Brevet FR2529043A1 — publié le 19831223

PROCEDE ET DISPOSITIF DE CONVERSION ANALOGIQUE-NUMERIQUE D'UN SIGNAL DE TELEVISION, APPLIQUES A UN SYSTEME DE TRANSMISSION DE SIGNAUX DE TELEVISION La présente invention concerne un procédé et un dispositif de conversion analogique-numérique d'un signal de télévision et plus particulièrement un système de transmission de signaux de télévision pour la mise en oeuvre du procédé et du dispositif précités En télévision numérique le signal de télévision est échantillonné et chaque échantillon de signal, représentant un point de l'image, est numérisé, généralement à l'aide d'un convertisseur ou quantificateur analogiquenumérique permettant de coder chaque échantillon sur huit bits et de définir l'état de luminance ou de chrominance de chaque point de l'image par rapport à une échelle comportant 256 niveaux, pour restituer l'image avec une qualité suffisante. Ces convertisseurs ont pour principal inconvénient d'être onéreux. Comme l'échantillonnage est effectué en temps réel, un échantillonnage portant par exemple sur 1 000 échantillons par ligne d'image de durée de 64 microsecondes, impose des durées de cycle de conversion de 64 nanosecondes. Par conséquent la réalisation des convertisseurs analogique-numérique de huit bits requiert l'utilisation de circuits intégrés rapides et par conséquent difficiles et onéreux à fabriquer. Pour abaisser le prix de revient, une solution consiste à n'utiliser que des quantificateurs ou convertisseurs analogique-numérique ayant un nombre de niveaux de quantification inférieurs à 256, mais alors dans ce cas, L'image restituée subit des dégradations très rapides avec la diminution du nombre de niveaux de quantification, en particulier, les contours de L'image sont rendues de façon irrégulière, par paliers successifs et de faux contours apparaissent dans les zones uniformes. Une autre solution qui est souvent mise en oeuvre pour résoudre ce problème, consiste à utiliser les procédés et dispositifs de codage par modulation d'impulsions codées différentielles, mais dans ce cas des précautions particulières doivent être prises pour éviter la propogation des erreurs de transmission d'un échantillon, entre le codeur et le décodeur, aux échantillons suivants, ce qui augmente d'autant le prix de revient de ces dispositifs. Le but de l'invention est de pallier les inconvénients précités à l'aide d'un procédé et un dispositif de conversion analogique-numérique de signaux de télévision permettant d'obtenir des échantlllons de signaux de télévision ayant à peu près la même qualité que ceux obtenus par les procédés et dispositifs de conversion d'échantillons disposant de quantificateurs à 256 niveaux de l'art antérieur, en n'utilisant cependant qu'un quantificateur codant les échantillons sur un nombre bien plus faible de niveaux, par exemple 16 niveaux, de façon à abaisser notablement le prix de revient du dispositif de conversion analogique-nurnérique ainsi réalisé. A cet effet l'invention a pour objet un procédé de conversion analogique-numérique d'un signal de télévision du type consistant à échantillonner le signal de télévision, chaque échantillon étant représentatif de l'état de luminance ou de chrominance d'un point d'image, à quantifier chaque échantillon relativement à une échelle présentant des niveaux de quantification et à coder sous forme binaire chaque échantillon quantifié, caractérisé en ce qu'il consiste à faire osciller les niveaux de quantification et à effectuer pour chaque point quantifié de l'image une moyenne spatiale des valeurs des échantillons représentant l'état du point lui-même ainsi que les états des points voisins situés dans la même zone uniforme de l'image que le point considéré pour reconstituer sous forme binaire un état du point correspondant à la valeur moyenne obtenue. L'invention a également pour objet un dispositif de conversion analogique-numérique d'un signal de télévision pour la mise en oeuvre du procédé précité, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un générateur de bruit pseudo-aléatoire relié à la première entrée d'un additionneur dont la deuxième entre reçoit le signal de télévision à numériser, la sortie de l'additionneur étant reliée à l'entrée d'un quantificateur délivrant un signal, représentant l'étatde luminance ou de chrominance quantifié de chaque point d'image, à l'entrée d'un filtre numérique, pour effectuer pour chaque point quantifié de l'image une moyenne spatiale des valeurs des échantillons représentant les états quantifiés du point considéré ainsi que des points voisins situés dans la même zone uniforme de l'image que le point quantifié considéré, de façon à reconstituer sous une forme binaire un état du point correspondant à la valeur moyenne obtenue. L'invention a également pour objet un système de transmission numérique de signaux de télévision comprenant un dispositif d'émission et un dispositif de réception, caractérisé en ce qu'il met en oeuvre le procédé précité et en ce qu'il comprend un dispositif de compression et de décompression des signaux numériques transmis, composé d'un dispositif de conversion analogique-numérique selon l'invention. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description faite au regard des dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple et dans lesquels: La figure 1 représente un convertisseur analogique-numérique d'un signal de télévision selon l'invention. La figure 2 est une représentation du filtre numérique utilisé pour la réalisation du convertisseur représenté à la figure 1. La figure 3 est une représentation d'un système de transmission numérique de signaux de télévision mettant en oeuvre le convertisseur numérique selon l'invention. Le convertisseur pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention représenté à la figure 1 comprend, un générateur de bruit pseudoaléatoire 1, un quantificateur 2, un filtre-numérique 3 relié par son entrée à la sortie du quantificateur 2 par l'intermédiaire d'un soustracteur 4. Le signal TV de télévision est appliqué sur une première entrée d'un additionneur 5 dont la deuxième entrée est reliée à une première sortie analogique du générateur de bruit pseudo-aléatoire 1, la sortie de l'additionneur 5 étant reliée à l'entrée du quantificateur 2. Le soustracteur 4 est relié par une première entrée à une deuxième sortie quantifiée du générateur de bruit pseudo-aléatoire et par sa deuxième entrée à la sortie du quantificateur 2. Le quantificateur 2 est constitué par un convertisseur analogiquenumérique 6, pour coder chaque point d'image à l'aide par exemple d'une échelle à 16 niveaux de quantification, chaque niveau étant codé sur quatre bits et par un transcodeur 7 constitué par exemple, d'une mémoire morte programmable du type PROM qui est une abréviation du terme anglo saxon "programmable read only memory" adressée par les quatre bits de sortie du convertisseur analogique-numérique 6, pour délivrer sur sa sortie des mots binaires sur huit bits correspondant chacun à un niveau de quantification du convet-.isseur analogique-numérique 6. La sortie de la mémoire PROS 7 est reliée à la deuxième entrée du soustracteur 4 et constitue la sortie du quantificateur 2. Le fonctionnement du dispositif représenté à la figure I- est le suivant. Un signal de télés sinon est a outré au signal délivré par le générateur oe bruit aléatoire i ctu moyen de l'additiorneur 5 et le résultat de l'addition est transmis à l'entrée du convertisseur analogique-numérique 2 qui convertit ce signai, en échantillons numériques de quatre bits our chacun des seize niveaux de cuantificatior. Chaque échantillon de quatre bits est transcodé par la mémoire PROM 7 en échantillons de huit bits.Le soustracteur 4 soustrait la composante de bruit d chaque échantillon de huit bits de la valeur correspondante délivree par a sortie numérique du générateur de bruit aléatoire 1, ce qui permet de reconstituer des échantillons du signal de télévision codes sur 256 niveaux. A ce stade l'image reconstituée ne présente plus de faux contours et les contours euxmêmes sont convenablement lissés mais par contre l'image apparaît entachée d'un bruit granulaire. Le filtre 3 a pour rôle de filtrer ce bruit granulaire tout en laissant apparent les contours de l'image.Cette opération consiste à détecter les gradients ou différences interpoints des valeurs de luminance ou de chrominance supérieurs à un seuil prédéterminé pour faire apparaître les points de passage des contours de l'image séparant des zones uniformes adjacentes, puis à effectuer pour chaque point une moyenne spatiale des valeurs des échantillons de luminance ou de chrominance donnant l'état des points voisins situés dans la même zone uniforme que le point considéré.Ce filtrage pourra s'effectuer selon les directions horizontales ou verticales de l'image à l'aide par exemple d'une fenêtre entourant le point à filtrer, de longueur comptée en nombre de points dans les directions horizontales ou verticales de l'image. Chaque point à filtrer étant ensuite remplacé par la moyenne effectuée en prenant en compte l'état du point lui-même et des états des points voisins situés à l'intérieur de la fenêtre dans la même zone uniforme de l'image à laquelle appartient le point filtré. Ainsi, par exemple, pour une configuration de points p1 à Pn ayant respectivement les valeurs de luminance X1 à Xn, et situés sur une même ligne de l'image dans des zone uniformes Z1 à Z4 adjacentes, séparées par des contours, où X1 appartient à une zone uniforme Z1, X2, X3 appartiennent à une zone uniforme Z2 X4, X5, X6 appartiennent à une zone uniforme Z3, X7...Xn appartiennent à une zone uniforme Z4, les filtrages effectués sur les points p1, PZI".P, correspondront aux résultats des opérations suivantes effectuées sur les valeurs de luminance ou de chrominance des points correspondants dans chaque zone dans la zone Z1 dans la zone Z2 dans la zone Z3 dans la zone Z4 L'exemple de réalisation du filtre 3 représenté à la figure 2 permet de réaliser des opérations de filtrage qui viennent d'être décrites. Le filtre de la figure 2 se compose de trois registres 8, 9 et 10 ayant chacun une longueur de huit bits et montés en série.Il comprend un dispositif de détection des différences interpoints supérieures à un seuil fixe prédéterminé SH qui est composé des soustracteurs 11 et 12 et des comparateurs 13, 14 ainsi que des dispositifs de calcul de valeur moyenne de points situés dans des zones uniformes composés des additionneurs 15, 16 et 17 et des diviseurs 18, 19, 20. Un multiplexeur 21, commandé par la sortie des comparateurs 13 et 14, aiguille les sorties des résultats de calcul de valeur moyenne des points situés dans des zones uniformes fournis par les dispositifs de calcul 18, 19 et 20 à la sortie du filtre 3, en fonction de l'état des sorties des comparateurs 13 et 14.L'échantillon numérique codé sur huit bits, débarrassé de sa composante de bruit, est fourni par la sortie du soustracteur 4 à l'entrée du registre 8 puis est transmis successivement dans les registres 9 et 10 à la cadence de quantification du quantificateur 2. Le soustracteur 11 a ses deux entrées reliées respectivement aux sorties des registres 9 et 10.Le soustracteur 11 calcule la différence entre les contenus des registres 9 et 10 et le résultat de cette différence est appliqué à une entrée du comparateur 13 qui compare le résultat obtenu à un seuil prédéterminé SH. La sortie du comparateur 13 prend l'état 0 logique lorsque le résultat de la différence des contenus des registres 9 et 10 est inférieur au seuil SH prédéterminé.La sortie du comparateur 13 prend l'état 1 logique lorsque l'écart des contenus des registres 9 et 10 est supérieur au seuil SH prédéterminé. Les entrées du soustracteur 12 sont reliées respectivement aux sorties des registres 8 et 9. Le soustracteur 12 calcule la différence des contenus des registres 8 et 9 et le résultat est appliqué à une entrée du comparateur 14 pour être comparé au seuil SH prédéterminé. La sortie du comparateur 14 délivre un signal de niveau logique 0 lorsque la différence des contenus des registres 8 et 9 est inférieure au seuil SH prédéterminé et délivre par contre un signal de niveau 1 logique lorsque la différence obtenue est supérieure. Les entrées de l'additionneur 15 sont reliées respectivement aux sorties des registres 8 et 9 pour additionner le contenu de chacun de ces deux registres et appliquer le résultat de l'addition à l'entrée d'un diviseur binaire par deux 18 constitué par exemple à l'aide d'un registre à décalage. L'additionneur 16 a ses entrées reliées respectivement à la sortie de l'additionneur 15 et à la sortie du registre 10 pour calculer la somme des contenus des registres 8, 9 et 10. Le résultat du calcul effectué par l'additionneur 16 est appliqué à l'entrée du diviseur par trois 19 qui est réalisé, par exemple, à l'aide d'une mémoire programmaùle de 1 kilo octets, contenant une table de division par trois. L'additionneur 17 a ses deux entrées reliées respectivement à la sortie du registre 9 et à ia sortie du registre 10.L'additionneur 17 calcule la somme des contenus des registres 9 et 10 et applique le résultat obtenu à l'entrée du diviseur par deux 20 réalisé, par exemple, à l'aide d'un registre à décalage Le multiplexeur 21 comporte quatre entrées qui sont reliées respectivement à la sortie du registre 9, à ia sortie du diviseur par deux 18, à la sortie du diviseur par trois 19 et à la sertie du diviseur par deux 20. Les entrées de commande C1, C2 du muitiplexeur 21 sont reliées aux sorties respectives des comparateurs 13 et 14.Le contenu du registre 9 est seulement sélectionné par le multiplexeur 21 lorsque les sorties des comparateurs 13 et 14 ont la valeur 1 logique, c'est-à-dire, lorsque deux points voisins entourant le point à filtrer se trouvent être situés sur deux zones uniformes différentes de la zone uniforme du point à filtrer. La sortie du diviseur 18 est sélectionnée lorsque le point correspondant au contenu du registre 10 se trouve être situé dans une zone uniforme adjacente à la zone uniforme auquel appartient le point à filtrer dont l'échantillon est situé dans le registre 9. La sortie du diviseur 19 est sélectionnée lorsque tous les points voisins sont situés dans la même zone que le point à filtrer.Enfin la sortie du diviseur 20 est sélectionnée lorsque le point qui correspond au contenu du registre 8, est situé dans une zone uniforme adjacente à la zone dans laquelle se trouve le point à filtrer. Comme le bruit granulaire existe aussi dans la direction verticale de l'image un filtrage équivalent pourra être réalisé à l'aide d'un circuit identique à celui de la figure 2 pour supprimer le bruit granulaire dans cette direction en travaillant sur les valeurs déjà filtrées en horizontal. Le système de transmission numérique de signaux de télévision, faisant application du convertisseur analogique-numérique selon l'invention, est représenté à la figure 3. Sur cette figure, un dispositif de compression et de décompression des signaux numériques transmis par le dispositif d'émission 22 représenté dans un rectangle en pointillé, et reçus par un dispositif de réception 23 représenté également dans un rectangle en pointillé, est constitué pour la partie émission par le générateur de bruit pseudo-aléatoire l, l'additionneur 5 et le convertisseur analogique-numéri que 6 de la figure 1 et pour la partie réception par le filtre numérique 3, la soustracteur 4 et le transcodeur 7 de la figure 1. Sur la figure 3, le canal de liaison ?', reliant l'émetteur 22 au récepteur 23, est connecté par une des ses ex vrmités à s'a sottie .u convertisseur analogique-numérique 6 et par son autre extrémité à "entrée du transcodeur 7.Egalement, à la différence du dispositif représenté à la figure I, le système de transmission représenté à a -igure 3 comprend, un générateur de bruit pseudo-aléatoire 75 situé dans la partir réception doilt la sortie délivre un bruit numérisé à l'entrée du soustracteur 4 dO:lt l'autre en rée est reliée à la sortie du transcodeur 7. Une liane de synchronisation te, assure la synchronisation des générateurs de bruit pseudo-aléatoire 1 et 25.On notera que la présence du générateur de bruit pseudo-aléatoire 25 dans la partie réception du système ne s'impose pas obligatoirement et qu'en son absence, la qualité de l'image reçue de télévision est enccre acceptable. Naturellement dans le cas ou le système est réalise sans e générateur 25 la sortie du transcodeur 7 peut être reliée directement à l'entrée du filtre 3. Comme le convertisseur analogique-numerique 6 délivre des signaux binaires codés sur quatre bits, les échantillons du signal vidéo transmis sont codés également sur quatre bits, ce qui réalise un taux de compression de deux par rapport à la transmission classique de modulation par impulsions codées transmettant des échantillons de signaux sur huit Dits, et comme le procédé et le système de transmission n'utilisent pas le principe du codage différentiel, une erreur de transmission qui est faite sur un échantillon ne peut être répercutee sur les échantillons suivants. Bien que les principes de la présente invention ont été décrits cidessus en relation avec des exemples particuliers de réalisation, il faut comprendre que la description n'est faite qu'à titre d'exemple et ne limite pas la portée de l'invention. REVENDICATIONS l Procédé de conversion analogique-numérique d'un signal de télévision du type consistant à échantillonner le signal de télévision, chaque échantillon étant représentatif de l'étant de luminance ou de chrominance d'un point d'image, à quantifier (2) chaque échantillon relativement à une échelle présentant des niveaux de quantification et à coder (7) sous forme binaire chaque échantillon quantifié, caractérisé en ce qu'il consiste à faire osciller les niveaux de quantification (l) et à effectuer pour chaque point quantifié de l'image une moyenne spatiale des valeurs des échantillons représentant l'état du point lui-même ainsi que les états des points voisins situés dans la même zone uniforme de l'image que le point considéré pour reconstituer sous forme binaire l'état du point correspondant à la valeur moyenne obtenue. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que pour obtenir la moyenne spatiale des valeurs des échantillons on détecte(ll, 12, 13, 14) les gradients de luminance ou de chrominance interpoints supérieurs à un seuil prédéterminé pour séparer les points de passage des contours de l'image, on fait la moyenne, dans une fenêtre de dimension n entourant le point et déplaçable entre les points de passage de contours consécutifs de l'image séparant des zones uniformes, des valeurs de luminance ou de chrominance du point considéré et des points voisins situés dans la fenêtre et que l'on remplace la valeur de l'échantillon du point considéré par la valeur- moyenne obtenue (15, 16, 17, 18, 19, 20). 3. Procédé selon les revendications l et 2, caractérisé en ce qu'il consiste à déplacer la fenêtre à la fois selon les directions horizontales et verticales de l'image. 4. Dispositif de conversion analogique-numérique d'un signal de télévision pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications l à 3, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un générateur de bruit pseudo-aléatoire (1) relié à la première entrée d'un additionneur (5) dont la deuxième entrée reçoit le signal de télévision à numériser, la sortie de l'additionneur (5) étant reliée à I'entrée d'un quantificateur (2) délivrant un signal, représentant l'état de luminance ou de chrominance quantifié de chaque point d'image, à l'entrée d'un filtre numérique (3), pour effectuer pour chaque point quantifié de l'image une moyenne spatiale des valeurs des échantillons représentant les états quantifiés du point considéré ainsi que des points voisins, pour reconstituer sous une forme binaire un etat du point correspond à la valeur moyenne obtenue. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le quantificateur (2) est constitué par un convertisseur analogique-numérique (6) permettant de coder chaque point d'image à l'aide d'une échelle présentant des niveaux de quantification et par un transcodeur (7) pour affecter à chaque niveau une représentation binaire prédéterminée. 6. Dispositif selon les revendications 4 et 5 caractérisé en ce que le générateur (1) de bruit pseudo-aléatoire comprend également, une sortie de bruit quantifiée et en ce que le quantificateur est relié à l'entrée du filtre numérique par l'intermédiaire d'un soustracteur (4), la première entrée du soustracteur (4) étant reliée à la sortie du quantificateur (27) et sa deuxième entrée étant reliée à la sortie de bruit quantifié du générateur de bruit. 7. Système de transmission numérique de signaux de télévision comprenant un dispositif d'émission (22) et un dispositif de réception (23), mettant en oeuvre un procédé et comprenant un dispositif de compression et décompression des signaux numériques transmis composé d'un dispositif de conversion analogique-numérique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le dispositif d'émission comprend le premier générateur de bruit (1) pseudo-aléatoire} un additionneur (5) du signal de télévision à transmettre au signal de bruit délivré par le première générateur (1) de bruit pseudo-aléatoire ainsi qu'un quantificateur (6) relié à l'additionneur (5), le dispositif de réception (23) comprenant un transcodeur (7) dont la sortie est reliée à l'entrée du filtre numérique (3), la sortie du quantificateur (6) du dispositif d'émission (22) étant reliée à l'entrée du transcodeur (7) du dispositif de réception (23) par l'intermédiaire d'un canal de transmission (24). 8. Système selon la revendication 7, caractérisé en ce que la sortie du transcodeur (7) du dispositif de réception est reliée à l'entrée du filtre numérique (3) par l'intermédiaire d'un soustracteur (4), une première entrée du soustracteur (4) étant reliée à la sortie du transcodeur (7) , la deuxième entrée du soustracteur (4) étant reliée à la sortie d'un deuxième générateur de bruit pseudo-aléatoire(25)délivrant des échantillons de bruit numérisés, synchronises avec les échantillons numérises par le premier générateur (1).