專利名稱：一種數字式高清晰度電視傳輸方法及發射接收裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬電視領域，特別涉及數字式高清晰度彩色電視制式。
人工重現活動景物圖象的二大基本技術手段是電影和電視。由于人眼的視覺惰性，對逐幅呈現的運動景物圖象序列獲得滿意的運動連續感的融合頻率約為24Hz。而另一方面，人眼剛好感覺不到景物高度閃爍的影象重復頻率-臨界閃爍頻率約為50Hz。臨界閃爍頻率并依景物的高亮度增加而增加，當景物圖象亮度達到人眼忍受上限(約為300abs)時，臨界閃爍頻率增至約70Hz。因此，若影象重復頻率高于70Hz，則人眼可感受到完全免除閃爍感的連續活動圖象。
人工重現活動圖象的基本要求一是運動連續感，二是消除閃爍。單純提高重現頻率當然可以滿足這二方面的要求，但總要造成資源(電影膠片長度;電視通帶寬度)的浪費。因而人們發明了種種方法，以節省資源。
在電影中采用了以24幀/秒的速度拍攝，在放映時則對每幀圖象二次投光(即重復頻率增為48Hz)的方法，調合了融合頻率與臨界閃爍頻率的差距，使人類觀賞到優美的電影藝術，膠片長度節省一半。
在電視傳輸制式發展中，由于不存在傳輸過程中的有形記錄介質，自發明時起，就采用了另一種巧妙的“隔行掃描”的方法來彌合這一差距。一幀圖象被分解為若干行，其中奇數行部分首先掃描傳送，稱為奇場。再掃描傳送偶數行部分，稱為偶場。因而導出了“一幀二場，先后傳送”的隔行掃描電視制式的基本概念。對顯示屏而言，圖象被分割為奇偶行交錯的二場，先后閃現二次，近似于二次投光的效果。但每秒傳送的總行數仍保持不變，因而節省了一半的頻帶。
世界上現行的三大電視制式中，均采用了隔行掃描制式。其中NTSC制幀頻為30Hz，場頻為60Hz，用于60Hz電力網的國家和地區;PAL、SEACAM制幀頻為25Hz，場頻為50Hz，用于50Hz電力網的國家和地區。這是現行電視歷史發展進程所形成的60Hz/50Hz二大分野。
隔行掃描的方法，在節省傳輸頻帶一半的條件下，有效地保證了運動連續性并較好地克服了閃爍。隔行掃描這一方法在電視歷史上有重要的貢獻，并一直沿用到目前正在發展的新一代高清晰度電視(HDTV)之中。例如，數字處理-模擬傳輸的MUSE(日)，HD-MAC(歐)也均采用了隔行掃描的體制。90年起開始發展的全數字式HDTV中，美ADTV，Digicipher，北歐Devine，德HATV-T等制式也采用了這種行之有效的隔行掃描體制方案。
但是，隔行掃描制由于將一幀圖象分割為奇、偶行相間的二場，只近似于電影畫面的全幀二次投光，這就不可避免帶來了一些具有根本性質的缺陷，如爬行現象(虛假的垂直動感);行間閃爍(水平銳邊緣因奇、偶場亮度不同引起的閃爍);垂直清晰度降低(克爾系數0.7)等等。在對電視重現質量要求日益苛刻的今天，已成為繼續提高重現質量的障礙。
逐行掃描的顯示方式則可完全免除隔行掃描的爬行、行間閃爍等缺點，在同樣的每幀的行數下，其主觀垂直清晰度亦提高為隔行掃描制之1.3倍。這一方法首先在計算機圖形顯示中廣泛采用，但未涉及傳輸。在某些專用電視設備中也偶有采用，即以逐行方式掃完全幀，并將幀頻提高一倍(等于隔行制之場頻)，每秒傳送的行數增加一倍，占用隔行制兩倍傳輸帶寬，稱為逐行掃描制電視。
新一代高清晰度電視的基本目標是提供16∶9寬高比的大屏幕電視，在屏高三倍處觀察時應取得觀賞35mm寬銀幕電影的臨場效果，在其中繼續留有隔行掃描的缺陷是難于容忍的。因此，美國已有二家(DSC，CC-Digicipher)提出逐行制HDTV方案，其原理仍是借用上述逐行掃描制的概念。但由于原始帶寬增加了一倍，對后續的數字壓縮處理的要求更苛刻，不得已只能削減分辨率(一定程度的偷工減料)，以求降低原始帶寬。據報導，這種形式的逐行HDTV電視體制已取得了較隔行制圖象重現質量更高的整體效果。
本發明的任務是為新一代電視提供從攝像、傳輸到顯示的系統組成(即傳輸制式)上的科學而統一的優化安排，以免除現有隔行體制中爬行、行間閃爍，垂直清晰度低等固有缺陷，同時也消除現研究中的逐行制之頻帶占用寬、數據量大的缺陷，為新一代高清晰度電視的高質量圖象重現提供基礎。
本發明充分利用圖象信息的數字化處理手段，對圖象運動信息的處理采用不同等級的處理方式，其中高級的處理方式采用了旨在實現實時內插倍幀的運動檢測/補償處理器。運動檢測/補償處理器是為更精確的利用前幀圖象已傳遞的信息而設計的。在發射端，當前幀被分為適當大小的圖象塊，對每個圖象塊在前幀對應處周圍進行搜索匹配，即移動圖象塊并檢查重合情況(以圖象塊諸象素與前幀圖象諸象素之差的平方和或絕對值和為檢驗標準)，對重合最好情況的(△X，△Y)稱為對應于該圖象塊的運動矢量。實際傳輸時，對該圖象塊只傳遞運動矢量及圖象塊的象素差值。因而大大減少了冗余信息，此為運動檢測。在接收端的運動補償則是相反的過程。根據傳送過來的運動矢量，將接收端已解碼的前幀圖象經運動補償對應位置的象素值取出，作為本幀該圖象塊的基礎值。再加上圖象塊象素差值后即獲得本幀圖象塊的精確值。目前工程實踐中以“窮舉搜索法”求得運動矢量最為可靠，由專用芯片完成。運動矢量是對整個象素塊而言，但也可按一定插值法根據相鄰各塊運動矢量變化趨勢分配至各個象素。
本發明的目的是通過下述的方法和設備實現的(1)以逐行掃描方式攝取全幀，取得原始圖象序列，攝像頻率僅需在融合頻率(約24Hz)附近甚至低于融合頻率，幀數與現行逐行制幀數比較為隔一刪一，省去無助于表現活動圖象運動連續感的冗余信息。具體做法可為(a)對目前采用50Hz場頻的國家和地區，用25幀/秒逐行掃描取得原始圖象序列;
(b)對目前采用60Hz場頻的國家和地區，用24幀/秒逐行掃描取得原始圖象序列;
(c)由電影資料轉為電視信號時，以逐行掃描方式按電影、電視逐幀轉換，獲取原始圖象;
(d)當用電視資料轉換為電影時，按電視、電影逐幀轉換。
(2)將上述原始圖象序列進行A/D變換獲得圖象序列數據，然后作運動檢測，得到運動矢量及運動補償差值圖象。
(3)采用信源頻帶壓縮技術和信道誤碼控制技術對由(2)步驟所得的序列數據和運動矢量及運動補償差值圖象進行編碼。按國際標準，其中信源編碼的主干技術已為國際電信咨詢委員會的CCITTH.261文件所規定;信道誤碼控制編碼后，信道調制則采用正交頻分多工方式中，各子頻帶為16QAM調制的方式進行。
(4)將按(3)步驟編碼后的數據傳輸至接收點，傳輸方式可為無線和有線。其中(a)對目前采用50Hz場頻的國家和地區，傳輸速率為25幀/秒;
(b)對目前采用60Hz場頻的國家和地區，傳輸速率為24幀/秒;
(c)50Hz、60Hz場頻國家和地區交換的電視資料，傳輸中一律以每幀對應的方式按本地區的傳輸幀數加快或減慢傳輸速率。其速率變化僅為±4%，不影響觀看效果。
(5)在接收端，先將接收到的數字信號進行解碼，恢復編碼前的序列數據和運動矢量及運動補償差值圖象，然后用內插方式進行倍幀處理。零級內插以簡單每幀重復N-1次完成;一級內插以在兩幀圖象序列間對應點線性內插方式完成;二級內插則以計算兩幀圖象序列對應點的運動補償內插值作運動補償內插。倍幀的倍率則可為二倍幀、三倍幀、四倍幀等。其組合方式可為下表組合 表1內插方式與倍幀次數之不同組合
(6)將內插倍幀處理后的序列圖象數據作D/A變換送顯示裝置進行顯示。
實現上述方法的發送裝置，其輸入信號為逐行掃描的減幀信號，圍繞這一特點發送裝置包括針對減幀后的圖象序列(即減幀信源)進行A/D變換的接口電路，運動檢測器、信源編碼電路、信道編碼電路、數字載波調制及功率放大部件，最后送出信號部分在無線時即為天線，有線時為輸出接口。
實現上述方法的接收裝置包括選頻放大電路、數字載波解調器、信道解碼器和信源解碼器、倍幀處理器及能送出符合顯示要求的接口電路和顯示裝置，其核心在于倍幀處理器。
為便于對倍幀處理器的描述，對圖象作下列符號規定設發送端的減幀圖象序列的第k幀圖象的(X、Y)坐標點的象素值為S(k，0)(X，Y)，接收機經解碼后恢復的該幀圖象的對應點響素值為f(k，0)(X，Y)，經N次倍幀處理后的第m個內插幀對應點象素值為f(k，m)(X，Y)，其中m＝1、2、……，N-1 N為倍幀次數。倍幀器利用計算機數字圖象處理技術進行運動補償幀間內插，將完成下列功能(1)零級內插方式(簡單重復)f(k，m)(x，y)＝f(k，0)(x，y)m＝1，2，…，N-1，(2)一級內插方式(線性內插)f(k，m)(x，y)＝ (N-m)/(N) ·f(k，0)(x，y)+ (m)/(N) ·f(k+1，0)(x，y)m＝1，2，…，N-1
(3)二級內插方式(運動補償內插)由f(k，0)(X，Y)和f(k+1，0)(X，Y)，利用塊匹配或象素遞歸等運動檢測技術得到象素源的運動矢量;設由第k幀(X，Y)點到第(k+1)幀的運動矢量為 (k，k+1)(X，Y)，其中X方向和Y方向的分量分別為MVX(k，k+1)(X，Y)和MVY(k，k+1)(X，Y)，則f(k，m)(x，y)＝ (N-m)/(N) ·f(k，0)(x+ (m)/(N) MVX(k，k+1)(x，y)，y+ (m)/(N) MVY(k，k+1)(x，y))+ (m)/(N) f(k+1，0)(x+ (N-m)/(N) MVX(k+1，k)(x，y)，y+ (N-m)/(N) MVY(k+1，k)(x，y))m＝1，2，…，N-1為完成上述三個級別內插功能，倍幀處理器由運動補償處理器、高速高位數字信號處理器(DSP)、減幀圖象數據幀存儲器、程序存儲器、內插幀數據存儲器、實時地址變換器、視頻變換及輸出電路、D/A變換電路及DSP的工作RAM組成。它們通過系統總線和地址控制線相互連結，在DSP控制下，針對不同的內插級要求，在減幀圖象數據存儲器中相鄰幀間進行內插幀處理。處理過程的程序圖如圖5，圖中T為幀傳輸周期，在50Hz場頻地區T為(1/25)秒，在60Hz場頻地區T為(1/24)秒
實際的接收機可同時具備三種內插級功能，由用戶自行選擇內“插級別，亦可每機只具備一種內插級，由此產生不同檔次接收機。
本發明提出了不同于現有各種電視體制(包括研究中)的新方法。本發明技術方案不傳輸無助于表現活動圖象運動連續感的冗余信息，比現有逐行制幀數減半，節省一半的傳輸通帶，完全避免了隔行制的爬行、行間閃爍垂直分辨率低等固有缺陷。其內插倍幀顯示方式為電視重現質量超越電影重現質量，為多種顯示方式并存競爭發展接收機品種、為調和世界上50Hz/60Hz兩大電視分野促進統一制式形成創造了條件。
圖1是減幀傳送3倍幀內插示意2是電視發射機信號處理原理3是電視接收機信號處理原理4是倍幀處理器的一種結構原理5是倍幀處理器處理過程的程序框圖以下將結合實施例對本發明作進一步的描述，圖1，所示是將用逐行掃描方式獲得的圖象隔一幀刪一幀后傳送，其中虛線幀即被刪除幀。到達接收端后，以3倍幀方式顯示，粗線幀為解碼恢復的圖象幀，細線幀則是內插幀。此時實際顯示幀數是按現有逐行制攝制幀數的1.5倍，而內插幀的內插級可在0～2間選擇，故運動圖象的重現質量將大大提高。
用無線傳播方式使用本發明時，涉及電視發射機和電視接收機。電視發射機具有與現行電視發射機相應的輸入接口電路、信源編碼、編信道編碼、數字載波調制、功率放大及發射天線，差別源于本發明所使用的電視發射機接受的是逐行減幀信源，信源幀頻不大于25Hz，同時考慮到接收時二級內插的需求，在A/D變換后，編碼前需進行運動檢測，得到圖象的運動矢量。
電視接收機先將從天線接收的電視信號選頻放大，送入數字載波解碼器、信道解碼器、信源解碼器進行解碼，恢復發射機編碼前的圖象序列數據，然后送入倍幀處理器中進行倍幀處理。倍幀次數和內插級別用予置的方式置入，倍幀處理器中由DSP控制按照予置要求進行處理。處理完畢對所得數據進行D/A變換取得視頻信號送顯示裝置顯示。
在發射端對已給的標準逐行圖象序列(50幀/秒)隔一刪一，獲得25幀/秒的減幀圖象序列。經類于H.261的標準信源壓縮方法進行編碼壓縮及信道編碼后，傳至接收方，進行相應的信道解碼及信源解碼恢復，獲得25幀/秒的恢復圖象序列。然后采用每幀復現二次的方法(即零級內插，二倍幀頻)進行了活動圖象序列動態重現，并與原始圖象序列同時并列顯示，經多方面專家和一般觀眾觀察，均未覺察到可感知的差別，主觀效果優良。
運動補償二級內插的方式。在考慮了圖象各象素運動矢量場的情形下，內插所得內插幀圖象，符合各物體相對運動之規律，主觀質量極為優良。
權利要求
1.一種數字式高清晰度電視傳輸方法，它包括下列步驟(1)以逐行掃描方式攝取全幀，取得原始圖象序列，圖象序列的幀頻率不大于25幀/秒；(2)將(1)所得的圖象序列信號進行A/D變換，獲取圖象序列數據，并作運動檢測獲取運動矢量及運動補償差值圖象；(3)對(2)所得的圖象序列數據和運動矢量及運動補償差值用信源頻帶壓縮技術和信道誤碼控制技術進行編碼，其中信源編碼的主干技術由國際電信咨詢委員會的CCITT H.261文件所規定，信道誤碼控制編碼后信道調制則采用正交頻分多工方式中各子頻道為16QAM調制的方式進行；(4)將編碼后的數據傳至接收點，傳輸方式可以為無線或者有線，其中在50Hz場頻地區和60Hz場頻地區傳輸頻率分別為25幀/秒和24幀/秒；(5)接收端先將接收到的數字信號進行解碼，恢復編碼前的圖象序列數據和運動矢量及差值，然后以內插方式進行內插倍幀處理；(6)將內插倍幀處理后的圖象序列數據以倍幀掃描頻率送出，并作D/A變換，送顯示裝置進行顯示。
2.根據權利要求1所述的傳輸方法，其特征在于內插倍幀處理的內插方式分為三級零級內插以每幀圖象簡單重復N-1次完成，一級內插以在兩幀圖象間對應點的象素值作線性內插完成，二級內插以計算兩幀圖象對應點的象素值之運動補償內插值作運動補償內插完成。
3.根據權利要求1或2所述的傳輸方法，其特征在于內插倍幀處理的倍幀頻率為二倍幀或三倍幀或四倍幀。
4.根據權利要求1或2或3所述的傳輸方法，其特征在于內插倍幀處理采用下列步驟完成(1)將內插倍幀運行程序和計算公式存入程序存貯器中;(2)啟動系統，高速高位數字信號處理器(DSP)按程序計數器內容取指、執行操作并根據所執行指令的內容更新程序計數器，按程序流程進行運算;(3)程序根據予置的內插級別及倍幀次數N進行內插運算;(4)在零級內插情形下，以倍幀速率由圖象數據幀存儲器讀出各象素的數據，送往輸出寄存器，進行D/A變換得到視頻信號;(5)在一級內插的情形下，以倍幀速率由前后二幀圖象數據幀存儲器讀取二幀對應象素的數據(當m＝0時，只讀前幀)，分別乘以(N-m)/N及m/N作加權和(N為常數，m由0至N-1由程序控制)，送往輸出寄存器，進行D/A變換得到視頻信號;(6)在二級內插的情形下，以倍幀速率由前后二幀圖象數據不同的位置的相應地址(該位置由運動矢量按說明書所述公式計算而得)，讀取二幀圖象的象素值(當m＝0時只讀前幀)，分別以(N-m)/N及m/N作加權和(N為常數，m＝0至N-1由程序控制)，送往輸出寄存器，進行D/A變換得到視頻信號;(7)程序以不大于1/25秒為基本周期進行循環處理，由外部控制(如換臺或關機)信號結束循環。
5.實現權利要求1所述方法的發送裝置，它包括輸入接口電路、信源編碼器、信道編碼器數字載波調制器、功率放大器和發送部件;發送部件在無線時即為發射天線，有線時則為輸出接口;其特征在于輸入接口電路接收的是逐行掃描的減幀信源，信源的幀頻率不大于25幀/秒。
6.實現權利要求1所述方法的接收裝置，它包括接收天線、選頻放大電路、數字載波解碼器、信道解碼器和信源解碼器和顯示及裝置，其特征在于它還包括一個倍幀處理器。
7.根據權利要求6所述的接收裝置，其特征在于倍幀處理器包括(1)用于控制倍幀處理器工作的高速高位數字信號處理器(DSP)及工作RAM;(2)用于存儲處理器運行程序的程序存儲器;(3)用于存儲解碼圖象序列數據的信源幀存儲器;(4)用于存儲內插數據的內插幀存儲器;(5)作二級內插時用于運動補償的運動補償處理器，它可按運動矢量的當前值進行可控的地址變換，并實現可控加權系數的求和;(6)用于實時地址交換控制的實時地址變換器;(7)視頻變換及輸出電路;(8)用于連結上述各單元的數據總線和地址線、控制線。
8.根據權利要求6所述的接收裝置，其特征在于倍幀處理器包括(1)用于控制倍幀處理器工作的高速高位數字信號處理器(DSP)及工作RAM;(2)用于存儲處理器運行程序的程序存儲器;(3)用于存儲解碼圖象序列數據的信源幀存儲器;(4)用于存儲內插數據的內插幀存儲器;(5)作一級內插時所用的可控加權系數的求和裝置;(6)視頻變換及輸出電路;(7)用于連結上述各單元的數據總線和地址線、控制線。
9.根據權利要求6所述的接收裝置，其特征在于倍幀處理器包括(1)用于控制倍幀處理器工作的高速高位數字信號處理器(DSP)及工作RAM;(2)用于存儲處理器運行程序的程序存儲器;(3)用于存儲解碼圖象序列數據的信源幀存儲器;(4)用于存儲內插數據的內插幀存儲器，供重復讀出圖象數據;(5)視頻變換及輸出電路;(6)用于連結上述各單元的數據總線和地址線、控制線。
全文摘要
本發明公開了一種數字式高清晰度電視傳輸方法及發射接收裝置，涉及電視制式及發射接收機。本發明方法以不大于25Hz的幀頻傳輸逐行掃描的圖象信息，在收端則采用內插倍幀方式恢復圖象運動信息，獲得高質量的活動圖象重現效果。本發明在不損失圖象運動信息的前提下，充分利用傳輸通帶，避免了隔行制的爬行、行間閃爍、垂直分辨率低等固有缺陷，實現了電視圖象的高質量重現。
文檔編號H04N11/06GK1098238SQ93111908
公開日1995年2月1日 申請日期1993年7月24日 優先權日1993年7月24日
發明者朱維樂 申請人:電子科技大學