DE2740945C3 - Verfahren zum Übertragen von Bildsignalen mit Hilfe der Differenz-Puls-Code-Modulation (DPCM) und geste uertem Quantisierer - Google Patents
Verfahren zum Übertragen von Bildsignalen mit Hilfe der Differenz-Puls-Code-Modulation (DPCM) und geste uertem QuantisiererInfo
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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
Arten von DPCM-Verfahren vorgeschlagen. Ein prinzipielles Blockschaltbild eines DPCM-Systems ist in
Fig. 1 angegeben. Das analoge bandbegrenzte Videosignal
einer Bildquelle (Kamera, Diaabtaster, Filmabta-"ster
od. ä.) wird in einem Analog/Digital-Wandler
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' Quantisiemngsstufen, 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,
der aus den quantisierten Werten xq den Vorhersagewert ί bildet
Im Empfänger entsteht am Ausgang des Decodierers D wieder das Signal e? Es wird zu Jf addiert. Bei
fehlerfreier Übertragung entspricht das Ergebnis der so 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 Quantisierungsfehler,
wie »edge busyness« und »overload«, auch wenn aufwendige zweidimensionale Prädiktoren
verwendet werden. (1) Connor, D. J, Pease, R. F. Wn
Scholes, W. G.: »Television Coding Using Two Dimensional Spatial Prediction«, BSTJ 50 (1971), S.
1049-1061.
Um die Sichtbarkeit solcher Fehler von DPCM-Systemen
zu verringern, wurden Verfahren mit umschaltbaren Quantisierungskennlinien vorgeschlagen. (2) Musmann,
H. G.: Nachrichtenübertragungssystem, Patentanmeldung P 21 31 083.8 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 S, unter Verwendung bereits übertragener
Informationen χψ 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 eq 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.
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 Quantisie- s
rungsrauschen 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 ι ο
Vorhersagewertes χ zur Steuerung des Quantisierers
benutzt wird, während in der hier beschriebenen
Erfindung das Steuerkriterium in geeigneter Weise vom quantisierten Prädiktionsfehler eq 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 werden und die Bildqualität 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, BSTJ 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 fden Vorhersagewert χ aus χ =
A+(C'-B)Il 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. F i 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. n. maskiert werden, wenn am Bildpunkt A oder Äoder
Coder D ein 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 Repräsentativ- bo
werte 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 t. 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 Repräsentativwerten der Quantisierungskennlinie muß benutzt werden, wenn die Prädiktionsfehler an
den Punkten A und fiund 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 auf Grund der in Fig.3a
dargestellten Kurven Quantisierungsfehler an der Stelle X, die kleiner als 3,5 sind, maskiert Somit können die
Repräsentativwerte 0 und 5 der Kennlinie I zur Quantisierung des Bildpunktes X ausgelassen und dafür
ein Repräsentativwert 59 gemäß Kennlinie II 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 72.
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 Umschalt-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 S\So
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 (βββτβ6β5&ε3βζβιβο) fällt Tabelle 2 gibt den
Zusammenhang zwischen dem Betrag des Prädiktionsfehlers e und den Entscheidungssignalen
Ei 1 EwEaBsE7E6E5EtE3E2E1 E0 an. Das Vorzeichen VZdes
Prädiktionsfehlers e und die Entscheidungssignale EnEwE9EBEjE6E5EAEiE2EiEo werden dem Bewerber B
zugeführt, der in Abhängigkeit der Steuersignale S\So
entsprechende Repräsentativwerte auswählt und einer Dualzahl e/e^e^e^eflse^e^e^e^ie,^) zuordnet Der
Bewerter B kann aufgeteilt werden in je ein Bewerterschaltnetz für jede Stelle eq,- der Dualzahl e,, wie
in Fig.6b dargestellt Eine Realisierung für e^o ist
für die Kennlinien nach F i g. 3b in Abhängigkeit der Steuersignale Si.Sq in Fig.6c angegeben. Für jede
Kennlinie wird die Wertigkeit der Stelle β<$ (0 oder L)
parallel berechnet. Die Steuersignale SiSb schalten eine
der vier Wertigkeiten auf den Ausgang e^. Entsprechend
werden auch die Stellen eq\ bis 5$ realisiert. Eine
mögliche Realisierung der Steuerlogik ist in Fig.7 angegeben.
Die Erfindung kann mit den gleichen Vorteilen auch auf andere Quantisierungskennlinien mit einer anderen
Anzahl K' von Quantisierungsstufen und anderen Λ-ädiktoren angewandt werden. Desgleichen können
die Umschaltwellen variiert werden sowie anderen Kombinationen der als Steuerkriterium dienenden
Prädiktionsfehler der Bildpunkte A, B, C, D verwendet werden.
Kriterien zur Steuerung der Kennlinien von Fig. 3b
fehlere an den Punkten A oder B oder C oder D Kennlinie
nacJiFig. 3b S, S0
>72
>36
>20
<20
>36
>20
<20
Zusammenhang zwischen dem Betrag des Prädikationsfehlers e und den Entscheidungssignalen En
| IV | 0 | 0 |
| III | 0 | L |
| II | L | 0 |
| I | L | L |
E\\ E\0 £9 £g £7 £*6 £5 £4 £3 £3 £"] E0
0<e< 4 3<e< 7
10<e<16 15<<?<24 23<<?<32
3KK42
52<e<66 65<e<80
79<e<93
e>92
| 0 | 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 |
| L | L | L | L | L | L | L | L | L | L | L | L |
| Hierzu | 7 Blatt Zeichnungen |
Claims (3)
1. Verfahren zum Übertragen von Bildsignalen mit Hilfe der Differenz-Puls-Code-Modulation (DPCM)
und gesteuertem Quantisierer, wobei zwischen verschiedenen Quantisierungskennünien umgeschaltet
wird, wobei das Steuerkriterium zum Umschalten
der Quantisierungskennünien aus den quantisierten Prädiktionsfehlern der dem jeweils betrachteten
Bildpunkt benachbarten Bildpunkten abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die
jeweils benutzte Quantisierungskennlinie mit wenigen Quantisiemngsstufen jeweils aus einer Quantisierungskennlinie
mit wesentlich mehr Quantisierungsstufen abgeleitet wird, daß die Repräsentativwerte der zugrunde gelegten Quantisiertingskennlinie
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 Qiuantisierungskennlinie
hinzugefügt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Steuerkriterium zum Umschalten
der Quantisierungskennlinien der maximale Prädiktionsfehler der benachbarten Büdpunlcte verwendet
wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Steuerkriterium zum Umschalten
der Quantisierungskennünien eine gewichtete Summe aus den quantisierten Prädiktionsfehlern der
benachbarten Bildpunkte verwendet wird.
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Publications (3)
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ID=6018701
Family Applications (1)
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| FR (1) | FR2402981B1 (de) |
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1977
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