CN1098238A - 一种数字式高清晰度电视传输方法及发射接收装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字式高清晰度电视传输方 法及发射接收装置，涉及电视制式及发射接收机。本 发明方法以不大于25Hz的帧频传输逐行扫描的图 象信息，在收端则采用内插倍帧方式恢复图象运动信 息，获得高质量的活动图象重现效果。本发明在不损 失图象运动信息的前提下，充分利用传输通带，避免 了隔行制的爬行、行间闪烁、垂直分辨率低等固有缺 陷，实现了电视图象的高质量重现。

Description

本发明属电视领域，特别涉及数字式高清晰度彩色电视制式。

人工重现活动景物图象的二大基本技术手段是电影和电视。由于人眼的视觉惰性，对逐幅呈现的运动景物图象序列获得满意的运动连续感的融合频率约为24Hz。而另一方面，人眼刚好感觉不到景物高度闪烁的影象重复频率-临界闪烁频率约为50Hz。临界闪烁频率并依景物的高亮度增加而增加，当景物图象亮度达到人眼忍受上限（约为300abs）时，临界闪烁频率增至约70Hz。因此，若影象重复频率高于70Hz，则人眼可感受到完全免除闪烁感的连续活动图象。

人工重现活动图象的基本要求一是运动连续感，二是消除闪烁。单纯提高重现频率当然可以满足这二方面的要求，但总要造成资源（电影：胶片长度;电视：通带宽度）的浪费。因而人们发明了种种方法，以节省资源。

在电影中采用了以24帧/秒的速度拍摄，在放映时则对每帧图象二次投光（即重复频率增为48Hz）的方法，调合了融合频率与临界闪烁频率的差距，使人类观赏到优美的电影艺术，胶片长度节省一半。

在电视传输制式发展中，由于不存在传输过程中的有形记录介质，自发明时起，就采用了另一种巧妙的“隔行扫描”的方法来弥合这一差距。一帧图象被分解为若干行，其中奇数行部分首先扫描传送，称为奇场。再扫描传送偶数行部分，称为偶场。因而导出了“一帧二场，先后传送”的隔行扫描电视制式的基本概念。对显示屏而言，图象被分割为奇偶行交错的二场，先后闪现二次，近似于二次投光的效果。但每秒传送的总行数仍保持不变，因而节省了一半的频带。

世界上现行的三大电视制式中，均采用了隔行扫描制式。其中NTSC制帧频为30Hz，场频为60Hz，用于60Hz电力网的国家和地区;PAL、SEACAM制帧频为25Hz，场频为50Hz，用于50Hz电力网的国家和地区。这是现行电视历史发展进程所形成的60Hz/50Hz二大分野。

隔行扫描的方法，在节省传输频带一半的条件下，有效地保证了运动连续性并较好地克服了闪烁。隔行扫描这一方法在电视历史上有重要的贡献，并一直沿用到目前正在发展的新一代高清晰度电视（HDTV）之中。例如，数字处理-模拟传输的MUSE（日），HD-MAC（欧）也均采用了隔行扫描的体制。90年起开始发展的全数字式HDTV中，美ADTV，Digicipher，北欧Devine，德HATV-T等制式也采用了这种行之有效的隔行扫描体制方案。

但是，隔行扫描制由于将一帧图象分割为奇、偶行相间的二场，只近似于电影画面的全帧二次投光，这就不可避免带来了一些具有根本性质的缺陷，如：爬行现象（虚假的垂直动感）;行间闪烁（水平锐边缘因奇、偶场亮度不同引起的闪烁）;垂直清晰度降低（克尔系数0.7）等等。在对电视重现质量要求日益苛刻的今天，已成为继续提高重现质量的障碍。

逐行扫描的显示方式则可完全免除隔行扫描的爬行、行间闪烁等缺点，在同样的每帧的行数下，其主观垂直清晰度亦提高为隔行扫描制之1.3倍。这一方法首先在计算机图形显示中广泛采用，但未涉及传输。在某些专用电视设备中也偶有采用，即以逐行方式扫完全帧，并将帧频提高一倍（等于隔行制之场频），每秒传送的行数增加一倍，占用隔行制两倍传输带宽，称为逐行扫描制电视。

新一代高清晰度电视的基本目标是提供16∶9宽高比的大屏幕电视，在屏高三倍处观察时应取得观赏35mm宽银幕电影的临场效果，在其中继续留有隔行扫描的缺陷是难于容忍的。因此，美国已有二家（DSC，CC-Digicipher）提出逐行制HDTV方案，其原理仍是借用上述逐行扫描制的概念。但由于原始带宽增加了一倍，对后续的数字压缩处理的要求更苛刻，不得已只能削减分辨率（一定程度的偷工减料），以求降低原始带宽。据报导，这种形式的逐行HDTV电视体制已取得了较隔行制图象重现质量更高的整体效果。

本发明的任务是为新一代电视提供从摄像、传输到显示的***组成（即传输制式）上的科学而统一的优化安排，以免除现有隔行体制中爬行、行间闪烁，垂直清晰度低等固有缺陷，同时也消除现研究中的逐行制之频带占用宽、数据量大的缺陷，为新一代高清晰度电视的高质量图象重现提供基础。

本发明充分利用图象信息的数字化处理手段，对图象运动信息的处理采用不同等级的处理方式，其中高级的处理方式采用了旨在实现实时内插倍帧的运动检测/补偿处理器。运动检测/补偿处理器是为更精确的利用前帧图象已传递的信息而设计的。在发射端，当前帧被分为适当大小的图象块，对每个图象块在前帧对应处周围进行搜索匹配，即移动图象块并检查重合情况（以图象块诸象素与前帧图象诸象素之差的平方和或绝对值和为检验标准），对重合最好情况的（△X，△Y）称为对应于该图象块的运动矢量。实际传输时，对该图象块只传递运动矢量及图象块的象素差值。因而大大减少了冗余信息，此为运动检测。在接收端的运动补偿则是相反的过程。根据传送过来的运动矢量，将接收端已解码的前帧图象经运动补偿对应位置的象素值取出，作为本帧该图象块的基础值。再加上图象块象素差值后即获得本帧图象块的精确值。目前工程实践中以“穷举搜索法”求得运动矢量最为可靠，由专用芯片完成。运动矢量是对整个象素块而言，但也可按一定插值法根据相邻各块运动矢量变化趋势分配至各个象素。

本发明的目的是通过下述的方法和设备实现的：

（1）以逐行扫描方式摄取全帧，取得原始图象序列，摄像频率仅需在融合频率（约24Hz）附近甚至低于融合频率，帧数与现行逐行制帧数比较为隔一删一，省去无助于表现活动图象运动连续感的冗余信息。具体做法可为：

（a）对目前采用50Hz场频的国家和地区，用25帧/秒逐行扫描取得原始图象序列;

（b）对目前采用60Hz场频的国家和地区，用24帧/秒逐行扫描取得原始图象序列;

（c）由电影资料转为电视信号时，以逐行扫描方式按电影、电视逐帧转换，获取原始图象;

（d）当用电视资料转换为电影时，按电视、电影逐帧转换。

（2）将上述原始图象序列进行A/D变换获得图象序列数据，然后作运动检测，得到运动矢量及运动补偿差值图象。

（3）采用信源频带压缩技术和信道误码控制技术对由（2）步骤所得的序列数据和运动矢量及运动补偿差值图象进行编码。按国际标准，其中信源编码的主干技术已为国际电信咨询委员会的CCITT    H.261文件所规定;信道误码控制编码后，信道调制则采用正交频分多工方式中，各子频带为16QAM调制的方式进行。

（4）将按（3）步骤编码后的数据传输至接收点，传输方式可为无线和有线。其中：

（a）对目前采用50Hz场频的国家和地区，传输速率为25帧/秒;

（b）对目前采用60Hz场频的国家和地区，传输速率为24帧/秒;

（c）50Hz、60Hz场频国家和地区交换的电视资料，传输中一律以每帧对应的方式按本地区的传输帧数加快或减慢传输速率。其速率变化仅为±4%，不影响观看效果。

（5）在接收端，先将接收到的数字信号进行解码，恢复编码前的序列数据和运动矢量及运动补偿差值图象，然后用内插方式进行倍帧处理。零级内插以简单每帧重复N-1次完成;一级内插以在两帧图象序列间对应点线性内插方式完成;二级内插则以计算两帧图象序列对应点的运动补偿内插值作运动补偿内插。倍帧的倍率则可为二倍帧、三倍帧、四倍帧等。其组合方式可为下表组合：

                      表1：内插方式与倍帧次数之不同组合

（6）将内插倍帧处理后的序列图象数据作D/A变换送显示装置进行显示。

实现上述方法的发送装置，其输入信号为逐行扫描的减帧信号，围绕这一特点发送装置包括：针对减帧后的图象序列（即减帧信源）进行A/D变换的接口电路，运动检测器、信源编码电路、信道编码电路、数字载波调制及功率放大部件，最后送出信号部分在无线时即为天线，有线时为输出接口。

实现上述方法的接收装置包括选频放大电路、数字载波解调器、信道解码器和信源解码器、倍帧处理器及能送出符合显示要求的接口电路和显示装置，其核心在于倍帧处理器。

为便于对倍帧处理器的描述，对图象作下列符号规定：设发送端的减帧图象序列的第k帧图象的（X、Y）坐标点的象素值为S_（k，0）（X，Y），接收机经解码后恢复的该帧图象的对应点响素值为f_（k，0）（X，Y），经N次倍帧处理后的第m个内插帧对应点象素值为f_（k，m）（X，Y），其中m＝1、2、……，N-1 N为倍帧次数。倍帧器利用计算机数字图象处理技术进行运动补偿帧间内插，将完成下列功能：

（1）零级内插方式（简单重复）

f_（k，m）（x，y）＝f_（k，0）（x，y）

m＝1，2，…，N-1，

（2）一级内插方式（线性内插）

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）二级内插方式（运动补偿内插）

由f_（k，0）（X，Y）和f_{（k+1，0）}（X，Y），利用块匹配或象素递归等运动检测技术得到象素源的运动矢量;设由第k帧（X，Y）点到第（k+1）帧的运动矢量为

_{（k，k+1）}（X，Y），其中X方向和Y方向的分量分别为MVX_{（k，k+1）}（X，Y）和MVY_{（k，k+1）}（X，Y），则：

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

为完成上述三个级别内插功能，倍帧处理器由运动补偿处理器、高速高位数字信号处理器（DSP）、减帧图象数据帧存储器、程序存储器、内插帧数据存储器、实时地址变换器、视频变换及输出电路、D/A变换电路及DSP的工作RAM组成。它们通过***总线和地址控制线相互连结，在DSP控制下，针对不同的内插级要求，在减帧图象数据存储器中相邻帧间进行内插帧处理。处理过程的程序图如图5，图中T为帧传输周期，在50Hz场频地区T为（1/25）秒，在60Hz场频地区T为（1/24）秒：

实际的接收机可同时具备三种内插级功能，由用户自行选择内“插级别，亦可每机只具备一种内插级，由此产生不同档次接收机。

本发明提出了不同于现有各种电视体制（包括研究中）的新方法。本发明技术方案不传输无助于表现活动图象运动连续感的冗余信息，比现有逐行制帧数减半，节省一半的传输通带，完全避免了隔行制的爬行、行间闪烁垂直分辨率低等固有缺陷。其内插倍帧显示方式为电视重现质量超越电影重现质量，为多种显示方式并存竞争发展接收机品种、为调和世界上50Hz/60Hz两大电视分野促进统一制式形成创造了条件。

图1    是减帧传送3倍帧内插示意图

图2    是电视发射机信号处理原理图

图3    是电视接收机信号处理原理图

图4    是倍帧处理器的一种结构原理图

图5    是倍帧处理器处理过程的程序框图

以下将结合实施例对本发明作进一步的描述，图1，所示是将用逐行扫描方式获得的图象隔一帧删一帧后传送，其中虚线帧即被删除帧。到达接收端后，以3倍帧方式显示，粗线帧为解码恢复的图象帧，细线帧则是内插帧。此时实际显示帧数是按现有逐行制摄制帧数的1.5倍，而内插帧的内插级可在0～2间选择，故运动图象的重现质量将大大提高。

用无线传播方式使用本发明时，涉及电视发射机和电视接收机。电视发射机具有与现行电视发射机相应的输入接口电路、信源编码、编信道编码、数字载波调制、功率放大及发射天线，差别源于本发明所使用的电视发射机接受的是逐行减帧信源，信源帧频不大于25Hz，同时考虑到接收时二级内插的需求，在A/D变换后，编码前需进行运动检测，得到图象的运动矢量。

电视接收机先将从天线接收的电视信号选频放大，送入数字载波解码器、信道解码器、信源解码器进行解码，恢复发射机编码前的图象序列数据，然后送入倍帧处理器中进行倍帧处理。倍帧次数和内插级别用予置的方式置入，倍帧处理器中由DSP控制按照予置要求进行处理。处理完毕对所得数据进行D/A变换取得视频信号送显示装置显示。

在发射端对已给的标准逐行图象序列（50帧/秒）隔一删一，获得25帧/秒的减帧图象序列。经类于H.261的标准信源压缩方法进行编码压缩及信道编码后，传至接收方，进行相应的信道解码及信源解码恢复，获得25帧/秒的恢复图象序列。然后采用每帧复现二次的方法（即零级内插，二倍帧频）进行了活动图象序列动态重现，并与原始图象序列同时并列显示，经多方面专家和一般观众观察，均未觉察到可感知的差别，主观效果优良。

运动补偿二级内插的方式。在考虑了图象各象素运动矢量场的情形下，内插所得内插帧图象，符合各物体相对运动之规律，主观质量极为优良。

Claims (9)

1、一种数字式高清晰度电视传输方法，它包括下列步骤：

(1)以逐行扫描方式摄取全帧，取得原始图象序列，图象序列的帧频率不大于25帧/秒；

(2)将(1)所得的图象序列信号进行A/D变换，获取图象序列数据，并作运动检测获取运动矢量及运动补偿差值图象；

(3)对(2)所得的图象序列数据和运动矢量及运动补偿差值用信源频带压缩技术和信道误码控制技术进行编码，其中信源编码的主干技术由国际电信咨询委员会的CCITT H.261文件所规定，信道误码控制编码后信道调制则采用正交频分多工方式中各子频道为16QAM调制的方式进行；

(4)将编码后的数据传至接收点，传输方式可以为无线或者有线，其中在50Hz场频地区和60Hz场频地区传输频率分别为25帧/秒和24帧/秒；

(5)接收端先将接收到的数字信号进行解码，恢复编码前的图象序列数据和运动矢量及差值，然后以内插方式进行内插倍帧处理；

(6)将内插倍帧处理后的图象序列数据以倍帧扫描频率送出，并作D/A变换，送显示装置进行显示。

2、根据权利要求1所述的传输方法，其特征在于内插倍帧处理的内插方式分为三级：零级内插以每帧图象简单重复N-1次完成，一级内插以在两帧图象间对应点的象素值作线性内插完成，二级内插以计算两帧图象对应点的象素值之运动补偿内插值作运动补偿内插完成。

3、根据权利要求1或2所述的传输方法，其特征在于内插倍帧处理的倍帧频率为二倍帧或三倍帧或四倍帧。

4、根据权利要求1或2或3所述的传输方法，其特征在于内插倍帧处理采用下列步骤完成：

（1）将内插倍帧运行程序和计算公式存入程序存贮器中;

（2）启动***，高速高位数字信号处理器（DSP）按程序计数器内容取指、执行操作并根据所执行指令的内容更新程序计数器，按程序流程进行运算;

（3）程序根据予置的内插级别及倍帧次数N进行内插运算;

（4）在零级内插情形下，以倍帧速率由图象数据帧存储器读出各象素的数据，送往输出寄存器，进行D/A变换得到视频信号;

（5）在一级内插的情形下，以倍帧速率由前后二帧图象数据帧存储器读取二帧对应象素的数据（当m＝0时，只读前帧），分别乘以（N-m）/N及m/N作加权和（N为常数，m由0至N-1由程序控制），送往输出寄存器，进行D/A变换得到视频信号;

（6）在二级内插的情形下，以倍帧速率由前后二帧图象数据不同的位置的相应地址（该位置由运动矢量按说明书所述公式计算而得），读取二帧图象的象素值（当m＝0时只读前帧），分别以（N-m）/N及m/N作加权和（N为常数，m＝0至N-1由程序控制），送往输出寄存器，进行D/A变换得到视频信号;

（7）程序以不大于1/25秒为基本周期进行循环处理，由外部控制（如换台或关机）信号结束循环。

5、实现权利要求1所述方法的发送装置，它包括输入接口电路、信源编码器、信道编码器数字载波调制器、功率放大器和发送部件;发送部件在无线时即为发射天线，有线时则为输出接口;其特征在于输入接口电路接收的是逐行扫描的减帧信源，信源的帧频率不大于25帧/秒。

6、实现权利要求1所述方法的接收装置，它包括接收天线、选频放大电路、数字载波解码器、信道解码器和信源解码器和显示及装置，其特征在于它还包括一个倍帧处理器。

7、根据权利要求6所述的接收装置，其特征在于倍帧处理器包括：

（1）用于控制倍帧处理器工作的高速高位数字信号处理器（DSP）及工作RAM;

（2）用于存储处理器运行程序的程序存储器;

（3）用于存储解码图象序列数据的信源帧存储器;

（4）用于存储内插数据的内插帧存储器;

（5）作二级内插时用于运动补偿的运动补偿处理器，它可按运动矢量的当前值进行可控的地址变换，并实现可控加权系数的求和;

（6）用于实时地址交换控制的实时地址变换器;

（7）视频变换及输出电路;

（8）用于连结上述各单元的数据总线和地址线、控制线。

8、根据权利要求6所述的接收装置，其特征在于倍帧处理器包括：

（1）用于控制倍帧处理器工作的高速高位数字信号处理器（DSP）及工作RAM;

（2）用于存储处理器运行程序的程序存储器;

（3）用于存储解码图象序列数据的信源帧存储器;

（4）用于存储内插数据的内插帧存储器;

（5）作一级内插时所用的可控加权系数的求和装置;

（6）视频变换及输出电路;

（7）用于连结上述各单元的数据总线和地址线、控制线。

9、根据权利要求6所述的接收装置，其特征在于倍帧处理器包括：

（1）用于控制倍帧处理器工作的高速高位数字信号处理器（DSP）及工作RAM;

（2）用于存储处理器运行程序的程序存储器;

（3）用于存储解码图象序列数据的信源帧存储器;

（4）用于存储内插数据的内插帧存储器，供重复读出图象数据;

（5）视频变换及输出电路;

（6）用于连结上述各单元的数据总线和地址线、控制线。

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