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Vorteilhaft ist es dabei, wenn vier Verzögerungsschaltungen vorgesehen
sind, von denen entweder die erste und vierte eine Verzögerungszeit zz- zA und die
zweite
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und dritte eine Verzögerungszeit VA oder die erste und vierte eine
Verzögerungszeit 2 rA und die zweite und dritte eine Verzögerungszeit rz- VA aufweisen
(rz bedeutet dabei die Zeilendauer und zA die Abtastdauer) und wenn fünf Koeffizientenschaltungen
vorgesehen sind, von denen die erste, zweite, vierte und fünfte einen Koeffizienten
1/8 und die dritte einen Koeffizienten 1/4 aufweist Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung
der Erfindung sind ein erstes und ein zweites Transversalfilter mit der vorstehend
beschriebenen Kette aus Verzögerungsschaltungen vorgesehen. Beim ersten Transversalfilter
weist die erste, zweite, vierte und fünfte Koeffizientenschaltung einen Koeffizienten
1/16 und die dritte Koeffizientenschaltung einen Koeffizienten 3/4 auf.
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Beim zweiten Transversalfilter sind diese Koeffizienten durch die
Werte 1/8 und 1/4 ersetzt.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, daß ein umschaltbares
Transversalfilter mit annähernd rotationssymmetrischem Tiefpaßcharakter vorgesehen
ist, bei dem mittels durch die Umschaltersteuerung gesteuerten Umschaltern nicht
nur die beiden Transversalfilter durch Koeffizientenumschaltung sondern auch die
erste Verzögerungsschaltung durch Auftrennen der ersten, zweiten, vierten und fünften
sowie durch Kurzschließen der dritten Koeffizientenschaltung realisierbar sind.
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Vorteilhaft ist es auch, wenn eine Umschaltersteuerung vorgesehen
ist, die den Umschalter vom ersten Eingang auf den zweiten Eingang umschaltet, wenn
ein Pufferspeicher-Füllungsgradsignal von Ausgang des sendeseitigen Pufferspeichers
eintrifft und den Umschalter zurückschaltet, wenn dieses Pufferspeicher-Füllungsgradsignal
ausbleibt Vorteilhaft ist -schließlich eine Ausgestaltung, die dadurch gekennzeichnet
ist, daß in dem sendeseitigen Pufferspeicher Schwellenwertschaltungen einer Anzahl
vorgesehen sind, die der Anzahl der Transversalfilter +1 entspricht, daß diese Schwellenwertschaltungen
Ausgangssignale abgeben, die zum einen anzeigen, wenn der Pufferspeicher-Füllungsgrad
diese Schwelle erreicht hat und zum anderen anzeigen, ob bei Füllung oder Entleerung,
und daß ferner eine Umschaltersteuerung vorgesehen ist, die bei steigender Pufferspeicherfüllung
bei Erreichen einer Schwelle einer Ordnungszahl mit Ausnahme der Schwelle niedrigster
Ordnungszahl - mit der Zählung beginnend mit der Schwelle niedrigsten Pufferspeicher-Füllungsgrades
- dem Umschalter von dem Eingang nächst niedrigerer Ordnungszahl auf den Eingang
gleich hoher Ordnungszahl umschaltet und die bei fallender Pufferspeicherfüllung
bei Erreichen einer Schwelle einer Ordnungszahl den Umschalter von dem Eingang nächst
höherer Ordnungszahl auf den Eingang gleich hoher Ordnungszahl umschaltet oder bei
Fehlen eines Eingangs höherer Ordnungszahl nicht umschaltet Dadurch wird bei einem
Pendeln der Pufferspeicherfüllung um eine Schwelle ein ständiges Umschalten vermieden,
das unter Umständen Bildstörungen hervorrufen kann.
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Anhand von Ausführungsbeispielen wird die Erfindung nachstehend näher
erläutert.
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F i g. 1 zeigt die erfindungsgemäße Übertragungsanlage; F i g. 2
zeigt ein erfindungsgemäß verwendetes Transversalfilter; F i g. 3 zeigt ein Bildpunktraster
und F i g. 4 zeigt ein erfindungsgemäß umschaltbares
Transversalfilter.
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F i g. 1 zeigt mit Ausnahme der Elemente 21 und 24 eine mit einer
bekannten Übertragungsanlage für bewegte Bilder äquivalente Anlage. Die Schaltstellung
I des Umschalters 13 ist bei der bekannten Anlage durch einen Leitungszug ersetzt
Die bekannte Übertragungsanlage enthält einen Eingang 1, einen DPCM-Coder 2 (ohne
die Elemente 21 und 24), einen VWL-Coder 3, einen sendeseitigen Pufferspeicher 4,
einen Übertragungskanal 5, einen empfangsseitigen Pufferspeicher 6, einen VWL-Decoder
7, ein Empfangsfilter 8 und einen Ausgang 9.
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Der bekannte DPCM-Coder 2 enthält eine Subtrahierschaltung 10, eine
Verzögerungsschaltung 11, eine Subtrahierschaltung 14, eine Quantisierschaltung
15, einen Schätzwertbildner 16, Addierschaltungen 17 und 18 sowie Verzögerungsschaltungen
19 und 20. Der Schätzwertbildner 16 enthält bei diesem Ausführungsbeispiel eine
Addierschaltung 23 und eine Verzögerungsschaltung 22.
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Durch die folgenden Erweiterungen wird die bekannte zur erfindungsgemäßen
Übertragungsanlage.
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Die Verzögerungsschaltung 11 zwischen dem Ausgang der Subtrahierschaltung
10 und dem Eingang der Subtrahierschaltung 14 wird durch eine Schaltungsanordnung
24 ersetzt. Diese enthält ein Transversalfilter 12 mit annähernd rotationssymmetrischem
Tiefpaßcharakter, eventuell ein weiteres Transversalfilter 121, die Verzögerungsschaltung
11 mit einer Verzögerungszeit v der Laufzeit des Transversalfilters 12 beziehungsweise
12' und einen Umschalter 13 mit Eingängen 1,11 und 111.
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Der sendeseitige Pufferspeicher 4 erhält einen Ausgang a, der bei
einem gewissen Pufferspeicher-Füllungsgrad ein Signal abgibt Ein weiterer Ausgang
b deutet an, daß der sendeseitige Pufferspeicher 4 weitere Ausgänge aufweisen kann,
die bei der Verwendung weiterer Transversalfilter 12' weitere Pufferspeicher-Füllungsgrade
signalisieren können. Schließlich ist noch eine Umschaltersteuerung 21 vorgesehen,
die den Umschalter 13 in Abhängigkeit vom Pufferspeicher-Füllungsgrad des sendeseitigen
Pufferspeichers 4 steuert Zur Erklärung der Funktionsweise werden die Verzögerungssglieder
11 und 20 durch Kurzschlüsse ersetzt, da diese lediglich zur Anpassung an die Laufzeit
der Transversalfilter 12, 12' dienen, welche zwischen dem Ausgang der Subtrahierschaltung
10 und dem Eingang der Subtrahierschaltung 14 in Abhängigkeit von gewissen noch
zu erläuternden Steuerkriterien eingefügt werden sollen. Voraussetzung für diese
Vereinfachungen ist dann, daß für das Verzögerungsglied 19 eine Verzögerungszeit
von einer Bilddauer und für die eingefügten Transversalfilter 12, 12' eine -physikalisch
zwar nicht mögliche - Laufzeit von Null angenommen werden. Diese Transversalfilter
12, 12' sollen nämlich eine möglichst rotationssymmetrische Impulsantwort aufweisen,
also auch zukünftige Bildpunkte zur Bildung der Impulsantwort heranziehen.
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Die am Eingang 1 anliegenden Abtastproben der Bildamplituden in Form
von PCM-Codewörtern werden durch die jeweils um genau eine Bilddauer zurückliegenden
vorausgeschätzt Der daraus resultierende Schätzfehler erster Art wird durch die
Subtrahierschaltung 10 gebildet, und zwar als Differenz zwischen den codierten Amplituden
des aktuellen Bildes und denen am Ausgang des Verzögerungsglieds 19 anstehenden
des vorangegangenen Bildes. Dieser Schãtzfehler, auch Bild-Bild-Differenz genannt,
bildet das Eingangssignal eines Intraframecodierers (Innerbildcodierers
),
bestehend aus der Subtrahierschaltung 14, der Quantisierschaltung 15 und dem Schätzwertbildner
16 mit dem Eingang 25 und dem Ausgang 26. Mögliche Schätzwertbildner für eine lntrafra,mecodierung
sind in der Zeitschrift »The Bell System Technical Journal«, 45 (1966) 5, Seiten
689-721 und 50 (1971) 3, Seiten 1049-1061 beschrieben. Der über den Umschalter 13,
1 geleitete erste Schätzfehler wird nun seinerseits vorausgeschätzt, und zwar mit
den am Ausgang 26 des Schätzwertbildners 16 anstehenden Schätzwerten. Der sich daraus
ergebende Schätzfehler zweiter Art - als Ausgangssignal der Subtrahierschaltung
14 - wird einer im allgemeinen nicht gleichförmigen Quantisierung in der Quantisierschaltung
15 unterworfen. Dieser quantisierte Schätzfehler 25 wird einerseits zum Empfänger
übertragen und andererseits als Eingangsgröße für den Schätzwertbildner 16 herangezogen.
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Ferner wird aus diesem und dem Ausgangssignal 26 des Schätzwertbildners
16 mit Hilfe der Addierschaltung 17 der Schätzfehler erster Art zurückgewonnen,
allerdings gestört durch ein durch den Quantisierungsvorgang hervorgerufenes Quantisierungsgeräusch.
(Dieses Signal 27 steht je nach Schätzwertbildner unter Umständen auch direkt in
diesem zur Verfügung, so daß die Addierschaltung 17 entfällt.) Die am Ausgang der
Verzögerungsschaltung 19 anliegenden und zur Schätzung der aktuellen Bildamplituden
dienenden Bildamplituden des vorangegangenen Bildes werden nun mit dem bis auf die
Quantisierungsfehler rekonstruierten Schätzfehler erster Art korrigiert derart,
daß am Ausgang der Addierschaltung 18 die aktuellen Bildamplituden ebenfalls bis
auf die Quantisierungsfehler wiedergewonnen werden und zur Schätzung derjenigen
des folgenden Bildes verwendet werden können. Durch Vergrößerung der Signallaufzeit
durch den DPCM-Coder um die Laufzeiten der Transversalfilter kann das zwecks besserer
Beschreibung vereinfachte Schaltbild mit Hilfe elementarer Umformungen in das in
Fig. 1 gezeigte umgeformt werden.
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Wie erwähnt, bildet der quantisierte Schätzfehler zweiter Art das
Ausgangssignal des DPCM-Coders 2.
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Da die Häufigkeit des Auftretens der Codewörter, welche die zu übertragenen
quantisierten Schätzfehler repräsentieren, im großen Maße von dem jeweiligen Codewort
abhängt, ist es gegenüber einer Übertragung mit konstanter Codewortlänge möglich,
den zu übertragenden Bitfluß durch eine Codierung mit variabler Wortlänge zu reduzieren.
Dies besorgt der VWL-Coder 3, der jedoch einen nicht kontinuierlichen Bitfluß erzeugt
so daß der Pufferspeicher 4 zur Glättung, das heißt zur Umwandlung des nicht kontinuierlichen
in einen kontinuierlichen, zur Übertragung über einen Kanal 5 geeigneten Bitfluß
eingesetzt werden muß.
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Der empfangsseitige Pufferspeicher und VWL-Decoder liefern auf der
Empfangsseite bei ungestörter Übertragung ein dem Signal 25 identisches, nur durch
die Übertragungszeit verzögertes Signal für das Empfangsfilter 8.
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Das Schaltbild des Empfangsfilters kann aus der reziproken Übertragungsfunktion
des Sendefilters, das heißt des linearisierten Ersatzschaltbildes des DPCM-Coders
2 ermittelt werden, z. B. mit Hilfe der Algebra der Blockschaltbilder (L. M e r
z, Grundkurs der Regelungstechnik, R. O I d e n b o u r g - München und Wien, 1970,5.
126).
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Die Größe des zu übertragenden Bitflusses hängt davon ab, in welchem
Maße Quantisierungsrauschen bei bewegten und unbewegten Bildern zugelassen werden
kann,
und in welchem Maße die Bildszene sich ändert.
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Außerdem müssen noch hier nicht gezeigte Maßnahmen vorgesehen sein,
welche für den Fall des drohenden Pufferspeicherüberlaufs den Bitfluß des DPCM-Coders
reduzieren, was mit zusätzlichen Verfälschungen des zu übertragenden Bildsignals
verbunden ist. Dieser Fall ist grundsätzlich nicht zu vermeiden, da jede Codierung
mit variabler Codewortlänge nur an eine mittlere Signalstatistik angepaßt werden
kann und da, sobald die tatsächlich vorliegende gegenüber dieser in ungünstiger
Weise während einer längeren Dauer abweicht, jeder Pufferspeicher wegen seiner begrenzten
Kapazität überläuft.
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Die erfindungsgemäßen Maßnahmen zielen nun darauf ab, für diesen
Fall des einsetzenden Überlaufs den Bitfluß des DPCM-Coders 2 in einer Weise zu
reduzieren, die subjektiv vom menschlichen Auge nicht oder nur geringfügig als Störung
auf der Empfangsseite wahrgenommen wird. Da Verfälschungen im ruhenden Bildhintergrund
sehr viel leichter als in bewegten Bildteilen bemerkt werden, dürfen diese Maßnahmen
im wesentlichen nur in letzteren eine Reduzierung des momentanen Bitflusses bewirken.
Diese Reduzierung wird erreicht durch eine günstige Beeinflussung der momentanen
Signalstatistik in Richtung auf die mittlere Signalstatistik, die der VWL-Codierung
zugrundegelegt wurde, und zwar durch eine geeignete, sich auf die Helligkeitsverteilungen
in der Bildebene beziehende (räumliche) Filterung der Bild-Bild-Differenz. Die räumliche
Filterung hat eine Tiefpaßchrakteristik, welche bewirkt, daß die räumliche Korrelation
in den bewegten Bildteilen erhöht wird, der Quantisierer somit schwächer ausgesteuert
wird und die großen Schätzfehler, die aufgrund der mittleren Signalstatistik auch
mit längeren Codewörtern übertragen werden, weniger häufig gesendet werden müsse.
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Die räumliche Filterung wird durch das Transversalfilter 12 mit annähernd
rotationssymmetrischer Impulsantwort bewirkt. Dieses wird eingeschaltet, wenn der
sendeseitige Pufferspeicher 4 über seinem Ausgang a ein Pufferspeicher-Füllungsgradsignal
abgibt und die Umschaltersteuerung 21 den Umschalter 13 auf den Eingang II steuert.
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Bei einer anderen Variante sind am Pufferspeicher 4 zwei Ausgänge
a und b für Pufferspeicher-Füllungsgradsignale angegeben, die nicht nur signalisieren,
wenn eine Schwelle erreicht ist sondern auch anzeigen von welcher Seite. Das Transversalfilter
12 wird dann eingeschaltet, wenn die Schwelle höheren Füllungsgrades erreicht ist,
und wird dann abgeschaltet, wenn die Schwelle niedrigeren Füllungsgrades erreicht
ist.
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Um die mit der Einschaltung der Transversalfilter verbundenen Verfälschungen
möglichst wenig wahrnehmbar zu machen, ist es vorteilhaft, das »Maß« der Tiefpaßfilterungen
in Abhängigkeit vom Pufferspeicher-Füllungsgrad zu steuern derart, daß mit zunehmendem
Pufferstand das »Maß« der Tiefpaßfilterung zunimmt. Dies kann durch entsprechende
Umschaltung des Umschalters 13 auf weitere Transversalfilter 12' oder einfacher
durch Variation der Koeffizienten eines in F i g. 4 noch zu zeigenden umschaltbaren
Transversalfilters erreicht werden.
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F i g. 2 zeigt ein erfindungsgemäßes Transversalfilter 12 mit annähernd
rotationssymmetrischem Tiefpaßcharakter. Dieses Transversalfilter wird in die Übertragungsanlage
nach F i g. 1 zwischen der Subtrahierschaltung 10 und dem Eingang II des Umschalters
13 eingesetzt. Das Filter enthält Verzögerungsschaltungen
29 bis
32, Koeffizientenschaltungen 33 bis 37 und eine Summierschaltung 38.
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Fig. 3 zeigt das Bildraster eines Halbbildes mit einem momentanen
Bildpunkt A, vorhergegangenen Bildpunkten E und D und nachfolgenden Bildpunkten
C und B.
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Dabei weist die Abtastrichtung der Bildpunkte auf Zeilen von links
nach rechts und die der Zeilen innerhalb eines Bildes von oben nach unten. Die gestrichelten
Linien deuten die Zeilen des anderen Halbbildes an.
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Zur Berücksichtigung dieser Bildpunkte erhält im Transversalfilter
nach Fig.2 die Verzögerungsschaltung 29 eine Verzögerungszeit TZrA. rz bedeutet
hierbei die Zeilendauer und TA die Abtastdauer zwischen zwei Bildpunkten. Die Verzögerungszeit
der Verzögerungsschaltung 29 wurde im Hinblick auf den zeitlichen Abstand der Bildpunkte
Eund Dgewählt. Die Verzögerungsschaltung 30 erhält im Hinblick auf zeitlichen Abstand
der Bildpunkte D und A eine Verzögerungszeit rA. Die Verzögerungsschaltung 31 erhält
im Hinblick auf den zeitlichen Abstand der Bildpunkte A und C eine Verzögerungszeit
TA und die Verzögerungsschaltung 32 schließlich erhält im Hinblick auf den zeitlichen
Abstand der Bildpunkte C und Beine Verzögerungsschaltung mit einer Verzögerungszeit
Tz- TA.
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Die Koeffizientenschaltungen 33, 34, 36 und 37 erhalten Koeffizienten
1/8 und die Koeffizientenschaltung 35 weist einen Koeffizienten 1/4 auf.
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Für die Beschreibung eines linearen Systems nach F i g. 2 ist die
Kenntnis der Impulsantwort hinreichend.
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Wegen der sequentiellen Bildabtastung entsprechen räumliche Abstände
in der Bildkurve zeitlichen Abständen, und es braucht nur die Ausbreitung eines
zeitlichen, sich mit der Bildwechselfrequenz wiederholenden Impulses betrachtet
zu werden. Dieser Impuls durchläuft nacheinander die Verzögerungsschaltungen 29-32
und wird jedesmal durch die Koeffizienten der Koeffizientenschaltungen 33-37 gewichtet
und über die Summierschaltung 38 zum Ausgang geführt.
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Dadurch erscheinen nacheinander - für den Betrachter
praktisch gleichzeitig
- an den Bildrasterpunkten A - D jeweils gewichtete Einheitsimpulse. die in ihrer
Gesamtheit die zweidimensionale Impulsantwort in der Bildkurve darstellen. Mit der
Wahl der Koeffizienten lassen sich räumliche Frequenzgänge, hier mit Tiefpaßcharakter,
einstellen, womit im allgemeinen die Korrelation zwischen den Bildpunkten erhöht
wird.
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F i g. 4 zeigt ein umschaltbares Transversalfilter 24, das in die
Übertragungsanlage nach F i g. 1 zwischen der Subtrahierschaltung 10 und der Subtrahierschaltung
14 einsetzbar ist. Das Transversalfilter enthält wie das Transversalfilter nach
F i g. 2 Verzögerungsschaltungen 29 bis 32, Koeffizientenschaltungen 33 bis 37 sowie
eine Summierschaltung 38. Weiter sind Koeffizientenschaltungen 33' bis 37' sowie
Umschalter 13, bis 135 vorgesehen. Diese Umschalter vermögen definierte Koeffizientenwerte
zwischen Null und unendlich einzustellen.
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Dieses umschaltbare Transversalfilter nach Fig. 4 wirkt je nach Stellung
der Umschalter 13, bis 135 wie die Verzögerungsschaltung 11 oder die Transversalfilter
12 oder 12t nach F i g. 1.
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Der für eine geringere Bitflußreduktion vorgesehene Koeffizientensatz
4 x 1/16 + 3/4 hat eine Koeffizientensumme von 1, womit die räumliche Tiefpaßfilterung
des Transversalfilters auf die Flächen konstanter Helligkeit normiert ist, das heißt,
derartige Flächen werden unverändert übertragen und nur Helligkeitssprünge an Konturen
werden abgeflacht. Da diese Filterung sich nur auf Bild-Bild-Differenzen auswirkt,
tritt in ruhenden Bildteilen keinerlei Veränderung auf. Erst an bewegten Konturen
entsteht eine Unschärfe, die aber wegen der Bewegung vom Auge kaum wahrgenommen
wird. Der für eine größere Bitflußreduktion vorgesehene Koeffizientensatz 4 X 1/8
+ 1/4 hat eine Koeffizientensumme von 3/4 < 1,so daß auch bewegte Flächen mit
konstanter Helligkeit einer Filterung unterworfen werden, welche sich am Ausgang
der Übertragungsanlage als Herabsetzung der zeitlichen Auflösung bemerkbar macht.