DE2734000C3 - Prädiktive Quantisierung von Bildsignalen nach dem DPCM-Verfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine prädiktive Quantisierung von Bildsignalen nach dem DPCM-Verfahren mit mehreren Quantisierem mit unterschiedlichen Kennlinien.

Bei der digitalen Übertragung von Bildinformationen ist man aus wirtschaftlichen und technischen Gründen bestrebt, das je Bildelement zu übertragende Nachrichtenvolumen gering zu halten, also mit möglichst kleiner Übertragungsbitrate zu arbeiten. Auf der anderen Seite steigt die Qualität des Bildes auf der Empfangsseite (z. B. die Auflösung feiner Grauwertänderungen) mit dem zur Übertragung verwendeten Nachrichtenvolumen.

Es ist bekannt (DE-OS 24 54 232), adaptiv in Abhängigkeil von der Größe des jeweiligen Differenzsignals mit zwei Qiiantisierern mit unterschiedlicher Kennlinie, aber gleicher Stufenzahl zu arbeiten.

Überschreitet die Größe des Differenzsignals einen vorgegebenen Wert, beispielsweise beim Vorliegen einer Kante, wird umgeschaltet, l-chler im Bereich der Entscheidungsschwelle können dabei dadurch vermieden werden, daß für beide Quantisierer eine gemeinsame Entscheidungsschwelle vorgesehen wird. Die einzelnen Bilder werden mit konstanter Bitrate übertragen.

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 Quantisierungsstufen zu arbeiten. Dabei ist die zu übertragende Signalmenge 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 v.-erden, 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 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

jo 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

π freigeworden ist.

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

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

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

'><> 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-Systems bleibt erhalten. Eine vorteilhafte Anpassung an die Übertragungsbedingungen ist dadurch möglich, daß beispielsweise zwei aufeinanderfolgende Bildelemente mit ungan/zahligen Bitraten übertragbar sind. Wenn die

"> Hälfte der Bildelemente mit zwei bit je Bildelement und die andere Hälfte mit jeweils ein bit je Bildelement übertragen wird, ergibt sich eine Bitnite von 1.5 bit je Bildclcmcnt. Dadurch wird bei vorgegebener Leistungsfähigkeit eines Übertragungskanals ein Gewinn an subjektiv empfundener llbertragungsqualität gegenüber bekannten Verfahren mit konstantem Bitfluß erreicht.

Abhiingig '.on den t Ibertragungsbedingtingen 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 Büdelement) übergegangen werden auf eine identische Quantisierung aller Bildelemente mit zwei bzw. vier Stufen (entsprechend 1 bit bzw. 2 bit je Büdelement). 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 Bildelemente andererseits können unterschiedliche Gewichtsfaktoren gewählt 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 ζ und der vorhergehenden Zeile z-1. 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 IL) innerhalb der Zeilen wird mit einem vierstufigen Quantisierer (entsprechend zwei bit) quantisiert, während auf die übrigen Bildelemente (ACEHKM) ein zweistufiger Quantisierer (entsprechend ein bit) angewendet wird.

Die Höhe der Quantisierungsstufen kann zum Beispiel wie bei bekannter 2- bzw. t-bit-DPCM gewählt werden und 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 1,5 bit je Büdelement. Bei der Ausführung nach F i g. 1 wird die Prädiktion des jeweils zu codierenden Bildelementes abgeleitet von drei vorhergehenden riildlementen, und zwar wie durch die eingerahmten winkelförmigen Felder veranschaulicht, jeweils von dem unmittelbar vorhergehenden Büdelement, bei der Prädiktion des Bildelementes / das Büdelement H, sowie von den über diesen beiden Bildelementen Hund /liegenden Büdelementen Sund C der vorhergehenden Zeile. Die angegebene zweidimensionale Prädiktion mit drei Büdelementen und ein zeilenweiser Versatz in der Zuordnung der beiden Quantisierer führen zu einem Austausch von Quanlisierungs- und Prädiktionsfehlern, die die unterschiedliche Genauigkeit der Quantisierung ausgleichen. Für die Prädiktion können bekannte Prädiktionskoeffizienten verwendet werden. Diese l'rädiktionskoeffizienten (Gewichtsfaktoren), insbesondere ihre Summe, können zur Erzielung einer möglichst hohen Wiedergabequali tat für die mit ein bit und mit zwei bit zu codierenden Bildelemente jeweils unterschiedlich sein. So kann zum Beispiel der Prädiktionswert / für den zu codierenden Wert /(F i g. 1) ermittelt werden nach der Beziehung

/ - 1.1.41/7 - [17321 B + |3 41 C

und der Prädiktionsweri K für den /u codierenden Wert K nach der Beziehung

K = (3 4| / - (33 64) C -r (3.4) D .

In Fig. 1 ist am Beispiel der zu codierenden Bildelemente / bzw. K zu erkennen, daß bei der Prädiktion und Codierung jeweils insgesamt zwei Bildelemente mit einer Genauigkeit entsprechend zwei bit und zwei Büdelementen mit einer Genauigkeit entsprechend 1 bit beteiligt sind, wobei jeweils eines der Bildelemente das zu codierende Bildelement ist.

Bei dem Ausführungsschema nach F i g. 2 ist die Quantisierung der einzelnen Bilde! - diente wiederum mit unterschiedlicher Stufenzahl durchgeführt, wobei zwei Quantisierer unterschiedlicher Stufenzahl alternieren. Auch hier sind wiederum in zwei aufeinanderfolgenden Zeilen die Bildelemente, die mit gleicher Stufenzphl 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 Büdelement eingeschlossen, verwendet Abweichend

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

j-, ment unmittelbar vorangehende Büdelement in der gleichen Zeile.

Bei der Codierung des Bildelementes /, das mit ein bit zu codieren ist, müssen damit drei Bildelemente beteiligt werden, die jeweils mit zwei bit codiert sind. Dies ist einmal das Büdelement H, als unmittelbar benachbartes Bild element, das Büdelement Cund darüber hinaus das Büdelement A. Diese drei mit zwei bit codierten Bildelemente liegen in unmittelbarer Nachbarschaft zueinander. Unter Umständen kann es auch Vorteile bringen, als drittes Büdelement das dem Büdelement C folgende, mit zwei bit codierte Büdelement L heranzuziehen.

Bei der anschließend durchzuführenden Codierung des Bildelementes K, bei dem es sich um ein mit zwei bit -.« zu codierendes Büdelement handelt, werden für die Prädiktion herangezogen das Büdelement /(ein bit) und die beiden mit zwei bit codierten Bildelemente Cund B. Bei άτ Codierung des Bildelementes / kann beispielsweise verwendet werden der Prädiktionsalgorithmus

/ = (3'4)// - (17641.4 + (1:2) C

und bei der Codierung des Bildelementes K der Prädiktionsalgoritlimus

K 13 4)/ - |9 32) C t Il 2)/·;.

Dabei sind die gegenüber dem Ausführungsschema nach Fig. 1 abweichenden Stabilitätsbedingungen berück-, sichtigt. Andere Präcliktionskoeffizienten sind in beiden Fällen möglich.

Die zu codierenden Bildelemente können einzelne ßildounkte sein. Es können aber auch jeweils Blöcke

von Bildpunkten der Codierung zugrunde gelegt werden.

Für die Prädiktion der jeweils zu codierenden Bildelemente können anstelle von Bildpunkten einer vorhergehenden Zeile auch Bildpunkte 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 quantisicrtcs Bildelement zu erfolgen hat.

Bei der gemäß der Erfindung durchgeführten Codierung der einzelnen Bildelemente wirkt sich die

ι Quantisierung mit höherer Stufenzahl vorteilhaft hinsichtlich der Wiedergabe von Kantenstrukluren und Details aus, während die Quantisierung mit niedrigerer Stufung den Vorteil aufweist, daß das Signal nur in geringem Umfang durch Kanalfehler beeinträchtigt

in wird.

Hierzu I Uhitt Zciclinunucn

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Prädiktive Quantisierung von Bildsignalen nach dem DPCM-Verfahren mit mehreren Quantisierem 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 Zeile gewechselt wird.

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

5. Prädiktive Quantisierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzexhnet, 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 Bildelemente, die mit der r 3heren Bitzahl codiert sind, für die Prädiktion verwendet werden m't der Maßgabe, daß das Verhältnis der Zahl der jeweils mit hoher und niedriger Stufung quamisierten Rildelemente 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 Bildelemente andererseits unterschiedliche Gewichtsfaktoren gewählt werden.