DE69417833T2

DE69417833T2 - Farbtrennungsgerät und Verfahren für digitales Fernsehen

Info

Publication number: DE69417833T2
Application number: DE69417833T
Authority: DE
Inventors: Robert J. Gove
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1993-09-30
Filing date: 1994-09-26
Publication date: 1999-10-21
Anticipated expiration: 2014-09-27
Also published as: JPH07203480A; CN1082318C; EP0647070B1; US5347321A; EP0647070A3; DE69417833D1; CA2132466A1; CN1108848A; EP0647070A2

Description

Technisches Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich auf Fernsehempfänger und insbesondere auf das Abtasten eines Videosignals, um Pixeldaten für wechselnde Anzeigeformate zu erlangen.

Hintergrund der Erfindung

Bei vielen Fernsehübertragungssignalen, vor allem bei jenen gemäß der NTSC-, PAL- und CCAM-Standards, gibt es eine Beziehung zwischen der horizontalen Zeilenfrequenz (Fh) und der Farb-Unterträgerfrequenz (Fsc). Zum Beispiel werden bei NTSC- Signalen die Luminanz und die Chrominanz in einem einzigen Kanal übertragen, indem ein Chrominanz-Unterträger mit 3,58 MHz verwendet wird, was einer Zeilenfrequenz von 15.734,26 Hz mal 455/2 entspricht. Diese Beziehung ermöglicht, im Fernsehempfänger die Luminanz- und Chrominanzkomponenten zu trennen, wodurch eine Interferenz zwischen diesen verhindert wird, bevor die primären Farbsignale zur Anzeige wiedergewonnen werden.
In digitalen Fernsehsystemen, die sich nach den NTSC-Standards richten, erfordern die typischen Algorithmen zur digitalen Farbtrennung eine Abtastrate, die irgendein Vielfaches der 3,58-MHz-Unterträgerfrequenz ist. Eine gewöhnlich verwendete Abtastrate ist ca. 14,318 MHz, die als "4 fsc"-Rate bezeichnet wird. Sie führt zu ca. 763 Abtastwerten aus aktiven Videodaten pro Zeile.
Ein Problem bei der 4-fsc-Abtastrate besteht darin, daß sie nicht immer mit der für eine gewünschte Anzahl von Pixel pro Zeile (horizontale Auflösung) erforderlichen Abtastrate übereinstimmt. Zum Beispiel erfordern die heutigen Fernsehsysteme mit erhöhter Auflösung wie etwa "Breit-NTSC" ein Bild, das breiter als die vorherigen Bilder ist, bei einem Bildformat von 16 : 9. Das gewünschte Bildformat und die verfügbare Anzahl von Zeilen pro Vollbild bestimmen die horizontale Auflösung. Die einfachsten Abtastverfahren liefern einen Abtastwert pro Pixel. Jedoch sind im allgemeinen die Abtastraten für die NTSC-Farbtrennung und für ein gewünschtes Bildformat nicht dieselben. Zum Beispiel sind für eine 480-Zeilen-Anzeige mit einem 4 : 3-Bildformat 640 Pixel pro Zeile erforderlich. Jedoch führt, wie oben erwähnt, die 4-fsc-Abtastrate für die NTSC- Farbtrennung zu 763 Abtastwerten pro Zeile. Dies erfordert irgendeine Einrichtung, die Abtastwerte für die gewünschte horizontale Auflösung liefert.
Einige vorhandene Systeme liefern die geforderte Anzahl von Pixel pro Zeile, indem sie zuerst die ankommenden Daten mit 4 fsc oder mit einer anderen auf den Burst bezogenen Abtastrate abtasten, die Farbtrennung durchführen und danach die Abtastwerte auf die gewünschte horizontale Auflösung skalieren. Jedoch besteht ein Problem beim Skalieren darin, daß wahrscheinlich sichtbare Bildfehler auftreten. Außerdem macht die erhöhte Komplexität der Systeme diese teurer.

Zusammenfassung der Erfindung

Ein Aspekt der Erfindung ist ein Farbseparator für einen Videosignalempfänger, mit:
einer Luminanztrenneinheit zum Empfangen eines Videoeingangssignals und zum Trennen der Luminanzkomponente von den Chrominanzkomponenten des Eingangssignals; ersten Abtasteinrichtungen zum Abtasten der Luminanzkomponente mit einer durch die Anzahl von pro Zeile anzuzeigenden Pixel bestimmten Rate; zweiten Abtasteinrichtungen zum Empfangen des Eingangssignals und zum Abtasten des Eingangssignals mit einer vorgegebenen Rate; einer Chrominanztrenneinheit zum Empfangen von Datenabtastwerten von den zweiten Abtasteinrichtungen und zum Trennen der Luminanzabtastwerte von den Chrominanzabtastwerten; und einer Skalierungseinheit zum Skalieren der Chrominanzabtastwerte in der Weise, daß die Anzahl der Chrominanzabtastwerte pro Zeile im wesentlichen gleich der gewünschten Anzahl von pro Zeile anzuzeigenden Pixel ist.
An diesem Punkt entsprechen sowohl die Luminanz- als auch die Chrominanzabtastwerte der gewünschten horizontalen Auflösung.
Ein technischer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß sie nach Farben getrennte Daten aus NTSC-Signalen liefert und ferner den Anforderungen nach einer horizontalen Auflösung für Nicht-NTSC-Anzeigeformate genügt. Da sie die Notwendigkeit zur Skalierung der Luminanzkomponente umgeht, minimiert sie unerwünschte Bildfehler. Auch wenn die Chrominanzkomponente skaliert wird, führt deren geringere Bandbreite zu einer geringeren Wahrscheinlichkeit von Bildfehlern.

Kurzbeschreibung der Zeichnung

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm von Videokomponenten eines digitalen Fernsehempfängers.
Fig. 2 zeigt eine programmierbare Version des Empfängers nach Fig. 1.

Genaue Beschreibung der Erfindung

Fig. 1 zeigt Komponenten eines Digitalempfängers 10. Verständlicherweise sind nur die Komponenten gezeigt, die zur Erlangung von Ausgangspixeldaten verwendet werden; Komponenten, die für Aufgaben wie Synchronisation und Audiosignalverarbeitung verwendet werden, sind nicht gezeigt.
Obwohl die folgende Beschreibung einen Empfänger für ein Fernsehübertragungssignal betrifft, könnte der Empfänger 10 selbstverständlich ein beliebiger Typ einer Einrichtung zum Empfangen eines analog zusammengesetzten Videosignals und zur Anzeige oder Speicherung von Bildern, die durch dieses Signal repräsentiert werden, sein.
Für diese Beschreibung wird ein Empfänger 10 mit einer vertikalen Auflösung von 480 Zeilen angenommen. Der Empfänger 10 hat eine Anzeige mit räumlichem Lichtmodulator (SLM-Anzeige), die durch einzeln adressierbare Pixelelemente gekennzeichnet ist, die simultan ein- oder ausgeschaltet werden können. Bilder werden durch Adressierung jener Pixel, die während eines Bildrahmens einzuschalten sind, und durch Steuerung der Zeitdauer pro Vollbild, während der jedes Pixelelement eingeschaltet ist, aufgebaut. Ein Beispiel eines SLM ist die von Texas Instruments Incorporated hergestellte digitale Spiegelvorrichtung (DMD). Die Spiegelelemente der DMD sind quadratisch, so daß bei einer gegebenen vertikalen Auflösung (VR) und einem gewünschten Bildformat (AR) die horizontale Auflösung (HR) bestimmt ist durch:
AR = HR/VR
Folglich ist z. B. für ein gewünschtes Auflösungsverhältnis von 4 : 3 die Anzahl der Pixel pro Zeile:
4/3 = HR/480
HR = 640
Eine umfassendere Beschreibung eines DMD-basierten digitalen Fernsehsystems ist im US-Patent Nr. 5.079.544 mit dem Titel "Standard Independent Digitized Video System" und im US-Patent Nr. 5.526.051 mit dem Titel "Digital Television System", die beide auf Texas Instruments Incorporated lauten und hier durch Literaturhinweis eingefügt sind, angegeben.
Das Videoeingangssignal kann ein beliebiges Analogsignal mit Chrominanz- und Luminanzkomponenten sein. Die Luminanzkomponente wird hier als "Y"-Komponente und die Chrominanzkomponente als "C"-Komponente bezeichnet.
Für diese Beschreibung wird angenommen, daß das Eingangssignal so beschaffen ist, daß die Abtastfrequenz für die digitale Farbtrennung nicht gleich der Abtastfrequenz ist, die die gewünschte Anzahl der Ausgangspixel pro Zeile liefert. Zum Beispiel hat es, wenn das Eingangssignal ein NTSC-Signal ist, einen 3,58-MHz-Burst, der als Synchronisationssignal dient, um einen Frequenz- und Phasenbezug für die Chrominanz herzustellen. Wenn jedoch das Eingangssignal mit der geeigneten Rate für die digitale Farbtrennung abgetastet wird, ist das Ergebnis eine Anzahl von Abtastwerten pro Zeile, die von der gewünschten horizontalen Auflösung verschieden ist.
Eine Signalschnittstelle 11 übt die herkömmlichen Signalschnittstellenfunktionen wie Abstimmung und Filterung aus. Sie kann ferner Aufgaben wie etwa das Herausfiltern des Synchronisationssignals erfüllen, die nicht Gegenstand der Erfindung sind. Die Erfindung betreffend besteht die Hauptfunktion der Schnittstelle 11 darin, für zwei verschiedene Kanäle einer Farbtrenneinheit 12 ein gemischtes Y/C-Signal zu liefern.
Über einen ersten Kanal der Farbtrenneinheit 12 empfängt ein analoger Y-Separator 12a das gemischte Videoeingangssignal. Der Separator 12a kann eine analoge Einrichtung zur Trennung der Luminanz- und Chrominanzkomponenten des Eingangssignals zur Erzeugung eines Luminanzsignals sein. Herkömmliche analoge Trennverfahren wie etwa die Filterung durch Sperr- oder Kammfilter können angewendet werden.
Ein erster Analog/Digital-Umsetzer (A/D) 12b empfängt das Y-Signal und tastet dieses mit einer zur gewünschten Anzahl von Ausgangspixel pro Zeile kompatiblen Rate ab. Die geforderte Abtastrate wird durch die gewünschte Anzahl von Pixel pro Zeile und der horizontalen Abtastzeit für die aktiven Videoinformationen bestimmt. Zum Beispiel beträgt in dem NTSC- Signal die Zeilenperiode 63,5 us, wovon ca. 52,4 us aktive Videoinformationen repräsentieren. Für eine Anzeige von 480 Zeilen und 853 Pixel pro Zeile (16 : 9-Bildformat) wird die Abtastrate wie folgt berechnet:
Abtastrate = 853 Pixel/52,4 us
= 16,31 MHz
Für eine Anzeige von 480 Zeilen und 640 Pixel pro Zeile (4 : 3- Bildformat) beträgt die Abtastrate:
Abtastrate = 640 Pixel/52,4 us
= 12,21 MHz
In verbesserten Ausführungen der Erfindung kann die A/D-Einheit 12b programmierbar sein, so daß deren Abtastrate der gewünschten horizontalen Auflösung entsprechend gewählt werden kann.
Die Rate der Abtastung durch den A/D-Umsetzer 12b wird hier als "Ausgangspixelrate" bezeichnet, da sie aus der Anzahl der anzuzeigenden Pixel pro Zeile abgeleitet wird. Jedoch kann eine Funktion des Halbbildpuffers 14 die "Halbbildstreuung" für SLM-basierte Empfänger sein, die keine Austastperioden erfordern. Die Halbbildstreuung ermöglicht das "Streuen" der aktiven Videodaten über die Halbbildperiode, wodurch sich die für die Datenbereitstellung für den SLM 18 erforderliche Pixelrate verkleinert.
Über einen zweiten Kanal der Farbtrenneinheit 12 empfängt ein zweiter A/D-Umsetzer 12c das gemischte Videoeingangssignal. Er tastet das Signal mit ca. 14,318 MHz ab, was die vierfache 3,58-MHz-Unterträgerfrequenz ist. Da das Farbsignal 455/2 Zyklen pro Zeile besitzt, führt diese 4-fsc-Rate zu 910 Zyklen pro Zeile. Im Ergebnis wird jede Zeile des Eingangssignals 910 mal abgetastet. Von diesen 910 Abtastwerten repräsentieren ca. 750 aktive Videodaten, während der Rest aus Austastinformationen besteht.
Eine digitale C-Trenneinheit 12d trennt die Y-Daten von den C-Daten und gibt ein C-Signal aus. Herkömmliche digitale Farbtrennverfahren können zur Implementierung der C-Trenneinheit 12d angewendet werden.
An diesem Punkt werden Y-Daten und C-Daten getrennt und sind in digitaler Form verfügbar. Jedoch sind die Y- und C-Signale mit unterschiedlichen Raten abgetastet worden. Die Y-Daten sind mit der gewünschten horizontalen Auflösung kompatibel, jedoch nicht die C-Daten. Die folgende Tabelle zeigt die Eigenschaften der Pixeldaten nach der Y/C-Trennung und der Abtastung:
Bildformat 4 : 3 16 : 9
Y-Daten 853 640
C-Daten 750 750
Um dieser Inkompatibilität zu begegnen, werden die C-Daten durch eine horizontale Skalierungseinheit 12e skaliert. Das Skalieren konvertiert jede Zeile mit 763 Pixel in eine Zeile mit der korrekten Anzahl von Ausgangspixel. Wird eine Anzeige von 480 Zeilen für ein 16 : 9-Bildformat angenommen, werden die 750 Abtastwerte zu 853 Abtastwerten skaliert, wovon jeder Abtastwert die Chrominanzdaten für ein Ausgangspixel repräsentiert. Für ein 4 : 3-Bildformat werden die 750 Abtastwerte zu 640 Abtastwerten skaliert.
Irgendeiner aus einer Reihe von Skalierungsalgorithmen kann für das Skalieren angewendet werden. Für das 16 : 9-Bildformat ist ein Beispiel eines einfachen Skalierungsalgorithmus die bilineare Interpolation, bei der zwei benachbarte Abtastwerte zur Erzeugung eines neuen Abtastwerts verwendet werden. Für Chrominanzdaten kann das "nächster Nachbar"-Verfahren angewendet werden.
Da das Verhältnis 750/853 angenähert 9/10 für jeweils 9 Abtastwerte ist, wird ein neuer Abtastwert erzeugt. Selbstverständlich kann einer der Skalierungsalgorithmen zu einer Überabtastung oder Unterabtastung führen, so daß die Anzahl der Abtastwerte nicht unbedingt exakt gleich der gewünschten Anzahl von Ausgangspixel ist. Nach dem Skalieren der C-Daten sind Y- und C-Abtastwerte für die gewünschte horizontale Auflösung verfügbar. Wie die A/D-Einheit 12b kann die Skalierungseinheit 12e programmierbar ausgeführt sein, so daß das Skalierungsverhältnis dem gewünschten Bildformat entsprechend variiert werden kann.
Auch wenn die Skalierungseinheit 12e in Fig. 1 als eigenständige Verarbeitungseinheit gezeigt ist, können deren Funktionen von einer Verarbeitungseinheit 15 ausgeübt werden, die sowohl zur Ausführung eines Skalierungsalgorithmus als auch zur Ausführung anderer Verarbeitungsaufgaben programmiert ist. Außerdem kann durch die Verarbeitungseinheit 15 an verschiedenen Punkten des Chrominanzverarbeitungskanals das horizontale Skalieren ausgeführt werden.
Die Verarbeitungseinheit 15 wendet verschiedene Video-Verarbeitungsalgorithmen wie etwa die Digitalsignalkonvertierung aus Farbdifferenzsignalen in RGB, die Konvertierung mit schrittweiser Abtastung und die De-Gamma-Korrektur (Rückgängigmachen der Gamma-Korrektur) an.
Der Speicher 17 ist ein aktiver Speicher für Pixeldaten während der Verarbeitung durch den Prozessor 15 sowie ein Vollbildspeicher zum Bereitstellen der Pixeldaten für den SLM 19. In einem SLM-basierten Empfänger 10 werden die Daten in "Bit- Ebenen", die durch den Formatierer 18 formatiert werden, geliefert. Das US-Patent Nr. 5.526.051, das durch den obigen Literaturhinweis eingefügt ist, beschreibt den Speicher 17, den Formatierer 18 und den SLM 19 näher. Wie oben erwähnt besitzt der SLM 19 ein Ausgangsformat, das abhängig von der Abtastrate des A/D-Umsetzers 12b und dem Skalierungsfaktor der Skalierungseinheit 12e variieren kann. In Übereinstimmung mit den Beispielen dieser Beschreibung kann der SLM 19 640 mal 480 Pixel für das 4 : 3-Bildformat oder 853 mal 480 Pixel für das 16 : 9-Bildformat anzeigen.
Auch wenn in Fig. 1 nicht gezeigt, könnte die Farbtrenneinheit 12 mit einem Digitalempfänger verwendet werden, der eine CRT- Anzeige besitzt. Statt des Formatierers 18 und des SLM 19 würde der Empfänger eine CRT (Katodenstrahlröhre, nicht gezeigt) haben. Für solche Empfänger werden die Daten in eine analoge Form zurückkonvertiert und für die CRT abgetastet, anstatt zum SLM 19 geliefert zu werden.
Fig. 2 zeigt eine programmierbare Version des Farbseparators nach Fig. 1. Wie oben erwähnt können sowohl der A/D-Umsetzer 12b als auch die Skalierungseinheit 12e programmierbar ausgeführt sein. Eine HR-Wahleinheit 21 ermöglicht einem Anwender, eine Einstellung für irgendein Format zu wählen, das dem ankommenden Fernsehsignal entspricht. Steuersignale für die geeignete Abtastrate und den geeigneten Skalierungsfaktor werden bestimmt und jeweils zum A/D-Umsetzer 12b bzw. zur Skalierungseinheit 12e geschickt.

Weitere Ausführungen

Auch wenn die Erfindung mit Bezug auf spezifische Ausführungen beschrieben worden ist, bedeutet dies nicht, daß die Beschreibung in einem beschränkenden Sinn auszulegen ist. Verschiedene Modifikationen der offenbarten Ausführungen sowie alternative Ausführungen werden Fachleuten offensichtlich sein. Es ist deshalb beabsichtigt, daß die beigefügten Ansprüche alle Modifikationen, die in den Rahmen der Erfindung fallen, abdekken.

Claims

1. Farbseparator für einen Videosignalempfänger, mit:

einer Luminanztrenneinheit zum Empfangen eines Videoeingangssignals und zum Trennen der Luminanzkomponente von den Chrominanzkomponenten des Eingangssignals;

ersten Abtasteinrichtungen zum Abtasten der Luminanzkomponente mit einer durch die Anzahl von pro Zeile anzuzeigenden Pixel bestimmten Rate;

zweiten Abtasteinrichtungen zum Empfangen des Eingangssignals und zum Abtasten des Eingangssignals mit einer vorgegebenen Rate;

einer Chrominanztrenneinheit zum Empfangen von Datenabtastwerten von den zweiten Abtasteinrichtungen und zum Trennen der Luminanzabtastwerte von den Chrominanzabtastwerten; und

einer Skalierungseinheit zum Skalieren der Chrominanzabtastwerte in der Weise, daß die Anzahl der Chrominanzabtastwerte pro Zeile im wesentlichen gleich der gewünschten Anzahl von pro Zeile anzuzeigenden Pixel ist.

2. Farbseparator nach Anspruch 1, wobei die ersten Abtasteinrichtungen in der Weise programmierbar sind, daß ihre Abtastrate geändert werden kann.

3. Farbseparator nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Skalierungseinheit in der Weise programmierbar ist, daß ihr Skalierungsfaktor geändert werden kann.

4. Digitaler Farbseparator nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, wobei die zweiten Abtasteinrichtungen das Eingangssignal mit einer Rate abtasten, die ein Vielfaches der Chrominanz-Unterträgerfrequenz ist.

5. Farbseparator nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, wobei die ersten Abtasteinrichtungen die Luminanzkomponente mit einer gewünschten Ausgangspixelrate abtasten.

6. Farbseparator nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, wobei die Skalierungseinheit eine Logikschaltung ist.

7. Farbseparator nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Skalierungseinheit ein mit einem Skalierungsalgorithmus programmierter Prozessor ist.

8. Farbseparator nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, wobei die Abtasteinrichtungen jeweils Analog/Digital-Umsetzer enthalten.

9. Videosignalempfänger, mit:

einem Farbseparator nach irgendeinem vorangehenden Anspruch;

einem Prozessor, der Luminanzdaten von den ersten Abtasteinrichtungen und Chrominanzdaten von der Skalierungseinheit empfängt und Pixelverarbeitungsaufgaben an den Daten ausführt; und

einem Speicher zum Speichern von Pixeldaten während der Verarbeitung und zum Bereitstellen von Daten für eine Anzeige.

10. Empfänger nach Anspruch 9, ferner mit einem Formatierer, der Pixeldaten vom Speicher empfängt und die Pixeldaten formatiert, und mit einem räumlichen Lichtmodulator zum Anzeigen der formatierten Daten.

11. Empfänger nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, ferner mit einem Digital/Analog-Umsetzer zum Empfangen von Pixeldaten vom Speicher und zum Umsetzen der Pixeldaten in ein analoges Anzeigesignal und mit einer Anzeige vom Abtasttyp zum Anzeigen des Anzeigesignals.

12. Verfahren zum Trennen von Luminanzkomponenten von Chrominanzkomponenten eines Fernseheingangssignals, mit den folgenden Schritten:

Verwenden einer Luminanztrenneinheit zum Abtrennen der Luminanzkomponente des Eingangssignals, um dadurch ein Luminanzsignal zu schaffen;

Abtasten des Luminanzsignals mit einer durch eine gewünschten Anzahl von pro Zeile anzuzeigenden Pixel bestimmten Rate;

Abtasten des Eingangssignals mit einer für eine Farbtrennung geeigneten Rate, um dadurch kombinierte Luminanz-/Chrominanz-Datenabtastwerte zu schaffen;

Verwenden einer Chrominanztrenneinheit, um Chrominanzabtastwerte von Luminanzabtastwerten der kombinierten Luminanz- /Chrominanz-Datenabtastwerte zu trennen; und

Skalieren der Chrominanzabtastwerte in der Weise, daß die Anzahl der Abtastwerte pro Zeile im wesentlichen gleich der gewünschten Anzahl von pro Zeile anzuzeigenden Pixel ist.

13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Schritt des Abtastens des Eingangssignals das Abtasten mit einer Rate, die ein Vielfaches der Chrominanz-Unterträgerfrequenz ist, enthält.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, wobei der Schritt des Abtastens des Luminanzsignals das Abtasten mit einer Rate enthält, die durch Dividieren der gewünschten Anzahl von Pixel pro Zeile durch die Zeilenperiode des aktiven Videosignals bestimmt ist.