专利名称：生成带附加信息的电视传输信号的方法和设备,以及从所述电视传输信号中分离出所述 ...的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种生成带附加信息的电视传输信号的方法，用来实现这种方法的设备，以及将所述附加信息从所述电视传输信号中分离出来的设备。
对于电视的发送，有各种各样的到达观众的传输路径，即通过地面发射站和天线进行的地面传输，卫星传输，以及宽带电缆传输和电话电缆传输。所述每一种传输模式都具有固有的优势和缺点，但在如今，所述各种传输模式之间的最为本质的区别在于，在高频卫星传输波段还有足够的容量可供使用，而地面传输模式和电缆网络已没有什么空闲信道了。
为了解决可用的地面信道有限的问题，已经提出了许多方案。其中一种方法是将传输频率移至微波波段，以增加传输信道数目。但是，这种名为MMDS(Microwave Multipoint Distribution System，微波多点传输系统)的方案的一个缺点是，微波发射机的覆盖距离相对来说短一些，因而需要大量的发射机。
另一种增加地面传输节目数量的方法是试图使用数字电视传输模式。基本的原因，是现代数字编码和数据压缩技术使得可以极大地缩减电视节目传输所需的频率范围。但是，尽管数字传输技术已经或者即将被引入使用卫星和宽带电缆的电视传输中，但地面传输路径中的数字传输能否在以后若干年内实现还存在疑问，因为这样的地面传输在技术上要求很高，而标准化问题也还未解决清楚。另外，为了接收数字电视信号，需要有新式的电视机，或者至少要有额外的辅助设备，这会使用户额外支出一笔，因而也是一项缺点。
至于数字影像技术，为了增加传输数据的数量，已提出过这样的方案对于一个数字化电视信号，在消隐信号间隔所获得的扫描数据可以用附加信息例如数字音频信号的附加信息取代之，以便能够传输额外的信息(Ulrich Schmidt，Digitale Videotechnik，Franzis publishers，Feldkirchen，Germany，1996，PP180-182；德国专利文献A 195 44582)。
本发明的目的是提供一种方法，以能够在传统的模拟电视传输技术的范围内传输尽可能大量的有用信息，以缓解尤其是在模拟电视地面信号传输中存在的所述容量不足的矛盾。本发明另外的目的是提供用来对用所述方法处理的模拟传输信号解码的设备，以及传输用所述方法生成的传输信号的设备。
所述目的的第一方面是通过权利要求1中所述的方法步骤实现的。本发明的方法系基于这样的理解包含在图像信号中的图像信息并非完全是观看电视图像的使用者所需要的。基于这样的认识提出了本发明的设计通过不可逆转的压缩以及随后进行的图像记录信号的解压缩，将生理上难以察觉或者根本不能察觉的图像信息的不必要部分，也就是电视图像的精细结构(fine structure)去除，也就是说，进行数据简化，然后将有用的信息和控制信息插入如此获得的空闲空间中去。举例来说，所述被抽出的精细结构可能是作为一场被传输的体育赛事的图像背景的紧凑邻接的色调和亮度，在这种情况下，观众即使集中全部注意力，也难以区分所述色调和亮度。
本发明的优点是，可以额外传输相当大量的有用附加信息。被传输的信号由被简化的图像信号和插入其中的有用信息构成，由于是模拟信号，以模拟方式被传输，因此能够被即刻检取、处理，并由普通的模拟电视机显示而不需要额外的辅助设备。所述有用信息可以用一种辅助设备比如微机或者机顶盒还原，并可以同所述被传输的电视图像一起进行处理。在本发明的一种优选实施例中，所述有用信息和控制信息在被插入之前先被压缩，因而可以传输相当大量的附加数据。压缩的类型和工具随有用信息的内容和/或用途而定。
当传输宽屏幕图像格式(16/9格式，或者宽屏幕格式，或者宽银幕电影格式)时，在电视传输信号中，要在图像的上下边缘添加黑条，以便这样的传输信号也可以被老的4/3制式电视机接收。在这种情况下，所述图像信息的被取代部分可以是至少一个添加在所述下边缘或上边缘的黑条。
所述被插入的有用信息基本上可以是任何类型的信息。传输另外的电视节目具有巨大的实用价值。在这方面，在本发明的方法的一种优选实施例中，所述有用信息是至少一套另外的电视节目。
如果另外的电视节目是为微型电视机准备的，则对于小屏幕来说，较低的图像质量也是可以接受的。在这种情况下，所述有用信息最好有较高的压缩率，压缩系数至少为50，从而能够传输大量的这样的电视节目。
在本发明的另一种优选实施例中，对所述有用信息进行加密，以防止非授权使用。可以根据所插入的有用信息的种类而合适地选择防差错等级(degree of error protection)。
在本发明的方法的一种优选实施例中，所述控制信息加在电视图像序列的第i帧图像上，用来对第(i+k)帧图像进行解码。其中，k最好大于0，尤其是1.
本发明的第二个目的是通过下述设备达到的。该设备的特征在于一个将所述有用信息从包含在传输信号中的简化图像信号中分离出来的解码器，所述分离操作是在从发射机一侧插入的所述控制信息的帮助下完成的。这样的设备可以是辅助设备的形式，比如微机或者机顶盒。
用来实现本发明所述方法的设备具有权利要求22所述的特征，其一种优选实施例另外还包括一个用来在插入之前压缩所述有用信息的压缩工具。该设备的具体部件可以相互独立地设计，也就是说，各部件不需要在空间上集中在一起。
本发明中另外的有用设计在从属权利要求中有叙述。
下面结合实施例和附图对本发明加以说明。
图1示意了电视信号的普通模拟传输，图2示意了本发明的方法在发射机一侧的实施举例，
图3示意了本发明的方法在接收机一侧的实施举例，图4详细示意了发射机一侧的数据插入，图5示意了表征图像背景的阶梯结构。
图1示意了在传统的地面模拟传输中一套电视节目的传输。电视摄像的过程(pick-up)(也就是说，原始节目影像)是模拟的或者数字的。在图1中，通过一系列技术上已知而不作进一步说明的信号转换，摄取的信号被转换为模拟传输信号，然后由地面发射机以模拟模式发射。被发射的信号通常由天线接收，然后从该天线由一个与天线连接的普通电视接收机接收到。
图2示出了一个实施例，用来说明本发明在发射机一侧的情况。如图2所示，同样地，发射出去的是模拟信号，可由一个普通电视接收机接收。但示于图2的发射信号与示于图1者的不同之处在于，所述发射信号中还包括有附加的有用信息和控制信息，后二者在信号发送之前被插入所述信号中。由数据简化步骤和插入步骤完成本发明中的替换操作，即，将原始图像记录信号的一部分用有用信息和控制信息加以替换。因为这些数据不是被添加到所述原始图像记录信号上，而是替换部分所述原始图像记录信号，因此发射信号的带宽并不因为所述信息的添附而增加。
在进行数据简化之前，所述图像记录信号首先以一种图中未示出的方式被数字化，形成以二进制数字描述图像的编码图像记录信号，所述二进制数字将关于灰度值或者色调值的数据与每一个相应的像素联系起来。在本实施例中，对于所有的像素，所述二进制数字都是8位的固定长度。
所述编码图像记录信号可以以下述方式还原用一个每线特有(line-specific)的幅值Am来比较(标定)第m线的第i个像素的原始幅值Ai，其中，所述每线特有的幅值Am是对若干已知幅值Ai平均而得到的。这样就为每一个像素获得了一个由比值ri＝Ai/Am给出的，占据8位长度的二进制数值ri＝(b1，b2，……，b8)。
所述编码图像记录信号被用在下一步的数据简化中。该数据筒化是这样进行的所述编码图像记录信号的最低有效位在图像显示中的重要性仅在从属地位，因为，这些最低有效位要么只是携带了随机数据，要么只是代表图像的“精细结构”，而这些精细结构观众实际上不能察觉。这样，就可以将一个二进制数的某些最低有效位，例如b6、b7、b8抽出。被抽出的位数各像素间可以不同。如何确定抽出的位数在下文进一步说明。
随后将所述有用信息和控制信息插入，让所述被抽出的最低位b6、b7和b8被对应于插入的有用信息的新二进制数字b6′、b7′和b8′代替。这样生成的新二进制数用ri′表示。这样，模拟传输信号就以一种图2中未示出的方式，按照等式Ai＝Am*ri′被确定，其中，Ai表示模拟传输信号中第m线第i个像素的幅值。这样，所述模拟传输信号就携带了要被传输的模拟电视节目(原始电视节目)的图像信息，以及加载的有用信息和控制信息。
所述有用信息可以包含另外的PAL画质的电视节目。在示于图2的实施例中，所述有用信号10包含另外的电视节目。但是所述有用信息也可以相应地包括因为其文本数据格式而占用空间较少的公司节目，或者也可以包括附加信息，从而使得被传输的电视图像能够被转换为增强清晰度的图像。
如果所述有用信息还不是数字形式的，则首先将其数字化。然后将数字化的有用信息从200Mb/s压缩至6Mb/s。这大约相当于33的压缩比，在这样的压缩比下，压缩信号仍然足以建构PAL画质的图像。有用信息的压缩可以满足多方面的目的最主要的是要尽最大的可能进行数据简化。另外，对有用信息进行加密，以防止信号的非授权使用。另外，还可以以区分数据类型而不同的方式对有用信息加以防护，使得，例如，与文本数据相比具有较低防差错等级的图像信息，以及与数值数据相比又具有较低防差错等级的文本数据，能够通过已知的差错识别或者校正程序加以防护。
所述图像记录信号以及有用信息和控制信息的压缩可以以许多方式实现。例如，已经插入的标准化加密算法可以用来压缩。对于运动图像信息，例如可以按照MPEG1(ISO 1117292/11)标准或者MPEG2(ISO 1318194/111)标准或者更高的MPEG标准进行加密。MPEG2是现代标准，用来处理不同分辨率级别的全图像格式或者半图像格式的标准电视信号，以及音频信息。如果信息是固定图像，则所述加密可按照JPEG标准(ANSI 10981-1)进行。在这方面，同样地，根据具体应用情况的不同，在本发明中可以使用性能大为不同的多种版本。对于文本信息，可以使用各种霍夫曼加密法及改进的霍夫曼加密法以及其他一些方法。
另外，所述有用信号的加密也可以使用不是标准化的但已广为人知是特别有效的方法。例如基于小波或者分形压缩的加密算法。但必须留心的是，这些方法在加密和解码方面往往需要强大的计算能力。因此，当使用所述方法时，必须考虑到可用的计算机功率，并考虑到加密/解码是否必须是实时的。
因为在发射机一侧比在接收机一侧更能接受实质上更高的计算能力，对于本发明也可以应用非对称加密。非对称加密在发射机一侧需要较高的加密计算能力，在接收机一侧则只需要相对较低的解码计算能力。
图3图示了接收用本发明的方法生成的模拟传输信号的方法，以及接收侧的适当的设备。
接收信号(也就是发射信号)例如是由一个天线检取的，然后被馈送到一台微机或者机顶盒以将插入的有用信息还原。插入的有用信息的还原基本上是按照形成传输信号的方法步骤完成的，但所述方法步骤是按照相反的顺序。当需要对接收到的信号作下一步的模数转换时，或者需要对所述接收信号解码时，所述有用信息就基本上从所述接收信号中分离出来接受解码。在本实施例中，除了从接收信号直接还原得到的原始节目之外，分离出的有用信息还包括10套可用的节目(图3)。
除了天线之外，接收机还包括一台微机和/或与普通电视机相连的机顶盒。通过所述微机或者电视机，可以选择接收所述原始节目或者另外的10套节目。所述机顶盒装有一个特殊用途芯片，用来对接收信号解码。已知的符合相应匹配的特殊用途芯片(也就是MPEG编码/解码器)都是合适的。在将来，也可以使用新开发的带其他压缩程序的芯片。合适的微机尤其是所谓的MMX处理器。如果没有微机或者机顶盒，电视机就只能接收所述原始节目。
图4详细示出了示于图2的方法中的数据插入。对所述图像记录信号进行压缩以实现数据简化，然后解压缩。这样所造成的数据丢失是故意的，目的是去除使用者察觉不到的精细结构。简化后的图像记录信号经过随后的解压缩之后，仅包含人眼可见的图像粗结构，这种粗结构在下面也叫做“图像背景”。
图5示意了一帧图像的一段粗结构。所示的台阶的高度对应于以图4所示方式所获得的筒化图像信号的幅值。所述台阶的上方区域中的幅值线段表示从该区域抽出或者重新插入该区域的精细结构的幅值变化，图中的实线表示对人眼可见的由所述台阶构成的所谓阶梯结构的知觉。所述阶梯结构可以由确定图像背景存储需求的系数所确定。所述存储空间需求的可能系数K例如可以用下式表示K＝{log2(像素幅值/黑电平肩(porch)幅值)×191}图4示出了两帧电视图像i和i+1的序列。在一种可能的图像边缘(image side)的结构中，每一帧图像的最上线被指定为起始线，在图4中表示为一个黑条。该起始线含有控制数据，后者用来在接收机一侧在电源打开且在图像分解(breakdowns)后开始解码。该起始线中必须没有图像背景信息。所有随后的信息段中既有原始数据，又有加载的有用数据和控制数据。
这些信息段中的第一段在图4中画有阴影，其中含有另外的控制数据，用来抽出下一帧图像中的信息，并将其分解结果映射到背景信息和有用信息中。在这方面可以有许多方法，下面举例说明其中两种方法第一种方法是将以后的第(i+1)帧图像的全部图像背景(也就是完整的阶梯结构)以压缩形式存放到所述第一信息段(涉及第i帧图像)中。第二种方法是只存放所述阶梯结构的系数K。所述阶梯结构和系数K都可以是单个像素的，也可以是大的图像块的。前已说明的分别对要被插入的有用信息、控制信息和记录信息(形成腾挪出空间的阶梯结构)进行的压缩是相互独立进行的，每个压缩都可以基于不同的方法，例如JPEG、分形压缩、小波方法，等等。
任意的第i帧图像和随后的第(i+1)帧图像(不需要是紧跟的)间的关系如下所述。用从第i帧图像获得的数据对图像序列中的第(i+1)帧图像进行处理。所述数据是从第i帧图像分离出来的阶梯结构的解压缩形式的数据。按照上述第一种方法，这就是代表第(i+1)帧图像的数据的完全的背景，而在第二种方法中，则只有表征空间需求的阶梯结构系数。
在两种情形下，都可以完全分离背景信息和有用信息。分离操作是按如下方式实现的各个附加传输的节目的压缩过的有用信息被编入电视图像的特定位置。举例来说，第4个附加传输信道可以被编入第37到第92线。这些位置的数据例如可以从所述起始线得知。则后来的解码应当仅针对相应的信道(在本例中是第4信道)进行。解码时，首先针对每一像素确定第(i+1)帧图像的数字形式的幅值，它是一个二进制数。然后，对于前述第一种方法，与第4信道的阶梯结构相应的数字值应当从所述二进制数中减去。这样就得到一个数字值，代表所加载的有用信息的二进制值。对于上述第二种方法，该数字值是用下述等式用系数K确定的数字值＝(X/2K′-Y)× 2K′其中，K′＝8-K，Y＝X/2K′的整数部分。
这样就从要被解码的有用信息的，在本例中，也就是第4信道上的附加电视节目的数据流得到了数字值。所述数据流是压缩形式的，在接受进一步处理需要进行纠错时即被解压缩，然后去除其中的冗余，并且还可能要进行转换，以便其与其数据类型相应，能被用作视频、音频或者文本信号。
当打开电源或者在图像分解之后，会发生下述情况。在两种情形下，都首先需要第一线(起始线)的信息。因为在此时不会立即有关于背景信息和有用信息的分离的信息，在此不能加载有用信息。
所述起始线以压缩形式包含有关于第二帧图像的阶梯结构的一部分(例如前10线)的信息，借助于这些信息，可以对第三帧图像中的完全压缩信息段解码。从而，第四帧图像就能够完全被破译。
前述所有实施例及其变化的形式的共同点是，都基于附带有插入的可压缩的数字化有用信息的模拟信号的传输。因此，这样的混合传输的传输路径并不局限于电视信号的地面传输，而还包括例如通过宽带电缆进行的模拟传输。
权利要求
1.一种从图像信号生成电视传输信号的方法，包括下列步骤(a)将输入的图像信号数字化，(b)用不可逆转的压缩方法将所述图像信号压缩，(c)将前述被压缩的图像信号解压缩，(d)比较如此获得的图像信号与原始图像信号，检取在压缩过程中分离出来的精细结构，(e)在所述被抽出的精细结构的位置插入数字的或者数字化的有用信息和数字的控制信息，从而形成包含有所述有用信息的传输信号，(f)将所述数字传输信号转换为模拟信号。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述有用信息和控制信息在被插入前也被压缩。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述有用信息的压缩种类和压缩工具随有用信息的内容和/或格式而定。
4.如权利要求1到3之任何一项所述的方法，其特征在于，所述有用信息和控制信息被插入图像上边缘和/或下边缘的图像黑条中。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述有用信息和控制信息被插入消隐信号间隔中。
6.如前述权利要求之任何一项所述的方法，其特征在于，所述有用信息是文本信息、音频信息、公司信息或者至少另一套电视节目，以及/或者附加图像信息，通过后者，被传输的电视节目的图像可以被转换为高清晰度图像。
7.如前述权利要求之任何一项所述的方法，其特征在于，所述有用信息和控制信息的插入步骤是在数字或者模拟信号处理的范围内实现的。
8.如前述权利要求之任何一项所述的方法，其特征在于，用纠错程序使所述有用信息和控制信息产生冗余，其中所述控制信息被赋予更高的冗余度。
9.如前述权利要求之任何一项所述的方法，其特征在于，对于压缩，使用由MPEG标准和/或JPEG标准确定的算法、基于霍夫曼加密法的算法，和/或例如基于小波压缩或者分形压缩的加密算法。
10.如前述权利要求之任何一项所述的方法，其特征在于，所述压缩是实时进行的。
11.如前述权利要求之任何一项所述的方法，其特征在于，至少对所述控制信息进行加密，以防止非授权使用。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述加密算法的冗余度是要传输的有用信息的类型的函数。
13.如前述权利要求之任何一项所述的方法，其特征在于，对于每一页图像，由所述控制信息指定所述编码传输信号的每一像素中要被分离出来的二进制位数。
14.如前述权利要求之任何一项所述的方法，其特征在于，所述控制信息加在电视图像序列的第i帧图像上，所述序列用来对第(i+k)帧电视图像进行解码。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述第i帧图像的控制信息包括所述第(i+k)帧图像的全部图像背景。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述第i帧图像的控制信息包括表征所述第(i+k)帧图像的图像背景所需的存储空间的系数。
17.如权利要求14到16之任何一项所述的方法，其特征在于，在一个固定的位置，尤其是在要被传输的每一帧电视图像的起始线，包含有这样的信息，其表明所述有用信息的某给定部分被加载到了要被传输的电视图像的哪一个图像信息段上。
18.接收用权利要求1所述的方法发射的模拟传输信号的设备，其特征在于，一个解码器利用所述控制信息从所述图像信号中分离出所述有用信息。
19.如权利要求18所述的设备，其特征在于，一个模数转换器将所述模拟传输信号转换为第一数字信号，然后，一个处理器对所述第一数字信号进行处理，计算出含有所述有用信息的第二数字信号。
20.如权利要求19所述的设备，其特征在于，所述处理器计算出所述有用信息是通过从所述第一数字信号中分离出所述最低有效位而实现的。
21.如权利要求19或20所述的设备，其特征在于，所述处理器是一个MMX处理器或者是一种集成电路。
22.如权利要求19到21之任何一项所述的设备，其特征在于，该设备是一台微机或者是一个可连接到电视机的机顶盒。
23.用于实现如权利要求1到17之任何一项所述的方法的设备，其特征在于它具有下述特征(a)一个用来数字化所述图像信号的数字化仪，(b)一个压缩系统和一个解压缩系统，用来不可逆转地压缩所述图像记录信号并将所获得的信号解压缩，(c)一个检测器，用来比较接收到的所述图像信号与原始图像信号，以检取在压缩过程中被抽出的图像信号精细结构，(d)一个插入设备，用来将数字化有用信息和数字化控制信息插入所述精细结构的位置，(e)一个数模转换器，用来转换接收到的传输信号，(f)一个发射机，用来发射所述模拟传输信号。
24.如权利要求23所述的设备，其特征在于，用一个模数转换器将含有所述有用信息的有用信息模拟信号转换为有用信息的数字信号，再用一个处理器将所述数字图像信号和所述数字化的有用信息加工成数字传输信号。
25.如权利要求24所述的设备，其特征在于，所述处理器对数字图像信号的计算是这样进行的将所述最低有效位抽出，用数字化的有用信息信号取代所述被分离出的二进制位。
26.如权利要求24或25所述的设备，其特征在于，所述处理器至少将所述数字控制信息信号加密。
27.如权利要求22到26之任何一项所述的设备，其特征在于，用一个压缩设备将所述有用信息和/或控制信息在插入之前进行压缩。
全文摘要
本发明涉及一种生成带附加信息的电视传输信号的方法,包括下列步骤:(a)将录制的图像记录信号数字化,(b)用不可逆转的压缩方法将所述图像记录信号压缩,(c)将前述被压缩的图像记录信号解压缩,(d)比较如此获得的图像信号与所述图像记录信号,检取在压缩过程中分离出来的精细结构,(e)在所述被分离出的精细结构的位置插入数字的有用信息以及数字的或者数字化的控制信息,从而形成包含有所述有用信息的传输信号,(f)将所述数字传输信号转换为模拟传输信号。另外,本发明还涉及用来实现所述方法的设备,以及将所述附加信息从所述传输信号中分离出来的设备。
文档编号H04N7/24GK1267423SQ98808256
公开日2000年9月20日 申请日期1998年7月17日 优先权日1997年7月18日
发明者汉斯－罗尔夫·特勒尔, 赫尔曼·京特 申请人:汉斯－罗尔夫·特勒尔, 赫尔曼·京特