DE2559263C3

DE2559263C3 - Ausgleich von Quantisierungsverzerrungen bei Bildcodierung mit Blockquantisierung

Info

Publication number: DE2559263C3
Application number: DE2559263A
Authority: DE
Inventors: Reiner Dipl.-Ing. 3300 Braunschweig Lippmann
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1975-12-31
Filing date: 1975-12-31
Publication date: 1980-07-31
Also published as: DE2559263A1; DE2559263B2

Description

bO

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausgleich von Quantisierungsverzerrungen bei Bildcodierung mit Blockquantisisrung in Verbindung mit Differenz-Puls-Code-Modulation (DPCM).

Bei der blockweisen Codierung (Quantisierung) der Differenzwerte wird in Abhängigkeit von zeitlich zurückliegenden Werten der momentane Repräsentativwert so verändert, daß für die Nachrichtensinke uninteressante Repräsentativwertfolgen weitgehend eliminiert werden, interessante Folgen dagegen übertragen werden.

Allgemeines Kennzeichen einer Blockcodierung ist es, daß die Zeichen nicht einzeln, sondern als Zeichenfolgen codiert werden. Je nach Art der Codierung kann ein Redundanz- oder/und eine Irrelevanzreduktion erreicht werden. Zum Beispiel ist es bei Anwendung einer Optimalcodierung in Verbindung mit einem DPCM- DPCM-Verfahren möglich, die Restredundanz des DPCM-Systems zu verringern. Dies kann erreicht werden, indem die unterschiedliche Häufigkeit der Repräsentativwertfolgen durch Anwendung eines optimalen Codes ausgenutet wird Dadurch wird im Mittel eine Reduktion des Nachrichtenflusses erreicht.

Die Bitrate kann außerdem durch eine Irrelevanzreduktion vermindert werden. Insbesondere ist es möglich, eine Bitrate kleiner als ein Bit pro Informationseiement (Biidelement) zu erreichen.

Innerhalb eines Blocks ergibt sich ein zum Blockende hin wachsender Quantisierungsfehler, der um so größer ist, je kleiner die für die Codierung verwendete Bitrate ist. Daraus kann sich jeweils eine spalten- bzw. treppenförmige Struktur in der Bildwiedergabe ergeben, deren Breite von der Blocklänge abhängt und die bei einer Bitrate < 1 besonders kritisch ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Bildwiedergabe bei Verwendung der B'ockcodierung zu verbessern.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß jeweils Blöcke, mit denen wenigstens zwei quantisierte Differenzen codiert sind, in aufeinanderfolgenden Zeilen und/oder Bildern um wenigstens einen Bildpunkt versetzt werden und die Blöcke so verknüpft sind, daß jeweils einem großen Prädiktionsfehler eines Blockes ein kleiner Quantisierungsfehler eines anderen Blockes und umgekehrt zugeordnet wird. Durch den erfindungsgemäßen Blockversatz usiJ die Verknüpfung der Blöcke wird eine sehr zuverlässige Rekonstruktion der zugeordneten Repräsentativ- bzw. Abtastwerte möglich.

Um eine Reduktion der erforderlichen Übertragungsbandbreite stark korrelierter Signale, insbesondere von Video-Signalen, zu erzielen, ist es bekannt, nur eine Auswahl von Signalelementen abzutasten und zu übertragen und die dazwischen liegenden Signalelemente aus den übertragenen durch Interpolation zu gewinnen. Die Abtastung wird dabei unter anderem so vorgenommen, daß die Bildpunkte jeder benachbarten Bildzeile um einen bzw. zwei Bildpunktabstände versetzt abgetastet und übertragen werden, wobei dann bei jedem Bildwechsel die vorher interpolierten Bildpunkte durch übertragene Bildpunkte und umgekehrt ersetzt werden (DE-OS 22 19 259).

Weitere Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen herausgestellt und im nachstehenden im einzelnen beschrieben.

In Fig. 1 ist ein Prinzipschaltbild eines DPCM-Systems mit Blockübertragung dargestellt. Es handelt sich hier um ein gesteuertes System mit zweidimensionaler Prädiktion mit einer Quantisiereinrichtung, die in Abhängigkeit vom momentanen Bildinhalt zwischen zwei Quantisierern 4, 6 mit verschiedenen Kennlinien umschaltet. Die am Quantisiererausgang auftretenden Repräsentativwerte «,werden in einem Blockquantisierer 8 zu Blöcken v, zusammengefaßt, denen dann in einem Codierer 10 entsprechende Codewörter zugeord-

net werden. Die quantisierten Blöcke ν, werden in der DPCM-Scbleife for die Festlegung des Prädiktionswertes intern Prädiktor 12 herangezogen. Der Prädiktionswert5*wird dann im Addierer 14 vom Eingangswert S abgezogen.

Die beiden Quantisierer 4 und 6 werden jeweils über eine Steuerlogik 16 mittels eines Schalters 18 auf den Blockquan tisierer 8 geschaltet

Die Rekonstruktion der Abtastwerte erfolgt auf der Empfangsseite 20 in bekannter Weise.

Der PrädiktionswertS*wird in bekannter Weise aus benachbarten Werten der aktuellen Zeile und der vorhergegangenen Zeile gewonnen.

Im nachstehenden soll das erfindungsgemäße Verfahren anhand einer konstanten Blocklänge mit sechs Bildelementen und einer Bitrate von 0,5 erläutert werden. Ausführungen mit größeren oder kleineren Bitraten, z. B. der Bitrate 2/3, sind möglich.

In Tabelle 1 sind in der linken Spalte die bei sechs Bildelementen möglichen Eingangskombinationen von Repräsentativwerten dargestellt, die hier al.^c Eingangsfolgen u bezeichnet sind. In der Tabelle 1 sind hierbei lediglich die Folgen mit positiver Polarität angegeben. Die Folgen mit negativer Polarität ergeben sich hieraus.

Die Eingangsfolgen //werden im Blockquantisierer in Ausgangsfolgen ν umgewandelt, die in der zweiten Spalte dargestellt sind. Die insgesamt möglichen 64 Eingangsfolgen werden so in acht Ausgangsfolgen mi! einer Blocklänge von gleichfalls sechs Bildelementen umgewandelt. Diesen Blöcken werden dann jeweils 3-bit-Codewörter zugeordnet, wie in der dritten Spalt? der Tabelle 1 wiedergegeben. Die Codewortzuordnung erfolgt hierbei zweckmäßig nach dem natürlichen Dualzahlencode.

Die Entwicklung der Zuordnung der Eingangsfolgen u zu den Ausgangsfolgen ν soll anhand des Codebaums nach F i g. 2 erläutert werden. Die Eingangsfolge wird hier jeweils dadurch einer der acht Ausgangsfolgen zugeordnet, daß die Eingangsfolgen jeweils entsprechend ihrem Wert über die Verzweigungen den einzelnen Ausgangsfolgen zugeordnet werden. Es erfolgt also an allen Verzweigungsstellen jeweils eine Ermittlung durch Entscheidung nach + oder —. An den entscheidungsfreien Stellen, die mit χ bezeichnet sind, kann eine gewählte Zuordnung erfolgen. Jede Ausgangsfolge besteht also aus ermittelten und zugeordneten Werten.

Wie hieraus ersichtlich, weisen die Ausgangsfolgen 1. 2 sowie 7 und 8 jeweils an 1., 2., 3. und 4. Stelle ermittelte Werte auf, während die Werte an 4. und 6. Stelle zugeordnet sind. Die Ausgangsfolgen 3 und 6 haben an den Stellen 1, 2 und 3 ermittelte Werte, während die Werte an den Stellen 4, 5 und 6 zugeordnet sind. Die Ausgangsfolgen 4 und 5 haben schließlich nur an den Stellen 1 und 2 ermittelte Werte.

Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß bei diesem Beispiel in den einzelnen Blöcken wenigstens die ersten beiden Bildelemente während der Blockcodierung keinen Quantisierungsfehler erhalten. Für die zugeordneten Werte steigt dann der Quantisierungsfehler zum Blockende hin an. Wenn für die Bestimmung des Prädiktionswertes für das Bildelement an der ersten Stelle in einem Block Bildelemente an letzter Stelle eines benachbarten Blockes herangezogen werden, ergibt sich für das Bildelement an erster Stelle ein relativ großer Prädiktionsfehler.

Bei dem erfindungsgemäßen Blockversatz, wie er in Fig.3 dargestellt ist, sind die ermittelten Werte durch ein y und die zugeordneten Werte durch ein .v dargestellt.

Bei Verwendung einer zweidimensionalen Prädiktion, die sich z, B, auf die in F i g. 1 angegebenen Punkte A, B und C stützt, ergibt sich damit an allen Stellen ein annähernd gleicher Gesamtfehler, da mit Ausnahme der Ausgangsfolgen 4 und 5 für die Bestimmung des Prädiktionswertes an den ersten drei Stellen des Blockes, also für die Werte ohne Quantisierungsfehler,

to wenigstens ein ermittelter Wert zur Verfugung steht, während für die Werte in den letzten Stellen jeweils wenigstens zwei ermittelte Werte ohne Quantisierungsfehler bei der Bestimmung des Prädiktionswertes herangezogen werden können. Damit kommt es zu einem Ausgleich zwischen Prädiktionsfehler und Quantisierungsfehler dadurch, daß jeweils großen Prädiktionsfehlern eines Blockes kleine Quantisierungsfehler eines anderen Blockes und umgekehrt zugeordnet sind.
Der Blockversatz kann von Bild zu Bild, beispielsweise abhängig von der Bildstruktu-. veränderbar sein. Ähnlich kann auch der Blockaufbau den jeweiligen Bildbedingungen anpaßbar gemacht werden. Es ist weiter möglich, Blöcke unterschiedlicher Länge zu verwenden, beispielsweise die Blöcke länger zu machen, wenn sich die Bildstruktur nicht oder wenig ändert. Beispielsweise können Mittel vorgesehen sein, mit denen auf verschiedene Blocklängen, z. B. auch zur Veränderung der Bitrate, umgeschaltet wird. Statt der Zuordnung der nicht durch Entscheidung ermittelten Werte, wie sie oben bei der Erläuterung des Codebaums nach Fig.2 vorgenommen ist, können die nicht ermittelten Werte der Ausgangsfolge auch durch Wiederholung von vorangegangenen quantisierten Werten festgelegt und/oder die rekonstruierten Werte in Abhängigkeit von der jeweiligen Ausgangsfolge durch Interpolation bestimmt werden.

Folgen von zugeordneten Werten können ersetzt werden durch Interpolation der Nachbarwerte und weiter in Abhängigkeit von den betreffenden Ausgangsfolgen, um so zu einer Vergleichmäßigung oder Verschleifung von Ungenauigkeiten zu kommen, die durch zugeordnete Werte entstehen können. Dies kann zweckmäßig sein für die Ausgangsfolgen 3 bis 6 nach F i g. 2, insbesondere aber für die Ausgangsfolgen 4 und

Die Interpolation der jeweiligen Bildpunkte kann zweckmäßig bei der Verknüpfung der Blöcke für die Prädiktion berücksichtigt werden.

Die durch Wiederholung ermittelten rekonstruierten so Werte können in Abhängigkeit von der Codekombination gegen interpolierte ausgetauscht werden.

Durch die obenerwähnte Zuordnung von Codewör- *.en, riach dem natürlichen Dualzahlencode zu den Blöcken wirken sich etwaige Übertragungsfehler besonders gering aus.

Unabhängig von dem vorstehend beschriebenen Verfahren mit Dlockversatz kann eine Verbesserung der Bildübertragung unter Verwendung einer Blockcodierung auch dadurch erzielt werden, daß eine Interpolate tion mit den Ausgangsfolgen als Steuerkriterium vorgenommen wird, z. B. eine Interpolation aus Nachbarwerten der aktuelle Zeile und/oder andere» Zeilen.

Außer der im Ausführungsbeispiel angewendeten Blockquantisierung sind andere Ausführungsformen möglich. Weiter kann die Blockquantisierung auch zur Erzielung von Qualitätsverbesserungen bei der Bildwiedergabe bei gegebenem Bitfluß dienen.

Tabelle 1

Nr. Eingangsfolge u Ausgangsfblge ν Codewort Nr. Ringangsfnlgc η Ausgangsfolge ν Codewr

2 Uhitt Zci

001

in

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Ausgleich von Quantisierungsverzerrungen bei Bildcodierung mit Blockquantisierung in Verbindung mit Differenz-Puls-Code-Modulation (DPCM), dadurch gekennzeichnet, daß jeweils Blöcke, mit denen wenigstens zwei quantisierte Differenzen codiert sind, in aufeinanderfolgenden Zeilen und/oder Bildern um wenigstens einen Bildpunkt versetzt werden und die Blöcke so verknüpft sind, daß jeweils einem großen Prädiktionsfehler eines Blockes ein kleiner Quantisierungsfehler eines anderen Blockes und umgekehrt zugeordnet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Blockversatz von Bild zu Bild veränderbar ist

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche., dadurch gekennzeichnet, daß die Blöcke so aufgebaut werden, daß die Quantisierungsfehler zum Blockende hin zunehmen.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Blöcke verknüpft sind über eine zweidimensionale Prädiktion, die sich auf drei Bildelemente stützt

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Blockaufbau veränderbar ist

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Blöcke unterschiedlicher Länge verwendet werden.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch geketmzei-bnet, daß die Blocklänge umschaltbar ist. JS

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die festzusetzenden Werte der Ausgangsfolge durch Wiederholung von vorangegangenen quanlisierten Werten und/oder durch Interpolation zwischen rekonstru- -to ierten Werten ermittelt werden.

9. Verfahren nach einem der vorhergehendem Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Interpolation bei der Verknüpfung der Blöcke für die Prädiktion berücksichtigt wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die durch Wiederholung ermittelten rekonstruierten Werte in Abhängigkeit von der Codekombination gegen interpolierte Werte ausgetauscht werden.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß den Blöcken Codewörter nach dem natürlichen Dualzahlencode zugeordnet werden.

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