Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Übertragen von Fernsehbildern über eine Datenleitung entsprechend dem Oberbegriff von Anspruch 1. Die Erfindung betrifft weiter eine Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens.
Fernsehbilder in Studioqualität werden heute im allgemeinen analog über Richtfunkstrecken oder über Koaxialkabel übertragen. Die Bestrebungen zur Übertragung solcher Fernsehbilder über digitale Datenleitungen konzentrieren sich vor allem auf Übertragungsstrecken mit einer Bitrate von 140 MBit/s, die als digitale Richtfunkstrecken und zukünftig bevorzugt als Glasfaserleitungen ausgebildet sind. Es kommen jedoch grundsätzlich auch andere digitale Datenleitungen infrage.
Die Digitalisierung von Fernsehbildern ist heute durch die Norm CCIR Rec. 601 international geregelt. Danach besteht jedes Fernsehbild aus einer Folge von 8-Bit-Wörtern, wobei jeweils zwei Luminanz-Wörter Y1 und Y2 sowie zwei Chrominanz-Wörter U und V einander zugeordnet sind und insgesamt zwei analogen, benachbarten Bildpunkten entsprechen.
Die zur vollständigen Übertragung von Fernsehbildern der Norm CCIR Rec. 601 erforderliche Bitrate beträgt 216 MBit/s und ist höher als die auf einer Übertragungsstrecke der 140-MBit/s-Norm CCITT Rec. G.703 gegebene Bitrate. Es sind daher verschiedene Vorschläge gemacht worden, wie die Bitrate der Fernsehbilder so reduziert werden kann, dass 140 MBit/s für die Übertragung ausreichen, ohne dass dabei die Qualität der Fernsehbilder beeinträchtigt wird.
Nach E.J. Wilson und P.R. Carmen: "Bit-rate reduction for 140 Mbit/s links" in IBA Technical Review, March 82, 16 Digital coding standards lassen sich die Fernsehbilder mit einer hybriden Delta-PCM-Methode übertragen. Hierbei werden alle drei Komponenten Y, U, V gleich behandelt. Jeweils jedes vierte 8-Bit-Wort jeder Komponente wird unverändert übertragen, während die jeweils drei anderen 8-Bit-Wörter als 5-Bit-Wörter reduziert übertragen werden. Der zur Differenzbildung erforderliche Prädiktor wird dabei aus den benachbarten, unverändert übertragenen 8-Bit-Wörtern der jeweils aktuellen, der jeweils vorhergehenden und der jeweils nachfolgenden Bildzeile gebildet.
Die Reduktion der 8-Bit-Wörter zu 5-Bit-Wörtern erfolgt auf der Sendeseite mit Hilfe einer Kompressor-Tabelle, die 256 möglichen Differenzwerten von je 8 Bit 32 mögliche 5-Bit-Wörter zuordnet. Auf der Empfangsseite erfolgt die Rückumwandlung mit einer entsprechenden Expander-Tabelle, wobei jeweils wiederum aus vier benachbarten, der vorhergehenden, der nachfolgenden und der jeweils aktuellen Bildzeile zugehörenden, unverändert übertragenen 8-Bit-Wörtern Prädiktor-Werte gebildet werden.
Die Methode nach Wilson und Carmen ist relativ aufwendig bezüglich des benötigten Speicherplatzes, da jeweils mehrere Bildzeilen gespeichert sein müssen. Sie hat die weiteren Nachteile, dass bei mehrmals aufeinanderfolgender Anwendung der Methode (d.h. bei Tandem- bzw. Kettenschaltungen) die übertragenen Fernsehbilder nicht sofort stabil sind, und dass sich Übertragungsfehler in den übertragenen Bildern relativ grossflächig bemerkbar machen können.
Nach CCIR Document 11/374-E: Hybrid DPCM coding of TV studio signals for transmission at 135 Mbit/s, 13. Aug. 1985 ist es bekannt, die 8-Bit-Wörter der Fernseh-Norm als 6-Bit-Wörter zu übertragen.
Der zur Bildung der 6-Bit-Wörter und zur Rückumwandlung in 8-Bit-Wörter notwendige Prädiktor entspricht sowohl auf der Sende- als auch auf der Empfangsseite jeweils dem unmittelbar vorausgehenden, quantisierten, aus dem 6-Bit-Wort rückgewandelten 8-Bit-Wort. Diese nach Van Buul benannte Methode reagiert auf Übertragungsfehler empfindlich, da keine als Fixpunkte dienenden, unverändert übertragenen 8-Bit-Wörter vorhanden sind.
Es ist ausgehend vom gewürdigten Stand der Technik die Aufgabe der Erfindung, eine weitere Methode zur Bitraten-Reduktion aufzuzeigen, die relativ einfach ist und die die Nachteile der geschilderten Methoden weitgehend vermeidet. Die Lösung dieser Aufgabe wird durch den kennzeichnenden Teil der unabhängigen Ansprüche gegeben. Die abhängigen Ansprüche geben Ausgestaltungen der Erfindung an.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von sieben Figuren beispielsweise näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 Schematische Darstellung einer Einrichtung zum Übertragen von digitalisierten Fernsehbildern
Fig. 2 Folge von 8-Bit-Wörtern
Fig. 3 Blockschaltbild eines Coders
Fig. 4 Blockschaltbild eines Decoders
Fig. 5 Blockschaltbild eines Y-Coders
Fig. 6 Blockschaltbild eines Y-Decoders
Fig. 7 Tabelle einer Kompresser/Expander-Funktion
Fig. 1 zeigt schematisch eine Einrichtung zum Übertragen von Fernsehbildern in Studioqualität von einem ersten Studio 11 zu einem zweiten Studio 13 über eine digitale Datenleitung 15. Auf der Sendeseite der Übertragungsstrecke sind ein Coder 18 und ein Multiplexer 21 angeordnet, auf der Empfangsseite ein Demultiplexer 24 und ein Decoder 27.
In den Studios 11, 13 liegen die Fernsehbilder in Studio-Qualität und digitalisiert entsprechend der Norm CCIR Rec. 601 vor. Dies bedeutet, dass am Ausgang 17 des Studios 11 und am Eingang 12 des Studios 13 die zu übertragenden Fernsehbilder als Folge von 8-Bit-Wörtern U, Y1, V, Y2 auftreten. Dies zeigt Fig. 2 für bitserielle Ein- und Ausgänge. Jedes 8-Bit-Wort 30 bis 33 repräsentiert einen dem analogen Fernsehsignal zugeordneten, digitalen Wert, wobei die Wörter Y1 und Y2 der Luminanz und die Wörter U und V der Chrominanz von insgesamt zwei analogen Bildpunkten zugehören. Je vier aufeinanderfolgende 8-Bit-Wörter entsprechen somit insgesamt zwei benachbarten, analogen Bildpunkten einer Zeile des analogen Fernsehbildes. Statt bitseriell können die Eingänge 12 und Ausgänge 17 auch bitparallel ausgebildet sein, was die Bitrate um den Faktor 8 vermindert.
Die Datenleitung 15 ist als Richtfunkstrecke oder als Glasfaserleitung für eine Bitrate von 140 MBit/s ausgebildet entsprechend der Norm CCITT Rec. G.703. Dies bedeutet, dass die Übertragung bitseriell im CMI-Code erfolgt.
Der Coder 18 dient zum Reduzieren der Bitrate an seinem Eingang 17 auf eine Rate, die der Übertragungsrate auf der Datenleitung 15 angepasst ist. Dies bedeutet, dass der Coder 18 einen Teil der ankommenden Bildinformation abzweigt und die reduzierte, verbleibende Bildinformation über die Verbindung 19 als Bitstrom verminderter Bitrate an den Multiplexer 21 abgibt.
Der Multiplexer 21 verschachtelt den genannten Bitstrom von Verbindung 19 mit weiteren Bitströmen, die über seine Eingänge 20 ankommen und die z.B. den Fernsehton darstellen. Weiter wandelt er die Bits so um, dass sie dem CMI-Code entsprechen und sendet sie so auf die Datenleitung 15 aus.
Auf der Empfangsseite demultiplexiert der Demultiplexer 24 den über die Datenleitung 15 ankommenden Bitstrom und gibt die (verminderte) Bildinformation über die Verbindung 25 an den Decoder 27 ab. Dieser fügt eine Bildinformation zu, die der beim Coder 18 abgezweigten Bildinformation annähernd gleich ist und regeneriert damit die gesamte Fernsehbild-Information. Über seinen Ausgang 12 gibt er eine Folge von (sekundären) 8-Bit-Wörtern an das zweite Studio 13 ab, die gleich oder mindestens annähernd gleich ist der Folge (primärer) 8-Bit-Wörter am Ausgang 17 des ersten Studios 11.
Die Verbindungen 17, 19, 25, 12 in Fig. 1 sind als Balkenpfeile dargestellt. Hierdurch wird angedeutet, dass die 8-Bit-Wörter oder allgemein die Signale bitseriell oder bitparallel weitergegeben werden können. Eine entsprechende Darstellungsregelung gilt auch für die folgenden Figuren.
Fig. 3 zeigt das Blockschaltbild des Coders 18. Dieser umfasst einen Y-UV-Demultiplexer 40, einen Y-Coder 42, einen UV-Coder 43, zwei Pufferspeicher 46, 47 sowie eine Takteinheit 49. Die Folge der 8-Bit-Wörter des ersten Studios 11 erreicht den Coder 18 über den Eingang 17. Der Y-UV-Demultiplexer 40 teilt diese Folge in eine Y-Folge der Luminanz-Wörter Y und in eine UV-Folge der Chrominanz-Wörter U, V auf, die in den Y-Coder 42 bzw. parallel dazu in den UV-Coder 43 einlaufen. Diese Aufteilung reduziert die Verarbeitungsgeschwindigkeit der Coder 42, 43 um den Faktor 2 und hat weitere Vorteile, auf die später eingegangen wird.
Der Y-Coder 42 und der UV-Coder 43 unterteilen die Y-Folge bzw. die UV-Folge in aufeinanderfolgende Gruppen von je drei (primären) 8-Bit-Wörtern, von denen das erste jeweils mit A, das zweite mit B und das dritte mit C bezeichnet wird. Die Coder 42, 43 geben an ihren Ausgängen 44 bzw. 45 das jeweils erste 8-Bit-Wort A unverändert als 8-Bit-Wort A ab. Das jeweils zweite und dritte 8-Bit-Wort B bzw. C wird dagegen je in ein 5-Bit-Wort b bzw. c umgewandelt und als solches an den Ausgang 44 bzw. 45 abgegeben. Hierdurch ergibt sich an den Ausgängen 44, 45 je eine Folge, bei der 8- und 5-Bit-Wörter abwechseln (A-b-c), wodurch die Bitrate auf den Faktor 3/4 gegenüber der Folge A-B-C reduziert ist.
Die Folgen A-b-c laufen in den ersten 46 bzw. zweiten Pufferspeicher 47 ein und werden in unveränderter Reihenfolge über die Ausgänge 19.1 bzw. 19.2 an den in Fig. 3 nicht gezeigten Multiplexer 21 weitergegeben und von diesem in geeigneter Weise zusammen mit den Signalen auf dessen Eingängen 20 zeitmultiplexiert.
Die Takteinheit 49 stellt die für die beschriebenen Vorgänge und Einheiten benötigten Taktsignale bereit, insbesondere den Bittakt BT und den Worttakt WT und sorgt für das gleichmässige Auslesen des Bitstroms aus den Pufferspeichern 46 und 47. Dahei werden auch die horizontalen Austastlücken des analogen Fernsehbildes überschrieben bzw. zeitlich ausgenützt.
Der Y-Coder 42 reduziert auf die beschriebene Weise die durch die Folge der Y-Wörter gegebene Luminanz-Information der Fernsehbilder, der UV-Coder 43 die durch die Folge der U- und V-Wörter gegebene Chrominanz-Information je auf 75%. Die restlichen 25% werden abgezweigt und gehen verloren. Das Überschreiben der horizontalen Austastlücke liefert eine weitere Reduktion um 1/6. Insgesamt ergibt sich für die Übertragung über die Datenleitung 15 eine geeignet niedrige Bitrate auf Kosten einer gewissen Bildinformation.
Fig. 4 zeigt das Blockschaltbild des Decoders 27. Dieser ist symmetrisch zum Coder 18 aufgebaut und umfasst einen Y-UV-Multiplexer 50, einen Y-Decoder 52, einen UV-Coder 53, zwei Pufferspeicher 56, 57 sowie eine Takteinheit 59. Die übertragenen und demultiplexierten Y- und UV-Folgen A-b-c erreichen über die Eingänge 25.1 bzw. 25.2 und die Pufferspeicher 56 bzw. 57 den Y-Decoder 52 bzw. den UV-Decoder 53. Diese Decoder 52, 53 sind so ausgebildet, dass sie aus den Folgen der 8-Bit-Wörter A und der 5-Bit-Wörter b und c Folgen von sekundären 8-Bit-Wörtern erzeugen, wobei die im Coder 18 abgezweigte Information gleich oder wenigstens annähernd gleich wieder zugefügt wird, so dass insgesamt kein wesentlicher Verlust von Bildinformation für das zweite Studio 13 resultiert.
Dies bedeutet, dass an den Ausgängen 54, 55 des Y-Decoders 52 bzw. des UV-Decoders 55 Folgen A-B min -C min auftreten, wobei die sekundären 8-Bit-Wörter B min und C min gleich oder annähernd gleich den zugeordneten, primären 8-Bit-Wörtern B und C sind. Die Pufferspeicher 56 und 57 dienen weiter zur Erzeugung der horizontalen Austastlücken.
Der Y-UV-Multiplexer 50 fügt die beiden Folgen der Luminanzwörter Y und der Chrominanzwörter U, V entsprechend der Studionorm CCIR Rec. 601 zusammen und gibt sie über seinen Ausgang 12 an das nicht gezeigte zweite Studio 13 ab.
Fig. 5 zeigt das verfeinerte Blockschaltbild des Y-Coders 42. Dieser umfasst eine Weiche 61, eine Kompresser/Expander-Einheit 63, ein Prädiktor-Register 65, zwei ODER-Tore 67, 69 und eine Steuerung 71. Die Folge der primären 8-Bit-Wörter A-B-C (Luminanz Y) läuft bitparallel über den Eingang 60 in die Weiche 61 ein. Diese leitet jedes erste Wort A jeder Dreiergruppe über die Verbindung 62 den beiden ODER-Toren 67 und 69 zu. Das jeweilige primäre 8-Bit-Wort A wird hierdurch zum einen in das Prädiktor-Register 65 eingeschrieben und zum anderen über den Ausgang 44 des Y-Coders 42 an den nicht gezeigten Pufferspeicher 46 ausgelesen.
Das jeweils zweite 8-Bit-Wort B wird durch die Weiche 61 dem ersten Eingang 73 der Kompresser/Expander-Einheit 63 zugeführt. Parallel hierzu liegt an dessem zweiten Eingang 74 der Inhalt des Prädiktor-Registers 65, d.h. das 8-Bit-Wort A an. Zu diesen beiden Eingangswörtern B und A gibt die Kompresser/Expander-Einheit 63 an ihrem ersten Ausgang 75 ein zugeordnetes 5-Bit-Wort b ab und an ihrem zweiten Ausgang 76 ein sekundäres 8-Bit-Wort B min . Das 5-Bit-Wort b wird über das ODER-Tor 69 auf den Ausgang 44 ausgegeben, während das 8-Bit-Wort B min über das ODER-Tor 67 in das Prädiktor-Register 65 einläuft und dort das Wort A ersetzt.
Das jeweils dritte primäre 8-Bit-Wort C wird durch die Weiche 61 ebenfalls dem ersten Eingang 73 der Kompresser/Expander-Einheit 63 zugeführt, während an dessen zweiten Eingang 74 nunmehr das Wort B min anliegt. Zu diesen beiden Eingangswörtern C und B min gibt die Einheit 63 an ihrem ersten Ausgang 75 ein zugeordnetes 5-Bit-Wort c ab, das über das ODER-Tor 69 auf den Ausgang 44 abgegeben wird.
Am Ausgang 44 entstehen auf diese Weise die beschriebenen Gruppen A-b-c, während im Prädiktor-Register 65 die Wörter A und B min abwechseln. Die Weiche 61 und die sonstigen Einheiten des Y-Coders 42 werden hierbei durch die Steuerung 71 gesteuert.
Die Kompresser/Expander-Einheit 63 bildet in einer bevorzugten Ausführung im wesentlichen einen elektronischen ROM-Speicher (read only memory) von z.B. 64 kByte, in den für alle möglichen Kombinationen der Eingangswörter B und A bzw. C und B min die zugeordneten Ausgangswörter b und B min bzw. c in Tabellenform gespeichert sind.
In anderer Ausbildung bildet die Kompresser/Expander-Einheit 63 einen logischen Schaltkreis, der mit Hilfe einer Expander- und einer Kompresser-Kennlinie geeigneter Art und mit Hilfe eines Algorithmus aus den Wörtern B und A bzw. C und B min an seinen Eingängen 73, 74 die zugeordneten Ausgangswörter b und B min bzw. c errechnet.
Fig. 6 zeigt das verfeinerte Blockschaltbild des Y-Decoders 52. Dieses ist dem Blockschaltbild des Y-Coders 12 sehr ähnlich. Der Y-Coder 52 umfasst eine Weiche 161, eine Expander-Einheit 163, ein Prädiktor-Register 165, zwei ODER-Tore 167, 169 sowie eine Steuerung 171, die den entsprechenden Einheiten des Y-Coders 41 weitgehend entsprechen.
Die Weiche 161 leitet das jeweilige, über den Eingang 160 ankommende 8-Bit-Wort A über die Verbindung 162 und die ODER-Tore 167 und 169 dem Prädiktor-Register 165 bzw. dem Ausgang 54 zu. Die 5-Bit-Wörter b und c werden von der Weiche 161 dagegen dem ersten Eingang 173 der Expander-Einheit 163 zugeleitet.
Aus den Eingangswörtern b und A an den Eingängen 173 bzw. 174 bildet die Expander-Einheit das zugeordnete sekundäre Ausgangswort B min , das über das ODER-Tor 167 in das Prädiktor-Register 165 und über das zweite ODER-Tor 169 an den Ausgang 54 abgegeben wird. Aus den Eingangswörtern c und B min wird analog das sekundäre 8-Bit-Wort C min gebildet. Auf diese Weise erscheinen am Ausgang 54 des Y-Decoders 52 die Gruppen A-B min -C min , die den Gruppen A-B-C auf der Sendeseite vollständig oder zumindest weitgehend gleich sind.
Dass letzteres so ist, wird im folgenden erklärt. Das jeweils erste 8-Bit-Wort A wird unverändert als solches von der Sendeseite der Übertragungseinrichtung zur Empfangsseite übertragen. Bei den Wörtern A treten damit keinerlei Bildreduktionsverluste ein.
Die Bildreduktionsverluste werden voll durch die 5-Bit-Wörter b und c bedingt. Diese Verluste und die bei der Bildung der sekundären 8-Bit-Wörter B min und C min auftretenden Fehler werden jedoch durch die Art der Codierung, eine Differenz-Codierung, klein gehalten, bei der als Prädiktor für das 5-Bit-Wort b das primäre 8-Bit-Wort A und als Prädiktor für das 5-Bit-Wort c das sekundäre 8-Bit-Wort B min verwendet wird.
Fig. 7 zeigt dies anhand einer Tabelle. In der ersten Spalte sind die möglichen Differenzen zwischen dem jeweiligen 8-Bit-Wort B bzw. C und dem zugeordneten Prädiktorwort A bzw. B min aufgelistet. Diese Differenzen können einen Wert von 0 bis 255 (= 2<8>-1) haben. Negative Differenzen werden durch das 2er-Komplement dargestellt.
Je einem oder mehreren Differenzwerten ist in der zweiten Spalte ein 5-Bit-Wort b bzw. c zugeordnet. In der dritten Spalte sind schliesslich 8-Bit-Wörter angegeben, die den mittleren Werten der ersten Spalte entsprechen und aus denen durch Addition mit dem jeweiligen Prädiktorwort die sekundären 8-Bit-Wörter B min und C min entstehen.
Die erste und zweite Spalte von Fig. 7 bilden zusammen eine in Tabellenform dargestellte Kompresserfunktion, die den Zusammenhang zwischen den primären 8-Bit-Wörtern A, B, C und den zu übertragenden 5-Bit-Wörtern b, c gibt. Die zweite und dritte Spalte bilden entsprechend eine Expanderfunktion, die den Zusammenhang zwischen den übertragenen 5-Bit-Wörtern b, c und den sekundären 8-Bit-Wörtern B min , C min angibt.
Wie aus Fig. 7 ersichtlich ist, weichen die Wörter der ersten und der dritten Spalte höchstens um den Wert 4 voneinander ab. Dieser Wert ist gering im Vergleich zu den möglichen Differenzen bis 255. Die Wörter der ersten Spalte 0 bis 17 und 238 bis 255 weichen sogar höchstens um den Wert 2 von den zugeordneten Wörtern der dritten Spalte ab. Hierdurch ist sicher gestellt, dass bei kleinen Differenzwerten des Fernsehbildes die möglichen Fehler durch die Übertragung ebenfalls klein sind. Durch die gewählte Anordnung entsprechend den Fig. 5 und 6 ist darüber hinaus sicher gestellt, dass auf der Sendeseite und auf der Empfangsseite jeweils die gleichen Prädiktorworte verwendet werden, nämlich A und B min . Hierdurch werden auf beiden Seiten gleiche Verhältnisse erzeugt, was weitere Fehler unterdrückt.
Insgesamt basiert die Funktion der Kompresser/ Expander-Einheit 63 bzw. der Expander-Einheit 163 auf folgenden Schritten:
Kompresser/Expander-Einheit 63
- Speichern von A
- Differenzbildung B-A
- Auswählen des zugeordneten 5-Bit-Wortes b
- Aussenden von b
- Auswählen des zu b gehörenden Differenzbetrages B min -A
- Addieren (B min -A) + A
- Speichern von B min und
- Differenzbildung C-B min
- Auswählen des zugeordneten 5-Bit-Wortes c
- Aussenden von c
Expander-Einheit 163
- Speichern von A
- Auswählen des zu b gehörenden Differenzbetrages B min -A
- Addieren (B min -A) + A
- Speichern von B min ; Aussenden von B min und
- Auswählen des zu c gehörenden Differenzbetrages C min -B min ) + B min
- Aussenden von C min
Diese Schritte lassen sich wie beschrieben entweder jeweils mit Hilfe eines Algorithmus und der Tabelle von Fig. 7 ausführen. Oder sie lassen sich im voraus in Tabellenform bringen und gespeichert bereitstellen, wobei die beiden Wörter an den beiden Eingängen 73, 74 bzw. 173, 174 der Einheiten 63 bzw. 163 als ein einziges 16-Bit-Wort bzw. 13-Bit-Wort betrachtet wird. Diese elegantere Lösung erfordert z.B. einen ROM-Speicher mit einem Speicherumfang von 64k x 13 Bit bzw. 8k x 16 Bit mit zugeordneter Leselogik.
Die beschriebene Einrichtung zum Übertragen von Fernsehbildern in Studioqualität über eine Datenleitung 15 ist relativ einfach. Für die Codierung und Decodierung werden nur Bildpunkte benützt, die auf einer einzigen Bildzeile liegen und unmittelbar aufeinander folgen. Hierdurch ist kein Speicherplatz nötig, jedenfalls müssen nicht ganze Zeilen der Fernsehbilder abgespeichert werden. Auf der Sende- und auf der Empfangsseite werden die gleichen Prädiktorwörter verwendet, was die unvermeidlichen Codierungs/Decodierungs-Fehler vermindert. Übertragungsfehler beeinflussen höchstens drei Bildpunkte, da die 8-Bit-Wörter A uncodiert übertragen werden. Fehlerschleppen erstrecken sich deshalb auf höchstens zwei nachfolgende, digitale Bildwerte.
Bei Übertragungen der sekundären Fernsehbilder vom zweiten Studio 13 zu einem dritten Studio usw. (Tandem- oder Kettenschaltung) ergeben sich grundsätzlich keine weiteren Bildverschlechterungen, vielmehr bleibt die beim zweiten Studio vorliegende Qualität vollumfänglich erhalten.
Die Luminanz-Wörter Y und die Chrominanz-Wörter U, V werden in der geschilderten Weise grundsätzlich gleich und parallel zueinander behandelt. Dies vereinfacht die erforderlichen Einrichtungen und vermindert die erforderlichen Taktgeschwindigkeiten. Wird als Kompresser/Expander-Einheit 63, 163 ein ROM-Speicher verwendet, so ergeben sich durch seine Mehrfachverwendung im Coder 18 und im Decoder 27 auch beachtliche preisliche Vorteile.
Insgesamt erscheint die Einrichtung wesentlich einfacher und gebrauchstauglicher als die einleitend geschilderten Alternativen.
Von den diversen Varianten und Alternativen seien die folgenden genannt:
- Die 8-Bit-Wörter und die 5-Bit-Wörter können bitparallel oder bitseriell behandelt werden.
- Die Norm der digitalen Datenleitung 15 kann eine andere sein als CCITT Rec. G. 703.
- Die Kompresser- und die Expanderfunktion können bezüglich der maximalen Abweichung, z.B. Fehler maximal 4, oder bezüglich möglichst geringer mittlerer Abweichungen optimiert sein, z.B. Fehler 0 in mehr als 50% aller Fälle.
- Die Chrominanzwörter U und V können bei der Codierung als eine einzige Sorte von Wörtern oder als zwei verschiedene Sorten betrachtet werden.
In letzterem Fall ist die Verdoppelung der Prädiktor-Register 65 und 165 notwendig.
- Statt der Parallelverarbeitung der Y-Folge und der UV-Folge können diese durch einen einzigen Y-Coder/Y-Decoder behandelt werden, wobei durch Abzählen die Zuordnung der Y- bzw. der U- und V-Wörter erfolgt und durch eine ausreichende Zahl von Prädiktor-Register die jeweilige Zuordnung zwischen zusammengehörigem Prädiktorwort und Y-bzw. UV-Wort sicher gestellt wird.
- Von den primären 8-Bit-Wörtern A, B, C jeder Gruppe kann jeweils das zweite Wort B unverändert als 8-Bit-Wort übertragen werden und die beiden anderen als 5-Bit-Wörter a bzw. c. In diesem Fall bildet B das jeweils einzige Prädiktorwort zur Bildung der 5-Bit-Wörter a und c, was einen Vorteil bedeutet.
Nachteilhaft dabei ist, dass ein Pufferspeicher vorgesehen werden muss zum Speichern von A, B und C, und dass die Aussendung der Wörtergruppen a-B-c zeitverschoben und/oder in geänderter Reihenfolge B-a-c zu den zugeordneten Gruppen A-B-C erfolgt.
- Es können Gruppen aus einer beliebigen, vorbestimmten Anzahl n aufeinanderfolgender Wörter A, B, C, D, E gebildet werden, von denen jeweils eines unverändert als 8-Bit-Wort übertragen wird und die anderen als 7-, 6- oder 5-Bit-Wort. Hierbei ist n eine ganze Zahl von 2 bis 5. Die bevorzugte Gruppe besteht jedoch wie beschrieben aus drei Wörtern A, B, C.
The invention relates to a method for transmitting television pictures via a data line according to the preamble of claim 1. The invention further relates to an apparatus for performing the method.
Studio-quality television pictures are today generally transmitted analogously via directional radio links or via coaxial cables. The efforts to transmit such television pictures via digital data lines are concentrated above all on transmission links with a bit rate of 140 Mbit / s, which are designed as digital directional radio links and in the future preferably as fiber optic lines. In principle, however, other digital data lines are also possible.
The digitization of television pictures is regulated internationally by the standard CCIR Rec. 601. According to this, each television picture consists of a sequence of 8-bit words, two luminance words Y1 and Y2 and two chrominance words U and V being assigned to each other and corresponding to a total of two analog, neighboring pixels.
The bit rate required for the complete transmission of television images of the CCIR Rec. 601 standard is 216 Mbit / s and is higher than the bit rate given on a transmission link of the 140 Mbit / s standard CCITT Rec. G.703. Various proposals have therefore been made as to how the bit rate of the television images can be reduced in such a way that 140 Mbit / s are sufficient for the transmission without the quality of the television images being impaired in the process.
According to E.J. Wilson and P.R. Carmen: "Bit-rate reduction for 140 Mbit / s links" in IBA Technical Review, March 82, 16 digital coding standards, the television images can be transmitted using a hybrid Delta-PCM method. All three components Y, U, V are treated equally. Every fourth 8-bit word of each component is transmitted unchanged, while the other three 8-bit words are transmitted reduced as 5-bit words. The predictor required for difference formation is formed from the adjacent, unchanged transmitted 8-bit words of the respectively current, the respectively preceding and the respectively following picture line.
The 8-bit words are reduced to 5-bit words on the transmission side with the aid of a compressor table which assigns 256 possible difference values of 8 bits each to 32 possible 5-bit words. On the receiving side, the back conversion takes place with a corresponding expander table, predictor values being formed in each case from four neighboring 8-bit words which are transmitted unchanged and which belong to the preceding, the following and the respectively current picture line.
The Wilson and Carmen method is relatively complex in terms of the storage space required, since several image lines must be stored in each case. It has the further disadvantages that when the method is used several times in succession (i.e. in tandem or chain circuits), the transmitted television pictures are not immediately stable, and that transmission errors in the transmitted pictures can have a relatively large area.
According to CCIR Document 11/374-E: Hybrid DPCM coding of TV studio signals for transmission at 135 Mbit / s, Aug. 13, 1985, it is known to assign the 8-bit words to the television standard as 6-bit words transfer.
The predictor necessary for the formation of the 6-bit words and for the conversion back into 8-bit words corresponds on both the transmitting and the receiving side to the immediately preceding, quantized 8-bit converted back from the 6-bit word. Word. This method, named after Van Buul, is sensitive to transmission errors, since there are no 8-bit words that are used as fixed points and are unchanged.
Starting from the acknowledged prior art, it is the object of the invention to show a further method for bit rate reduction which is relatively simple and which largely avoids the disadvantages of the methods described. The solution to this problem is given by the characterizing part of the independent claims. The dependent claims provide embodiments of the invention.
The invention is described in more detail below with reference to seven figures. Show it:
Fig. 1 Schematic representation of a device for transmitting digitized television pictures
Fig. 2 sequence of 8-bit words
Fig. 3 block diagram of a encoder
Fig. 4 block diagram of a decoder
Fig. 5 block diagram of a Y-encoder
Fig. 6 block diagram of a Y decoder
Fig. 7 table of a compressor / expander function
1 schematically shows a device for transmitting television pictures in studio quality from a first studio 11 to a second studio 13 via a digital data line 15. A coder 18 and a multiplexer 21 are arranged on the transmission side of the transmission link, and a demultiplexer 24 on the reception side and a decoder 27.
In studios 11, 13, the television pictures are in studio quality and digitized in accordance with the CCIR Rec. 601 standard. This means that the television pictures to be transmitted appear as a sequence of 8-bit words U, Y1, V, Y2 at the output 17 of the studio 11 and at the input 12 of the studio 13. This is shown in Fig. 2 for bit serial inputs and outputs. Each 8-bit word 30 to 33 represents a digital value assigned to the analog television signal, the words Y1 and Y2 belonging to the luminance and the words U and V to the chrominance of a total of two analog pixels. Four consecutive 8-bit words thus correspond to a total of two neighboring, analog image points of one line of the analog television picture. Instead of bit series, the inputs 12 and outputs 17 can also be designed bit-parallel, which reduces the bit rate by a factor of 8.
The data line 15 is designed as a directional radio link or as a glass fiber line for a bit rate of 140 Mbit / s in accordance with the CCITT Rec. G.703 standard. This means that the transmission is bit serial in the CMI code.
The encoder 18 serves to reduce the bit rate at its input 17 to a rate that is adapted to the transmission rate on the data line 15. This means that the coder 18 branches off part of the incoming picture information and delivers the reduced remaining picture information to the multiplexer 21 via the connection 19 as a bit stream of reduced bit rate.
The multiplexer 21 interleaves the said bit stream from connection 19 with further bit streams which arrive via its inputs 20 and which e.g. represent the television sound. He also converts the bits so that they correspond to the CMI code and sends them out on data line 15.
On the receiving side, the demultiplexer 24 demultiplexes the bit stream arriving via the data line 15 and delivers the (reduced) image information via the connection 25 to the decoder 27. This adds image information which is approximately the same as the image information branched off at the coder 18 and thus regenerates the entire television image information. Via its output 12, it outputs a sequence of (secondary) 8-bit words to the second studio 13, which is the same or at least approximately the same as the sequence of (primary) 8-bit words at the output 17 of the first studio 11.
The connections 17, 19, 25, 12 in Fig. 1 are shown as bar arrows. This indicates that the 8-bit words or the signals in general can be passed on bit-serial or bit-parallel. A corresponding representation rule also applies to the following figures.
Fig. 3 shows the block diagram of the encoder 18. This comprises a Y-UV demultiplexer 40, a Y-encoder 42, a UV-encoder 43, two buffer memories 46, 47 and a clock unit 49. The sequence of the 8-bit words of the first studio 11 reaches the coder 18 via the input 17. The Y-UV demultiplexer 40 divides this sequence into a Y-sequence of the luminance words Y and into a UV-sequence of the chrominance words U, V, which in run the Y-encoder 42 or parallel to the UV-encoder 43. This division reduces the processing speed of the encoders 42, 43 by a factor of 2 and has further advantages, which will be discussed later.
The Y-coder 42 and the UV-coder 43 divide the Y-sequence and the UV-sequence into successive groups of three (primary) 8-bit words, the first with A, the second with B and the third is denoted by C. The coders 42, 43 emit the respective first 8-bit word A unchanged as 8-bit word A at their outputs 44 and 45. The second and third 8-bit words B and C, on the other hand, are each converted into a 5-bit word b and c and, as such, are output to the outputs 44 and 45. This results in a sequence at the outputs 44, 45, in which 8- and 5-bit words alternate (A-b-c), whereby the bit rate is reduced to a factor of 3/4 compared to the sequence A-B-C.
The sequences Abc run into the first 46 or second buffer memory 47 and are forwarded in unchanged order via the outputs 19.1 and 19.2 to the multiplexer 21, not shown in FIG. 3, and from this in a suitable manner together with the signals on its inputs 20 time-multiplexed.
The clock unit 49 provides the clock signals required for the processes and units described, in particular the bit clock BT and the word clock WT, and ensures that the bit stream is read out uniformly from the buffer memories 46 and 47. The horizontal blanking gaps of the analog television picture are also overwritten or exploited in time.
In the manner described, the Y-encoder 42 reduces the luminance information of the television pictures given by the sequence of the Y-words, the UV-encoder 43 reduces the chrominance information given by the sequence of the U- and V-words to 75% each. The remaining 25% are branched off and lost. Overwriting the horizontal blanking interval provides a further reduction by 1/6. Overall, there is a suitably low bit rate for the transmission via the data line 15 at the expense of a certain amount of image information.
4 shows the block diagram of the decoder 27. This is constructed symmetrically to the coder 18 and comprises a Y-UV multiplexer 50, a Y decoder 52, a UV coder 53, two buffer memories 56, 57 and a clock unit 59 transmitted and demultiplexed Y and UV sequences Abc reach the Y decoder 52 and the UV decoder 53 via the inputs 25.1 and 25.2 and the buffer memories 56 and 57, respectively. These decoders 52, 53 are designed such that they consist of generate the sequences of the 8-bit words A and the 5-bit words b and c of sequences of secondary 8-bit words, the information branched off in the coder 18 being added again in an identical or at least approximately the same way, so that overall no significant information is added Loss of image information for the second studio 13 results.
This means that sequences AB min -C min occur at the outputs 54, 55 of the Y decoder 52 and of the UV decoder 55, the secondary 8-bit words B min and C min being identical or approximately identical to the assigned, are primary 8-bit words B and C. The buffer memories 56 and 57 also serve to generate the horizontal blanking gaps.
The Y-UV multiplexer 50 combines the two sequences of the luminance words Y and the chrominance words U, V in accordance with the studio standard CCIR Rec. 601 and outputs them via its output 12 to the second studio 13 (not shown).
5 shows the refined block diagram of the Y-encoder 42. This comprises a switch 61, a compressor / expander unit 63, a predictor register 65, two OR gates 67, 69 and a controller 71. The sequence of the primary 8 Bit words ABC (luminance Y) run in bit parallel to the switch 61 via the input 60. This forwards each first word A of each group of three to the two OR gates 67 and 69 via the connection 62. In this way, the respective primary 8-bit word A is firstly written into the predictor register 65 and secondly read out via the output 44 of the Y-code 42 to the buffer memory 46 (not shown).
The respective second 8-bit word B is fed through the switch 61 to the first input 73 of the compressor / expander unit 63. In parallel to this, the content of the predictor register 65, i.e. the 8-bit word A. For these two input words B and A, the compressor / expander unit 63 outputs an assigned 5-bit word b at its first output 75 and a secondary 8-bit word B min at its second output 76. The 5-bit word b is output via the OR gate 69 to the output 44, while the 8-bit word B min enters the predictor register 65 via the OR gate 67 and replaces the word A there.
The respective third primary 8-bit word C is also fed through the switch 61 to the first input 73 of the compressor / expander unit 63, while the word B min is now present at its second input 74. For these two input words C and B min, the unit 63 outputs an assigned 5-bit word c at its first output 75, which is output via the OR gate 69 to the output 44.
In this way, the described groups A-b-c arise at the output 44, while the words A and B min alternate in the predictor register 65. The switch 61 and the other units of the Y-code 42 are controlled by the controller 71.
In a preferred embodiment, the compressor / expander unit 63 essentially forms an electronic ROM (read only memory) of e.g. 64 kBytes, in which the assigned output words b and B min or c are stored in table form for all possible combinations of input words B and A or C and B min.
In another embodiment, the compressor / expander unit 63 forms a logic circuit which, with the aid of an expander and a compressor characteristic curve of a suitable type and with the aid of an algorithm consisting of the words B and A or C and B min at its inputs 73, 74 the assigned output words b and B min or c are calculated.
6 shows the refined block diagram of the Y decoder 52. This is very similar to the block diagram of the Y decoder 12. The Y coder 52 comprises a switch 161, an expander unit 163, a predictor register 165, two OR gates 167, 169 and a controller 171 which largely correspond to the corresponding units of the Y code 41.
The switch 161 forwards the respective 8-bit word A arriving via the input 160 via the connection 162 and the OR gates 167 and 169 to the predictor register 165 or the output 54. The 5-bit words b and c, on the other hand, are fed from the switch 161 to the first input 173 of the expander unit 163.
From the input words b and A at the inputs 173 and 174, the expander unit forms the assigned secondary output word B min, which is entered into the predictor register 165 via the OR gate 167 and to the output 54 via the second OR gate 169 is delivered. Analogously, the secondary 8-bit word C min is formed from the input words c and B min. In this way, the groups A-B min -C min appear at the output 54 of the Y decoder 52, which are completely or at least largely the same as the groups A-B-C on the transmission side.
That the latter is the case is explained below. The respective first 8-bit word A is transmitted unchanged as such from the transmission side of the transmission device to the reception side. Words A do not suffer any image reduction losses.
The image reduction losses are caused entirely by the 5-bit words b and c. However, these losses and the errors which occur in the formation of the secondary 8-bit words B min and C min are kept small by the type of coding, a differential coding, in which as a predictor for the 5-bit word b primary 8-bit word A and the secondary 8-bit word B min is used as a predictor for the 5-bit word c.
7 shows this using a table. The first column lists the possible differences between the respective 8-bit word B or C and the associated predictor word A or B min. These differences can have a value from 0 to 255 (= 2 <8> -1). Negative differences are represented by the 2's complement.
A five-bit word b or c is assigned to one or more difference values in the second column. Finally, the third column contains 8-bit words which correspond to the mean values of the first column and from which the secondary 8-bit words B min and C min are produced by addition to the respective predictor word.
The first and second columns of FIG. 7 together form a compressor function, which is shown in tabular form and which gives the relationship between the primary 8-bit words A, B, C and the 5-bit words b, c to be transmitted. The second and third columns accordingly form an expander function which specifies the relationship between the transmitted 5-bit words b, c and the secondary 8-bit words B min, C min.
As can be seen from FIG. 7, the words of the first and third columns differ from one another by at most 4. This value is small compared to the possible differences up to 255. The words in the first column 0 to 17 and 238 to 255 even deviate by a maximum of 2 from the assigned words in the third column. This ensures that the possible errors due to the transmission are also small with small difference values of the television picture. 5 and 6 also ensures that the same predictor words are used on the transmitting side and on the receiving side, namely A and B min. This creates the same conditions on both sides, which suppresses further errors.
Overall, the function of the compressor / expander unit 63 or the expander unit 163 is based on the following steps:
Compressor / expander unit 63
- Save A
- Difference formation B-A
- Select the assigned 5-bit word b
- sending out b
- Select the difference B min -A belonging to b
- Add (B min -A) + A
- Save B min and
- Difference formation C-B min
- Select the assigned 5-bit word c
- sending out c
Expander unit 163
- Save A
- Select the difference B min -A belonging to b
- Add (B min -A) + A
- storing B min; Sending B min and
- Select the difference C min -B min) + B min belonging to c
- Send out C min
As described, these steps can either be carried out using an algorithm and the table in FIG. 7. Or they can be brought in tabular form and made available in advance, the two words at the two inputs 73, 74 and 173, 174 of the units 63 and 163, respectively, as a single 16-bit word and 13-bit word is looked at. This more elegant solution requires e.g. a ROM memory with a memory size of 64k x 13 bit or 8k x 16 bit with associated reading logic.
The described device for transmitting television pictures in studio quality via a data line 15 is relatively simple. For the encoding and decoding, only pixels are used which lie on a single image line and follow one another directly. This means that no storage space is required; in any case, it is not necessary to save entire lines of the television pictures. The same predictor words are used on the transmitting and receiving sides, which reduces the inevitable coding / decoding errors. Transmission errors affect a maximum of three pixels, since the 8-bit words A are transmitted uncoded. Error dragging therefore extends to a maximum of two subsequent digital image values.
When the secondary television pictures are transmitted from the second studio 13 to a third studio, etc. (tandem or chain connection), there are basically no further deteriorations in the picture, rather the quality present in the second studio is retained in full.
The luminance words Y and the chrominance words U, V are basically treated the same and in parallel with one another in the manner described. This simplifies the required facilities and reduces the required clock speeds. If a ROM memory is used as the compressor / expander unit 63, 163, its multiple use in the coder 18 and in the decoder 27 also results in considerable price advantages.
Overall, the facility appears much simpler and more usable than the alternatives described in the introduction.
Of the various variants and alternatives, the following are mentioned:
- The 8-bit words and the 5-bit words can be handled bit-parallel or bit-serial.
- The standard of the digital data line 15 can be different from CCITT Rec. G. 703.
- The compressor and expander functions can be used with regard to the maximum deviation, e.g. Error maximum 4, or be optimized with the lowest possible mean deviations, e.g. Error 0 in more than 50% of all cases.
- The chrominance words U and V can be considered as a single type of words or as two different types when encoded.
In the latter case, the doubling of the predictor registers 65 and 165 is necessary.
Instead of the parallel processing of the Y sequence and the UV sequence, these can be treated by a single Y coder / Y decoder, the Y or U and V words being assigned by counting and by an adequate one Number of predictor registers the respective assignment between the associated predictor word and Y or. UV word is ensured.
- Of the primary 8-bit words A, B, C of each group, the second word B can be transmitted unchanged as an 8-bit word and the other two as 5-bit words a and c. In this case, B forms the only predictor word to form the 5-bit words a and c, which means an advantage.
The disadvantage here is that a buffer memory must be provided for storing A, B and C, and that the word groups a-B-c are sent out at different times and / or in a changed order B-a-c to the assigned groups A-B-C.
- Groups can be formed from any predetermined number n of successive words A, B, C, D, E, one of which is transmitted unchanged as an 8-bit word and the other as 7-, 6- or 5- Bit word. Here n is an integer from 2 to 5. However, as described, the preferred group consists of three words A, B, C.