DE2740945A1 - Verfahren zum uebertragen von bildsignalen mit hilfe der differenz-puls- code-modulation (dpcm) und gesteuertem quantisierer - Google Patents
Verfahren zum uebertragen von bildsignalen mit hilfe der differenz-puls- code-modulation (dpcm) und gesteuertem quantisiererInfo
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Description
Verfahren zum Übertragen von Bildsignalen mit Hilfe der Differenz-Puls-Code-Modulation (DPCM) und gesteuertem
Quantisierer
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Übertragen von Bild· Signalen mit Hilfe der Differenz-Puls-Code-Modulation (DPCM)
und gesteuertem Quantisierer, wobei zwischen verschiedenen Quantisierungskennlinien umgeschaltet wird.
Zur wirtschaftlichen Übertragung von Bildsignalen, wie z.B. Pernsehsignale, werden heute verschiedene Arten von DPCM-Verfahren
vorgeschlagen. Ein prinzipielles Blockschaltbild eines DPCM-Systems ist in Fig. 1 angegeben. Das analoge bandbegrenzte
Videosignal einer Bildquelle (Kamera, Diaabtaster, Filmabtaster o.a. ) wird in einem Analog/Digital-Wandler abgetastet
und jeder Abtastwert mit beispielsweise K a 256
Stufen, entsprechend 8 bit je Bildpunkt, linear quantisiert. Von dem entstehenden digitalen Signal χ wird ein ebenfalls
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digitaler Vorhersagewert χ* subtrahiert. Das Differenzsignal
e wird in einem Quantisierer Q mit K* Quantisierungsstufen,
wobei K1 < K1 quantisiert, im Codierer C mit Codeworten
konstanter Lange codiert und über den Übertragungskanal
übertragen. Das quantisierte Differenzsignal e wird des
weiteren zu x* addiert und dem Prädiktor P zugeführt, der
aus den quantisierten Werten χ den Vorhersagewert χ bildet.
Im Empfänger entsteht am Ausgang des Decodierers D wieder das Signal e . Es wird zu χ addiert. Bei fehlerfreier Übertragung
entspricht das Ergebnis der Addition χ , bis auf den Quantieierungsfehler e - e , dem ursprünglichen Wert x.
Gleichzeitig wird χ einem Prädiktor P zugeführt, der genauso wie der Prädiktor P im Sender aufgebaut ist und den
Vorhersagewert χ bildet. Das digitale Signal χ wird in einem Digital/Analog-Wandler in ein analoges Signal zurückverwandelt
und kann dann auf einem Monitor sichtbar gemacht werden.
DPCM-Verfahren dieser Art erzeugen selbst bei k bit Übertragungsbitrate
je Bildpunkt noch sichtbare Quantisierungsfehler, wie "edge busyness11 und "overload", auch wenn aufwendige
zweidimensionale Prädiktoren verwendet werden, (l)
Connor, D.J., Pease, R.F.W., Scholes, W.G.: "Television
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Coding Using Two Dimensional Spatial Prediction',' BSTJ 50
(1971), Seite 1049 - lO6l.
Um die Sichtbarkeit solcher Fehler von DPCM-Systemen zu verringern,
wurden Verfahren mit umschaltbaren Quantisierungskennlinien vorgeschlagen. (2) Musmann, H.G.: Nachrichtenübertragungssystem,
Patentanmeldung P 21 31 O83.8 vom 23.6.71· Fig. 2 zeigt das Blockschaltbild eines solchen Systems mit
Umschaltung für N Quantisierungskennlinien. (3) Kummerow, Th.: 1EIn DPCM-System mit zweidimensionalem Prädiktor und gesteuertem
Quantisierer" NTG-Fachtagung Signalverarbeitung, 4« bis
6.4.73 in Erlangen, Tagungsbericht Seite 425 - 439. In diesem
System entscheidet eine Steuerlogik S, unter Verwendung bereits übertragener Informationen χ , für jeden zu quantisierenden
Abtastwert, welcher Quantisierer und Codierer aus dem Quantisierersatz und Codierersatz verwendet wird. Die
erreichbare Bildqualität hängt in starkem Maße von der Wahl der Quantisierungskennlinien und des Steuerkriteriums ab.
Insbesondere kann die mit einem gesteuerten Quantisierer beabsichtigte Verminderung des Quantisierungsrauschens auch
dadurch beeinträchtigt werden, daß Umschaltungen der Quantisierungskennlinien
durch Rauschen der Bildquelle ausgelöst werden. Diese Umschaltungen können sichtbare Störungen erzeugen,
wenn beispieleweise für die Quantisierung eines Bildpunktes einer ruhenden Bildvorlage in einer Sequenz von Fernsehbildern
unterschiedliche Quantisierungskennlinien verwen-
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det werden und damit der Bildpunkt. mit sich zeitlich verändernden
Quantisierungsrauschen reproduziert wird.
Die zu der Erfindung führende Aufgabe war es, ein Verfahren anzugeben, das zur Einsparung der Übertragungsbitrate bzw. von
Bildsignalen oder Fernsehsignalen dient. Dabei soll das sichtbare Quantisierungsrauschen gegenüber bekannten Verfahren reduziert
werden und störende Umschalteffekte bei der Umschaltung
der Quantisierungskennlinie vermieden werden, außerdem
soll eine konstante Ausgangsbitrate je Bildpunkt erzeugt werden.
Die im folgenden beschriebene Erfindung nutzt ebenfalls die Vorzüge der Kennlinienumschaltung zur Verringerung des Quantisierungsgeräusches
aus. Die Quantisierungskennlinien und das Steuerkriterium werden aber nach einem speziellen Verfahren
ermittelt und auf diese Weise das subjektiv wahrnehmbare Quantisierungsrauschen im Vergleich zu den oben angegebenen
bekannten Lösungen reduziert und gleichzeitig die erwähnten Störeffekte vermieden.
Der Unterschied zu dem in (2) gemachten Vorschlag besteht darin, daß in (2) die absolute Größe des Vorhersagewertes χ
zur Steuerung des Quantisierers benutzt wird, während in der hier beschriebenen Erfindung das Steuerkriterium in geeigneter
Weise vom quantisierten Prädiktionsfehler e abgeleitet wird.
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Der Unterschied zu dem in (3) gemachten Vorschlag besteht darin, daß dort die absolute Größe des Ausgangssignals χ
zur Steuerung des Quantisierers benutzt wird und die erwähnten dort auftretenden störenden Umschalteeffokte durch
die hier beschriebene Erfindung fast vollständig vermieden werden und die Bildqualität dadurch beachtlich erhöht wird.
Der Neuigkeitswert der Erfindung liegt darin, daß die verschiedenen
Kennlinien mit jeweils K' Quantisierungsstufen in geeigneter Weise aus einer Quantisierungskennlinie mit
wesentlich mehr als K1 Stufen abgeleitet werden. Dies sei
am Beispiel von Fig. 3 erläutert. Nach einem in (4) Thoma, W.: Optimizing the DPCM for Video Signals Using a Model of
the Human Visual System, 1974 Zürich Seminar, Tagungsband Seite C3(l) - C3(7), (5) Candy, J.C, Bosworth, R.H. : Methods
for Designing Differential Quantizers Based on Subjective Evaluations of Edge Busyness, BSTJ 51 (1972), Seite l495
bis 1516, angegebenen Verfahren wurden zunächst die Repräsentativwerte
der in Fig. 3b dargestellten Quantisierungskennlinie ermittelt. Für den Fall, daß der Prädiktor P den
Vorhersagewert χ aus χ a A+(C-B)/2 bildet, ist in Fig. 3a der
an der Stelle χ zulässige Quantisierungsfehler in Abhängigkeit des maximalen Prädiktionsfehlers an den Bildpunkten
A, B, C und D (s. Fig. 4) dargestellt. Diese Kurve wurde meßtechnisch ermittelt und gibt an, daß z.B. Quantisierungsfehler
unter 4,5 an der Stelle χ nicht sichtbar sind,
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d.h. maskiert werden, wenn am Bildpunkt A öder B oder C
oder D ein Prädiktionsfehler größer als 32 aufgetreten
ist. In diesem Fall können folglich alle Repräsentativworte der zugrundcgelegten Quantisierungskennlinie eingespart
werden, deren Abstände kleiner als 9 sind. Eingesparte Repräsentativwerte können dann zur Erweiterung
der Quantisierungskennlinie mit dem Ziel einer Verminderung
der "overload"-Effekte und des "edge busyness" durch
an den äußeren Enden der Quantisierungskennlinie hinzugefügte
Repräsentativwerte ersetzt werden. Aus dieser Überlegung resultiert das im folgenden anhand eines Beispiels
erläuterte Prinzip zur Auswahl und Steuerung der Quantisierungskennlinien.
Will man eine Bitrate von z.B. 4 bit pro Abtastwert erreichen,
so muß man sich auf K1 = l6 Werte beschränken. Die Kennlinie I gemäß Fig. 3b mit den l6 kleinsten Repräsentativwerten
der Quantisierungskennlinie muß benutzt werden , wenn die Prädiktionsfehler an den Punkten
A und B und C und D alle klein sind und damit nur ein kleiner Quantisierungsfehler zugelassen werden darf.
Ist an den Bildpunkten A, B, C oder D aber beispielsweise ein Prädiktionsfehler größer oder gleich 20 aufgetreten,
so werden aufgrund der in Fig. 3a dargestellten Kurven
Quantisierungsfehler an der Stelle X, die kleiner
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als 3,5 sind, maskiert. Somit können die Repräsontativwerte O und 5 der Kennlinie I zur Quantisierung des Bildpunktes
X ausgelassen und dafür ein Repräsentativwert 59
gemäß Kennlinie II hinzugenoramen werden. In entsprechender Weise kann die Kennlinie III für den Bildpunkt X verwendet werden, wenn an den Bildpunkten A, B, C oder D
ein Prädiktionsfehler größer als 36 aufgetreten ist und
die Kennlinie IV bei Prädiktionsfehlern größer als 72.
Dieses Verfahren kann fortgesetzt werden, indem man weitere Repräsentativwerte im inneren Teil der Quantisierung
skennlinie fortläßt und außen hinzufügt, derart, daß
der dadurch unter Umständen entstehende größere Quantisierung sfehler stets maskiert bleibt. Die Verbesserung
der Bildqualität im Vergleich zu einem nicht gesteuerten Quantisierer ergibt sich aus der Verminderung der "overload'*-Effekte
und des "edge busyness" durch die Verfügbarkeit größerer Repräsentativwerte. Im Vergleich zu bekannten
Lösungen gesteuerter Quantisierer ist hier gewährleistet, daß ein von den kleinen Quantisierungsstufen
erzeugtes "granular"-Rauschen stets maskiert bleibt
und auch keine sichtbaren Umschalt-Störungen auftreten
können.
In der Tabelle 1 sind die Kriterien zur Steuerung der BK 77/6 - 10 -
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vier in Fig. 3b dargestellten Kennlinien sowie die Codierung
der dazugehörigen Steuersignale SS angegeben.
Eine mögliche Realisierung des erläuterten gesteuerten Quantisierers für ein DPCM-System gemäß Fig. 5 ist in
Fig. 6 dargestellt. Fig. 6a zeigt die Aufteilung des Quantisierers Q in einen Entscheider E und einen Bewerter
B. Der Entscheider E entscheidet, in welche Quantisierungsstufe
der mit 9 bit dargestellte Prädiktionsfehler β (θηθ e^e_e. e.e.e e ) fällt. Tabelle 2 gibt den Zusammenhang
zwischen dem Betrag des Prädiktionefehlers e und den Entscheidungssignalen E E -E-EgE-EgE-E^E E E E
an. Das Vorzeichen VZ des Prädiktionsfehlsrs e und die
Entscheidungssignale E E QE EgE_E^E_E^E E E E werden
dem Bewerter B zugeführt, der in Abhängigkeit der Steuersignale SS entsprechende Repräsentativwerte auswählt
und einer Dualzahl e (e ae _e £e _e ,,e _e _e .e ) zuordnet.
q qö q7 q6 q5 q* q3 q2 ql qo
Der Bewerter B kann aufgeteilt werden in Je ein Bewerterschal tnetζ für jede Stelle e . der Dualzahl e ,wie in
qi q»
Fig. 6b dargestellt. Eine Realisierung für e ist für
■die Kennlinien nach Fig. 3b in Abhängigkeit der Steuersignale
SS in Fig. 6c angegeben. Für jede Kennlinie wird die Wertigkeit der Stelle e (0 oder L) parallel berech-
qo
net. Die Steuersignale S1S schalten eine der vier Wertigkeiten
auf den Ausgang e . Entsprechend werden auch
qo
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die Stellen c . bis e D realisiert. Eine mögliche Roaliql
q8
sierung der Steuerlogik ist in Fig. 7 angegeben.
Die Erfindung kann mit den gleichen Vorteilen auch auf andere Quantisiorungskennlinien mit einer anderen Anzahl
K· von Quantisierungsstufen und anderen Prädiktoren angewandt
werden. Desgleichen können die Umschaltwellcn variiert werden sowie anderen Kombinationen der als Steuerkriterium
dienenden Prädiktionsfehler der Bildpunkte A ι B1 C1 D verwendet werden.
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Claims (3)
1. Verfahren zum Übertragen von Bildsignalen mit Hilfe der
Differenz-Puls-Code-Modulation (DPCM) und gesteuertem Quantisierer, wobei zwischen verschiedenen Quantisierungskennlinien umgeschaltet wird, dadurch gekennzeichnet,
daß das Steuerkriterium zum Umschalten der Quantisierungskennlinien aus den quantisierten Prädiktionsfehlern (e )
der dem jeweils betrachteten Bildpunkt benachbarten Bildpunkten abgeleitet wird, daß die jeweils benutzte Quantisierungskennlinie
mit wenigen Quantisierungsstufen jeweils
aus einer Quantisierungskennlinie mit wesentlich mehr Quan tisierungsstufen abgeleitet wird, daß die Repräsentativwerte der zugrunde gelegten Quantisierungskennlinie nicht
benutzt werden, deren Abstände kleiner als der zu den betrachteten quantisierten Prädiktionsfehlern gehörende maximal
zulässige Quantisierungsfehler sind und daß für die eingesparten Repräsentativwerte neue Repräsentativwerte
an den äußeren Enden der benutzten Quantisierungskennlinie
hinzugefügt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
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als Steuerkriterium zum Umschalten der QuantiBierungskennlinien
der maximale Prädiktionefehler der benachbarten Bildpunkte verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Steuerkriterium zum Umschalten der Quantisierungskennlinien eine gewichtete Summe aus den quantisierten
Prädiktionsfehlern der benachbarten Bildpunkte verwendet wird.
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