FR2638928A1

FR2638928A1 - Dispositifs de codage et de decodage d'images de television, systeme de transmission d'images de television incorporant de tels dispositifs, et etages d'emission et de reception d'un tel systeme

Info

Publication number: FR2638928A1
Application number: FR8814559A
Authority: FR
Inventors: Olivier Chantelou
Original assignee: Laboratoires dElectronique et de Physique Appliquee
Current assignee: Laboratoires dElectronique Philips SAS
Priority date: 1988-11-08
Filing date: 1988-11-08
Publication date: 1990-05-11

Abstract

Dispositif de codage d'images de télévision, caractérisé en ce qu'il comprend un étage 100 d'estimation de mouvement et de conversion séquentielle, destiné à recevoir lesdites images entrelacées d'origine et à délivrer une suite de trames séquentielles Sn et une suite de vecteurs de déplacement sélectionnés DS correspondant à chaque bloc des images d'origine, un circuit 200 de codage spatial, destiné à recevoir et coder lesdites trames séquentielles, un circuit 300 de contrôle des erreurs d'interpolation, et un circuit 400 de multiplexage des sorties des circuits 200, 300 de codage spatial et de contrôle des erreurs d'interpolation. Application : transmission et enregistrement TV.

Description

"DISPOSITIFS DE CODAGE ET DE DECODAGE D'IMAGES DE TELEVISION,
SYSTEME DE TRANSMISSION D'IMAGES DE TELEVISION INCORPORANT
DE TELS DISPOSITIFS, ET ETAGES D'EMISSION ET DE RECEPTION
D'UN TEL SYSTèME"
DescriPtion
La présente invention concerne un dispositif de codage d'images de télévision, ainsi que le dispositif de décodage correspondant. Elle concerne également un système incorporant de tels dispositifs et destiné à la transmission d'images de télévision par l'intermédiaire d'un canal numérique à bande passante limitée impliquant un traitement de ré réduction de la quantité d'informations à transmettre. Elle concerne enfin les étages d'émission et de réception d'un tel système.

La transmission ou l'enregistrement d'images de télévision sous forme numérique exige en effet, si l'on transmet les signaux vidéo tels qu'ils sont après numérisation, une bande passante huit fois plus importante quten analogique. Une telle transmission numérique à travers un canal à bande étroite implique une très importante réduction du débit binaire nécessaire à la représentation des images.

Les techniques permettant cette réduction de débit peuvent exploiter la corrélation présente à l'intérieur de chaque image. Le brevet US-A-4 394 774 décrit une telle technique de codage par blocs, à base de transformation en cosinus discret, qui exploite très efficacement cette corrélation spatiale. Cependant une réduction supplémentaire du débit exige la prise en compte de la corrélation existant entre images, en particulier sur les zones fixes ou sur les zones en mouvement.

On connaît également des techniques prédictives à compensation de mouvement, qui permettent de réduire le débit à peu près jusqu'à 1 bit par élément d'image (pixel), sans dégradation gênante de la qualité des images décodées : on met par exemple en jeu une boucle d'image à image, c'est-àdire que, pour transmettre un bloc de chaque image, on code soit le bloc lui-même, soit la différence entre ce bloc et un bloc provenant de l'image précédente codée et décodée. Cette technique implique donc que, pour décoder une image dans le récepteur, il faille disposer de cette image précédente codée et décodée.

Ce type de codage ne peut donc pas être utilisé pour enregistrer des séquences d'images sur un magnétoscope, dont une des propriétés essentielles est la possibilité de balayer rapidement la bande magnétique tout en visualisant des images. En effet, cette caractéristique implique le décodage d'une image à partir des données correspondant à cette image, et uniquement celles-là, ce qui élimine toute technique faisant appel à une quelconque récursivité d'image à image.

Le but de l'invention est de proposer un dispositif de codage qui utilise la redondance d'image à image pour réduire le débit en permettant la réalisation de la fonction de recherche rapide sur magnétoscope, c'est-à-dire qui n'utilise pas de boucle de prédiction d'image à image.

L'invention concerne à cet effet un dispositif caractérisé en ce qu'il comprend un étage d'estimation de mou- vement et de conversion séquentielle, destiné à recevoir lesdites images entrelacées d'origine et à délivrer une suite de trames séquentielles Sn et une suite de vecteurs de déplacement sélectionnés DS correspondant à chaque bloc des images d'origine, un circuit de codage spatial, destiné à recevoir et coder lesdites trames séquentielles, un circuit de contrôle des erreurs d'interpolation, et un circuit de multiplexage des sorties des circuits de codage spatial et de contrôle des erreurs d'interpolation.

La structure ainsi proposée a pour avantage de prendre en compte la corrélation d'image à image grâce à un codage d'une image sur deux du signal 625 Q, 50 Hz, 1:1, les images manquantes étant reconstruites dans le décodeur par interpolation compensée en mouvement à partir des images précédente et suivante qui ont été transmises. Par ailleurs, le codage à base de transformation en cosinus travaille dans ce cas sur une image non entrelacée, c'est-à-dire qui ne contient aucun mouvement inter-trame, ce qui limitait l'efficacité des codages classiques.La structure proposée est donc compatible avec le mode "recherche rapide avec visualisation' des magnétoscopes, car elle permet de décoder une image sur un horizon de travail limité à 40 millisecondes, c'est-à-dire chaque image indépendamment des autres, tout en maintenant une très bonne qualité d'image décodée.

Les particularités de l'invention apparaîtront maintenant de façon plus détaillée dans la description qui suit et dans les dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs et dans lesquels
- les figures 1 et 3 montrent des exemples de réalisation préférentiels du dispositif de codage d'images selon l'invention et du dispositif de décodage qui lui correspond
- la figure 2 montre un mode de réalisation particulier de l'étage d'estimation de mouvement et de conversion séquentielle du dispositif de codage de la figure i
- la figure 4 montre un mode de réalisation particulier du circuit de décodage spatial et d'interpolation temporelle du dispositif de décodage de la figure 3.

Dans l'exemple de réalisation préférentiel représenté sur la figure 1, le dispositif selon l'invention comprend tout d'abord un étage 100 d'estimation de mouvement et de conversion séquentielle. Cet étage 100 est représenté dans un mode particulier de réalisation sur la figure 2.

L'étage 100 reçoit copaie signaux d'entrée des ixa- ges 50Hz entrelacées au sujet desquelles on adoptera les notations suivantes
- n est un indice désignant le numéro ou le rang d'une image
I entière, c'est-à-dire comprenant deux trames et occupant
elle-même 40 millisecondes
- Il désigne la première trame d'une telle image, de rang n;
n
- 12 désigne la deuxième trame de cette n-ième image.

n
L'étage 100 comprend un circuit d'estimation 110 qui reçoit les trois trames suivantes : la trame courante Iz,
n la trame précédente I1 de la même image de rang n, la deuxième
n trame 12 de l'image précédente de rang n-i. Des circuits à
n-i retard 101 et 102, imposant ici chacun un retard de 20 millisecondes, permettent de retarder de façon appropriée les trames Il (de 20 millisecondes) et I2 (de 40 millisecondes) par
n n-1 rapport à 12, pour que ces trois trames soient reçues en
n synchronisme par le circuit d'estivation 110.

Le circuit d'estimation 110 comprend lui-même un circuit 120 de détermination de vecteur de déplacement par une méthode telle que celle de corrélation par bloc. Ce circuit 120 reçoit les trois traies 12 , Il , 12 (synchronisées comme
n-i n n on vient de le voir) par l'intermédiaire de trois circuits 121, 122, 123 d'interpolation verticale dans la trame, permettant une conversion de format entrelacé/séquentiel, c'est à-dire dans le cas présent de passer d'un format de 288 lignes à 576 lignes. Ce sont les trames de sortie de ces trois circuits 121 à 123, appelées respectivement p2 , pi, p2, qui
n-i n n sont envoyées sur les trois entrées en parallèle du circuit 120 de détermination de vecteur de déplacement.

Dans ce circuit 120, un circuit de calcul de distorsion 124 délivre une valeur de distorsion DIS (formule (1) donnée en annexe) qui est fournie à un circuit logique 125 de recherche de déplacement. Dans l'exemple de réalisation ici décrit, la distorsion associée au vecteur (Vx, Vy) est donc la sonne, sur le bloc considéré, du carré de la différence point à point entre la trame d'origine et le résultat de l'interpolation, compensée en mouvement selon le vecteur (Vx, Vy), à partir des traies paires précédente et suivante.

Le circuit 125 présente deux sorties : l'une est renvoyée vers le circuit de calcul de distorsion 124 et représente les vecteurs de déplacement dont la distorsion DIS devra être évaluée par le circuit 124 à l'étape suivante, permettant ainsi une recherche séquentielle du meilleur vecteur de déplacement, l'autre représente le vecteur de déplacement réellement affecté à chaque bloc d'image et constitue la sortie, notée DS, du circuit 120 de détermination de vecteur de déplacement.

Ce vecteur de déplacement DS est alors envoyé d'une part vers le canal de transmission C et d'autre part vers un circuit 130 de conversion séquentielle. Ce circuit 130 reçoit également les trames 12 , I1, I2, et détermine à
n-I n n partir de ses différentes entrées une trame séquentielle notée Sn. Cette détermination de Sn est cependant différente suivant la parité de la composante verticale DV du vecteur de déplacement sélectionné DS.

En effet, lorsque le déplacement correspond à une valeur impaire, les informations présentes dans les trames 12
n-I et I2 ne permettent pas d'améliorer la résolution verticale
n par rapport à une interpolation dans la trame Il car les in
n formations qui seraient utilisées lors de la compensation de mouvement proviendraient, dans ce cas, déjà d'une interpolation verticale des trames 12 et 12. Si la composante DV est
n-I n par exemple impaire, on convient donc de déterminer les points d'image de la trame séquentielle Sn par simple interpolation dans la trame Il en n'utilisant aucune autre trame.Si au con
n traire la composante DV est paire, la conversion séquentielle est obtenue à partir des trames 12 et 12. Plus précisément,
n-I n si le vecteur de déplacement DS déterminé a pour composantes horizontale et verticale DH et DV, le calcul de chaque point d'image, situé en colonne y de la ligne x, de la trame séquentielle Sn à déterminer est fourni par l'expression (2) donnée en annexe.

Le circuit de conversion séquentielle 130 comprend donc, dans le premier cas, pour l'interpolation à partir de la trame In1 seule, un filtre à quatre coefficients, -1/16, 0, 9/16, 1/16,9/16, 0, 0, -1/16, appliqué à la trame obtenue, à partir de la trame d'origine, par insertion entre chaque ligne d'une ligne de valeurs nulles. Ce filtre interpolateur comprend à cet effet deux additionneurs 131 et 132, deux multiplicateurs 133 et 134, un additionneur 135, et un multiplicateur 136. L'additionneur 131 réalise l'opération 11(x-22y) + I1(x+2,y), et le
n n multiplicateur 133 multiplie le résultat de cette addition par -1.L'additionneur 132 réalise l'opération 11(x-1,y)+I1(x+1,y)
n n et le multiplicateur 134 multiplie le résultat de cette addition par +9. L'additionneur 135 additionne les sorties de ces deux multiplicateurs, et le multiplicateur 136 multiplie le résultat de cette dernière addition par 1/16.

Dans le cas où DV est pair, le circuit de conversion séquentielle 130 comprend cette fois, dans l'exemple décrit, un additionneur 137 réalisant l'opération 12 (x-DH,y-DV) + I1(x+DH,y+DV), puis un multiplicateur
n-l n 138 du résultat de cette addition par 1/2. Les sorties des multiplicateurs 136 et 138 sont envoyées vers un commutateur 142 qui sélectionne l'une ou l'autre de ces sorties selon la parité de la composante DV, fournie par un circuit 141 de détermination de parité recevant le vecteur de déplacement sélectionné DS. La sortie du conutateur 142 est la trame séquentielle Sn.

La trame séquentielle Sn est alors fournie d'une part à un circuit de codage spatial 200 et d'autre part à un circuit 300 de contrôle des erreurs d'interpolation, qui reçoit lui-même également la trame 12 et le vecteur de déplacement
n-I sélectionné DS,
Le circuit 200 est un circuit de codage spatial de type connu par exeaple tel que celui décrit dans le brevet
US-A-4394774 déjà cité, et comprend donc essentiellement un circuit de conversion de balayage, un circuit de calcul de la transformée en cosinus discret, un circuit de quantification, un circuit de codage à longueur variable, et un circuit de se- moire-tampon assurant que le débit de sortie est bien régulé.

Le circuit 300 de contrôle des erreurs d'interpolation est destiné à vérifier si les trames R qui seront reconstruites par interpolation temporelle à la réception ne vont pas présenter d'erreurs excessives. Ce contrôle est effectué pour chaque bloc d'image : si, pour un bloc déterminé, la distorsion entre les valeurs d'origine I et les valeurs interpolées R excède une valeur-limite donnée (ce qui, en réalité, se produira très rarement), l'interpolation temporelle au décodage sera inhibée par l'envoi d'un signal approprié, et des ,informations additionnelles, qui sont en fait des données codées résultant d'un codage spatial direct identique à celui qui vient d'être mentionné, sont alors transmises par le canal pour permettre une reconstruction correcte des trames 12 dans
n-1 le dispositif de décodage.

Un circuit de multiplexage 400 reçoit les sorties des circuits 100, 200 et 300, c'est-à-dire les sorties qui correspondent aux informations à transmettre au décodeur pour permettre la reconstruction du signal vidéo, et génère le signal à transmettre, qui comprend en série les déplacements de la trame 12 , (provenant du circuit 100), les informations de
n-I correction de la trame 12 ou les informations additionnelles
n-I (provenant du circuit 300), et les informations résultant du codage de Sn (provenant du circuit 200).

L'invention concerne non seulement un dispositif tel que celui qui vient d'être décrit, mais aussi un système de transmission d'images de télévision par l'intermédiaire d'un canal à bande passante limitée impliquant un traitement de réduction de la quantité d'informations à transmettre. Un tel système comprend d'une part un étage d'émission incluant dans sa partie codage un dispositif conforme au mode de réalisation qui vient d'être décrit et d'autre part un étage de réception incluant dans sa partie décodage un dispositif effectuant, par rapport audit dispositif précédent, un traitement inverse de restitution d'images à haute définition. L'invention concerne également de tels étages d'émission et de réception, comprenant respectivement un dispositif de codage et un dispositif de décodage tel que mentionnés.

La figure 3 montre un exemple de réalisation préférentiel du dispositif de décodage effectuant ce traitement inverse, qui comprend tout d'abord un circuit 500 de démultiplexage des informations transmises. Ce circuit de démultiplexage 500 est suivi d'une part d'un circuit 600 de décodage spatial et d'interpolation temporelle et d'autre part d'un circuit 700 de décodage des informations d'interpolation, et enfin d'un circuit 800 de régénération du signal vidéo entrelacé.

Le circuit 600 reçoit du circuit de démultiplexage 500 d'une part les trames séquentielles Sn de sortie du cormutateur 142 ayant subi le codage spatial effectué par le circuit 200, et d'autre part le vecteur de déplacement DS sélectionné pour chaque bloc des vinages et codé.Cet étage 600, représenté dans un mode particulier de réalisation sur la figure 4, comprend lui-même d'une part un circuit de décodage spatial 610, qui reçoit les trames Sm et délivre des trames
Cl qui sont des trames impaires correspondant aux trames impaires It, et d'autre part un circuit 620 de décodage d'in-
n formations de déplacement, qui reçoit les vecteurs de déplacement DS sélectionnés et codés et délivre des vecteurs de déplacement décodés. Conte le codage spatial, le décodage spatial est, de façon similaire, réalisé comme indiqué par exemple dans le brevet US-A- 4394774 déjà cité.

Un circuit 630 d'interpolation temporelle compensée en mouvement reçoit d'une part ces vecteurs décodés, d'autre part les traies CI de sortie du circuit de décodage
n 610, et également les trames C1 délivrées précédenént par
n-1 ce circuit 610 et retardées par un circuit à retard 640 pour être fournies au circuit 630 en synchronisme avec les trames
C1. Ce circuit 630 comprend des circuit à retard variable 631 n et 632, un additionneur 633, et un diviseur par deux 634.

Plus précisément, les circuits à retard variable 631 et 632, recevant respectivement les trames C1 et C1
n m-I fournissent à l'additionneur 633, pour chaque point de la trame
R2 ( x,y) à reconstituer, respectivement les signaux C1
n-l n (x+DH, y+DV) et Cl (x-DH, y-DV) ; DH et DV sont, on le
n-I rappelle, les composantes horizontale et verticale du vecteur de déplacement sélectionné DS qui, après transmission, a été décodé par le circuit 620 pour le bloc auquel appartient le point de coordonnées spatiales (x,y). L'additionneur 633, qui délivre le signal C1 (x-DH,y-DV) + C1(x+DH,y+DV), est suivi
n-I n d'un diviseur 634 de ce résultat par deux, qui délivre la traie interpolée R2 . Un circuit 650 de récupération de trame
n-i impaire délivre la trame transmise correspondante R1 , avec un retard prévu pour compenser celui introduit par le circuit 630. Dans le cas où l'interpolation temporelle a été jugée non satisfaisante par le circuit 300 du dispositif de codage, le circuit de décodage 700 remplace le bloc interpolé par les données de correction de la trame 12 . Le circuit 800 de
n-l régénération du signal vidéo entrelacé reçoit du circuit de décodage 600 la trame R1 et du circuit de décodage 700 la traie
n
R2 et multiplexe ces données trame par trame de manière à
n reconstituer un signal vidéo entrelacé constitué des traies is- paires R1 et des trames R2.

n n
ANNEXE

Claims

Revendications 1. Dispositif de codage d'images de télévision, caractérisé en ce qu'il comprend un étage d'estimation de mouvement et de conversion séquentielle, destiné à recevoir lesdites images entrelacées d'origine et à délivrer une suite de traies séquentielles Sm et une suite de vecteurs de déplacement sélectionnés DS correspondant à chaque bloc des images d'origine, un circuit de codage spatial, destiné à recevoir et coder lesdites trames séquentielles, un circuit de contrôle des erreurs d'interpolation, et un circuit de multiplexage des sorties des circuits de codage spatial et de contrôle des erreurs d'interpolation.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étage d'estimation de mouvement et de conversion séquentielle comprend deux circuits à retard pour la synchronisation de trois trames successives, notées I2 , It, I2, un

n n circuit de détermination de vecteurs de déplacement par une méthode telle que celle de corrélation par blocs, et un circuit de conversion séquentielle par interpolation intra-trame ou inter-trames selon que la composante verticale du vecteur de déplacement déterminé est impaire ou paire.
3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 21 caractérisé en ce que le circuit de contrôle des erreurs d'interpolation comprend des moyens de comparaison entre les traies d'origine et les trames non transmises à interpoler à la réception, et des moyens de remplacement, en cas de distorsion excessive entre ces trames, des informations d'interpolation par des informations additionnelles de codage spatial direct.
4. Dispositif selon l'une des revendications i à 3, caractérisé en ce que le circuit de codage spatial est du type à conversion de balayage, transformation en cosinus discret, quantification, codage à longueur variable, et régulation par mémoire-tampon.
5. Système de transmission d'images de télévision par l'intermédiaire d'un canal à bande passante limitée impliquant un traitement de réduction de la quantité d'informations à transmettre, comprenant de part et d'autre du canal de transmission un étage d'émission et un étage de réception, caractérisé en ce que ledit étage d'émission comprend un dispositif de codage selon l'une des revendications 1 à 4.
6. Etage d'émission pour système de transmission d'images de télévision par l'intermédiaire d'un canal à bande passante limitée impliquant un traitement de réduction de la quantité d'informations à transmettre, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de codage selon l'une des revendications 1 à 4.
7. Système de transmission d'images de télévision selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'étage de réception comprend un dispositif de décodage comprenant luimême un circuit de démultiplexage des informations transmises par le canal de transmission, un circuit de décodage spatial et d'interpolation temporelle recevant dudit circuit de démultiplexage les trames transmises et les informations de vecteur de déplacement, un circuit de décodage des informations additionnelles, et un circuit de régénération du signal vidéo entrelacé.
8. Système de transmission d'images de télévision se

Ion la revendication 7, caractérisé en ce que, dans le dispositif de décodage de l'étage de réception, le circuit de décodage spatial comprend lui-aêne un circuit de décodage spatial recevant les traies transmises, un circuit de décodage d'informa- tions de déplacement recevant les vecteurs de déplacement sélectionnés et codés, un circuit d'interpolation temporelle à partir, d'une part, de deux trames successivement décodées fournies l'une par le circuit de décodage spatial et l'autre par un circuit à retard placé en sortie dudit circuit de décodage et, d'autre part, des vecteurs de déplacement décodés de sortie dudit circuit de décodage d'informations de déplacement, et un circuit de récupération de la traie impaire transmise, les sorties de ce circuit de récupération et du circuit d'interpolation temporelle étant envoyés vers le circuit de régénération du signal vidéo entrelacé.
9. Etage de réception pour un système de transmission d'images de télévision selon l'une des revendications 7 et 8.
10. Dispositif de décodage équipant, dans un système de transmission d'images de télévision, un étage de réception selon la revendication 9.