專利名稱：Hdtv到sdtv轉(zhuǎn)換編碼器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是有關(guān)數(shù)字電視設(shè)備。更詳細(xì)的說(shuō)，本發(fā)明是HDTV到SDTV轉(zhuǎn)換編碼器的發(fā)明。
背景技術(shù)：
數(shù)字電視已進(jìn)入實(shí)用化階段，高清晰度電視(HDTV)和標(biāo)準(zhǔn)清晰度電視(SDTV)將長(zhǎng)期共存。為實(shí)現(xiàn)節(jié)目資源共享，減少存儲(chǔ)媒體開(kāi)銷，合理利用信道帶寬，服務(wù)于各種終端，需將數(shù)字視頻信號(hào)從一種格式轉(zhuǎn)換成另一種格式。
我國(guó)HDTV圖像寬高比為16∶9。SDTV顯示器寬高比有4∶3、16∶9兩種。目前，4∶3的較多，但16∶9利于建立視覺(jué)臨場(chǎng)感，與HDTV圖像格式又一致，隨著LCD、PDP等新型顯示器的增多，16∶9屏所占比例將逐漸增加。將HDTV節(jié)目轉(zhuǎn)換為SDTV(16∶9)節(jié)目，十分重要。
將HDTV信號(hào)轉(zhuǎn)換為SDTV信號(hào)，需進(jìn)行空間分辨率和碼率轉(zhuǎn)換，并需著重解決轉(zhuǎn)換后SDTV圖像的變形和清晰度下降問(wèn)題。
但是，傳統(tǒng)技術(shù)轉(zhuǎn)換編碼中，存在信源-傳輸-顯示三種圖像格式的選擇和轉(zhuǎn)換方法、目標(biāo)圖像的幾何畸變、重建圖像的清晰度下降問(wèn)題，轉(zhuǎn)換后的圖像產(chǎn)生幾何畸變，圖像清晰度達(dá)不到理論最高值。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的為提供電視圖像清晰度高，轉(zhuǎn)換后的圖像不產(chǎn)生幾何畸變，具有高轉(zhuǎn)換效率的轉(zhuǎn)換編碼器，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是HDTV到SDTV轉(zhuǎn)換編碼器，包括發(fā)端將音頻信號(hào)與SDTV格式視頻流進(jìn)行復(fù)用的復(fù)用模塊，收端解復(fù)用模塊和視頻基本流解碼模塊，其特征在于，還包括發(fā)端將HDTV視頻流轉(zhuǎn)換為SDTV格式視頻流的下變換轉(zhuǎn)換編碼模塊，收端對(duì)來(lái)自視頻基本流解碼模塊的視頻單幀圖像進(jìn)行內(nèi)插上變換，輸出960×576圖像的解碼圖像內(nèi)插上變換模塊其中，HDTV到SDTV轉(zhuǎn)換編碼器的下變換轉(zhuǎn)換編碼模塊包括依次相連的變字長(zhǎng)解碼塊、第一反量化塊、第一反離散余弦變換塊、第一加法器、下采樣塊、第二加法器、離散余弦變換塊、第二量化塊、變字長(zhǎng)編碼塊，此外還包括將來(lái)自變字長(zhǎng)解碼塊和第一幀存儲(chǔ)器的信號(hào)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償并輸出到第一加法器的第一運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償塊，所述第一幀存儲(chǔ)器的輸入與第一加法器輸出相連；與第二量化塊相連的第二反量化塊，第二反量化塊、第二反離散余弦變換塊、第三加法器、第二幀存儲(chǔ)器、第二運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償塊、第二加法器依次相連，第二運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償塊輸出反饋到第三加法器；碼率控制模塊輸入、輸出分別與變字長(zhǎng)解碼塊、第二量化塊相連；宏塊編碼預(yù)測(cè)模式確定和運(yùn)動(dòng)矢量重用模塊輸入、輸出分別與變字長(zhǎng)解碼塊、第二運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償塊。
所述的下采樣塊為將每幀含1920×1080有效像素?cái)?shù)的HDTV圖像，以8×15像素點(diǎn)陣M8×15i為單位，由式(1)、(2)變換為4×8數(shù)據(jù)塊M4×8，得到960×576有效像素點(diǎn)陣圖像的下采樣塊，M4×8=A×M8×15i×B---(1)]]>A=870000000000000018600000000000000285000000000000003840000000000000048300000000000000582000000000000006810000000000000078×115,B=10001000010001000010001000010001×12---(2)]]>所述的下采樣塊還包括完成水平方向3/4亞取樣，得720×576有效像素傳輸圖像3/4亞取樣光柵。
本發(fā)明可帶來(lái)如下效果 由于本發(fā)明采用了變換算法和相關(guān)濾波器，可兼顧轉(zhuǎn)換后圖像高質(zhì)量和保持足夠高的轉(zhuǎn)換編碼效率，降低了運(yùn)算量，最大限度地重新使用原視頻流相關(guān)信息。下采樣模塊所采用3/4亞取樣光柵，可兼顧圖像幅型比和電視圖像清晰度。采用本發(fā)明的轉(zhuǎn)換編碼器，轉(zhuǎn)換后的圖像不產(chǎn)生幾何畸變，圖像清晰度可達(dá)理論最高值。


圖1 HDTV到SDTV(16∶9)轉(zhuǎn)換方案示意圖。
圖2 HDTV到SDTV轉(zhuǎn)換編碼器。
圖3 3/4亞取樣光柵。
圖4 HDTV原圖像(上)轉(zhuǎn)換成SDTV圖像(下)垂直清晰度576電視線可辨。
圖5 垂直清晰度模擬測(cè)試結(jié)果。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。
轉(zhuǎn)換編碼方案及轉(zhuǎn)換編碼器及其說(shuō)明1.HDTV到SDTV(16∶9)轉(zhuǎn)換編碼方案圖1為本發(fā)明所提出的HDTV到SDTV(16∶9)轉(zhuǎn)換方案示意圖，可實(shí)現(xiàn)SDTV系統(tǒng)共享HDTV節(jié)目。其中，下變換轉(zhuǎn)換編碼模塊，實(shí)現(xiàn)將HDTV視頻流轉(zhuǎn)換為SDTV(720×576)格式視頻流，與音頻流復(fù)用，形成傳輸流(TS)，經(jīng)傳輸，在接收端經(jīng)接收端解碼設(shè)備解碼，并對(duì)視頻單幀圖像經(jīng)內(nèi)插上變換，得960×576圖像，并送幅型比(16∶9)顯示終端，清晰度可達(dá)SDTV理論上限(水平540電視線、垂直576電視線)。其中，采用了3/4亞取樣-內(nèi)插技術(shù)。使用本方案進(jìn)行HDTV信號(hào)到SDTV信號(hào)轉(zhuǎn)換，可使圖像清晰度的理論上限值達(dá)到SDTV系統(tǒng)的理論最高值，并適應(yīng)16∶9顯示屏，顯示無(wú)幾何畸變的16∶9畫(huà)面。
2.HDTV到SDTV(16∶9)發(fā)送端下變換編碼器圖2為本發(fā)明所采用的HDTV到SDTV空間分辨率下變換轉(zhuǎn)換編碼器。
HDTV到SDTV轉(zhuǎn)換編碼器的下變換轉(zhuǎn)換編碼模塊包括依次相連的變字長(zhǎng)解碼塊VLD、第一反量化塊IQ1、第一反離散余弦變換塊IDCT1、第一加法器、下采樣塊、第二加法器、離散余弦變換塊DCT、第二量化塊Q2、變字長(zhǎng)編碼塊VLC，此外還包括
將來(lái)自變字長(zhǎng)解碼塊VLD和第一幀存儲(chǔ)器的信號(hào)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償并輸出到第一加法器的第一運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償塊MC1，所述第一幀存儲(chǔ)器的輸入與第一加法器輸出相連；與第二量化塊Q2相連的第二反量化塊IQ2，第二反量化塊IQ2、第二反離散余弦變換塊IDCT2、第三加法器、第二幀存儲(chǔ)器、第二運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償塊MC2、第二加法器依次相連，第二運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償塊輸出反饋到第三加法器；碼率控制模塊輸入、輸出分別與變字長(zhǎng)解碼塊VLD、第二量化塊Q2相連；宏塊編碼預(yù)測(cè)模式確定和運(yùn)動(dòng)矢量重用模塊輸入、輸出分別與變字長(zhǎng)解碼塊VLD、第二運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償塊相連MC2。
為滿足高質(zhì)量廣播要求，而該轉(zhuǎn)換編碼器的空間分辨率變換系數(shù)又為非整數(shù)倍，所以該轉(zhuǎn)換編碼器的空間下采樣在像素域進(jìn)行。而為兼顧轉(zhuǎn)換后圖像高質(zhì)量和保持足夠高的轉(zhuǎn)換編碼效率，降低運(yùn)算量，對(duì)約占編碼過(guò)程70％運(yùn)算量的運(yùn)動(dòng)估計(jì)，宏塊編碼預(yù)測(cè)模式的確定以及碼率控制策略等，本轉(zhuǎn)換編碼器最大限度地重新使用原視頻流相關(guān)信息。
圖2中的碼率控制模塊根據(jù)視頻序列的圖像復(fù)雜度和數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)，確定SDTV輸出碼流的碼率，并完成相應(yīng)轉(zhuǎn)換。宏塊編碼預(yù)測(cè)模式確定和運(yùn)動(dòng)矢量復(fù)用模塊完成運(yùn)動(dòng)估計(jì)，這些模塊須兼顧轉(zhuǎn)碼效率和圖像質(zhì)量。
圖3示出了圖2中下采樣模塊所采用的3/4亞取樣光柵。經(jīng)過(guò)這種亞取樣處理，即可實(shí)現(xiàn)HDTV圖像格式到SDTV圖像格式的下采樣。這種3/4亞取樣，兼顧了圖像幅型比和電視圖像清晰度。
下面結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。
重現(xiàn)圖像的清晰度是電視系統(tǒng)重要指標(biāo)。由HDTV轉(zhuǎn)SDTV圖像格式時(shí)，需著重考慮。清晰度習(xí)慣上用電視線表示。我國(guó)SDTV亮度信號(hào)取樣頻率為13.5MHz，有效像素?cái)?shù)為720×576，滿足取樣定理的基帶信號(hào)上限頻率為6.75MHz，對(duì)應(yīng)4∶3、16∶9圖像的水平、垂直清晰度理論上限值分別為540、576，405、576電視線。與4∶3圖像相比，16∶9圖像的水平清晰度降低25％。我國(guó)SDTV系統(tǒng)標(biāo)稱帶寬為6MHz，對(duì)應(yīng)的清晰度低于理論上限值，可按兩頻率之比，由理論上限值算出。為避免具體裝置因素的影響，以下按理論上限值討論。
HDTV到SDTV(16∶9)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，圖像格式的轉(zhuǎn)換及主要參數(shù)示于表1。
表1 HDTV到SDTV圖像格式的轉(zhuǎn)換


原HDTV圖像格式的水平、垂直有效像素?cái)?shù)為1920×1080，圖像寬高比為16∶9，像素寬高比為1/1，水平和垂直清晰度理論上限值均為1080電視線。
本項(xiàng)發(fā)明在發(fā)送端，將原圖像經(jīng)水平3/8、垂直8/15空間分辨率下變換，得720×576傳輸格式。為此，首先將每幀含1920×1080有效像素?cái)?shù)的HDTV圖像，以8×15像素點(diǎn)陣M8×15i為單位，由式(1)、(2)變換為4×8數(shù)據(jù)塊M4×8，得到960×576有效像素點(diǎn)陣圖像。
M4×8=A×M8×15i×B---(1)]]>A=870000000000000018600000000000000285000000000000003840000000000000048300000000000000582000000000000006810000000000000078×115,B=10001000010001000010001000010001×12---(2)]]>所得960×576有效像素點(diǎn)陣圖像，再按圖3所示3/4亞取樣光柵，完成水平方向3/4亞取樣，得720×576有效像素傳輸圖像。
圖3中，“○”表示傳輸?shù)南袼兀弧啊痢北硎静粋鬏數(shù)南袼?，它們?cè)诮邮斩丝赏ㄟ^(guò)內(nèi)插恢復(fù)。
本發(fā)明的3/4亞取樣自適應(yīng)內(nèi)插算法，如式(3～6)所示。
P^o=WH(P1+P2)/2+WV(P5+P6)/2WH+WV=1---(3)]]>WHWV=4×|p5-p6||p1-p2|×2+|p3-p2|+|p1-p4|---(4)]]>WH=4×|p5-p6||p1-p2|×2+|p3-p2|+|p1-p4|+4×|p5-p6|---(5)]]>WV=|p1-p2|×2+|p3-p2|+|p1-p4||p1-p2|×2+|p3-p2|+|p1-p4|+|p5-p6|×4---(6)]]>式中，pi(i＝1，2，3，4，5，6)是待內(nèi)插像素p0周圍六個(gè)相鄰的傳輸像素；

是p0的內(nèi)插值WH和WV是水平內(nèi)插項(xiàng)(P1+P2)/2和垂直內(nèi)插項(xiàng)(P5+P6)/2的自適應(yīng)權(quán)重系數(shù)。權(quán)重系數(shù)WH和WV隨p0鄰域像素值的變化，自適應(yīng)調(diào)整。
當(dāng)|p1-p2|、|p3-p4|、和|p5-p6|同時(shí)為零時(shí)，WH＝WV＝1/2。該算法除涉及四個(gè)最近鄰的像素外，還增加了水平方向上的另外兩個(gè)相鄰像素點(diǎn)p3和p4。由于只有加、減、移位運(yùn)算，運(yùn)算稍復(fù)雜的WH也只有一次除法運(yùn)算，所以對(duì)實(shí)時(shí)完成運(yùn)算比較有利，也便于硬件實(shí)現(xiàn)。
該內(nèi)插算法有利于圖像水平清晰度的恢復(fù)。
由于720×576信號(hào)由1920×1080下變換而來(lái)，3/4亞取樣可部分保留圖像的水平、垂直細(xì)節(jié)，接收端對(duì)720×576信號(hào)經(jīng)內(nèi)插上變換，可得清晰度得以恢復(fù)的960×576(16∶9)重建圖像，送入終端顯示。960×576 16∶9顯示屏與目前商品化顯示屏的生產(chǎn)水平也更加適應(yīng)。
實(shí)例效果為檢驗(yàn)轉(zhuǎn)換編碼目標(biāo)圖像的清晰度，以HDTV楔型清晰度測(cè)試信號(hào)序列進(jìn)行測(cè)定。
圖4、5為水平、垂直清晰度模擬測(cè)試結(jié)果。兩圖中，左、上為HDTV原視頻壓縮流解碼圖像480～720電視線部分的放大；兩圖中，中間圖像為HDTV原視頻發(fā)送端經(jīng)式(1)、(2)空間分辨率下變換編碼視頻流解碼重構(gòu)圖像；兩圖中，右、下為HDTV原視頻壓縮流發(fā)送端經(jīng)變換編碼，接收端再內(nèi)插恢復(fù)，所得對(duì)應(yīng)幀、對(duì)應(yīng)部位的重構(gòu)圖像。
圖4表明，重建的清晰度測(cè)卡在水平清晰度為540電視線附近，線簇清晰復(fù)原。圖5表明，重建的清晰度測(cè)卡在垂直清晰度為576電視線附近，線簇也可辨認(rèn)。
發(fā)明的主要用途數(shù)字電視時(shí)代正在來(lái)臨，本發(fā)明主要解決SDTV系統(tǒng)共享HDTV節(jié)目問(wèn)題。給出的HDTV到SDTV轉(zhuǎn)換編碼器方案、設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)，可重建滿屏、無(wú)幾何畸變、16∶9圖像，其水平、垂直清晰度上限值遠(yuǎn)高于720×576/16∶9原圖像格式的405、432電視線，水平、垂直清晰度可接近540、576電視線，為SDTV系統(tǒng)共享HDTV節(jié)目提供了有效的途徑。同時(shí)，16∶9 SDTV節(jié)目的播出，將促進(jìn)16∶9屏SDTV接收設(shè)備產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，加快4∶3向16∶9屏過(guò)渡的歷程。
在上述本發(fā)明基本技術(shù)思想內(nèi)，如果應(yīng)用者具有本行業(yè)的基本知識(shí)，即可進(jìn)行很多變化。本發(fā)明的權(quán)利范圍應(yīng)以權(quán)利請(qǐng)求范圍為基礎(chǔ)，進(jìn)行解釋。
權(quán)利要求
1.HDTV到SDTV轉(zhuǎn)換編碼器，包括發(fā)端將音頻信號(hào)與SDTV格式視頻流進(jìn)行復(fù)用的復(fù)用模塊，收端解復(fù)用模塊和視頻基本流解碼模塊，其特征在于，還包括發(fā)端將HDTV視頻流轉(zhuǎn)換為SDTV格式視頻流的下變換轉(zhuǎn)換編碼模塊，收端對(duì)來(lái)自視頻基本流解碼模塊的視頻單幀圖像進(jìn)行內(nèi)插上變換，輸出960×576圖像的解碼圖像內(nèi)插上變換模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的HDTV到SDTV轉(zhuǎn)換編碼器，其特征在于，HDTV到SDTV轉(zhuǎn)換編碼器的下變換轉(zhuǎn)換編碼模塊包括依次相連的變字長(zhǎng)解碼塊、第一反量化塊、第一反離散余弦變換塊、第一加法器、下采樣塊、第二加法器、離散余弦變換塊、第二量化塊、變字長(zhǎng)編碼塊，此外還包括將來(lái)自變字長(zhǎng)解碼塊和第一幀存儲(chǔ)器的信號(hào)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償并輸出到第一加法器的第一運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償塊，所述第一幀存儲(chǔ)器的輸入與第一加法器輸出相連；與第二量化塊相連的第二反量化塊，第二反量化塊、第二反離散余弦變換塊、第三加法器、第二幀存儲(chǔ)器、第二運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償塊、第二加法器依次相連，第二運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償塊輸出反饋到第三加法器；碼率控制模塊輸入、輸出分別與變字長(zhǎng)解碼塊、第二量化塊相連；宏塊編碼預(yù)測(cè)模式確定和運(yùn)動(dòng)矢量重用模塊輸入、輸出分別與變字長(zhǎng)解碼塊、第二運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的HDTV到SDTV轉(zhuǎn)換編碼器，其特征在于，所述的下采樣塊為將每幀含1920×1080有效像素?cái)?shù)的HDTV圖像，以8×15像素點(diǎn)陣M8×15i為單位，由式(1)、(2)變換為4×8數(shù)據(jù)塊M4×8，得到960×576有效像素點(diǎn)陣圖像的下采樣塊，M4×8=A×M8×15i×B---(1)]]>A=870000000000000018600000000000000285000000000000003840000000000000048300000000000000582000000000000006810000000000000078×115,B=10001000010001000010001000010001×12---(2)]]>
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的HDTV到SDTV轉(zhuǎn)換編碼器，其特征在于，所述的下采樣塊包括有完成水平方向3/4亞取樣，得720×576有效像素傳輸圖像3/4亞取樣光柵。
全文摘要
本發(fā)明HDTV到SDTV轉(zhuǎn)換編碼器有關(guān)數(shù)字電視設(shè)備。更詳細(xì)的說(shuō)，本發(fā)明是HDTV到SDTV轉(zhuǎn)換編碼器的發(fā)明。為提供電視圖像清晰度高，轉(zhuǎn)換后的圖像不產(chǎn)生幾何畸變，具有高轉(zhuǎn)換效率的轉(zhuǎn)換編碼器，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是包括將音頻信號(hào)與SDTV格式視頻流進(jìn)行復(fù)用或解復(fù)用的復(fù)用模塊、解復(fù)用模塊，視頻基本流解碼模塊，此外還包括將HDTV視頻流轉(zhuǎn)換為SDTV格式視頻流的下變換轉(zhuǎn)換編碼模塊，對(duì)來(lái)自視頻基本流解碼模塊的視頻單幀圖像進(jìn)行內(nèi)插上變換，輸出960×576圖像的解碼圖象內(nèi)插上變換模塊。本發(fā)明主要用于制作有關(guān)數(shù)字電視設(shè)備。
文檔編號(hào)H04N7/30GK1688166SQ20051001337
公開(kāi)日2005年10月26日 申請(qǐng)日期2005年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月28日
發(fā)明者李桂苓, 李春濤, 徐巖, 劉昱, 王立, 鄭冰洋 申請(qǐng)人:天津大學(xué)