NL9101080A

NL9101080A - Inrichting voor het splitsen van een digitaal geinterlinieerd televisie signaal in componenten.

Info

Publication number: NL9101080A
Application number: NL9101080A
Authority: NL
Inventors: Imran Ali Shah; Rob Anne Beuker
Original assignee: Koninkl Philips Electronics Nv
Priority date: 1991-06-24
Filing date: 1991-06-24
Publication date: 1993-01-18
Also published as: KR100273075B1; DE69229082D1; ATE179855T1; US5239377A; KR930001741A; JPH05199501A; AU1845892A; AU659459B2; DE69229082T2; EP0520546B1; EP0520546A1

Description

Inrichting voor het splitsen van een digitaal geïnterlinieerd televisie signaal in componenten.

GEBIED VAN DE UITVINDING

De uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor het splitsen van een digitaal geïnterlinieerd televisie signaal in componenten. Een dergelijke inrichting wordt bijvoorbeeld toegepast voor reductie van de resolutie van een televisie signaal, voor productie van een multiresolutie signaal, of voor datacompressie. In het bijzonder kan de uitvinding worden toegepast voor het afleiden van een geïnterlinieerd low-definition televisie signaal uit een geïnterlinieerd high-definition (HDTV) televisie signaal en voor compatibele transmissie van HDTV signalen. De uitvinding heeft tevens betrekking op een inrichting voor het reconstrueren van een geïnterlinieerd televisie signaal uit genoemde componenten.

ACHTERGROND VAN DE UITVINDING

Teneinde televisie signalen efficiënt over te dragen of op te slaan neemt men vaak zijn toevlucht tot digitalisering en codering van het signaal. Bij digitalisering wordt het televisie signaal bemonsterd waardoor discrete beeldelemenenten worden verkregen die ieder door een aantal bits worden gerepresenteerd. Bij codering worden de beeldelementen voor overdracht of opslag omgezet in codewoorden. De codering bewerkstelligt dat het aantal bits, nodig voor overdracht of opslag van de codewoorden, aanzienlijk kleiner is dan het aantal bits dat nodig is voor overdracht van de oorspronkelijke beeldelementen. Uit de codewoorden wordt het televisie signaal vervolgens zo goed mogelijk gereconstrueerd. Om bij een gegeven bitrate een zo goed mogelijke beeldkwaliteit mogelijk te maken vindt voorafgaande aan de codering processing van het digitale televisie signaal plaats. Een voorbeeld van processing bij televisie signalen is low-pass filtering, welke wordt toegepast om de resolutie van het televisie beeld te reduceren.

Een inrichting voor processing van geïnterlinieerde televisie signalen is bekend uit referentie [1]. In deze bekende inrichting wordt door middel van processing uit een televisie signaal een signaal met gereduceerde resolutie afgeleid. Meer in het bijzonder wordt een compatibel standaard televisie (SDTV) signaal uit een high-definition televisie (HDTV) signaal afgeleid. Het SDTV signaal wordt daarbij verkregen door het HDTV signaal toe te voeren aan een verticaal low-pass filter. Het uitgangssignaal van het verticale low-pass filter omvat aldus een laagfrequent gedeelte van het ingangssignaal in verticale richting en wordt hierna ook wel het basisband signaal of spatieel signaal genoemd. Het kan, na tevens aan horizontale low-pass filtering onderworpen te zijn, worden weergegeven door standaard televisie ontvangers. Zoals in de referentie is beschreven, zou het SDTV signaal kunnen worden verkregen door zogenaamde intraframe processing van het videosignaal, waarbij de verticale filtering wordt toegepast op elk HDTV beeld. Daarbij treden echter onaanvaardbare bewegingsartefacten op. Zoals nog verklaard zal worden zijn deze bewegingsartefacten een inherent gevolg van de verticale filtering. Bij de bekende inrichting wordt daarom field processing toegepast. Dat wil zeggen dat de twee geïnterlinieerde rasters waaruit een televisie beeld is opgebouwd afzonderlijk worden gefilterd. Zoals in de referentie is aangegeven verhoogt field processing echter de bitrate. Bovendien blijken voor de twee fields verschillende verticale filters nodig te zijn hetgeen de complexiteit van een dergelijk compatibel transmissiesysteem verhoogt.

SAMENVATTING VAN DE UITVINDING

De uitvinding beoogt een inrichting aan te geven voor intraframe processing van geïnterlinieerde televisie signalen waarbij waarneembare bewegingsartefacten achterwege blijven.

De inrichting omvat daartoe volgens de uitvinding een eerste filter met verticale low-pass filterwerking voor het opwekken van een spatieel signaal en een tweede filter met verticale high-pass filterwerking voor het opwekken van een een bewegings- hulpsignaal waarbij de verticale filterfrequenties van het eerste en tweede filter niet beiden gelijk zijn aan Vztt waarin π correspondeert met de halve verticale samplefrequentie. Aan beide filters worden geïnterlinieerde beelden van het televisie signaal toegevoerd.

Worden het spatieel signaal en het bewegingshulpsignaal weer gecombineerd, dan blijken bij weergave van het gecombineerde signaal geen waarneembare bewegingsartefacten meer op te treden. De bandbreedte van het bewegingssignaal kan hierbij gering zijn. De intraframe processing heeft verder het voordeel dat het geïnterlinieerde beeld nu efficiënter kan worden gecodeerd dan twee rasters. Met name blijkt het bewegingssignaal efficiënt te kunnen worden gecodeerd. Het televisie signaal kan derhalve met een lagere bitrate worden verzonden.

De uitvinding berust op het inzicht dat het tweedimensionale frequentiespectrum van een geïnterlinieerd televisie beeld bij beweging in twee delen uiteenvalt. Het eerste deel, basisband component of spatieel signaal genoemd, omvat de lage ruimtelijke frequenties en wordt grotendeels bepaald door de ruimtelijke inhoud van het televisie beeld. Zou alleen dit spatieel signaal worden weergegeven, dan zouden bewegingsartefacten ontstaan. Het tweede deel is een alias component met hoge verticale frequenties en ontstaat ten gevolge van de beweging in het geïnterlinieerde beeld. Beide delen zijn bewegingsafhankelijk. Bij afwezigheid van beweging is de alias component afwezig. Beide signalen worden nu aan codering en transmissie of opslag onderworpen. Na decodering en samenvoeging van beide signalen blijken ongewenste bewegingsartefacten nagenoeg achterwege te blijven. Het is daarbij voldoende dat het bewegingshulpsignaal een relatief gering gedeelte van het frequentiespectrum omvat.

Een uitvoeringsvorm van de inrichting heeft het kenmerk, dat het verticale low-pass filter en het verticale high-pass filter zijn gekoppeld aan verticale subsamplers en verder zijn gekoppeld aan horizontale low-pass filter middelen, horizontale high-pass filter middelen en horizontale subsampler middelen. Hiermee worden vier signalen opgewekt, namelijk een low-pass spatieel signaal, een high-pass spatieel signaal, een low-pass bewegingshulpsignaal en een high-pass bewegingshulpsignaal. Deze uitvoeringsvorm heeft ten opzichte van de bekende inrichting belangrijke voordelen. De inrichting is minder gecompliceerd daar er geen verschillende filters nodig zijn voor verschillende rasters. Verder kunnen de verticale filter frequenties vrij gekozen worden. Bovendien behoeven de genoemde vier signalen tezamen niet het volledige HDTV frequentie spectrum te dekken hetgeen een efficiënte codering van het televisie signaal mogelijk maakt. Het SDTV signaal wordt nu gereconstrueerd uit het low-pass spatieel signaal en het low-pass bewegingshulpsignaal. Daarbij treden geen waarneembare bewegingsartefacten op. Het HDTV signaal wordt gereconstrueerd uit alle vier signalen, waarbij evenmin waarneembare bewegingsartefacten optreden.

REFERENTIES

[1] M. Breeuwer and P.H.N. de With,

Source Coding of HDTV with Compatibility to TV, SPIE Visual Communications and Image Processing Vol. 1360, 1990, pp. 765-776 [2] William K. Pratt,

Digital Image Processing,

John Wiley & Sons, 1978 [3] Ronald E. Crochiere, Lawrence R. Rabiner,

Multirate Digital Signal Processing,

Prentice-Hall, Inc., 1983

KORTE BESCHRIJVING VAN DE FIGUREN

Figuur 1 toont een voorbeeld van het frequentie spectrum van een geïnterlinieerd televisie beeld zonder beweging.

Figuur 2 toont een voorbeeld van het frequentie spectrum van een geïnterlinieerd televisie beeld met beweging.

Figuur 3 demonstreert het effect van verticale filtering op een bewegend beeld.

Figuur 4 geeft een uitvoeringsvoorbeeld weer van een inrichting volgens de uitvinding.

Figuur 5 toont het frequentiespectrum van het uitgangssignaal van de in figuur 4 weergegeven inrichting.

Figuur 6 toont een inrichting voor het afleiden van een digitaal SDTV

signaal uit een digitaal HDTV signaal.

Figuur 7 toont enige frequentie spectra ter toelichting op de werking van de in figuur 6 weergegeven inrichting.

Figuur 8 toont een verder uitvoeringsvoorbeeld voor een gedeelte van de in figuur 6 weergegeven inriuchting.

Figuur 9 toont een uitvoeringsvoorbeeld van een compatibel transmissie systeem.

Figuur 10 toont een HDTV frequentie spectrum ter loelichting op de werking van het in figuur 9 weergegeven compatibel transmissie systeem.

Figuur 11 toont een verder uitvoeringsvoorbeeld van een inrichting voor compatibele transmissie.

Figuur 12 toont een HDTV frequentie spectrum ter loelichting op de werking van de in figuur 10 weergegeven inrichting.

Figuur 13 toont een uitvoeringsvoorbeeld van een schakeling voor het terugwinnen van HDTV hulpsignalen uit een SDTV signaal.

BESCHRIJVING VAN UITVOERINGSVOORBEELDEN

1. Korte samenvatting van digitale signaal processing

Een digitaal signaal f(n) wordt verkregen door sampling van een analoog signaal f(x) op discrete posities ηΔχ. Hierin is n=0, +1, +2, etc. en Δχ een periode van de spatiële sampling frequentie fs=l/Ax. Het frequentie spectrum F(oj) van het signaal f(n) wordt bepaald door de betrekking:

In deze betrekking wordt de spatiële frequentie ω uitgedrukt in radialen ten opzichte van de sampling frequentie fs. F(o) is een periodiek spectrum met een periode gelijk aan de sampling frequentie ω=2ττ.

Details over digitale signaal processing zijn te vinden in referenties [2] and [3]. Voor het gemak zijn hieronder de eigenschappen van enkele elementaire signaal bewerkingen samengevat.

Verschuiven over k samples: y(n)=f(n-k) 7(ω) =F(o>) e"*»* (1.1)

Subsampling met een factor M: y(n)=f(Mn)

Meer in het bijzonder, subsampling met een factor 2: y(n)=f(2n)

Upsampling met een factor L: y(n)=f(n/L) for n=0,±L,±2L,.. Y(v)=F(vL) (1.4) y(n) =0 for other η Modulatie: y(n)=(-l)n.f(n) Y(w)=F(o>-t) (1.5) 2. Analyse van een geïnterlinieerd TV beeld zonder beweging.

Laat x(u,v) de twee-dimensionale digitale representatie zijn van een televisie beeld. Ieder pixel op een discrete horizontale positie uAx en een discrete verticale positie vAy heeft een pixel waarde x(u,v).Het twee-dimensionale frequentie spectrum van het beeld wordt dan gegeven door:

(2.1)

In vergelijking (2.1) geven ωχ and ojy spatiele frequenties aan in de horizontale, respectievelijk verticale, richting. Beide frequenties worden uitgedrukt in radialen ten opzichte van de respectievelijke sampling frequenties. ωχ=2% correspondeert aldus met een horizontale sampling frequentie fsx=lMx en ωγ=2τ correspondeert met een verticale sampling frequentie fsy=lMy. Het frequentie spectrum Χ(ωχ,ωγ) zoals gegeven door (2.1) is een periodiek spectrum dat zich herhaalt bij veelvouden van de frequenties (ωχ=+2·7Γ,ωγ=±2π). In de hierna volgende figuren zullen frequentie spectra slechts voor het gebied (-τ<ωχ,ωγ<τ) worden getekend.

Een geïnterlinieerd televisie beeld omvat een even en een oneven raster. Het is zinvol om het spectrum van zo’n geïnterlinieerd beeld te analyseren en uit te drukken in termen van het hiervoor genoemde spectrum Χ(ωχ,ωγ). Dit spectrum Χ(ωχ,ωγ) wordt ook wel het spectrum van het sequentiële beeld x(u,v) genoemd.

Het even raster kan worden beschouwd als verkregen zijnde door de even lijnen uit het sequentiële beeld x(u,v) te nemen (hetgeen een subsampling proces is) en de oneven lijnen nul te maken (hetgeen een upsampling proces is). Het subsampling proces levert een spectrum Xs(cox,coy) op dat, in analogie met vergelijking (1.3) gegeven wordt door:

Het upsampling proces levert het spectrum Χβ(ωχ,ωγ) op van het even raster. In analogie with vergelijking (1.4) wordt dit spectrum gegeven door:

Het oneven raster kan worden beschouwd als verkregen zijnde uit een aantal opeenvolgende stappen: a) Eerst wordt het sequentiële beeld x(u,v) verticaal verschoven over één lijn. In analogie met vergelijking (1.1) levert dat op het spectrum: X (o>x, Qy.) e^töy b) Vervolgens wordt het eerder beschreven sub- and upsampling proces toegepast, hetgeen oplevert:

c) Tenslotte wordt het resulterende signaal verticaal één lijn teruggeschoven. Dit levert het spectrum Χ0(ωχ,ωγ) op van het oneven raster:

(2.3)

Het geïnterlinieerde televisie beeld omvat de som van het even en oneven raster. Het spectrum Χ^ωχ,ωρ van dit geïnterlinieerde beeld wordt verkregen door optelling van hun respectievelijke spectra zoals gegeven door vergelijkingen (2.2) en (2.3). Het resultaat van deze optelling kan worden geschreven als:

(2.4) or χ. (ωχ, oy) =X(ωχ/ coy)

Bij afwezigheid van beweging is het spectrum van het geïnterlinieerde beeld perfect gelijk aan het spectrum van het sequentiële beeld. Dit is niet verrassend, immers het is niet relevant in welke volgorde van u en v de sommatie in het rechter lid van vergelijking (2.1) wordt uitgevoerd. Het schrijven van het spectrum in de vorm van vergelijking (2.4) geeft aan dat het spectrum beschouwd kan worden als de som van twee componenten. De eerste component 1/2X(cox,(oy)[l + l] representeert het originele basisband signaal, de tweede component 1/2X(cox,coy+x)[l-l] representeert een alias component tengevolge van het interlacing proces. Bij afwezigheid van beweging is de alias component nul.

3. Analyse van een geïnterlinieerd TV beeld met beweging

Als het geïnterlinieerde televisie beeld onderworpen is aan beweging, corresponderen het even en oneven raster met twee verschillende bewegingsfasen omdat de beide rasters op verschillende tijdstippen zijn verkregen. Het even raster wordt gevormd door de even lijnen van x(u,v), het oneven raster wordt gevormd door de oneven lijnen van x(u+n,v+m). Hierin corresponderen n en m met het aantal pixels waarover het beeld in horizontale respectievelijk verticale richting is verschoven vanwege de beweging.

Het even raster wordt wederom verkregen door sub- en upsampling van x(u,v). Met andere woorden, het spectrum van het even raster wordt beschreven door dezelfde vergelijking (2.2) as voorheen:

(3.1)

Teneinde het spectrum van het oneven raster te beschrijven, worden de successievelijke stappen welke in het voorgaande werden toegepast op x(u,v) nu toepgepast op x(u+n,v+m). Het spectrum van x(u+n,v+m) wordt, in analogie met vergelijking (1.1), gegeven door: Χ(ωχί oy) a) De verticale verschuiving van het signaal over één lijn omhoog levert: b) De stap van sub- and upsampling levert:

hetgeen herschreven kan worden in de vorm:

c) De verticale verschuiving over één lijn omlaag levert:

(3.2)

Het spectrum van het geïnterlinieerde televisie beeld met beweging wordt opnieuw verkregen door optelling van de spectra volgens de vergelijkingen (3.1) and (3.2):

Onder gebruikmaking van de gelijkheid eJItm= (-l)m kan dit herschreven worden als:

(3.4)

Net als vergelijking (2.4) van het spectrum van een geïnterlinieerd beeld zonder beweging, kan vergelijking (3.4) worden beschouwd als de som van een basisband component en een alias component. Het originele basisband signal wordt vermenigvuldigd (of gefilterd) met de term [1+..], de alias component met de term [1-..]. Beide componenten worden dus verschillend door beweging beïnvloed.

4. Interpretatie

Het verschaft inzicht indien vergelijking (3.4) voor enkele typische gevallen wordt geïnterpreteerd. Voor een dergelijke interpretatie wordt als origineel sequentieel beeld x(u,v) een twee-dimensionale gaussische functie verondersteld.

In het geval van geen beweging (n=0, m=0), reduceert vergelijking (3.4) tot: Χ±{(ύχ,ίύγ) =Χ((ύχΙ ωγ)

Deze betrekking toont de complete afwezigheid van aliasing. Figuur 1 toont een voorbeeld van zo’n frequentie spectrum. Het is hetzelfde spectrum als dat van het sequentiële beeld x(u,v) en vertoont geen artefacten.

Nu wordt een diagonale beweging over vier pixels (n=4, m=4) geïntroduceerd. In dat geval wordt vergelijking (3.4):

Onder gebruikmaking van de gelijkheden i+e:i2a=2ejacosa en i-ej2a= -2j'eJ’“sina kan dit spectrum worden herschreven als: X± (ωχ, (dy) =e2jia,x+,óy) [Χ(ωχ, ωγ) cos2 (ωχ+ωγ) -jX(ux, <oy+x) sin2 (ox+(oy) ]

Dit spectrum is weergegeven in figuur 2. De vermenigvuldiging (filtering) van het basisband signaal met de cosinus term manifesteert zich in nullijnen langs de diagonalen waarvoor cox+ojy=kT/4 is. De vermeningvuldiging (filtering) van de alias term met de sinus term manifesteert zich in nullijnen langs diagonalen waarvoor ojx+a)y=k-jr/2 is. The nullijnen liggen verder uit elkaar bij geringe beweging en dichter bij elkaar bij veel beweging.

5. Verticale low-pass filtering van een geïnterlinieerd beeld

Vele toepassingen van digitale videoprocessing omvatten low-pass filtering. Zo kan bijvoorbeeld een video signaal met gereduceerde resolutie gemakkelijker worden gecodeerd in een datacompressie systeem dan het originele signaal. Genoemde resolutie reductie wordt bereikt door het signaal vóór codering low-pass te filteren. Op overeenkomstige wijze is voor de reconstructie van een compatibel SDTV signaal uit een HDTV signaal low-pass filtering noodzakelijk. In het algemeen vindt de low-pass filtering zowel in horizontale als verticale richting plaats. In deze paragraaf zal slechts verticale low-pass filtering worden beschouwd. Aangetoond zal worden dat genoemde verticale low-pass filtering problemen veroorzaakt indien de filtering rechtstreeks op geïnterlinieerde televisie beelden met beweging wordt uitgevoerd.

Figuur 3 demonstreert het effect van het filter op een bewegend object. Figuur 3a toont het oorspronkelijke beeldpatroon x(u,v). Het spectrum daarvan wordt aangegeven met Χ(ωχ,ωγ). Het object beweegt horizontaal over 4 pixels tussen twee rasters (n=4, m=0). Het geïnterlinieerde televisie beeld is weergegeven in figuur 3b. Het verschil tussen de even en de oneven lijnen is duidelijk zichtbaar. Wordt nu door een verticaal low-pass filter slechts een deel van de verticale bandbreedte doorgelaten dan worden de hoge verticale frequenties rond coy=±7r verwijderd van het frequentie spectrum. Het spectrum Y(ox,oy) van het uitgangssignaal y(u,v) wordt nu gegeven door:

hetgeen voor n=4, m=4 wordt:

Het spectrum gegeven door de laatste vergelijking is het spectrum van:

Figuur 3c toont het aldus verkregen object met gereduceerde resolutie. Het verschil tussen de twee rasters is verdwenen. Bij weergave van een sequentie van dergelijke beelden op een geïnterlinieerde monitor treden bewegingsartefacten op. De beweging verloopt niet gelijkmatig doch schokkerig.

6. Uitvoeringsvoorbeeld van resolutie reductie

Figuur 4 geeft een uitvoeringsvoorbeeld weer van een inrichting volgens de uitvinding. Meer in het bijzonder is de weergegeven inrichting ingericht voor het reduceren van de verticale resolutie van een geïnterlinieerd videosignaal teneinde een efficiënte codering daarvan mogeljk te maken. Zoals in de figuur is aangegeven wordt een geïnterlinieerd televisie frame Xj(u,v) toegevoerd aan een verticaal low-pass filter 1 en aan een verticaal high-pass filter 2. Low-pass filter 1 levert een signaal ys(u,v), high-pass filter 2 levert een signaal ym(u,v). Na codering, transmissie of opslag, en decodering (niet getekend) van deze signalen worden ze weer bij elkaar gevoegd in een combineerschake-ling 3. Het geïnterlinieerde uitgangssignaal yj(u,v) van de inrichting wordt aan een (niet getekende) weergeefinrichting toegevoerd.

Het low-pass filter 1 bewerkstelligt dat een vooraf bepaald gedeelte van het basisband signaal uit het videosignaal gefilterd wordt. Het uitgangssignaal ys(u,v) van het filter bevat als het ware de ruimtelijke informatie van het beeld en wordt verder het spatieel signaal genoemd. De bandbreedte van het filter bepaalt daarbij in welke mate de resolutie wordt gereduceerd. Voor een reductie van de resolutie met een factor 2 is de bandbreedte de helft van de oorspronkelijke bandbreedte, ofwel een vierde deel van de verticale sampling frequentie. Zoals reeds eerder is vermeld worden frequenties ω hier uitgedrukt in radialen ten opzichte van de sampling frequentie. De bandbreedte van het low-pass filter bedraagt dan ι/ιτ.

Het high-pass filter 2 bewerkstelligt dat een vooraf bepaald gedeelte van de alias component uit het videosigaal gefilterd wordt. Het uitgangssignaal ym(u,v) van het filter bevat als het ware een gedeelte van de bewegingsinformatie en wordt daarom ook wel bewegingshulpsignaal of "motion-helper" genoemd. De bandbreedte van het filter bepaalt tot welke frequenties de bewegingsinformatie in het bewegingshulpsignaal ym(u,v) aanwezig is.

Zoals in de voorgaande paragraaf werd beschreven, is het spatieel signaal ys(u,v) van het low-pass filter 1 op zichzelf bij weergave op een monitor bij beweging onderhevig aan bewegingsartefacten. Door het bewegingshulpsignaal ym(u,v) bij het basisband signaal op te tellen, worden de bewegingsartefacten grotendeels gecompenseerd. De mate waarin nog bewegingsartefacten optreden hangt af van de ruimtelijke frequentie inhoud van het beeld, de bandbreedte van het high-pass filter en, in mindere mate, de hoeveelheid beweging. Bedacht dient te worden dat het spectrum van de alias component een replica is van het spectrum van het basisband signaal, vermenigvuldigd met een bewegingsafhankelijke term. Waar voor het basisband signaal de frequenties rond ojy=0 de belangrijkste frequenties zijn, zijn voor het bewegingshulpsignaal de frequenties rond <*)y=±T het meest relevant. Het verticale high-pass filter kan dan ook in de praktijk smalbandig zijn. Uit practische experimenten is gebleken dat een bandbreedte van 1/air voldoende is om bewegingsartefacten geheel of nagenoeg geheel onwaarneembaar te maken. In figuur 5 is het frequentiespectrum Y^x,wy) weergegeven van het uitgangssignaal y^v) van de in figuur 4 weergegeven inrichting.

Het is een groot voordeel van de inrichting volgens de uitvinding dat de verschillende filterfrequenties onafhankelijk van elkaar gekozen kunnen worden. Dit is belangrijk omdat de twee componenten dan optimaal kunnen worden gekozen voor verdere codering.

7. Uitvoeringsvoorbeelden voor HDTV-naar-SDTV omzetting

Het beeld van een digitaal HDTV signaal bestaat uit twee geïnterlinieerde rasters van elk 576 lijnen en 1440 pixels per lijn. Het beeld van een SDTV signaal bestaat uit twee geïnterlinieerde rasters van elk 288 lijnen en 720 pixels per lijn en omvat dus een kwart van een HDTV-beeld. Teneinde compatibiliteit tussen het nieuwe HDTV systeem en het bestaande SDTV systeem mogelijk te maken, dient het SDTV signaal uit een HDTV signaal afgeleid te kunnen worden.

Figuur 6 geeft een inrichting weer voor het omzetten van een digitaal HDTV signaal naar een digitaal SDTV signaal. Het geïnterlinieerde HDTV beeld, aangegeven met hj(u,v), wordt toegevoerd aan een horizontaal low-pass filter 4 en vervolgens aan een horizontale subsampler 5. Het uitgangssignaal van subsampler 5 wordt toegevoerd aan een verticaal low-pass filter 6 en een verticale subsampler 7 voor het construeren van een spatieel signaal ss(u,v). Tevens wordt het uitgangssignaal van de subsampler 5 toegevoerd aan een verticaal high-pass filter 8 en een verticale subsampler 9 voor het construeren van een bewegingshulpsignaal s’m(u,v). Na eventuele codering, transmissie of opslag, en decodering (niet getekend) wordt het bewegingshulpsignaal s’m(u,v) toegevoerd aan een modulator 10. Het gemoduleerde bewegingshulpsignaal sm(u,v) en het spatieel signaal ss(u,v) worden toegevoerd aan een combineerschakeling 11. Deze levert aan zijn uitgang het geïnterlinieerde SDTV signaal Sj(u,v).

De inrichting van figuur 6 zal worden uitgelegd aan de hand van de frequentie spectra van diverse signalen welke in de figuur optreden. Deze spectra zijn in figuur 7 weergegeven. Figuur 7A toont schematisch een voorbeeld van het frequentie spectrum van het geïnterlinieerde televisie beeld Xj(u,v). De basisband component en de alias component van het geïnterlinieerde beeld zijn in deze figuur met verschillende arceringen aangegeven. Volledigheidshalve zij opgemerkt dat de periodieke herhalingen van het spectrum rond veelvouden van de frequenties (ωχ=±2ττ,ωγ=+2τ) niet zijn getekend.

Het doel van low-pass filter 4 is het HDTV signaal van horizontale frequenties ωχ> χΙιτ te ontdoen, zodat na subsampling ongewenste alias componenten achterwege blijven. Figuur 7B toont het frequentie spectrum van het uitgangssignaal van subsampler 5. In deze figuur wordt de horizontale ruimtelijke frequentie aangegeven met ω’χ. Deze wordt uitgedrukt in radialen ten opzichte van de horizontale SDTV sample frequentie, welke de helft bedraagt van de HDTV sample frequentie. Zo correspondeert bijvoorbeeld de ruimtelijke frequentie, die in figuur 7A overeenkomt met ωχ=1Αχ, nu met ω’χ=7τ. De (niet-getekende) periodieke herhalingen van het spectrum bevinden zich op veelvouden van ω’χ=+2χ.

Het uitgangssignaal ss(u,v) van subsampler 7 heeft het frequentie spectrum dat is weergegeven in figuur 7C. Langs de verticale as wordt de frequentie nu aangegeven met c*}’y welke wordt uitgedrukt in radialen ten opzichte van de verticale SDTV sample frequentie. Teneinde aliasing te voorkomen heeft het verticale low-pass filter 6 een bandbreedte van maximaal Vnr. In dit uitvoeringsvoorbeeld is gekozen voor een bandbreedte van %x. Ten opzichte van de SDTV sampling frequentie is dat een bandbreedte van 3A x. Het signaal ss(u,v) bevat de ruimtelijke informatie van het beeld en vormt het spatiele SDTV signaal.

Het verticale high-pass filter 8 filtert op eerder beschreven wijze het bewegingshulpsignaal uit het beeld en bewerkstelligt daarmee het behoud van bewegingsinformatie. Zoals in figuur 7D is aangegeven is in dit uitvoeringsvoorbeeld gekozen voor een verticale filter bandbreedte van Vex. In subsampler 9 wordt de verticale sampling rate van deze "motion-helper" met een factor 2 gereduceerd. Zoals bekend (zie bijvoorbeeld section 2.4.2. van referentie [3]) wordt het frequentie spectrum van een bandpass signaal bij subsampling verschoven naar de basisband. In figuur 7E is dit frequentie spectrum weergegeven. Ten opzichte van de SDTV sampling frequentie heeft het een bandbreedte van Ux. In modulator 10 wordt de frequentieband door middel van modulatie verschoven naar co’y=x waardoor het bewegingshulpsignaal sm(u,v) wordt gevormd. Het frequentiespectrum hiervan is weergegeven in figuur 7F.

Figuur 7G toont het frequentie spectrum van het SDTV signaal Sj(u,v) dat na combinatie van spatieel signaal ss(u,v) en "motion-helper" sm(u,v) in combineerschake-ling 11 verkregen wordt. Met overeenkomstige arceringen als in figuur 7A is getracht aan te geven dat het frequentie spectrum een gedeelte van de oorspronkelijke basisband component en een gedeelte van de oorspronkelijke alias component bevat. In de praktijk is gebleken dat bij geïnterlinieerde weergave van het SDTV signaal Sj(u,v) bewegingsartefacten nagenoeg afwezig zijn.

In het in figuur 6 weergegeven uitvoeringsvoorbeeld wordt het SDTV

bewegingshulpsignaal direct afgeleid uit het HDTV beeld. Het is echter ook mogelijk om uit het HDTV signaal eerst een HDTV bewegingshulpsignaal te extraheren en daaruit vervolgens het SDTV bewegingshulpsignaal af te leiden. In dat geval wordt hetzelfde verticale gedeelte van de bewegingsinformatie zowel voor HDTV als voor SDTV gebruikt. Figuur 8 toont een inrichting hiervoor. Voor de duidelijkheid is in deze figuur alleen de processing in verticale richting weergegeven. Het geïnterlinieerde HDTV beeld hj(u,v) doorloopt nu achtereenvolgens een verticaal high-pass filter 12, een subsampler 13, een upsampler 14 en een verticaal high-pass filter 15. De werking van deze inrichting is voor verticale frequenties hetzelfde als de werking van de in figuur 6 weergegeven signaal tak welke daar gevormd wordt door verticaal high-pass filter 8, subsampler 9 en modulator 10. High-pass filter 12 filtert de relevante bewegingsinformatie uit het HDTV signaal. De bandbreedte van het filter kan hierbij weer Vex bedragen. Subsampler 13 transporteert deze bewegingsinformatie naar coy=0, upsampler 14 herhaalt de bewegingsinformatie ook bij co’y=x en high-pass filter 15 filtert ongewenste herhalingsfrequenties eruit. De in figuur 6 aangegeven modulator 10 kan hierdoor nu

achterwege blijven. Aan de uitgang van verticaal high-pass filter is het SDTV

bewegingshulpsignaal sm(u,v) voorhanden.

De in figuur 8 weergegeven inrichting heeft het voordeel dat dezelfde bewegingsinformatie aan de uitgang van subsampler 13 tevens naar oy=x verschoven kan worden teneinde als HDTV bewegingshulpsignaal hm(u,v) te dienen. In analogie met upsampler 14 en filter 15 wordt hiertoe een upsampler 16 en high-pass filter 17 toegepast. Deze zijn in figuur 8 gestippeld aangegeven.

Een belangrijk voordeel van de in figuur 6 en figuur 8 weergegeven uitvoeringsvoorbeelden is dat de verticale filterfrequenties onafhankelijk van elkaar kunnen worden gekozen. Bij de bekende inrichting is van deze ontwerp vrijheid geen sprake. Het is bijvoorbeeld voorstelbaar dat filter frequenties, indien dat een effectievere codering mogelijk zou maken, zodanig zijn gedimensioneerd dat het frequentie spectrum na combinatie van basisband component en alias component een "gap" vertoont, bijvoorbeeld op een wijze zoals reeds is weergegeven in figuur 5. Ook kunnen de filters zodanig zijn gedimensioneerd dat de basisband component en de alias component elkaar overlappen, indien de daardoor veroorzaakte storingen niet waarneembaar blijken te zijn. Verder is het niet persé noodzakelijk dat het spectrum van het spatieel signaal beperkt blijft tot -½7Γ< ωχ,< xhic.

8. Uitvoeringsvoorbeeld van compatibele transmissie

Voor compatibele transmissie dienen uit het geïnterlinieerde HDTV signaal signalen te worden afgeleid waaruit zowel het SDTV signaal als het HDTV signaal gereconstrueerd kan worden. Een transmissie systeem hiervoor kan bijvoorbeeld worden verkregen door zowel de in figuur 4 weergegeven inrichting (voor het overzenden van het HDTV signaal) als de in figuur 6 weergegeven inrichting (voor het overzenden van het SDTV signaal) toe te passen.

Bij voorkeur is echter bij compatibele transmissie de totale som van het aantal overgedragen samples per beeld niet groter dan het oorspronkelijk aantal samples van het HDTV beeld. Figuur 9 toont een uitvoeringsvoorbeeld van een dergelijk compatibel transmissie systeem.

Het geïnterlinieerde HDTV ingangssignaal h^UjV) wordt toegevoerd aan een verticaal low-pass filter 101 voor het afsplitsen van een spatieel signaal hs(u,v). Dit spatieel signaal wordt na verticale subsampling (102) toegevoerd aan een horizontaal low-pass filter 111 en aan een horizontaal high-pass filter 121. Beide horizontale filters worden gevolgd door respectievelijke horizontale subsamplers 112 en 122. Op deze wijze worden twee spatiële deelsignalen gevormd die in de figuur respectievelijk zijn aangegeven met Xj(u,v) en X2(u,v). In figuur 10 is met respectievelijk X2 aangegeven met welk gedeelte van het HDTV frequentie spectrum deze twee spatiële deelsignalen zijn geassocieerd.

Tevens wordt het ingangssignaal toegevoerd aan een verticaal high-pass filter 131 voor het afsplitsen van een bewegingshulpsignaal hm(u,v). Dit bewegingssignaal wordt na verticale subsampling (132) toegevoerd aan een horizontaal low-pass filter 141 en aan een horizontaal high-pass filter 151. Beide horizontale filters worden gevolgd door respectievelijke horizontale subsamplers 152 en 152. Op deze wijze worden twee deelbewegingssignalen gevormd die in de figuur respectievelijk zijn aangegeven met x3(u,v) en x4(u,v). In figuur 10 is met X3 respectievelijk X4 aangegeven met welk gedeelte van het HDTV frequentie spectrum deze twee spatiële deelsignalen zijn geassocieerd.

Zoals in het voorafgaande is beschreven hebben de verticale filters 101 en 131 bij voorkeur een verschillende bandbreedte. Low-pass filter 101 heeft bijvoorbeeld een bandbreedte van χ/ιτ en high-pass filter 131 een bandbreedte van 1/βτ. De vier deelsignalen x^UjVj-x^UjV) omvatten in totaal dan ook minder samples per beeld dan het HDTV ingangssignaal. Het zijn deze vier deelsignalen die, eventueel na codering, verzonden of opgeslagen worden. In de figuur is dit verder niet getekend. Aan de ontvangzijde vindt de reconstructie plaats van zowel het geïnterlinieerde HDTV signaal als het geïnterlinieerde SDTV signaal.

Het deelsignaal xx(u,v) representeert het spatiele SDTV signaal. In analogie met eerder toegepaste notaties wordt dit signaal tevens met ss(u,v) aangegeven. Het deelsignaal x3(u,v) wordt toegevoerd aan een verticale upsampler 161 en verticaal high-pass filter 162. Zoals eerder is beschreven (zie figuur 8) vindt hierdoor modulatie plaats en wordt het bewegingshulpsignaal sm(u,v) van het SDTV signaal verkregen. Het spatiele SDTV signaal ss(u,v) en het bewegingshulpsignaal sm(u,v) worden in een combineerschakeling 25 samengevoegd. Het aldus verkregen uitgangssignaal is het gewenste geïnterlinieerde SDTV signaal Sj(u,v).

De deelsignalen χ^υ,ν) en x2(u,v) worden toegevoerd aan een schakeling 18 voor het terugwinnen van het spatiele HDTV signaal hs(u,v). De schakeling 18 omvat een horizontale upsampler 191 en een horizontaal low-pass filter 192 om middels interpolatie de samples terug te winnen die verloren zijn gegaan in subsampler 112. Op overeenkomstige wijze omvat de schakeling een horizontale upsampler 201 en een horizontaal high-pass filter 202 om de samples terug te winnen die verloren zijn gegaan in subsampler 122. Na combinatie in combineerschakeling 21 wordt interpolatie in verticale richting uitgevoerd om de samples terug te winnen die in subsampler 102 verloren zijn gegaan. Hiertoe is upsampler 221 en verticaal low-pass filter 222 in de schakeling opgenomen. De schakeling 18 levert aan zijn uitgang een replica h’s(u,v) van het spatieel HDTV signaal hs(u,v).

De deelsignalen x3(u,v) en x4(u,v) worden toegevoerd aan een schakeling 23 voor het terugwinnen van het bewegingshulpsignaal hm(u,v). De schakeling 23 opereert op overeenkomstige wijze als schakeling 18 en zijn werking kan dan ook verder onbesproken blijven. Aan zijn uitgang verschijnt een replica h’m(u,v) van het HDTV bewegingshulpsignaal hm(u,v).

Het aldus verkregen spatieel signaal h’s(u,v) en bewegingshulpsignaal h’m(u,v) vormen na samenvoeging in een combineerschakeling 24 het gewenste geïnterlinieerde HDTV signaal.

Figuur 12 toont een verder uitvoeringsvoorbeeld van een inrichting voor compatibele transmissie van HDTV en SDTV signalen. Hierin wordt het SDTV signaal eerst in een HDTV spatieel signaal en een HDTV bewegingssignaal gesplitst door middel van verticale filters 201 en 211, gevolgd door verticale subsamplers 202 en 212. Bij wijze van voorbeeld is in deze inrichting aangenomen dat het spatieel signaal een bandbreedte van %r en het spatieel signaal een bandbreedte van Άπ heeft. Beide signalen worden vervolgens verder gesplitst door middel van verticale filters 221-251 en subsamplers 222-252. De uitgangssignalen van subsamplers 222 en 252 worden in horizontale richting gesplitst door middel van horizontale filters 261-291 en horizontale subsamplers 262-292. Aldus worden 6 signalen x^vj-x^UjV) opgewekt welke tezamen het volledige HDTV signaal representeren en waarvan xx(u,v) samen met x3(u,v) het SDTV signaal representeren. In figuur 12 is aangegeven met welke delen van het HDTV spectrum deze signalen corresponderen.

Opgemerkt zij dat de in de figuren 9 en 11 weergegeven inrichtingen zodanig kunnen worden gemodificeerd dat de reconstructie van het SDTV signaal reeds aan de zendzijde plaats vindt. In dat geval worden de signalen xx(u,v) en x3(u,v) gecombineerd en als SDTV signaal sj(u,v) overgedragen. Aan de ontvangzijde is het SDTV signaal dan zonder verdere processing beschikbaar. In de praktijk kan dit van nut blijken te zijn indien op de markt reeds digitale standaard ontvangers met een ingang voor het Si(u,v) signaal voorhanden zouden zijn.

Figuur 13 toont schematisch een voorbeeld van de voorzieningen die in dit geval aan de ontvangzijde getroffen moeten worden om uit het ontvangen signaal Sj(u,v) de deelsignalen χ^,ν) en x3(u,v) terug te winnen, welke nodig zijn voor de reconstructie van het HDTV signaal.

9. Algemene slotopmerkingen

In de beschreven uitvoeringsvoorbeelden zijn steeds 1-dimensionale filters weergegeven. Dergelijke filters hebben alleen een filterwerking voor horizontale of verticale frequenties. In combinatie hebben zij een 2-dimensionale filterwerking op een frequentiegebied dat als het ware een rechthoek vormt. In de literatuur zijn echter ook 2-dimensionale filters bekend welke gelijktijdig in horizontale en verticale richting werking hebben. Dergelijke filters kunnen eveneens worden toegepast. Meer in het bijzonder zijn zogenaamde "diamond-shape" filters geschikt om in de inrichting volgens de uitvinding toegepast te worden.

Claims

1. Inrichting voor het splitsen van een digitaal geïnterlinieerd televisie signaal in componenten, omvattende een ingang voor het ontvangen van geïnterlinieerde beelden van het televisie signaal, welke ingang is gekoppeld met een eerste filter (1) met verticale low-pass filterwerking voor het opwekken van een component welke een spatieel signaal representeert, een tweede filter (2) met verticale high-pass filterwerking voor het opwekken van een component welke een bewegingshulpsignaal representeert, waarbij de verticale filterfrequenties van het eerste en tweede filter niet beiden gelijk zijn aan waarin τ correspondeert met de halve verticale samplefrequentie.

2. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de verticale filterfrequentie van het tweede filter substantieel hoger is dan de verticale filterfrequentie van het eerste filter.

3. Inrichting volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de verticale filterfrequentie van het tweede filter groter is dan Υιτ.

4. Inrichting volgens conclusie 1 waarbij het televisie signaal een high-definition televisie signaal representeert, met het kenmerk, dat het eerste filter (6) en het tweede filter (8) zijn gekoppeld aan horizontale low-pass filter middelen (4) en verder zijn gekoppeld aan subsampler middelen (5,7,9) voor het opwekken van een low-pass spatieel signaal en een low-pass bewegingshulpsignaal welke de componenten van een geïnterlinieerd low-definition televisie signaal vormen.

5. Inrichting volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat het eerste filter (101) en het tweede filter (131) verder zijn gekoppeld aan horizontale high-pass filter middelen (121, 151) en subsampler middelen (122, 152) voor het opwekken van een high-pass spatieel signaal en een high-pass bewegingshulpsignaal welke met het low-pass spatieel signaal en het low-pass bewegingshulpsignaal de componenten van het high-definition televisie signaal vormen.

6. Inrichting volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat het low-pass spatieel signaal en het low-pass bewegingshulpsignaal zijn gecombineerd en een low-defmition televisie signaal.

7. Inrichting volgens conclusie 4, 5 of 6, met het kenmerk dat de horizontale filtermiddelen en het eerste filter en het tweede filter worden gevormd door 2-dimensionale filters.

8. Inrichting voor het reconstrueren van een geïnterlinieerd televisie signaal uit een spatieel signaal en een bewegingshulpsignaal zoals verkregen uit een inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het spatieel signaal en het bewegingshulpsignaal aan een combineerschakeling (3) worden toegevoerd.

9. Inrichting voor het reconstrueren van een low-definition televisie signaal uit een low-pass spatieel signaal en een low-pass bewegingshulpsignaal zoals verkregen uit een inrichting volgens conclusie 4 of 5, met het kenmerk, dat het low-pass bewegingshulpsignaal is gekoppeld aan een modulator (10) voor het vormen van een gemoduleerdebewegingshulpsignaal welk met hetlow-pass spatieel signaal aan een combineerschakeling (11) worden toegevoerd.

10. Inrichting volgens conclusie 9, met het kenmerk, dat de modulator wordt gevormd door een verticale upsampler (14) en een verticaal high-pass filter (15).

11. Inrichting voor het reconstrueren van high-defïnition televisie signalen uit een low-pass spatieel signaal, een low-pass bewegingshulpsignaal, een high-pass spatieel signaal en een high-pass bewegingshulpsignaal zoals verkregen uit een inrichting volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat het low-pass spatieel signaal en het high-pass spatieel signaal worden toegevoerd aan een samenvoegschakeling (18) voor het terugwinnen van het spatieel signaal, dat het low-pass bewegingshulpsignaal en het high-pass bewegingshulpsignaal worden toegevoerd aan een samenvoeg- en modulatieschakeling (23) voor het terugwinnen van het bewegingshulpsignaal, en dat het spatieel signaal en het bewegingshulpsignaal worden toegevoerd aan een combineerschakeling (23) voor het recontrueren van het high-definition televisie signaal.

12. Inrichting volgens conclusie 11, met het kenmerk, dat het low-pass spatieel signaal en het low-pass bewegingshulpsignaal verkregen wordt door verticale splitsing van een low-definition televisie signaal zoals verkregen uit een inrichting volgens conclusie 6.