DE3240207C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur digitalen Übertragung von Fernsehbildern, bei denen jeweils die digitalisierten Signalwerte eines Teilbildes mit Hilfe einer Transformation in Spektralwerte umgewandelt werden, die nach einer Quantisierung ausgesendet werden.

Bei der digitalen Übertragung von Fernsehbildern sind verschiedene Verfahren zur Datenreduktion bekannt. Die meisten Verfahren machen sich die Unempfindlichkeit des menschlichen Auges gegen Helligkeitsfehler und besonders gegen Farbfehler zunutze. Darüber hinaus werden Übertragungsverfahren, wie beispielsweise die Differenz-Puls- Code-Modulation (DPCM), zur weiteren Datenreduktion angewendet.

In dem Aufsatz "Nachrichtenreduktion und Nachrichtensicherung mit Hilfe von orthonormierten m-Sequenzen bei der Übertragung nichtbewegter Graubilder" aus der Zeitschrift "NTZ Archiv" Bd. 3, 1981, Heft 1 Seiten 9 bis 19, wird über ein neuartiges Funktionensystem (m-Funktionen) und seine Anwendung in der Bildübertragung berichtet. Mit Hilfe von orthonormierten m-Sequenzen (m-Funktionen) läßt sich eine spezielle Signaltransformation, die M-Transformation, ähnlich der Fourier- oder Walshtransformation durchführen. Transformationsverfahren sind in der Datenreduktion Prädiktionsverfahren (Differenzpulscodemodulation, Deltamodulation) und Interpolationsverfahren ebenbürtig.

Das Fernsehbild wird bei Transformationsverfahren in verschiedene Spektralwerte umgesetzt, die auf der Empfangsseite wieder in die entsprechenden Signalwerte (Luminanz und Chrominanz) umgesetzt werden. Fehler, die durch die Verfälschung der Spektralwerte entstehen, werden kaum wahrgenommen. da sich die Energie der Fehler auf das gesamte Teilbild erstreckt.

Die vorliegende Erfindung setzt ein mittelwertfreies Transformationsverfahren voraus.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, unter Verwendung einer mittelwertfreien Transformation ein Verfahren zur digitalen Übertragung von Fernsehbildern anzugeben, das mit einer nochmals reduzierten Datenrate auskommt.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der arithmetische Mittelwert der Signalwerte des Teilbildes errechnet und übertragen wird, daß von den n Signalwerten des Teilbildes durch eine mittelwertfreie Transformation nur n-1 Spektralwerte errechnet und nach der Quantisierung ausgesendet werden, daß empfangsseitig aus den quantisierten Spektralwerten durch Summation der nicht übertragene Spektralwert ermittelt wird, daß durch eine inverse M-Transformation die mittelwertfreien Signalwerte ermittelt werden und daß durch Addition mit dem gespeicherten Mittelwert die Signalwerte der Bildpunkte des Teilbildes errechnet werden.

Kern der Erfindung ist es, daß ein Spektralwert nicht übertragen werden muß, wenn eine mittelwertfreie Transformation (beispielsweise eine M-Transformation) angewendet wird. Dieser Spektralwert kann aus den übrigen Spektralwerten berechnet werden, da er die Ergänzung zum Wert Null darstellt. Bei der Anwendung von Quantisierungsverfahren ist dieser Spektralwert möglicherweise mit einem Quantisierungsfehler behaftet, der jedoch für das Auge durch den Verschmierungseffekt nicht bemerkbar ist. Der mittlere Signalwert, bei der Übertragung von Graubildern also die mittlere Luminanz, wird separat übertragen. Gegen Fehler des mittleren Signalwertes ist das Auge relativ empfindlich. Ein Teilbild kann aus einem niederfrequenten Anteil und hochfrequenten Anteilen zusammengesetzt gedacht werden. Dem niederfrequenten Anteil entspricht der mittlere Signalwert, dem hochfrequenten Anteil entsprechen die Spektralwerte. Empfangsseitig wird ein Teilbild wiederum aus dem Mittelwert und den in Signalwerte zurücktransformierten Spektralwerten zusammengesetzt. Bei der Übertragung der Spektralwerte kann ein beliebiger Wert ausgenommen werden, der mit Hilfe der anderen Spektralwerte berechnet wird. Das Verfahren eignet sich für alle mittelwertfreien Transformationsverfahren.

Es ist vorteilhaft, daß der letzte Spektralwert nicht übertragen wird und daß dieser Spektralwert empfangsseitig durch Addition aller anderen Spektralwerte und Umkehr des Vorzeichens der Summe ermittelt wird.

Der letzte Spektralwert kann durch einfache Addition der bereits empfangenen Spektralwerte und Umkehr des Vorzeichens ermittelt werden.

Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind in den übrigen Unteransprüchen angegeben. Das Verfahren wird anhand der Fig. 1 bis 4 näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild der Sendeeinrichtung,

Fig. 2 ein Prinzipschaltbild der Empfangseinrichtung,

Fig. 3 eine Darstellung zur M-Transformation,

Fig. 4 ein Teilbild für die eindimensionale Transformation eines Fernsehbildes,

Fig. 5 ein Teilbild, das für eine zweidimensionale Transformation geeignet ist und

Fig. 6 eine Schaltung zur Transformation.

Der in Fig. 1 prinzipiell dargestellte Sendeteil enthält einen AD-Wandler 1, dessen Ausgang mit einem Speicher 2 verbunden ist. Der Ausgang dieses Speichers ist mit einer Schaltung zur Mittelwertbildung 3 und mit einer Transformationseinrichtung 4 verbunden. Der Transformationseinrichtung 4 ist ein Quantisierer 5 nachgeschaltet. Die Ausgänge des Quantisierers 4 und der Schaltung zur Mittelwertbildung 3 werden einer Übertragungseinrichtung 6 zugeführt, deren Ausgang mit 6₂ bezeichnet ist.

Über den Eingang 1₁ wird dem AD-Wandler 1 das Fernsehsignal (Videosignal) zugeführt. Die Funktion soll zunächst nur grob anhand eines Schwarzweißbildes erläutert werden. Das Videosignal entspricht hier dem Luminanzteil eines Farbfernsehbildes. Nach der Umwandlung in digitale Signalwerte werden diese zunächst in den Speicher 2 eingeschrieben. Aus diesem werden Teilbilder mit beispielsweise drei Bildpunkten abgerufen. In der Schaltung zur Mittelwertbildung 3 wird der Mittelwert MW durch Addition aller Signalwerte und Division durch die Anzahl der Signalwerte gebildet. In der Transformationseinrichtung 4 werden n-1-Spektralwerte, in diesem Fall also zwei Spektralwerte, errechnet. Diese werden im Quantisierer 6 quantisiert und zusammen mit dem zugehörigen Mittelwert der Übertragungseinrichtung 6 zugeführt. Diese kann beispielsweise einen DPCM-Codierer enthalten, der eine weitere Datenreduktion ermöglicht. Außerdem enthält die Übertragungseinrichtung 6 alle für die Aussendung benötigten Schaltungen.

Der in Fig. 2 dargestellte Empfangsteil enthält eine Empfangseinrichtung 7, der über ihren Eingang 7₁ die empfangenen Daten zugeführt werden. Ihr Ausgang ist mit einem Empfangsspeicher 8 verbunden, dessen Ausgang mit einem Mittelwertspeicher 9 und einer Rechenschaltung 10 verbunden ist. Der Ausgang der Rechenschaltung 10 ist mit einer Rücktransformationseinrichtung 11 verbunden. Die Ausgänge der Rücktransformationseinrichtung 11 und des Mittelwertspeichers 9 sind den Eingängen eines Addierers 12 zugeführt, dessen Ausgang über einen DA- Wandler 13 einer Steuereinrichtung 14 zugeführt ist, deren Ausgang 14₂ beispielsweise zur Helligkeitssteuerung an eine Bildröhre angeschaltet ist. Die Empfangseinrichtung 7 sorgt zunächst für die Umsetzung in ein digitales Signal. Die empfangenen Spektralwerte werden in den Empfangsspeicher 8 eingespeichert und stehen für die Ermittlung des dritten Spektralwertes in der Rechenschaltung 10 zur Verfügung. Die Ermittlung des dritten Spektralwertes erfolgt durch Addition der bereits empfangenen Spektralwerte, die in der Rechenschaltung 10 aufaddiert werden. Durch Umkehr des Vorzeichens ergibt sich aus der Summe der dritte Spektralwert. Aus diesen z. B. in der Rechenschaltung gespeicherten Spektralwerten erfolgt in der Rücktransformationseinrichtung 11 die Berechnung der ebenfalls mittelwertfreien Signalwerte. Durch Addition eines Signalwertes mit dem im Mittelwertspeicher 9 festgehaltenen Mittelwert MW, der zweckmäßig jeweils zuerst übertragen würde, wird für jeden Bildpunkt im Addierer 12 der ursprüngliche Signalwert, hier das Luminanzsignal, ermittelt und über den DA-Wandler 13 an die Bildsteuereinrichtung 24 als analoges Signal weitergegeben.

Zunächst soll das Verfahren am Beispiel einer M-Transformation näher erläutert werden. In Fig. 3 ist eine eindimensionale m-Funktion in Matrixform dargestellt. Sie entspricht einer Folge von zweiwertigen Signalen -1, +0,5. Die Transformation läßt sich in Matrizenschreibweise darstellen.

T · f = F (Gl. 1)

f = Signalwerte (Funktionswerte), F = Vektor der Transformierten, auch als Spektrum bezeichnet, T = Transformationsmatrix.

Für die Berechnung von drei Spektralwerten F₁ bis F₃ gilt demnach:

Die hier verwendete Transformationsmatrix ergibt sich aus dem in Fig. 3 dargestellten eindimensionalen m-Funktionssystem (Fig. 3.1 bis 3.3).

Eine Normierung der Spektralwerte durch Multiplikation mit einem konstanten Faktor kann hier unberücksichtigt bleiben. Diese hat den Zweck, die Größe der Spektralwerte zu beschränken.

Der n-te Spektralwert F(n) kann entsprechend Gleichung 3 ermittelt werden. Dies geschieht durch Summation der n-1 Spektralwerte und Umkehr des Vorzeichens.

Auf der Empfangsseite wird der nicht übertragene Spektralwert F _q,x , dies ist zweckmäßigerweise der letzte Spektralwert F _n = F₃, aus den quantisierten Spektralwerten F _q,1 bis F _q,n-1, also F _q,1 und F _q,2, entsprechend ermittelt.

Die Berechnung der mittelwertfreien Signalwerte f _q = S₁ bis S _n erfolgt durch Verwendung der inversen Matrix T ^-1 entsprechend:

f _q = T ^-1 · F _q (5)

Die Berechnung der Signalwerte f * _q , die bis auf Quantisierungsfehler den ursprünglichen Signalwerten f = a, b, c . . . entsprechen, erfolgt durch Addition des Mittelwertes MW zu den Signalwerten f _q :

f * _q = f _q + MW = S₁ + MW, S₂ + MW, S₃ + MW, . . . (6)

In einem in Fig. 4 dargestellten Teilbild T 11 sind die Signalwerte a bis c der einzelnen Bildpunkte eingetragen. An dieses erste Teilbild schließt sich horizontal ein weiteres Teilbild mit ebenfalls drei Bildpunkten T 12 an und vertikal das Teilbild T 21 usw. Die Berechnung der einzelnen Spektralwerte bereitet keine Schwierigkeiten, da nur eine Multiplikation (hier mit -1 bzw. + 0,5) notwendig ist, der eine Addition folgt (2).

In Fig. 5 sind Teilbilder T 11′ bis T 22′ dargestellt, die jeweils 9 Bildpunkte enthalten. Das Teilbild T 11 enthält Bildpunkte mit den Signalwerten a bis i.

Die Umsetzung in Spektralwerte erfolgt hier mit Hilfe einer mittelwertfreien zweidimensionalen Transformation. Werden die entsprechenden Bildpunkte des vorangegangenen Bildes mit berücksichtigt, dann ist eine dreidimensionale Transformation erforderlich. Für das beschriebene Verfahren ist dies jedoch unwesentlich, da es bei allen mittelfreien Transformationen verwendbar ist.

In Fig. 6 ist eine Schaltungsanordnung zur Ermittlung der Spektralwerte angegeben. Sie enthält einen umschaltbaren arithmetischen Baustein 20, ein Register 21 und eine Steuerung 22. Die Signalwerte f werden über einen steuerbaren Multiplizierer 19 einem ersten Dateneingang 23 des arithmetischen Bausteins 20 zugeführt. Der Ausgang 26 des umschaltbaren arithmetischen Bausteins 20 ist über das Register 21 mit dem zweiten Dateneingang 24 verbunden. Über die Steuerung 22 wird der Baustein 20 über seinen Steuereingang 25 von Addieren auf Subtrahieren umgeschaltet. Bei einer Addition wird gleichzeitig der Multiplizierer 19 aktiviert. Dies geschieht beispielsweise durch ein Gatternetzwerk, durch das alle Bits um eine Stelle nach "rechts" verschoben werden, wodurch eine Multiplikation mit 0,5 erfolgt. Hierzu kann beispielsweise der Baustein SN 545257 der Firma Texas Instruments verwendet werden. Entsprechend einer in Fig. 3 dargestellten Matrix erfolgt die Umsteuerung durch Anlegen einer logischen Null bzw. logischen Eins. Die Steuerinformation ist hierzu beispielsweise in einem Schieberegister untergebracht, wo sie bitweise verschoben wird. Nach der Abarbeitung eines Multiplikationsvorganges wird das Schieberegister mit der nächsten Zeile der Matrix T neu geladen. In das Register 21 wird durch einen am Takteingang 27 von der Steuerung 22 gelieferten Impuls das Ergebnis jedes Additionsvorganges übernommen. Am Ende jedes Multipliziervorganges wird der jeweilige Spektralwert am Ausgang 26 des Registers 21 abgegeben. Bei Transformationen, die nur die Werte 0, +1, -1 umfassen, kann der Multiplizierer 19 selbstverständlich entfallen.

Die Rechenschaltung 10 auf der Empfangsseite kann ähnlich der in Fig. 6 dargestellten Schaltung aufgebaut sein. Während die ersten zwei Spektralwerte addiert werden, erfolgt die Ermittlung des letzten Spektralwertes F _q,3 durch Anlegen des Signalwertes Null an den ersten Dateneingang 23 und Umschaltung auf Subtrahieren, durch Umkehrung des Vorzeichens durch einen Inverter oder durch Vertauschen der Additionsvorgänge mit den Subtraktionsvorgängen.

Auch die Rückstransformationseinrichtung 12 ist entsprechend der Schaltungsanordnung nach Fig. 5 aufgebaut. Durch die Rücktransformation werden alle Signalwerte f _q = S₁ bis S _n ermittelt, die sich nach der Addition mit dem Mittelwert MW nur durch Quantisierungsfehler von den ursprünglichen Signalwerten f = a, b, c . . . unterscheiden.

Als umschaltbarer arithmetischer Baustein eignet sich beispielsweise der Baustein SN 54 S 181 der Firma Texas Instruments.

Claims (8)

1. Verfahren zur digitalen Übertragung von Fernsehbildern, bei denen jeweils die digitalisierten Signalwerte eines Teilbildes mit Hilfe einer Transformation in Spektralwerte umgewandelt werden, die nach einer Quantisierung ausgesendet werden, dadurch gekennzeichnet, daß der arithmetische Mittelwert (MW) der Signalwerte (f = a bis c) des Teilbildes errechnet und übertragen wird, daß von den n Signalwerten (f) des Teilbildes durch eine mittelwertfreie Transformation nur n-1 Spektralwerte (F = F₁, F₂, . . .) errechnet und nach der Quantisierung ausgesendet werden, daß empfangsseitig aus den quantisierten Spektralwerten (F _q = F _q,1, F _q,2, . . .) durch Summation der nicht übertragene Spektralwert (F _q,x ) ermittelt wird, daß durch eine inverse Transformation die mittelwertfreien Signalwerte (f _q = S₁ bis S _n ) ermittelt werden und daß durch Addition mit dem gespeicherten Mittelwert (MW) die Signalwerte (f* _q = MW + F _q ) der Bildpunkte des Teilbildes errechnet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der letzte Spektralwert (F _n ) nicht übertragen wird und daß dieser Spektralwert (F _q,n ) empfangsseitig durch Addition aller anderen Spektralwerte und Umkehr des Vorzeichens der Summe ermittelt wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Datenreduktion der Spektralwerte durch eine DPCM-Codierung erfolgt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelwert (MW) mit gegenüber den Spektralwerten (F) erhöhter Genauigkeit übertragen wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Übertragung von Farbfernsehbildern eine getrennte Codierung von Luminanz und Chrominanz erfolgt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine mehrdimensionale Transformation der Signalwerte (a bis i) vorgesehen ist.

7. Schaltungsanordnung zur Berechnung der Spektralwerte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein von Addition auf Subtraktion umschaltbarer arithmetischer Baustein (20) vorgesehen ist, dessen erstem Dateneingang (23) über einen umschaltbaren Multiplizierer (19) die Signalwerte (a, b, c) zugeführt sind, daß der Ausgang des arithmetischen Bausteins über ein Register (21) auf den zweiten Dateneingang (24) des arithmetischen Bausteins zurückgeführt ist und daß eine Steuerung (22) zur Umschaltung von Addition und Subtraktion entsprechend einer Transformationsmatrix (T; T ^-1) vorgesehen ist.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie empfangsseitig für die Berechnung der Signalwerte (f _q ) aus den Spektralwerten (F _q ) vorgesehen ist.