Brevet FR2623354A1 — publié le 19890519

l PROCEDE ET SYSTEME DE DIFFUSION DE PROGRAMME DE TELEVISION A HAUTE DEFINITION La présente invention concerne les procédés et systèmes de diffusion de programme de télévision à haute définition, dite TVHD, destinés à fournir une image ayant un nombre de lignes et de points par ligne beau- coup plus élevé que celui des normes actuelles. Le pro- jet européen EUREKA EU95 prévoit par exemple une image à la fréquence de 50 Hz, ayant 1 250 lignes au lieu de 625 O10 lignes et un nombre de points par ligne doublé. Il est important que les programmes de TVHD puissent, au moins pendant une période transitoire, être transmis sur les canaux de diffusion disponibles et être reçus par des récepteurs existants. En particulier il va se poser le problème de la diffusion de programmes de TVHD sur un canal de télévision MAC-paquet depuis un satellite. La norme- MAC fixe en effet la largeur de canal à 20,5 MHz seulement, 'c'est-à-dire à une valeur très inférieure à celle requise pour la transmission d'images en TVHD. On a déjà proposé divers procédés de compression d'informations visant à réduire la largeur de bande requise pour l'image TVHD à celle qui est disponible. Ces procédés impliquent un sous-échantillonnage à l'émission et une interpolation à la réception. On peut ainsi acheminer une image haute définition à faible activité temporelle, (c'est-à-dire o les modifications sont faibles d'une image à la suivante) dans un canal de transmission étroit, en étalant les informations spatiales d'une image sur plusieurs trames de télévision successives. Des techniques de brassage, purement spatiales, rendent possible de diffuser l'ensemble des lignes d'une image haute définition avec un balayage à nombre de lignes plus réduit. La partie gauche de la figure 2 montre une technique de brassage verticale appliquée à la structure en quinconce de lignes sur quatre trames montrée en figure 1, les échantillons x,- o, y et a correspondant respectivement à quatre trames successives numérotées 1, 2, 3 et 4. Mais le sous- échantillonnage et le brassage, désignés aussi par le terme anglais "Shuffling", constituent des opérations de codage qui affectent la qualité de l'image "compatible", ce terme désignant toute image délivrée par un récepteur de première génération (non prévu pour la réception de TVHD) alimenté via un canal de transmission ou de dif- fusion par des émissions codées par un codeur HD. Les défauts sont dus principalement aux repliements de spectre dus au sous-échantillonnage subNyquist et au brassage des échantillons. On pourra se reporter à ce sujet à l'article "Analyse de structures de sous- échantillonnage spatio-temporel d'un signal TVHD en vue de sa transmission dans un canal MAC" Proceedings colloque TVHD, OTTAWA octobre 1987. La transmission d'une image haute définition fixe dans un canal de largeur réduite se traduit ainsi en particulier par une activité temporelle de l'image compatible, qui la dégrade. On pourrait penser que l'image compatible pourrait être améliorée par les méthodes classiques de filtrage spatial. En fait, il apparaît que les techni- ques d'atténuation de suppression de certaines fré- quences spatiales provoquent une perte de résolution spatiale sur l'image compatible, ne corrigent pas tous les défauts et sont peu résistantes aux bruits de transmission. Il subsiste en particulier certains effets du sous-échantillonnage sub-Nyquist, notamment des repliements de spectre et des effets de brassage de lignes qui se traduisent par des défilements sur les contours. L'invention vise à fournir une image compatible très améliorée par rapport à celles que permettent d'obtenir les procédés connus de sous-échantillonnage avant transmission et d'interpolation à la réception aussi bien que l'application des techniques de filtrage spatial. Elle part d'une analyse qui a montré que le filtrage temporel est susceptible d'apporter des améliorations très substancielles, à condition de laisser subsister, dans le signal transmis, de l'énergie correspondant au spectre replié afin de reconstruire, à la réception, une image TVHD à faible activité temporelle. En d'autres termes, l'invention utilise la cons- tatation que l'on peut diminuer, voire même supprimer, les effets du sous-échantillonnage sub-Nyquist par fil- trage partiel d'énergies temporelles correspondant à l'énergie de repliement provoquant une atténuation qui constitue un compromis entre la qualité de l'image compatible et la résistance au bruit. L'obtention d'une image HD à faible activité temporelle (ce terme incluant une image fixe) exige de préserver une fraction de l'énergie de repliement. Mais une diminution notable de cette énergie est souhaitable pour éviter l'effet du sous-échantillonnage sub-Nyquist. L'invention propose donc un procédé de diffusion de programmes de télévision à haute définition sur un canal de transmission de capacité inférieure à la bande spectrale du signal d'image, procédé suivant lequel on effectue à l'émission un sous-échantillonnage de l'image répartissant l'information spatiale sur n trames succes- sives (n étant un nombre entier supérieur à 1) et à la réception un filtrage d'interpolation, caractérisé en ce qu'on soumet l'image codée à haute définition à un filtrage d'atténuation temporelle de l'énergie dans la région proche de fo/n (fo étant la fréquence d'image) après codage haute définition et avant émission et à un filtrage d'accentuation temporel- le correspondant à l'atténuation avant décodage haute définition à la réception. Le procédé qui vient d'être défini n'est optimal que pour des zones d'image à activité temporelle bornée. Dans un mode avantageux de mise en oeuvre de l'inven- tion, on adaptera le codage et l'atténuation (et corré- lativement l'accentuation et le décodage) à l'activité temporelle de l'image. - si l'image a une faible activité temporelle, on utilisera un échantillonnage de l'image sur n trames. Pratiquement, on pourra considérer que cette condition est remplie pour les images dont l'activité temporelle est comprise entre les plans ft = 50/2n Hz et ft = + 50/2n Hz, ft représentant les fréquences temporelles de l'image, en supposant que la cadence d'image est de Hz. En général, on choisira n = 4. - si l'activité temporelle est supérieure aux limites ci-dessus, il sera avantageux d'utiliser un échantillonnage différent, soit sur un nombre de trames plus faible, c'est-à-dire pour n inférieur à 4, soit même sur une seule trame. Dans ce cas le sous-échantillonnage spatial est moins complexe et les repliements spectraux de l'image transmise moins gênant. Le brassage a également moins d'effet, le contenu fréquentiel de l'image étant plus pauvre. Suivant un mode particulier de mise en oeuvre de l'invention, le procédé défini ci-dessus ne sera appli- qué que pendant les périodes o l'image présente une faible activité temporelle, o l'énergie de repliement est confinée à proximité du plan fot = 50/n Hz. Les harmoniques, correspondant à des multiples de fot sont moins gênants que la fréquence fondamentale car l'oeil s'asservit en priorité sur les faibles fréquences temporelles. En résumé, le procédé suivant l'invention, appliqué aux périodes o l'image a une faible activité temporelle, permet de diminuer les défauts sur l'image compatible en préservant l'information contenue dans l'énergie de repliement en vue de reconstruire l'image HD. L'invention propose également un système permet- tant de mettre en oeuvre le procédé ci-dessus défini, comportant, dans un émetteur de diffusion, un atténua- teur intercalé entre le codeur haute définition et le modulateur d'émission et, dans chaque récepteur, un module d'accentuation intercalé entre le démodulateur et le décodeur haute définition. Un dispositif commutateur sera avantageusement intercalé immédiatement en aval du module atténuateur (ou accentuateur) pour envoyer au modulateur (ou au décodeur) soit l'image ayant subi le traitement numérique d'atténuation temporelle, soit un signal différent en fonction de l'activité temporelle de l'image. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels: - la figure 1, déjà mentionnée, montre un exem- ple de structure en quinconce de lignes, stable, sur quatre trames, utilisable pour un signal de télévision haute définition; - la figure 2 est un schéma donnant un exemple de brassage de trames et de souséchantillonnage; - la figure 3 est un synoptique général d'un système de diffusion mettant en oeuvre l'invention - les figures 4 et 5 sont des exemples de gabarits de filtrage d'atténuation et d'accentuation, respectivement; - les figures 6 et 7 sont des schémas montrant les moyens de mise en oeuvre du procédé suivant l'in- vention à l'émission et à la réception, respectivement; - les figures 8 et 9 sont des synoptiques dé- taillés d'exemples de modules d'atténuation et d'accen- tuation; - la figure 10 est un schéma synoptique montrant un circuit de traitement de l'information de mouvement pour commander le commutateur des figures 8 et 9; - la figure 11 est un schéma montrant le râle des mémoires d'image dans le module de la figure 8; - la figure 12 est un schéma faisant apparaitre les notations utilisées pour la description du fonction- nement du module d'atténuation de la figure 8. A titre d'exemple, la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention sera décrite dans le cas d'une image HD avec sous-échantillonnage sur N=4 trames. Dans le cas d'une image à entrelacement à 50 Hz la période de répé- tition de trame T est alors de 1/25 sec et ft.= 50/4 = 12,5 Hz, avec brassage de lignes d'un facteur 2. Ce mode de sous-échantillonnage et de brassage est montré en figure 2: à la partie gauche de la ligne, x, y, o et a désignent encore les échantillons dans les trames d'or- dre 1, 3, 2 et 4 respectivement, ayant une structure en quinconce. Les flèches indiquent le brassage ou wshuf- fling" de lignes. La partie droite montre les échantil- lons transmis pour l'ensemble des trames 1 et 2; les échantillons complémentaires seraient transmis pour les trames 3 et 4. On peut aussi transmettre par exemple des images HD provenant d'une source à 1150 lignes utiles sur un canal n'autorisant que 288 lignes par trame. L'atténuation et l'accentuation peuvent l'une et l'autre être réalisées par filtrage en cosinus surelevé suivant les gabarits des figures 4 et 5, avec une ouver- ture temporelle de trois trames pour minimiser la com- plexité de réalisation cablée. Toutefois, l'ouverture pourrait être plus élevée, par exemple de cinq trames. Le filtrage opère soit sur les trames paires, soit sur les trames impaires. L'atténuation peut s'écrire: It(x,y,t) = aoIo(x,y,t)+alIo(x,y,t-T)+alIo(x, y,t+T) (1) o: Io(x,y,t): valeur initiale au point de coordonnées (x,y) et à l'instant t, It(x,y,t): valeur transmise après atténuation au point (x,y) et à l'instant t, avec a = valeur de l'atténuation pour ft, les valeurs a et a1 sont: a0 = (-1+a)/2 a1 = a_1 = (1-a)/4 Si on désigne par Ir(x,y,t) la valeur après ac- centuation au point (x,y) et à l'instant t, l'accentua- tion à effectuer sera: Ir(xy,t) = boIt(x,y,t) + blIt(x,y,t-T) + blIt(x,y, t+T) avec bO = (1+a)/2.a - b1 = b1 = (a-1)/4.a Il reste à déterminer une valeur optimale du coefficient a: le choix est fait en tenant compte de la résistance au bruit d'une chaine d'atténuation et d'accentuation et du seuil de visibilité des défauts de l'image compatible. Une atténuation de 6 dB à 12,5 Hz semble proche de l'optimum. Toutefois on peut pratique- ment aller de 5 à 10 dB. Elle correspond & a = 0,5. On a alors: a = 0,75 a1 = a1 = 0,125 b = 1,5 b1 = b_1 = 0,25 Toutefois d'autres valeurs pourraient être plus avantageuses pour d'autres largeurs de canaux. -e Le choix de l'équation (1) conviendra pour des séquences ayant une faible activité temporelle, corres- pondant typiquement à des déplacements de l'ordre de la dimension d'un pixel d'une image à la suivante, ou aucu- ne activité temporelle. Mais un traitement différent est préférable en début et en fin de séquence à faible activité temporelle. On peut alors utiliser avec les mêmes notations que pour (1): pour la première image a o = a b'o = b a1=a0 0 a'1 = 2a1 b'1 = 2b a'1 = 0 b'_1 = 0 pour la dernière image a = a b "0= bo a"-1 = 2a1 bu-1 = 2b a1 = 0 b"1 = 0 On décrira maintenant une constitution possible des modules permettant de réaliser l'atténuation à l'émission et l'accentuation à la réception. La constitution générale de l'émetteur et d'un récepteur peut être celle montrée en figure 3. Le récepteur se différencie d'un récepteur MAC classique par la puissance des moyens d'accentuation. De module d'atténuation 20 schématisé en figure 6 est destiné à être interposé entre la sortie du codeur haute défini- tion et le modulateur d'un émetteur, par exemple de diffusion suivant la norme MAC Paquets. On ne décrira pas cette dernière partie, non concernée par l'invention. Le module 20 comporte des mémoires d'image 22, qu'on décrira davantage plus loin, rendues nécessaires par l'ouverture temporelle des filtres d'atténuation 24 qui suivent les mémoires. Le signal présentant une atténuation temporelle est transmis au modulateur par l'intermédiaire d'un circuit de commutation 26 destiné à gérer les effets de bord (au sens temporel) et les cas de figure à activité temporelle inadéquate, grâce à une information de mouvement 28 délivrée par le codeur HD. Le module d'accentuation 30 (figure 7) a une constitution similaire à celle du-module 20: il com- prend des mémoires d'image 32 dont la capacité est fonction de l'ouverture temporelle des filtres d'accen- tuation 34 et un circuit de commutation 36 qui gère les effets de bord et les cas de figure à activité tempo- relle inadéquate, grâce à une information de mouvement 38 acheminée par le canal de transmission ou calculée localement. La sortie du circuit 36 attaque le décodeur HD. La figure 8 montre la constitution des diffé- rents composants du module d'atténuation 20 dans le cas mentionné plus haut d'une atténuation faisant intervenir trois trames successives. Les mémoires vidéo 22 compor- tent deux mémoires vives 40 et 42 montées en cascade, respectivement affectées aux images aux temps t et t-T (T étant la période de répétition des trames paires ou impaires). Le filtre numérique d'atténuation 24 est du type 1-2-1 à trois coefficients, mettant en jeu une correspondance pixel à pixel dans trois plans temporels successifs. Il est constitué d'additionneurs et de mul- tiplieurs suivant une disposition effectuant une pondé- ration et qu'on décrira plus loin. Le premier et le quatrième multiplieurs multi- plient par 2a1 respectivement la donnée reçue du codeur à l'instant t et celle revue 2T avant; le second mul- tiplie par ao la donnée retardée de T; le troisième multiplie par a1 la somme des données instantanée et retardée de 2T. Ainsi les sorties S1, S2 et S3 correspondent à des atténuations temporelles différentes. S1: atténuation sans effet de bord. Ce signal résulte d'une sommation des signaux pris aux instants t-T,t,t+T pondérés des coefficients a1, ao et a1. S2: atténuation en début de séquence. Ce signal résulte de la sommation des signaux pris aux instants t et t+T pondérés des coefficients a et a'1, avec a'1 = 2a1i S3: atténuation en fin de séquence. Ce signal résulte de la sommation des signaux pris aux instants t et t-T pondérés des coefficients a et a1, avec a'1 = 2a1. Le circuit de commutation 26 peut être regardé comme un commutateur permettant de relier la sortie de l'alternateur à l'une quelconque des sorties S1 S2, S3 du filtre 24 et d'une sortie de signal non traité, sui- vant l'information de mouvement 28 fournie par le codeur. Le module d'accentuation (figure 9) a une cons- titution similaire à celle du module d'atténuation: il comporte également deux mémoires vidéo 44 et 46, en raison de l'ouverture temporelle du filtrage d'accentua- tion. Le filtre d'accentuation 34 effectue les mêmes opérations de calcul que l'atténuateur, mais avec des coefficients de pondération différents bo, b1, 2b1. Le commutateur 36 effectue encore une commutation entre les trois signaux calculés S'1, S'2, S'3 et le signal transmis original S, en fonction d'une information de mouvement 38 fournie par le décodeur. La table de vérité des commutateurs 26 et 36 peut être la suivante, en désignant par yo, Y1 et Y2 les signaux de sortie attaquant les commutateurs (e étant l'état de traitement correspondant à l'activité temporelle): début stabilisé fin de de séquence séquence YI 1 1 1 Y2 1 0 O Y3 0 0 1 Cette table de vérité peut être réalisée sous forme du circuit de la figure 10. Le fonctionnement séquentiel des modules sera maintenant décrit en faisant référence aux indications portées sur les figures 11 et 12 et aux notations suivantes: chaque image ou trame sera repérée par sa coordonnée temporelle t. Chaque ligne sera repérée par une ordonnée spatiale y. Chaque point d'une ligne sera repéré par une abscisse spatiale x. Un point de l'image est en conséquence défini sous la forme I(x,y,t) I désignant la luminance (bien que l'invention s'applique aussi bien à la chrominance). La description suivante concerne l'atténuation. Mais il suffit d'intervertir aO et bol aet bi pour qu'elles concernent l'accentuation. Le point courant original (x,y,t+T) se présente à l'entrée du système et la valeur I représentant son intensité est stockée dans la mémoire 40 d'image MI (t) et est dirigée vers l'extérieur de la mémoire vidéo 22. Au même instant, la valeur de l'intensité I au point (x,y,t) passe de la mémoire d'image MI (t) à la mémoire d'image 42 MI (t-T) et à l'extérieur de la mémoire vidéo. Au même instant encore, la valeur I du point (xy.,t-T) quitte la mémoire vidéo 20. Dans le cas d'images à 50 Hz (standard européen) on a T = 1/25 sec. Le filtre 24 doit calculer trois valeurs: (a) En activité temporelle stabilisée: Po(xy,t) = aoI(x,y,t) + alI(x,y,t+T) + a_lI(x,y,t-T) qui peut s'écrire, puisque a_1 = a1: Po(x,y,t) = aoI(x,y,t) + al[I(x,y,t+T) + I(x, y,t-T)] (b) En début de séquence P1(x,y,t) = aOI(x,y,t) + 2a1I(x,y,t+T) (c) En fin de séquence P2(x,y,t) = aoI(x,y,t) + 2a1I(x,y,t-T) Les opérations ci-dessus sont effectuées en pa- rallèle. La commutation par 26 (ou par 36) est commandée par l'information de mouvement provenant du codeur HD en phase avec le point courant (x,y,t) calculé. REVENDICATIONS - 1. Procédé de diffusion de programmes de télé- vision à haute définition sur un canal de transmission de capacité inférieure à la bande spectrale du signal d'image, procédé suivant lequel on effectue à l'émission un sous-échantillonnage de l'image répartissant l'infor- mation spatiale sur n trames successives (n étant un nombre entier supérieur à 1) et à la réception un filtrage d'interpolation, caractérisé en ce qu'on soumet l'image codée à haute définition à un filtrage d'atténuation temporelle de l'énergie dans la région proche de fo/n (fO étant la fréquence d'image) après codage haute définition et avant émission et à un filtrage d'accentuation temporel- le correspondant à l'atténuation avant décodage haute définition A la réception. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'atténuation et l'accentuation sont réalisées par filtrage en cosinus surélevé. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, carac- térisé en ce que l'ouverture temporelle à l'atténuation et à l'accentuation correspond à trois trames successives. 4. Procédé selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que l'atténuation temporelle est prévue pour fournir une atténuation comprise entre 5 et dB, à la fréquence f/n o n est le nombre de trames de l'ouverture temporelle et f la fréquence d'image. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que le filtrage temporel d'atténuation est tel que la valeur It(x,y,t) transmise après atténuation en un- point (x,y) et à l'instant t soit liée à la valeur initiale Io au même point et à l'instant t par la relation: It(x,y,t) = aoIo(x,y,t)+ alIo(x,y,t-T)+a1Io(xy,t+T) (1) o T est la fréquence de répétition d'image, et o a0 = (1+a)/2 a1 = a_1 = (1-a)/4 a étant l'atténuation recherchée pour la fréquence f/n o n est le nombre de trames correspondant à l'ouverture temporelle. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que l'on détecte les débuts et les fins de séquence à faible activité temporelle et on effectue un filtrage d'atténuation au cours de ces débuts et fins de séquence. 7. Système de diffusion de programmes de télévision haute définition mettant en oeuvre le procédé selon la revendication 1, comprenant un émetteur et un récepteur, caractérisé en ce que l'émetteur comporte, entre codeur haute définition et modulateur d'émission, un module d'atténuation temporelle et en ce que le récepteur comporte un module d'accentuation temporelle intercalé entre le démodulateur et le décodeur haute définition.