视频信号中高频的自适应去加重和再加重

摘要

公开了一种从包含预先被记录的电平减少了的亮度信号的介质中再现亮度信号的系统。该系统包含从该介质中恢复的电平减少了的亮度信号的电路。对电平减少了的亮度信号的高频部分进行除噪的电路。被除噪的高频部分的电平随之被提升一预定数量以便产生亮度信号。此外，还公开了将亮度信号记录在记录介质上以及从记录介质中重放所说亮度信号的系统。该系统包含自适应地减少亮度信号高频部分的电平的自适应去加重电路、记录电路、重放电路、再加重电路。

说明书

本发明涉及以反向兼容的方式通过窄带通道传输宽带亮度信号的系统。

在当前的盒式录象机（VCR）系统中，相对而言的宽带视频信号被记录在相对而言的窄带介质即录象带上。这是通过在将亮度信号（以及色度信号）记录在录象带上之前对被记录的亮度信号进行带宽限制来实现的。当已被记录的信号被再现和显示时，这一带宽限制导致图象的劣化。

为了使全带宽亮度信号能够被记录在窄带录象带上，已经发展了多种技术。这些技术之一是将亮度信号的高频部分折叠到其频谱低频部分的未被使用的部分中去，即一种被称为折叠的技术。这一被折叠的亮度信号与视频信号的色度分量组合在一起，组合后的信号被记录在盒式录象带上。组合信号包含在全带宽视频信号中出现的全部信息，但只占有（与色度信号一道）不宽于标准录象带的较窄的带宽的带宽。已被记录的全带宽视频信号然后在放象期间通过将色度信号从被折叠的亮度信号进行中分离、展开被折叠的亮度信号以及将色度信号与被恢复的全带宽亮度信号再次组合而被再现。

使用折叠技术的盒式录象机存在的一个问题是：用折叠技术进行记录的盒式录象带与不具备展开放象电路的盒式录象机不能反向兼容。这就是说，录有被折叠的全带宽视频信号的盒式录象带不能于放象通道中不具备展开电路的盒式录象机上放象而不产生有害的赝象。

对这一问题的已有解决办法就是在将亮度信号的高频部分折叠到低频分量中去之前减少它的幅值，即一种被称为去加重的技术。该去加重的折叠的亮度信号随后与色度信号组合在一起，且该组合后的信号被记录在录象带上。一旦放象，就将折叠的去加重亮度信号从色度信号中分离出来。该被分离的亮度信号随之被展开，且增大高频部分的幅值以便基本上将其恢复到其原来的电平，即一种被称为再加重的技术。如果这种录象带在不具备展开和再加重电路的盒式录象机上重放，由于在低频部分中亮度信号的高频部分的存在而引起的赝象就不足为害了，这是因为产生赝象的亮度信号的高频部分的幅值在折叠之前已被减少到无害的电平。

在由Strolle等人在1990年8月17日申请的美国专利第07/569，029、题为《改进的视频信号记录系统》中（DNC-90-002）中描述了在亮度信号记录通道中包含自适应去加重电路和在放象通道中包含自适应再加重电路的视频信号记录系统。在上述专利申请中提到的自适应去加重电路包含检测亮度信号的高频部分电平的电路以及根据被检测的信号电平可变地减少高频部分的电平的电路。如果亮度信号的高频部分的电平为高电平，那么就将高频部分的电平减少一最大量;如果该电平为低电平，那么就减少一最小量。

在上述专利申请的放象通道中的自适应再加重电路实际上进行相反的操作。这一自适应再加重电路包含检测被展开的亮度信号高频部分的电平的电路以及根据该被检测的电平可变地增大高频部分的电平的电路。如果被展开的亮度信号的高频部分的电平较高，就将该电平提升一最大量;如果电平较低，就将该电平提升一最小量。

因为当亮度信号高频部分的电平为高电平时它被减少一最大量，而当它为低电平时被减少一最小量，所以高频部分的电平被控制为总是处于约同一电平。这一去加重的亮度信号然后被折叠、记录、放象和展开。所有这些步骤都会引进噪声。如果引进的噪声改变了高频部分的被检测的电平，则再加重功能实际上就可能不是去加重功能的相反操作了。

需要于在放象通道中具备展开电路的盒式录象机中产生尽可能高质量的图象，同时保持与放象通道中不具备展开电路的盒式录象机的反向兼容性。这就要求亮度信号的高频部分在记录通道中被减少的数量基本上相当于亮度信号的高频部分在放象通道中被增大的数量。在上述专利申请中描述的已有解决办法是在放象通道中设置一自适应再加重电路。这种电路很复杂并且对在记录和放象过程中引进的噪声起令人不快的响应。需要有一种较简单的电路来实现再加重功能。

根据本发明的原理，从包含预先被记录的电平减少了的亮度信号的介质中再现亮度信号的系统包括从该介质中恢复电平减少了的亮度信号的电路，对电平减少了的亮度信号的高频部分进行除噪的电路。被除噪的高频部分的电平然后被提升一预定的数值以便产生亮度信号。

根据本发明的另一个方面，将亮度信号记录在记录介质上以及从记录介质中重放所说亮度信号的系统包括自适应地减少亮度信号高频部分的电平的自适应去加重电路。记录电路将电平减少了的亮度信号记录在介质上。重放电路从该介质中再现电平减少了的亮度信号。再加重电路非自适应地提升电平减少了的亮度信号的高频部分的电平以便产生亮度信号。

因为根据本发明的原理的视频信号记录系统电路简单，所以制造成本低廉。可以选择亮度信号高频部分提升的预定数量以便提供令观众满意的、不引起可察觉的赝象并且呈现良好噪声特性的图象。

图1是根据本发明的原理的视频信号记录/重放系统一部分的方框图;

图2是可被用于图1所示的视频信号记录/重放系统中的自适应去加重电路和控制信号发生器的方框图;

图3是有助于理解图2所示的自适应去加重电路操作的一组相关波形图。

图4是可以与图2所示的去加重电路一道使用的再加重电路的方框图。

图1是根据本发明的原理的视频信号记录/重放系统的方框图。在图1中，亮度信号输入端5被耦合到全带宽亮度信号源（未画出来）。例如，亮度信号输入端5可被耦合到在视频信号记录/重放系统中的亮度-色度分离器的亮度输出端或者摄象机的亮度输出端。

亮度信号输入端5被耦合到自适应去加重电路10的信号输入端和控制信号发生器80的输入端。控制信号发生器80的控制信号输出端被耦合到自适应去加重电路10的控制信号输入端。自适应去加重电路10的输出端被耦合到折叠电路20的输入端。折叠电路20的输出端被耦合到组合电路30的亮度信号输入端。组合电路30的输出端被耦合到用于将组合后的信号记录在记录介质上的机构上。记录机构和介质由熟知的部件构成，此处用盒式录象带40来表示。

色度信号输入端25被耦合到色度信号源（未画出）上。例如，色度信号输入端25可被耦合到在视频信号记录/重放系统中的亮度-色度分离器的色度输出端或者摄象机的色度输出端。色度信号输入端25被耦合到组合电路30的色度信号输入端。

盒式录象带40还表示构成从磁介质中恢复先前被记录的信号的重放装置的已知部件。盒式录象带40被耦合到信号分离器50的输入端。信号分离器50的亮度信号输出端被耦合到展开电路60的输入端。展开电路60的输出端被耦合到再加重电路70的信号输入端。再加重电路70的输出端被耦合到亮度信号输出端15。亮度信号输出端15被耦合到用于再现来自再加重电路70的全带宽亮度信号的应用装置（未画出）。应用装置可以例如是产生复合视频信号的亮度-色度信号合成器或者是高分辨率电视监视器的亮度信号输入端。

分离电路50的色度信号输出端被耦合到色度信号输出端35。色度信号输出端35可被耦合到用于色度信号的应用电路。例如，应用电路可以是用于产生复合视频信号的亮度-色度信号合成器或者是高分辨率电视监视器的色度信号输入端。

视频信号记录/重放系统领域的技术人员应当懂得在记录/重放系统中还必须有除图1所示的哪些部件之外的部件。本领域的技术人员应当懂得这些元件应设置在何处，它们应如何相互连接。为清楚起见，图1省略了这些部件，以下也不再详述。

工作时，控制信号发生器80产生表示全带宽亮度信号高频部分的电平的控制信号。控制信号被耦合到自适应去加重电路10的控制信号输入端。自适应去加重电路10根据来自控制信号发生器80的控制信号可变地减少全带宽视频信号高频部分的电平。自适应去加重电路10和控制信号发生器80将在下面详细讨论。

来自自适应去加重电路10的去加重亮度信号的高频部分随后在折叠电路20中被折叠到低频部分中去。上述美国专利申请（DNC-90-002）描述了可用作图1中的折叠电路20的典型的折叠电路。

来自折叠电路20的被折叠去加重亮度信号和来自色度信号输入端25的色度信号在组合电路30中以已知的方式被组合。色度信号在录有被折叠的去加重亮度信号的频谱区域以下的频谱区域中被录下，且组合后的亮度信号和色度信号占有小于磁介质带宽的带宽。

放象时，分离电路50用已知的方式对来自盒式录象带40的信号进行处理。在分离电路50中，将色度信号从被折叠的去加重亮度信号中分离出来。重放的被折叠亮度信号被传送到展开电路，且色度信号被传送到色度信号输出端35上。

展开电路60从低频部分展开亮度信号的去加重高频部分并且再生去加重的全带宽亮度信号。这一展开的去加重全带宽信号被传送到再加重电路70的信号输入端。再加重电路70将亮度信号的高频部分提升一预定数值。再加重电路70的输出是其中高频部分已被基本上恢复为正确电平的全带宽亮度信号。

图2是可被用于图1所示的视频信号记录/重放系统中的自适应去加重电路10和控制信号发生器80的方框图。在图2中，输入端5对应于图1的输入端5。输入端5被耦合到高通滤波器（HPF）82的输入端和减法器12的被减数输入端。减法器12的输出端与加法器18的输入端耦合。加法器18的输出端被耦合到输出端45。输出端45被耦合到（图1的）折叠电路20的输入端。

HPF82的输出端被耦合到减法器12的减数输入端、乘法器16的第一输入端和检波器84的输入端。检波器84的输出端被耦合到除噪器86的输入端。除噪器86的输出端被耦合到低通滤波器（LPF）88的输入端。LPF88的输出端产生控制信号K并且被耦合到1-K函数电路14的输入端。1-K函数电路14的输出端被耦合到乘法器16的第二输入端。乘法器16的输出端被耦合到加法器18的第二输入端。

本领域的技术人员应懂得在图2的各个位置需要延迟元件，还应懂得这些延迟元件应设置在何处以及延迟时间应为多长。为清楚起见，图2省略了这些延迟元件，以下也不再详述。

参看图3所示的波形图可以更好地理解自适应去加重电路10和控制信号发生器80的操作。工作时，HPF82和减法器12把亮度信号的高频部分从低频部分中分离出来。从HPF82输出的信号包含亮度信号的高频部分。在减法器12中从全带宽量度信号中减去亮度信号的高频部分，只剩下低频部分。

低频部分被传送到加法器18，与被衰减的高频部分组合以便形成去加重亮度信号。高频部分含有以垂直沿表示的亮度信息。图3A表示垂直沿的两个例子。在左侧表示大幅值的垂直沿，而在右侧表示小幅值的垂直沿。图3B表示在HPF82输出端处的信号。检波器84对这一信号进行检波，图3C表示检波器84输出端处的信号。

除噪器86消除小幅值边沿对去加重功能的影响。除噪器86作为阈值电路工作。如果输入信号的值小于阈值，那么就产生零值信号。如果输入信号的值大于阈值，那么输出信号的值就是小于阈值的输入信号的值。图3D表示除噪器86输出端处的信号。参看图3C，虚线表示阈值。在图3D中，只有图3C所示的被检波信号的超过阈值的部分通过除噪电路86，产生如图3D所示的信号。

除噪器86的输出信号被通过LPF88以便产生图3E所示的控制信号K。LPF88将控制信号展宽，使控制信号在垂直沿附近缓慢地变化。控制信号K按比例在当亮度信号高频部分的电平低时的零和当高频部分的电平高时的1/2之间变化。控制信号K随后在1-K函数电路14中被值1减，产生图3F所示的信号。1-K函数电路14可以用已知的模拟或数字算术单元的方式来实现，或者在数字方案的场合用查表法来实现。该信号在当亮度信号高频部分的电平低时的1到当高频部分的电平高时的1/2之间变化。该信号被加到乘法器16的一个输入端上。乘法器16通过将亮度信号的高频部分乘以1-K信号按比例改变亮度信号高频部分的电平。这一按比例改变的高频部分随后被加到亮度信号的低频部分以便形成去加重亮度信号。

当高频部分的电平高时，比例因数是1/2，高频部分的电平被减掉一半。当高频部分的电平低时，比例因数近乎为1，且高频部分的电平不加衰减地通过。处于亮度信号高频部分的中间电平时，比例因数是1/2和1之间的中间值，在去加重亮度信号中的高频部分的电平处于相应的中间值。

图4是图1所示的再加重电路70的方框图。在图4中，输入端75被耦合到（图1的）展开电路60的输出端。输入端75被耦合到减法器72的被减数输入端和高通滤波器（HPF）76的输入端。减法器72的输出端被耦合到加法器74的第一输入端。加法器74的输出端被耦合到输出端15。输出端15对应于图1的输出端15。

HPF76的输出端被耦合到减法器72的减数输入端和除噪器73的输入端。除噪器73的输出端被耦合到乘法器78的第一输入端。比例因数信号源被耦合到乘法器78的第二输入端。

工作时，HPF76和减法器72把再现的被展开的去加重亮度信号的高频部分从低频部分中分离出来。HPF76的输出是高频部分，当在减法器72中从全带宽的被展开的去加重亮度信号中减去这一信号时就只剩下低频部分。

在除噪器73中对被展开的去加重亮度信号的高频部分进行除噪操作。除噪器73作为双向阈值电路工作（与（图2的）只工作于正信号方向的除噪器不同）。如果输入信号的值比预定的阈值更接近零，那么就产生零值信号。如果输入信号的值比阈值更远离零，那么输出信号的值就是低于阈值的输入信号的值。图3G表示除噪器73输入端处的信号以及正、负阈值。在图3G中，只有输入信号的超过阈值的部分通过除噪电路。

这一除噪操作消除了高频部分中的在记录和重放过程中产生的低幅值噪声。这种噪声在不存在细节的图象区域中特别显著。由于自适应去加重并不减少在这些区域中的高频部分的幅值，故这一除噪操作不影响原始亮度信号在高频部分的电平低时的那些图象区域中的再现。因此，这些区域中的高频部分的电平往往仍高于噪声。

另一方面，如图4假想地示出的那样，用户阈值调整输入端65可被耦合到除噪器73的阈值输入端。在用户的控制下输入到阈值调整输入端65的阈值调整信号将调整除噪器73的阈值。如果阈值被调得太低，那么噪声将在不存在细节的图象区域中出现;如果阈值被调得太高，那么在图象中只出现最大幅值的细节，图象呈现模糊。用户可以调整阈值以便产生最令人满意的图象。

通过乘法器78按比例改变去加重亮度信号的被除噪高频部分。比例因数通过乘法器78的比例因数输入端来提供。这一比例因数可被固定为1和3之间的一预定电平。比例因数最好被固定为2。另一方面，如图4假想地示出的那样，用户增益调整输入端55可被耦合到乘法器78的比例因数输入端。在用户的控制下加到增益调整输入端55的增益调整信号将调整比例因数。如上所述，这一比例因数最好由用户在1和3之间进行改变。

来自乘法器78的这一按比例改变的高频部分在加法器74中与来自减法器72的低频部分再组合。加法器74的输出就是全带宽再加重亮度信号。

因为亮度信号的高频部分在（图1的）折叠电路20中被折叠到低频部分中去之前已被衰减，如果这样被记录的盒式录象带其后在不具备展开电路的盒式录象机上放象的话，因高频部分的存在而引起的赝象将不足为害。这样的盒式录象机是反向兼容的。

概括地描述了这种视频信号记录/重放系统。这一系统可用连续或离散数据形式的模拟方式来实现，或者以数字的方式来实现。本领域的技术人员应当懂得用任何所需的方式如何来实现这一系统。