IT9067504A1

IT9067504A1 - Dispositivo convertitore di scansione perfezionato per segnali televisivi

Info

Publication number: IT9067504A1
Application number: IT067504A
Authority: IT
Inventors: Andrea Biasiolo
Original assignee: Seleco Spa
Priority date: 1990-07-06
Filing date: 1990-07-06
Publication date: 1992-01-06
Also published as: DE69125989D1; ES2104634T3; DE69125989T2; EP0471959A2; IT1240384B; IT9067504A0; EP0471959B1; EP0471959A3

Description

Descrizione dell'invenzione industriale dal titolo:

"DISPOSITIVO CONVERTITORE DI SCANSIONE PERFEZIONATO PER SEGNALI TELEVISIVI"

RIASSUNTO

La presente invenzione si riferisce ad un dispositivo convertitore di scansione per segnali televisivi, in particolare per un ricevitore di segnali televisivi, per convertire la scansione da interlacciata a progressiva; la caratteristica principale dell'invenzione consiste nel fatto che è prevista la combinazione di un filtro lineare bidimensionale e di un rivelatore di movimento dell'immagine, e che sono previsti mezzi per adattare il filtro, deformandone la maschera in corrispondenza delle zone di movimento dell'immagine, in modo analogo alla deformazione subita dallo spettro dell'immagine stessa in conseguenza del movimento.

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce ad un dispositivo convertitore di scansione per segnali televisivi, in particolare per un ricevitore di segnali televisivi, per convertire la scansione da interlacciata a progressiva.

Ε' noto che, con l'aumentare delle dimensioni e della qualità degli schermi dei televisori, divengono via via più evidenti e fastidiosi i difetti tipici del sistema tradizionale televisivo PAL, a 625 linee, 50 semiquadri al secondo, interlacciati a due a due (sistema abbreviato comunemente in 625/50/2:1).

Difetti quali il traballio delle righe (interiine twitter), lo sfarfallio su larga area (large area flicker), il serpeggiamento delle linee (line crawl) risultano inaccettabili in un sistema televisivo a qualità migliorata; per migliorare o comunque ridurre tali difetti è necessario modificare i parametri della scansione televisiva tradizionale (rapporto di interlaccio, numero di righe per semiquadro, frequenza di presentazione dei semiquadri). In particolare per eliminare il traballio delle righe risulta opportuno adottare una scansione progressiva (senza interlaccio), per rendere invisibile lo sfarfallio su larga area è necessario aumentare la frequenza di semiquadro (almeno fino a 75 Hz), per attenuare il serpeggiamento delle linee è necessario aumentare il numero delle righe per quadro (con ciò fra l'altro migliorando la risoluzione verticale).

Tuttavia la necessità di assicurare una piena compatibilità con il sistema in vigore e l'esigenza da parte degli enti trasmittenti di evitare il più possibile modifiche agli impianti di produzione e trasmissione in uso, di fatto impongono sistemi di televisione a qualità migliorata (I.Q.T.V. Improved Quality TeleVision) in cui si effettuino elaborazioni del segnale esclusivamente in ricezione.

Questi fatti hanno dato notevole impulso negli ultimi anni agli studi sugli interpolatori multidimensionali e sui convertitori di scansione per sistemi televisivi; in particolare in questo contesto si è preso in esame il passaggio dallo standard 625/50/2:1 al 625/50/1:1 (P.S.U. Progressive Scan Up-conversion) .

Per ottenere un segnale a scansione progressiva partendo dal segnale ricevuto a scansione interlacciata 2:1 è necessario operare una interpolazione atta a fornire le linee mancanti nel segnale ricevuto, che vengono poi "infilate" tra le linee originali, ottenendo così un segnale a 625 linee per semiquadro (625x50=frequenza di linea 31250 Hz).

Effettuando 1*interpolazione, si nota un più o meno evidente degrado nelle zone di immagine in cui è presente un movimento consistente; tale degrado risulta particolarmente visibile in corrispondenza delle alte frequenze spaziali e si manifesta sotto forma di code o sbavature ( "blurring"). Tale effetto è dovuto a due cause: il segnale di partenza non è a banda limitata in quanto usualmente non prefiltrato; il movimento delle immagini modifica lo spettro del segnale.

Infatti lo spettro di una immagine, in presenza ad esempio di moto puramente traslatorio, presenta componenti di frequenza tutte contenute in un piano orientato nello spazio tridimensionale in modo dipendente dalla direzione e dalla intensità del moto.

Schematicamente: per interpolare una linea nuova tra due linee di una immagine fissa è sufficiente calcolare la media di due linee omologhe appartenenti a trame contigue (interpolazione temporale o inter-field); se viceversa l'immagine è rapidamente variabile nel tempo, la linea mancante può essere ottenuta dalle righe che nella trama corrente si trovano immediatamente sopra e sotto di essa (interpolazione verticale o intra-field). Ovviamente 1'interpolazione temporale fallisce non appena vi siano variazioni nell'immagine, mentre quella verticale è dannosa in presenza di transizioni verticali.

Sono state proposte soluzioni di interpolazione fissa in cui si cerca di ottenere un filtro fisso che offra accettabili prestazioni sia su immagini statiche che in presenza di movimento (vedi per esempio: M. Weston, "Fixed, adaptive and motion compensated interpolation of interlaced TV pictures", BBC RD 1988; A. Biasiolo, G.M. Cortelazzo, G.A. Mian, "An interlaced to progressive scan converter for improved PAL Systems", ICCE Chicago 1990). Una di tali soluzioni prevede ad esempio un "raster" vertico-temporale che si estende per tre trame (fields) nel tempo e per cinque linee in senso verticale; coefficienti differenti di pesatura sono previsti a seconda della linea e della trama considerata.

Un altro metodo consiste nell'uso di un rivelatore di movimento al fine di rendere adattiva l'interpolaziene usando una somma opportuna di campioni inter-field ed intra-field, variante a seconda della quantità di movimento presente.

I risultati ottenibili con le tecniche note non sono tuttavia soddisfacenti; il compromesso raggiungibile tra condizione di immagine fissa e condizione di immagine in movimento non è accettabile per un televisore a qualità veramente migliorata. Scopo della presente invenzione è quindi quello di indicare un convertitore di scansione per segnali televisivi che consenta di ottenere risultati qualitativamente migliori di quelli noti, raggiungendo un soddisfacente compromesso fra condizione di immagine fissa e condizione di immagine in movimento.

Per conseguire tale scopo la presente invenzione ha per oggetto un dispositivo convertitore di scansione per segnali televisivi, in particolare per un ricevitore di segnali televisivi, per convertire la scansione da interlacciata a progressiva, caratterizzato dal fatto che è prevista la combinazione di un filtro lineare bidimensionale e di un rivelatore di movimento dell'immagine, e che sono previsti mezzi per adattare il filtro, deformandone la maschera in corrispondenza delle zone di movimento dell'immagine, in modo analogo alla deformazione subita dallo spettro dell'immagine stessa in conseguenza del movimento.

Ulteriori scopi e vantaggi della presente invenzione risulteranno chiari dalla descrizione particolareggiata che segue e dai disegni annessi, forniti a puro titolo di esempio esplicativo e non limitativo, in cui:

- la figura 1 rappresenta lo schema a blocchi molto semplificato di un convertitore di scansione;

- la figura 2 rappresenta la maschera della risposta impulsiva del filtro interpolatore per i segnali di luminanza (a) e di crominanza (b), secondo l'invenzione e la risposta in frequenza (d) del filtro;

- la figura 3 rappresenta lo schema a blocchi di un interpolatore utilizzante il filtro di figura 2;

- la figura 4 rappresenta i blocchi di punti {pixel) presi in considerazione dal rivelatore di movimento;

- la figura 5 rappresenta lo schema a blocchi semplificato del rivelatore di movimento facente parte del convertitore secondo l 'invenzione;

- la figura 6 rappresenta lo schema del blocco ritardi contenuto nel rivelatore di movimento di figura 5;

- la figura 7 rappresenta lo schema a blocchi dell ' interpolatore adattivo secondo l'invenzione, indicante in particolare come venga realizzata la modifica della maschera del filtro in presenza di movimento dell'immagine.

L'invenzione si basa infatti sul principio di adattare la maschera frequenziale del filtro in corrispondenza delle zone di movimento dell'immagine, in modo analogo alla deformazione subita dallo spettro dell'immagine stessa in presenza di movimento, adottando come maschera di partenza quella di un filtro lineare bidimensionale progettato in modo idoneo per minimizzare la presenza dei cosiddetti "ringing" sia del tipo "overshoot1' che del tipo "undershoot"; nell'esempio descritto il rivelatore di movimento è basato sull'algoritmo differenziale di Cafforio e Rocca a tre passi (vedi C. Cafforio - F. Rocca, "Methods for measuring amali displacements of television images", IEEE Trans. Inforni. Theory, voi. 22, No 5, Sept. 1976), ma potrebbe venir usato anche un altro metodo, ad esempio quello cosiddetto del Block Matching (vedi ad esempio H. G. Mussmann et al, "Advances in picture coding", Proc. of IEEE, voi. 73, No 4, Aprii 1985).

Nella figura 1 è rappresentato lo schema a blocchi molto semplificato di un convertitore di scansione; lo schema è relativo alla sola parte del segnale di luminanza (Y); per i segnali di crominanza U e V occorrono altri due canali, analoghi, operanti con frequenza di clock pari alla metà di quella del segnale Y (data la minore banda passante).

Nella figura 1 si vede il segnale di ingresso Yin di luminanza, del segnale interlacciato, che viene digitalizzato in un convertitore A/D operante alla frequenza di campionamento di 13,5 Mhz e quantizzato su 8 bit/campione; il segnale digitalizzato entra nel blocco interpolatore INTER, dove mediante una opportuna sistemazione di ritardi di linea e trama vengono rese disponibili le linee necessarie per ricavare, mediante interpolazione, le linee mancanti nella trama corrente (vedi figura 2a); le linee originali invece vengono solo ritardate opportunamente nel blocco DELAY, in modo da portarle in fase con quelle interpolate.

Le linee originali ed interpolate, disponibili contemporaneamente, vengono memorizzate in due memorie di linea, che vengono scritte (W) con un clock a 13,5 Mhz; tali memorie vengono poi lette (R) alternativamente con un clock a 27 Mhz, rendendo così disponibile, previa riconversione digitale/analogica, un segnale adatto ad essere inviato ad un monitor a scansione doppia (31250 Hz).

Nella figura 2 sono rappresentate le maschere del filtro interpolatore per i segnali di luminanza (a) e di crominanza (b) , secondo l'invenzione; il segnale di luminanza prevede una maschera che si estende per 9 linee verticali adiacenti (quindi dalla linea n-4 alla linea n+4) e su 5 trame consecutive (quindi dalla trama n-2 alla trama n+2, vedi fig. 2a); la maschera per i segnali di crominanza è più semplice e si estende solo per tre linee verticali e su tre trame consecutive (vedi fig. 2b).

Le crocette indicano i pixel originali; i puntini quelli da interpolare; il doppio cerchietto centrale indica il pixel da calcolare per l'interpolazione (linea n e trama n), utilizzando nel caso del segnale Y i 22 pixel originali della maschera completa di fig. 2a, e nel caso dei segnali di crominanza, i 4 pixel originali della maschera di figura 2b.

In figura 2d è rappresentata la risposta in frequenza del filtro interpolatore della luminanza.

Nella figura 3 è rappresentato lo schema a blocchi di un interpolatore quale quello impiegato nella fig. 1; il segnale in ingresso, a 13,5 Mhz e 8 bit viene fatto passare attraverso blocchi di ritardo di linea (LD) e di trama (FD); le linee rese così disponibili vengono poi sommate in maniera opportuna, per sfruttare le simmetrie proprie del filtro interpolatore e ridurre il numero di moltiplicatori necessari; successivamente esse vengono moltiplicate per i coefficienti del filtro (Cl, C2, C3, C4) e, infine, sommate per ottenere la linea interpolata (New Line). Per semplicità la maschera realizzata dall'interpolatore descritto nella figura 3 è quella semplificata della figura 2c.

Finora abbiamo descritto un sistema di interpolazione fissa bidimensionale (vertico-temporale), senza tener conto di un adattamento di esso ad un eventuale movimento dell'immagine. Per realizzare tale adattamento occorre innanzitutto un rivelatore di movimento.

Nella figura 4 sono rappresentati i blocchi di pixel presi in considerazione dal rivelatore di movimento secondo l'invenzione, il cui schema a blocchi semplificato è rappresentato nella figura 5; lo schema del blocco ritardi, contenuto nella figura 5, è rappresentato nella figura 6.

Lo schema proposto di rivelatore di movimento permette di associare un vettore movimento ad ogni pixel dell'immagine da elaborare; la stima del vettore movimento viene effettutata considerando, per ogni pixel, un blocchetto, di pixel circostanti, che consta di 5 pixel per 3 linee, per un totale di 15 pixel (vedi Fig. 4a).

Viene inoltre presa in considerazione un'area di ricerca estesa ad un superblocco di 91 pixel (13 pixel per 7 linee, vedi Fig. 4b) .

La stima del movimento viene effettuata considerando, sulla trama corrente, i 15 pixel del blocchetto di fig. 4a e, sulla trama corrispondente del quadro successivo (trama n+2), i 91 pixel del superblocco di fig. 4b, resi disponibili contemporaneamente da una opportuna disposizione di ritardi, rappresentata nello schema della figura 6, nella quale Tp indica il ritardo di un pixel, mentre LD indica il ritardo di una linea.

La disponibilità della matrice di pixel della fig. 4b rende possibile la selezione del blocchetto corrispondente al vettore movimento stimato al passo precedente dell'algoritmo, necessario per il calcolo della cosiddetta Displaced Frame Difference (DFD) e quindi della nuova stima (vedi figure 4c e 4d).

Le matrici di pixel delle figure 4a e 4b saranno altresì ritardate opportunamente, mediante i blocchi MR (Matrice Ritardi) indicati in figura 5, così da poterne disporre al passo successivo dell'algoritmo per l'aggiornamento della stima.

Lo schema descritto di accesso ai pixel da utilizzare per la stima permette un alto grado di parallelismo delle operazioni, e quindi una elevata velocità di calcolo; il blocco .stimatore è stato realizzato con una struttura del tipo cosiddetto a "pipeline" e prevede, ad ogni passo, i blocchi funzionali per il calcolo della Frame Difference (FD), della Displaced Frame Difference (DFD), del Gradiente della I (GRAD I) e della stima futura del vettore D (vedi figura 5).

Il vettore movimento stimato (D) viene quindi inviato ad un decodificatore (MD, in figura 7), che fornisce i segnali di controllo (S) necessari ai selettori (SEL) ed i coefficienti (CO, Cl-, C1+) per effettuare 1'interpolazione, vedi la figura 7, nella quale è appunto rappresentato lo schema a blocchi dell'interpolatore adattivo secondo l'invenzione; esso ricalca quello non adattivo della figura 3, ma incorpora in più dei dispositivi selettori (SEL) dei ritardi impartiti ai segnali in transito .

Immaginando uno spazio tridimensionale definito da tre assi cartesiani X, Y e T (tempo) si ricorda che lo spettro di una immagine, in presenza di un moto puramente traslatorio, presenta componenti frequenziali tutte contenute in un piano orientato in detto spazio tridimensionale in modo dipendente dalla direzione e dall'intensità del moto presente nell'immagine stessa.

I selettori della figura 7 rendono possibile la rotazione rigida del piano Y-T attorno all'asse Y, allo scopo di compensare il moto di traslazione lungo la direzione X, mentre la deformazione di tipo baricentrico del "raster" del filtro, necessaria per compensare il movimento lungo la direzione Y, si ottiene agendo direttamente sul valore dei coefficienti del filtro (CO, Cl-, C1+) .

Le caratteristiche del dispositivo descritto risultano chiare dalla descrizione effettuata e dai disegni annessi.

Dalla descrizione effettuata risultano pure chiari i vantaggi del convertitore di scansione oggetto della presente invenzione. In particolare essi sono rappresentati dal fatto che con il convertitore descritto si ottiene un risultato complessivo migliore qualitativamente di quello ottenibile con i dispositivi noti.

E' chiaro che numerose varianti sono apportabili dall'uomo dell'arte, ai dispositivi descritti come esempio, senza per questo uscire dall'ambito dei principi di novità insiti nell'invenzione.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo convertitore di scansione per segnali televisivi, in particolare per un ricevitore di segnali televisivi, per convertire la scansione da interlacciata a progressiva, caratterizzato dal fatto che è prevista la combinazione di un filtro lineare bidimensionale e di un rivelatore di movimento dell'immagine, e che sono previsti mezzi per adattare il filtro, deformandone la maschera in corrispondenza delle zone di movimento dell'immagine, in modo analogo alla deformazione subita dallo spettro dell'immagine stessa in conseguenza del movimento.
2. Dispositivo convertitore di scansione per segnali televisivi, secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto filtro lineare bidimensionale prende in considerazione per l 'interpolazione del segnale di luminanza pixel appartenenti a 9 linee verticali successive e a 5 trame successive.
3. Dispositivo convertitore di scansione per segnali televisivi, secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detto filtro lineare bidimensionale prende in considerazione per l 'interpolazione dei segnali di crominanza pixel appartenenti a 3 linee verticali successive e a 3 trame successive.
4. Dispositivo convertitore di scansione per segnali televisivi, secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto rivelatore di movimento prende in considerazione, per la stima del movimento, un blocco di pixel sulla trama corrente formato da 5 pixel adiacenti su 5 righe verticali successive.
5. Dispositivo convertitore di scansione per segnali televisivi, secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che detto rivelatore di movimento prende in considerazione, per la stima del movimento, un blocco di pixel sulla seconda trama successiva a quella corrente formato da 13 pixel adiacenti su 7 righe verticali successive
6. Dispositivo convertitore di scansione per segnali televisivi, secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto filtro lineare bidimensionale viene controllato tramite segnali (S) di controllo emessi da detto rivelatore di movimento, agenti su selettori (SEL) contenuti in detto filtro, i quali provvedono a selezionare i ritardi impartiti ai segnali in transito.
7. Dispositivo convertitore di scansione per segnali televisivi, secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto filtro lineare bidimensionale viene controllato tramite segnali di controllo (CO, Cl-, C1+) emessi da detto rivelatore di movimento, che definiscono coefficienti variabili di interpolazione per detto filtro.
8. Dispositivo convertitore di scansione per segnali televisivi, quale risulta dalla presente descrizione e dai disegni annessi.