Brevet FR2538658A1 — publié le 19840629

PROCEDE ET DISPOSITIF DE CODAGE D'UN SIGNAL VIDEO POUR TRANSMISSION A BANDE PASSANTE REDUITE La présente invention se rapporte à un procédé, et à un dispositif de mise en oeuvre de ce procédé, de codage d'un signal vidéo pour transmission à bande réduite, en vue de garder la meilleure image possible malgré la limitation de la bande passante du signal. La transmission, directe ou par l'intermédiaire d'un enregistrement qui est ensuite relu, d'un signal entraîne le plus souvent une limitation de sa bande passante et l'addition de signaux indésirables en raison du filtrage et du bruit des dispositifs utilisés pour la transmission. Les effets sur le signal restitué peuvent être plus ou moins sensibles. Dans le cas d'un signal vidéo de télévision, on sait que quel que soit le standard il représente une succession d'images dans le temps. Chaque image est constituée d'une succession dans le temps de lignes horizontales. Chaque ligne est elle-même représentée par une succession dans le temps de signaux électriques qui représentent les points (connus sous le nom de pixels) constituant la ligne. La largeur de bande du signal vidéo est grossièrement égale au produit du nombre d'images par seconde par le nombre de lignes d'une image et par le nombre de pixels d'une ligne. I1 est d'usage de donner à la définition de l'image un caractère isotrope, c'est-àdire que sur l'écran la distance entre deux lignes adjacentes est la même que la distance entre deux pixels adjacents. Cette exigence se traduit notamment par une valeur minimale de la largeur de bande du signal vidéo, et la bande passante nécessaire est généralement respectée dans les moyens de transmission classiqués. Des moyens de transmission plus récents ne permettent par contre pas de disposer de la bande passante nécessaire. C'est en particulier le cas des magnétoscopes grand-public. On constate alors une dégradation anisotrope de l'image, qui se traduit par un flou horizontal alors que dans le sens vertical la résolution reste intacte. En effet la réduction de bande passante est due à une limitation en haute fréquence (filtrage passe-bas) qui affecte en premier lieu la vitesse de succession des pixels le long de la ligne, sans affecter la succession des lignes au long de l'image ni à fortiori la succession des images dans le temps. C'est ainsi que si l'on réduit dans un rapport 2 la bande passante d'un signal vidéo représentant une image dont la définition est isotrope, on réduit par deux le nombre de pixels par ligne alors que bien évidemment le nombre de lignes, et donc la résolution verticale, reste constant. Or la même largeur de bande permettrait d'avoir une image ayant une réso lution réduite seulement dans un rapport W2 selon chacun des deux axes si l'on analysait cette image selon un standard respectant l'isotropie. La perte de définition est encore plus grande dans les magnétoscopes grandpublic où la perte de bande passante est très importante. Le but de l'invention est de rééquilibrer l'isotropie de l'image en répartissant les effets de la perte de bande passante tant dans le sens vertical que dans le sens horizontal. Pour cela, dans le procédé selon l'invention on transmet une ligne toutes les n lignes pendant la durée de n lignes en éliminant les n-l lignes intermédiaires, n étant défini pour obtenir une image sensiblement isotrope en fonction de la bande passante du canal de transmission, et on reproduit l'image à la réception en répétant la ligne transmise durant n lignes consecutives. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement dans la description ci-après présentée à titre d'exemple non limitatif et faite en regard des figures annexées qui représentent: - la figure 1, le schéma d'un système analogique de codage et de décodage selon l'invention; - la figure 5 le chronogramme de codage et de décodage du procédé selon l'invention; - la figure 3, le schéma d'une variante du système de la figure 1 ; - la figure 4, le schéma d'un système numérique de codage et de décodage selon l'invention. L'image d'un standard de télévision couramment utilisé est d'un format 4/3 et est analysée sur 625 lignes à 25 images par seconde. Compte tenu des pertes, ceci correspond à 576 lignes utiles de 766 pixels utiles. Les 766 pixels sont analysés en 52 microsecondes, ce qui correspond à une bande passante de 7,36 MHz. Lorsque l'on enregistre directement le signal vidéo représentant une telle image sur un magnétoscope. grand-public, la définition horizontale tombe à 200 pixels, soit une perte d'un rapport 3,83 presque égale à 4, alors que la définition verticale reste constante. Malheureusement le spectateur est essentiellement sensible à l'aspect le plus dégradé, et l'aspect subjectif de l'image -ne serait pas sensiblement pire si l'image comportait quatre fois moins de lignes, mais alors la bande passante du magnétoscope serait surabondante. Selon l'invention on répartit la dégradation de l'image dans le sens vertical et le sens horizontal en supprimant une ligne sur deux à l'enregistrement et en étalant l'enregistrement de la ligne restante sur la durée des deux lignes. A la lecture chaque ligne est recomprimée sur sa durée normale et répétée une fois pour avoir une image complète. Dans le schéma de la figure 1 un signal vidéo normal VE est appliqué à un codeur qui délivre ce signal codé à un magnétoscope 200 dont la bande passante est sensiblement le quart de celle de VE. Après enregistrement puis lecture, le magnétoscope délivre le signal codé à un décodeur qui restitue un signal vidéo à bande passante réduite VS. Le signal VE est appliqué à un séparateur 101 qui permet de séparer le signal de chrominance, dont la largeur de bande est suffisamment faible pour permettre un enregistrement direct. La transmission de - tout ce signal est nécessaire dans les standards du type SECAM pour éviter la perte de la couleur. Le signal de luminance en sortie du séparateur 101 est appliqué à un filtre passe-bas 102 qui coupe les fréquences supérieures à F F étant la fréquence supérieure du signal vidéo VE. Ce filtrage et ceux 2' qui seront décrits par la suite permettent d'éliminer les signaux de fréquence trop élevée, inutiles- et risquant de donner des produits d'intermodulation gênants. Le signal en sortie du filtre 102 est appliqué à un commutateur 103 qui l'oriente alternativement vers deux registres analogiques à CCD 104 et 105. Ce commutateur bascule à la fréquence FL/2, FL étant la fréquence ligne, de telle manière qu'il alimente l'un des registres avec une ligne complète, puis l'autre registre avec la deuxième ligne suivante, la ligne intermédiaire étant perdue. Cette séquence est représentée sur le chronogramme de la figure 2 où l'on voit en première ligne le signal VE composé d'une succession de lignes lj à 19, en deuxième ligne le signal d'entrée du registre 104 composé des lignes 11, 15, et lg, et en quatrième ligne le signal d'entrée du registre 105 composé des lignes 13 et 17. Pour commander le remplissage des registres ceux-ci sont alimentés alternativement par une horloge H l à la fréquence B, qui leur est appliquée par deux commutateurs 106 et 107 qui basculent en alternance à la fréquence FL/2 de manière à respecter la séquence voulue. La fréquence B est définie par le nombre de cellules des registres et la durée d'une ligne. Le nombre des cellules est lui-même défini par le nombre de pixels nécessaire pour avoir la définition souhaitée en fonction de la bande passante, soit parexemple 400 dans l'exemple décrit. Quand un registre est rempli, le commutateur qui lui délivre l'horloge bascule pour lui appliquer une horloge H2 de fréquence B/2. Ainsi le registre se vide pendant la durée des deux lignes qui suivent celle qui l'a remplie, en délivrant un signal dont la largeur de bande utile est F/4. Pendant la deuxième moitié de ce temps l'autre registre se remplit, pour pouvoir se vider lorsque le premier est vide. Le chronogramme de la figure 2 représente cette séquence en ligne trois où l'on voit les lignes 11 et 15 étalées-sur la durée respectivement des lignès 12, 13 et 16, 17, ainsi qu'en ligne cinq où l'on voit les lignes 13 et I étalées sur la durée 7 respectivement des lignes 14, 15 et 18, lu Les sorties des deux registres sont appliquées à un commutateur 108 qui bascule à la fréquence FL/2 pour rassembler la suite des signaux de sortie des registres, qui sont représentés en ligne 6 de la figure 2 où l'on voit la succession ininterrompue des lignes ll, 13, lg 17 étalées sur la durée des lignes ll à 19. La sortie du commutateur 108 est connectée à un filtre 109 qui coupe les fréquences supérieures à F/4. Le filtre 109 alimente un mélangeur 110 qui reçoit le signal de chrominance venant du séparateur 101 et délivre en sortie du codeur un signal propre à être enregistré sur le magnétoscope 200. En lecture le magnétoscope 200 délivre- un signal sensiblement identique au signal de sortie du codeur et représenté en ligne 6 de la figure 2. Ce signal est appliqué en entrée du décodeur à un séparateur 301 qui sépare le signal de chrominance et délivre le signal de luminance à un filtre 302 qui coupe les fréquences supérieures à F/4. Le signal en sortie du filtre 302 est appliqué à deux commutateurs 303 et 315 qui alimentent en alternance deux registres à CCD 304 et 305 identiques aux registres 104 et 105. Ces commutateurs basculent à la fréquence FL/2 pour alimenter successivement l'un des registres avec une ligne (étalée) du signal de lecture du magnétoscope puis l'autre registre avec la ligne suivante. Cette séquence est représentée en lignes 7 et 9 de la figure 2 où l'on voit les signaux d'entrée respectivement des registres 304 et 305, comportant tout d'abord les lignes 11, l5 et 13, 17 étalées. Pour commander ce remplissage, les registres reçoivent en alternance une horloge H3, identique à HZ par l'intermédiaire des commutateurs 306 et 307 qui basculent à la fréquence FL/2. Lorsque ces commutateurs basculent ils alimentent les registres par une horloge H4 identiques à H1 qui permet de les vider successivement à la fréquence B. On dispose ainsi en sortie des registres des lignes de l'image, comprimées pour avoir de nouveau une durée normale. Pour ne pas avoir de blanc entre deux lignes successives, correspondant aux lignes supprimées à l'enregistrement, on boucle les sorties des registres sur leurs entrées par l'intermédiaire des commutateurs 303 et 315. Ainsi on les remplit par le signal de- sortie qui est recyclé, ce qui permet de relire une deuxième fois le contenu d'un registre et de disposer en sortie de celui-ci d'une même ligne répétée deux fois. On voit sur la figure 2 en lignes 8 et 10 les lignes 11, 15 et 13, 17 répétées deux fois, en sortie des registres, et en lignes 7 et 9 ces mêmes lignes recyclées en entrée des registres à une vitesse double de celle correspondant à la scrtie du filtre 310. Les sorties des deux registres sont appliquées à un commutateur 308 qui bascule à la fréquence FL/2 pour rassembler la suite des signaux de sortie des registres, qui sont représentés en ligne 1 1 de la figure 2 où l'on voit la succession ininterrompue des lignes li, 15, 17 répétées chacune et ayant une durée normale. La sortie du commutateur 308 est connectée à un filtre 309 qui coupe les fréquences supérieures à Flue. En effet en ayant recomprimé les lignes pour qu'elles aient une durée normale on a doublé la largeur de bande du signal vidéo qui représente donc bien les 400 pixels désirés. Ce filtre 309 alimente un mélangeur 310 qui reçoit le signal de luminance provenant du séparateur 301 et délivre le signal de sortie VS du décodeur, qui présente les caractéristiques désirées, c'est-à-dire une définition sensiblement isotrope et divisée par 2 par rapport au signal original VE. Un perfectionnement du procédé consiste, au lieu de répéter chaque ligne impaire pour remplacer la ligne paire suivante qui manque, à synthétiser cette ligne paire en faisant la moyenne géométrique des deux lignes qui l'encadrent. Pour cela on insère (figure 3) un registre CCD 311 entre le commutateur 308 et le filtre 309. Ce registre est identique aux autres et est alimenté en permanence par l'horloge H4. Il est doublé en parallèle par une ligne directe provenant du commutateur 308. Entre cette ligne directe et la sortie du registre 311 deux résistances 312 et 313 de même valeur en série permettent d'obtenir à leur jonction la moyenne désirée entre le signal direct et celui retardé d'une ligne.Un commutateur 314 connecté sur la ligne directe d'une part, et sur la jonction des résistances d'autre part, bascule à la fréquence FL/2 et permet d'obtenir successivement la ligne impaire en direct et la ligne paire synthétisée. La sortie de ce commutateur est connectée à l'entrée du filtre 309. Un autre perfectionnement consiste, par le moyen d'un système de commutation aisé à mettre en oeuvre, à inverser d'une trame à la suivante le rang des lignes supprimées, c > est-à-dire d'abord les lignes paires, puis les lignes impaires, et ainsi de suite. On améliore ainsi l'analyse spatiale de l'image, tout au moins pour les parties qui évoluent lentement. L'utilisation d'une mémoire de trame permettrait en outre de disposer en temps réel des lignes paires et impaires et d'obtenir une récupération quasi totale de la définition d'origine. Ces perfectionnements sont particulièrement intéressants dans le cas des standards à analyse entrelacée, qui sont d'utilisation générale, car on peut alors disposer régulièrement de couples de lignes jointives de l'image d'origine et la perte de définition verticale est alors quasi nulle. Dans le cas des magnétoscopes semi-professionnels, du type par exemple "U-Matic" (Marque déposée) pour lesquels la réduction de bande passante n'est que de la moitié de celle de l'image originale, on peut ainsi retrouver pratiquement la définition d'origine de l'image. I1 est nécessaire d'avoir deux registres dans le codeur et dans le décodeur parce que ces dispositifs analogiques fonctionnent au rythme de l'horloge qu'ils reçoivent et ne peuvent simultanément se vider plus lentement qu'ils ne se remplissent. Cette limitation est évitée dans le cas du dispositif numérique utilisé dans le système représenté en figure 4 sans la couleur pour-la simplicité du dessin. Le signal VE est filtré à F/2 dans un filtre passe-bas 102, il est ensuite échantillonné et numérisé à 400 échantillons par ligne dans les circuits 402 et 404. Un commutateur 103 qui bascule à la fréquence FL/2 permet d'éliminer une ligne sur deux. Ce commutateur dirige les lignes restantes sur une mémoire 405 du type FIFO qui peut être inscrite à la vitesse d'arrivée normale des échantillons, et lue à la vitesse moitié. On réalise ainsi la conversion de vitesse nécessaire et les lignes restantes s'alignent naturellement, sans trou entre elles, à la sortie de la mémoire. Le signal de sortie de la mémoire est ensuite converti en analogique dans un circuit 406 puis filtré passe-bas à F/4 dans un filtre 109. Ce signal ainsi codé est enregistré puis lu dans un magnétoscope 200. Le décodeur comprend un filtre passe-bas à F/4 302 suivi d'un échantillonneur 40i à 400 échantillons par ligne élargie et d'un numériseur 408. Le signal numérisé est inscrit dans une mémoire du type FIFO 409 qui est lue à vitesse double. Cette lecture est répétée deux fois pour obtenir les deux lignes successives. I1 n'y a donc pas besoin ici de commutation particulière. Le signal de sortie de la mémoire est converti en analogique dans un circuit 410, puis filtré à F/2 dans un filtre 309, lequel délivre le signal de sortie VS. Bien entendu tous les pertectionnements décrits dans le système analogique s'appliquent au système numérique. On peut remarquer que dans le cas de l'utilisation avec un magné toscope une grande partie des éléments, notamment les registres et les mémoires, peuvent être utilisés pour le codage et Je décodage puisque l'enregistrement et la lecture ne sont pas simultanés. REVENDICATIONS 1. Procédé de codage d'un signal vidéo (VE) pour transmettre celuici par un canal de diffusion (200) ayant une bande passante réduite d'un facteur k par rapport à la largeur de bande du signal vidéo original, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: - n etant un nombre entier, au moins égal à 5 le plus proche de suppression (103) dans le signal vidéo des parties représentant n-l lignes toutes les n lignes; - étalement (104-108) dans le temps du signal représentant chaque ligne restante sur la durée correspondant à elle-même et aux lignes supprimées qui la séparent de la prochaine ligne restante; - filtrage (109) du signal résultant de cet étalement pour le limiter à la bande passante réduite du canal de transmission;; - après transmission (200), compression (303-308, 315) dans le temps du signal représentant une ligne étalée, sur la durée d'une ligne originale; - synthèse (303-308, 315) des lignes manquant après une ligne transmise, à partir d'au moins cette ligne transmise, ce qui reforme un signal vidéo (VS) à bande passante réduite représentant une image conforme au standard initial et présentant une définition sensiblement isotrope. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la synthèse (303-308, 315) des lignes manquantes entre une première et une deuxième ligne transmises se fait par répétition de la première ligne transmise. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la synthèse (303-308, 315) des lignes manquantes entre une première et une deuxième ligne transmises se fait par combinaison linéaire (311-314) de ces deux lignes. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que d'une trame à la suivante on fait glisser d'un pas le rang des lignes transmises pour transmettré toutes les lignes sur la durée de n trames. 5. Procédé selon la revendication 4 caractérisé en ce que l'on mémorise en outre les n-l trames transmises précédemment pour disposer simultanément de toutes les lignes originales composant une image. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'on extrait (101) le signal de chrominance avant le codage, qu'on le réintroduit (110) dans le signal codé avant transmission, qu'on l'en extrait (301) après transmission, et qu'on le réintroduit (310) dans le signal décodé. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que n = 2. 8. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend: - un premier séparateur (101) pour enlever la chrominance du signal vidéo (VE) original; - un premier filtre passe-bas (102) connecté à la sortie de luminance du premier séparateur (101); - un premier commutateur (103) connecté au filtre passe-bas; - deux premiers registres à CCD (104, 105) pour recevoir du premier commutateur respectivement une sur deux des lignes à transmettre - un deuxième et un troisième (106, 107) commutateurs pour alimenter les premiers registres respectivement par une première horloge (H1) de remplissage et une deuxième horloge (H2) de vidage ayant une fréquence moitié de la première horloge; - un quatrième commutateur (108) pour rassembler les sorties des deux premiers registres;; - un deuxième filtre passe-bas (109) connecté au troisième commutateur pour limiter la bande passante du signal à celle du canal de transmission; - un premier mélangeur (110) connecté au deuxième filtre et à la sortie de chrominance du premier séparateur pour délivrer le signal à transmettre au canal de transmission; - un deuxième séparateur (301) connecté à la sortie du canal de transmission pour enlever la chrominance du signal transmis; - un troisième filtre passe-bas (302) connecté à la sortie de luminance du deuxième séparateur; - deux deuxièmes registres à CCD (304, 305) pour recevoir respectivement une sur deux des lignes transmises;; - un cinquième et un sixième commutateurs (303, 315) pour appliquer en alternance à l'entrée de chaque deuxième registre la sortie du troisième filtre ou une sortie de recyclage du registre lui-meme - un septième et un huitième commutateurs (306, 307) pour alimenter les deuxièmes registres respectivement par une troisième horloge (H3) de remplissage et une quatrième horloge (H4) de vidage et de recyclage ayant une fréquence moitié de la troisième horloge; - un neuvième commutateur (308) pour rassembler les sorties des deux deuxièmes registres; - un quatrième filtre passe-bas (309) connecté au neuvième commutateur - un deuxième mélangeur (310) connecté au quatrième filtre et à la sortie de chrominance du deuxième séparateur pour délivrer le signal décodé (VS) représentant une image sensiblement isotrope. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend en outre: - un troisième registre à CCD (311) connecté à la sortie du neuvième commutateur (308) pour retarder d'une ligne le signal transmis; - deux résistances (312, 313) d'égales valeurs connectées en série entre la sortie du neuvième commutateur et la sortie du troisième registre pour délivrer sur leur jonction le signal de synthèse représentant la ligne manquante; - un dixième commutateur (314) relié à la sortie du neuvième commutateur et à la jonction des deux resistances pour sélectionner successivement la ligne transmise et la ligne synthétisée et délivrer celles-ci au quatrième filtre (309). 10. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend: - un premier filtre (102) passe-bas pour filtrer le signal vidéo (VE) original; - des premiers moyens (402, 404) pour numériser le signal filtré par le premier filtre; -- un commutateur (103) connecté aux moyens de numérisation, pour supprimer une ligne sur deux; - une première mémoire (405) de type FIFO pour recevoir du commutateur chacune des lignes à transmettre et les restituer en un temps deux fois plus long;, - un premier convertisseur (406) numérique-analogique connecté en sortie de la-mémoire; ; - un deuxième filtre passe-bas (109) connecté au convertisseur numériqueanalogique pour limiter la bande passante du signal à celle canal de transmission; - un troisième filtre passe-bas (309) connecté à la sortie du canal de transmission (200); - des deuxièmes moyens (407-408) pour numériser le signal filtré par le troisièmefiltre ; - une deuxième mémoire (409) de type FIFO pour restituer deux fois successivement à vitesse normale les lignes reçues des deuxièmes moyens de numérisation; - un deuxième convertisseur (410) numérique-analogique connecté en sortie de la mémoire; - un quatrième filtre (309) passe-bas connecté au deuxième convertisseur numérique-analogique pour délivrer le signal décodé (VS) représentant une image sensiblement isotrope.