CN88103191A

CN88103191A - 含有棱锥数编码/译码电路的电视传输系统

Info

Publication number: CN88103191A
Application number: CN198888103191A
Authority: CN
Inventors: 让·贝纳德·奥斯卡·苏珊·马登斯
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1987-05-27
Filing date: 1988-05-24
Publication date: 1988-12-14
Also published as: NL8701261A; EP0293041A1; US4864396A; JPS63306789A; KR880014824A

Abstract

一种包括锐减电路(14·1)的棱锥数编码电路，该锐减电路接收由M×N个象素组成的所要传输的图象，并将该图象转换成K+1个辅助图象Bk，Bk的水平和垂直象素数目等于前一顺序号的辅助图象Bk-1(k＝0、1、2……k)的相应象素数目分别除以AH和AV。每个辅助图象Bk在一条扩展信道14·4(·)中扩展。该扩展信道不仅具有二维内插低通滤波功能。14·5(·)，而且具有图象预测功能14·6(·)。

Description

含有棱锥数编码/译码电路的电视传输系统

本发明总的涉及一种用于从编码台经由传输介质向译码台传输数字化图象的电视传输系统。

本发明更具体地涉及一种电视传输系统，它的编码台装备有棱锥数编码电路（亦称刻度宽度编码器或部分波段编码器）而其译码台则装备有棱锥数译码电路（亦称刻度宽度译码器或部分波段译码器）。

这类电视系统可组成电视广播系统的一部分，在该情况下，编码台组成电视广播发射机的一部分，而每部电视接收机则备有译码部分。在此情况下，该传输介质是大气层。

这样一种系统也组成视频录象机或者数据存储和再现系统的一部分，在这种情况下，录象带或其他存储介质（例如视频磁盘）构成传输介质。

众所周知，可把一幅数字图象看作由M×N个象素组成的阵列，每个象素由给定的若干（例如b）比特所代表。因此就需要总数为M×N×b个比特以便显示一幅图象。例如一个由576×536个象素组成，而每个象素又有8个比特的阵列就需要2.5×10⁶比特来显示，这样高的数目一般是不允许的。如果将这个阵列的各象素编成互相独立的代码，则这样一种阵列就称为数字图象的典型方式，或简称为典型图象。编码台的目的是要将该典型图象转换成非典型图象，后者能够用比典型图象所需少得多的比特数来显示图象。译码台的目的是要用收到的非典型图象重显原始图象的准确复制品。

这种转换过程的许多不同方法是公知的，例如差分脉码调制（DPCM）、变换编码（TC）等。下面的描述将基于最近提出的一种方法（将称为棱锥数编码），该方法已在例如参考文献1、2和3中作了广泛的描述，但为了很好地了解该编码方法，下面将更详细地描述它的各种特点。

使用棱锥数编码的电视传输系统包括棱锥数编码电路和棱锥数译码电路。棱锥数编码电路备有锐减电路。该电路接收该典型的M×N图象，并提供K+1辅助图象B₀、B₁、……B_K，其中，辅助图象B_K的水平和垂直象素的数目等于辅助图象B_K-1的相应象素数目分别除以因子A_H和A_V（K＝0、1、2……K）。

该编码电路还包括图象扩展电路，后者备有若干接收不同辅助图象B_K的扩展信道。为了将该加到那里的辅助图象B_K转换成一种水平和垂直象素数目都等于B_K-1的垂直和水平象素数目的扩展后的辅助图象B_K′，而使每条扩展信道适合于完成二维内插低通滤波功能。将辅助图象B_K以及扩展后的辅助图象B_K′依次加到形成差图象的电路，该电路提供差图象D_K。这种差图象D_K是通过从辅助图象B_K中减去扩展后的图象B_K′+1而获得的。

然后将差图象D_K发送到适合于提供显示原始图象的图象B₀的复制品的棱锥数译码电路。该棱锥数译码电路包括由若干本地扩展信道所组成的级联装置，该本地扩展信道带有一种电路，该电路每次插入两个相继的本地扩展信道之间时就形成和图象，所述形成和图象的电路接收不同的差图象D_k。与棱锥数编码电路中的扩展信道一样，每条本地扩展信道也适合于完成二维内插低通滤波功能。

这种本地扩展信道接收辅助图象B_K，并把它扩展成其水平和垂直象素数目等于差图象D_K-1的水平和垂直象素数目的扩展后的辅助图象B_K′。在形成和图象的电路中，将差图象D_K-1和展宽后的辅助图象B_K′加在一起。因此再次获得辅助图象B_K-1。又将该辅助信号再次扩展并将所扩展的形状加到D_K-2，以便获得辅助图象B_K-2，等等。这种操作一直继续到重新获得原始图象B₀为止。

差图象D₀至D_K的动态范围一般将比各辅助图象的动态范围要小得多。结果，差图象的编码所需要的比特数将比各辅助图象的小得多。甚至可以进一步减少所要发送的差图象的象素数目。所有这些措施保证了显示完整图象所需的比特数比显示典型图象所需的比特数要少得多。

本发明的一个目的是要提供一种包括棱锥数编码电路和译码电路的电视传输系统，所述电路可用来更进一步减少显示一幅完整图象所需的比特总数。

按照本发明，棱锥数编码电路中的许多扩展信道和棱锥数译码电路中与其相应的本地扩展信道，不仅具有二维内插低通滤波功能，而且具有图象预测功能。

本申请人已证明，通过把附加图象预测功能赋予该扩展信道，该信道就具有一种可显著缩小差图象动态范围的传递函数，就其本质而言，这种函数将直接导致减低比特率。

适合于本发明目的一类传递函数是通常所谓的复原函数或规则化函数。在参考文献5中广泛地描述了这类函数。

在参考文献4的第Ⅳ B节和参考文献6中描述了适合于这个目的另一类传递函数。

实际上，可以用不同的方式来实现这种扩展信道。例如可以用二维内插低通滤波器和适当尺寸的二维图象预测滤波器的级联装置来实现这种扩展信道。在实际运用中，一般最好将这两种滤波器组合成一个公共滤波器。

本申请的参考文献为：

1.由P.J.Burt，E.H.Adelson写作的〔作为图象压缩码的棱锥数拉普拉斯算子〕一文，详见《IEEE Transactions on Communications》，COM-31卷第4期，1983年4月532至540页。

2.由C.R.Carlson等人写作的〔实时分级信号处理设备〕一文，详见第GB2 143 046A号英国专利申请书。

3.由C.R.Carlson等人写作的〔储存图象显示信号的磁芯系统〕一文，详见第4 523 230号美国专利文献。

4.由M.Kunt，A.Ikonompoulos，M.Kocher写作的〔第二代图象编码技术〕一文，详见《Proceedings of the IEEE》73卷第4期，1985年4月第549至573页。

5.由N.B.Karayiannis，A.N.Venetsanopoulos写作的〔图象的复原：一种规则化方法〕一文;详见1986年6月24至26日关于图象处理及其应用的第二国际会议第265号会刊第1至5页。

6.由H.E.Knutsson，R.Wilson，G.H.Granlaund写作的〔异向性不固定的图象预测及其应用〕一文中的第一部分〔有噪声干扰的图象的复原〕;详见《IEEE Transaction on Communication》，COM-31卷第3期，1983年3月第388至397页。

各附图中：

图1用图解法表示配备有按照本发明的电视传输系统的视频录象机;

图2表示棱锥数编码电路的实施例;

图3示出用于棱锥数编码和译码电路的扩展信道的某些传递函数曲线;

图4表示棱锥数译码电路的实施例，

图5表示用于棱锥数编码电路中的锐减电路的另一个实施例，

图6表示棱锥数编码电路的另一个实施例。

图1用图解法表示备有按照本发明的TV传输系统的视频录象机。该传输系统包括编码台1和译码台2。该编码台具有用于接收由图象信号源3（例如摄象机）提供的模拟图象信号S（t）的输入端10。对于所要传送的每一幅图象，编码台从其输出端11提供一连串传输字Z（n）。将这些传输字，经由调制电路4和写入磁头5所组成的级联装置而寄存在磁带6上。

利用由读出磁头7和解调电路8所组成的级联装置将存在于磁带6上的信息转换成一连串传输字Z′（n），后者在没有传输差错的情况下准确地对应于被加到调制电路4的传输字Z（n）。将这一连串传输字Z′（n）加到译码台2的输入端20。该译码台从其输出端21提供对应于由视频信号源3所提供的信号S（t）的复制信号S′（t）。为显示起见，将该复制信号加到监控器9。

在编码台1中由具有适当选定的10MHz采样频率fs的采样电路12对模拟信号S（t）采样。因此，就将每一图象行转换成一连串视频采样信号，亦称象素。下文中将把图象的第j行的第i个象素记为Xij。由模一数转换器13将这样得到的每个象素转换成例如8比特的PCM字Xij。如果设i＝1、2、3……M，而j＝1、2、3……N，则可将一个完整的图象视作由M×N个象素Xij所组成的阵列。如上所述，该矩阵更具体地称为该图象的典型形式。

将这样得到的典型图象的各象素加到棱锥数编码电路14，其结构将在下文描述。在这方面，应当特别指出的是，它适合于将每个典型图象转换成一连串传输字Z（n），后者包括比由M×N个象素Xij所组成的阵列少得多的比特。

在译码台2中，将每个收到的传输字串Z′（n）加到棱锥数译码电路24，其结构也将在下文描述。在这一方面，应当特别指出的是，它适合于将一连串传输字Z′（n）转换成由各象素X′_ij组成的M×N阵列。在数一模转换器23中，将每个象素转换成视频采样信号X′_ij。然后使这些视频采样信号经过低通滤波器22的低通滤波处理，以便取得复制信号S′（t）。

棱锥数编码电路的一般结构示于图2中，而棱锥译码电路的一般结构则示于图4中。

示于图2中的棱锥数编码电路在其输入端14.0接收典型图象B₀的象素Xij。将这个图象加到锐减电路14.1，后者在本实施例中是由三个二维锐减低通滤波器14.2（·）所组成的级联装置。这些滤波器具有水平锐减因数A_H和垂直锐减因数A_V。在本实施例中已经假设A_H＝A_V＝2。这种锐减电路提供4个辅助图象B₀、B₁、B₂以及B₃。更具体地说，辅助图象B₀与典型图象B₀完全相同，并由一个具有M×N个象素的阵列组成。辅助图象B₁由滤波器14.2（1）提供，并由一个具有（M/2）×（N/2）个象素的阵列组成。辅助图象B₂由滤波器14.2（2）提供，并由具有（M/4）×（N/4）个象素的阵列组成。最后，辅助图象B₃由滤波器14.2（3）提供，并由具有（M/8）×（N/8）个象素的阵列组成。

将这样得到的各辅助图象加到扩展电路14.3，后者由三个分别接收辅助图象B₁、B₂、B₃的扩展信道14.4（·）组成。每个扩展信道包括带有与之级联的二维预测滤波器14.6（·）的二维内插低通低波器14.5（·）。该内插滤波器具有等于各锐减滤波器的水平锐减因数A_H的水平内插因数以及等于各锐减滤波器的垂直锐减因数A_V的垂直内插因数。扩展信道14.4（·）分别提供扩展后的辅助图象B₁′、B₂′和B₃′。更具体地说，扩展后的辅助图象B₁′由具有M×N个象素的阵列组成，扩展后的辅助图象B₂′由具有（M/2）×（N/2）个象素的阵列组成以及扩展后的辅助图象B₃′由具有（M/4）×（N/4）个象素的阵列组成。

将辅助图象B₀、B₁、B₂、B₃和扩展后的图象B₁′、B₂′、B₃′加到电路14.6，以形成差图象，该电路包括四个差图象形成器14.7（·）。差图象形成器14.7（0）接收图象B₀和B₁′，并提供由M×N个差象素组成的差图象D₀。差图象形成器14.7（1）接收图象B₁和B₂′，并提供由（M/2）×（N/2）个差象素组成的差图象D₁。差图象形成器14.7（2）接收图象B₂和B₃′，并提供由（M/4）×（N/4）个差象素组成的差图象D₂。除了这些差图象D₀、D₁、D₂之外，形成这些差图象的电路14.6还提供差图象D₃，但是，差图象D₃和辅助图象B₃是相同的。

降低比特率的方法是：差图象D₀、D₁、D₂、D₃的维数可以进一步同时在水平和垂直方向上分别缩小一个因数S₀、S₁、S₂、S₃。这一操作可通过使用另外一种锐减电路14.8来实现，后者包括4个锐减器14.9（·），它们各自接收不同的差图象。该锐减电路14.8提供4个重建的差图象D₀′、D₁′、D₂′、D₃′。

由于差象素的动态范围将小于原始象素的动态范围，所以可以通过差象素的重新编码（最好是非线性编码）来进一步降低比特率。为此，将这些重建的差图象加到重新编码电路14.10，在本实施例中，后者包括4个重新编码电路14.11（·）。每个重新编码电路接收一种不同地重建的差图象、并提供传输图象D_TO、D_T1、D_T2、D_T3，再将这些传输图象加到多路调制电路14.12，而后者提供各串传输字Z（n）。更具体地说，Z（n）是这样获得的：对于每幅典型图象，每次多路调制电路14.12首先连续排列D_T3的各象素，然后是D_T2，接着是D_T1、最后排列D_T0的各象素。

在内插滤波器14.5（k）中，对被加到那里的辅助图象B_K进行一种与由相应的锐减滤波器14.2（k）对被加到那里的辅助图象B_K-1所进行的运算相反的运算（亦见参考文献1）。差图象D_K中各象素的动态范围、亦即必须分配给每个差象素的比特数主要决定于图象转变处边缘亮度变化。

通过使用附加的预测因数14.6（k），就能使扩展信道14.4（k）获得一种可降低比特率的传递函数。实际上可以这样选择该传递函数，使得可以显著缩小该差图象的动态范围。

正如已经陈述过的，已经公开了一类适合此目的的、名为复原或规则化函数的传递函数。这类传递函数是已在例如参考文献5中广泛描述过的。

另一类适合于此目的的传递函数是在参考文献4的第Ⅳ B中描述过的。在这种情况下，图象的固定的和不固定的部分被分开处理。

为完整起见，将给出涉及参考文献5中所描述的一类传递函数的例子。为此，将用A₀（ω_x，ω_y）表示二维锐减滤波器14.2（k）的传递函数，而用H₀（ω_x，ω_y）表示扩展信道的传递函数。根据参考文献5，下式是可成立的：

（1）H₀（ω_x，ω_y）＝A₀（ω_x，ω_y）/〔A² ₀（ω_x，ω_y）+P_R（ω_x，ω_y）〕

在此表达式中，多项式R（ω_x，ω_y）取决于原始图象的频谱。对于许多图象来说，

（2）R（ω_x，ω_y）＝（q²ω_xω_y）²似乎是一种好的选择。在（2）中，q是将自由选择的参数，它和典型图象的采样周期有关。在（1）中的参数P也是将自由选择的参数。但是，它的选择将在很大程度上受可容许的噪声放大倍数的影响。

对于二维滤波器的具体实现来说，如果将其传递函数分成独立的各维的函数，则一般来说是有利的。如果在此相关情况下还假设扩展信道的传递函数能在此种意义上分别作良好的近似的话，则下式成立：

（3）H₀（ω_x，ω_y）＝H（ω_x）·H（ω_y）

相应地将假设：

（4）A₀（ω_x，ω_y）＝A（ω_x）·A（ω_y）

对于传递函数H（ω），一般来说，下式成立：

（5）H（ω）＝A（ω）/〔A²（φ）+P（qω）⁴〕

实际上，对于A（ω）来说，高斯函数G（ω）似乎是很可取的传递函数，该函数可定义如下：

（6）A（ω）＝G（ω）＝exp〔-（qω）²/2〕

H（ω）就变成：

（7）H（ω）＝exp〔-（qω）²/2〕/｛exp〔-（qω）²〕+P（qω）⁴｝

在表达式（7）中，根据：

（8）ω＝Ωfs

对变量ω进行归一化，（7）式就变成：

（9）H（Ω）＝exp〔-（rΩ）²/2〕/｛exP〔-（rΩ）²〕+P（rΩ）⁴｝

图3示出对某些P值的相关传递特性。应当指出，选择常数r等于0.7

\sqrt{3}

，而AH和Av等于2。

为了复原典型图象Bo的复制品，在图4的棱锥数译码电路中，将所接收到的传输字Z′（n）加到多路解调电路24.0，该电路从分开的各输出端提供本地传输图象

_TK，将这些图象加到包括四个本地录象电路24.2（·）的本地录象电路24.1。在这些本地录象电路24.2（·）中，对本地传输图象的象素进行运算，该运算是与棱锥数编码电路中的录象电路14.11（·）相反的。于是，这些本地录象电路24.2（·）提供本地重建差图象

_K′。再把这些图象

_K′加到内插电路24.3，后者包括四个具有水平和垂直内插因数S、并提供本地差图象

_K的内插运算器24.4（·）。将这些本地差图象加到包括若干本地和图象形成器24.8（k）的本地图象扩展电路24.5。形成器24.8（k）中的每一个接收本地差图象

_K和扩展后的本地辅助图象

_K′，接着提供本地辅助图象

_K，在图象

_K中，水平和垂直象素的数目与本地差图象

_K的相等，并且等于本地辅助图象 _k+1的所述数目乘以各自的因数A_H和A_V。利用本地扩展信道24.7（k），将两个顺序相继的和图象形成器依次连接在一起。该信道从和图象形成器24.8（k）接收本地辅助图象

_K，并将扩展后的本地辅助图象 _K加到下一个和图象形成器24.8（k）。该本地扩展信道和棱锥数编码电路（见图2）中对应的扩展信道一样，适合于实现二维内插低通滤波功能和二维图象预测功能。因此，在所示实施例中，扩展信道24.7（·）装有本地二维内插低通滤波器24.9（·）和二维图象预测电路24.10（·）。应当指出，如果所述两个扩展信道提供基本上同样的扩展后辅助图象，则本地扩展信道就相当于棱锥数编码电路中的扩展信道。

在图2所示的棱锥数编码电路实施例中，锐减电路14.1是由若干二维锐减低通滤波器14.1（·）的级联装置组成的，各滤波器14.1（·）的水平与垂直锐减因数是彼此相等的。此外，水平锐减因数又等于垂直锐减因数。图5示出一个锐减电路14.1，它也是由若干二维锐减低通滤波器14.2（·）组成的。将这些滤波器并联连接到输入端14.0，而各滤波器的锐减因数是互不相等的。此外，已经假设滤波器的水平锐减因数等于其垂直锐减因数。

图6示出图2中所示的棱锥数编码电路的另一个实施例。它与图2所示电路的区别在于扩展信道14.4′（k）接收传输图象D_TK以便产生扩展后的辅助图象B_K′，而且该扩展信道还包括本地录象电路14.13（k）以及内插运算器14.14（k）。在录象电路14.13（k）中进行关于传输图象D_TK的各象素的运算，这种运算是与由录象电路14.11（k）对重建的差图象D_K′的各象素所进行的运算相反的。

内插运算器14.14（k）具有内插因数S_K（包括水平的和垂直的），从而补充了锐减运算器14.9（k）的运算。

在图2、4和6中所示的各实施例中，每个扩展信道都具有图象预测功能。看来，那些接收具有最少维数的辅助图象的扩展信道实际上并不需要具有这种功能，这是因为这种功能只产生几乎觉察不到的图象质量改进。

Claims

1、一种用于将由M×N个象素组成的图象从编码台(1)传输到译码台(2)的电视传输系统，所述编码台包括棱锥数编码电路，该电路备有：

-锐减电路(14·1)，它接收所要传送的图象，并将它转换成K+1个辅助图象B_K，所述辅助图象B_K的水平与垂直象素数目等于前一顺序号的辅助图象B_K-1(K=0，1，2，……K)的水平和垂直象素数目除以相应的因数A_H和A_V，

-图象扩展电路(14·3)，它具有K条扩展信道，每条信道接收不同的辅助图象B_K，并各适应于执行二维内插低通滤波功能，以便分别将加到那里的辅助图象B_K的水平和垂直象素数目增加到A_H和A_V倍，由此产生扩展宽后的辅助图象B_K′，

-形成差图象的电路(14·6)，它既接收辅助图象B_K又接收扩展后的辅助图象Bk′并每次从辅助图象B_k中减去所述扩展后的辅助图象B′K+1，以便产生差图象D_k，

-转换装置(14·8、14·10、14·12)，它用于将差图象D_K转换成传输字串(Z)(n)，

以及所述译码台包括棱锥数译码电路(24)，该电路备有：

-用于接收到的传输字串Z′(n)转换成本地差图象的装置(24·0，24·1，24·3)，

本地图象扩展电路(24·5)，它包括K+1个本地和图象形成器(24·8(K))，该形成器各自经由第一输入端接收一个不同的本地差图象

、经由第二输入端接收一个扩展后的本地辅助图象

，并各自从它们的输出端提供本地辅助图象

，所述本地辅助图象

的水平和垂直象素数目分别增加到后继顺序号的本地辅助图象

+1的相应象素数目的A_H和A_V倍；K条本地扩展信道(24·7(K))，它们各自连接在和图象形成器(24·8(K))的输出端与前一顺序号的和图象形成器(28·8(K-1))的输入端之间，并且各自适合于履行二维内插低通滤波功能，以便使加到那里的本地辅助图象

的水平和垂直象素数目分别增加到A_H和A_V倍，由此产生所述扩展后的本地辅助图象

，

其特征在于：所述棱锥数编码电路中的若干扩展信道和所述棱锥数译码电路中的相应的本地扩展信道不仅具有二维内插低通滤波功能，而且具有图象预测功能。

2、如权利要求1中所要求的用于电视传输系统中的编码台，所述编码台包括用于传输由M×N个象素组成的图象的棱锥数编码电路，并且所述编码台备有：

-锐减电路（14.1），它接收所要传输的图象并将该图象转换成K+1个辅助图象B_k，辅助图象B_K的水平与垂直象素数目等于前一顺序号的辅助图象B_K-1（k＝0、1、2……K）的水平与垂直象素数目分别除以A_H和A_V，

-图象扩展电路（14.3），它具有K条扩展信道，它们各自接收一个不同的辅助图象B_K，并各自适合于履行二维内插低通滤波功能，以便使加到那里的辅助图象B_K的水平和垂直象素数目分别增加到A_H和A_V倍，由此产生扩展后的辅助图象B′_k，

-形成差图象的电路（14.6），它既接收辅助图象B_K又接收辅助图象B′_K，并每次从所述辅助图象B_K减去所述扩展后的辅助图象B′_K+1，以便产生差图象D_K，

-用于将差图象D_K转换成传输字串（Z（n））的装置（14.8、14.10、14.12），

其特征在于：所述若干扩展信道不仅具有二维内插低通滤波功能，而且具有图象预测功能。

3、如权利要求1中所要求的用于电视传输系统中的译码台，该译码台用于接收由如权利要求2中所要求的编码台所产生的传输字串Z（n），并包括棱锥数译码电路（24），所述电路备有：

-用于将收到的传输字串Z′（n）转换成本地差图象

_K的装置（24.0、24.1、24.3），

-本地图象扩展电路（24.5），它包括K+1个本地和图象形成器（24.8（k）），这些图象形成器各自经由第一输入端接收不同的本地差图象

_K，经由第二输入端接收扩展后的本地地辅助图象

_K′，并各自从它们的输出端提供本地辅助图象 _K，所述本地辅助图象

_K的水平和垂直象素数目比后继顺序号的本地辅助图象

_K+1的相应象素数目分别增加到A_H和A_V倍;以及K条本地扩展信道（24.7（k），它们各自连接在和图象形成器（24.8（k））的输出端和前一顺序号的和图象形成器（28.8（k-1））的第二输入端之间，并且各自适合于履行二维内插低通滤波功能，以便使加到那里的所述本地辅助图象

_K的水平和垂直象素数目分别增加到A_H和A_V倍，由此产生所述扩展后的本地辅助图象

_K′。

其特征在于：所述若干本地扩展信道不仅具有二维内插低通滤波功，而且具有图象预测功能。