專利名稱：具有另一種副載波的視頻信號處理器的制作方法
技術領域：
本發明涉及與具有較小顯示寬高比的傳統電視接收機兼容的寬屏幕電視系統。更具體地說，本發明涉及在這種系統中用來對視頻信號進行編碼/解碼的一種方法和設備。
傳統電視接收機，例如按照美國和其它國家所采用NTSC廣播標準的接收機，具有4∶3寬高比(所顯示的圖像寬度與高度之比)。近來，對于采用較大寬高比的電視接收機系統發生了興趣，例如2∶1、16∶9或5∶3，因為與傳統電視接收機的4∶3寬高比相比，這種較大的寬高比更加近似或等于人眼視界寬高比。具有5∶3寬高比視頻信息的信號已受到特殊的注意，因為這一寬高比近似于電影影片的寬高比，因此，這種信號能夠不剪切圖像信息而進行發射和接收。但是，簡單地發射具有比傳統系統增大了寬高比的信號的寬屏幕電視系統，與傳統寬高比的接收機是不相兼容的。這使寬屏幕系統難于廣泛應用。
因此，希望有與傳統電視接收機兼容的寬屏幕電視系統。根據本發明的原理，這里公開了用來對兼容寬屏幕視頻信號進行編碼和解碼的方法和設備，這種寬屏幕視頻信號代表著具有比標準4∶3寬高比更大寬高比的圖像。
一個根據本發明原理的公開的優選實例包括對視頻信號進行編碼的設備，包括用于產生視頻信號的裝置，這個視頻信號含有要在周期性的水平行圖像的間隔期內進行顯示的信息，這種間隔期是以水平行的掃描頻率重復出現的。這種視頻信號含有亮度分量，它包括占有第一頻帶的垂直圖像細節的信息;色度副載波分量，它被占有第二頻帶的彩色圖像信息所調制;以及表示要顯示的圖像的給定特性的信息。包括有用來提供另一個副載波信號的裝置，這個信號具有在第一和第二頻帶之間的間置頻率。還包括用表示的信息對另一個副載波信號進行調制的裝置，調制以后產生一個調制過的另外的副載波信號，其帶寬與表示的信息相一致。
作為本發明的另一方面，所產生的視頻信號包括具有左側、右側和中心視頻信息組的寬屏幕信號。所顯示圖像的給定特性包括高頻的兩側視頻信息組信息。通過把高頻兩側視頻信息組信息調制到不是彩色副載波的另一個副載波上，對這種高頻信息進行編碼。
作為本發明的第三方面，另一個副載波的頻率最好是等于半行頻奇數倍的間置頻率，并且位于亮度垂直細節頻帶與色度頻帶之間。
本發明的第四方面，提供了視頻信號處理設備，這種設備包括用來對已調制的另一個副載波信號進行解調的裝置。


圖1示出用于根據本發明原理的兼容寬屏幕電視系統的編碼器方框圖;
圖2-圖5畫出有助于了解圖1系統工作的信號波形;
圖6-圖10、圖12和圖12a-12d更詳細地示出圖1系統的各個方面;
圖10a-10c示出與圖10所示濾波器網絡有關的濾波器結構的各個方面;
圖11畫出與圖1系統中一種特性有關的幅頻響應特性;
圖13示出包括根據本發明解碼器設備的寬屏幕電視接收機的部分方框圖;以及，圖14更詳細地示出圖13解碼器的一部分。
簡短地概述一下要描述的系統是會有幫助的。意圖通過標準的(例如，NTSC)通道來傳送大寬高比(例如，5∶3)圖像的系統，在寬屏幕接收機上應該實現高質量圖像顯示，同時，在標準4∶3寬高比的顯示器上，應該顯著減小或消除可以觀察到的圖像質量劣化。信號壓縮技術在圖像兩側視頻信息組上的應用，是利用了標準NTSC電視接收機顯示的行過掃區域，但是，在重新構成寬屏幕圖像時，可能在其兩側視頻信息組區域內犧牲了圖像分辨率。因為時間壓縮要產生頻域中的擴張，因此，只有低頻分量才能經受得起在標準電視通道中的處理，這種標準通道所表現的帶寬比寬屏幕電視信號所需帶寬更窄。因此，當兼容寬屏幕信號經過壓縮的兩側視頻信息組在寬屏幕接收機中進行擴張時，在所顯示寬屏幕圖像的中心與兩側視頻信息組之間，在分辨率或高頻含量方面形成了顯著區別，除非為避免這種影響采取了各種步驟。
附圖和有關描述說明了一種用來產生能夠通過標準通道進行處理的寬屏幕信號的系統。這種系統還允許寬屏幕接收機在整個顯示范圍內以良好的圖像質量來復現寬屏幕圖像。
正如從圖1編碼器可以看到的那樣，空間壓縮的應用容許把兩側視頻信息組的低頻信息擠入標準NTSC信號的行過掃描區域中。通過采用另一個副載波調制技術，使兩側視頻信息組的高頻信息與通過視頻傳送通道的標準NTSC信號，以對于標準接收機是透明的方式來共享頻譜。
在討論圖1兼容寬屏幕編碼系統以前，參考圖2中的信號波形A和B。信號A是5∶3寬高比的寬屏幕信號，這個信號A已被變換成信號B所示具有4∶3寬高比的標準NTSC兼容信號。寬屏幕信號A包括左側和右側視頻信息組部分(每一部分相應于時間段TS，這兩個時間段在典型情況下是相等的)，以及與時間間隔TC相應的中心視頻信息組部分。
通過把兩側視頻信息組的某些信息完全壓縮到與時間間隔TO有關的行過掃描區域中，就已把寬屏幕信號A變換成了NTSC信號B。NTSC信號具有行正程時間間隔TA(近似為52.5微秒的持續時間)，TA包括過掃描時間間隔TO和包括著要顯示的視頻信息的顯示時間間隔TD，整個行時間間隔TH近似為63.556微秒的持續時間。對于寬屏幕和NTSC信號，時間間隔TA和TH是相同的。
已經發現，幾乎所有的電視接收機具有至少占整個行正程時間TA4%的過掃描時間間隔，即左、右側各有過掃描2%。當取樣速率為4fsc(此處，fsc是彩色副載波的頻率)時，每行的時間間隔包括910個像素(圖像元素)，其中754個像素構成要顯示的行正程圖像信息。
回到圖1，寬屏幕攝像機10提供具有R、G、B(紅、綠、蘭)分量和在本實例中為5∶3寬高比的寬屏幕彩色信號。寬屏幕攝像機除了具有較大寬高比和較寬視頻帶寬以外，基本上與標準NTSC攝像機相同。其中，寬屏幕攝像機的視頻帶寬正比于其寬高比與每幀總行數的乘積。假定寬屏幕攝像機的掃描速度是恒定的，當增大其寬高比時，使得圖像視頻帶寬和圖像信息的行壓縮比起用4∶3寬高比的標準電視接收機來顯示信號時要相應增大。由于這些原因，為了達到全部NTSC兼容性，必須對寬屏幕信號加以修改。
由圖1編碼器系統處理的彩色視頻信號同時包括亮度和色度信號分量。亮度和色度信號包括低頻和高頻信息，這些信息在以下的討論中將分別稱為“低頻”和“高頻”。
為了從R、G、B彩色信號得出亮度分量Y、色差信號分量I和Q，把來自攝像機10的寬帶寬屏幕彩色視頻信號在裝置12中進行矩陣處理。在把寬帶Y、I、Q信號利用在濾波器裝置16中分開的行低通濾波器(LPF)獨立地進行濾波以產生已濾波的信號YF、IF、QF以前，先以4倍彩色副載頻(4fsc)速率對寬帶Y、I、Q信號進行取樣，并利用在模數變換(ADC)裝置14中分開的模數變換器，把它們獨立地從模擬形式變換成數字形式。這些信號中的每一個信號都是圖2中波形A所示的形狀。利用濾波器16把亮度信號YF的帶寬限制到CEF·4.2MHz，或近似為5MHz，此處，CEF是中心視頻信息組擴張系數。這是為了在隨后的時間擴張以后，正如將要討論的那樣，把中心視頻信息組信號的帶寬壓縮到NTSC視頻信號的帶寬4.2MHz所必需的。由于類似的原因，也利用濾波器16把信號IF和QF的帶寬限制到CEF·500KHz，或近似為600KHz。因此，濾波器裝置16呈現出近似為5.0MHz的亮度截止頻率和近似為600KHz的I、Q截止頻率。
裝置16中Y、I、Q濾波器的帶寬與中心視頻信息組擴張系數有關，這一系數本身又是利用寬屏幕接收機所顯示的圖像寬度與利用標準接收機所顯示的圖像寬度之間差值的函數。具有5∶3寬高比寬屏幕顯示器的圖像寬度，是具有4∶3寬高比標準顯示器的圖像寬度的1.25倍。正如下面將要說明的那樣，這個系數1.25是初步的中心視頻信息組擴張系數;為了計及標準接收機的過掃描區域，以及為了計及在中心與兩側視頻信息組之間的邊界范圍內有意加入的一點點重迭(以后將予解釋)，必須調節中心視頻信息組擴張系數。由于這些考慮規定CEF為1.19。
為了產生三組輸出信號YE、IE、QE，YO、IO、QO，LH、RH、IH、QH，利用兩側-中心視頻信息組信號分離器和處理器18，來處理來自濾波裝置16的寬帶信號。前兩組信號(YE、IE、QE，YO、IO、QO)在第一通道中進行處理，第一通道產生包括整個帶寬的中心視頻信息組分量的信號，以及壓縮到行過掃描范圍內的兩側視頻信息組的亮度“低頻”。第三組信號(LH、RH、IH、QH)在產生包括兩側視頻信息組“高頻”信號的第二通道中進行處理。當把來自這兩個通道的輸出信號組合起來時，就產生了具有4∶3顯示寬高比的NTSC兼容寬屏幕信號。包括裝置18在內的電路細節將示于圖6、圖7、圖8，并參考這些圖加以討論。
信號YE、IE、QE包括全部中心視頻信息組信息，呈現出與圖3中信號YE相同的格式。簡言之，信號YE按如下方式得自信號YE。來自裝置16的寬屏幕寬帶信號YE包括在寬屏幕信號行正程時間間隔內出現的、包括兩側和中心視頻信息組信息的第1至第754個象素。寬帶中心視頻信息組信息(第75至第680個像素)是作為中心視頻信息組亮度信號YC通過信號時間分離處理而提取出來的。
為了產生NTSC兼容的中心視頻信息組信號YE，對信號YC以中心視頻信息組擴張系數1.19(即5.0÷4.2MHz)進行時間擴張。由于以系數1.19進行了時間擴張，所以信號YE呈現出NTSC兼容的帶寬(0-4.2MHz)。信號YE占據在過掃描區域TO(第1至第14個和第741至第754個像素)之間的圖像顯示時間間隔TD(圖2)。信號IE和QE分別從信號IF和QF產生，并以信號YE的方式進行類似的處理。
信號YO、IO、QO產生插入到左、右側行過掃描區域內的低頻兩側視頻信息組信息(“低頻”)。信號YO、IO、QO呈現出與圖3中信號YO所示相同的格式。簡言之，信號YO按如下方式得自信號YE。寬屏幕信號YF包括與第1至第84個像素有關的左側視頻信息組信息，以及與第671至第754個像素有關的右側視頻信息組信息。正如將要討論的那樣，為了產生具有帶寬0-700KHz的亮度“低頻”信號，對信號YE進行低通濾波，從該“低頻”信號，通過信號時間分離處理，而提取左側和右側視頻信息組“低頻”信號(圖3中的信號YL′)。
為了在與第1至第14個像素、第741至第754個像素有關的過掃描區域中，產生具有壓縮了低頻信息的兩側視頻信息組“低頻”信號YO，對亮度低頻信號YL′進行時間壓縮。已壓縮的兩側“低頻”信號呈現出與時間壓縮大小成正比的、增大了的帶寬。信號IO和QO分別從信號IF和QF產生，并以信號YO的方式進行類似的處理。
為了產生具有NTSC兼容帶寬和4∶3寬高比的信號YN、IN和QN，利用兩側-中心信號組合器28(例如，時間多路復用器)，把信號YE、IE、QE，與YO、IO、QO組合起來。這些信號具有圖3所示信號YN的形狀。組合器28還包括適當的、用來均衡被組合信號中過渡時間的信號延時電路。在系統的其它地方也包括這種均衡用的信號延時電路，以便根據需要來均衡信號的過渡時間。
利用調制器30，色度信號IN和QN以額定頻率為3.58MHz的NTSC彩色副載波(SC)進行正交調制。在把已調制信號加到NTSC編碼器36的色度信號輸入端上以前，利用2-D(二維)濾波器32，在場(V)和時間(T)方向上對該已調制信號進行低通濾波，這將聯系圖9予以說明。
在把亮度信號YN加到編碼器36的亮度輸入端以前，利用3-D(三維)濾波器34，在行(H)、場(V)和時間(T)方向上對該亮度信號進行帶阻濾波。通過對亮度信號YN、色差信號IN和QN進行濾波以保證在經隨后的NTSC編碼以后，可以顯著減小亮色交調失真。正如下面將要討論的那樣，亮度濾波器34對位于某一頻譜區域內的亮度信號也進行帶阻濾波，在該區域中，兩側亮度視頻信息組的“高頻”信號將要受到調制。
多維空間-時間濾波器，例如3-DHVT/行-場-時間)濾波器34和2-DVT(場-時間)濾波器32、46，具有圖10所示結構。具體地說，圖10示出一種通過調節加權系數a1-a9，能夠呈現出VT帶通、VT帶阻或VT低通結構的場-時間(VT)濾波器。圖10a的表格說明與VT帶通和帶阻濾波器結構有關的、本申請公開系統中采用的加權系數。HVT帶阻濾波器(例如圖1中的濾波器34)和HVT帶通濾波器(例如包括在圖13解碼器系統中)，分別包括圖10b中所示行低通濾波器1020和VT帶阻濾波器1021的組合，以及圖10C所示行帶通濾波器1030和VT帶通濾波器1031。
在圖10b的HVT帶阻濾波器中，行低通濾波器1020呈現出給定的截止頻率并提供經過濾波的低頻信號分量。為了產生高頻信號分量，在組合器1023中，把經過低通濾波的信號與來自延時裝置1022輸入信號的延時形式以相減方式組合起來。在把低頻分量加到加法組合器1025上以前，利用網絡1024把它延時一幀，而且在把高頻分量加到加法器1025上以前，利用VT帶阻濾波器1021對它進行濾波，以提供一個經過HVT帶阻濾波的輸出信號。VT濾波器1021呈現出圖10a所示VT帶阻濾波器系數。
HVT帶通濾波器(例如包括在圖13的解碼器中的)示于圖10C，它包括具有給定截止頻率的行帶通濾波器1030，并級聯連接到具有圖10a表格中所示VT帶通濾波器系數的VT帶通濾波器1031。
圖10的濾波器包括用來在各個抽頭t2-t9上提供順序的信號延時的、并用來提供總的濾波器延時時間的多個級武存儲裝置(M)1010a-1010h。把各抽頭傳送的信號分別加到各乘法器1012a-1012i的一個輸入端上。每一個乘法器的另一個輸入端分別接受前述取決于要執行的濾波過程特點的加權系數a1-a9。濾波過程的特點也規定了由延時裝置1010a-1010h提供的延時時間。
行方向濾波器采用這樣的像素存儲元件，使得總的濾波器延時時間小于圖象一行的時間間隔(1H)。場方向濾波器單獨采用行存儲元件，時間方向濾波器單獨采用幀存儲元件。這樣，HVT3-D(三維)濾波器包括像素(＜1H)、行(1H)、幀(＞1H)存儲元件的組合;而VT濾波器只包括后兩種存儲元件。為了產生經過濾波的輸出信號，把來自元件1012a-1012i的已加權的抽頭(相互延時過的)信號在加法器1015中組合起來。
這種濾波器是非遞歸有限脈沖響應(FIR)濾波器。存儲元件所提供的延時特點取決于被濾波信號的類型，在本實例中取決于在亮度、色度、兩側視頻信息組“高頻”信號之間能夠容許交調失真的大小。增大級聯存儲元件的個數，可以增強濾波器截止特性的陡度。
圖1中HVT帶阻濾波器34呈現出圖10b結構，并從亮度信號YN中去除掉了向上運動的對角線頻率的分量。這些頻率的分量看上去類似于彩色副載頻分量，把這些頻率的分量去掉，以便在頻譜中形成一個槽，在該槽內把已調制的色度兩側視頻信息組的“高頻”信號和亮度兩側視頻信息組的“高頻”信號插入進去。從亮度信號YN中去掉向上運動的對角線頻率的分量并不會使所顯示的圖像產生看得出的劣化，因為已經測定，人眼對于這種頻率的分量實際上是不敏感的。濾波器34呈現出1.5MHz左右的截止頻率，以便不損傷場亮度的細節信息。
VT帶通濾波器32減小色度帶寬，使得已調制的色度兩側視頻信息組信息能夠插入到由濾波器34在亮度頻譜中所形成的槽內。濾波器32減小了色度信息的場分辨率和時間分辨率，以致使靜止的和運動的邊緣稍感模糊，但是由于人眼對于這種影響并不敏感，這種影響不會有或者僅有不重要的后果。
來自編碼器36的輸出信號C/SL包括要顯示的NTSC兼容信息，這種信息是從寬頻信號的中心視頻信息組得到的，它還包括來自寬屏幕信號中兩側視頻信息組、置于NTSC接收機觀眾看不到的行左、右側過掃描區域內的已壓縮的兩側視頻信息組的“低頻”(亮度和色度)信號。在掃描區域中已壓縮的兩側視頻信息組的“低頻”，代表寬屏幕顯示用的兩側視頻信息組信息中的一個構成部分。另一個構成部分(兩側視頻信息組的“高頻”)的產生在下面敘述。
在兩側視頻信息組的“高頻”信號處理通道中，處理器18產生LH(左側視頻信息組的亮度“高頻”)、RH(右側視頻信息組的亮度“高頻”)、IH(I的“高頻”)和QH(Q的“高頻”)等信號。圖4和圖5示出這些信號，圖6、圖7和圖8示出用來產生這些信號的裝置。
圖4中，來自寬屏幕信號YF的信號YH′，包括與左側視頻信息組第1至第84個像素有關的左側視頻信息組高頻信息，以及與右側視頻信息組第671至第754個像素有關的左側視頻信息組高頻信息。在本實例中，高頻信息包括從0.7Mz至5.0MHz的帶寬。為了產生左側視頻信息組的一個分量LH(圖4)，對于每一行，在YH′的第1至第84個像素之間，對左側視頻信息組“高頻”分量以一側擴張系數進行時間擴張(因而壓縮了它的帶寬)，并將其變換到由第85至第670個像素占據的中心視頻信息組位置上。
同時，為了產生兩側視頻信息組的另一個同時存在的分量RH(圖4)，對于每一行，在信號YH′的第671至第754個像素之間對右側視頻信息組“高頻”分量進行時間擴張，并將其變換到由第85至第670個像素占據的中心視頻信息組位置上。同時出現的RH和LH信號中的每一個信號，都呈現出由于兩側視頻信息組擴張系數(6.96)引起的壓縮過的帶寬，擴張系數等于擴張后兩側視頻信息組的寬度與原始視頻信息組寬度之比。
為了同時產生圖5所示兩側視頻信息組“高頻”信號分量X和Z，利用亮色多路復用器42，把信號LH、RH與信號IH、QH按時間復用。通過在色差信號IH的左、右側視頻信息組“高頻”之間插入左側“高頻”高度分量LH(第85至第670個像素)，來產生信號分量X。類似地，通過在色差信號QH的左、右側視頻信息組“高頻”之間插入右側“高頻”亮度分量RH(第85至第670個像素)，來同時產生信號分量Z。
含有兩側視頻信息組“高頻”信息的信號X和Z中的每一個信號，都呈現出0-700KHz的帶寬，并利用正交調制器43把它們調制到與行同步的另一個副載波信號(ASC)上。選擇另一個副載波信號(ASC)的頻率，以保證兩側和中心視頻信息組信息之間有足夠的隔離度(例如，20-30db)，并且，當利用標準NTSC接收機來顯示圖像時，沒有顯著的影響。在本實例中，信號ASC呈現的頻率為2.368MHz。
為另一個副載波信號ASC選定的頻率2.368MHz，是等于半行頻奇數倍的交錯頻率，即301· (fH)/2 。這一個副載波頻率產生細微的、實際上不可察覺的網狀線干擾圖形，這種干擾圖形與由非交錯的副載波頻率所產生的更嚴重的“運動的條形”干擾圖形相比，并不損傷所顯示圖像的質量。有利的是，副載波頻率2.368MHz有利地落在亮度場細節頻帶與已調制色度頻帶之間基本對稱的頻譜上，如圖11所示。結果是，正如從圖11可見的那樣，已調制的兩側視頻信息組“高頻”信息占據場細節與色度頻帶之間的±700KHz的帶寬。為了簡化這一說明起見，圖11并未示出實際整個亮度的頻譜，如所周知，該頻譜伸展到4.2MHz，并與色度頻譜相間置。
有利的是，正交調制允許同時傳送兩個窄帶信號。兩側視頻信息組“高頻”信號的擴張，使得其帶寬受到壓縮，這與正交調制要求窄頻帶相一致。帶寬壓縮得越厲害，在載波信號與調制信號之間形成干擾的可能就越小。還應該指出，上述對于亮度與色度兩側視頻信息組“高頻”信號進行按時間復用，以便在正交調制以前產生信號X和Z的技術，只需要一個副載波而不是兩個副載波，這是很有利的。而且，由于把兩側視頻信息組信息壓縮到過掃描區域中，所以大大減小了調制信號的功率，因而也大大減小了調制信號的潛在干擾。
為了減小正交調制信號產生干擾的可能性，在來自調制器43的信號由帶通濾波器46在場-時間(V-T)平面內沿對角線軸的方向進行帶通濾波以前，利用信號增益為0.25的衰減器44，把該信號加以衰減。當在標準NTSC接收機上進行觀看時，已經發現，衰減器44的作用是可以減小因不相關調制的兩側“高頻”信號所引起某些類型干擾的可見程度。
由網絡44實現的衰減，也可以通過調節濾波器46的加權系數來產生。為了產生寬屏幕NTSC兼容信號，把包括兩側視頻信息組“高頻”的、來自濾波器46的已濾波正交調制輸出信號，在組合器40中與信號C/SL組合起來。在加到射頻調制器和發射機網絡55，通過天線56進行廣播以前，利用數模變換器(DAC)，把NTSC信號變換成模擬形式。
如圖13所示，通過天線56來廣播的已編碼的NTSC兼容寬屏幕信號，是既能被NTSC接收機又能被寬屏幕接收機接收的。但是，在討論圖13以前，請參考更詳細地示出圖1編碼器系統中某些部分的圖6-9和圖12。
圖6示出包括在圖1處理器18中，用來從寬帶寬屏幕信號YF產生YE、YO、LH、RH信號的設備。為了產生加到減法組合器612一個輸入端上的低頻亮度信號YL，利用具有截止頻率700KHz的濾波器610對信號YF進行行低通濾波。把信號YF加到組合器612的另一個輸入端上，并且，在把信號YF通過裝置614進行延時以補償濾波器610所產生的信號處理延時以后，把它加到信號時間分離處理設備616上。把已延時信號YF與已濾波信號YL組合起來，在組合器612輸出端上產生高頻亮度信號YH。
把已延時的信號YF、信號YH和YL加到信號時間分離處理設備616中分開的輸入端上，616包括用來分別處理信號YF、YH、YL的信號時間分離處理裝置618、620和621。分離處理裝置616的細節將參考圖8加以討論。分離處理裝置618、620和621分別得出整個帶寬的中心視頻信息組信號YC、兩側視頻信息組“高頻”信號YH和兩側視頻信息組“低頻”信號YL，如圖3和圖4所示。
利用時間擴張器622對信號YC進行時間擴張來產生信號YE;同時，時間擴張器624和626擴張信號YH，從而分別產生信號LH和RH。利用能為左、右側行過掃描區域留出足夠位置的中心擴張系數，對信號YC進行時間擴張。中心擴張系數(1.19)是預計的信號YE(第15至第740個像素)的寬度對信號YC(第75至第680個像素)寬度之比，如圖3所示。為了產生信號LH利用一側擴張系數對信號YH′進行擴張。這一側擴張系數(6.97)是預計的信號LH(第85至第670個像素)寬度對信號YH(第1至第84個像素)的左側視頻信息組分量的寬度之比，如圖4所示。通過類似的過程對信號RH進行處理。
利用時間壓縮器628，以一側壓縮系數對信號YL進行壓縮，來產生信號YO。一側壓縮系數(0.166)是預計的信號YO寬度(例如，左側第1至第14個像素)對信號YL的相應部分寬度(例如，左側第1至第84個像素)之比，如圖3所示。時間擴張器622、624、626和時間壓縮器628可以是圖12所示的類型，正如下面將要討論的那樣。
信號IE、IH、IO和QE、QH、QO分別從信號IF和QF以類似于利用圖6設備來產生信號YE、YH′、YO時所采用的方式來產生。在這方面，請參考示出用來從信號IF產生信號IE、IH和IO的設備的圖7。信號QE、QH、QO以類似的方式從信號QF而產生。
在由裝置714延時以后，寬帶寬屏幕信號IF被耦合到分離處理設備716上，信號IF還與來自低通濾波器710的低頻信號IL在減法組合器712中進行減法組合，從而產生高頻信號IH′。利用與分離處理設備716有關的分離器718、720和721，分別把已延時信號IF、信號IH′和IL分離，從而產生信號IC、IH和IL′。利用擴張器722對信號IC進行時間擴張從而產生信號IE，利用壓縮器728對信號IL′進行時間壓縮從而產生信號IO。正如已討論過的那樣，以類似于對信號YC所采用的中心擴張系數，對信號IC進行擴張;也如所討論過的那樣，以類似于對信號YL′所采用的一側壓縮系數，對信號IL′進行壓縮。
應該指出，聯系到圖6和圖7的結構，例如在圖6中，在輸入信號加到分離器616以前而不是其后就對輸入信號進行濾波將有利于避免在輸出信號LH、RH和YO中不希望有的信號邊緣過渡過程。具體地說，分離器616產生具有陡峭的、被確定好的輸出過渡過程，如果對來自分離器616的輸出信號進行濾波，則這種過渡過程就會發生畸變(例如被抹平)。
圖8說明例如可以用作圖6中設備616和圖7中設備716的一種分離處理設備816。圖8的設備在圖6分離器616的范圍中加以說明。輸入信號YF包括確定圖像信息的754個像素。第1至第84個像素確定左側視頻信息組，第671至第754個像素確定右側視頻信息組，第75至第680個像素確定對左側和右側視頻信息組稍有重迭的中心視頻信息組。信號IF和QF呈現出類似的重迭。正如將要討論的那樣，已經發現這種視頻信息組的重迭簡化了在接收機中把中心和兩側視頻信息組組合(拼接)起來，從而基本上消除了邊界結構(boundaryartifacts)。
分離處理設備816包括分別與左側、中心和右側視頻信息組信息有關的第一、第二和第三分離器(DEMUX)裝置810、812和814。每一個分離器裝置具有一個輸入端“A”，信號YH、YF和YL分別加到“A”輸入端上;每一個分離器裝置還有一個輸入端“B”，消隱信號(BLK)就加到“B”輸入端上。消隱信號可以是例如邏輯O電平或地電平。只要裝置810的信號選擇輸入端(SEL)接受了來自計數比較器814的、表明左側視頻信息組第1至第84個像素和右側視頻信息組第671至第754個像素出現的第一控制信號，裝置810就從信號YH中提取包括左側和右側“高頻”的信號YH′。在其它時間，來自計數比較器817的第二控制信號使得“B”輸入端上的消隱信號而不是“A”輸入端的信號YH耦合到裝置810的輸出端上。裝置814和計數比較器820以類似的方式工作，以便從信號YL得出兩側視頻信息組的“低頻”信號YL′。僅當來自計數比較器818的控制信號表明中心視頻信息組的第75至第680個像素出現時，裝置812才把信號YF從其“A”輸入端耦合到其輸出端從而產生中心視頻信息組信號YC。
借助來自計數器822的脈沖輸出信號〔該脈沖輸出信號對應于4倍彩色副載頻(4fSC)的時鐘信號，并對應于得自視頻信號YF的行同步信號H〕，使計數比較器817、818和820同步于視頻信號YF。來自計數器822的每一個輸出脈沖對應于沿著行方向的一個像素位置。計數器822呈現出計數值為-100的起始偏置，這個計數值對應于從位于瞬間THS的負向行同步脈沖的起點開始到行消隱期間結束的100個像素，在行消隱期間結束的瞬間，第1個像素出現于行顯示期間的起點上。因此，在行顯示期間的起點上，計數器822呈現出計數值“1”。也可以利用其它的計數器結構。顯然，分離處理裝置816所采用的原理，也可以應用于用來執行信號組合操作的多路復用設備上，例如用于圖1中兩側和中心視頻信息組組合器28所執行的那種操作。
圖9示出適合于執行圖1編碼器36所用的NTSC編碼過程的、用來產生信號C/SL的設備。
圖9中信號IN和QN以4倍彩色副載頻(4fSC)而出現，并分別被加到鎖存器910和912的信號輸入端上。為了使信號IN和QN被送入鎖存器910和912，鎖存器910和912還接受4fSC的時鐘信號，此外，還接受2fSC的開關信號，該開關信號加到鎖存器910的倒相開關信號輸入端和鎖存器912的不倒相開關信號輸入端上。
把鎖存器910和912的信號輸出端組合成單輸出線，其上信號I和Q交替出現，并將其加到不倒相鎖存器914和倒相鎖存器916的信號輸入端上。這些鎖存器在4fSC時鐘控制下工作并分別在倒相輸入端和不倒相輸入端上接受彩色副載波頻率fSC的開關信號。
不倒相鎖存器914產生正極性I和Q信號的交替輸出序列，倒相鎖存器916產生負極性I和Q信號的交替輸出序列，即-I、-Q。把鎖存器914和916的輸出端組合成單輸出線，其上出現極性相反的成對I和Q信號的交替輸出序列，即I、Q、-I、-Q……等。在加法器918中，把這些信號與亮度信號YN組合起來，以產生形式為Y+I、Y+Q、Y-I、Y-Q、Y+I、Y+Q……等等的NTSC已編碼信號C/SL。
圖12說明可用于圖6和圖7中時間擴張器和時間壓縮器的光柵變換設備。在這方面，請參考說明變換過程的圖12a波形。圖12a示出其中間部分是在第84至第670個像素之間的輸入信號波形S，這個部分是想要借助于時間擴張過程而把它們變換到輸出波形Y的第1至第754個像素的位置上。波形S的端點第84和第670個像素直接被變換成波形Y的端點第1和第754個像素。由于時間擴張的緣故，中間的像素并不直接根據1∶1的關系來變換，在很多情況下并不根據整數關系來變換。在這里說明后一種情況，例如，輸入波形S的像素位置85.33對應于輸出波形Y的整數像素位置3。因此，信號S的像素位置85.33包括整數部分(85)和小數部分DX(.33)，波形Y的像素位置3包括整數部分(3)和小數部分(0)。
圖12中，工作于4fSC頻率的像素計數器提供輸出的寫地址信號M，M代表像素在輸出光柵上的位置(1……754)。信號M被加到可編程序只讀存儲器(PROM)1212上，1212包括一個查找表，查找表包括取決于要執行的光柵交換特點(例如，是壓縮還是擴張)的已編程值。根據信號M，PROM1212提供代表整數的輸出讀地址N，以及代表小數(等于或大于零，但小于1)的輸出信號DX。在信號DX為6位(26＝64)的情況下，信號DX呈現出小數部分0、 1/64 、 2/64 、 3/64 …… 63/64 。
可編程序只讀存儲器1212允許視頻輸入信號S作為信號N的已存儲值的函數進行擴張或壓縮。因此，根據像素位置信號M的整數值，提供了讀地址信號N的已編程值和小數部分信號DX的已編程值。例如，為了實現信號擴張，使PROM1212以低于信號M的速率來提供信號N。相反地，為了實現信號壓縮，使PROM1212以高于信號M的速率來提供信號N。
利用級聯連接的像素延時元件1214a、1214b和1214c把視頻輸入信號S延時，來產生視頻信號S(N+2)、S(N+1)、和S(N)，這些信號是視頻輸入信號相互延時的形式。如所周知，把這些信號加到各個雙端口存儲器1216a-1216d的視頻信號輸入端上。把信號M加到每一個存儲器1216a-1216d的寫地址輸入端上，把信號N加到每一個存儲器1216a-1216d的讀地址輸入端上。信號M確定把輸入視頻信號信息寫入存儲器的哪個地址內，信號N確定從存儲器讀出哪個值。存儲器可以對一個地址寫入，而同時從另一個地址讀出。來自存儲器1216a-1216d的輸出信號S(N-1)、S(N)、S(N+1)和S(N+2)，根據存儲器1216a-1216d是讀或寫操作而呈現出時間壓縮或時間擴張格式，這種讀/寫操作是可編程序只讀存儲器采取的編程方式的函數。
利用包括峰化濾波器1220和1222、可編程序只讀存儲器1225、兩點線性內插器1230(這些部件的細節示于圖12b和圖12c)的四點線性內插器，對來自存儲器1216a-1216d的信號S(N-1)、S(N)、S(N+1)和S(N+2)進行處理。如圖所示，峰化濾波器1220和1222從包括信號S(N-1)、S(N)、S(N+1)和S(N+2)的一組信號中接受3個信號，并接受峰化信號PX。如圖12d所示，峰化信號PX是信號DX值的函數，其值從0變化到1，可編程序只讀存儲器1225根據信號DX來提供PX。可編程只讀存儲器1225包括一個查找表，并編了程序以便根據給定的DX而產生給定的PX值。
峰化濾波器1220和1222分別向兩點線性內插器1230提供已峰化的、互相延時的視頻信號S′(N)和S′(N+1)，1230還接受信號DX。內插器1230提供(已壓縮或已擴張的)視頻輸出信號Y，輸出信號Y以下列表達式來定義Y＝S′(N)+DX〔S′(N+1)-S′(N)〕上述四點內插器和峰化函數有利地提供具有良好高頻細節分辨率的內插函數 (SinX)/(X) 的近似值。
圖12b示出峰化濾波器1220、1222、內插器1230的細節。圖12b中，把信號S(N-1)、S(N)、S(N+1)加到加權電路1240上;在1240中，這些信號分別以峰化系數- 1/4 、 1/2 、- 1/4 來加權。如圖12c所示，加權電路1240包括用來分別以峰化系數- 1/4 、 1/2 - 1/4 去乘信號S(N-1)、S(N)、S(N+1)的乘法器1241a-1241c。來自乘法器1241a-1241c的輸出信號在加法器1242中相加以產生峰化信號P(N)。在圖12b的乘法器1243中，信號P(N)被乘以信號PX，來產生峰化了的信號，把這個峰化了的信號與信號S(N)相加，來產生峰化了的信號S(N)。峰化濾波器1222呈現出類似的結構和操作。
在兩點內插器1230中，在減法器1232內，從S(N+1)中把信號S(N)減掉以產生差信號;在乘法器1234中，該差信號被乘以信號DX。在加法器1236中，來自乘法器1234的輸出信號與信號S(N)相加而來產生輸出信號Y。
下面參考圖13，利用天線1310把廣播兼容寬屏幕電視信號接收下來，把它加到NTSC接收機1312的天線輸入端上。接收機1312以常規方式處理兼容寬屏幕信號，來產生這樣的圖像顯示其寬高比為4∶3，寬屏幕兩側視頻信息組的信息部分地(即“低頻”)被壓縮到觀眾看不到的行過掃描區域中，把寬屏幕兩側視頻信息組的信息部分地(即“高頻”)包括在已調制的另一個副載波信號中，該信號并不干擾標準接收機的工作。
把利用天線1310接收下來的兼容寬屏幕信號還加到能夠顯示具有較大寬高比(例如，5∶3)視頻圖像的寬屏幕接收機1320上。利用輸入裝置1322對接收到的寬屏幕信號進行處理，1322包括射頻(RF)調諧器和放大器電路，以及產生基帶視頻信號的視頻解調器。利用其采樣頻率4倍于彩色副載頻(4fSC)的模數變換器(ADC)1324，把來自裝置1322的基帶視頻信號變換成數字(二進制)形式。
把來自模數變換器1324輸出端的寬帶數字基帶信號加到行-場-時(HVT)方向帶通濾波器1326上，以便用來提取兩側視頻信息組“高頻”信號(SH)。濾波器1326呈現出圖10c的結構并具有2.368MHz±700KHz的通帶。把兩側視頻信息組的高頻信號加到減法組合器1328的一個輸入端上;另一個輸入端則接受來自ADC1324而經過裝置1330延時過的信號，這個延時是為了補償與濾波器1326有關的信號處理的延時。
來自組合器1328的輸出端的NTSC格式信號C/SL，包括具有整個帶寬的中心視頻信息組信息和已壓縮的兩側視頻信息組的“低頻”。信號C/SL對應于圖1中來自編碼器36輸出端的信號C/SL。在圖13的其余討論中，把那些具有與圖1所示信號相配對的信號以相同的標志標出。
利用解碼器裝置把信號C/SL解碼成其構成分量YN、IN、QN，該解碼器裝置包括行-場-時間(HVT)方向的帶通濾波器1332，1332呈現出圖10C的結構并具有3.58±0.5MHz的通帶;減法組合器1334;以及響應于副載波信號(SC)的同步正交解調器1336。濾波器1332從信號C/SL中把色度分量分離出來。為了把加到組合器1334上各信號的過渡時間進行均衡而利用網絡1333把信號C/SL延時以后，在減法組合器1334中，從信號C/SL中減掉已分離出來的濾波器1332的色度輸出信號，以獲得亮度信號YN。為了產生色差信號分量IN和QN，利用解調器1336對來自濾波器1332已分離的色度信號進行正交解調。利用兩側和中心視頻信息組信號分離器(時間分離器)1340，把信號YN、IN、QN分離成壓縮過的兩側視頻信息組“低頻”YO、IO、QO，以及擴張過的中心視頻信息組信號YE、IE、QE。時間分離器1340可以采用前面討論過的圖8中時間分離器816的原理。
為了恢復在寬屏幕信號中兩側視頻信息組“低頻”(該“低頻”正如由恢復出來的兩側視頻信息組“低頻”信號YL、IL、QL所表示的)的原始空間關系，利用時間擴張器1342，以兩側擴張系數(對應于圖1編碼器中的兩側壓縮系數)，對信號YO、IO、QO進行時間擴張。類似地，為了給兩側視頻信息組讓出位置，利用時間壓縮器1344，以中心壓縮系數(對應于圖1編碼器中的中心擴張系數)，對信號YE、IE和QE進行時間壓縮，以便恢復在寬屏幕信號中中心視頻信息組信號(該信號正如由恢復出來的中心視頻信息組信號YC、IC、QC所表示的)的原始空間關系。壓縮器1344和擴張器1342可以是圖12所示的類型。在組合器1346中，把恢復出來的兩側“低頻”YL、IL、QL與恢復出來的兩側視頻信息組“高頻”YH、IH、QH組合起來，YH、IH、QH的恢復過程如下。
為了補償圖1編碼器中衰減器44所產生的衰減，利用增益為4的放大器1350把來自濾波器1326的兩側“高頻”信號SH放大。利用對另一個副載波信號ASC作出響應的解調器1352，對已放大的兩側“高頻”信號進行正交解調。把解調出來的兩側“高頻”信號X和Z加到如圖8所示類型的亮色分離器1354上，以產生兩側“高頻”亮度分量LH、RH和色差信號分量IH、QH。具體地說，把信號X分離，以產生信號LH和IH;把信號Z分離以產生信號RH和QH，如圖5所示。
利用時間壓縮器1356，以一側壓縮系數(對應于圖1編碼器中的一側擴張系數)，對左側和右側視頻信息組“高頻”信號進行時間壓縮。壓縮器1356是參考圖12討論過的類型，1356還把左側和右側已壓縮的“高頻”信號“變換”到每一掃描行中適當的位置上，由此產生在空間上已恢復的兩側視頻信息組“高頻”信號YH。
利用組合器1346，把在空間上已恢復的兩側視頻信息組“高頻”YH、IH、QI與在空間上已恢復的兩側視頻信息組“低頻”YL、IL、QL組合起來，以產生重新構成的兩側視頻信息組信號YS、IS、QS。利用拼接器1360，把上述各信號拼接到重新構成的中心視頻信息組信號YC、IC和QC上，以形成完全重新構成的寬屏幕亮度信號YF和完全重新構成的寬屏幕色差信號IF和QF。把兩側和中心視頻信息組信號分量拼接起來是以這樣的方式實現的這種方式實際上消除了在中心與兩側視頻信息組之間邊界上的可見接縫，正如從下面對于圖14所示拼接器1360的討論中可以看到的那樣。
寬屏幕信號YF、IF和QF在加到視頻信號處理器和矩陣放大器裝置1364上去以前，利用數模變換器1362將它們變換成模擬形式。裝置1364的視頻信號處理器部件包括信號放大、直流電平移動、峰化、亮度控制、對比度控制和其它具有傳統特點的視頻信號處理電路。矩陣放大器1364把亮度信號YF與色差信號IF、QF組合起來，以產生表示的彩色圖像的視頻信號R、G、B。利用裝置1364中的顯示驅動放大器，把這些彩色信號放大到適合于直接驅動寬屏幕彩色圖像顯示裝置1370(例如，寬屏幕顯像管)的電平。
圖14中，拼接器1360包括一個網絡1410，它用來從兩側視頻信息組亮度信號分量YS和中心視頻信息組亮度信號分量YC而產生整個帶寬的亮度信號YF;它還包括I信號拼接器1420和Q信號拼接器1430，1420和1430在結構和工作方面都類似于網絡1410。正如前面提到的那樣，使中心視頻信息組和兩側視頻信息組被有目的地重迭幾個像素，例如，10個像素。因此，在拼接以前，在信號編碼和傳送過程中，中心和兩側視頻信息組信號具有共享的幾個冗余像素。
在寬屏幕接收機中，從各自的信號中重新構成中心和兩側視頻信息組，但是由于對視頻信息組的信號執行了時間擴張、時間壓縮和濾波，以致在兩側與中心視頻信息組邊界上的幾個像素是有毛病的或產生畸變的。圖14中，利用與信號YS和YC有關的波形，來表明重迭區域(OL)和有毛病的像素(為了清楚起見，稍有夸大)。如果各視頻信息組沒有重迭區域，有毛病的像素就彼此連接起來并將能看到一條接縫。已經發現，為了補償3至5個有毛病的邊界像素，10個像素寬的重迭區域就足夠了。
冗余的像素有利地容許兩側和中心視頻信息組在重迭區域內混合起來。正如有關波形所示的那樣，在把信號YS加到信號組合器1415上去以前，在重迭區域內，乘法器1411把兩側視頻信息組信號YS乘以加權函數W。類似地，正如有關波形所示的那樣，在把信號YC加到組合器1415上去以前，在重迭區域內，乘法器1412把中心視頻信息組信號YC乘以加權函數的補數(1-W)。這些加權函數在重迭區域內呈現出線性斜坡形特性并且包括0與1之間的數值。在加權以后，利用組合器1415把兩側和中心的視頻信息組像素相加，使得每一個重新構成的像素是兩側與中心視頻信息組像素的線性組合。
加權函數在重迭區域中最靠內部的邊界附近最好應該近于1;在最外部邊界，應該近于0。這將保證有毛病的像素對重新構成視頻信息組邊界有較小的影響。所示線性斜坡型加權函數滿足這一要求。但是，加權函數并不一定要是線性的;也可以用在端部(即在加權點1和0附近)是曲線或園弧形的非線性加權函數。這種加權函數通過把所示類型的線性斜坡加權函數進行濾波，即可很容易地得到。
加權函數W和1-W能夠利用一種網絡很容易地產生出來，這種網絡包括響應于表示像素位置的輸入信號的查找表，和減法組合器。兩側和中心像素的重迭位置是已知的。查找表是這樣編程的響應于輸入信號，產生相應于加權函數W的從0到1的輸出值。輸入信號能夠以各種方式產生出來，例如，利用由每行同步脈沖同步的計數器。加權函數的補數1-W能夠通過從1中減掉加權函數W來產生。
本發明所公開的原理可應用于其它類型的標準廣播電視系統中，例如PAL。
權利要求
1.一種用于對視頻信號進行編碼的設備，它包括產生視頻信號的裝置(10、12、14、16)，這種視頻信號含有要在周期性水平行圖象間隔期間顯示的信息，這種間隔按水平行掃描頻率重復出現，上述視頻信號含有亮度分量，它包括占有第一頻帶的場圖象細節的信息；色度副載波分量，它被占有第二頻帶的彩色圖象信息所調制；以及表示要顯示的圖象的給定特性的信息；用于提供另一個副載波信號(ASC)的裝置，該副載波具有在上述第一和第二頻帶之間的間置頻率；以及用以上述的表示信息對上述另一個副載波信號進行調制的裝置(43)，調制后產生一個調制過的另一個副載波信號，其帶寬與上述的表示信息一致。
2.一種用于對具有大于標準視頻信號的寬高比的寬屏幕視頻信號進行編碼的設備，這種設備包括用來產生寬屏幕視頻信號的裝置(10、12、14、16)，這種寬屏幕視頻信號包括用于在以行掃描頻率重復的周期性行圖像時間間隔內顯示的左側視頻信息組、右側視頻信息組和中心視頻信息組的信號信息，所述視頻信號具有包括占據第一頻帶的垂直圖像細節信息的亮度分量，以占據第二頻帶的彩色圖像信息來進行調制的色度副載波分量，以及左側和右側視頻信息組信息;用來提供具有在上述第一和第二頻帶之間的間置頻率的另一個副載波信號(ASC)的裝置;以及，用來以上述左側和右側視頻信息組信息對上述另一個副載波信號進行調制，以產生具有按上述兩側視頻信息組信息的帶寬而被調制的另一個副載波的裝置(43)。
3.一種根據權利要求2的設備，其中所述左側和右側視頻信息組信息是高頻信息。
4.一種視頻信號處理設備，這種設備包括圖像顯示裝置;用來接收包括用于在周期性行圖像時間間隔內顯示信息的視頻信號的裝置，所述視頻信號具有包括占據第一頻帶的垂直圖像細節信息的亮度分量，以占據第二頻帶的彩色圖像信息來進行調制的色度副載波分量，以及具有在上述第一與第二頻帶之間間置頻率的、以表示所顯示圖像給定特性的信息來調制的另一個副載波信號，所述已調制的另一個副載波信號占據在上述第一與第二頻帶之間的一個頻帶;用來對已調制的另一個副載波信號進行解調，以產生已解調的表示信息信號的裝置;以及，把包括已解調的表示信息信號的亮度和色度分量耦合到圖像顯示裝置上的裝置。
5.一種根據權利要求4的設備，其中上述視頻信號是具有大于標準視頻信號寬高比的寬屏幕視頻信號，上述寬屏幕視頻信號包括用于顯示的左側視頻信息組、右側視頻信息組和中心視頻信息組的信號信息分量;以及，用于顯示的圖像的上述給定特性是上述左側和右側視頻信息組信號分量的高頻信息的內容。
6.一種根據權利要求1、2或4的設備，其中上述已調制的另一個副載波信號占據位于上述第一與第二頻帶之間的第三頻帶。
7.一種根據權利要求6的設備，其中第三頻帶位于基本上對稱于第一與第二頻帶之間的位置。
8.一種根據權利要求1、2或4的設備，其中上述另一個副載波信號的頻率是上述行頻一半的奇數倍。
9.一種根據權利要求8的設備，其中上述另一個副載波信號的上述頻率近似于2.368MHz。
全文摘要
一種用來對視頻信號進行編碼的設備包括用來產生具有用于在行圖像時間間隔內顯示信息的視頻信號的裝置。視頻信號具有包括占據第一頻帶的垂直圖像細節信息的亮度分量；占據第二頻帶的以彩色圖像信息來進行調制的色度副載波分量；以及表示所顯示圖像給定特性的信息。該設備包括有用來提供具有在第一與第二頻帶之間間置頻率的另一個副載波信號的裝置，還包括調制裝置，該調制裝置以表示信息去調制另一個副載波信號從而產生已調制的副載波信號，該信號的帶寬與表示信息相符。
文檔編號H04N11/20GK1031460SQ8810468
公開日1989年3月1日 申請日期1988年7月27日 優先權日1987年7月27日
發明者邁克爾·安東尼·伊斯那迪, 陳德拉·康特·拜拉爾科·帕特爾 申請人:通用電氣公司