DE3426939C2 - Vorrichtung für eine geschlossene prädiktive Quantisierung eines digitalen Vektorsignals - Google Patents

Vorrichtung für eine geschlossene prädiktive Quantisierung eines digitalen Vektorsignals

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Abstract

Durch eine Einbettungsquantisierung genannte Vektorsignalquantisierung wird die DPCM (Differentialpulscodemodulation) für eine Farbfernsehsignalübertragung sowohl hinsichtlich der Bildqualität als auch der Informationskompression verbessert. Nach der Erfindung wird ein Vektorsignal, das mehrere Elemente aufweist, quantisiert, während das quantisierte Ausgangssignal nach mehreren Quantisierungs- und Prädiktionsoperationen gebildet wird. Die Anzahl der Wiederholungen der Quantisierung und Prädiktion ist beispielsweise gleich der Anzahl der Elemente des Vektorsignals. Ein Vektor besteht beispielsweise aus drei Elementen, die die drei Primärfarbsignale Rot, Grün und Blau eines Farbfernsehsignals darstellen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung für eine geschlossene prädiktive Quantisierung eines digitalen Vektorsignals nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Diese Vorrichtung wird beispielsweise für eine DPCM (Differentialpulscodemodulation) eines Farbfernsehsignais verwendet.
Es ist bekannt, die Differentialpulscodemulation (DPCM) und eine präiüktive Quantisierung zur Umsetzung (Codierung) analoger Signale in digitale Impulse anzuwenden, um die Informationsmcnge zu verringern, so daß die Bildinformation in einem schmalen Frequenzbereich und/oder in kurzer Zeit übertragen werden kann. Die DPCM ist in dem Bell System Technical Journal, Mai bis Juni, 1966, S. 689 bis 721 beschrieben.
Die Kombination der bekannten DPCM und prädiktiven Quantisierung ist jedoch für eine Hochgeschwindigkeitsübertragung eines Bildsignals nicht ausreichend. So wird beispielsweise eine Hochgeschwindigkeitsübertragung eines RGB-Stehbildes (aus roten, grünen und blauen Komponenten der drei Pr'rnärfarben) mit 512 x 512 Elementen innerhalb von 10 Sekunden gefordert.
Wenn die Übertragungsgeschwindigkeit 48 Kb/s beträgt, dann ist die zulässige Anzahl der Bits Tür jede Quantisierung kleiner als 3 Bits. Berücksichtigt man, daß die Komponenten R, G und gewöhnlich in 8 Bit quantisiert sind, dann ist eine starke Informationskompression erforderlich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der gattungsgemäßen Art anzugeben, die eine stärkere Informationskompression und bessere Bildqualität ermöglicht.
Die Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch I gekennzeichnet.
Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung werden mehrere prädiktive Fehlersignale gleichzeitig quantisiert. Dies hat den Vorteil, daß die Bildqualität eines Farbfernschbildes besonders an den Rändern des Bildes verbessert und die Informationsmenge eines zu übertragenden Bildsignals verringert wird.
Die Erfindung und ihre Weiterbildungen werden nachstehend anhand der Zeichnung bevorzugter Ausfuhrungsbeispiele näher beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Vektorquantisierungsvorrichtung, bei der die Erfindung angewandt werden kann,
F i g. 2A ein ausführliches Blockschaltbild des Codie-
rcrs 10 nach Fig. 1 für die eine geschlossene Quantisierung,
Fig. 2B den Betriebsablauf der Einrichtung nach Fig. 2A,
F i g. 2C ein Ausführungsbeispiel der Quantisierungs-Steuereinheit 16 nach Fig. 2Λ,
F i g. 2D ein anderes Ausführungsbeispiel der Quantisierungssteuereinheit 16 nach Fig. 2A und
Fig. 3 ein Beispiel für Vektorkoordinaten nach der Erfindung.
Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines DPCM-Übertragungssyslems, bei dem die erfmdungsgemäße Vektorquantisierung angewandt wird. Darin ist mit 10 der Codierer bezeichnet, der einen Eingangssignalumsetzcr 11 zur Umsetzung eines seriellen Eingangssignals in ein paralleles Vcktorsignal, einen Subtrahierer 12, einen Quanlisiercr 13, einen Prädiktor 14 und einen Addierer 15 aufweist. Mit 20 ist ein Kanalkodierer bezeichnet, der das DPCM-Vcktorsignal in einen Kanalcode zur Anpassung der Übertragungsgeschwindigkeit an die Kanalgeschwindigkeit umsetzt. Mit 3D ist ein Kanaidecodierer bezeichnet, der den Kanalcode in einen DPCrvI-Vektor umsetzt, und mit 40 ein Decodierer zum Decodieren eines DPCM-Vektorsignals, der einen Addierer 41, einen Prädiktor 42 und einen Ausgangssignalumsetzer 43 aufweist, der das Signal in eine serielles Signal umsetzt.
Ein Eingangssignal /,, bei dem es sich um ein abgetastetes Signal im Zeitbereich handelt, wird dem Eingangssignalumsetzer Il zugeführt, der n-Abtastwerte, wobei η eine ganze Zahl und größer 2 ist, in ein Vektorsignal / umsetzt (eine Serien-Parallel-Umsetzung durchfuhrt). Durch den Sijbtrahierer 12 wird ein prädiktivcs Fchlcrvektorsignal £ gebildet, indem er den prä-
diktiven Wert / , der durch den Prädiktor 14 erzeugt
wird, vom Iiingangsvektorsignal / subtrahiert. Der Quantisjerer 13 quantisiertdas prädiktive Fehlervektor; signal E, um das quantisierte Vektorausgangssignal Q zu bilden, das über den Kanalkodierer 20 zu einer digita-Ien Schaltung übertragen wird.
Auf der Empfangsseite wird das durch dea Kanaldekodicrer 30 dekodierte Vektorsignal dem Addierer 41
zugeführt, der den prädiktiven Wert /' zum Eingangssignul addiert, um das Ausgangsvektorsignal / ' zu bilden. Dann bewirkt der Ausgangssignalumsetzer 43 die Umsetzung des parallelen Veklorsignals in ein serielles Zeitbercichsignal I0.
Jedes Signal läßt sich wie folgt darstellen:
Eingangsvektorsignal: / =
(D
55
prädiktivcs Vcktorsignal: E -
60
(2)
65 prädiktiver Wert: / =
quantisiertes
Vektorausgangssignal: Q =
Q\
Das Bezugszeichen für das entsprechende empfangsseitige Signal ist mit einem hochgestellten Beistrich versehen. _^
Das quantisierte Vektorausgangssignal Q nach Fig. ! läßt sich in Form der Gleichung (5'- darstellen, wobei mil λ die Quantisierungsoperation bezeichnet ist.
Q = R(E) = R(I -/).
Für das Vektorausgangssignal / ' des Addierers 41 gilt die Gleichung (6).
Ί + q'\ i'i + Qi i'„ + q'„
__ Bildung des quantisierten Vektorausgangssignals Q ist es bekannt, das Verfahren zur Bildung des quadratischen Minimums anzuwenden, d. h., das quantisierte Vektorausgangssignal Q so zu bilden, daß der quadra^ tische Fehler D zwischen dem Eingangsvektorsisnal 7 des Addierers 12 im Codierer 10 und dem Ausgangsvektorsignal / ' im Decodierer 40 minimal ist.
D=(J- I1Y(J - 7') (7)
(mit »T« = transportierte Matrix, die Spaltenvektoren in Zeilenvektoren ändert).
Bei der Bildung des prädiktiven Wertes /A(l < k < n) im Prädiktor 14 wird jedoch das Signal iL(\ <L<(k - I)), das bereits den Quantisierungsfehler aufweist, verwendet, werden der Fehler dieses Signals und/oder die Fehler der vorhergehenden Signale aufsummiert und tritt der aufsummierte Fehler bei einem Teil der Komponentenvektoren auf. Es ist dahe: festgestellt worden, daß das Bild auf der Empfangsseite stark verzerrt ist.
Durch die Erfindung wird dieser Nachteil vermieden.
Die Quantisierung wird bei dem prädiktiven Fehlervektorsignal E - (eu e2 e„Y bewirkt, und unter
Berücksichtigung der Fortpflanzung des Quantisierungsfehlers läßt sich der Quantisierungsvektor Q wie folgt darstellen:
R(I -Q)
7 - A /
Q= R
/„( Qj, <£, . . ., (J11)
Das prädiktive Signal / enthält daher selbst den Quantisierungsfehler des letzten Prädiktionsfehlers, so
dsß /, das den Fehler aufweist, dargestellt wird als
/ = /( Q). Die Gleichungen (4) und (5) werden dann wie folgt korrigiert:
Q = R(I - /(Q))
wobei R der Operator für die Vektorquantisierung ist.
Das Endziel ist die Auflösung der Gleichung (10) und die Ermittelung dss Wertes " dsr die Gleichen" (!0) erfüllt. ^
Wenn die quantisierte Vektorausgangsgröße Q, die die Gleichung (7) zur Minimisierung des quadratischen Fehlers erfüllt, gewonnen worden ist, erfüllt diese Ausgangsgröße nieht_die Gleichung (10). D. h., wenn eine Ausgangsgröße Q gewonnen worden ist, könnte die Gleichung (10) eine andere Quantisierungsausgangsgröße Q2 ergeben, wie es durch die Gleichung (11) dargestellt ist.
eine geschlossene Quantisierung mit einer Quanlisicrungssteuereinheit 16, Schaltern 17 und 18 (SW,, und SWB) und anderen Bauteilen, die mit den gleichen (9) Bezugszahlen wie die gleichen Bauteile in Fig. I vcrsehen sind. Die Schalter 17 und 18 und die zugehörige Steuereinheit 16 stellen ein wesentliches Merkmal der Erfindung dar.
Fig. 2B veranschaulicht die Wirkungsweise dieser Schalter. In der Anfangsphase jedes Vektors ist der Schalter 17 (SWA) mit dem Kontakt O1 und während der anderen Zeiten mit dem Kontakt a2 verbunden. Der Schalter 18 (SW11) ist mit dem Kontakt 6, während der Einbettungsoperation verbunden, und in der Endphase der Quantisierung ist der Schalter 18 mit dem Kontakt (10) 15 b2 verbunden, so daß das quantisierte Ausgangssignal zu einer externen Schaltung übertragen wird. Zur Steuerung der Schalter wird der Quantisierungsstcuereinheit 16 ein Taktpuls zugeführt, der an jeder EIerrieritkornpcneriteristeüe des Vektors ein Irripuissigrs;·.!
aufweist.
In der Anfangsphase ist der Schalter 17 mit dem Kontakt ax verbunden, so daß der Anfangswert Q* für die Einbettungsoperation gebildet wird. Zu dieser Zeit wird das Eingangssignal dem Prädiktor 14 über den Schalter 17 zugeführt, und die quantisierte Anfangsausgangsgröße Q*, die nicht durch den Quantisierungsfchlcr beeinträchtigt wird, ist nachstehend dargestellt.
Q1 = R(I - /(Q)).
(H) 30
Q* = R(I - i*) = R I -
Ferner ergibt die Ausgangsgröße Q2 eine andere Ausgangsgröße Q- nach Gleichung (10). Das endgültige Ergebnis der geschlossenen Quantisierung nach Gleichung (10) ist daher einer der folgenden beiden Zustände:
. '\ I
T-
35
Zustand (1): _ _
Die quantisierte Ausgangsgröße Q1, Q3, konvergiert, d. h., man erhält die endgültige Ausgangsgröße
Q„ weiche die Gleichung (Qn = R(T - /(QJ) erfüllt.
Zustand (2):
Die quantisierte Ausgangsgröße divergiert oder oszilliert, d. h. es wiederholer, sich ständig die beiden folgenden Gleichungen:
Q,= RlT - /(Qn-,)), und
R(I - 1(Q11)), aber Qn,, = Qn
50
Versuche haben gezeigt, daß nahezu alle Eingangsbildvektoren konvergieren, wie es im Zustand (1) dargestellt ist, und daß weniger als 10% aller Vektoren in dem Zustand (2) divergieren. Ferner kann die Anzahl der geschlossenen Quantisierungen bis zum Erreichen des konvergenten Zustands kleinerals die Anzahl η der Elemente des Vektors sein. Wenn der Zustand divergiert, wie es im Zustand (2) dargestellt ist^wird eine der quantisierten Ausgangsgrößen Qn und Qn- , ausgewählt, so daß der quadrische Fehler der Gleichung (7) kleiner ist. Für diesen Fall haben Untersuchungen gezeigt, daß sowohl Qr als auch Q„ , weitgehend die gleiche Bildqualität ergeben.
Erfindungsgemäß wird daher eine geschlossene Quantisierung bewirkt und ein quantisiertes Ausgangssignal erzeugt, das den Quantisierungsfehler mittelt.
Fig. 2A zeigt ein Blockschaltbild des Codierers für Der Anfangswert Q* wird daher durch das Eingangsvektorsignal / gebildet. Wenn der Anfangswertgebildet worden ist. wird der Schalter 17 auf den Kontakt o3 umgeschaltet.
Wenn der Schalter 17 nicht vorgesehen wäre, müßte ein spezieller Quantisierer zur Bildung des Anfangswertes bei der Bildung des das quadratische Minimum darstellenden Quantisierungsausgangssignals nach Gleichung (7) vorgesehen werden, so daß der Aufbau der Vorrichtung wegen dieses zusätzlichen Quantisicrers aufwendig wäre.
Wenn der Anfangswert gebildet worden ist, wird der Schalter 17 auf den Kontakt a2 umgeschaltet und die geschlossene Quantisierung durch Verwendung des Ausgangssignals als Eingangssignal der nächsten Phase bewirkt. Bei einer Anzahl η von geschlossenen Quantisierungen ergeben sich folgende Quantisierungsschritte:
• Q* C=
•Q„+i
Nachdem eine n-malige geschlossene Quantisierung abgeschlossen ist, wird der Schalter 18 auf den Kontakt O2 umgeschaltet, so daß die letzte Quantisierungsausgangsgröße Qn+ , einer externen Schaltung zugeführt wird.
Die Schalter 17 und 18 werden durch die Quantisierungssteuereinheit 16 gesteuert. Die Fig. 2C und 2D zeigen zwei Ausführungsbeispiele der Quantisierungssteuereinheit 16.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2C wird der Schalter 18 umgeschaltet, wenn die Bedingung der Gleichung (10) erfüllt ist. In Fig. 2C bezeichnet 16-1 einen Zähler (CNT2 ) zum Zählen eines festen Taktpulses, um
den Schalter 17( SWJ so zu steuern, daß der Schalter 17 noch in der Anfangsphase der geschlossenen Quantisierung mit dem Kontakt a\ verbunden wird. Die Wirkungsweise dieses Schalters 16-1 ist sehr einfach, und der Schalter 17 wird bei jedem vorbestimmten Taktimpuls mit dem Kontakt o, verbunden. In Fig. 2C bezeichnen 16-3cinc Verknüpfungsschaltung, d. h. ein NAND-Glied in ?orm eines UND-Gliedes mit eingangsseitiger Negation, 16-4a bis 16-4» Verzögerungsglieder, die jeweils eine einer Taktperiode entsprechende Verzögerung bewirken, 16-5ö bis 16-5« Subtrahierer und <fi bis i/„l£ingangssignale, die Elemente des durch den Quantisiercr 13 gebildeten Vektors darstellen.
Alle Subtrahierer 16-5obis 16-5n erzeugen aber das Ausgangssignal 0, wenn das Elementsignal ^(mit i = n) gleich dem lüementsignal der vorhergehenden Taktperiode ist. Und, wenn die Ausgangssignale aller Subtrahicrer I6-5r/ bis 16-5« null sind, erzeugt die Verknüpl'i.inussc-hnltiini! 16-3 das Ausgangssignal 1. das dem Schulter 18 zugeführt wird, um den Kontakt mit O2 zu verbinden. Die Bedingung, daß die Verknüpfungsschaltung 16-3 das Ausgangssignal 1 erzeugt, bedeutet, daß die Gleichung (10) konvergiert.
Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel der Quantisierungssleuereinheit 16 nach Fig. 2D bezeichnet 16-1 den gleichen Zähler wie den nach Fig. 2C und 16-2 einen weiteren Zähler zum Zählen der Taktimpulse. Der Zähler 16-2 erzeugt ein Ausgangssignal, um den Schalter 18( SW.,) im letzten Takt mit dem Kontakt b, zu verbinden. D. h., wenn ein Vektor aus einer Anzahl von m IUc Renten bestehl, ist das Ausgangssignal des Zählers l6-2( C7V7,') während der Takte 1 bis m - 1 null und während des m-ten Taktes eins, so daß der Schalter SW,, während des ersten bis (m - l)-ten Taktes mit dem Kontakt b, und während des /?;-ten Taktes mit dem Kontakt O1 verbunden ist. Bei dem Ausfiihrungsbeispiel nach F i g. 2D ist nicht sichergestellt, daß die Gleichung (10) konvergiert. Wie jedoch bereits erwähnt wurde, genügt es, die Einbettungsoperation so oft zu wiederholen, wie ein Vektor Elemente aufweist, so daß die Anordnung nach F i g. 2D für die eigentliche Codierung eines Bildsignals ausreicht.
Der Quantisierer 13 in Fig. 2A kann ein ROM (Festwertspeicher) sein, der die Quantisierungskennlinien speichert und durch Zuführung eines prädiktiven Fehlcrsignals als Adressensignal ausgelesen wird. Dabei wird mithin eine Quantisierung durch ein einmaliges Auslesen des ROM bewirkt.
Bei dem Prädiktor 14 kann es sich um einen herkömmlichen Prädiktor handeln, bei dem ein prädiktiver Algorithmus nach einem herkömmlichen Teilercodierungsverfahren (scalor coding technology) angewandt wird.
Fig. 3 zeigt schließlich ein Beispiel der Vektorkoordinalen des Ausgangssignais des Kanalkodierers 20. Bei diesem Beispiel ist die Anzahl der Elemente eines Vektors gleich drei, obwohl zuvor ein Ausführungsbeispiel mit vier Elementen beschrieben worden ist.
Der Codierer 10 nach Fig. 2A erzeugt das quantisierte Vektorsignal mit den Elementen eR, e6 und eB. Jedes dieser Kiemente kann mehrere Zustände (Werte) aufweisen, weil es durch eine DPCM codiert ist. Das Ausgangssignal des Kanalkodierers 20 ist eines von 0 bis 8 Ausgangssignalen, die jeweils den Zustand (Wert) der Elemente gemäß nachstehender Tabelle darstellen.
0
1
2.
3
4
5
6
7
0 0
10 0 0
10 0 0 0
O 0
O 10
O 0
10 0
0 -10
0 0
10 0
0 20
0 -20
Wenn beispielsweise das Ausgangssignal des Kanalkodierers 20 eine 8 ist, bedeutet dies, daß das Element eK = 0, das Element eB = 0 und das Element ea - -20 ist. Auf diese Weise wird ein Farbbildelement in codierter Form durch nahezu 3 Bits (0-8) dargestellt.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:
1. Vorrichtung für eine geschlossene prädiktive Quantisierung eines digitalen Vektorsignals, mit einem Eingangsanschluß zur Aufnahme eines abgetasteten Eingangssignals, einem Subtrahierer, einem am Ausgang des Subtrahierers angeschlossenen Quantisierer, einem Addierer und einem am Ausgang des Addierers angeschlossenen Prädiktor, wobei der Subtrahierer die Differenz zwischen dem Eingangssignal und dem Ausgangssignal des Prädiktors und der Addierer die Summe des Ausgangssignals des Quantisierers und des Ausgangssignals des Prädikators bildet, dadurch gekennzeichnet, daß dem Eingangsanschluß ein Vektorsignal aus mehreren Eingangssignalen zur Quantisierung eines Vektorsignals zugeführt wird, daß zur Bildung mehrerer quantisierter Ausgangssignaie mehrmals eine Prädiktion uni Quantisierung eines Eingangssignals durchgeführt »erden, daß ein Schalter SW* vorgesehen ist, durch den ein Eingang des Prädiktors derart umschaltbar ist, daß dem Prädiktor in einer ersten Taktperiode einer Einbettungsquantisierungsoperation ein Eingangssignal und in anderen Taktperiöden ein Ausgangssignal des Addierers zugeführt wird, daß am Ausgang des Quantisierers ein Schalter SWB vorgesehen ist, über den einer externen Schaltung ein quantisiertes Ausgangssignal zuführbar ist, und daß eine Quantisierungssteuereinheit (16) zur Steuerung der Schalter SWt und SWB vorgesehen ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch. 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Quantisierungssteuereinheit (16) eine Koinzidenzfeststelleinrichtu ig zum Feststellen, ob das Ausgangssignal des Quantisierers mit dem Ausgangssignal desselben in einer vorhergehenden Taktperiode zusammenfallt, so daß der Schalter SW8 den Quantisiererausgang mit einer externen Schaltung verbindet, wenn die Koinzidenzfeststelleinrichtung die Koinzidenz feststellt, und einen Zähler zum Zählen eines Taktpulses zur Abgabe eines Ausgangssignals an den Schalter SW,, so daß der Prädiktor nur in einer Anfangsphase der Einbettungsquantisierung ein Eingangssignal enthält, aufweist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Koinzidenzfeststelleinrichtung mehrere Verzögerungsglieder zum Verzögern eines Signals um eine Taktperiode, mehrere Subtrahierer zum Subtrahieren der Ausgangssignale der Verzögerungsglieder von einem Eingangssignal und ein logisches Verknüpfungsglied aufweist, daß das Ausgangssignal erzeugt, wenn die Ausgangssingale aller Subtrahierer null sind.
v. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dal.? die Quantisierungssteuereinheit (16) einen ersten Zähler (16-1) zur Abgabe eines derartigen Ausgangssignals an den Schalter SW.„ daß der Prädiktor nur während der Anfangsphase der Einbettungsquantisierung ein Eingangssignal erhält, und einen zweiten Zähler (16-2) zur Abgabe eines derartigen Ausgangssignals an den Schalter SW11, daß der Ausgang des Quantisierers bei jeder Quantisierung eines Vektors während der letzten Taktimpulsperiode mit einer externen Schaltung verbunden wird.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl von Wiederholungen der Einbettungsquantisierung gleich einer Anzahl von Elementen des zu quantisierenden Vektors ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem SchalterSW,, ein Kanalkodierer zur Kodierung eines quantisierten Vektorsignals in einen einzigen digitalen Wert nachgeschaltet ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Vektor drei Elemente aufweist, die die Primärfarben Rot, Grün und Blau zur Übertragung eines Farbfernsehsignals darstellen.
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