DE69719099T2 - Verfahren zur kodierung und dekodierung mit niedrigem rauschpegel - Google Patents

Description

Gebiet der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung betrifft die Bildkomprimierung zur Verringerung der Bandbreitenanforderungen eines digitalen Videokoders.
Hintergrund der Erfindung
• Die United States Federal Communications Commission (FCC) hat eine digitale, hochauflösende Fernsehnorm (HDTV = High Definition Television) angenommen, die von der Grand Alliance (GA) zur Ebnung des Weges für einen terrestrischen digitalen Fernsehrundfunk in den Vereinigten Staaten vorgeschlagen. Das GA HDTV-System hat die Motion Pictures Expert Group (MPEG2)-Videokomprimiernorm angenommen. Für Einzelheiten siehe "Information Technology-Generic Coding of Moving Picture and Associated Audio Information: Video," ISO/IEC 13818-2: 1996 (E). Durch Anwendung moderner und verfeinerter Videokomprimierverfahren wie eine Quellenverarbeitung, Bewegungsschätzung und Bewegungskompensation, transformierte Darstellung und statistische Kodierung, kann ein MPEG- Komprimiersystem die Übertragungsbitrate um einen Faktor von 50 oder mehr verringern. Ein vollständiges HD-Signal für eine Sekunde benötigt ungefähr eine Billion Bit vor der Komprimierung. Wie in der GA-Spezifikation vorgeschlagen, werden Bilder mit 1920 mal 1080 Pixeln (Bildelement) mit einer Halbbildfrequenz von 60 je Sekunde auf 18 Megabit je Sekunde für einen digitalen Rundfunk komprimiert.
• Das GA-Videokomprimiersystem enthält normalerweise zwei Haupt-Untersysteme, einen Prozessor und einen MPEG2-Videokoder, gefolgt von einem Ausgangspuffer. Der Eingang zu dem Prozessor ist ein analoges Videosignal im RGB-Format. Der Vorprozessor digitalisiert die Eingangssignale und bewirkt eine Gammakorrektur bei jeder Farbkomponente zur Kompensation der nichtlinearen Kennlinie der Bildaufnahmekamera. Eine Gammakorrektur verringert die Sichtbarkeit von Quantisierrauschen in dem komprimierten Bild, insbesondere in dunklen Bildbereichen. Dann transformiert der Vorprozessor linear die digitalisierten und gammakorrigierten RGB-Abtastwerte in den Vektorraum der Farbvalencen SMPTE 240M YC1C2. Schließlich werden die resultierenden Chrominanzkomponenten unterabgetastet, um das 4:2:0 digitale Videoeingangssignal zu bilden. Zusätzlich zu den soeben beschriebenen Aufgaben kann der Vorprozessor eine Bildumsetzung durchführen. Zum Beispiel wird in einem digitalen Satellitenrundfunksystem das Videosignal horizontal von 720 Pixeln je Zeile auf 544 je Zeile verringert, um die Bandbreiteanforderungen weiter zu verringern. Dieses Signal wird dem MPEG2- Videkoder zugeführt.
• Der MPEG2-Videkoder komprimiert das digitale Eingangsvideosignal durch Beseitigung eines Teils der zeitlichen Redundanz zwischen Vollbildern und eines Teils der räumlichen Redundanz innerhalb der Vollbilder. Im allgemeinen erfolgt die Komprimierung durch Anwendung einer Zahl von unterschiedlichen Lösungen in Folge, wie oben beschrieben. Eine Einstellung der Quantisiergenauigkeit ermöglicht, dass der Koder den komprimierten Bitstrom bei einer durch die Anwendung festgelegten Rate erzeugt. Die Quantisierung in den MPEG2-Systemen erfolgt auf den DCT-Koeffizienten eines Datenblocks, der die ursprünglichen Bildinformationen oder Restinformationen aus einer Bewegungsschätzung darstellen kann. Die Anwendung von Quantisiermatrices in Kombination mit skalierbaren Quantisierschrittgrößen wählt und quantisiert der Quantisierer nur einen kleinen Bruchteil der DCT-Koeffizienten von jedem DCT-Block für die Übertragung, wodurch sich eine nennenswerte Datenreduktion ergibt. Die Quantisiermatrices können auf der Basis eines Vollbildes entsprechend der statistischen Verteilung der DCT- Koeffizienten und dem Inhalt des Videosignals geändert werden. Für unterschiedliche Bereiche innerhalb eines Vollbildes kann die Quantisierung auf der Basis Makroblock für Makroblock durch Skalierung der Quantisierschrittgröße aufgrund der Komplexität des Makroblocks feinabgestimmt werden. Für eine bestimmte Ausgangsbitrate liefert ein Ausgangspuffer Steuersignale, die von dem Koder dazu benutzt werden, die Quantisierschrittgröße für ein bestimmtes Vollbild einzustellen, um die Quantisierauflösung innerhalb der verfügbaren Bandbreite zu maximieren.
• Im Idealfall beseitigt das System zur Videokomprimierung hohe Frequenzkompnenten, die durch die Benutzer nicht als fehlend wahrgenommen werden, wenn das Bild rekonstruiert und wiedergegeben wird. Die verbleibenden niedrigen Frequenzkomponenten werden quantisiert, damit sie in die verfügbare Bandbreite hineinpassen. In das Signal eingeführtes Quantisierrauschen sollte bei der Bildrekonstruktion für die Betrachter ebenfalls unsichtbar sein. Jedoch erfolgt in einem realen System ein Kompromiß zwischen den zu übertragenden Informationen und der Quantisierschrittgröße für eine verfügbare Bandbreite. Wenn das System nicht auf ausreichend Koeffizienten für die Quantisierung verzichtet, erhöht das System die Quantisierschrittgröße, wodurch blockweise Artefakte in dem rekonstruierten Bild entstehen. Wenn das Bild während des Komprimiervorgangs zu viele hochfrequente Informationen verliert, wird das rekonstruierte Bild andere wahrnehmbare Kanten-Artefakte enthalten.
• Außerdem bewirken Unterschiede in der Quantisierung zwischen jedem Vollbild, dass Vollbilder innerhalb einer Gruppe von Bildern (GOP = group of pictures) sich ändernde hochfrequente Komponenten enthalten. Zum Beispiel kann ein sogenanntes I-Vollbild einen nennenswerten Betrag von hochfrequenten Koeffizienten enthalten, die während der Kodierung weggelassen werden, während P- und B-Vollbilder hochfrequente Komponenten beibehalten, die denjenigen entsprechen, die in dem I-Vollbild weggelassen wurden. Die rekonstruierte GOP enthält nun Artefakte, da sich die hochfrequenten Informationen zwischen den für die Rekonstruktion benutzten Vollbilder gegeneinander ändern.
• Diese Probleme entstehen innerhalb eines GA-System, wie es derzeit definiert ist. Die Komprimierung des HD-Bildsignals verringert außerdem nur die wiedergegebene Bildqualität. Satelliten-Rundfunkanbieter sind nicht bereit, HD-Signale zu übertragen, da nur ein Programm zu einer Zeit in einem Transponder übertragen werden kann. Heutzutage resultiert die Komprimierung eines HD-Programms, das zwei Programme in einen Satellitenkanal einfügen kann (z. B. 24 MHz 4-PSK-Modulation) gleichzeitig in einer unakzeptablen Bildqualität für den Betrachter. Daher zögern Satelliten-Rundfunkanbieter aufgrund der ineffizienten Ausnutzung des Kanals, einen HDTV-Rundfunk einzuführen. Ebenso sind Anbieter für terrestrischen Rundfunk nicht bereit, vollständige HD-Programme zu liefern, wenn ein Programm einen Kanal vollständig ausfüllt, in dem mehrere SD-Programme Platz haben.
• Die US 5 530 484 beschreibt ein System, in dem ein HDTV-Signal in der Auflösung verringert und das Signal mit geringerer Auflösung dann einer MPEG-Kodierung unterworfen wird.
• Die US 5 253 059 beschreibt ein System, in dem ein HDTV-Signal adaptiv gefiltert wird, das gefilterte Signal dann in der Auflösung verringert wird, das Signal möt niedriger Auflösung dann einer MPEG-Kodierung unterworfen wird und das kodierte Signal einem Übertragungsnetz zugeführt wird.
Zusammenfassung der Erfindung
• Gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung, die in ihren breitesten Aspekten in den Ansprüchen 1 und 13 angegeben ist, identifiziert ein digitaler Bildprozessor einen Videosignaltyp und konvertiert selektiv das Originalsignalformat im Bedarfsfall auf ein anderes Format. Das konvertierte Signal wird gefiltert und im Bedarfsfall auf das ursprüngliche Format zurückkonvertiert. Das gefilterte Signal wird auf eine geringere Auflösung konvertiert und auf eine angestrebte Bitrate komprimiert. Schließlich wird das komprimierte Signal zu einem Ausgangsdatenkanal übertragen.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
• Fig. 1 zeigt eine Konfiguration für einen Videokomprimierer gemäß der vorliegenden Erfindung.
• Fig. 2 zeigt Details der Einheit 22 von Fig. 1.
• Fig. 3 zeigt eine mögliche Kennlinie eines in der Einheit 22 enthaltenen adaptiven Filters.
• Fig. 4 ist ein Flußdiagramm eines beispielhaften, die vorliegende Erfindung anwendenden Übertragungssystems.
• Fig. 5 ist ein Flußdiagramm eines die vorliegende Erfindung anwendenden Empfangssystems.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
• Ein MPEG2-Koder, der eine Vorrichtung gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung enthält, enthält ein zweidimensionales, (zum Beispiel vertikales und horizontales) Filter vor dem Koder. Der Koder, der Ausgangspuffer und das Filter erzeugen jede Informationen, die durch die anderen Einheiten dafür benutzt werden können, die Gesamteffizienz zu verbessern. Derartige Informationen betreffen zum Beispiel die Bildbewegung, den Bildkontrast, die Wahl der Quantisiermatrix, die Wahl des Skalierfaktors, die Bitrate aus jeder Einheit, Bildtexte. Die Informationen werden zwischen den Einheiten durch eine Steuereinheit, die den Kodiervorgang überwacht, oder durch individuelle Steuereinheiten in jeder Einheit übertragen.
• Die Steuereinheit wertet die ankommenden Informationen aus und identifiziert Gemeinsamkeiten über eine Gruppe von Bildern, ein Vollbild oder ein teilweises Vollbild, die in vorteilhafter Weise dafür benutzt werden können, den Betrieb des Filters und/oder des Koders zu modifizieren, um die Gruppe, das Vollbild oder das Teilvollbild effizient auf die angestrebte Bitrate zu kodieren. Im allgemeinen wird das Filter eingestellt, weil eine Einstellung des Filters weniger Rauschen einführt als die Einstellung des Koders. Außerdem ist das Filter in der Praxis ein Satz von Filtern, der im Bedarfsfall die größte Flexibilität durch Einstellung einzelner Filterkoeffizienten ermöglicht. Diese Filter sind ein horizontales Antialiasing-Tiefpaßfilter, ein vertikales Tiefpaßfilter und ein zweidimensionales Tiefpassfilter, im allgemeinen in der soeben angegebenen sequentiellen Folge. Die Steuereinheit wertet die empfangenen Informationen auf laufende Filter- und Koder-Einrichtungen aus und bewirkt Einstellungen für ein oder mehrere Filter und/oder für den Koder entsprechend einer oder mehreren vorherrschenden Gemeinsamkeiten. Das Endresultat besteht darin, dass das Eingangssignal in einer Weise durch das Filter tiefpaßgefiltert wird, die es im allgemeinen dem Koder ermöglicht, das Bild gleichmäßig über eine Gruppe von Bildern, ein Vollbild oder ein Teilvollbild relativ zu einer vorherrschenden Gemeinsamkeit der gleichmäßig kodierten Daten zu kodieren.
• Das kodierte Signal kann in der verfügbaren Bandbreite übertragen und dann rekonstruiert und ohne Artefakte wiedergegeben werden, die anderenfalls vorhanden wären. Für hochaufösende Signale mit 1920 mal 1080 Pixeln je Vollbild wird die Horizontalauflösung auf 1280 Pixel je Zeile nach der Filterung und vor der Kodierung verringert, um die Bandbreite des übertragenen Signals weiter zu verringern. Das Ergebnis ist eine Hybrid-Bildauflösung, die HD-Empfänger empfangen, dekodieren und mit einer geringen Änderung der Software wiedergeben können.
• Eine beispielhafte Konfiguration des Videokomprimiersystems gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 1 dargestellt. Ein Eingangsvideosignal wird durch einen Spielfilmdetektor 20 empfangen, der erkennt, ob das Signal das Signal eines Spielfilms ist, das durch Filmabtasterverfahren von 24 Vollbildern je Sekunde in 30 Vollbilder je Sekunde neu formatiert wurde. Das neu-formatierte Spielfilmsignal wird dem geeigneten Abschnitt eines adaptiven Bildprozessors 22 zugeführt, wie später beschrieben wird. Wenn das Eingangssignal kein neu-formatiertes Spielfilmsignal ist, geht das Signal zu einem anderen Abschnitt des adaptiven Bildprozessors 22. Die Identifikation von Filmabtaster-Spielfilmsignalen erfolgt durch bekannte Verfahren.
• Der Prozessor 22 empfängt über die Steuereinheit 28 Steuerinformationen von dem Ausgangspuffer 26 und von dem MPEG2-Koder 24 und filtert Vollbilder derart, dass der Koder 24 das Vollbild effizient so kodieren kann, dass es innerhalb der verfügbaren Bitrate liegt und allgemein frei von wahrnehmbaren Artefakten ist. Der Prozessor 22 filtert das Signal in zwei Richtungen (2-D) (zum Beispiel horizontal und vertikal), wie es notwendig ist, um die rekonstruierte Bildqualität eines MPEG2- kodierten Bitstroms, der auf eine mittlere Bitrate eingeschränkt ist, zu verbessern. Das Ziel ist es, den örtlichen 2-D-Frequenzinhalt der Quelle zu ändern, um die MPEG2-Kodiereffizienz in einer Weise zu ändern, die am wenigsten schädlich ist für das MPEG2 rekonstruierte Bild hinsichtlich der Bildschärfe und der KodierArtefakte. Die Filterung des Signals kann zum Beispiel auf vorbestimmten Daten, einer Gruppe von Bildern (GOP) oder Vollbildern, einem einzigen Vollbild oder Pixel für Pixel erfolgen.
• Das 2-D-Tiefpaßfilter filtert das Bild. Im Optimalfall sind die beseitigten hochfrequenten Informationen entweder redundant oder von dem Betrachter nicht wahrnehmbar. In der Praxis können zur Erreichung der gewünschten Bitrate bestimmte hochfrequente Informationen beseitigt werden, die von einem Betrachter wahrnehmbar sind. Jedoch erzeugt ein System, das einen Prozessor 22 vor der MPEG2-Kodierung enthält, ein Bild, das besser ist als bei einem System ohne einen Prozessor 22, wie später beschrieben wird.
• Das gefilterte Signal wird durch den MPEG2-Koder 24 kodiert, der über die Steuereinheit 28 Bildparameter von dem Prozessor 22 und dem Ausgangspuffer 26 empfängt und die MPEG2-Komprimierung so einstellt, dass sie der verfügbaren Bitrate entspricht. Die Komprimierung erfolgt in derselben Weise, wie sie in der GA- Spezifikation beschrieben wurde. Der Koder 24 sendet die komprimierten Daten zu dem Ausgangspuffer 26. Der Puffer 26 liefert die komprimierten Daten bei einer vorbestimmten Rate um unter Anwendung von bekannten Signalverarbeitungslösungen transportkodiert, moduliert und über einen Übertragungskanal übertragen zu werden. Vor der Modulation kann das komprimierte Signal einem statistischen Multiplexer zugeführt werden, um mit mehreren Programmen für die Übertragung über einen einzigen Kanal gemultiplext zu werden. Signalverarbeitungseinheiten nach dem Puffer 26 sind hinreichend bekannt und daher zur Vereinfachung der Fig. 1 nicht dargestellt.
• Das Videokomprimiersystem kann so konfiguriert werden, dass es jeden Typ eines Videosignals akzeptiert. Das System von Fig. 1 ist so konfiguriert, dass es sowohl Fernseh (Kamera)- als auch Spielfilme (Filme) akzeptiert, die für bekannte industrielle Normen formatiert sind. Eine gemeinsame Konfiguration für das System von Fig. 1 könnte darin bestehen, den Ausgang von einem Vorprozessor zu empfangen, wie es zum Beispiel unter dem Hintergrund der Erfindung beschrieben wurde. Das System kann dafür konfiguriert werden, durch Hinzufügung geeigneter Hardware und/oder Software andere Typen von Videosignalen zu akzeptieren. Diese Konfigurationen sind zur Vereinfachung der Fig. 1 nicht dargestellt.
• Der Filmdetektor 20 erkennt die Anwesenheit bestimmter Zusammenhänge in dem Eingangssignal, die zur Verbesserung der Kodiereffizienz benutzt werden können: (Typ 1) 60 Halbbilder/Sekunde verschachtelt abgetastete Quelle, (Typ 2) 60 Halbbilder/Sekunde verschachtelt abgetastete 30 Vollbilder/Sekunde-Spielfilm, (Typ 3) 60 Halbbilder/Sekunde verschachtelt abgetasteter 24 Vollbilder /Sekunde Spielfilm, (Typ 4) progressiv abgetastete Quelle, (Typ 5) 60 Vollbilder/Sekunde progressiv abgetastete 30 Vollbilder/Sekunde Spielfilm und (Typ 6) 60 Vollbilder/Sekunde progressiv abgetastete 24 Vollbilder/Sekunde Spielfilm. Die Detektion erfolgt durch ein (nicht dargestelltes) externes Steuersignal oder durch bekannte Lösungen, wie diejenigen, die in derzeitigen MPEG2-Kodern mit einer Standardauflösung (SD = Standard Definition) benutzt werden. Die Informationen für das Signalformat werden mit dem Signal einem adaptiven Bildprozessor 22 zugeführt, wie später beschrieben wird. Der Spielfilmdetektor 20 detektiert außerdem, ob das Signal vom Typ mit verschachtelter Abtastung oder progressiver Abtastung ist und leitet diese Informationen zu dem Prozessor 22. Diese Abtasttypen sind beispielhaft und bestimmen Parameter, durch die Signale über den Prozessor 22 geführt werden. Ausführungen für andere Halbbild- und Vollbildraten können ebenfalls benutzt werden.
• Der adaptive Bildprozessor 22 führt mehrere programmierbare Funktionen durch, die die durch den Koder 24 zu komprimierende Datenmenge verringern. Der Prozessor 22 arbeitet im allgemeinen auf jedem Vollbild, so dass das verarbeitete Vollbild optimal kodiert werden kann, um Rauschen zu beseitigen oder nennenswert zu verringern, das von dem Betrachter wahrnehmbar ist. Der Prozessor 22 kann allgemein als ein räumlich variables 2-D-Tiefpaßfilter angesehen werden, weit es jedes Bild räumlich abwärtsabtastet und adaptiv gewählte 2-D-hochfrequente Komponente von dem Signal filtert. Die adaptive Filterung kann über eine Reihe von Vollbildern, für ein einziges Vollbild oder Pixel für Pixel eingestellt werden, um ein verarbeitetes Vollbild zu erzeugen.
• Der Prozessor 22 kann die Kodierung für einen beliebigen Signaltyp erleichtern. Jedoch ist für diese Ausführungsform der Prozessor 22 dafür programmiert, für HD- Daten zu arbeiten, wie sie durch die GA-Spezifikation definiert sind. Das können entweder 1920 mal 1080 Pixel je Bild oder 1280 mal 720 Pixel je Bild sein. Gemäß der GA-Spezifikation benötigt jedes HD-Format ungefähr für die Sendung 18 Mega- Bit je Sekunde. Zur Vereinfachung der Beschreibung wird nur das Format mit 1920 mal 1080 im Detail beschrieben. Die Beschreibung ist ebenso anwendbar auf ein Format mit 1280 mal 720 oder ein beliebiges anderes Format.
• Fig. 2 zeigt Details des adaptiven Bildprozessors 22. Abhängig von dem Signalformat der von dem Detektor 20 empfangenen Informationen wird das Bildsignal durch die Steuereinheit 28 (Fig. 1) einem Konverter 221 von verschachtelt auf progressiv (Typ 1), einer Filmabtastereinheit 22 (Typ 2, 3) oder über eine unmodifizierte Einheit (Typ 4-6) einem Tiefpaßfilter 223 mit räumlicher Bandbegrenzung zugeführt. Das Filter 223 empfängt die Ausgänge der Einheiten 221 und 222, nachdem diese Einheiten das Signal verarbeitet haben.
• Der Konverter 221 empfängt das Signal, wenn sein Format verschachtelte Halbbilder mit 60 Hertz enthält und konvertiert das Signal auf progressive Vollbilder mit einer Frequenz von 60 Vollbildern je Sekunde. Ein progressives Vollbild enthält alle Bildinformationen in jedem Vollbild. Die Filterung eines progressiv abgetasteten Signals bewirkt im allgemeinen keine Artefakte, wie sie bei der Filterung von Halbbildinformationen eines verschachtelten Signals auftreten können. Der Konverter 221 verwendet bekannte Verfahren zur Umsetzung von verschachtelten Halbbildern in ein progressives Vollbild.
• Die Bildabtastereinheit 222 beseitigt die redundanten Halbbilder eines mit 60 Hz verschachtelt abgetasteten Spielfilms und rekonstruiert den ursprünglichen, progressiv abgetasteten Spielfilm. Das progressive Format ermöglicht, dass eine darauffolgende vertikale Tiefpaßfilterung frei von Bewegungs-Artefakten ist. Wenn eine Eingangs-Spielfimquelle (Typ 2 oder Typ 3) als Quelle vom Typ 1 verarbeitet würde, würde eine vertikale Tiefpaßfilterung die Fähigkeit des MPEG2-Koders verschlechtern, Spielfilmquellenmaterial zu detektieren und richtig zu verarbeiten. Die Kodiereffizienz würde dadurch leiden. Die Einheit 222 konvertiert das Signal in ein progressives Format und beseitigt die redundanten Halbbilder/Vollbilder vor der Filterung, da eine Filterung die redundanten Informationen unterschiedlich filtern kann. Wenn die redundanten Informationen nicht vor der Filterung beseitigt werden, können die Informationen nach der Filterung nicht mehr identisch sein, und der Koder kann das Signal nicht als ein Signal vom Typ 2/3 erkennen. Dann würde der Koder Informationen kodieren, die anderenfalls aufgrund der Redundanz beseitigt worden wären.
• Außerdem wird der Aufbau des Prozessors 22 vereinfacht, indem ein einziger Ausgangstakt von der Einheit 222 geliefert wird. Wenn die Einheit 222 progressive Filmbilder mit einer Frequenz von 24 Vollbildern je Sekunde und 30 Vollbildern je Sekunde liefert, würden zwei Ausgangstakte und die entsprechende Verarbeitungsschaltung benötigt.
• Signale, die ursprünglich in einem progressiven Format mit 30 Vollbildern je Sekunde erzeugt wurden, laufen direkt zu dem Filter 223. Das Filter 223 erwartet Videoinformationen, die als vollständige Vollbilder dargestellt werden. Das räumliche Tiefpaßfilter 223 ist in der Praxis ein Satz von Filtern. Zum Beispiel ist das erste Filter ein Antialiasing-Horizontal-Tiefpaßfilter. Das zweite Filter ist ein vertikales Tiefpaßfilter. Das letzte Filter ist ein 2-D-Tiefpaßfilter, wie vorangehend beschrieben. Die Koeffizienten jedes Filterabgriffs können adaptiv entsprechend den Steuerinformationen von dem Koder 24 und dem Puffer 26 eingestellt werden, wie Fig. 1 zeigt. Das progressive Signal wird horizontal tiefpaßgefiltert, um ein Aliasing von darauffolgenden Abwärtsabtastung in dem Konverter 226 für die Abtastrate zu beseitigen. Das endgültige horizontale Ergebnis der 1920 Pixel je Zeile sind 1280 Pixel je Zeile, wie im folgenden erläutert wird. Um Alias-Rauschen in dem endgültigen Signal zu beseitigen, hat das Tiefpaßfilter 223 eine Grenzfrequenz von 640 Zyklen oder Perioden je Zeile. Das horizontale Antialias-Filter in der Einheit 223 kann ein Filter mit endlichem Ansprechverhalten (FIR = finite impulse response) mit 17 Abgriffen mit den folgenden Abgriffskoeffizienten sein:
• [f0, f1 ...., f15, f16] = [-4, 10, 0, -30, 48, 0, -128, 276, 680, 276, -128, 0, 48, -30, 0, 10, -4]/1024.
• Eine Kodierung von HD-Videosignalen bei einer verringerten Bitrate erfordert normalerweise eine zusätzliche vertikale Tiefpaßfilterung, um die Bandbreite des Videosignals weiter zu verringern. Die Beseitigung von vertikaler, hochfrequenter Energie vor der MPEG-Kodierung ist notwendig, um eine akzeptable Gesamt- Bildqualität zu erreichen. Vertikale Frequenzbereiche mit höchster Phasenempfindlichkeit werden gedämpft. Die Vertikal-Grenzfrequenz wird auf einen Bruchteil der Nyquist-Frequenz eingestellt. Zum Beispiel kann eine Grenzfrequenz ungefähr gleich der halben Zeilenfrequenz des HD-Eingangssignals für manches Videomaterial geeignet sein. Für ein HD-Signal mit 1080 Zeilen/Bildhöhe (1/ph) würde das einer Grenze von 540 1/ph entsprechen. Diese Frequenz kann programmierbar sein, und eine programmierbare Grenzfrequenz würde durch die Steuereinheit 28 aus Parametern ermittelt, die von dem Koder 24 und dem Puffer 26 von Fig. 1 verfügbar sind (d. h. gewünschte Bitrate, Quantisiermatrices, usw.). Das in der Einheit 223 enthaltene vertikale Tiefpaßfilter kann ein FIR-Filter mit 17 Abgriffen mit den folgenden Abgriffskoeffizienten sein:
• [f0, f1 ...., f15, f16] = [-4, -7, 14, 28, -27, -81, 37, 316, 472, 316, 37, -81, -27, 28, 14, -7, -4]/1024.
• Als eine Alternative kann die Grenzfrequenz gleich der doppelten Zeilenfrequenz eines SD-Signals sein. Im allgemeinen folgt das Vertikal-Tiefpaßfilter auf das horizontale Antialias-Filter.
• Der Prozessor 22 bewirkt eine Vertikalfilterung und keine Vertikal-Dezimierung, wodurch eine konstante vertikale Zeilenauflösung aufrechterhalten wird. Derzeit wird eine Filterung gegenüber einer Dezimierung für verschachtelte Videosignale bevorzugt. Die Umsetzung einer Vertikal-Zeilenauflösung für eine verschachtelte Bildfolge erfordert eine komplexe Hardware und Software, wodurch hohe Empfängerkosten entstehen. Die Umsetzung der Vertikal-Abtastrate bildet einen Kompromiß für die Leistungsfähigkeit bezüglich der vertikalen hohen Frequenzen wegen der zunehmenden Komplexität der Abgriffe zusammen mit der Nyquist- Abtastung (d. h. keine Überabtastung). Kostenüberlegungen beim Empfänger verhindern derzeit eine Verringerung der Vertikalauflösung zur Verringerung der Artefakte und der kodierten Bitrate. Das wiedergegebene Bild würde durch die Anwendung der derzeitigen Technologie bei den Umsetzern für die vertikale Abtastrate anstelle der oben beschriebenen vertikalen Tiefpaßfilter nennenswert verschlechtert. Jedoch können effiziente und kosteneffektive Umsetzer für die Vertikal-Abtastrate das hier beschriebene Vertikalfilter ersetzen, ohne von den Prinzipien der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
• Die Koeffizienten für das Horizontal- und Vertikal-Tiefpaßfilter können durch gegebenenfalls eine Software modifiziert und auf den Pixelwert angewendet werden, um die angestrebte Bitrate zu erreichen, ohne Artefakte in dem rekonstruierten Bild zu erzeugen. Im allgemeinen ist eine Modifikation der Koeffizienten auf einer Vollbildbasis ausreichend. Eine Alternative für langsamere Prozessoren besteht darin, eine Zahl von verschiedenen, für die Filter eingestellten Koeffizienten neu zu programmieren und den geeignetsten Satz für die verarbeiteten Bildinformationen zu wählen. Die größere Flexibilität der adaptiven Filter ermöglicht, dass das Gesamtsystem einen Datenstrom mit weniger Artefakten relativ zu einem System ohne adaptive Filter erzeugt.
• Nachdem das Signal durch die Einheit 223 in der horizontalen und der vertikalen Richtung tiefpaßgefiltert worden ist, ermittelt die Steuereinheit 28, ob das Signal gleichmäßig durch den Koder 24 auf Vollbildbasis kodiert werden kann, ohne ein nennenswertes Quantisierrauschen einzuführen. Wenn das der Fall ist, gelangt das Signal zu einer der Einheiten 224, 225 oder 226, abhängig von seinem Format, wie später erläutert wird. Wenn jedoch der Kodiervorgang wahrscheinlich Rauschen und/oder Artefakte in das Signal einführt, wird es für eine weitere adaptive Filterung einem zweidimensionalen Tiefpaßfilter in der Einheit 223 zugeführt. Steuerparameter von dem Prozessor 22, dem Koder 24 und dem Ausgangspuffer 26 (Fig. 1) ermöglichen, dass die Steuereinheit 28 (oder eine einzelne Steuereinheit in der Einheit 223) ermittelt, ob eine weitere Filterung benötigt wird. Für diese Ermittlung benötigte Steuerparameter sind zum Beispiel Messungen von Bewegung und Kontrast, verfügbare Quantisiertabellen, die Kodier-Effizienz und die derzeit angestrebte Bitrate.
• Das 2-D-Filter in der Einheit 223 verringert hochfrequente Informationen aus einem Vollbild primär in der Diagonalrichtung anstelle der Horizontal- oder Vertikalrichtung alleine. Das menschliche Auge ist sehr empfindlich gegenüber hochfrequentem Rauschen in der vertikalen und der horizontalen Richtung relativ zu den Diagonalrichtungen. Die ausreichende diagonale Beseitigung hochfrequenter Informationen zur Ermöglichung einer gleichmäßigen Quantisierung durch den Koder 24 ergibt im allgemeinen ein Signal mit einer besseren Qualität mit geringerem wahrnehmbaren Rauschen. Das Diagonalfilter, wie jede vorangehende Filterung, arbeitet auf einem vollständigen Vollbild und ist programmierbar.
• Das Diagonalfilter kann mit den Quantisiermatrices in den Koder kompatibel sein. Quantisiermatrices verwenden häufig sogenannte Diamanten-förmige Matrices (diamond-shaped matrices) für die Quantisierung des I-Vollbildes. Jedoch bewirken diese Matrices häufig Rauschen, da B- und P-Vollbilder andere Arten von Quantisiermatrices verwenden, die die während des in den Koder 24 erfolgenden Vorgangs der Komprimierung und der Bewegungskompensation hochfrequente Komponenten erhalten können. Die Filter des Prozessors 20 beseitigen hochfrequente Informationen aus jedem Vollbild, bevor der MPEG2-Koder 24 die Daten in einem Bewegungsschätzungsnetzwerk in Vollbilder I, P, und B verarbeitet. Daher werden hochfrequente Komponenten im allgemeinen aus den Vollbildern P und B sowie aus den Vollbildern I beseitigt. Bei der Rekonstruktion ist das Bild im allgemeinen frei von durch die MPEG2-Kodierung erzeugten Artefakten, wie allgemein bekannt.
• In Fig. 1 wertet in der Praxis die Steuereinheit 28 Signalparameter aus (z. B. Bewegung, Kontrast, usw.) bevor ein bestimmtes Vollbild durch den Prozessor 22 gefiltert wird, und bestimmt die Einstellungen der Koeffizienten für alle Filter in der Einheit 223, einschließlich der benötigten Diagonalfilterung. Während des Filtervorgangs eines bestimmten Vollbilds überwacht die Steuereinheit 28 Signalparameter von dem Prozessor 22, dem Koder 24 und dem Puffer 26 und ändert im Bedarfsfall Koeffizienten, um die angestrebte Bitrate mit minimalen Artefakten/Rauschen aufrechtzuerhalten. Jedes Vollbild wird aufgrund der neusten Signalparameter gefiltert und dem Koder 24 für eine Komprimierung und dann dem Puffer 26 zugeführt, wenn weitere Informationen in das Filter 223 eingegeben werden.
• Wenn das Signal ursprünglich ein Spielfilmsignal mit 24 Vollbildern je Sekunde war, wird das gefilterte Signal einer "Herunterzieheinheit" (pull down unit) 224 um 3:2 zugeführt. Die Einheit 224 verdoppelt die gewählten Vollbilder und liefert ein Ausgangssignal mit 30 Vollbildern je Sekunde. Das erfolgt durch bekannte Verfahren. Dann gelangt das Signal von der Einheit 224 zu dem Horizontal- Abwärtsabtastungs-Konverter 226.
• Die Halbbild-Unterabtast-Einheit 225 konvertiert die progressiven Signale von dem Filter 223 von dem progressiven in das verschachtelte Abtastformat. Die Konvertierung erfolgt durch bekannte Verfahren. Ohne Rückkonvertierung in ein verschachteltes Format würde das Signal die doppelte Datenmenge enthalten, da die progressive Vollbildfrequenz von der Einheit 221 60 Hz beträgt. Das verschachtelte Signal wird dem Konverter 226 zugeführt.
• Der Konverter 226 für die Abtastrate empfängt progressive Signale mit 30 Vollbildern je Sekunde direkt von dem Filter 223. Auch die Einheiten 224 und 225 liefern Signale zu dem Konverter 226, wie oben beschrieben. Der Konverter 226 tastet die HD-Signale auf das gewählte Übertragungsformat herunter. Dieses Format muß kein genormtes Format sein. Es kann ein beliebiges Bildverhältnis und Bildgröße sein, wie sie erwünscht sind. Ein nicht-genormtes Format wird jedoch eine Änderung des Empfängers benötigen.
• Wenn der Konverter 226 GA-HDTV-Signale mit 1920 mal 1080 empfängt, tastet der Konverter 226 die horizontalen Informationen abwärts und gibt ein hybrides Pixel- Vollbild-Format von 1280 mal 1080 aus. GA-HDTV-kompatible Empfänger können Vollbilder mit 1920 mal 1080 Pixeln und 1280 mal 720 Pixeln empfangen. Daher können GA-kompatible Empfänger so abgewandelt werden, dass sie eine Horizontalauflösung mit 1280 Pixeln und eine Vertikalauflösung mit 1080 Pixeln verarbeiten. Eine kompatible Empfänger-Hardware bewirkt eine Aufwärtsabtastung von 1280 horizontalen Pixeln auf 1920 horizontale Pixel in Verbindung mit einer Zunahme in der Vertikalauflösung. Jedoch sind mit GA verträgliche Empfänger nicht gezwungen noch programmiert, eine Vollbildauflösung von 1280 mal 1080 Pixeln (horizontal zu vertikal) als ein bestimmtes Format zu empfangen. Die Hardware ist in der Lage, diese Auflösung zu empfangen und zu dekodieren, jedoch muß die notwendige Software zur Dekodierung und zur Zunahme nur der Horizontalauflösung hinzugefügt werden. Die Hinzufügung der Software ist einfach und wenig kostenintensiv relativ zu der Neugestaltung und der Hinzufügung neuer Hardware, die für andere nicht-genormte Formate benötigt wird.
• Der Prozessor 22 liefert das Hybrid-Format 1280 mal 1080, da die derzeitige Wiedergabetechnologie nicht in der Lage ist, eine Auflösung mit 1920 Pixel/Zeile wiederzugeben. Derzeit können die besten Fernsehmonitore nur eine Auflösung von ungefähr 1200 bis 1300 Pixel/Zeile wiedergeben. Daher hat die Begrenzung der Ausgangsauflösung auf 1280 Pixel/Zeile in der Horizontalrichtung eine geringe, wenn überhaupt eine nachteilige Wirkung auf die Bildqualität. Durch eine Wiedergabeauflösung (1280 mal 1080), die durch eine bestehende Dekodier- und Dekomprimier-Empfänger-Hardware verarbeitet wird, werden die Empfängerhersteller minimal beeinträchtigt sein, weil nur eine Änderung der Software notwendig ist. Für bestimmte Empfänger, wie für Rundfunksatelliten, kann die Software-Modifikation heruntergeladen und über eine Satellitenstrecke ferninstalliert werden. Für diese Empfänger muß kein Servicetechniker eingeschaltet werden.
• Das Hybrid-Format ist vorteilhaft, da terrestrische und Satelliten-Programmanbieter nicht bereit waren, HD-Programme zu übertragen. Ein Satelliten-Transponder überträgt einen Datenstrom von ungefähr 24 MBit je Sekunde (Mbps). Ein terrestrischer HDTV-Sender kann bis zu 19 Mbps übertragen, einschließlich des HD- Programms bei 18 Mbps und anderer Informationen (wie Audio, Programmführer, bedingter Zugriff, usw.). Derzeitige Satelliten-Transponder können höchstens ein HDTV-Programm übertragen, was für Satelliten-Programmanbieter nicht ausreichend profitabel ist. Eine einfache Verringerung der horizontalen Vollbildauflösung von 1920 auf 1280 ist nicht ausreichend, um die gleichzeitige Übertragung von zwei HD-Programmen auf einen einzigen Satelliten-Transponder zu ermöglichen. Die Filterung durch den Prozessor 22 ermöglicht in vorteilhafter Weise eine derartige doppelte HD-Übertragung auf einem einzigen Kanal.
• Die durch den Prozessor 22 gebildete Filterkennlinie kann verschiedene Formen haben, einschließlich Diamant (diamond), Kreuzung und hyperbolische von Achse zu Achse, wobei die Filterung für jedes Filter diagonal ist. Eine mögliche Form, 2-D- Hyperbolic, ist in dieser Anwendung besonders vorteilhaft und hat eine Kennlinie für die Abhängigkeit der Amplitude von der Frequenz, die in Fig. 3 dargestellt ist. Die einstellbare Filtergrenzfrequenz wird im allgemeinen so eingestellt, dass die gewählte GOP, das Vollbild oder das teilweise Vollbild gleichmäßig durch den Koder 24 komprimiert werden können. Im Bedarfsfall können zusätzlich horizontale und vertikale hochfrequente Informationen gefiltert werden, das ist jedoch im allgemeinen nicht notwendig. Wenn die Bildkomplexität sich ändert oder die verfügbare Bitrate zunimmt, nimmt die Datenmenge, die durch das Diagonalfilter und andere vorangehende Filter gefiltert werden, ab. Das 2-D-Filter könnte zum Beispiel als ein zweidimensionales FIR mit 13 Abgriffen in jeder Richtung (13 mal 13) oder als ein 2- D-Filter mit begrenztem Ansprechverhalten (IIR) beschrieben werden.
• Das 2-D-FIR-Filter in der Einheit 223 kann ein Filter mit 13 mal 13 Abgriffen mit den folgenden Abgriffskoeffizienten sein:
• Für diese Koeffizienten ist die Gleichspannungsverstärkung 1024. Die Koeffizienten weisen eine Oktant-Symmetrie auf, was 28 unabhängige Koeffizienten ergibt. Symmetrische Koeffizientenbereiche ermöglichen eine schnellere Einrichtung des einstellbaren Filters. Es ist jedoch möglich, dass jeder Oktant anders ist, wenn zum Beispiel ein Bild oder ein Bereich gefiltert wird, der eine unterschiedliche Eigenschaft in einem Teil des Bildes enthielt.
• Die Filterkennlinie des Prozessors 22 kann sich von einem Satz von Koeffizienten zu einem anderen kontinuierlich auf der Basis Pixel für Pixel ändern. Somit kann der Prozessor 22 unterschiedliche Betriebsparameter für die Aufrechterhaltung einer guten Bildqualität bei Bitratenbeschränkungen aufweisen, wie später erläutert wird.
• Wie vorangehend erwähnt, kann der Prozessor 22 adaptiv geändert werden, um eine adaptive Filterung abhängig von den Parametern zu bewirken, die zur Bestimmung der Filteradaption dienen. Zum Beispiel kann eine Änderung in einem Vollbild dafür benutzt werden, das Bild in Bereiche für eine unterschiedliche Verarbeitung aufzuteilen. Kanten sind ein wichtiges Bildmerkmal, indem dominierende Kanten Kodierfehler in ihrer Umgebung verdecken, und können außerdem Bildbereiche definieren. Eine Colorimetrie kann dazu dienen, Bereiche mit geringer Komplexität zu identifizieren, wie Hautfarben und Himmel. Texte können ebenfalls identifiziert und als ein Bereich verarbeitet werden. Texte sind im allgemeinen weniger wichtig als Kanten. Texte identifizieren daher Bereiche, die mehr gefiltert werden können als andere Bereiche. Ebenso kann eine Filmzusammensetzung dafür benutzt werden, wichtige Figuren oder Aktionen zu lokalisieren, die eine höhere Kodiereffizienz und somit eine geringere Filterung benötigen. Hintergrund wird im allgemeinen durch die Feldtiefe der Kameraoptiken verweicht und kann daher stärker gefiltert werden. Schwenk- und Abtastinformationen können dazu dienen, den Interessenmittelpunkt eines Bildes für eine unterschiedliche Verarbeitung durch den Prozessor 22 zu bestimmen.
• Der Betrieb des Koders 24 ist kompatibel mit der MPEG2-Norm. Der Kader 24 kann über die Steuereinheit 28 Informationen darüber liefern, welcher Prozessor 22 zur Erhöhung der Leistungsfähigkeit benutzt werden kann. Derartige Informationen können zum Beispiel die Bitraten-Informationen enthalten. Diese Bitraten- Informationen können enthalten den Mittelwert der Bitrate für eine GOP, die Vollbild- Bitrate und den Makroblock oder die Blockbitrate. Andere Informationen, die die Leistungsfähigkeit des Prozessors 22 verbessern können, enthalten die Komplexität der diskreten Cosinustransformation, den Typ der verwendeten Quantisiermatrix und die angewendete Schrittgröße der Quantisiermatrix. Außerdem kann der Prozessor 22 über die Steuereinheit 28 Informationen zu dem Koder 24 dafür liefern, seinen Betrieb zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit der Kodierung einzustellen.
• Nach der Formung in einen Transportpaket-Datenstrom unter Anwendung bekannter Lösungen wird das HD-Signal in bekannter Weise zu einem Empfänger übertragen, zum Beispiel wie beschrieben in der Grand Alliance Spezifikation, Mit der Ausnahme der benötigten Aufwärtsabtastung auf eine volle HD-Pixel-Auflösung beim Empfänger ist die durch den Prozessor 22 bewirkte Signalverarbeitung für einen Dekoder in einem zu Grand Alliance kompatiblen Empfänger transparent.
• Beim Empfänger wird der Datenstrom demoduliert, und der Transportstrom wird unter Anwendung bekannter Lösungen verarbeitet, um die Datenpakete und die Programminformationen zurückzugewinnen. Für die oben beschriebenen HD- Programme im Hybrid-Format wird das Signal in dem Wiedergabeprozessor in der Horizontalrichtung aufwärtsabgetastet, wenn die Wiedergabe ein volles HD-Signal benötigt. Die Anzahl der vertikalen Zeilen in dem Bildsignal bleibt unverändert. Das rekonstruiert die volle Auflösung des HD-Signals von 1920 mal 1080 Zeilen für die Wiedergabe durch eine Bildwiedergabeeinheit mit hoher Auflösung: Wenn die Bildwiedergabeeinheit weniger als ein volles HD-Signal benötigt, wird das Signal durch bekannte Verfahren während der Bildrekonstruktion vor der Wiedergabe in geeigneter Weise abwärtsabgetastet. Bestehende Empfänger, die zu Grand Alliance kompatibel sind, benötigen eine Software-Modifikation, um das Hybridsignal rekonstruieren zu können. Die Software-Modifikation ermöglicht Verarbeitungsprogramme einer vertikalen Hardware und Software für Grand Alliance-genormte Modi, die unabhängig gewählt werden, wie es für das ankommende Signal benötigt wird.
• Fig. 4 ist ein Flußdiagramm des Videobild-Signalstroms durch das Kodiersystem. Im Schritt 30 wird das Signalformat identifiziert, und die Identifizierungsinformationen werden mit dem Videosignal übertragen. Die Formatinformationen können zum Beispiel anzeigen, ob das Signal ursprünglich von einem Spielfilm mit einem Format von 24 Vollbildern je Sekunde kommt und ob das Signal verschachtelt oder progressiv ist. Wenn das Signal verschachtelt ist, wird das Signal im Schritt 31 in ein progressives Signal mit 60 Vollbildern je Sekunde umgesetzt. Wenn das Signal durch eine 3:2 Herunterziehung umgesetzt worden ist, werden die redundanten Vollbilder im Schritt 32 beseitigt. Wenn sich das Videosignal bereits in einem progressiven Kamera-Format befindet, läuft es direkt zu dem Filter vom Schritt 34. Im Schritt 34 wird das Videosignal räumlich tiefpaßgefiltert. Das enthält eine vertikale, horizontale und diagonale Filterung, wie oben beschrieben. Der Schritt 35 rekonvertiert das progressive Signal, das im Schritt 31 von einem verschachtelten Signal konvertiert wurde, in ein verschachteltes Signal zurück. Im Schritt 36 unterliegt das Signal einer Herunterziehung um 3:2, um vorher im Schritt 32 beseitigte redundante Vollbilder zu ersetzen. Die Videosignale, die direkt von dem Schritt 30 zu dem obigen Schritt 34 laufen, laufen jetzt direkt von dem Schritt 34 zum Schritt 38. Im Schritt 38 wird das Videosignal von einem der Schritte 34, 35 und 36 auf die oben definierte Hybrid-Signalauflösung mit 1280 mal 1080 unterabgetastet oder, wenn gewünscht, auf ein anderes Ausgangsformat. Im Schritt 40 wird das Hybridsignal, wie oben beschrieben, MPEG2-kodiert. Der Schritt 42 verarbeitet das kodierte Signal für den Transport, und der Schritt 44 moduliert das Transportsignal, wie erforderlich, für die Übertragung über einen Ausgangskanal, wie einen terrestrischen HF-Rundfunkkanal. Schließlich überträgt der Schritt 46 das modulierte Signal. Die Schritte 42 bis 46 erfolgen durch bekannte Verfahren.
• Fig. 5 ist ein Flußdiagramm des übertragenen Bildsignalstroms über einen Empfänger. Dieses Flußdiagramm nimmt an, dass die Bildauflösung des empfangenen Signals das oben definierte Hybrid-HD-Signal mit 1280 mal 1080 ist. Im Schritt 50 wird das übertragene Signal durch einen Tuner empfangen und demoduliert. Das demodulierte Signal wird MPEG2-dekodiert und im Schritt 52 dekomprimiert. Der Schritt 54 identifiziert die Videosignalauflösung als 1280 mal 1080 Pixel je Bild durch die mit dem Signal gesendeten Steuerinformationen. Das Grand Alliance MPEG2-Protokoll liefert mit dem empfangenen Signal Informationen über die Bildauflösung. Das Hybridsignal wird im allgemeinen durch einen einzigen Code identifiziert, ob es eine andere bestimmte Auflösung aufweist. Das Hybridsignal könnte auch auf andere Weise definiert werden, zum Beispiel durch Informationen in den Benutzerdaten der übertragenen Daten. Das Hybrid- Videosignal wird während der Wiedergabeverarbeitung im Schritt 56 horizontal auf ein volles HD-Signal mit 1920 mal 1080 aufwärtsabgetastet. Das Hybridsignal wird mit einer neuen Software für eine bestehende Hardware und Software in dem Empfänger aufwärtsabgetastet, wie vorangehend beschrieben. Schließlich wird das volle HD-Videosignal im Schritt 58 auf einer Wiedergabeeinheit mit 1920 mal 1080 wiedergegeben. Die Schritte 50, 52 und 58 verwenden bekannte Verfahren.
• Die oben beschriebenen Vorrichtungen und die Verfahren können in einer Anzahl von Konfigurationen angewendet werden, um eine verbesserte Bildrekonstruktion für eine hochauflösende Wiedergabe zu erreichen. Es können adaptive und nicht- adaptive Optionen benutzt werden, abhängig von den Anforderungen eines bestimmten Systems. Einige dieser Optionen werden im folgenden beschrieben.
• Eine nicht-adaptive Strategie könnte darin bestehen, die Vollbildfilterung des Prozessors 22 auf eine angestrebte Bitrate zu setzen und zu ermöglichen, dass alle Bilder gleichmäßig verarbeitet werden. Eine andere nicht-adaptive Strategie könnte die Annahme treffen, dass die Mitte eines wiedergegebenen Bildes der am meisten interessierende Bereich ist. Das nimmt außerdem an, dass die Randbereiche des Bildes weniger interessant und daher für den Betrachter weniger wichtig sind. Die Koeffizienten der Filter des Prozessors 22 werden durch die Steuereinheit 28 über Parameter gesetzt, die abhängig sind von der räumlichen Lage der Pixel, und alle Bildinformationen werden gleichmäßig verarbeitet.
• Eine adaptive Option besteht darin, unter Anwendung von Textmodellparametern das Bild in Bereiche, örtliche Videoänderung, Colorimitrie, oder andere Messungen der Bildkomplexität auf der Grundlage des Quellenbildes aufzuteilen. Die Filterkennlinien des Prozessors 22 werden für verschiedene Bereiche adaptiv modifiziert.
• Eine andere Lösung besteht darin, die Filterkennlinien des Prozessors 22 in Abhängigkeit von der Differenz zwischen der tatsächlichen Bitrate und der angestrebten Bitrate adaptiv zu modifizieren. In diesem Fall steuert ein einziger Parameter den Übergang in den Filterkoeffizienten für den 2-D-Frequenzgang.
• Eine andere Strategie besteht darin, den 2-D-Frequenzgang der durch den Prozessor gebildeten Filterung so auszubilden, dass er mit der durch den Koder 24 angewendeten Quantisiermatrix kompatibel ist. Eine Quantisiermatrix kann als ein Tiefpaßfilter mit einer 2-D-Form angesehen werden. Für diese Strategie wären die Werte der Filterkoeffizienten abhängig von der Schrittgröße der Quantisiermatrix. Wenn die Schrittgröße entsprechend eines bekannten Koderbetriebs geändert wird, würde eine entsprechende Änderung für die entsprechenden Filterkoeffizienten erfolgen.
• Die oben genannten Optionen zeigen die Flexibilität eines die Prinzipien der Erfindung anwendenden Systems. Ein derartiges System arbeitet vorzugsweise im Rahmen der MPEG2-Ratensteuerung, um die Fähigkeit der MPEG2-Komprimierung durch Verringerung von KodierArtefakten und anderem Rauschen zu erweitern. Die Vielseitigkeit und die Wirtschaftlichkeit des HDTV-Einsatzes werden durch die Anwendung der Erfindung verbessert. Die Anzahl der je Transponder in einem direkten Satellitenrundfunksystem (d. h. 24 MHz 4-PSK) übertragenen HD- Programme wird von einem Programm auf zwei Programme oder ein HD-Programm mit mehreren SD-Programmen erhöht. Die Möglichkeit, ein HD-Programm mit mehreren SD-Programmen in einem terrestrischen Rundfunkkanal mit 6 MHz zu übertragen, ist gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung erreichbar. Früher waren Sender auf die Übertragung eines HD-Programms in einem Kanal oder mehrerer SD-Programme in einem Kanal eingeschränkt.
• Wenngleich die Erfindung im Zusammenhang mit HD-Signal-Übertragungs- und Empfangssystemen beschrieben wurde, sind die Prinzipien der Erfindung auf andere Anordnungen wie Datenspeichersysteme anwendbar. In Systemen wie einer digitalen Videoplatte (DVD) werden Videodaten kodiert und für eine Wiedergabe zu einer späteren Zeit gespeichert. Das Speichermedium hat eine begrenzte Menge an verfügbarem Speicherplatz. Wenn ein kodiertes Programm, ein Spielfilm oder eine andere Videofolge das Platzvolumen übersteigt, das auf dem Medium verfügbar ist, kann eine weitere Kodierung/Komprimierung zur Aufbereitung des Programms unakzeptable Artefakte erzeugen. Die oben beschriebene Erfindung kann dazu dienen, das Programm effizient auf eine niedrigere Bitrate zu kodieren, die eine Anpassung des Programms an die Platte ermöglicht. Ebenso können mehrere Programme auf einer Platte untergebracht werden. Die digitale Speicherung auf einem Band kann ebenfalls verbessert werden, wie oben beschrieben.

Claims (15)

1. Verfahren zur Verarbeitung eines ersten beziehungsweise zweiten Videosignals, die ein erstes und ein zweites unterschiedliches Bildformat aufweisen, mit dem Schritt der Ermittlung der Anwesenheit des ersten oder des zweiten Videosignals und ferner mit folgenden Schritten:

A. wenn das erste Videosignal ermittelt wird,

(a) Umsetzung des ersten Videosignals in ein anderes Format zur Erzeugung eines umgesetzten Signals,

(b) Filterung des umgesetzten Signals zur Erzeugung eines gefilterten Signals,

(c) Rückumsetzung des gefilterten Signals auf das ursprüngliche Format des ersten Signals zur Erzeugung eines rückumgesetzten Signals,

(d) Umsetzung des rückumgesetzten Signals auf eine niedrigere Auflösung zur Erzeugung eines Signals mit einer niedrigeren Auflösung,

(e) Kodierung des Signals mit niedrigerer Auflösung zur Erzeugung eines kodierten Signals und

(f) Übertragung des kodierten Signals zu einem Ausgangskanal, und

B. wenn das zweite Videosignal ermittelt wird,

(g) Filterung des zweiten Videosignals zur Erzeugung eines gefilterten Signals,

(h) Umsetzung des gefilterten Signals auf eine niedrigere Auflösung zur Erzeugung eines Signals mit einer niedrigeren Auflösung,

(i) Kodierung des Signals mit niedrigerer Auflösung zur Erzeugung eines kodierten Signals und

(j) Übertragung des kodierten Signals zu einem Ausgangskanal.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste Videosignal ein verschachtelt abgetastetes Signal ist und das verschachtelt abgetastete Signal im Schritt (a) in ein progressiv abgetastetes Signal umgesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste Videosignal ein durch Filmabtastung erzeugtes Signal ist und das durch Filmabtastung erzeugte Signal im Schritt (a) in ein nicht durch Filmabtastung erzeugtes Signal umgesetzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das zweite Videosignal ein progressiv abgetastetes Signal ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Filterungsschritte eine Tiefpaßfilterung bewirken.

6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Filterungsschritte eine zweidimensionale Filterung bewirken.

7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Filterungsschritte eine adaptive Filterung bewirken, die auf eines einer Gruppe von Vollbildern, ein einziges Vollbild und einen Teil eines Vollbildes eingestellt ist.

8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Filterungsschritte eine zeitliche Tiefpaßfilterung bewirken und adaptiv die Filterungseigenschaften in Abhängigkeit von Merkmalen des Signals ändern.

9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Filterungsschritte eine räumliche Tiefpaßfilterung bewirken und adaptiv die Filterungseigenschaften in Abhängigkeit von den Eigenschaften des Signals ändern.

10. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Kodierschritte MPEG2-kompatibel sind.

11. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Signal mit der niedrigeren Auflösung eine Auflösung von 1280 mal 1080 Datenabtastwerten je Vollbild aufweist.

12. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste und das zweite Videosignal hochauflösende Signale mit einer Auflösung von 1920 mal 1080 Datenabtastwerten je Vollbild sind.

13. Verfahren zur Verarbeitung eines verschachtelt abgetasteten Videosignals oder eines Signals mit einem durch Filmabtastung erzeugten Signalformat mit folgenden Schritten:

Ermittlung der Anwesenheit des verschachtelt abgetasteten Videosignals oder des durch Filmabtastung gewonnenen Signals,

Umsetzung des ermittelten Signals auf ein progressiv abgetastetes Signal bzw. ein nicht durch Filmabtastung erzeugtes Signal zur Erzeugung eines umgesetzten Signals,

Filterung des umgesetzten Signals zur Erzeugung eines gefilterten Signals,

Rückumsetzung des gefilterten Signals auf ein verschachtelt abgetastetes Signal oder ein durch Filmabtastung erzeugtes Signal zur Erzeugung eines rückumgesetzten Signals,

Umsetzung des rückumgesetzten Signals auf eine niedrigere Auflösung zur Erzeugung eines Signals mit einer niedrigeren Auflösung,

Kodierung des Signals mit niedrigerer Auflösung zur Erzeugung eines kodierten Signals und

Übertragung des kodierten Signals zu einem Ausgangskanal.

14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Filterungsschritt eine Tiefpaßfilterung und der Kodierschritt eine MPEG2-Kodierung ist.

15. Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Signal mit der niedrigeren Auflösung eine Auflösung von 1280 mal 1080 Datenabtastwerten je Vollbild aufweist.