DE69228342T3

DE69228342T3 - Universelle Videoausgangsvorrichtung

Info

Publication number: DE69228342T3
Application number: DE69228342T
Authority: DE
Inventors: Robert L. Myers
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 1991-08-19
Filing date: 1992-07-20
Publication date: 2002-10-24
Anticipated expiration: 2012-07-21
Also published as: EP0528548B1; EP0528548A2; EP0528548A3; JPH05241524A; EP0528548B2; DE69228342T2; DE69228342D1; US5229853A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf die Rasterabtastvideotechnologie und insbesondere auf Vorrichtungen und Verfahren zum Umwandeln eines Bilds von einem ersten Format in ein zweites Format, z. B. eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Umwandeln eines hochauflösenden Rasterbilds in ein NTSC- oder PAL-codiertes Farbfernsehsignal.
Das Ablenksystem einer Rasterabtast-Kathodenstrahlröhre (CRT; CRT = Cathode Ray Tube) umfaßt ein Ablenkjoch, das zwei Spulenpaare aufweist, die zueinander im rechten Winkel angebracht sind. Die Spulen erzeugen Magnetfelder, um den Elektrodenstrahl horizontal (entlang der x-Achse) und vertikal (entlang der y-Achse) über den Bildschirm ansprechend auf ein Videosignal abzulenken.
Das Videosignal wird von einer externen Quelle (z. B. von einem Empfänger oder einer Graphikkarte) empfangen und verstärkt, und an eine CRT-Kanone angelegt, um einen Elektronenstrahl mit variierender Intensität zu erzeugen. Das Ablenkjoch wird durch separate Horizontal- und Vertikal- Ablenkschaltungen getrieben. Die Horizontal-Schaltung führt einen sägezahnförmigen Strom zu den Horizontal-Jochspulen zu, um den Strahl quer zur CRT zu bewegen, und um ihn dann schnell auf die andere Seite zurückzuführen, um die nächste Abtastzeile zu beginnen. Die Vertikal-Ablenkschaltung führt eine ähnliche Funktion mit den Vertikal-Spulen des Jochs durch, gibt den Strahl jedoch natürlich mit einer niedrigeren Frequenz zurück.
Die Rasterabtast-CRT umfaßt ferner einen Sync-Separator. Um ein sinnvolles Bild zu erzeugen, muß der Strahl jedesmal mit der gleichen Rate über den Bildschirm bewegt werden, und dies muß derart synchronisiert werden, daß die Reihen und Spalten der Pixel, aus denen das Bild zusammengesetzt ist, wie beabsichtigt angeordnet sind. Derartige Synchronisationsinformationen werden durch die Videoquelle in der Form von Synchronisationspulsen oder "Sync"-Pulsen geliefert, die den Beginn einer neuen Zeile oder eines neuen Rahmens anzeigen. Diese können getrennt zugeführt werden, z. B. mit TTL-Leitungen, oder können in das Videosignal codiert werden. Die meisten Hochauflösungsanzeigen verwenden solche codierten, oder zusammengesetzten Videosignale.
Der Standard für derartige zusammengesetzte Videosignale (einer der üblicheren von mehreren Standards) ist in Fig. 1(a) und Fig. 1(b) dargestellt. Fig. 1(a) stellt einen Abschnitt 10 eines Videosignals dar, der einer Abtastzeile entspricht, und Fig. 1(b) stellt einen Abschnitt 12 dar, der mehreren Abtastzeilen entspricht. Der Austastpegel, der mit "AUSTAST (REF.)" in Fig. 1(a) bezeichnet ist, wird als der Bezug betrachtet. Die Anzeige sollte den Strahl ausschalten, wenn ein Signal auf diesem Pegel vorliegt. Geringfügig oberhalb des AUSTAST-Pegels (ungefähr +0,070 V) befindet sich der SCHWARZ-Pegel. Der SCHWARZ-Pegel ist der niedrigste, mögliche Pegel für den "normalen Video"- Bereich, der während des "aktiven" Abschnitts E des Bildes angetroffen wird. Es wird erwartet, daß alle Signalpegel zwischen dem SCHWARZ-Pegel und dem weißen Bezugspegel (WEIß), der 0,714 V oberhalb des AUSTAST-Pegels liegt, durch den Monitor angezeigt werden können.
Das Einsetzen eines Synchronisationspulses wird angezeigt, wenn das Videosignal unterhalb des Austastpegels fällt. Der Pegel der Sync-Pulsspitzen (mit "SYNC" bezeichnet), wird so definiert, daß derselbe 0,286 V negativ bezüglich des Austastpegels für eine Gesamtsignalamplitude (SYNC zu WEIß) von 1 V Spitze-Spitze ist.
Um zwischen Video- und Sync-Pegeln zu unterscheiden, muß die Anzeige den DC-Austastpegel (AUSTAST) verfolgen, was schwer durchzuführen ist, wenn die Eingänge typischerweise AC-gekoppelt sind. Die meisten Entwürfe umgehen dieses Problem durch Abtasten des Signalpegels kurz nach dem Sync- Punkt, wenn erwartet wird, daß sich das Signal auf dem Austastpegel befindet, d. h. im Intervall D kurz nach dem Intervall C, und dann durch Halten dieses Pegels als ein Bezug. Es wird auch erwartet, daß sich das Signal für eine kurze Zeit B vor dem Sync-Puls auf dem Austastpegel befindet, da das Austasten sowohl vor als auch nach dem Sync- Puls garantiert, daß die Rücklaufzeilen für den Benutzer nicht sichtbar sind. Diese sind als vordere Schwarzschulter und hintere Schwarzschulter des Sync-Signals bekannt, wobei die gesamte Periode F zwischen zwei Zeilen eines sichtbaren Videos als horizontales Austastintervall bezeichnet wird. Es gibt sowohl ein horizontales als auch ein vertikales Austastintervall, die für jedes Videosignal/Format und jeden Videosignaltakt spezifiziert sind. Das Intervall G in Fig. 1(b) entspricht mehreren Abtastzeilen, das Intervall J ist das vertikale Austastintervall, das Intervall K entspricht einem Rahmen, d. h. einem vollständigen Bild, und das Intervall M entspricht dem vertikalen Austastsignal. Der Bildschirm wird mit 60 Hz (d. h. jede Zeile wird einmal alle 16,667 ms abgetastet) bei den meisten modernen Computergraphikanzeigen aufgefrischt. In Europa betragen die Auffrischraten bei einer standardmäßigen 50-Hz- Wechselstromleitungsfrequenz oft 50 Hz.
Der mit Abstand aufregendste Vorteil der CRT gegenüber anderen Anzeigetechnologien ist ihre Fähigkeit, Bilder in brillianten naturgetreuen Farben zu erzeugen. Dies ist besonders auf dem Computergraphikgebiet wichtig, in dem Farbe nicht nur dazu verwendet wird, um naturgetreue Bilder zu erzeugen, sondern ferner dazu, um Textbereiche hervorzuheben, Aufmerksamkeit erregende Warnungen anzuzeigen, etc. Farb-CRTs machen sich die Tatsache zu Nutze, daß das Auge die geeignete Kombination von rotem, grünem und blauem Licht als weiß wahrnehmen wird, und daß andere Kombinationen andere Zwischenfarben erzeugen werden; daher besitzt die Farb-CRT drei Kanonen, jeweils eine für rot, grün und blau, und drei separate, passende Leuchtstoffe.
Das Gebiet der Computergraphik hat dazu beigetragen, daß die Fähigkeit, hochaufgelöste Bilder anzeigen zu können, an Bedeutung gewonnen hat. Solche Bilder erfordern eine höhere Pixeldichte als der NTSC-Standard von 640 · 480. Oft ist es jedoch notwendig, solche hochaufgelösten Bilder zum Zweck eines Anzeigens und/oder eines Aufnehmens über ein herkömmliches Videoband in ein üblicherweise verwendetes Format zu konvertieren, beispielsweise ein NTSC-, PAL- oder SECAM- codiertes Farbfernsehsignal. Ungünstigerweise sind derzeit erhältliche Vorrichtungen zum Durchführen einer solchen Umwandlung (z. B. die von der Firma Hewlett Packard auf ihren Computern der Serie 300 verwendete Folsom-Research-Karte) in der Regel auf eine schmale Bandbreite von Eingangssignalformaten beschränkt, d. h. sie erfordern, daß die Auflösung und horizontale und vertikale Sync-Raten des hochaufgelösten Bildes innerhalb einer kleinen vorgeschriebenen Bandbreite liegen. Andere Vorrichtungen konvertieren über eine große Bandbreite von Eingangssignalformaten/- zeitgebungen, jedoch plazieren diese Vorrichtungen rohe digitale Daten, die durch ein Abtasten des Eingangsvideosignals erhalten wurden, in einen großen Rahmenpuffer und führen daraufhin eine Unterabtastung der gespeicherten Daten in einen zweiten Rahmenpuffer durch. Aufgrund der Verwendung zweier Rahmenpuffer werden solche Vorrichtungen für viele Anwendungen zu teuer.
Die US-A-4204227 offenbart einen Bildkomprimierer, der die Größe eines Bildes durch Löschen eines Teils der Abtastwerte pro Zeile und der Zeilen pro Feld und durch Schließen der Zwischenräume reduziert. Eine Mittelung wird durchgeführt, um die Werte der gespeicherten Abtastwerte für die Abwesenheit der gelöschten Abtastwerte zu korrigieren. Dieser Komprimierer erlaubt jedoch kein vollständig flexibles Umwandlungsverhältnis von einem Format in ein anderes.
Die Erfindung schafft dementsprechend eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1.
Die Erfindung umfaßt ferner ein entsprechendes Umwandlungsverfahren gemäß Anspruch 7.
Ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist ferner eine Filtereinrichtung zum Filtern des Videoeingangssignals auf, um jede Zeile des Bildes horizontal effektiv zu mitteln.
Ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist ferner eine Rahmenpuffereinrichtung zum Speichern der Abtastwerte als ein Array von Bildabtastwerten auf.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist ferner eine Codierer-Einrichtung zum Codieren der Abtastwerte auf, um ein Videoausgangssignal gemäß dem vorgeschriebenen Format zu bilden.
Bei noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die Filtereinrichtung angeordnet, um das Videoeingangssignal zu filtern, bevor das Videoeingangssignal abgetastet wird.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die Filtereinrichtung angeordnet, um das Videoeingangssignal zu filtern, nachdem das Videoeingangssignal abgetastet ist.
Noch ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist ferner eine Einrichtung zum Extrahieren von horizontalen und vertikalen Sync- und Austast-Signalen aus dem Eingangsvideosignal, eine Zählereinrichtung zum Liefern von Zählwerten der horizontalen und vertikalen Sync- und Austast-Signale, eine Prozessoreinrichtung zum Liefern eines Steuersignals auf der Basis der Zählwerte, und eine Phasenregelschleifeneinrichtung auf, die mit der Prozessoreinrichtung zum Erzeugen des Abtasttaktsignals auf der Basis des horizontalen Sync-Signals und des Steuersignals gekoppelt ist.
Bei noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist die Kombiniereinrichtung eine FIFO- Zeilenpuffereinrichtung zum Speichern von mindestens ersten und zweiten Sätzen von Abtastwerten, die die jeweiligen Zeilen des Bildes darstellen, und eine Einrichtung zum Liefern einer dritten Zeile, die ein gewichtetes Mittel der ersten und der zweiten Zeile darstellt, auf.
Die vorliegende Erfindung umfaßt ferner Verfahren zum Umwandeln eines Videoeingangssignals von einem ersten Format in ein vorgeschriebenes zweites Format. Eine Verfahren gemäß der Erfindung weist die folgenden Schritte auf: (a) Extrahieren eines Sync-Signals aus dem Videoeingangssignal; (b) Erzeugen eines Abtasttaktsignals auf der Basis des Sync-Signals und des vorgeschriebenen Formats; (c) Abtasten des Videoeingangssignals gemäß dem Abtasttaktsignal, um eine vorgeschriebene Anzahl von Abtastwerten pro Bildzeile zu erhalten; und (d) Kombinieren der Abtastwerte von mindestens zwei unterschiedlichen Zeilen, um eine vorgeschriebene Anzahl von neuen Zeilen zu erhalten, wobei jede derselben die vorgeschriebene Anzahl von Abtastwerten pro Zeile aufweist.
Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind im folgenden beschrieben.
Fig. 1(a) und 1(b) stellen ein zusammengesetztes Standard- Sync-Videosignal dar.
Fig. 2 stellt dar, wie Pixel eines hochaufgelösten Bildes auf Pixel eines niedriger aufgelösten Bildes gemäß der vorliegenden Erfindung abgebildet werden.
Fig. 3 ist ein Blockdiagramm eines universellen Videoausgabegerätes gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 4(a) ist ein Blockdiagramm eines Abschnitts einer Schaltung zum Erfassen von horizontalen Kanten in dem umzuwandelnden Bild.
Fig. 4(b) ist ein Blockdiagramm eines Abschnitts einer Schaltung zum Erfassen von vertikalen Kanten in dem umzuwandelnden Bild.
In der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen wird lediglich die Umwandlung in NTSC- oder (NTSC-Raten-) Video abgedeckt, es sollte jedoch offensichtlich sein, daß die beschriebenen Verfahren gleichermaßen auf andere Formate, wie z. B. PAL oder SECAM anwendbar sind. Es wird angenommen, daß ein NTSC-Rahmen aus quadratischen Pixeln besteht, die in einem 640-x-480-Array angeordnet sind. Zur digitalen Speicherung eines solchen Rahmens muß jedes Pixel als mehrere Bits gespeichert werden, die die RGB-Farbinformationen enthalten, wobei jedoch die Anzahl der zu speichernden Bits irrelevant für das Problem der Format/Takt-Umwandlung ist. Wie im folgenden ausführlicher beschrieben ist, wird das Eingangssignal in einem Rahmenpuffer einer geeigneten Größe gespeichert und danach zum Codieren in den niedrigeren Auflösungsraten ausgelesen. Darüberhinaus muß es eine Einrichtung zum richtigen Abtasten und Speichern dieses Bildes in dem Rahmenpuffer geben, es sei denn, daß der Eingangssignaltakt bekannt ist. Weiterhin muß es eine Einrichtung zum korrekten Abtasten und Speichern dieses Bilds in dem Rahmenpuffer geben, es sei denn, daß der Eingangssignaltakt bekannt ist. Eine Einrichtung zum ordnungsgemäßen Abtasten und Mitteln eines Signals mit einer höheren Auflösung als die endgültige 640-x-480- Auflösung ist ferner erforderlich, insbesondere, wenn das ursprüngliche Format nicht aus einem ganzzahligen Vielfachen dieser Werte besteht (wie z. B. ein 1280-x-960-Bild).
Beim Versuch einen "universellen" Wandler zu erfinden, d. h. einen, der über einen weiten Bereich von Eingangssignaltakten ein richtiges Ausgangssignal erzeugen wird, werden zwei grundlegende Probleme angetroffen:
Erstens muß die ordnungsgemäße Abtastrate, die für den Eingangssignaltakt geeignet ist, bestimmt werden.
Zweitens muß eine Einrichtung zum ordnungsgemäßen Mitteln des (voraussichtlichen) höher aufgelösten Bildes herunter auf das 640-x-480-Format geschaffen werden.
Diese Probleme werden in Fig. 2 dargestellt, in der die Pixel L1, L2, ... eines 640-x-480-Bildes 14 den Pixeln H1, H2 ... eines 1024-x-768-Bildes 16 überlagert werden. Bild 14 stellt das resultierende niedriger aufgelösten Rasterbild dar, und Bild 16 stellt ein umzuwandelndes, hypothetisches hochaufgelöstes Bild dar. Es ist offensichtlich, daß, obwohl die zwei Bilder das gleiche Seitenverhältnis aufweisen, die Pixel des 640-x-480-Bildes 14 kein ganzzahliges Vielfaches der kleineren Pixel des 1024-x-768-Bildes 16 abdecken. Dies macht es erforderlich, daß die kleineren Pixel des ursprünglichen Bildes 16 in Gruppen kombiniert werden, um die richtigen jeweiligen Werte für die Pixel in dem endgültigen Bild 14 zu bilden (z. B. unter Verwendung eines gewichteten Mittels sowohl in der x- (horizontalen) als auch in der y- (vertikalen) Richtung, wie es im folgenden beschrieben ist). Es sei bemerkt, daß die mittelnden Wichtungen nicht für jedes Pixel gleich sein werden, wenn das Mitteln verwendet wird; z. B. erfordert der Pixel L1 des niedriger aufgelösten Bildes 14 im Vergleich zu dem Verhältnis zwischen dem Pixel L2 des niedriger aufgelösten Bildes und dem entsprechenden Pixel H2 des ursprünglichen Bildes einen größeren Beitrag von dem Pixel H1 des ursprünglichen Bildes 16. Es sei ferner bemerkt, daß es für jeden gegebenen Bereich von ursprünglichen Bildauflösungspunkten lediglichen eine kleine Anzahl von Pixel geben wird, die von dem ursprünglichen zu dem umgewandelten Bild gemittelt werden müssen.
Wenn z. B. die Umwandlung über einen Bereich von ursprünglichen Bildauflösungen von 640 · 480 bis 1280 · 1024 funktionieren soll, dann werden nicht mehr als zwei Pixel in der x-Richtung und drei in der y-Richtung jemals zu irgendeinem gegebenen Pixel in dem endgültigen Bild beitragen. Wenn folglich eine derartige Mittelung "während des Laufs" durchgeführt werden kann, d. h. mit der Anzeigenrate des ursprünglichen Bildes, wird es keine Notwendigkeit geben, mehr als drei Abtastzeilen des ursprünglichen Bildes 16 zu speichern. Darüberhinaus kann die Umwandlung entlang jeder horizontalen Zeile des ursprünglichen Bildes durch Abtasten der Abtastzeilen entlang der x-Achse mit der geeigneten Abtastrate und durch Tiefpaßfiltern der resultierenden Daten durchgeführt werden, derart, daß 640 Abtastwerte für jede Zeile des ursprünglichen Bildes erhalten werden (alternativ könnte eine Tiefpaßfilterung der analogen Signale vor dem Abtasten durchgeführt werden). Dies wird in dem im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel durch Variieren der Abtastrate gemäß der horizontalen Zeilenrate (d. h. der Frequenz des horizontalen Sync-Pulses) des ursprünglichen Videosignals erreicht.
Fig. 3 ist ein Blockdiagramm eines Umwandlungssystems, das auf den oben erwähnten Prinzipien basiert. Das System ist angepaßt, um rote, grüne und blaue analoge, hochaufgelöste Videosignale über Leitungen RA, GA bzw. BA, in dieser Reihenfolge zu empfangen, und um diese Signale in ein niedriger aufgelöstes Videosignal umzuwandeln und dieses Signal über die Leitung 28 zu, z. B. einer niedriger auflösenden Anzeige oder Videobandmaschine (von denen keine gezeigt ist), auszugeben.
Das System weist die folgenden Komponenten auf:
Tiefpaßfilter 17a, 17b, 17c;
Analog-zu-Digital-Wandler (A/Ds) 18a, 18b, 18c;
Zuerst-hinein-Zuerst-heraus (FIFO-) Zeilenpuffer 20a, 20b und einen Bus 20c;
einen gewichteten Mittelungsblock 22, z. B. ein Brooktree-3-x-3 Matrixmultiplizierer;
einen Rahmenpuffer 24 (der in der Lage sein sollte, 640-x-480-N-Bit-Pixel zu speichern, wobei N die Anzahl der Pixel darstellt, die erforderlich sind, um das gewünschte Niveau der Farbtreue zu erreichen;
einen Digital-zu-Analog-Wandler/NTSC-Codier block 26;
einen Sync-Separator 30;
einen Phasenregelschleifen-(PLL-) Frequenzsyn thesizer 32;
einen programmierbaren Teiler 34 (es sei bemerkt, daß diese Komponente ein Teil der PLL 32 sein kann oder zusätzlich zu einem Fest teiler, der Teil des PLL ist, vorhanden sein kann;
einen Zählerblock 36;
einen Bus 38 zum Übertragen von horizontalen und vertikalen Sync- und Austast-Signalen; eine CPU 40;
eine RAM/ROM-Speicher 42;
ein Steuer/Status-Register 44; und
eine Host-Schnittstelle 46.
Bei dem System der Fig. 3 sind die horizontalen Sync- und Austast-Signale aus dem ankommenden Videosignal abgeleitet, das über Leitungen RA, GA, BA empfangen wird (diese können entweder, wie es gezeigt ist, von einem zusammengesetzten Sync-auf-Grün-Signal getrennt werden oder von diskreten Eingangssignalen erhalten werden) und zu einer Taktsteuereinheit gesendet wird, die die PLL 32, den programmierbaren Teiler 34 und den Zählerblock 36 aufweist. Der Block 36 wird typischerweise mehrere Zähler umfassen.
Der Mikroprozessor 40 überwacht die Ausgangssignale des Zählerblocks 36, die an dem Ausgang der digitalen PLL getaktet werden. Der programmierbare Teiler 34 tastet den Ausgang des PLL 32 über eine Leitung 33 ab und speist eine heruntergeteilte Spannung über eine Leitung 35 zu einem Phasenkomparator (nicht gezeigt, jedoch typischerweise ein EXKLUSIV-ODERTor) der PLL zurück. Der Teiler 34 wird durch den Prozessor 40 eingestellt, so daß die PLL 32 640 Taktpulse während jedes horizontalen aktiven Intervalls ausgibt (d. h. das Intervall E zwischen den horizontalen Austastintervallen, wie in Fig. 1 gezeigt). Der Zählerblock 36 summiert die horizontalen aktiven Intervalle und Austastintervalle relativ zu diesem variablen Takt. Sobald dieses Verhältnis eingerichtet ist, wird die Abtastrate durch Zuführen des Ausgangssignals der PLL über die Leitung 33 zu den jeweiligen Takteingängen der A/Ds 18a, 18b, 18c eingestellt.
Zusätzliche Zähler in dem Zählerblock 36 werden verwendet, um die vertikalen aktiven Intervalle und Austastintervalle unter der Überwachung des Prozessors 40 zu bestimmen. Sobald dieselben bestimmt sind, wird der Prozessor ausreichende Informationen über die Abtastrate und das Eingabeformat besitzen, um den Mittelungs-Algorithmus richtig einzurichten, der beim Umwandeln des hochaufgelösten Eingangssignals verwendet werden soll. Da die Abtastrate bereits eingestellt ist, muß der Prozessor lediglich die Wichtungsstruktur bestimmen, die beim Kombinieren (Mitteln) abgetasteter Pixel von benachbarten Zeilen verwendet wird, um die Werte der endgültigen niedriger aufgelösten Pixel zu bestimmen. Dies wird wahrscheinlich lediglich eine kleine Anzahl von Wichtungsstrukturen erfordern, um akzeptable Resultate für beliebige Eingangsbildauflösungen innerhalb des Entwurfsbereichs zu erhalten (der im vorliegenden Beispiel zwischen 640 · 480 und 1280 · 1024 liegt).
Mit dem Festlegen der Umwandlungsparameter wird das Umwandlungsverfahren wie folgt fortgesetzt: die ankommenden Videosignale werden mit der ausgewählten Rate abgetastet, und die resultierenden digitalen Daten werden in dem FIFO- Puffer 20b plaziert. Dies setzt sich solange fort, bis damit begonnen wird, die zweite Zeile des ankommenden Videosignals abzutasten. Diese Daten (die zweite Zeile) werden sowohl zu dem FIFO-Puffer 20b als auch um denselben "herum" über eine Leitung 20c gesendet, so daß die zweite Zeile (durch den Block 22) mit der ersten Zeile gemittelt werden kann, wobei die mittelnden Wichtungen durch den Prozessor 40 während des Austastintervalls zwischen der ersten und der zweiten Zeile eingestellt werden. Das Resultat des Mittelns wird entweder in dem Rahmenpuffer 24 gespeichert (als das endgültige niedriger auflösende Bild) oder, wenn sich die "NTSC-Pixel" über mehr als zwei Zeilen des ursprünglichen Bildes erstrecken, zu dem FIFO 20a gesendet, um ein weiteres Mittelungsverfahren mit den Pixeln der dritten Zeile des ursprünglichen Bildes zu erlauben. Die Pixel der dritten Zeile werden zu dem FIFO 20b gesendet, so daß das Mittelungsverfahren für nachfolgende Zeilen fortfahren kann. Nachdem der gesamte Rahmen abgetastet wurde, wird eine ordnungsgemäß umgewandelte 640-x-480-Bilddarstellung im Rahmenpuffer 24 existieren. Dieses Bild kann auf ein NTSC- codiertes Video durch eine herkömmliche Einrichtung umgewandelt werden, die als Block 26 dargestellt ist.
Es sei bemerkt, daß das gerade beschriebene Verfahren eine zeilenverriegelte Abtastrate verwendet, die aus der horizontalen Frequenz des ankommenden Signals abgeleitet wird. Dieses Verfahren resultiert sogar mit ziemlich schlechten Videoquellen in einem stabilen Digitalisierungsverfahren und die abgetasteten Pixels werden wahrscheinlich in einem orthogonalen Array vorhanden sein.
Es verbleibt noch das Problem des Umwandelns von Bildern, die ein anderes Seitenverhältnis als der 4 : 3-NTSC-Standard aufweisen, z. B. ein 5 : 4-1280-x-1024-Bild. Der Prozessor 40 wird hier die Fehlanpassung des Formats erkennen und, abhängig davon, wie derselbe programmiert ist (oder möglicherweise unter der Steuerung eines Host-Rechners über eine Host-Schnittstelle 46 und Steuer/Status-Register 44), entweder die Abtastrate und das Mittelungsverfahren ändern, um das Bild zum Anpassen zu komprimieren oder auszudehnen oder, wenn die Linearität erhalten bleiben muß, entweder eine geeignete Anzahl von Zeilen am oberen und/oder unteren Ende des Bilds ignorieren oder das Äquivalent eines "Sichtfensters eines Briefes (letterboxing)" durchzuführen, bei dem die vollen 480 Zeilen mit 640 Pixeln des Rahmenpuffers 24 nicht verwendet werden und das Bild zwischen zwei leeren Balken oben und unten oder links und rechts zentriert ist.
Unter der Voraussetzung, daß das beschriebene Umwandlungssystem in der Lage ist, Eingangssignale über einen weiten Bereich von Formaten umzuwandeln, kann dasselbe modifiziert werden, um einen Eingabeschalter (nicht gezeigt) zu umfassen, um unter mehreren Quellen von unterschiedlichen Takten/Formaten unter der Steuerung eines Host-Systems (nicht gezeigt) über die Host-Schnittstelle 46 auszuwählen. Um dies zu erreichen, wird der Host einen Befehl an den Wandler senden, um eine neue Quelle auszuwählen, wobei derselbe dann auf das nächste vertikale Austastintervall der aktuellen Quelle warten wird. Zu diesem Zeitpunkt wird die Eingabe von neuen Daten in den Rahmenpuffer 24 angehalten, wodurch der letzte Rahmen der aktuellen Quelle eingefroren wird. Der Prozessor 40 wird dann bewirken, daß der Eingabeschalter die neue Quelle auswählt und die Abtastrate ändert und das Mittelungsschema für den neuen Takt einrichtet. Die Umwandlung des Videos von der neuen Quelle wird dann sofort beginnen, nachdem das nächste vertikale Austastsignal von dieser Quelle erfaßt wird.
Verschiedene zusätzliche Punkte, die die praktische Implementierung des Systems als ein Produkt betreffen, sollten erwähnt werden. Erstens müssen die maximalen Frequenzen bestimmt werden, die mit dem gewünschten Betriebsbereich einhergehen, und die Teile, die in den Abtast- und Zeilenpuffer-Abschnitten verwendet werden, müssen betrachtet werden.
Zweitens sollten praktische Mittelungsverfahren betrachtet werden. Schließlich muß die Einteilung des Rahmenpuffers überprüft werden.
Um die maximale Betriebsfrequenz für die A/Ds 18a, 18b, 18c und die Zeilenpuffer 20a, 20b zu ermitteln, muß der beabsichtigte Eingangssignalbereich, der abzudecken ist, ausgewählt werden. Ein praktischer Bereich würde z. B. von dem 31,5 kHz VGA-Format bis zum 1280-x-1024-Pixel-, 72-Hz- Standard liegen, der gegenwärtig bei den graphischen Systemen der Hewlett-Packard Company (HP) verwendet wird. Die Abtastrate sollte derart sein, daß 640 Abtastwerte während der horizontalen aktiven Zeit auftreten, dLe ungefähr 9,5 Mikrosekunden für das 1280-x-1024-72-Hz Format beträgt. Dies würde einen Abtasttakt von 640/(9,5 · 10E-6) oder geringfügig oberhalb 67 MHz erfordern. Ebenso würde die für diesen Bereich zu erwartete langsamste Abtastrate ungefähr 25 MHz betragen. Ungünstigerweise ist 67 MHz zu schnell für jeden FIFO, der zur Verwendung als Zeilenpuffer geeignet ist. Die erste Wahl für die FIFO-Puffer 20a, 20b ist ein 18-Bit-1kBauteil von Texas Instruments (TI). Das schnellste von denselben ist ein 40 MHz-Bauteil, so daß zwei multiplexierte Bauteile für jeden Zeilenpuffer verwendet werden müssen. Abhängig von der Anzahl der Bits pro Abtastwert kann es jedoch sein, daß keine Notwendigkeit besteht, mehrere FIFOs parallel zu schalten, um einen breiteren Datenweg zu erhalten. Wenn 6 Bits pro Kanal zu einer adäquaten Farbtreue führen, reicht das einzelne 18-Bitbreite FIFO aus. Eine minimale Anzahl von vier Bauteilen ist erforderlich, wenn die zwei Zeilenpuffer 20a, 20b notwendig sind.
Das Mittelungsschema muß drei Abtastwerte gleichzeitig Mitteln können, wobei das programmierbare Wichten mit der Rate stattfindet, mit der die Abtastwerte von den Zeilenpuffern 20a, 20b kommen. Dies könnte entweder die 33,2-MHzRate sein, die aus dem 2 : 1-Multiplexieren der Zeilenpuffer 20a, 20b abgeleitet wurde, oder ein zusätzliches 2 : 1- Multiplexieren könnte an dieser Stelle für eine 16,8-MHz- Rate durchgeführt werden. Wie oben erwähnt wurde, wird die in dem Mittelungsschema verwendete Wichtung von Pixel zu Pixel variieren. Es ist jedoch möglich, daß akzeptable Resultate mit relativ wenigen Wichtungsschemata erhalten werden, die "während des Laufs" von dem Prozessor 40 ausgewählt werden. Es sei bemerkt, daß das Mitteln zwischen den Zeilen ausgeführt wird (in anderen Worten, lediglich entlang der y-Achse), sowie ein "Mitteln" entlang der x-Achse bei dem Abtastverfahren ausgeführt wird (obgleich es für die besten Resultate notwendig sein kann, ein bestimmtes auswählbares Filtern an den Eingängen zu verwenden).
Wenn 6 Bits pro Abtastwert verwendet werden, dann muß das Mittelungsschema jede der 3 Abtastwerte wichten und dieselben mit den oben erwähnten Raten mitteln. Das verwendete Wichtungsschema kann durch zusätzliche Steuerbits ausgewählt werden. Falls sich herausstellt, daß 16 verschiedene Zwischenzeilenwichtungen ausreichend sind, um alle Fälle innerhalb des Bereichs des Systems abzudecken, dann wird eine Gesamtzahl von 22 Bits an Informationen zu dem Mittelungssystem für jede R, G, B-Ausgabe zugeführt (die 6 Bits von jedem Abtastwert von jeder der 3 zu mittelnden Zeilen plus den 4 Steuerbits). Das Mitteln kann mittels einer ASIC oder eines Gate-Arrays oder mittels einer RAM- oder ROM- Nachschlagtabelle durchgeführt werden, die in dem Speicher 42 gespeichert ist, obgleich ein zweistufiges Mittelungsverfahren wahrscheinlich notwendig ist, um die Größe jeder Tabelle und die Zugriffszeiten innerhalb praktischer Bereiche zu halten.
Die Einteilung und Steuerung des Rahmenpuffers 24 muß einige einfache Kriterien erfüllen: zuerst muß der Rahmenpuffer Daten vom Ausgang des Mittelungsblocks mit einer ausreichend hohen Rate akzeptieren können. Derselbe muß ferner tief genug sein (d. h. genügend Bits pro Pixel aufweisen), um die gewünschte Auflösung in dem niedriger aufgelösten Bild zu unterstützen, und derselbe muß Ausgangsdaten in den NTSC-Codierblock 26 mit der geeigneten Rate zuführen können. Da der Videoeingang und der NTSC-Ausgang als vollständig asynchron angenommen werden können, muß zusätzlich ein Schema umfaßt sein, um beide Zugriffe innerhalb der zugeteilten Zeitrahmen zu erlauben.
Günstigerweise werden alle diese Erfordernisse durch eine einfache Einteilung von herkömmlichen VRAMs erfüllt. 12 herkömmliche VRAMs sind für einen 640-x-480-x-24- Rahmenpuffer ausreichend, der eingeteilt ist, um den gleichzeitigen Zugriff auf 4 Pixel zu ermöglichen. Bei der maximalen Abtastrate sind alle 59 ns 4 Pixels zum Speichern im Rahmenpuffer verfügbar, während die NTSC-Ausgabe 4 Pixel einmal alle 325 ns erfordern wird. (Dies setzt 640 Bildpunkte in der standardmäßigen aktiven Zeit des NTSC von ungefähr 52 s voraus. Das Takten für PAL- und SECAM-Ausgaben ist geringfügig schneller, da mehr Pixel in einer geringfügig längeren aktiven Zeilenzeit erforderlich sind.) Die - 10-VRAMs von Toshiba haben minimale Zykluszeiten von 180 ns bzw. 30 ns für das Direktzugriffs-Tor und das serielle Tor, was darauf hindeutet, daß das serielle Tor zum Übertragen von Daten in den Rahmenpuffer und das Direktzugriffs-Tor zum Übertragen von Daten aus dem Rahmenpuffer zu dem NTSC- Wandler-Block 26 verwendet wird. Die Übertragung von den Zeilenpuffern 20a, 20b zu dem Rahmenpuffer 24 sollte bis zu der Beendigung jeder aktuellen Ausgabeübertragung ausgesetzt werden, was erreicht werden kann, da eine derartige Übertragung während des horizontalen Austastintervalls des Eingangsvideos erfolgt und daher neue Daten in das serielle Tor eintreten.
Es sollte ferner möglich sein, einen Zugriff auf das Direktzugriffs-Tor durch einen Host-Rechner zu erlauben (nicht gezeigt), der das Lesen und Modifizieren des niedriger aufgelösten Bildes oder das direkte Schreiben auf ein oder mehrere Ebenen des Rahmenpuffers 24, anstelle des Speicherns des "umgewandelten" Videos, erlauben würde.
(Falls die vollen 24 Bits/Pixels nicht erforderlich sind, um das umgewandelte Bild zu speichern, könnten die nicht verwendeten Ebenen (Bits) durch den Host als Überlagerungen von oben auf das niedriger aufgelöste Bild verwendet werden, vorausgesetzt, die geeigneten Ausgangsschaltungen sind vorhanden.)
Eine weitere Verbesserung des grundlegenden Umwandlungsschemas sollte erörtert werden. Für das beste Erscheinungsbild des endgültigen niedriger aufgelösten Bildes reicht das einfache Mitteln oder das Tiefpaßfiltern entlang jeder Achse aufgrund der Tatsache nicht aus, daß scharfe Kanten (z. B. ein Übergang von Schwarz auf Weiß in einem einzelnen Pixel oder einer einzelnen Zeile in dem ursprünglichen Bild) durch dieses Verfahren unscharf dargestellt werden. Andererseits ist etwas Filtern notwendig, um zu verhindern, daß Artefakte (unbeabsichtigte Zeilen) in dem umgewandelten Bild in jenen Regionen erscheinen, in denen im Original allmähliche Übergänge bzgl. der Helligkeit oder der Farbe auftreten. Daher müssen sowohl das Filtern/Mittelwertbilden als auch einige Einrichtungen zum Erhalten sowohl der vertikalen als auch der horizontalen Kanten vorgesehen werden.
Die Erhaltung einer horizontalen Kante ist die leichtere Aufgabe. Eine Schema zum Durchführen einer derartigen Aufgabe ist in Fig. 4(a) dargestellt. Da die Zeilenpuffer 20a, 20b einen leichten Zugriff auf die Zeile vorsehen, die der aktuellen Zeile unmittelbar vorausgeht, wird ein einfacher Vergleich von Datenwerten (durch einen Komparator 50) aus den zwei Zeilen eine horizontale Kante erfassen. Zum Beispiel wird ein Vergleich der zwei höchstwertigsten Bits von jeder Farbe (der über Leitungen 52, 54 erhalten wird) einen rapiden Übergang in jede Richtung für diese Farbe zeigen. Die Resultate dieses Vergleichs für jedes Pixel in den zwei Zeilen werden als ein einzelnes Bit in dem Zeilenpuffer 20b zusammen mit den Daten von der Zeile, in der der Übergang auftritt, gespeichert. Die Anwesenheit eines eingestellten Bits in dieser Position wird dann dazu verwendet, eine Modifikation oder ein Umgehen des Mittelungsverfahrens für diese Zeile auszulösen, Das eingestellte Bit wird in den Mittelungsblock 22 über eine Leitung 56 eingegeben.
Die Erfassung einer vertikalen Kante kann nicht durch eine Untersuchung der digitalen Daten durchgeführt werden, da die Tatsache, daß diese Daten bereits mit einer niedrigeren Rate als die ursprüngliche Pixelrate gefiltert und abgetastet wurden, bedeutet, daß sehr schnelle Übergänge wahrscheinlich ausgelassen werden. Stattdessen muß die Erfassung von Flanken (sehr schnelle Änderungen der Intensität einer beliebigen Farbe) mit dem analogen Signal vor der A/D-Wandlung durchgeführt werden. Die Erfassung eines derartigen Überganges würde dann die A/Ds 18a, 18b, 18c dazu zwingen, ein Eingangssignal, das gleich dem Wert unmittelbar nach der Kante ist, und nicht ein gefiltertes Signal zu empfangen. Eine mögliche Implementierung eines derartigen analogen Kantendetektors ist in Fig. 4(b) gezeigt. Hier wird jedes Eingangssignal durch einen Block 60 vor der Eingabe in die A/D-Wandler (A/D 18a ist als ein Beispiel gezeigt) verzögert. Die Verzögerung ist gleich der Länge der kürzesten Pixelzeit, die über den Bereich der erlaubten Eingangssignalformate erwartet wird. Eine analoge Abtast/Halte-(S/H-) Schaltung 62 tastet das Eingangssignal vor der Verzögerung mit einer Rate ab, die ausreichend hoch ist, damit jeder Übergang in dem ursprünglichen Signal erfaßt wird, und das Ausgangssignal der Abtast/Halte- Schaltung wird (mittels eines Komparators 64) mit dem verzögerten Signal verglichen. Sollte dieser Vergleich eine Kante (durch eine große Änderung zwischen den verzögerten und aktuellen Werten) erfassen, wird der Takt der Abtast/Halte-Schaltung gesperrt, so daß der neue Wert beibehalten wird, und dieser Wert wird für das gefilterte Signal am Eingang zu dem A/D-Wandler eingesetzt.
Schließlich sei bemerkt, daß viele der Modifikationen und Variationen der oben beschrieben bevorzugten Ausführungsbeispiele innerhalb des Schutzbereiches der vorliegenden Erfindung liegen, der in den folgenden Ansprüchen dargelegt ist.

Claims

1. Eine Vorrichtung zum Umwandeln eines Videoeingangssignals, das ein Bild darstellt, von einem ersten Format zu einem beliebigen zweiten Format, das eine gewünschte Anzahl von Zeilen und Bildabtastwerten pro Zeile aufweist, mit folgenden Merkmalen:

(i) einer Einrichtung zum automatischen Erstellen von Umwandlungsparametern, mit folgenden Merkmalen:

(a) einer Sync-Separatoreinrichtung (30) zum Extrahieren eines Synchronisations- (Sync-) Signals aus dem Videoeingangssignal;

(b) einer Takteinrichtung (32, 34, 36), die zum Erzeugen eines Abtasttaktsignals auf der Basis des Sync-Signals und des zweiten Formats programmierbar ist;

(c) einer Prozessoreinrichtung (40) zum automatischen Bestimmen, auf der Basis des Sync-Signals und des zweiten Formats, einer Wichtungsstruktur von Abtastwerten mindestens zweier verschiedener Zeilen;

(ii) einer Einrichtung zum Durchführen der Umwandlung, mit folgenden Merkmalen:

(d) einer Abtasteinrichtung (18a, 18b, 18c) zum Abtasten des Videoeingangssignals zu gleichen Zeitintervallen gemäß dem Abtasttaktsignal, um die gewünschte Anzahl von gleich beabstandeten Abtastwerten pro Zeile des Bildes zu erhalten; und

(e) einer Kombiniereinrichtung (22) zum Kombinieren, gemäß der durch die Prozessoreinrichtung (40) bestimmten Wichtungsstruktur, der Abtastwerte von mindestens zwei unterschiedlichen Zeilen, um die gewünschte Anzahl von neuen Zeilen zu erhalten, wobei jede derselben die gewünschte Anzahl von Abtastwerten pro Zeile aufweist, wodurch ein Array von Bildabtastwerten erhalten werden kann, das das Bild in dem beliebigen zweiten Format darstellt.

2. Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1, die ferner folgendes Merkmal aufweist:

eine Filtereinrichtung (17a, 17b, 17c) zum Filtern des Videoeingangssignals, um jede Zeile des Bildes horizontal effektiv zu mitteln.

3. Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, die ferner folgendes Merkmal aufweist:

eine Codiereinrichtung (26) zum Codieren der Abtastwerte, um ein Videoausgangssignal gemäß dem vorgeschriebenen Format zu bilden.

4. Die Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, die folgende Merkmale aufweist:

eine Einrichtung (30) zum Extrahieren von horizontalen und vertikalen Sync- und Austast-Signalen aus dem Eingangsvideosignal;

eine Zählereinrichtung (36) zum Liefern von Zählwerten der horizontalen und vertikalen Sync- und Austast- Signale;

eine Prozessoreinrichtung (40) zum Liefern eines Steuersignals auf der Basis der Zählwerte; und

eine Phasenregelschleifen- (PLL-) Einrichtung (32) zum Erzeugen des Abtasttaktsignals auf der Basis des horizontalen Sync-Signals und des Steuersignals.

5. Die Vorrichtung gemäß Anspruch 4, die folgende Merkmale aufweist:

eine programmierbare Teilereinrichtung zum Abtasten der Ausgänge der PLL-Einrichtung (32) und zum Rückkoppeln einer heruntergeteilten Spannung zu der PLL, wobei die Zählereinrichtung (36) die horizontalen aktiven und Austastintervalles des ankommenden Videosignals aufaddiert und Ausgangssignale erzeugt, die die Intervalle anzeigen, und eine Mikroprozessoreinrichtung zum Überwachen der Ausgänge der Zählereinrichtung (36) und zum Einstellen der programmierbaren Teilereinrichtung, derart, daß die PLL-Einrichtung (32) eine vorgeschriebene Anzahl von Taktpulsen während eines horizontalen aktiven Intervalls des Videoeingangssignals ausgibt, wobei das Abtasttaktsignal aus den Taktpulsen abgeleitet wird.

6. Die Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Kombiniereinrichtung eine FIFO- Zeilenpuffereinrichtung (20a, 20b, 20c) zum Speichern von mindestens einem ersten und einem zweiten Satz von Abtastwerten, die die jeweiligen Zeilen des Bildes darstellen, und eine Einrichtung zum Liefern einer dritten Zeile aufweist, die ein gewichtetes Mittel der ersten und der zweiten Zeile darstellt.

7. Ein Verfahren zum Umwandeln eines Videoeingangssignals, das ein Bild darstellt, von einem ersten Format zu einem beliebigen zweiten Format, das eine gewünschte Anzahl von Zeilen und Bildabtastwerten pro Zeile aufweist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:

(i) automatisches Erstellen von Umwandlungsparametern, das folgende Unterschritte aufweist:

(a) Extrahieren eines Synchronisations- (Sync-) Signals aus dem Videoeingangssignal;

(b) Erzeugen eines Abtasttaktsignals auf der Basis des Sync-Signals und des zweiten Formats;

(c) automatisches Bestimmen, auf der Basis des Sync- Signals und des zweiten Formats, einer Wichtungsstruktur von Abtastwerten mindestens zweier verschiedener Zeilen;

(ii) Durchführen der Umwandlung, das folgende Unterschritte aufweist:

(d) Abtasten des Videoeingangssignals zu gleichen Zeitintervallen gemäß dem Abtasttaktsignal, um die gewünschte Anzahl von gleich beabstandeten Abtastwerten pro Zeile des Bilds zu erhalten; und

(e) Kombinieren, gemäß der Wichtungsstruktur, der Abtastwerte von mindestens zwei unterschiedlichen Zeilen, um die gewünschte Anzahl von neuen Zeilen zu erhalten, wobei jede derselben die gewünschte Anzahl von Abtastwerten pro Zeile aufweist.

8. Das Verfahren gemäß Anspruch 7, das ferner den folgenden Schritt aufweist:

Filtern des Videoeingangssignals, um jede Zeile des Bildes horizontal effektiv zu mitteln.

9. Das Verfahren gemäß Anspruch 7 oder 8, wobei der Extraktionsschritt a) folgenden Schritt umfaßt:

Extrahieren horizontaler und vertikaler Sync- und Austast-Signale aus dem Eingangsvideosignal;

wobei der Erzeugungsschritt b) folgenden Schritt umfaßt:

Liefern von Zählwerten der horizontalen und vertikalen Sync- und Austast-Signale;

Liefern eines Steuersignals auf der Basis der Zählwerte; und

Erzeugen des Abtasttaktsignals auf der Basis des horizontalen Sync-Signals und des Steuersignals.

10. Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7, 8 oder 9, bei dem der Schritt des Kombinierens (e) das Puffern zumindest des ersten und des zweiten Satzes von Abtastwerten, die jeweilige Zeilen des Bildes darstellen, und das Liefern einer dritten Zeile aufweist, die ein gewichtetes Mittel der ersten und der zweiten Zeile darstellt.