專利名稱:自適應視頻信號降噪系統(tǒng)的制作方法
技術領域:
本發(fā)明涉及使用壓縮擴展和預測信號處理的視頻信號降噪系統(tǒng)。
在具有潛在噪聲信道上發(fā)送諸如電視信號那樣的視頻信號一般要考慮如何防止信道噪聲使視頻信號的信噪比及重放圖象的質量變差。壓擴是提高在噪聲環(huán)境下傳送視頻信號質量的一種途徑。使用壓擴技術,在發(fā)射機中壓縮視頻信號的幅度從而提高其均一峰功率比,并因此提高對噪聲的抗干擾性。由接收機用發(fā)射機壓縮函數的逆?zhèn)鬟f函數對該信號進行幅度擴展,以恢復原視頻信號幅度分布從而得到正確的顯示信號。如果發(fā)射機進行非線性壓縮,可借助于小信號擴展和大信號壓縮的組合對該信號加以修正。在接收機中執(zhí)行互補函數。
作為壓擴器傳遞函數斜率的函數噪聲功率是下降的。斜率越陡,降噪越多。具有陡斜率的壓擴器傳遞函數的區(qū)間受限于動態(tài)范圍的考慮。對大多數信號來說,不同時間區(qū)間范圍內信號的動態(tài)范圍是不同的。如果事先知道不同時間區(qū)間的相對動態(tài)范圍,便可調整壓擴器傳遞函數,以便在各個區(qū)間運行最優(yōu)。然而應注意到,該相對動態(tài)范圍信息必須對壓擴系統(tǒng)中的發(fā)送和接收端兩者都有效。
眾所周知,來自水平行-水平行或幀-幀的視頻信號高度冗余。由于這種冗余,可以相對精確地預測視頻信號的幅度值。已知當前視頻信號的相對幅度,通過根據先出現信號進行的預測,可制定各個信號間隔的信號的瞬時動態(tài)范圍。使用連續(xù)出現的視頻信號的預測值,可在視頻信號傳輸系統(tǒng)中實現自適應壓擴系統(tǒng)。
接收機的非線性幅度壓縮,會產生不需要的頻帶以外的高頻信號分量,例如,在電視型視頻信號的情形下高于4.2MHz的頻率分量。可通過發(fā)射機的輸出低通濾波器消去這些不需要的高頻分量。但是,在發(fā)射端消去頻率分量有可能影響接收機的互補擴展函數的精度。
重顯圖象中的標稱噪聲在含有物體運動的圖象中不如在靜止圖象中那么令人討厭。此外,對發(fā)射機暫時處理過的視頻信號,非線性壓擴處理對活動圖象產生比靜止圖象更多的頻帶以外的頻率分量。因此,根據各個重放圖象的活動程度用不同的壓擴函數來壓擴視頻信號的好處在于對暫時處理過的靜止圖象執(zhí)行較大壓擴而對暫時處理過的活動圖象執(zhí)行較少的壓擴。
在包括壓擴器的視頻信號傳輸系統(tǒng)中實施本發(fā)明,所述壓擴器具有多種可選擇的壓擴特性。包括一電路,用于對例如視頻信號的幅度進行預測,并根據該結果確定準備使用的特定的壓擴特性。
圖1和圖2是可分別在電視系統(tǒng)的發(fā)射和接收端用來壓擴視頻信號的壓擴裝置的框圖。
圖3和圖4是分別示出寬屏幕電視信號處理系統(tǒng)中發(fā)射和接收部分的壓擴電路的框圖。
圖5A和6分別是電視信號傳輸系統(tǒng)中發(fā)射和接收部分自適應壓擴電路的框圖。
圖5B是用于實現直接壓擴器和圖5A的壓擴器控制單元的電路框圖。
圖7和圖8分別是電視信號傳輸系統(tǒng)中發(fā)射部分和接收部分的自適應壓擴電路的可選實施例的框圖。
圖9和圖10分別是系統(tǒng)的發(fā)射和接收端的包括壓擴電路的另一可選自適應視頻信號壓擴系統(tǒng)的框圖。
圖11說明可用自適應壓擴器實現的多種壓擴器傳遞特性。
在圖1的發(fā)射機電路中,將輸入視頻信號加到信號減法器10的一個輸入端,該減法器的另一輸入端接收來自信號預測網絡15(后面將討論)的信號。從減法器10輸出的、表示暫時處理過的視頻信號的差值信號(DIFF)由具有方框12上所示的非線性傳遞函數的幅度壓縮器12進行非線性幅度壓縮。壓縮器12對大于給定幅度閥值的大信號進行幅度壓縮,而對小幅度信號進行幅度擴展(放大)。壓縮器12和接收機中具有互補傳遞函數的幅度壓擴器一起構成壓擴系統(tǒng)中的一個組件。
壓縮器12的非線性傳遞特性可產生在該實例中超過視頻信號頻段上限4.2MHz的不需要的高頻分量(例如,諧波)。在OUTPUT(輸出)信號通過可能包括信號惡化噪聲的信道進行發(fā)射之前,由低通濾波器14對上述頻段外高頻分量進行濾波。但是,濾波器14可能會引起自己所不需要的信號失真。這種濾波器失真,以及實際會出現的與發(fā)射機中的壓縮和擴展之間的不協調相關的失真,尤其在例如圖象活動的情形下,可在預測網絡15配合下加以減少和消除。
預測器15與幅度擴展器和接收機中的用于接收圖1設備發(fā)射的信號的預測網絡一模一樣。參考圖2,對發(fā)射機已作非線性幅度壓縮后的所接收的信號,由幅度擴展器216用發(fā)射機非線性傳遞函數的逆函數進行幅度擴展。擴展器216,如同發(fā)射機中的壓縮器12,提供瞬時傳遞函數,并可用ROM查找表形式實現。
圖2電路的其它元件執(zhí)行包括產生對應于圖1預測器15產生的預測信號的預測信號在內的好幾種功能。在圖2中,擴展器216的輸出信號是視頻差分信號。將加法器218、延遲元件220和放大器222排列成閉合回路,以形成對視頻差分信號積分的泄漏積分器并在加法器218的輸出端提供重構的視頻信號。延遲元件220可以是幀延遲的,并因視頻信號的高度冗余特性而在其輸出端產生當前視頻信號的預測值。延遲元件220的輸出由放大器222中小于1的因子加權。放大器220提供基本上與預測器15產生的預測信號相同的加權預測信號。
原本包括元件218、220和222的積分器形成遞歸濾波器。由于連續(xù)幀的視頻信號的冗余和相關特性,積分器的遞歸濾波作用有可能提高加法器218提供信號的信噪比。
本發(fā)明實例的預測過程涉及來自單個圖象點的暫時延遲過的樣值,然而,認為它可包括來自多個場的空間相關圖象點的多個樣值。名義上將比例因子“A”限制為小于單位1的數值以維持積分回路穩(wěn)定。
回到圖1,預測器15輸出端的預測信號表示對延遲的接收機輸出信號、由因子A比例放縮后的評估值。部件10從輸入信號中減去預測信號、產生由部件12、13處理的差值信號,部件12和14產生發(fā)射的輸出信號。
在圖1的發(fā)射設備中,差值信號是輸入信號和預測信號之間的差。加法器18原輸出是接收機的輸出的模擬??梢钥吹?,接收機輸出端的信號類似于加到發(fā)射機輸入端的信號。如果發(fā)射機中減法器10產生的差值信號是小的,(表明是正確的預測),則由非線性幅度壓縮器12放大該差值信號并由此在傳輸之前有利地提高其信噪比特性。
將所公開的系統(tǒng)運行于4.2MHz亮度信號,可注意到在比例因子A為0.75和采用具有μ為11的壓擴參數的μ法則壓擴器時,減噪2.7dB。在A=0.90和μ為40,可減噪4.1dB。
圖3示出兼容的寬屏幕電視系統(tǒng)(例如用以處理5∶3的寬高比信號)的編碼器的框圖,包括圖1示出類型的壓縮和預測網絡。除了這種網絡,圖3系統(tǒng)更詳細地公開于Strolle等人的4,816,899號美國專利中。
圖3中,寬屏幕電視信號的源310以數字形式提供寬屏幕電視彩色圖象分量Y(亮度)和I、Q(色差)。源310還圖示包括有矩陣、模/數轉換器和低通濾波電路。來自源310的信號由邊側一中央畫面信號分離器和處理器318處理以產生三組輸出信號YE、IE和QE;YO、IO和QO;以及YH、IH和QH。對前兩組信號(YE、IE、QE和YO、IO、QO)加以處理以分別產生包含中央畫面分量、時間壓縮在水平圖象過掃描區(qū)的邊側畫面低頻亮度信息(亮度低頻分量)的信號。處理第三組信號(YH、IH、QH)以產生包含邊側畫面高頻信息(邊側畫面高頻分量)的信號。如最終將中央和邊側畫面的信號分量加以組合,便產生具有4∶3顯示寬高比的NTSC兼容的寬屏幕信號。除了邊側畫面高頻信息,信號YO、IO和QO提供插入左和右水平過掃描區(qū)的低頻邊側畫面信息。信號YO、IO和QO在由邊側一中央信號合成器328(例如時間多路轉換器)與信號YE、IE和QE組合之前,由塊322中(圖1所示類型的)幅度壓縮和預測網絡進行個別地處理。合成器328產生具有標準4∶3圖象寬高比的信號YN、IN和QN。
信號處理器和NTSC編碼器336處理信號YN、IN和QN以產生NTSC兼容的合成輸出信號C/SL,該信號包含中央畫面信息和壓縮到水平過掃描區(qū)的邊側畫面低頻信號。部件336包括亮度和色度濾波器、色調制器、以及用于編碼亮度和色度信息的常規(guī)NTSC編碼電路。
邊側畫面高頻分量YH、IH和QH在由部件321時間擴展后,由部件343作附加處理。在部件343中,邊側畫面高頻分量以場頻反相調制輔助壓縮副載波。調制后的副載波經過幅度壓縮和帶通濾波而形成邊側畫面高頻分量信號SH。該信號在合成器340中與信號C/SL組合而產生寬屏幕兼容的信號NTSC。信號NTSC在加到RF調制器和發(fā)射器網絡355以通過天線356廣播發(fā)射之前,由數/模轉換器(DAC)354變換為模擬形式。
幅度壓縮和預測網絡322可類似地采用在Strolle等人的專利所公開說明的寬屏幕編碼系統(tǒng)的增強圖象分辨率型式。這種增強分辨率系統(tǒng)公開于題目為“包括輔助信號編碼信息壓擴的兼容電視系統(tǒng)”的共同提交的美國專利139,339號中。
圖4描繪了用于圖3發(fā)射機編碼器產生的兼容的寬屏幕電視信號的寬屏幕接收機譯碼器的框圖。除了擴展和預測網絡422,前述Strolle等人的專利中更詳細地公開了圖4的系統(tǒng)。
發(fā)射的兼容寬屏幕信號由天線410接收、由輸入解調和信號處理部件422解調而產生信號YN、IN、QN和邊側畫面高頻分量信號SH。部件422包括用于恢復信號SH的濾波和幅度擴展網絡和用于恢復信號YN、IN和QN的濾波和色度解調網絡。處理器454響應邊側高頻分量信號SH以產生信號YH、IH和QH。在處理器454中,對輔助副載波解調,對亮度和色度邊側畫面高頻分量進行分離,將亮度邊側高頻分量時間壓縮,從而產生邊側畫面高頻分量的信號分量YH、IH和QH。
借助于邊側一中央分離器(信號分離器)440將信號YN、IN和QN分離為低頻邊側畫面分量YO、IO、QO和中央畫面分量YE、IE和QE。由部件444對信號YE、IE、QE進行時間壓縮以占據規(guī)定的中央畫面顯示區(qū)。信號YO、IO、QO在由部件445時間擴展以占據規(guī)定的邊側畫面顯示區(qū)之前,在網絡442中個別地進行幅度擴展和預測信號處理。網絡442包含圖2所示類型的用于分別處理信號YO、IO和QO的電路。
在部件446中對來自時間擴展器445的邊側畫面低頻分量信號和來自處理器454的邊側畫面高頻分量信號進行組合,產生邊側畫面亮度和色度信號YS、IS、QS。借助于接合器460將重構的邊側畫面信號YS、IS、QS與來自時間壓縮器444的重構的中央畫面信號YC、IC、QC進行接合,形成包含分量Y、I和Q的完全重構的寬屏幕信號。
寬屏幕信號Y、I、Q在加到視頻信號處理器和矩陣放大器464之前由數/模轉換器(DAC)462變換為模擬形式。部件464的視頻信號處理器分量包括通用特性的信號放大、DC電平移位、峰值、亮度控制、對比度控制和其它視頻信號處理電路。矩陣放大器464將亮度信號Y與色差信號I和Q組合以產生彩色圖象表示的視頻信號R、G和B。由部件464中的顯示驅動放大器將這些色彩信號放大到適合于直接驅動寬屏幕彩色圖象顯示器470,例如寬屏幕顯象管的電平。
如上所述,圖3的編碼器電路以時間壓縮形式對低頻邊側畫面信息進行編碼。直觀地,將從直流到700KHz的亮度信息進行大約為6∶1的時間壓縮以使該邊側畫面低頻信息占據4.2MHz帶寬。接收機(圖4)執(zhí)行所述的相應時間擴展。發(fā)射機中的非線性幅度壓縮過程特別有可能產生不需要的頻帶之外的頻率,在該實例中,時間壓縮過程產生頻率等于或接近理想頻帶(例如4.2MHz)的上限頻率的信號。
由于時間壓縮和擴展,邊側低頻分量在噪聲信道條件下所含噪聲能量比中央畫面信息的同頻段噪聲能量要大得多。這種情形本身已表示出在所顯示的中央畫面和邊側畫面的圖象之間的令人討厭的差異。具體地說,邊側畫面圖象和中央畫面圖象的較寬的帶寬噪聲相比呈現水平“不均勻”的低頻噪聲,因此更為討厭。所以可見邊側畫面信息不同于中央畫面信息,尤其對具有大約35db以下信噪比的傳輸信道是如此。這樣,優(yōu)先使用圖1和圖2的設備來增強時間壓縮的邊側畫面低頻信息的信噪特性。所公開設備在圖3的發(fā)射機系統(tǒng)中可交替地用于部件318和時間壓縮器320之間,在這種情形下,圖1設備的輸出信號通路可以低通濾波到700。KHz以對亮度低頻分量進行6∶1壓縮。
所公開的信號壓擴和預測設備也可用于對來自圖3部件321的時間擴展的邊側畫面高頻信號YH、IH和QH進行處理。在這方面應注意,利用圖3所示系統(tǒng),由于擴展器321的時間擴展,邊側畫面高頻信息信噪比可獲改進。然而,這種改進受到部件343對邊側高頻分量調制的輔助副載波的幅度誤差所損害,使得當具有標準4∶3寬高比的標準電視接收機接收寬屏幕電視信號時,調制的輔助副載波不明顯。所公開的降噪設備可用于根據具體系統(tǒng)的需要增強邊側高頻分量信息的噪聲抗干擾性。
再參考圖1,對視頻系統(tǒng)設計的專業(yè)人員可以理解的是,由減法器10提供的差值信號的幅度是幀內活動的函數。考慮將比例因了A設置為1。在這種情況下,如果連續(xù)圖象都相似,即表示靜止圖象,該差值信號幅度為0。相反,如連續(xù)圖象不同,則該差值信號表示連續(xù)圖象間的差別,并且是較大幅度的。差值信號的能量密度隨連續(xù)圖象間差異的增加而增加。
通過壓擴可達到的降噪程度是輸入信號統(tǒng)計量和輸出量信號通道動態(tài)范圍的函數。對具體信號間隔如果壓擴器的輸入信號的動態(tài)范圍已知,有選擇地為相應動態(tài)范圍修整壓擴函數是有益的。
參考示出自自適應視頻信號壓擴系統(tǒng)的圖5A,該系統(tǒng)的傳遞函數可根據圖象運動情況選擇。將輸入視頻信號加到減法器500的一個輸入端,而將由元件580和570比例放縮和幀延遲的視頻信號加到減法器500的第二輸入端。對靜止圖象和(或)靜止的圖象區(qū)域,由減法器500提供的差值的動態(tài)范圍和幅度是相當小的。對活動圖象和其亮度變化的圖象,該差值的動態(tài)范圍和幅度增大。
將來自減法器500的差值加到具有可選擇傳遞函數的壓擴器電路510,該傳遞函數對輸入信號的預定幅度范圍(例如,約為0)具有斜率大于1,而對在預定范圍以外的輸入信號幅度,其斜率小于1。來自壓擴器510的輸出信號發(fā)送到接收設備(未示出)。來自壓擴器510的輸出信號也耦合到執(zhí)行壓擴器510的逆函數的壓擴器520。壓擴器520仿真置于接收設備中的壓擴器。將來自壓擴器520的擴展差值耦合到包括加法器560、延遲單元570和定標器580的電路上,對擴展的差值信號進行積分以產生輸入信號的定標預測。在該實施例中,輸出和第二輸入端間的回路的總延遲為一個圖象周期,例如,一個水平行間隔、一個場間隔或一個幀間隔等。選擇由延遲元件570提供的信號延遲以滿足該限制。從該限制的觀點來看,有必要將補償延遲元件包含在一定的信號路徑上,例如元件580和560之間。然而,熟悉電路設計的人很容易理解這些要求并加入必要元件。
圖象間周期信號變化或圖象間運動可通過從連續(xù)圖象周期減去視頻信號來加以檢測。這可在減法器550中通過從來自延遲元件570的延遲一個圖象周期輸出的視頻信號減去加到延遲元件570的當前視頻樣值來實現。將由減法器550提供的運動信號加到低通濾波器540以修正視頻信號中的噪聲或量化誤差的影響和(或)預防突發(fā)運動信號的變化。將紙通濾波后的運動信號耦合到確定壓擴器510和520的傳遞特性的壓擴器控制電路530。
數字信號處理設備中的壓擴器控制電路530和壓擴器電路510(520)可分別用電路單元531和511實現,如圖5B所示。壓擴器控制電路531為只讀存儲器(ROM),將來自低通濾波器540的運動信號加到該ROM的地址輸入端口。在ROM 531的各個存儲單元預先編制好程序以輸出和各個地址值相對應的正確控制信號。例如,可對ROM 531進行編程,對0-20單位的地址值提供二進制值00的控制信號,對21-40單位的地址值提供二進制值01的控制信號,對41-60單位的地址值提供10的二進制控制值,以及對大于60單位的地址值提供11的二進制控制值,等。
壓擴器511是另一個ROM,將視頻信號耦合到該ROM的一些地址輸入端而將控制信號耦合到其另一些地址輸入端。ROM 511的存儲單元排列成多個表,用特定的壓擴函數對每個表進行編程。所使用的特定的表取決于控制信號的值。視頻差值信號對所用表中的相應存儲單元選址,這些單元以對應于各地址值的壓擴輸出信號加以編程。例如,ROM 511可包括由控制地址00、01、10和11選擇的4個表。假定那些控制地址對應于為ROM 531所舉例中的控制值。在這種情況下,由連續(xù)的較大控制值選址的表中所定義的壓擴函數可預定為具有連續(xù)較大幅度的最優(yōu)的壓擴輸入信號。
圖6示出該自適應壓擴系統(tǒng)的接收部分。在圖6中,將發(fā)送的壓擴的視頻差值信號耦合到類似于圖5A壓擴器520的遞向壓擴器600。將由逆向壓擴器600提供的擴展的視頻差值信號加到包括加法器610、延遲元件630和定標器620的電路單元,以便對視頻差值信號積分以重現原始視頻信號。類似于圖5A中運動檢測電路,運動檢測電路包括耦合到延遲單元630的減法器640和低通濾波器650,用以產生耦合到壓擴器控制電路660的運動信號。對運動信號予以響應,該壓擴器控制電路660自適應地對壓擴器600的傳遞特性加以控制。
發(fā)射系統(tǒng)中的壓擴器510產生不受傳輸信道噪聲顯著影響的強信號。因此,加到接收機中壓擴器600的信號基本上類似于加到發(fā)射機中壓擴器520上的信號。由于圖6的電路類似于圖5A的電路元件520-580的組合,所以可精確地仿真其響應。又,由于圖5A的電路排列成閉合反饋回路以使處理誤差為最小,因此,加法器560的輸出以及加法器610的輸出是原始輸入信號的精確表示。
圖7是自適應壓擴系統(tǒng)的可選實施例。圖7設備類似于圖5A設備那樣運行,除了壓擴器控制信號的產生。圖7中,將壓擴器710和720調整到由減法器700提供的信號差值所期望動態(tài)范圍,而不是調到圖象運動。
假定輸入信號的值范圍是從0至100單位。這樣由減法器700提供的差值的動態(tài)范圍是200單位,即從-100到+100單位。但是,如果能夠預測輸入信號的幅度,那么便可預測差值信號的動態(tài)范圍。假定,預測輸入信號的幅度為X,那么差值信號的幅度范圍是從-X到100-X單位。例如,如預測X為25,實際輸入信號為0或100極限中的一個,那么差值信號為-25或+75,其動態(tài)范圍為100單位。所以,根據對輸入信號值的幅度預測,可將減法器700提供的信號的動態(tài)范圍減小1/2。但是,這是浮動的動態(tài)范圍,即,并沒有固定具體的幅度極限。然而,在任何時刻知道了輸入信號的預測值,便可知道該時刻浮動的動態(tài)范圍的極限,并根據信號差值當前動態(tài)范圍的相對位置選擇壓擴器的傳遞特性。
圖7積分回路的延遲在元件770和750中分開。選擇這些元件的組合延遲使減法器700輸出和輸入端間的回路的總延遲為一個圖象周期。分開延遲,以便調整預測電路使其響應時序正確地時間對齊于加到壓擴器上的信號。
通過濾波器740對多個象素進行的空間濾波或平均來實現輸入信號電平預測,所述多個象素例如來自前一幀、并處于對應于輸入信號當前所表示象素的附近。來自空間濾波器740的預測信號值耦合到壓擴器控制電路730。對空間濾波器740提供的預測信號進行低通濾波,以防噪聲干擾該過程或防止壓擴函數的過分變化也許是合乎要求的。
壓擴器控制730和壓擴器電路710(720)可類似于圖5B的設備那那樣進行布局。在該例中,用對應于期望的差值信號的動態(tài)范圍(-X,R-X)的控制值對控制ROM 531進行編程,其中X是預測值,而R是輸入信號的最大值(假設輸入信號范圍是0至R)。
用適合于由控制信號確定的不同信號動態(tài)范圍的傳遞函數的各個表對壓擴器ROM 511進行預編程。
圖8示出處于接收端的、與圖7壓擴系統(tǒng)配套的壓擴設備。由圖8可見,該電路除了將在后面說明的可選的成核電路800、包括類似于圖7設備的信號預測和壓擴器控制電路。用類似圖7中元件標號指定的圖8中元件,執(zhí)行相似功能。
圖9示出視頻信號自適應壓擴電路另一可選實施例。但該電路直接工作在視頻信號而不是視頻信號差值。
一般壓擴器(位于系統(tǒng)發(fā)送端)運行擴展低幅度信號的幅度而壓縮較高幅度信號的幅度,以改進信噪比。這種過程可能提高較低電平信號的質量,但對較高電平信號幾乎沒有什么改進。另一方面如果已知待處理信號的相對幅度,那么通過自適應壓擴可提高幾乎任何電平信號的信噪比。這可通過選擇其最大斜率位于期望出現信號樣值幅度區(qū)間的壓擴傳遞特性來完成??紤]圖11示出的壓擴曲線,這些曲線對壓擴系統(tǒng)發(fā)射端實現的壓擴器是適用的。(可以理解,通過改變軸向布局從輸入和輸出到輸出和輸入,曲線可對應于逆的或接收端的壓擴曲線)。可以知道,如果希望輸入信號的幅度在例如80和100 IRE之間,便可擴展該范圍的信號,而壓縮幅度較小的信號。另一方面,如希望該信號為50 IRE,則擴展50±10 IRE范圍的信號而壓縮較大或較小幅度的信號??梢哉f,以這種方式運行的系統(tǒng)是幅度跟蹤壓擴系統(tǒng)。碰巧,來自行對行,場對場,或幀對幀視頻信號的高交互作用允許完成這種跟蹤壓擴系統(tǒng)。
圖9中,將待壓擴的視頻信號加到多特性壓擴器900,該壓擴器900在端OUTPUT提供待發(fā)送的壓擴信號。壓擴器900可以是用多個傳遞特性的表編程的ROM,每個表定義了一個諸如圖11所述的壓擴特性。在任何給定時刻所用特定表取決于由壓擴器控制電路980產生的控制信號。
將壓擴信號也耦合到包括元件910-980的逆壓擴電路上,該電路仿真?zhèn)鬏斚到y(tǒng)接收端的擴展電路。將來自壓擴器910的擴展信號加到包括元件920-923的第一信號預測電路和包括元件930-936的第二信號預測電路。
第二預測電路包括延遲元件930、延遲元件931和932的級聯電路,延遲元件930將信號延遲一個視頻幀周期減去一個水平行周期,而延遲元件931和932中中的第一個將信號延遲一個水平行周期。將來自延遲元件930、931和932的視頻信號分別耦合到信號加權電路935、934和933。加權電路935、934和933對所加信號分別乘以因子1/4、1/2和1/4。來自加權電路933-935的視頻信號在加法電路936中相加,產生一個時間上與當前視頻信號相關的預測信號。將來自加法器936的時間預測信號耦合到可變加權電路942,該可變加權電路942可將時間預測信號放縮由控制信號發(fā)生器960提供的可變因子K倍。
時間預測信號可包括來自當前圖象的組分。這可由壓擴器910的輸出與加法電路936間的虛線箭頭連線指出。該連線用來指出當前圖象幀的一個或多個圖象點的信號可被加權并與來自前一幀的信號進行組合。
第一預測電路根據來自當前圖象場的信號產生一預測信號。在圖9的示范性實施例中,由延遲元件920將來自壓擴器910的輸出信號延遲一個水平行周期減去T的時間。時間T通常是等于彩色副載波周期的1/4或其若干倍的短時間周期。該延遲信號由級聯延遲元件921和922進一步延遲,延遲元件921和922各提供周期為T的延遲。將來自延遲元件920-922的延遲信號耦合到產生空間預測信號的定標和組合電路923上。定標和組合電路923可類似于時間預測電路中的元件933-936。元件923提供的空間預測信號耦合到將空間預測信號放縮由控制電路960提供的可變固子(1-K)倍的可變加權電路940。
對不活動圖象或不含幀間運動的圖象區(qū)域,時間均值可能是對當前信號更加準確的預測。對活動圖象,或含幀間運動的圖象區(qū)域,空間均值可能是當前圖象較為精確的預測。當使系統(tǒng)在圖象運動和不運動的條件下很好地運行,對來自壓縮壓擴器910的擴展信號監(jiān)視其運動以便進行對適當預測信號的選擇。
運動檢測器950耦合于延遲元件930的輸入與延遲元件931的輸出之間。運動檢測器950產生對應于幀間圖象信號差值的信號。將該差值信號耦合到用于對具體的差值信號的范圍產生可變控制信號K的控制信號發(fā)生器960。對不含運動的圖象區(qū)域,即當運動檢測器950提供的差值信號為0時,該控制信號發(fā)生器產生其值相當于1的K。在這種情況下,分別限制加權電路942和940送出時間預測而排除空間預測。當運動檢測器產生指出顯著圖象運動的大幅度差值信號時,發(fā)生器960產生值為相當于0的K,即限制加權電路940和942傳遞空間預測并排除時間預測。對中間值圖象差值信號,發(fā)生器960產生其值在0與1之間的K,該K值限制加權電路940和942,以相配合的比例傳遞空間和時間預測信號。
將來自加權電路940和942的加權空間和時間預測信號耦合到產生對應于所要求預測信號之和的加法電路944。將來自加法電路944的預測信號耦合到壓擴器控制電路980。壓擴器控制電路980響應來自加法電路944的預測信號而產生合適的控制信號以調整壓擴器900和910按其可選擇傳輸特性中具體一種進行操作。注意到壓擴器控制電路980和壓擴器900(910)可構造為類似于圖5B所示的電路。
圖10示出系統(tǒng)接收端的和系統(tǒng)發(fā)射端上圖9壓擴電路相結合的壓擴電路。用和圖9設備中元件同樣標號指出的元件是相似的并執(zhí)行類似功能。
再返回到圖8,考慮包括元件750-780的遞歸回路。該遞歸回路有可能增加加法器760輸出端的噪聲功率,盡管該回路提高了信噪比。這種噪聲功率的增加可通過將成核電路800插在加權電路780和加法器760之間來減少。如果該成核電路包含于圖8電路中,類似成核電路也就包括于圖7加權電路780的輸出上以使由圖7和圖8設備產生的預測信號是相似的。該成核電路800也可以是具有在幅度的特定范圍內的將信號嵌位到一預定值的傳遞函數的常規(guī)電路,而將該特定范圍以外的信號不加改變地予以傳遞。例如,該成核電路可分別通過大于和小于例如±5 IRE的所有信號幅度值,并將正負5 IRE之間的信號幅度嵌位到0 IRE值。另一方面,成核電路也可以是自適適應類型的,例如,美國專利4,538,236號中提出的成核電路,這里結合用作參考。
最好也許是將成核電路納入圖1、圖2、圖5A和圖6-圖10的任何設備中,并且,這種成核電路可裝配于加權電路(例如780)輸出端以外的位置。例如,在圖7和圖8中,可將成核電路置于加法器760和延遲元件750之間,或置于壓擴器720和加法器760之間。在這種情況下,效果是減少加法器760輸出的噪聲功率。將成核電路插在延遲元件750和壓擴器控制電路730之間也是有利的。
使用成核電路也有助于減小量化誤差。一個實例是插在圖9和圖10中加法電路944和壓擴器控制電路980之間的成核電路970??紤]構造發(fā)生器只產生對應于0、1/8……7/8,1的9個不同的K值,并且加權電路940和942是位移和加法類型的。在這種情況下,加法器944的輸出可產生與量化誤差的和。這種量化誤差對低幅度信號有可能更為顯著。所以,最好在預測信號的最低范圍內消除誤差的可能性。核化電路970具有對信號幅度預定范圍約為0提供0值輸出信號的傳遞函數,而傳遞所有其它信號,從而消除了低電平信號的量化誤差。
可以理解在圖5-圖10每個電路的一定的信號通道上可能需要補償延遲元件,以便正確地時間對齊于預測信號和(或)具有當前輸入樣值的控制信號。然而,電路設計領域的技術人員很容易知道這種延遲是否必要以及將它們結合到其系統(tǒng)中。另外,可將低通濾波器插在圖5A、7或9電路中直接和取反壓擴器之間,以消去由非線性壓擴產生的頻帶以外的頻率分量。最后,可以理解,可將圖5A、7或9的設備結合到圖3寬屏幕視頻信號傳輸系統(tǒng),而圖6、8或10的設備可結合到相應的圖4寬屏幕視頻信號接收系統(tǒng)中。盡管壓擴電路僅僅示出于圖3和圖4的邊側畫面低頻信號通路中,本文所述類型的類似壓擴電路也可包含于邊側畫面高頻信號通路中。
權利要求
1.一種處理視頻信號的自適應壓擴系統(tǒng)包括具有接收視頻信號的輸入端和用于產生已處理視頻信號的輸出端的壓擴器(510,600),所述壓擴器具有響應控制信號的可選擇的多個壓擴特性和耦合到所述壓擴器輸出端并響應所述已處理視頻信號用于產生所述控制信號以便有選擇地控制所述壓擴器的裝置(520,530,550,570,630-660)。
2.如權利要求1所述自適應壓擴系統(tǒng),其特征在于該系統(tǒng)用于處理表示所述視頻信號的自適應壓擴信號,它包含具有控制端,并具有響應加在所述控制端控制信號的多個可選擇壓擴傳遞性的所述壓擴器(600),所述壓擴器響應所述自適應壓擴信號以執(zhí)行壓擴功能,產生表示所述視頻信號的非壓擴信號,耦合到所述自適應壓擴器的輸出端以產生輸出視頻信號的裝置(610),響應所述輸出視頻信號以產生指出所述視頻信號屬性的信號的裝置(630-650),響應所述指出所述視頻信號屬性的信號以產生所述控制信號的裝置(660)。
3.如權利要求2所述自適應壓擴系統(tǒng),其特征在于,所述用于產生指示屬性的信號的裝置包括用于產生指出圖象間運動的運動信號的運動檢測器(95)。
4.如權利要求3所述自適應壓擴系統(tǒng),其特征在于,所述用于產生指出屬性的信號的裝置還包括響應所述輸出視頻信號以產生由所述自適應壓擴信號表示的所述視頻信號幅度的空間預測的裝置(920-923),響應所述輸出視頻信號用以產生由所述自適應壓擴信號表示的所述視頻信號幅度的時間預測的裝置(930-936),以及響應所述運動信號、所述空間預測和所述時間預測用以產生指出屬性的所述信號的裝置(940-944,960)。
5.如權利要求4所述的自適應壓擴系統(tǒng),其特征在于包括用于將所述指出屬性信號耦合到用于產生所述控制信號的所述裝置的成核電路(970)。
6.如權利要求2所述的自適應壓擴系統(tǒng),其特征在于,所述用于產生指出屬性的信號裝置包括響應所述輸出視頻信號、用以產生表示對由所述自適應壓擴信號表示的所述視頻信號幅度的空間預測的信號的裝置(740)。
7.如權利要求6所述的自適應壓擴系統(tǒng),其特征在于,所述用于產生指出屬性的信號的裝置還包括響應所述輸出視頻信號以產生表示對由所述自適應壓擴信號表示的所述視頻信號的時間預測的信號的裝置(930-936),以及用于組合表示所述時間和空間預測的所述信號以產生指出屬性的所述信號的裝置(940-944,960)。
8.如權利要求6所述的自適應壓擴系統(tǒng),其特征在于包括用于將表示所述空間預測的所述信號耦合到用于產生所述控制信號的所述裝置的成核電路(970)。
9.如權利要求2所述的自適應壓擴系統(tǒng),其特征在于,所述用于產生指示屬性的信號的裝置(630-650)包括響應所述輸出視頻信號以產生表示由所述自適應壓擴信號表示的視頻信號幅度的預測的信號的裝置(740)。
10.如權利要求9所述的自適應壓擴系統(tǒng),其特征在于,還包括用于將表示預測的所述信號耦合到用于產生所述信號的所述裝置的成核電路(970)。
11.如權利要求9所述的自適應壓擴系統(tǒng),其特征在于包括將所述輸出視頻信號耦合到用于產生表示預測的信號的所述裝置的成核電路(800)。
12.如權利要求2所述的自適應壓擴系統(tǒng),其特征在于,所述表示視頻信號的自適應壓擴信號是表示來自連續(xù)圖象周期的視頻信號之差的壓擴的差值信號,而用于提供所述輸出視頻信號的所述裝置包括信號組合裝置(610),該裝置具有耦合到所述自適應壓擴器輸出端的第一輸入端,以及第二輸入端,和用于提供所述輸出視頻信號的輸出端,其輸入端耦合到所述信號組合裝置輸出端的延遲裝置(630),該延遲裝置有一輸出端,所述延遲裝置用于將所加信號延遲基本上為1個圖象周期的時間,以及其輸入和輸出端分別耦合到所述延遲裝置輸出端和所述信號組合裝置第二輸入端的加權電路(620),用以將所加信號乘以1或小于1的因子。
13.如權利要求12所述的自適應壓擴系統(tǒng),其特征在于還包括耦合于所述信號組合裝置輸出端與所述延遲裝置輸入端之間的信號成核電路。
14.如權利要求12所述的自適應壓擴系統(tǒng),其特征在于還包括耦合于所述延遲裝置輸出端與所述信號組合裝置第二輸入端之間的成核電路(800)。
15.如權利要求12所述的自適應壓擴系統(tǒng),其特征在于,用于施加表示視頻信號的自適應壓擴信號的所述裝置包括提供輸入視頻信號的視頻信號輸入端,其第一輸入端耦合到所述視頻信號輸入端,并有第二輸入端和輸出端的減法信號組合裝置(700),另一自適應壓擴器(720),該壓擴器的輸入端耦合到所述減法信號組合裝置輸出端,其輸出端提供表示所述視頻信號的所述自適應壓擴信號,并具有與用于產生所述控制信號的所述裝置(730)耦合的控制輸入端,所述另一自適應壓擴器響應所述控制信號,執(zhí)行與所述自適應壓擴器反相的壓擴函數,以及用于將所述加權電路(780)的輸出端耦合到所述減法信號組合裝置第二輸入端的裝置。
16.如權利要求15所述的自適應壓擴系統(tǒng),其特征在于包括耦合于所述信號組合裝置輸出端與所述延遲裝置輸入端之間的信號成核電路。
17.如權利要求15所述的自適應壓擴系統(tǒng),其特征在于包括耦合于所述延遲裝置輸出端與所述信號組合裝置第二輸入端之間的信號成核電路(800)。
18.如權利要求2所述的自適應壓擴系統(tǒng),其特征在于,用于施加表示視頻信號的自適應壓擴信號的所述裝置包含提供輸入視頻信號的視頻信號輸入端,另一自適應壓擴器(520),其輸出端耦合到所述視頻信號輸入端,其輸出端用于提供表示視頻信號的所述自適應壓擴信號,其控制端耦合到用于產生控制信號的所述裝置(530),所述另一自適應壓擴器(520)響應所述控制信號以執(zhí)行與所述自適應壓擴器反相的壓擴函數。
全文摘要
視頻信號傳輸系統(tǒng)包括自適應壓擴電路以提高傳輸信號的信噪比。發(fā)射機中的壓縮擴展器(510)與接收機中的對應的反相壓縮擴展器(600)設置成具有多個可選擇的壓擴傳遞特性。特定傳遞特性的選擇(530,600)響應例如當前信號的預測值(550,570,630,640)。
文檔編號H04N5/21GK1050801SQ9010701
公開日1991年4月17日 申請日期1990年9月30日 優(yōu)先權日1989年10月3日
發(fā)明者喬爾·沃爾特·茲德斯基, 喬舒亞·勞倫斯·科斯 申請人:通用電氣公司