DE3310410A1 - Verfahren und schaltungsanordnungen zur umkodierung von bewegtbildsignalen - Google Patents

Description

HEINRICH-HERTZ-INSTITUT FÜR NACHRICHTENTECHNIK BERLIN GMBH 11/0382 DE

Verfahren und Schaltungsanordnungen zur Umkodierung von Bewegtbildsignalen

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und Schaltungsanordnungen zur Umkodierung von Bewegtbild-Signalen nach der Methode der Bild-2u-Bild-Kodierung für redundanzarme Übertragung in digitaler Form mit gleichmäßigem Datenfluß auf dem Übertragungsweg, bei dem für die Übertragung auf der Sendeseite digitale Bildinformationen für solche Bildsegmente erzeugt werden, deren Bestimmung durch Vergleich der aktuellen, unkodierten Bilddaten mit den rastermäßig entsprechenden, zeitlich um eine Vollbildperiode zurückliegenden Bilddaten, welche auch auf der Empfangsseite zur Verfügung stehen, als geänderte Bildanteile erfolgt, und bei dem auf der Empfangsseite die gleichmäßig eintreffenden Bildinformationen geänderter Bildanteile zu den tatsächlich erforderlichen, ungleichmäßig verteilten Zeitpunkten und Zeitspannen für die Bildrekonstruktion bereitgestellt werden. Die Schaltungsanordnungen für die Sende- und die Empfangsseite sind besonders für die Ausführung dieses Verfahrens entwickelt.

Die Methode der Bild-zu-Bild-Kodierung (conditional replenishment) als solche ist bekannt und dient dazu, ein Bewegtbildsignal (Videosignal) in digitaler Form in einer V/eise zu übertragen, bei der zur Einsparung von Übertragungskapazität nur diejenigen Teile eines Einzelbildes aus der Bewegtbildfolge an die Empfänger

übermittelt werden, die sich gegenüber dem vorangegangenen Einzelbild, soweit dieses bei den Empfängern vorliegt, geändert haben. Veröffentlichungen, die dieses technische Gebiet betreffen, z.B. BSTJ VoI 50 No 6, 1889 bis 1917; BSTJ VoI 51 No 1, 239 bis 259, IEEE Trans.COM VoI 24 No 10, 1175 bis 1180, sind Lösungen für die technische Realisierung senderseitiger Kodier- sowie empfängerseitiger Dekodiereinrichtungen zu entnehmen, bei denen sowohl die Erkennung als auch die geeignete Kodierung der geänderten Bildanteile synchron zur Folgefrequenz der zugeführten Bilddatenworte erfolgt. Dementsprechend müssen die Kodiereinrichtungen für eine hohe Arbeitsgeschwindigkeit ausgelegt sein, die jedoch nur während eines Teiles der verfügbaren Zeit benötigt und genutzt wird, weil die zu verarbeitenden Änderungen unregelmäßig verteilt und mit unterschiedlicher Ausdehnung auftreten. Um für die Übertragung einen gleichmäßigen Datenfluß am Ausgang des senderseitigen Encoders zu erzielen, ist es beim bekannten Stand der Technik erforderlich, einen kanalseitigen Pufferspeicher vorzusehen. Dementsprechend wird bei den Empfängern für die Dekodierung ebenfalls ein kanalseitiger Pufferspeicher am Eingang benötigt, der die gleichmäßig eintreffenden, geänderten Daten zu den tatsächlich erforderlichen, ungleichmäßig verteilten Zeitpunkten und Zeiträumen für die Bildrekonstruktion bereitstellt.

Die Erfindung zielt darauf ab, zu einer wirtschaftlicheren technischen Realisierung der erforderlichen Kodier- und Dekodiereinrichtungen zu gelangen. Dabei sollen bisherige und neuartige, sowohl sender- als auch empfängerseitige Einrichtungen voll kompatibel sein. Als erstes Ziel der Erfindung, das einen - oder den -

wesentlichen Schritt in dieser Richtung darstellt, ist deshalb zunächst eine neue Arbeitsweise für die Umkodierung aufzuzeigen, die als Verfahren kategorisierbar ist. Dabei ist von wesentlicher Bedeutung, daß sich Vorgänge für die Umkodierung, die mit geringer Arbeitsgeschwindigkeit ablaufen können, und solche, die mit hoher Arbeitsgeschwindigkeit ablaufen müssen, auffinden und einander in vorteilhafter Weise zuordnen lassen. Für die technische Realisierung der zugehÖrigen Schaltungsanordnungen ergeben sich auf einer solchen Grundlage aufwandgünstige Möglichkeiten mit speziellen Schaltkreisen, VLSI-Schaltkreisen oder Prozessoren.

Gemäß der Erfindung wird dieses Ziel hinsichtlich der Verfahrensweise für die Senderseite dadurch erreicht, daß sowohl Entscheidungen bezüglich geänderter Bildsegmente, die synchron zur Folgefrequenz der zugeführten Bilddatenworte getroffen werden, als auch zugeführte Bilddatenworte selbst zwischengespeichert und nach einer variablen Verzögerung dem eigentlichen, für die Übertragung vorgesehenen Kodiervorgang zugeführt werden, der mit einer kontinuierlichen, durch die Datenrate des Übertragungsweges bestimmten Arbeitsgeschwindigkeit abläuft und durch die zwischengespeicherten Entscheidungen gesteuert wird. Für die Verfahrensweise auf der Empfängerseite gilt gemäß der Erfindung, daß die empfangenen, Bild- und zugehörige Adressdaten enthaltenden Signale, ohne am Eingang zwischengespeichert werden zu müssen, direkt verarbeitet werden, nämlich die empfangenen Bilddaten dekodiert und mit Hilfe der Adressdaten die im Bildspeicher befindlichen Bildinformationen aktualisiert werden, und daß diese erst nach einer Verzögerungszeit, die zwi-

sehen Null und einer Vollbilddauer betragen kann, wiedergegeben werden.

Neuartig und von ausschlaggebender Bedeutung für die Kodierung ist die quellenseitige Pufferung der noch nicht kodierten Bilddaten. Die Erkennung geänderter Bildanteile erfolgt zwar -wie auch bei der bekannten Methode - synchron zur Folgefrequenz der zugeführten Bilddatenworte. Allerdings werden nunmehr auch die Änderungsentscheidungen - z.B. als Adressen - ebenfalls zwischengespeichert und ermöglichen somit zu einem späteren Zeitpunkt einen augenblicklichen Zugriff zu den Bilddaten der geänderten Bildsegmente. Der Kodiervorgang kann nun kontinuierlich ablaufen/ und zwar so, daß für die Übertragung über einen Kanal mit konstanter, niedriger Übertragungsrate stets genau die erforderliche Informationsmenge erzeugt wird, womit sich auf der Senderseite eine kanalseitige Zwischenspeicherung der kodierten Information erübrigt.

Auch die empfängerseitigen Dekodierer können die kontinuierlich eintreffenden Signale direkt, d.h. auch hier ohne kanalseitige Zwischenspeicherung, verarbeiten. Dabei wird ein für die Bildrekonstruktion bei den Empfängern ohnehin erforderlicher und vorhandener Bildspeicher auch für die Zwecke der zeitlichen Pufferung mitverwendet.

Für die technische Realisierung von Schaltungsanord- ^O nungen der Kodier- und Dekodiereinrichtungen sieht die erfindungsgemäße Lösung folgendes vor, und zwar für einen Encoder auf der Sendeseite:

- einen Eingangspuffer rait unabhängig adressierbaren Schreib- und Lesezugriffen, vorzugsweise als RAM-Speicher ausgebildet,

- einen Bildspeicher mit unabhängig adressierbaren Schreib- und Lesezugriffen, vorzugsweise als RAM-Speicher ausgebildet,

- einen Segmentierer zur Bestimmung geänderter Bildanteile durch Vergleich von Bilddaten, die eine Vollbildperiode auseinander liegen, - einen Adressenzähler für die einzelnen Bildpunkte

eines Vollbildes
und

- eine Baugruppe, in der alle Schaltungen auf geringe Arbeitshöchstgeschwindigkeit ausgelegt sein können, insbesondere solchen für

- das Zwischenspeichern von Anfangs- und Endadressen von Bildpunkten,

- die Übertragungskodierung geänderter Bildanteile und

- die Auswertung von Adressen zur Steuerung des

Übertragungskodiervorganges und der Speicherzugriffe sowie für das Verschachteln von kodierten Bilddaten, Adress- bzw. Steuerkodeworten, einschließlich Parallel/Serien-Wandlung. 25

Für den Decoder auf der Empfängerseite wird die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung gebildet durch

- einen Bildspeicher mit unabhängig adressierbaren Schreib- und Lesezugriffen, vorzugsweise als RAM-Speicher ausgebildet,

- einen Adressenzähler für die einzelnen Bildpunkte eines Vollbildes

und durch

- eine Baugruppe, in der alle Schaltungen auf geringe

Arbeitshöchstgeschwindigkeit ausgelegt sein können, insbesondere solchen für

- die Serien/Parallel-Wandlung der empfangenen Daten, deren Trennung in Bilddaten sowie Adress- bzw. Steuerkodeworte für die Steuerung des Übertragungsdekodiervorganges und der Speicherzugriffe und
- - die Übertragungsdekodierung geänderter Bildanteile.

Der wesentliche Vorteil gegenüber bisher bekannten Encodern und Decodern besteht bei solchen Ausführungsformen der Erfindung darin, daß wichtige Schaltungsteile eine geringere Arbeitshöchstgeschwindigkeit erfordern und nicht stoßweise, sondern kontinuierlich arbeiten. Besonders bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ermöglichen infolge dieser günstigen Voraussetzungen, die Schaltungen einer Baugruppe für die geringe Arbeitshöchstgeschwindigkeit in einem programmierbaren Köder bzw. Dekoder-Prozessor zu vereinigen. Diese Voraussetzungen sind auch bei einer VLSI-Realisierung mit speziellen Schaltkreisen von beträchtlicher Bedeutung.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des Umkodierverfahrens gemäß der Erfindung können die unkodierten Bilddaten mittels eines RAM-Speichers mit der Kapazität eines Vollbildes, unabhängig davon, ob geänderte oder nicht geänderte Bildanteile repräsentiert werden, um eine Zeit zwischen Null und einer Vollbildperiode verzögert und für die tibertragungskodierung beim Auslesen die Daten nicht geänderter Bildanteile zumindest zum größten Teil übersprungen v/erden.

Der als Eingangspffer wirkende RAM-Speicher nimmt also alle quellenseitig angelieferten Bilddaten auf und

gibt die zu kodierenden mehr oder weniger verzögert ab. Im wesentlichen werden nur diejenigen Bilddaten ausgelesen und kodiert, welche zu Bildsegmenten, d.h. zu einzelnen oder mehreren zusammenhängenden Bildpunkten gehören, die als geändert erkannt wurden. Mindestens diese Daten müssen im Eingangspuffer zwischengespeichert werden. Aus technischen Gründen ist es jedoch sinnvoller, alle quellenseitig angelieferten Daten geänderter und nicht geänderter Bildanteile zwischenzuspeichern.

Dies ist beispielsweise für eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Umkodierverfahrens von Bedeutung, bei dem die unkodierten und die kodierten Bilddaten mittels getrennter RAM-Speicher verzögert und zwei unabhängige Zugriffsadressen verwendet werden, die jeweils auf beide RAM-Speicher anzuwenden sind und von denen die eine die Dateneingabe und das Auslesen der für die Segmentierung benötigten kodierten Bilddaten steuert und dabei kontinuierlich alle verfügbaren Adressen durchläuft, während die andere das Auslesen der für die Ubertragungskodierung benötigten und das Einschreiben der kodierten Bilddaten steuert und im wesentlichen nur die Adressen durchläuft, die geänderten Bildpunkten entsprechen, wobei die Differenz beider Adressen den Füllstand der verwendeten Speicher angibt. Der so gewonnene Füllstand kann für eine Beeinflussung der Kodierung benutzt werden.

Eine derartige Beeinflussung des Kodierprogramms kann zweckmäßigerweise darin bestehen, daß der aktuelle Füllstand der RAM-Speicher beim Umkodiervorgang bezüglich der zu erzeugenden Datenrate zwecks Verhinderung von Überlauf bzw. Leerlaufen der RAM-Speicher berück-

sichtigt wird. Während bei geringem Füllstand die Datenrate vergrößert werden kann, ist diese bei großem Füllstand entsprechend zu reduzieren.

um bei einer derartigen Reduktion der erzeugten Datenrate die Qualitätseinbußen gering zu halten, kann in weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen werden, daß auch Informationen bezüglich der Lage und der Ausdehnung geänderter Bildanteile auch zur Beeinflussung der beim Übertragungskodiervorgang zu erzeugenden Datenrate herangezogen werden. Dies kann in überraschender Weise beispielsweise auch dadurch geschehen /laß Bildanteile innerhalb eines Bereiches, in dem Änderungen vorliegen, die sich selbst aber nicht geändert haben, in ein zu kodierendes Bildsegment mit einbezogen werden, für dessen Kodierung insgesamt jedoch weniger Daten benötigt werden als für die Kodierung der einzelnen geänderten Bildanteile innerhalb eines solchen Segments.

Schließlich ergibt sich noch eine bevorzugte Ausgestaltung des Kodierverfahrens, bei der zur Beeinflussung der beim Übertragungskodiervorgang erzeugten Datenrate der relative Anteil geänderter Bildpunkte am gesamten Füllstand des zur Verzögerung der aktuellen, unkodierten Bilddaten dienenden RAM-Speichers benutzt wird. Hierdurch kann eine Vorausabschätzung über die zu erwartende Datenmenge, die kodiert werden muß, vorgenommen werden, und dementsprechend kann eine noch bessere Steuerung des Kodiervorganges erreicht werden.

In der Zeichnung sind zur näheren Erläuterung der Erfindung sowie zum Vergleich mit der bekannten Methode zur Bild-zu-Bild-Kodierunq bzw. -Dekodierung Block-

Schaltbilder angegeben, anhand derer die Arbeitsweise und der schaltungstechnische Aufbau schematisch beschrieben wird. Dabei zeigen:

Fig. 1: als Blockschaltbild die Einrichtungen

für die konventionelle Bild-zu-Bild-Kodierung auf der Senderseite;

Fig. 2: als Blockschaltbild die Einrichtungen für die konventionelle Bild-zu-Bild-

Dekodierung auf der Empfängerseite;

Fig. 3: als Blockschaltbild die-Einrichtungen für die neuartige Umkodierung auf der Sendeseite;

Fig. 4: als Blockschaltbild die Einrichtungen für die neuartige Umkodierung auf der Empfängerseite;
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Fig. 5: ein weiteres Blockschaltbild mit dem

Encoder für die Sendeseite und

Fig. 6: ein weiteres Blockschaltbild mit dem Decoder für die Empfängerseite.

Konventionelle Bild-zu-Bild- (Interframe-) Kodierverfahren, die nach der Methode des "conditional replenishment" arbeiten, erzielen u.U. eine beträchtliche Datenreduktion der zu übertragenden digitalen Bildinformation. Die grundsätzliche Arbeitsweise eines derartigen Kodiersystems wird anhand des in Fig. dargestellten Blockschaltbildes erläutert:

5 Der Segmentierer 1 erhält als Eingangssignale die aktuelle, zu übertragende sowie die um eine Vollbildperiode verzögerte Bildinformation, letzte über den Dekodierer in einer Form, wie sie auch dem Empfänger zur Verfügung steht. Daraus wird eine Entscheidung abgeleitet, ob eine signifikante Änderung von einem Vollbild zum nächsten stattgefunden hat. Im allgemeinen entstehen dabei zusam-

menhängende, als geändert erkannte Gruppen von Bildpunkten (Segmente einer Bildzeile).

Der Kodierer 3 hat die Aufgabe, die Bildinformation in den als geändert erkannten Segmenten mit möglichst wenigen Binärzeichen darzustellen, die zum Empfänger zu übertragen sind. In den Bildteilen, die nicht geändert sind, wird nichts übertragen.

Der Halb- und Vollbildspeicher 4, der eine Signalverzögerung um eine Vollbildperiode zuläßt, erhält genau diejenige neue Information in dekodierter Form eingeschrieben, die auch zum Empfänger übertragen wird. Die verzögerte Bildinformation wird sowohl vom Segmentierer 1 als auch vom Kodierer 3 verwendet. Die ungleichmäßig im Bild verteilten geänderten Segmente machen eine zusätzliche Adressenübertragung notwendig. Die Adressen werden vom Adress-Koder 5 an den Multiplexer 6 geliefert. Außerdem erzeugt der Kodierer 3 einen ungleichmäßigen Datenfluß, der durch die Verwendung eines Pufferspeichers 7 zwischen dem Multiplexer 6 und dem Kanal ausgeglichen werden muß.

Der Dekoder eines Empfangsgerätes - siehe Fig. 2 - benötigt einen entsprechenden Pufferspeicher 9 an seinem Eingang. In diesen wird die übertragene Information mit gleichmäßiger Datenrate eingeschrieben. Das Auslesen erfolgt nach Trennung der Adressen- und Bilddaten im Demultiplexer 10 in ungleichmäßiger Folge immer dann, wenn ein übertragenes, geändertes Bildsegment in das rekonstruierte Bildsignal einzufügen ist. Die Aktualisierung der im Halb- und Vollbildspeicher 4¹vorliegenden Daten erfolgt über den Adrcss-Dekoder 8 und den Dekodiorer 19 für die Bilddaten.

Die im Köder und Dekoder verwendeten Bildspeicher 4, 4¹ besitzen normalerweise eine Speicherkapazität entsprechend einem digitalisierten Vollbild. Für ein Schwarzweiß-Bild der 625-Zeilen-Norm sind dies ca. 300 KByte.

Die Pufferspeicher müssen etwa die in einer Vollbild-Periode zu übertragende Informationsmenge aufnehmen können. Bei 2 Mbit/s Übertragungsrate entspricht dies ca. 10 KByte. Die Arbeitsgeschwindigkeit der verwendeten Elektronik bei diesen konventionellen Schaltungen muß die Kodierung oder Dekodierung eines einzelnen Bildpunktes innerhalb eines Abtasttaktes (z.B. 100 ns) erlauben.

Aufbau und Arbeitsweise des erfindungsgenväßen Systems werden nun für die Senderseite im Zusammenhang mit den Fig. 3 und 5 und für die Empfängerseite im Zusammenhang mit den Fig. 4 und 6 erläutert.

Bei dem neuartigen - s. Fig. 3 - Kodiersystem ist der Köder auf der Senderseite mit einem Eingangspufferspeicher 12 ausgerüstet. Der Puffer 12 nimmt die quellenseitig angelieferten Bilddaten auf und gibt sie nach einer Verzögerungszeit, die zwischen Null und einer Vollbildperiode variieren kann, an den Coder 14 weiter. Im wesentlichen werden nur diejenigen Bilddaten aus dem Puffer 12 ausgelesen und im Coder 14 verarbeitet, die zu Bildsegmenten gehören, welche mit Hilfe des Segmentierers 16 als geändert erkannt wurden. Nur diese Daten müssen mindestens im Puffer 12 gespeichert sein. Vorteilhaft und sinnvoll ist jedoch eine technische Anordnung, bei der alle Eingangsdaten im Puffer 12 aufgenommen v/erden. Wird der Puffer 12 als RAM-Speicher realisiert, können beim Auslesen die nicht benötigton Adressen übersprungen werden.

Der Segmentierer 16 arbeitet auf konventionelle Weise. Die dem Eingang des Coders 14 zugeführten Bilddaten und die diesen örtlich zugeordneten, zeitlich um eine Vollbildperiode zurückliegenden Bildinformationen, die aus dem Bildspeicher 18 entnommen werden, verwendet der Segmentierer 16 zur Bestimmung der geänderten Bildsegmente. Die über deren Lage und Ausdehnung gewonnene Information wird in einem Adresspuffer 20 zwischengespeichert und anschließend mittels einer Adressensteuerung 2 4 für den Übertragungskodiervorgang verwendet. Diese Zwischenspeicherung kann in Form von Adressen (absolut oder differentiell) oder von Tabellen ("bit-map") erfolgen.

5 Der Kodierer 14 verwendet die im Eingangs-Puffer 12 verzögerte Eingangsinformation sowie die im Bildspeicher 1 8 verzögerte, bereits früher kodierte Bildinformation, die um eine weitere Vollbild- und/oder HaIbbildperiode zeitlich zurückliegt. Die neu kodierte Information wird mit Adressen versehen und über einen Nachrichtenkanal übertragen. Außerdem v/ird sie in rekonstruierter Form in den Bildspeicher 1 8 eingeschrieben.

Die Art der Kodierung ist für die Schaltungsanordnung nicht wesentlich. Es kann sich dabei um einfache Verfahren mit Bild-zu-Bild-Prädiktion oder um komplexe Multi-Mode-Kodierungen handeln, sowie um Kodierungen, die eine Bewegungskompensation einschließen.

Der Bildspeicher 18 hat eine Speicherkapazität entsprechend der Digitalinforrhation eines Vollbildes. Er muß die Möglichkeit des Mehrfachzugriffes besitzen, die sich unter anderen pit einem genügend schnellen

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RAM-Speicher realisieren läßt.

Die Adressierung des Eingangs-Puffers 12 und des Bildspeichers 18 ist im folgenden unter der Voraussetzung beschrieben, daß es sich um RAM-Speicher handelt, bei denen die Bildpunktadressen den Speicher-Adressen fest zugeordnet sind. Unter dieser Voraussetzung lassen sich zwei voneinander unabhängige Adressierungsmechanismen angeben, die jeweils für beide Speicher eingesetzt werden können.

Die von einem Adresszähler 22 vorgegebene Adresse wird sowohl für den Eingangs-Puffer 12 zum Einschreiben der Eingangsdaten als auch für den Bildspeicher 18 zum Auslesen der korrespondierenden Werte aus dem vorausgegangenen Vollbild verwendet. Diese beiden Werte werden dem Segmentierer 16 zugeführt. Der Adresszähler 22 wird mit dem Bildpunkttakt der eingegebenen Bilddaten getaktet und mit dem Vollbildpuls auf Null zurückgesetzt. Die benutzten Speicheradressen werden -r zumindest während der aktiven Zeilendauer - kontinuierlich und lückenlos durchlaufen.

Die aus dem Adressenpuffer 20 ausgelesenen Informationen über die geänderten Bildsegmente werden von der Adressen-Steuerung 24 verarbeitet und so aufbereitet, daß alle für einen Kodierschritt notwendigen Bilddaten aus dem Eingangs-Puffer 12 und dem Bildspeicher 18 gelesen werden können. Zwischen den dazu netwendigen Einzeladressen bestehen einfache und nicht veränderliche Relationen. Das Fortschalten der Adressen erfolgt mittelbar durch den Kanaltakt, der die Koder-Schaltung veranlaßt, neue Ausgangskodeworte für die Übertragung bereitzustellen. Innerhalb eines zusammenhängenden

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Segments werden die Adressen im Normalfall kontinuierlich weitergezählt, die Adressen zwischen einzelnen Segmenten (unveränderte Bildteile) werden jedoch ohne Wartezeiten übersprungen.

Die vom Adressen-Zähler 22 und vom Adressen-Puffer vorgegebenen unterschiedlichen Adressen bzw. Adressgruppen sind innerhalb vorgegebener Grenzen voneinander unabhängig; ihr Abstand voneinander entspricht dem Grad der Belegung (= Füllstand) des Eingangs-Pufferspeichers 12 in einer konventionellen Anordnung.

Beim Eingangs-Puffer 12 muß die vom Adressen-Zähler vorgegebene Einschreibadresse stets der von der Adressen-Steuerung 24 vorgegebenen Ausleseadresse vorauseilen. Der Abstand zwischen diesen Adressen darf beliebig klein, jedoch nicht Null v/erden. Der Eingangs-Puffer 12 ist dann fast leer, die vollständige Entleerung wird in konventioneller Weise verhindert. Der maximale Abstand zwischen den Adressen ist durch die gesamte Kapazität des Eingangs-Puffers 12 gegeben (z.B. ein Vollbild). Ein für die Kodierung benötigter Wert aus dem Eingangs-Puffer 12 darf nicht durch den nächsten Einschreibvorgang überschrieben werden, bevor er ausgelesen wurde, d.h. der Abstand muß kleiner sein als der genutzte Adressumfang. Ein Überschreiten dieses Abstandes, das einem Pufferüberlauf entspricht, läßt sich durch geeignete Maßnahmen bei der Steuerung des Kodiervorganges verhindern.

Beim Bildspeicher 18 eilt die durch die Adressen-Steuerung 24 vorgegebene Einschreibadresse für neu kodierte Bildpunkte der durch den Adressen-Zähler 22 vorgegebenen Ausleseadresse (für die Segmentierung) voraus. Hier gelten die gleichen Randbedingungen wie

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beim Eingangs-Puffer 12. Bei Einhaltung der Bedingungen für den Eingangs-Puffer 12 und gleicher Kapazität von Eingangs-Puffer 12 und Bildspeicher 18 sind auch beim Bildspeicher 18 keine unerlaubten Zustände möglieh. Konflikte mit weiteren Ausleseadressen beim Bildspeicher 18 (Halbbild- und Vollbildverzögerung, evtl. Zeilenverzögerung) sind nicht möglich, da deren Abstand von der Einschreibadresse konstant bleibt und im erlaubten Bereich liegt.

Ist der Eingangs-Puffer 12 voll, so eilt die Ausleseadresse im Bildspeicher 18 der Einschreibadresse nur wenig nach; ist er leer, so ergibt sich für den Abstand der Adressen im Bildspeicher 18 fast der gesamte Adressumfang. Die Summe der Abstände in beiden Speichern 12 und 18 ist gleich deren Adressumfang.

Zusätzliche Steuermöglichkeiten beruhen auf im folgenden näher erläuterten Maßnahmen. In üblicher Weise kann der Füllstand (Adressendifferenz) des Eingangs-Puffers 12 zur Steuerung der Betriebszustände des Coders 14 verwendet werden. Darüber hinaus sind jedoch zusätzliche Informationen verfügbar, z.B. wie groß der relative Anteil an geänderten Bildpunkten an der insgesamt gepufferten Eingangsinformation ist. Diese Information ist durch einen Segment-Integrierer 26 zu gewinnen, der die Zahl der erkannten bzw. verarbeiteten geänderten Bildpunkte kontinuierlich aufintegriert. Diese Zusatzinformation ermöglicht eine Verbesserung der Kodersteuerung.

Der wichtigste Vorteil dieses neuartigen Bild-zu-Bild-Kodiersystems liegt in der erzielten Reduktion der Arbeitshöchstaeschwindiqkeit dos Kodierers 14. Der Kodierer 14 ist der umfanqreichstt? und komplexeste Teil der gesamten Schaltungsanordnung auf der Senderseite. Er muß

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bei einen konventionellen System mit der Geschwindigkeit arbeiten können, mit der die Bilddaten erzeugt v/erden (z.B. 10 MHz bei 5 MHz Video-Bandbreite). Bei dem neuartigen System mit Eingangspuffer 12 wird die Arbeitsgeschwindigkeit des Kodierers 14 hingegen durch die Übertragungsrate des Kanals bestimmt. Bei einer Datenrate von 2 Mbit/s und Kodeworten von durchschnittlich 4 bit Länge beträgt die Arbeitsgeschwindigkeit 0,5 MHz. Die Geschwindigkeit ist umgekehrt proportional zum Reduktionsfaktor, was die Realisierung komplexer Kodier-Verfahren mit hoher Datenreduktion erleichtert.

Besonders wichtig ist die Geschwindigkeitsreduktion, wenn zur Aufwandsersparnis Prozessoren (Mikroprozessoren, Signalprozessoren, Bit-Slice-Prozessoren) eingesetzt werden sollen. In diesem Fall sind Anordnungen sinnvoll, die nur noch im geringen Umfang spezielle Logikschaltungen erfordern (z.B. für den Segmentierer 16), während alle anderen Funktionen von einem oder mehreren Prozessoren in Verbindung mit internen und peripheren Speichern durchgeführt werden können.

Der insgesamt beim neuartigen Bild-zu-Bild-Kodiersystem erforderliche höhere Speicherplatzbedarf ist angesichts der erzielbaren Vorteile und der Fortschritte der Speicherintegration von geringer wirtschaftlicher Bedeutung.

Eine Dekoder-Schaltungsanordnung für die Empfangsseite - s.Fig. 4 - benötigt keinen Eingangspuffer. Die vom Übertragungskanal mit gleichmäßiger Datenrate angelieferten Signale werden von einen Demultiplexer 30 in Adress- und Bilddaten getrennt und die Bilddaten sofort

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im Dekodierer 32 dekodiert. Die Adressen werden dazu verwendet, die zur Bildrekonstruktion benötigten, örtlich zugeordneten Bildinformationen aus einem Bildspeicher 18' zu lesen. Die dekodierten Bilddaten werden daraufhin in den Bildspeicher 18" eingeschrieben.

Anstelle einer kanalseitigen Pufferung der Eingangsdaten ist bei der hier vorgeschlagenen neuartigen BiIdzu-Bild-Dekodierung eigentlich ein Ausgangspuffer notwendig. Auch ein solcher spezieller Pufferspeicher kann jedoch entfallen, da der empfängerseitig für die Bildrekonstruktion benötigte Bildspeicher 18' auch alle Anforderungen an einen Ausgangspuffer mit erfüllt. Das Auslesen der Ausgangsdaten aus dem Bildspeicher 18' 5 erfolgt mit einer vom Einschreibvorgang unabhängigen Adressierung, die den gesamten Adressraum des BiIdspeichers 18' kontinuierlich durchläuft.

Eine empfängerseitige Dekoderschaltung 32 muß dementspechend nur den Demultiplexer 30, den Dekodierer 32, einen ohnehin für die Bildrekonstruktion erforderlichen Bildspeicher 18' und einen Adressen-Zähler 22' enthalten.

Die volle Kompatibilität zwischen konventioneller und neuartiger Bild-zu-Bild-Kodierung/Dekodierung ist gewährleistet. In beiden Fällen herrscht eine gleichmäßige Datenrate auf dem Übertragungskanal. Eine kanalseitige Pufferung der empfangenen Signale ist beim konventionellen System erforderlich, beim neuartigen System hingegen aber auch nicht schädlich.

Die Fig. 5 und 6 zeigen nochmals Ausführungsformen der Erfindung, v/obei besonderes Gewicht auf die Glie-

derung und die Ausführung von Funktionselementen, die mit hoher bzw. niedriger Geschwindigkeit arbeiten, gelegt ist.

Fig. 5 betrifft die Senderseite. Die Schaltungsanordnung besteht aus vier Haupt-Baugruppen, dem Eingangs-Pufferspeicher 34, dem Coder-Bildspeicher 36, dem Codier-Prozessor 38 und dem Segmentierer 40. Außerdem ist ein Adressen-Zähler 42 vorhanden.

Sowohl der Eingangs-Pufferspeicher 34 als auch der Coder-Bildspeicher 36 sind als RAM-Speicher (Random access memory) ausgeführt. Sie besitzen eine Speicherkapazität, die ausreicht, um jeweils ein vollständiges Vollbild (frame) in digitaler Form, z.B. mit 8 bit je Bildelement (pel = picture-element) aufzunehmen. Wird ein Bildsignal z.B. mit 720 Bildpunkten je Zeile abgetastet, mit 8 bit je Bildpunkt digitalisiert, und enthält jedes Vollbild 576 aktive Zeilen, so muß jeder Speicher 34, 36 mindestens 414.720 Byte aufnehmen können. Unter Verwendung von Speicherbausteinen, die z.B. je 64 Kbit aufnehmen können, werden mindestens 54 derartige Speicherbausteine benötigt, die in geeigneter Weise zu einem der genannten Bildspeicher 34, 36 zusammenzusetzen sind. Die fortlaufend bei Abtastung und Digitalisierung eines Videosignals erzeugten Bildpunkt-Werte werden in fortlaufenden Adressen der beiden Speicher 34, 36 abgelegt, wobei jeder Bildpunkt einer festen Speicheradresse zugeordnet wird. Jeder der beiden Speicher 34, 36 besitzt mindestens zwei von einander unabhängige Ein-/Ausgabe-Zugriffsmöglichkeiten, die wahlv/eise gleichzeitig oder zeitlich verschachtelt das Lesen oder Schreiben unter unterschiedlichen Adressen erlauben.

Der Codier-Prozessor 38 ist ein speziell entwickelter oder für allgemeine Anwendungen geeigneter Signalprozessor, der mit Hilfe eines fest gespeicherten oder ladbaren Programms für die vorgesehene Anwendung programmiert wird. Der Prozessor 38 führt die für den übertragungskodiervorgang notwendigen Schritte der Signalverarbeitung aus und ist außerdem in der Lage, über seine Ein-/Ausgangsschnittstellen dem Eingangspufferspeicher 34 und dem Coder-Bildspeicher 36 Adressenwerte zu übermitteln, Daten zum Einschreiben zu senden und gelesene Daten zu empfangen. Er kann außerdem weitere Adress- und Steuerdaten abgeben oder aufnehmen und kodierte Informationen für die Übertragung über einen Nachrichtenkanal ausgeben.

Der Segmentierer 40 ist ein weiterer, unabhängig arbeitender Schaltungsteil·, der an zwei Eingangsschnittstellen einerseits die von der Bildsignalquelle kommenden, digitalen Bildpunktwerte, andererseits die aus dem Coder-Bildspeicher 36 ausgelesenen Bildpunktwerte des vorausgegangenen Vollbildes übernimmt. Dabei handelt es sich um Bildpunkte, die in der Bildebene an genau der gleichen Stelle liegen, aber zeitlich um eine Vollbildperiode gegeneinander verschoben sind. Aufgabe des Segmentierers 40 ist es, festzustellen, ob innerhalb der aktuellen Vollbildperiode an der jeweiligen Stelle im Bild eine signifikante Änderung der Bildinformation aufgetreten ist. Der Segmentierer 40 faßt die geänderten Punkte zu mögliehst zusammenhängenden Gruppen von Bildpunkten (Segmenten) zusammen und übermittelt jeweils die Anfangs- und die Endadresse eines Segments an den Codier-Prozessor 38.

Der Adressen-Zähler 42 stellt die Zuordnung zwischen den von der Signalquelle gelieferten Bildpunktwerten bzw. ihrer Lage in der Bildebene und den für sie in den beiden Speichern 34 und 36 vorgesehenen Speicherstellen her. Jeweils zu Beginn einer Vollbildperiode wird der Adressen-Zähler 42 auf den Wert Null zurückgesetzt. Mit jedem Taktpuls, mit dem ein Bild abgetastet und digitalisiert wird, wird der Adressen-Zähler 42 um einen Schritt aufwärts gezählt.

Für ein Bildsignal, das z.B. mit 7 20 Bildpunkten je Zeile und 576 aktiven Zeilen je Vollbild digitalisiert wird, muß der Adressen-Zähler 42 mindestens bis 414.719 zählen können und damit mindestens 19 Binärstellen umfassen.

Die vom Adressen-Zcuiler 42 gelieferten, fortlaufenden Zahlenwerte, nämlich die jeweiligen vollständigen, binär codierten Zählerstände, werden als Adressen für den Schreib-Eingang (write-port, Adress in) des Eingangs-Pufferspeichers 34 verwendet. Mit jedem Taktimpuls, der einen neuen, von der Quelle abgegebenen Bildpunktwert begleitet, wird dieser Wert in die der vorliegenden Adresse zugeordnete Speicherstelle eingeschrieben. Gleichzeitig wird der gleiche Adressenwert auch an den Lese-Adresseneingang (read port, Adress in) des Coder-Bildspeichers 36 angelegt, und es wird der in der dieser Adresse zugeordneten Speicherstelle abgelegte Bildpunktwert ausgelesen (read port, Data out).

Beide Werte, nämlich der aus dem Coder-Bildspeicher ausgelesene und der gleichzeitig in den Eingangspufferspeicher 34 eingeschriebene Wert werden dem Segmentierer 40 zugeführt, der in der schon beschriebenen Weise daraus eine Änderungs-Entscheidung ableitet.

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Die Änderungsentscheidungen werden in Form von Anfangsund Endadressen der als geändert erkannten zusammenhängenden Bereiche innerhalb der Bildzeilen an den Codier-Prozessor 38 übergeben und dort unter Kontrolle durch das Steuerprogramm in einem bestimmten Teil eines internen Arbeitsspeichers für die spätere Benutzung zwischengespeichert. Die Speicherung erfolgt in Form eines "FIFO-Stack" ("first-in, first-out"), d.h. in einem sequentiell zugreifbaren Bereich, in dem Daten in der gleichen Reihenfolge, in der sie eingeschrieben wurden, zu einem späteren Zeitpunkt wieder gelesen werden können. Dieser FIFO-Stack hat die Eigenschaft, daß in zeitlich unregelmäßiger Folge stets neue Adresswerte vom Segmentierer 40 in den Arbeitsspeicher aufgenommen werden und davon unabhängig jeweils die ältesten Werte aus dem Arbeitsspeicher entnommen und gleichzeitig gelöscht werden können. Der Codierprozessor 38 erhält damit die Möglichkeit, festzustellen, welche der in dem Eingangspuffer 34 gespeicherten Bildpunktwerte geändert sind, und zwar zu einem Zeitpunkt, zu dem er bereit ist, diesen Wert zu verarbeiten und zu kodieren, so daß die Übertragungskodierung nicht zum gleichen Zeitpunkt erfolgen muß, zu dem die Bilddaten von der Bildsignalquelle abgegeben werden.

Die zentrale Aufgabe des Codier-Prozessors 38 besteht darin, in an sich bekannter Weise für die geänderten Bildelemente, und nur für diese, geeignete Datenworte zu bestimmen, damit diese mit möglichst geringer, mittlerer Datenrate über einen Übertragungskänal zu einem Empfangsgerät übermittelt werden können. Außerdem muß er dem Empfänger in geeigneter Weise die Lage der übertragenen Bildelemente, d.h. also ihre Adressen mitteilen . Dagegen werden für die Teile des Bildes, in

denen sich gegenüber der im Coder-Bildspeicher 36 enthaltenen Information keine signifikante Änderung ergeben hat, keinerlei Daten übermittelt.

Die Arbeitsweise des Codier-Prozessors 38 wird im folgenden anhand eines einfachen Kodierverfahrens und einer einfachen Ausführungsform der Gesamtanordnung erläutert. Dieses Kodierverfahren nutzt die grundsätzlichen Möglichkeiten des Codier-Prozessors 38 nicht aus, sondern es sind wesentlich komplexere und effektivere Kodierverfahren damit realisierbar. Das zur Erläuterung dienende Kodierverfahren ist selbst nicht unmittelbar Gegenstand der Erfindung. Erfindungswesentlich ist vielmehr die Art der Durchführung der Einzelschritte und die besondere Anordnung der Baugruppen insbesondere auf der Senderseite, die diese Durchführung erst möglich macht.

Zu einem bestimmten Zeitpunkt liest das Steuerprogramm aus dem FIFO-Stack die nächste, als solche gekennzeichnete Anfangsadresse eines geänderten Bildsegments und schreibt diese in ein Adressenregister. Weiterhin wird aus dem FIFO-Stack die nächste, als solche gekennzeichnete Segment-Ende-Adresse gelesen und in ein Segment-Ende-Register geschrieben. Die Anfangsadresse wird einer geeigneten Kodierung unterworfen, so daß sie später für den Empfänger als solche erkennbar wird und von weiteren, kodierten Daten eindeutig unterschieden werden kann. In dieser Form wird sie in ein Kanal-Ausgaberegister geschrieben. Im Kanalausgaberegister findet eine Parallel-Serien-Umsetzung statt und die enthaltene Information wird bitseriell mit dem Kanalübertragungstakt hinausgeschoben und an den Übertragungskanal weitergeleitet. Die erwähnten Register können

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Teile des internen Arbeitsspeichers aber auch periphere Speicher sein.

Die im Adressenregister abgelegte Adresse wird nun gleichzeitig an den Eingangs-Pufferspeicher 34 (read port, Adress in) und den Coder-Bildspeicher 36 (readmodify-write-port, Adress in) weitergegeben. Der unter dieser Adresse im Eingangs-Pufferspeicher 34 enthaltene Bildpunktwert wird gelesen (read port, Data out) und in den Prozessor 3 8 übernommen.·-Gleiches gilt für den im Coder-Bildspeicher 36 enthaltenen Wert (readmodify-write-port, Data out). Der Coder-Bildspeicher 36 tritt danach in eine Wartestellung, so daß er später einen verarbeiteten Bildpunktwert unter der gleichen Adresse wieder einschreiben kann (read-modify-write-Zyklus). Die beiden gelesenen Werte können dann z.B. in bekannter Weise im Codier-Prozessor 38 so verarbeitet werden, daß die Differenz zwischen ihnen gebildet wird, diese Differenz einer nichtgleichförmigen Quantisierung unterworfen wird, und der quantisierte Differenzwert einer redundanzbefreienden Codierung (Huffman-Code) unterworfen wird. Das so entstandene Differenz-Codewort wird in das Kanalausgaberegister geschrieben, sobald es vollständig entleert ist, d.h. das vorausgegangene Wort (Adressen- oder Diffenrenzcodewort) vollständig an den Kanal übergeben worden ist. Außerdem wird der quantisierte Diffenrenzwert wieder zu dem subtrahierten Wert aus dem Coder-Bildspeicher 36 hinzuaddiert und das Ergebnis an der gleichen Stelle in diesen Speicher 36 hineingeschrieben, womit der read-modifywrite-Zyklus abgeschlossen ist. Daraufhin wird der Wert des Adressenregisters um 1 erhöht und mit dem Wert des Segment-Ende-Registers verglichen. Sofern er nicht größer ist als letzterer, wird der Vorgang des Lesens der

Bildpunktwerte aus beiden Speichern 34 und 36 mit der neu entstandenen Adresse wiederholt und eine Kodierung und Ausgabe an den Kanal in der beschriebenen Weise durchgeführt, solange und sooft dies weiterhin der Fall ist. Anderenfalls, wenn nämlich der Adressenwert höher ist als die Segment-Ende-Adresse, wird dieser Vorgang abgebrochen, es wird ein spezielles Segment-Ende-Codewort über das Kanalausgaberegister an den Übertragungskanal gegeben, und es wird anschließend aus dem FIFO-Stack die nächste Segment-Anfangsadresse entnommen und in das Adressenregister übernommen, womit sich derselbe Vorgang der Kodierung eines anderen Segments anschließen kann.
Der Prozessor 38 übernimmt zusätzlich die Aufgabe der Überwachung des Adressierungsablaufes, die notwendig ist, um einen Datenverlust zu vermeiden. Dazu muß einerseits sichergestellt werden, daß die in den Eingangs-Pufferspeicher 34 hineingeschriebenen Bilddaten, sofern sie vom Segmentierer 40 als geändert erkannt wurden, vom Prozessor 38 mit Hilfe der zwischengespeicherten Adressen rechtzeitig aus diesem wieder ausgelesen und anschließend kodiert werden, und zwar bevor der Adressenzähler 42 ein nächstes Mal den gleichen Zählerstand erreicht hat und damit der gespeicherte Wert durch einen neuen Wert überschrieben wird. Damit wird sichergestellt, daß die Verzögerung zwischen dem Schreiben eines Bildpunktes und seinem Wiederlesen nie größer wird als eine Vollbildperiode. Andererseits muß erreicht werden, daß der Adressenvorrat im Prozessor 38, der im FIFO-Stack abgelegt ist, nie vollständig verbraucht wird, so daß der Prozessor stets in der Lage ist, dem Übertragungskanal kodierte Informationen zu liefern.

Das rechtzeitige Auslesen wird dadurch erreicht, daß im Falle einer zu starken Annäherung der Schreib- und Leseadressen aneinander der Kodiervorgang dahingehend modifiziert wird, daß eine geringere Datenmenge, bezogen auf einen zu kodierenden Bildpunkt, produziert wird, und damit das Abarbeiten der Adressen im FIFO schneller vonstatten geht. Falls der Adressenvorrat nicht mehr genügend groß ist, kann der Prozessor 38 willkürlich neue Adressen produzieren und so z.B. zusatzliehe Segmente, die nicht vom Segmentierer 40 als geändert erkannt wurden, dem Übertragungskodiervorgang zuführen.

Die Durchführung aller genannten Einzelverarbeitungsschritte in einem programmierbaren Signalprozessor ist für Ausführungsformen der Erfindung besonders vorteilhaft, jedoch keinesfalls zwangsläufig. Auch mit dem Einsatz einer Logikschaltung unter Verwendung verfügbarer Digitalschaltkreise oder eines höherintegrierten, speziell für diesen Zweck entwickelten integrierten

Schaltkreises, oder mit einer Zusammenschaltung derartiger Schaltungen oder Schaltkreise mit einem oder mehreren Signalprozessoren lassen sich beachtliche Vorteile erzielen.
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Von besonderer Bedeutung ist der Einsatz der beschriebenen Schaltungs-Anordnung für die Realisierung von verbesserten Kodierverfahren, die eine noch stärkere Reduktion der Datenrate erlauben. Dazu sind im wesentliehen nur Erv/eiterungen bei den Zugriffsmöglichkeiten zum Coder-Bildspeicher 36 notwendig. Es kann z.B. vorteilhaft sein, anstelle eines Read-Modify-Write-Zyklus voneinander unabhängige Lese- und Schreibzyklen zu verwenden. Dabei wird das Wiedereinschreiben der verarbei-

teten Bildpunktwerte nicht sofort nach dem Lesen, sondern erst einige Verarbeitungsschritte später vorgenommen, wodurch eine u.U. nicht vermeidbare Verzögerung bei der Verarbeitung ausgeglichen werden kann. Zu diesem Zweck wird der ins Adressenregister geschriebene Adressenwert, der nun nur für den Lesezyklus verwendet wird, noch in ein weiteres Adressenregister übernommen, das für den Schreibzyklus einzusetzen ist und dessen Inhalt um eine feste Zahl von Verarbeitungstakten verzögert zu erhöhen ist.

Weiterhin kann es vorteilhaft sein, für die Kodierung nicht nur den um eine Vollbildperiode verzögerten Bildpunktwert aus dem Coder-Bildspeicher 36 auszulesen, sondern zusätzlich weitere Werte zu benutzen, die z.B. um etwas mehr und etwas weniger als eine Halbbildperiode verzögert sind und in der Bildebene dem zu kodierenden Bildelement in vertikaler Richtung unmittelbar benachbart sind. Zu diesem Zweck muß im Coder-Bildspeieher 36 ein weiterer Lese-Zugriff erfolgen, für den die im Adressenregister befindliche Leseadresse mitbenutzt werden kann, da die zusätzlich benötigte Adresse in einer festen arithmetischen Zuordnung dazu steht und dementsprechend durch Addition eines festen Zahlenwertes gewonnen werden kann.

Die Arbeitsweise des Coder-Prozessors 38 bzw. der gesamten senderseitigen Schaltungsanordnung, wie sie oben erläutert ist, läßt sich in sinngemäßer Weise auf erweiterte Anordnungen und komplexere Übertragungskodierverfahren anwenden, ohne daß dazu grundsätzliche Ergänzungen und Zusätze erforderlich sind.

Aus Fig. 6 ist zu erkennen, daß auf der Empfangsseite

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die Schaltungsanordnung die Aufgabe hat, aus den über den Übertragungskanal gelangten Daten das usprüngliche Bildsignal mit einer durch den Kodiervorgang bestimmten Genauigkeit zu rekonstruieren. Die Schaltungsanordnung auf der Empfängerseite ist in der Lage, sowohl erfindungsgemäß als auch konventionell kodierte Daten zu rekonstruieren, sofern bei beiden nur dasselbe Kodierprinzip und dieselbe Codewortzuordnung verwendet wurde.

Die empfangsseitige Schaltungsanordnung besteht aus den beiden Hauptbaugruppen Decodier-Prozessor 46 und Decoder-Bildspeicher 48. Außerdem wird ein Adressenzähler 5o benötigt. Für die Kapazität und die Zugriffsmöglichkeiten des Decoder-Bildspeichers 48 gilt das gleiche wie für den Coder-Bildspeicher 36, ebenso für den Adressenzähler 50 bzw. 42. Der Decodierprozessor 46 hat ähnliche Eigenschaften wie der Codierprozessor 38, benötigt allerdings in einer einfachen Ausführungsform im Vergleich zum Prozessor 38 nur die Möglichkeit des Zugriffs auf den Read-Modify-Write-Port des Bildspeichers 48. Außerdem kann er die vom Übertragungskanal angelieferten kodierten Daten z.B. in einem internen Schieberegi ster aufnehmen. Der dem zuvor beschriebenen Kodiervorgang entsprechende Dekodiervorgang wird nachfolgend erläutert.

Die bitseriell vom Übertragungskanal gelieferten Daten werden in das erwähnte Kanaleingangs-Schieberegister geschoben. In diesem Register findet eine Serien-Parallelwandlung statt, wobei aufgrund der gewählten Kodierung eine eindeutige Erkennung der jeweils zu einem Kodewort gehörenden Einzelbits und damit eine eindeutige Zerlegung des seriellen Datenstroms in Einzelcodeworten gegeben ist. Darüberhinaus können außerdem Adres

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sen-Codeworte von Differenz-Codeworten und weiteren Steuer-Codeworten, wie z.B. den Segment-Ende-Codeworten ,eindeutig unterschieden werden.

Wird im ankommenden Datenstrom ein Adressen-Codewort erkannt und steht dies am Kanaleingangsregister in paralleler Form zur Verfügung, so wird es - nach einer eventuell notwendigen Decodierung zu einem echten Adressenwert - in ein Adressenregister übernommen. Der Inhalt des Adressenregisters wird dann über eine entsprechende Ausgangsschnittstelle des Prozessors 46 an den Decoder-Bildspeicher 48 weitergeleitet, und es wird ein Read-Modify-Write-Zyklus für diese Adresse eingeleitet. Der im Speicher 48 gespeicherte BiIdpunktwert wird gelesen und an den Prozessor 4 6 übergeben, wo er in einem Arbeitsregister abgelegt wird. Im ankommenden Datenstrom sei das nächste Kodewort ein Differenzcodewort; es steht nach einer entsprechenden Wartezeit am Kanaleingangsregister parallel zur Verfügung. Das Kodewort wird dekodiert, wobei genau die ursprünglich auf der Sendeseite bestimmte, quantisierte Differenzanplitude zurückgewonnen wird. Diese wird zu dem in einem Arbeitsregister abgelegten Wert hinzuaddiert und der resultierende Wert wird über eine Ausgabeschnittstelle vom Prozessor 46 zum Bildspeicher 48 übertragen und an der gleichen Adresse hineingeschrieben, an der kurz zuvor ein Wert ausgelesen wurde. Damit ist der Read-Modify-Write-Zyklus abgeschlossen.

In der Folge werden zunächst die am Kanaleingangsregister fortlaufend eintreffenden Kodeworte dahingehend geprüft, ob es sich um Segment-Ende-Codeworte handelt. Ist dies nicht der Fall, so handelt es sich um ein weiteres Differenzkodewort. Der Inhalt des Adressenre-

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gisters wird dann um 1 erhöht, und es wird ein neuer Read-Modify-Write-Zyklus eingeleitet. Der aus dem Speicher 48 gelesene Wert und der decodierte Differenzwert werden addiert und das Ergebnis wird wieder in den Speicher 48 eingeschrieben. Mit anschließend vom Kanal gelieferten Differenzcodeworten wird in genau der gleichen Weise verfahren.

Ist das nächste Kodewort jedoch ein Segment-Ende-Codewort, so wird keine Adressenerhöhung vorgenommen und kein Zugriff zum Speicher 48 eingeleitet. Das Auftreten des Segment-Ende-Codeworts beim Empfänger dient als Mitteilung, daß als nächstes Kodewort wieder ein Adressenkodewort zu erwarten ist, welches dann zu αεί 5 kodieren und in das Adressenregister zu übernehmen ist. Mit diesem ne.uen Adressenwert werden dann weitere Zugriffe zum Bildspeicher 48 gestartet und unter Verwendung der eintreffenden weiteren Differenzkodeworte die zugehörigen Bildpunktwerte rekonstruiert. 20

Unabhängig von dem beschriebenen, durch die übertragenen Daten gesteuerten Zugriffsmechanisraus erfolgt ein weiterer Zugriff, der durch den dekoderseitigen Adressenzähler gesteuert wird. Die Taktfrequenz für den Adressenzähler entspricht derjenigen, die für die Digital-Analog-Wandlung der Bildinformation zur Bildung eines Videosignals für das empfängerseitige Bildwiedergabegerät benötigt wird. Diese Taktfrequenz wird durch geeignete Synchronisiermaßnahmen, auf die hier nicht näher eingegangen wird, da sie dem Stand der Technik entsprechen, am Empfänger mit Hilfe zusätzlicher Synchronisierzeichen gewonnen und entspricht mit der gewünschten Genauigkeit der Abtastfrequenz bei der senderseitigen Schaltungsanordnung.

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Jeweils zu Beginn einer Vollbildperiode wird der Adressenzähler auf Null gesetzt und anschließend mit jedem folgenden Digital-Analog-Wandlungs-Impuls aufwärts gezählt. Der Zählerstand dient als Adresse für den Zugriff zum Decoder-Bildspeicher 48 über den Lese-Ausgang. Für jede neue Adresse wird der entsprechende, gespeicherte Bildpunktwert aus dem Speicher 4 8 gelesen und direkt an den Digital-Analog-Wandler zur Umsetzung weitergegeben. Dabei werden nacheinander sämtliche im Decoder-Bildspeicher 48 enthaltenen-.Bilddaten innerhalb einer Vollbildperiode genau einmal ausgegeben.

Der Prozessor 46 hat ebenfalls die Aufgabe der Adressierungsüberwachung zu übernehmen. Dies gilt insbesondere für die Anfangsphase einer Übertragung bzw. nach einer schwerwiegenden Übertragungsstörung oder -unterbrechung. In diesen Fällen muß ein Gleichlauf der Adressenzähler auf der Empfangs- und der Sendeseite herbeigeführt und anschließend aufrechterhalten werden. Solange dies der Fall ist, kann ein Datenverlust im Decoder durch zu frühes oder zu spätes Auslesen der Bildspeicher-Information ausgeschlossen werden.

Die für die Erfindung wesentlichen und vorteilhaften Merkmale sind nachfolgend nochmals knapp zusammengefaßt:

A) Senderseite:

- Digitale Eingangsvideosignale werden gleichzeitig einem Segmentierer und einem Eingangs-Pufferspeicher zugeleitet. Der Eingangs-Pufferspeicher und ein Kodier-Bildspeicher werden durch einen von Taktsignalen gesteuerten Adressenzähler adressiert, und der mit verzögerten digitalen Videosignalen vom Codier-

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Bildspeicher versorgte Segmentierer erzeugt Bildänderungsdaten. Diese werden zur Ubertragungskodierung einem Kodierprozessor zugeführt, der dem Eingangs-Pufferspeicher und dem Kodier-Bildspeicher entsprechende Adressendaten zuleitet, vom Eingangs-Pufferspeicher Eingangsdaten erhält und zum Datenaustausch mit dem Kodier-Bildspeicher in gegenseitiger Funktionsverbindung steht.

~ Der Eingangs-Pufferspeicher und de-r Kodier-Bildspeicher sind vorzugsweise als Speicher mit Direktzugriff (RAM) ausgebildet und jeweils auf eine Speicherkapazität bemessen, die zur Speicherung eines Vollbildes (Zeilenzahl χ Bildpunkte je Zeile) bei 8 bit Auflösung pro Bildpunkt ausreichen.

- Der Eingangs-Pufferspeicher und der Kodier-Bildspeicher sind mit je mindestens zwei unabhängigen Eingabe-Ausgabe-Zugriff smöglichkeiten versehen, die wahlweise gleichzeitig und/oder zeitlich verschachtelt das Lesen und/oder Schreiben bei verschiedenen Adressen erlauben.

- Der Adressenzähler ist als Aufwärtszähler und mit Beginn einer Vollbildperiode jeweils auf Null rücksetzbarer Zähler ausgebildet und weist einen auf die Zahl der Bildpunkte eines Vollbildes bemessenen Zählbereich auf. Er zählt mit dem Takt der Bildpunktabtastung und bestimmt mit seinem Zählstand jeweils die Adressen in den Speichern.

- Der Segmentierer erhält an zwei Eingangsschnittstellen die digitalen Eingangsvideosignale bzw. die vom Kodier-Bildspeicher stammenden, um ein Vollbild gegen-

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über den Eingangssignalen verzögerten digitalen Videosignale. Durch Vergleich werden signifikante Änderungen der Videosignale ermittelt. Geänderte Videodaten zusammenhängender Bildpunkte innerhalb einer Bildzeile werden als Segment zusammengefaßt und die Anfangs- und Endadresse dieser Zeilensegmente zum Kodier-Prozessor übertragen.

- Der Kodier-Prozessor kann bevorzugt als Signalprozessor mit fest speicherbarem oder austauschbarem

Programm ausgebildet sein und steht über Ein- und Ausgabeschnittstellen in Funktionsverbindung mit dem Eingangs-Pufferspeicher, dem Segmentierer und dem Kodier-Bildspeicher.
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- Der Kodier-Prozessor speichert die vom Segmentierer in zeitlich unregelmäßiger Folge zugeführten Anfangs- und Endadressen der Zeilensegmente, die geänderte Videodaten repräsentieren, in einem Arbeitsspeicher unter Kontrolle eines Steuerprogramms (FIFO-Stack = first-in, first-out) zwischen. Das Steuerprogramm gewährleistet bei einer späteren Verarbeitung dieser Daten die Reihenfolge der Speicherung durch Entnahme und Löschung der jeweils ältesten Speicherwerte.

- Die aus dem Arbeitsspeicher aufgrund des Steuerprogramms folgerichtig auslesbaren Anfangsadressen der Zeilensegmente, die Änderungen aufweisen, werden einem Adressenregister und die zugehörige Ende-Adresse einem Segment-Ende-Register zur Weiterverarbeitung zugeführt.

- Die in das Adressen-Register übernommene Anfangs-

adresse gelangt nach einer Kodierung in ein Kanalaus-

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gaberegister zur Parallel-Serien-Umsetzung, die Information bitseriell mit dem Kanalübertragungstakt auf den Übertragungskanal.

- Die in das Adressenregister übernommene Anfangsadresse wird an den Eingangs-Pufferspeicher und an den Kodier-Bildspeicher übertragen und die im Eingangs-Pufferspeicher und im Kodier-Bildspeicher unter dieser Adresse gespeicherten Videosignalwerte werden gleichzeitig in den Kodier-Prozessor zum Verarbeiten übernommen.

- Die Differenzdaten der aus dem Eingangs-Pufferspeicher und dem Kodier-Bildspeicher übernommenen Video-

■\ 5 signalwerte werden im Kodier-Prozessor einer Quantisierung und einer redundanzfreien "Kodierung unterzogen. Das hierbei entstehende Kodewort wird dann in das Kanalausgaberegister eingegeben, wenn dieses vollständig entleert ist.

- Die quantisierten Differenzdaten werden in Verarbeitungsstufen des Kodier-Prozessors dem vom Kodier-Bildspeicher stammenden subtrahierten Wert hinzuaddiert und dem Kodier-Bildspeicher zur Speicherung an gleicher Adresse wieder zugeführt (Abschluß eines Kodier-Zyklus).

- Der Kodier-Prozessor erhöht nach Abschluß eines Kodier-Zyklus den Wert im Adressenregister um 1, vergleicht das Ergebnis mit dem Wert des Segment-Ende-Registers und wiederholt das Lesen der Videodaten aus dem Eingangs-Pufferspeicher bzw. dem Kodier-Bildspeicher mit den neu entstandenen Adressen solange, bis der Wert des Adressenregisters größer als

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der des Segment-Ende-Register ist. Der Kodier-Prozessor bricht dann den Vorgang ab, leitet ein Segment-Ende-Codewort auf das Kanalausgaberegister und befiehlt über das Steuerprogramm die Aufnahme einer neuen Anfangsadresse in das Adressenregister.

B. Empfängerseite:

- Die über einen Ubertragungskanal gesandten kodierten digitalen Videosignale werden einem Dekodierer zugeführt, der vorteilhaft mit einem Dekodier-Prozessor aufgebaut ist und dekodierte Videodaten und zugehörige Adressendaten über Datenschnittstellen mit einem Dekodier-Bildspeicher austauscht. Ein durch Taktsignale gesteuerter Adressenzähler steuert den Dekodier-Bildspeicher zur Ausgabe des dem jeweiligen Bildpunkt (Adresse) zugehörigen digitalen Videosignales an.

- Der Dekodier-Bildspeicher ist vorzugsweise als Speieher mit Direktzugriff (RAM) ausgebildet und auf eine Kapazität bemessen, die zur Aufnahme eines Vollbildes (Zeilenzahl χ Bildpunkt je Zeile) bei 8 bit Auflösung pro Bildpunkt ausreicht.

- Die Eingangsstufe des Dekodier-Prozessors ist als Schieberegister ausgebildet und wandelt die empfangenen bitseriellen Daten in Paralleldaten.

- Die Paralleldaten des Schieberegisters werden im Dekodier-Prozessor auf Adressenworte untersucht, wobei ein erkanntes Adressenwort in ein Adressenregister eingegeben wird. Der Inhalt des Adressenregisters wird anschließend über eine Datenschnittstelle an den Dekodier-Bildspeicher zur Einleitung eines Programm-

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ablaufs (Dekodier-Zyklus) an der betreffenden Speicheradresse weitergeleitet, um den dort gespeicherten Bildpunktwert in ein Arbeitsregister des Dekodier-Prozessors zu übernehmen.

- Die einem Adressenwort folgenden Differenzkodewörter werden in einer entsprechenden Verarbeitungsstufe des Dekodierprozessors dekodiert und als ein Datenwort,das die quantisierte Diffenrenzamplitude repräsentiert, dem im Arbeitsregister abgelegten ..Wert zuaddiert. Der resultierende Wert des Arbeitsregisters wird über eine Datenschnittstelle zum Dekodier-Bildspeicher übertragen. Dort wird mit dem Einschreiben an gleicher Adresse der Dekodier-Zyklus beendet.

- Die Paralleldaten am Ausgang des Empfangs-Schieberegisters im Dekodierprozessor werden auf das Vorhandensein eines Segment-Ende-Codewortes geprüft, wobei das Adressenregister beim Fehlen eines solchen Codewortes um 1 erhöht und ein neuer Dekodier-Zyklus eingeleitet wird. Der aus dem Dekodier-Bildspeicher stammende Bildwert wird zum dekodierten Differenzwert addiert und an gleicher Adresse in den Dekodier-Bildspeicher wieder eingeschrieben.

- Der Dekodier-Prozessor bricht beim Erscheinen eines Segment-Ende-Codewortes den Zugriff zum Dekodier-Bildspeicher ab und startet mit dem Erscheinen eines neuen Adressenwortes die Zyklen für einen Durchlauf.

- Der im Dekodierer vorgesehene Adressenzähler ist als Aufwärtszähler und mit Beginn einer Vollbildperiode auf Null rücksetzbarer Zähler ausgebildet. Er weist einen auf die Zahl der Bildpunkte eines Vollbildes

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bemessenen Zählbereich auf. Der synchron mit dem Zähltakt der Sendeseite zählende Adressenzähler bestimmt mit seinem Zählstand die Adressen im Dekodier-Bildspeicher.

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Claims (10)

1. HEINRICH-HERTZ-INSTITUT FÜR NACHRICHTENTECHNIK BERLIN GMBH 11/0382 DE

   Patentansprüche

   (Tj Verfahren zur Umkodierung von Bewegtbildsignalen nach der Methode der Bild-zu-Bild-Kodierung für redundanzarme Übertragung in digitaler Form mit gleichmäßigem Datenfluß auf dem Übertragungsweg, bei dem für die Übertragung auf der Sendeseite digitale Bildinformationen für solche Bildsegmente erzeugt werden, deren Bestimmung durch Vergleich der aktuellen, unkodierten Bilddaten mit den rastermäßig entsprechenden, zeitlich um eine Vollbildperiode zurückliegenden Bilddaten, welche auch auf der Empfangsseite zur Verfügung stehen, als geänderte Bildanteile erfolgt, und bei dem auf der Empfangsseite die gleichmäßig eintreffenden Bildinformationen geänderter Bildanteile zu den tatsächlich erforderlichen, ungleichmäßig verteilten Zeitpunkten und Zeitspannen für die Bildrekonstruktion bereitgestellt werden,

   dadurch gekennzeichnet, daß für die Umkodierung auf der Sendeseite sowohl Entscheidungen bezüglich geänderter Bildsegmente, die synchron zur Folgefrequenz der zugeführten Bilddatenworte getroffen werden, als auch zugeführte Bilddatenworte selbst zwischengespeichert und nach einer variablen Verzögerung dem eigentlichen, für die übertragung vorgesehenen Kodiervorgang zugeführt werden, der mit einer kontinuierlichen, durch die Datenrate des Übertragungsweges bestimmten Arbeitsgeschwindigkeit abläuft und durch die zwischengespeicherten Entscheidungen gesteuert wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die unkodierten Bilddaten mittels eines RAM-Speichers η it der Kapazität ι.· i:.os '-oLlbi ldes, unabhängig ravon, öl· -icö.r.dorto -el·., r :.:..·:·.*.. -iolnd^rto Bildanteile

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   repräsentiert werden, um eine Zeit zwischen Null und einer Vollbildperiode verzögert und für die Übertragungskodierung beim Auslesen die Daten nicht geänderter Bildanteile zumindest zum größten Teil übersprungen werden.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die unkodierten und die kodierten Bilddaten mittels getrennter RAM-Speicher verzögert und zwei unabhängige Zugriffsadressen verwendet werden, die jeweils auf beide RAM-Speicher anzuwenden sind und von denen die eine die Dateneingabe und das Auslesen der für die Segmentierung benötigten kodierten Bilddaten steuert und dabei kontinuierlich alle verfügbaren Adressen durchläuft, während die andere das Auslesen der für die Übertragungs-Kodierung benötigten und das Einschreiben der kodierten Bilddaten steuert und im wesentlichen nur die Adressen durchläuft, die geänderten Bildpunkten entsprechen, wobei die Differenz beider Adressen den Füllstand der verwendeten Speicher angibt.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der aktuelle Füllstand der RAM-Speicher beim Kodiervorgang bezüglich, der zu erzeugenden Datenrate zwecks Verhinderung von Überlauf bzw. Leerlaufen der RAM-Speicher berücksichtigt wird..
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da-

   durch gekennzeichnet, daß Entscheidungen bezüglich der Lage und der Ausdehnung geänderter Bildanteile auch ,■ur Bc.-'iinflussup.'i der hcir\ Ubortragungs-Kodiervorgang '.·.: ·;·Γ:-··-·υα·Γ.·:-./ίοη L")ii*ronr.ir·-· r.orMr.qozoaen werden.

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6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beeinflussung der beim Übertragungs-Kodiervorgang erzeugten Datenrate der relative Anteil geänderter Bildpunkte am gesamten Füllstand des zur Verzögerung der aktuellen, unkodierten Bilddaten dienenden RAM-Speichers benutzt wird.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Umkodierung auf der Empfangsseite die empfangenen, Bild- und zugehörige Adressdaten enthaltenden Signale, ohne am Eingang zwischengespeichert v/erden zu müssen, direkt verarbeitet werden, nämlich die empfangenen Bilddaten dekodiert und mit Hilfe der Adressdaten die im Bildspeicher befindlichen Bildinformationen aktualisiert werden, und daß diese erst nach einer Verzögerungszeit, die zwischen Null und einer Vollbilddauer betragen kann, wiedergegeben werden.
8. 8. Schaltungsanordnung zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch

   - einen Eingangspufferspeicher (12,34) mit unabhängig adressierbaren Schreib- und Lesezugriffen, vorzugsweise als RAM-Speicher ausgebildet, - einen Bildspeicher (18, ^6) mit unabhängig adressierbaren Schreib- und Lesezugriffen, vorzugsweise als RAM-Speicher ausgebildet,

   - einen Segmentierer (16, 40) zur Bestimmung geänderter Bildanteile durch Vergleich von Bilddaten, die eine Vollbildperiodendauer auseinander liegen,

   - einen Adressenzähler (22, 42) für die einzelnen Bildpunkte eines Vollbildes

   und durch

   - eine Baugruppe (33), in der alle Schaltungen auf

   geringe Arbeitshöchstgeschwindigkeit ausgelegt sein können, insbesondere solchen für

   - das Zwischenspeichern von Anfangs- und Endadressen von Bildsegmenten (20),

   - die Übertragungskodierung geänderter Bildanteile (14) und

   - die Auswertung von Adressen zur Steuerung des Übertragungskodiervorganges und der Speicherzugriffe (24) sowie für das Verschachteln von kodierten Bilddaten, Adress- bzw. Steuerkodeworten, einschließlich P/S-Wandlung (28).
9. 9. Schaltungsanordnung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 7,

   5 gekennzeichnet durch

   - einen Bildspeicher (18, 48) mit unabhängig adressierbaren Schreib- und Lesezugriffen, vorzugsweise als RAM-Speicher ausgebildet,

   - einen Adressenzähler (22, 50) für die einzelnen Bildpunkte eines Vollbildes

   und durch

   - eine Baugruppe (46), in der alle Schaltungen auf geringe Arbeitsgeschwindigkeit ausgelegt sein können, insbesondere solchen für

   5 - die S/P-Wandlung der empfangenen Daten, deren Trennung in Bilddaten sowie Adress- bzw. Steuerkodeworte für die Steuerung des Übertragungsdekodiervorganges und der Speicherzugriffe (30) und - die übertragungsdekodierung geänderter Bildantei-Ie (32).
10. 10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß

    die Schaltungen einer Baugruppe (38, 46) für die geringe Arbeitshöchstgeschwindigkeit in einem programmierbaren Köder- bzw. Dekoder-Prozessor vereinigt sind.