DE2734000B2

DE2734000B2 - Prädiktive Quantisierung von Bildsignalen nach dem DPCM-Verfahren

Info

Publication number: DE2734000B2
Application number: DE19772734000
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: 1977-07-28
Filing date: 1977-07-28
Publication date: 1979-08-23
Also published as: DE2734000A1; DE2734000C3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine prädiktive Quantisierung von Bildsignalen nach dem DPCM-Ver- fahren mit mehreren Quantisierern mit unterschiedlichen Kennlinien.

Bei der digitalen Übertragung von Bildinformaticinen ist man aus wirtschaftlichen und technischen Gründen bestrebt, das je Bildelement zu übertragende Nachrichtenvolumen gering zu halten, also mit möglichst kleiner Übertragungsbitratc zu arbeilen. Auf der anderen ficile sieigt die Qualität des Bildes auf der Empfangsschein Ii. die Auflösung feiner Grauwertändcrungcn) mit dem zur Übertragung verwendeten Nachrichtcnvoliimcn.

Rs ist bekannt (DKf)S 24 54 2 52), adaptiv in Abhängigkeit von der Größe des jeweiligen Differenz signals mit zwei Oiiantisierern mit mii'-rschiedlictier Kennlinie, aber gleicher Stufen/,ihl /ti arbeiten.

flbersehreitel die Grolle des Differen/signals einen vorgegebenen Wert. beispielsweise beim Vorliegen i'iner Kante, wird miit^feseli..!!et. I eliler im Hereich cii:

Entscheidungsschwelle können dabei dadurch vermieden werden, daß für beide Quantisierer eine gemeinsame Entscheidungsschwelle vorgesehen wird. Die einzelnen Bilder werden mit konstanter Bitrate übertragen.

τ Es ist weiter bekannt (IEEE Transactions on Communication Technology, Vol. Com-19, No. 6, Dezember 1971, S. 933—943) mit Quantisierern mit unterschiedlicher Zahl von Quantisierungss»ufen zu arbeiten. Dabei ist die zu übertragende Signalmenge

tu von Bild zu Bild verschieden, abhängig davon, ob ein Bild mit ruhigen Flächen oder ein sehr detailreiches Bild zu übertragen ist Bei der adaptiven Umsteuerung zwischen Quantisierern mit unterschiedlicher Zahl der Quantisierungsstufen müssen Speicher vorgesehen

ι-, werden, die in der Lage sind, die Signalmenge zwischenzuspeichern, die die mittlere statistische Signalmenge übersteigt. Dadurch erhöht sich der Realisierungsaufwand und die Empfindlichkeit gegenüber Kanalstörungen. Wird kein Zwischenspeicher

>i> vorgesehen, müßte der Übertragungskanal so ausgelegt werden, daß auch bei der maximalen momentanen Signalmenge die Kanalkapazität nicht überschritten wird. Der Verzicht auf einen Speicher würde also zu einem Verzicht auf eine maximale Ausnutzung des

>-, Übertragungskanals führen.

Bei einer adaptiven Umschaltung zwischen Quantisierern mit verschiedenen Kennlinien und Zwischenspeicher (»The Bell System Technical Journal«, Juli—August 1974, Seiten 1137 — 1173) ist es weiter bekannt, für den

in Speicher eine Überwachung vorzusehen, über die die Datenerzeugung reduziert wird, wenn die Gefahr droht, daß die Kapazität des Speichers überschritten wird. Die Datenerzeugung und damit die Bildauflösung wird so lange reduziert, bis wieder genügend Speicherkapazität

t> freigeworden ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine aufwandgünstige prädiktive Quantisierung zu schaffen, mit der es möglich ist, einen Übertragungskanal vorgegebener Leistungsfähigkeit bzw. eine vorgegeben,. Speicherkapazität

κι möglichst vorteilhaft auszunutzen oder bei subjektiv gleich empfundener Qualität die Bitrate für die Übertragung herabzusetzen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Quantisierung der zu übertragenden

ι. Differenzen jeweils unabhängig vom Bildinhalt in vorgegebener Reihenfolge verändert wird.

Dabei kann bei der Quantisierung insbesondere zwischen Quantisierern mit unterschiedlicher Stufenzahl und/oder Slufenhöhc gewechselt werden. Die

Vp Quantisierungskennlinie kann dabei jeweils innerhalb einer Zeile, von Zeile zu Zeile, oder auch von Bild zu Bild gewechselt werden.

Durch den fest vorgegebenen Wechsel ist das Verfahren bei hoher Flexibilität technisch einfach

,-, realisierbar. Der konstante Bitfluß des DPCM-Systetns bleibt erhalten. Eine vorteilhafte Anpassung an die Übertragungsbedingungen ist dadurch möglich, dall beispielsweise vwei aufeinanderfolgende Bildelemente mit unganzzahligen Bitruten übertragbar sind. Wenn die

mi Hälfte der Bildelemcnte mit /wci bit je Rildelcmenl und die lindere Hälfte mil jeweils ein bit je Bikleiement übertragen wird, ergibt sich eine Bilratc von 1.5 bit je Biklelemenl. Dadurch wird bei vorgegebener l.cisliings fiihigkeit eines Übcrtragungskanals ein Gewinn an

.., subjektiv empfundener I Ibertragiingsqiialitiit gegen über bekannten Vcifahren mit konstantem Hitflnll erreicht.

Abhängig von ilen I Μη-πι .igiiiigsbeilingiingcn kann

von der alternierend gestuften Codierung problemlos auf eine Codierung mit gleicher Stufung je Bildelement übergegangen werden, beispielsweise kann von einem Alternieren zwischen Quantisierern mit unterschiedlicher Stufenzahl (z. B. zwei und vier Stufen entsprechend durchschnittlich 1,5 bit je Bildelement) übergegangen werden auf eine identische Quantisierung aller Bildelemente mit zwei bzw. vier Stufen (entsprechend 1 bit bzw. 2 bit je Elidelement). Selbstverständlich sind auch andere Stufungen und damit andere Bitraten möglich.

Bei der erfindungsgemäßen Quantisierung wird vorzugsweise eine Dreipunktprädiktion verwendet, bei der möglichst viele benachbarte Bildlemente, die mit der höheren Bitzahl codiert sind, für die Prädiktion verwendet werden mit der Maßgabe, daß das Verhältnis der Zahl der jeweils mit hoher und niedriger Stufenzahl quantisierten Bildelemente bei der Codierung jeweils gleich ist.

Für die Prädiktion der genauer zu codierenden Bildelemente einerseits und der mit geringerer Genauigkeit zu codierenden Bildeiemente andererseits können unterschiedliche Gewichtsfaktore« gewühlt werden.

Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise veranschaulicht und im nachstehenden mit weiteren Einzelheiten anhand der Zeichnung beschrieben.

In F i g. 1 ist schematisch eine prädiktive Quantisierung gemäß der Erfindung wiedergegeben mit zwei aufeinanderfolgenden Zeilen, und zwar der aktuellen Zeile zund der vorhergehenden Zeile z-\. In der Zeile z\ sind Bildelemente A bis F dargestellt, während in der Zeile ζ die Bildelemente H bis M erscheinen. Jedes zweite Bildelement (B D FG I L) innerhalb der Zeilen wird mit einem vierstufigen Quantisierer (entsprechend zwei bit) quantisiert, während auf die übrigen Bildelemente (A C E H K M) ein zweistufiger Quantisierer (entsprechend ein bit) angewendet wird.

Die Höhe der Quantisierungsstufen kann zum Beispiel wie bei bekannter 2- bzw. 1-bit-DPCM gewählt werden unJ jeweils fest oder auch abhängig vom momentanen Bildinhalt variabel sein.

Die unterschiedliche Codierung der Bildelemente wechselt sich in den einzelnen Zeilen ab, und bei dem dargestellten Beispiel sind die unterschiedlich codierten Bildelemente in zwei aufeinanderfolgenden Zeilen jeweils um eine Teilung versetzt.

Die Information von jeweils zwei benachbarten Bildelementen wird durch 2+1 = 3 bit repräsentiert, entsprechend IJ bit je Bildelcment. Bei der Ausführung nach Fig. 1 wird die Prädiktion des jeweils zu codierenden Bildelemcntcs abgeleitet von drei vorhergehender; Bildlementen. und zwar wie durch die eingerahmten winkelförmigen Felder veranschaulicht, jeweils von dem unmittelbar vorhergehenden Bildelcment. bei der Prädiktion des Bildelementes / das Bildelement H, sowie von den über diesen beiden Bildclementen Hund /liegenden Bildelementen Bund C der vorhergehenden Zeile. Die angegebene zweidimcnsionale Prädiktion mit drei Bildclemcnien und ein /eilenweiser Versatz in der Zuordnung der beiden Qiianiisicrcr führen zu einem Austausch w>n Quantisierung- und Prädiktionsfehlern, die die unterschiedliche (ienauigkeil der Quantisierung ausgleichen, für die Prädiktion können bekannte Prüdiklinnskoeffiziertcn MTiAciulel weilen. Diese Pradiktion^kocffizierilen ((iewn hlsfaktorcn). insbesondere ihre Summe, können /i\r l'r/ieliinp einer mc .«liehst hohen Wiederhabet)! all i.il für die mil ein hit ;im! mil /wei bil /■·■ codierenden Bildelemente jeweils unterschiedlich sein. So kann zum Beispiel der Prädiktionswert / für den zu codierenden Wert /(F i g. I) ermittelt werden nach der Beziehung

/ (3 4l// - 117 32)» f (3 4lC

und der Piiidiklionsucri K für den /u codierenden Weil K mich tier Beziehung

,„ K (3 4)/ (33 W)C t (3 41/).

In Fig. 1 ist am Beispiel der zu codierenden Bildelemente / bzw. K zu erkennen, daß bei der Prädiktion und Codierung jeweils insgesamt zwei

ι -, Bildeiemente mit einer Genauigkeit entsprechend zwei bit und zwei Bildelementen mit einer Genauigkeit entsprechend 1 bit beteiligt sind, wohei jeweils eines der Bildeiemente das zu codierende Bildelement ist.

Bei dem Ausführungsschema nach F i g. 2 ist die

:n Quantisierung der einzelnen Bilde'-rmente wiederum mit unterschiedlicher Stufenzah! durchgeführt, wobei zwei Quantisierer unterschiedlicher Stulenzahl alternieren. Auch hier sind wiederum in zwei aufeinanderfolgenden Zeilen die Bildeiemente, die mit gleicher

y, Stufen?ahl quantisiert sind, in aufeinanderfolgenden Zeilen seitlich jeweils um eine Teilung gegeneinander versetzt. Bei der Prädiktion und Codierung werden hier wiederum vier Bildelemente, das zu codierende Bildelement eingeschlossen, verwendet. Abweichend

«ι erfolgt hier die Prädiktion jedoch unter der Bedingung, daß an der Codierung jeweils drei benachbarte Bildelemente mit der höheren Bitzahl beteiligt sind. Eines der tür die Prädiktion herangezogenen Bildelemente ist wiederum das dem zu codierenden Bildele-

r, ment unmittelbar vorangehende Bildelement in der gleichen Zeile.

Bei der Codierung des Büdelementes /,das mit ein bit zu codieren ist. müssen damit drei Bildeiemente beteiligt werden, die jeweils mit zwei bit codiert sind. Dies ist

»ι einmal das Bildelement H. als unmittelbar benachbartes Bildelement. das Bildelement C und darüber hinaus das Bildelement A. Diese drei mit zwei bit codierten Bildeiemente liegen in unmittelbarer Nachbarschaft zueinander. Unter Umständen kann es aueii Vorteile

r. bringen, als drittes Bildelement das den, Bildelcment C folgende, mit zwei bit codierte Bildelement L heranzuziehen.

Bei der anschließend durchzuführenden Codierung des Büdelementes K. bei dem es sich um ein mit zwei bit

in zu codierendes Bildelement handelt, werden für die Prädiktion herangezogen das Bildelement /(ein bit) und die beiden mit zwei bit codierten Bildelemente Cund B. Bei der Codierung des Büdelementes / kann beispielsweise verwendet werden der Pradiktionsalgorithmus

/ (3 -Ji // (Γ ''-Il I · ti JIt'

und bei der Codierung des Büdelementes K der Pradiktionsalgori''imiis

k I Ul/ ('/ r.)C (I :i/. .

Dabei sind die gegenüber dem Aiisführungssehcma nach Fi g. I abweichenden StahilitätsbcdiniMingen berück , siehlipl. Andere Pr; liklinnskoeffizienlen sind in beiden Füllen inonlich.

Die zu codierenden Mildvlemenic können einzelne Hilclpunkte scm. !·..·> können ;iher auch jeweils 't:.ickc

von Bildpunkten der Codierung zugrunde gelegt werden.

Für die Prädiktion der jeweils zu codierenden Bildelemente können anstelle von Bildpunkten einer vorhergehenden Zeile auch Bildpunkie eines vorhergehenden Bildes herangezogen werden, wobei unter diesen Bildpunkten auch der mit dem zu codierenden Bildpunkt deckungsgleiche Bildpunkt des vorangehenden Bildes sein kann. Die Gewichtsfaktoren Für die Prädiktion können unterschiedlich gewählt werden, abhängig davon, ob die Prädiktion für ein mit höherer oder niedrigerer Stufung quantisiertes Bildelement η erfolgen hat.

Bei der gemäß d<:r Erfindung durchgeführter Codierung der einzelnen Bildelemenie wirkt sich die

■ Quantisierung mit höherer Stufenzahl vorteilhaft hinsichtlich der Wiedergabe von Kantenstrukturen und

Details aus, während die Quantisierung mit niedrigerer Stufung den Vorteil aufweist, daß dias Signal nur in

geringem Umfang durch Kanalfehkr beeinträchtig)

in wird.

llicr/ii I Hliitt/vichniinucn

Claims

Patentansprüche:

1. Prädiktive Quantisierung von Bildsignalen nach dem DPCM-Verfahren mit mehreren Quantisierern mit unterschiedlichen Kennlinien, dadurch gekennzeichnet, daß die Quantisierung der zu übertragenden Differenzen jeweils unabhängig vom Bildinhalt in vorgegebener Reihenfolge verändert wird.

2. Prädiktive Quantisierung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Quantisierungen mit unterschiedlicher Stufenzahl und/oder Stufenhöhe gewechselt wird.

3. Prädiktive Quantisierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Quantisierung innerhalb einer 5'eile gewechselt wird.

4. Prädiktive Quantisierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Quantisierung von Zeile zu i'.eile gewechselt wird.

5. Prädiktive Quantisierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Quantisierung von Bild zu Bild gewechselt wird.

6. Prädiktive Quantisierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Dreipunktprädiktion verwendet wird, bei der möglichst viele benachbarte Bildelemcnte, die mit der höheren Bitzahl codiert sind, für die Prädiktion verwende,' werden mit der Maßgabe, daß das Verhältnis der Zahl der jeweils mit hoher und niedriger Stufung quantisierter Bildelemente gleich ist.

7. Prädiktive Quantisierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für die Prädiktion der genauer zu codierenden Bildelemente einerseits und der mit geringerer Genauigkeit zu codierenden Bildeleniente andererseits unterschiedliche Gewichtsfaktoren gewählt werden.