SU902321A1 - Способ формировани цифрового телевизионного сигнала - Google Patents

Description

Изобретение относится к телевизионной технике (цифровое кодирование телевизионного сигнала) и может использоваться в системах прикладного и вещательного телевидения, когда необходимо сократить избыточность цифрового телевизионного сигнала при качестве передачи изображения, удовлетворяющем стандарту вещательного телевидения.

Известен способ сокращения избыточности цифрового телевизионного сигнала, в котором изображение разбивается на блоки элементов (БЭ) и для каждого БЭ определяется средний уровень, затем каждая полученная таким образом величина сравнивается со своим предсказанным значением и результат сравнения подается на вход порогового устройства. Если результат сравнения превышает установленный порог, ²¹ то в канал поступает код, несущий информацию о номере обрабатываемого БЭ и об уровнях самих элементов £ 1 ].

Однако известный способ обладает недостатками. Во-первых, в случае ошибки (например, из-за влияния помех в канале связи) при приеме кодовой группы, несущей информацию о среднем уровне БЭ, эта ошибка распространяется на весь БЭ; во-вторых, прос- А тоё пороговое обнаружение разницы между уровнем передаваемого элемента и средним уровнем БЭ обладает малой помехоустойчивостью, а также приводит к потере малоконтрастных элементов», т.е. к ухудшению четкости и резкости.

Известен также способ сокращения избыточности телевизионного сигнала, в котором совместно с линейной импульсно-кодовой модуляцией (ИКН) применена двухрежимная дифференциальная: ИКН. Принцип двухрежимного устройства заключается в передаче границ, т.е, больших скачков напряжения, путем дифференциальной ИКН с более высокой точностью, чем при передаче малых изменений £ 2 J

Однако данный способ обладает теми недостатками, что возникновение даже одной ошибки в тракте передачи приводит к полному искажению принимаемой информации, а также повышается за- 5 метность шумов квантования, что ведет к ухудшению четкости изображения.

Известен также способ формирования цифрового телевизионного сигнала, заключающийся в аналого-цифровом 1' преобразовании видеосигнала, форми‘ровании символов признаков постоянной или меняющейся яркости и преобразовании полученных кодовых комбинаций ^соответственно по первому или второму 1 режиму преобразования [ 3]·

Однако известный способ формирования цифрового телевизионного сигнала обладает низкой степенью сокращения избыточности видеосигнала. 2

Цель изобретения - увеличение степени сокращения избыточности видеосигнала. , •

Указанная цель достигается тем, ₂ что в способе формирования цифрового телевизионного сигнала, заключающемся в аналого-цифровом преобразовании видеосигнала, формировании символов признаков постоянной или меняющейся яркости, и преобразовании полученных кодовых комбинаций соответственно по первому или второму режиму преобразования, на участках изменяющейся яркости дополнительно формируются символы признаков фронтов, видеоимпуль- ³ сов минимальной длительности и групповых структур, и вводится, соответственно, третий режим преобразования, причем в первом режиме, соответствующем символу признака участка с по- . ⁴ стоянной яркостью, преобразование кодовых комбинаций осуществляется так, что из трех следующих друг за другом восьмиразрядных кодовых комбинаций п-1, η и п+1 передают информацию толь^³ ко об одной из них путем формирования новой восьмиразрядной кодовой комбинации, содержащей один разряд признака режима преобразования и семь разрядов п-1-ой кодовой комбинации, ⁵ во втором режиме преобразования, соответствующем символу признака фронтов и видеоимпульсов минимальной длительности, из трех восьмиразрядных кодовых комбинаций к-1, к и к+1 пере-5 дают информацию только о двух из них путем формирования одной новой восьмиразрядной кодовой комбинации, содер жащей два разряда признака режима преобразования и по три старших разряда из каждой кодовой комбинации к и к+1, в третьем режиме преобразования, соответствующем символу признака групповых структур, передают информацию о каждой из трех исходных кодовых комбинаций m-Ι, т и т+1 путем формирования одной новой восьмиразрядной кодовой комбинации, содержащей два разряда признака режима преобразования и по два старших разряда из каждой исходной кодовой комбинации m-Ι, т и т+1.

На фиг. 1 приведены структуры кодовых групп, соответствующие различным участкам детальности изображения и поясняющие принцип формирования цифрового телевизионного сигнала.

Способ осуществляется следующим образом.

Аналоговый телевизионный сигнал дискретизируют с частотой Ед не менее, чем-вдвое превышающей высшую частоту F_p сигнала, например, с fA=2Fg. Затем подвергают квантованию по уровню, например на N = 256 уровней, и кодированию, т.е. осуществляют аналого-цифровое преобразование телевизионного сигнала, в результате которого аналоговый сигнал преобразуется в последовательность кодовых групп. При этом скорость передачи информации (тактовая частота) при кодировании натуральным двоичным кодом будет равна (Мбит/с) ^{1 = f}A^,ogi^N'^fA^looa^2W1=mfA^=8fA⁼⁹⁶’ <¹) где m - число разрядов в кодовой группе равное 8 при N= 256.

На фиг. 1а отсчеты в аналоговом сигнале следуют с периодом Тд= 1/Ед. Для удобства отсчеты, соответствующие одиночным видеоимпульсам и фронтам минимальной длительности, обозначены к-1, к и к+1, соответствующие групповым структурам m-Ι, т и т+1, и соответствующие плавным переходам и участкам постоянной яркости п-1, л и п+1. После аналого-цифрового преобразования каждый отсчет представляют для нашего примера в виде восьмиразрядной кодовой группы.

Дальнейшую обработку полученного цифрового телевизионного сигнала с целью сокращения избыточности производят с учетом следующих особенностей .

Для неискаженной передачи участков изображения постоянной яркости и плавных переходов требуется 7~8 разрядов двоичного кода на отсчет (7 бит/отсчет);

Для мелких деталей и резких яркостных переходов протяженностью 3”4 элемента разложения достаточно 3~4 разряда на отсчет (3“4 бит/отсчет).

Для групповых структур - 2-3 разряда на отсчет (2-3 бит/отсчет).

При этом частота дискретизации должна не менее, чем вдвое превышать высшую частоту Fp сигнала при передаче видеоимпульсов, фронтов минимальной длительности и групповых структур, в то время как при передаче участков постоянной яркости и плавных переходов частота дискретизации может быть снижена в 2...3 раза без Ущерба для качества изображения.

На основании изложенного, цифровой телевизионный сигнал с объемом, определяемым выражением (1), в предлагаемом способе коммутируют в цифро- 25 вой сигнал с меньшим в три раза объ(емом.

ί С этой целью в аналоговом или циШг ровом телевизионном сигнале производят помехоустойчивое обнаружение оди-з₀ ночных видеоимпульсов и фронтов минимальной длительности, а также групповых структур. Полученная информация используется для сокращения избыточности цифрового телевизионного^ ₃₅ сигнала. Для этого в случае обнаружения в сигнале указанных участков три следующих друг за другом кодовых группы коммутируют в одну кодовую группу следующим образом.

В случае обнаружения фронтов и видеоимпульсов минимальной длительности (режим ФМД) три кодовых группы к-1, к и к+1 коммутируют в одну кодовую группу (фиг. 1 б), которую формируют из двух заполняемых, единицами разрядов признака и трех старших информационных разрядов из каждой кодовой группы к и к+1.

В случае обнаружения групповых структур (режим ГС) три кодовых группы ш-1 , m и Л1+1 коммутируют в однукодовую группу (фиг. 1 в), которую формируют из двух заполняемых единицей и нулем разрядов признака и двух старших информационных разрядов из кодовых групп ш-1, m и т+1 ,

Во всех остальных случаях, т.е. соответствующих плавным переходам и участкам постоянной яркости (режим ПП) три кодовых группы п-1, п и п+1 5 коммутируют в одну кодовую группу (фиг. 1 г), которую формируют из заполняемого нулем разряд признака и семи информационных разрядов из n-1-ой кодовой группы.

Поскольку во всех режимах коммутации цифрового сигнала три кодовых группы коммутируют в одну, то частота следования сформированных кодовых групп (т.е. после коммутации) будет в 3 раза меньше частоты ^д. Следовательно, скорость передачи информации‘будет одинаковой в трех режимах и равной (Нбит/с),

I - |-f_A «П « I f_A« 32, ... .(2) где m - общее число разрядов в кодовой группе после коммутации и равное:

для первого режима ^=^^(^+^m^+^m,+m_h )=3+3+0+2 =8, для второго режима +n₂+m^+m_b) = 2+2+2+2 =8, для третьего режима m=m_h=(m^+m₄+mj+m_ft) = 7+0+0+1 = 8 где гп^.т^и п, - число разрядов,которое берут соответственно из первой,второй и третьей кодовой групп для формирования одной кодо-f вой группы;

m - число разрядов признака для передачи сигналов смены режимов коммутации.

Таким образом, в любом из трех режимов коммутации требуемая скорость передачи информации (избыточность) уменьшается в 3 раза по сравнению со скоростью не коммутированного цифрового сигнала - выражение (1).

Отсчеты в сигнале, информация о которых’ передается по предлагаемому способу, на фиг. 1 а изображены сплошными линиями.

На фиг. 2 изображен один из возможных вариантов структурной схемы устройства, реализующего предлагаемый способ формирования цифрового телевизионного сигнала.

Устройство содержит аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 1, коммутатор 2, формирователь 3 разрядов, обнаружитель 4 групповых структур, эле-, мент ИЛИ 5» обнаружитель 6 видеоимпульсов минимальной длительности.обнаружитель 7 фронтов минимальной длительности .

Устройство работает следующим об- S разом.

АЦП 1 преобразует входной видеосигнал в 7·.<8 разрядный код с частотой дискретизации, равной удвоенной граничной частоте спектра видеосигнала, коммутатор 2 включает один из трех ’режимов кодирования. Коммутатор 2 управляется сигналами псмехоустойчиво-го обнаружения (групповых структур) либо видеоимпульсов или фронтов мини-1 мальной длительности, которые формируются на выходах обнаружителей 4, би 7· Для передачи информации о применяемом режиме кодирования в цифровой код вводится избыточность, напри-2 мер для кодовых групп, соответствующих видеоимпульсам и фронтам минимальной длительности, - в виде двух дополнительных разрядов, заполняемых единицами ( фиг. 1 б), для кодовых ² групп, соответствующих групповым структурам, - единицей и нулем (фиг. 1 в); для кодовых групп, соответствующих участкам постоянной яркости и плавным переходам, - в виде 3 одного разряда, заполняемого нулем (фиг. 1 г). Такая структура кода позволяет получить равномерный поток информации при передаче изображения произвольной детальности. з

Использование предлагаемого способа формирования цифрового телевизионного сигнала позволяет в три раза ^уменьшить избыточность передаваемого ^цифрового телевизионного сигнала при! достаточно простойреализации, а* также обеспечивает высокое качество' передаваемого изображения благодаря помехоустойчивому обнаружению в телевизионном сигнале одиночных видеоим- ⁴ пульсов, фронтов минимальной длительности и групповых структур.

Claims (3)

1. Изобретение относитс  к телевизионной технике (цифровое кодирование телевизионного сигнала) и может использоватьс  в системах прикладного и вещательного телевидени , когда необходимо сократить избыточность цифрового телевизионного сигнала при качестве передачи изображени , удовлетвор ющем стандарту вещательного телевидени . Известен способ сокращени  избыточности цифрового телевизионного сиг нала, в котором изображение разбиваетс  на блоки элементов (БЭ) и дл  каждого БЭ определ етс  средний уровень , затем кажда  полученна  таким образом величина сравниваетс  со своим предсказанным значением и результат сравнени  подаетс  на вход порогового устройства. Если результат сра нени  превышает установленный порог, то в канал поступает код, несущий информацию о номере обрабатываемого БЭ и об уровн х самих элементов 1. Однако известный способ обладает недостатками. Во-первых, в случае ошибки (например, из-за вли ни  помех в канале св зи) nfM приеме кодовой группы, несущей информацию о среднем уровне БЭ, эта сииибка распростра н етс  на весь БЭ; во-вторых, простое пороговое обнаружение разницы между уровнем передаваемого элемента и средним уровнем БЭ обладает малой помехоустойчивостью, а также приводит к потере малоконтрастных элементов,, т.е. к ухудшению четкости и резкости. Известен также способ сокращени  избыточности телевизионного сигнала, в котором совместно с линейной импульскю-кодовой модул цией (ИКН) при менена двухрежимна  дифференциальна : ИКМ. Принцип двухрежимного устройства заключаетс  в передаче границ, т.е. больших скачков напр жени , путем дифференциальной ИКМ с более высокой точностью, чем при передаче малых изг менений t 2 J. 3902 Однако данный способ обладает теми недостатками, что возникновение да же одной ошибки в тракте передачи при водит к полному искажению принимаемой информации, а также повышаетс  заметность шумов квантовани , что ведет к ухудшению четкости изображени . Известен также способ формировани  цифрового телевизионного сигнала, заключающийс  в аналого-цифровом преобразовании видеосигнала, формировании символов признаков посто нной или мен ющейс   ркости и преобразовании полученных кодовых комбинаций соответственно по первому или второму режиму преобразовани  ГЗ. Однако известный способ формировани  цифрового телевизионного сигнала обладает низкой степенью сокращени  избыточности видеосигнала. Цель изобретени  - увеличение степени сокращени  избыточности видеосигнала . Указанна  цель достигаетс  тем, что в способе формировани  цифрового телевизионного сигнала, заключающемс  в аналого-цифровом преобразовании видеосигнала, формировании символов признаков посто нной или мен ющейс   ркости, и преобразовании полученных кодовых комбинаций соответственно по первому или второму режиму преобразовани , на участках измен ющейс   ркости дополнительно формируютс  символы признаков фронтов, видеоимпульсов минимальной длительности и групповых структур, и вводитс , соответ ,ственно, третий режим преобразовани  причем в первом режиме, соответствующем символу признака участка с по- . сто нной  ркостью, преобразование кодовых комбинаций осуществл етс  так, что из трех следующих друг за другом восьмиразр дных кодовых комбинаций п-1, п и п+1 передают информацию толь ко об одной из них путем формировани  новой восьмиразр дной кодовой комбинации, содержащей один разр д признака режима преобразоЪани  и семь разр дов n-1-ой кодовой комбинации, во втором режиме преобразовани , соответствующем символу признака фронтов и видеоимпульсов минимальной длительности , из трех восьмиразр дных кодовых комбинаций k-1, k и k+1 передают информацию только о двух из них путем формировани  одной новой восьми разр дной кодовой комбинации, содержащей два разр да признака режима преобразовани  и по три старших разр да из каждой кодовой комбинации k и k4-1, в третьем режиме преобразовани , соответствующем символу признака групповых структур, передают инормацию о каждой из трех исходных одовых комбинаций т-1, m и m+l пуем формировани  одной новой восьмиазр дной кодовой комбинации, содержаей два разр да признака режима пребразовани  и по два старших разр а из каждой исходной кодовой комбиации т-1, m и т+1. На фиг. 1 приведены структуры коовых групп, соответствующие различым участкам детальности изображени  по сн ющие принцип 1формировани  ифрового телевизионного сигнала. Способ осуществл етс  следующим бразом. Аналоговый телевизионный сигнал дискретизируют с частотой f. не менее , чем-вдвое превышающей высшую частоту FP сигнала, например, с . Затем подвергают квантованию по уровню , например на N 25б уровней, и кодированию , т.е. осуществл ют аналого-цифровое преобразование телевизионного сигнала, в результате которого аналоговый сигнал преобразуетс  в последовательность кодовых групп. При этом скорость передачи информации (тактова  частота) при кодировании натуральным двоичным кодом будет равна (Мбит/с) - I .96.{l) где m - число разр дов в кодовой группе равное 8 при N 256. На фиг. 1а отсчеты в аналоговом сигнале следуют с периодом Тд 1/fд. Дл  удобства отсчеты, соответствующие одиночным видеоимпульсам и фронтам минимальной длительности, обозначены k-1, k и k+1, соответствующие групповым структурам т-1, m и т+1, и соответствующие плавным Переходам и участкам посто нной  ркости п-1, л и п+1. После аналого-цифрового преобразовани  каждый отсчет представл ют дл  нашего примера в виде восьмиразр дной кодовой группы. Дальнейшую обработку полученного цифрового телевизионного сигнала с целью сокращени  избыточности производ т с учетом следующих особенностей . 59 Дл  неискаженной передачи участков изображени  посто нной  ркости и плавных переходов требуетс  разр дов двоичного кода на отсчет (7 бит/отсчет); Дл  мелких деталей и резких  ркост ных переходов прот женностью 3 элемента разложени  достаточно разр да на отсчет (З бит/отсчет). Дл  групповых структур - 2-3 разр да на отсчет (2-3 бит/отсчет). При этом частота дискретизации должна не менее, чем вдвое превышать высшую частоту Fg сигнала при передаче видеоимпульсов, фронтов минимальнои длительности и групповых структур , в то врем  как при передаме участков посто нной  ркости и плавных переходов частота дискретизации может быть снижена в 2...3 раза без Ущерба дл  качества изображени . На основании изложенного, цифровой телевизионный сигнал с объемом, определ егшм выражением (1), в предлагаемом способе коммутируют в цифро вой сигнал с меньшим в три раза объIBMOM . С этой целью в аналоговом или цисЬ ровом телевизионном сигнале производ т помехоустойчивое обнаружение оди ночных видеоимпульсов и фронтов минимальной длительности, а также груп повых структур. Полученна  информаци  используетс  дл  сокращени  избыточности цифрового телевизионного сигнала. Дл  этого в случае обнаружени  в сигнале указанных участков три следую1чих друг за другом кодовых группы коммутируют в одну кодовую группу следующим образом. В случае обнаружени  фронтов и видеоимпульсов минимальной длительности (режим ФМД) три кодовых группы k-1, k и k+1 коммутируют в одну кодовую группу (фиг. 1 б), которую фор мируют из двух заполн емых, единицами разр дов признака и трех старших информационных разр дов из каждой кодовой группы k и k+1. В случае обнаружени  групповых структур (режим ГС) три кодовых груп пы го- 1 , m и т+1 коммутируют в однукодовую группу (фиг. 1 в), которую формируют из двух заполн емых единицей и нулем разр дов признака и двух старших информационных разр дов из кодовых групп m-t, tn и m+1 . 1 Во всех остальных случа х, т.е . соответствующих плавным переходам и участкам посто нной  ркости (режим ПП) три кодовых группы п-1, п и п+1 коммутируют в одну кодовую группу ( фиг. 1 г), которую формируют из заполн емого нулем разр д признака и семи информационных разр дов из П-1-ОЙ кодовой группы. Поскольку во всех режимах коммутации цифрового сигнала три кодовых группы коммутируют в одну, то частота следовани  сформированных кодовых групп (т.е. после коммутации) будет в 3 раза меньше частоты fA. Следовательно , скорость передачи информв ции будет одинаковой в трех режимах и равной (Мбит/с), где m - общее число разр дов в кодовой группе после ко Амутации и равное: дл  первого режима 1т (т.+nvi-m,.+m) 3+3+0+2 8, дл  второго (т.+П2+Пз и 2+2+2+2 8, дл  третьего режима т(.+т) 7+0+0+1 8 где п. , п, - число разр дов,которое берут соответственно из первой,второй и третьей кодовой групп дл  формировани  одной кодовой группы; число разр дов признака дл  передачи сигналов смены режимов коммутации. Таким образом, в из трех режимов коммутации требуема  скорость передачи информации (избыточность) уменьшаетс  в 3 раза по сравнению со скоростью не коммутированного цифрового сигнала - выражение (1). Отсчеты в сигнале, информаци  о которых переедаетс  по предлагаемому способу , на фиг. 1 а изображены сплошными Лини ми. На фиг. 2 изображен один из возможных вариантов структурной схемы устройства, реализующего предлагаемый способ формировани  цифрового телевизионного сигнала. Устройство содержит аналого-цифровой преобразователь (ЛЦП) 1, коммутатор 2, формирователь 3 разр дов, обнаружитель Ц групповых структур, эле-, 79 мент ИЛИ 5. обнаружитель 6 видеоимпульсов минимальной длительности,обн ружитель 7 фронтов минимальн&amp;й длительности . Устройство работает следующим образом . АЦП 1 преобразует входной видеоси нал в 7t.8 разр дный код с частотой дискретизации, равной удвоенной граничной мастоте спектра видеосигнала, коммутатор 2 включает один из трех режимов кодировани . Коммутатор 2 уп равл етс  сигналами помехоустойчивого обнаружени  (групповых структур) либо видеоимпульсов или фронтов мини мальной длительности, которые формируютс  на выходах обнаружителей Ц, 6 и 7t Дл  передачи информации о при мен емом режиме кодировани  в цифровой код вводитс  избыточность, напри мер дл  кодовых групп, соответствующих видеоимпульсам и фронтам минимал ной длительности, - в виде двух дополнительных разр дов, заполн емых единицами ( фиг. 1 б, дл  кодовых групп, соответствующих групповым единицей и нулем структурам. (фиг. 1 в); дл  кодовых групп, соответствующих участкам посто нной  ркости и плавным переходам, - в виде одного разр да, заполн емб го нулем (фиг. 1 г). Така  структура кода позвол ет получить равномерный поток информации при передаче изображени  произвольной детальности. Использование предлагаемого способа формировани  цифрового телевизи онного сигнала позвол ет в три раза уменьшить избыточность передаваемогс цифрового телевизионного сигнала при достаточно простой реализации, а также обеспечивает высокое качество передаваемого изображени  благодар  помехоустойчивому обнаружению в теле визионном сигнале одиночных видеоимпульсов , фронтов минимальной длитель ности и групповых структур. Формула изобретени  Способ формировани  цифрового телевизионного сигнала, заключающийс  в аналого-цифровом преобразовании видеосигнала, формировании символов признаков посто нной или мен ющейс   ркости, и преобразовании полученных кодовых комбинаций соответственно по первому или второму режиму преобразовани , отличающийс  тем, что, с целью увеличени  степени сокрацени  избыточности видеосигнала, на участках измен ющейс   ркости дополнительно формируютс  символы признаков фронтов, видеоимпульсов минимальной длительности и групповых структур, и вводитс , соответственно, третий режим преобразовани , причем в первом режиме, соответствующем символу признака участка с посто нной  ркостью, преобразование кодовых комбинаций осуществл етс  так, что из трех следующих друг за другом восьмиразр дных кодовых комбинаций п-1, п и п+1 передают информацию только об одной из них путем формировани  новой восьмиразр дной кодовой комбинации, содержащей один разр д признака режима преобразовани  и семь разр дов n-1-ой кодовой комбинации, во втором режиме преобразовани , соответствующем символу признака фронтов и видеоимпульсов минимальной длительности, из трех восьмиразр дных кодовых комбинаций k-1, k и k+1 передают информацию только о двух из них путем формировани  одной новой восьмиразр дной кодовой комбинац, содержащей два разр да признака режима преобразовани  и по три старших разр да из каждой кодовой комбинации k и k+l, в третьем режиме преобразовани , соответствующем символу признака групповых структур, пе.редают информацию о каждой из трех исходных кодовых комбинаций т-1 , m и пм-1 путем формировани  одной новой восьмиразр дной кодовой комбинации, содержащей два разр да признака режима преобразовани  и по два старших разр да из каждой исходной кодовой комбинации т-1, m и (ти-1 . Источники информации, Прин тые во внимание при экспертизе 1.Патент Японии № 52-20091, кл. 97 (5) А 11 (Н 0 N 7/12), 1977.
2. 2.Адаптивное двухрежимное кодирующее и декодирующее устройство дл  телевизионных сигналов. - IEEE Trans, Commun. Techol. 1977, 19, N 16, Part 1, 933-9 .
3. 3.The Dual Mode PCHa simple intraframe coding method with low sensitivity to transmission errors. Electronica, 1976, 19, , p. (прототип).

   л-/ т тц J n-t

   hpJTTruTTi ит7 71Гм7 Й Мпг1лт1Щ

   Итре оииони кfa tdirИнлоом9моини€ HHfiV f nuet Hue

   анака fojufti.«. л,л.««.лы/тм м...л..

   приливка разрлдип анако fOiffSbt

   ;хй;г - te.