DE2253064A1 - Verfahren und vorrichtung zur verminderung von verzerrungen - Google Patents

Description

Aktenzeichen der Anmelderin: YO 971 047

Verfahren.und. Vorrichtung zur Verminderung von Verzerrungen

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verminderung von Verzerrungen, die bei der Codierung von Amplitudenproben eines starke Pegeländerungen aufweisenden Analogsignals entstehen, bei dem die Absolutwerte der Amplitudenproben in digitale Codewörter umgesetzt werden., die anschließend zur Datenverdichtung noch einer Differenz-Codierung unterworfen werden, bei der nur die Änderungen eier digitalen Codewörter relativ zueinander übertragen werden.

Bei aer Umsetzung analoger Information, z.B. von Bilddaten, in digitale Form zur Übertragung oder Speicherung werden bei Codierung in binärer Form relativ viele Bits pro Bilde lenient zur Darstellung eines einzigen Bildelementes benötigt. Acht Bits (ein Byte) können z.B. benutzt werden, um verschiedene Abstufungen oder Graupegel· auf einer Skala mit den Werten von 0 bin 255 darzustellen, in der üie Extremwerte schwarz und weiß (oder umgekehrt) darstellen und die Zwischenwerte dazwischenliegende Grauabstufungen oder -pegel. Dm Bilddaten aber z.B. mit einer hohen Geschwindigkeit senden oder solche Daten mit großer Dichte speichern zu können, muß die Anzahl der pro Bildelenient benötigten

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Bits zur Darstellung des Graupegels reduziert werden. Möglichkeiten dazu bietet ein Differenz-Codierverfahren wie die bekannte Deltamodulation oder die Differenz-Pulscodemodulation, worin der Code für jedes Bildelement nicht den absoluten Graupegel dieses Elementes darstellt, sondern nur eine artnähernde Schrittdifferenz zwischen dem Graupegel des laufenden Bildelementes und dem codierten Graupegel des unmittelbar vorhergehenden Bildelementes.

Bei der Codierung durch Deltamodulation wird nur 1 Bit pro Bildelement verwendet, z.B. ein "O"-Bit für einen übergang zu einem dunkleren, ein 1 -Bit für einen übergang zu einem helleren Grauwert. Benachbarte Bildelemente/ die etwa den gleichen Grauwert aufweisen, werden durch eine alternierende Reihe von Linsen und Nullen dargestellt, was einen stationären Zustand kennzeichnet.

Die konventionellen Verfahren der Differenz-Codierung arbeiten so lange zufriedenstellend, wie keine plötzlichen übergänge zwischen den entsprechenden Graupegeln benachbarter Bildelemente auftreten. Einem plötzlichen übergang von z.B. einem weißen Bildbereich in einen fast schwarzen Bildbereich kann ein nach einem dieser Verfahren arbeitender Codierer jedoch nicht mehr genau genug folgen. Dieser Zustand ist als Steilheitsüberlastung' bekannt. Die sich daraus ergeoende Verzögerung zv/ischen dem tatsächlichen Auftreten eines solchen Übergangs und seiner Jarstellung in der Codefolge ist die Ursache dafür, daß der in Frage kommende Bereich im reproduzierten Bild gegenüber den anderen Bildteilen versetzt erscheint. Diese Tendenz, die relative Phase oder Lage von kontrastreichen Bildteilen zu verzerren, begrenzt die Geschwindigkeit, mit der bekannte Differenzüodierverfahren Bilddaten genau verarbeiten können. Auch neuere verfeinerte. Delta-Modulationsverfahren sind für eine zuverlässige Wiedergabe stark kontrastierender Bildbereiche bei großer Verarbeitungsgeschwindigkeit nicht geeignet.

Der brfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Wiedergabe

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treue bei der Reproduktion von kontrastreichen Bildbereichen, deren Grauwerte in digitaler Form verschlüsselt wurden, zu verbessern. ■

Die genannte Aufgabe wird mittels eines Verfahrens der eingangs genannten Art gelöst, das durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet ist:

a) zeitweiliges Speichern einer den Absolutwerten der Amplitudenproben entsprechenden Eingangswertfolge in einer Verzögerungseinrichtung;

b) Erzeugen einer Reihe nacheinander verfügbarer digitaler Codemuster, von denen jedes eine mögliche Codesymbolfolge zur versuchsweisen Darstellung der Änderungen der Eingangswertfolge in Differenz-Codierung darstellt;

c) Berechnen einer Ausgangswertfolge für jedes verfügbar werdende Codemuster, welche Folge man durch Differenz-Decodierung dieses Musters erhielte, wenn es die laufende Eingangswertfolge darstellte;

d) beim Verfügbarwerden jeder Ausgangswertfolge nach Schritt c) Berechnen des Wertes einer Güte-Funktion, die die Korrelation zwischen der Ausgangswertfolge und der augenblicklichen Eingangswertfolge mißt;

e) Auswählen desjenigen Codemusters der Reihe, dessen berechnete Güte-Funktion eine optimale Korrelation zwischen den Ein- und Ausgangswertfolgen anzeigt und

f) Benutzen eines ausgewählten Teiles des Codemust'ers als differenz-codierte Darstellung eines entsprechenden Teiles der Eingangswertfolge.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen aargestellt und wird anschließend näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 einen Satz von Zeitfunktionen, die näherüngs-

weise darstellen, in welcher Art ein Differenz-Codiersystem auf eine gegebene Eingangssignaldarstellung reagiert mit und ohne Vorausschau-Codie-

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reinrichtung,

Fig. 2 in einem einfachen Blockdiagramm ein Umsetzer-

system für die Differenz-Codierung und -Decodierung von Daten,

Fig. 3 in einem allgemeinen Blockdiagramm einen Differenz-Codierer mit der erfindungsgemäßen Vorausschaueinrichtung,

Fig. 4 in einem detaillierteren Blockschaltbild den in

Fig. 3 gezeigten Codierer, wobei drei Vorausschaustufen angenommen werden.

Das in den Figuren gezeigte Ausführungsbeispiel soll nach der Annahme für die Verarbeitung von Bilddaten benutzt werden. Dieses Beispiel dient jedoch keineswegs als Einschränkung und die Erfindung eignet sich auch zur Anwendung bei anderen Arten der Verarbeitung von Informationen, die in Form von Analogsignalen vorliegen.

Die unterschiedlichen Abstufungen der Graupegel aufeinanderfolgender Elemente eines Bildes, die laufend abgetastet werden, werden durch konventionelle, nicht dargestellte Einrichtungen in Video-Codewörter V umgewandelt, die absolute Grauwerte darstellen. Diese Video-Codewörter V enthalten eine Anzahl von Bits pro Codewort, die zur Darstellung der verschiedenen Graustufen der entsprechenden Bildelemente mit großer Genauigkeit ausreicht. Wenn z.B. jedes dieser Codewörter 8 Bits enthält, dann kann ein Codewort etwa ü56 verschiedene Abstufungen oder Graupegel wiedergeben.

Wenn die Bilddaten in Form dieser aus vielen Bits bestehenden Codewörter festgehalten werden, dann würde die Folge von Codewörtern ein echtes Bild mit einem sehr hohen Genauigkeitsgrad darstellen. Für große Mengen von Bilddaten ist es jedoch nicht wirtschaftlich, die Daten in dieser Form festzuhalten und man

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greift daher zur Differenz-Codierung z.B. der Deltamodulation oder der Differenz-PCM, bei welcher nicht der absolute Graupegel eines jeden Bildelementes ausgedrückt wird, sondern statt dessen nur eine schrittweise Änderung zwischen dem Graupegel des laufenden Bildelementes und dem durch die Ausgangscodierung des unmittelbar vorhergehenden Bildelementes dargestellten Graupegeis. Ein weniger komplexer Code mit einer wesentlich kleineren Anzahl von Bits pro Codewort genügt zur Darstellung dieser Schrittunterschiede.

Die aus vielen Bits bestehenden Graupegel-Codewörter V werden durch den in Fig. 2 gezeigten Codierer 30 in Differenz-Codes N umgewandelt, die in manchen Systemen nur ein Bit pro Codewort enthalten. In dieser Form können die Bilddaten stark verdichtet werden für eine wirksame Übertragung oder eine Speicherung in großer Dichte. Wenn die absoluten Graupegeldaten wieder für die Bildreproduktion benötigt werden, werden die Differenz-Codes N durch einen Decodierer 32 in die aus vielen Bits bestehenden absoluten Codes Ä umgewandelt. Entsprechend der Genauigkeit, mit welcher die Differenz-Codierung durchgeführt werden, geben die endgültigen Codewörter Δ sehr genau die entsprechenden Originalcodewerter V wieder oder nicht. (Das Wort Code wird' hier im Sinne eines Codesymboles oder einer codierten Darstellung benutzt.)

Die technischen Schwierigkeiten bei der Differenz-Codierung sina aus Fig. 1 zu ersehen, die eine stark vereinfachte Form einer typischen Folge von Vorgängen zeigt, die im Laufe einer solchen Co- · dieroperation auftreten können. In diesem Diagramm entsprechen die Abtastzeiten 1, 2, 3 usw. verschiedenen Momenten, in denen das durch die Bildabtastanlage erzeugte Graupegel—Analogsignal abgetastet und zu absoluten Codewörtern codiert wird, welche die Abstufungen oder Graupegel der einzelnen Bildelemente darstellen. Die Kurve 21 zeigt die Änderungen der Graustufen einer Reihe dieser abgetasteten Iiildelemente. Die Kurve 22 zeigt die Reaktion des Codier-Decodiersystemes in Form des decodierten Ausgangesignaies A in Fig. 2, wenn der Differenz-Codierer keine Vorausschaueinrich--

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tung hat. Die Kurve 2 3 in Fig. 1 zeigt die Reaktion eines Systems mit Vorausschaueinrichtung. Der hohe Spitzenbereich der Kurve 22 weist eine deutliche Phasenverschiebung relativ zur Spitze der echten Bilddarstellung auf, wogegen die Kurve 2 3 eine Spitze zeigt, die im wesentlichen mit der echten Bilddarstellung in Phase liegt.

In den stationären Perioden, in welchen das analoge Bildsignal einen konstanten Pegel aufv/eist, besteht das dif ferenz-codier te Signal aus abwechselnd positiven und negativen Impulsen. Diese heben einander effektiv auf, erzeugen aber Störsignale.

Zur Illustration wird angenommen, daß eine schräge Linie mit einem Anstiegswinkel B, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, das schnellste Ansprechen eines Differenz-Codier-Decodiersystems darstellt, mit dem dieses auf einen Übergang zv/ischen sehr unterschiedlichen Graustufen aufeinanderfolgender Bildelemente reagieren kann. In den Fällen, in welchen die Übergangs geschwindigkeit den Steilheitsv/inkel B nicht übersteigt (wie z.B. zv/ischen den Abtastzeiten 5 und 10 in Fig. 1), kann der Codierer dem übergang genau folgen. In den Fällen jedoch, wo aer übergang abrupter ist (wie z.B. zwischen den Abtastzeiten 'Iu und 45) , fällt die Antwort eines konventionellen Codierers gegenüber uer wirklichen Bilddarstellung ab, was sich aurch das Verhalten der Antwortkurve 22 in E ig. 1 zwischen den Abtastzeiten 40 und 60 zeigt, da sie auf den maximalen Steilheit!» winkel beschränkt ist, der wesentlich unter der Steilheit der echten ßildkurve 21 zwischen den Prüfpunkten 40 und 45 liegt.

In diesem speziellen Beispiel verzerrt die konventionelle Codier technik das Bild derart, daß bei seiner Reproduktion die Bilde Lernen te, die im spitzen Teil der Kurve 21 zwischen den Punkten 1¹J und 60 der Abtastfolge in Fig. 1 auftreten, kein Gegenstück in üer Kurve 22 finden und die Spitze der Kurve 22, die außerdem eine geringere Amplitude aufweist als die Kurve JL, ist relativ dazu phasenverschoben. Außer den Amplituden und Phasonverzerrun

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gen liegt auch eine Breitenverzerrung der Bildsignalspitze vor. In kritischen Bereichen wie diesen treten also bei konventioneller uifferentialcodierung Verzerrungen der Bilddarstellung auf.

Der Steilheitswinkel B der Antwortkurve wurde aus praktischen Gründen auf einen Höchstwert begrenzt. Wenn der kleinste Schritt/ um welchen sich der codierte Signalpegel ändern kann, zu groß gemacht wird, so würde dadurch erstens .die oben erwähnten Störsignale zunehmen, die in Intervallen mit stationärem Zustand erzeugt werden. Außerdem würde aas System überempfindlich gegen Störimpulse, wenn dieser Steilheitswinkel sich zu stark einem Winkel von 90° nähert. Ein gewisser Grad an Störfestigkeit wird benötigt und deswegen muß der maximale Steilheitswinkel auf einen Wert begrenzt werden_; der wesentlich unter 90° liegt, auch wenn sich dadurch eine als ''Steilheitsüberlastung' bekannte Bedingung in Bereichen mit starken Kontrasten ergibt. Der Zweck der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Steilheitsüberlastung in gewissem Umfange zuzulassen, also deren unerwünschte Nebeneffekte möglichst klein zu halten.

Anstelle einer verzögerten Antwort* auf abrupte Graustufenübergänge hätte man lieber eine beschleunigte Antwort,'wie sie durch aie in Fig. 1 gezeigte Kurve 23 dargestellt wird, die eine ab- ■ rupte Änderung voraussieht, bevor sie eigentlich auftritt. Das kann man durch eine Technik erreichen, die die Antwort in der tatsächlichen Zeit, aber nicht in der relativen Zeit verzögert und eine Folge von Bildelementen-Grauwerten vorausschauend analysieren läßt auf plötzliche übergänge, bevor sie differenzcodiert wird, «acn Darstellung in Fig. 1 wird ein abrupter übergang in den Graustufen zwischen den Abtastpunkten 40 und 45 in der tatsächlichen Zeitfolge der Abtastoperation vorweggenommen, beginnend beim Zeitpunkt 33 in der Zeitfolge der Differentialcodierung. Dadurch beginnt die Antwortkurve 2 3 iait ihrem Anstieg bereits zum Zeitpunkt 33 der Codierfolge, wogegen sie sonst bis zuia Zeitpunkt 40 oder 41 dieser Folge gewartet hätte. Am Anfang besteht eine gewisse Diskrepanz zwischen der differen-

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tialcodierten Bilddarstellung und der wirklichen Bilddarstellung in dem Abtastintervall 33 bis 42 aufgrund der beschleunigten Antwort des Systems. Die Spitze der Antwortkurve 23 erreicht jedoch die richtige Amplitude, ist nur sehr geringfügig gegenüber der Mitte der wirklichen Spitze versetzt und es besteht wenig Diskrepanz bezüglich der Breite. Somit wird dieser stark kontrastierende Bereich des Originalbildes zuverlässiger durch die Kurve 23 wiedergegeben, die die Antwort des Systems mit Vorausschaucodierung darstellt, als es bei der Kurve 22 der Fall wäre, die eine typische Antwort ohne Vorausschaucodierung zeigt.

Obwohl also die größte Ansprechgeschwindigkeit eines Differenz-Codierers aus praktischen Gründen auf einen Wert begrenzt werden muß, der kleiner ist als die Geschwindigkeit, mit der übergänge zwischen wesentlich unterschiedlichen Graustufen in der echten Bildwiedergabe auftreten können, kann ein mit der vorliegenden Vorausschaueinrichtung ausgerüstetes System seine Codieroperationen so hinreichend anpassen, daß diese relative Langsamkeit des Ansprechens auf selten des Differenz-Codierers ausgeglichen wird. Auf diese Weise kann man den Vorteil der Datenverdichtung ohne ein übermäßiges Opfer an Codiergenauigkeit und Einführung einer unverhältnismäßig großen Empfindlichkeit in den Codierprozeß nutzen.

Fig. 3 zeigt in einem Funktionsdiagramm einen durch eine erfindungsgemäße Vorausschaueinrichtung verbesserten Differenz-Codierer. In diesem Codierer ist eine Verzögerungseinheit 40 enthalten, die z.B. ein Schieberegister mit L Stufen umfaßt, wobei L die Anzahl der in der Vorausschaufolge enthaltenen Bildelement-Codesymbole ist, d.h. die Anzahl der den absoluten Wert angebenden Codewörter in der V-Reihe der Fig. 2, die analysiert werden, um die Differenz-Codierung des gegenwärtig betrachteten Bildelementes zu bestimmen.

In der nachfolgenden Beschreibung bezeichnet der Index "k jede ganze Zahl von 1 bis zur Gesamtzahl der im Bild verarbeiteten

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Bildelemente. Nach Darstellung in Fig. 3 wird eine Folge von Eingangscodewörtern V, , ... V, .. , deren Anzahl gleich L ist, im Schieberegister 40 gespeichert. Das Muster der durch diese Folge dargestellten Graupegeländerungen wird durch eine Musterauswahleinrichtung 42 analysiert, der ein Muster von Differenz--Codewörtern N, , ^Nv+i' ··· ^Wk+L - l ^ausw^hlt, welches bei der Decodierung eine Reihe von Codewörtern A , ^v₊₁ ··· ^v+L ergeben würde, welches optimal der Vorausschau· Codefolge entspricht, die gegenwärtig in der Verzögerungseinheit 40 gespeichert ist. Wenn das optimale Muster einmal ausgewählt worden ist, wird der erste Wert N, in der Reihe der Werte N, ... N, _ als das Codesymbol für den laufenden Eingangscode V, ausgelesen (d.h. das Codesymbol, welches den Graupegel des gegenwärtig betrachteten Bildelementes darstellt. Der Inhalt des Registers 40 wird dann um eine Stufe verschoben, ein neues Eingangscodewort in die Position V,,, . dieses Registers eingegeben und ein neues Muster aus N Codewörtern durch die Auswahleinrichtung 42 gewählt, um . die optimale Darstellung der Vorausschaufolge in differenz-codierter Form zu erhalten. Diese kontinuierliche Fortschreibung und Analyse des Codewortsatses in der Vorausschaufolge stellt .sicher, daß jede plötzliche Änderung in den Graupegelwerten früh genug entdeckt wird, um einen entsprechenden Trend im differenzcodierten Ausgangssignal zu beginnen, so daß die stark kontrastierenden Bildbereiche nicht übermäßig verzerrt werden.

die in Fig. 3 gezeigte Musterauswahleinrichtung 42 arbeitet so, daß bestimmte vorgeschriebene Gütekriterien erfüllt werden. Für jede Einstellung des Schieberegisters 40 muß eine Anzahl verschiedener Codemuster W, ... .N, auf optimales Ansprechen geprüft werden. Wenn man z.B. annimmt, daß L= 3 ist und aas Register -10 eine Reihe von Codewörtern V , V , und V von je beispielsweise 8 Bits speichert, jeder der Differenz-Codes N. , M~, und M-, ein einzelnes Bit enthält, welches auf 1 oder 0 steht-, wobei die 1 in der Deltamodulationscodierung einen Aufvärtsschritt und die 0 einen Abwärtsschritt darstellen, dann gibt es für jeden Satz von drei Eingangscodewörtern, die in der Verzögerungseinheit

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gespeichert sind, acht mögliche Bitmuster oder Sätze binärer Codewörter, die von eier nusterauswahleinrichtumj 42 berücksichtigt werden müssen, nämlich:

υυυ <jui οίο on

1ÜU 101 llü 111 Grundsätzlich sind 2 aerartige ßitmuster zu berücksichtigen.

Die Musterauswahleinrichtung 42 wendet dann auf diese verschiedenen Bitmuster ein vorgeschriebenes Gütekriterium an, um das Muster zu wählen, welches nach Decodierung einen Signalkurvenverlauf ergibt, uer aw besten eiern bisherigen Verlauf der Graupegeländerungen entspricht, die durch aie gegenwärtig im Register 40 gespeicherte Vorausschaucodefolge V., V„ und V_ oder allgemein V₁ ... V, , dargestellt werden. Für diesen Zweck betrachtet die Musterauswüh!einrichtung 42 jedes Bitmuster noch einmal uer Reihe nach und leitet die Bits eines jeden ίlusters einem Decodierer i<l zu, der dieselbe Funktion übernimmt wie aer in Fig. ι gezeigte Decodierer 32 und einen Ausgabecode Λ, ergibt, eier dasselbe Format, aber nicht unbedingt einen

identischen V<ert hat wie uer bingabecode V, . Die Auswahleinrichtung 4 2 errechnet uann eine vorgeschriebene Funktion von V₁ . ·. V₁ . , und Λ, ... A₁ ., aie die Güte mißt, welche das

K K+li—I K K+L'-1

System erbringen würde, wenn aas laufende Prüfmuster ouer die Prüf folge N , w^, M-, als optimal codierte Folge gewählt worden

Ls können verschiedene uütekriterien benutzt werden. Zur Illustration wird im vorliegenden tall das Kriterium ausgedrückt als aer Minimalwert der Funktion.

k+L-1
P = Σ (V. - t\. ) ²

i-k

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- ii -

Wenn angenommen wird, daß V₁ der erste gegenwärtig im Schieberegister 40 gespeicherte Code ist, dann ist k gleich 1. Dann

■ 2
wird die Summe der Werte von (V, -- A.). für alle Werte von i von 1 bis L für jedes der möglichen Prüfmuster N₁, ... JSL er-

rechnet, wobei es 2 solche Muster gibt. Als optimales Bitmuster ergibt sich das Prüfmuster mit der kleinsten Summe der

2
Werte (V. - A.) . Das erste Bit dieser Folge, N , wird dann durch den Codierer als differenz-codiertes Bit ausgegeben, welches dem laufenden Eirigabecodewort V. entspricht, das laut Annahme in diese,m Beispiel das erste gegenwärtig im Schieberegister 40 gespeicherte Codewort ist.

Abhängig von der Art der verarbeiteten Bilddaten (z.B, Textinformation gegenüber Bildern) können auch andere Gütekriterien gewählt werden. Im anschließend beschriebenen Ausführungsbeispiel wird der Minimalwert der oben gegebenen Funktion als Gütekriterium verwendet.

In Fig. 4 ist die Schaltung eines Differenz-Codierers gezeigt, der die den Einheiten 40, 42 und 44 in Fig. 3 zugeschriebenen Funktionen übernehmen kann. Die in Fig. 3 gezeigte Verzögerungseinheit 40 und der Decodierer 44 sind in Fig. 4 durch dieselben Zahlen bezeichnet. Der Rest des in Fig. 4 gezeigten Gerätes ist mit Ausnahme des Haupttaktgebers 46 in der in Fig, 3 als Musterauswahleinrichtung 42 bezeichneten Einheit enthalten.

Im Ausführungsbeispiel der Fig. 4 wird angenommen, daß L =3 ist. Somit hat das Schieberegister 40 drei Stufen, die entsprechend die absoluten Video-Eingangs codes V, , V₁ und V₁ . _ spei-

K JC+1 JC+ 2.

ehern_t wobei k eine ganze Zahl von 1 bis zur Gesamtzahl der zu codierenden Bildelemente ist. In Fig. 4 ist nur eine Bitspeicherposition für jede Registerstufe gezeigt. Da im vorliegenden Ausführungsbeispiel angenommen wird, daß jeder V-Code aus einem Wort mit mehreren^ Bits besteht, sind pro Stufe so viele Bitspeicherzellen vorhanden wie Bits im V~Codewort. Wenn also der absolute Graustufenwert durch einen 8 Bit großen Code dargestellt

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wird, dann besteht jede Registerstufe aus 8 Zellen mit paralleler Biteingabe. Nur der Einfachheit halber ist das Register 40 in Fig. 4 mit einer Bitspeicherzelle pro Stufe dargestellt. (Entsprechendes gilt für einige andere in Fig. 4 gezeigte Register.)

Der Haupttaktgeber 46 gibt eine Folge von Taktimpulsen ab, die mit 1 bis 14 numeriert sind. Diese Taktimpulse sind nicht zu verwechseln mit den Äbtastzeitpunkten 1,2,3 usw. der Fig. 1. Oie ganze Reihe von Haupttaktimpulsen muß so oft erzeugt werden, wie sie zwischen zwei aufeinanderfolgenden Abtastzeitpunkten benötigt wird (oder mit anderen Worten zwischen zwei aufeinanderfolgenden Eingaben von Videocodes in das Schieberegister 40), um die notwendigen Bitmusterprüfungen durchzuführen.

Im vorliegenden Beispiel wird eine Länge L = 3 für die Vorausschaufolge und die Codierung durch einfache Deltamodulation angenommen, welche ein Codebit für jeden aus mehreren Bits bestehenden Videocode erzeugt, das dann dem Codierer zugeführt wird. Für jede Einstellung des Schieberegisters 40 muß daher ein Satz von 8 Dreibitmustern geprüft werden. Diese Bitmuster werden einzeln In einen dreizelligen Zähler 50 in Fig. 4 gespeichert, der mit der Einstellung 000 beginnt, die zwischen den Prüfungen um jeweils 1 erhöht wird.

Als Gütekriterium P wird in diesem Beispiel der Minimalwert der folgenden Funktion benutzt:

k+2

P =Σ (V₁ - A₁) , worin k am Anfang auf 1 steht und i=k

jedesmal um 1 erhöht wird, wenn die Einstellung des Zahlers 50 von 111 auf 000 erhöht wird (d.h., nachdem die Prüfung eines jedes Satzes von ti oreibitmustern, die nacheinander in das r.egister 50 gesetzt wex-den, beendet ist). Jedesmal, wenn ein i-it. muster N_k, M_]r+1r N^ _{+ 2} seprüft wird, wird es durch den Deccu.ieror

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44 zuerst in den entsprechenden Satz absoluter Codes A, , ^+χ* A, ₂ umgewandelt, der zusammen mit dem absoluten Code A., vom vorhergehenden Satz in einem in Fig. 4 gezeigten Register 52 gespeichert wird. Ähnlich wie das Register 40 enthält das Register 52 eine entsprechende,Anzahl von Speicherzellen zum Speichern aller Bits eines absoluten Codes, z.B. des Codes A .

In Fig. 4 wird das "&" zur Bezeichnung eines UND-Gliedes benutzt. Die arithmetische Einheit 54 eignet sich zur Durchführung ,einer Operation, die die Berechnung und Akkumulation aufeinanderfolgender (V-A)²-Werte für jedes geprüfte "N"-Bitmuster umfaßt· Der Vergleicher 56 vergleicht den Ausgangswert P, der von der arithmetischen Einheit 54 geliefert wird, mit einem in einem mehrere Bits umfassenden Register 58 gespeicherten P*-Wert, der den Höchstwert von P angibt, der beim augenblicklichen Stand der Berechnungen noch akzeptabel erscheint. Wenn P kleiner ist als P", dann wird der laufende Wert von P für den laufenden Wert von P eingesetzt. Register 60 umfaßt nur eine Bitzelle zum Speichern eines Bits mit dem Wert N~ , der der-Versuchswert des codierten Bits ist und noch einer möglichen Änderung unterliegt, wenn ein anderes Bitmuster gewählt wird, bevor das codierte Bit ausgelesen wird.

Arbeitsweise

Der in Fig. 4 gezeigte Haupttaktgeber 46 gibt seine Taktimpulse in der angegebenen numerischen Reihenfolge ab. Jeder Taktimpuls leitet einen bestimmten Operationsschritt ein. Onmittelbar vor der Abgabe des Taktimpulses 1 speichert das Schieberegister 40 die drei Videoeingangscodes V, die die laufende Vorausschaufolge bilden. Der Zähler 50 steht auf 000 und zeigt damit das erste zu prüfende N-Bitmuster an. Das Register 52 speichert den Wert A₁

uer der absolute Code ist, welcher dem codierten Bit N₁ ent-

K." L

spricht, aas gerade durch den Codierer erzeugt wurde. Die übrigen im Register gespeicherten Α-Codes sind zu diesem Zeitpunkt

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nur von akademischem Interesse. Der Anfangswert von P" im Register 58 wurde auf den möglichen Höchstwert gesetzt, den P einnehmen darf.

Da im vorliegenden Beispiel angenommen wird, daß 8 Kombinationen der aus drei Bits bestehenden N-Codes zu prüfen sind, wird die nachfolgend beschriebene Reihenfolge von 14 Schritten für jedes aus dem Codierer auszugebende Codebit 8 mal durchlaufen. Damit müssen 8 verschiedene Sätze absoluter Codes A , A, ., A gesetzt werden, um den differenz-codierten Äquivalenten der 8 verschiedenen W-Bitmuster zu entsprechen und die zu optimierende Funktion P muß achtmal berechnet werden. Wenn die Anzahl von Codes in der Vorausschaureihenfolge (L) verändert wird, muß für jedes codiert ausgegebene Bit natürlich eine andere Anzahl von Berechnungen ausgeführt v/erden und die Anzahl der Taktimpulse ist auch anders. Das in Fig. 4 gezeigte Codiergerät ist speziell für einen Vorausschauwert L = 3 entwickelt, und zur Illustration wird eine einfache Deltamodulation für die Codierung angenommen.

Die nachfolgend beschriebenen Operationsschritte sind entsprechend den Impulsen numeriert, die sie einleiten (Fig. 4).

1. Die arithmetische Einheit 54 wird so rückgestellt, daß

der dort gespeicherte Wert P=O ist. N, (das erste Bit

des jetzt im Zähler 50 gespeicherten Prüfmusters) und A, (der dem letzten dif ferenz-codierten Bit N₁ , das· an aen Codierer ausgegeben wurde, entsprechende absolute Code) werden gleichzeitig in den Decodierer 44 eingegeben.

2. Der Decodierer 44 wird eingeschaltet zur Berechnung eines neuen absoluten Codes A, unter Verwendung des früheren Codes A₁ und des Versuchswertes des Bit u\

K — 1. K

im 1aufenden Prü£muster.

3. L»ar gerade öurch den Decodierer 4 4 berechnete absoLu-

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te Codewert A, wird jetzt in die entsprechende Stelle des Registers 52 eingegeben.

4. Der Code A, und das zweite Bit N. j des laufenden Prüfmusters werden in den Decodierer eingegeben. Der Code A, und der erste Videoeingangscode V, in der Vor ausschaufolge werden in die arithmetische Einheit eingegeben.

5. Der Decodierer 44 wird eingeschaltet zur Berechnung eines neuen Codes A^₊₁ basierend auf dem Bit N des laufenden Prüfmusters und dem vorher errechneten Wert von A, . Die arithmetische Einheit wird eingeschal-

2 tet zur Berechnung von P = (A. - V. ) , welches der erste Ausdruck in der Summe der oben definierten Funktion ist. Diese P-Werte werden in der arithmetischen Einheit akkumuliert, bis die Ausführung der Funktion abgeschlossen ist.

6. Der durch den Decodierer 44 errechnete Codewert A, wird in das Register 52 eingegeben.

7. Der Code A, . und das dritte Bit N₁ ._o des laufenden Prüfmusters werden in den Decodierer 44 eingegeben. Der Code A, .. und der zweite Eingangscode V₁ ,. der

KtI KtI

laufenden Vorausschaureihe werden in die arithmetische Einheit 54 eingegeben.

8. Der Decodierer 44 wird eingeschaltet zur Berechnung eines neuen Code A, ~ unter Verwendung des Bits N, des Prüfmusters und des vorher errechneten Wertes für A, ,, als Eingangssignale. Die arithmetische Einheit wird eingeschaltet zur Berechnung eines neuen Wertes für P, der aus dem vorher errechneten P-Wert besteht,

2 welcher jetzt vergrößert wird, um (A,₊, - ^v)

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9. Der durch den Decodierer 44 errechnete Code A.₊~ wird in das Register 52 eingegeben.

10. Die Codes A, ._o und V werden in die arithmetische

^K+* k+2
Einheit 54 eingegeben.

11. Die arithmetische Einheit 54 wird eingeschaltet zur

Errechnung des Wertes P=P+ (V_k+2 - A_k+2) . Damit

ist die Akkumulation der P-Zwischenwerte für den P-Endwert beendet.

12. Der Vergleicher 56 wird eingeschaltet zum Vergleich des durch die arithmetische Einheit 54 errechneten P-Wertes mit dem gegenwärtig im Register 58 gespeicherten Wert P*.

13. Wenn der Ausgang des Vergleichers 56 anzeigt, daß P kleiner ist als P", laufen die folgenden .Aktionen gleichzeitig ab:

(a) Der Wert für P" im Register 58 wird mit dem durch die arithmetische Einheit 54 errechneten P-Wert gleichgesetzt. Damit wird berücksichtigt, daß der neue P-Wert dem Minimalwert, welcher der optimalen Leistung des Vorausschau-Codierers entspricht, unter den gegenwärtig angenommenen Bedingungen näherkommt.

(b) Die Werte V". und V" im Register 40 werden mit

it*»* Jl K *■ λ,

den Werten V, und V gleichgesetzt, die in diesem Register gespeichert sind (wenn diese Gleichheit nicht bereits vorliegt). Dadurch wird das Register 40 für eine nachfolgende Schiebeoperation vorbereitet, die gleichzeitig mit der Eingabe eines neuen Videocodes in das Register 40 erfolgt.

(c) Im Register 60 wird N'_k gleichgesetzt dem Wert N, im

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Register 50. Dieses ist eine versuchsweise Wahl des Bits /welches hinterher aus dem Codierer ausgegeben wird, wenn keine bessere Übereinstimmung zwischen der Kombination von Eingangscode und den möglichen Kombinationen von ausgangscodes gefunden . wird.

(d) im wesentlichen aus demselben Grund wie oben wird

A* im Register 52 gleichgesetzt dem Wert A in Jc - . ic

demselben Register. Wenn der laufende A, -Code die optimale Wahl darstellt, muß er für die Codierung des nächsten Eingabe-Videocodes gespeichert werden.

Wenn P nicht kleiner ist als P*,,fallen die oben' erwähnten Schritte a bis d weg.

14. Die Einstellung des Zählers 50 wird um 1 erhöht, um ein neues Bitmuster für das Prüfen zu schaffen. Wenn der Zähler 50 nicht überläuft, heißt das, daß die verfügbaren Bitmuster noch nicht erschöpft sind. Unter dieser Bedingung werden die Schritte 1 bis 14 nur wiederholt und kein Bit ausgegeben. (Das codierte N-Bit wird erst ausgegeben, wenn alle verfügbaren N-Bitmuster geprüft worden sind.) Wenn die Erhöhung des Zählers 50 zu einem überlauf führt (d.h., der Zähler geht in diesem Fall von der Einstellung 111 über in die Stellung 000) bedeutet das, daß das letzte Bitmuster in der Reihe geprüft worden ist. In diesem Falle laufen die folgenden Aktionen gleichzeitig ab:

(a) Das gegenwärtig im Register 60 gespeicherte Bit Bit N*, wird jetzt als differenz-codiertes Bit

ausgegeben, welches dem laufenden V, -Videoeingangs-

code entspricht und die Stelle für das Überlaufbit des Zählers 50 wird auf O zurückgestellt.

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(b) Der Wert V. ,- im Schieberegister 40 wird mit dem nächsten Videoeingangscode gleichgesetzt. Gleichzeitig wird der frühere Wert V, ,₀ , d,h. der gegenwärtige Wert V _k+2' ^{in die} Position V, . im Register

40 geschoben und der frühere Wert ^vi-₊i/ d.h. der jetzige Wert V", , , wird in die Position V, dieses Registers geschoben. Jetzt ist eine Vorausschaufolge von drei Videoeingangscodes erzeugt worden.

(c) Ein Synchronisationsimpuls wird zu dem Bildabtaster zurückgesendet, um einen neuen Videoeingangscode für die Verwendung zur richtigen Zeit bereitzustellen.

(d) Der Wert a\ im Register 52 wird jetzt zum neuen Viert Aj_1-1.

(e) üer im Register 58 gespeicherte Wert P wird auf den möglichen Höchstwert von P gesetzt.

Die oben beschriebenen Schritte 1 bis 14 werden ohne Unterbrechung wiederholt, während der Codierer arbeitet.

Eine Spezialcodiereinriehtung, wie sie in Fig. 4 gezeigt ist, ermöglicht eine schnelle Prüfung der verschiedenen N-Bitmuster und eine hohe Codiergenauigkeit, für die nur ein bescheidenes Opfer an Codiergeschwindigkeit gebracht werden muß, im Vergleich zur konventionellen Differenzialcodierung ohne Vorausschaueinrichtung, die zwar etwas schneller, aber wesentlich ungenauer ist. Die Erfindung ist nicht auf solche Spezialanwendungen beschränkt und läßt sich leicht dadurch verwirklichen, daß man
einen Vielzweckrechner zur Ausführung von Operationen programmiert, die analog den oben beschriebenen verlaufen.

Wenn man den Wert für L erhöht, wird auch die Codiergenauigkeit erhöht, die Geschwindigkeit jedoch heruntergesetzt. In den mei-

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sten Fällen stellt man fest, daß man nur wenig zusätzliche Genauigkeit erhält durch Erhöhung des Wertes L über einen bestimmten kleinen Wert (z.B. 4) hinaus. In der Praxis kann die Codiergeschwindigkeit hoch genug gehalten werden, ohne daß man dafür merklich die hohe Genauigkeit opfern müßte, die die Vorausschaucodierung liefern kann.

In der obigen Beschreibung wurde angenommen, daß die Video-Eingangssignale zuerst zu V-Codes digitalisiert wurden, bevor sie in den Codierer eingegeben wurden. Die Arbeitsweise des Vorausschau-Codierers ist jedoch nicht unbedingt auf diese Betriebsart beschränkt. Die Videoeingangssignale (V) können in analoger Form vorliegen und die Errechnung von P kann durch einen Analogrechner durchgeführt werden, wobei die Α-Codes zur Eingabe in den Rechner in die analoge Form umgesetzt werden, wenn diese Betriebsart zweckmäßiger erscheint.

Wie bereits erwähnt wurde, kann zur Messung der Korrelation zwischen V und A-Codefolgen eine Anzahl von Leistungskriterien angewandt werden. Ein solches Kriterium wurde als Beispiel angeführt. Ein anderes, in der Praxis, wahrscheinlicher verwendetes Kriterium wäre das Minimum der akkumulierten absoluten Werte der Differenzen V^ - A., wobei i von k bis k+L-1 für jedes Prüfcodemuster schwankt.

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Claims (1)

1. ?_ AJL JLi*. JL AJLJL P R ti c η ε

   (Iy Verfahren zur Verminderung von Verzerrungen, die bei der Codierung von Amplitudenproben eines starke Pegeländerungen aufweisenden /oialogsignals entstehen, bei dem die Absolutwerte der ijuplitudenproben in digitale Codewörter umgesetzt werden, uie anschließend zur Datenverdichtung noch einer Differenz-Codierung unterworfen werden, bei der nur die /Jiderungen der digitalen Codewörter relativ zueinander codiert werden, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte;

   a) zeitweiliges Speichern einer den Absolutwerten der Amplitudenproben entsprechenden Eingangswertfolge in einer Verzögerungseinrichtung;

   b) t-r zeugen einer Reihe nacheinander verfügbarer digitaler Codernuster, von denen jedes eine mögliche Codesymbolfolge zur versuchsweisen Darstellung üer änderungen der Lingangswertfolge in Differenz-Codierung darstellt;

   c) Berechnen einer Ausgangswertfolge für jedes verfügbar werdende Codemuster, welche Folge man durch Differenz-Decodierung dieses Musters erhielte, wenn es die laufende Lingangswertfolge darstellte;

   d) beim Verfügbarwerden jeder Ausgangswertfolge nach Schritt c) Berechnen des Wertes einer Güte-Funktion, die die Korrelation zwischen der Ausgangswertfolge und aer augenblicklichen Eingangswertfolge mißt;

   e) Auswählen desjenigen Codemusters der Reihe, dessen berechnete Güte-Funktion eine optimale Korrelation zwischen den Ein und Ausgangswertfolgen anzeigt und

   f) benutzen eines ausgewählten Teiles des Codemusters öl:· iii fi (i cn ζ codierte Darstf llung eines entsprechen-(,cn 'ieilf'H der Eingangswert ίο Ισο.

   ι. Verianren nacu Anspruch 1, dauurch gekennzeichnet, daß in- Lfiirjft: £) aas erste Codesyrnhol des .ausgewählt« η «'tide nustets na/ii benutzt wird, den ernten Kert der t.inq_tin<i:;

   '■■ '*" ^4/ 3ü9ö'19/ 10 3 V '

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   wertfolge darzustellen, unabhängig von einer Diskrepanz, die zwischen dem ersten Eingangswert und dem Ausgangswert besteht, der durch das erste .Codesymbol nach dessen De- <· ■ codierung dargestellt wird. .-■-..-. . ,-■.--- ..

   3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch'gekennzeichnet, daß die Codesymbole der digitalen Codemuster einzelne Bits sind, von denen das erste Bit des im Schritt, f) ausgewählten Musters dazu benutzt wird, Teil eines deltamodulierten Ausgangssignals zu bilden, :das das Analogsignal in codierter Form darstellt. . ; ν *■■>.■

   4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch;gekennzeichnet, daß die

   im Schritt d) berechnete Güte--Punktion'--die-· Summe der Werte

   2
   (V.-A.). ist,-wobei !¹V!' einen zu codierenden Eingangswert darstellt, '-A" einen im· Schritt· c) berechneten-decodierten .Ausgangswert, M'7 eine ganze Zahl, die'-die Werte von "K." (der.Reihenfolgenumraer des ersten,'geradehin der-Verzöge- ■■ rungsvorrichturtg gespeicherten Eingangswertes) bis -E+L-l annimmt, wobei ¹L" die Anzahl der in der Verzögerungs-, einrichtung- gespeicherten .Eingangswerte.ist/ und daß der Schritt e) das Auswählen eines Codemusters ·' umfaßt, das eine Güte-Funktion mit einem minimalen Wert für·ein-gegebenes Kergibt. - · := ■ - :- .'.. -"■ - ^; ■-: ·,..:'..:■-":■

   5. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach den -Ansprüchen-1 bis. 4, .gekennzeichnet durch ··- "-■

   a) eine Verzögerungsvorrichtung (40; Eiy. i) zur zeitweiligen Speicherung der aufgrund der Abtastung des Analogsignals erhaltenen Mngangswertfolger ' ^ι

   b) eine Vorrichtung (50); zum Erzeugen digitaler Codemuster, um eine Reihe von Godcnmstern nacheinander verfügbar zu machen, von denen jedes eine mögliche Codesymbolfolge darstellt,-'die- versuchsweise in D'-if-'fe'renz-^Codierung die Änderungen der zeitweise gespeicherten Eingangswertfolge -darstellt; · '^{: :} ' ■

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   c) eine Differenz-Decodiervorrichtung (44) , die beim Verfügbarwerden jedes der Codemuster anspricht, um eine Ausgangswertfolge zu erzeugen, die aufgrund eines solchen Codemusters d«ann erzeugt würde, wenn es ausgewählt worden wäre, uiu die gegenwärtig in der Verzögerungsvorrichtung gespeicherte Lingangswertfolge darzustellen,

   d) eine arithmetische Einheit (54),die auf jede der von der Decodiervorrichtung erzeugten Ausgangswertfolgen

   ,, anspricht, um aen! Wert einer Güte-Funktion zu berechnen, axe die Korrelation zwischen solch einer Ausgangswertfolge und der laufenden Eingangswertfolge mißt;

   e) eine Vergleichsvorrichtung (56) zur Bestimmung, welche der berechneten Gütewerte einem vorgegebenen Gütekriterium am besten entspricht,

   f) eine Vorrichtung (52) zur Speicherung eines ausgewählten Teiles des Codemusters, das nach der Bestimmung durch die Vergleichsvorrichtuhg die optimale codierte Darstellung der laufenden Eingangswertfolge bildet unct

   g) eine Ausgabevorrichtung (60), die den Teil des gespeicherten Codemusters als differenz-codierte Darstellung eines entsprechenden Teiles der Eingängswertfolge benutzt. ;

   6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Verzögerungsvorrichtung ein Schieberegister (40) und als Vorrichtung zum Erzeugen der digitalen Codemuster ein Binärzähler (50) dient.

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