Способ кодирования видеосигнала для сужения его полосы частот

 

Изобретение относится к телевизионной технике, в частности к передаче видеосигналов по узкополосным каналам, и касается кодирования широкополосных сигналов с для сужения их полосы частот при потерях информации, не искажающих ее общего восприятия. Задачей изобретения является получение способа кодирования видеосигнала такого, чтобы максимальную частоту видеосигнала можно было снизить на два порядка без пропускания кадров изображения и работы не по принципу межкадровой разности, с отказом от предикативных методов и памяти для хранения избыточного количества векторов. Техническим результатом изобретения является снижение верхней частоты закодированного сигнала и сужение его полосы частот. Указанный технический результат достигается тем, что в способе кодирования видеосигнала для сужения его полосы частот при котором видеосигнал преобразуют, путем разложения входной последовательности изображений в последовательности блочного формата, генерируют сжатый сигнал информации, квантуют большим числом векторных квантователей, индивидуально и селективно работающих по сигналу сжатой информации, причем каждый векторный квантователь имеет свой диапазон частот и память для выходных векторов, вектора суммируют в один пакет, производят автоматическую регулировку усиления и подают в канал для передачи, применяют в качестве векторов синусоидальные функции, отличающиеся по частотному признаку, а суммирование векторов в один пакет производят с добавлением сигналов синхронизации. 3 ил.

Изобретение относится к телевизионной технике, в частности к передаче видеосигналов по узкополосным каналам, и касается кодирования широкополосных сигналов с целью сужения их полосы частот при потерях информации не искажающих ее общего восприятия.

Известен способ сужения полосы частот, основанный на вариации числа строк изображения и частоты разверток, т.е. изменяют число блоков информации, приходящихся на один кадр, добавляют сигналы синхронизации по кадрам и строкам и передают. К примеру по французским и бельгийским стандартам число строк изображения S= 819 строк, верхняя граница полосы частот до 10 МГц (нижняя граница 25 Гц). По стандарту США и Японии при S=525 строк верхняя граница снижается до 4 МГц (нижняя граница 30 Гц), для английского стандарта, характеризуемого S=405 строк, до 3 МГц (нижняя граница 25 Гц). По отечественному стандарту S=625 строк верхняя граница полосы 6,5 МГц, нижняя граница 25 Гц. (Бугров В.А. Физика магнитной звукозаписи. М.: Искусство, 1973, с. 257).

Недостатком данного способа является необходимость снижать четкость изображения, характеризуемую числом строк на один кадр, для снижения верхней частоты сигнала.

Известен способ преобразования видеосигналов, после которых получается набор коэффициентов, некоторыми из которых можно пренебречь без заметной глазом потери информации (Патент США N 4179709, кл. H 04 M 7/12, 1980). В этом способе применяют разбиение изображения в последовательности блочного формата - поля и субполя. Генерируют сжатый сигнал путем формирования для субполей системы коэффициентов, которые можно рассматривать как вектора, первый из которых показывает среднюю яркость любого данного субполя, а выбранное число остальных коэффициентов показывает пространственное содержание данного субполя. Далее коэффициенты кодируют с применением ортогональных функций Уолша. Первый и остальные коэффициенты преобразуют, причем первый коэффициент преобразуют для каждого субполя относительно каждого используемого поля, а остальные коэффициенты преобразуют реже чем первый. Суммируют параллельные закодированные сигналы в один сигнал с добавлением импульсов синхронизации, подают в канал для передачи.

Недостатком данного способа является то, что разбиение изображения на поля и субполя усложняет схему кодирования, т.к. необходимо применение двумерных сканирующих и преобразующих устройств, а значит сужение полосы частот сигнала вызывает усложнение схемы, т.к. переход от одномерных преобразований к n-мерным требует увеличения сложности схемы в геометрической прогрессии, где n - показатель степени (Хармут Х. Теория секвентного анализа основы и применения. М.: Мир, 1980, с. 257-263). Данный способ не обеспечивает снижение верхней частоты закодированного сигнала по сравнению с исходным на два и более порядков, так как значения векторов могут значительно колебаться при переходе от одного субполя к другому.

Наиболее близким к изобретению является способ сжатия информации с использованием ортогонального преобразования и квантования вектора [1], где входную последовательность изобретения преобразуют путем разложения в последовательность блочного формата, генерируют сжатый сигнал информации, отображающий количество движущихся блоков последовательности блочного формата, квантуют большим числом векторных квантователей, индивидуально и селективно работающих по сигналу сжатой информации. Каждый векторный квантователь имеет свой диапазон частот и память для выходных векторов. Выходные вектора представляют собой обратное ортогональное преобразование кодовой таблицы оптимально квантованных векторов в соответствующих диапазонах частот. Оптимально квантованные вектора являются ортогональным преобразованием межкадровой разности последовательности изображений. Выходные векторы считывают из памяти в функции от поданной на память последовательности изображений межкадровой разности. Каждый векторный квантователь содержит устройство, с помощью которого выбирают из памяти вектор, наиболее близкий к величине последовательности изображений межкадровой разности. Из сигналов, получаемых с выходов векторных квантователей, формируют последовательность изображений с предсказанием. Разность между последовательностью блочного формата и последовательностью с предсказанием определяют вычитателем, выходной сигнал которого подают на квантователи, к которым подключают устройство кодирования индексного сигнала.

Недостатком данного способа является то, что квантование производится по межкадровой разности диапазона изменений, которой не ограничен. В большинстве приложений, где нет четкого контраста между соседними кадрами, данным недостатком можно пренебречь, т.к. человеческий глаз обладает инерционностью и сглаживает резкие скачки межкадровой разности, но в системах передачи телетекста, где межкадровая разность может постоянно колебаться в широких пределах, данная инерционность приведет к "размыванию" или искажению изображения. Данный способ не позволяет снизить верхнюю частоту закодированного видеосигнала на два и более порядков в силу широкого спектра межкадровой разности.

Задачей изобретения является получение способа кодирования видеосигнала такого, чтобы максимальную частоту видеосигнала можно было снизить на два порядка без пропускания кадров изображения и работы не по принципу межкадровой разности с отказом от предикативных методов и памяти для хранения избыточного количества векторов.

Техническим результатом изобретения является снижение верхней частоты закодированного сигнала и сужение его полосы частот.

Поставленный технический результат достигается тем, что в способе кодирования видеосигнала для сужения его полосы, при котором видеосигнал преобразуют, путем разложения входной последовательности изображений в последовательности блочного формата, генерируют сжатый сигнал информации, квантуют большим числом векторных квантователей, индивидуально и селективно работающих по сигналу сжатой информации, причем каждый векторный квантователь имеет свой диапазон частот и память для выходных векторов, вектора суммируют в один пакет, производят автоматическую регулировку усиления и подают в канал для передачи.

Для достижения технического результата в качестве векторов используют синусоидальные функции, отличающиеся по частотному признаку, выходные вектора суммируют в один пакет с добавлением сигналов синхронизации.

Отличием предлагаемого способа является использование в качестве векторов синхронизированных синусоидальных функций. Это позволило исключить последовательный характер передачи векторов преобразования, когда каждый вектор передается только после того, как передан предыдущий. В данном способе за счет представления векторов синусоидальными функциями стало возможным передавать все вектора одновременно, предварительно засинхронизировав их. В данном способе не применяется кодирование по межкадровой разности. Это означает, что не применяется память для хранения избыточного количества векторов, отпадает необходимость применения предикативных методов и схемы вычисления разности между последовательностью блочного формата и последовательностью с предсказанием. Использование синусоидальных функций позволяет отказаться от сигналов импульсного вида, а, как известно, спектр импульсного сигнала зависит от его длительности и может быть сколь угодно широк. Этим достигается сужение полосы частот закодированного сигнала. Использование синусоидальных функций позволяет после суммирования их получить закодированный видеосигнал как композицию функций где A_синхр - амплитуда сигнала синхронизации; W_синхр - частота синхронизации; t - время; i - номер вектора; m - максимальное число компонент; a(i) - амплитуда i-го вектора; W₀ - нулевая частота пакета;
dW - расстояние между соседними частотами пакета.

Данная формула показывает математическое описание закодированного сигнала. Из нее следует, что, выбирая соответствующие частоту синхронизации, число векторов, ширину защитного интервала W₀-W_синхр, расстояние между соседними векторами пакета, мы можем разместить закодированный сигнал в полосе частот, которая удовлетворяет следующим требованиям:
- dW должно быть таким, чтобы можно было различить две соседние частоты при декодировании;
- разнос W_синхр и W₀, называемый защитным интервалом, должен обеспечивать разделение сигналов синхронизации и информации.

Минимальная частота в спектре определяется частотой следования блоков последовательности изображений, т.к. кодирование производят поблочно.

Максимальная частота в спектре сигнала при данном способе определяется частотой m-го вектора. Применительно к видеосигналу m определяет число ортогональных компонент преобразования и, следовательно, четкость изображения по горизонтали. Применяют в качестве частоты синхронизации частоту строк W_стр и защитный интервал W₀-W_стр=W_защ для разделения сигналов синхронизации и информации, а также для уменьшения влияния перехода от блока к блоку, где амплитуды компонент могут измениться скачком. Выберем dW таким, чтобы в данной области частот было возможно различить две частоты на данном расстоянии. Следовательно, максимальная частота пакета будет
W_max = W_стр + dW·m + W_защ
или
W_max = W₀ + dW·m.

Максимальную частоту исходного сигнала можно приближенно определить по требуемому разрешению по горизонтали, которое определяется m.

W_вс = W_стр·m / 2
или
W_вс = 2 · W_стр·S / 3
для стандартного разрешения. Оценку снижения верхней частоты закодированного сигнала проведем по неравенству
(W_стр·m / 2) > W_стр + dW·m + W_защ).

Так как dW выбирается значительно меньше (на порядок) W_стр, то с ростом m левая часть неравенства растет быстрее, чем правая. Следовательно, при применении данного способа получаем снижение верхней частоты сигнала, причем с ростом m степень снижения возрастает.

Проведенный анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах изобретения, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, изобретение соответствует требованию "Новизна" по действующему законодательству. Для проверки соответствия изобретения требованию изобретательского уровня заявитель провел дополнительный поиск известных решений для выявления признаков, совпадающих с отличительными признаками изобретения, результаты которого показывают, что изобретение для специалиста не следует явным образом из известного уровня техники.

Следовательно, изобретение соответствует требованию "Изобретательский уровень" по действующему законодательству.

На фиг. 1 изображена схема устройства кодирования; на фиг. 2 - схема блока ортогонального преобразования; на фиг. 3 - схема устройства декодирования.

Устройство кодирования включает в себя сканирующий блок 1, блок ортогонального преобразования 2, буфер выборки-хранения векторов преобразования 3, блок перемножения выходных векторов на синусоидальные функции единичной амплитуды 4, сумматор сигналов векторов и синхронизации 5, блок автоматической регулировки усиления 6, стробируемый генератор системы ортогональных функций 7, формирователь стробирующих импульсов выборки-хранения 8, стробируемый генератор системы синусоидальных функций 9, блок синхронизации с эталонным генератором 10.

Блок ортогонального преобразования 2 содержит блок перемножителей сигнала изображения на систему ортогональных функций 11, блок интеграторов 12, блок делителей 13.

Устройство декодирования состоит из вычитателя частоты синхронизации из общего сигнала 14, блока автоматической регулировки усиления 15, регистра выборки-хранения 16, блока анализа спектра по заданному числу отсчетов 17, устройства выборки-хранения 18, блока перемножения амплитуд на ортогональную систему функций единичной амплитуды 19, сумматора ортогональных функций и сигналов синхронизации 20, фильтра частоты синхронизации из общего сигнала 21, эталонного генератора 22, блока подстройки частоты, амплитуды и фазы сигнала синхронизации 23, генератора частоты синхронизации 24, блока синхронизации 25, формирователя строба выборки входного сигнала 26, формирователя строба выборки-хранения 27, генератора системы ортогональных функций 28.

Способ кодирования видеосигнала для сужения его полосы частот осуществляется следующим образом.

Выделяют блоки строк и синхроимпульсы из непрерывного сигнала в блоке 1. Генерируют сжатый сигнал путем разложения видеосигнала по системе ортогональных функций в блоке 2, для чего производят умножение видеосигнала на соответствующую компоненту преобразования в блоке 11 (компоненты единичной амплитуды формируются и поступают от блока 7), интегрируют произведение по блоку строки в интеграторе 12, делят каждый интеграл на число компонент ортогонального преобразования в блоке 13. На этом заканчивается процесс квантования видеосигнала системой ортогональных функций (Хармут Х. Теория секвентного анализа основы и применения. М.: Мир, 1980, с. 153). Запоминают компоненты преобразования в блоке выборки-хранения 3, причем импульсы стробирования для блока 3 формируются и поступают от блока 8. Производят перевод векторов ортогонального преобразования в форму синусоидальных функций путем перемножения амплитуд компонент на систему синусоидальных функций в блоке 4 (система формируется и поступает от блока 9). Суммируют все синусоидальные сигналы в один пакет в блоке 5 с добавлением сигналов синхронизации от блока 10. Производят автоматическую регулировку усиления в блоке 6 для полного использования динамического диапазона.

Блок синхронизации 10 осуществляет выделение частоты строк из полного видеосигнала, перевод ее из импульсного вида в синусоидальный с тем же периодом. Блок 10 осуществляет управление блоками 7 - 9 для временного согласования их выходных сигналов с поступающими блоками информации. В блоке 7 генерируется система ортогональных функций. Примеры таких генераторов приводятся в (Хармут Х. Теория секвентного анализа основы и применения. М.: Мир, 1980, с. 163). Генератор системы синусоидальных функций 9 может представлять собой большое число постоянных запоминающих устройств с цифроаналоговыми преобразователями, где содержат оцифрованный сигнал соответствующей частоты. Формирователь стробирующих импульсов 8 может представлять собой формирователь коротких импульсов с заданной длительностью по фронту или срезу сигнала, поступающего от блока 10.

Данному способу соответствует следующее математическое описание.

Входной блочный сигнал строки изображения обрабатывается с системой ортогональных функций. В этом заключается процесс генерации сжатого сигнала путем квантования его системой ортогональных функций. Если f(t) - сигнал изображения между импульсами синхронизации, a(i) - амплитуда i-й компоненты, wal(i, t) - i-я ортогональная функция из системы, то получаем совокупность выходных векторов преобразования

Так как интегрирование производят на ограниченном интервале с применением ограниченного числа компонент и точек отсчета функции f(t), то

можно заменить интеграл суммой (Хармут Х. Теория секвентного анализа основы и применения. М.: Мир, 1980, с. 146). Перевод векторов из одной формы представления в другую соответствует умножению на функцию из системы i·sin(W₀ + dW·i)·t'). Получаем совокупность сигналов
a(i)·sin((W₀ + dW·i)·t').

Время t' отлично от t, так как это разные моменты времени. Суммирование совокупности в один сигнал соответствует
.

Прибавление частоты синхронизации соответствует
V(t') = A_синхр·sin(W_синхр·t') + V'(t').

Декодирование информации осуществляется следующим образом.

Закодированный видеосигнал поступает в блок вычитания 14, где из него вычитается частота синхронизации с целью отделения информации об изображении. Так как в процессе передачи сигнала возможны частотные искажения сигнала, вызванные, в частности, систематической ошибкой скорости движения ленты в магнитофонах и других воспроизводящих устройствах, то применяют автоматическую подстройку частоты и фазы сигнала синхронизации, вычитаемого из входного сигнала. Так как возможны амплитудные искажения сигнала при передаче, вызванные, в частности, активным сопротивлением линии, неплотностью контакта воспроизводящих головок с носителем, то применяется автоматическая регулировка усиления сигнала информации о изображении в блоке 15. Если этого не предпринимать, то ввиду того, что информация о амплитудах компонент ортогонального преобразования содержится в амплитудах синусоидальных функций, получаем искажение изображения.

Указанные недостатки устраняют, применяя блоки 21-24, а также тем, что записывают синхросигнал строго фиксированной амплитуды, что позволяет распознать амплитудные искажения.

Система подстройки частоты, фазы и амплитуды работает следующим образом.

Отфильтровывают сигнал синхронизации из полного сигнала в блоке 21. Применение защитного интервала позволяет использовать фильтр с П-образной амплитудно-частотной характеристикой и широкой полосой пропускания для исключения амплитудных искажений принятого синхросигнала. Далее выделенный синусоидальный синхросигнал подают в блок подстройки частоты, фазы и амплитуды сигнала синхронизации 23, и далее в блок 24 подается сигнал рассогласования идеального и реального сигналов для получения сигнала синхронизации, согласованного по фазе и частоте с аналогичным в пакете, для вычитания из общего сигнала, а также для уравнивания амплитуд сигналов синхронизации в пакете и вычитаемого для исключения их влияния на информационный сигнал. Сигнал рассогласования подается также в блок автоматической регулировки усиления информационного сигнала 15, где производится сравнение амплитуды принятого сигнала синхронизации с эталонной для компенсации ослабления сигнала в линии, и в блок синхронизации 25, где производится подстройка блочной частоты выходного видеосигнала в соответствии с поступающим и согласование работы схемы декодирования с частотой следования блоков.

Эталонный генератор 23 применяется для задания идеального сигнала частоты синхронизации.

Откорректированный таким образом сигнал информации поступает в регистр выборки-хранения 16, содержащий n ячеек, где n определяется частотой дискретизации сигнала, которая, в свою очередь, определяется максимальной частотой пакета и разносом частот. Это означает, что интервал времени между событиями, первым, когда m-я частота пакета завершила период, пройдя через ноль, и вторым, когда (m-1)-я частота пакета прошла через ноль, завершив период, должен стробироваться минимум пятью импульсами. Отсюда, принимая T(m-1) - период (m-1)-й частоты пакета, T(m) - период m-й частоты пакета, T(0) - период нулевой частоты пакета, получим
n = 5·T(0) / (T(m-1) - T(m).

Требование пяти импульсов вытекает из теоремы Котельникова. Сигналы, разрешающие выборку в очередную ячейку, поступают из блока формирования стробирующих импульсов выборки 26, причем частота дискретизации подстраивается в соответствии с сигналами от блока синхронизации 25.

Благодаря применению в блоке 16 переменной, подстраиваемой частоты дискретизации мы получим на выходе отсчеты синусоидальных функций, в которых погрешности частоты компенсированы, так как число отсчетов, приходящихся на период любой из функций пакета, осталось неизменным.

После блока 16 мы имеем n отсчетов сигналов, в котором необходимо определить амплитуды всех частот от до m. Это достигается в блоке анализа спектра 17. Данный блок представляет собой цифровой быстродействующий анализатор спектра, причем частоты спектра и расстояние между ними известно. Описание способов работы устройств данного типа можно найти, например, в (Марпл-мл. С.Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения. М.: Мир, 1990).

На выходе блока 17 получаем m амплитуд синусоидальных функций пакета, т. е. векторов, которые запоминаются в устройстве выборки-хранения 18, управляемого от формирователя импульсов стробирования 27, который, в свою очередь, управляется от блока синхронизации 25.

Блоки 19, 20 и 28 осуществляют обратное ортогональное преобразование с целью восстановления исходного видеосигнала и добавления к нему сигналов синхронизации. Это достигается следующим образом. В блоке 19 перемножают амплитуды a(i) на соответствующие ортогональные функции, далее производят суммирование в соответствии с формулой
Далее в восстановленный видеосигнал F(t) добавляют импульсы синхронизации, сформированные блоком 25, и получают на выходе восстановленный, широкополосный видеосигнал.

Таким образом, изложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании изобретения следующей совокупности условий:
- средство, воплощающее изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в телевизионной технике, для передачи видеосигналов по узкополосным каналам;
- для изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте формулы, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных средств и методов;
- средство, воплощающее изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, изобретение соответствует требованию "Промышленная применимость" по действующему законодательству.

Формула изобретения

Способ кодирования видеосигнала для сужения его полосы частот, при котором видеосигнал преобразуют путем разложения входной последовательности изображений в последовательности блочного формата, генерируют сжатый сигнал информации, квантуют большим числом векторных квантователей, индивидуально и селективно работающих по сигналу сжатой информации, причем каждый векторный квантователь имеет свой диапазон частот и память для выходных векторов, вектора суммируют в один пакет, производят автоматическую регулировку усиления и подают далее в канал для передачи, отличающийся тем, что в качестве векторов используют синусоидальные функции, различающиеся по частотному признаку, а суммирование векторов в один пакет производят с добавлением сигналов синхронизации.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3