专利名称：采用多个传输通道的电视系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种利用一个以上传输通道传送图像信息之电视信号处理系统。具体地说，本发明涉及对用以增强主信道信息之辅助信道信息进行编码与解码处理之装置。
传统式的电视接收机(例如，依美国及其他各地采用之NTSC广播标准所制造之电视接收机)所显示之图像，其宽高比为4∶3(系所显示图像之宽度与高度比率)。最近，对于宽屏幕电视接收系统使用较高的宽高比(例如2∶1或16∶9或5∶3)发生兴趣者日益增多，因为，利用较高的宽高比与传统式电视接收机所显示之4∶3宽高比相较，前者更接近或等于人眼视界之宽高比。不过，如果宽屏幕电视系统仅能发射比传统式系统更高之宽高比信号，则此种信号并不能与采用传统宽高比的接收机兼容。
所以，必须要有一种能与传统式电视接收机兼容之宽屏幕电视系统。更重要的是，必须使该等宽屏幕系统具备加强或扩充所显示图像之清晰度的功能，从而可提供更多的图像细节信息。这种宽屏幕EDTV(扩充清晰度电视)系统，已由M.A.Isnardi等人于一九八七年十二月出版之第BC-33卷“电子电机工程师协会广播事业报导”“IEEETransactionsonBroadcasting”)中发表之“促进ACTV系统中兼容性与图像重现性之编码方法”“EncodingforCompatibilityandrecoverabilityintheACTVSystem”)一文中，以及在一九八八年二月份出版之第34卷“IEEE消费性电子工业报导”(“IEEETransactiononconsumerelectronics”)中发表之“ACTV系统之解码处理问题”(“DecodingissuesintheACTVSystem”)一文中详加说明。
高清晰度电视(HDTV)宽屏幕系统，通常均使用两个通道。利用两个通道传送宽屏幕HDTV信息，其优点之一已由M.A.Iisnardi等人于第252，340号美国专利申请(申请专利名称为“使用整个信号传输通道之扩充清晰度宽屏幕电视系统”)中述及。该专利申请说明书中说明一种两个通道之高清晰度宽屏幕系统，其中之NTSC兼容主通道系以宽屏幕信息和上述Isnardi等人论文中所述及之额外图像细节信息来进行编码;而其中之辅助通道则含有可用以扩充主通道所含信息之信息。有关主通道信号编码技术，在J.S.Fuhrer所提出的题为“具有辅助信号编码信息压缩扩张功能之兼容性电视系统”之第139，339号美国专利申请中，以及M.A.Isnardi所提出的题为“扩充清晰度宽屏幕电视信号处理系统”之第139，340号美国专利申请中，均有详细的说明。
本说明书认为，应该提供一种两个通道宽屏幕HDTV系统，使其具备一数字辅助信道，且该通道所含信号信息系经过这样地数字压缩处理之信息，使得可减少可能因数据压缩处理所发生之观赏者可目视之外来噪音信号。因此，依本发明原理，在进行数字数据压缩处理前，先将辅助数字信号编码，使其分离为多个以含有图像边缘信息为主之副频带信号成份。
本发明系实现于一宽屏幕高清晰度系统中，该系统经由一NTSC兼容性主通道和一辅助扩充通道发射信号。主通道系依上述Isnardi等人公开之方法，利用宽屏幕及额外细节加强信息编码。而辅助通道则传送一种代表原来高清晰度视频信号源信息和主通道所传送信息间差异之差异信号。
图1系一两个通道电视信号传输系统之方框图，包括依本发明设计之编码器装置。
图2系一与图1系统有关之两个通道接收机解码器配置方框图。
图3和图4所示为辅助通道内所使用之编码器装置方框图。
图5和图6所示为接收机中与辅助通道有关之解码器装置方框图。
图7和图8所示为与图4和图6装置有关之各滤波器频率响应曲线图。
图1中，来自一信号源110(例如一视频摄影机)之宽屏幕(例如16∶9宽度比)高清晰度电视(HDTV)信号Y、I和Q，施加至一发射机112。信号Y含有亮度图像信息，其水平频带范围为0赫兹至20兆赫，而信号I和Q系含有色度图像信息，其水平频带范围为0赫兹至10兆赫。
信号Y、I和Q由一单通道编码器114予以编码处理，该编码器与上述各专利申请以及Isnardi等人论文中所说明之编码器类型相同。信号编码后，由一天线115发射。所发射之信号由一传统式NTSC接收机122之天线120接收，同时，由一宽屏幕扩充清晰度电视(EDTV)接收机(包括一宽屏幕显示器128)之天线124所接收。宽屏幕EDTV接收机包括一单通道解码器125(与上述各专利申请书及说明Isnardi等人论文中所说之解码器类型相同)，用以将所接收之信号解码为构成扩充清晰度亮度及色度图像成份之信号Y、I和Q，并在宽屏幕EDTV显示器128上显示该等信号。
图1之系统另亦包括一辅助通道编码器142，其中包括本发明所揭示之副频带编码器和数字数据压缩器。代表宽屏幕接收机128所显示之宽屏幕EDTA信号信息和来自信号源110之原始宽屏幕HDTV信号信息二者间差异之信号，由编码器142予以编码处理。该差异信号系从信号源110所提供之信号Y、I和Q中减除单通道解码器140输出之信号Y′、I′和Q′之方法得来。单波道解码器140可与解码器125类型相同。编码器142输出之辅助电视信号△S，系由天线130发射。
由天线130发射之辅助差异信号，和由天线115发射之主信号，被宽屏幕HDTV电视接收系统之天线132所接收。该电视系统包括一双通道解码器134，用以将主信号和辅助信号解码，并将解码后之亮度及色度构成信号相加，以产生适合宽屏幕HDTV显示器134显示之宽屏幕HDTV成份信号Y′、I′和Q′。依本发明设计之编码器142和解码器134之对应元件，将于下文中讨论之。
图2系图1所示双通道解码器134之一种范例配置方框图。天线220耦合至调谐器202和222，此二个调谐器分别调谐传送主信号之射频通道和传送辅助信号△S之射频通道。单通道解码器204将调谐器202产生之主信号解码后产生Y′、I′和Q′信号成份。解码器204可采用前述各专利申请和Isnardi等人论文中所说明之相同单通道解码器。辅助信号解码器206包括量化网络，将来自调谐器222之辅助信号△S解码后产生量化后之增强亮度差异信号△Y′和量化后之增强色度差异信号△I′和△Q′。稍后，于下文中将详细讨论辅助信号解码器。信号△Y′、△I′和△Q′分别经由加法器208、210和212与每帧525行之连续扫瞄信号Y′、I′和Q′(由单波道解码器204输出)混合后，产生每帧1050行之隔行扫瞄信号Y″、I″和Q″，然后送至图1之宽屏幕HDTV显示器136。显示器136可采用传统式525行连续扫瞄显示器，受一场频信号控制，将525条显示行每场移位隔行扫描空间之二分之一，以达到1050行隔行扫瞄之效果。
如前述各专利申请及Isnardi等人文章中之详细说明，主通道传送之编码后NTSC兼容性信号，包括三种信号成份。简言之，三个信号成份中之第一个成份信号乃系一每帧525行之2∶1隔行基频带信号，并具有标准之4∶3宽高比。此一信号成份包括来自原始宽屏幕信号源之中心屏面信息，经时间扩展处理后，几乎占据起作用的扫描行整个时段。该第一信号成份另亦包括侧屏水平低频信息，该信息已经过时间压缩入标准NTSC接收器显示器122左右两侧之水平图像过扫瞄区内。低频侧屏信息因标准NTSC制接收机并不显示该信号，故观赏者亦无法看到。该第一信号成份与第二和第三信号成份混合前，先受帧内平均处理，使其频率大约在1.5兆赫以上。
第二信号成份是一种由原始源信号中导出之2∶1隔行基频带辅助信号，其中除低频信息外之屏面左右两侧高频信息，系经过时间扩展处理后，占据起作用的扫瞄行时段之一半。因此，经时间扩展后之侧屏高频信息，实际上占据第二信号成份起作用的扫描行之全部时段。
第三信号成份是由原始源信号中导出之辅助用2∶1隔行基频带信号，并包含在大约5.0兆赫与6.0兆赫范围内之额外高频水平亮度细节信息。此信息之频率被降低至0至1兆赫频带以内。
第二和第三信号成份各经帧内平均处理及幅度压缩后，再分别调制正交相位相关的各抑制后辅助副载波信号。各辅助副载波信号之频率(例如为3.108兆赫)，为水平行扫瞄频率二分之一之奇数倍，并在NTSC基带信号频谱之色度频带范围以内。此外，各辅助副载波信号相邻两场之相位差为180°，而每一场系由262条水平扫瞄行之周期限定之。因此，辅助副载波信号之相位交变方式与NTSC色度副载波信号之相位交变不同。正交调制后之辅助副载波信号与经过帧内平均处理之第一信号成份混合，其混合后之合成信号，用以调制由图1中主波道天线115播送之射频图像载波。
辅助差异信号△Y、△I和△Q，由单元142用一种数字副频带编码和数据压缩处理(下文将讨论之)予以编码和压缩。差异信号△Y、△I和△Q于经过事先之模拟/数字转换处理后，应为数字(二进制)形式，并包含相当低能量之高频信息。在本例中，主通道信号系由天线115以模拟形式播送。
图3所示之装置适合于图1中之辅助通道编码器142。亮度差异信号△Y施加至一正交镜象滤波器(QMF)312，将信号△Y分离为四个隔开之空间频率副频带。此四个频带区别为LL频带(低水平与低垂直频带)，LH频带(低水平及高垂直频带)，HL频带(高水平及低垂直频带)，与HH频带(高水平及高垂直频带)。每一频带分别代表该特定空间频率带差异信号△Y中出现之能量。
以一包含水平，垂直和斜线边缘信息之图像物体而言，与LL副频带有关之信息代表该物体之模糊影像，而与LH、HL和HH副频带有关之信息，则分别代表水平、垂直和斜线边缘信息。LH、HL和HH频带，各包括平场信息以外之图像边缘信息。每一频带于被施加至一时间多路复用器313之前先依预定算法之数据，分别由量化器314a至314b予以量化。
△I和△Q差异信号于被施加至多路复用器313之前，以上述处理信号△Y之相同方式，由一QMF编码器322(与QMF编码器312相同)与各量化器324a至324d(与量化器312a至314d相同)予以处理。如以前所述，信号I和Q之频带宽度为10兆赫，或为亮度信号Y20兆赫频带宽度之一半。因此，差异信号△I和△Q是信号△Y水平频带宽度之一半。为使水平、垂直和时间空间内保持相同之亮度对色度频带宽比率2∶1，并获得较大之色度压缩，于副频带编码处理前，先将信号△I和△Q按垂直与时间2∶1之比例关系而降至十分之一。此系利用一输入电路完成之，该电路包括一场开关325和一2∶1垂直减至十分之一(下降采样)电路327。当开关325在图中所示位置时，于偶数图像场期间，该开关即将差异信号△I传送至垂直下降采样器327，而当开关325于在另一位置时，该开关即将差异信号△Q传送至垂直下降采样器327。
由各量化器314a至314d于亮度信号路径中所产生之数据量化作用，系包括编码器315在内之数字数据压缩处理程序构成部份之一。数据压缩处理除去冗余数据，因此，较少的资料位可以较低的速度传送，而不致对信息之分辨率造成显著影响。在本具体实例中，数据速度约为500兆位/秒之输入数据被压缩为20兆位/秒之数据速率，此与传统式NTSC电视系统之6兆赫频带宽度可以兼容。
与模拟式数据压缩处理相较，数字数据压缩之优点为可在解码器处提供更佳之无噪音信息恢复功效，并可为低噪音信号获得一显著改善之信噪比。就此点而言，也发现在数据压缩处理前，先将输入信号分段为四个副频带LL、LH、HL和HH，可使数据压缩处理所产生之噪音于再生后所显示之图像中显著减少。以数据压缩方式处理未分段原始信号之系统，不能区分“平整”图像区与边缘区。因而，接收机将数据扩展后，压缩处理时所产生之噪音就会出现在整个图像区之内。作为相比，本发明公开之数据压缩系统之优点乃系由于如上所述将输入信号分离为数个副频带，而可区分平整图像区和边缘图像区。本发明公开之数据压缩系统，其设计主要系对于与LH、HL和HH各频带有关之边缘信息进行操作，因此，由压缩处理产生之噪音系与图像边缘有关，且当图像信息于解码器处再生时，其影响较低。与水平边缘信息(频带LH)和垂直边缘信息(HL)有关之副频带信号，被视为比其他信号更重要。与LL频带有关之信号，为可选用信号。例如，可用以载运信息以减少与主通道信号相关之外来信号，或用以协助由隔行扫瞄转换为连续扫瞄。
量化处理减少输入信号数据位中之变异内容，以使随后之哈夫曼(Huffman)编码器可利用较少数据位以更有效的方式将数据编码。所采用之量化处理方式将根据某一系统之信号特性而选定之。在本具体实例中，四个副频带信号，均系接受相同方式之量化处理，因为各该频带信号之特性和能量分布状况大致相同。但是，如采用分离之副频带信号成份，就需要依照该特定系统之需要，以不同的方式分别处理每一副频带信号成份。由于量化处理主要与边缘信息有关，因此，量化处理期间可能丧失之信息，并不会显著损害观赏者所看到的再生图像。
量化处理为众所周知，且涉及输入的数据的阈值比较。简言之，由QMF编码器输出之每一副频带信号中之象素元素数量为原始输入信号中象素元素数量之四分之一。每一元素为一八位字，其中有一符号位和确定该元素大小之多个位。每一八位字相当于经QMF处理，缩减为十分之一后之一个图像元素。亦即，在此点上，原始信号象素元素数量和各八位字象素元素之间并无直接1∶1之相对应关系。每一元素之大小，须和一阈值相互比较。如其大小超过该阀值，则代表该元素大小之数值即由一代表该元素大小值超过该阀值之差值所取代。符号位则保持不变。通过将该替代值除以一个定值并将其商数取整的方式，使该替代值接受均匀量化处理。此一程序可利用一检查表完成之。
多路复用器313提供一八位数据流至编码器段315。由314a至314d各单元送来之量化后亮度副频带差异信号，和来自324a至324d各单元之量化后之场序副频带色差异信号△I、△Q，由一前置网络(图中未显示)将各该信号互相延迟一预定量，如此，以其他方式同时发展出来之亮度和色度信号，于多路复用处理期间不致重叠。自314a至314b各单元输出之量化后信号，经过时间多路复用处理为一系列八位字，其后随以经过时间多路复用处理后之场序量化后信息△I和△Q。
编码器方框315包括-哈夫曼编码器，此系一可变长度熵编码器，具有熟知之结构与特性，其前有一普通之零运转长度(zero-runlength)编码器。预期经常发生之数据数值，系利用短码字予以编码;而预期发生次数较少之数据数值，则系利用较长码字予以编码。编码处理程序包括利用一预先产生的编程的检查表，随输入数据字之变化而产生编码后之输出数据，包括量化后之非零值和连续之零值。量化后数据输入至哈夫曼编码后，经过扫瞄，以检查其中之量化后非零值和零值。由于量化量314中之阈值处理和量化处理操作，上述各数值中通常大部份为零值。凡出现一非零值量化数据，随即产生一相应的编程的输出代码字。第一次检测到一零量化值时，不论系在一图像行开始时或紧随一非零值之后，即使计数器复位。其后，每有一零值，该计数器即增加一个1。此乃各零值之“运转”(run)，而此一运转于发生一非零值或一已知行终了时就终止。当一次运转终止时，即产生一相当于运转值(长度)之一个输出代码字。
缓冲器316之用途为一接口，使该哈夫曼编码器315之可变输出数据速率能与传送多路复用压缩后差异信号△S之输出通道之固定数据速率(例如，20兆位/秒)相容。缓冲器316之输出信号经由一内含一数/模转换器之调制解调器318而传送至该输出通道。输出信号△S调制在一适当之射频载波上，经由辅助通道广播播送。亦可利用其他传输工具播送，例如微波或光纤链路。
图4为图3中正交镜象滤波器式编码器312之详图。QMF编码器包括两个数字FIR(有限脉冲响应)滤波器。其中之一包括一水平低通滤波器410，另一则包括一水平高通滤波器420。此两个滤波器彼此互补，亦即二者之频率响应系以一半奈奎斯特(Nyquist)频率为中心，形成彼此之镜象图像。该两个滤波器之归一化频率响应曲线分别如图7和8所示。在图7和8中，0.5f点相当于模拟图像信息转换为数字信息时之奈奎斯特采样频率。滤波器410和420在一半奈奎斯特频率(0.25f)左右形成镜象图像响应。低通滤波器410在一半奈奎斯特频率处显示一截止频率，而高通滤波器420则以一半奈奎斯特频率处为其通带频率之开始点。
输入差异信号△Y为二度空间象素元素阵列，内含垂直场扫瞄之水平象素元素，在第一和第二信号路径(包括滤波器410和420)中先被水平滤波。图中上半部通道中，来自滤波器410之低通滤波之信号，在单元412中按因数2受到水平10∶1的减缩处理(亦即循水平方向下降采样)。在图中下半部之滤波器420输出信号于单元422中也受到相同处理。单元412的10∶1减缩处理后之信号，分别经由滤波器413和414之垂直低通与高通滤波处理;而单元422输出的10∶1减缩处理后之信号，则分别经由滤波器423和424之垂直低通与高通滤波处理。垂直低通滤波器413和423功能相同，并显示如图7所示之特性，而垂直高通滤波器414和424也相同，并显示如图8所示之特性。滤波器413、414、423和424之各输出信号分别由单元415、418、425和428按因数2予以垂直10∶1的缩减处理，以产生LL副频带亮度差异信号YLL′、LH副频带亮度差异信号YLH′，HL副频带亮度差异信号YHL、HH副频带亮度差异信号YHH。各副频带LL、LH、HL和HH之性质均已于前文中叙明。各正交镜象滤波器之详细说明，可参阅1983年Prentice-Hall出版，R.E.Crochiere和L.R.Rabiuer合编之“多重速率数字信号处理”(“Multiratedigitalsignalprocessing”)一书。
接收机内之辅助通道解码器操作与发射机之编码器操作方法相同，但操作次序则相反。图5为图2之辅助通道解码器方框图。
在图5中，输入信号△S系图2中辅助通道调谐器222输出之模拟信号。信号△S由输入调制解调器512(内含一模/数转换器)传送至一哈夫曼解码器513。当哈夫曼解码器513识别每一序列代码字时，即由一相关之编程的存储单元(例如一检查表)产生一相对应之解码后输出字，该存储单元与发射机中哈夫曼编码网络中相对应单元相同。解码后之诸字，或为非零数值，或为一零值运转。
由哈夫曼解码器解码后之输出信号，由单元515予以多路分解处理，产生分离之量化后各副频带亮度信号，并送往各相关之逆向量化单元516，诸信号单独接受逆向量化处理，亦即与编码器量化处理程序相反程序之量化处理。与四个副频带中每一副频带信号有关之各非零数值，首先乘以和发射机中量化级所用常数相同之常数。然后，各非零值之数值，按发射机编码器内所用之量化阈值予以增加。而对各零值不作任何处理。
逆向量化网络516输出之四个分离之副频带信号，被各别写入一场存储单元518之各分离的分段中。每一分段之大小为全场存储器大小之四分之一，因为，在编码器中以因数2进行水平及垂直10∶1的缩减处理后，使影像之大小按因数4关系缩小。当每一场存储器分段被填充数据时，输出之各副频带信号Y′LL′、Y′LH′、Y′HL和Y′HH即施加至一正交镜象滤波器(QMF)解码器网络519，以产生差异信号△Y′输出。
多路分解量化辅助色度各副通道信号，系由单元515提供至-I、Q处理器网络520，其线路配置与包括516、518和519各单元之亮度信号处理相同。处理器520之输出信号包括各场序信号△I′、△Q′，利用单元522将各该信号按因数2关系加以垂直伸展处理。伸展器522输出之信号△I′和△Q′之原始时间关系，利用一网络予以重新建立，该网络包括场同步之各开关524、530和532，以及场延迟网络525和526，如图所示。
亮度QMF解码器519之详细方框图如图6所示。QMF解码器519将四个亮度副频带信号重组合为一单场之亮度差异信号图像信息。每一副频带之信号分别由单元610、611、612和613予以垂直伸展(向上采样)。此项处理系在每一频带之每两行之间插入一条零值行之方式完成之。垂直伸展后之各频带信号再经图中之各低通与高通垂直滤波器614～617之滤波。此等滤波器之操作参数与发射机编码器中之各相对垂直滤波器之参数相同。滤波器614和615之输出信号于一混合器618中以减法方式混合，再于单元620中被乘以因数2。同样地，滤波器616和617输出之信号，则于一混合器619中以减法方式混合，再于单元621中被乘以因数2。
混合器620之输出信号于接受单元623水平低通滤波处理前，先于单元622中按因数2之关系接受水平伸展处理。水平向上采样处理系在相邻水平采样信号之间插入一零值采样信号。同样地，混合器621输出之信号，则先由单元624以因数2加以水平伸展处理后，再接受单元625之水平高通滤波处理。经单元623和625滤波后之各信号，于混合器630中以减法方式混合，然后，于单元632中被乘以因数2，以产生输出信号△Y′。乘法器620、621和632是起信号定标元件的功能，以确保该输出信号△Y′含有大致与原始信号△Y亦即未经向上采样和向下采样前之信号所含有之相同能量。
权利要求
1.一种用以产生代表一高清晰度电视(HDTV)图象主信号和辅助信号之系统，其特征在于包括；一电视视频信号源(110)，其信号代表HDTV图像信息，其细节度实质上高于一传统电视影像之细节度；第一信号处理装置(114)，耦合至上述信号源，用以产生一主视频信号，代表一加强图像，其细节度较高于传统式视频图象，但低于一HDTV视频图像；用以产生一辅助数字差异信号之装置(140)，该信号代表上述来自信号源之电视信号和上述主视频信号间之差异；第二信号处理装置(142)，响应于上述差异信号，用以产生一转变后之辅助差异信号，该信号处理装置包括(a)用以将上述差异信号分离为多个数字式副频带信号的装置，该信号包括主要含有图像边缘资料之多个副频带信号；及(b)数字数据压缩装置，利用数字压缩方法处理上述各副频带信号。
2.根据权利要求1的系统，其特征在于其中之分离装置包括一正交镜象波波器。
3.根据权利要求1的系统，其特征在于其中之数字数据压缩装置包括量化处理上述各副频带信号之装置;及哈夫曼编码装置，响应于上述量化装置输出之量化后各副频带信号。
4.根据权利要求1的系统，其特征在于其中来自信号源之电视信号代表宽屏HDTV图象信息。
5.一种接收电视信号之系统，该电视信号包括一主视频信号成份，代表扩充清晰度之电视图象，其细节度高于一传统式视频图像;另有一辅助信号成份，包括用以增强上述扩充清晰度电视图像，该辅助信号成份内含多个副频带信号，其中包括主要含有图像边缘信息之多个副频带信号;该系统包括下列装置第一装置(202，204)，将上述主信号成份处理后产生一代表扩充清晰度图像之主要图像信号信息;第二装置(222、206)，将上述辅助信号处理后产生代表上述扩充清晰度图像增强信息之辅助信息;及用于将上述主要图象信号信息和上述增强信息混合后产生一代表增强扩充清晰度图像之输出信号的装置(208、210、212)。
6.根据权利要求5的系统，其特征在于其中之第二信号处理装置包括;以数字方式扩充上述各副频带信号中所含数据之装置;及将上述各扩充的副频带信号混合之装置。
7.根据权利要求6的系统，其特征在于其中之混合装置包括一正交镜象滤波器。
8.根据权利要求1或5的系统，其特征在于其中上述多个副频带信号包括一主要含有水平边缘信息之第一成份，和一主要含有主要垂直边缘信息之第二成份。
9.根据权利要求2或8的系统，其特征在于其中上述多个副频带信号包括一第三成份，内含限定对角边缘信息的大量之水平与垂直信息。
10.根据权利要求3或9的系统，其特征在于其中上述多个频带信号包括内含水平低频信息和垂直低频信息的另一成份。
全文摘要
自宽频带宽屏幕高清晰度电视(HDTV)源输出之电视信号，经两个传统式NTSC通道传送。主通道信号(115)包括可与现有NTSC电视机兼容之编码宽屏幕和扩充清晰度信息。辅助通道信号(130)增添主通道信号，且包括代表主通道传送信息与来自HDTV源信息间信号差异(△S)信息。两个通道信号(132，134)被HDTV接收机接收后产生HDTV图像(136)。
文档编号H04N11/14GK1046827SQ9010243
公开日1990年11月7日 申请日期1990年4月23日 优先权日1989年4月24日
发明者吴筱波 申请人:通用电气公司