DE2533740C2 - Bildübertragungsanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Übertragungsanlage für bewegte Bilder mit einem Codierer für Differenz-Pulscodemodulation, enthaltend eine Subtrahierschaltung, eine Quantisierschaltung und ein sendeseitiges Schätz- ^ wertfilter, mit einem Optimalcodierer, mit einem sendeseitigen Pufferspeicher, mit einem Übertragungskanal, mit einem Optimaldecodierer, mit einem empfangsseitigen Schätzwertfiher und einer ersten Addierschaltung.

Eine derartige Bildübertragungsanlage ist in der Fig. 1, oben mit den Elementen 1 bis 14 dargestellt, wobei die nur der Erläuterung dienenden Umschalter 3 bis 13 sich jeweils in der Lage I befinden. In der Anlage wird mit 1 der Eingang, mit 2 die Subtrahierschaltung, _S5 mit 4 die Quantisierschaltung, mit 5 das sendeseitige Schätzwertfiher, mit 6 der Optimalcodierer, mit 7 der sendeseitige Pufferspeicher, mit 8 der Übertragungskanal, mit 9 der Optimaldecodierer, mit 11 das empfangsseitige Schatzwertfilter, mit 12 die erste (,0 Addierschaltung und mit 14 der Ausgang der Anlage bezeichnet. Das empfangsseitige Schätzwertfilter 11 und die erste Addierschaltung 12 ergeben zusammen c^:n Empfangsfilter.

Dem Eingang 1 werden Abtastwerte eines Video-Si- (15 gnals entsprechende Codewörter, die den Ampliludenwert im dualen Zahlensystem darstellen, parallel angeboten. In der Subtrahierschaltung 2 werden von diesen ebenfalls in Form von Codewörtern vorliegende Schätzwerte abgezogen. Die gleichfalls in dor Gestalt von Codewöriern anfallenden Differenzwerte werden der Quantisierungsschaltung 4 zugeführt, die jeweils eine bestimmte Anzahl wertmäßig benachbarter Differenzwerte einem gemeinsamen an ihrem Ausgang erscheinenden Differenzwert zuordnet. Dieser quantisierte Differenzwert wird dem Schätzwertfiher 5 zugeführt, das in der Lage ist, aus dem aktuellen Bild und dom diesem unmittelbar vorangegangenen Bild stammende Informationen zu verarbeiten und das Ergebnis als Schätzwert in Form eines neuen Codeworts an die Subtrahierschaltung 2 abzugeben. Die am Ausgang der Quantisierschaltung 4 auftretenden Codewörter werden weiter dem Optimalcodierer 6 zugeführt, der beispielsweise diese einzeln oder in Gruppen zusammengefaßt neuen Codewörtern zuordnet. Deren Wortlaute ist abhängig von der Häufigkeit des Auftretens der einzelnen Codewörter oder der Gruppen, in denen diese zusammengefaßt sind, und zwar so. daß im Mittel die auf einen Differenzwert entfallende Wortiänge möglichst kurz ist. Dies ist im allgemeinen dann der Fall, wenn kleine Differenzwerte mit kleiner Wortlär.ge und große mit großer Wortlänge übertragen werden. Diese Codewörter unterschiedlicher Länge werden mittels des Pufferspeichers 7 in eine stetige Impulsfolge umgewandelt, die über den Übertragungskanal 8 zum empfangs-

seitigen Pufferspeicher 9 geleitet wird. Dieser gibt die einzelnen Codewörter unterschiedlicher Länge an den Optimaldecoder 10 weiter, der sie in Codewörter der ursprünglichen und einheitlichen Länge umsetzt. Im Empfangsfilter 11 und 12 werden diese Codewörter wieder in — den ursprünglichen Abtcstproben annähernd entsprechende — Codewörter umgesetzt, die am Anlagenausgang 14 entnehmbar sind.

Die Schätzwertfilter 5 und 11 sind fest eingestellt und setzen sich aus einem beliebigen bekannten Intaframe-Prädiktor, der im wesentlichen aus Punkt- und Zeilenspe^hern besteht, und einem Interframe-Prädiktor zusammen, der im wesentlichen aus einem Verzögerungsglied mit einer Verzögerungszeit von exakt einer Bildc'.auer besteht. Diese beiden Prädiktoren ermöglichen demnach sowohl eine räumliche als auch eine zeitliche Dekorrelation, d. h. sie können Abtastwerte des aktuellen Bildes und des diesem unmittelbar vorhergehenden Bildes berücksichtigen. Durch geeignete Dimensionierung der für die Verzögerungsschaltungen vorgesehenen Bewertungsschaltungen kann erreicht weiden, daß beispielsweise in Bildbereichen, deren Helligkeit sich zwischen aufeinanderfolgenden Vollbildern nicht ändern, der Prädiktionsfehler annähernd zu Null wird und daß in den sich veränderten Bereichen die räumliche Korrelation, die die Trägheit der verwendeten Kamera noch vergrößert, ausgenutzt

Bei der Auslegung der Anlage kann empirisch vorgeeangen werden, beispielsweise so. daß für eine Reihe günstig erscheinender Prädiktoren die Quantisierungscharakteristik für eine zufriedenstellende Bildqualität ermittelt und nach bekannten Regeln eine Optimalcodierung oder eine approximative Optimalcodierung entworfen wird und dasjenige Schätzwertfilter ausgewählt wird, welches hinsichtlich des Gesamtaufwandes gegenüber dem erreichten mittleren Datenfluß am günstigsten ist.

Die jeweilige Berücksichtigung der Abtastwerte aus dem aktuellen Bild und aus dem diesem unmittelbar vorangegangenen ermöglicht zwar eine Nutzung der Redundanz in den unveränderten Bildbereichcn. jedoch noch nicht derjenigen, welche insbesondere in einem Videosignal eines Porträt-Fernsprechers enthalten ist und dadurch entsteht, daß großflächige nicht zum Hintergrund gehörige Bildteile, wie beispielsweise ein Kopf, vorkommen, die jeweils für die Dauer vieler Vollbildperioden von Vollbild zu Vollbild einen Versatz aufweisen, der in Größe und Richtung annähernd konstant ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, unter Vermeidung dieser Nachteile die mittlere über den ÜLertragungskanal zu übertragende Wortlänge zu reduzieren.

Bei einer Bildübertragungsanlage der einleitend geschilderten Art wird diese Aufgabe erfindungsgmäß dadurch gelöst, daß eine zweite Addierschaltung vorgesehen ist, deren erster Eingang mit dem Eingang und deren zweiter Eingang mit dem Ausgang des sendeseitigen Schätzwertfilters verbunden ist, daß eine Kette aus wenigstens einer sendeseitigen Kettenschaltung vorgesehen ist, deren Eingang mit dem Ausgang der zweiten Addierschaltung verbunden ist. daß cmc Summicrschaltung vorgesehen ist, deren Eingänge mit dem Ausgang des sendeseitigen Schätzwertfilters und mit wenigstens einem ersten Ausgang der Kettenschaltung und deren Ausgang mit einem Minus-I.ingang der Subtrahierschaltung verbunden sind, und daß ferner eine Kette aus wenigstens einer empfangsseitigen Kettenschaltung vorgesehen ist, deren Eingang mit dem Ausgang der ersten Addierschaltung verbunden ist und deren Ausgang als Ausgang der Anlage dient.

Vorteilhaft ist es. wenn eine Kettenschaltung vorgesehen ist, deren Eingang mit einem ersten Eingang einer dritten Addierschaltung verbunden ist und deren Ausgang einerseits über eine erste Bewertungsschaltung und eine erste Verzögerungsschaltung mit ihrem /weiten Eingang und einem ersten Ausgang und andererseits mit einem zweiten Ausgang der Kettenschaltung verbunden ist.

Unter einer Bewertungsschaltung ist ein digitales Rechenwerk zu verstehen, welches eine im dualen Zahlensystem angebotene Eingangsgröße mit einem konstanten Koeffizienten, dem Bewertungsfaktor, multipliziert und das Resultat ebenfalls im dualen Zahlensystem als Ausgangsgröße liefert.

Für eine Übertragung von Bildszenen, in denen sich Bildteile vor einem gleichbleibenden Hintergrund überwiegend mit solchen Geschwindigkeiten bewegen, die in horizontaler Richtung einem Bildpunktabstand pro Vollbilddauer und in vertikaler Richtung einem Zeichenabstand pro Vollbilddauer entsprechen, ist eine Ausführung des Erfindungsgegenstandes mit einer aus ; vier Kettenschaltungen bestehenden Kette vorteilhaft. Wenn die Bildabtastung ohne Zeilensprung und in horizontaler Richtung von links nach rechts und in vertikaler Richtung von oben nach unten und ohne Zeilensprung erfolgt, so ist die Bemessung der 3 Kettenschaltung derart, daß die Verzögerungsschaltung der ersten Kettenschaltung eine Verzögerungszeit

daß die Verzögerungsschaltung der zweiten Kcttenschaltung eine Verzögerungszeit

τ' = τ β-τ λ.

daß die Verzögeruniisschaltung der dritten Kettenschaltung eine Verzögerungszeit

daß die Verzögerungsschaltung der vierten Kettenschaltung eine Verzögerungszeit

γ"' = Γ/)-ΓΖ

und daß die Bcuertungsschaltungen einen Bewertungslaktor

aufweist, wobei r/jdie Vollbilddauer, r/die Zeilendauer und ta das Abtastintervall ist.

Für den Fall, daß andere Geschwindigkeiten überwiegen oder mit anderen sequentiellen Abtastverfahren gearbeitet wird, müssen die Verzögerungszeiten der Kettenschaliungen entsprechend geändert werden. Wenn sich nicht gerade vier Geschwindigkeitsbereiche auszeichnen, dann ist es vorteilhaft, auch die Anzahl der Kettenglieder entsprechend anzupassen.

Anhand eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.

Ausgehend von der bereits beschriebenen Anlage mit den Elementen 1 bis 14 ergibt sich die eründungsgemä-, Ue Anlage dadurch, daß die lediglich der Erläuterung dienenden Umschalter 3 und 13 in die Lage 11 gebracht werden. Der erfindungsgemäße Teil enthält auf der Sendeseite eine Addierschaltung 15, vier Kettenschal-

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Xl 4

tungen 16s, 16s¹, 16s", 16'" und eine Summierschaltung 20. Auf der Empfangsseite enthält der erfindungsgemäße Teil Kettenschaltungen 16e, 16c', 16e"und 16e'". Der Buchstabe s verweist darauf, daß sich die Kette auf der Sendeseite und der Buchstabe e weist darauf hin, daß * sich die Kette auf der Empfangsseite befindet. Sonst bestehen aber keine Unterschiede.

Die Fig.2 zeigt detailliert eine Kettenschaltung 16, die jede der in F i g. 1 gezeigten Kettenschaltungen repräsentiert. Die empfangsseitigen Kettenschal.ungen ι ο unterscheiden sich lediglich dadurch, daß der Ausgang 18 nicht benützt wird. Die Schaltung enthält einen Eingang 17, einen ersten Ausgang 18, einen zweiten Ausgang 19, eine Addierschaltung 22, eine Bewertungsschaltung 23 und eine Verzögerungsschaltung 24.

Die Bewertungsschaltungen 23 werden einerseits nach Maßgabe des Reduktionsgewinns und andererseits nach dem Einfluß der Übertragungsfehler des Kanals auf die Bildqualität des empfangenen Signals dimensioniert. Ein Wert -°

" - 64

stellt einen Kompromiß dar, der sich zudem im dualen Zahlensystem leicht realisieren läßt.

Die Verzögerungsschaltungen 24 weisen die Verzögerungszeiten

T — Tβ "Γ 7 ^ , ^O

^τ' = ^TB - ^TA ' τ" = Τ_Β + T₇

und

auf, wobei r_B die Vollbilddauer, τ_ζ die Zeilendauer und ta das Abtastintervall bzw. die Punktdauer bedeutet.

Bei der Erläuterung der Anlage kann der Einfluß der Quantisierungsschaltung 4 vernachlässigt werden, beispielsweise dadurch, daß diese durch ein lineares frequenzunabhängiges Übertragungsglied mit einem Übertragungsfaktor 1 ersetzt wird. Dann läßt sich mit Hilfe der Algebra für Blockschaltbilder der Codierer für Differenz-Pulscodemodulation in eine Kettenschaltung 25 bis 25'" umformen, die in F i g. 3 gezeigt ist.

F i g. 4 zeigt detailliert eine der Kettenschaltungen 25 bis 25'". Diese enthält eine Subtrahierschaltung 29, eine Bewertungsschaltung 32 und eine Verzögerungsschaltung 31. Die Verzögerungszeit der Verzögerungsschaltung 31 entspricht der der Verzögerungsschaltung 24 in F i g. 2. Ebenso haben die Bewertungsschaltungen 32 und 23 die gleiche Dimensionierung.

In einer Anlage nach Fig. 1, in die zwischen den Klemmen 1 und 6a die Schaltung nach F i g. 3 eingesetzt ist, entspricht jeder Kettenschaltung 25 bis 25'" auf der Sendeseite genau eine Kettenschaltung 16ebis 16e 'auf der Empfangsseite mit reziproker Übertragungsfunktion, so daß die Gesamtübertragungsfunktion durch die erfindungsgemäßen Erweiterungen auf beiden Seiten nicht geändert wird.

Durch die vorgenommene Linearisierung des Codicrers für Differenz-Pulscodemodulation und dessen „_s Umwandlung in eine Kette von Kettenschaltungen läßt sich nun die Wirkung der erfindungsgemäßen Erweiterung auf den zeitlichen Verlauf der Größe der Prädiktionsfehler sam Punkt 6«·) übersichtlich erläutern:

Bei Übertragung unveränderter Bildbereiche, nämlich wenn die Helligkeitsverteilung unabhängig von der Zeit ist. treten nach maximal vier Vollbildpcrioden nach Eintreten dieses Zustands am Ausgang der Kettenschaltung 25" bis 25 in Fig. 3 keine Veränderungen zwischen aufeinanderfolgenden Vollbildern mehr auf, so daß das Schätzwertfilter 5 nach maximal fünf Vollbildperioden dieses Ausgangssignals der Kettenschaltung sehr gut vorhersagen kann und der Prädiktionsfehler klein ist.

Bei einer Bewegung eines Objekts vor einem unveränderten Hintergrund dagegen treten Bildbereiche auf, deren Helligkeitsänderung zum einem allein durch die Bewegung des Objekts und zum anderen durch die damit verbundene Aufdeckung eines Hintergrundbereichs hervorgerufen wird. Bewegt sich ein Objekt mit konstanter Geschwindigkeit nach oben, die einem Versatz zwischen zwei unmittelbar aufeinanderfolgenden Vollbildern von einem Zeilenabstand entspricht, dann liefert die Kettenschaltung 25'", welche ein Verzögerungsglied mit einer Verzögerungszeit von

besitzt, innerhalb des Bildbereiches des Objekts ein sehr kleines Ausgangssignal

(maximal 1 — — = 1,6% des Eingangssignals). V 64 /

Das ist darauf zurückzuführen, daß der örtliche Versatz des Objektes zwischen zwei aufeinanderfolgenden Vollbildern genau durch die von einer Vollbilddauer geringfügig abweichende Verzögerungszeit des Verzögerungsgliedes aufgehoben wird. Das Ausgangssignal der Kettenschaltung 25'" durchläuft den Rest der Kettenschaltungen, der ein lineares System darstellt, dessen dreidimensionale Impulsantwort sich zeitlich über 3 Vollbildperioden und in der Bildebene über ca. einen Abtastpunkt vom Ursprung in der unteren Halbebene ausdehnt. Im ungünstigsten Fall werden im . eingeschwungenen Zustand die Spitzenwerte des Ausgangssignals der Kette innerhalb des Bildbereiches des bewegten Objektes 2³xl,6% derjenigen des Eingangssignals nicht überschreiten. Der Prädiktionsfehler am Ausgang des Codierers für Differenz-Pulscodemodulation wird aber je nach Detailreichtum de; bewegten Objektes und je nach der Integrationseigen schaft der Kamera noch wesentlich geringer sein, unc zwar aufgrund des im Schätzwertfilter enthaltener Intraframe-Prädiktors. Da die Kettenschaltungen unter einander beliebig vertauschbar sind, trifft die gegebeni Beschreibung in entsprechender Weise auch auf Fälli zu. bei denen sich Bildteile jeweils mit einer der dre anderen Geschwindigkeiten, das heißt mit Geschwin digkeiten von einem Punktabstand nach links und recht und einem Zeilenabstand nach unten innerhalb eine Vollbilddauer bewegen.

Mit der erfindungsgemäßen Bildübertragungsanlag können bei Bildszenen, in denen sich beispielsweise ei Kopf bewegt, häufig auch während der Bewcgun genaue Schätzwerte gebildet werden, so daß nach eine einfachen Codierung mit variabler Wortlänge ein gutt Reduktionsgewinn erreicht werden kann.

Hierzu 2 BUitt Zcichnunccn

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Übertragungsanlage für bewegte Bilder mit einem Codierer für Differenz-Pulscodemodulation, enthaltend eine Subtrahierschaltung, eine Quantisierschaltung und ein sendeseitiges Schätzwertfiher, mit einem Optimalcodierer, mit einem sendeseitigen Pufferspeicher, mit einem Übertragungskanal, mit einem Optimaldecodierer. mit einem empfangsseiti- ι ο gen Schätzwertfiher und mit einer ersten Addierschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Addierschaltung (15) vorgesehen ist, deren erster Eingang mit dem Eingang und deren zweiter Eingang mit dem Ausgang des sendeseitigtn ι s Schätzwertfilters (5) verbunden ist, daß eine Kette aus wenigstens einer sendeseitigen Kettenschaltung (16s bis 16s"') vorgesehen ist, deren Eingang (17s) mit dem Ausgang der zweiten Addierschaltung (15) verbunden ist, daß eine Summierschaltung (20) ;o vorgesehen ist, deren Eingänge mit dem Ausgang des sendeseitigen Schätzwertfiher (5) und mit wenigstens einem ersten Ausgang (18s bis 18s"') der Kettenschaltung (16s bis 16s"') und deren Ausgang mit einem Minus-Eingang der Subtrahierschaltung (2) verbunden sind, und daß ferner eine Kette aus wenigstens einer empfangsseitigen Kettenschaltung (16e bis 16e'") vorgesehen ist, deren Eingang (17e) mit dem Ausgang der ersten Addierschaltung (12) verbunden ist und deren Ausgang (19e'") als Ausgang (21) der Anlage dient.

2, Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kettenschaltung (16s, 16e) vorgesehen ist, deren Eingang (17) mit einem ersten Eingang einer dritten Addierschaltung (22) vei bunden ist und deren Ausgang einerseits über eine erste Bewertungsschaltung (23) und eine erste Verzögerungsschaltung (24) rr.it ihrem zweiten Eingang und einem ersten Ausgang (18) und andererseits mit einem zweiten Ausgang (19) der Kettenschaltung verbunden ist.

3. Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß je eine Kette mit vier Kettenschaltungen (16sbis 16s·¹"; 16ebis 16e'") vorgesehen ist.

4. Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungsschaltung (24) der ersten Kettenschaltung (16s, 16ejeine Verzögerungszeit

daß die Verzögerungsschaltung (24') der zweiten Kettenschaltung (16s\ 16e')eine Verzögerungszeit

daß die Verzögerungsschaltung (24") der dritten Kettenschaltung (16s", 16e") eine Verzögerungszeit

r "=

daß die Verzögerungsschaltung (24'") der vierten Kettenschaltung (16s"', 16e'") eine Verzögerungszeit

und daß die Bewertungsschaltungen (23 bis 23'") einen Bewertungsfaktor

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aufweist, wobei τ β die Vollbilddauer, τ χ die Zeilendauer und τ λ das Abtastintervall ist.