keskiarvo. Suodatin on siis lineaarisen alirakenteen sisältävä epälineaarinen suodatin. Painokertoimia muuttamalla voidaan vaikuttaa suodattimen ominaisuuksiin stationaari-sella ja liikettä sisältävällä kuva-alueella. Suodatin säilyttää hyvin diagonaaliviivat ja -reunat. Mediaanisuodatuk-30 sen ominaisuuksista johtuen nurkkapisteet voivat kadota ja pienet tekstidetaljit saattavat välkkyä. Jos suodattimessa on lineaarisia alirakenteita, voi syntyä lisäksi ajallista välkyntää.

35 Interpolointia voidaan parantaa ottamalla huomioon kuvassa olevan mahdollisen reunan suunta ja interpoloimalla reunan suunnassa. Interpolointi voi olla joko kentän sisäistä (int-* ra field) tai kenttien välistä (inter-field) prosessointia.

93071 4

Kentän sisäisessä interpoloinnissa voidaan käyttää keskiar-vottamista. Se johtaa matalaan spatiaaliseen resoluutioon. Kenttien välisessä interpoloinnissa voidaan käyttää epälineaarisia suodattimia. Eräs reuna-adaptiivinen interpolointi-5 menetelmä on esitetty suomalaisessa patenttihakemuksessa FI-916195. Menetelmässä, joka on sekä liike- että reuna-adaptiivinen, käytetään interpoloinnissa paikallista kuvasisältöä ts. interpoloitavan juovan ylä- ja alapuolella olevaa juovaa. Interpolointi on temporaalista sikäli, että siinä 10 käytetään myös edeltävän kentän juovaa hyväksi. Reunan tunnistus perustuu 6*3 - ikkunassa laskettavien absoluuttisten erosignaalien summaamiseen ja niiden vastesignaalien keskinäiseen suuruusjärjestykseen. Reunat voidaan tunnistaa yhdeksässä suunnassa, jotka ovat 26, 34, 45, 64, 90, 116, 135, 15 146 ja 154 astetta. Reunantunnistuksessa käytetään hyväksi sitä tietoa, että jos ikkunan sisällä on reuna, niin kahden pikselin erotus on hyvin pieni reunan suunnassa ja vastaavasti suuri reunan yli. Toisin sanoen minimivaste saadaan suurella todennäköisyydellä reunan suunnasta.

20

On esitetty myös liikeadaptiivisia ja liikekompensoituja interpolointimenetelmiä, joissa käytetään hyväksi liikeil-maisimia. Ne ovat monimutkaisia, vaativat paljon kenttä- tai kuvamuistia ja lopputulosta heikentää aina se, että on erit-25 täin vaikea saada kaikissa tilanteissa luotettava liiketie- i. to. Jos liiketieto on väärä, antaa sen perusteella valittu interpolaattori väärän tuloksen, joka näkyy selvästi näytettävässä kuvassa.

30 Edellä kuvattujen tunnettujen videosignaalin lomitellusta progressiiviseksi muuttavien interpolaattoreiden haittoina ovat resoluution aleneminen, eri syistä johtuva välkyntä sekä 1iike-epäterävyys. Terävyyden heikkeneminen on lineaaristen suodattimien sekä lineaarisia että epälineaarisia 35 rakenteita sisältävien yhdistettyjen suodattimien suurin heikkous, kun taas mediaanisuodattimet aiheuttavat pienten kuvayksityiskohtien välkyntää. Osin samoja haittoja syntyy 93071 5 myös interpolointimenetelmissä kenttätaajuuden kaksinkertaistamiseksi .

Tunnetuilla kuvan lomitellusta lomittelemattomaksi muutta-5 villa interpolaattoreilla samoin kuin kenttätaajuuden kaksi-kertaistamiseksi käytetyillä interpolaattoreilla on kuitenkin omat etunsa ja toivottavaa olisikin löytää tapa, jolla niiden tuottamaa interpoloitua pikseliä voidaan parantaa siten, että kuvatut haitat voitaisiin kokonaan poistaa tai 10 ainakin merkittävästi vähentää. Tämä keksintö esittää tavan, jolla voidaan tehokkaasti parantaa progressiiviseksi tai kenttätaajuudeltaan kaksikertaiseksi muunnetun kuvan terävyyttä ja laatua. Menetelmälle on tunnusomaista se, mitä on sanottu patenttivaatimuksessa 1 ja menetelmän toteuttava 15 kytkentäjärjestely on esitetty vaatimuksessa 9.

Keksintö perustuu siihen oivallukseen, että suurin osa tunnettujen menetelmien haitoista johtuu siitä, että uutta interpoloitua pikseliä muodostettaessa menetetään eri syistä 20 johtuen korkeita taajuuskomponentteja. Erityisesti korkeita taajuuskomponentteja katoaa silloin kun interpolointimene-telmä on jokin lineaarinen suodatus, kuten esim. keskiarvot-taminen. Kun nyt jollakin tunnetulla menetelmällä interpo-loituun pikseliin lisätään "puuttuva" taajuusinformaatio, 25 saadaan tulokseksi välkkymätön terävä kuva. Informaation :. lisäyksenä tuotavat korkeataajuiset komponentit voidaan ha luttaessa skaalata. Joissakin tapauksissa korkeiden taajuus-komponenttien lisäys aiheuttaa liian suuria siirtymiä pikse-lin arvossa, mikä näkyy reunan ylikorostumisena ja siksi 30 keksinnön edullisessa suoritusmuodossa suoritetaankin interpoloinnin yhteydessä erityinen kentän sisäinen tarkastelu, jonka tuloksena päätetään, kuinka suuri osuus korkeataajui-sesta informaatiosta lisätään. Lisättävä taajuusinformaatio saadaan ylipäästösuodattamalla edellisestä vastaanotetusta 35 lomitellusta kentästä.

Keksintöä selostetaan havainnollisesti oheisten kaaviollis- * ten kuvien avulla, joissa 6 93071 kuva 1 esittää periaatetta lomitellun kuvan muuttami sesta progressiiviseksi käyttäen kentän sisäistä interpolointia kuva 2 esittää periaatetta kenttätaajuuden kaksinker- 5 taistamiseksi käyttäen kentän sisäistä interpo lointia kuva 3 esittää suurtaajuisen komponentin muodostamisen periaatetta kuvat 4A-4E esittävät ongelmaa interpoloitaessa reunan vie-10 ressä kuva 5 kuvaa reunan tunnistuksen periaatetta kuva 6 on lohkokaavio erään suoritusmuodon kytkentäjär jestelystä ja kuva 7 on lohkokaavio toisen suoritusmuodon kytkentä- 15 järjestelystä.

Kuvassa 1 on ylemmällä rivillä esitetty neljää peräkkäistä vastaanotettua kenttää: paritonta kenttää AI, parillista kenttää Bl, paritonta kenttää A2 ja parillista kenttää B2.

20 Kentät AI ja Bl muodostavat yhden lomitellusti pyyhkäistyn kuvan samoin kuin kentät A2 ja B2. Jos kenttätaajuus on 50 Hz, on kentän kesto 20 ms ja koko kuvan kesto on siten 40 ms. Progressiivinen kuva, jota esittävät alemmat lohkot AI, Bl, A2 ja B2, on muodostettu tässä esimerkissä kentän sisäi-25 sellä vertikaalisella interpoloinnilla siten, että kenttien juovien väliin, esim. kentän AI alkuperäisten parittomien juovien väliin, on interpoloitu parilliset juovat. Interpo-laattori on edullisesti keskiarvottava suodatin, jolloin uusi parillisen juovan pikseli on yläpuolisen ja alapuolisen 30 alkuperäisen pikselin keskiarvo. Progressiivinen kenttä AI, joka on siten sama kuin kuva, pyyhkäistään 20 ms kuluessa. Juovalukumäärä ja siten juovataajuus on kaksinkertaistunut. Vastaavalla tavalla muodostetaan progressiiviset kuvat Bl, A2, B2 jne. Edellä esitetty on progressiiviseksi muunnoksen 35 tunnettu periaate ja on huomattava, että tämä keksintö ei aseta rajoituksia sille, miten uudet juovat on interpoloitu, joskin vertikaalista keskiarvotusta pidetään parhaana suori-’* tusmuotona.

Il 93071 7

Kuvassa 2, joka esittää tunnettua kenttätaajuuden kaksinker-tamisen periaatetta, on vastaavasti kuin kuvassa l ylemmällä rivillä esitetty neljää peräkkäistä vastaanotettua kenttää: paritonta kenttää AI, parillista kenttää Bl ja paritonta 5 kenttää A2. Jos kenttätaajuus on 50 Hz, on kentän kesto 20 ms. 100 Hz:n signaali, jota esittävät alemmat lohkot AI, AI*, Bl*, Bl, A2 ja A2*, sisältää kokonaan uudet kentät AI*, Bl* ja A2*. Ne on muodostettu tässä esimerkissä kentän sisäisellä interpoloinnilla siten, että kenttien juovien vä-10 liin, esim. kentän AI alkuperäisten parittomien juovien väliin, on interpoloitu parilliset juovat, jotka näytetään omana kenttänään. Interpolaattori on edullisesti keskiarvot-tava suodatin, jolloin uusi parillisen juovan pikseli on yläpuolisen ja alapuolisen alkuperäisen pikselin keskiarvo. 15 Pariton kenttä AI ja muodostettu parillinen kenttä AI* pyyhkäistään 20 ms kuluessa, jolloin yhden kentän kesto on 10 ms. Kenttätaajuus on siten kaksinkertaistunut. Edellä esitetty kenttätaajuuden kaksinkertaistaminen on tunnettu ja on huomattava, että tämä keksintö ei aseta rajoituksia sille, 20 miten uusien kenttien juovat on interpoloitu.

Viitataan nyt kuvaan 3. Siinä on esitetty osaa ajallisesti kolmesta peräkkäisestä alkuperäisestä lomitellun videosignaalin kentästä t-1, t ja t+1, joita merkitään kuten edellä 25 AI (pariton kenttä), Bl (parillinen kenttä) ja A2 (pariton > kenttä). Pikseleitä on merkitty suorakaiteella, jonka sisällä on merkki X. Ne pikselit, jotka ovat mukana seuraavassa tarkastelussa, on lisäksi indeksoitu. Samaa indeksointia käytetään kautta koko jäljempänä olevan tekstin. Jokaisessa 30 kentässä pikselit kuuluvat eri juoville mutta ne ovat samassa vertikaalilinjassa. Esityksessä kenttää edustaa siis yh- > den pikselin levyinen pystysuuntainen "siivu". Muunnettaessa kuva progressiiviseksi interpoloidaan kentän t (Bl) parillisten juovien väliin parittomat juovat, joista yhden juovan 35 yhtä interpoloitavaa pikseliä on merkitty kuvassa neliöllä, jonka sisällä on kysymysmerkki. Interpolointi voidaan suorittaa yksinkertaisesti sijoittamalla neliöllä merkityn pik- » selin arvoksi samalta horisontaalipositiolta edeltävän juo- 93071 8 van alkuperäispikselin Xi(j_x ja seuraavan juovan alkuperäis-pikselin Xi(j+1 keskiarvo eli summaamalla pikselit painokertoimilla 1/2. Painokertoimet on merkitty suorakaiteen b viereen ao. pikselin kohdalle. Kuvassa 3 on siis kentän sisäi-5 seen interpolointiin mukaan otettavat pikselit ympäröity katkoviivasuorakaiteella b, nuolet osoittavat interpolointi-suuntaa (vertikaalinen interpolaatio) ja nuolten lähtöpikse-lit ovat keskiarvon laskentaan mukaan otettavat pikselit. Keskiarvottavaa suodatinta voidaan merkitä [1/2 1/2]T.

10

Kenttätaajuuden kaksinkertaistamisessa menetellään samoin kuin edellä paitsi että interpoloidut pikselit muodostavat kokonaan oman kenttänsä, joka pyyhkäistään lomitellusti kentän B1 kanssa. On siten korostettava, että kaikki mitä jäl-15 jempänä sanotaan, pätee siten myös tähän muunnokseen.

Interpoloitava pikseli voidaan laskea tietysti myös suuremmasta joukosta saman vertikaalilinjan pikseleitä. Voidaan siten ottaa mukaan kaksi tunnettua pikseliä Xifj_3, Χχ^.χ in-20 terpoloitavan pikselin (= kysymysmerkki) yläpuolelta ja kak-si xi,j +x» xi,j+3 sen alapuolelta. Mukaan otetut pikselit on kuvassa 2 ympäröity katkoviivasuorakaiteella c ja summauksessa käytettyjen tunnettujen pikseleiden painoarvot voivat olla esim. 1/16, 7/16, 7/16 ja 1/16, kuten on merkitty suo-25 rakaiteen sivuun ao. pikselin kohdalle. Summauksessa on voi-makkaasti painotettu välittömiä naapuripikseleitä ja keskiarvottavaa lineaarista suodatinta voidaan nyt merkitä [1/16 7/16 7/16 1/16]T.

30 Keksinnön mukaisesti lisätään edellä saatuun keskiarvoon korkeataajuusinformaatio. Sitä kuvaa edellisestä alkuperäisestä kentästä t-1 (AI) tuleva nuoli. Informaatio saadaan siis edellisestä alkuperäisestä kentästä AI ylipäästösuodat-tamalla pikselijoukko, johon kuuluu pikseli, joka lomitel-35 lussa kuvassa pyyhkäistäisiin interpoloitavan pikselin paikalle, sekä sen ylä- ja alapuolella olevat välittömät naapu-ripikselit. Mukaan otettavat pikselit kentässä t-1 on indek-*· soitu ja ympäröity katkoviivalla a kuvassa 2. Keskimmäistä li 95071 9 pikseliä Xi(j painotetaan esim. kertoimella 2 ja naapuripik-seleitä Xi(j_2 Da xi,j+2 painotetaan esim. kertoimella -1. Painokertoimet on merkitty ao. pikselin viereen sen vasemmalle puolelle. Ylipäästösuodatin voidaan tällöin merkitä 5 [-1 2 -1]T. Saatu ylipäästösuodatettu arvo skaalataan tä män jälkeen jakamalla se esim. luvulla 4 ja rajoittamalla arvo 8-bittiseksi, jolloin harmaasävyarvo on välillä -128...128. Skaalaus varmistaa, ettei ylipäästösuodatettu arvo aiheuta liian isoja pikseliarvosiirtymiä, kun se lisä-10 tään interpoloituun pikseliarvoon.

Edellisestä kentästä t-1 saatu ylipäästösuodatettu korkea-taajuusinformaatioarvo lisätään sitten kentän t interpoloi-dun pikselin arvoon. On selvää, että korkeataajuuskomponent-15 tia laskettaessa voidaan ottaa mukaan myös toisenlainen joukko pikselin X^j naapurustosta ja käyttää sopivaa suodatinta ja rajoitus voi olla muukin kuin rajoitus 8 bittiin.

Edellä esitetty keksinnön periaate voidaan ilmaista myös 20 kaavalla

Xinterp(i» j »t) = [millä tahansa tunnetulla tavalla interpoloitu pikseli] + Xhigh(i, j , t-1).

25 Mikäli tunnettu tapa on keskiarvottaminen, voidaan kaava • kirjoittaa muotoon ^nterp^1'3 »t) =1/2 [X (i, j - 1, t) +X (1, j +1, t) ] + Xhigh (i, j , t-1) 30 kaavoissa Xinterp(i,j,t) on interpoloitava pikseli X(i,j,t) on juovan j i:s pikseli kentässä t Xhigh(i, j,t-1) on edellisestä kentästä ylipäästösuodattamalla saatu komponentti.

35 Edellä kuvattu menetelmä sopii kylläkin sellaisenaan käytet täväksi, mutta sitä on edullista parantaa lisäpiirteellä: jos siirtymä on hyvin suuri, esim. teksti-TV-sivuilla, joissa on vaalea teksti tummalla pohjalla, tapahtuu pelkkä suur- 10 93071 taajuuskomponentti lisäämällä pikselin arvossa ylitys (overshooting) . Koska ylitys sijaitsee juovan päässä todellisesta reunasta, se näkyy kuvassa selvästi. Ylityksen syynä on edellisestä kentästä saatu ylipäästösuodatettu komponentti, 5 jonka arvo on suuri voimakkaan reunan kohdalla.

Tätä asiaa selventävät kuvat 4a-4e. Kuva 4a esittää alkuperäistä täydellistä kuvaa. Parilliset juovat ovat merkitty katkoviivoin ja parittomat yhtenäisin viivoin. Tummalla mer-10 kityn alueen harmaataso on 50, kun ympäristön harmaataso on 200. Voidaan ajatella, että tummalla merkitty alue on vaalea merkki tummalla pohjalla.

Kuvasta 4b, joka esittää kenttää, josta lasketaan lisättävä 15 korkeataajuusinformaatio, näkyy, että keksinnön mukaisella menetelmällä ylipäästösuodatinta [-1 2 -1]T käyttäen tuli si lisättävän suurtaajuuskomponentin arvoksi ennen skaalausta 150 (= -200+400-50). Skaalauksessa arvo jaetaan neljällä, jolloin lisättävä skaalattu komponenttiarvo Xhigh(i,j,t-1) 20 on 37,5, kuten kuvaan 4b on merkitty.

Kuvassa 4c on esitetty pariton kenttä, johon on interpoloi-tava juovien väliin uusia juovia. Yhtä interpoloitavaa pik-seliä on merkitty ympyrällä. Käyttäen lineaarisena interpo-25 lointina keskiarvotusta kahdesta naapuripikselistä saadaan ’ interpoloidun pikselin arvoksi 200. Kun tähän arvoon lisä tään edellisestä kentästä, kuva 4b, saatu korkeataajuusinformaatio 37,5, on lopullinen pikseliarvo 237,5. Tulos on kuvan 4d mukainen ja nähdään, että progressiivisessa kuvassa 30 on tumman alueen yläpuolelle ilmestynyt ympäristöstä selvästi tummempana erottuva viiva. Keksinnön suora käyttö antaa siis tässä tapauksessa väärän tuloksen. Oikea tulos pitäisi olla kuvan 4e mukainen, jossa interpoloidun juovan pikselei-den arvo tulisi olla 200, kuten ympärillä olevat tunnetut 35 pikselit ovat. Alueen tulisi siis olla tasainen.

Kuvassa 4d näytetty pikseliarvon ylitys (overshooting) voidaan eliminoida kentän sisäisellä tarkistuksella. Tarkistuk-

II

93071 11 sessa tutkitaan ainakin kahta interpoloitavan pikselin ylä-ja alapuolella olevaa alkuperäistä pikseliä. Tilannetta esittää kuva 5. Kuvassa on yhtenäisin viivoin esitetty alkuperäisiä juovia ja katkoviivoin interpoloitavia juovia, 5 joista keskimmäisellä on interpoloitavaa pikseliä merkitty neliöllä. Sen ylä- ja alapuolella olevien alkuperäispikse-leiden (tumma ympyrä) erotuksia lasketaan pareittain siten, että ensin verrataan ylintä pikseliä kuhunkin alapuolella olevaan pikseliin. Jos kunkin erotuksen itseisarvo on suu-10 rempi kuin määrätty kynnysarvo, tulkitaan, että on ylitetty vaakasuuntainen reuna, joka kulkee juovien j-3 ja j-1 välillä. Tällöin tiedetään, että "overshooting"-ilmiö on todennäköinen, joten korkeataajuuskomponenttia ei voida lisätä täydeltä arvoltaan interpoloituun pikseliarvoon vaan halutun 15 kriteerin mukaan lisätään vain osa arvosta tai lisäystä ei tehdä lainkaan.

Jos ylimmän pikselin erotus jostain alapuolisesta kolmesta pikselistä on pienempi kuin kynnysarvo, verrataan alinta 20 pikseliä kerrallaan kuhunkin ylempänä olevaan pikseliin, kuva 5. Jos kunkin erotuksen itseisarvo on suurempi kuin määrätty kynnysarvo, tulkitaan, että on ylitetty vaakasuuntainen reuna, joka kulkee juovien j+3 ja j+1 välillä. Tällöin tiedetään, että "overshooting"- ilmiö on todennäköinen, 25 joten korkeataajuuskomponenttia ei voida lisätä interpoloituun pikseliarvoon.

Kaavamuodossa kuvan 5 mukainen asia voidaan esittää ehtolau-sekkeina: 30

JOS | X(i, j -3, t) -X (i, j -1, t) | > Kthresh JA |X(i, j-3, t) -X(i, j+1, t) | > Kthresh JA | x (i, j-3, t) -X(i, j+3,t) I > Kthresh TAI

35 |X(i, j+3,t)-X(i, j+1, t) | > Kthresh JA

|X(i, j+3,t) -X(i, j-l,t) | > Kthresh JA |X(i, j+3,t)-X(i, j-3, t) | > Kthresh NIIN Xhigh (i, j , t -1) = 0 93071 12

Kynnysarvo voidaan vapaasti valita mutta eräs sopiva arvo on Kthresh=120· Toisin sanoen, jos harmaatason muutos on suurempi kuin 120, tulkitaan kyseisessä kohdassa olevan reuna ja korkeataajuuskomponenttia ei lisätä, vaan interpoloitavan 5 pikselin arvona käytetään sitä arvoa, jonka käytössä oleva menetelmä, esim. keskiarvotus, antaa.

Kuvassa 6 on esitetty eräs kytkentäjärjestely, joka toteuttaa keksinnön mukaisen menetelmän. Tulevan lomitellun kentän 10 juovia johdetaan kolmeen kaskadiin kytkettyyn juovamuistiin 61, 62 ja 63. Juovamuistien lähdöt samoin kuin koko kytkennän tulo on kytketty vertikaalisen reunantunnistuspiirin 612 tuloihin. Sen tuloissa on kullakin hetkellä saman kentän t neljä peräkkäistä saman horisontaaliposition omaavaa pikse-15 liä eli pikselit X(i,j-3,t), X(i,j-l,t), X(i,j+l,t) ja X(i,j+3,t). Reunantunnistuspiiri 612 tutkii, onko näiden pikseleiden välillä vaakasuuntaista reunaa. Piirin toiminta on selostettu edellä kuvan 5 yhteydessä. Jos reuna on, niin piirin 612 lähtösignaali avaa kytkimen 613, jolloin edelli-20 sestä kentästä saatavaa korkeataajuuskomponenttia xhigh(i,j,t—1) ei summata interpoloinnilla saatuun arvoon. Siirtyminen voidaan toteuttaa myös liukuvasti. Tällöin vertikaalinen reunantunnistuspiiri käyttää useampia kynnysarvoja ja korkeataajuuskomponentin skaalaus määräytyy ylitetyn 2 5 kynnysarvon mukaan.

ψ *

Sen hetkinen tuleva pikseli ja juovamuisteista 61 ja 62 saatavat pikselit X(i,j-3,t), X(i,j-l,t) ja X(i,j+l,t) johdetaan ylipäästösuodattimeen, jonka suodatinfunktio on 30 [-1 2 -1]T. Suodatin käsittää vahvistimet 65, 66 ja 67, jotka antavat painokertoimet -1, 2 ja -1 sekä summaimen 64, jossa vahvistinten lähdöt summataan. Suodattimesta saatu korkeataajuuskomponentti skaalataan elimessä 614 ja johdetaan sen jälkeen kenttämuistiin 610. Juovamuistien 61 ja 62 35 lähdöstä saadut pikseliarvot X(i,j-l,t) ja X(i,j+l,t) johdetaan keskiarvon laskevaan interpolaattoriin, joka muodostuu summaimesta 68 ja summa-arvon kahdella jakavasta vahvistus-kertoimen 1/2 omaavasta vahvistimesta 69. Tuloksena on li 13 95071 progressiivisen kuvan interpoloidun juovan pikseli. Siihen lisätään summaimessa 611 kenttämuistista 610 saatu edellisen kentän ylipäästösuodatettu komponenttiarvo Xhigh(ifj , t-1) , jolloin lähtö Xinterp(i,j,t) toteuttaa kaavan: 5

Xinterp (i'3 / t) = 1/2 [X (i , j -1, t) +X (1, j +1, t) ] + Xhigh (i , j , t - 1) .

Tämä on siten sama kaava, joka on jo esitetty sivulla 9. Reunantunnistuspiirin 612 antaman päätöstiedon mukaan yli-10 päästösuodatettu komponenttiarvo joko summataan, kytkin 613 kiinni, tai ei summata interpoloituun keskiarvoon.

Kytkentäjärjestely voidaan toteuttaa myös siten, että kent-tämuisti sijoitetaan ennen ylipäästösuodatinta. Tätä vaih-15 toehtoa esittää kuva 7, jonka viitenumerot vastaavat kuvan 6 viitenumerolta. Vastaanotettu lomiteltu videosignaali johdetaan kenttämuistiin 610, joten videosignaali täyttää juova juovalta kenttämuistia. Juovamuisteiltä 61, 62 ja 63 ei siten tarvitse johtaa linjoja kenttämuistiin. Kun prosessoi-20 daan kenttää t, saadaan edellisen kentän t-1 korkeataajuus-informaation laskennassa tarvittavat pikselit kenttämuistista 610, josta ne johdetaan ylipäästösuodattimeen 65, 66, 67, 64 ja siitä saatu korkeataajuusinformaatio mahdollisesti skaalattuna summataan interpoloidun pikselin arvoon.

25 : Kenttämuistin 610 koko voidaan esim. kuvan 6 suoritusmuodos sa pienentää puoleen siten, että siihen johdettava signaali alinäytteistetään kahdella, alipäästösuodatetaan ja tallennetaan vasta sitten muistiin. Tämä merkitsee käytännössä 30 sitä, että signaalin taajuusspektri siirretään alemmille taajuuksille. Puolen koon kenttämuistista luettu signaali voidaan rekonstruoida täydelliseksi ilman laskostumista, koska dataa ei häviä.

35 Koska ylipäästösuodatus voimistaa tavallisesti kanavakohi- naa, täytyy alipäästöinterpolaattori (esim. keskiarvon tuottava) ja korkeataajuuskomponentin tuottava ylipäästösuodatin sovittaa toisiinsa niin, että ylipäästösuodattimen aiheutta- 14 95071 ma signaalin ylikorostusilmiö (peaking) on niin pieni kuin mahdollista. Esitetty menetelmä ei vahvista kohinaa tasaisilla kuva-alueilla, koska korkeataajuinen komponentti on lähes nolla näillä alueilla. Komponentti on myös skaalattu 5 ja rajoitettu arvojen -128...128 välille, mikä tehokkaasti hillitsee ylikorostusilmiötä.

Keksinnön menetelmää käytettäessä saavutetaan erittäin terävä ja stabiili kuva stationaarisilla kuva-alueilla. Liikettä 10 sisältävillä kuva-alueilla ei ole havaittavissa merkittäviä liikevirheitä. Esitetty reunantunnistuspiiri estää tehokkaasti reunan lähellä tapahtuvan ylikorostumisen (overshooting) .

15 Patenttivaatimukset eivät aseta mitään rajoitusta menetelmälle, jolla uudet juovat interpoloidaan, vaikkakin parhaat tulokset saavutetaan lineaarisilla menetelmillä ja erityisesti kentän sisäisillä (intra-field) interpolaattoreilla. Lineaarisissa inter-field-interpolaattoreissa menetelmä voi-20 daan sisällyttää suoraan suodattimen maskiin, joskin tällaisten interpolaattorien maskit ovat huomattavan suuria ja paljon muistia tarvitsevia. Tällöin menetetään keksinnön suuri etu - pieni muistin tarve ja yksinkertainen maski. Interpolaattorina voidaan käyttää keskiarvottamista, joka on 25 yksinkertainen tapa tai vaikkapa patentin FI-81232 mukaista « • 9 pisteen mediaanisuodatinta, vaikka tällöin saavutettu hyö ty on osoittautunut vähäiseksi. Olennaista on vain se, että kun pikseli on interpoloitu, siihen lisätään korkeataajuus-informaatio, joka on saatu edellisestä kentästä. Informaati-30 on selvittämiseksi on käytetty ylipäästösuodatinta, jonka sisääntulona on kolme pikseliä samalta horisontaalilinjalta. Ylipäästösuodatinta voidaan luonnollisesti laajentaa niin, että sisään tuleva pikselijoukko on laajempi myös horison-taalisuunnassa. Laajennuksen haitta tosin on kasvava muisti-35 tarve ja kytkennän monimutkaistuminen. Korkeataajuusinfor-maatio voidaan lisätä myös pehmeästi pikselin arvoon. Tällöin reunantunnistinpiiri esim. lukuisia kynnysarvoja käyttäen päättää, minkä verran informaatiota lisätään vai lisä-

II

93071 15 täänkö lainkaan. Skaalausta voidaan muuttaa kynnysarvon ylitykseen verrannollisena.

Edellä on selostettu keksintöä etupäässä liittyen kuvan 5 muuttamiseksi progressiiviseksi mutta menetelmää voidaan luonnollisesti sellaisenaan soveltaa myös lomitellun 50 Hz:n signaalin muuttamiseksi lomitelluksi 100 Hz:n signaaliksi. Tässä muunnoksessa interpoloidut uudet pikselit muodostavat kokonaan uuden kentän sen sijaan, että ne sijoitettaisiin 10 alkuperäisten juovien väliin. Kenttien interpolointi on samankaltaista kuin lomitellusta progressiiviseksi muunnoksessa. Interpoloituihin pikseleihin lisätään korkeataajuuskom-ponentti kuten edellä on esitetty.

«

Claims (17)

93071 16

1. Menetelmä lomittelusuhteeltaan 2:1 olevan digitaalisen videosignaalin lomittelusuhteen tai kenttätaajuuden muuttamiseksi, jossa menetelmässä interpoloidaan uudet juovat kun- 5 kin alkuperäisen kentän (t) juovien väliin käyttäen kunkin uuden pikselin muodostamiseen jotain tunnettua interpolointia, jolloin sijoitettaessa uudet juovat vuorottain alkuperäisen kentän (t) juovien kanssa saadaan progressiivinen videosignaali ja sijoitettaessa uudet juovat omaksi kentäk-10 seen saadaan kenttätaajuudeltaan kaksinkertainen videosignaali, tunnettu siitä, että - jokaista interpoloitua pikseliä kohden johdetaan ylipääs-tösuodattimeen edellisen alkuperäisen kentän (t-1) se pikse- 15 li (X^j), joka positioltaan vastaa interpoloidun pikselin positiota, sekä joukko sen naapuripikseleitä, - ainakin osa ylipäästösuodattimesta saadusta suodatetusta signaalikomponentista lisätään korkeataajuusinformaationa (Xhigh (i# j »t-D ) interpoloidun pikselin arvoon. 20

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnet -t u siitä, että suodatettu signaalikomponentti ensin skaalataan.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnet - < t u siitä, että naapuripikseleiden joukko käsittää verti-kaalisuunnassa välittömät naapuripikselit (Xi;j_2, Χ^+2) ·

4. Patenttivaatimuksen l mukainen menetelmä, tunnet -30 t u siitä, että joukko interpoloitavan pikselin tunnettuja naapuripikseleitä johdetaan reunantunnistuspiiriin, joka -· tutkii, onko välittömästi interpoloitavan pikselin ylä- tai alapuolella vaakasuuntainen reuna, ja reunan jyrkkyyden mukaan päättää, kuinka suuri osa suodatetusta signaalikom-35 ponentista (Xhigh(i, j , t-1) ) lisätään pikselin arvoon.

. 5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen menetelmä, tunnet - t u siitä, että reunantunnistuspiiriin johdetaan kaksi in- 93071 17 terpoloitavan pikselin yläpuolella olevaa alkuperäistä pik-seliä (Xij.3, X^j^) ja kaksi sen alapuolella olevaa alkuperäistä pikseliä (xi(j+i, xi,j+3) ja reunantunnistuspiiri vertaa pikseleiden erotuksia annettuun kynnysarvoon 5 <Kthresh) ' jolloin piirille pätee: JOS |X(i,j-3,t)-X(i,j-l,t) | > Kthresh JA |X(i, j-3,t) -X(i, j+l,t) | > Kthresh JA |X(i, j-3,t) -X(i, j+3,t) | > Kthresh 10 TAI |X(i, j+3, t) -X(i, j+l,t) | > Kthresh JA |X(i, j+3,t) -X(i,j-l,t) | > Kthregh JA |X(i,j+3,t)-X(i,j-3,t)| > Kthresh NIIN Xhigh(i, j,t-l) = 0 15

6. Patenttivaatimusten 2, 4 ja 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kynnysarvoja on useita ja skaalaus määräytyy sen mukaan, kuinka paljon tietty kynnysarvo ylitetään. 20

7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnet -t u siitä, että korkeataajuusinformaatiota sisältävä signaali alinäytteistetään kahdella ennen viemistä kenttämuis-tiin ja että kenttämuistin koko on puolet täyden koon muis- 25 tista. •

8. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnet -t u siitä, että uusi pikseli interpoloidaan kentän sisäisesti käyttäen keskiarvottamista, jolloin interpoloitu pik- 30 seli on ylä- ja alapuolella olevien välittömien alkuperäis-pikseleiden (Xifj.lf xifj+1) keskiarvo. •

9. Kytkentäjärjestely lomittelusuhteeltaan 2:1 olevan digitaalisen videosignaalin lomittelusuhteen tai kenttätaajuu- 35 den muuttamiseksi käsittää kaskadiin kytkettynä ainakin en simmäisen (61), toisen (62) ja kolmannen (63) juovamuistin sekä interpolointielimet, jotka tuottavat interpoloituja » 1 pikseleitä uusien juovien muodostamiseksi, jotka voidaan 93071 18 sijoittaa vastaanotetun kentän (t) alkuperäisten juovien väliin tai omaksi kentäkseen, jolloin tuleva lomiteltu videosignaali johdetaan ensimmäisen juovamuistin (61) tuloon, tunnettu siitä, että siihen lisäksi kuuluu: 5. ensimmäinen elin, joka käsittää ainakin ylipäästösuodatti- men (65, 66, 67, 64) ja kenttämuistin (610) kytkettynä peräkkäin ja johon johdetaan vastaanotettavan kentän (t) pik-seleitä ja jonka lähdöstä saadaan edellisen vastaanotetun kentän (t-1) jokaista pikseliä kohti ylipäästösuodatettu 10 korkeataajuuskomponentti (Xhigh(i, j , t-1)) , - ensimmäiseen elimeen ja sanottuihin interpolointielimiin kytketty toinen elin, joka lisää interpoloidun pikselin arvoon ensimmäiseltä elimeltä saatavan korkeataajuuskomponen-tin (Xhigh(i,j,t-l)), joka liittyy interpoloidun pikselin po- 15 sitiota edellisessä kentässä (t-1) vastaavaan pikseliin.

10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen kytkentäjärjestely, tunnettu siitä, että ensimmäisessä elimessä on kent-tämuisti (610) kytketty ylipäästösuodattimen (65, 66, 67, 20 64) jälkeen, jolloin ylipäästösuodattimeen johdetaan sillä hetkellä vastaanotettava videosignaali sekä ensimmäiseltä (61) ja toiselta (62) juovamuistilta saadut viivästetyt videosignaalit .

11. Patenttivaatimuksen 9 mukainen kytkentäjärjestely, ·1: tunnettu siitä, että ensimmäisessä elimessä on kent- tämuisti (610) kytketty ennen ylipäästösuodatinta (65, 66, 67, 64), jolloin ylipäästösuodattimeen johdetaan sillä hetkellä vastaanotettava videosignaali. 30

12. Patenttivaatimuksen 9 mukainen kytkentäjärjestely, tunnettu siitä, että - toiseen elimeen kuuluu summmauselin (611) sekä sen ja ensimmäisen elimen välillä oleva ohjattava kytkin (613) 35. kytkimen (613) ohjaustulo on kytketty reunantunnistuspii- riin (612), jonka tulona on senhetkinen tuleva lomiteltu videosignaali sekä ainakin kolmen juovamuistin (61, 62, 63) : lähtösignaali xi,j-i,t» xi,j+i,t' xi,j+3,t> ja 3onka ϋ . 19 93071 lähtösignaali asettaa tilastaan riippuen ohjattavan kytkimen (613) joko kytkemään summauselimen (611) ensimmäiseen elimeen tai siitä irti.

13. Patenttivaatimuksen 10 tai 11 mukainen kytkentäjärjes tely, tunnettu siitä, että ylipäästösuodattimen jälkeen on kytketty skaalauselin (614) suodattimelta saatavan komponenttiarvon tason ohjaamiseksi.

14. Patenttivaatimuksen 12 mukainen kytkentäjärjestely, tunnettu siitä, että reunantunnistuspiiri (612) käsittää laskentaelimet pikseleiden erotuksien vertaamiseksi annettuun kynnysarvoon (K^J , jolloin piirille pätee:

15 JOS |X(i,j-3,t)-X(i,j-l,t) | > K^,,, JA |X(i,j-3,t)-X(i,j+l,t) | > K*** JA |X(i, j -3, t) -X (i, j +3 , t) | > K,*.* TAI |X(i,j+3,t)-X(i,j+l,t) | > JA 20 |X(i, j+3,t)-X(i, j-l,t) | > JA | X (i, j+3,t) -X(i, j-3,t) I > NIIN Xhigi, (i, j , t -1) = 0

15. Patenttivaatimusten 12 ja 13 mukainen kytkentäjärjeste-25 ly, tunnettu siitä, että reunantunnistuspiiri (612) on kytketty myös skaalauselimeen (614) ja sen skaalaustekijä muuttuu sanotulta piiriltä tulevan ohjaussignaalin määräämänä .

16. Patenttivaatimuksen 10 mukainen kytkentäjärjestely, tunnettu siitä, että ylipäästösuodattimen (65, 66, 67, 64) tuloina on tuleva lomiteltu videosignaali sekä ensimmäisen (61) ja toisen (62) juovamuistin lähtösignaali (Xjj-2, Xjj+2) ja että ylipäästösuodattimessa painotetaan ker-35 toimella 2 ensimmäisen juovamuistin (62) lähtösignaalia (X^) ja kertoimella -1 kahta muuta tulosignaalia (Χ^.2/ Χ^+2) » jolloin ylipäästösuodattimelle pätee [-1 2 -l'jT. 93071 20

17. Patenttivaatimuksen 9 mukainen kytkentäjärjestely, tunnettu siitä, että interpolointielin uusien pik-selien muodostamiseksi on kentän sisäinen keskiarvottava elin ja käsittää ensimmäisen summaimen (68) ja ainakin yhden 5 2-jakajan (69), interpolointielimen tulojen ollessa kytketty ensimmäisen (61) ja toisen (62) juovamuistin lähtöön ja lähdön ollessa kytketty toisen summaimen (611) tuloksi.

18. Patenttivaatimuksen 9 mukainen kytkentäjärjestely, 10 tunnettu siitä, että ennen kenttämuistia on kytketty alinäytteistyselin, joka alinäytteistää siihen tulevan signaalin kahdella, jolloin kenttämuistin (610) koko voidaan pienentää puoleen täyden koon muistista.

15 Patentkrav