CN1140950A - 适用于高分辨率电视系统的图像扫描格式转换器 - Google Patents

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Abstract

如高分辨率电视系统的视频信号处理系统的发射机/编码器中的随编码和经输出频道发射所需格式而变化的自适应扫描格式转换器(14)。接收机中接收到的扫描格式自动转换(36)成显示器所需格式。例如，接收到的隔行信号将被自动地转换成与逐行扫描显示设备(39)一致的逐行格式。接收到的逐行信号不经格式转换传送给显示设备。自动扫描转换无缝地进行，因此，例如，逐行主电视节目材料和隔行商业材料间产生不经人工操作的看不见的转换。

Description

适用于高分辨率电视系统的 图像扫描格式转换器
本发明涉及数字图像信号处理领域。具体地说，本发明涉及适用于诸如在美国建议使用的高分辨率电视系统的高分辨率图像信号处理的行扫描转换系统。
视频信号处理领域的最近发展已产生数字高分辨率电视(HDTV)信号处理和传输系统。最近提出的，如美国的Grand alliance HDTV系统的HDTV地球广播系统采用了传输成包数据流的残留边带(VSB)传输格式。Grand alliance HDTV系统是一个在美国由联邦通信委员会(FCC)通过其高级电视服务顾问委员会(ACATS)考虑的建议传输标准。如1994年2月22日提交ACATS技术分组的Grand Alliance HDTV系统的描述(草稿)见于国家广播电台协会的1994报告，即1994年3月20-24日的第48次广播工程会议报告。
Grand Alliance HDTV系统支持两种光栅行扫描格式的图像信号。一种格式是具有30Hz帧频的2∶1隔行扫描格式，另一种是具有60Hz帧频的1∶1非隔行扫描格式或逐行(行序的)扫描格式。隔行图像显示表现出如下特性：
2200像素×1125图像行数(总共)
1920像素×1080图像行数(有效的)
逐行图像显示表现出如下特性：
1600像素×787.5图像行数(总共)
1280像素×720图像行数(有效的)
传入电视接收机的源材料可能表现为任一格式。例如，来自一个信号源的广播电视节目可能是逐行格式，同时来自其它信号源的一种或多种商业或其它插入材料可能是隔行格式。
根据本发明的原理，这里一般公认最好是在发射机内提供自适应扫描格式转换器，该转换器随编码和通过输出频道发射所需要的格式而变化。类似地，在接收机处，一般公认最好是将接收到的扫描格式自动地转换为需要的格式，以便用相关的图像显示设备显示。在这种情况下，例如，如果必需，接收到的隔行信号会自动地转换成逐行信号，以与逐行扫描显示设备一致，而接收到的逐行信号不经格式转换即传给显示设备。
根据本发明的特点，自动扫描转换是无缝地进行的。因此，例如，逐行主节目材料和隔行商业材料或者反之之间的转换是无须人为操作地产生的，根本上不让观看者看见。
在图中：
图1是可以采用本发明的发射机和接收机电视系统的方框图。
图2示出根据本发明原理的扫描格式转换器系统的细节。
图3A和3B示出有助于理解图2所示的操作的信号波形。
图4更详细地示出图2系统的一部分。
在图1中，广播电视编码器/发射机的隔行视频信号“I”的信号源10和逐行视频信号“P”的信号源12向根据本发明的原理操作的自动扫描格式转换器14的各自的输入端提供输出视频信号。图2将更详细地示出并描述扫描转换器14。在本例中，电视系统是上述美国Grand Alliance建议的型号的HDTV系统。
视频信号源10和12是双方同步的(“同步锁相”)。在本例中，在同一个时刻这些信号源中只有一个是有效的，尽管在一些系统中两者都可能是有效的。当同一个时刻这些信号源中只有一个有效的时，转换器自动地选用与所述有效的视频信号有关的输入端口。如果有效的视频信号的扫描格式与待发射的视频信号的所希望的格式相同，那么，转换器14不修改输入视频信号的扫描格式。如果输入格式不同，转换器14自动地转换输入视频信号的格式，以便同所希望的输出信号格式一致。
如所知道的，扫描转换器14的输出信号在供给传输处理器18之前由移动图象专家组(MPEG)编码器16进行数据压缩。处理器18比如将编码器16的压缩数据整理成数据包，在数据包前加上识别各个包的的内容的头标信息，并加上同步和其它信息。为了通过发射频道25进行发射，发射处理器20对来自传输处理器18的数据包进行处理。处理器20包括用于调整经由频道25发射的视频信号的数据格式化，错误编码，缓冲，数模转换器和RF(射频)调制网络。
在接收机/解码器处，来自频道25的信号首先经单元30处理，单元30包括比如RF调谐与滤波网络，IF(中频)网络，解调和错误处理网络，以及模数转换器。来自单元30的输出信号经单元32处理，单元32进行与发射机处单元18相反的操作。具体地说，单元32评估标头信息以便识别各子数据包分量，并分离这些分量(比如视频，音频和同步信息)以便由各自的电路处理。正如所知，来自解码器32的各数据分量由MPEG解码器解压(decompress)。
MPEG解码器34包括隔行视频信号输出端口、所发射的1080行隔行视频信号会在此端口出现，以及逐行视频信号输出端口、所发射的720行逐行视频信号会在此出现。MPEG解码器34也包括从接收到的数据流中取出指示接收信号呈现隔行还是逐行形式的编码信息的装置。电视接收机包括可以是隔行扫描型或逐行扫描型的关联的显示装置。这些可能性借助隔行显示装置38和逐行显示装置39来说明。实际的接收机有一个这样的显示装置，而非两者都有。
接收机显示装置从格式转换器36接收要显示的信号(经过适当的信号调整和显示驱动电路处理之后，图中未示出这些电路以简化绘图)。格式转换器36用指示关联的显示类型即隔行或逐行的信息编程(例如，由接收机生产厂或通过本机产生的控制信号)，因为在本例中，假设关联的显示装置只能以一种扫描格式显示视频信息。因此，格式转换器36被安排成自动地提供与显示装置一致的格式的输出信号，不管两种视频信号格式中的哪种被接收和解码。如果显示器是如单元38的隔行装置，那么转换器36将来自单元34的接收到的隔行视频信号旁通至转换器36的输出端，不改变其扫描格式。如果接收到的视频信号是逐行的，那么转换器36将通过判定MPEG解码器34的逐行输出端是有效的来自动地判定视视信号是逐行的，将这种信号转换成隔行形式，并将这种信号供给它的隔行信号输出端。所以，总是隔行视频信号供给隔行显示，不管发射的视频信号的扫描格式。类似的观察结果与具有如装置39的关联的逐行显示器的接收机相对应。
图2示出如图1单元14和36的扫描格式转换器的另外细节。为了下面讨论的目的，假设图2的转换器相当于图1的接收机的单元36。输入网络42和输入网络44分别接收来自MPEG解码器34的数字隔行(I)输出信号和数字逐行(P)输出信号。每个输入网络包括分离视频分量和同步分量的电路。同步分量包括水平同步分量(H)，垂直同步分量(V)，帧基准脉冲(FRP)和像素时钟CLK。像素时钟的频率由像素总数，总行数和每秒信息组数的乘积导出。帧基准脉冲FRP是由MPEG解码器34产生的基准信号。它出现在垂直空白间隔的规定部分，并提供基准点。随后的电路自此计时至隔行信息组或逐行帧的第一个像素。
转换器36也包括用于接收模拟的R、G、B(或Y，U，V)彩色视频分量和关联的水平及垂直同步分量H，V的模拟输入端。这些分量比如可以是由盒式录像机(VCR)或摄像机产生，并由模数转换器48转换成数字式。来自单元42，44和48的视频输出信号供给输入复用器(MUX)46的各个信号输入端。
同步和模式控制单元70响应用于隔行和逐行源信号两者的数字同步分量H和V，帧基准脉冲FRP和时钟CLK，也响应经转换器48转换成数字式之后的模拟信号源的H和V同步分量(H，V RGB)。网络70的控制输入端接收决定格式转换器的操作特性的输出格式控制信号，所述输出格式控制信号是随输出视频信号是需要隔行还是逐行格式而变的。这个信号可以由本机开关设置产生，并且决定输出视频信号是隔行的还是逐行的。这个决定可能由发射机处的广播操作作员作出，或由接收机生产厂作出。网络70产生的输出信号包括隔行信号的帧基准脉冲FRP(I)，逐行信号的帧基准脉冲FRP(P)，图像元素(像素)时钟fs，半速像素时钟1/2fs，以及控制信号。所述控制信号供给输出复用器60，以传递任一隔行或逐行视频信号至输出端，这点将会讨论。网络70可以包括借助FRP信号进行帧和场锁定的相锁环(PLL)网络。
隔行视频信号的像素时钟fs是74.25MHz信号(2200像素×1125总行数×30Hz场频)。逐行视频信号的像素时钟fs是75.6MHz信号(1600像素×787.5总行数×60Hz帧频)。这些像素时钟频率以一个方便的比率55/56(例如，75.6×55/56＝74.25)相关联，所以是可容易地再生的。视频信号以全像素频率fs经A/D单元48和输入MUX 46输入转换器系统，经D/A单元62从转换器系统输出。格式转换器内的子系统操作响应1/2fs时钟。
逐行至隔行的格式转换(720线至540线)借助P-I转换路径完成，P-I转换路径包括输入MUX46，进行4∶3抽选的水平和垂直前置滤波器54，输出MUX 60和数模转换器62。隔行至逐行的格式转换借助P-I转换路径完成，I-P转换路径包括MUX 46，行加倍解隔行器(de-interlacer)50，进行3∶2抽选的水平和垂直后置滤波器网络52，输出MUX 60和转换器62。进行插入和抽选的技术是众所周知的。在旁通模式下，输入信号的扫描格式在输出端没有改变，视频信号经过旁通路径传递，旁通路径包括输入MUX 46，输出MUX 60和数模转换器62。
在输出处，借助转换器62分别把帧基准脉冲FRP和视频信息转换为模拟同步分量H，V和模拟彩色视频分量R，G和B。这些分量随即传递给正如所知的同步和视频信号处理电路与显示动器电路。输出端口64仅用于发射机/编码器格式编码器，如图1的单元14，以传递数字信息给MPEG编码器16。D/A转换器62包括可编程逻辑网络(如所周知的)，它具有产生输出H和V同步分量的计数器。为此目的，把FRP供给计数器的复位输入端，可编程逻辑网络响应时钟fs和输出格式选择信号(由控制信号分出)而操作，以便在转换成模拟形式之后产生H和V输出同步分量。
在通过I-P转换路径由隔行至逐行的视频转换情况下，输入MUX 46以像素时钟频率接收比如来自单元42或48的数字视频信号。于是MUX 46产生输入数据的一半速率的输出信号。更具体地说，以时间顺序A，B，C，D到达的像素数据转换成两个像素平行的数据流，如先A，B，再C，D，依此类推。这数据流供给解隔行器(de-interlacing)单元50的输入端，解隔行(de-interlacing)单元50也从单元46接收FRP同步分量。如所周知，解隔行(de-interlacing)单元50通过存储奇数场各行1，3，5…和偶数场各行2，4，6来起作用。通过在每个场内生成另外的行来产生视频帧，因此，单元50的输出信号代表由线1，2，3，4，5，6…等等构成的逐行视频帧。如所周知，这种解隔行(de-intertacing)操作可以简单得如同重复各行，或者复杂得如同估测每个R，G，B彩色信号分量的每个场的移动以及利用导出的运动矢量去调节各个方向上的系数，以产生辅加像素。在后一种情况下，单元50从三个RGB彩色分量中发现最大的运动矢量。这个矢量由插入网络用以产生派生行的新像素值。所以单元50产生等于输入信号的两倍行数的输出信号，即，由每场的540行导出的1080行。
水平和垂直的后置过滤器52使来自单元50的输出视频信号在水平方向上经过3∶2抽选，以从1920个输入像素中产生1280个输出像素。在垂直方向上，过滤器52按3∶2抽选来自单元50的输出信号，以从1080条输入行中产生720条输出行。这个逐行信号路经MUX60和DAC 62至随后的信号处理和显示电路。
在经由P-I转换路径的由逐行向隔行转换的情况中，来自MUX46的输出信号和FRP分量被加到水平和垂直前置滤波器54。滤波器54使视频信号在水平方向上经过2∶3的内插，以从1280个输入像素中产生1920个输出像素。在垂直方向上，滤波器54使视频信号经过2∶3的内插，以从720条输入行中产生1080条输出行。来自单元54的隔行输出信号路径MUX 60和DAC 62至随后的信号处理和显示电路。在P-I和I-P两种路径处理情况下，于单元52和54的输出端计量的FRP保持一定。
格式转换网格不管输入信号格式，不停地输出选定格式的视频信号。输出MUX 60在旁通路径中包括一个帧记忆(延迟)网络，用以补偿随同P-I转换路径和I-P转换路径的信号处理延迟。这个帧延迟也简化了不同格式的视频信号间的无缝切换。切换发生在帧边界。帧延迟允许输入视频信号在两种格式间随机切换，并仍然以连续流提供需要格式的输出信号，而不丢失任何帧。如果格式转换器被安排成提供逐行扫描输出，输入信号格式可以在逐行和隔行格式间变化，而不在格式转换器的输出信号中损坏信号数据流或丢失视频信号。这个特点比如说允许商业电视是逐行扫描格式的，同时电视主要节目材料是隔行扫描格式的。两种类型的视频信息在以格式转换器的无缝切换特点合并为一种类似的扫描格式时，可作为视频信息的一个连续流被实时地发射和接收。这个特点将结合图3和4示出并讨论。
考虑当输出视频信号格式被选为隔行的，而输入信号起初呈现逐行格式的情况。这样格式转换器起初操作以将输入逐行格式转换为需要的输出隔行格式。图2的前置滤波器54呈现出略长于一个帧时间的处理延迟，以由逐行转换成隔行格式。这个延迟的量并不关键，但应为一种已知的、固定的延迟。假设当被转换的隔行信号正向输出MUX60传递时，输入信号的格式由逐行的变为隔行的(这是需要的输出格式)。这个变化由模式控制网络70探测到。这可通过探测诸如图2中的解码器34的前级电路的模式控制信号来完成，或者通过探测模拟信号端口(如图2中的格式转换器14的情形)的活动来完成。由网络70提供给输出MUX 60的控制信号指示该格式变化已发生，导致输出M UX60开始储存新的隔行输入视频信号，新的隔行输入视频信号经过旁通路径由输入MUX46的输出端直接传递给输出MUX60。MUX60将该隔行信号储存在帧缓冲存储器中。帧缓冲延迟允许输出MUX 60指导来自滤波器54的处理过的逐行视频信号作为一个整体到输出DAC单元62供显示，继之以来自帧缓冲器的旁通隔行视频信号。
对于提供隔行视频输出信号的情况，以图3A的波形说明上述无缝切换过程。波形A说明帧基准脉冲FRP在有效视频行扫描间隔之前的垂直消隐时间期间的位置。本例中每个FRP间的间隔为一个图像帧。在波形(B)中，Pin-0和Pin-1代表输入逐行视频帧。这些帧在前置滤波器54(图2)的输出端延迟出现如波形(C)数据Hvpre-0和hvpre-1。转换为隔行格式之后，这些帧分别作为波形(E)所示的输出隔行视频inut-0和inut-1出现。本例中，输出视频信息iout-0对应输入帧Pin-0。输出视频信息iout-1对应输入逐行视频Pin-1，并且是输入信号变为隔行格式之前出现的最后逐行至隔行转换帧。在图3A(1)中，输出MUX 60使经过HVPRE过滤的数据延迟几行，这点将结合图4解释。在图3A(2)中，输出MUX以2帧延迟旁通路径的视频信息，这点也将结合图4讨论。
输入视频信号在时刻T0变为隔行格式。这些新的隔行帧在波形D中标以iin-0和iin-1。如上所述，隔行视频经受与输出MUX 60有关的两个帧的延迟，分别产生波形E所示的iout-2。于是，旁通隔行视频于时刻T1及之后出现在输出端。在波形(E)所示隔行视频输出中，于时刻T1之后在帧边界出现的隔行数据iout-2是来自新隔行输入视频信号的第一个输出数据。从时刻T1起，即从下一个图像帧的第一行，视频行不间断地无缝继续。在需要的隔行输出信号(波形E)中，隔行格式当视频输入由逐行变为隔行格式时从数据iout-0到数据iout-2等无缝地产生。由逐行格式(波形B)到隔行格式(波形D)的切换不产生可见的假象，不被观看者注意。格式转移产生在FRP出现之后的一个预定的固定时间量(延迟)，以简化无缝转移，并避免显示图像的不连续性。
图3B示出提供逐行视频输出信号格式情况下的无缝切换过程。这是以类似于对关于图3A的隔行输出信号格式的讨论的方式来进行的。在图3B的情况下，包含了与图2中解隔行器(de-interlacer)50的输出相关的波形C，以及与图2系统中I-P路径内的HV后置滤波器52的输出相关的波形D。图3B中的波形D类似于图3A中的波形C。
如同图3A的情况，图3B中的(1)表示几行的延迟，以及(2)表示来自旁通路径的逐行视频被输出MUX 60延迟两个帧。类似地，转换后的逐行数据出现在间隔T0-T1，同时新的逐行数据在时刻T1开始。
图4示出MUX 60的细节。复用器80从第一个FIFO缓冲器82接收隔行视频输入信号，从第二个FIFO缓冲器86接收逐行视频输入信号，以及从帧缓冲器84接收或者隔行或者逐行视频信号。隔行视频信号由前置滤波器54(图2)在P-I转换路径上供给缓冲器82，输入视频信号由输入MUX 46(图2)直接供给帧缓冲器84，逐行视频输入信号由后置滤波器52(图2)在I-P转换路径上供给缓冲器86。缓冲器82和86的小大并不关键，比如若干视频行。缓冲器82和86用来补偿与三种不同输入信号源相联系的不同信号延迟。
帧缓冲器84从图2的输入MUX60直接接收数据。缓冲器84在本例中呈现两个帧延迟。然而，一个帧延迟根据其它系统的要求可能被运用。MUX 80的输出信号经过寄存器90传递给D/A转换器62(图2)。
实际上，图2的输出MUX 60接收三个帧基准脉冲(FRP)，由滤波器52和54各一个，另一个来自输入MUX 46。这些脉冲可能彼此偏移几行图像行。三个源的时钟数据计时也可能偏差。所以在进行与图4的MUX 80相关的无缝切换操作之前，利用FIFO缓冲器“清除”任何延迟和计时偏差。为此目的，缓冲器82和84呈现几行图像行的小的延迟，以便放入帧边界附近的处理过的数据中便于无缝切换。
缓冲器82，84和86的读写计时和FRP脉冲基准有利于MUX 80的无缝格式切换。例如，当扫描转换器为逐行至隔行转换模式时，缓冲器82的数据写时钟(FIFO 1 WRCLK)与前面的滤波器54的1/2fs时钟对准。帧缓冲器84的写时钟(FB WR CLK)与输入MUX 46的1/2fs时钟对准。缓冲器82和84的数据读时钟是一样的(RD CLK)。来自输出MUX的FRP脉冲以来自输入MUX的FPR为基准。缓冲器82和帧缓冲器84的输出数据以同一个时钟边缘为基准。当转换器为隔行至逐行转换模式时，类似的观察结果适用于缓冲器84和86。
包括状态机(如可编程处理器)和逻辑网络的单元95产生读时钟(RD CLK)及缓冲器82，86和84的写时钟(分别为FIFO 1 WR CLK，FIFO 2 WR CLK和FBWR CLK)，以响应隔行和逐行帧基准脉冲I，pFPR，隔行和逐行像素时钟I，P 1/2fs和来自图2控制网络70的控制信号。单元95还输出加到MUX 80的控制输入端的MUXSEL信号。为响应这个信号，MUX 80选择或者(a)缓冲器82的输出或帧缓冲器84的输出，或者(b)缓冲器86的输出或帧缓冲器84的输出，作为它的输入信号。MUX 80从(a)的两种选择和(b)的两种选择中作出选择来响应状态机95的MUXSEL控制信号，该信号又是响应图2的网络70的控制信号而产生的。这些控制信号指示产生转换P-I或I-P中的哪一种，或者不进行转换的旁通I-I或P-P。来自单元95的输出信号FRP加到图2的D/A转换器62。
在输入数字信号的情况下，隔行和逐行帧基准脉冲FRP(I)和FRP(P)由前面的电路提供，例如，发射机情况下图1的解码器34。在模拟输入信号R，G，B和H，V情况下，图2的网络70可能例如包括相锁环(PLL)，该锁相环响应输入模拟H同步分量而产生相关的输入和输出时钟。所述输出时钟可以加到计数器，该计数器的复位输入端接收V同步分量。该计数器输出H和V同步信号，以及在由图2系统元件确定的适合的预定时间输出FRP(I)和FRP(P)信号。
虽然本发明从高分辨率电视系统的角度来描述，但是本发明的原理适用于诸如标准分辨率电视系统的其它视频信号处理系统。

Claims (4)

1.在用于根据呈现第一种图像行扫描格式(I)或者另一不同的第二种图像行扫描格式(P)来处理视频信号的系统中，信号处理装置包括：
用于接收待输送到输出通道的第一信号的输入端，所述第一信号呈现所述第一种格式，
用于接收具有所述第二种格式的待输送到所述输出通道的第二个信号的输入端，
用于把输出信号提供给所述输出通道的输出处理器，所述输出信号呈现与所述输出通道的要求一致的所述第一种和第二种格式中的预定的一种格式，以及
自动扫描格式转换器，它响应所述第一和第二信号而自动地把具有所述预定的相配的格式的第一信号和第二信号中有效的信号提供给所述输出处理器，所述转换器(a)如果所述有效的信号未呈现所述预定格式，则自动地将有效的信号的格式转换成所述预定的格式，以及(b)如果所述有效的信号呈现所述预定的格式，则将所述有效的信号输送给所述输出处理器，不经格式转换，其特征在于所述转换器包括：
介于输入网络和输出网络之间用于将逐行格式信号转换成隔行格式信号的第一转换路径
介于所述输入网络和所述输出网络之间用于将隔行格式信号转换成逐行格式信号的第二转换路径，以及
用于在所述输入和输出网络之间输送未经转换的信号的旁通路径。
2.根权利要求1的系统，其特征在于：
所述第一转换路径包括抽选网络，
所述第二转换路径包括解隔行(de-interlacing)网络和所述解隔行(de-interlacing)网络后面的抽选网络，
所述输入网络包括输入复用器，以及
所述输出网络包括用于接收来自所述第一和第二转换路径以及来自所述旁通路径的输出信号的输出复用器。
3.根据权利要求2的系统，其特征在于：
由所述输入复用器接收的所述信号取自数字信号，以及
所述输入复用器另外接收一个取自模拟信号(R，G，B，H，V)的输入信号。
4.在用于根据，呈现第一种图像行扫描格式(I)或另一不同的第二种图像行扫描格式(P)来处理图像信号的系统中，信号处理装置包括：
用于接收待输送到输出通道的第一信号的输入端，所述第一信号呈现所述第一种格式，
用于接收具有所述第二种格式的待输送到所述输出通道的第二个信号的输入端，
用于把输出信号提供给所述输出通道的输出处理器，所述输出信号呈现与所述输出通道的要求一致的所述第一种和第二种格式中的预定的一种格式以及
自动扫描格式转换器，它响应所述第一和第二信号而自动地把具有所述预定的相配的格式的第一和第二信号中有效的信号提供给所述输出处理器，其特征在于：
所述系统是发射系统，该发射系统进一步包括耦合于所述格式转换器和所述输出处理器之间的编码器和传输处理器。
CN96105682A 1995-05-19 1996-05-17 适用于高分辨率电视系统的图像扫描格式转换器 Expired - Lifetime CN1100440C (zh)

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US (1) US5530484A (zh)
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