DE2740945B2 - Verfahren zum Übertragen von Bildsignalen mit Hilfe der Differenz-Puls-Code-Modulation (DPCM) und gest euertem Quantisierer - Google Patents

Verfahren zum Übertragen von Bildsignalen mit Hilfe der Differenz-Puls-Code-Modulation (DPCM) und gest euertem Quantisierer

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DE2740945B2 DE2740945A DE2740945A DE2740945B2 DE 2740945 B2 DE2740945 B2 DE 2740945B2 DE 2740945 A DE2740945 A DE 2740945A DE 2740945 A DE2740945 A DE 2740945A DE 2740945 B2 DE2740945 B2 DE 2740945B2
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Übertragen von Bildsignalen 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. Fernsehsignale, werden heute verschiedene jo Arten von DPCM-Verfahren vorgeschlagen. Ein prinzipielles Blockschaltbild eines DPCM-Systems ist in F i g. 1 angegeben. Das analoge bandbegrenzte Videosignal einer Bildquelle (Kamera, Diaabtaster, Filmabtaster od. ä.) wird in einem Analog/Digital-Wandler J5 abgetastet und jeder Abtastwert mit beispielsweise K = 256 Stufen, entsprechend 8 bit je Bildpunkt, linear quantisiert Von dem entstehenden digitalen Signal χ wird ein ebenfalls digitaler Vorhersagewert χ subtrahiert Das Differenzsignal e wird in einem Quantisierer Q mit K' Quantisierungsstufen, wobei K' < K, quantisiert im Codierer C mit Codeworten konstanter Länge codiert und über den Übertragungskanal übertragen. Das quantisierte Differenzsignal e, wird des weiteren zu χ addiert und dem Prädiktor P zugeführt, 4 > der aus den quantisierten Werten xq 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 χφ bis auf den Quantisierungsfehler e - βφ dem ursprünglichen Wert x. Gleichzeitig wird xq einem Prädiktor P zugeführt, der genauso wie der Prädiktor P im Sender aufgebaut ist und den Vorhersagewert χ bildet Das digitale Signal xq 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 4 bit Übertragungsbitrate je Bildpunkt noch sichtbare Quan- bo tisierungsfehler, wie »edge busyness« und »overload«, auch wenn aufwendige zweidimensionale Prädiktoren verwendet werden. (1) Connor, D. J., Pease, R. F. W., Scholes, W. G.: »Television Coding Using Two Dimensional Spatial Prediction«, BSTJ 50 (1971), S. b5 1049-1061.
Um die Sichtbarkeit solcher Fehler von DPCM-Systemen zu verringern, wurden Verfahren mit umschaltbaren Quaniisierungskennlinien vorgeschlagen. (2) Musmann, H. G.: Nachrichtenübertragungssystem, Patentanmeldung P 21 31 083.8 vom 23. 6. 71. F i g. 2 zeigt das Blockschaltbild eines solchen Systems mit Umschaltung für N Quantisierungskennlinien. (3) Kummerow, Th.: »Ein DPCM-System mit zweidimensionalem Prädiktor und gesteuertem Quantisierer«, NTG-Fachtagung Signalverarbeitung, 4. bis 6.4.73 in Erlangen, Tagungsbericht S. 425—439. In diesem System entscheidet eine Steuerlogik 5, unter Verwendung bereits übertragener Informationen χφ für jeden zu quantisierenden Abtastwert, welcher Quantisierer und Codierer aus dem Quantisierersatz und Codierersatz verwendet wird. (4) Heitmann, J.: System zur Codierung von Video-Signalen nach dem sogenannten Differenzverfahren, DE-OS 23 64 629. Hier wird ein DPCM-System mit gesteuertem Quantisierer vorgeschlagen, der über zwei Quantisierungskennlinien verfügt und abhängig davon, ob der maximale Prädiktionsfehler e, benachbarter Bildpunkte eine vorgegebene Schwelle überschreitet oder nicht, die eine oder andere Kennlinie einschaltet
Die erreichbare Bildqualität hängt in starkem Maße von der Wahl der Quantisierungskennlinien und des Steuerkriteriums ab. Insbesondere kann die mit dem 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 beispielsweise für die Quantisierung eines Bildpunktes einer ruhenden Bildvorlage in einer Sequenz von Fernsehbildern unterschiedliche Quantisierungskennlinien verwendet 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 VorhersageTertes χ zur Steuerung des Quantisierers benutzt wird, während in der hier beschriebenen Erfindung das Steuerkriterium in geeigneter Weise vom quantisierten Prädiktionsfehler e, abgeleitet wird.
Der Unterschied zu dem in (3) gemachten Vorschlag besteht darin, daß dort die absolute Größe des Ausgangssignals xq zur Steuerung des Quantisierers benutzt wird und die erwähnten dort auftretenden störenden Umschalteeffekte durch die hier beschriebene Erfindung fast vollständig vermieden we» den und die Biidqualität dadurch beachtlich erhöht wird.
Der Unterschied zu dem in (4) gemachten Vorschlag besteht darin, daß dort die Quantisierungskennlinien den Steuerkriterien nicht so angepaßt sind, daß die beim Umschalten der Kennlinien möglicherweise auftretenden Quantisierungsfehler unter der Wahrnehmbarkeitsgrenze bleiben, wie es durch das in der Erfindung beschriebene Verfahren auch bei Verwendung mehrerer Quantisierungskennlinien gewährleistet ist
Der Neuigkeitswert der Erfindung liegt darin, daß die verschiedenen Kennlinien mit jeweils K' Quantisierungsstufen in geeigneter Weise aus einer Quantisierungskennlinie mit wesentlich mehr als K' Stufen abgeleitet werden. Dies sei am Beispiel von Fig.3 erläutert Nach einem in (5) Thoma, W.: Optimizing the DPCM for Video Signals Using a Model of the Human Visual System, 1974 Zürich Seminar, Tagungsband S. C3(l)-C3(7), (6) Candy, J. C, Bosworth, R. H.: Methods for Designing Differential Quantizers Based on Subjective Evaluations of Edge Busyness, BST] 51 (1972), S.1495 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 + (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. Fi g. 4) dargestellt. Diese Kurve wurde meßtechnisch ermittelt und gibt an, daß z. B. Quantisierungsfehler unter 4,5 an der Stelle χ nicht sichtbar sind, d. h. maskiert werden, wenn am Bildpunkt A oder ßoder Coder Dein Prädiktionsfehler größer als 32 aufgetreten ist In diesem Fall können folglich alle Repräsentativwerte der zugrundegelegten 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 an Hand 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 K' = 16 Werte beschränken. Die Kennlinie I gemäß F i g. 3b mit den 16 kleinsten Repräsentativwertcn der Quantisierungskennlinie muß benutzt werden, wenn die Prädiktionsfehler an den Punkten A und B 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 Prädiktionsfehkr größer oder gleich 20 aufgetreten, so werden auf Grund der in Fig.3a dargestellten Kurven Quantisieningsfehler an der Stelle X die kleiner als 3,5 sind, maskiert Somit können die Repräsentativwerte 0 und 5 der Kennlinie 1 zur
ίο Quantisierung des Bildpunktes X ausgelassen und dafür ein Repräsentativwert 59 gemäß Kennlinie 11 hinzugenommen 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 7Z
Dieses Verfahren kann fortgesetzt werden, indem man weitere Repräsentativwerte im inneren Teil der Quantisierungskennlinie fortläßt und außen hinzufügt.
derart, daß der dadurch unter Umständen entstehende größere Quantisierungsfehler 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 Umsch&lt-Störungen auftreten können.
In der Tabelle 1 sind die Kriterien zur Steuerung der vier in Fig.3b dargestellten Kennlinien sowie die Codierung der dazugehörigen Steuersignale SiSo angegeben.
Eine mögliche Realisierung des erläuterten gesteuerten Quantisierers für ein DPCM-System gemäß F i g. 5 ist in F i g. 6 dargestellt F i g. 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 e feeereeese^ejezeieo) fällt Tabelle 2 gibt den Zusammenhang zwischen dem Betrag des Prädiktionsfehlers e und den Entscheidungssignalen EwExoEaEeEiEsEsEtE^Ex Eo aa Das Vorzeichen VZdes Prädiktionsfehlers e und die Entscheidungssignale EuEiOE9E6E7E6E5EtE3E2E^Eo werden dem Bewerber B zugeführt, der in Abhängigkeit der Steuersignale SiSo entsprechende Repräsentativwerte auswählt und einer Dualzahl e^egee^e^e^e^e^e^e^ie,^) zuordnet Der Bewerter B kann aufgeteilt werden in je ein Bewerterschaltnetz für jede Stelle e,, der Dualzahl e„ wie in Fig.6b dargestellt Eine Realisierung für e^o ist für die Kennlinien nach Fig.3b in Abhängigkeit der Steuersignale SiS0 in Fig.6c angegeben. Für jede Kennlinie wird die Wertigkeit der Stelle e,o (0 oder L) parallel berechnet Die Steuersignale SiSo schalten eine der vier Wertigkeiten auf den Ausgang βψ. Entsprechend werden auch die Stellen e,i bis e# realisiert Eine mögliche Realisierung der Steuerlogik ist in F i g. 7 angegeben.
Die Erfindung kann mit den gleichen Vorteilen auch auf andere Quantisierungskennlinien mit einer anderen Anzahl K' von Quantisierungsstufen und anderen Prädiktoren angewandt werden. Desgleichen können die Umschaltwellen variiert werden sowie anderen Kombinationen der als Steuerkriterium dienenden Prädiktionsfehler der Bildpunkte A, B, C, D verwendet werden.
27 40 945
5		 6 0
Tabelle 1 L
Kriterien zur Steuerung der Kennlinien von Fig. 3b 0
Betrag des
fehlers an		 maximalen quanlisierlen l'rädiktions- Auszuwählende
den Punkten A oder B oder Coder D Kennlinie
nach Fig. 3b		 L
>72 IV
>36 Hi
>20 Il Steuersignale
S1 S0
<20 I 0
0
L
L
Tabelle 2
Zusammenhang zwischen dem Betrag des Prädikationsfehlers e und den Entscheidungssignalen Ex ]E]OE9EgE1EbE5EAE}E2EiEu
Betrag des Prädikationsfehlers
0<e< 4 7
41 < e· < 53 52<p<66 65O<80 79<e<93 p>92
Entscheidungssignal Ex0 E9 E, E1 Eb Ei Ea Ei E2 E1 E
Eu 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 L
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 L L
0 0 0 0 0 0 0 0 0 L L L
0 0 0 0 0 0 0 0 L L L L
0 0 0 0 0 0 0 L L L L L
0 0 0 0 0 0 L L L L L L
0 0 0 0 0 L L L L L L L
0 0 0 0 L L L L L L L L
0 0 0 L L L L L L L L L
0 0 L L L L L L L L L L
0 L L L L L L L L L L L
0 L L L L L L L L L L L
L 1 Blatt Zeichnungen
Hierzu

Claims (3)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Obertragen von Bildsignalen mit Hilfe der Differenz-Puls-Code-Modulation (DPCM) b und gesteuertem Quantisierer, wobei zwischen verschiedenen Quantisierungskennlinien umgeschaltet wird, wobei das Steuerkriterium zum Umschalten der Quantisierungskennlinien aus den quantisierten Prädiktionsfehlern der dem jeweils betrachteten Bildpunkt benachbarten Bildpunkten abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils benutzte Quantisierungskennlinie mit wenigen Quantisierungsstufen jeweils aus einer Quantisierungskennlinie mit wesentlich mehr Quantisie- 1$ rungsstufen abgeleitet wird, daß die Repräsentativwerte der zugrunde gelegten Quantisierungskennli-,nie 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 als Steuerkriterium zum Umschalten der Quantisierungskennlinien der maximale Prädiktionsfehler 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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