Система передачи и приема сигнала изображения Советский патент 1989 года по МПК H04N1/41 

/ТТЛ

Изобретение относится к телевидению. Цель изобретения - сокращение полосы пропускания телевизионного канала путем увеличения коэф. сжатия сигнала при передаче серии неподвижных изображений (И). Система передачи и приема сигнала И содержит устройство кодирования 1 сигнала И, состоящее из фильтра 4 нижних частот, блока анализа 5 сигнала контуров И, блока задержки 6, блока анализа 7 динамики сигнала И, сумматора 8, блока кодирования 9 сигнала контуров И, блока декодирования 10 сигнала контуров И, блока ранжирования 11 сигнала контуров И, блока косинусного кодирования 12 сигнала текстуры И и блока перераспределения 13 коэф. косинусного кодирования сигнала текстуры И, канал 2 связи и устройство декодирования 3 сигнала И, состоящее из блока задержки 14, запоминающего блока 15 сигнала контуров И, запоминающего блока 16 коэф.косинусного кодирования сигнала текстуры И, блока декодирования 17 сигнала контуров И, сумматора 18 и блока косинусного декодирования 19 сигнала текстуры И. При передаче сигнала И осуществляется его разбиение на три составляющие: фоновую, контурную и текстурную. Вначале передается информация о более грубой текстуре И, а в заключение - о наиболее мелкой текстуре. При работе устройства кодирования 1 передача сигнала И занимает время, равное 13 телевизионным кадрам, которые распределены следующим образом: передача сигнала фоновой составляющей (1-й кадр), сигнала контуров И (2-й - 9-й кадры), сигнала текстуры И (10-й - 13-й кадры). Это время передачи сигналов хорошо согласуется с особенностями восприятия И зрительной системой наблюдателя и позволяет выравнивать поток информации по всем кадровым интервалам, обеспечив приоритет наиболее информативной характеристике И - контурной составляющей. Информация с выхода устройства кодирования 1 поступает через канал 2 на вход устройства декодирования 3, где из трех составляющих осуществляется восстановление сигнала И. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

фиг.1

грубой текстуре И, а в заключение - о наиболее мелкой текстуре При работе устр-ва 1 кодирования передача сигнала И занимает время, равное 13 телевизионным кадрам, которые распределены следующим образом; передача сигнала фоновой составляющей (1-й кадр), сигнала контуров И (2-9-й кадры), сигнала текстуры И (10-13-й кадры).Это время передачи сигналов хорошо согласуется с особенностями

,

Изобретение относится к технике телевидения и может быть использовано для кодирования изображения при передаче и приеме сигнала от серии неподвнжньсх объектов, например серии слайдов, набора картографической информации и т.д.

Цель изобретения - сокращение полосы пропускания телевизионного кана ла путем увеличения коэффициента сжатия сигнала при передаче серии неподвижных изображений.

На фиг.1 представлена структурная схема системы передачи и приема си1 - нала изображения; на фиг.2 - струк-- турная схема блока анализа динамики сигнала изображения; на фиг.З - структурная схема блока ранжирования сигнала контуров изображения; на фиг.4 - структурная схема блока перераспределения коэффициентов косинусного кодирования текстуры изображения.

Система передачи и приема сигнала изображения содержит устройство 1 кодирования сигнала изображения, канал 2 связи, устройство 3 декодирования сигнала изображения, фильтр 4 нижних частот, блок 5 анализа сигнала контуров изображения, первый блок 6 задержки, блок 7 анализа динамики сигнала изображения, первый сумматор 8, блок 9 кодирования сигнала контуров изображения, первый блок 10 декодирования сигнала контуров изображения, блок 1,1 ранжирования сигнала контуров изображения, блок 12 косинусного кодирования сигнала текстуры изображения, блок 13 перераспределе- ния коэффициентов косинусного кодирования сигнала текстуры изображения, второй блок 14 задержки, запоминающий блок 15 сигнала контуров изображения

восприятия и зрительной системой наблюдателя и позволяет выравнивать поток информации по всем кадровьгм интервалам, обеспечив приоритет наиболее информативной характеристике И - контурной составляюп(ей. Информация с выхода устр-ва 1 кодирования поступает через канал 2 на вход устр-ва 3 декодирования, где из трех составляющих осуществляется восстановление сигнала Н. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

20

25

30

35

4045 ,

запоминающий блок 16 коэффициентов косинусного кодирования сигнала текстуры изображения, второй блок 17 декодирования сигнала контуров изображения, второй сумматор 18 и блок 19 косинусного декодирования сигналов текстуры изображения.

Блок 7 анализа динамики сигнала изображения содержит линию задержки на кадр 20, вычитатель 21 и компаратор 22.

Блок 11 ранжирования сигнала контуров изображения содержит вычислитель 23 экстремумов сигнала контуров изображения, элемент 24 задержки сигнала контуров изображения, определитель 25 количества контуров изображения, вычислитель 26 порогов ранжирования, элемент 27 сравнения, схему 28 управления записью-считыванием сигнала контуров изображения, первый - четвертый элементы 29-32 памяти сигнала с первой по четвертую итераций и элемент 33 памяти сигнала геометрических параметров контуров изображения.

Блок 13 перераспределения коэффициентов косинусного кодирования сигналов текстуры изображения содержит схему 34 управления записью-считыванием сигнала коэффициентов косинусного кодирования текстуры изображения и элементы памяти сигнала нулевого 35 и с первого 36 по седьмой 42 коэффициентов косинусного кодирования текстуры изображения.

Система передачи и приема сигнала изображения работает следующим образом.

Исходной предпосылкой при передаче сигнала изображения является разбиение изображения на три составляющих: фонофую, контурную и текстурную.

При смене изображений, например слайда, карты, происходит ухудшение разрешающей способности зрите:1ьной системы наблюдателя. Полное восстановление всех функций зрительной системы происходит не ранее, чем через 0,5 с. Учитывая этот эффект, передача информации при смене кадра происходит следующим образом. В течение первого телевизионного кадра передается сигнал, содержащий данные о фоновой составляющей, затем следующие восемь телевизионных кадров,передается сигнал, содержащ 1й информацию о контурах изображения, причем вначале передается информация о наиболее содержательных границах (контурах) изображения, имеющих наибольщий градиент яркости, в течение последних четырех телевизионных кадров передается сигнал, содержащий в виде коэффициентов коси- нусного преобразования информацию о текстуре изображения. Информация передается начиная с нулевого и первого коэффициентов косинусного преобразования (грубая текстура) и кончая седьмым и восьмым коэффи1даентами косинусного преобразования (мелкая текстура) .

Исходное изображение, преобразованное в сигнал в виде цифрового 8-разрядного кода, поступает на вход устройства 1 кодирования сигнала изображения, где подвергается следующей обработку. В фильтре А нижних частот происходит выделение сигнала фоновоГ составляющей изображения путем свертки исходного сигнала с двумерной матрицей и с последующей субдискретизацией, В блоке 5 анализа сигнала контуров изображения в результате вычисления градиента яркости и сравнения его с пороговым значением происходит выделение сигнала контуров изображения. В блоке 9 кодирования сигнала контуров изображения контуры представляются в виде набора дуг окружностей или эллипсов, чем достигается сжатие информации и представление ее в удобном для работы блока 11 ранжирования сигнала контуров изображения виде. В вычитателе 23 экстремумов сигнала контуров изображения блока 11 происходит определение минимального X „, и максимального Хд,(,(, значений градиентов из всего множества контуров, затем эти значения совместно со значениями мии

/WOIKC поступают в вычислитель пс .то- гов, Значение ,j,, которое раьно общему количеству вьщелегньгх контуров, поступает транзитом через в мисли-- тель 23 экстремумов сигнапа контуров изображения от блока 9 кодирования сигнала контуров изображения, где оно определяется простым подсчетом. Значение Y, равное количеству контуров с максимальным значением градиента Х.,, вычисляется в определителе 25 количества контуров изображения, где происходит подсчет количества импульсов на втором выходе вычислителя 23 экстрем мов сигнала контуров изображения и текущего значения градиента X, задержанного на время обработки информации схемой 23 с помощью элемента 2А задержки сигнала контуров изображения. Вычислитель 26 порогов ранжирования выполняет операцию по определению величины X,(i 1, 2, 3). Функция амплитудного распределения контуров подчиняется экс.. . -СХ-Х

пoнeнциaльнo ry закону вида Y Ае Для вычисления параметров А и об достаточно значений функ1Д1и в двух точ(X

длин маис

X

MOk-C

У„„и), оп

ределенных ранее в схемах 23 и 25, Таким образом, в вычислителе 2f порогов ранжирования величина X, определяется из следующего вьфажения: Y, oZ

t I акс (

X

где 6/,

е.пА .c

X дла кг ХА ин

0

Y,

Y,

-

5

0

5

Значе1шя , X,, Х,, Xj, опре- деляюп 1е разбиение амплитудного диапазона градиента на четьфе участка, поступают на первый - четвертый информационные входы элемента 27 сравнения, на пятый информаююнный вход которого подается задержанная на время обработки схемами 23 и 25 информация с второго выхода элемента 24 задержки сигнала контуров изображения, В элементе 27 сравнения определяется по амплитудному признаку принадлежность Контура к одному из четырех участков амплитудного диапазона. Посредством подачи соответствующих сигналов на схему 28 управления записью-считыванием сигнала контуров изображения информация о контуре записывается в первый - четвертый

714

элементы 29-32 плмяти сигь пла первой - четвертой итерашшй; п перньи) элемент 29 памяти сиг иала первой HTepaiyiH записывается a fflлитyднaя информа1щя о контурах, градиент которых гфев. значение X ; во второй элемент 30 памяти сигнала вчорой итерации - в диапазоне (Х,,-Х) ; в третий элемент 31 памяти сигнала третьей итерации - в диапазоне () в четвертый элемент 32 памяти сигнала четвертой итерагщи - в диапазоне (,,1) . Информация о геометрических параметрах контуров первой - чет- вертой итераций заносится в четыре области элемента 33 памяти сигнала геометрических параметров контуров изображения. По команде с блока 7 анализа динамики сигнала изображе 1ия, поступающей на вход управления схемы 28 управления записью-считыванием сигнала контуров изображения происходит вывод информа1 1ии из элементов 29-33 памяти. В течение первых телевизионных кадров считывается информация о наиболее содержительных контурах с элеь ента 29 памяти сигнала первой HTepai in, затем в последующих двух телевизионных кадрах - с элемента 30 памяти сигнала второй итерации и т.д. Синхронно с амплитудной информа1р1ей производится считывание геометрических параметров данного контура из соответствующей области элемента 33 памяти сигнала геометрических параметров контуров изображения. Команда с блока 7 анализа динамики сигнала изображения поступает при смене изображений и формиру- ется в результате сравнения в компараторе 22 межкадровой разности фоновой составляющей с противошумовым пороговым значением, равным 1,5% максимального размаха сигнала, Межкад- ровая разность получается в результате вычитания на вычитателе 21 из текущей фоновой составляющей с вькода фильтра 4 нижних частот фоновой составляющей предьщущего кадра, сформированной на выходе линии задержки на кадр 20. Для получения сигнала текс- изображения используется первый cy fMaTop 8, Б котором производится вычитание из исходного сигнала, за- держанного в первом блоке 6 задержки фоновой составляющей и контурной информации с выхода первого блока 10 декодирования сигнала контуров изоб

Q 5 0 5 0 Q ,

5

0

68

раже1 ия. Так как блок 9 кодирования сигнала контуров изображения осуществляет аппроксимацию контуров набором дуг окружностей, выходной сигнал с первого блока 10 декодирования сигнала контуров изображения не эквивалентен сигналу на его входе. Благодаря последовательному включению блоков кодирования 9 и декодирования 10 сигнала контуров изображения в остаточном сигнале текстуры на выходе первого сумматора В присутствует сигнал ошибки кодирования контуров, ко- торьй затем передается по каналу 2 связи на устройство 3 декодирования сигнала изображения. При этом происходит практически полная компенсация ошибки кодирования контуров изображения. Текстурная информация с выхода первого сумматора 8 подвергается преобразованию в блоке 12 косинусного кодирования сигнала текстуры изображения. В блоке 13 перераспределения коэффициентов косинусного кодирования сигналов текстуры изображена информация о каждом коэффи1Ц1енте косинусного преобразования записывается в соответствующий элемент памяти сигнала нулевого 35 и с первого 36 по седьмой 42 коэффициентов косинусного кодирования текстуры изображения. По команде с блока 7 анализа динамики сигнала изображения из элементов памяти 35-42 происходит вывод информации в течение четьфех телевизионных кадровых интервалов. Внач але за один телевизионный кадр выводится информация о нулевом (из элемента 35 памяти) и первом (из элемента 36 памяти) коэффициентах косинусного кодирования всех текстурньсх областей кодирования, затем в следующем телевизионном кадре - о втором (из элемента 37 памяти) и третьем (из элемента 38 памяти) коэффициентах косинусного кодирования и т.д. Таким образом, вначале передается информация о более грубой текстуре изображения, а в заключение - о наиболее мелкой текстуре. Из описания работы устройства 1 кодирования сигнала изображения следует. что передача сигнала изображения .: нимает время, равное 13 телевизионным кадрам, которые распределены следующим образом: передача сигнала фоновой составляющей .(первый кадр), сигнала контуров изображения (второй - девятый кадры), сигнала текстуQ1

ры изображения Гдесятьгй - тринадцатый кадрьО . Указанное время, передачи сигнала хорошо согласуется с особен- HocTHNtH восприятия 1зобра,т:ення зрительной системы наблюдателя и позволяет BbinpamiTb поток ннформа Ц1И по всем кадровым интервалам, обеспечив приоритет наиболее информативной характеристике изображения - контур- ной составляющей. Информация с выхода устройства 1 кодирования сигнала изображения поступает через канал 2 на вход устройства 3 декодирования сигнала изображения. Во второй блок 14 задержки производится запись сигнала фоновой составляюгцей, котора с задержкой на время обработки сигнала в блоке 19 косинусного декодирования сигнала текстуры изображения предъявляется на вход второго сумматора 18 в течение всех последующих телевизионных кадров. В запоминающем блоке 15 сигнала контуров происходит накопление информации о контурах пер вой - четвертой итераций с последующим выводом в каждом телевизионном кадре накопленного количества данных во вт орой блок 17 декодирования сиг-нала контуров изображения. Запоминаю щий блок 16 коэффициентов косинусного кодирования сигнала текстуры изображения производит запоминание поэтапно передаваемых коэфф|И1шентов косинусного кодирования с последую- щим их выводом в блоке 19 косинусного декодирования сигнала текстуры изображения, где происходит восстановление сигнала из области косинусных преобразований во временную об- ласть. Второй сумматор 18 выполняет суммирование всех трех составляющих и с его выхода восстановленный сигнал поступает на выход устройства 3 декодирования сигнала изображения.

Система передачи и приема сигнала изображения реализуется на базе типовой схемотехники цифровой обработки телевизионных изображений. Бло 7 анализа динамики сигнала изображения содержит ОЗУ на ТВ кадр изображения (линия задержки на кадр 20), схему АЛУ типа 530.НПЗ (вычита ель 21), схему сравнения чисел типа 530 СП1 (KONmapaTop 22). Блок 11 ранжирования сигнала контуров изображения содержит схему группового сравнения (вычиЕлитель 23 экстремумов сигнала контуров изображения), сдви

A

Q 5 0 5 0 , д

0

5

246 J

говые ptrucTpn 155i } 1j. (ч;и ,.:( задержки сигнала котурсг. 1:чоГ1ра,е- ния), Itчu poвoй комплрртор 530 СП и счетчик 555 iiE (unr еде iiiTe ib 7.5 количества контуров изображения), схемы АЛУ 530 ИПЗ и ППЗУ КР 556 РТ 5 (вьгчислитель 26 порогов ранжирования), cxeNfy сравнения чисел 530 СП 1 (элемент 27 сравнения), запоминаюпи1е устройства К 185РУ5 и счтечики К з55 НЕ7 (первый - четверть.й элементы 29- 32 памяти сигнала первой - четвертой итера1р1и, элемент 33 памяти cигнaJra геометрических параметров контуров изображения). В блоке 1 3 перераспределения коэффициентов косинусного кодирования элементы памяти сигнала нулевого 35, с первого 36 по седьмой 2 коэффициентов косинусного кодирования текстуры изображения аналогичны элементам памяти с 29 по 33 в блоке 1I ранжирования сигнала контуров изображения.

Система передачи и приема сигнала изображения характеризуется повышенным качеством передачи изображений, яасьпиенных деталя№1, и BOICOKHM коэффициентом сжатия информации, позволяющим практически на порядок снизить требуемую пропускную способность канала связи. Данная система может быть также использована для передачи малоподвижных изображений, мер в видеотелефонии, а п сочетании с существующиьо системами мсжкадро- вого кодирования, например с системой с условным гзамещеиие-м, - при кодировании изображения вещательного толевидения.

Формула изобретения

первый блок декодирования сигнала контуров изображения, блок косинусного кодирования сигнала текстуры изображения, выход фильтра нижних чггстот соединен с первым вычитающим входом сумматора и с выходом устройства кодирования сигнала изображения выход блока анализа сигнала контуров изображения подключен к входу блока кодирования сигнала контуров изображения, выход которого соединен с входом первого блока декодирования сигнала контуров изображения, выход которого подключен к второму вычитающему вхо- ду первого сумматора, суммирующий вход которого соединен с выходом первого блока задержки, вькод первого сумматора подключен к входу блока косинусного кодирования сигнала текс туры изображения, устройство декодирования сигнала изображения включает в себя второй блок задержки, вход которого подключен к входу устройств декодирования сигнала изображения, второй блок декодирования сигнала контуров изображения, бдок косинусного декодирования сигнала текстуры изображения, второй сумматор,, выход которого объединен с выходом систе- мы передачи и приема сигнала изображения, выход второго блока задержки подключен к первому входу второго сумматора, выход второго бдока декодирования сигнала контуров изобра- жения подключен к второму входу второго сумматораJ выход блока косинусного декодирования сигнала текстуры изображения подключен к третьему входу второго сумматора, отличаю щ а я с я тем, что, с целью союра- щения полосы пропускания телевизионного канала путем увеличения коэффициента сжатий, сигнала при передаче серии неподвижных изображений, вне- дены в устройство кодирования сигнала изображения блок анализа динамики сигнала изображения, блок ранжирования сигнала контуров изображения, блок перераспределения коэффициентов косинусного кодирования сигнала текстуры изображения, а в устройство декодирования сигнала изображения - запоминающий блок сигнала контуров изображения и запоминаю1ций блок ко- эффициентов косинусного кодирования сигнала текстуры изображения, при этом выход блока анализа динамики сигнала изображения параллельно сое5

g 5 0 0 5 0 З Q

динен с управ.чяющими вxoдa пl блока перераспределения коэффициентов косинусного кодирования сигнала текстуры изображения и блока ранжирования сигнала конту тов изоГфа,кения, информационный вход блока ранжирования сигна.ча контуров изображения подключен к выходу первог о блока кодирования сигнала контуров изображения, выход блока ранжирования сигнала контуров изображения объединен с выходом устройства кодирования сигнала изображения, информационный вход блока перераспределения коэффициентов косинусного кодирования сигнала текстуры изображения соединен с выходом блока косинусного кодирования сигнала текстуры изображения, выход блока перераспределения коэффициентов косинусного кодирования сигнала текстуры изображения объединен с выходом устройства кодирования сигнала изображения, входы запоминающего блока сигнала контуров изображения И запоминающего блока коэффициентов косинусного кодирования сигнала текстуры изображения объединены с входом устройства декодирования сигнала изображения, выход запоминающего блока сигналов контуров изображения соединен с входом второго блока декодирования сигнала контуров изображения, а выход запоминающего блока коэффициентов косинусного кодирования сигнала текстуры изображения подключен к входу блока косинусного декодирования сигнала текстуры изображения.

г 5 0 5 О .

5

с управляющим РХОЛОМ -лемскта паияти сигнала геометрических парлметро) контуров изображения, вхол которого объединен входами первого, , трегье- го, четвертого элементен 1Ь-;мити сигнала первой, второй, третьей, четвертой итераций и подключен к BTopoNry выходу элемента задержки сигнала контуров изображения, выходы элемента памяти сигнала геометрических параметров контуров изображения и сигнала первой, второй, третьей, четвертой итераций объединень между собой и являются выходом блока ранжирования сигнала контуров изображения.

сигнала коэффициентов косинусного кодирования текстуры изображения является управляющим входом блока перераспределения коэффициентов косинусного кодирования сигнала текстуры изображения, с первого по восьмой выходы схемы управления записью- считыванием сигнала коэффициентов косинусного кодирования текстуры изображения подключены поочередно к управляющим входам элементов памяти сигнала нулевого, с первогё по седьмой коэффициентов косинусного кодирования текстуры изображения, выходы которых объединены между собой и являются выходом блока перераспределения коэффициентов косинусного кодирования сигнала текстуры изображения.

Фи,г.5

i

От блока 6

15

Фиг.